无线网络：无线个域网、无线体域网和无线家居网

目录

• 无线个域网
  • WPAN 的概念
  • WPAN 的特点
  • WPAN 的分类
  • WPAN 的应用
• WPAN 关键技术
  • 5 个关键技术
  • 关键技术的特点
  • 关键技术的应用场合
• WPAN 协议
  • IEEE802.15 标准
  • 蓝牙协议
  • ZigBee 协议
• 无线体域网
  • WBAN 的组成
  • WBAN 的技术要求
  • WBAN 的应用
• 无线家居网
  • WHAN 的组成
  • WHAN 的主要特点
  • WHAN 的要求
• 参考资料

无线个域网#

WPAN 的概念#

个域网（Personal Area Network, PAN），是一种范围较小的计算机网络，主要用于计算机设备间的通信，包括电话和个人设备等。PAN 的通信范围往往仅几米，也可连接多个网络。PAN 可进一步接入更大的网络，也可作为最后一米的解决方案。
无线个域网（Wireless PAN，WPAN）采用无线介质代替传统有线电缆，实现个人信息终端的互连，组建个人信息网络。WPAN 是为了实现活动半径小(如几米)、业务类型丰富、面向特定群体的连接而提出的新型无线网络技术。

WPAN 主要应用于个人用户工作空间，WPAN 系统通常可分为以下 4 个层次：

WPAN 系统层次	说明
应用软件和程序	由驻留在主机上的软件模块组成,控制网络模块的运行
固件和软件栈	负责管理连接建立,并规定和执行 QoS 要求
基带装置	负责数据处理，定义装置运行的状态，并与主控制器接口交互
无线电收发	负责经数/模和模/数转换处理所有的输入输出数据

WPAN 的特点#

WPAN 的主要有价格便宜、体积小、易操作和功耗低等优点，主要特点有：

1. 高数据速率并行链路：>100Mbps；
2. 邻近终端之间的短距离连接：典型 1~10m；
3. 标准无线或电缆与外部因特网或广域网的连接；
4. 典型的对等式拓扑结构；
5. 中等用户密度。

WPAN 的分类#

WPAN 按传输速率分为低速、高速和超高速三类：

PAN 的分类	说明
低速 WPAN	主要为近距离网络互联而设计，结构简单、数据率低、距离近、功耗低、成本低，可广泛用于工业、办公和家庭自动化及农业等
高速 WPAN	适合大量多媒体文件、短时的音视频流传输。而动态拓扑结构能使便携式装置在短时间内加入或脱离网络
超宽带 WPAN	速率可达 110~480 Mbps，支持 IP 语音、高清电视、家庭影院、数字成像和位置感知等信息的高速传输

WPAN 的应用#

WPAN 技术的应用范围非常广泛，如智能家居的照明、温控、安全和家电控制等，工业领域的生产流程、现场监测和安保等，智能交通的定位、导航和提示等，医疗领域的体征监测、诊断管理和病患监护等。

WPAN 关键技术#

5 个关键技术#

WPAN 关键技术包括 IrDA、HomeRF、UWB、蓝牙技术、ZigBee 技术等。

关键技术	说明
IrDA(红外)技术	利用红外线进行通信，最高通信速率 115.2kbps，采用异步、半双工方式
超宽带(UWB)技术	基于 IEEE 802.15.3 的超高速、短距离无线接入技术，能实现每秒数百兆位的数据传输率
HomeRF 技术	数字无绳电话技术与 WLAN 技术融合发展的产物，采用共享无线连接协议(SWAP)，工作在 2.4GHz ISM 频段
蓝牙技术	采用分散式网络结构以及快速跳频和短包技术，支持点对点及点对多点的通信，采用时分双工传输方案
ZigBee	短距离、低功率、低速率无线接入技术，工作在 2.4GHz ISM 频段，速率 20~250kbps，传输距离 10~100m

关键技术的特点#

5 种关键技术的特点，它们具有如下优势：

1. 支持移动联网，用户可像使用手机那样灵活移动设备，而网络仍保持连接；
2. 无须使用线缆，安装简便，高频无线电波可穿透墙壁或玻璃，设备放置灵活；
3. 多种安全防护措施以保障用户信息安全；
4. 网络结构或布局变动时，不需对网络进行重新设置。

