第5讲 短距离无线通信技术

物联网技术概论第7章短距离无线通信技术1物联网工程概论电子信息系物联网技术概论第7章短距离无线通信技术2短距无线通信概述RFID技术ZigBee技术蓝牙（BlueTooth）技术WiFi技术超宽带（UWB）技术物联网技术概论第7章短距离无线通信技术3短距无线通信概述•短距离无线通信技术：指作用距离在毫米级到千米级的，局部范围内的无线通信技术。涵盖近场通信（NearFieldCommunication，NFC，作用距离为厘米级）无线个域网（WirelessPersonalAreaNetworks，WPAN，作用距离10m级）无线局域网（WirelessLocalAreaNetworks，WLAN，作用距离100m级无线传感器网络（WirelessSensorNetworks，WSN，作用距离为数百米至千米级）。物联网技术概论第7章短距离无线通信技术4品种繁多，应用范围极广：通信速率：从几Kb/s～几Gb/s；(RFID/WPAN)通信模式：点对点（红外）点对多点（蓝牙）网状（ZigBee）通信介质：红外线(IrDA)、可见光(VLC)；通信对象：人体（体域网WBAN）车辆（车联网VAN）物联网技术概论第7章短距离无线通信技术5低功耗。便携性和移动性，避免相互干扰。低成本。消费电子领域，使用量大。多在室内环境下应用。使用ISM频段。通用性和民用性，免许可证。电池供电。小型化，移动性。共性特点基本要求决定因素物联网技术概论第7章短距离无线通信技术6WiFi物联网技术概论第7章短距离无线通信技术7RFID技术通信距离一般≤30米通信速率通信速率26Kbps（低频）。实现每秒30个对象的识别，对付最大速度为1m/s的运动目标。低频（125kHz）、高频（915MHz）、超高频（2.45GHz）工作频率物联网技术概论第7章短距离无线通信技术8ZigBee技术•“ZigBee”一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳“ZigZag”形舞蹈来相互告知，达到交换信息目的。•一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线网络技术，主要用于自动控制领域，满足小型廉价设备的联网和控制。物联网技术概论第7章短距离无线通信技术9ZigBee是IEEE802.15.4技术的商业名称，其前身是“HomeRFlite”技术。物联网技术概论第7章短距离无线通信技术10按照网络覆盖的地理范围分为无线广域网（WWAN）、无线城域网（WMAN）、无线局域网（WLAN）和无线个域网（WPAN）物联网技术概论第7章短距离无线通信技术11物联网技术概论第7章短距离无线通信技术12•2001年8月，ZigBeeAlliance成立。•2004年，ZigBeeV1.0诞生。它是Zigbee规范的第一个版本。由于推出仓促，存在一些错误。•2006年，推出ZigBee2006，比较完善。•2007年底，ZigBeePRO推出。•2009年3月，ZigbeeRF4CE推出，具备更强的灵活性和远程控制能力。ZigBee起源：物联网技术概论第7章短距离无线通信技术13802.15.4/ZigBee是无线传感网领域最为著名的无线通信协议•ZigBee主要定义了网络层以及之上的应用层的规范•802.15.4主要定义了短距离通信的物理层以及链路层规范•ZigBee基于IEEE802.15.4标准（802.15.4仅仅定义了物理层和MAC层），由ZigBee联盟在IEEE802.15.4协议上定义了网络层和应用层而形成，用于构建无线个域网和无线传感网络IP地址MAC地址物联网技术概论第7章短距离无线通信技术14物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层比特流传输提供介质访问、链路管理等寻址和路由选择建立主机端到端连接建立、维护和管理会话处理数据格式、数据加密等提供应用程序间通信OSI参考模型IP地址MAC地址物联网技术概论第7章短距离无线通信技术15InternetZigbee协调器Zigbee协调器Zigbee传感节点Zigbee传感节点物联网技术概论第7章短距离无线通信技术16ZigBee的拓扑结构物联网技术概论第7章短距离无线通信技术17•路由（routing）就是通过互联的网络把信息从源地址传输到目的地址的活动。