1、第三章 近距离无线通信技术n蓝牙技术nZigBee技术n超宽带技术n射频识别技术nWPAN通信nNFC近距离无线通信技术3.1蓝牙技术n“蓝牙”是一种近距离无线连接技术标准的代称，蓝牙的实质就是要建立通用的无线电空中接口及其控制软件的公开标准。n蓝牙是一种近距离无线通信技术，它的标准是1EEE 802.15，工作在2.4GHz频带，带宽为1 MB/s。电子装置彼此可以通过蓝牙连接起来，省去了传统的电线。通过芯片上的无线接收器，配有蓝牙的电子产品能够在10m的距离内彼此相连，传输速率可以达到1 Mbit/s。3.1蓝牙技术n蓝牙系统的基本术语：(1)微微网(Piconet)：是由采用蓝牙技术的所
2、有设备以对等网方式组成的网络。(2)分布式网络(Scatternet)：是由多个独立、非同步的微微网形成的。(3)主设备(master unit)：在微微网中，如果某台设备的时钟和跳频序列用于同步其他设备，则称它为主设备。(4)从设备(slave unit)；非主设备的设备均为从设备。(5)MAC地址(MAC address)：用3 bit表示的地址，用于区分微微网中的设备。(6)休眠设备(parked unit)：在微微网中只参与同步，但没有MAC地址的设备。(7)监听及保持方式(sniff and hold mode)：指微微网中从设备的两种低功耗工作方式。3.1.1蓝牙网络拓扑结构n1.
3、微微网微微网是由采用蓝牙技术的设备以特定方式组成的网络。微微网的建立由两台设备(如便携式计算机和蜂窝电话)的连接开始。最多由8台设备构成。所有的蓝牙设备都是对等的，以同样的方式工作。然而，当一个微微网建立时，只有一台为主设备，其他均为从设备，而且在一个微微网存在期间将一直维持这一状况。所有的用户都共享同一可以达到的资源(数据传输速率)。从设备最多只能有3个面向同步的(SCO)连接和一个面向异步的(ACL)连接同时进行。n2.分布式网络分布式网络是由多个独立、非同步的微微网形成的，它靠跳频顺序识别每个微微网。同一微微网的所有用户都与这个跳频顺序同步。在一个分布式网络带有10个全负载的独立微微网的
4、情况下，全双工数据传输速率超过6 Mbit/s。3.1.2 蓝牙协议体系n蓝牙协议体系结构可以分为底层硬件模块、核心协议层、高端应用层三大部分。无线应用环境无线应用协议AT命令集服务发现协议控制协议规范vCard/vCal对象交换服务发现协议用户数据协 议传输控制协 议网际协议点到点协议串口仿真协议逻辑链路控制与适配协议音频主机控制接口基带蓝牙射频链路管理器3.1.2 蓝牙协议体系n1.物理硬件部分物理硬件部分链路管理器(LM)、基带(BB)和射频(RF)构成了蓝牙的物理模块。n2.核心协议核心协议包括基带部分协议和其他低层链路功能的基带/链路控制器协议；用于链路的建立、安全和控制的链路管理器
5、协议LMP；描述主机控制器接口的HCI协议；支持高层协议复用、帧的组装和拆分的逻辑链路控制和分配协议L2CAP；发现蓝牙设备提供服务的协议SDP等。3.1.2 蓝牙协议体系n3.应用层协议应用层协议1)电缆替代协议(RFCOMM)2)电话控制协议(TCS)3)与Internet相关的高层协议4)无线应用协议(WAP)5)点对点协议(PPP)6)对象交换协议(OBEX)7)TCP/UDP/IP3.1.3 蓝牙关键技术n1.无线频段的选择和抗干扰无线频段的选择和抗干扰蓝牙技术采用2 4002 483.5 MHz的ISM(工业、科学和医学)频段，这是因为：该频段内没有其他系统的信号干扰，同时频段向公
6、众开放，无须特许；频段在全球范围内有效。因为2.45 GHz ISM频段为开放频段，抗干扰问题便变得非常重要。抗干扰方法分为避免干扰和抑制干扰。3.1.3 蓝牙关键技术n2.多址接入体系和调制方式多址接入体系和调制方式频分多址(FDMA)的优势在于信道的正交性仅依赖发射端晶振的准确性，结合自适应或动态信道分配结构，可免除干扰，但单一的FDMA无法满足ISM频段内的扩频需求。时分多址(TDMA)的信道正交化需要严格的时钟同步，在多用户专用系统连接中，保持共同的定时参考十分困难。码分多址(CDMA)可实现扩频，应用于非对称系统，可使专用系统达到最佳性能。3.1.3 蓝牙关键技术n3.媒体接入控制媒
