第5講 短距離無線通信技術(shù)

1、 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 1 物聯(lián)網(wǎng)工程概論物聯(lián)網(wǎng)工程概論 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 2 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 3 短距離無線通信技術(shù)：指作用距離在毫米級到千米級的，局部 范圍內(nèi)的無線通信技術(shù)。 涵蓋近場通信（Near Field Communication，NFC，作用距離為厘米級） 無線個域網(wǎng)（Wireless Personal Area Networks，WPAN，作用距離10m級） 無線局域網(wǎng)（Wireless Local A

2、rea Networks，WLAN，作用距離100m級 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（ Wireless Sensor Networks，WSN，作用距離為數(shù)百米至千 米級）。 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 4 品種繁多，應(yīng)用范圍極廣： 通信速率：從幾Kb/s幾Gb/s；(RFID/WPAN) 通信模式： 點對點（紅外） 點對多點（藍牙） 網(wǎng)狀（ZigBee） 通信介質(zhì)：紅外線(IrDA) 、可見光(VLC)； 通信對象： 人體（體域網(wǎng)WBAN） 車輛（車聯(lián)網(wǎng)VAN） 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 5 p低功耗。

3、便攜性和移動性，避免相互干擾。低功耗。便攜性和移動性，避免相互干擾。 p低成本。消費電子領(lǐng)域，使用量大。低成本。消費電子領(lǐng)域，使用量大。 p多在室內(nèi)環(huán)境下應(yīng)用。多在室內(nèi)環(huán)境下應(yīng)用。 p使用使用ISM頻段。通用性和民用性，免許可證。頻段。通用性和民用性，免許可證。 p電池供電。小型化，移動性。電池供電。小型化，移動性。 共性特點 基本要求 決定因素 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 6 WiFi 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 7 一般30米 通信速率26Kbps（低頻）。實現(xiàn)每秒30個對 象的識別，對付最

4、大速度為1m/s的運動目標。 低頻（125kHz）、高頻（915MHz）、超高 頻（2.45GHz） 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 8 “ZigBee”一詞源自蜜蜂群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時，通過跳“ZigZag” 形舞蹈來相互告知， 達到交換信息目的。 一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙 向無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于自動控制領(lǐng)域，滿足小型廉價設(shè) 備的聯(lián)網(wǎng)和控制。 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 9 ZigBee是是IEEE802.15.4技術(shù)的商業(yè)名稱，其前技術(shù)的商業(yè)名稱，其前 身是身是“Ho

5、meRFlite”技術(shù)。技術(shù)。 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 10 按照網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理范圍分為無線廣域網(wǎng)（廣域網(wǎng)（WWAN）、）、無線城域網(wǎng)城域網(wǎng) （WMAN）、）、無線局域網(wǎng)（局域網(wǎng)（WLAN）和）和無線個域網(wǎng)（個域網(wǎng)（WPAN） 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 11 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 12 2001年8月，ZigBee Alliance成立。 2004年，ZigBee V1.0誕生。它是Zigbee規(guī)范的第一個版本。 由于推出倉促，存在一

6、些錯誤。 2006年，推出ZigBee 2006，比較完善。 2007年底，ZigBee PRO推出。 2009年3月，Zigbee RF4CE推出，具備更強的靈活性和遠程 控制能力。 ZigBee起源：起源： 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 13 802.15.4/ZigBee 是無線傳感網(wǎng)領(lǐng)域最為著名 的無線通信協(xié)議 ZigBee主要定義了網(wǎng)絡(luò)層以及 之上的應(yīng)用層的規(guī)范 802.15.4主要定義了短距離通 信的物理層以及鏈路層規(guī)范 ZigBee基于IEEE 802.15.4標準（802.15.4僅僅定義了物理層和MAC層），由 ZigBee聯(lián)盟

7、在IEEE802.15.4協(xié)議上定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層而形成，用于構(gòu)建無 線個域網(wǎng)和無線傳感網(wǎng)絡(luò) IP地址 MAC 地址 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 14 物理層 數(shù)據(jù)鏈路層 網(wǎng)絡(luò)層 傳輸層 會話層 表示層 應(yīng)用層 比特流傳輸 提供介質(zhì)訪問、鏈路管理等 尋址和路由選擇 建立主機端到端連接 建立、維護和管理會話 處理數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)加密等 提供應(yīng)用程序間通信 OSI參考模型 IP地址 MAC 地址 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 15 Internet GPRS Zigbee協(xié)調(diào)器 Zigbee協(xié)調(diào)器 Z

8、igbee傳感節(jié)傳感節(jié) 點點 Zigbee傳感節(jié)傳感節(jié) 點點 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 16 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 17 路由路由（routing）就是通過互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)把信息從源 地址傳輸?shù)侥康牡刂返幕顒印Ｂ酚砂l(fā)生在OSI網(wǎng)絡(luò) 參考模型中的第三層即網(wǎng)絡(luò)層。作成硬件的話， 則稱為路由器。 節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)任何支路的終端或網(wǎng)絡(luò)中兩個或更多 支路的互連公共點，通信傳送網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，是 信號的交叉連接點，是業(yè)務(wù)分插交匯點，是網(wǎng)絡(luò) 管理系統(tǒng)的切入點，是信號功率的放大點和傳輸 中的數(shù)字信號的再生點。 物

9、 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 18 低數(shù)據(jù)速率的WPAN中包括兩種無線設(shè)備：全功能設(shè)備（FFD）和精簡功能設(shè) 備（RFD）。其中，F(xiàn)FD可以和FFD、RFD通信，而RFD只能和FFD通信，RFD之 間是無法通信的。RFD的應(yīng)用相對簡單，例如在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，它們只負責將 采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給它的協(xié)調(diào)點，并不具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、路由發(fā)現(xiàn)和路由維 護等功能。RFD占用資源少，需要的存儲容量也小，成本比較低。 在一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，至少存在一個FFD充當整個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，即PAN協(xié) 調(diào)器，ZigBee中也稱作ZigBee協(xié)調(diào)器。一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)只有一個P

