第11-12讲无线个域网的实现

无线网络技术引入问题：个人设备无线组网时，都涉及哪些无线技术？传输速率、距离、应用领域……WPAN这些个域网技术都有哪些差异，根据这些差异可以分为哪几类？蓝牙，无线USB，Zigbee,近场通信……无线网络技术第10章WPAN标准10.1前言10.2蓝牙(IEEE802.15.1)10.3无线USB10.4ZigBee(IEEE802.15.4)10.5IrDA10.6近场通信无线网络技术无线个域网(WirelessPersonalAreaNetwork,WPAN)是为人们在个人工作空间实现设备之间无线互联的技术，通常在1～10m距离内。无线个域网的目标：实现这种互联，并且提供更灵活、更具移动性及更自由的连接以摆脱电缆的束缚。WPAN标准由IEEE802.15工作组（1999年成立）开发。无线网络技术标准描述应用IEEE802.15.1最初的2.4GHzFHSS规范。2002年发布蓝牙IEEE802.15.2推荐的实践可使IEEE802.15WPAN和IEEE802.11WLAN共存。2003年发布IEEE802.15.3a高速率的WPAN，物理层使用DS-UWB和正在讨论中的OFDM技术，草案于2003年发布。被MBOA和无线USB超过。工作组在2006年1月解散IEEE802.15.4低速率WPAN。DSSS2.4GHz，915和868MHz。2003年发布ZigBeeIEEE802.15.4a该工作组主要是来发展可选择的物理层技术，有两种正在考虑中的可选物理层规范，UWB脉冲无线电和工作于2.4GHzISM波段的扫频扩频IEEE802.15WPAN标准和任务组无线网络技术第10章WPAN标准10.1前言10.2蓝牙(IEEE802.15.1)10.3无线USB10.4ZigBee(IEEE802.15.4)10.5IrDA10.6近场通信无线网络技术10.2蓝牙(IEEE802.15.1)10.2.1起源及其主要特征10.2.2协议栈10.2.3蓝牙无线通信10.2.4基带层10.2.5高层协议10.2.6蓝牙的实际应用10.2.7蓝牙的发展现状和展望无线网络技术10.2.1起源及其主要特征蓝牙的起源1994年，爱立信公司开始进行移动电话及其附件间无线连接的研究。1998年，由爱立信、IBM、诺基亚和东芝等公司成立蓝牙特殊利益集团(SpecialInterestGroup,SIG)后，无线连接的概念开始从移动电话，扩展到PC和其他设备的连接。1999年，IEEE802.15工作组成立用于开发WPAN标准，蓝牙SIG成为唯一响应802.15的组织，蓝牙和IEEE802.15.1不久后成了同一个概念。无线网络技术蓝牙的主要特征：蓝牙1.1版本是PAN标准：它工作于2.4GHzISM频段物理层数据速率达到1Mbps具有有效的非对称的721/56kbps的传输速率或432kbps的全双工通信。2004年11月份发布了蓝牙2.0版本：该版本引入了增强数据速率(EDR)，使得物理层数据速率达到1、2或3Mbps。10.2.1起源及其主要特征无线网络技术蓝牙的主要特征：在一个微微网（pic网）中，蓝牙PAN最多可支持8个蓝牙设备，其中一个作为主设备，其他七个设备作为从设备。一个蓝牙设备既可以成为一个微微网中的主设备又可以成为另一个主设备的从设备，因此微微网可以通过共享公共的设备链接形成分散式网络。每个设备管理微微网的720kbps容量；一个分散式网络因为由多个主控设备控制可以达到更高的分布式数据容量。10.2.1起源及其主要特征无线网络技术蓝牙系统中的皮可网和扩散网MMSSPSSSSSP皮可网2扩散网皮可网1M——主设备S——从设备P——搁置的设备无线网络技术应用模型描述PAN在ad-hoc微微网中启用一般的IP网络（包括安全）。同步模型在设备之间启用个人信息的交换，如日历表和地址簿数据。