【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 服務(wù)和物理層管理服務(wù)。 物理層功能包括無(wú)線收發(fā)信機(jī)的開啟和關(guān)閉、能量檢測(cè)（ ED）鏈路質(zhì)量指示（ LQI）、信道評(píng)估（ CCA）和通過(guò)物理媒體收發(fā)數(shù)據(jù)包。 圖 49 IEEE 如圖 49所示， IEEE 兩種不同工作頻段的物理層： 868/915MHz 和 2450MHz。 表 41給出了各國(guó)對(duì) ZigBee頻率工作范圍的劃分。 工作頻率范圍/MHz 頻 段 類 型 國(guó)家和地區(qū) 868～ ISM 歐洲 902～ 928 ISM 北美 2400～ ISM 全球 表 41 各個(gè)國(guó)家和地區(qū) ZigBee頻率工作范圍 由于各個(gè)國(guó)家和地區(qū)采用的工作頻率范圍不同，為了提高數(shù)據(jù)傳輸速率， IEEE ，規(guī)定了不同的調(diào)制方式。具體的內(nèi)容如表 42所示。 表 42 各個(gè)國(guó)家和地區(qū) ZigBee頻率工作范圍 頻段（ MHz） 擴(kuò) 展 參 數(shù) 數(shù) 據(jù) 參 數(shù) 碼片速率 （ kchip/s） 調(diào) 制 比特速率 （ kbit/s） 符號(hào)速率 （ kBaud/s） 符 號(hào) 868～ 300 BPSK 20 20 二進(jìn)制 902～ 928 600 BPSK 40 40 二進(jìn)制 2400～ 2023 OQPSK 250 16相正交 （ 4） ZigBee的上層協(xié)議 應(yīng)用層包括 3個(gè)組成部分： 應(yīng)用支持子層（ APS） 應(yīng)用框架 ZigBee設(shè)備對(duì)象（ ZDO） ZigBee中定義了 3種密鑰： 網(wǎng)絡(luò)密鑰 用在數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層中。 鏈路密鑰 應(yīng)用在應(yīng)用層。 主密鑰 應(yīng)用在應(yīng)用層。 3． ZigBee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用 （ 1）家庭自動(dòng)化 圖 410 ZigBee在家庭自動(dòng)化中的應(yīng)用 （ 2）無(wú)線定位 圖 411 ZigBee在無(wú)線定位中的應(yīng)用 （ 3）工業(yè)領(lǐng)域 圖 412 ZigBee在智能能源中的應(yīng)用 Bluetooth 1． Bluetooth的來(lái)源與特點(diǎn) 愛立信、 IBM、 Intel、 Nokia和東芝五家公司于 1998年 5月聯(lián)合成立了 Bluetooth（藍(lán)牙）特別興趣小組（ Bluetooth Special Interest Group， BSIG），并制訂了短距離無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) — 藍(lán)牙技術(shù)。 所謂藍(lán)牙（ Bluetooth）技術(shù)，實(shí)際上 是一種短距離無(wú)線電技術(shù)。 藍(lán)牙技術(shù)利用短距離、低成本的無(wú)線 連接替代了電纜連接，從而為現(xiàn)存的數(shù)據(jù) 網(wǎng)絡(luò)和小型的外圍設(shè)備提供了統(tǒng)一的連接 。 Bluetooth的主要技術(shù)特點(diǎn)： （ 1）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 藍(lán)牙技術(shù)支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的話音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) ， 采用一種靈活的無(wú)基站的組網(wǎng)方式，如圖 413和圖 414所示。 