可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)及應(yīng)用詳解

　　1.可穿戴式計算機(jī)和可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)

　　可穿戴式計算機(jī)可穿戴式計算機(jī)是一種新概念的移動計算系統(tǒng)。其概念起源于20世紀(jì)60年代。自90年代以來，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的迅猛發(fā)展，對可穿戴式計算機(jī)的研究進(jìn)入了一個全新的階段。目前，對可穿戴式計算機(jī)的概念并沒有確切的定義。大體而言，可穿戴式計算機(jī)應(yīng)具備以下基本特征：？可在運(yùn)動狀態(tài)下使用？使用的同時可騰出手或做其它的事情？使用者可進(jìn)行控制？具有可持續(xù)性？多樣性，即不同應(yīng)用的可穿戴式計算機(jī)在構(gòu)成、功能等方面應(yīng)有所不同從以上特征可看出，與傳統(tǒng)的計算機(jī)相比，可穿戴式計算機(jī)與人的結(jié)合更為緊密。這就要求穿戴式計算機(jī)必須采用全新的人-機(jī)交互技術(shù)，從而達(dá)到人- 機(jī)的和諧統(tǒng)一。這也是當(dāng)前對可穿戴式計算機(jī)研究的熱點(diǎn)問題和必須攻克的難點(diǎn)。

　　可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)在上面介紹的可穿戴式計算機(jī)系統(tǒng)中，各硬件裝置之間主要是通過通信線纜連接的，采用的操作平臺也是基于有線裝置的。這種系統(tǒng)雖然在一定的場合有其適用性，但它的缺點(diǎn)也是明顯的：首先，它不夠靈活。因?yàn)椴捎猛ㄐ啪€纜這種“硬”連接方式，勢必會影響用戶軀體的活動空間和幅度，而這在一些應(yīng)用場合是必須的，如體育鍛煉。

　　其次，它沒有考慮與現(xiàn)有的個人通信終端（如手機(jī)、PDA、MP3等）的融合。這會使得現(xiàn)有的通信終端成了與可穿戴式計算機(jī)實(shí)體上相互獨(dú)立而功能上相互重疊的設(shè)備。

　　針對這種狀況，本文提出可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)的概念。與可穿戴式計算機(jī)相比，可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)：

　?、鸥玫撵`活性。

　　⑵充分考慮與現(xiàn)有的個人通信終端的融合。

　?、悄苓M(jìn)行分散控制。這是由于各通信終端都有一定的運(yùn)算處理能力和存儲容量（并且隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，這方面的性能勢必會得到進(jìn)一步的提高）。

　?、雀尤诵曰Ｓ脩艨筛鶕?jù)不同的應(yīng)用、方便程度、以及個人的喜好來選擇合適的主通信設(shè)備以控制整個網(wǎng)絡(luò)。

　　由此可見，可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有比可穿戴式計算機(jī)更好的適用性和更廣泛的應(yīng)用前景，而且它可在現(xiàn)有的各種無線局域網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)。由于現(xiàn)有的各種無線局域網(wǎng)技術(shù)已較為成熟，因而較之可穿戴式計算機(jī)，在開發(fā)難度和開發(fā)周期上具有明顯的優(yōu)勢。

　　2.可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)模型

　　2.1網(wǎng)絡(luò)模型當(dāng)前，適合用來構(gòu)建可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)主要有藍(lán)牙和ZigBee等。這兩種無線技術(shù)均屬于IEEE802.15家族，工作于ISM頻段。它們之間的區(qū)別如下表1-1所示。由于在組網(wǎng)方式上完全一致，因而用它們構(gòu)建的可穿戴式網(wǎng)絡(luò)模型也基本相同。

　　表1-1藍(lán)牙與ZigBee的比較

　?、?用藍(lán)牙和ZigBee技術(shù)構(gòu)建的可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　藍(lán)牙和ZigBee的組網(wǎng)方式可分為三種形式：星型網(wǎng)、對等網(wǎng)和混合網(wǎng)［2］。采用藍(lán)牙和ZigBee技術(shù)構(gòu)建的可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)宜采用混合結(jié)構(gòu)形式，如圖2.1所示。它是一個松散的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，正好符合穿戴的需要。

　　圖 2.1 可穿戴式藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)模型

　　上圖中整個網(wǎng)絡(luò)被劃分為兩級層次結(jié)構(gòu)。Ⅰ級匹克網(wǎng)的主設(shè)備（Master）連接各Ⅱ級匹克網(wǎng)的主設(shè)備，各Ⅱ級匹克網(wǎng)的主設(shè)備在Ⅰ級匹克網(wǎng)中充當(dāng)從設(shè)備（Slave）。每級匹克網(wǎng)均由主設(shè)備負(fù)責(zé)維護(hù)管理。為便于維護(hù)和管理整個網(wǎng)絡(luò)，由Ⅰ級匹克網(wǎng)的主設(shè)備充當(dāng)連接外部網(wǎng)絡(luò)的LAP，并且該主設(shè)備不作為Ⅱ級匹克網(wǎng)的主（從）設(shè)備。當(dāng)然，這里的LAP并不直接與有線網(wǎng)直接相連。可充當(dāng)LAP角色的設(shè)備可能不止一個，但無論哪個設(shè)備作為網(wǎng)關(guān)設(shè)備，都應(yīng)遵循上述的組網(wǎng)原則。

