第8章 无线个域网20111218
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无线个域网概述(wpan)
关键技术
WPAN的关键技术包括 IrDA、HomeRF、UWB、 蓝牙技术、ZigBee技 术等
技术介绍：
☆IrDA(红外)技术 【InfraredDataAssociation】
IrDA是利用红外线进 行通信的技术，最高通信速 率仅115.2kbps，主要优点是 无需申请频率使用权，通信 成本低廉，具有体积小、功 耗低、连接方便、简单易用 等特点
无线个域网在交通控制中的应用
智能交通系统中主要需要进行交通路口 车辆信息检测完成数据采集传送回控制 中心, 通过数据分析处理直接控制交通 信号。
在技术上, ZIGBEE 具有低功耗的特点, 完全适合于安装在机动车辆之上。考虑 到汽车的快速移动性, ZIGBEE 节点设备 接入网络的时间只需 15ms, 完全可满足 要求。ZIGBEE 网络具有非常高的可靠 性, 是一种网状网络，如有主干路由节 点损坏, 仍可转换路径完成数据通信。
☆ZigBee技术
单ZigBee是一种短距离、低功率、低速 率无线接入技术，工作于2.4GHz ISM频 段，传输速率为20~250kbps，传输距离 为10~1igBee中心节点
ZigBee终端节点
节点2 节点1
五种WPAN关键技术的 技术特点
☆ZigBee技术
高速wpan
高速WPAN适合大量多媒体文件、短时 的视频和音频流的传输，能实现各种 电子设备间的多媒体通信。
超宽带WPAN
超宽带WPAN的目标包括支持IP语音、高清电视、 家庭影院、数字成像和位置感知等信息的高速传 输，具备近距离的高速率、较远距离的低速率、 低功耗、共享环境下的高容量、高可扩展性等。
工作频率：3.1GHz~10.6GHz
低速wpan
低速WPAN主要为近距离网络互连而设 计，采用IEEE 802.15.4标准。
第八章 计算机网络和局域网
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5．综合信息服务 当今的信息社会，商业、金融、文化、教育、新闻等社 会的各行各业每时每刻都在产生并处理大量的信息，计算机 网络能支持文字、图片、数字、语音等各种信息的收集、传 输和加工工作，已成为社会公共信息处理的基础设施。综合 信息服务就是通过网络为各行各业提供各种及时、准确、详 尽的信息。
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3．环型结构 环型结构也是将计算机或其他设备连接到一条公用的总 线上，但总线两端是连接起来的，形成一个封闭的环型结构， 如图8.1.3所示。 环型结构的特点： （1）数据沿一个方向在网络中各个节点之间传输，易 于实现高速传送。 （2）在环路中发生断接也将造成整个网络的瘫痪。 （3）结构简单、成本低。
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第八章 计算机网络和局域网
第一节 计算机网络基础知识 第二节 局域网基础知识 第三节 网络资源共享 本章小结 习题八
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第一节 计算机网络基础知识
计算机网络已经广泛应用于社会的各个领域，例如数据收 集与处理、信息服务、计算机辅助教育、工业自动化、商业自 动化、办公自动化、过程控制、经营管理、数据检索等。网络 的普及标志着计算机应用已经达到一个新的水平。
3．城域网 城域网（MAN）是一种介于局域网和广域网之间的高速 网络，覆盖地理范围介于局域网和广域网之间，一般为几公 里到几十公里，传输速率一般在50 Mb/s左右。其用户多为要 在市内进行高速通信的大单位或公司等。
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三、计算机网络的拓扑结构 计算机网络的拓扑结构是指计算机网络硬件系统的连接 形式，它不考虑实际网络的地理位置，只把网络内的计算机 看成一个节点，这样就抽象出网络的拓扑结构。 网络拓扑结构一般分为总线型、星型、环型、树型、网状型 及混合型等。
无线个域网概述
基于蓝牙技术的WPAN能在一定程度上解 决计算机与外设之间的无线互连问题， 但由于其在传输速率和设备兼容性等方 面的局限，无法得到更为广泛的应用。 基于UWB的高速WPAN使得这一问题迎刃 而解。
