第2章-2 無線個域網(wǎng)

2.2無線個域網(wǎng)與IEEE802.15標準第2章無線接入網(wǎng)絡技術2本節(jié)內(nèi)容簡介☆無線個域網(wǎng)概述☆無線個域網(wǎng)的關鍵技術☆IEEE802.15技術標準☆無線個域網(wǎng)的協(xié)議☆無線個域網(wǎng)的協(xié)議體系結構3無線個域網(wǎng)概述個域網(wǎng)的基本概念

個域網(wǎng)(PersonalAreaNetwork，PAN)，是一種范圍較小的計算機網(wǎng)絡，主要用于計算機設備之間的通信，還包括電話和個人電子設備等

PAN的通信范圍往往僅幾米，也可用于連接多個網(wǎng)絡

PAN被看作是最后一米的解決方案

無線個域網(wǎng)(WirelessPAN，WPAN)是一種采用無線連接的個域網(wǎng)

WPAN主要通過無線電或紅外線代替?zhèn)鹘y(tǒng)有線電纜，實現(xiàn)個人信息終端的互聯(lián)，組建個人信息網(wǎng)絡4無線個域網(wǎng)的基本概念

WPAN是為了實現(xiàn)活動半徑小(如幾米)、業(yè)務類型豐富、面向特定群體的連接而提出的新型無線網(wǎng)絡技術

WPAN是一種與無線廣域網(wǎng)(WWAN)、無線城域網(wǎng)(WMAN)、無線局域網(wǎng)(WLAN)并列但覆蓋范圍更小的無線網(wǎng)絡，對應關系如下圖所示：5WPAN(802.15)10米以內(nèi)

WLAN(802.11)100米以內(nèi)WMAN(802.16)數(shù)千米WWAN(802.20)15千米四種無線網(wǎng)絡之間的關系與通信范圍

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WPAN主要應用于個人用戶工作空間，其位于整個網(wǎng)絡鏈的末端，用于實現(xiàn)同一地點終端與終端間的連接。從技術角度分析，WPAN系統(tǒng)通?？煞譃橐韵?個層次： ①應用軟件和程序 ②固件和軟件棧 ③基帶裝置 ④無線電收發(fā)7

WPAN的主要特點有：

①高數(shù)據(jù)速率并行鏈路：>100Mbps

②鄰近終端之間的短距離連接：典型為1~10m ③標準無線或電纜橋路與外部因特網(wǎng)或廣域網(wǎng)的連接 ④典型的對等式拓撲結構 ⑤中等用戶密度8無線個域網(wǎng)的分類

通常將WPAN按傳輸速率分為低速、高速和超高速三類，如下圖所示:無線個域網(wǎng)低速WPAN高速WPAN超高速WPAN通信速率：0.25Mbps通信距離：10m工作頻率：2.4GHz通信速率：55Mbps通信距離：10m工作頻率：2.4GHz通信速率：110/200/480Mbps通信距離：10m、4m和4m以下工作頻率：3.1GHz~10.6GHz9 ●低速WPAN主要為近距離網(wǎng)絡互連而設計，采用IEEE802.15.4標準。其結構簡單、數(shù)據(jù)率低、通信距離近、功耗低、成本低，被廣泛用于工業(yè)監(jiān)測、辦公和家庭自動化及農(nóng)作物監(jiān)測等 ●高速WPAN適合大量多媒體文件、短時的視頻和音頻流的傳輸，能實現(xiàn)各種電子設備間的多媒體通信 ●超寬帶WPAN的目標包括支持IP語音、高清電視、家庭影院、數(shù)字成像和位置感知等信息的高速傳輸，具備近距離的高速率、較遠距離的低速率、低功耗、共享環(huán)境下的高容量、高可擴展性等10無線個域網(wǎng)的關鍵技術

WPAN的關鍵技術包括IrDA、HomeRF、UWB、藍牙技術、ZigBee技術等

IrDA(紅外)技術

IrDA是利用紅外線進行通信的技術，最高通信速率僅115.2kbps，主要優(yōu)點是無需申請頻率使用權，通信成本低廉，具有體積小、功耗低、連接方便、簡單易用等特點