7、体接入控制(MAC)蓝牙系统可实现同一区域内大量的非对称通信。与其他专用系统实行一定范围内的单元共享同一信道不同，监牙系统设计为允许大量独立信道存在，每一个信道仅为有限的用户服务。从调制方式可看出，在ISM频段上，一条FH信道所支持的比特率为1 Mbit/s。理论上，79条载波频谱支持79 Mbit/s。由于跳频序列非正交化，理论容量79 Mbit/s不可能达到，但可远远超过1 Mbit/s。3.1.3 蓝牙关键技术n4.基于包的通信基于包的通信蓝牙系统采用基于包的传输：将信息流分片(组)打包，在每一时隙内只发送一个数据包。所有数据包格式均相同：开始为接入码，接下来是包头，最后是负载。接入码具
8、有伪随机性质，在某些接入操作中，可使用直接序列编码。只有接入码与接入微微网主单元的接入码相匹配时，才能被接收。3.1.3 蓝牙关键技术n4.基于包的通信基于包的通信包头包含：从地址连接控制信息3 bit，以区分微微网中的从单元；用于标明是否需要自动查询方式(ARQ)的响应/非响应l bit；包编码类型4 bit，定义16种不同负载类型；头差错检测编码(HEC)8 bit，采用循环冗余检测编码(CRC)检查头错误。为了限制开销，数据包头只用18 bit，包头采用1/3速率前向纠错编码(FEC)进一步保护。3.1.3 蓝牙关键技术n5.以物理连接类型建立连接以物理连接类型建立连接蓝牙技术支持同步业
9、务(如话音信息)和异步业务(如突发数据流)，定义了两种物理连接类型：同步面向连接的连接(SCO)和异步无连接的连接(ACL)。SCO为主单元与从单元的点对点连接，通过在常规时间间隔内预留双工时隙建立起来。ACL是微微网中主单元到所有从单元的点到多点连接，可使用SCO连接末用的所有空余时隙，由主单元安排ACL连接的流量。微微网的时隙结构允许有效地混合利用异步和同步连接。3.1.3 蓝牙关键技术n6.纠错纠错蓝牙系统的纠错机制分为FEC和包重发。FEC支持l/3速率和2/3速率FEC码。1/3速率仅用3 bit重复编码，大部分在接收端判决，既可用于数据包头，也可用于SCO连接的包负载。2/3速率码
10、使用一种缩短的汉明码，误码捕捉用于解码，它既可用于SCO连接的同步包负载，也可用丁ACL连接的异步包负载。使用FEC码，编/解码过程变得简单迅速，这对RX和TX间的有限处理时间非常重要。3.1.3 蓝牙关键技术n6.纠错纠错在ACL连接中，可用ARQ结构。在这种结构中，若接收方没有响应，则发端将重发包。每一个负载包含有一个CRC，用来检测误码。ARQ结构分为停止等待ARO、向后N个ARQ、重复选择ARQ和混台结构。为了减少复杂性，使开销和无效重发为最小，蓝牙执行快ARQ结构；发送端在TX时隙重发包，在RX时隙提示包接收情况。3.1.3 蓝牙关键技术n7.功率管理功率管理在蓝牙系统的设计中，需要
11、特别注意减少电流消耗。在空闲模式下，在T从1.283.84 s区间内，单元仅扫描10ms，有效循环低于1。在连接状态下，数据仅在有效时发送，使电流消耗最小，且可防止干扰。3.1.3 蓝牙关键技术n8.微微网间通信微微网间通信蓝牙系统可优化到在同一区域中有数十个微微网运行，而没有明显的性能下降(在同一区域的多个微微网称为分散网)。蓝牙时隙连接采用基于包的通信，使不同微微网可互连。欲连接单元可加入到不同微微网中，但因无线信号只能调制到单一跳频载波上，任意时刻单元只能在一个微微网中通信。通过调整微微网信道参数(即主单元标志和主单元时钟)，单元可从一个微微网跳到另一个微微网中，并可改变任务。3.2 Z
12、igBee技术nZigBee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术。它是为低速率控制网络设计的标准无线网络协议，依据IEEE 802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，就能以接力的方式通过无线电波将数据从一个结点传到另一个结点，从而实现在全球2.4 GHz免费频带范围内的高效、低速率的通信功能。nZigBee设备具有能量检测和链路质量指示的功能，并采用了碰撞避免机制，以避免发送数据时产生数据冲突。在网络安全方面，ZigBee设备采用了密钥长度为128位的加密算法，对所传输的数据信息进行加密处理，从而保证数据传输时的高可靠性和安全性。3.