技术指标	蓝牙	HomeHF	IrDA	UWB	ZigBee
工作频段	2.4GHz	2.4GHz	红外线	3.1~10.6GHz	2.4GHz
传输速率	1~50Mbps	6~10Mbps	16Mbps	480Mbps	20~250kbps
通信距离	10~240m	50m	1m	10m	10~100m
应用前景	好	中	一般	好	好

关键技术的应用场合#

关键技术	说明
HomeRF	家庭中的移动数据和语音设备与主机间的通信
蓝牙	任何可用无线方式替代线缆的场合
IrDA	两台（非多台）设备之间的视距连接
UWB	10m 范围内的室内电子设备
ZigBee	室外 WSN

WPAN 协议#

IEEE802.15 标准#

IEEE、ITU 等组织都致力于 WPAN 标准的制定，其中 IEEE 的研究重点主要是 IEEE802.15 系列。**IEEE802.15* 是目前最权威的 WPAN 标准，具体由 802.15 工作组负责制定，其分为多个任务组。

IEEE802.15 标准	说明
IEEE802.15.1	本质上是蓝牙低层协议的一个正式标准化版本，多数标准制定工作仍由蓝牙特别兴趣组负责
IEEE802.15.2	制定共存模型，以量化 WPAN 和 WLAN 的冲突，实际上是一个策略建议
IEEE802.15.3	针对高速 WPAN 制定的无线 MAC 层和物理层规范，允许连接多达上百个无线应用设备
IEEE802.15.4	主要针对低速 WPAN，以低功耗、低速率、低成本为目标，低速 WPAN 常作为 WSN 的通信标准

蓝牙协议#

蓝牙使用跳频技术，跳频速率为 1600 跳/秒，建立链接时为 3200 跳/秒。报文分成数据包，通过 79 个频道分别传输数据包，每个频道频宽为 1MHz，从 2402MHz 至 2480MHz。 蓝牙采用主从架构，一个主设备最多可和同一微微网(蓝牙临时性网络)中的七个从设备通信，所有设备共享主设备时钟。
蓝牙协议主要有以下几个协议组成：

协议	说明
基带协议	负责建立微型网内各蓝牙设备间的物理收发链路
链路管理协议(LMP)	负责设备间链路的建立和控制，包括控制和协商基带分组的大小
逻辑链路控制与适配协议(L2CAP)	支持高层协议复用、分组的分段重组、服务质量
服务发现协议(SDP)	可查询设备信息、业务类型和业务特征

ZigBee 协议#

为达到低成本、低功耗、可靠性高等设计目标，ZigBee 网络采用 Cluster-Tree(簇树)与按需距离矢量(AODV)路由相结合的路由算法，即 AODVjr。ZigBee 网络中，节点可按父子关系使用簇树选择路径，即一个节点接收到分组后发现该分组不是给自身的，只能转发给父节点或子节点。

组件	说明
簇树	分簇的树型，一种由协调器展开生成树状网络的拓扑结构，适于节点静止或移动较少场合，属静态路由，无需存储路由表
AODVjr 协议	保持了 AODV 的原始特点，考虑了节能、简便等因素，简化了 AODV 的一些功能

AODVjr 中无目标节点序列号，只有目标节点才能发送路由应答（RouteReply, RREP）包，可避免循环问题或出现无效 RREP 包，提高网络效率。AODVjr 取消了路由错误（Route Error, RERR）包及前趋列表，为避免广播风暴，还取消了 AODV 中周期发送的 Hello 包。

AODVjr 的性能特点有：

1. 为减少控制开销和简化路由发现过程，未使用目标节点序列号；
2. 为保证路由无环路，规定只有分组目标节点可回复 RREP；
3. 无先驱节点列表，简化了路由表结构；
4. 针对链路中断，采用本地修复；
5. 节点不发送 HELLO 分组，仅根据收到分组或 MAC 层提供的信息更新邻居节点列表。