10、AN協(xié)調(diào)器。通 常，PAN協(xié)調(diào)器是一個特殊的FFD，它具有較強大的功能，是整個網(wǎng)絡(luò)的主要 控制者，它負責建立新的網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標、管理管理網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點以及存儲 網(wǎng)絡(luò)信息等。FFD和RFD都可以作為終端節(jié)點加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。此外，普通FFD 也可以在它的個人操作空間（POS）中充當協(xié)調(diào)器（路由），但它仍然受PAN 協(xié)調(diào)點的控制。ZigBee中每個協(xié)調(diào)點最多可連接255個節(jié)點，一個ZigBee網(wǎng)絡(luò) 最多可容納65535個節(jié)點。 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 19 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器 包含所有的網(wǎng)絡(luò)信息，是三種設(shè)備當中最 復(fù)雜的一種，存儲容量最

11、大，計算能力最 強。 發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標、建立一個網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點、存儲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息、尋找一對節(jié)點 中的路由信息、不斷地接收信息。 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 20 全功能設(shè)備全功能設(shè)備 可以擔任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，形成網(wǎng)絡(luò)，讓其它 的FFD或是RFD連接，F(xiàn)FD具備控制器的功能， 可提供信息的雙向傳輸。 附帶由標準的全部802.15.4功能和所有特征。 更多的存儲器，計算能力可使其空閑時起 網(wǎng)絡(luò)路由器作用。 也可用作終端設(shè)備。 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 21 精簡功能設(shè)備精簡功能設(shè)備 RFD只能傳送信

12、息給FFD或從FFD接收信息。 附帶有限的功能來控制成本和復(fù)雜性。 在網(wǎng)絡(luò)中通常用作終端設(shè)備。 RFD由于省掉了內(nèi)存和其它電路，降低了部 件的成本。 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 22 星型星型 樹型樹型 在星型拓撲結(jié)構(gòu)中，所有的終端設(shè)備只和協(xié)在星型拓撲結(jié)構(gòu)中，所有的終端設(shè)備只和協(xié) 調(diào)器之間進行通信，協(xié)調(diào)器作為發(fā)起設(shè)備，調(diào)器之間進行通信，協(xié)調(diào)器作為發(fā)起設(shè)備， 協(xié)調(diào)器一旦被激活，它就建立一個自己的網(wǎng)協(xié)調(diào)器一旦被激活，它就建立一個自己的網(wǎng) 絡(luò)，并作為絡(luò)，并作為PAN協(xié)調(diào)器。路由設(shè)備和終端設(shè)協(xié)調(diào)器。路由設(shè)備和終端設(shè) 備可以選擇備可以選擇PAN標識符加入

13、網(wǎng)絡(luò)。標識符加入網(wǎng)絡(luò)。 樹型網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器和多個星型結(jié)構(gòu)連接樹型網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器和多個星型結(jié)構(gòu)連接 而成，設(shè)備除了能與自己的父節(jié)點或子節(jié)點而成，設(shè)備除了能與自己的父節(jié)點或子節(jié)點 互相通信外，其他只能通過網(wǎng)絡(luò)中的樹型路互相通信外，其他只能通過網(wǎng)絡(luò)中的樹型路 由完成通信；在樹型網(wǎng)絡(luò)中，由協(xié)調(diào)器發(fā)起由完成通信；在樹型網(wǎng)絡(luò)中，由協(xié)調(diào)器發(fā)起 網(wǎng)絡(luò)，路由器和終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)，路由器和終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 23 拓撲結(jié)構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu) 網(wǎng)狀型網(wǎng)狀型 網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)是在樹型網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)是在樹型網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。 與樹

14、狀網(wǎng)絡(luò)不同的是，它允許網(wǎng)絡(luò)中所有具與樹狀網(wǎng)絡(luò)不同的是，它允許網(wǎng)絡(luò)中所有具 有路由功能的節(jié)點互相通信，由路由器中的有路由功能的節(jié)點互相通信，由路由器中的 路由表完成路由查尋過程路由表完成路由查尋過程 。在網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò) 中，每個設(shè)備都可以與在無線通信范圍內(nèi)的中，每個設(shè)備都可以與在無線通信范圍內(nèi)的 其他任何設(shè)備進行通信。其他任何設(shè)備進行通信。 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 24 星形結(jié)構(gòu)整個網(wǎng)絡(luò)由一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器來控制， 是一種常用且適用于長期運行使用操作的網(wǎng)絡(luò)。 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是一種高可靠性監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器 負責啟動網(wǎng)絡(luò)以及選擇關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。 簇

15、樹結(jié)構(gòu)是星形和網(wǎng)狀形的混合型拓撲網(wǎng)絡(luò)， 結(jié)合了兩種拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 25 ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備比較網(wǎng)絡(luò)設(shè)備比較 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 26 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 27 物理層訪問接口物理層訪問接口 物理層數(shù)據(jù)服務(wù)物理層數(shù)據(jù)服務(wù) 訪問接口，簡稱訪問接口，簡稱 PD-SAP，PD- SAP負責物理層負責物理層 和和MAC層之間提層之間提 供數(shù)據(jù)服務(wù)。供數(shù)據(jù)服務(wù)。 物理層管理服務(wù)訪問物理層管理服務(wù)訪問 接口，簡稱

16、接口，簡稱PLME- SAP，PLME-SAP除除 了負責在物理層和了負責在物理層和 MAC層之間傳輸管理層之間傳輸管理 服務(wù)之外，還負責維服務(wù)之外，還負責維 護物理層護物理層PAN信息庫；信息庫； 物理層通過射頻固件和射頻硬件提供了一個從MAC層到物理層的無線 信道接口。 zigbee物理層結(jié)構(gòu)模型 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 28 IEEE 802.15.4中兩個不同的物理層中兩個不同的物理層 ZigBee物理層物理層 868MHz/915MHz物 理層 通道0通道110 868.3MHz902.0MHz928.0MHz 2.4GHz2.4

