基于电信系统的家庭网络研究毕业设计

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1、邮电大学移通学院毕业设计任务书设计题目基于电信系统的家庭网络研究 教师单位 邮电大学移通学院 下任务日期_2013_年_1_月_4_日主 要 研 究 容 、 方 法 和 要 求本文主要研究在电信系统中家庭网络的应用,对家庭网络中的宽带技术、蓝牙技术、无线局域网有系统的讲解,再者主要研究蓝牙技术、Wifi技术的发展以及在家庭网络中的具体应用,还用时下盛行的手机Wifi技术。 进 度 计 划 2013.1.43.5：结合论文需要收集、整理、归纳分析资料； 3.63.15:完成开题报告；3.164.10：查阅资料掌握蓝牙及Wifi技术的基本原理、基本要求；4.115.10：撰写毕业论文,写出论文的基

2、本框架；5.115.20 ：修改论文,送论文审查,准备答辩；6.1：答辩,完成全部毕业设计相关资料的递交。 主 要 参 考 文 献1威.宽带接入技术与实践M.：人民邮电,20082房胜,田淑珍,钟玉琢.一种新的基于蓝牙技术的家庭网络服务发现模型C.2001.103楼颖.数学化家电网络软件平台SOPCA中管理系统的研究D.清华大学硕士论文,2000.54剑虹,汪敏,朱俊.基于蓝牙技术家庭网络的研究和实现J.计算机工程,2004.3 指导教师签字： 年 月 日教研室主任签字： 年 月 日备注：此任务书由指导教师填写,并于毕业设计开始前下达给学生。摘 要随着家用电器,IT产品,通信产品在家庭的普及,

3、家庭设备的网络化,信息化,自动化需求应运而生,家庭网络的概念随之产生。从家庭网络概念的广义理解出发,提出家庭网络是为了满足用户的某些需求而组建的,为用户提供一定的业务与应用,并对家庭网络的业务与应用、目前家庭网络业务与应用的发展情况进行了分析,提出今后家庭网络业务与应用的发展趋势。传统的网络模式已经不能满足人们快速增加的需求,所以部署新业务,采用新的体系结构,开发新型的业务平台,成为需要研究解决的重要问题。经过30年的发展,家庭网络已经成为一个集家用电器控制系统,家庭娱乐服务系统,家庭安全管理系统三者于一体的一个集成化系统。其中,家庭娱乐流媒体业务成为目前家庭网络发展最快的一个领域。怎样更好的

4、满足家庭客户的需要,又可兼顾到目前的网络架构和运营商的成本是一个亟待解决的重要课题,而长期以来的应用研究主要集中在了家庭部,对于家庭之间,即家庭网关设备之间的互联、互通几乎没有研究。本文通过对家庭网络中的宽带接入技术、蓝牙技术、无线局域网都有系统的讲解。对蓝牙技术和现在盛行的Wifi技术在家庭网络中的应用有较详细的讲解,也涉猎了Wifi在现在智能手机上的应用。关键词家庭网络 宽带接入技术 无线网络 蓝牙技术 家庭WifiABSTRACTAs household appliances, IT products, communications products within the family,

5、 family devices in the network, informationization, automation requirements arises at the historic moment, the concept of home network generates. Based on the generalized understanding of the concept of home network, home network is put forward in order to meet the certain requirements for users, fo

6、r users provide a certain amount of business and application, and the business of home network and application, the current home network of the development of business and application are analyzed, put forward and application trend of the development of home network business in the future.Traditiona

7、l network mode cannot have satisfied peoples need of the rapid increase, so the deployment of new business, adopt the new system structure, developing new business platform, has become an important problem need to study to solve. After 30 years of development, the family network has become a collect

8、ion of home appliance control system, home entertainment systems, home security management system in the integration of an integrated system. Among them, the family entertainment streaming into the home network one of the fastest developing areas. How to better meet the needs of domestic customers,

9、but also give attention to two or morethings arrives the cost of the current network architecture and operators is an important subject to be solved, and the researches are mainly concentrated in the family for a long time, for the family, the family gateway device interconnection between, each othe

10、r almost no research.This article through to the home network of the broadband access technology, bluetooth, wireless local area network system, the interpretation ofKey wordsHome networkBroadbandaccess technologyAwireless networkBluetooth technologyThe family of Wifi目 录前言1第一章家庭网络的概述2第一节家庭网络的概述及研究目的

11、2第二节宽带接入的提出3一、宽带接入的背景3二、宽带接入的特点4第三节宽带接入技术概述4一、XDSL接入5二、Cable Modem接入5三、无线接入6四、光纤接入6五、电力接入7第二章家庭网络中的无线局域网8第一节无线技术发展推动市场的需求8一、无线网络WLAN出现的必然性8二、无线局域网的优势8第二节无线局域网WLAN技术9一、无线局域网IEEE802.11标准9二、无线组网技术12第三章家庭网络中的Wifi和蓝牙技术14第一节家庭网络中的Wifi技术14一、Wifi技术在家庭网络中应用14二、Wifi的优势14三、Wifi在家庭网络中的组建15四、Wifi在手机上的应用17第二节蓝牙技术

12、18一、蓝牙中的关键技术18二、蓝牙技术在家庭网络中的应用21三、蓝牙技术发展中存在的问题26第四章电信系统中家庭网络的现况28第一节 基于电信系统的家庭网络技术要求28一、家庭网络与电信网络的连接28二、基于电信网络的家庭网络标准体系30第二节家庭网络的现况30第五章电信系统中家庭网络的未来发展33第一节家庭网络的发展需求33第二节家庭网络在电信系统中的未来发展34一、融合型家庭网关34二、无线接入网关35三、家庭组网有线与无线并存35四、运营商角逐家庭网络36结论38致39参考文献40附录41一、英文原文41二、英文翻译4550 / 55前 言随着家用电器、通过信产品在家庭的普及,家庭生活