　?、?可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

　　在上述的兩種可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)中，整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備按照角色的不同可分為兩種基本的類型：

　　傳感器或其它終端設(shè)備：這類設(shè)備只需將采集到的數(shù)據(jù)傳到Master即可，不承擔(dān)任何管理和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)。這類設(shè)備主要有傳感器、探測器、耳麥和攝像機(jī)等。

　　網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備：網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備不只是負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)終端設(shè)備傳來的數(shù)據(jù)，還必須管理和維護(hù)各Ⅱ級網(wǎng)絡(luò)。同時這些互連設(shè)備之間還必須形成新的網(wǎng)絡(luò)。因而，網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備應(yīng)具有一定的存儲容量和數(shù)據(jù)處理能力。從理論上說，各Master均可充當(dāng)LAP，但實(shí)際上并沒有這樣的必要。在本模型中，充當(dāng)網(wǎng)關(guān)的LAP只作為Ⅰ級網(wǎng)絡(luò)的成員，負(fù)責(zé)管理和維護(hù)Ⅰ級網(wǎng)絡(luò)，而不作為Ⅱ級網(wǎng)絡(luò)的基站。這樣做的目的是為防止同一設(shè)備擔(dān)任過多的角色，會增加設(shè)備的復(fù)雜度?？沙洚?dāng)網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備的設(shè)備有PDA、GPS、頭戴設(shè)備、MP3、手機(jī)以及PTT（Push To Talk）等，其中手機(jī)等亦可充當(dāng)與外網(wǎng)聯(lián)系的網(wǎng)關(guān)。

　　2.2 服務(wù)原理

　　無論是采用哪種無線技術(shù)構(gòu)建可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)，都應(yīng)能提供基本的服務(wù)和管理功能，這些功能包括內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸、基于Web的服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)等。

　?、?內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸

　　內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸是可穿戴式無線網(wǎng)絡(luò)最基本的服務(wù)要求。在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，Ⅰ級網(wǎng)絡(luò)和Ⅱ級網(wǎng)絡(luò)可采用不同的數(shù)據(jù)傳輸模式。在Ⅱ級網(wǎng)絡(luò)中，傳感器等終端設(shè)備與 Master之間通常采用點(diǎn)到點(diǎn)傳輸模式，這是因?yàn)橥ǔＧ闆r下Ⅱ級網(wǎng)絡(luò)中的終端只需單項(xiàng)發(fā)送數(shù)據(jù)即可，且各通信終端之間一般不具有需要建立直接路由來完成的大量的通信業(yè)務(wù)。而在Ⅰ級網(wǎng)絡(luò)中，Master則既可采用點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，也可采用點(diǎn)對多點(diǎn)傳輸。但Slave之間若需進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信則必須脫離原來的匹克網(wǎng)，單獨(dú)組建新的匹克網(wǎng)。

　　很顯然，同一Ⅱ級網(wǎng)絡(luò)中終端設(shè)備之間若需進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，則須經(jīng)Master轉(zhuǎn)發(fā)。若某一Ⅱ級網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備要向其它Ⅱ級網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，則必須經(jīng)過Ⅰ級網(wǎng)絡(luò)中的LAP轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)Ⅰ級網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備需要向外部網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)時，可考慮通過作為網(wǎng)關(guān)的LAP來轉(zhuǎn)發(fā)，或建立虛連接。

　?、?Web 訪問

　　通常情況下，只有Ⅰ級網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備才具有Web訪問的需求和條件。Web訪問應(yīng)通過網(wǎng)關(guān)來進(jìn)行，這主要是考慮到網(wǎng)絡(luò)的安全性。建立與Web站點(diǎn)的連接后，可以考慮采用C/S模式來提供業(yè)務(wù)，這些業(yè)務(wù)應(yīng)包括FTP服務(wù)、E-mail服務(wù)、以及音頻和視頻服務(wù)等。對語音業(yè)務(wù)，可以考慮采取VoIP技術(shù)。

　　⑶ 網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)

　　網(wǎng)絡(luò)管理的任務(wù)是為維護(hù)整個網(wǎng)絡(luò)的可靠運(yùn)行。為了設(shè)備間建立通信連接和維護(hù)管理網(wǎng)絡(luò)的方便，通常情況下都要對網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分配邏輯地址。在IPv6嘗未啟用之前，肯定很難做到把實(shí)際的IP地址作為各通信設(shè)備的邏輯地址。但作為網(wǎng)關(guān)的設(shè)備應(yīng)擁有實(shí)際的IP地址，這樣有利于進(jìn)行Web訪問。當(dāng)然，如果必要，也可考慮將網(wǎng)關(guān)設(shè)備作為DHCP服務(wù)器，但這樣顯然會加重網(wǎng)關(guān)設(shè)備的工作負(fù)荷。事實(shí)上，也可利用各無線技術(shù)自己的地址編址和分配方案。

　　為檢測網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備的活動狀態(tài)，可以向整個網(wǎng)絡(luò)或特定的Ⅱ級網(wǎng)絡(luò)發(fā)布廣播消息。并根據(jù)反饋的情況對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行診斷，以便及時向使用者發(fā)出預(yù)警。當(dāng)然，也可發(fā)布包含特定網(wǎng)絡(luò)設(shè)備地址的廣播消息，這種情況通常發(fā)生在消息發(fā)布者需要與該設(shè)備建立聯(lián)系的時候。