1第15章無線個人區域網絡技術2第15章無線個人區域網絡技術15.2“藍牙”技術15.3ZigBee技術主要內容15.4

NFC技術15.5UWB技術15.1無線個人區域網絡概述3第15章無線個人區域網絡技術15.1無線個人區域網絡概述根據覆蓋面積的不同,無線通信組網技術大致可歸納為四大類：（1）通訊距離10米左右的無線個人區域網絡(WPAN)。（2）通訊距離100米左右的無線區域網絡(WLAN)。（3）通訊距離大于100米的無線社區區域網絡(WMAN)。（4）通訊距離大于100米的無線廣域網絡(WWAN)。4第15章無線個人區域網絡技術無線個人區域網絡（簡稱為無線個域網）通常范圍不超過10米。由于通訊范圍有限，無線個域網絡通常用于取代實體傳輸線，讓不同的系統能夠近距離進行聯系。接入網作為電信網的“最后一公里”，而個人區域網則更關注最后10米的接入。無線個人區域網絡概念：5“藍牙”這個名字的來歷頗具傳奇色彩公元10世紀的北歐正值動蕩年代，各國之間戰爭頻繁，丹麥國王哈拉德二世挺身而出，到處疾呼和平。經過他的不懈努力，戰爭終于停止，各方領袖坐到了談判桌前，至此，四分五裂的挪威和丹麥得以統一。關于這位國王的名字有兩種說法：一種說法是他的全名是HaraldBlatand，Blatand在英語中意思為“藍牙”（Bluetooth）；還有一種說法是這位英雄的丹麥國王酷愛吃藍梅，以致于牙齒都被染成了藍色，因此“藍牙”（Bluetooth）成了他的綽號。15.2“藍牙”技術第15章無線個人區域網絡技術63.瑞典的愛立信公司于1994年成立了一個專項科研小組，對移動電話及其附件的低能耗、低費用無線連接的可能性進行研究。4.他們的最初目的在于建立無線電話與PC卡、耳機及桌面設備等產品的連接。5.但是隨著研究的深入，科研人員越來越感到這項技術所獨具的個性和巨大的商業潛力，同時也意識到憑借一家企業的實力根本無法繼續研究。6.于是，愛立信將其公諸于世，并極力說服其他企業加入到它的研究中來。他們共同的目標是建立一個全球性的小范圍無線通信技術，并將此技術命名為“藍牙”，來表達要將這種全新的無線傳輸技術在全球推廣，并實現全球通用的雄心。第15章無線個人區域網絡技術7藍牙一個開放性的無線通信標準一種短距離無線電通信技術使用全球通行的、無需申請即可使用的2.45GHzISM頻段。收發信機采用跳頻擴譜技術，在2.45GHzISM頻段上以1600跳/秒的速率進行跳頻通信。在發射帶寬為1MHz時，其有效數據速率為721kb/s，最高數據速度可達1Mb/s。由于采用低功率時分復用方式工作（發射），其有效傳輸距離大約為10米，加上功率放大器時，傳輸距離可擴大到100m。第15章無線個人區域網絡技術8藍牙支持點到點和點到多點的連接，可采用無線方式將若干藍牙設備連成一個微微網（Piconet），多個微微網又可互連成特殊分散網，形成靈活的多重微微網的拓撲結構，從而實現各類設備之間的快速通信。它能在一個微微網內尋址8個設備，其中1個為主設備，7個為從設備。藍牙是一種低功耗的無線技術，當檢測到距離小于10m時，接受設備可動態調節功率。當業務量減小或停止時，藍牙設備可以進入低功率工作模式。功耗低，對人體危害小。第15章無線個人區域網絡技術9第15章無線個人區域網絡技術10表15-1