13、2 ZigBee技术nZigBee网络体系结构移动通信网络无线通信模块计算机终端汇结点结点ZigBee网络3.2 ZigBee技术n由ZigBee技术构建的无线传感器网络具有功耗低、成本低、结构简单、体积小、性价比高、扩展简便、安全可靠等显著特点。它是由一组ZigBee结点以Ad-Hoc方式构成的无线网络，主要采取协作方式，有效地感知、采集和处理网络覆盖范围内感知对象的信息。传感器网络中的部分或全部结点都是可以移动的，传感器网络的拓扑结构也会随着结点的移动而不断发生变化。每个传感器结点都具有动态搜索、定位跟踪和恢复连接的能力。因此，这种新兴的无线传感器网络技术必将有着广泛的应用前景。3.2.1
14、 ZigBee技术特点nZigBee是一种开放的协议，物理层(PHY)和MAC层则采用了IEEE 802.15.4标准，而其他上层则由ZigBee联盟自己定义。其主要特点如下：(1)低功耗。结点设备工作周期较短、收发信息功率低，并且采用了休眠模式。(2)传输可靠，抗干扰强。两个物理层，都采用DSSS扩频通信方式，以化整为零方式将一个信号分为多个信号，再由编码方式传送信号，在MAC层采用碰撞避免机制，并为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时出现冲突，传输可靠，时延短，误码率和漏检率低。(3)低成本。ZigBee通信模块价格已降到1.52.5美元。(4)安全。ZigBee技术提供
15、了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128/64/32，并且各应用可以灵活地确定其安全属性，使网络安全能够得到更有效的保障。(5)速度快，距离远。ZigBee具有两个物理层，即2.4 GHz物理层和565915 MHz物理层，其速度为250 kbit/s和2040 kit/s，传输距离可以达到3070 m，如果扩大信号，传输距离可超过百米。3.2.2 ZigBee网络的组成n1.ZigBee网络的设备类型网络的设备类型ZigBee网络依据IEEE 802.15.4标准，定义了两种类型的物理设备，即全功能设备(Full Function Device，FFD)和简化功能设备(Redu
16、ced Function Device)。表4-1给出了这两种物理设备的功能描述。3.2.2 ZigBee网络的组成在ZigBee网络中，每一个结点都具备一个无线电收发器、一个很小的微控制器和一个能源。而一个网络只需要一个网络协调者，其他终端设备可以是RFD，也可以是FFD。依据IEEE 802.15.4标准，ZigBee网络将这两种物理设备在逻辑上又定义成为3类设备，即：(1)ZigBee协调器是3类设备中最为复杂的一种。它的存储容量最大，计算能力最强，因此必须是全功能设备，并且一个ZigBee刚络中也只能存在一个协调器。ZigBee协调器负责发送网络信标，建立和初始化ZigBee网络，确定
17、网络工作的信道以及16位网络地址的分配等。(2)ZigBee路由器是一个全功能设备。它类似于IEEE 802.15.4定义的协调器。在接入网络后它就自动获得一个16位网络地址，并允许在其通信范围内的其他结点加入或者退出网络，同时还具有路由和转发数据的功能。(3)ZigBee终端设备可以由简化功能设备或者全功能设备构成。它只能与父结点进行通信，并从父结点处获得网络标识符和短地址等信息。3.2.2 ZigBee网络的组成n2.ZigBee网络的拓扑结构网络的拓扑结构1)星型结构星型网络是由一个ZigBee协调点和一个或多个ZigBee终端结点构成的。协调点必须是FFD，它位于网络的中心位置，负责建
18、立和维护整个网络，其他结点一般为RFD，也可以为FFD，它们分布在协调点的覆盖范围内，直接与ZigBee协调点进行通信。3.2.2 ZigBee网络的组成n2.ZigBee网络的拓扑结构网络的拓扑结构2)网状结构网状网络一般是由若干个FFD连接在一起组成的骨干网。它们之间是完全的对等通信，每一个结点都可以与其无线通信范围内的其他结点进行通信，但它们中也有一个会被推荐为ZigBee的协调点，例如，可以把第一个在信道中通信的结点作为ZigBee协调点。骨干网中的结点还可以连接FFD或RFD构成以它为协调点的予网。网状网络是一种高可靠性网络，具有自动恢复的能力，可以为传输的数据包提供多条传输路径，一