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☆HomeRF技术
HomeRF是数字无线电话技术与WLAN技术融合发展的产物， 它采用共享无线连接协议(Share Wireless Access Protocol，SWAP)，工作在2.4GHz ISM频段，在语音和数据 业务上应用甚广。
特点
安全可靠；成本低廉； 简单易行；不受墙壁和 楼层的影响；传输交互 式语音数据采用TDMA技 术，传输高速数据分组 则采用CSMA/CA技术；无 线电干扰影响小；支持
工作频率：3.1GHz~10.6GHz
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低速wpan
低速WPAN主要为近距离网络互连而设 计，采用IEEE 802.15.4标准。 其结构简单、数据率低、通信距离近 、功耗低、成本低，被广泛用于工业 监测、办公和家庭自动化及农作物监 测等
IEEE 802.15.4标准。
IEEE 802.15.4描述了低速率无线个人局域网的 物理层和媒体接入控制协议。它属于IEEE 802.15工作组。
节点4 节点3
节点5
PC控制
ZigBee中心节点
ZigBee终端节点
节点2 节点1
精品课件
五种WPAN关键技术的技 术特点
☆ZigBee技术
精品课件
应用实例
精品课件
无线个域网的应用实例
电子称，内置 ZigBee 模块
ZigBee 基站
干货区 水果区 生鲜区
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服务器 收银台
收银台 收银台 内置 ZigBee 模块
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☆HomeRF技术
HomeRF是数字无线电话技术与WLAN技术融合发展的产物， 它采用共享无线连接协议(Share Wireless Access Protocol，SWAP)，工作在2.4GHz ISM频段，在语音和数据 业务上应用甚广。
特点
安全可靠；成本低廉； 简单易行；不受墙壁和 楼层的影响；传输交互 式语音数据采用TDMA技 术，传输高速数据分组 则采用CSMA/CA技术；无 线电干扰影响小；支持
工作频率：3.1GHz~10.6GHz
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低速wpan
低速WPAN主要为近距离网络互连而设 计，采用IEEE 802.15.4标准。 其结构简单、数据率低、通信距离近 、功耗低、成本低，被广泛用于工业 监测、办公和家庭自动化及农作物监 测等
IEEE 802.15.4标准。
IEEE 802.15.4描述了低速率无线个人局域网的 物理层和媒体接入控制协议。它属于IEEE 802.15工作组。
节点4 节点3
节点5
PC控制
ZigBee中心节点
ZigBee终端节点
节点2 节点1
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五种WPAN关键技术的技 术特点
☆ZigBee技术
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应用实例
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无线个域网的应用实例
电子称，内置 ZigBee 模块
ZigBee 基站
干货区 水果区 生鲜区
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服务器 收银台
收银台 收银台 内置 ZigBee 模块
无线个域网(四)
无线个域网（四）无线个域网就是在个人周围空间形成的无线网络，现通常指覆盖范围在10m半径以内的短距离无线网络，尤其是指能在便携式消费者电器和通信设备之间进行短距离特别连接的自组织网。
WPAN被定位于短距离无线通信技术，但根据不同的应用场合又分为高速WPAN （HR－WPAN）和低速WPAN（LR－WPAN）两种。
发展高速WPAN是为了连接下一代便携式消费者电器和通信设各，支持各种高速率的多媒体应用，包括高质量声像配送、多兆字节音乐和图像文档传送等。
这些多媒体设各之间的对等连接要提供20Mb／s以上的数据速率以及在确保的带宽内提供一定的服务质量（QoS）。
高速率WPAN在宽带无线移动通信网络中占有一席之地。
发展低速WPAN是因为在我们的日常生活中并不是都需要高速应用。