BLUETOOTH1.0技術指標和系統參數工作頻段ISM頻段，2.402~2.480GHz雙工方式全雙工，TDD時分雙工業務類型支持電路交換和分組交換業務數據速率1Mpbs非同步信道速率非對稱連接721kbps/57.6kbps，對稱連接432.6kbps同步信道速率64kbps功率美國FCC要求<0dbm(1mw),其他國家可擴展到100mw跳頻頻率數79個頻點/1MHz跳頻速率1600次/秒工作模式PARK/HOLD/SNIFF數據連接方式面向連接業務SCO，無連接業務ACL糾錯方式1/3FEC，2/3標FEC，ARQ鑒權采用反映邏輯算術信道加密采用0位、40位、60位密鑰語音編碼方式連續可變斜率調制CVSD發射距離一般可達10cm~10m，增加功率情況下可達100m目前，藍牙技術主要以滿足FCC（FederalCommunicationsCommission美國聯邦通信委員會）的要求為目標。在其他國家的應用，需要做一些適應性調整，如發射功率和頻帶。BLUETOOTH1.0規范已公布的主要技術指標和系統參數如表15-1。11成本低；功耗低、體積小；通信距離短；安全性好。第15章無線個人區域網絡技術藍牙技術的特點12成本低：藍牙的最終目標是集成于單價為5美元的CMOS芯片。目前，藍牙芯片價格降不下來，既有經濟原因，也有技術原因。從技術角度來看，藍牙芯片集成了無線、基帶和鏈路管理層功能，而鏈路管理功能實際上既可以通過硬件實現，也可以通過軟件實現，如果由軟件實現鏈路管理層功能，那么芯片被簡化，價格也將變得合理。第15章無線個人區域網絡技術13功耗低、體積小：藍牙技術本來目的就是用于互連小型移動設備及其外設，它的市場目標是移動筆記本電腦、移動電話、小型的PDA以及它們的外設，因此藍牙芯片必須具有功耗低、體積小的特點，以便于集成到小型便攜設備中去。藍牙產品輸出功率很小(只有1mW)，僅是微波爐使用功率的百萬分之一，是移動電話的一小部分。第15章無線個人區域網絡技術14通信距離短：藍牙技術通信距離為10m，如果需要的話，還可以選用放大器使其擴展到100m。這已經足夠在辦公室內任意擺放外圍設備，而不用再擔心電纜長度是否夠用。第15章無線個人區域網絡技術15安全性好：藍牙系統認證與加密服務由物理層提供，采用流密碼加密技術，適合于硬件實現，密鑰由高層軟件管理。如果用戶有更高級別的保密要求，可以使用更高級、更有效的傳輸層和應用層安全機制。認證可以有效防止電子欺騙以及不期望的訪問，而加密則保護鏈路隱私。除此之外，跳頻技術的保密性和藍牙有限的傳輸范圍也使竊聽變得困難。為滿足這些不同的安全需求，藍牙協議定義了三種安全模式。模式1不提供安全保障，模式2提供業務級安全，模式3則提供鏈路級安全。第15章無線個人區域網絡技術16藍牙系統組成：天線單元鏈路控制（固件）單元鏈路管理（軟件）單元藍牙軟件（協議棧）單元15.4藍牙系統組成第15章無線個人區域網絡技術17天線單元天線部分體積十分小巧、重量輕藍牙天線屬于微帶天線藍牙空中接口是建立在天線電平為0dB的基礎上的。空中接口遵循FCC有關電平為0dB的ISM頻段的標準。第15章無線個人區域網絡技術18鏈路控制（固件）單元在目前藍牙產品中，使用3個IC分別作為連接控制器、基帶處理器以及射頻傳輸／接收器，此外還使用了30～50個單獨調諧元件。基帶鏈路控制器負責處理基帶協議和其它一些低層常規協議。它有3種糾錯方案：1/3比例前向糾錯（FEC）碼、2/3比例前向糾錯碼和數據的自動請求重發（ARQ）方案。采用FEC（前向糾錯）方案的目的是為了減少數據重發的次數，降低數據傳輸負載。第15章無線個人區域網絡技術19鏈路管理（軟件）單元攜帶了鏈路的數據設置、鑒權、鏈路硬件配置和其它一些協議。能夠發現其它遠端LM并通過LMP（鏈路管理協議）與之通信。提供如下服務：發送和接收數據；請求名稱；鏈路地址查詢；建立連接；鑒權；鏈路模式協商和建立；決定幀的類型。