作者：徐小涛,吴延林[编著]
出版社：出版服务编辑部
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
无线个域网(WPAN)技术及其应用试读：
前言
随着国内外信息化建设步伐的加快，作为近距离移动通信技术最新发展的无线个域网（WPAN）技术，在国内外得到了越来越广泛的应用。
为了适应无线个域网事业的发展，满足从事无线个域网技术研究、管理、服务等工作的工程技术人员了解无线个域网技术发展的需要，作者专门编写《无线个域网（WPAN）技术及其应用》一书。
全书共分为8章。第1章主要介绍了无线个域网的基本概念、技术特点、基本功能和发展历程，综述了几种典型的无线个域网技术体制的标准化进程，并对其国内外应用现状和发展趋势进行了介绍。第2章主要介绍了基于IEEE 802.15.1的蓝牙技术的特点、发展概况、网络协议、技术体制和安全机制，叙述了蓝牙与其他无线网络系统的兼容性问题，并对蓝牙技术的典型应用进行了介绍。第3章简要介绍了基于IEEE 802.15.3的超宽带（UWB）技术的发展概况、技术特点、标准化进程、技术体制、网络协议、功率控制方式等内容，并对UWB的典型应用进行了介绍。第4章主要介绍了无线USB（WUSB）技术的标准化进程、功能优势、技术规程、数据传输方式和安全机制等内容，并对WUSB的典型应用进行了分析。第5章主要介绍了基于IEEE 802.15.4的ZigBee技术的协议框架、网络结构、数据传输机制、组网机制、网络安全机制和典型的ZigBee技术的应用范例，并对基于IPv6协议和IEEE 802.15.4发展起来的6LowPAN技术体制和发展现状进行了介绍。第6章主要介绍了基于IEEE 802.15.5的无线网状网（WMN）技术的发展历程、网络结构、网络安全机制、路由协议和关键技术，分析了WMN和其他网络结构的区别，并对WMN的典型应用进行了详细介绍。第7章主要介绍了射频识别技术（RFID）的系统组成、技术特点、工作原理和关键技术，并对RFID在无线个域网领域的应用进行了重点介绍，尤其对近年来获得飞速发展的近距离无线通信技术（NFC）进行了系统的介绍。第8章主要介绍了新型无线个域网技术Z-Wave的技术特点、网络拓扑结构、网络基本配置和Z-Wave协议等内容，并对典型的Z-Wave应用模块进行了介绍。
本书由徐小涛主编，吴延林参与编写。本书得到了中国人民解放军武汉通信指挥学院毕进南教授的大力支持，该学院装备管理运用教研室李建军主任、硕士研究生导师刘建中副教授、熊华副教授、马同兵副教授、郎为民副主任、胡东华讲师、王逢东讲师、李健讲师、任保全讲师、朱元诚讲师、高泳洪讲师、项宏宇讲师、张昆讲师、王会涛讲师对本书提出了宝贵的编写建议。武汉实验外国语学校高俊文老师、武汉科技大学徐静同志、中国人民解放军武汉军械士官学校田铖讲师完成了部分文档的处理，并更正了不少错误，在此向他们表示衷心的感谢。
在编写过程中，得到了三星、中兴通信、摩托罗拉、威讯紫晶、东芝、诺基亚、华为、清华同方、海思半导体、德赛、Zensys、Freescale、IBM、NXP半导体、爱立信和英特尔等企业的鼎力支持，他们为本书的编写工作提供了大量宝贵的素材和详实的应用实例。
人民邮电出版社为本书的出版付出了辛勤的劳动，在此一并表示感谢。
由于无线个域网技术仍在不断发展之中，新的标准和应用不断涌现，加之作者水平有限，编写时间仓促，因而本书难免存在疏漏之处，恳请各位专家和读者不吝指正。作者第1章概述1.1 无线个域网的基本概念
个域网（Personal Area Network，PAN）是一种新兴的通信网络，如果把用户接入网（Residential Access Network，RAN）称为迈向数字家庭的“最后1000米”，那么，个域网就是“最后的50米”。随着外围设备的逐渐增多，用户不仅在自己的计算机上连接打印机、扫描器、调制解调器等外围设备，有时还要通过USB接口将数码相机中的像片传输并存储到硬盘中去。频繁地插拔某一接口、在计算机上缠绕无序的各种接线，使用户在体验新技术带来新用途的同时，又不得不忍受一些不便。此外，企业内部各部门工作人员之间的信息传递对现代化企业中信息传送的移动化提出了更高的要求。在一间不大的办公室里组成有线局域网以实现信息和设备（如打印机、扫描器等）共享十分必要，但是密密麻麻的布线又令使用者心烦不已，无线个域网（Wireless Personal Area Network，WPAN）就是为了解决这些问题而产生的。
继无线局域网（Wireless LocalArea Network，WLAN）和无线城域网（Wireless Metropolitan Area Network，WMAN）之后，便携式技术产品的发展和应用需求迅速增长，这促进了WPAN的诞生，使无线接入产业链更加完善。WPAN指的是能在便携式电器和通信设备之间进行短距离特别连接的网络。定义中的“特别连接”包含两层意思：一是指设备既能承担主控功能，又能承担被控功能；二是指设备加入或离开现有网络的方便性。WPAN是一种与无线广域网（Wireless Wide Area Network，WWAN）、无线城域网（WMAN）、无线局域网（WLAN）并列但覆盖范围相对较小的无线网络，是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无线无缝连接而提出的新兴无线通信网络技术。它能够有效地解决“最后几米电缆”的问题，进而将无线联网进行到底。在网络构成上，WPAN位于整个网络链的末端，用于实现同一地点终端与终端间的连接。WPAN工作在个人操作系统下，需要相互通信的装置构成一个网络，而无需任何中央管理装置。这种专用网络最重要的特性是采用动态拓扑以适应网络节点的移动性，其优点是按需建网、容错力强、连接不受限制。在WPAN中，一种装置用作主控，其他装置作为从属，系统适合运行图像、MP3和视频剪辑等多种类型的文件。WPAN系统通常都由以下4个层面构成。（1）应用软件和程序