13、的网络化、信息化、自动化的需求也应运而生,家庭网络的概念也就随之出现。数字化进程的日益加深,人们的家居生活越来越明显地印上网络的烙印,最突出的表现就是家电开始走向数字化,网路化。在这个网络并且又信息开放的时代,家庭网络的出现给人们带来了很多的方便,无论是在个人娱乐方面还是在生活方面都方便了许多,例如：网络学习、网络购物、网络订票、网络音乐、网络电视、网络游戏、网络聊天QQ、MSN、网络日记Blog、网络新闻、网络会议、IP以及远程医疗。现在的网络时代足不出户就可以看到你所需要的影片或者视频,并且还可以享受在家里轻松购物的感觉,不用大包小包的满商店的逛,而且还给人们带来了很多视觉和精神上的享受,

14、最主要的是给那些没时间逛街的上班族也带来了莫大的方便。随着家庭网络应用的围一点一点的变得广阔,其起到的作用更是不可磨灭的。 蓝牙技术和无线Wifi技术的出现是的家庭网络的使用更加的方便,更加的先进,更加有利于我们的生活。无线Wifi技术解决了家庭用网的线路问题,而蓝牙技术则是的短距离更加方便我们使用网络。第一章 家庭网络的概述第一节 家庭网络的概述及研究目的家庭网络Home Network：指的是融合家庭控制网络和多媒体信息网络于一体的家庭信息化平台,是在家庭围实现信息设备、通信设备、娱乐设备、家用电器、自动化设备、照明设备、保安监控装置及水电气热表设备、家庭求助报警等设备互连和管理,以及数据

15、和多媒体信息共享的系统。家庭网络随着用户的需求、政策、技术、标准的发展而发展。家庭网络系统构成了智能化家庭设备系统,提高了家庭生活、学习、工作、娱乐的品质,是数字化家庭的发展方向。家庭网络可以提供集成的语音、数据、多媒体、控制和管理等功能,从而达到信息在家庭部与外部之间的充分流通和共享,让人们的家庭生活更好的与外界接轨,同时也可以更好的学习外界的新事物。今天,不同行业包括IT/家电业、通信业、小区物业对家庭网络的不同理解都是根据不同的用户需求而来的。根据用户的需求,家庭网络提供的业务与应用带给消费者的体验可以仅限于家庭部,小区部,也可以是任意时间任意地点。这些业务与应用包括：照片、音乐、影片等

16、共享；文件、打印共享；空调、冰箱、洗衣机、灯光控制；烟雾、煤气泄漏、防盗报警；水、电、煤三表数据自动读取；各类/、可视通信、互联网访问；IPTV、视频点播、网络游戏；远程家电控制、远程抄表、远程报警。家庭网络涉及的设备是下列设备中的多个：计算机、打印机、机、扫描仪、投影仪、手机、IP、录像机、电视机、机顶盒、A/V设备、摄像机、数码相机、洗衣机、冰箱、微波炉、安防系统、照明系统、可视对讲系统、电动窗帘系统、自动烟雾探测、水表、气表、电表等。目前,在国外一些小区、社区流行着智能化小区的概念,通过各种技术为人们的生活带来的方便变现还有以下方面：为自来水、煤气、电力、暖气的集中抄表提供了方便。为小区

17、和家庭安防直接将安防信息和警报发给所在小区警备室、接到派出所提供了方便。接入小区服务、社区医院等系统,只要用户触发按键,位置信息将自动发送到小区急救平台或相关社区医院。通过家庭网络可以实现以下的业务与应用：通过与Internet互联,机顶盒和电视机或者电脑实现VOD点播,并提供个性化的信息服务及互动的Internet娱乐游戏等。实现家庭部各种信息终端的高速信息共享。如：PDA、PC之间的数据共享。通过家庭网关实现远程对各种家用电器设备的控制、调节和检测,如对微波炉、洗衣机、空调、灯光、电动窗帘、温度和湿度控制器、风量调节器等的控制。实现放到报警、自动烟雾检测器、有害气体检测装置自动报警,并通过

18、网络发送到用户手机、Email信箱或者小区的管理中心。通过在家中安装摄像头,利用家庭网关作为食品服务器,用户在远端通过Internet可以实时监控家庭安全。家庭网络的业务应用功能可以定位为以下三大方面：家庭娱乐：观看影片、聆听音乐、上网购物、聊天、关注新闻等电信及广播业务：VOD、VOIP、IPTV、个人影音studio、家庭共享控制及监视功能：安防、电器控制、电源管理。第二节 宽带接入的提出一、宽带接入的背景生活在信息时代,许多人每天都接触因特网。如：网络学习、网络游戏、网络音乐、网络购票、网络购物、网络聊天等,都离不开网络,而能为用户提供这些服务的技术,就是宽带接入技术。传统的接入方式是铜

19、线接入,接入网络的业务节点不开放。这种接入方式仅能支持普通的、低速的数据业务。随着光通信技术和高速调制技术如ADSL的突破,以及用户多高速数据业务和多媒体业务需求的推进,接入网技术在20世纪90年代飞速发展。其趋势是设备上网标准化程度高,接口开放,用户接口速率提升,对不同业务的支持能力更强。我国接入网的建设始于20世纪90年代中期,网上运行的接入网设备绝大部分是窄带接入系统。据统计,世界上的Internet的访问人数日益增加,用户对数据传送速率的需求也是与日俱增,对整个网络带宽形成巨大的压力,特比是接入部分,为解决Internet业务烦人高速接入问题,提出了宽带接入技术。宽带接入技术的提出是市

