【无线网络技术】——无线个域网（学习笔记）

前言：手机、PC机、电视等消费类产品非常普及，人们希望有一种短距离、低成本、小功耗的无线通信方式，实现不同功能单一设备的互联，提供小范围内设备的自组网机制，并通过一定的安全接口完成自组小网与广域大网的互通。 无线个人区域网(Wireless Personal Area Network，WPAN，简称无线个域网)技术就是一种满足上述应用需求的小范围无线连接、微小网自主组网的通信技术。

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1. 基本概念

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是一种与无线广域网(WWAN)、无线城域网(WMAN)、无线局域网(WLAN)并列但覆盖范围更小的无线网络，对应关系如下图

WPAN的主要优点：价格便宜、体积小、易操作和功耗低等优点
主要特点：
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，与外部因特网或者广域网的连接
④典型的对等式拓扑结构
⑤中等用户密度

按传输速率分为低速、高速和超高速三类

2. IEEE 802.15标准

无线个域网技术：蓝牙（Blue Tooth) 、IrDA（红外）、HomeRF 、UWB、Zigbee

IEEE 802.15工作组是IEEE针对无线个人区域网(WPAN)而成立的，开发有关短距离范围的WPAN标准。

主要用于小范围内设备以自组网的方式进行无线互联

802.15子工作组	工作内容	802.15子工作组	工作内容
802.15.1	蓝牙1.x版	802.15.8	邻居对等意识
802.15.2	WLAN与WPAN共存	802.15.9	安全密钥管理
802.15.3	高速数据率	802.15.10	第2层路由
802.15.3a	超宽带(UWB)	Sgrfid	RFID的应用
802.15.4	低数据速率及ZigBee	Sgsru	频谱资源使用
802.15.5	网状网络(Mesh)	SGthz	T赫兹
802.15.6	医疗用无线体域网	Igdep	增强可靠性
802.15.7	可见光通信

802.22 利用已有频段，在不影响原有频段的情况下，利用频段空闲进行通信，又被称为无线地域网（Wireless Regional Area Networks）

3. IrDA（红外）技术

• 利用红外线进行通信，采用异步，半双工的通信方式，最高通信速率115.2kbps和4Mbps，主要优点是无需申请频率使用权，通信成本低廉。
• IrDA(红外)技术具有体积小、功耗低、连接方便、简单易用等特点。

异步通信：是一种很常用的通信方式，异步通信在发送字符时，其时隙可以是任意的，所有接收端必须时刻做好接收的准备。在每一个字符的开始和结束的地方加上标志，即加上开始位和停止位，以便使接收端能够正确地将每一个字符接收下来。 
异步通信的好处是通信设备简单、便宜，缺点信道利用率较低（因为开始位和停止位的开销所占比例较大）。异步通信也可以是以帧作为发送单位。

4. UWB（超宽带）技术

• 超宽带(Ultra Wide Band，UWB) 基于IEEE 802.15.3的超高速、短距离无线接入技术。
• 在较宽频谱上传输极低功率信号，通信范围在10米范围内，能实现每秒数百兆位的数据传输率，具有抗干扰性强、传输速率高、带宽大、消耗电能低、保密性好等优势。

• 工作频率：3.1~10.6GHz
• 脉冲时间段0.2~1.5ns
• 功率低、辐射小、电池寿命长
• IEEE从2003年开始对UWB的技术方案进行标准化

5. 蓝牙技术

提出的目的：使各种设备在没有电缆的情况下，能在近距离范围内进行互联和互操作

• 早期版本中，蓝牙技术主要用于短距离(<10m)无线通信。2014年发布4.2版，其传输距离最高100m。2016年发布5.0版，传输距离可达300m。
• 蓝牙工作于2.4GHz频段，早期版本数据速率为1Mbps，4.2版本达25Mbps，5.0版本达50Mbps。同时支持低功耗。
• 主要应用场景包括：音视频控制信号传输、打印机控制和传输、无绳电话、拨号网络配置、传真配置、文件传输、视频和音频流分发、车内免提电话、无线键盘和鼠标、无线个域网等。

2.4G鼠标与蓝牙鼠标

• 2.4G价格相对较低，但需要USB接收器，比蓝牙更节能。

蓝牙技术优点：

• 可以随时随地用无线接口代替有线电缆连接；
• 具有很强的移植性，可应用于多种通信场合，如WAP、GSM(全球移动通信系统)、DECT(欧规数字无绳通信)等，引入身份识别后可以灵活地实现漫游；
• 低功耗，对人体伤害小；
• 蓝牙集成电路简单，成本低廉，实现容易，易于推广。

