电子信息科学技术导论教学作者吴莉莉第7章节现代通信技术课件PPT文件格式下载.ppt
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,7.1蓝牙技术,7.1.1蓝牙技术及其形成背景,1998年5月,爱立信、诺基亚、东芝、IBM和Intel公司等五家著名厂商,在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙技术,这五家厂商还成立了蓝牙特别兴趣小组,以使蓝牙技术能够成为未来的无线通信标准。
1999年下半年,著名的业界巨头微软、摩托罗拉、三星、朗讯与蓝牙特别兴趣小组的五家公司共同发起成立了蓝牙技术推广组织,从而在全球范围内掀起了一股“蓝牙”热潮。
2006年10月13日,BluetoothSIG宣布联想公司取代IBM在该组织中的创始成员位置,并立即生效。
通过成为创始成员,有助于Bluetooth这一无线技术在中国的发展。
7.1.2蓝牙的优势,
(1)全球可用:
蓝牙技术运行在2.4GHz波段,该波段是一种无需申请许可证的工业、科技、医学(ISM)无线电波段。
供我们全球的成员公司免费使用。
(2)设备范围广泛:
Bluetooth技术得到了空前广泛的应用,集成该技术的产品从手机、汽车到医疗设备,使用该技术的用户从消费者、工业市场到企业等。
(3)易于使用:
Bluetooth技术是一项即时技术,它不要求固定的基础设施,且易于安装和设置。
7.1.3蓝牙的组网方式,蓝牙系统采用一种灵活的无基站的组网方式,基于蓝牙技术的无线接入简称为BLUEPAC(BluetoothPublicAccess),蓝牙系统的网络拓扑结构有两种形式:
微微网(Piconet)和分布式网络(Scatternet)。
(a)点对点(b)点对多点图7-2微微网的拓扑网络结构,蓝牙采用自组式组网方式(Ad-hoc),微微网由主设备(Master)单元(发起链接的设备)和从设备(Slave)单元构成,有一个主设备单元和最多7个从设备单元。
微微网的构成,主设备其时钟和调频序列用于同步该微微网中的其他设备其可实施呼叫和连接建立过程从设备与主设备同步连接建立后,被分配一个临时的3比特成员地址,例如,办公室的PC机可以是一个主设备单元,而无线链盘、无线鼠标和无线打印机可以充当从设备单元的角色。
主设备单元负责提供时钟同步信号和跳频序列,从设备单元一般是受控同步的设备单元,接受主设备单元的控制。
微微网构建的蓝牙办公系统,具有重叠覆盖域的微网之间存在设备间的通信,形成一个扩散网络(Scatternet)结构。
每个微网只能有一个单独主单元,然而从单元可分享基于时分多址的不同微网。
另外,在一个微网中主单元可视为另一个微网的从单元。
蓝牙独特的组网方式赋予了它无线接入的强大生命力,同时可以有7个移动蓝牙用户通过一个网络节点与因特网相连。
图7-3多个微微网组成的扩散网,扩散网及其特点,7.1.4蓝牙的工作原理,
(1)蓝牙通信的主从关系:
蓝牙设备之间进行通讯时,必须一方为主角色,另一方为从角色,才能进行通信。
通信时必须由主端进行查找,发起配对,链接成功后,双方即可收发数据。
一个具备蓝牙通讯功能的设备,可以在两个角色间切换,平时工作在从模式,等待其它主设备来连接,需要时转换为主模式,向其它设备发起呼叫。
(2)蓝牙的呼叫过程:
蓝牙主端设备发起呼叫,首先是查找,找出周围处于可被查找的蓝牙设备。
主端设备找到从端蓝牙设备后,与从端蓝牙设备进行配对,此时需要输入从端设备的PIN码。
配对完成后,从端蓝牙设备记录主端设备的信任信息,此时主端即可向从端设备发起呼叫。
(3)蓝牙一对一的串口数据传输应用:
蓝牙设备在出厂前即提前设置好两个蓝牙设备之间的配对信息,主端预存有从端设备的PIN码、地址等,两端设备加电即自动建链,通过串口进行数据传输,无需外围电路干预。
(4)蓝牙网络的通信过程,(4)蓝牙网络的通信过程,待机模式:
蓝牙设备没有建立链接时,处于睡眠状态(Standby状态)。
这种模式下,它将每隔1.28s或2.56s醒过来一次,选择一个信道侦听发送给它的信息。
图7-4蓝牙网络的通信过程,查询或寻呼:
微微网的主单元设备发起链接,主单元并不知道其余设备的地址。
这时主单元需要先执行Inquiry操作。
有了其它设备的地址,就可进行Page,真正建立起链接。
链接完成后,就可建立通信进行数据传输。
通信阶段:
主单元和从单元交替进行收和发。
主单元根据从单元的数据流量决定从单元何时收发。
如果从单元暂时不需收发数据,它就切换进入保持模式,直到主单元下次发送信息给它。
在这期间主单元定期给它发送信息以使从单元对跳频信道同步。
(三种低能耗模式),断链操作:
数据传输完成后,可使用断链(Detach)命令来结束链接,这样,单元又回到待机模式。
7.1.5蓝牙的关键技术,
(1)跳频技术:
蓝牙工作在全球通用的2.4GHzISM频段,在使用过程中经常会遇到不可预测的干扰源。
跳频技术就是将整个频带划分成若干跳频信道,在一次链接中,蓝牙芯片控制的收发器按照一定的码序列,不断地从一个信道跳转到另一个信道,而接收方也是按照相同的跳转规律进行通信,实际上属于一种硬件加密手段。
(2)纠错技术:
使用了三种纠错方案:
1/3比例前向纠错码、2/3比例前向纠错码和用于数据的自动请求重发方式。
(3)安全性:
除了跳频技术,蓝牙技术在应用层和链路层上也提供安全措施。
该措施将用于对等环境,即蓝牙系统每个单元中设备的匹配和加密规则都以同样的方法实现。
在链路层,蓝牙使用四个参数来保证系统的安全性,每个用户有唯一的48位地址、128位验证密钥、8128位加密密钥以及设备产生的一个128位随机数RAND。
通过鉴权、匹配和加密算法完成。
蓝牙技术特点小结,很好的抗干扰能力和安全性,可建立临时对等连接,全球范围适用,同时传输语音数据,近距离通信,功耗低体积小,蓝牙技术特点,蓝牙工作在2.4GHz的ISM频段,全球大多数国家ISM频段的范围是2.4-2.4835GHz。
蓝牙采用电路交换和分组交换技术,支持异步数据信道、三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道。
主设备是组网连接主动发起连接请求的蓝牙设备,几个蓝牙设备连接成一个皮网(Piconet)时,其中只有一个主设备,其余的均为从设备。
蓝牙采用了跳频(FrequencyHopping)方式来扩展频谱,抵抗来自这些设备的干扰。
提供了认证和加密功能,以保证链路级的安全。
蓝牙设备在通信连(Connection)状态下,有四种工作模式:
激活(Active)模式,呼吸(Sniff)模式保持(Hold)模式,休眠(Park)模式,Active模式是正常的工作状态,另外三种模式是为了节能所规定的低功耗模式。
蓝牙技术通信距离为10m,可根据需要扩展至100m,以满足不同设备的需要。
7.1.6蓝牙的应用,电子付帐系统,宾馆接待处的电子登记服务等。
家庭和办公室自动化、家庭娱乐、电子商务、工业控制、智能化建筑物等。
数字照相机、数字摄像机等。
无线键盘、鼠标等。
以便携式计算机和掌上计算机为代表。
各种电话系统,蓝牙技术的应用,应用面多,前景广阔,数字手机、家庭及办公室电话、小型PBX等电话系统等。
无线电缆,无线办公包,数字电子设备,电子商务,办公自动化家庭娱乐等,图7-5由蓝牙构建的智能家居系统,
(1)智能家居:
其重要功能就是对居住环境的控制,即自动或远程控制家庭的温度、湿度、光照、空气质量和热水器等;
家庭中的水、电、燃气和供暖能够实现定时开关;
保障安全的家庭体系,其中既包括人身和家庭财产的安全,也包括家庭设备的安全。
图7-6由蓝牙构建的无线办公系统,
(2)办公自动化:
过去的办公室因各种电线纠缠不清而非常混乱,从为设备供电的电线到连接计算机至键盘、打印机、鼠标和PDA的电缆,无不造成了一个杂乱无序的工作环境。
通过Bluetooth无线技术,办公室里再也看不到凌乱的电线,整个办公室也像一台机器一样有条不紊地高效运作。
图7-7蓝牙用于智能交通,(3)智能交通:
最早,蓝牙技术主要应用于汽车的电话通信,当移动电话随用户进入车内,车载系统就会自动连接上用户手机。
用户在驾车行驶过程中过语音指令就能控制车上的所有开关,形成了人与车的小型互联系统。
随着蓝牙研究和应用的快速发展,在智能交通领域出现了各种不同的蓝牙应用。
如远程车辆状况诊断、车辆安全系统实时监测、车对车通信及多媒体信息的下载等。
7.2WiFi技术,7.2.1WiFi技术及其发展,WiFi是无线保真(WirelessFidelity)的缩写,是一种可以将个人电脑、手持设备(如PDA、手机)等终端以无线方式互相连接的技术,事实上它是一个高频无线电信号。
图7-8由无线路由器构建的无线WiFi网络,几乎所有智能手机、平板电脑和笔记本电脑都支持无线保真上网。
其实质就是把有线网络信号通过无线路由器转换成无线保真信号,利用无线电波来联网,供支持其技术的电脑、手机、平板等终端设备接收。
1997年6月,美国电气电子工程师协会(IEEE)制定发布WiFi无线局域网802.11系列标准,IEEE802.11主要用于解决办公室局域网和校园网用户与用户终端的无线连接,其业务主要局限于数据访问,速率最高只能达到2Mbps。
IEEE802.11标准的制定推动了无线网络的发展,但由于传输速率只有12Mbps,该标准未得到广泛的发展与应用。
1999年,IEEE通过了新的IEEE802.11a和IEEE802.11b标准。
2001年1月,IEEE802.11g标准以草案的形式面世,2003年5月成为正式标准。
IEEE802.11g标准既能提供与IEEE802.11a相同的传输速率,又能与已有的IEEE802.11b设备后向兼容。
表7-1三种常用WiFi标准性能指标比较,IEEE802.11无线局域网工作组,PHY,802.11(1/2Mbps),802.11b(5.5/11Mbps),802.11g(54Mbps),802.11a(54Mbps),MAC,802.11/11a/11b/11gMAC,802.11eQoS,802.11i安全增强,802.11n(300Mbps),802.11f漫游和切换,802.11h动态调整,802.11smesh,7.2.2WiFi技术网络结构,无线局域网由端站(STA)、接入点(AP)、接入控制器(AC)、AAA(Authentication、AuthorizationandAccounting,即认证、授权和计费)服务器以及网元管理单元组成。
图7-9无线局域网网络参考模型,端站:
无线网络的终端,可以通过不同接口接入计算机终端,也可以是非计算机终端上的嵌入式设备;
接入点:
通过无线链路和STA进行通信,通过WB接口采用有线方式与AC连接;
接入控制器:
无线局域网和外部网之间充当网管功能,AAA服务器:
具备认证、授权和计费功能;
Portal服务器:
负责完成公共接入无线局域网(PWLAN)用户门户网站的推送,为必选网络单元。
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