短距离无线通信系统技术

　　本书主要包括四个部分的内容：①短距离无线通信系统概述，包括无线通信系统的分类，各类无线通信系统简介，IEEE 802.11 WLAN综述，无线网状网的基本概念、特点、网络结构，短距离无线通信的特点和应用；②典型短距离无线通信系统（LR-WPAN、HR-WPAN、蓝牙）的详细描述；③LR-WPAN、HR-WPAN的网状网能力；④WPAN与WLAN的共存。
　　全书内容丰富、新颖，概念清楚，层次结构合理、明晰，涵盖了当前国际上主流的短距离无线通信系统，可帮助读者尽快全面了解和掌握短距离无线通信系统技术。

陈林星，2005年-2009年8月,中国电子科技集团公司第十研究所项目任副总设计师和工程组组长；2009.8～至今，供职于中电科航空电子有限公司，从事航电系统研究和开发、低空开放、数据链、综合监视方面的研究和认证工作。

第1章  短距离无线通信系统概述
1.1  无线通信系统概述
1.1.1  无线区域网（WRAN）
1.1.2  广域网（WAN）
1.1.3  无线城域网（WMAN）
1.1.4  无线局域网（WLAN）
1.1.5  无线个人区域网（WPAN）
1.2  IEEE 802.11无线局域网
1.2.1  IEEE 802.11 WLAN物理层
1.2.2  WLAN的MAC机制及其体系结构
1.2.3  WLAN的应用
1.3  无线网状网网络（WMN）
1.3.1  WMN的特点
1.3.2  WMN的网络结构
1.3.3  影响WMN网络性能的因素
1.3.4  WMN应用案例
1.4  短距离无线通信系统概述
1.4.1  短距离无线通信的特点
1.4.2  短距离无线通信的应用
1.4.3  对短距离无线技术选择的若干考虑
1.5  原语的概念
习题1
第2章  低速无线个人局域网
2.1  LR-WPAN的体系结构
2.1.1  LR-WPAN节点类型
2.1.2  LR-WPAN的组成
2.1.3  LR-WPAN网络拓扑
2.1.4  LR-WPAN数据传输模型
2.1.5  LR-WPAN的体系结构
2.2  LR-WPAN的帧结构
2.2.1  超帧结构
2.2.2  通用MAC帧格式
2.2.3  各类帧的格式
2.2.4  MAC命令帧
2.2.5  MAC常量及PIB属性
2.2.6  PHY常量及PIB属性
2.3  LR-WPAN物理层（PHY）
2.3.1  PHY的基本技术参数
2.3.2  信道分配
2.3.3  PPDU格式
2.3.4  PHY参考模型
2.3.5  通用电台技术规范
2.4  LR-WPAN MAC子层
2.4.1  MAC子层服务
2.4.2  信道访问
2.4.3  LR-WPAN的启动与维护
2.4.4  相关与去相关
2.4.5  同步
2.4.6  寄存帧处理
2.4.7  发送、接收和确认
2.4.8  GTS的分配与管理
习题2
第3章  高速无线个人局域网
3.1  HR-WPAN的体系结构
3.1.1  HR-WPAN中的Piconet及其组成
3.1.2  HR-WPAN的协议参考模型
3.2  HR-WPAN的物理层
3.2.1  2.4 GHz物理层概述
3.2.2  PHY帧格式
3.2.3  HR-WPAN发射机技术规范
3.2.4  HR-WPAN接收机技术规范
3.3  HR-WPAN的MAC帧格式
3.3.1  MAC子层参数
3.3.2  通用MAC帧格式
3.3.3  信标帧
3.3.4  ACK帧
3.3.5  MAC命令帧
3.3.6  数据帧
3.4  HR-WPAN的MAC功能及其操作
3.4.1  Piconet的启动、维护、终止
3.4.2  相关与去相关
3.4.3  信道访问
3.4.4  信道时间管理
3.4.5  同步
3.4.6  分片与重组
3.4.7  ACK与重传
3.4.8  对等寻找