19、旦一条路径出现了故障，便可选择另一条或多条路径。但正是由于两个结点之间存在多条路径，使得该网络成为一种高冗余的通信网络。3.2.2 ZigBee网络的组成n2.ZigBee网络的拓扑结构网络的拓扑结构3)簇-树状结构簇-树状网络中，结点可以采用Cluster-Tree路由来传输数据和控制信息。枝干末端的叶子结点一般为RFD。每一个在它的覆盖范围中充当协调点的FFD向与它相连的结点提供同步服务，而这些协调点又受ZigBee协调点的控制。ZigBee协凋点比网络中的其他协调点具有更强的处理能力和存储空间。簇-树状网络的一个显著优点是它的网络覆盖范围非常大，但随着覆盖范围的不断增大，信息-传输的延时
20、也会逐渐变大，从而使同步变得越来越复杂。3.2.3 ZigBee网络的协议栈框架结构n1.ZigBee网络的协议栈概述网络的协议栈概述ZigBee从IEEE 802.15.4标准开始着手，定义了允许不同厂商制造的相互兼容的应用技术规范。ZigBee协议栈是由一组子层构成的。每层都为其上层提供一组特定的服务，即一个数据实体提供数据传输服务，而另一个管理实体提供全部其他服务。每个服务实体都通过一个服务接入点(SAP)为其上层提供相应的服务接口，并且每个SAP提供了一系列的基本服务指令来完成相应的功能。应用程序应用程序接口网络层数据链路层用户定义媒体接入层（MAC lower）物理层（PHY）媒体接
21、入层（MAC upper）ZigBee联盟定义IEEE 802.15.4 定义3.2.3 ZigBee网络的协议栈框架结构n1.ZigBee网络的协网络的协议栈概述议栈概述IEEE 802.15.4标准定义了最下面的两层：物理层和媒体接入层。而ZigBee联盟提供了网络层和应用层(APL)框架的设计。其中应用层的框架包括了应用支持子层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)和由制造商制定的应用对象。同常见的无线通信标准相比，ZigBee协议栈紧凑而简单，其实现的要求较低。应用对象240应用对象1端点1服务接入点端点240服务接入点APS安全管理模块APS信息分析模块网络管理模块应用层ZDO端
22、点0服务接入点ZDO公共接口网络层SPA服务接入点ZDO管理平面SPA服务接入点SPA服务接入点网络安全管理模块网络信息分析模块路由管理模块网络管理模块APS应用支持子层SPA服务接入点SPA服务接入点SPA服务接入点SPA服务接入点MAC层物理层2.4GHz868/915 MHZ应用程序框架3.2.3 ZigBee网络的协议栈框架结构n2.物理层协议规范物理层协议规范 ZigBee物理层不仅规定了信号的工作频率范围、调制方式和传输速率，还规定了物理层的功能和为上层提供的服务。ZigBee技术对于不同的国家和地区提供的工作频率范围不同：3.2.3 ZigBee网络的协议栈框架结构n2.物理层协
23、议规范物理层协议规范在IEEE 802.15.4中，总共分配了27个具有3种速率的信道：2.4GHz频段有16个速率为250 kbit/s的信道，915MHz频段有10个速率为40 kbit/s的信道，868MHz频段有1个速率为20 kbit/s的信道。可以根据ISM频段、可用性、拥塞状况和数据速率在27个信道中选择1个工作信道。3.2.3 ZigBee网络的协议栈框架结构n2.物理层协议规范物理层协议规范频率和信道如图4-8所示。869MHz物理层868.3MHz信道0915MHz物理层信道110信道11262.4GHz物理层908MHz902MHz5MHz2.4GHz2.4835GHz2
24、MHz3.2.3 ZigBee网络的协议栈框架结构n3.媒体接入层协议规范媒体接入层协议规范ZigBee媒体接入层采用的是IEEE 802.15.4标准的MAC层协议规范。MAC层处理所有物理层无线信道的接入，通过两个不同的服务接入点提供两种不同的MAC服务，即通过子层服务接入点提供数据服务，通过管理实体服务接入点提供管理服务。MAC层的主要功能如下：n(1)网络协调器产生网络信标；n(2)与信标同步；n(3)支持个域网(PAN)链路的建立和断开；n(4)为设备的安全提供支持；n(5)信道接入方式采用避免冲突载波侦听多路访问(CSMA/CA)；n(6)处理和维护保护时隙(GTS)机制；n(7)
