无线网络第四章无线个域网

第四章无线个域网清华大学出版社内容提要4．1概述4．2IEEE802.15标准4．3蓝牙技术简介4．4蓝牙无线电规范4．5蓝牙基带规范4．6蓝牙链路管理器规范4．7蓝牙逻辑链路控制和自适应协议4．8蓝牙服务发现协议概述当今时代，手机、PC、汽车、电视、电冰箱等设备逐渐成为人们工作和日常学习中不可缺少的消费产品。人们在享受这些产品带来的方便的过程中，也逐渐感觉单一产品的功能局限性，希望可以有一种短距离、成本低、小功耗的无线通信方式，实现不通设备的互联，提供小范围内的设备的自组网机制，并且通过一定的安全接口完成自组小网与广域大网的互联。无线个域网（WPAN:WirelessPersonalAreaNetwork）诞生。蓝牙(Bluetooth)IrDAHomeRFUWBZigbee为什么不是802.11802.11是个无线局域网协议，并非针对个域应用更快的协议，覆盖范围更大。而个域网传输速度要求不高，范围要求小功耗较大，个域应用需要超低功耗（心脏监视器）拓扑复杂，需要计算机终端对待成本较高（4美元）蓝牙设计被用来在不同的设备之间创建无线连接传输速度版本不同而定，最高24M（高品质语音1.411Mbps），距离10米或100米超低功耗，一粒纽扣电池可连续工作数年拓扑简单，主从模式成本极低（低于1美元）IEEE802.15标准1998年IEEE针对无线个人区域网(WPAN)成立IEEE802.15工作组，开发有关短距离范围的标准，具有短程、低能耗、低成本、网络规模小，适用于个人操作空间(personaloperatingspace,POS)的特点。802.15.1于2001年发布，是以既有蓝牙1.1标准为基础，制定蓝牙无线通信规范的一个正式标准，2003年发布802.15.1a对应蓝牙1.2版本，中等速率解决方案，主要用于手机、笔记本电脑、PDA等；802.15.2工作组目的是要802.11和802.15开发共存的推荐规范。IEEE802.15标准802.15.3/a工作组，研究高传输速率无线个人区域网络标准。物理层使用2.4G频段，如UWB技术，主要考虑无线个人区域网络在多媒体方面的应用，追求更高的传输速率与服务品质。短距传输（10米以内）高流通量（超过20Mbps）QoS能力（对应用程序提供有保障的数据率）低功耗（电池供电）低成本动态环境（设备快速接入）操作简单保密性相机连接到打印机笔记本电脑连接投影无线高保真音响IEEE802.15标准802.15.4：针对低速无线个人区域网络的标准。把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，为个人或者家庭范围内不同设备的低速互连提供统一标准，如ZigBee技术。定义了2个物理层:868Mhz/915Mhz(20/40kbps)和2.4Ghz(250kbps)低功率：多个月/年的时间维持802.15.5：基于蓝牙技术实现无线Mesh网络。IEEE802.15协议体系结构三个标准中每一个不仅有不同的物理层规范，对MAC层也有不同的要求。IEEE802.15协议体系结构WPAN比WLAN传输范围小，最长大约100米（4.0），但功耗和成本更低。蓝牙技术简介-bluetooth的历史1994年Ericsson发起multi-communicatorlink的研究1998成立了特别兴趣小组（SIG）并更名bluetooth；创始成员：Ericsson、Agere、IBM(Lenovo)、Intel、Nokia、Motorola、Toshiba；目标：将计算、通信设备以及附加设备通过短程、低耗、低成本的无线电波连接起来发展：Lucent、3Com、Microsoft和Motorola加入SIG；现SIG成员超过14000个，大多来自计算机、通信、网络和电子消费领域；1999Bluetooth1.0发布，最高传输速为721kbps，实际测试约为24KB/S(192Kbps)左右；蓝牙技术简介-bluetooth的历史蓝牙WPAN工作组蓝牙是无线个人局域网的先驱。