该层面由驻留在主机上的软件模块组成，控制WPAN模块的运行。（2）固件和软件栈
该层面管理链接的建立，并规定和执行QoS要求。这个层面的功能常常在固件和软件中实现。（3）基带装置
它负责数据传送所需的数字数据处理，其中包括编码、封包、检错和纠错。基带还定义装置运行的状态，并与主控制器接口（Host Controller Interface，HCI）交互作用。（4）无线电
无线电链接经D/A（数—模）和A/D（模—数）变换处理的所有输入/输出数据。它接收来自和到达基带的数据，并接收来自和到达天线的模拟信号。
WPAN设备具有价格便宜、体积小、易操作和功耗低等优点，将取代线缆成为连接包括移动电话、笔记本电脑和掌上设备在内的各类个人便携设备的工具。WPAN可以随时随地为用户实现设备间的无缝通信，并使用户能够通过移动电话、局域网或广域网的接入点接入互联网。WPAN有巨大的市场潜力，它和大范围快速移动情况下的通信应用相辅相成，互为补充，但从某种意义上来说，WPAN的市场潜力可能更为巨大，因为这种应用可在小范围内实现各种移动通信设备、固定通信设备、计算机及其他终端设备、各种数字数据系统（例如数码照相机、数码摄像机等）甚至各种家用电器的互联，而且价格更为低廉。随着互联网和多媒体通信的发展，人们对宽带无线通信的需求也越来越迫切。虽然有关WPAN的各种标准目前还在不断修改，但已展现出强大的生命力，国际上一流的通信、计算机和软件企业正如火如荼地对此展开研究，酝酿着更大的技术突破。1.2 无线个域网的分类
无线个域网（WPAN）的应用范围越来越广泛，涉及的关键技术也越来越丰富，通常人们将无线个域网的关键技术按照传输速率分为低速WPAN（LR-WPAN）技术、高速WPAN技术和超高速WPAN技术。1.2.1 低速WPAN
低速WPAN（LR-WPAN）是按照IEEE 802.15.4，为近距离联网设计的。IEEE# 802.15.4包括工业监控和组网、办公和家庭自动化与控制、库存管理、人机接口装置以及无线传感器网络等。LR-WPAN的出现完全是由于市场需要，因为现有无线解决方案成本仍然偏高，而有些应用无需WLAN，甚至不需要蓝牙系统那样的功能特性。与WLAN和其他WPAN相比，LR-WPAN结构简单、数据率较低、通信距离近、功耗低，成本自然也低，见表1-1。表1-1 LR-WPAN与WLAN和基于蓝牙的WPAN性能比较
除了上述特点外，LR-WPAN在传输、网络节点、位置感知、网络拓扑、信息类型等方面还有独特的技术特性，见表1-2。表1-2 LR-WPAN技术特性
LR-WPAN适用于工业监测、办公和家庭自动化以及农作物监测等。在工业应用方面，主要用于建立传感器网络、紧急状况监测、机器检测。在办公和家庭自动化方面，用于提供无线办公解决方案，建立类似传感器疲劳程度监测系统，用无线替代有线连接VCR（盒式磁带像机）、计算机外设、游戏机、安全系统、照明和空调系统。在农作物监测方面，用于建立数千个LR-WPAN节点装置构成的网状网，收集土地信息和气象信息，农民利用这些信息可获取较高的农作物产量。1.2.2 高速WPAN
在WPAN方面，蓝牙（IEEE 802.15.1）是第一个取代有线连接工作在个人环境下各种电器的WPAN技术，但是数据传输的有效速率仅限于1Mbit/s以下。按照IEEE 802.15.3建立的WPAN数据传输速率高达55Mbit/s以上。高速WPAN适合大量多媒体文件、短时间内视频流和MP3等音频文件的传送。传送一幅图片，高速WPAN只需1 s。
在个人操作环境中，高速WPAN能在各种电器装置之间实现多媒体连接。高速WPAN传送距离短，目前界定的数据率为55Mbit/s，见表1-3。网络采用动态拓扑结构，采用便携式装置能够在极短的时间内（小于1s）加入或脱离网络。表1-3 高速WPAN与WLAN和蓝牙技术性能比较续表
从应用方面看，表1-3中列出的其他WLAN和WPAN技术主要用于数据和语音传输，而高速WPAN还用于视频或多媒体传输，如摄像机编码器与TV/投影仪/个人存储装置间的高速传送，便携式装置之间的计算机图形交换等。
IEEE 802.15.3是专为在高速WPAN中使用的消费和便携式多媒体装置制定的，IEEE于2003年8月6日正式批准了此标准。IEEE 802.15.3支持11～55Mbit/s的数据率和基于高效的TDMA协议。物理层运行在2.4GHz ISM频段，可与IEEE 802.11、IEEE 802.15.1和IEEE 802.15.4兼容，而且能满足其他标准当前无法满足的应用需求。1.2.3 超高速WPAN
在日常生活中，无线通信装置急剧增长，对更高速率和更快的内容传送的需求与日剧增，这一需求将把网络中各种信息传送速率推向更高，IEEE 802.15.3高速WPAN将来不能满足这些应用需求。为此，IEEE 802.15.3a工作组提出了更高数据率的物理层标准，用以替代高速WPAN的物理层，从而构成超高速WPAN或超宽带（UWB）WPAN。超高速WPAN可支持110～480Mbit/s的数据率。
工作频率和EIRP（有效各向同性辐射功能）见表1-4，IEEE 802.15.3a超高速WPAN通信设备工作在3.1～10.6GHz的非特许频段，辐射功率低，EIRP为−41.3dBW/MHz。如此低的辐射功率可以保证通信装置不会对特许业务和其他重要的无线通信产生严重干扰，而且，在超高速WPAN装置中使用的工作频段不同，其EIRP值各不相同。表1-4 室内/手持式系统的工作频率和EIRP要求1.3 无线个域网的关键技术
无线个域网（WPAN）是随着短距离无线移动网络技术的发展而产生的，能够在近距离为设备建立连接，还可以将一组相互连接的设备中的一个或多个设备连入更广阔的LAN或互联网，主要用于家庭微微网。而与LAN连接机制不同的是，LAN设备是固定的，WPAN设备是运动的，这意味着WPAN的技术标准应该具有很好的互操作性，在任何地方—无论是在汽车、轮船或飞机中，都能不受干扰地传送语音和数据。最初，这个领域主要涉及3个技术标准：IrDA、HomeRF和蓝牙（Bluetooth）。1.3.1 IrDA技术
IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术。伴随这种技术诞生的还有红外线数据标准协会IrDA（Infrared Data Association），它是一个非营利性组织，由HP、Compaq、Intel等20多家公司于1993年发起成立，该协会致力于建立无线传播连接的世界标准，目前在全球拥有160个会员，参与的厂商包括计算机及通信硬件、软件及电话公司等。1993年6月28日，来自50多家企业的120多位代表出席了红外数据协会的首次会议，一年以后，第一个IrDA的红外数据通信标准发布，即IrDA 1.0。
IrDA 1.0简称为SIR（Serial InfraRed），它是基于HP-SIR开发出来的一种异步、半双工的红外通信方式。红外通信一般采用红外波段内的近红外线，波长在0.75～25μm之间。红外数据协会成立后，为了保证不同厂商的红外产品能够获得最佳的通信效果，红外通信协议将红外数据通信所采用的光波波长的范围限定在850～900 nm。SIR的最高通信速率只有115.2 kbit/s。
如图1-1所示，IrDA标准包括3个基本的规范和协议：物理层规范（Physical Layer Link Specification）、连接建立协议（LinkAccess Protocol，IrLAP）和连接管理协议（Link Management Protocol，IrLMP）。物理层规范规定了红外通信硬件设计方面的目标和要求；IrLAP和IrLMP为2个软件层，负责对连接进行设置、管理和维护。在IrLAP和IrLMP基础上，针对一些特定的红外通信应用领域，IrDA还陆续发布了一些更高级别的红外协议，如TinyTP、IrOBEX、IrCOMM、IrLAN、IrTran-P等。图1-1 IrDA协议栈模型
当前，IrDA技术的软件和硬件都已经比较成熟，主要的技术优势有以下几个。
无需专门申请特定频率的使用执照。这在当前频率资源匮乏、频道使用费用增加的背景下是非常重要的。
具有移动通信设备所必需的体积小、功率低的特点。HP公司已结合模块应用推出2.5mm × 8.0mm × 2.9mm到5.3mm × 13.0mm × 8.8mm的专用器件，该器件在同类产品中耗电量也是最低的。
数据传输速率在适用于家庭和办公室使用的微微网中是比较高的。由于采用点到点的连接，所以数据传输所受的干扰较少。
除了技术上的特点外，IrDA的市场优势也十分明显。目前，IrDA红外技术已经发展成熟，并为人们所熟知，全世界约有5000万台设备采用IrDA技术，并且仍然以每年50%的速度增长。在成本上，红外线LED及接收器等组件远较一般RF（Radio Frequency）组件便宜，IrDA端口的实现成本在5美元以内，如果对速度要求不高甚至可以低到1.5美元以内，这只是蓝牙产品的1/10。对于传输速率高、使用次数少、移动范围小、价格比较低的设备（如打印机、扫描仪、数码相机等），IrDA技术将是首选。
面对其他技术的挑战，IrDA并没有停滞不前。1996年，IrDA发布了IrDA 1.1，即Fast InfraRed，简称为FIR，其最高通信速率可达到4Mbit/s。继FIR之后，IrDA又发布了通信速率达16Mbit/s的VFIR技术（Very Fast InfraRed），接收角度由传统的30°扩展到120°，它作为补充被纳入IrDA 1.1。这样，在台式电脑上采用低功耗、小体积的含有IrDA接口的键盘、鼠标就有了根本的技术保障。同时，由于互联网的迅猛发展和图形文件逐渐增多，IrDA的高速率传输优势在扫描器和数码相机等图形处理设备中更可以大展身手。
IrDA也有它的局限性。首先，IrDA是一种视距传输技术，也就是说两个具有IrDA端口的设备之间如果要传输数据，中间就不能有阻挡物（这在两个设备之间是容易实现的，但多个电子设备间就必须调整彼此的位置和角度），这也是IrDA技术的一个短板。其次，IrDA设备中的核心部件—红外LED不是一种耐久部件，对于不经常使用的扫描器、数码相机等设备虽然游刃有余，但如果经常用装配IrDA端口的手机上网，可能很快就不堪重负了。最后，IrDA没有提供链接级别的安全措施，而是依靠上层协议提供的授权与安全功能。1.3.2 HomeRF技术
HomeRF技术是无绳电话技术（Digital Enhanced Cordless Telephone，DECT）和无线局域网（WLAN）技术融合发展的产物。HomeRF工作组成立于1997年，由美国家用射频委员会领导。它成立的技术与商业动机和其他几项技术十分类似，是在消费者能够承受的前提下，组建家庭中的、能互操作的语音和数据网络。HomeRF把共享无线连接协议（Share Wireless Access Protocol，SWAP）作为未来家庭内部联网的技术依据，以IEEE 802.11作为数据传输标准。在ITU的支持和Compaq、Intel、Philip、HP、IBM和Microsoft等几家大公司的参与下，HomeRF工作小组致力于实现计算机与其他来自不同制造商的家用电器设备之间的数字通信，并于1998年制定了共享无线连接协议。SWAP结合了DECT和IEEE 802.11的特点，使用TDMA+CSMA/CA方式，适合语音和数据业务，HomeRF也工作在2.4GHz ISM频段。
HomeRF的协议栈模型如图1-2所示，其协议层次与OSI网络模型有一定的映射关系。在SWAP中，MAC（介质访问层）对应于数据链路层，在其上的协议层则根据开展的业务不同而有所差异，它用TCP/IP承载数据业务、UDP/IP承载流业务（诸如视频数据流等），同时为了提供高质量的语音业务，还集成了DECT协议。
1.物理层图1-2 HomeRF的协议栈模型