路由发生在OSI网络参考模型中的第三层即网络层。作成硬件的话，则称为路由器。•节点是网络任何支路的终端或网络中两个或更多支路的互连公共点，通信传送网络中的节点，是信号的交叉连接点，是业务分插交汇点，是网络管理系统的切入点，是信号功率的放大点和传输中的数字信号的再生点。物联网技术概论第7章短距离无线通信技术18•低数据速率的WPAN中包括两种无线设备：全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）。其中，FFD可以和FFD、RFD通信，而RFD只能和FFD通信，RFD之间是无法通信的。RFD的应用相对简单，例如在传感器网络中，它们只负责将采集的数据信息发送给它的协调点，并不具备数据转发、路由发现和路由维护等功能。RFD占用资源少，需要的存储容量也小，成本比较低。在一个ZigBee网络中，至少存在一个FFD充当整个网络的协调器，即PAN协调器，ZigBee中也称作ZigBee协调器。一个ZigBee网络只有一个PAN协调器。通常，PAN协调器是一个特殊的FFD，它具有较强大的功能，是整个网络的主要控制者，它负责建立新的网络、发送网络信标、管理网络中的节点以及存储网络信息等。FFD和RFD都可以作为终端节点加入ZigBee网络。此外，普通FFD也可以在它的个人操作空间（POS）中充当协调器（路由），但它仍然受PAN协调点的控制。ZigBee中每个协调点最多可连接255个节点，一个ZigBee网络最多可容纳65535个节点。物联网技术概论第7章短距离无线通信技术19网络协调器•包含所有的网络信息，是三种设备当中最复杂的一种，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、寻找一对节点中的路由信息、不断地接收信息。物联网技术概论第7章短距离无线通信技术20全功能设备•可以担任网络协调者，形成网络，让其它的FFD或是RFD连接，FFD具备控制器的功能，可提供信息的双向传输。•附带由标准的全部802.15.4功能和所有特征。•更多的存储器，计算能力可使其空闲时起网络路由器作用。•也可用作终端设备。物联网技术概论第7章短距离无线通信技术21精简功能设备•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。•RFD由于省掉了内存和其它电路，降低了部件的成本。物联网技术概论第7章短距离无线通信技术22星型树型在星型拓扑结构中，所有的终端设备只和协调器之间进行通信，协调器作为发起设备，协调器一旦被激活，它就建立一个自己的网络，并作为PAN协调器。路由设备和终端设备可以选择PAN标识符加入网络。树型网络由一个协调器和多个星型结构连接而成，设备除了能与自己的父节点或子节点互相通信外，其他只能通过网络中的树型路由完成通信；在树型网络中，由协调器发起网络，路由器和终端设备加入网络。物联网技术概论第7章短距离无线通信技术23拓扑结构网状型网状型网络是在树型网络的基础上实现的。与树状网络不同的是，它允许网络中所有具有路由功能的节点互相通信，由路由器中的路由表完成路由查寻过程。在网状型网络中，每个设备都可以与在无线通信范围内的其他任何设备进行通信。物联网技术概论第7章短距离无线通信技术24•星形结构——整个网络由一个网络协调器来控制，是一种常用且适用于长期运行使用操作的网络。•网状结构——是一种高可靠性监测网络，协调器负责启动网络以及选择关键的网络参数。•簇树结构——是星形和网状形的混合型拓扑网络，结合了两种拓扑结构的优点。