20、场的需求、是人们网络生活的需求。二、宽带接入的特点宽带broad band从技术上说,是指统一传输介质上,可以利用不同的频道进行多重并行传输,而且速率在1.54Mbit/s以上。通常人们把骨干网传输速率在2.5Gbit/s以上、接入网的传输速率能够达到1Mbit/s的网络即为宽带网。宽带到底需要多宽,才能满足人们的需求？经研究认为超过300kbit/s就可以作为一个比较合理的宽带应用。现在的宽带其传输速率通常为2Mbit/s,已经能够满足人们的大量的下载及影音传输的基本需要了。在实际应用中,宽带网的接入层位于用户区的局域网,局域网可以是宽带网的一个终端系统,宽带接入特点有以下四点：传输带宽,可

21、靠性和扩展性强。提供各种多媒体服务视频点播、远程教育、远程医疗、电子商务、电视会议、视频等随时上网,无需使用线,不受时间限制。结构简单,维护方便。第三节 宽带接入技术概述近年来,宽带业务在国乃至全世界都地非常盛行的,发展也是突飞猛进的,接入技术也是多种多样,目前使用较多的有：XDSL技术、LAN技术、光纤技术、无线技术、Cable Modem技术和电力线载波技术PLC。一、 XDSL接入数字用户线DSL是一种不断发展的宽带技术,该技术采用先进的编码技术和调制解调技术在常规线上传送宽带信号。它以铜质线为传输介质,在一根铜线上分别传输数据和语音信号,采用点对点的拓扑结构XDSL中的x代表各种数字用

22、户环路技术,因此它又分为IDSLISDN数字用户环路、HDSLhigh speed DSL,利用两对线双向对称传输2Mbits的高速数字用户环路、SDSL单线对双线双向对称传输的数字环路,传输距离比HDSL稍短、VDSL甚高速数字用户环路、ADSL非对称数字用户环路。 ADSL被誉为现代信息高速公路上的快车。因其具有下载速率高、频率高、性能优良等特点,而且技术比较成熟,所以得到了广泛的应用。ADSL是运行在普通上的一种高速宽带技术,最初主要是针对视频点播业务开发的,随着技术的发展,逐步成为了一种较方便的宽带接入技术,被业界所重视。其优势在于可以充分利用现有的线网络,在线路两端加装上ADSL设备

23、就可以为用户提供高带宽服务。二、Cable Modem接入Cable Modem是有线电视系统普遍采用的一种宽带接入技术。Cable Modem接入需要混合光纤/同轴电缆HFC的支持。HFC是指将光缆敷设到小区,然后通过光电的转换节点,利用有线电视同轴电缆网连接用户,提供综合电信业务的技术。Cable Modem与以往的Modem在原理上都是将数据进行调制后在Cable的一个频率围传输,接收时进行解调,传输机与普通的Modem相同,不同之处是通过有线电视的某个传输频带进行调制解调的。但Cable Modem也有缺点,其缺点是采用共享结构,随着用户的增加,个人的接入速率会有所下降,安全性也欠佳,

24、另外,由于各地的有线网各自成一体,在一定程度上也限制了Cable Modem的发展。三、 无线接入无线上网是近年来兴起的一种网络接入技术。由于摆脱了有线的束缚,是人们可在任何地点以任何方式移动上网,因此受到越来越多人的青睐。无线接入技术分为固定无线接入、移动无线接入和蜂窝移动三大系列。1.固定无线接入本地多点分配业务LMDS。LMDS最大的特点是宽带特点,可用频谱往往达1GHz以上。多点多信道分布式系统MMDS。MMDS不需要本地电信或有线广播公司的支持就能通过安装在屋顶上的天线为每位用户提供服务。自由空间光通信FSO。激光无线通信与以往的利用电磁波无线通信相比,具有容量大、发射装置和功率小、

25、不用政府特许证、对人体无影响等优点。2.移动无线接入宽带无线局域网络WLAN。无线局域网络是便携式移动通信的产物,终端多为笔记本电脑。其构成包括无线网卡、无线接入点AP、无线路由器等。WLAN主要用于会场、校园、厂区、公共休闲区域等区间的用户终端的无线接入。蓝牙技术。蓝牙是一种短距离无线连接技术 ,用于低成本的短距离无线连。家庭信息网络由于距离短,也可以利用蓝牙技术。蓝牙是实现语音和数据无线传输的开放性规,主要用于在笔记本计算机、移动以及其他移动设备如打印机、数码相机、高品质耳机等之间建立一种小型、经济、短距离的无线链路,从而方便、快速地实现各类设备之间的通信。蓝牙技术的本质是设备间的无线连接

26、。主要用于通信与信息设备,如手机、掌上算机、笔记本计算机等。这样给家庭网络也带来了很多方便。四、光纤接入光纤接入是指数据通信公司局端与用户之间完全以光纤作为传输介质。光纤接入可以分为有源光接入和无源光接入。光纤接入网主要的传输介质是光纤,实现接入网的信息传送功能。光纤接入网的产生,一方面是由于internet的飞速发展促进市场迫切的宽带需求,另一方面得益于光纤技术的成熟和设备成本的下降,这些因素使得光纤技术的应用从广域网延伸到接入网成为可能,为家庭网络更带来了方便光纤到家代表通信运营商把光纤安装到特定的大楼中,如住宅或公寓或办公搂。因而,光纤给家庭带来了很多的方便。五、电力接入电力接入PLC,

