第1章  短距離無線通信繫統概述

1.1  無線通信繫統概述

1.1.1  無線區域網（WRAN）

1.1.2  廣域網（WAN）

1.1.3  無線城域網（WMAN）

1.1.4  無線局域網（WLAN）

1.1.5  無線個人區域網（WPAN）

1.2  IEEE 802.11無線局域網

1.2.1  IEEE 802.11 WLAN物理層

1.2.2  WLAN的MAC機制及其體繫結構

1.2.3  WLAN的應用

1.3  無線網狀網網絡（WMN）

1.3.1  WMN的特點

1.3.2  WMN的網絡結構

1.3.3  影響WMN網絡性能的因素

1.3.4  WMN應用案例

1.4  短距離無線通信繫統概述

1.4.1  短距離無線通信的特點

1.4.2  短距離無線通信的應用

1.4.3  對短距離無線技術選擇的若干考慮

1.5  原語的概念

習題1

第2章  低速無線個人局域網

2.1  LR-WPAN的體繫結構

2.1.1  LR-WPAN節點類型

2.1.2  LR-WPAN的組成

2.1.3  LR-WPAN網絡拓撲

2.1.4  LR-WPAN數據傳輸模型

2.1.5  LR-WPAN的體繫結構

2.2  LR-WPAN的幀結構

2.2.1  超幀結構

2.2.2  通用MAC幀格式

2.2.3  各類幀的格式

2.2.4  MAC命令幀

2.2.5  MAC常量及PIB屬性

2.2.6  PHY常量及PIB屬性

2.3  LR-WPAN物理層（PHY）

2.3.1  PHY的基本技術參數

2.3.2  信道分配

2.3.3  PPDU格式

2.3.4  PHY參考模型

2.3.5  通用電臺技術規範

2.4  LR-WPAN MAC子層

2.4.1  MAC子層服務

2.4.2  信道訪問

2.4.3  LR-WPAN的啟動與維護

2.4.4  相關與去相關

2.4.5  同步

2.4.6  寄存幀處理

2.4.7  發送、接收和確認

2.4.8  GTS的分配與管理

習題2

第3章  高速無線個人局域網

3.1  HR-WPAN的體繫結構

3.1.1  HR-WPAN中的Piconet及其組成

3.1.2  HR-WPAN的協議參考模型

3.2  HR-WPAN的物理層

3.2.1  2.4 GHz物理層概述

3.2.2  PHY幀格式

3.2.3  HR-WPAN發射機技術規範

3.2.4  HR-WPAN接收機技術規範

3.3  HR-WPAN的MAC幀格式

3.3.1  MAC子層參數

3.3.2  通用MAC幀格式

3.3.3  信標幀

3.3.4  ACK幀

3.3.5  MAC命令幀

3.3.6  數據幀

3.4  HR-WPAN的MAC功能及其操作

3.4.1  Piconet的啟動、維護、終止

3.4.2  相關與去相關

3.4.3  信道訪問

3.4.4  信道時間管理

3.4.5  同步

3.4.6  分片與重組

3.4.7  ACK與重傳

3.4.8  對等尋找

3.4.9  Piconet參數的修改

3.4.10  干擾的減輕措施

3.4.11  多速率支持

3.5  HR-WPAN的節能

3.5.1  Piconet同步節能（PSPS）

3.5.2  節點同步節能（DSPS）

3.5.3  異步節能（APS）

習題3

第4章  藍牙通信繫統

4.1  概述

4.2  藍牙通信拓撲

4.2.1  Piconet拓撲

4.2.2  散射網拓撲

4.3  核心繫統體繫結構

4.3.1  信道管理器

4.3.2  L2CAP資源管理器

4.3.3  節點管理器

4.3.4  鏈路管理器

4.3.5  BB資源管理器

4.3.6  鏈路控制器

4.3.7  射頻（RF）

4.4  藍牙分組及其格式

4.4.1  通用格式

4.4.2  信道訪問碼（CAC）

4.4.3  分組頭

4.4.4  分組類型