控制設備的工作狀態即呼吸（Sniff）、保持（Hold）和休眠（Park）三種模式。第15章無線個人區域網絡技術20軟件（協議棧）單元一個獨立的操作系統，不與任何操作系統捆綁。必須符合已經制定好的藍牙規范。第15章無線個人區域網絡技術21主要應用：對講機、無繩電話、頭戴式耳機、撥號網絡、傳真、局域網接入、文件傳輸、目標上傳、數據同步。藍牙技術的應用被認為非常廣泛而且極具潛力，它還可以應用于無線設備（如PDA、手機、智能電話、無繩電話）、圖像處理設備（照相機、打印機、掃描儀）、安全產品（智能卡、身份識別、票據管理、安全檢查）、消費娛樂（耳機、MP3、游戲）汽車產品（GPS、ABS、動力系統、安全氣袋）、家用電器（電視機、電冰箱、電烤箱、微波爐、音響、錄像機）、醫療健身、建筑、玩具等領域。與其他技術一起（比如WAP等）藍牙將會給人們日常生活帶來深遠的影響，可以說藍牙技術是推動移動信息時代到來的關鍵技術之一。第15章無線個人區域網絡技術藍牙技術的應用22IEEE802.11標準主要用于辦公室局域網和校園網中用戶與用戶終端的無線數據存儲接入業務，其最高速率為2Mb/s。為了滿足人們對傳輸距離和傳輸速率的要求，IEEE小組又推出了IEEE802.11a和IEEE802.11b兩個標準。三者之間的主要技術差別在于MAC子層和物理層。第15章無線個人區域網絡技術藍牙技術與無線局域網23藍牙技術與802.11的共同點：工作在2.4GHz頻段上；支持移動聯網，用戶可以靈活地移動計算設備的位置，保持持續的網絡連接；不需要使用物理線路，安裝非常簡便；因為無線網絡所使用的高頻率無線電波可以穿透墻壁或玻璃窗，所以網絡設備可以在有效范圍內任意放置；多層安全防護措施可以充分確保用戶隱私；改動網絡結構或布局時，不需要對網絡進行重新設置。第15章無線個人區域網絡技術24藍牙技術與802.11系列的差異點：首先藍牙的覆蓋范圍小，性能相對較低，通過應用通訊協定與其他配備相連；無線局域網絡的IEEE802.11b標準的傳輸速率最高為11Mbps，范圍50m，可涵蓋整層樓和整個辦公室，它通過一個底層的傳輸協定來連接。藍牙通信模塊與802.11相比，耗電低，成本便宜，通信時的操作也簡單，通信對象可為手機、數碼相機等多種設備。第15章無線個人區域網絡技術253.藍牙設備使用ISM頻段實時進行數據和語音傳輸，意味著在辦公室、家庭和旅途中，無需布設專用線纜和連接器，通過藍牙遙控裝置可以形成一點到多點的連接，即在該裝置周圍組成一個“微網”，網內任何藍牙設備都可與該裝置互通信號，而且無需復雜的軟件支持。4.藍牙技術有一整套協議，可以應用于更多場合。藍牙跳頻更快，因而更穩定，同時還具有功耗更低和更靈活等特點。而802.11只規定了開放式系統互聯參考模型（OSI／RM）的物理層和MAC層，提供比藍牙更高的傳輸速率且WLAN只支持數據通信。第15章無線個人區域網絡技術26第15章無線個人區域網絡技術總的來講，IEEE802.11比較適于辦公室中的企業無線網絡，而藍牙技術則可以應用于任何可以用無線方式替代線纜的場合。目前這些技術還處于并存狀態，從長遠看，隨著產品與市場的不斷發展，它們將走向融合。27第15章無線個人區域網絡技術15.3