17、83 5GHz 通道1126 2.4GHz物理層 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 29 工作頻率范圍/MHz頻段類型國家和地區(qū) 868868.6ISM歐洲 902928ISM北美 24002483.5ISM全球 各個國家和地區(qū)各個國家和地區(qū)ZigBee頻率工作范圍頻率工作范圍 頻段（MHz） 擴 展 參 數(shù)數(shù) 據(jù) 參 數(shù) 碼片速率 （kchip/s） 調(diào) 制 比特速率 （kbit/s） 符號速率 （kBaud/s） 符 號 868868.6 300BPSK2020二進制 902928 600BPSK4040二進制 24002483.5 2000O-

18、QPSK25062.516相正交 ISM 免執(zhí)照的工業(yè)科學(xué)醫(yī)療 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 30 ZigBee共定義了27個物理信道，其中，868MHz頻段定義了一個信道； 915MHz頻段附近定義了10個信道，信道間隔為2MHz；2.4GHz頻段定義 了16個信道，信道間隔為5MHz。具體信道分配如下表： 其中，理論上，在868MHz的物理層，數(shù)據(jù)傳輸速率為20Kb/s；在915MHz 的物理層，數(shù)據(jù)傳輸速率為40Kb/s；在2.4GHz的物理層，數(shù)據(jù)傳輸速率為 250Kb/s。 信道編號信道編號 中心頻率中心頻率/MHz信道間隔信道間隔/M

19、Hz頻率上限頻率上限/MHz頻率下限頻率下限/MHz K=0868.3868.6868.0 K=1,2,3, ,10906+2(k-1)2928.0902.0 K=11,12,13, ,262401+5(k-11)52483.52400.0 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 31 物理層數(shù)據(jù)包格式 4字節(jié)字節(jié)1字節(jié)字節(jié)1字節(jié)字節(jié)變量變量 前同步碼幀定界符幀長度（7位） 預(yù)留位（1位）PSDU 同步包頭物理層包頭物理層凈荷 同步包頭用于獲取符號、擴頻碼、幀同步。也有助于粗略的頻率調(diào)整。 物理層包頭指示的是凈電荷部分的長度。 物理層凈電荷部分含有MAC層

20、數(shù)據(jù)包，凈荷部分最大程度不超過127字節(jié)。 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 32 ZigBee數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層 IEEE 802系列把數(shù)據(jù)鏈路層分成LLC（邏輯鏈路控制）和 MAC（媒體訪問控制）兩個子層。 LLC子層主要功能是進行數(shù)據(jù)包的分段與重組以及確保數(shù)據(jù) 包按順序傳輸。 MAC子層的功能包括設(shè)備間無線鏈路的建立、維護和斷開， 確認模式的幀傳送與接收，信道接入與控制，幀校驗與快 速自動請求重發(fā)（ARQ），預(yù)留時隙管理以及廣播信息管 理等，幀結(jié)構(gòu)如圖所示 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 33 幀

21、控制域指明了MAC幀的類型，地址域的格式及是否需要接收方確認 等控制信息。幀序號域包含了發(fā)送方對幀的順序編號，用于匹配確認。 地址域采用的尋址方式可以是64位IEEE MAC地址或8位的zigbee網(wǎng)絡(luò)地址。 FCS用于接收方判斷該數(shù)據(jù)是否正確。 2字節(jié)字節(jié)1字節(jié)字節(jié)0/2字節(jié)字節(jié)0/2/8字字 節(jié)節(jié) 0/2字節(jié)字節(jié)0/2/8字字 節(jié)節(jié) 可變可變2字節(jié)字節(jié) 幀控制序列號目的 PAN 標示符 目的地 址 源 PAN 標示符 源地址幀載荷FCS MHR（MAC層幀頭）MAC載荷MFR MAC層數(shù)據(jù)包格式 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 34 它具有四種

22、不同的幀形式，即信標幀、數(shù)據(jù)它具有四種不同的幀形式，即信標幀、數(shù)據(jù) 幀、確認幀和命令幀。幀、確認幀和命令幀。 信標幀MPDU由MAC子層子層產(chǎn)生。在信標網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器通過向網(wǎng)絡(luò)中 的所有從設(shè)備發(fā)送信標幀，以保證這些設(shè)備能夠同協(xié)調(diào)器進行同步 （同步工作和同步休眠），以達到網(wǎng)絡(luò)功耗最低（非信標模式只允許 ZE進行周期性休眠，ZC和所有ZR必須長期處于工作狀態(tài)）。其幀結(jié)構(gòu) 如下圖所示。 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 35 數(shù)據(jù)幀由高層（應(yīng)用層）高層（應(yīng)用層）發(fā)起，在ZigBee設(shè)備之問進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?時候，要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)由應(yīng)用層生成，經(jīng)過逐層數(shù)據(jù)處理后發(fā)

23、送給MAC 層，形成MAC層服務(wù)數(shù)據(jù)單元(MSDU)。通過添加MAC層幀頭信息和幀 尾，便形成了完整的MAC數(shù)據(jù)幀MPDU，其幀結(jié)構(gòu)如下圖所示。 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 36 應(yīng)答幀由MAC子層子層發(fā)起。為了保證設(shè)備之問通信的可靠性，發(fā)送設(shè) 備通常要求接收設(shè)各在接收到正確的幀信息后返回一個應(yīng)答幀，向發(fā) 送設(shè)備表示已經(jīng)正確的接收了相應(yīng)的信息。其幀結(jié)構(gòu)如下圖所示。 MAC子層應(yīng)答幀由MHR和MFR組成。MHR包括MAC幀控制域和數(shù)據(jù)序 列號；MFR由16bit的FCS組形成。 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線