4.4.5  有效載荷頭

4.4.6  分組小結

4.5  數據傳輸體繫結構

4.5.1  核心流載體

4.5.2  傳輸體繫結構實體

4.5.3  物理信道

4.5.4  物理鏈路

4.5.5  邏輯鏈路與邏輯傳輸通道

4.6  L2CAP信道

4.6.1  L2CAP數據流

4.6.2  L2CAP功能結構

4.7  操作規程與操作方式

習題4

第5章  無線個人區域網絡的網狀網能力

5.1  低速WPAN網狀網

5.1.1  LR-WPAN網狀網的應用

5.1.2  LR-WPAN網狀網的參考模型

5.1.3  LR-WPAN網狀網服務

5.1.4  幀格式

5.1.5  網狀網子層的常量、信息庫、狀態值

5.2  低速WPAN的網狀網功能

5.2.1  網狀網的啟動

5.2.2  入網

5.2.3  地址分配

5.2.4  網狀網拓撲尋找與建立

5.2.5  網狀網路徑選擇與數據轉發

5.2.6  網狀網路徑維護

5.2.7  退網

5.2.8  網狀網多目標路徑選擇與數據轉發

5.2.9  可靠廣播

5.2.10  電池節能

5.2.11  節點便攜性支持

5.2.12  路由跟蹤

5.3  高速WPAN網狀網

5.3.1  HR-WPAN網狀網的參考模型

5.3.2  HR-WPAN網狀網服務

5.3.3  網狀網PAN信息庫（PIB）

5.3.4  幀格式

5.4  高速WPAN的網狀網功能

5.4.1  網狀網絡的啟動

5.4.2  拓撲樹的建立

5.4.3  TREEID的分配

5.4.4  退網

5.4.5  路由規程

5.4.6  路由選擇

習題5

第6章  異種繫統共存

6.1  WPAN與WLAN共存的干擾問題

6.1.1  存在IEEE 802.15.1干擾時的IEEE 802.11 FH WLAN

6.1.2  存在IEEE 802.15.1干擾時的IEEE 802.11b WLAN

6.1.3  存在IEEE 802.11 FH干擾時的IEEE 802.15.1

6.1.4  存在IEEE 802.11b干擾時的IEEE 802.15.1

6.2  WPAN與WLAN共存機制概述

6.2.1  協作共存機制

6.2.2  非協作共存機制

6.3  無線媒介的交替訪問（AWMA）

6.3.1  WLAN/WPAN同步

6.3.2  AWMA的管理

6.3.3  對WLAN和WPAN發送的約束

6.3.4  運用AWMA時WPAN和WLAN的性能

6.4  分組流量仲裁（PTA）

6.4.1  已知物理層特征

6.4.2  PTA結構

6.4.3  已知網絡狀態

6.4.4  網絡控制

6.4.5  優先級比較

6.4.6  服務質量的維護

6.4.7  PTA 802.11b性能結果

6.5  確定性干擾抑制

6.6  自適應干擾抑制

6.7  自適應分組選擇

6.7.1  IEEE 802.15.1的SCO和ACL分組類型

6.7.2  自適應分組選擇方法

6.8  ACL鏈的分組傳輸時間安排

6.9  信道分類

6.9.1  分類方法

6.9.2  分類規程

6.10  SCO鏈的分組傳輸時間安排

6.11  自適應跳頻（AFH）

6.11.1  分段序列號產生器

6.11.2  頻率重映射函數

6.12  干擾模型

6.12.1  物理層模型

6.12.2  媒介訪問控制（MAC）子層模型

6.12.3  數據流模型

6.12.4  IEEE 802.15.1的性能參數

6.12.5  共存建模結果

6.13  LR-WPAN與其他無線網絡的共存

6.13.1  通用共存問題

6.13.2  2400MHz頻段共存性能

6.13.3  800/900MHz頻段共存性能

習題6

參考文獻