3.4.9  Piconet参数的修改
3.4.10  干扰的减轻措施
3.4.11  多速率支持
3.5  HR-WPAN的节能
3.5.1  Piconet同步节能（PSPS）
3.5.2  节点同步节能（DSPS）
3.5.3  异步节能（APS）
习题3
第4章  蓝牙通信系统
4.1  概述
4.2  蓝牙通信拓扑
4.2.1  Piconet拓扑
4.2.2  散射网拓扑
4.3  核心系统体系结构
4.3.1  信道管理器
4.3.2  L2CAP资源管理器
4.3.3  节点管理器
4.3.4  链路管理器
4.3.5  BB资源管理器
4.3.6  链路控制器
4.3.7  射频（RF）
4.4  蓝牙分组及其格式
4.4.1  通用格式
4.4.2  信道访问码（CAC）
4.4.3  分组头
4.4.4  分组类型
4.4.5  有效载荷头
4.4.6  分组小结
4.5  数据传输体系结构
4.5.1  核心流载体
4.5.2  传输体系结构实体
4.5.3  物理信道
4.5.4  物理链路
4.5.5  逻辑链路与逻辑传输通道
4.6  L2CAP信道
4.6.1  L2CAP数据流
4.6.2  L2CAP功能结构
4.7  操作规程与操作方式
习题4
第5章  无线个人区域网络的网状网能力
5.1  低速WPAN网状网
5.1.1  LR-WPAN网状网的应用
5.1.2  LR-WPAN网状网的参考模型
5.1.3  LR-WPAN网状网服务
5.1.4  帧格式
5.1.5  网状网子层的常量、信息库、状态值
5.2  低速WPAN的网状网功能
5.2.1  网状网的启动
5.2.2  入网
5.2.3  地址分配
5.2.4  网状网拓扑寻找与建立
5.2.5  网状网路径选择与数据转发
5.2.6  网状网路径维护
5.2.7  退网
5.2.8  网状网多目标路径选择与数据转发
5.2.9  可靠广播
5.2.10  电池节能
5.2.11  节点便携性支持
5.2.12  路由跟踪
5.3  高速WPAN网状网
5.3.1  HR-WPAN网状网的参考模型
5.3.2  HR-WPAN网状网服务
5.3.3  网状网PAN信息库（PIB）
5.3.4  帧格式
5.4  高速WPAN的网状网功能
5.4.1  网状网络的启动
5.4.2  拓扑树的建立
5.4.3  TREEID的分配
5.4.4  退网
5.4.5  路由规程
5.4.6  路由选择
习题5
第6章  异种系统共存
6.1  WPAN与WLAN共存的干扰问题
6.1.1  存在IEEE 802.15.1干扰时的IEEE 802.11 FH WLAN
6.1.2  存在IEEE 802.15.1干扰时的IEEE 802.11b WLAN
6.1.3  存在IEEE 802.11 FH干扰时的IEEE 802.15.1
6.1.4  存在IEEE 802.11b干扰时的IEEE 802.15.1
6.2  WPAN与WLAN共存机制概述
6.2.1  协作共存机制
6.2.2  非协作共存机制
6.3  无线媒介的交替访问（AWMA）
6.3.1  WLAN/WPAN同步
6.3.2  AWMA的管理
6.3.3  对WLAN和WPAN发送的约束
6.3.4  运用AWMA时WPAN和WLAN的性能
6.4  分组流量仲裁（PTA）
6.4.1  已知物理层特征
6.4.2  PTA结构
6.4.3  已知网络状态
6.4.4  网络控制
6.4.5  优先级比较
6.4.6  服务质量的维护
6.4.7  PTA 802.11b性能结果
6.5  确定性干扰抑制
6.6  自适应干扰抑制
6.7  自适应分组选择
6.7.1  IEEE 802.15.1的SCO和ACL分组类型
6.7.2  自适应分组选择方法
6.8  ACL链的分组传输时间安排
6.9  信道分类