24、通信技術(shù) 37 MAC命令幀由MAC子層子層發(fā)起。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，為了對設(shè)備的工作 狀態(tài)進行控制，同網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備進行通信，MAC層將根據(jù)命令類 型生成相應(yīng)的命令幀。其幀結(jié)構(gòu)如下圖所示。 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 38 zigbee 網(wǎng)絡(luò)層的基本功能： 網(wǎng)絡(luò)維護； 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受； 路由的選擇以及廣播通信 網(wǎng)絡(luò)層參考模型 網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是提供一些必要的函數(shù)，確 保zigbee的MAC層正常工作。并為應(yīng)用層提供合適 的服務(wù)接口、包括數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)。 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技

25、術(shù) 39 NLDE-SAP 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實 體 網(wǎng)絡(luò)層管理實體 MCPS-SAPMLME-SAP NLME-SAP 上層實體 MAC層實體 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 40 網(wǎng)絡(luò)層內(nèi)部由兩部分組成，分別是網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體（網(wǎng)絡(luò)層內(nèi)部由兩部分組成，分別是網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體（NLDE）和網(wǎng)）和網(wǎng) 絡(luò)層管理實體（絡(luò)層管理實體（NLME） 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體通網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體通 過訪問服務(wù)接口過訪問服務(wù)接口 NLDE-SAP為上層為上層 提供數(shù)據(jù)服務(wù)提供數(shù)據(jù)服務(wù) 網(wǎng)絡(luò)層管理實體通過訪網(wǎng)絡(luò)層管理實體通過訪 問服務(wù)接口問服務(wù)接口NLME-SAP 為上層提供網(wǎng)絡(luò)層的管為上

26、層提供網(wǎng)絡(luò)層的管 理服務(wù)，另外還負責維理服務(wù)，另外還負責維 護網(wǎng)絡(luò)層信息庫護網(wǎng)絡(luò)層信息庫 網(wǎng)絡(luò)層參考模型 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 41 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體提供如下服務(wù)： u生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（NPDU）； u指定拓撲傳輸路由。 u安全 網(wǎng)絡(luò)層管理實體提供如下服務(wù)： u配置一個新的設(shè)備； u初始化一個網(wǎng)絡(luò)； u連接和斷開網(wǎng)絡(luò)； u路由發(fā)現(xiàn)； u鄰居設(shè)備發(fā)現(xiàn)； u接受控制。 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 42 網(wǎng)絡(luò)層幀結(jié)構(gòu)：即網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元（NPDU） 2字節(jié)2字節(jié)2字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)0/8字節(jié)0

27、/8字節(jié)0/1字節(jié)變長變長 幀控制 目的 地址 源地 址 廣播 半徑 域 廣播 序列 號 IEEE 目的地 址 IEEE 源地址 多點傳 送控制 源路 由幀 幀的有 效載荷 網(wǎng)絡(luò)層幀報頭 網(wǎng)絡(luò)層 的有效 載荷 幀結(jié)構(gòu)幀結(jié)構(gòu) 組成組成 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（NPDU）結(jié)構(gòu)由網(wǎng)絡(luò)層幀報）結(jié)構(gòu)由網(wǎng)絡(luò)層幀報 頭和網(wǎng)絡(luò)層的有效載荷兩部分組成。頭和網(wǎng)絡(luò)層的有效載荷兩部分組成。 幀報頭包含幀控制、地址信息、廣播半徑域、幀報頭包含幀控制、地址信息、廣播半徑域、 廣播序列號、多點傳送控制等信息廣播序列號、多點傳送控制等信息 幀報頭幀報頭 幀有效載荷的長度是可變的，包含的是幀有效載荷的長度是可變

28、的，包含的是 上層的數(shù)據(jù)單元信息上層的數(shù)據(jù)單元信息 幀有效幀有效 載荷載荷 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 43 幀結(jié)構(gòu)幀結(jié)構(gòu) 幀控制子域幀控制子域 幀類型幀類型 幀類型子域占幀類型子域占2位，位，00表示數(shù)據(jù)幀，表示數(shù)據(jù)幀，01表示命令幀，表示命令幀，1011保留保留 協(xié)議協(xié)議 版本版本 協(xié)議版本子域占協(xié)議版本子域占4位，為位，為Zigbee網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議標準的版本號網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議標準的版本號 ，在，在Zstack- CC2530-2.5.1A中版本號為中版本號為2 發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn) 路由路由 發(fā)現(xiàn)路由子域占發(fā)現(xiàn)路由子域占2位，位，00表示禁止路由發(fā)現(xiàn)，表示禁止

29、路由發(fā)現(xiàn)，01表示使能路由發(fā)現(xiàn)，表示使能路由發(fā)現(xiàn)， 10表示強制路由發(fā)現(xiàn)，表示強制路由發(fā)現(xiàn)，11保留保留 廣播廣播 標記標記 廣播標記占廣播標記占1位，位，0表示為單播或者廣播，表示為單播或者廣播，1表示組播表示組播 安全安全 安全子域占安全子域占1位，當該幀為網(wǎng)絡(luò)層加密時，安全子域的值為位，當該幀為網(wǎng)絡(luò)層加密時，安全子域的值為1，當未加，當未加 密時，值為密時，值為0 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 44 幀結(jié)構(gòu)幀結(jié)構(gòu) 幀控制子域幀控制子域 源路由源路由 源路由子域占源路由子域占1位，位，1表示源路由子幀在網(wǎng)絡(luò)報頭中存在。如果源路由表示源路由子幀

30、在網(wǎng)絡(luò)報頭中存在。如果源路由 子幀不存在，則源路由子域值為子幀不存在，則源路由子域值為0。 IEEE目目 的地址的地址IEEE目的地址為目的地址為1時，網(wǎng)絡(luò)幀報頭包含整個時，網(wǎng)絡(luò)幀報頭包含整個IEEE目的地址目的地址 IEEE源源 地址地址IEEE源地址為源地址為1時，網(wǎng)絡(luò)幀報頭包含整個時，網(wǎng)絡(luò)幀報頭包含整個IEEE源地址源地址 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 45 低功耗。在低耗電待機模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作624個 月，甚至更長，這是ZigBee的突出優(yōu)勢。相比較，藍牙能工作數(shù)周、WiFi 可工作數(shù)小時。 低成本。通過大幅簡化協(xié)