物联网技术概论第7章短距离无线通信技术25ZigBee网络设备比较物联网技术概论第7章短距离无线通信技术26ZigBee的协议架构物联网技术概论第7章短距离无线通信技术27物理层访问接口PD-SAPPLME-SAPPHY-PIBRF-SAP(无线发送接收访问接口)PLME物理层MAC层物理层数据服务访问接口，简称PD-SAP，PD-SAP负责物理层和MAC层之间提供数据服务。物理层管理服务访问接口，简称PLME-SAP，PLME-SAP除了负责在物理层和MAC层之间传输管理服务之外，还负责维护物理层PAN信息库；物理层通过射频固件和射频硬件提供了一个从MAC层到物理层的无线信道接口。zigbee物理层结构模型物联网技术概论第7章短距离无线通信技术28IEEE802.15.4中两个不同的物理层ZigBee物理层868MHz/915MHz物理层通道0通道1~10868.3MHz902.0MHz928.0MHz2.4GHz2.4835GHz通道11~262.4GHz物理层物联网技术概论第7章短距离无线通信技术29工作频率范围/MHz频段类型国家和地区868～868.6ISM欧洲902～928ISM北美2400～2483.5ISM全球各个国家和地区ZigBee频率工作范围频段（MHz）扩展参数数据参数码片速率（kchip/s）调制比特速率（kbit/s）符号速率（kBaud/s）符号868～868.6300BPSK2020二进制902～928600BPSK4040二进制2400～2483.52000O-QPSK25062.516相正交ISM免执照的工业科学医疗物联网技术概论第7章短距离无线通信技术30ZigBee共定义了27个物理信道，其中，868MHz频段定义了一个信道；915MHz频段附近定义了10个信道，信道间隔为2MHz；2.4GHz频段定义了16个信道，信道间隔为5MHz。具体信道分配如下表：其中，理论上，在868MHz的物理层，数据传输速率为20Kb/s；在915MHz的物理层，数据传输速率为40Kb/s；在2.4GHz的物理层，数据传输速率为250Kb/s。信道编号中心频率/MHz信道间隔/MHz频率上限/MHz频率下限/MHzK=0868.3868.6868.0K=1,2,3,…,10906+2(k-1)2928.0902.0K=11,12,13,…,262401+5(k-11)52483.52400.0物联网技术概论第7章短距离无线通信技术31物理层数据包格式4字节1字节1字节变量前同步码帧定界符帧长度（7位）预留位（1位）PSDU同步包头物理层包头物理层净荷同步包头用于获取符号、扩频码、帧同步。也有助于粗略的频率调整。物理层包头指示的是净电荷部分的长度。物理层净电荷部分含有MAC层数据包，净荷部分最大程度不超过127字节。物联网技术概论第7章短距离无线通信技术32ZigBee数据链路层IEEE802系列把数据链路层分成LLC（逻辑链路控制）和MAC（媒体访问控制）两个子层。LLC子层主要功能是进行数据包的分段与重组以及确保数据包按顺序传输。MAC子层的功能包括设备间无线链路的建立、维护和断开，确认模式的帧传送与接收，信道接入与控制，帧校验与快速自动请求重发（ARQ），预留时隙管理以及广播信息管理等，帧结构如图所示物联网技术概论第7章短距离无线通信技术33帧控制域指明了MAC帧的类型，地址域的格式及是否需要接收方确认等控制信息。帧序号域包含了发送方对帧的顺序编号，用于匹配确认。地址域采用的寻址方式可以是64位IEEEMAC地址或8位的zigbee网络地址。FCS用于接收方判断该数据是否正确。2字节1字节0/2字节0/2/8字节0/2字节0/2/8字节可变2字节帧控制序列号目的PAN标示符目的地址源PAN标示符源地址帧载荷FCSMHR（MAC层帧头）MAC载荷MFRMAC层数据包格式物联网技术概论第7章短距离无线通信技术34它具有四种不同的帧形式，即信标帧、数据帧、确认帧和命令帧。•信标帧MPDU由MAC子层产生。在信标网络中，协调器通过向网络中的所有从设备发送信标帧，以保证这些设备能够同协调器进行同步