25、在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路。3.2.3 ZigBee网络的协议栈框架结构n3.媒体接入层协议规范媒体接入层协议规范MAC子层数据帧由MAC子层帧头(MAC Header，MHR)、MAC子层载荷和MAC子层帧尾(MAC Footer，MFR)组成。MAC子层帧头由2字节的帧控制域、l字节的帧序号域和最多20字节的地址域组成。帧控制域指明了MAC帧的类型、地址域的格式以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，用于匹配确认帧，实现MAC子层的可靠传输；地址域采用的寻址方式可以是64位的IEEE MAC地址，也可以是8位的ZigBee网络地址。2字节
26、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标识符源PAN标识符目的地址源地址帧载荷FCSMAC载荷MFCMHR（MAC层帧头）3.2.3 ZigBee网络的协议栈框架结构n3.媒体接入层协议规范媒体接入层协议规范IEEE 802.15.4 MAC子层定义了两种基本的信道接入方式，分别用于两种ZigBee网络拓扑结构。这两种网络结构分别是基于中心控制的星型网络和基于对等操作的网状网络。在星型网络中，中心设备承担网络的形成与维护、时隙的划分、信道接入控制以及专用带宽分配等功能。其余设备根据中心设备的广播信息来决定如何接入和使用无线信道，这是一种时隙化的C
27、SMA/CA信道接入算法。在对等网状方式的网络中，没有中心设备的控制，也没有广播信道和广播信息，而是使用标准的CSMA/CA信道接入算法接入网络。3.2.3 ZigBee网络的协议栈框架结构n3.媒体接入层协议规范媒体接入层协议规范MAC层的数据服务是子层服务接入点提供的数据传输服务，它为上层协议和物理层之间的数据传输提供接口，实现了数据发送与接收以及清除MAC层的事务处理排列表的一个数据单元等服务。MAC层的管理服务允许上层实体与MAC层管理实体之间传输管理指令，其功能分别为设备通信链路的连接与断开管理、信标管理、个域网信息库管理、孤点管理、复位管理、接收管理、信道扫描管理、通信状态管理、设
28、备的状态设置和启动、网络同步等。3.2.3 ZigBee网络的协议栈框架结构n4.网络层协议规范网络层协议规范 ZigBee网络层的主要功能就是提供一些必要的函数，以确保MAC层能够正常工作，并为应用层提供合适的服务接口。为了向应用层提供服务接口，网络层提供了两个必需的功能服务实体，即数据服务实体和管理服务实体。3.2.3 ZigBee网络的协议栈框架结构n4.网络层协议规范网络层协议规范网络层数据实体提供的服务主要包括：(1)生成网络协议数据单元。网络层数据实体通过增加一个适当的协议头，从应用支持层协议数据单元中生成网络层的协议数据单元。(2)指定拓扑传输路由。网络层数据实体能够发送一个网络
29、层的协议数据单元到一个合适的设备，该设备可能是最终目的通信设备，也可能是通信链路中的一个中间通信设备。3.2.3 ZigBee网络的协议栈框架结构n4.网络层协议规范网络层协议规范ZigBee网络层支持星型、簇-树状和网状拓扑结构。在星型拓扑结构中，整个网络由一个称为ZigBee协调器的设备来控制。ZigBee协调器负责发起和维持网络正常工作，保持同网络终端设备的通信。在网状和簇-树型拓扑结构中，ZigBee协调器负责启动网络并选择关键的网络参数，同时也可以通过使用ZigBee路由器来扩展网络结构。簇-树状网络中，路由器采用分级路由策略来传送数据和控制信息。这种网络可以采用基于信标的方式进行通
30、信。而在网状网络结构中。设备之间使用完全对等的通信方式，并且ZigBee路由器将不再发送通信信标。3.2.3 ZigBee网络的协议栈框架结构n5.安全层协议规范安全层协议规范ZigBee技术协议支持几种安全服务。包括访问控制、数据加密、帧完整性和序列更新等。协议中还提供了3种安全模式，即非安全模式、接入控制列表(ACL)模式和安全模式。非安全模式是默认的安全模式，在这种模式下，MAC层不提供安全服务。而安全模式为MAC层提供了一种机制，在输入和输出的数据帧上既使用了ACL功能，又提供了密码保护。设备在安全模式下工作时，使用的安全方案是由一组在MAC层的数据帧上所执行的操作组成的。ZigBee
31、使用的安全方案主要包括AES-CTR、AES-CCM-128、AES-CCM-64、AES-CCM-32、AES-CBC MAC-128、AES-CBC-MAC-64和AES-CBC-MAC-32等。3.2.3 ZigBee网络的协议栈框架结构n6.应用层协议规范应用层协议规范ZigBee应用层由应用支持子层、应用层框架和ZigBee应用对象(ZDO)3个部分构成，其具体功能描述如下：(1)应用支持子层(APS)：为网络层和应用层利用ZigBee设备对象和制造商定义的应用对象所使用的一组服务提供了接口。(2)ZigBee中的应用框架：为驻扎在ZigBee设备中的应用对象提供了活动的环境。最多可