在家庭、工厂与仓库自动化控制，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、库存实时跟踪以及在游戏和互动式玩具等方面都可以开展许多低速应用。
有许多低速应用比高速应用对我们的生活更为重要，甚至能够挽救我们的生命。
例如，当你忘记关掉煤气炉或者睡前忘锁门的时候，有了低速WPAN就可以使你获救或免于财产损失。
从网络构成上来看，WPAN位于整个网络架构的底层，用于很小范围内的终端与终端之间的连接，即点到点的短距离连接。
WPAN是基于计算机通信的专用网，工作在个人操作环境，把需要相互通信的装置构成一个网络，且无须任何中央管理装置及软件。
用于无线个域网的通信技术有很多，如蓝牙、红外、HomeRF等，下面就几种主要的技术进行讲述。
①蓝牙。
蓝牙是由爱立信、英特尔、诺基亚、IBM和东芝等公司于1998年5月联合主推的一种短距离无线通信技术，它可以用于在较小的范围内通过无线连接的方式实现固定设备或移动设各之间的网络互联，从而在各种数字设各之间实现灵活、安全、低功耗、低成本的语音和数据通信。
蓝牙技术的一般有效通信范围为10m，强的可以达到100m左右，其最高速率可达lMb／s。
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消费者电器和通信设各，支持各种高速率的多媒体应用，包括高质量声像配 送、多兆字节音乐和图像文档传送等。这些多媒体设各之间的对等连接要提 供20Mb／s以上的数据速率以及在确保的带宽内提供一定的服务质量（QoS） 。高速率WPAN在宽带无线移动通信网络中占有一席之地。发展低速WPAN是因 为在我们的日常生活中并不是都需要高速应用。】
HomeRF
HomeRF。它是由HomeRF工作组开发的，它是在家庭区域范围内的 计算机和电子设各之间实现无线数字通信的开放性工业标准，为家庭 用户建立具有互操作性的音频和数据通信网带来了便利。HomeRF是 IEEE 802.11与数字增强无绳电话（digital enhanced cordless telephone，DECT）的结合。HorneRF工作在开放的2.46Hz频段， 采用跳频扩频技术数据传输速率峰值达10Mb／s。 【共有75个带宽为lMHz的跳频信道，室内覆盖范围约45m，调制方式 为恒定包络的FSK调制，且分2FSK与4FSK两种，采用FSK调制可以 有效地抑制无线通信环境下的干扰和衰落。2FSK方式下，最高数据 的传输速率为lMb／s；4FSK方式下，速率可达ZMb／s。在新的 HomeRF 2．x标准中，采用了宽带跳频（wide band frequencyhopping ，WBFH）技术来增加跳频带宽，由原来的1MHz跳频信道增加到 3MHz和5MHz，跳频的速率也提高到75hops／s，】
规范标准
目前，IEEE、ITU和HomeRF等组织都致力于 WPAN标准的研究，其中IEEE组织对WPAN的规 范标准主要集中在802.15系列。【IEEE、ITU、 HomeRF是什么？】
规范标准
无线个域网
无线网络技术无线个域网及其技术研究摘要：无线个域网(WPAN)是一种与无线广域网fWWAN)、无线城域网(WMAN)、无线局域网(WEAN)并列但覆盖范围相对较小的无线网络。
WPAN所覆盖的范围一般在10m半径以内，必须运行于许可的无线频段。
WPAN能够有效地解决“最后的几米电缆”的问题，进而将无线联网进行到底。
阐述了无线个域网基本概念、网络分类及特点。
并将其与无线局域网进行简单比较’同时对相关技术进行了分析。
关键词：无线个域网，无线局域网，红外数据标准协会；蓝牙；超宽带；ZigBee 正文：随着新兴的无线通讯技术、低价位的无线设施、网际网络的普及化，无线网络变得愈来愈普及。
目前无线通信技术从涵盖范围划分主要分为四大类，即无线个域网(WPAN)、无线局域网何LAN)、无线城域网(WMAN)、无线广域网(WWAN)，其中WPAN是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无线无缝的连接而提出的新兴无线通信网络技术。
WPAN能够有效地解决“最后的几米电缆”的问题，进而将无线联网进行到底。
无线个域网指的是在便携式消费电器和通信设备之间进行短距离自组连接的网络覆盖范围一般在10m半径以内这里的自组连接有两层含义(1)设备可以承担主控功能又可以承担被控功能(2)设备可以很容易地加入或者离开现有网络[1]目前使用较为广泛的近距离无线通信技术包括红外数据传输和蓝牙还有一些非常具有发展潜力的技术标准如超宽带和Zigbee等它们都有各自的特点或基于传输速度距离耗电量的特殊要求或着眼于功能的扩充性目前，无线个域网(PAN)的主要技术有红外技术(IrDA)、家庭射频(HomeRF)、蓝牙(Bluetooth)、超带宽(I珊璐)、ZigBee、射频识别(RFID)等。