ZigBee技術ZigBee，中文稱為“紫蜂”，是一種短距離、結構簡單、低功耗、低數據速率、低成本和高可靠性的雙向無線網絡通信技術。ZigBee的功能框圖見圖15-3。28第15章無線個人區域網絡技術ZigBee技術的主要優點低功耗。ZigBee技術可以確保兩節五號電池支持長達6個月到2年左右的使用時間。成本低。是同類產品的幾分之一甚至十分之一。低復雜度。高可靠性。采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避免了發送數據時的競爭和沖突。時延短。通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短。組網簡單、靈活。網絡容量大。可支持達65000個節點。安全。提供數據完整性檢查和鑒權功能。29第15章無線個人區域網絡技術通常符合以下條件之一的應用，就可以考慮采用ZigBee技術：（1）設備成本很低，傳輸的數據量很小。（2）設備體積很小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊。（3）沒有充足的電力支持，只能使用一次性電池。（4）頻繁地更換電池或者反復地充電無法做到或者很困難。（5）需要較大范圍的通信覆蓋，網絡中的設備非常多，但僅僅用于監測或控制。30第15章無線個人區域網絡技術ZigBee技術架構及模塊見圖15-4。ZigBee定義了兩種類型的設備：全功能設備FFD（FullFunctionalDevice）和簡化功能設備RFD(ReducedFunctionDevice)。31第15章無線個人區域網絡技術ZigBee的應用由于ZigBee具有功耗極低、系統簡單、成本低、短等待時間（LatencyTime）和低數據速率的性質，所以，非常適合有大量終端設備的網絡。它主要適用于自動控制領域以及組建短距離低速無線個人區域網（LowRate-WirelessPersonalAreaNetwork，LR-WPAN）。比如，樓宇自動化、工業監視及控制、計算機外設、互動玩具、醫療設備、消費性電子產品、家庭無線網絡、無傳感器網絡、無線門控系統和無線停車場計費系統等。32第15章無線個人區域網絡技術ZigBee和藍牙性能參數比較表15-2ZigBee和藍牙的主要技術及性能參數表ZigBee藍牙使用頻段2.4GHz/915MHz/868MHz2.4GHz擴頻方式DSSSFHSS調制方式BPSK/O-QPSKGFSK數據傳輸速率2.4GHz：250Kbit/s915MHz：40Kbit/s868MHz：20Kbit/s標稱速率1Mbit/s非對稱鏈接723.2Kbit/s57.6Kbit/s對稱鏈接433.9Kbit/s同步信道速率64Kbit/s安全機制MAC和NWK，分級安全控制，AES鏈路級，認證基于共享密鑰，詢問/響應機制，反應邏輯算術鑒權，AES糾錯方式CRC，ARQ1／3FEC，2/3FEC，CRC，ARQ信道數1+10+16=27個79個傳輸距離10～75m10m（加發射功放可達100m）新從屬設備入網時間約30ms≥3s休眠設備激活時間約15ms約3s活躍設備信道接入時間約15ms約2ms運行所需系統資源約28Kb約250Kb網絡拓撲結構星形/樹形/網狀網微微網/散射網單個網絡的設備數量256個，最多可達65536個8個，最多可達8＋255（休眠）個鏈路狀態模式活躍/休眠活躍/呼吸/保持/休眠功率消耗極小中等業務類型分組交換電路交換/分組交換33第15章無線個人區域網絡技術15.4