32、以定义240个相对独立的应用程序对象，任何一个对象的端点编号都是从1240。同时还有两个附加的终端结点为APSDE-SAP服务接入点使用，即端点号0用于ZDO数据接口，而另一个端点255作为所有应用对象广播数据的数据接口。(3)ZigBee设备对象：是一个基本的功能函数，它在应用对象、设备Profile和APS之间提供了一个接口。ZDO位于应用框架和应用支持子层之间，满足所有在ZigBee协议栈中应用操作的一般需求。3.2.4 ZigBee网络的路由协议n1.ZigBee网络的路由协议概述网络的路由协议概述ZigBee路由协议是指ZigBee规范中规定的与路由相关的功能和算法部分，主要包括不同
33、网络拓扑结构下ZigBee协议数据单元的路由方式、路由发现和路由维护等内容。3.2.4 ZigBee网络的路由协议n2.ZigBee路由过程路由过程ZigBee路由过程指的是当收到一个数据帧之后，结点设备的网络层对其的处理过程。一个有路由能力的结点会首先检查路由表中目的地址，如果有对应目的地址的路由条目的结点，应当使用路由表条目来路由数据帧；而如果没有对应目的地址的路由条目，应当检查帧控制域中的路由发现标志。当路由发现标志的值为1时，结点按照路由发现的发起条件和方法来发起路由发现；当发现路由标志的值为0或者该结点无法发起路由发现时，那么数据帧将沿着树状路径路由。3.2.4 ZigBee网络的路
34、由协议n3.ZigBee路由发现过程路由发现过程当一个ZigBee协调器或者路由器的网络层需要发现路由时，也就是数据帧处理流程进入发起路由发现的步骤之后，将发起个路由发现过程。路由发现过程是网络设备通过与网络层的互相合作来发现并建立路由的过程，该过程执行时总是与一对特定的发起结点和目的结点密切相关。3.2.4 ZigBee网络的路由协议n3.ZigBee路由发现过程路由发现过程路由发现过程描述如下：1)路由发现过程的发起对于个具有路由能力的结点，在符合以下条件时，网络层应当发起路由发现过程：接收到一个从网络层的更高层发出的发送数据帧的请求，网络层的路由发现使能参数为真，并且路由表中没有和目的地
35、址对应的条目；或者接收到一个来自媒体接入控制子层的帧，该帧控制域中的路由发现标志的值被设置为1，帧头目的地址域中包含的目的地址并非当前结点地址或广播地址，且路由表中没有和目的地址对应的条目。如果某个结点没有路由能力，那么该结点将不会发起路由发现过程，并且数据帧将沿着树状路径路由。而如果一个结点发起了路由发现过程，它就应当建立相应的路由表条目和路由发现表条目，状态设置为路由发现中，并且路由发现过程的发起结点将广播路由请求命令帧。3.2.4 ZigBee网络的路由协议n3.ZigBee路由路由发现过程发现过程路由发现过程描述如下：2)接收到路由请求命令帧中间结点或者目的结点接收到路由请求命令帧(R
36、REQ)之后的具体处理过程如图4-10所示。接收到路由请求命令帧有路由能力吗？否是路径有效吗？否是目的结点吗？单播路由请求命令帧否回复路由回复命令帧丢掉路由请求命令帧是是是路由发现表条目录吗？是否是目的结点吗？是否具有低路径损耗？更新并转发路由请求命令帧是是否创建路由表条录否是回复路由回复命令帧否回复路由回复命令帧丢掉路由请求命令帧是否转发路由请求命令帧是目的结点吗？是否具有低路径损耗？3.2.4 ZigBee网络的路由协议n3.ZigBee路由发现过程路由发现过程路由发现过程描述如下：3)接收到路由回复命令帧中间结点或者路由发现过程的发起结点接收到路由回复命令帧(RREP)之后的具体处理过程
37、如图4-11所示。路由发现过程的发起结点在接收到RREP后，就获得了到目的结点的路由。当路由发现过程中的发起结点接收到来自多条路径的PREP时，该结点将选择累积路径损耗最小的那条路径作为到达目的结点的路由。累积路径损耗最小的路径不唯一时，路由发现过程的发起结点将选择最早接收到的RREP所对应的路径。此外，每个结点都要为它的邻居结点维护一个失败的计数器，当计数器超出一定数值或者路由失败时，结点将发起路由修复过程，而路由修复过程与路由发现过程极为类似。3.2.4 ZigBee网络的路由协议n3.ZigBee路由发现过程路由发现过程路由发现过程描述如下：接收到路由回复命令帧有路由能力吗？否是是发起结