圖 413 多個(gè) 藍(lán)牙設(shè)備組成的微微網(wǎng) 圖 414 多個(gè)微微網(wǎng)組成的散射網(wǎng) （ 2）系統(tǒng)組成 藍(lán)牙系統(tǒng)一般由天線單元、鏈路控制 （硬件）、鏈路管理（軟件）和藍(lán)牙軟件 （協(xié)議）等 4個(gè)功能模塊組成。 如圖 415所示： 圖 415 藍(lán)牙系統(tǒng)的組成 天線部分體積小巧，屬于微帶天線。 鏈路控制器（ LC）的單元包括 3個(gè)集成芯 片：連接控制器、基帶處理器以及射頻傳 輸 /接收器，此外，還使用了單獨(dú)調(diào)諧元件 。 鏈路管理（ LM）提供的服務(wù)有： 發(fā)送和接收數(shù)據(jù)、請(qǐng)求名稱、鏈路地址查 詢、建立連接、鑒權(quán)、鏈路模式協(xié)商和建 立、決定幀的類型等。 （ 3）射頻特性 藍(lán)牙設(shè)備的工作頻段選在全球通用的 ISM（工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段 。頻道采用 23個(gè)或 79個(gè)，頻道間隔均為 1MHz。 采用時(shí)分雙工方式。 藍(lán)牙的無(wú)線發(fā)射機(jī)采用 FM調(diào)制方式， 從而能降低設(shè)備的復(fù)雜性。 最大發(fā)射功率分為 3個(gè)等級(jí)， 100mW（ 20dBm）， （ 4dBm）， 1mW（ 0dBm），藍(lán)牙設(shè)備之間的有效通信距 離大約為 10～ 100m。 （ 4）跳頻技術(shù) 跳頻是指在接收或發(fā)送一分組數(shù)據(jù)后，即跳至另一頻點(diǎn)。 （ 5） TDMA結(jié)構(gòu) 藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸率為 1Mbit/s，采用數(shù) 據(jù)包的形式按時(shí)隙傳送，每時(shí)隙 。 藍(lán)牙系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)的同步定向聯(lián)接和 非實(shí)時(shí)的異步不定向聯(lián)接，分別為 SCO鏈 路和 ACL鏈路。 前者主要傳送話音等實(shí)時(shí)性強(qiáng)的信息 ，后者則以數(shù)據(jù)為主。 （ 6）軟件的層次結(jié)構(gòu) 底層為各類應(yīng)用所通用，高層則視具體應(yīng)用而有所不同。 （ 7）糾錯(cuò)技術(shù) 藍(lán)牙系統(tǒng)的糾錯(cuò)機(jī)制分為前向糾錯(cuò)編碼（ FEC）和包重發(fā)（ ARQ），支持 1/3率和 2/3率 FEC編碼。 （ 8）編碼安全 藍(lán)牙技術(shù)在物理層、鏈路層、業(yè)務(wù)層3個(gè)層次上提供安全措施，充分保證通信的保密性。藍(lán)牙規(guī)范公布的主要技術(shù)指標(biāo)和系統(tǒng)參數(shù)如表 43所示。 指 標(biāo) 類 型 系 統(tǒng) 參 數(shù) 工作頻段 ISM頻段， ～ 雙工方式 全雙工， TDD時(shí)分雙工 業(yè)務(wù)類型 支持電路交換和分組交換業(yè)務(wù) 數(shù)據(jù)速率 異步信道速率 同步信道速率 1Mbit/s 非對(duì)稱連接為 721kbit/s、 ，對(duì)稱連接為 ，+EDR規(guī)范支持更高的速率 64kbit/s， +EDR規(guī)范支持更高的速率 功率 美國(guó) FCC要求小于 0dBm（ 1mW），其他國(guó)家可擴(kuò)展為 100mW 跳頻頻率數(shù) 79個(gè)頻點(diǎn) /MHz 跳頻速率 1600跳 /秒 工作模式 PARK/HOLD/SNIFF 數(shù)據(jù)連接方式 面向連接業(yè)務(wù)（ SCO），無(wú)連接業(yè)務(wù)（ ACL） 糾錯(cuò)方式 1/3 FEC、 2/3 FEC、 ARQ等 信道加密 采用 0位、 40位和 60位密鑰 發(fā)射距離 一般可達(dá) 10cm～ 10m，增加功率的情況下可達(dá) 100m 表 43 主要技術(shù)指標(biāo)和系統(tǒng)參數(shù) 2． Bluetooth協(xié)議體系結(jié)構(gòu) 圖 416 藍(lán)牙協(xié)議棧 藍(lán)牙的協(xié)議體系分為四層：核心協(xié)議層、替代電纜協(xié)議層、電話控制協(xié)議層和可選協(xié)議。 