31、議（不到藍牙的1/10），降低了對通信控制器的 要求。以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32KB代碼，子功 能節(jié)點少至4KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議專利費。每塊芯片的價格大約為2 美元。 低速率。ZigBee工作在20250kbps的速率，分別提供250 kbps(2.4GHz)、 40kbps(915 MHz)和20kbps(868 MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸 數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。 近距離。相鄰節(jié)點間傳輸距離一般介于10100m之間，在增加發(fā)射功率 后，亦可增加到13km。通過增加路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離 將可以更遠。 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章

32、章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 46 短時延。ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms， 節(jié)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進一步節(jié)省了電能。相比較，藍牙需 要310s、WiFi 需要3 s。 高容量。ZigBee可采用星狀、簇樹狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點 管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點 還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理，最多可組成65000 個節(jié)點的大網(wǎng)。 高安全。ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用訪問控 制清單(Access Control List, ACL) 防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密 標準(AES 128

33、)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。 免執(zhí)照頻段。使用工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段，915MHz(美國), 868MHz(歐洲), 2. 4GHz(全球)。 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 47 家庭自動化家庭自動化 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 48 人員定位人員定位 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 49 遠程抄表遠程抄表 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 50 Zigbee 節(jié)點節(jié)點 Zigbee協(xié)調(diào)器 控制邏

34、輯控制邏輯 智能交通智能交通 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 51 GPRS PLMN 工業(yè)控制工業(yè)控制 護士站護士站 Zigbee節(jié)點節(jié)點 智能醫(yī)療智能醫(yī)療 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 52 英文：Bluetooth 代表一種短距離無線通信技術(shù) “藍牙”（Bluetooth）一詞來自一位丹 麥國王的名字（Harald Blatand，英文 Harold Bluetooth），在10世紀他將當時 的瑞典、芬蘭與丹麥統(tǒng)一起來。用“藍牙 ” 來命名這種短距離無線通信技術(shù)標準， 含有將四分五裂的局面統(tǒng)一起

35、來的意思。 通過這種技術(shù)，可以將電子裝置彼此通 過無線連接起來，省去了傳統(tǒng)的電線。 1998年5月，愛立信、諾基亞、東芝、 IBM和英特爾公司等五家著名廠商聯(lián)合提 出（IEEE802.15）。 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 藍牙標準的發(fā)展藍牙標準的發(fā)展 V1.1 (1991 年) V1.2 V2.1 (2004 年) V2.2 V3.0 (2009年) V4.0 (2010年) 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 藍牙標準的發(fā)展藍牙標準的發(fā)展 V1.1(1998年): 為最早期版本，傳輸率約在748810

36、kb/s，因是早期設(shè)計，容易受 到同頻率之產(chǎn)品所干擾下影響通訊質(zhì)量。 V1.2: 748810kb/s 的傳輸率，增加了(改善 Software)抗干擾跳頻功能。 V2.1(2004年): 改善了裝置配對流程，短距離的配對方面，具備了在兩個支持藍牙 的手機之間互相進行配對與通訊傳輸?shù)腘FC（Near Field CoMMunication）機制。具備更佳的省電效果。 V3.0(2009年): 核心是“Generic Alternate MAC/PHY”(AMP)，這是一種全新的交替 射頻技術(shù)，允許藍牙協(xié)議棧針對任一任務(wù)動態(tài)地選擇正確射頻。傳輸速 率更高，功耗更低。 V4.0(2010年): 包

37、括三個子規(guī)范，即傳統(tǒng)藍牙技術(shù)、高速藍 牙和新的藍牙低功耗技 術(shù)。藍牙 4.0的改進之處主要體現(xiàn)在三個方面，電池續(xù)航時間、節(jié)能和 設(shè)備種類上。有效傳輸距離也有所提升，為60M。 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 55 多個藍牙設(shè)備組成的微微網(wǎng)多個藍牙設(shè)備組成的微微網(wǎng) 多個微微網(wǎng)組成的散射網(wǎng)多個微微網(wǎng)組成的散射網(wǎng) 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 56 藍牙系統(tǒng)一般由天線單元、鏈路控制（硬件）、鏈路管理 （軟件）和藍牙軟件（協(xié)議）等4個功能模塊組成 天線部分體積小巧，屬于微帶天線 鏈路控制器（LC）的單元包括3

38、個集成芯片：連接控制器、 基帶處理器以及射頻傳輸/接收器 鏈路管理（LM）包括：發(fā)送和接收數(shù)據(jù)、請求名稱、鏈路 地址查詢、建立連接、鑒權(quán)、鏈路模式協(xié)商和建立、決定 幀類型等 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 57 藍牙設(shè)備的工作頻段選在全球通用的2.4GHz的ISM（工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)） 頻段。頻道采用23個或79個，頻道間隔均為1MHz 藍牙的無線發(fā)射機采用FM調(diào)制方式，降低設(shè)備的復(fù)雜性。 最大發(fā)射功率分為3個等級，100mW（20dBm），2.5mW(4dBm)，1mW （0dBm），有效通信距離為10100m 采用跳頻技術(shù)，在接收或發(fā)送一分組數(shù)據(jù)

39、后，即跳至另一頻點 采用時分雙式TDMA技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸率為1Mbit/s，采用數(shù)據(jù)包的形式按 時隙傳送，每時隙0.625s 支持實時同步定向聯(lián)接（ SCO鏈路）和非實時異步不定向聯(lián)接（ ACL鏈 路）。 SCO主要傳送話音等實時性強的信息， ACL則以數(shù)據(jù)為主 藍牙系統(tǒng)的糾錯機制分為前向糾錯編碼（FEC）和包重發(fā)（ARQ），支 持1/3率和2/3率FEC編碼 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 58 指 標 類 型 系 統(tǒng) 參 數(shù) 工作頻段ISM頻段，2.4022.480GHz 雙工方式全雙工，TDD時分雙工 業(yè)務(wù)類型支持電路交換和分組交換業(yè)務(wù) 數(shù)據(jù)速