IEEE 802工作組根據發射機與接收機之間的直接通信距離，將無線通信繫統分成無線區域網（WRAN）、廣域網（WAN）、無線城域網（WMAN）、無線局域網（WLAN）、無線個人區域網（WPAN）。覆蓋半徑為100千米的WRAN主要用於人口低密度區，提供對數據網絡的訪問；覆蓋半徑為15千米的WAN用於實現不同地區的局域網或城域網的互連，提供不同地區、城市和國家之間的計算機通信的遠程計算機網；覆蓋半徑為5千米的WMAN提供面向互聯網的高速連接，提供“後一千米”的寬帶無線接入（BWA）；覆蓋半徑為150米的WLAN的基本用途是用於替代計算機與計算機之間的有線連接。

根據IEEE 802的描述，WLAN、WPAN均屬於短距離無線通信繫統。WPAN的覆蓋半徑為10米。目前，WPAN包括藍牙、高速WPAN（HR-WPAN）、低速WPAN（LR-WPAN）、無線人體區域網（WBAN）。藍牙用於無線鼠標、無線鍵盤、非手持式耳機和聽筒。HR-WPAN用於高寬帶多媒體傳輸。LR-WPAN主要用於物聯網，實現可靠的無線網絡化監視和控制。其中，星型拓撲LR-WPAN的應用包括家庭自動化、個人計算機外設、玩具與遊戲、個人衛生保健等。對等拓撲LR-WPAN的應用包括工業監控、無線傳感器網絡、資產與詳細清單跟蹤、智能化農業、安全等。

短距離無線通信繫統RF輸出功率低（幾毫瓦～100毫瓦），通信距離短（幾釐米～150米），結構簡單，價格相對低廉，無許可證操作，通常電池供電。正是由於這些特點以及許多其他優點，因此無線局域網（WLAN）、藍牙、ZigBee發展十分迅速，應用越來越普遍，在市場上獲得了巨大成功。例如，無線局域網（WLAN）已經在企業、醫院、商店、工廠、學校、交通、飛機、商船和艦船等場合得到了廣泛的應用。IEEE 802.15.4（LR-WPAN）是物聯網的一種重要短距離傳輸繫統。ZigBee在工業監控與工業自動化控制，無線傳感器網絡，資產與詳細清單跟蹤，智能化農業，安全監視，保健監視，環境監視，軍事行動、消防隊員操作指揮，貨單自動更新，庫存實時跟蹤，家庭自動化，個人計算機外設，玩具與遊戲，個人衛生保健等領域獲得了應用。而市場的成功又反過來強力推動WLAN、ZigBee、藍牙的進一步發展，形成了技術與市場的良性循環，持續發展。

軟件無線電技術、低功率電子學、CMOS技術、低功率RF設計技術、網絡體繫結構、以及無線網絡協議的發展和進步，使人們已經能夠開發出功能全、功耗低的芯片，實現單片解決方案，從而保證和實現了短距離無線通信的低成本要求。

市場上有許多IEEE 802.15.4（LR-WPAN）芯片可供選擇。例如，TI公司推出的芯片CC2430提供單片繫統解決方法。CC2430采用低功率全靜態CMOS設計，集成了遵循IEEE 802.15.4標準的RF收發信機（相當於TI公司推出的IEEE 802.15.4收發信機RF芯片CC2420）、優化8051內核（其性能是標準8051的8倍）、雙數據指針、繫統內可編程閃存（32/64/128 KB）、8 KB RAM、DMA、定時器（1個IEEE 802.15.4 MAC定時器，1個通用16比特定時器，2個8比特定時器）、自動前導發生器、同步字插入/檢測、MAC有效載荷的CRC-16計算和校驗、空閑信道評估（CCA）、能量檢測/數字RSSI、鏈路質量指示（LQI）、CSMA/CA協處理器、電池監視與溫度傳感器、12比特ADC（8輸入，精度可配置）、AES安全協處理器、AES加密/解密硬件、兩個可編程通用同步/異步接收機/發射機（USART）、隨機數發生器、21個通用I/O引腳（其中2個具有20mA 信宿/信源能力）、硬件調試接口等，采用兼容有害物質約束（RoHS）的77mm QLP48封裝，支持低功率操作（微處理器按32 MHz速率運行時，接收和發送的電流均為27 mA；電源休眠方式下0.5A電流；待命方式下0.3A電流），數據速率250 kb/s，碼片速率2 Mchip/s，接收機抗干擾能力強件少，對於網狀網繫統隻需要一個晶振，給繫統設計和開發人員提供了極大方便。建議學校構建CC2430或者類似的實驗環境，做到教學、實踐、科研的統一，使學生不僅學習了相關網絡繫統知識，而且還能夠到實際環境中去實踐，切身參與調試、軟件編寫、網絡實驗。

