物联网通信技术原理第3章 近距离无线通信技术

目录

3.1 蓝牙技术

3.1.2 蓝牙协议体系结构（理解）

1. 物理硬件部分         

2. 核心协议

3. 应用层协议

3.1.3 蓝牙关键技术（掌握特点）

1. 无线频段的选择和抗干扰     

2. 多址接入体系和调制方式         

3. 媒体接入控制(MAC)         

4. 基于包的通信         

5. 以物理连接类型建立连接         

6. 纠错         

7. 功率管理         

8. 微微网间通信         

3.2 ZigBee 技术

3.2.1 ZigBee 技术特点（掌握）

(1)低功耗

(2)传输可靠，抗干扰强

(3)低成本

(4)安全

(5)速度快，距离远

3.2.2 ZigBee网络的组成（理解）

1. ZigBee网络的设备类型         

2.ZigBee网络的拓扑结构

3.2.3 ZigBee网络的协议栈框架结构（理解）

1. ZigBee网络的协议栈概述         

 2. 物理层协议规范         

3. 媒体接入层协议规范         

4. 网络层协议规范         

5. 安全层协议规范       

6. 应用层协议规范   

3.2.4 ZigBee网络的路由协议（理解）

1. ZigBee网络的路由协议概述         

2. ZigBee路由过程         

3. ZigBee路由的数据结构

3. ZigBee路由发现过程

3.3 超宽带技术

3.3.2 UWB的实现方式（理解原理）

1. 脉冲无线电         

2. 单载波方式         

3. 多带载波方式         

3.4 射频设别技术

3.4.2 RFID通信的物理学原理（了解）

3.6 NFC近距离无线通信技术

3.6.3 技术原理（了解）

1. 两种工作模式

2. NFC与RFID区别

3. NFC、蓝牙、红外对比表

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3.1 蓝牙技术

3.1.2 蓝牙协议体系结构（理解）

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。

1. 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。

2. 核心协议

（1）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；

（2）用于链路的建立、安全和控制的链路管理器协议LMP（Link Manager Protocol ）；

LMP 链路管理协议，用于链接设置和控制。 LMP协议数据单元（PDU）信号是通过接收方的链路管理器（Link Manager）进行解释和过滤的，并不传送到高层。

（3）描述主机控制器接口的HCI协议；

主机控制接口(HCI)是主机与控制器之间的接口，为二者规定了一种标准的通信机制。 它允许主机将命令和数据发送到控制器，并允许控制器将事件和数据发送到主机。主机控制接口提供了基带控制器和链路管理器的命令接口，以及对硬件配置参数的访问接口。 主机控制接口(HCI)并不是协议栈的一部分，但是它提供访问蓝牙硬件能力的统一接口方法。HCI固件通过访问基带命令、链路管理命令、硬件状况注册、控制注册和事件注册为蓝牙硬件实现HCI命令。

（4）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；

 L2CAP英文名Logical Link Control and Adaptation Protocol也称为逻辑链路控制和适配协议，是蓝牙系统中的核心协议，负责适配基带中的上层协议。 L2CAP同链路管理器并行工作，向上层协议提供定向连接的和无连接的数据业务。这个上层具有L2CAP的分割和重组功能，使更高层次的协议和应用能够以64KB的长度发送和接收数据包。 L2CAP还能够处理协议的多路复用，以提供多种连接和多个连接类型（通过一个空中接口），同时提供服务质量支持和成组通讯。

（5）发现蓝牙设备提供服务的协议SDP等。        

查询到设备和服务类型，是建立连接的基础。

3. 应用层协议

1）电缆替代协议(RFCOMM)

RFCOMM是为了兼容传统的串口应用，同时取代有线的通信方式，蓝牙协议栈需要提供与有线串口一致的通信接口而开发出的协议。

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/IP

3.1.3 蓝牙关键技术（掌握特点）

1. 无线频段的选择和抗干扰     

蓝牙技术采用2 400～2 483.5 MHz的ISM(工业、科学和医学)频段，这是因为：

①该频段内没有其他系统的信号干扰，同时频段向公众开放，无须特许；

②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。         

避免干扰：降低各通信单元的信号发射电平         

抑制干扰：编码或直接序列扩频

2. 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. 媒体接入控制(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。

4. 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。

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。

5. 以物理连接类型建立连接         

蓝牙技术支持同步业务(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连接未用的所有空余时隙，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。