除了以上這些協(xié)議，在基帶控制器、鏈路控制器以及訪問(wèn)硬件狀態(tài)和控制寄存器等提供主機(jī)控制器命令接口。 藍(lán)牙核心協(xié)議由 SIG制定的藍(lán)牙指定協(xié)議組成，而其他協(xié)議則根據(jù)應(yīng)用的需要而定。因此，下面主要介紹藍(lán)牙核心協(xié)議。 （ 1）基帶協(xié)議：基帶協(xié)議為兩個(gè)或多個(gè) 藍(lán)牙單元之間建立物理射頻連接。 （ 2）鏈路管理協(xié)議（ LMP）：鏈路管 理協(xié)議管理基帶層內(nèi)主從網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，負(fù) 責(zé)兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備之間的鏈路設(shè)置和控制 ，包括傳遞驗(yàn)證和加密，管理鏈路密鑰。 （ 3）邏輯鏈路控制和適配協(xié)議（L2CAP）：位于基帶協(xié)議之上，為低層的數(shù)據(jù)服務(wù)，向上層提供面向連接和無(wú)連接的數(shù)據(jù)服務(wù)。 （ 4）服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議（ SDP）：使用 SDP，可以查詢到設(shè)備和服務(wù)類型，從而 在藍(lán)牙設(shè)備間建立相應(yīng)的連接。 3． Bluetooth的應(yīng)用及產(chǎn)品 藍(lán)牙 SIG中定義了幾種基本的應(yīng)用模型 ，主要包括文件傳輸、 Inter網(wǎng)橋、局域 網(wǎng)接入、同步、三合一電話（ threeinone phone）和終端耳機(jī)等。 在實(shí)際生活中，藍(lán)牙的應(yīng)用也是十分廣泛的，涉及到居家、工作、娛樂(lè)等方面。 市面上的藍(lán)牙產(chǎn)品主要包括藍(lán)牙耳機(jī) 、藍(lán)牙適配器、車載藍(lán)牙多媒體系統(tǒng)、車 載藍(lán)牙電話、藍(lán)牙鍵盤和鼠標(biāo)、藍(lán)牙網(wǎng)關(guān) 、藍(lán)牙無(wú)線條碼掃描槍等。 我們可以利用藍(lán)牙技術(shù)來(lái)連接其他的無(wú)線設(shè)備、下載照片、進(jìn)行多人游戲，甚至可以進(jìn)行自動(dòng)存取款、訂票。這可以為我們的生活帶來(lái)極大的便利，使得物物聯(lián)網(wǎng)的概念成為現(xiàn)實(shí)。 2023年 7月，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（Bluetooth SIG）宣布正式采納藍(lán)牙 心規(guī)范，并啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的認(rèn)證計(jì)劃。 藍(lán)牙 2023年底宣布的低功耗藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)規(guī)范。預(yù)計(jì)支持藍(lán)牙 2023年底或2023年初批量上市。 超寬帶 UWB 超寬帶技術(shù)產(chǎn)生原因 傳統(tǒng)的無(wú)線傳輸技術(shù)一般都是帶寬受限的，系統(tǒng)帶寬通常在 20MHz以下，可用頻譜資源有限和信道的多徑衰落特征是限制傳輸速率的主要瓶頸。 發(fā)展 ? 20世紀(jì) 60年代 主要用于 軍事目的，如高功率雷達(dá)和保密通信 ? 1989年 美國(guó)國(guó)防部 提出 “超寬帶” ? 2023年 2月 FCC批準(zhǔn)將該技術(shù)應(yīng)用于民用系統(tǒng) ， 并劃分了免授權(quán)使用頻段 超寬帶（ Ultra Wide Band， UWB） 若一個(gè)信號(hào)在 20dB處的 絕對(duì)帶寬大于 相對(duì)帶寬大于 25%，則這個(gè)信號(hào)就是超寬帶信號(hào) . 