NFC技術NFC(NearFieldCommunication)近場通信，是一種非常短距離的無線通訊技術，適用范圍僅有數厘米，適合于各種裝置之間不需使用者事先設定的一種簡便與安全的通信方式。34第15章無線個人區域網絡技術NFC是由Philips公司發起，現在由Philips，Nokia和Sony等公司聯合主推的一項無線通信技術。與RFID不同的是，NFC采用了雙向連接和識別，距離在20cm距離內，工作于13.56MHz頻率范圍。NFC是一個開放的標準，由ISO18092和ECMA340來定義，同時與應用廣泛的ISO14441A標準的非接觸式智能卡基礎架構兼容。NFC能自動地建立無線連接，其短距離交互特性大大簡化了認證識別過程。比如，通過NFC，電腦、數碼相機、手機、PDA等多個設備之間可以很方便快捷的進行無線連接，進而實現數據交換和服務。35NFC在應用上可分為三種類型：（1）設備連接。NFC可以為無線局域網（WLAN）或藍牙等設備簡化無線連接。可將兩個內建NFC的裝置相連接，以進行點對點資料傳輸，例如下載音樂、交換影像與同步處理通訊錄等。（2）實時預定。這類應用如門禁管制或車票及門票等，使用者只需利用含有NFC芯片的裝置靠近讀取裝置即可，它還可作為簡易的資料擷取應用，方便實時地獲取各種詳細信息，必要的話還可以聯機使用信用卡服務。（3）移動商務。主要用于大型的交通和金融機構，比如Visa卡，索尼的FeliCa非接觸智能卡或諾基亞的3220NFC手機等，這是NFC應用范圍最廣泛的領域。第15章無線個人區域網絡技術36第15章無線個人區域網絡技術NFC原理和組成ＮＦＣ通過一個芯片、一根天線和一些軟件的組合，能夠實現各種設備在幾厘米范圍內的通信。基本原理基于RFID（RadioFrequencyIdentification，RFID）無線射頻識別技術。圖15-5給出一個硬件構成框圖。37第15章無線個人區域網絡技術

NFC技術的應用NFC設備可以作為非接觸式智慧卡、智慧卡的讀寫器終端以及設備對設備的數據傳輸鏈路。其應用范圍主要是：（1）用于服務啟動。比如門禁和打開或關閉設備電源等。（2）用于智能媒體。（2）用于移動支付。比如付款等。（3）用于電子票務。比如機票、車票、演出票的購票、驗票等。38第15章無線個人區域網絡技術NFC與藍牙技術的比較藍牙設備之間正常的配對操作經常花費五六秒鐘的時間(在擁擠的條件下可增加到30秒鐘)，改進的NFC單任務協議，完成同樣的任務只需要100-200毫秒。NFC與藍牙復雜的使用模型相比，效率優勢很明顯，這是由于NFC是一個相對簡單的協議，最初是為了少量直接的、點對點應用而開發的。但藍牙彌補了NFC通訊距離不足的缺點，適用于較長距離的數據通訊。NFC主要針對近距離交易交互應用，適用于交換財務信息或敏感的個人信息。NFC和藍牙可共存互補，NFC協議可用于引導兩臺設備之間的藍牙配對過程，并促進藍牙的使用。39第15章無線個人區域網絡技術15.5

UWB技術UWB(UltraWideband)，簡稱超寬帶，是一種不用載波，而采用時間間隔極短的脈沖進行通信的技術。也被稱做脈沖無線電(ImpulseRadio)、時域(TimeDomain)或無載波(CarrierFree)通信技術。40第15章無線個人區域網絡技術UWB所占的頻譜范圍很寬，譜密度極低，信號的中心頻率在650MHz～5GHz之間，平均功率為亞毫瓦量級，抗干擾能力強，具有多個可利用信道。美國FCC對UWB的規定為：在3.1～10.6GHz頻段中占用500MHz以上的帶寬。

UWB是一種短距離無線寬帶傳輸技術。由于未采用載波調制，因此UWB不需要混頻器、過濾器、RF/IF轉換器以及本地振蕩器等電路，從而實現了低成本下的低功耗、高速寬帶應用。UWB的傳輸范圍在5-10米之間，理論上最高速度可達1Gbps。41第15章無線個人區域網絡技術UWB