38、点吗？否更新并转发路由回复命令帧丢掉路由回复命令帧是是发起结点吗？是否表条目是否存在？是表条目是否存在？否是丢弃路由回复命令帧表条目是否活跃？否设置为活跃并更新表是更新表具有低路径损耗？更新并转发路由回复命令帧丢弃路由回复命令帧更新表是否具有低路径损耗？是否否否是3.3 超宽带技术nUWB(ultra wideband)是超宽带无线技术的缩写，起源于20世纪60年代，1989年美国国防部采用此名称，2002年2月美国批准用于民用。其应用领域为穿透成像、通信、定位测量。nUWB技术是一种使1 GHz以上带宽的最先进的无线通信技术。虽然是无线通信，但其通信速率可以达到几百兆比特每秒以上。n与传统通
39、信技术不同的是，UWB是一种无载波通信技术，即它不采用载波，而是利用纳秒至皮秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。UWB适用于高速、近距离的无线个人通信。按照FCC的规定，3.1 GHz10.6GHz之间的7.5 GHz的带宽频率为UWB所使用的频率范围。3.3.1 UWB的定义n超宽带无线电是指具有很高带宽比(射频带宽与其中心频率之比)的无线电技术。n美国FCC对UWB的定义为:(或者总带宽不小于500 MHz)n其中fH,fL分别为功率较峰值功率下降l0dB时所对应的高端频率和低端频率，fC为载波频率或中心频率。%20)(CLHfff3.3.1 UWB的定义n从频域来看，
40、超宽带有别于传统的窄带和宽带，它的频带更宽。窄带是指相对带宽(信号带宽与中心频率之比)小于1，相对带宽在125之间的被称为宽带，相对带宽大于25，而且中心频率大于500 MHz的被称为超宽带，如表4-4所示。3.3.1 UWB的定义n从时域上讲，超宽带系统有别于传统的通信系统。一般的通信系统是通过发送射频载波进行信号调制。而UWB是利用起、落点的时域脉冲(几十纳秒)直接实现调制，超宽带的传输把调制信息过程放在一个非常宽的频带上进行，而且以这一过程中所持续的时间来决定带宽所占据的频率范围。由于UWB发射功率受限，进而限制了其传输距离。有关资料表明，UWB信号的有效传输距离在10 m以内，故在民用
41、方面，UWB普遍地定位于个人局域网范畴。n根据香农信道容限公式C=Blog2(1P/BN0)(式中B为信道带宽，N0为高斯白噪声功率谱密度，P为信号功率)可得，增大通信容量有两种实现方法，一是通过增加信号功率P，二是增大传输带宽。UWB技术就是通过后者来获得非常高的传输速率。3.3.2 UWB的实现方式nUWB通信系统的主要实现方式：基带脉冲方式和载波调制方式。n1.脉冲无线电脉冲无线电脉冲无线电技术(Impluse Radio，IR)是以占空比很低的冲激脉冲(宽度为纳秒级的窄脉冲)作为信息载体的无线电技术。窄脉冲序列携带信息，直接通过天线传输，不需要对正弦载波进行调制。这种传输方式在中低速应
42、用时具有系统实现简单、成本低、功耗小、抗多径能力强、空间/时间分辨率高等优点。从结点设计复杂度、节电功耗方面考虑，脉冲无线电技术非常适用于无线传感器网络的物理层设计。3.3.2 UWB的实现方式n2.单载波方式单载波方式采用单载波方式的UWB通信系统通过载波调制，将信号搬移到合适的频段进行通信。单载波方案的基本思想是同时使用整个7500 MHz可用频带。这里以Motorola公司向IEEE 802.15.3a任务组提交的单载波DS-CDMA UWB方案为例，该方案有两个可用频段：低频段3.15.15 GHz和高频段5.82510.6 GHz。UWB信号可以通过对载波的调制，在这两个频段之一传输
43、，或在这两个频段同时传输。为了避免对美国非特许的国家信息基础设施(UNII)频段系统的干扰，两个频段之间的部分没有利用。3.3.2 UWB的实现方式n3.多带载波方式多带载波方式多带载波(MB-OFDM)方式将可用的频段分为多个子带，每个子带的带宽一般等于或稍大于500 MHz。通信时，可以根据信息速率、系统功耗的要求以及其他系统共存的要求等，动态地使用部分或全部子带，通过同时发送多个不同频带的UWB信号来提高频谱的利用率。3.3.3 UWB的技术特点n1.系统结构的实现比较简单系统结构的实现比较简单n2.高速的数据传输高速的数据传输n3.功耗低功耗低n4.安全性高安全性高n5.多径分辨能力强
44、多径分辨能力强n6.定位精确定位精确n7.工程简单，造价便宜工程简单，造价便宜3.4 射频识别技术射频识别技术nRFID（Radio Frequency IDentification）是一种无线通信技术，可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。3.4.1 工作原理nRFID技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收阅读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签），阅读器读取信息并解码后
