短距离无线通信

短距离无线通信学时：48学时授课方式：理论加实验考查方式：完成预定实验并通过验收短距离无线通信以及常用的方式什么是短距离无线通信•短距离无线通信泛指在较小的区域内（数百米）提供无线通信的技术，目前常见的技术大致有802.11系列无线局域网、蓝牙、HomeRF和红外传输技术以及ZigBee技术。什么是IEEE802.11系列标准•IEEE802.11系列这是IEEE（InstituteforElectricalandElectronicEngineers电气和电子工程师协会）制定的无线局域网标准，用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线数据业务接入。目前最为常见的是802.11b无线局域网，它使用开放的2.4GHZ微波频段，最高速率为11Mbps；在恶劣环境下，可动态切换到较低的速率上以保证通信。在办公环境下作用范围约100米，在室外可以达到300米。另一种802.11a无线局域网工作在5G的频段上，速率可达到54Mbps，但设备昂贵，应用较少。ZigBee技术简介-什么是ZigBee?•ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。•ZigBee采取了IEEE802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点：省电、简单、成本又低的规格；ZigBee增加了逻辑网络、网络安全和应用层。•ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。•ZigBee无线可使用的频段有3个,分别是2.4GHz的ISM频段、欧洲的868MHz频段、以及美国的915MHz频段，而不同频段可使用的信道分别是16、1、10个，在中国采用2.4G频段，是免申请和免使用费的频率。容易与ZigBee混淆的几个概念物联网•通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。无线传感网络•大规模，无线、自组织、多跳、无分区、无基础设施支持的网络．其中的节点是同构的、成本较低、体积较小，大部分节点不移动，被随意撒布在工作区域，要求网络系统有尽可能长的工作时间。在通信方式上，虽然可以采用有线、无线、红外和光等多种形式，但一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络使用，为明确起见，一般称无线传感器网络(WSN．WirelessSensorNetwork)。ZigBee技术简介-短程无线网络标准WWANWMANWLANWPAN传输范围0.011010.11001000数据传输率（Mbps）ZigBee技术简介-短程无线网络标准文本因特网/声音压缩图片多通道数字图像低实际数据传输率高短程传输范围长程ZigBee技术简介-无线网络标准的比较ZigBee标准的应用•ZigBee和802.15.4标准都适合于低速率数据传输，最大速率为250K，与其他无线技术比较，适合传输距离相对较近；•ZigBee无线技术适合组建WPAN网络，就是无线个人设备的联网，对于数据采集和控制信号的传输是非常合适的。•ZigBee技术的应用定位是低速率、复杂网络、低功耗和低成本应用ZigBee技术简介-ZigBee与IEEE802.15.4•ZigBee是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术，IEEE802.15.4仅处理MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。•ZigBee是由ZigBeeAlliance所主导的标准，定义了网络层（NetworkLayer)、安全层（SecurityLayer）、应用层（ApplicationLayer)、以及各种应用产品的资料（Profile）;而由国际电子电机工程协会（IEEE）所定制的802.15.4标准，则是定义了物理层（PHYLayer)及媒体存取层（MediaAccessControlLayer;MACLayer)。ZigBee技术简介-ZigBee协议栈•8位处理器•协议栈简介紧凑4K-32k•网络主节点容纳网络内所有节点的设备信息、数据包转发表、设备关联表、与安全有关的密钥存储等。ZigBee协议栈的特点•ZigBee采取了IEEE802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点；•ZigBee增加了逻辑网络、网络安全和应用软件，更加适合于产品技术的一致化，利于产品的互连互通；•ZigBee继续与IEEE紧密结合，以保证向市场提供一种完整的集成解决方案ZigBee技术简介-ZigBee频带和数据传输率•ZigBee无线可使用的频段有3个，分别是2.4GHz的ISM频段、欧洲的868MHz频段、以及美国的915MHz频段，而不同频段可使用的信道分别是16、1、10个；•ZigBee在中国采用2.4G的ISM频段，是免申请和免使用费的频率，在2.4G的频段上具有16个信道，带宽为250K。ZigBee技术简介-ZigBee物理信道ZigBee在2.4G的频段上具有16个信道，从2.405GHz—2.480GHz间分布，信道间隔是5M，具有很强的信道抗串扰能力。ZigBee技术简介-ZigBee网络拓扑结构星型网状型簇状型网络协调器全功能设备(FFD,Router):可以支持任何一种拓扑结构，可以作为网络协商者和普通协商者，并且可以和任何一种设备进行通信精简功能设备(RFD):只支持星型结构，不能成为任何协商者，可以和网络协商者进行通信，实现简单。ZigBee网络拓扑特点•ZigBee技术具有强大的组网能力，可以形成星型、树型和MESH网状网，可以根据实际项目需要来选择合适的网络结构；•MESH网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过“多级跳”的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、自愈功能；•星型和族树型网络适合点多多点、距离相对较近的应用。ZigBee技术简介-ZigBee网络设备类型•网络协调器：包含所有的网络消息，是3种设备类型中最复杂的一种，存储容量最大、计算能力最强。发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。