短程无线通信技术简介

无线网络是指依靠空间电磁波，不需要使用任何导线或传输电缆连接的传播方式，无线技术不需要依靠电缆当然很方便，但同时带来在一个空间内存在多个应用，它们的信号会互相干扰的问题，对于无线这个问题是首先要正确处理的问题。使用上采用两个措施：一是无线频段的使用权登记和许可制度，由国家或地区专门的管理部门划分可用的无线频段，用户通过登记和许可证制度取得使用权，对于热门的频段，众多的请求者与有限的资源的不平衡（像手机的通信频段），导致高昂的许可证费用。而且这里讨论的仅限于免费频段的短程的无线技术，由于短程无线使用低的发射功率，使一个用户的信号局限在很小的地理范围内，同时使用频段选择和切换技术，可以避免相邻用户的影响，同时各国都会提供一定范围的免许可证的自由频段，所以这里主要是针对这频段的无线技术。

4.15.3.1IEEE的短程无线标准

短程无线技术因使用的信号编码调制技术，使用的频段和信号强度不同有不同的技术标准，在IEEE 802.11无线局域网（Wireless LAN，WLAN），IEEE 802.15无线个域网（personal area network，PAN）和IEEE 802.16无线宽带接入互操作性（WiMax）规定三种无线标准。

1.IEEE 802.11无线局域网

无线局域网第一个版本发表于1997年，其中定义了介质访问接入控制层（MAC层）和物理层。物理层定义了工作在2.4GHz的ISM频段上的两种无线调频方式和一种红外传输的方式，总数据传输速率设计为2Mbit/s。两个设备之间的通信可以自由直接（ad hoc）的方式进行，也可以在基站（Base Station，BS）或者访问点（Access Point，AP）的协调下进行，覆盖距离在几十米范围。

1999年，加上了两个补充版本：802.11a定义了一个在5GHz ISM频段上的数据传输速率可达54Mbit/s的物理层，802.11b定义了一个在2.4GHz的ISM频段上但数据传输速率高达11Mbit/s的物理层。2.4GHz的ISM频段为世界上绝大多数国家通用，因此802.11b得到了最为广泛的应用。苹果公司把自己开发的802.11标准起名叫AirPort。1999年工业界成立了Wi-Fi联盟，致力解决符合802.11标准的产品的生产和设备兼容性问题。802.11标准和补充。

802.11，1997年，原始标准（2Mbit/s工作在2.4GHz）。

802.11a，1999年，物理层补充（54Mbit/s工作在SGHz）。

802.11b，1999年，物理层补充（11Mbit/s工作在2.4GHz）。

802.11c，符合802.1D的媒体接入控制层（MAC）桥接（MAC Layer Bridging）。

802.11d，根据各国无线电规定做的调整。

802.11e，对服务等级（Quality of Service，QoS）的支持。

802.11f，基站的互连性（Interoperability）。

802.11g，物理层补充（54Mbit/s工作在2.4GHz）。

802.llh，无线覆盖半径的调整，室内（indoor）和室外（outdoor）信道（5GHz频段）。

802.11i，安全和鉴权（Authentification）方面的补充。

802.11n，导人多重输入输出（MIMO）和40Mbit通道宽度（HT40）技术，基本上是802.11a/g的延伸版。

2．IEEE 802.15.4个域网

随着通信技术的迅速发展，人们提出了在人自身附近几米范围之内通信的需求，这样就出现了个人区域网络（Per-sonal Area Network，PAN）和无线个人区域网络（Wireless Personal Area Network，WPAN）的概念。WPAN网络为近距离范围内的设备建立无线连接，把几米范围内的多个设备通过无线方式连接在一起，使它们可以相互通信甚至接入LAN或Internet。1998年3月，IEEE 802.15工作组。这个工作组致力于WPAN网络的物理层（PHY）和媒体访问层（MAC）的标准化工作，目标是为在个人操作空间（personal operating space，POS）内相互通信的无线通信设备提供通信标准。POS-般是指用户附近10m左右的空间范围，在这个范围内用户可以是固定的，也可以是移动的。

在IEEE 802.15工作组内有四个任务组（Task Group，TG），分别制定适合不同应用的标准。这些标准在传输速率、功耗和支持的服务等方面存在差异。下面是四个任务组各自的主要任务：