40、率 異步信道速率 同步信道速率 1Mbit/s 非對稱連接為721kbit/s、57.6kbit/s，對稱連接為432.6kbit/s，2.0+EDR規(guī)范支持 更高的速率 64kbit/s，2.0+EDR規(guī)范支持更高的速率 功率美國FCC要求小于0dBm（1mW），其他國家可擴展為100mW 跳頻頻率數(shù)79個頻點/MHz 跳頻速率1600跳/秒 工作模式PARK/HOLD/SNIFF 數(shù)據(jù)連接方式面向連接業(yè)務(wù)（SCO），無連接業(yè)務(wù)（ACL） 糾錯方式1/3 FEC、2/3 FEC、ARQ等 信道加密采用0位、40位和60位密鑰 發(fā)射距離一般可達10cm10m，增加功率的情況下可達100m 藍牙

41、系統(tǒng)主要技術(shù)指標和工作參數(shù)藍牙系統(tǒng)主要技術(shù)指標和工作參數(shù) 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 59 藍牙的協(xié)議體系分為四 層：核心協(xié)議層、替代 電纜協(xié)議層、電話控制 協(xié)議層和可選協(xié)議 另外，在基帶控制器、 鏈路控制器以及訪問硬 件狀態(tài)和控制寄存器提 供主機命令接口 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 60 基帶協(xié)議：基帶協(xié)議為兩個或多個藍牙單元之間建立物理射頻連接 鏈路管理協(xié)議（LMP）：鏈路管理協(xié)議管理基帶層內(nèi)主從網(wǎng)絡(luò)的運行， 負責兩個或多個設(shè)備之間的鏈路設(shè)置和控制，包括傳遞驗證和加密， 管理鏈路密鑰 邏輯鏈

42、路控制和適配協(xié)議（L2CAP）：位于基帶協(xié)議之上，為低層的 數(shù)據(jù)服務(wù)，向上層提供面向連接和無連接的數(shù)據(jù)服務(wù) 服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議（SDP）：使用SDP，可以查詢到設(shè)備和服務(wù)類型，從而 在藍牙設(shè)備間建立相應(yīng)的連接 核心協(xié)議核心協(xié)議 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 61 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 62 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 63 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 藍牙技術(shù)的特點藍牙技術(shù)的特點 藍牙是一種短距無線

43、通信的技術(shù)規(guī)范，它最初的 目標是取代現(xiàn)有的掌上電腦、移動電話等各種數(shù)字 設(shè)備上的有線電纜連接。在制定藍牙規(guī)范之初，就 建立了統(tǒng)一全球的目標，向全球公開發(fā)布，工作頻 段為全球統(tǒng)一開放的2.4GHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué) （Industrial, Scientific and Medical, ISM）頻 段。從目前的應(yīng)用來看，由于藍牙體積小、功率低， 其應(yīng)用已不局限于計算機外設(shè)，幾乎可以被集成到 任何數(shù)字設(shè)備之中，特別是那些對數(shù)據(jù)傳輸速率要 求不高的移動設(shè)備和便攜設(shè)備。 藍牙技術(shù)的特點可歸納為如下幾點： 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 藍牙技術(shù)的特點藍牙技

44、術(shù)的特點 很好的抗干擾很好的抗干擾 能力和安全性能力和安全性 可建立臨時可建立臨時 對等連接對等連接 全球范圍全球范圍 適用適用 同時傳輸同時傳輸 語音數(shù)據(jù)語音數(shù)據(jù) 近距離通信近距離通信 功耗低功耗低 體積小體積小 藍牙技術(shù)藍牙技術(shù) 特點特點 l藍牙工作在2.4GHz的ISM頻段， 全球大多數(shù)國家ISM頻段的范圍 是2.4-2.4835GHz。 l藍牙采用電路交換和分組交換 技術(shù)，支持異步數(shù)據(jù)信道、三路 語音信道以及異步數(shù)據(jù)與同步語 音同時傳輸?shù)男诺馈?l主設(shè)備是組網(wǎng)連接主動發(fā) 起連接請求的藍牙設(shè)備， 幾個藍牙設(shè)備連接成一個 皮網(wǎng)（Piconet）時，其中 只有一個主設(shè)備，其余的 均為從設(shè)備。

45、 l藍牙采用了跳頻 （FrequencyHopping）方式 來擴展頻譜，抵抗來自這些 設(shè)備的干擾。 l提供了認證和加密功能， 以保證鏈路級的安全。 l藍牙設(shè)備在通信連（Connection） 狀態(tài)下，有四種工作模式：激活 （Active）模式，呼吸（Sniff）模 式保持（Hold）模式，休眠（Park） 模式，Active 模式是正常的工作狀 態(tài)，另外三種模式是為了節(jié)能所規(guī) 定的低功耗模式。 l藍牙技術(shù)通信距離為10m,可根 據(jù)需要擴展至100m，以滿足不同 設(shè)備的需要。 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 藍牙系統(tǒng)的組成藍牙系統(tǒng)的組成 系統(tǒng)組成系

46、統(tǒng)組成 描述了鏈路控制器，實現(xiàn) 了基帶協(xié)議和其他的底層 連接規(guī)程 - 媒體接入控制(MAC) -差錯控制 -認證與加密 鏈路管理器（LM）軟件實現(xiàn) 鏈路的建立認證及鏈路配置等 -通過連接管理協(xié)議（LMP） 建立通信聯(lián)系。 - LM 利用鏈路控制器（LC） 提供的服務(wù)實現(xiàn)上述功能。 天線發(fā)射功率符合 FCC 關(guān)于 ISM 波段的要求。 -發(fā)射功率：100mW -跳頻速率：1600 跳/秒 藍牙規(guī)范是為個人區(qū)域內(nèi)的 無線通信制定的協(xié)議，它包 括兩部分： 核心（Core） 部分和協(xié)議子集（Profile） 部分。協(xié)議棧仍采用分層結(jié) 構(gòu)，分別完成數(shù)據(jù)流的過濾 和傳輸,跳頻和數(shù)據(jù)幀傳輸, 連接的建立和釋