HomeRF采用数字跳频扩频技术，调制方式为恒定包络的FSK调制，分为2FSK与4FSK 2种。采用FSK调制可以有效地抑制无线环境下的干扰和衰落。在2FSK方式下，最大数据传输速率为1Mbit/s；在4FSK方式下，速率可达2Mbit/s。最新版HomeRF 2.x中，采用了WBFH（Wide Band Frequency Hopping）技术来增加跳频带宽，从原来的1MHz增加到3MHz和5MHz，其数据峰值高达10Mbit/s，接近IEEE 802.11b的11Mbit/s，它能根据数据传输速率动态调整跳频带宽，满足未来的家庭宽带通信。
2.介质访问层（MAC）
SWAP的MAC相当于OSI模型中的数据链路层，它的功能主要完成数据帧的封装、拆封等。对于数据通信，SWAP采用IEEE 802.11中的CSMA/CA方式，而语音业务则是基于DECT系统的TDMA方式。SWAP定义了2种类型的帧结构，一种是20ms的超帧（Superframe），另一种是10ms的子帧（Subframe），这2种帧分别适用于不同的场合。当网络中只有数据业务时，HomeRF 将使用超帧，在一个跳频点上的通信时间为 20ms，并采用异步方式；当网络中有语音业务时采用10ms的子帧，并增加了一个标志位以同步方式进行通信。
3.网络层
SWAP采用TCP/IP，TCP应用于一般的数据通信，而UDP用于开展流业务（Stream Media）。SWAP组网的形式非常灵活，既可以采用Ad-Hoc网络，也可以作为控制网络使用。在Ad-Hoc网络中，所有的接入点之间都是平等的，既可以作为主机也可以作为路由器，由各点对网络进行分布式控制，不过这种网络结构只支持数据通信。而对时间有要求的业务，则必须采用控制网络，这时必须有一个专门的控制点（CP）对整个系统进行管理与协调，它通过标准的接口如USB与计算机相连，就可以成为一个接入PSTN的网关。
HomeRF网络的主要参数如下：
网络跳频：50跳/s。
工作频率：2.4GHz。
发射功率：100mW。
传输速率：2FSK调制为1Mbit/s，4FSK为2Mbit/s；在HomeRF 2.x中，采用宽带跳频（WBTH）技术增加跳频带宽，数据传输速率峰值可达10Mbit/s，并可根据传输速率动态调整跳频带宽。
有效范围：约50m，可覆盖一般的家庭院落。
语音连接：6个全双工语音信道。
数据安全：采用Blowfish加密算法。
语音通信：HomeRF技术能提供更高的语音质量和安全性。HomeRF 2.0的语音质量可以达到 4.1mOS（一般的公用电话质量为 4.3mOS，移动语音的质量只有 3.4 MOS）。由于以DECT为基础，因此HomeRF能继续支持各种新业务，如呼叫等待、呼叫转移等，系统可容纳8个激活的语音信道。它采用2.4GHz频段避免了来自远程控制设备以及监视器等装置的干扰，并且能够提供比传统无绳电话更多的便利，如电话放置的位置更加灵活。
数据通信与流业务（Stream Media）：为了实现对数据包的高效传输，HomeRF采用IEEE 802.11中的CSMA/CA模式，以竞争的方式获取对信道的控制权，在一个时间点上只能有一个接入点在网络中传输数据。有线以太局域网在MAC层的标准协议是CSMA/CD，但由于无线产品的适配器不易检测信道是否存在冲突，因此IEEE 802.11全新定义了一种新的协议，即载波侦听多点接入/冲突避免（CSMA/CA）。一方面，载波侦听查看介质是否空闲；另一方面，通过随机的时间等待，使信号冲突发生的概率减到最低，当介质被侦听到空闲时，则优先发送。此外，HomeRF对流媒体业务赋予高级别的优先权，采用带有优先权的重发机制，这样保证了实时流业务所需的带宽和较低的误码率。
安全机制：随机的跳频方式以及低功率传输可以有效防止外界对系统的恶意攻击及截获数据。HomeRF对数据采用了Blowfish加密算法，多达1万亿个码字，进一步增加了数据的安全性。
简而言之，HomeRF是专门针对家庭住宅环境而开发出来的无线网络技术，功能强大、简单易行、成本低廉、协同性强。典型的HomeRF家庭内部网结构如图1-3所示。图1-3 典型的HomeRF家庭内部网
由图1-3可以看出，HomeRF工作组像当初人们构造ATM一样，提出了一整套应用于家庭联网的完整实现模型，包括外围设备和家庭主机之间的连接、外围设备之间的连接、主机和HomeRF中央控制的连接、接入网、PSTN等。
HomeRF无线家庭网络不仅支持家庭娱乐、家庭自动控制，而且支持远程医疗等功能。随着无线家庭网络技术的日益成熟和完善，更多的网络环境将能够协同工作。如果无线家庭网络与PSTN和以太网进行无缝通信，会使得无线家庭网络成为连接家用计算机、信息家电、家庭安全系统和数字化娱乐中心的骨干网。1.3.3 INSTEON技术
INSTEON是一种复杂度低、功耗低、数据传输速率低、成本低的双向混合通信技术，具有即时响应、安装便捷、容易使用、经济可靠和兼容性强的特点。INSTEON之所以被称为混合通信技术，是因为它通过电力线和无线2种方式来实现家庭设备间的互联。INSTEON网络中所有设备的角色是对等的，都能发送、接收及转发报文，但是出于节能方面考虑，一般都不转发报文。
1.网络拓扑结构
家庭网络中单独使用电力线或ISM频段都存在很多问题。单独使用无线通信时，无线设备会受到其他设备的干扰，且无线信号在家庭环境中有很强的多径效应。使用电力线存在相位桥接和严重的电流噪声。为解决这些问题，INSTEON通过电力线和无线构成的双线网状网络，改善了单一介质传输中的问题，提高了网络的可靠性。INSTEON网络拓扑结构如图1-4所示。图1-4 INSTEON网络拓扑结构
从图1-4中可看出，设备间的信息传输存在多径，而路径分集能提高信息成功传输的概率。通过网络桥接设备，INSTEON 网络还可以和其他网络相连，使家庭网络具有更加优良的网络拓展功能。
2.空中接口规范