27、俗称电力线上网。PLC利用已有的电力线作为通信载体,加上一些PLC局端和终端调制器,将原有电力网变成了电力线通信网络,将已有的电源插座变为信息插座的一种宽带接入方式。它具有覆盖围广、不必重新布线、连接方便等特点,电力线上网是传输数据和语音信号的一种通信方式,具有通道可靠性高、投资方少见效快、与电网建设同步等得天独厚的优点。电力线宽带局域网由电力线以太网桥、电力线调制解调器组成的,电力线宽带局域网产品一般采用以太网组网技术。典型的电力线联网技术主要由3部分构成：数字电力线、电力线交换技术及上层应用电力线网络的物理层采用数字电力线技术。第二章 家庭网络中的无线局域网第一节 无线技术发展推动市场的需

28、求一、无线网络WLAN出现的必然性众所周知,无线网络应用正在全世界蓬勃发展。随着无线技术在日常生活中日益普及,人们越来越渴望在家中利用网络随时随地自由地工作、学习和娱乐。尤其是笔记本电脑使用的增加,人们也不满足仅仅坐在书房电脑台前上网,而希望可以在更舒适的地方,例如躺在床上或坐在客厅躺椅子上,也能访问网络。而且,现今的很多家庭都拥有了两台甚至两台以上的电脑,这就需要在家庭环境中具备多个网络接入点。在家中设立无线局域网WLAN既简单又省钱。人们能在各自房间自由走动,随时接入网络冲浪,而无需担心电缆和插头。用户能够真正无线自己的生活,感受前所未有的灵活性和自由性。随着计算机网络技术的逐渐成熟,以快

29、捷高效,组网灵活为优势的无线网络技术随之飞速发展。无线局域网是有线局域网的延伸或替代网络。无线数据通信,与有线网铺设相比,数据传输速率高,高干扰性、性较强,不受布线接点位置限制。对于生活社区、旅馆、机场车站等人员流动性区域,建立无线局域网是理想的选择。在过去的几年中,数字格式容的普及、宽带的光反应用以及人们对家庭网络兴趣的与日俱增,不断推动着数字媒体娱乐的中心。高性能电脑为用户提供了全新的数字媒体控制方法。而无线网络技术则帮助克服了墙壁、出口、和缆线的障碍。房间布局、楼城规划、网络连接和电脑本身的位置等将不再成为消费者享受数字媒体乐趣的障碍。因此随着社会的进步,随着人们生活的需求,无线网络的出

30、现也就成为必然。二、无线局域网的优势可靠性：无线局域网的系统分组丢失率应该低于10-5,误码率应该低于10-8。兼容性：对于室使用的无线局域网,应尽可能使其跟现有的有线局域网在网络操作系统和网络软件上相互兼容。数据速率：为了满足局域网业务量的需要,无线局域网的数据传输速率应该在1Mbps以上。通信：由于数据通过无线介质在空中传播,无线局域网必须在不同层次采取有效的措施以提高通信和数据安全性能。移动性：支持全移动网络或半移动网络。节能管理：当无数据收发时使站点机处于休眠状态,当有数据收发时再激活,从而达到节省电力消耗的目的。小型化、低价格：这是无线局域网得以普及的关键。电磁环境：无线局域网应考虑

31、电磁对人体和周边环境的影响问题。第二节 无线局域网WLAN技术无线局域网技术今年来产生了土匪猛进的发展,目前无线局域网技术所采用的技术标准主要有四种：IEEE802.11家族、蓝牙技术、红外线数据协会和HomeRF,其中IEEE802.11和蓝牙技术应用最为广泛。家庭网络是融合通信网络、控制网络和多媒体信息网络于一体的家庭信息化平台。一、无线局域网IEEE802.11标准无线局域网标准IEEE802.11. IEEE的802.11标准有很多子集构成,它详细定义了WLAN中从物理层到MAC层的通信协议。1997年IEEE开发了第一个国际认可局域网标准：IEEE802.11标准。 IEEE802.

32、11标准制定对于WLAN的发展具有非常重要的作用,主要表现在以下几方面：设备互操作性。使用IEEE802.11标准,可以使多厂设备之间具备互操性。标准增强了价格的竞争,使公司能以更低的研究和发展经费开发WLAN组件,同时也使一批较小的公司能够开发WLAN组件。产品的快速发展。IEEE802.11标准受到无线网络专家严格的论证和检测,开发者可以大胆采用该标准来开发无线网络。因为在制定该标准时已经倾注了大量的时间和精力,从而消除了在执行应用上的障碍。这将大大的减少了开发产品的时间。便于升级,保护投资。利用标准的设备有助于保护投资,可以避免专有产品将来被新产品代替后造成系统的损失。WLAN的变革类似

33、于IEEE802.3以太网,经过技术的变革,几年时间是标准得到了提高和完善。价格的降低。昂贵的设备价格一直困扰着WLAN行业,但是当更多的厂家和终端用户采用了IEEE802.11标准时,价格就大幅度的下降。其中一个原因是厂家将不再需要发展和支持低质量的专有组件以及制造和配套设备的开支。经历了一个价格迅速降低的过程,无线网络设备也将有一个价格降低的过程。在IEEE802.11标准中,有以下4种拓扑结构：独立基本服务集网络。基本服务集网络。拓展服务集网络。ESS无线网络。这些网络使用一个基本组件,IEEE802.11标准称之为基本服务集BSS,它提供一个覆盖区域,使BSS中的占点保持充分的连接。一

