网络工程设计与系统集成

《网络工程设计与系统集成》一、蓝牙技术（Bluetooth）蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。其工作频段为全球通用的2.4ＧＨｚＩＳＭ(即工业、科学、医学)频段。由于ＩＳＭ频带是对所有无线电系统都开放的频带，因此使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源。为此，蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定，结合了极高跳频速率（1600跳／ｓ）和调频技术，这使它比工作在相同频段而跳频速率均为50跳／ｓ的802.11ＦＨＳＳ和ＨｏｍｅＲＦ无线电更具抗干扰性。蓝牙的数据传输速率为1Ｍｂｉｔ／ｓ，采用时分双工方案来实现全双工传输。其理想的连接范围为10ｃｍ～10ｍ，通过增大发送电平可以将距离延长至100ｍ。蓝牙技术是一种将多种家庭与办公室中的数据和语音设备通过无线方式联网的技术，在便携式计算机、移动电话以及其他的移动设备之间建立起一种小型、经济、短距离的无线链路，将多种设备联成一个微微网（PicoNet），从若干个微微网还可以进一步联接成为分布式网络（ScatterNet），使得更多的数据和语音设备能够快捷地连通，实现快速高效的通信，实现数据共享、Internet接入、无线免提、同步资料、影像传递等。应用蓝牙技术的无线收发器的一块芯片，这种蓝牙芯片由于体积小巧，可以很方便地嵌入各种消费电子产品以及便携式通信设备中，成为消费电子产品现代移动通信终端的一个部分，是目前世界半导体芯片厂商争相开发生产的热门产品。蓝牙基带协议是电路交换与分组交换的结合。在保留的时隙中可以传输同步数据包，每个数据包以不同的频率发送。一个数据包名义上占用一个时隙，但实际上可以被扩展到占用5个时隙。蓝牙支持异步数据信道以及多达3个同时进行的同步话音信道，还可以用一个信道同时传送异步数据和同步话音。每个话音信道支持64ｋｂｉｔ／ｓ，同步话音链路。异步信道可以支持一端最大速率为721ｋｂｉｔ／ｓ而另一端速率为57.6ｋｂｉｔ／ｓ的不对称连接，也可以支持432.6ｋｂｉｔ／ｓ的对称连接。蓝牙系统主要有三大单元组成。(1)无线单元。无线单元主要完成基带信号和射频信号之间的上下转换，实现数据流的过滤和传输；(2)基带单元。基带单元主要完成跳频控制，数据和信息的打包与传输；(3)链路管理与控制单元。链路管理与控制是系统的核心部分，它负责连接的建立和拆除以及链路的安全和控制，还要为上层软件提供访问入口。蓝牙标准是由移动通信公司与移动计算公司联合起来开发的传输范围为10米左右的短距离无线通信标准，蓝牙比无线局域网标准IEEE802.11更具移动性，IEEE802.11限制在建筑物和校园内，蓝牙能把一个设备连接到LAN和WAN，甚至支持全球漫游。蓝牙通讯技术的特点：蓝牙工作在全球开放的2.4GHzISM（即工业、科学、医学）频段；使用跳频频谱扩展技术，把频带分成若干个跳频信道（hopchannel），在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列不断地从一个信道“跳”到另一个信道；一台蓝牙设备可同时与其它七台蓝牙设备建立连接；数据传输速率可达1Mbit/s；低功耗、通讯安全性好；在有效范围内可越过障碍物进行连接，没有特别的通讯视角和方向要求；支持语音传输；组网简单方便。蓝牙技术特征：蓝牙技术是作为一种“电缆替代”的技术提出来的，发展到今天已经演化成了一种个人信息网络的技术。它将内嵌蓝牙芯片的设备互联起来，提供话音和数据的接入服务，实现信息的自动交换和处理。蓝牙主要针对三大类的应用：话音／数据的接入、外围设备互联和个人局域网。话音／数据的接入是将一台计算设备通过安全的无线链路连接到一个通信设备，完成与广域通信网络的互联。外围设备互联是指将各种外设通过蓝牙链路连接到主机。个人局域网的主要应用是个人网络和信息的共享和交换。蓝牙技术已获得了两千余家企业的响应，从而拥有了巨大的开发和生产能力。蓝牙已拥有了很高的知名度，消费者对这一技术也很有兴趣。