47、放,鏈路的控 制,數(shù)據(jù)的拆裝等功能。 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 藍牙系統(tǒng)的技術(shù)特點藍牙系統(tǒng)的技術(shù)特點-1 工作在2.45GHz頻段 射頻特性 收發(fā)機配置符合IEEE 802標準48位地址 數(shù)據(jù)頻率為1Mbs 使用擴頻和跳頻技術(shù)，噪音環(huán)境也能工作 工作范圍約10m，可加至100m 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 藍牙系統(tǒng)的技術(shù)特點藍牙系統(tǒng)的技術(shù)特點-2 在1.0B版本的標準中，藍牙的基帶符號速率為1Mb/s， 采用數(shù)據(jù)包的形式按時隙傳送，每時隙0.625ms，不排除 將來采用更高的符號速率。 藍牙支

48、持64kb/s的實時語音傳輸和各種速率的數(shù)據(jù) 傳輸，語音編碼采用對數(shù)PCM或連續(xù)可變斜率增量調(diào)制 （CVSD，Continuos Variable Slope Delta Modulation）。 語音和數(shù)據(jù)可單獨或同時傳輸。當僅傳輸語音時，藍牙 設(shè)備最多可同時支持3路全雙工的話音通信；當語音和數(shù) 據(jù)同時傳輸或僅傳輸數(shù)據(jù)時，支持433.9 kb/s 的對稱全 雙工通信，或723.2kb/s、57.6 kb/s 的非對稱雙工通信， 后者特別適合無線訪問Internet。 另外，還采用CRC (Cyclic Redundancy Check)、 FEC (Forward Error Correct

49、ion) 及ARQ (Automatic Repeat Request) 以提高通信的可靠性。 TDMATDMA結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 藍牙系統(tǒng)的技術(shù)特點藍牙系統(tǒng)的技術(shù)特點-3 Add your title in here 跳頻技術(shù)是把頻帶分成若干個跳頻信道（hop channel）， 在一次連接中，無線電收發(fā)器按一定的碼序列（即一定的 規(guī)律，技術(shù)上叫做偽隨機碼，就是假的隨機碼）不斷地 從一個信道跳到另一個信道，只有收發(fā)雙方是按這個規(guī) 律進行通信的，而其他的干擾不可能按同樣的規(guī)律進行干 擾；跳頻的瞬時帶寬是很窄的，但通過擴展頻譜技

50、術(shù)使這 個窄帶寬成百倍地擴展成寬頻帶，使干擾可能的影響變成 很小。 與其它工作在相同頻段的系統(tǒng)相比，藍牙跳頻更快， 數(shù)據(jù)包更短，這使藍牙比其它系統(tǒng)都更穩(wěn)定。跳頻是藍牙 使用的關(guān)鍵技術(shù)之一。對應(yīng)于單時隙包，藍牙的跳頻速率 為1600跳每秒，對應(yīng)于多時隙包，跳頻速率有所降低；但 在建鏈時(包括尋呼和查詢)則提高為3,200跳每秒。使用這 樣高的跳頻速率，藍牙系統(tǒng)具有足夠高的抗干擾能力。 使用調(diào)頻技術(shù)使用調(diào)頻技術(shù) 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 藍牙系統(tǒng)的技術(shù)特點藍牙系統(tǒng)的技術(shù)特點-4 Add your title in here 根據(jù)網(wǎng)路的概念提供點對

51、點和點對多點的無線鏈接。在 任意一個有效通信范圍內(nèi)，所有設(shè)備的地位都是平等的。首 先提出通信要求的設(shè)備稱為主設(shè)備(Master)，被動進行通信 的設(shè)備稱為從設(shè)備(Slave)。 利用TDMA，一個Master最多可同時與7個Slave進行通 信并和多個Slave（最多可超過200個）保持同步但不通信。 一個Master和一個以上的Slave構(gòu)成的網(wǎng)路稱為藍牙的主從網(wǎng) 路(Piconet)。若兩個以上的Piconet之間存在著設(shè)備間的通信， 則構(gòu)成了藍牙的分散網(wǎng)路(Scatternet)。 基於TDMA原理和藍牙設(shè)備的平等性，任一藍牙設(shè)備在 Piconet和Scatternet中，既可作Mast

52、er，又可作Slave，還可 同時既是Master又是Slave。因此，在藍牙中沒有基站的概念。 另外，所有設(shè)備都是可移動的。 藍牙設(shè)備的組網(wǎng)藍牙設(shè)備的組網(wǎng) 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 藍牙系統(tǒng)的技術(shù)特點藍牙系統(tǒng)的技術(shù)特點-5 Add your title in here 藍牙的基本出發(fā)點是可使其設(shè)備能夠在全球范圍內(nèi)應(yīng)用 於任意的小范圍通信。任一藍牙設(shè)備，都可根據(jù)IEEE 802 標準得到一個唯一的48-bit的BD_ADDR，它是一個公開的 地址碼，可以通過人工或自動進行查詢。在BD_ADDR基礎(chǔ) 上，使用一些性能良好的演算法可獲得各種保密和

53、安全碼， 從而保證了設(shè)備識別碼(ID，Identification)在全球的唯一性， 以及通信過程中設(shè)備的鑒權(quán)和通信的安全保密。 全球范圍內(nèi)的工作全球范圍內(nèi)的工作 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 藍牙系統(tǒng)的技術(shù)特點藍牙系統(tǒng)的技術(shù)特點-6 和許多通信系統(tǒng)一樣，藍牙的通信協(xié)議采用層次結(jié) 構(gòu)。其底層為各類應(yīng)用所通用，高層則視具體應(yīng)用而有 所不同，大體上分為計算機背景和非計算機背景兩種方 式，前者通過主機控制接口(HCI，Host Control Interface) 實現(xiàn)高、低層的聯(lián)接，后者則可不用HCI。這種層次結(jié)構(gòu) 使其設(shè)備具有最大可能的通用性和靈活