其共同的特点是短距离、低功耗、低成本和个人专用，但是这些技术在功耗、成本、传输速率、传输距离、组网能力、应用等方面各有特点，没有一种技术能够完美到可以满足所有的需求。
无线个域网
FFD
FFD
3. 高速 WPAN（UWB)
高速
WPAN 用于在便携式多媒体装置之间传送 数据，支持11 ~ 55 Mb/s 的数据率，标准是 802.15.3， 。 IEEE 802.15.3a 工作组还提出了更高数据率的 物理层标准的超高速 WPAN，它使用超宽带 UWB 技术。 UWB 技术工作在 3.1 ~ 10.6 GHz 微波频段， 目的是获得非常高的信道带宽。
无线个人区域网 WPAN (Wireless Personal Area Network)
在个人工作地方把属于个人使用的电子设备 用无线技术连接起来自组网络，不需要使用 接入点 AP。 整个网络的范围大约在 10 m 左右。 WPAN 是以个人为中心来使用的无线人个区 域网，它实际上就是一个低功率、小范围、 低速率和低价格的电缆替代技术。WPAN 都 工作在 2.4 GHz 的 ISM 频段。
ZigBee 的特点
功耗非常低。在工作时，信号的收发时间很短； 而在非工作时，ZigBee 结点处于休眠状态，非 常省电。 网络容量大。一个 ZigBee 的网络最多包括有 255 个结点，其中一个是主设备，其余则是从 设备。若是通过网络协调器，整个网络最多可 以支持超过 64000 个结点。 成本低。相对于蓝牙不到10%。 高可靠，抗电磁干扰等。
ZigBee 的标准
在 IEEE 802.15.4 标准基础上发展而来的。 所有 ZigBee 产品也是 802.15.4 产品。 IEEE 802.15.4 只是定义了 ZigBee 协议栈的最低 的两层（物理层和 MAC 层），而上面的两层 （网络层和应用层）则是由 ZigBee 联盟定义的。
主节点通过轮询从节点实现两者之间的通信。 从节点只有收到主节点的的信息包方可发送数据。
精品文档-计算机网络技术基础(曹建文)-第8章
第八章 常用的局域网技术
3．以太网MAC子层 IEEE 802.3以太网是一种总线型局域网，使用的介质访 问控制子层方法是CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)， 帧格式采用以太网格式，即802.3帧格式，以太网是基带系统， 使用曼彻斯特编码，通过检测通道上的信号存在与否来实现 载波检测。
第八章 常用的局域网技术
第八章 常用的局域网技术
(3) 10Base-T。10Base-T是以太网中最常用的一种标准， “T”是英文Twisted-pair(双绞线电缆)的缩写，说明使用双 绞线电缆作为传输介质，采用曼彻斯特编码方式。图8-3给出 了一个以集线器为星型拓扑中央节点的10Base-T网络示例， 所有的工作站都通过传输介质连接到集线器HUB上，工作站与 HUB之间的双绞线最大距离为100 m，网络扩展可以采用多个 HUB来实现，HUB之间的连接可以使用双绞线、同轴电缆或粗 缆线。
第八章 常用的局域网技术
3．令牌总线访问控制 令牌总线(Token Bus)访问控制是在物理总线上建立一个 逻辑环，令牌在逻辑环路中依次传递，其操作原理与令牌环 相同。它同时具有上述两种方法的优点，是一种简单、公平、 性能良好的介质访问控制方法。
第八章 常用的局域网技术
8.5 以 太 网 8.5.1 标准以太网
在发送数据的同时，站点继续监听网络，确信没有其 他站点在同时传输数据。因为有可能两个或多个站点都同时 检测到网络空闲然后几乎在同一时刻开始传输数据，如果两 个或多个站点同时发送数据，就会产生冲突；
当一个传输节点识别出一个冲突，它就发送一个拥塞 信号，这个信号使得冲突的时间足够长，让其他的节点都能 发现；
第八章 常用的局域网技术
8.4 介质访问控制方法
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PC控制
ZigBee终端节点 ZigBee中心节点
节点3
节点2
节点1
星型ZigBee网络
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五种WPAN关键技术的技术特点