蓝牙的未来发展趋势：（1）芯片价格持续下降；（2）芯片越来越小巧；（3）向单芯片方向发展；（4）产品具有兼容性；（5）与其它技术的共存；（6）众多操作系统支持蓝牙（7）干扰问题的解决（8）支持漫游功能。蓝牙无线技术本身是巨大的潜在市场驱动下的产物，其最初的设想是为移动终端用户和商务人士提供一项替代线缆（ＣａｂｌｅＲｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ）的技术，并能提供对等（Ｐｅｅｒ－ｔｏ－Ｐｅｅｒ）的基于临时组网（ＡｄＨｏｃＳｃａｔｔｅｒｎｅｔ）的各种移动通信终端和便携式计算终端之间的无线连接。蓝牙无线技术的应用大体上可以划分为替代线缆（ＣａｂｌｅＲｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ）、因特网桥（ＩｎｔｅｒｎｅｔＢｒｉｄｇｅ）和临时组网（ＡｄＨｏｃＮｅｔｗｏｒｋ）3个领域。（1）替代线缆1994年，Ｅｒｉｃｓｓｏｎ公司就将其作为替代设备之间线缆的一项短距离无线技术。与其他短距离无线技术不同，蓝牙从一开始就定位于结合语音和数据应用的基本传输技术。最简单的一种应用就是点对点（ＰｏｉｎｔｔｏＰｏｉｎｔ）的替代线缆，例如耳机和移动电话、笔记本电脑和移动电话、ＰＣ和ＰＤＡ（数据同步）、数码相机和ＰＤＡ以及蓝牙电子笔和移动电话之间的无线连接。围绕替代线缆再复杂一点的应用，就是多个设备或外设在一个简单的“个人局域网”（ＰｅｒｓｏｎａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ，ＰＡＮ）内建立通信连接，如在台式计算机、鼠标、键盘、打印机、ＰＤＡ和移动电话之间建立无线连接。为了支持这种应用，蓝牙还定义了“微网”（Ｐｉｃｏｎｅｔ）的概念，同一个ＰＡＮ内至多有8个数据设备（1个“主设备”（Ｍａｓｔｅｒ）和7个“从设备”（Ｓｌａｖｅ））共存。（2）因特网桥蓝牙标准还更进一步地定义了“网络接入点”（ＮｅｔｗｏｒｋＡｃｃｅｓｓＰｏｉｎｔ）的概念，它允许一台设备通过此网络接入点来访问网络资源，如访问ＬＡＮ、Ｉｎｔｒａｎｅｔ、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ和基于ＬＡＮ的文件服务和打印设备。而且这种网络资源不仅仅可以提供数据业务服务，还可以提供无线的语音业务服务，从而可以实现蓝牙终端和无线耳机之间的移动语音通信。通过接入点和微型网的结合，可以极大地扩充网络基础设施，丰富网络资源，从而最终实现不同类型和功能的多种设备依托此种网络结构共享语音和数据业务服务。建立这样一个安全和灵活的蓝牙网络需要以下3部分软件和硬件设施组成：一是蓝牙接入点（ＢｌｕｅｔｏｏｔｈＡｃｃｅｓｓＰｏｉｎｔ，ＢＡＰ），他们可以安装在提供蓝牙网络服务的公共、个人或商业性建筑物上，目前大多数接入点只能在ＬＡＮ和蓝牙设备之间提供数据业务服务，而少数高档次的系统可以提供无线语音连接；二是本地网络服务器（ＬｏｃａｌＮｅｔｗｏｒｋＳｅｒｖｅｒ），此设备是蓝牙网络的核心，它提供基本的共享式网络服务，如接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ、Ｉｎｔｒａｎｅｔ和连接基于ＰＢＸ的语音系统等；三是网络管理软件（ＮｅｔｗｏｒｋＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｏｆｔｗａｒｅ），此软件也是网络的核心，集中式管理的形式能够提供诸如网络会员管理、业务浏览、本地业务服务、语音呼叫路由、漫游和记费等功能。蓝牙无线网络的结构如图1所示。基于上述蓝牙网络的商业化应用已经浮出水面。在分布了多个蓝牙接入点的商店，顾客可以利用带有ＷＡＰ、蓝牙和Ｗｅｂ浏览功能的移动电话付款、结账和浏览店内提供的商品；在装有基于蓝牙的饭店客人服务系统的ＨｏｌｉｄａｙＩｎｎ中，客人使用Ｅｒｉｃｓｓｏｎ的Ｒ520ｍ具备蓝牙功能的移动电话就可以进行入住登记和结账服务，甚至可以用移动电话打开预定客房的房门。在欧美国家，配备蓝牙等无线因特网接入服务的设施被称为“ＨｏｔＳｐｏｔ”，他们和日本等国都在积极探索开展ＨｏｔＳｐｏｔ业务的商业模式。（3）临时组网上述的“网络接入点”是基于网络基础设施（ＩｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄＮｅｔｗｏｒｋ）的，即网络中存在固定的、有线连接的网关。