34、个站点可以在BSS自由移动,但如果它离开了BSS就不能够直接与其他站点建立连接了。1. IBSS网络IBSS是一个独立的BSS,它没有接入点作为连接的中心。这种网络又叫做对等网。这种方式连接的设备互相之间都直接通信而不用经过一个无线接入点来和有线网络进行连接。这种结构的优点是网络抗毁性好。建网容易且费用较低。为了满足任意两个站点可直接通信,网络中站点布局受环境限制较大。因此,而只需要实现无线设备之间互相通信的环境中特别有用如宾馆、会议中心或者机场。2.BSS网络在BSS网络中,要求有一个无线接入点充当中心站,所有点对网络的访问均有其控制。这样,当网络业务量增大时网络吞吐性能及网络时延性能的恶化

35、并不剧烈。由于每个站点只需要在中心站覆盖围之就可与其他点站通信,故网络中站点布局受环境限制也小。此外,中心站为接入有线主干网提供了一个逻辑接入点。BSS网络拓扑结构的弱点是抗毁性差,中心点的故障容易导致整个网络瘫痪,并且中心站点的引入增加了网络成本。在实际应用中,WLAN往往与有线主干网结合起来使用。3.ESS网络为了实现跨越BSS围,IEEE802.11标准中规定了一个ESSLAN。IEEE802.11标准给LLC层在网络中两个实体间要求发送MSDU的服务下定义。MAC层执行的服务分为站点服务和分布式系统服务两种类型。站点服务：IEEE802.11标准定义的站点服务为各站点所提供的功能。站点

36、可以AP,可以安装无线网卡的笔记本计算机。认证：因为无线LAN对于避免未经许可的访问来说,物理安全性较低,所以IEEE802.11规定了认证服务以控制LAN对无线连接相同层的访问。IEEE802.11标准详细定义了两种认证服务： 开放系统认证是IEEE802.11默认的认证方式。这种认证方式非常简单,非为两步：首先,想认证另一站点的站点发送一个含有发送站点身份的认证管理帧；然后,接收站发回一个提醒它是否识别认证站点身份的帧。 共享密匙认证。这种认证假定每个站点通过一个独立于IEEE802.11网络的安全信道,已经接收到一个秘密共享密匙,然后这些站点通过共享密匙的加密认证。 不认证：当一个站点不

37、愿与另一个站点连接时,它就调用不认证服务。而且不准对方拒绝。站点通过发送一个认证管理帧来执行不认证服务。 加密：有线局域网是通过局域网接入到以太网的端口来管理的,在有线局域网上的数据传输时通过线缆直接达到特定的目的地。分布式系统服务：IEEE802.11标准定义的分布式系统服务为整个分布式系统提供服务功能。 在无线局域网中,数据局域网通过无线电波在空中广播的,因此在发射机覆盖围数据可以被任何无线局域网络终端接收。安装一套无线局域网好像在任何地方都放置了以太网接口,因此无线局域网使数据的性成为真正关心的问题,因为无线局域网上网传输不只是直接达到一个接收方,而是覆盖围所有终端。IEEE802.11

38、提供了一个加密服务选项解决了这问题,将IEEE802.11网络的安全级提高到与有线网络相同的程度。IEEE802.11规定了一个可选择的加密成为有线对的对等加密,即WEP。在IEEE802.11中,有MAC层负责解决客户端工作站和访问加入点之间的连接。当一个IEEE802.11客户端进入一个或者多个接入点的覆盖围时,它会根据信号的强弱以及包错误率来自动选择一个接入点进行连接。一旦被一个接入点进行连接,客户端就会将发送接收信号的频道切换为接入点的频道。二、无线组网技术在通信发展过程中,人们在充分享受到有线通信带来的便利后,自然会烤炉使用无线手段来提供相同的服务,移动目前正以高于有线增长率的速度发

39、展便是一个明证。同样,在数据通信领域中,以太网的巨大成功同样促使人们考虑利用无线技术来实现有线本地网的应用。目前,用于实现无线组网的主要由Wifi.、HomeRF以及Bluetooth蓝牙。它们都工作在2.4GHz频段。该频段全球开放,即不用申请就可以在世界的任何地方使用这一频段进行通信。1. WifiWifi即IEEE802.11协议。是一种短程无线传输技术,能够在数百英尺围支持互联网接入的无线电信号。Wifi第一个版本发表于1997年,其中定义了介质访问接入控制层和物理层。规定了无线局域网的基本网络结构和基本传输介质,规定了物理层和介质访问层的特性。物理层采用红外、DSSS直接序列扩频或F

40、SSS调频扩频技术。1999年又增加了IEEE802.11a和IEEE802.11g标准。其传输速率最高可达54Mbps。能够广泛支持数据、图像、语音和多媒体等业务。2.HomeRFHomeRF是在个人电脑、消费电子、外设、软件通讯和半导体工业等各方面领先的公司组织发起的。旨在将HomeRF发展成为家庭无线通讯围。HomeRF是专门为家庭用户设计的无线局域技术,由HomeRF工作组开发。虽然其可以通过家庭中的一台主机在移动数据和语音设备之间实现通信。但HomeRF开放性不好,而且技术本身还存在抗干扰性差等缺点。3.Bluetooth蓝牙Bluetooth蓝牙是一种小型化、低成本的短距离无线通信

41、技术,可把各种便携式电脑和蜂窝式移动用无线网络连接起来,达到计算机和通信的更加紧密的连接,提供随时随地的数据信息的交换和传输。它使用调频、时分多址和码分多址等先进技术,建立多种通信系统之间的信息传输。传输速率1mbps,最快可达3mpbs。它有时限的带宽和较小的传输距离无法满足人们的日常应用的需求。蓝牙技术的主要特点：采用调频技术。数据包短,抗信号衰减能力强。采用快速调频和前向纠错方案以保证链路稳定,减少同频干扰和远距离传输时的随机噪声影响。使用2.4GHz的ISM频段,无须申请许可证。可同时支持数据、音频、视频信号。采用FM调制方式,降低设备的复杂性。第三章 家庭网络中的Wifi和蓝牙技术第