45、，送至中央信息系统进行有关数据处理。n一套完整的RFID系统，是由阅读器（Reader）与电子标签（TAG）也就是所谓的应答器（Transponder）及应用软件系统三个部份所组成，其工作原理是Reader发射一特定频率的无线电波能量给Transponder，用以驱动Transponder电路将内部的数据送出，此时Reader便依序接收解读数据，送给应用程序做相应的处理。3.4.1 工作原理nRFID系统构成TCP/IP802.11RS-485RS-232同轴电缆标签主机阅读器天线3.4.2 RFID的优势n射频识别系统主要有以下几个方面系统优势：1）读取方便快捷：数据的读取无需光源，甚至可以
46、透过外包装来进行。有效识别距离更大，采用自带电池的主动标签时，有效识别距离可达到30米以上；2）识别速度快：标签一进入磁场，解读器就可以即时读取其中的信息，而且能够同时处理多个标签，实现批量识别；3）数据容量大：数据容量最大的二维条形码（PDF417），最多也只能存储2725个数字；若包含字母，存储量则会更少；RFID标签则可以根据用户的需要扩充到数十K；4）使用寿命长，应用范围广：其无线电通信方式，使其可以应用于粉尘、油污等高污染环境和放射性环境，而且其封闭式包装使得其寿命大大超过印刷的条形码；5）标签数据可动态更改：利用编程器可以向写入数据，从而赋予RFID标签交互式便携数据文件的功能，而
47、且写入时间相比打印条形码更少；6）更好的安全性：不仅可以嵌入或附着在不同形状、类型的产品上，而且可以为标签数据的读写设置密码保护，从而具有更高的安全性；7）动态实时通信：标签以与每秒50100次的频率与解读器进行通信，所以只要RFID标签所附着的物体出现在解读器的有效识别范围内，就可以对其位置进行动态的追踪和监控。3.4.3 接口协议n1）空中接口）空中接口空中接口通信协议规范读写器与电子标签之间信息交互，目的是为不同厂家生产设备之间的互联互通性。ISO/IEC制定五种频段的空中接口协议。nISO/IEC 18000-1信息技术：基于单品管理的射频识别参考结构和标准化的参数定义nISO/IEC
48、 18000-2信息技术：基于单品管理的射频识别适用于中频125134KHz，规定在标签和读写器之间通信的物理接口，读写器应具有与Type A(FDX)和Type B(HDX)标签通信的能力；规定协议和指令再加上多标签通信的防碰撞方法。nISO/IEC 18000-3信息技术：基于单品管理的射频识别适用于高频段13.56MHz，规定读写器与标签之间的物理接口、协议和命令再加上防碰撞方法。3.4.3 接口协议n1）空中接口）空中接口空中接口通信协议规范读写器与电子标签之间信息交互，目的是为不同厂家生产设备之间的互联互通性。ISO/IEC制定五种频段的空中接口协议。nISO/IEC 18000-4
49、信息技术：基于单品管理的射频识别适用于微波段2.45GHz，规定读写器与标签之间的物理接口、协议和命令再加上防碰撞方法。nISO/IEC 18000-6信息技术：基于单品管理的射频识别适用于超高频段860960MHz，规定读写器与标签之间的物理接口、协议和命令再加上防碰撞方法。nISO/IEC 18000-7适用于超高频段433.92 MHz，属于有源电子标签。规定读写器与标签之间的物理接口、协议和命令再加上防碰撞方法。有源标签识读范围大，适用于大型固定资产的跟踪。3.4.3 接口协议n2）数据标准）数据标准RFID数据协议的应用接口基于ASN.1，它提供 一套独立于应用程序、操作系统和编程语
50、言，也独立于标签读写器与标签驱动之间的命令结构。nISO/IEC 15961规定读写器与应用程序之间的接口，侧重于应用命令与数据协议加工器交换数据的标准方式，这样应用程序可以完成对电子标签数据的读取、写入、修改、删除等操作功能。该协议也定义错误响应消息。nISO/IEC 15962规定数据的编码、压缩、逻辑内存映射格式，再加上如何将电子标签中的数据转化为应用程序有意义的方式。nISO/IEC 24753扩展 ISO/IEC 15962数据处理能力，适用于具有辅助电源和传感器功能的电子标签。nISO/IEC 15963规定电子标签唯一标识的编码标准，该标准兼容ISO/IEC 7816-6、ISO