6. 纠错         

蓝牙系统的纠错机制分为FEC和包重发。FEC支持1/3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，也用于SCO连接包负载。  

2/3速率码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(接收数据)和TX（发送数据）间的有限处理时间非常重要。

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ARQ、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。

7. 功率管理         

在蓝牙系统的设计中，需要特别注意减少电流消耗。         

在空闲模式下，在T从1.28～3.84 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。

8. 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 ZigBee 技术

ZigBee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。

ZigBee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。

Zigbee过去又称为“HomeRF Lite”和“FireFly”技术, 目前统一称为Zigbee技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。

Zigbee这个名字的灵感来源于蜂群的交流方式：蜜蜂通过Z字形飞行来通知发现的食物的位置、距离和方向等信息。Zigbee联盟便以此作为这个新一代无线通信技术的名称。

3.2.1 ZigBee 技术特点（掌握）

ZigBee是一种开放的协议，物理层(PHY)和MAC层采用了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1.5～2.5美元。

(4)安全

ZigBee技术提供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565～915 MHz物理层，其速度为250 kbit/s和20～40 kit/s，传输距离可以达到30～70 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（理解）

1. ZigBee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(FFD)和简化功能设备(Reduced Function Device)。表3-1给出了这两种物理设备的功能描述。

 在ZigBee网络中，每一个结点都具备一个无线电收发器、一个小的微控制器和一个能源。

一个网络需要一个网络协调者，其他终端设备如RFD（简化功能设备），或FFD（全功能设备）。

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。

2.ZigBee网络的拓扑结构

1) 星型结构         

星型网络是由一个ZigBee协调器和一个或多个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。

 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) 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（理解）

1. ZigBee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。

 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。

 2. 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：

地      区	工作频率/MHz	信号调制方式	传输速率/kbit/s
欧洲地区	868～868.6	BPSK	20
北美地区	902～928	BPSK	40
全球范围	2400～2483.5	O-QPSK	250

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。

信道编号	中心频率/MHz	信道间隔/MHz	频率上限/MHz	频率下限/MHz
K=0	868.3		868.6	868.0
K=1，2……，10	906+2（K-1）	2	928.0	902.0
K=11，12……，26	2405+5（K-11）	5	2483.5	2400.0

3. 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：

(1)网络协调器产生网络信标；

(2)与信标同步；  

(3)支持个域网(PAN)链路的建立和断开；  

(4)为设备的安全提供支持；

(5)信道接入方式采用避免冲突载波侦听多路访问(CSMA/CA)；  

(6)处理和维护保护时隙(GTS)机制；  

(7)在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路。

信标： ZigBee网络的工作模式可以分为信标（Beaeon）和非信标（Non-beaeon）两种模式。信标模式实现了网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达到最大限度的功耗节省，而非信标模式则只允许终端设备进行周期性休眠，协调器和所有路由器 设备必须长期处于工作状态。

信标模式下，协调器负责以一定的间隔时间（一般在15ms-4mins 之间）向网络广播信标帧，两个信标帧发送间隔之间有16 个相同的时槽，这些时槽分为网络休眠区和网络活动区两个部分，消息只能在网络活动区的各时槽内发送。

非信标模式下，ZigBee 标准采用父节点为终端设备子节点缓存数据，终端设备主动向其父节点提取数据的机制，实现终端设备的周期性（周期可设臵）休眠。网络中所有父节点需为自己的终端设备子节点缓存数据帧，所有终端设备子节点的大多数时间都处于休眠模式，周期性的醒来与父节点握手以确认自己仍处于网络中，其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要15ms。

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。

 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CSMA/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。

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、设备的状态设置和启动、网络同步等。

4. 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。

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。

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。

5. 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。

6. 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1～240。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：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（理解）

1. ZigBee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。

2. ZigBee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，数据帧将沿着树状路径路由（扩散）。

3. ZigBee路由的数据结构

（1）节点存储的数据结构

路由表存储路由信息(协调器节点和路由器节点)  

路由发现表存储临时路由信息(协调器节点和路由器节点)  