超寬帶(UWB)技術

超寬帶(UltraWideBand，UWB)是一種基于IEEE802.15.3的超高速、短距離無線接入技術，通信范圍在10米范圍內(nèi)，能實現(xiàn)每秒數(shù)百兆位的數(shù)據(jù)傳輸率，具有抗干擾性強、傳輸速率高、帶寬大、消耗電能低、保密性好等眾多優(yōu)勢11

HomeRF技術

HomeRF是數(shù)字無繩電話技術與WLAN技術融合發(fā)展的產(chǎn)物，它采用共享無線連接協(xié)議(ShareWirelessAccessProtocol，SWAP)，工作在2.4GHzISM頻段

藍牙技術

藍牙能支持短距離(如10米內(nèi))無線通信，能在手機、PDA、無線耳機、筆記本電腦、相關外設等之間進行信息交換，其工作于2.4GHzISM頻段，數(shù)據(jù)速率為1Mbps，采用時分雙工傳輸方案12

ZigBee技術

ZigBee是一種短距離、低功率、低速率無線接入技術，工作于2.4GHzISM頻段，傳輸速率為20~250kbps，傳輸距離為10~100mZigBee終端節(jié)點ZigBee中心節(jié)點節(jié)點1節(jié)點2節(jié)點3節(jié)點4PC控制節(jié)點5星型ZigBee網(wǎng)絡

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五種WPAN關鍵技術的技術特點

技術指標藍牙HomeHFIrDAUWBZigBee工作頻段2.4GHz2.4GHz紅外線3.1~10.6GHz2.4GHz傳輸速率1Mbps6~10Mbps16Mbps480Mbps20~250kbps通信距離10m50m1m10m10~100m應用前景中中一般好好14IEEE802.15技術標準

●IEEE、ITU等組織都致力于WPAN標準的制定，其中IEEE的研究重點主要是IEEE802.15系列，它也是目前最權威的WPAN標準，具體由802.15工作組負責制定，其分為7個任務組，如下表所示：15802.15子工作組工作內(nèi)容802.15.1藍牙1.x版802.15.2WLAN與WPAN共存802.15.3高速數(shù)據(jù)率802.15.3a超寬帶(UWB)802.15.4低數(shù)據(jù)速率及ZigBee802.15.5網(wǎng)狀網(wǎng)絡(Mesh)802.15.6用于醫(yī)療的人體內(nèi)無線通信SGrfidRFID在WPAN的應用IEEE802.15任務組16

☆802.15.1標準

802.15.1本質(zhì)上是藍牙低層協(xié)議的一個正式標準化版本，大多數(shù)標準制定工作仍由藍牙特別興趣組負責。

☆802.15.2標準

802.15.2標準制定了一個共存模型，以量化WPAN和WLAN的沖突。802.15.2實際上是一個策略建議，推薦了一系列解決WPAN與WLAN互干擾的技術策略和方案，主要可分為協(xié)同共存和非協(xié)同共存兩種。17

☆802.15.3標準

802.15.3-2003是針對高速WPAN制定的無線MAC層和物理層規(guī)范，允許WPAN在家中連接多達上百個無線應用設備，傳輸速度可達11~55Mbps，適合多媒體數(shù)據(jù)傳輸，有效距離可達100m

☆802.15.4標準

802.15.4-2006標準主要針對低速WPAN。該標準以低功耗、低速率傳輸、低成本為目標，旨在為個人或家庭范圍內(nèi)不同設備間的低速互連提供統(tǒng)一標準，目前正不斷發(fā)展18IEEE802.15協(xié)議簇802.15.1藍牙協(xié)議

☆基帶協(xié)議 負責建立微型網(wǎng)內(nèi)各藍牙設備之間的物理收發(fā)鏈路

☆鏈路管理協(xié)議(LMP)

負責設備之間鏈路的建立和控制，包括控制和協(xié)商基帶分組的大小、安全、電源模式、設備周期性控制 ☆邏輯鏈路控制與適配協(xié)議(L2CAP)

支持上層協(xié)議復用、分組的分段和重組、服務質(zhì)量 ☆服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議(SDP)19802.15.4/ZigBee路由協(xié)議