INSTEON网络工作在131.65kHz的电力线和904MHz的ISM频段上，采用CSMA实现MAC层的访问。工作在131.65kHz时采用BPSK调制方式，突发数据速率为13.165 kbit/s，平均数据速率为2.88 kbit/s；工作在904MHz时采用FSK调制方式，突发数据速率为38.4 kbit/s。其空中接口规范见表1-5。表1-5 INSTEON空中接口规范
3.同步
根据INSTEON的空中接口规范，用电力线上的零交叉点可实现电力线设备和无线设备全网同步。INSTEON网络中有标准报文和扩展报文2种，其中电力线上传输的报文长度与无线传输的报文长度不一样，传输时报文需要分割成多个分组，每个分组中需要加入额外的同步比特，且只能在1.823ms的零交叉期间（电压零点前0.8 ms至后1.023ms）传输，其分组时隙如图1-5所示。图1-5 INSTEON分组时隙
每个零交叉期间传输24 bit报文，标准报文和扩展报文长度分别为120 bit和264 bit，因此传输1个标准报文需6个零交叉，最后1个为静默期，传输1个扩展报文需13个零交叉，最后2个为静默期。
4.联播转发
INSTEON技术利用联播转发机制，因而不需要路由机制，也不需要网络中心控制器。联播转发为接收报文的设备，在报文转发跳数为非零、目的地址与自己不相符的情况下，在下一个发送周期转发该报文。联播转发机制有2个优点：省略路由，简化设备；提高报文传输的可靠性。
5.应用优势
INSTEON采用双网结构，不像ZigBee、Z-Wave那样采用单网结构。此外，INSTEON通过联播转发来传输分组数据，不需要单独的网络设备登记，不需要网络控制器，也无需路由，成本相对低廉。INSTEON虽简单，但功能并不单一，基于INSTEON的设备可以通过网络桥接实现与基于Wi-Fi、蓝牙等设备组成的网络进行互联通信。除此之外，INSTEON和X10相兼容，它们的信号可以在电力线上共存。这样使得制造商可以设计基于INSTEON／X10混合模式的产品，而且它们可以平等地在各自的环境下运行，同时基于X10的产品可以很容易地升级到INSTEON，这使得市场上基于X10的产品具有2次利用的价值，深受制造商和用户喜爱。INSTEON的技术特征决定了它是一种成本低廉、功能完善的智能家居应用方案。1.3.4 蓝牙技术
1994年，爱立信首先提出了蓝牙开发计划。1998年5月，爱立信、诺基亚、英特尔、IBM和东芝5家公司成立了蓝牙技术特别兴趣小组（SIG），致力于蓝牙技术的研究和开发。SIG成立后，迅速得到包括摩托罗拉、康柏、西门子、朗讯、3Com、TDK等公司在内的许多厂商的支持，目前SIG成员已达数千家。蓝牙标准是在1998年由SIG推出的，蓝牙技术为固定设备或移动设备之间的通信建立通用的无线空中接口，将通信技术与计算机技术进一步结合起来，使各种3C设备（通信产品、电脑产品和消费类电子产品）在没有电线或电缆相互连接的情况下能在近距离实现相互通信或操作。蓝牙可以提供较高的数据传输速率和10m的传输距离。
蓝牙从实验室进入市场经历了3个阶段。第1阶段，作为附件应用于移动性较大的高端产品中，如移动电话耳机、笔记本电脑插卡、计算机卡或近距离无线传输设备。第2阶段，嵌入中高档产品中，如个人数字助理（PDA）、移动电话、计算机、笔记本电脑等。在这一阶段蓝牙模块的价格下降到10美元左右，有关的测试和标准认证逐步完善，1999年7月SIG推出了蓝牙协议1.0版。第3阶段，随着标准的完善和蓝牙模块价格的进一步降低，蓝牙开始应用于家用电器、数码相机以及其他各种电子产品中。图1-6为一款典型的蓝牙鼠标。
蓝牙技术的特点可归纳为以下几点：
采用2.4GHz的ISM频段，不需要申请许可证；
采用快速跳频和短包技术，减少同频干扰，保证物理层传输的可靠和安全性；
采用FEC（前向纠错）编码来减少传输时的随机噪声影响；
支持64 kbit/s的实时语音传输和各种速率的数据传输，语音和数据可以单独或同时传输；
最大传输速率为1Mbit/s。
蓝牙系统中的微微网（Piconet）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2台设备（如便携式电脑和蜂窝电话）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1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。分布式网络（Scatternet）是由多个独立、非同步的微微网形成的。典型蓝牙系统的协议栈模型如图1-7所示。图16 IBM蓝牙鼠标（右边是无线接收器）图17 蓝牙协议栈模型
各部分介绍如下：
Bluetooth Radio（蓝牙无线电）是蓝牙设备中负责传送和接收调制电信号的收发器；
Baseband（基带）即蓝牙的物理层，负责管理物理信道和链路；
ACL（Asynchronous Connection-Less）是在物理信道上传输数据的异步无连接物理链路；
SCO（Synchronous Connection-Oriented）是同步连接物理链路，主要用于语音通信的信息传输；
Link Manager（链路管理器）主要处理链路建立、链路安全和链路控制等任务；
L2CAP（Logical Link Control and Adaptation Layer Protocol）是逻辑链路控制和适应层协议，位于数据链路层，向上层协议提供复用、分段、重组和组抽象等无连接和面向连接的数据服务；
SDP（Service Discovery Protocol）服务发现协议；
RFCOMM（串口仿真协议）是一种简单传输协议，可在 L2CAP 之上仿真 RS-232（EIATIA-232-E）串口电路；
JINI技术提供一种简单的机制，采用这种机制可以让设备组合起来形成即时群体，每一种设备都向群体中的其他设备提供它们可以使用的服务；
WAP（Wireless Application Protocol）是无线应用协议。
蓝牙技术的应用场合如下。
替代传统的数据电缆连接，从而能够有效地简化计算机之间及其和外设之间的通信。例如，移动电话和计算机间的通信、键盘和主机间的通信等。