本書取材於當前主流的短距離無線通信繫統，包括四個部分的內容：短距離無線通信繫統概述、典型短距離無線通信繫統（LR-WPAN、HR-WPAN、藍牙）、無線個人區域網絡的網狀網能力、異種網絡繫統的共存。具體安排如下：

部分“短距離無線通信繫統概述”：包含1章（第1章）。內容包括無線通信繫統的分類，以及各類無線通信繫統的簡單介紹。著重綜述了IEEE 802.11 WLAN的物理層、MAC機制及其體繫結構、應用。然後介紹無線網狀網網絡（WMN），包括WMN的特點、網絡結構、性能影響因素、應用等。後是短距離無線通信繫統概述，包括短距離無線通信的特點、應用、短距離無線通信技術的選擇考慮。

第二部分“典型短距離無線通信繫統”：包含3章（第2、3、4章）。第2、3章分別詳細描述低速無線個人局域網（LR-WPAN）、高速無線個人局域網（HR-WPAN），包括網絡的體繫結構（包括網絡拓撲、協議參考模型）、幀結構、物理層、MAC層、節能技術。第4章是藍牙通信繫統的概述，包括藍牙通信拓撲、核心繫統體繫結構、分組格式、數據傳輸體繫結構等。

第三部分“無線個人區域網絡的網狀網能力”：包含1章（第5章）。本章詳細描述LR-WPAN、HR-WPAN的網狀網能力，包括網狀網參考模型、網狀網服務、網狀網服務幀格式、網狀網功能。

第四部分“異種網絡繫統的共存”：包含1章（第6章）。本章討論無線個人區域網（WPAN）、無線局域網（WLAN）的共存問題，介紹多種協作共存機制（無線媒介交替訪問，分組流量仲裁，確定性干擾抑制）和非協作共存機制（自適應干擾抑制，自適應分組選擇，ACL/SCO鏈的分組傳輸時間安排，自適應跳頻），以及這些共存機制的使用方法和使用效果。

本書由兩位通信領域的研究員編寫。中國電子科技集團公司第三十研究所研究員曾曦完成本書第4章“藍牙通信繫統”、第5章“無線個人區域網絡（WPAN）的網狀網能力”的編寫。陳林星研究員完成其餘4章的編寫，並負責全書的統稿和校對。

另外就幾個問題說明如下：

（1）在描述幀結構時，按照從右到左的順序開始發送和接收。對於包含多個字節的域，按照從字節到字節、每個字節按照比特到比特的順序開始發送和接收。對於在PHY與MAC子層之間的傳遞的數據域也按照這種順序發送和接收。

（2）在使用本教材之前，學生好應學過通信原理課程，具有分組通信、調制解調、糾錯檢錯等基本通信知識；此外，還應該具備一定的數學知識，比如圖論等。如果學生缺乏這些知識，建議老師講課時適時補充一些這方面的知識。

在本書的構思和寫作過程中，以及本書的成功出版，作者一直得到了電子工業出版社的大力支持和幫助。在寫作過程中，在理解和討論一些技術問題時，多位友人給予了有益的幫助。作者在此一並表示由衷感謝！

由於作者知識有限，本書難免有缺陷、甚至錯誤。非常歡迎來文指出本書的缺點和錯誤。