1）任务组TG1：制定IEEE 802.15.1标准，又称蓝牙无线个人区域网络标准。这是一个中等速率、近距离的WPAN网络标准，通常用于手机、PDA等设备的短距离通信。

2）任务组TG2:制定IEEE 802.15.2标准，研究WPAN（无线个人区域网）与WLAN（无线局域网）标准的共存问题。

3）任务组TG3：制定IEEE 802.15.3标准，研究高传输速率无线个人区域网标准。该标准主要考虑无线个人区域网在多媒体方面的应用，追求更高的传输速率与服务品质。

4)任务组TG4：制定IEEE 802.15.4标准，针对低速无线个人区域网（low-rate wireless personal area network，LR-WPAN）制定标准。该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间的低速互连提供统一标准。

任务组TG4定义的LR-WPAN网络的特征与传感器网络有很多相似之处，很多研究机构把它作为传感器的通信标准。

LR-WPAN网络是一种结构简单、成本低廉的无线通信网络，它使得在低电能和低吞吐量的应用环境中使用无线连接成为可能。与WLAN相比，LR-WPAN网络只需很少的基础设施，甚至不需要基础设施。IEEE 802.15.4标准为LR-WPAN网络制定了物理层和MAC子层协议。

IEEE 802.15.4标准定义的LR-WPAN网络具有如下特点：

1）在不同的载波频率下实现了20kbit/s、40kbit/s和250kbit/s三种不同的传输速率；

2）支持星形和点对点两种网络拓扑结构；

3）有16位和64位两种地址格式，其中64位地址是全球唯一的扩展地址；

4）支持避免冲突载波监听多路接入（carrier sense mul-tiple access with collision avoidance,CSMA-CA）。

3．IEEE 802.16 WiMax

世界微波互操作性（World Interoperability for Microwave Access，WiMAX），是IEEE 802.16标准定义的一种无线宽带技术。最早的IEEE 802.16标准发布于2001年12月，此后连续有多个修订版和新版本出炉，然而真正使得WiMAX成为一项世界瞩目技术的是最后两个版本，这就是IEEE 802.16-2004（802.16d）和IEEE 802.16-2005（802.16e）。

802.16-2004即802.16d采用正交频分复用技术，支持固定和游动的视距(Line of Sight)和非视距环境(Non Line of Sight)。在视距环境下，它可以工作在频率范围10-66GHz；在非视距情况下，802.16d WiMAX可以在小于11GHz的频率范围工作。802.16d可以采用的终端形式为室内和室外型固定台。目前，WiMAX论坛制定的802.16d WiMAX的工作频点为3.5GHz和5.8GHz。2005年底，WiMAX论坛认证的第一批产品已经实现商用上市。

802.16-2005基于IEEE 802.16e，能够提供切换和漫游，使得WiMAX能提供移动应用。它通过采用SOFDMA技术（Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access,可扩展的正交频分复用技术），实现将不同的子信道分给不同的用户，支持多个用户同时上网的场景。在非视距情况下，802.16e WiMAX可以在小于6GHz的频率范围工作。采用802.16e技术建网的运营商，不但可以提供固定、游牧场景下的业务，同时可以提供便携及移动应用。WiMax的主要特征如下：

1）高速移动：802.16e可以同时支持固定（16d）和移动（16e）无线接入，其移动速率目标为车速移动（通常认为可以达到120km/h）。

2）宽带接人：系统在不同的载波带宽和调制方式下可以获得不同的接入速率。以10MHz载波带宽为例，若采用OFDM-64QAM调制方式，除去开销，则单载波带宽可以提供约30Mbit/s的有效接入速率，由蜂窝或扇区内的所有用户共享。IEEE 802.16标准并未规定载波带宽，适用的载波带宽范围为1.75-20MHz，其标称的最大带宽70Mbit/s是在特定条件下才能实现的。

