短距離無線通信系統技術（簡體書）

IEEE 802工作組根據發射機與接收機之間的直接通信距離，將無線通信系統分成無線區域網（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）。最大覆蓋半徑為100千米的WRAN主要用于人口低密度區，提供對數據網絡的訪問；最大覆蓋半徑為15千米的WAN用于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；最大覆蓋半徑為5千米的WMAN提供面向互聯網的高速連接，提供“最后一千米”的寬帶無線接入（BWA）；最大覆蓋半徑為150米的WLAN的基本用途是用于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均屬于短距離無線通信系統。WPAN的最大覆蓋半徑為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）。藍牙用于無線鼠標、無線鍵盤、非手持式耳機和聽筒。HR-WPAN用于高寬帶多媒體傳輸。LR-WPAN主要用于物聯網，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、玩具與游戲、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。
短距離無線通信系統RF輸出功率低（幾毫瓦～100毫瓦），通信距離短（幾厘米～150米），結構簡單，價格相對低廉，無許可證操作，通常電池供電。正是由于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系統。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，玩具與游戲，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、網絡體系結構、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提供單片系統解決方法。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（相當于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、系統內可編程閃存（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，外接元件少，對于網狀網系統只需要一個晶振，給系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系統知識，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。
本書取材于當前主流的短距離無線通信系統，包括四個部分的內容：短距離無線通信系統概述、典型短距離無線通信系統（LR-WPAN、HR-WPAN、藍牙）、無線個人區域網絡的網狀網能力、異種網絡系統的共存。具體安排如下：
第一部分“短距離無線通信系統概述”：包含1章（第1章）。內容包括無線通信系統的分類，以及各類無線通信系統的簡單介紹。著重綜述了IEEE 802.11 WLAN的物理層、MAC機制及其體系結構、應用。然后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。最后是短距離無線通信系統概述，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系統”：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），包括網絡的體系結構（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章是藍牙通信系統的概述，包括藍牙通信拓撲、核心系統體系結構、分組格式、數據傳輸體系結構等。
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“異種網絡系統的共存”：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“藍牙通信系統”、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余4章的編寫，并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。對于包含多個字節的域，按照從最低字節到最高字節、每個字節按照最低比特到最高比特的順序開始發送和接收。對于在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，學生最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。作者在此一并表示由衷感謝！
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