技术指标 工作频段 传输速率 通信距离 应用前景 蓝牙 2.4GHz 1Mbps 10m 中 HomeHF 2.4GHz 6~10Mbps 50m 中 IrDA 红外线 16Mbps 1m 一般 UWB 3.1~10.6GHz 480Mbps 10m 好 ZigBee 2.4GHz 20~250kbps 10~100m 好
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☆HomeRF技术 HomeRF是数字无绳电话技术与WLAN技术融合 发展的产物，它采用共享无线连接协议(Share Wireless Access Protocol，SWAP)，工作在 2.4GHz ISM频段 ☆蓝牙技术 蓝牙能支持短距离(如10米内)无线通信，能在手 机、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等 之间进行信息交换，其工作于2.4GHz ISM频段， 数据速率为1Mbps，采用时分双工传输方案
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IEEE802.15任务组
802.15子工作组 802.15.1 802.15.2 802.15.3 802.15.3a 802.15.4 802.15.5 802.15.6 SGrfid
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ZigBee路由协议
☆基本思想 为达到低成本、低功耗、可靠性高等设计目标， ZigBee网络采用了Cluster-Tree与按需距离矢量 (AODV)路由相结合的路由算法，但ZigBee使用 的AODV与自组织网络中的经典AODV协议并不 完全相同，可看做是一种简化版的AODV，即 AODVjr。ZigBee网络中，节点可按照父子关系 (旧节点允许新节点通过其加入网络时，即形成父 子关系)使用Cluster- Tree算法选择路径，即当一 个节点接收到分组后发现该分组不是给自身的， 则只能转发给它的父节点或者子节点
工作内容 蓝牙1.x版 WLAN与WPAN共存 高速数据率 超宽带(UWB) 低数据速率及ZigBee 网状网络(Mesh) 用于医疗的人体内无线通信 RFID在WPAN的应用
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☆802.15.1标准 802.15.1本质上是蓝牙低层协议的一个正式标准 化版本，大多数标准制定工作仍由蓝牙特别兴趣 组负责 ☆802.15.2标准 802.15.2标准制定了一个共存模型，以量化WPAN 和WLAN的冲突。802.15.2实际上是一个策略建 议，推荐了一系列解决WPAN与WLAN互扰的技 术策略和方案，主要可分为协同共存和非协同共 存两种
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☆Cluster-Tree Cluster-Tree是一种由协调器展开生成树状网络的 拓扑结构，适于节点静止或移动较少的场合，属 于静态路由，无需存储路由表 ☆AODVjr AODVjr算法考虑了节能、简便等因素，简化了 AODV的一些特点，但仍保持了AODV的原始功 能，下图所示为AODVjr工作过程
第8章 无线个域网
金光,江先亮
本章内容简介
☆无线个域网概述 ☆无线个域网的关键技术 ☆IEEE 802.15技术标准 ☆无线个域网的协议 ☆无线个域网的协议体系结构 ☆无线个域网的应用实例 ☆无线个域网的仿真
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AODVjr的性能特点 ①为减少控制开销和简化路由发现过程，未使用 目标节点序列号 ②AODVjr无先驱节点列表，从而简化了路由表 结构 ③如果链路中断，AODVjr采用本地修复 ④节点不发送HELLO分组，仅根据收到分组或 MAC层提供的信息更新邻居节点列表
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无线个域网概述
个域网的基本概念
●个域网(Personal Area Network，PAN)，是一种 范围较小的计算机网络，主要用于计算机设备之 间的通信，还包括电话和个人电子设备等 ●PAN的通信范围往往仅几米，也可用于连接多 个网络 ●PAN被看作是最后一米的解决方案 ●无线个域网(Wireless PAN，WPAN)是一种采用 无线连接的个域网 ●WPAN主要通过无线电或红外线代替传统有线 电缆，实现个人信息终端的互联，组建个人信息 网络