•全功能设备（FFD）：可以担任网络协调者，形成网络，让其他的FFD或是精简功能装置（RFD）连结，FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输。.附带由标准指定的全部802.15.4功能和所有特征.更多的存储器、计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用.也能用作终端设备•精简功能设备（RFD）：RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。.附带有限的功能来控制成本和复杂性.在网络中通常用作终端设备。.ZigBee相对简单的实现自然节省了费用。RFD由于省掉了内存和其他电路，降低了ZigBee部件的成本，而简单的8位处理器和小协议栈也有助于降低成本。ZigBee技术简介-ZigBee网络设备类型设备类型拓扑类型可否成为协调器通话对象全功能设备（FFD）星形，树形，网状可以任何ZigBee设备简化功能设备（RFD）星形不可以只能与协调器通话•ZigBee网络协调器也就是网络的中心节点；•ZIGBEE全功能设备(FFD)也就是网络中的路由或中继；•精简功能设备(RFD)也就是网络中的终端节点。ZigBee技术简介-ZigBee网状（MESH）网络MESH网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过多级跳的方式来通信；Mesh是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构，其路由可自动建立和维护该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；MESH网络机构还可以组成极为复杂的网络，具有很大的路由深度和网络节点规模；MESH网络还具备自组织、自愈功能。ZigBee技术简介-ZigBee网状（MESH）网络•Mesh是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构，其路由可自动建立和维护。•通过以上ZigBeeMesh结构图可以得知，一个ZigBee网络只有一个网络协调器，但可以有若干个路由器。•协调器负责整个网络的建网，同时它也可作为与其它类型网络的通讯节点（网关）。•构成协调器和路由器的器件必须是全功能器件（FFD），而构成终端设备的器件可以是全功能器件，也可是简约功能器件（RFD).ZigBee技术简介-ZigBee网状（MESH）网络•ZigBee采用按需路由算法AODV，在节能和网络性能上都有着很大的优势。•AODV路由协议是一种基于距离矢量的按需路由算法，只保持需要的路由，而不需要节点维持通信过程中未达目的节点的路由。节点仅记住下一跳，而非像源节点路由那样记住整个路由。它能在网络中的各移动节点之间动态地、自启动地建立逐跳路由。•当链路断开时，AODV会通知受影响的节点，从而使这些节点能被确认为无效路由。AODV允许移动节点响应链路的破损情况，并以一种及时的方式更新网络拓扑。AODV操作是无还回的，并避免了当Adhoc网络拓扑变化时快速收敛的无限计算问题（特别是当一个节点进入网络时）。ZigBee技术简介-ZigBee通信可靠性保证•物理层RF通信连接•■直序扩频采用高处理增益•■明晰的信道检测•■对干扰能量进行检测•协议•■基于CRC的误码监测/校正•■采取了避免冲突的策略CSMA/CA•■为固定带宽的通信业务预留了专用的有保证的时隙•■发送的数据包都有待于接收方的确认，如出现问题进行重发•■保持数据包的及时传输PacketdatafreshnessZigBee技术简介-ZigBee通信可靠性保证•通信可靠机制•■ZigBee采用了CSMA-CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；明晰的信道检测•■MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接受方的确认信息。•网络的自组织自语能力强•■ZigBee的自组织功能：无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连结关系，组成结构化的网络；•■ZigBee自愈功能：增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应的调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。ZigBee技术简介-ZigBee通信可靠性保证在低信噪比的环境下ZigBee具有很强的抗干扰性能。ZigBee技术在相同的环境中，ZIGBEE抗干扰性能远远好于蓝牙和WLAN误码率信噪比dBbluetoothZigBee技术简介-ZigBee通信可靠性保证如上图比较所示，在红色点同等环境中，ZigBee的抗干扰性能是蓝牙、WLAN和FSK的1000倍。ZIGBEE技术的抗干扰设计•ZIGBEE在物理层采用高处理增益的直序/频率快变DS/FA技术（DirectSequence/FrequencyAgility）；•ZIGBEE的处理增益最大，抗干扰和抗多径时延扩展的能力也越强；•ZIGBEE具备的频率快变就是改变频率，以避开从一个已知干扰源或信号源来的影响的能力；•实验证明IEEE802.15.4/ZigBee的误码率，特别是在信噪比为4dB的情况下可达到10-9；达到同样误码率，蓝牙/802.15.1信噪比要达16dB，802.11b要达10dB，ZIGBEE的抗干扰性能明显高于蓝牙和WLAN技术。ZIGBEE和FSK电台性能比较ZIGBEE和蓝牙性能比较ZigBee技术简介-ZigBee技术优势•数据传输速率低：10KB/秒-250KB/秒，专注于低传输应用•功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6-24个月•成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本•网络容量大：网络可容纳65000个设备•时延短：典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。•网络的自组织、自愈能力强，通信可靠•数据安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法（美国新加密算法