蓝牙标准还定义了基于无网络基础设施（Ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ－ｌｅｓｓＮｅｔｗｏｒｋ）的“散型网”（Ｓｃａｔｔｅｒｎｅｔ）的概念，意在建立完全对等（Ｐ2Ｐ）的ＡｄＨｏｃＮｅｔｗｏｒｋ。所谓的ＡｄＨｏｃＮｅｔｗｏｒｋ是一个临时组建的网络，其中没有固定的路由设备，网络中所有的节点都可以自由移动，并以任意方式动态连接（随时都有节点加入或离开），网络中的一些节点客串路由器来发现和维持与网络其他节点间的路由。ＡｄＨｏｃＮｅｔｗｏｒｋ应用于紧急搜索和救援行动中、会议和大会进行中及参加人员希望快速共享信息的场合。蓝牙标准中微网采用主／从工作模式，若干个临时组建的微网可以建立连接构成散型网。由主设备的蓝牙地址（ＢＤ—ＡＤＤＲ）及本地时钟（ＣＬＫＮ）决定一个微网的信道跳频序列（ＣｈａｎｎｅｌＨｏｐｐｉｎｇＳｅｑｕｅｎｃｅ）及同步时钟（ＣＬＫ），微网内的所有从设备与此跳频序列保持同步。一个微网内的从设备可以同时作为其他微网的从设备，而一个微网的主设备在其他微网内只能作为从设备。在保证一定误码率及冲突限度的前提下，一个散型网可由至多10个微网构成，由此可见，在一定范围内可支持的蓝牙无线设备的密度相当高。当前的蓝牙协议并不支持完全对等的通信，如果在临时组建的微网内充当主单元的设备突然离去，剩余的设备不会自发地组建起一个新的微网；同时，蓝牙协议也不支持ＡｄＨｏｃ业务的分配和管理，蓝牙的业务发现协议（ＳＤＰ）为适应蓝牙通信的动态特性进行了优化，但ＳＤＰ集中于对蓝牙设备上可利用业务的发现，而没有定义如何访问这些业务的方法（包括发现和得到协议，访问方式，驱动和使用这些业务所需的代码），对访问业务的控制和选择等。尽管如此，蓝牙的ＳＤＰ可以与其他的业务发现协议共存，也可以通过蓝牙定义的其他协议来访问这些业务。为部分解决上述问题，北欧一家产品工作平台开发商，蓝牙ＳＩＧ成员之一的ＰｏｃｉｔＬａｂ开发出了自发的短距离Ｐ2Ｐ业务平台——ＢｌｕｅＴａｌｋ，以及智能的无线对等网络——ＢｌｕｅＴａｌｋＮｅｔ。他们的工作平台在基于ＰＤＡ的游戏上得到了应用，并且获得了ＢｌｕｅｔｏｏｔｈＣｏｎｇｒｅｓｓ2001的“最具创新产品奖”（ＭｏｓｔＩｎｎｏｖａｔｉｖｅＰｒｏｄｕｃｔ）。蓝牙在网络教育中的应用：在网络教育应用中，如果在无线校园网中采用基于蓝牙技术的网络产品，就增加了网络教学的可移动性。利用蓝牙技术还可以构建将各种媒体信息工具综合起来的蓝牙教室。对于学习者个人来说，利用蓝牙技术可以方便地搭建一个实时、快速、交互性强的队每天学习空间，这样就可以把用户身边的设备都连接起来，形成一个“个人微型网”，使社会的每一个成员，每一件职能化设备都能随时随地连接在网络上，学习者就可以在互联网上多途径地学习丰富的教育资源，而且使学习者与教学资源、教师与学生之间的交互性也得到了提高，交互过程中的信息表征方式也比较丰富，将会构成进行终身学习的理想环境。蓝牙在计算机中的应用：蓝牙接口可以直接集成到计算机主板或者通过ＰＣ卡或ＵＳＢ接口连接，实现计算机之间及计算机与外设之间的无线连接。这种无线连接对于便携式计算机可能更有意义。通过在便携式计算机中植入蓝牙技术，便携式计算机就可以通过蓝牙移动电话或蓝牙接入点连接远端网络，可以方便地进行数据交换。当便携式计算机中的某些资料更新后，可以在不需人工干预的情况下，对家用台式电脑进行同步更新。蓝牙在移动电话中的应用：从目前来看，移动电话是蓝牙技术的最大应用领域，也是已经有实际应用的领域。通过在移动电话中植入蓝牙技术，可以实现无线耳机、车载电话等功能，还能实现与便携式计算机和其他手持设备的无电缆连接，组成一个方便灵活的ＰＡＮ。当蓝牙技术普及后，蓝牙移动电话还能作为一个工具，实现所有的商用卡交易。蓝牙在其他方面的应用：目前，蓝牙技术的应用领域已越来越广阔，如：将蓝牙技术应用于汽车行业中，实现对汽车各部件的实时监控；将蓝牙技术应用于建筑行业中，实现智能化住宅；在人口密度大的地区（如车站、机场、商场等）为用户提供接入服务等。我们针对电力系统的特点，正在将蓝牙技术引入到电力系统中，实现电力系统的自动抄表和用电实时管理以及高压区的远程操作。目前正在努力实现该系