基本打印模型启用从设备到打印机之间的简单打印：启用蓝牙的打印机能够解码数据并发送至产生打印要求格式，因此发送设备不需要打印驱动。文件传输模型启用一个设备执行另一个设备的文件系统的文件管理操作，包括传输、创建、删除文件或文件夹。主要蓝牙框架无线网络技术应用模型描述耳机模型启用音频数据在设备之间的传输，如PDA或移动电话与无线耳机之间。拨号网络模型启用PDA或其他设备与网络之间的拨号网络链接。LAN接入模型启用设备接入网络资源的能力，如通过点对点协议(PPP)连接LAN中的另一个设备的存储器或打印机。主要蓝牙框架（续）无线网络技术10.2蓝牙(IEEE802.15.1)10.2.1起源及其主要特征10.2.2协议栈10.2.3蓝牙无线通信10.2.4基带层10.2.5高层协议10.2.6蓝牙的实际应用10.2.7蓝牙的发展现状和展望无线网络技术10.2.2协议栈应用蓝牙主机协议栈（软件）逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）主机控制器接口（HCI）主机控制器接口固件（HCI）链路管理协议（LMP）基带/链路控制（LC）蓝牙无线电（PHY）音频蓝牙主机控制器（固件和硬件）无线网络技术10.2蓝牙(IEEE802.15.1)10.2.1起源及其主要特征10.2.2协议栈10.2.3蓝牙无线通信10.2.4基带层(自学)10.2.5高层协议（自学）10.2.6蓝牙的实际应用10.2.7蓝牙的发展现状和展望无线网络技术10.2.3蓝牙无线通信在物理层：802.15.1中规定了每秒跳1600次的跳频扩频系统，在2.40～2.48GHzISM频段之间有79个信道。跳频模式由主设备的48比特MAC地址控制。在一些国家，为了遵守本国的使用规定，跳频模式减少到只覆盖23个信道。级别最大RF功率范围（m）1100mW(20dBm)0～10022.5mW(4dBm)0～1031.0mW(0dBm)0.1～1蓝牙RF发射功率级别无线网络技术对于第1级设备：必须强制性的要求其具有功率控制能力（第2，3级功率控制则是可选的）为了降低干扰，要求发射设备具有动态调整发射功率的能力。有助于降低功耗，增加便携设备的电池寿命。功率控制：是通过接收信号强度指示器(RSSI)实现。RSSI判别接收信号是否在定义的“黄金接收功率范围”内，该范围一般是6～20dB，高于接收机的灵敏度基准。如果接收功率在这个范围以外，接收机发送链路管理协议(LMP)指令给发射机，使其调整发射功率。无线网络技术10.2蓝牙(IEEE802.15.1)10.2.1起源及其主要特征10.2.2协议栈10.2.3蓝牙无线通信10.2.4基带层（自学）10.2.5高层协议（自学）10.2.6蓝牙的实际应用10.2.7蓝牙的发展现状和展望无线网络技术10.2.4基带层蓝牙基带层在物理层之上：管理物理信道和链路，包括：蓝牙设备的发现；链路连接与管理；功率控制。蓝牙基带定义了13种分组类型：其中4种：专门用做传输高质量的语音和语音+数据。每个分组包括：一个68～72比特的接入码：接入码用在蓝牙设备发现期间以及接入到微微网时。一个54比特的分组头：分组头携带了从设备的地址以及分组的确认、编号和检错等信息。最高2745比特的有效载荷。无线网络技术10.2.4基带层通过查询程序和寻呼程序，基带控制设备发现过程。查询程序：能使得蓝牙设备发现一定范围内的其他设备，并判断它们的地址和时钟偏移量；寻呼程序：使得主从设备之间建立连接，并将从设备的时钟与主设备同步。一旦建立连接，蓝牙设备将处于以下四种状态中的一种（表10.4给出了简要描述）：激活呼吸保持及休眠（为了降低功耗）。无线网络技术状态描述激活激活状态的设备参与信道通信。激活状态的主设备：规划传输过程，包括规律性发送指令使从设备保持同步。激活的从设备：在ACL时隙内监听数据包。