☆基本思想 為達到低成本、低功耗、可靠性高等設計目標，ZigBee網(wǎng)絡采用了Cluster-Tree與按需距離矢量(AODV)路由相結合的路由算法，但ZigBee使用的AODV與自組織網(wǎng)絡中的經(jīng)典AODV協(xié)議并不完全相同，可看做是一種簡化版的AODV，即AODVjr。ZigBee網(wǎng)絡中，節(jié)點可按照父子關系(舊節(jié)點允許新節(jié)點通過其加入網(wǎng)絡時，即形成父子關系)使用Cluster-Tree算法選擇路徑，即當一個節(jié)點接收到分組后發(fā)現(xiàn)該分組不是給自身的，則只能轉(zhuǎn)發(fā)給它的父節(jié)點或者子節(jié)點20

☆Cluster-Tree

Cluster-Tree是一種由協(xié)調(diào)器展開生成樹狀網(wǎng)絡的拓撲結構，適于節(jié)點靜止或移動較少的場合，屬于靜態(tài)路由，無需存儲路由表

☆AODVjr

AODVjr算法考慮了節(jié)能、簡便等因素，簡化了AODV的一些特點，但仍保持了AODV的原始功能，下圖所示為AODVjr工作過程。21AODVjr工作過程：ABHBICJEGDKF源節(jié)點目標節(jié)點RREQ傳播路由請求包廣播路線

22ABHBICJEGDKF源節(jié)點目標節(jié)點路由應答包返回路線

23ABHBICJEGDKF源節(jié)點目標節(jié)點確認信息數(shù)據(jù)分組數(shù)據(jù)包和確認包傳輸路徑

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☆

AODVjr的性能特點

①為減少控制開銷和簡化路由發(fā)現(xiàn)過程，未使用目標節(jié)點序列號

②AODVjr無先驅(qū)節(jié)點列表，從而簡化了路由表結構 ③如果鏈路中斷，AODVjr采用本地修復

④節(jié)點不發(fā)送HELLO分組，僅根據(jù)收到分組或MAC層提供的信息更新鄰居節(jié)點列表25

☆ZigBee路由

ZigBee路由中可將節(jié)點分為兩類：RN+和RN-。RN+指具有足夠存儲空間和能力執(zhí)行AODvjr路由協(xié)議的節(jié)點，RN-則指其存儲空間受限、無執(zhí)行AODVjr路由協(xié)議能力的節(jié)點，RN-收到一個分組后只能用Cluster-Tree算法處理

☆路由建立過程 ①節(jié)點創(chuàng)建并向周圍節(jié)點廣播RREQ分組，如果收到RREQ的節(jié)點是RN-節(jié)點，就按Cluster-Tree路由轉(zhuǎn)發(fā)該分組。如為RN+節(jié)點，則根據(jù)RREQ信息建立相應的路由發(fā)現(xiàn)表條目和路由表條目(在路由表中建立一個指向RREQ源節(jié)點的反向路由)，繼續(xù)廣播分組；26

②節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)RREQ前會計算將RREQ發(fā)送給鄰節(jié)點與本節(jié)點之間的鏈路開銷，并將它加到RREQ中存儲的鏈路開銷上，將更新后的鏈路開銷存入路由發(fā)現(xiàn)表條目中； ③一旦RREQ到達目標節(jié)點或其父節(jié)點，該節(jié)點就向RREQ的源節(jié)點回復一個RREP分組(RN-節(jié)點也可回復RREP，但不記錄路由信息)，RREP應沿已建立的反向路徑向源節(jié)點傳輸，收到RREP的節(jié)點建立到目標節(jié)點的正向路徑并更新相應路由；27 ④節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)RREP前，會計算反向路徑中下一跳與本節(jié)點間的鏈路開銷，并將它加到RREP中存儲的鏈路開銷上。當RREP到達相應RREQ的發(fā)起節(jié)點時，路由建立過程結束。28無線個域網(wǎng)的協(xié)議體系結構ZigBee的分層協(xié)議棧

802.15.4和ZigBee協(xié)議棧的體系結構：應用層應用接口層安全層網(wǎng)絡層MAC層物理層用戶ZigBee聯(lián)盟802.15.4ZigBeeProfiles網(wǎng)絡應用層數(shù)據(jù)鏈路層802.15.4MAC802.15.4LLC/802.2LLC868/915PHY2400PHY802.15.4和ZigBee分層協(xié)議架構

物理層☆物理(PHY)層物理層定義了物理無線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務和物理層管理服務。物理層數(shù)據(jù)服務從無線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務維護一個由物理層相關數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫。

