无线网络：无线个域网、无线体域网和无线家居网
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：
- 高数据速率并行链路：>100Mbps；
- 邻近终端之间的短距离连接：典型 1~10m；
- 标准无线或电缆与外部因特网或广域网的连接；
- 典型的对等式拓扑结构；
- 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：
- 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；
- 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；
- 多种安全防护措施以保障用户信息安全；
- 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：
- 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；
- 为保证路由无环路，规定只有分组目标节点可回复 RREP；
- 无先驱节点列表，简化了路由表结构；
- 针对链路中断，采用本地修复；
- 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
- 节点密度较大，节点数量可能以百计；
- 墙、地板和家具等反射表面存在，住宅是典型多径环境；
- 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
- 为便于端到端连接，需多跳通信，中间节点可转发数据。
- 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；
- 支持各种传输模式，如点对点、一对多、多对一；
- 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；
- 提供因特网连接，允许远程家庭检测和管理；
- 基于 WHAN 的入侵报警系统要求安全服务的保护；
- 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