邻居表存储物理范围内可直接通讯的周边节点信息（所有节点）

 （2）节点交互的分组结构

路由请求分组 、路由应答分组 、路由错误分组（转发失败时发送）

（3） 路由建立的三个步骤

路由发现、反向路由建立、正向路由建立

（4）路由发现过程

对于一个具有路由能力的节点，当接收到一个从网络层的更高层发出的发送数据帧的请求，且路由表中没有和目的节点对应的条目（没有路牌）时，它就会发起路由发现（去发现新的路由，探路）过程。源节点首先创建一个路由请求分组(RREQ)，向周围节点（每个结点都知道自己的邻居是谁）进行广播。

如果一个节点发起了路由发现过程，它就应该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。任何一个节点都可能从不同的邻居节点处接收到广播的RREQ。接收到后节点将进行如下分析：    

1)如果是第一次接收到这个RREQ消息，且消息的目的地址不是自己，则节点会保留这个RREQ分组的信息用于建立反向路径，然后将这个RREQ消息广播出去。    

2)如果之前已经接受过这个RREQ消息，表明这是由于网络内多个节点频繁广播产生的多余消息，对路由建立过程没有任何作用，则节点将丢弃这个消息。

（5）反向路由建立过程

当RREQ消息从一个源节点转发到不同的目的地时，沿途所经过的节点都要自动建立到源节点的反向路由。也就是记录当前接收到的RREQ消息是由哪一个节点转发而来的的。通过记录收到的第一个RREQ消息（最快）的邻居地址来建立反向路由，这些反向路由将会维持一定时间，该段时间足够RREQ消息在网内转发以及产生的RREP消息返回源节点。

当RREQ消息最终到达了目的节点，节点验证RREQ中的目的地址为自己的地址之后，目的节点就会产生RREP消息，作为一个对RREQ消息的应答。由于之前已经建立了明确的反向路由，因此RREP无需广播，只需按照反向路由的指导，采取单播的方式即可把RREP消息传送给源节点。

（6）正向路由建立过程

在RREP以单播方式转发回源节点的过程中，沿着这条路径上的每一个节点都会根据PREP的指导建立到目的节点的路由，也就是说确定到目的地址节点的下一跳。方法就是记录RREP是从哪一个节点传播而来，然后将该邻居节点写入路由表中的路由表项。一直到RREP传送到源节点。

至此．一次路由建立过程完毕。源节点与目标节点之间可以开始数据传输。

AODV （Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing）是按照需求驱动的、使用RREQ．RREP控制实现的、先广播，后单播的路由的路由建立过程。

3. ZigBee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。

3.3 超宽带技术

3.3.2 UWB的实现方式（理解原理）

UWB通信系统的主要实现方式：基带脉冲方式和载波调制方式。

1. 脉冲无线电         

脉冲无线电技术(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。

2. 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。

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3.1～5.15 GHz和高频段5. 825～10.6 GHz。UWB信号可以通过对载波的调制，在这两个频段之一传输，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. 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。

比 较 项 目	IR-UWB	DS-CDMA	MB-OFDM
是否有载波调制	否	是	是
相对复杂度	低	高	高
相对功耗	低	高	高
是否满足FCC规定	是	是	是
频谱利用率	较低	一般	高
定位精度	高	较高	一般

3.4 射频设别技术

3.4.2 RFID通信的物理学原理（了解）

RFID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，送至中央信息系统进行有关数据处理。

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。

3.6 NFC近距离无线通信技术

3.6.3 技术原理（了解）

1. 两种工作模式

支持NFC的设备可以在主动或被动模式下交换数据。

在被动模式下，启动NFC通信的设备，也称为NFC发起设备(主设备)，在整个通信过程中提供射频场)。它可以选择106kbps、212kbps或424kbps其中一种传输速度，将数据发送到另一台设备。

另一台设备称为NFC目标设备(从设备)，不必产生射频场，而使用负载调制(load modulation)技术，即可以相同的速度将数据传回发起设备。 

2. NFC与RFID区别

NFC将非接触读卡器、非接触卡和点对点功能整合进一块单芯片，而RFID必须有阅读器和标签组成。 NFC传输范围比RFID小 。 应用方向不同 。

3. NFC、蓝牙、红外对比表

	NFC	蓝牙	红外
网络类型	点对点	单点对多点	点对点
使用距离	≤0.1m	≤10m	≤1m
速度	106、212、424、868、721、115Kbps	2.1Mbps	~1.0Mbps
建立时间	< 0.1s	6s	0.5s
安全性	具备， 硬件实现	具备，软件实现	不具备， 使用IRFM 时除外