兩方面限制 ： 絕對(duì)帶寬 （ Absolute Bandwidth） 或者 相對(duì)帶寬 （ Fractional Bandwidth） 特征 該 技術(shù)的顯著特征則是采用 500MHz至幾個(gè)吉赫茲 的帶寬進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸，在 10m距離內(nèi)提供高達(dá) 100Mbit/s以上，甚至 1Gbit/s的傳輸速率，同時(shí)與現(xiàn)有窄帶無(wú)線系統(tǒng)很好地共存。 絕對(duì)帶寬 （ Absolute Bandwidth） 絕對(duì)帶寬是指信號(hào)功率譜最大值兩側(cè)某滾降點(diǎn)對(duì)應(yīng)的上截止頻率 與下截止頻率 之差。 10 dB H LB f f? ??注： 實(shí)際應(yīng)用中，絕對(duì)帶寬有 ?3dB絕對(duì)帶寬、 ?20dB絕對(duì)帶寬等不同選擇。 圖： 絕對(duì)帶寬的定義（ PSD：信號(hào)功率譜密度） 相對(duì)帶寬 （ Fractional Bandwidth） 相對(duì)帶寬是指絕對(duì)帶寬與中心頻率之比。由于超寬帶系統(tǒng)經(jīng)常采用無(wú)正弦載波調(diào)制的窄脈沖信號(hào)承載信息，中心頻率并非通常意義上的載波頻率，而是上、下截止頻率的均值 。 中心頻率 ： ? ?HL 2ff?? ?? ?HL10 dBF r a c tion a lH L H L22ffBBf f f f? ?????例如，以 ?10dB絕對(duì)帶寬計(jì)算 的相對(duì)帶寬為： 注： FCC規(guī)定 UWB信號(hào)為絕對(duì)帶寬 大于 500MHz或相對(duì)帶寬大于 20%的無(wú)線電信號(hào) 。 相對(duì)帶寬 （ Fractional Bandwidth） FCC Part15規(guī)定 ： ? UWB通信系統(tǒng)可使用的免授權(quán)頻段為～ ? 信號(hào)最高功率譜密度為 ? ? 超寬的信號(hào)帶寬 ? 極低的發(fā)射功率譜密度 （ 1）傳輸速率高 （ 2）通信距離短 （ 3）系統(tǒng)共存性好，通信保密度高 （ 4）定精度極高，抗多徑能力強(qiáng) （ 5）體積小、功耗低位 （ 1）傳輸速率高 UWB系統(tǒng)使用高達(dá) 500MHz～，根據(jù)香農(nóng)信道容量公式，即使發(fā)射功率很低，也可以在短距離上實(shí)現(xiàn)高達(dá)幾百兆至 1Gbit/s的傳輸速率。 （ 2）通信距離短 高頻信號(hào)衰落更快，這導(dǎo)致 UWB信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的失真。 研究表明 : 當(dāng)收發(fā)信機(jī)之間距離小于 10m時(shí)， UWB系統(tǒng)的信道容量高于傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng) 。 當(dāng) 收發(fā)信機(jī)之間距離超過(guò) 12m時(shí)， UWB系統(tǒng)在信道容量上的優(yōu)勢(shì)將不復(fù)存在。 （ 3）系統(tǒng)共存性好，通信保密度高 ? 極低的功率譜密度 （ 上限僅為?） ? 噪聲電平 低， 與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)有著良好的共存性 ? 具有很強(qiáng)的隱蔽性 （ 4）定精度極高，抗多徑能力強(qiáng) ? 脈沖寬度一般在亞納秒級(jí) ? 很強(qiáng)的穿 透力， 高精度測(cè)距和定位能力 ? 抗多徑能力強(qiáng) （ 5）體積小、功耗低位 傳統(tǒng)的 UWB技術(shù)無(wú)需正弦載波，收發(fā)信機(jī)不需要復(fù)雜的載頻調(diào)制解調(diào)電路和濾波器等。因此，可以大大降低系統(tǒng)復(fù)雜度，減小收發(fā)信機(jī)體積和功耗。 超寬帶 系統(tǒng) 兩大特征： ? 高速率 ? 短距離