42、一节 家庭网络中的Wifi技术一、Wifi技术在家庭网络中应用 Internet的迅速发展,是人们的生活发生了翻天覆地的变化。人们的日常生活已经越来越来离不开网络。现在,人们已经习惯了在网上炒股、购物、查询账目、缴费和搜索资料,无线网络正快速进入家庭。人们迫切希望能够任何时间、在任何地方使用网络。很显然,无线网络是最佳的选择,而Wifi技术则在组建家庭网络中是有着无可比拟的优势。随着电子技术的不断发展,越来越多的手机、笔记本电脑等支持Wifi的终端产品月俩月流行。而基于Wifi标准的无线网络成为了最为普及的无线组网形式。在家庭中,如果我们能够把现有的家用电器以及电子产品以某种形式连成无线网络。

43、进行统一的管理和控制,并将其连入Internet进行远程调度,那将是令人惬意的是Wifi在现在的家庭网络中一经得到了应用,为我们电脑和手机上网提供了很多方便,尤其现在的智能手机的使用,流量问题也是用户很在意的,但Wifi却为客户解决了这个烦恼。二、 Wifi的优势无线电波的覆盖围广。蓝牙的电波覆盖围小,半径大约只有15米左右,而Wifi的半径可达100米。甚至可以副高整栋大楼。Wifi的传输速度很快,最高可达54Mbps,符合个人和社会信息化的需求。在网络覆盖围,允许用户在任何时间、任何地点访问网络,随时随地享受诸如网上证券、视频点播VOD、远程教育、远程医疗、视频会议、网络游戏等一系列宽带信

44、息增加值业务,并实现移动办公。无须布线,可以不受现实地理条件的限制,因此非常适合移动办公用户的需要。只要在需要的地方设置热点,并通过高速路线将因特网接入。这样,在热点所发射出的电波的覆盖围,用户只要将无线WLAN的笔记本电脑或PDA拿到该区域,即可高速接入因特网。健康安全。IEEE802.11规定的发射功率不可超过100毫瓦,实际发射功率约60毫瓦70毫瓦,而手机的发射功率约200毫瓦1瓦间,手持式对讲高达5瓦。与后者相比,Wifi产品的辐射更小。Wifi应用现在已经非常普遍。支持Wifi的电子产品越来越多,像手机、MP4、电脑等,基本上已经成为了主流标准配置。而且由于Wifi网络能够很好地实

45、现家庭围的网络覆盖,适合充当家庭中的主导网络,家里的其他具备Wifi功能的设备,如电视机、影碟机、数字音响、数码相框、照相机等,都可以通过Wifi建立通信连接,实现整个家庭的数字化与无线化,使人们的生活变得更加方便与丰富。三、Wifi在家庭网络中的组建Wifi定义了两种类型的设备。一种无线站。通常通过一台PC加上一块无线网卡构成。另一种称为无线接入点,它的作用是提供无线和有线之间的连接。一个无线接入点通常由一个无线输出口和一个有线的网络接口构成。桥接软件符合802.1d桥接协议。接入点就像是无线网络的一个无线基站,将多个无线的接入站聚合到有线的网络上。Wifi定义了两种模式：infrastru

46、cture模式和dadhoc模式。由于很多用户需要访问有线网络上的设备或服务。所以基本上都会采用这种模式。Adhoc模式。也称为点对点模式或IBSS。1、以家庭网关为核心的家庭网络结构为了实现家庭部网络与外部Internet相连互通,在家庭网和外部Internet之间需要一个家庭网关。该网关是整个家庭无线网络系统的核心部分,它一方而完成家庭无线网络中各种不同通信协议之间的转换和信息共享,并且同外部网络进行数据交换,另一方面还负责对家庭中网络终端进行管理和控制。家庭中的网络终端页通过这个网关与外部网络连通。实现交互和信息共享。同时,该网关还应有防火墙能力,能够避免外界网络对家庭部网络终端设备的非

47、法访问和攻击。2、Wifi技术在家庭无线网络中的实现 在家庭网络中,Wifi主要应用在各种信息家电和家庭网关上。我们可以使用个人电脑、手持网络终端或者遥控与家庭网关进行连接,并通过家庭网关对各种信息家电实施有效的管理和控制。因此。可以采用客户一服务器体系结构。网关充当服务器的角色,控制设备对各种信息家电的控制也通过网关完成。 家庭网关是整个网络的核心部件。所有的信息家电以及控制设备都要连接到这个网关上。同时,网关,还要与外部的Internet互连。那么网关需要实现Wifi,并提供如TCP、HTIP等高层应用和图行用户界面。 家庭网关基于嵌入式Linux进行架构。由嵌入式Unux系统实现Wifi

48、功能,并提供图形用户界面和TCP、HTIP、Web-Server高层应用。用户可以通过身份鉴别后登录家庭网关,并使用系统提供的图形控制界面对信息家电进行控制和管理。 家庭网关同时支持嵌入式Web服务器。当我们合法登录后,就可以使用该服务器提供的Web页面对网络中的各种信息家电进行管理和控制。嵌入式的Web服务器可选用boa,它是嵌入式Lmux下应用最为广泛的服务器程序,功能全面。并且能够很好的支持CGI技术进行服务器端的扩展。并且boa支持大家广泛熟悉的C语言来实现CCI程序。 家庭网关启动后,完成系统的初始化,并加载相关的服务。将接受到的用户的控制或查询命令进行处理,CCI程序将命令转换成U