54、性。根據(jù)通信協(xié) 議，各種藍牙設(shè)備無論在任何地方，都可以通過人工或 自動查詢來發(fā)現(xiàn)其它藍牙設(shè)備，從而構(gòu)成Piconet或 Scatternet ，實現(xiàn)系統(tǒng)提供的各種功能。 軟件的層次結(jié)構(gòu)軟件的層次結(jié)構(gòu) 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 73 藍牙體積小藍牙體積小1cm1cm2mm 美國德州儀器（TI）公司推 出了單片藍牙LSI。該產(chǎn)品將藍 牙的基帶處理電路和RF收發(fā)器 電路集成到一個CMOS LSI中。 到目前為止只有英國CSR公司 和美國Broadcom公司在研究這 種LSI，TI首先實現(xiàn)了此類芯片 的單片產(chǎn)品化。 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7

55、章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 74 藍牙功耗低、價格低藍牙功耗低、價格低6美元左右，批量購買美元左右，批量購買4美元美元 采用四種工作模 式，其最大消耗 電流只有25mA 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 藍牙技術(shù)的應(yīng)用藍牙技術(shù)的應(yīng)用 l電子付帳系統(tǒng)，賓館接待處的電子登記服務(wù)等。 l家庭和辦公室自動化、家庭 娛樂、電子商務(wù)、工業(yè)控制、 智能化建筑物等。 l數(shù)字照相機、數(shù)字攝像機等。 l無線鍵盤、鼠標等。 l以便攜式計算機和掌上計算機 為代表。 各種 電話系統(tǒng) 藍牙技術(shù)的應(yīng)用藍牙技術(shù)的應(yīng)用 應(yīng)用面多應(yīng)用面多 前景廣闊前景廣闊 數(shù)字手機、家

56、庭及辦公室電話、 小型PBX等電話系統(tǒng)等。 無線電纜 無線辦公包 數(shù)字 電子設(shè)備 電子商務(wù) 辦公自動化 家庭娛樂等 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 藍牙技術(shù)的應(yīng)用藍牙技術(shù)的應(yīng)用 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 77 音頻藍牙發(fā)送音頻藍牙發(fā)送 藍牙耳機藍牙耳機 藍牙藍牙SIG定義了幾種基本應(yīng)用模型，主要包括文件傳輸、定義了幾種基本應(yīng)用模型，主要包括文件傳輸、 Internet網(wǎng)橋、局域網(wǎng)接入、同步、三合一電話和終端耳機等網(wǎng)橋、局域網(wǎng)接入、同步、三合一電話和終端耳機等 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章

57、 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 78 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 79 藍牙適配器藍牙適配器 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 80 全稱Wireless Fidelity，又稱802.11b標準 與藍牙技術(shù)一樣，同屬于在辦公室和家庭中使用的 短距離無線通信技術(shù) 主要特性為：速度快，可靠性高，在開放性區(qū)域通 訊距離可達305米，在封閉性區(qū)域，通訊距離為 76m到122m，方便與現(xiàn)有的有線以太網(wǎng)絡(luò)整合 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 81 組網(wǎng)方式靈

58、活組網(wǎng)方式靈活設(shè)置設(shè)置WiFi無線路由器（無線路由器（AP），組網(wǎng)方便），組網(wǎng)方便 傳輸速率高傳輸速率高IEEE802.11b:11Mb/s IEEE802.11a/g:54Mb/s 覆蓋范圍有限覆蓋范圍有限半徑半徑100m 健康安全健康安全不超過不超過100mW，不直接接觸人體，不直接接觸人體 移動性能不佳移動性能不佳只適用于靜止或步行等低速移動情況只適用于靜止或步行等低速移動情況 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 擴頻傳輸技術(shù)擴頻傳輸技術(shù) 跳頻擴頻（FHSS，F(xiàn)requency Hopping Spread Spectrum）使 用了傳統(tǒng)的窄帶數(shù)

59、據(jù)傳輸技術(shù)，但傳輸頻率將發(fā)生周期性 的切換。系統(tǒng)在一個擴頻或?qū)挷ǘ蔚男诺郎鲜褂貌煌闹?心頻率，以預(yù)先安排好的順序在固定的時間間隔內(nèi)進行跳 頻。跳頻現(xiàn)象可以使FHSS系統(tǒng)避免受到信道內(nèi)窄帶噪音的 干擾。 直接序列擴頻（DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum ） 系統(tǒng)則將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流通過擴展碼調(diào)制而人為地擴展帶 寬，即使在傳輸波段中存在部分噪聲信號，接收機也可以 無錯誤地接受數(shù)據(jù)。 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 使用擴頻技術(shù)的好處使用擴頻技術(shù)的好處 擴頻是一種在信號的帶寬進行擴展的技術(shù)。采用擴頻的好 處是： 抗干

60、擾。若使用窄頻，容易受到使用相同頻率的通信干擾 導(dǎo)致完全無法通信。 對于非特定的目的的接收器，擴展了帶寬的信號混在背景 噪聲中，讓蓄意想偵聽竊取數(shù)據(jù)資料的人不易判別真正的 信號，避免他人的截聽。 提供了供多個用戶使用同一傳輸波段的方法，保證了無線 設(shè)備在頻段上的可用性和可靠的吞吐量，也保證了使用同 一頻段的設(shè)備不互相影響。 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 概 論 第第7章章 短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信技術(shù) 84 WiFi網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和工作原理 WiFi網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) * 站點（Station），網(wǎng)絡(luò)最基本的組成部分。 * 基本服務(wù)單元（Basic Service Set，BSS）。網(wǎng)絡(luò)最基本的服務(wù)單元。最簡單