物理層數(shù)據(jù)服務五方面的功能：

（1）激活和休眠射頻收發(fā)器；

（2）信道能量檢測（energydetect）；

（3）檢測接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示（linkqualityindication,LQI）；

（4）空閑信道評估（clearchannelassessment,CCA）；

（5）收發(fā)數(shù)據(jù)。30

☆

PHY層定義3個載波頻段27個信道用于收發(fā)數(shù)據(jù)：868MHz1個信道、915MHz10個信道、2450MHz16個信道31

☆介質(zhì)訪問控制(MAC)層

主要有以下功能：

1）采用CSMA/CA機制來訪問物理信道

2）協(xié)調(diào)器負責網(wǎng)絡的建立與維護

3）支持PAN網(wǎng)絡的關聯(lián)與取消關聯(lián)

4）協(xié)調(diào)器產(chǎn)生信標幀，普通節(jié)點根據(jù)信標幀與協(xié)調(diào)器同步

5）實現(xiàn)間接傳輸

6）兩個MAC實體間提供數(shù)據(jù)可靠傳輸

7）可選的時槽保障

GTS支持

8）支持無線信道通信安全機制關聯(lián)：指一個設備在加入一個特定網(wǎng)絡時，向協(xié)調(diào)點注冊及身份認證的過程。MAC層技術

☆MAC層數(shù)據(jù)傳輸機制

1）CSMA/CA傳輸機制

2）應答重傳機制（RTS/CTS/ACK）

☆3種MAC層數(shù)據(jù)傳輸模式

1）普通節(jié)點到協(xié)調(diào)點；

2）協(xié)調(diào)點到普通節(jié)點；

3）對等節(jié)點間。

☆MAC層通信模式

1）信標使能模式：通過信標幀實現(xiàn)與協(xié)調(diào)點同步。

2）非信標使能模式：使用傳統(tǒng)的CSMA/CA機制進行訪問控制。1、MAC層數(shù)據(jù)傳輸模式設計目的

用最低復雜度實現(xiàn)在多噪聲無線信道環(huán)境下的可靠數(shù)據(jù)傳輸。2、MAC層幀格式34ZigBee的網(wǎng)絡層和應用層

ZigBee網(wǎng)絡層主要實現(xiàn)組建網(wǎng)絡、為新加入節(jié)點分配地址、路由發(fā)現(xiàn)、路由維護等功能，可支持多種網(wǎng)絡拓撲。

☆ZigBee網(wǎng)絡配置

在網(wǎng)絡配置上，ZigBee有3類節(jié)點：協(xié)調(diào)點、路由節(jié)點、終端節(jié)點。協(xié)調(diào)點必須是FFD，路由節(jié)點也必須是FFD，終端節(jié)點可以是FFD或者RFD。35

☆ZigBee網(wǎng)絡拓撲

ZigBee網(wǎng)絡層支持3種拓撲結構：星型、網(wǎng)狀型和樹型

①星型結構。由一個協(xié)調(diào)點、一或多個終端節(jié)點組成

②網(wǎng)狀型結構。若干FFD之間是完全的對等通信，每個節(jié)點均可與通信范圍內(nèi)的其它節(jié)點通信，有一個會被推薦為協(xié)調(diào)點

③樹型結構。節(jié)點可采用Cluster-Tree路由傳輸數(shù)據(jù)和控制信息，末端葉節(jié)點一般為RFD36(a)星型結構(b)網(wǎng)狀型結構(c)樹型結構FFDRFDZigBee的3種拓撲結構

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☆ZigBee的應用層 應用層包括：應用支持(APS)、應用框架(AF)、設備對象(ZDO)。

APS的主要功能包括：協(xié)議數(shù)據(jù)單元APDU的處理、APS數(shù)據(jù)傳輸機制、節(jié)點間的應用對象綁定。AF為各用戶定義的應用對象提供模板式的活動空間，為每個應用對象提供了鍵值對服務和報文服務兩種服務。ZDO可看作是一種公共應用，提供了一個公共功能集，供用戶自定義的應用對象調(diào)用APS服務及網(wǎng)絡層服務，主要功能包括設備服務發(fā)現(xiàn)等。38ZigBee的組網(wǎng)過程：

1）具有ZigBee