3）城域覆盖范围：802.16e的单基站覆盖范围在几千米（km）量级，应用于城域范围。

4）主要提供数据业务：802.16e系统将接入基于IP的核心网，主要面向个人用户提供数据接入业务，也可以提供话音业务。

4.15.3.2Zigbee无线通信

以上三种无线标准中WiMax具有频带宽，距离远适于移动应用的特点，但是需要的频段资源也高。而WiFi（IEEE 802.11）和ZigBee（IEEE 802.15.4）比较接近，现Wifi大量用于以太网的无线连接，ZigBee主要用于传感和控制，近年来得到迅速发展，ZigBee已列入美国智能电网标准系列中，是实现很多智能电网应用的重要手段，以下对基于IEEE 802.15.4标准的ZigBee无线网络作进一步说明。

ZigBee网络是以实现高可靠、低成本和低功耗为主要目的的开放性无线网络协议规范，主要用于短程的监视和控制网络系统。

ZigBee网络是开放性的无线网络技术，开放性主要包括两方面：

1）协议栈的定义，如图4-224所示，ZigBee网络协议栈从低层物理层到最上层应用层的定义都是公开的，其最低两层物理层和MAC层遵循IEEE 802.15.4标准；

2）遵守ZigBee一致性规范的不同设备能够相互通信。

图4-224 ZigBee和IEEE 802.15.4(www.xing528.com)

1.ZigBee网络特点

1）成本低：ZigBee芯片价格相对比较低，使用开放的免许可证频段，并且ZigBee协议是免专利费的。

2）网络容量大：一个网络中可包含的节点数量可达6万多个。

3）高可靠性：使用CSMA碰撞避免机制。MAC层和应用层使用带确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，若传输出错可以进行数据重发。

4）时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延非常短。

5）低功耗：ZigBee传输速率低，发射功率为1mW，且可进入休眠模式，因此功耗低。

6）安全：ZigBee网络数据包使用循环冗余校验码，保障数据包传输的完整性，支持鉴权和认证，且采用AES-128的加密算法，保证数据的安全性。

ZigBee网络协议最下面的两层：物理层和MAC层是基于IEEE 802.15.4标准的。IEEE 802.15.4标准工作在2.4GHz、868MHz和915MHz3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，当前工作在2.4GHz频段（在我国这是开放的频段）的ZigBee芯片居多，少量芯片工作在其余两个频段。

IEEE 802.15.4标准定义的介质访问控制层（MAC层），处理数据包的传输和拥塞控制，实现的网络功能包括：建立、加入网络，CSMA碰撞避免机制和数据包确认、重传机制。物理层的主要功能是将节点收到的无线信号转换成数据比特流，反之亦然。

2.无线网络问题

1）频段资源的有效利用：不像有线通信所有的信号都通过特定的线缆传输，线缆之间不会互相影响，而无线是通过共同的空间传输信号，在这个空间内所有设备都会感受到所有信号，设备的共存成为很大的问题，虽然通过频段分割可以产生多个独立的频段，不同的频段的信号不会互相影响，但是潜在的用户数与有限频段资源还是存在极大的不平衡，因此另一个措施是限制发射功率，将信号限制在有限范围内，减小对其他应用的影响，但这带来信号覆盖范围的缩小，为此分散无线节点需要构成网络，通过相邻节点的多级转发机制将信息逐级传送到目的设备。

2）构建网络和加入网络：ZigBee网络节点分为协调器、路由器和终端设备三种类型。在一个ZigBee网络中包含一个协调器，零个或多个路由器和终端节点。ZigBee协调器负责建立和管理网络，能路由转发网络中其他节点数据包的设备称为路由器，协调器同样具有路由功能，不具有网络路由功能的节点称为终端设备。

协调器在建立网络前会先对可能使用的信道做一个能量检测扫描，搜索每个信道可能的干扰，这样在实用环境中它能避开周围现存网络的干扰，从中找出最适合建立网络的信道。

每个设备可以通过执行网络发现功能得到自己目前所处位置已有网络的参数，并且据此可以决定是否适合加入，如果需要加入可以通过一定的程序加入网络。所以ZigBee网络是可以动态建立和接收新设备加入或允许现有成员退出的。这些功能都是可由嵌入在设备内的功能自动完成。