5.1 蓝牙耳机

蓝牙耳机的规格：HSP、HFP、A2DP

• HeadsetPro-file（HSP）提供手机、平板电脑等与耳机之间通信所需的基本功能。
• HSPHandfreeProfile（HFP）：在 HSP的基础上增加了某些扩展功能，支持功能比较完整，消费者可以在耳机上操作手机设定好的重拨、来电保留、来电拒听等免提选项功能。
• A2DP（高级音频传送规格）：允许传输立体声音频信号。可听歌、视频、微信、QQ、钉钉语音等

蓝牙耳机的传输距离取决于使用的蓝牙技术PowerClass。其中PowerClass2(4dBm)传输距离10米；而升级的PowerClass1(20dBm)为100米。

5.2 蓝牙标准文档构成

• 核心规范(core specifications):描述了从无线电接口到链路控制的不同层次蓝牙协议体系结构的细节。
• 概要规范(profile specifications):考虑使用蓝牙技术支持不同的应用。每个概要规范讨论在核心规范中定义的技术，以实现特定的应用模型(Usage Model)。

5.3 蓝牙协议体系结构

• 无线电(radio)：确定包括频率、跳频的使用、调制模式和传输功率在内的空中接口细节。
• 基带(baseband)：考虑一个微微网中的连接建立、寻址、分组格式、计时和功率控制。
• 链路管理器协议(link manager protocol，LMP)：负责在蓝牙设备和正在运行的链路管理之间建立链路。包括诸如认证、加密及基带分组大小的控制和协商等安全因素。
• 逻辑链路控制和自适应协议(logical link control and adaptation protocol，L2CAP)：使高层协议适应基带层。L2CAP提供无连接和面向连接服务。
• 服务发现协议(service discovery protocol，SDP)：询问设备信息、服务与服务特征，使得在两个或多个蓝牙设备间建立连接成为可能。

5.4 应用模型

大量应用模型定义在蓝牙的概要规范文档中。本质上，一个应用模型是一套实施特定的基于蓝牙的应用的协议。每个概要文件定义了支持一特定应用模型的协议和协议特性。

5.5 蓝牙规范

拓 扑	一个逻辑的星形结构中，高达7条并行链路
调制	GFSK
数据速率的峰值/Mb/s	1
RF带宽	220kHz(-3dB)，1MHz(-20dB)
RF波段	2.4GHz,ISM波段
RF载波	23/79
载波的间隔/MHz	l
传输功率/W	0.1
微微网的接入	FH-TDD-TDMA
频跳率/跳/s	1600
分布式网络的接入	FH-CDMA

对于发射功率的规范

• 1类：功率控制强制，范围1mW~100mW
• 2类：功率控制可选，范围0.25mW~24mW
• 3类：最小功率，1mW

蓝牙物理层：

• 分组格式
  

• 纠错

  • 1/3比例的FEC或2/3比例的FEC + ARQ

• 数据加密

  • 蓝牙在物理层实现了数据加密

蓝牙基带层定义的蓝牙设备的状态有：激活、呼吸、保持、休眠

5.6 微微网和散布式网络（网络模式）

• 蓝牙中的基本联网单元是一个微微网，它由一台主设备和1~7台活跃的从设备组成。
• 一个微微网中的设备也可作为另一个微微网的一部分存在，并在每个微微网中，起从设备或主设备功能，这种形式的重叠被称为散布式网络(scatternet)。

蓝牙网络的组成及拓扑结构：

• 255个非活跃Parked：频率保持一致，但未分配地址
• 不限数量的Standby：未连接，但每隔1.28秒周期性地"监听"信息

Parked: 如果某个节点收发完数据，暂时没有任务就进入停止等待状态。该状态下的节点不算活跃节点，不占用8个活跃节点的数目限制。可以随时唤醒继续进行数据发送。

5.7 蓝牙安全

四种安全模式：

• 模式1-无安全机制：V 2.0 和更早的设备支持该模式
• 模式2-服务级安全：鉴权和加密的机制是在 LMP层完成。 V2.1 以后的版本存在二级安全模式只是为了向前兼容以前版本设备
• 模式3-链路级安全：在物理链路连接完全建立之前，进行安全验证，一旦通过验证，一般不再进行服务级别授权
• 模式4-使用了安全简单配对策略(Secure Simple Pairing，SSP)
  • Numeric Comparison：配对设备都支持输出
  • Passkey Entry：配对设备一个支持输入，一个支持输出
  • Just Works：配对设备，其中一个既不支持输出，也不支持输入
  • Out of Band：配对设备通过其它通道来传递密钥