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IEEE 802.15技术标准
●IEEE、ITU等组织都致力于WPAN标准的制定， 其中IEEE的研究重点主要是IEEE 802.15系列，它 也是目前最权威的WPAN标准，具体由802.15工作 组负责制定，其分为7个任务组，如下表所示：
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WPAN的主要特点有： ①高数据速率并行链路：>100Mbps ②邻近终端之间的短距离连接：典型为1~10m ③标准无线或电缆桥路与外部因特网或广域网的 连接 ④典型的对等式拓扑结构 ⑤中等用户密度
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☆802.15.3标准 802.15.3-2003是针对高速WPAN制定的无线MAC 层和物理层规范，允许WPAN在家中连接多达上 百个无线应用设备，传输速度可达11~55Mbps， 适合多媒体数据传输，有效距离可达100m ☆802.15.4标准 802.15.4-2006标准主要针对低速WPAN。该标准 以低功耗、低速率传输、低成本为目标，旨在为 个人或家庭范围内不同设备间的低速互连提供统 一标准，目前正不断发展
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无线个域网的关键技术
WPAN的关键技术包括IrDA、HomeRF、UWB、 蓝牙技术、ZigBee技术等 ☆IrDA(红外)技术 IrDA是利用红外线进行通信的技术，最高通信速 率仅115.2kbps，主要优点是无需申请频率使用权， 通信成本低廉，具有体积小、功耗低、连接方便、 简单易用等特点 ☆超宽带(UWB)技术 超宽带(Ultra Wide Band，UWB)是一种基于IEEE 802.15.3的超高速、短距离无线接入技术，通信 范围在10米范围内，能实现每秒数百兆位的数据 传输率，具有抗干扰性强、传输速率高、带宽大、 消耗电能低、保密性好等众多优势
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●低速WPAN主要为近距离网络互连而设计，采 用IEEE 802.15.4标准。其结构简单、数据率低、 通信距离近、功耗低、成本低，被广泛用于工业 监测、办公和家庭自动化及农作物监测等 ●高速WPAN适合大量多媒体文件、短时的视频 和音频流的传输，能实现各种电子设备间的多媒 体通信 ●超宽带WPAN的目标包括支持IP语音、高清电 视、家庭影院、数字成像和位置感知等信息的高 速传输，具备近距离的高速率、较远距离的低速 率、低功耗、共享环境下的高容量、高可扩展性 等
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WPAN主要应用于个人用户工作空间，其位于整 个网络链的末端，用于实现同一地点终端与终端 间的连接。从技术角度分析，WPAN系统通常可 分为以下4个层次： ①应用软件和程序 ②固件和软件栈 ③基带装置 ④无线电收发
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无线个域网的分类
通常将WPAN按传输速率分为低速、高速和超高 速三类，如下图所示
低速WPAN 通信速率：0.25Mbps 通信距离：10m 工作频率：2.4GHz 通信速率：55Mbps 通信距离：10m 工作频率：2.4GHz
无线个域网
高速WPAN
通信速率：110/200/480Mbps 超高速WPAN 通信距离：10m、4m和4m以下 工作频率：3.1GHz~10.6GHz
Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua UnZigBee路由中可将节点分为两类：RN+和RN-。 RN+指具有足够存储空间和能力执行AODvjr路由 协议的节点，RN-则指其存储空间受限、无执行 AODVjr路由协议能力的节点，RN-收到一个分组 后只能用Cluster-Tree算法处理 ☆路由建立过程 ①节点创建并向周围节点广播RREQ分组，如果 收到RREQ的节点是RN-节点，就按Cluster-Tree路 由转发该分组。如为RN+节点，则根据RREQ信 息建立相应的路由发现表条目和路由表条目(在路 由表中建立一个指向RREQ源节点的反向路由)， 继续广播分组