应用到各种家电产品、消费电子产品和汽车等信息家电中。为各种电子产品的网络互联提供一种廉价而实用方案。
为互联网提供短距离的无线接入点，从而为各种电子产品接入互联网提供更方便的途径。
为个人局域网提供网络连接手段。个人的各种电子设备，如移动电话、寻呼机、掌上电脑、耳机等可通过蓝牙构成相对独立的个人局域网，从而使各个设备间可以相互通信。
电子商务领域。蓝牙可靠的安全特性既可以保证通信双方身份的可靠性，又能保证通信数据的安全性，这一特点使得蓝牙在电子商务领域拥有巨大的应用前景。
随着WPAN标准组织的发展，IEEE的802.15研究组在推出了基于蓝牙技术的IEEE 802.15.1之后，逐渐成为WPAN标准化进程的权威组织，从而使WPAN标准建设进入新的历史时期，并开始推进WPAN的市场化进程。1.3.5 其他关键技术
随着无线个域网技术的发展和标准化进程的加快，越来越多的新兴无线个域网关键技术得到了飞速发展。
1.Wibree技术
Wibree是诺基亚在赫尔基辛的研究中心提出的一种新的短距离无线通信技术。该技术可以在设备间进行连接，并且突破了蓝牙固有的能量局限，功耗仅为蓝牙的1/10。2007年6月12日，SIG与Wibree论坛宣布Wibree并入蓝牙，Wibree将作为蓝牙的超低耗电通信标准重新进行定义。
2.超宽带（UWB）技术
超宽带（UWB）是一种基于IEEE 802.15.3的超高速、短距离无线接入技术。它在较宽的频谱上传送极低功率的信号，能在10m左右的范围内实现每秒数百兆比特的数据传输速率，具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能低、保密性好、发送功率小等诸多优势。UWB早在1960年就开始开发，但仅限于军事应用，美国FCC于2002年2月准许该技术进入民用领域，目前已经成为无线个域网领域的热门技术之一。图1-8为一款典型的Freescale UWB芯片组。
3.ZigBee技术
ZigBee是一种新兴的短距离、低功率、低速率无线接入技术。它是基于IEEE 802.15.4研制开发的关于组网、安全和应用软件等方面的技术标准，是IEEE 802.15.4的扩展集，由ZigBee联盟与IEEE 802.15.4工作组共同制定。ZigBee工作在2.4GHz频段，共有27个无线信道，数据传输速率为20～250 kbit/s，传输距离为10～75 m。图1-9为美国Crossbow公司开发的一款基于ZigBee技术的产品。图1-8 FreescaleUWB芯片组图1-9 基于ZigBee的产品MPR2400CA
4.Z-Wave技术
2005年1月，为了开发家庭自动化应用市场，美国芯片和软件开发商Zensys公司与其他60多家厂商在CES（Consumer Electronics Show）大会上宣布成立Z-Wave联盟。该联盟推出了基于射频的，低成本、低功耗、高可靠的，适合于组网的双向无线通信技术，即Z-Wave。Z-Wave的数据传输速率为9.6 kbit/s，信号有效覆盖范围在室内是30m，室外可达100m，适合窄宽带应用场合。相对于现有的各种无线通信技术，Z-Wave技术的功耗和成本较低，主要用于家居、商场里的照明控制、身份识别和小型的工业控制。目前Z-Wave主要专注于家庭自动化领域，力求为用户提供一个更加舒适、方便和更具人性化的智能家居环境。
5.RFID技术
RFID俗称电子标签，是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。RFID由标签、读写器和数据管理系统3个基本要素组成，可被广泛应用于物流业、交通运输、医药、食品等各个领域。然而，由于成本、标准等问题的局限，RFID技术和应用环境还很不成熟。主要表现在：制造技术复杂，生产成本高，标准尚未统一，应用环境和解决方案不够成熟，安全性还需要接受考验。一款典型的RFID读卡器如图1-10所示。图1-10 RFID读写器
6.NFC技术
NFC（Near Field Communication）是由飞利浦、诺基亚和索尼主推的一种由RFID衍生出来的短距离无线通信技术。使用双方只需互相接近，就可以完成信息交换，并访问内容和服务。NFC可以对无线网络进行快速、主动设置，也可以用作虚拟连接器，服务于无线个域网设备。1.4 无线个域网技术标准1.4.1 国际无线个域网标准化组织
目前，IEEE、ITU和HomeRF等组织都致力于WPAN标准的研究，其中IEEE研究的WPAN技术标准主要集中在IEEE 802.15系列，是目前国际上最为权威的无线个域网标准。IEEE 802.15由IEEE 802.15工作组负责制定。IEEE 802.15工作组成立于1998年3月，起初叫无线个人网络（WPAN）研究组，1999年5月变更为IEEE 802.15-WPAN工作组。目前IEEE 802.15工作组下设7个任务组，其组织结构如图1-11所示。图1-11 WPAN标准研究组织构成
TG1任务组负责制定IEEE 802.15.1，处理基于蓝牙v1.x版本的速率为1Mbit/s的WPAN标准。IEEE 802.15.1本质上只是蓝牙底层协议的一个标准化版本，大多数标准制定工作仍由SIG完成，其成果由IEEE批准，IEEE 802.15.1基于蓝牙1.1，目前大多数蓝牙器件中采用的都是这一版本。新的版本IEEE 802.15.1a对应于蓝牙1.2，它包括某些QoS增强功能，并完全后向兼容。
TG2任务组负责制定IEEE 802.15.2，负责建模和处理WPAN与WLAN在公用ISM频段内无线设备的共存问题。