激活的从设备如果未被寻址到，则休眠直到下一次ACL传输呼吸设备在呼吸状态时，以一种降低的速率监听传输以节省能量。这个非激活状态的时间长短是可编程控制的，同时信赖特定的设备类型及应用表10.4蓝牙连接状态无线网络技术状态描述保持在从设备的请求下或主设备的指示下，数据传输可以进入保持的节能状态。在保持状态，从设备只有内部定时器仍旧工作。当从设备重新进入到激活状态时，数据传输将会很快恢复休眠设备处于休眠状态时仍然保持同步，但并不参与微微网通信。进入该状态后从设备放弃3比特的活动成员设备地址。休眠的设备：周期性地醒来监听传输信道，以便进行重同步和检测其他的广播信息表10.4蓝牙连接状态无线网络技术10.2蓝牙(IEEE802.15.1)10.2.1起源及其主要特征10.2.2协议栈10.2.3蓝牙无线通信10.2.4基带层（自学）10.2.5高层协议（自学）10.2.6蓝牙的实际应用10.2.7蓝牙的发展现状和展望无线网络技术10.2.5高层协议10.2.5.1链路管理器协议10.2.5.2主机控制接口10.2.5.3逻辑链路控制与适配协议(L2CAP)10.2.5.4RFCOMM10.2.5.5SDP无线网络技术10.2.5.1链路管理器协议链路管理器协议(LMP)：用来建立和管理基带连接，包括：链路配置；认证；功率管理功能。这些功能：通过两个已配对设备的链路管理器之间交换协议数据单元(PDU)来实现。协议数据单元包括：配对控制、认证、初始化呼吸、保持和休眠模式、功率增加或降低请求，首选的分组编码的选择以及优化的数据吞吐量的大小。无线网络技术10.2.5.2主机控制接口主机控制接口(HostControllerInterface,HCI):为链路管理器和基带层提供了统一的命令接口，允许在两个硬件之间划分协议栈:例如:一个处理器主机高层软件和一个蓝牙模块。主设备:执行高层协议软件的功能；蓝牙模块:主要是完成LMP、基带层及物理层的功能。这两部分通过主机控制器传输层连接，可以是UART、RS232或USB接口。无线网络技术10.2.5.3逻辑链路控制与适配协议逻辑链路控制与适配协议(L2CAP):能够产生高层协议与基带协议之间的逻辑连接;它给信道的每个端点分配信道标识符(ChannelIdentifier,CID)。L2CAP也为高层协议管理数据的分段与重组，高层协议数据包要大于341字节的基带最大传输单元(MTU)。连接建立的过程包括:设备之间期望的QoS信息交换。L2CAP监控资源的使用来确保达到QoS要求。无线网络技术10.2.5.4RFCOMM蓝牙RFCOMM协议:基于ETSITS07.10标准的子集，在L2CAP协议层之上为电缆替代应用提供串口仿真。RFCOMM将串行的比特流组装成字节和数据分组，提供可靠的排序的串行比特流传输;使用请求发送/清除发送(RTS/CTS)和数据终端准备就绪/数据设置准备就绪(DataTerminalReady/DataSetReady,DTR/DSR)控制信号。无线网络技术10.2.5.4RFCOMM应用到RFCOMM中的ETSI的标准的一个修改:是基于信誉的流量控制机制。该机制：限制帧的传输速率来保证接收设备的输入缓冲区不会溢出。如果一个连接的信誉计数到0，RFCOMM将停止并等待直到它从接收设备中得到更多的信誉量，表明输入缓冲区能够接收数据。无线网络技术10.2.5.5SDP服务发现协议(SDP，ServiceDiscoveryProtocol)：在微微网中用来发现蓝牙设备中的可用服务，并确定这些可用服务的属性。服务发现：可以通过请求/响应模式来完成。一个应用在特定的L2CAP连接上，针对可用的服务发出协议数据单元请求信息；然后等待目标设备的响应。服务发现：可以针对特定要求的服务通过搜索、请求信息来实现；也可以针对所有的可用服务中通过浏览、请求信息来实现。无线网络技术10.2蓝牙(IEEE802.1