49、DCP报文,通过Wifi模块发送给网络中的信息家电或控制设备。同时,家庭网关还通过Wifi来接收信息家电的当前状态信息,通过处理后将其反馈给控制设备,以便用户使用。3、信息家电模块 信息家电上的Wifi功能有两种实现模式。一种是信息家电自身带有Wifi功能。这是理想的状态。现在已经有很多家用电器比如电视机、DVD等都已经具备了此功能。第二种是对原本不带Wifi功能的家用电器进行Wifi扩展。可选用Rabbit公司的Wifi核心模块和其相应的开发包进行相关扩展。由于信息家电的高端功能都由家庭网关来完成,所以可以不用实现Wifi的上层协议,只实现对其的控制。 信息家电将自身采集到的各种状态信息传递

50、给其自身的或者是扩展的微控制器,微控制器接收到这些数据后将其转换成UDCP报文,并通过Wifi模块将其发送给家庭网关。同时,信息家电还通过Wifi模块接收自家庭网关的信息,处理后转换成对家电的控制或查询,并将其随后的状态信息由Wifi模块反馈给家庭网关。 现在越来越多的家用电器及电子产品开始支持Wifi功能。Wifi的普及以及相关软件的发展将会使家用电器完成功能上的飞跃。通过网络将各种家电连接,可实现功能上的重构和资源的再配置。随着网络的普及和推广,将家庭中的各种带有网络功能的家用电器通过无线技术连接成局域网络,并与外部Internet相连,构成智能化、多功能的现代家居智能系统将会成为新的流行

51、趋势。四、 Wifi在手机上的应用如今许多消费者拥有数字电影、电视剧、音乐和照片库,他们非常希望能够从家庭中的任何地方通过无线设备访问这些媒体容。802.11n不仅支持多个并发用户和设备,而且它的超强功能可保证服务质量,确保家庭中所有设备提供更佳用户体验,同时提供智能的容管理和发布。由于Wifi的频段在世界围是无需任何电信运营执照的免费频段,因此WLAN无线设备提供了一个世界围可以使用的,费用极其低廉且数据带宽极高的无线空中接口。用户可以在Wifi功能我们打长途,浏览网页、收发电子、音乐下载、数码照片传递等,再无需担心速度慢和花费高的问题。Wifi在掌上设备上应用越来越广泛了,高级宾馆,豪华住

52、宅区,飞机场以及咖啡厅之类的区域都有Wifi接口。当我们去旅游,办公时就可以在这些场所使用我们的掌上设备尽情网上冲浪了。近两年,市场上支持UMA等技术,具备WLAN连接功能的智能手机越来越多。它们除了可以借助GSM/CDMA移动通信网络通过外,还能在Wifi无线局域网覆盖的区域,共享PC上网通话。为了能用手机躺在床上上网,开通GPSR。无奈GPRS上网不但速度难以让人满意,资费也不便宜。但用一台无线路由器就可以用手机和PC共享宽带上网。目前通过无线路由器或无线AP上网,已经成为很多上网用户的选择。通过无线路由器、LAN或WLAN,PC可以轻松的利用ADSL、Cable、FTTX等宽带接入Int

53、ernet。Wifi手机通过无线路由器共享上网也非常方便,多数WIFI手机不需要做任何设置,在无线路由器的信号覆盖围,Wifi手机和无线路由器的默认设置下,Wifi手机就能自动获取IP地址进行无线连接,并利用手机自带的IE、MSN等软件无线上网。当然,如果在Wifi手机和无线路由器都正常开启的情况下,Wifi手机无法路由器共享上网,我们就需要检查一下设备的设置。第二节 蓝牙技术蓝牙支持实时的同步定向连接和非实时的异步无定向连接,分别称为SCO链路和ACL链路,前者主要传送话音等实时性强的信息,后者则以数据为主。蓝牙支持64kbps的实时语音传输和各种速率的数据传输。提供了短距离的无线多媒体通信

54、。蓝牙不但规定了通信协议还规定了应用模型profile。模型中定义蓝牙协议中消息与过程的一个子集,对使用特定服务过程中的空中接口给出了确切的描述。如果一个蓝牙产品符合某个应用模型或者某几个应用模型,则必须支持模型中所规定的必备功能、可选功能、条件功能。 蓝牙技术提供点对点和点对多点的无线连接,在任意一个有效通信围,所有设备的地位都是平等,首先提出通信要求的设备称为蓝牙的主从网络。一、蓝牙中的关键技术一跳频技术调频是蓝牙的关键技术之一,对应于单时隙包,调频速率为1600跳每秒：对应于多时隙包,调频速率有所降低,但在建链时则提高为3200跳每秒。使用这样高的调频速率,使得蓝牙系统具有足够的抗干扰能

55、力。蓝牙工作的频段是全球通用的2.4GHz ISM频段。该频段对所有无线电系统都开放,因此,蓝牙在使用过程中经常会遇到不可预测的干扰源,例如手机、无绳、微波炉等。这使得蓝牙系统的传送错误率远远高于实际应用水平,为此,采用跳频技术是避免干扰的一项有效措施。所谓跳频技术,就是将整个频带分成若干跳频信道Hop Channel。在一次连接中,蓝牙芯片所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。这实际上属于一种硬件加密手段,除非第三方掌握了接收双方的切换信道干什么,否则,从理论上计野外法完整获得信息的,而干扰源也是不可能按同样的规律进行干扰的