无线体域网#

WBAN(Wireless Body Area Network，WBAN)通常是小型或微型无线网络，由附于身体或植入体内的微型智能设备组成。设备可提供持续健康监测和实时反馈信息，并长期记录和分析。

WBAN 的组成#

WBAN 的组成一般包括传感器节点、执行器节点、个人设备等，节点数量受制于网络特性，一般 20~50 之间。

WBAN 的组成	说明
传感器节点	对物理刺激作出响应并收集数据，适当处理和传输数据
执行器节点	根据接收或来自用户接口的数据作出反应
个人设备	负责收集传感器和执行器信息，通过外部途径通知用户

WBAN 的技术要求#

技术要求	说明
数据率	由于具体应用的多样性，WBAN 的数据率范围较大，从简单数据的几千比特每秒到视频数据流的几兆比特每秒。
能耗	主要用于感知/通信/数据处理，无线通信一般能耗最大。各节点可用功率常受限，电池决定传感器尺寸和重量。
QoS 和可靠性	QoS(服务质量)是医疗应用的重要环节，关键是传输可靠性，可靠性可从端到端或各链路等多方面考虑。
可用性	良好自组织、自维护性，节点开启时能自动配置。节点可穿戴性和可植入性，使 WBAN 较隐蔽。
安全和隐私	健康信息属于隐私和机密，一般应加密，医护人员收集数据时需确信数据未被篡改。

WBAN 的应用#

WBAN 潜在市场非常大，可为病人、老人、行动不便者、婴幼儿等提供日常护理和医疗。借助 WBAN，医院、家甚至移动中，都可持续检测病人体征参数。长时间病人在自然环境中测得的数据，比短时间在医院现场测得的数据更反映实际。

无线家居网#

无线家庭自动化网络(Wireless Home Automation Networks，WHAN)，面向家庭或室内用户，实现舒适、高效的室内设施管理、监测和控制。相比有线网络，无线网络更灵活和易扩展，安装实施更经济，但也存在技术挑战和难点。

WHAN 的组成#

传统有线智能家居网络布线繁琐、成本过高，WHAN更体现操作的简易性和维护的方便性，不同于某些有线系统的无线控制终端，而在尽量多的环节采用无线连接，实现灯光、窗户、空调、安防、电器设备的全面智能控制。

组成	说明
灯控	无线开关控制电灯，电灯能响应远距离的控制命令而被激活，亮度传感器检测到人处于低亮度房间时自动开灯
远程控制	红外线已广泛用于家电无线控制中，但其要求视距和短距离通信，而 RF 通信克服了这些困难
智能能源	遮阳棚、通风和空调、供暖系统等，收集各类传感器信息，如温湿亮度等，避免能源浪费，检测使用和发出警报
远程护理	病残老人受益于居家医疗护理，可穿戴传感器反馈人体生理机能参数，如体温、血压和胰岛素量，精密诊断
安防	传感器监测紧急情况，如烟雾监测器、玻璃碎片检测器、运动传感器等，烟雾监测可触发火警

WHAN 的主要特点#

1. 节点密度较大，节点数量可能以百计；
2. 墙、地板和家具等反射表面存在，住宅是典型多径环境；
3. 环境易受干扰，WiFi/蓝牙/无绳电话/微波炉等使 ISM 频段较忙。

WHAN 的要求#

1. 为便于端到端连接，需多跳通信，中间节点可转发数据。
2. 大多数设备固定，但其中一些设备可移动性和射频信号传播动态性要求网络自愈性；
3. 支持各种传输模式，如点对点、一对多、多对一；
4. 时延有时并不关键，检测到紧急情况时提供结果并让用户采取措施；
5. 提供因特网连接，允许远程家庭检测和管理；
6. 基于 WHAN 的入侵报警系统要求安全服务的保护；
7. 节点可能只有较低存储量如几 kb 内存，有限处理能力如处理器主频为几十兆赫。

参考资料#

《无线网络技术教程(第3版)——原理、应用与实验》，金光、江先亮编著，清华大学出版社