在初始阶段，IEEE并没有制定蓝牙相关的标准，经过一段快速发展时期后，蓝牙很快就有了产品兼容性的问题。2001年，IEEE决定制定行业标准来开发能够相互兼容的蓝牙芯片、网络和产品；2001年推出bluetooth1.1版本，修正了1.0版本的BUG，以及非加密高速信道的支持，市场巨大成功；三星T628蓝牙技术简介-bluetooth的历史2003年，bluetooth1.2列入IEEE802.15.1a，改进了加密性能和底层跳频技术，抗干扰性和传输稳定性能进一步增强；市场情况不太理想受WiFi（802.11b）的冲击，WiFi产品的价格大幅度下降在某些应用方面抑制了蓝牙的优势。为了覆盖更多的应用和提供QoS，使其偏离了原来设计简单的目标，复杂使蓝牙变得昂贵，不再适合要求低功率、低成本的简单应用。蓝牙技术简介-bluetooth的历史2004年推出bluetooth2.0+EDR版本，发布了简化确认应答的机制的非跳跃窄频通道EDR传输率提升至2-3Mbps，(实际测试速度为72KB/s=576Kbps);2007年推出bluetooth2.1+EDR版本，简易安全配对、暂停与继续加密、Sniff省电;2009年推出bluetooth3.0+HS版本，集成802.11PAL最高速度可达24Mbps。是2.0速度的8倍。引入了增强电源控制，实际空闲功耗明显降低;蓝牙技术简介-bluetooth的历史2010年7月推出bluetooth4.0（智能蓝牙）实现了传统蓝牙技术、高速蓝牙和新的蓝牙低功耗技术的融合，传输范围可达100米，最短延迟(3毫秒启动)。低能耗标准无线通信使蓝牙设备的潜在使用空间大大的增加。可在心率监视器，血糖仪，智能手表，窗和防盗门传感器，汽车钥匙链和血压测量手环等设备上使用。2011年12月世界上第一款支持蓝牙4.0的手机IPhone4s发布。目前，全球大约80%以上的手机都使用了蓝牙技术，其中将近100%的智能手机都已经使用了蓝牙技术。FindMyCarSmartFindMyCarSmart的应用，是一款让用户查换自己汽车停放位置的应用。对于大型停车场遍地的情况来说，这种应用非常流行。这款应用与之前的寻找停车位置的应用不同，支持一种USB蓝牙4.0感应适配器，与iPhone4S配对，离开车时，应用会自动记录地理位置，完全无需手动操作。而且Bluetooth4.0后台运作耗电量极小。iPhone就可以不依靠GPS也能准确快速找到自己的汽车停放位置。对于室内停车场来说，这款应用还是非常实用的。复杂的版本，更多的选择新的印记是为了要分辨装置间的兼容性以及标示各版本的适用传输频率。SmartReady适用于任何双模蓝牙4.0的电子产品。Smart应用在心率监控器或计步器等使用扭扣式电池并传输单一信息的装置。SmartReady的兼容性会最高，可与Smart及标准蓝牙相通。标准蓝牙则无法与Smart相通。为什么叫“bluetooth”Ericsson借用了统一了丹麦（958）和挪威（970）的丹麦的国王（A.D.940~986）HaraldGormsen的昵称blatand→“Bluetooth”2000年5月发布了蓝牙应用新图标：它取自HaraldBluetooth名字中的「H」和「B」两个蓝牙标志的来历个字母，用古北欧字母来表示，将这两者结合起来，就成为了蓝牙的logo。