TG3任务组负责制定IEEE 802.15.3，IEEE 802.15.3也称为WiMedia，这个任务组的目标在于开发速率高于20Mbit/s的高速率多媒体和数字图像应用，原始版本规定的速率高达55Mbit/s，采用基于IEEE 802.11但与之不兼容的物理层。为了加强对更高速率的WPAN技术的研究，IEEE 802.15工作组先后成立了IEEE 802.15 TG3a任务组、IEEE 802.15 TG3b任务组和IEEE 802.15 TG3c任务组。目前，多数厂商倾向于IEEE 802.15.3a，它采用超宽带（UWB）的多频段OFDM联盟的物理层，速率高达480Mbit/s。生产802.15.3a产品的厂商成立了WiMedia联盟，其任务是对设备进行测试和贴牌，以保证标准的一致性。
TG4任务组负责制定的IEEE 802.15.4，也称ZigBee技术，主要任务是低功耗、低复杂度、低速率的WPAN标准制定，该标准定位于低数据传输速率的应用。这个任务组研究低于200 kbit/s数据传输率的WPAN应用，先后发展了TG4a、TG4b、TG4c、TG4d、TG4e 5个分支机构。
TG5任务组负责制定IEEE 802.15.5，研究无线网状网（WMN）技术在WPAN中的应用。
TG6任务组主要研究国家医疗管理机构批准的人体内部无线通信技术，目前还处于标准的研究制定阶段。
SGrfid任务组负责研究RFID技术在WPAN中的应用。1.4.2 中国无线个域网标准化组织
随着信息化建设进程的加快，我国的通信技术获得了越来越快的发展，但是，技术标准一直是国产通信产品产业化的“颈瓶”。过去，国家标准大部分是“采标”，即采用国外现成标准；但现在，以企业和研究机构为主体做标准已逐渐成为共识，并得到了国家的肯定和支持。国标委及信息产业部“十一五”规划都明确要求，要大力发展具有自主知识产权技术的标准。
1.无线个域网标准组织的建立
为了促进无线个域网标准的发展，中关村管委会专门设立了专项基金，凡参与制定国际标准或国内先进标准的企业，尤其像中国无线个域网这样能获得国家标准立项的，都将给予相应的资金支持。推行具中国自主知识产权的标准，以自主创新的高新技术维护国家利益和产业利益，保护中国市场，这是中国作为大国可持续发展的需要。
由全国信息技术标准化技术委员会组织成立的中国无线个域网标准项目组现有成员已达30多家，各单位均是自发、自愿参与，项目组成员除中国IT界耳熟能详的大企业外，还包括诸如中国科学院微电子所、软件所、上海微系统所、沈阳自动化所以及北京、上海的多所高校和科研院所。这是中国IT界网聚众多精英、产学研充分联合的一支团队，而英特尔、飞思卡尔等国际企业的积极加入，意味着工作组同时极富国际化、开放性视野和意识。
今天这种大范围的联合和包容，源于两年多时间的积累和蜕变。2005年，工作组刚刚组建的时候，仅有包括威讯紫晶在内的三四家企业参与，但工作组一直努力坚持下来，在制定中国标准的同时，开展基于标准的芯片、软件、系统的研发工作，并争取到国家部委和中关村管委会的支持。随着标准项目组工作的层层推进，人们从最初的冷漠、排斥、质疑、反对，到后来的认同、接纳、积极参与。目前，中国短程无线个域网（C-WPAN）国家标准已经正式立项。C-WPAN工作组不断发展壮大，北京大学、北京航空航天大学、北京邮电大学、中国科学院等机构也加入了该工作组。该工作组非常重视标准的产业化及企业联盟工作，国内几大通信企业，华为科技、清华同方、海思半导体、德赛等纷纷加入。同时，国际上对具有独立自主知识产权的中国国家无线个域网标准和相应芯片研发工作十分关注。其中，IEEE标准化组织为了能与C-WPAN最大程度地合作，特别成了IEEE 802.15.4c工作组。与此同时，ZigBee联盟希望与中国方面在此问题上进行沟通与合作。这表明中国的标准化工作达到了一定的高度，引起世界各国的广泛关注和积极参与。工作组在按时、高质量完成工作的同时不断捕捉新的标准项目，努力建好“第三方标准评检测试试验室”，并与IEEE相关组织保持良好的沟通与合作。
2.标准化促进国内产业联盟的发展
标准背后的最终目标是芯片产业化，而反过来，要想在芯片制造中保持领先，就必须尽早掌握标准甚至引领标准。这也是较早意识到这点的无线个域网工作组成员企业间能形成产业联盟的原因。
这种产业联盟是在合作制订标准的过程中水到渠成形成的。从技术研究到各单位自身定位、在产业链中所处的位置，无论是进行技术研究、芯片研发还是芯片、产品应用，工作组各成员企业都能找准自己的位置，看到将来产业发展起来后自己的利益点所在，在产业化进程中朝着自己的优势方向发展。
同时，政府力促和引导那些真正有能力的企业与中国科学院各研究院所合作，找到企业与科研院所的真正结合点，尽快提高企业的研发能力，增强竞争力。这也是中国无线个域网标准项目组的一个显著特点。参与成员一方面制订标准，一方面深入研究国外芯片技术和系统发展现状以及国内芯片到底该怎么做等产业化应用问题。标准工作组在制定标准的同时，还专门对相应的国际芯片技术进行分析研究，同时成立以无线个域网应用为主的无线传感器网络研讨组，又与中国科学院上海微系统所这些专业进行传感器、微系统研究的机构联合，合作研发芯片应用技术。
在无线个域网标准组成员们看来，这种产学研相结合的新模式已经提升到了较高层次：为了标准和产业化目标的实现，成员单位自发自愿形成联盟，通过相互不断地沟通磨合，每个成员贡献自己的力量；同时以标准为共同遵循的基础和原则实现互联互通，在同一个环境下共同工作，真正做大产业。只有市场和产业发展起来，企业才能得到更大发展。目前标准工作组最大的收获就是形成了一支合作愉快紧密、成效显著的团队，这是促进无线个域网技术标准化进程的坚实基础。
3.标准国际化提升产业国际竞争力
无线个域网标准应用前景广泛，全球市场巨大，国家“十一五”科技规划中重点发展的无线传感器网络、家庭/办公室网络、监视/监测网络均属于无线个域网技术应用领域。中国无线个域网标准的目标除了致力于国家标准制定外，另外一个重要的方向是重视标准在产业界的影响力，争取在国际产业界和国际市场竞争中占有一席之地，因此工作组从最初开始就对国外开放。