6.9.1  分类方法
6.9.2  分类规程
6.10  SCO链的分组传输时间安排
6.11  自适应跳频（AFH）
6.11.1  分段序列号产生器
6.11.2  频率重映射函数
6.12  干扰模型
6.12.1  物理层模型
6.12.2  媒介访问控制（MAC）子层模型
6.12.3  数据流模型
6.12.4  IEEE 802.15.1的性能参数
6.12.5  共存建模结果
6.13  LR-WPAN与其他无线网络的共存
6.13.1  通用共存问题
6.13.2  2400MHz频段共存性能
6.13.3  800/900MHz频段共存性能
习题6
参考文献

　　IEEE 802工作组根据发射机与接收机之间的直接通信距离，将无线通信系统分成无线区域网（WRAN）、广域网（WAN）、无线城域网（WMAN）、无线局域网（WLAN）、无线个人区域网（WPAN）。覆盖半径为100千米的WRAN主要用于人口低密度区，提供对数据网络的访问；覆盖半径为15千米的WAN用于实现不同地区的局域网或城域网的互连，提供不同地区、城市和国家之间的计算机通信的远程计算机网；覆盖半径为5千米的WMAN提供面向互联网的高速连接，提供“后一千米”的宽带无线接入（BWA）；覆盖半径为150米的WLAN的基本用途是用于替代计算机与计算机之间的有线连接。
　　根据IEEE 802的描述，WLAN、WPAN均属于短距离无线通信系统。WPAN的覆盖半径为10米。目前，WPAN包括蓝牙、高速WPAN（HR-WPAN）、低速WPAN（LR-WPAN）、无线人体区域网（WBAN）。蓝牙用于无线鼠标、无线键盘、非手持式耳机和听筒。HR-WPAN用于高宽带多媒体传输。LR-WPAN主要用于物联网，实现可靠的无线网络化监视和控制。其中，星型拓扑LR-WPAN的应用包括家庭自动化、个人计算机外设、玩具与游戏、个人卫生保健等。对等拓扑LR-WPAN的应用包括工业监控、无线传感器网络、资产与详细清单跟踪、智能化农业、安全等。
　　短距离无线通信系统RF输出功率低（几毫瓦～100毫瓦），通信距离短（几厘米～150米），结构简单，价格相对低廉，无许可证操作，通常电池供电。正是由于这些特点以及许多其他优点，因此无线局域网（WLAN）、蓝牙、ZigBee发展十分迅速，应用越来越普遍，在市场上获得了巨大成功。例如，无线局域网（WLAN）已经在企业、医院、商店、工厂、学校、交通、飞机、商船和舰船等场合得到了广泛的应用。IEEE 802.15.4（LR-WPAN）是物联网的一种重要短距离传输系统。ZigBee在工业监控与工业自动化控制，无线传感器网络，资产与详细清单跟踪，智能化农业，安全监视，保健监视，环境监视，军事行动、消防队员操作指挥，货单自动更新，库存实时跟踪，家庭自动化，个人计算机外设，玩具与游戏，个人卫生保健等领域获得了应用。而市场的成功又反过来强力推动WLAN、ZigBee、蓝牙的进一步发展，形成了技术与市场的良性循环，持续发展。
　　软件无线电技术、低功率电子学、CMOS技术、低功率RF设计技术、网络体系结构、以及无线网络协议的发展和进步，使人们已经能够开发出功能全、功耗低的芯片，实现单片解决方案，从而保证和实现了短距离无线通信的低成本要求。
　　市场上有许多IEEE 802.15.4（LR-WPAN）芯片可供选择。例如，TI公司推出的芯片CC2430提供单片系统解决方法。