Bluetooth的技术规范蓝牙是无线技术规范：频带使用2.4Ghz频段；短程：classB低能状态最大传输距离10m（classA高能状态达到100m）；性能中等：2.1+EDR2-3Mbps，3.0后可达24Mbps；动态配置：自组联网/漫游；低能耗(2.5mW)：适用于手持应用，待机时仅有1mw；模块大小：9x9mm；支持语音和数据传输；bluetooth的应用可替代所有需要传输数据的家电的有线连接：使一组个人设备协同工作；充当进入Internet的桥梁构建居家网络运动中组网个人设备协同工作和Internet的桥梁构建居家网络环境运动中的连接bluetooth系统Bluetooth拓扑结构Piconet（微微网）：共享相同信道，8个蓝牙设备可在小型网络内通信；Scatternet（散网）：一个微微网的设备可以作为另一个微微网的一部分存在，并在微微网中起从设备或主设备的作用。Bluetooth的微网1个Master节点控制FH通信的同步确定所有设备使用的信道；相位同步，确定从设备的数据发送时间；Slave节点：1-7个活跃Slave节点从设备仅可与主设备通信255个非活跃Parked*不限数量的Standby*遵循master的调频算法Bluetooth的散网散布式网络(scatternet)：一个微微网中的设备也可作为另一个微微网的一部分存在，并在每个微微网中，起从设备或主设备功能。若某用户在一个包含手机和计算机的微网中，隔壁用户在包含手机、耳机和名片扫描器的微网中，两个微网时间或频率均不同步，每个微网都在自己的跳频信道内运行，多个微网中的任何设备通过时分复用技术可在适当时间加入。标准只定义了scatternet的概念，并没有给出构造scatternet的机制。蓝牙标准的协议体系-文档构成文档标准达1500页，分文核心和概要两部分：核心规范(corespecifications):描述了从无线电接口到链路控制的不同层次蓝牙协议体系结构的细节。概要规范(profilespecifications):考虑使用蓝牙技术支持不同的应用。每个概要规范讨论在核心规范中定义的技术，以实现特定的应用模型(UsageModel)。电缆替代：为临近设备的逻辑连接和数据交换提供便利的方案；无线音频：建立短途的语音连接；自组网络：只要进入范围蓝牙设备可与另一蓝牙设备建立连接。蓝牙协议体系结构文档核心协议(coreprotocol)形成五层栈(1)无线电(radio)：确定包括载波频率设定、跳频的执行、调制模式和传输功率在内的空中接口细节。物理层(2)基带(baseband)：考虑一个微微网中的连接建立、寻址、分组格式、计时、跳频序列控制和功率控制。MAC(3)链路管理器协议(linkmanagerprotocol，LMP)：负责链路管理。包括诸如认证、加密及基带分组大小的控制和协商等安全因素。LLC(4)逻辑链路控制和自适应协议(logicallinkcontrolandadaptationprotocol，L2CAP)：使高层协议适应基带层。L2CAP提供无连接和面向连接服务。传输层(5)服务发现协议(servicediscoveryprotocol，SDP)：询问设备信息、服务与服务特征，使得在两个或多个蓝牙设备间建立连接成为可能。应用层蓝牙协议体系结构Core规范：描述了物理层、数据链路控制以及高层功能；Profile规范：规定了与传统/新应用相适配的协议和功能。Bluetooth的无线电层无线电(radio)：确定包括频率、跳频的实现、调制模式和传输功率在内的空中接口细节，特点：2.4GHz的ISM、79个信道1MHz，依据基带层指令实现跳频扩频技术1600/s；为不同的需求提供不同的收发器模式。Bluetooth的跳频目的：(1)阻碍干扰和多路效应；(2)为放置在不同微微网中的设备提供多种接入的形式；总带宽被分为79(几乎所有国家)个物理信道，每个信道的带宽为1MHz。在一个伪随机序列中，通过从一个物理信道跳到另一个物理信道，出现了跳频。偶然情况下发生碰撞，可结合FEC/ARQ技术纠错。区域调节范围/GHzRF信道美国、欧洲的大部分国家和其他国家中的大部分2．402~2．48f＝2．402+nMHz，n＝0，…，78日本2．471