2006年7月，在美国圣地亚哥召开的IEEE 802标准会议上，以华为、威讯紫晶为代表的中国企业推动的中国无线个域网技术标准进展情况开始得到IEEE WPAN标准委员会的注意，后者发起成立了IEEE 802.15.4c标准技术研讨组，探讨已有的IEEE 802.15.4-2006与中国无线个域网标准技术合作，并最终使新的IEEE WPAN标准、中国无线个域网标准技术相互兼容的事项。
2007年7月，在美国圣弗朗西斯科召开的IEEE 802.11/15标准全会上，IEEE 802.15.4c标准技术工作组经全体投票委员投票批准正式成立，开始了IEEE 802.15.4c草案的起草工作。这意味着在现有无线个域网标准IEEE 802.15.4-2006的基础上，IEEE 802.15.4c标准草案将融合具有中国自主知识产权技术的中国无线个域网标准。同时，IEEE 802.15核心成员表达了希望将他们的技术方案作为中国标准的一部分的愿望，并提出希望将来能够共同推进ISO/IEC JTC1（ISO、IEC以及ITU是目前国际上三大国际标准组织，第一联合技术委员会JTC1 是ISO/IEC下属组织）中无线个域网国际标准的制定。由此，中国企业在积极制定先进的国家标准的同时，由于很早就和国外产业界沟通，为主导ISO/IEC国际标准的制定打下了很好的基础，有利于提高中国在国际标准制定中的话语权和市场竞争力。
我国频率开放、市场广阔等因素给中国企业提供了发展自主知识产权标准的机遇。本来国外IEEE和ZigBee联盟已有芯片标准，但中国开放的无线电波频段是个全新的频段，这样我们就充分利用机会把自己的标准、频段资源合理地用自主知识技术先保护起来。这是因为，一旦中国对外公布无线电波频段资源，但自己又没有相应标准，IEEE就会相应修改其标准以覆盖中国开放的频段。此前，日本开放的950MHz频段正由于没有推出自己的标准而被IEEE无线个域网标准所采用的技术直接覆盖，这使得日本本土企业发展自己的技术直接受到IEEE标准的牵制，所以中国开放了一个频段，但同时自己也要做标准，按自己的标准技术走；同时借助对国外极富吸引力的中国广阔的市场优势改变国际标准，在国内外两个市场打开合作局面。
由于国际上一些知名企业已经有了芯片等一整套产业化系统，他们对标准和技术的话语权已经非常强势。对企业而言，芯片投资巨大，芯片的研发跟着标准走，标准代表了未来发展方向，一旦更改方向，就涉及以往投资是否有效、现在投资方向更改值不值等问题，意味着对过去的否定及未来的不确定，所以国外企业更希望中国能照搬它们的东西。但是国内企业要赢得发展就必须坚持体现出自己的知识产权来。首先是做，敢于发展自己的工业，展示自己的先进性，形成产业队伍；然后是与外方努力沟通，一家公司再一家公司的说服合作。正是由于自己抢先机大胆做起来，经过努力，中国在技术、标准、产业上有备而来，中国无线个域网标准已经成为一股重要力量，IEEE根本无法忽视其存在，中国芯片虽然还没有完全做出来，但芯片组的验证已证明它在技术理论上是先进的，这也是对方非常认可的。
IEEE标准在全球具有极大的影响力，在ISO/IEC国际标准中也扮演着极为重要的角色，ISO/IEC的多个标准均来自于IEEE。参与IEEE标准的成员，每个都是独立的个体身份，但实际上代表了个体背后的企业或组织。我国作为IEEE成员也有相应的代表，华为、威讯紫晶、联想、清华同方等企业，一方面作为中国无线个域网标准工作组的核心成员，致力于我国无线个域网国家标准的制订；另一方面，正在积极参与与国外产业界的沟通，讨论IEEE 802.15.4-2006与中国无线个域网标准的互换融合、市场相互开放等问题，共同推进ISO/IEC国际标准的制定。
中国无线个域网标准，不仅仅只是针对ZigBee低速率无线标准芯片，还包括支持UWB超宽带、高速数据传输的支持芯片。实际上中国无线个域网标准的制订过程在信息技术领域具有代表性。一个标准推动一类芯片、创新的芯片又推动一个产业，国内标准与国外标准相互推动，在制订国家标准的同时，核心企业和国外产业界尽早沟通，共同推动国际标准，把中国标准与国际标准相结合发展起来。在IEEE 802.15.4c标准工作取得重大进展的鼓舞下，威讯紫晶与海思和日本三菱（美国）通信公司合作联合倡导成立了IEEE 802.15.4e研讨组，讨论解决目前无线个域网标准在工业及其通信网使用中介质传输层的技术问题，以期最终推出新的IEEE 802.15.4e标准以适应中国无线个域网技术的发展和政策的变化。1.4.3 无线个域网标准进展
1.IEEE 802.15.1
IEEE 802.15.1标准是由IEEE与蓝牙特别兴趣小组（SIG）合作共同完成的。源于蓝牙v1.1版的IEEE 802.15.1标准已于2002年4月15日由IEEE-SA的标准部门批准成为一个正式标准，它可以同蓝牙v1.1完全兼容。IEEE 802.15.1是用于无线个人网络（WPAN）的和物理层规范。标准的目标在于在个人操作空间（POS）内进行无线通信。与蓝牙规范相比，IEEE 802.15.1在定义协议内容之前专门增加了一个独立的章节对WPAN的技术和网络体系结构进行介绍，重点在IEEE 802.15.1的物理层（PHY）和数据链路层的无线媒体接入控制（MAC）子层，主要描述了蓝牙WPAN的网络拓扑结构、WPAN与WLAN的区别、蓝牙协议栈的组成以及它们与OSI七层的对应关系等。
IEEE 802.15.1描述了在WPAN中的设备操作所要求的功能和服务，以及支持ACL和SCO链路交换服务的MAC过程。IEEE 802.15.1的主要工作在物理层和MAC层，对应于ISO OSI参考模型的物理层和数据链路层，它确定了蓝牙无线技术的低层传输层（L2CAP、LMP、基带和无线接口），为便携个人设备在短距离内提供一种简单、低功耗的无线连接，支持设备之间或在个人操作空间中的互操作。它所支持的设备包括计算机、打印机、数码相机、扬声器、耳机、传感器、显示器、传呼机和移动电话等。
IEEE 802.15.1所描述的蓝牙规范的低层（MAC层或物理层）包括以下内容。
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