设备安全等级：

• 可信任设备：通过了认证，存储了链路密钥，并且被标记为可信任的设备
• 不可信任设备：通过了认证，存储了链路密钥，但没有被标记为可信任的设备
• 未知设备：没有相关的安全信息

服务安全保障机制：

• 需授权服务：只允许经过授权的设备访问
• 需认证（鉴权）服务：要求使用服务前必须通过认证
• 需加密服务：在使用设备前链路必须改为加密模式

蓝牙密钥生成、认证及数据加解过程：
K_init由设备B地址BD_ADDR、PIN码、PIN码长度及随机数IN_RAND由E₂₂算法计算得到

K_A K_B由设备A和设备B产生的随机数RAND_A和RAND_B和Kinit及设备蓝牙地址经E₂₁算法计算得到

• 设备B即申请连接设备
• IN_RAND由主设备发给从设备

蓝牙配对认证浅析

6. ZigBee技术

• 2000年12月，IEEE成立了802.15.4工作组,致力于定义一种供廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。
• ZigBee是这种技术的商业化命名，名称来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过ZigBee形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息
• 在标准化方面，IEEE802.15.4工作组主要负责指定物理层和MAC层的协议，ZigBee联盟负责高层应用、测试和市场推广等方面的工作。

	ZigBee	Bluetooth
设备功耗	低功耗，远远蓝牙功耗	比较高
网络节点	65535个	7个
传输距离	1-100m	1-10m
设备成本	低成本，高可靠	成本高
应用范围	采集、控制数据传输	语音、图像传输
传输速度	100Kbps	1Mbps

6.1 ZigBee的特点

• 优点：低功耗、低成本、短时延、高容量、高安全、免执照频段、低复杂度
• 缺点：低速率、近距离

• ZigBee与802.15.4在802.15.4基础上扩展了网络层和应用层
• ZStack：符合ZigBee2006规范的协议栈（对ZigBee的实现）
• ZigBee与物联网：无线传感器网络

6.2 ZigBee的物理信道

ZigBee 在 2.4G 的频段上具有 16 个信道（每个信道带宽2MHz），从 2.405GHz ~2.480GHz 间分布，信道间隔是 5MHz，具有很强的信道抗串扰能力

6.3 ZigBee网络的结构

ZigBee网络组成

• 网络协调器也就是网络的中心节点
• 全功能设备（FFD， Full Function Device）也就是网络中的路由或中继
• 精简功能设备（RFD，Refined Function Device）也就是网络中的终端节点

6.4 ZigBee中的路由协议

• 响应式路由、按需路由
• AODVjr (Ad Hoc On-demand Distance Vector Routing Junior)
• 延时大、灵活性好

混合式路由

• 区域内采用按需方式建立路由
• 区域外采用表驱动方式建立路由
• 区域半径的选择？

6.5 ZigBee协议架构

6.5 ZigBee安全

• 加密算法：AES-128
• 加密算法工作模式：数据加密Counter模式，完整性认证使用Cipher Block Chaining模式
• 密钥分类
  • 主密钥：用于生成其它密钥
  • 链路密钥：点对点（两两通信）使用
  • 网络密钥：广播、组播使用
• 安全模式
  • 标准模式
  • 高安全模式

7. NFC（近场通信）技术

• 近场通信（Near Field Communication，NFC）是一种短距高频的无线电技术，在13.56MHz频率运行于4厘米距离内。
• 由RFID演变而来，基础是RFID及互连技术。传输速度有106kbps、212kbps或者424kbps三种。
• 近场通信已成为ISO/IEC IS 18092国际标准、EMCA-340标准与ETSI TS 102 190标准。

三种工作模式

• 读卡器模式（Reader/writer mode）
• 仿真卡模式（Card emulation）
• 点对点模式（P2P mode）

应用案例

• 场景1：需要实体公交卡
• 场景2：需要虚拟公交卡
• 场景3：需要支持NFC的SIM卡

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作者：HinsCoder
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