CC2430采用低功率全静态CMOS设计，集成了遵循IEEE 802.15.4标准的RF收发信机（相当于TI公司推出的IEEE 802.15.4收发信机RF芯片CC2420）、优化8051内核（其性能是标准8051的8倍）、双数据指针、系统内可编程闪存（32/64/128 KB）、8 KB RAM、DMA、定时器（1个IEEE 802.15.4 MAC定时器，1个通用16比特定时器，2个8比特定时器）、自动前导发生器、同步字插入/检测、MAC有效载荷的CRC-16计算和校验、空闲信道评估（CCA）、能量检测/数字RSSI、链路质量指示（LQI）、CSMA/CA协处理器、电池监视与温度传感器、12比特ADC（8输入，精度可配置）、AES安全协处理器、AES加密/解密硬件、两个可编程通用同步/异步接收机/发射机（USART）、随机数发生器、21个通用I/O引脚（其中2个具有20mA 信宿/信源能力）、硬件调试接口等，采用兼容有害物质约束（RoHS）的77mm QLP48封装，支持低功率操作（微处理器按32 MHz速率运行时，接收和发送的电流均为27 mA；电源休眠方式下0.5A电流；待命方式下0.3A电流），数据速率250 kb/s，码片速率2 Mchip/s，接收机抗干扰能力强，外接元件少，对于网状网系统只需要一个晶振，给系统设计和开发人员提供了极大方便。建议学校构建CC2430或者类似的实验环境，做到教学、实践、科研的统一，使学生不仅学习了相关网络系统知识，而且还能够到实际环境中去实践，切身参与调试、软件编写、网络实验。
　　本书取材于当前主流的短距离无线通信系统，包括四个部分的内容：短距离无线通信系统概述、典型短距离无线通信系统（LR-WPAN、HR-WPAN、蓝牙）、无线个人区域网络的网状网能力、异种网络系统的共存。具体安排如下：
　　部分“短距离无线通信系统概述”：包含1章（第1章）。内容包括无线通信系统的分类，以及各类无线通信系统的简单介绍。着重综述了IEEE 802.11 WLAN的物理层、MAC机制及其体系结构、应用。然后介绍无线网状网网络（WMN），包括WMN的特点、网络结构、性能影响因素、应用等。后是短距离无线通信系统概述，包括短距离无线通信的特点、应用、短距离无线通信技术的选择考虑。
　　第二部分“典型短距离无线通信系统”：包含3章（第2、3、4章）。第2、3章分别详细描述低速无线个人局域网（LR-WPAN）、高速无线个人局域网（HR-WPAN），包括网络的体系结构（包括网络拓扑、协议参考模型）、帧结构、物理层、MAC层、节能技术。第4章是蓝牙通信系统的概述，包括蓝牙通信拓扑、核心系统体系结构、分组格式、数据传输体系结构等。
　　第三部分“无线个人区域网络的网状网能力”：包含1章（第5章）。本章详细描述LR-WPAN、HR-WPAN的网状网能力，包括网状网参考模型、网状网服务、网状网服务帧格式、网状网功能。
　　第四部分“异种网络系统的共存”：包含1章（第6章）。本章讨论无线个人区域网（WPAN）、无线局域网（WLAN）的共存问题，介绍多种协作共存机制（无线媒介交替访问，分组流量仲裁，确定性干扰抑制）和非协作共存机制（自适应干扰抑制，自适应分组选择，ACL/SCO链的分组传输时间安排，自适应跳频），以及这些共存机制的使用方法和使用效果。
　　本书由两位通信领域的研究员编写。中国电子科技集团公司第三十研究所研究员曾曦完成本书第4章“蓝牙通信系统”、第5章“无线个人区域网络（WPAN）的网状网能力”的编写。陈林星研究员完成其余4章的编写，并负责全书的统稿和校对。
　　另外就几个问题说明如下：
　　（1）在描述帧结构时，按照从右到左的顺序开始发送和接收。对于包含多个字节的域，按照从字节到字节、每个字节按照比特到比特的顺序开始发送和接收。对于在PHY与MAC子层之间的传递的数据域也按照这种顺序发送和接收。
　　（2）在使用本教材之前，学生好应学过通信原理课程，具有分组通信、调制解调、纠错检错等基本通信知识；此外，还应该具备一定的数学知识，比如图论等。如果学生缺乏这些知识，建议老师讲课时适时补充一些这方面的知识。
　　在本书的构思和写作过程中，以及本书的成功出版，作者一直得到了电子工业出版社的大力支持和帮助。在写作过程中，在理解和讨论一些技术问题时，多位友人给予了有益的帮助。作者在此一并表示由衷感谢！
　　由于作者知识有限，本书难免有缺陷、甚至错误。非常欢迎来文指出本书的缺点和错误。