56、。跳频的瞬时带宽很窄,但通过扩展频谱技术,可以使这个窄带宽被成倍地扩展成宽频带,使被干扰的可能性变得很小,由此就可以保证传送的完整性和系统的稳定性。二纠错技术在蓝牙技术中使用了三种纠错方案：1/3比例前向纠错码1/3FEC、2/3比例前向纠错码2/3FEC和用于数据的自动请求重发ARQ方式。1/3比例前向纠错码是一种较简单的纠错码方式,属于重复码,实现时对每位信息重复三次。2/3比例前向纠错码是一种15,10精简的汉明码表示方法,用于部分分组。使用ARQ方式,在一个时隙中传送的数据必须在下一个时隙得到确认或超时信息。只有数据在接收端通过了报头错误检测和循环冗余检测,被认为无错后,才向发送端反回

57、确认信息；否则,返回一个错误信息。三逻辑信道蓝牙有五种逻辑信道,他们可以用来传输不同类型的信息。LC控制信道和LM链路管理信道用于链路层,而UA、UI和US信道则用于携带异步、类异步和同步用户信息。蓝牙有4种基本类型的设备地址： 表 3.1 蓝牙4种基本类型的设备地址BD-ADDR48位长的蓝牙设备地址IEEE802标准。该地址划分为LAP24位地址低端部分、UAP8位地址高端部分和NAP16位无意义地址部分。AM-ADDR3位长的活动成员地址。所有的0信息AM_ADDR都用于广播消息。PM-ADDR8位长的成员地址,分配给处于暂停状态的从单元使用。AR-ADDR访问请求地址access re

58、quest address被暂停状态的从单元用来确定访问窗口从单元主单元半时隙,通过它发送访问消息。四微微网蓝牙支持点对点和点对多点的通信,其最基本的网络组成是微微网。微微网是通过蓝牙技术连接起来的一种微型网络,由一个主设备Master和若干个从设备Slave组成,且从设备最多为7台。主设备负责通信协议的动作,而从设备则受控于主设备。一个微微网可以是2台相连的设备,也可以是8台连在一起的设备,所有设备单元均采用同一跳频序列。主从设备的拓扑结构如图1所示。蓝牙给每个微微网都提供了特定的跳转模式,因此,它允许大量的微微网同时存在。同一区域,多个微微网互联形成了分散网。不同的微微网信道有不同的主单元

59、,因而存在不同的跳转模式。五安全性蓝牙技术的无线传输特性使它非常容易受到攻击,因此,安全机制在蓝牙技术中显得尤为重要。虽然蓝牙系统所采用的跳频技术已经提供了一定的安全保障,但蓝牙技术仍然需要在应用层和链路层上提供安全措施。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将以同样的方法实现。在链路层,蓝牙的使用四个参数来保证系统的安全性：每个用户唯一的48位地址、用户的128位验证密钥、用户的8128位加密密钥、设备产生的一个128位随机数RAND。蓝牙的低层安全是通过基带和链路管理中的鉴权、匹配和加密完成的。鉴权基于竞争-应答算法,是蓝牙系统中的关键部分,它允许用户为个人的蓝牙

60、设备建立一个信任域。校验器发送一个LMP-au-rand PDU分组给请求者,该PDU协议数据单元分组含有一个随机数。请求者根据获取的分组计算出应答值,然后将应发回给校验器,验证应答值是否正确。当两台设备无共用字时,则基于个人识别码PIN和随机数创建初始化字Kinit,这一过程为匹配。Kinit字在校验器向请求者发出LMP-in-rand时创建,然后进行鉴权,共计算过程基于Kinit字,而不是字。通过鉴权后,字即被创建。加密被用来保护连接中的个人信息,密钥由程序的高层来管理。网络传送协议和应用程序,可以为用户提供一个较强的安全机制,需要注意的是,加密字节全不同于鉴权字。鉴权字具有静态性,而一旦

61、建立加密字,就由运行在蓝牙设备上的具体应用,来决定什么时候和是否需要修改加密字。 蓝牙技术作为一种新的技术的面试,解决传统技术的布线问题,使得不必要出现一些的问题。二、 蓝牙技术在家庭网络中的应用1.系统组成结构基于蓝牙技术的智能家居系统,其硬件组成主要包括蓝牙模块、MCU、传感器网络和家庭计算机,总体构成如图3.1所示从机由蓝牙模块、MCU、传感器组以及外部RAM等组成。考虑到普及率高以及不同家庭的需要,系统可以通过线或互联网与外界连接其中与互联网连接可以通过嵌入式Modem直接连接,也可以通过家庭计算机与互联网连接,后者可以由家庭计算机保存数据以及进行传感网络的数据融合处理。下图主机框图中

62、所示的蓝牙模块主要用于与控制中心交换数据和管理蓝牙网络链路；紧急开关供主人在室遇到紧急情况时使用；存储器用于存储各种数据从机组组成蓝牙传感网络,使数据采集和家庭安防监控灵活方便,摆脱了布线系统的束缚用户可以通过互联网或控制家里电器的运作并获得其运作信息。正是由于蓝牙技术的低成本、低功耗、高速率、高可靠性和兼容性等特点,使得基于蓝牙技术的家庭网络系统能为人们所接受。 图3.1硬件组成2.软件设计为了避免同频干扰的问题,系统采用时分TDMATime Division Multiple Access复用技术,把系统主机与任意一台从机之间的通信采用时分的方式分开,主机通过扫描的方式与各从机进行点对点通信。图2所示为主机主程序流程图主机不仅负责各种不同类型子网之间的协议转换,而且还要完成家居智能控制和互联网接入功能它通过多种途径互联网、有线、手机等从多样的外部网络接收通信信号,实现远程信息交互。图3.2 主机主程序流程图