3.ZigBee协议栈

在ZigBee网络的技术发展过程中，ZigBee网络规范定义了多个不同的协议栈：

1）ZigBee 2004：于2004年发布，主要用于家庭照明控制系统，此版本协议栈已被丢弃，不再使用。

2）ZigBee 2006：于2006年发布，支持单一的协议栈ZigBeeStack。

3）ZigBee 2007：于2007年发布，支持协议栈ZigBee和ZigBeePro。

协议栈ZigBee和ZigBeePro有着自个完整的物理层、MAC层、网络层和应用层。两者的主要差别见表4-54。

表4-54 ZigBee和ZigBee Pro的差异

使用不同协议栈的网络设备仅能够以终端设备的网络角色加入彼此的网络中。

4.ZigBee网络拓扑

在网络的建立过程中，可以根据应用需求生成不同的网络拓扑结构，ZigBee网络支持两种基本网络拓扑结构：网状形拓扑和树形拓扑。

网状形拓扑结构如图4-225所示。

图4-225 网状形拓扑

在网状形拓扑结构中，协调器和路由器设备能够与处于其通信范围内所有设备进行通信，终端设备仅与自己的父设备进行通信。当网络中的设备除了协调器之外都是终端设备时，网络拓扑形成星形结构，如图4-226所示。

图4-226 星形拓扑示意图

在星形网络拓扑结构中，所有的终端设备直接与网络协调器进行通信，设备间不能直接通信，设备间的通信必须经协调器转发。

在ZigBee 2006协议栈中，由于使用树形地址分配机制，网络结构形成以协调器为根的树形拓扑结构。树形拓扑结构如图4-227所示。

图4-227 树形拓扑示意图

在网络建立过程中，网络设备间形成一种“父子”关系，并且各个节点的网络地址是可计算出来的。在树形网络中设备仅与其父设备进行通信。

5.ZigBee网络路由

ZigBee协议栈网络层主要负责数据包的路由，ZigBee网络的路由方式有以下几种：Mesh路由、树路由、广播路由、多播路由、源路由。

ZigBee网络使用按需Mesh路由，网络协调器与路由器设备中具有三个与路由相关的表：邻居表、路由表和路由发现表。当数据包从一个节点发往网络另外一个节点时，节点首先查找邻居表，若数据包最终目的地址为该节点的一个邻居节点时，直接发送数据包到该邻居节点；若数据包最终目的地址不是该节点的一个邻居节点时，启动路由发现请求。路由发现使用广播机制，路由发现请求节点广播发送路由请求命令，收到路由请求命令的协调器或路由器将上一跳链路花费加入到路由发现表的相关条目中，当最终目的地节点收到该路由请求命令帧时，确定路径花费最小的路由。最终目的地节点使用路由回复命令将选定的路由信息返回给路由发现发起节点。

在使用树路由的网络中，由于节点的地址是可计算出来的，因此当网络成立时，网络中先天形成一种根据网络节点地址可计算确定的路由。网络中的两个设备进行通信时，数据包沿着“树干”达到一个共同的“祖先”节点，再依次经“树干”到达目的节点，因此称为树路由。

广播是将数据包传输到网络中的所有节点。广播具有三种类型的地址：0xFFFF，0xFFFD和0xFFFC。广播地址0xFFFF表示网络所有节点地址，广播地址0xFFFD表示网络中所有非休眠地址，广播地址0xFFFC表示网络所有具有路由能力的节点地址。根据应用需求，可发送不同类型的广播信息。

多播是将数据传输到网络中一组节点。源路由的路由地址信息存储在数据包的帧头。

6.ZigBee应用规约

ZigBee联盟为了实现不同厂商设备间的互操作性，在各个领域定义相关的应用规约（Application Profile），目前已有的应用规约主要包括：家居自动化（Home Automation）、智慧能源（Smart Energy）、建筑自动化（Building Automation）和健康护理（Health Care）等。

在ZigBee架构中应用规约定义在一个特定领域应该包含的设备，每种设备应该实现的功能，每种设备应遵守的网络参数和安全设定。每种设备包含的功能由簇（Cluster）规范定义，簇是应用级别的基本功能单元，簇的定义包含簇的属性，簇特定的命令和行为。例如On/Off簇规定了一个On/Off开关设备可能的属性（表示这个开关处于接通或断开状态的波尔数），使它接通、断开或转换状态的命令，和何时应向谁报告状态等规定。在ZigBee簇库定义了On/Off开关，二进输入、二进输出、模拟量输入、模拟量输出、报警、电平控制簇、时间簇等。

严格遵守同一应用规约约定且通过ZigBee联盟认证的设备才能够彼此进行通信。