可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)及應(yīng)用詳解

　　1.可穿戴式計(jì)算機(jī)和可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

　　可穿戴式計(jì)算機(jī)可穿戴式計(jì)算機(jī)是一種新概念的移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)。其概念起源于20世紀(jì)60年代。自90年代以來(lái)，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的迅猛發(fā)展，對(duì)可穿戴式計(jì)算機(jī)的研究進(jìn)入了一個(gè)全新的階段。目前，對(duì)可穿戴式計(jì)算機(jī)的概念并沒(méi)有確切的定義。大體而言，可穿戴式計(jì)算機(jī)應(yīng)具備以下基本特征：？可在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下使用？使用的同時(shí)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(jì)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(jì)算機(jī)相比，可穿戴式計(jì)算機(jī)與人的結(jié)合更為緊密。這就要求穿戴式計(jì)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(duì)可穿戴式計(jì)算機(jī)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題和必須攻克的難點(diǎn)。

　　可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在上面介紹的可穿戴式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，各硬件裝置之間主要是通過(guò)通信線(xiàn)纜連接的，采用的操作平臺(tái)也是基于有線(xiàn)裝置的。這種系統(tǒng)雖然在一定的場(chǎng)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€(xiàn)纜這種“硬”連接方式，勢(shì)必會(huì)影響用戶(hù)軀體的活動(dòng)空間和幅度，而這在一些應(yīng)用場(chǎng)合是必須的，如體育鍛煉。

　　其次，它沒(méi)有考慮與現(xiàn)有的個(gè)人通信終端（如手機(jī)、PDA、MP3等）的融合。這會(huì)使得現(xiàn)有的通信終端成了與可穿戴式計(jì)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(duì)這種狀況，本文提出可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的概念。與可穿戴式計(jì)算機(jī)相比，可穿戴式無(wú)線(xiàn)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(gè)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(chǔ)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(shì)必會(huì)得到進(jìn)一步的提高）。

　?、雀尤诵曰?。用戶(hù)可根據(jù)不同的應(yīng)用、方便程度、以及個(gè)人的喜好來(lái)選擇合適的主通信設(shè)備以控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

　　由此可見(jiàn)，可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有比可穿戴式計(jì)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(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)。由于現(xiàn)有的各種無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)已較為成熟，因而較之可穿戴式計(jì)算機(jī)，在開(kāi)發(fā)難度和開(kāi)發(fā)周期上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

　　2.可穿戴式無(wú)線(xiàn)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(lái)構(gòu)建可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)主要有藍(lán)牙和ZigBee等。這兩種無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(duì)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(wú)線(xiàn)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(gè)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(gè)網(wǎng)絡(luò)被劃分為兩級(jí)層次結(jié)構(gòu)。Ⅰ級(jí)匹克網(wǎng)的主設(shè)備（Master）連接各Ⅱ級(jí)匹克網(wǎng)的主設(shè)備，各Ⅱ級(jí)匹克網(wǎng)的主設(shè)備在Ⅰ級(jí)匹克網(wǎng)中充當(dāng)從設(shè)備（Slave）。每級(jí)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(gè)網(wǎng)絡(luò)，由Ⅰ級(jí)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(jí)匹克網(wǎng)的主（從）設(shè)備。當(dāng)然，這里的LAP并不直接與有線(xiàn)網(wǎng)直接相連?？沙洚?dāng)LAP角色的設(shè)備可能不止一個(gè)，但無(wú)論哪個(gè)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

　　在上述的兩種可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中，整個(gè)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(lèi)型：

　　傳感器或其它終端設(shè)備：這類(lèi)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(lèi)設(shè)備主要有傳感器、探測(cè)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(lái)的數(shù)據(jù)，還必須管理和維護(hù)各Ⅱ級(jí)網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)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(chǔ)容量和數(shù)據(jù)處理能力。從理論上說(shuō)，各Master均可充當(dāng)LAP，但實(shí)際上并沒(méi)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(jí)網(wǎng)絡(luò)的成員，負(fù)責(zé)管理和維護(hù)Ⅰ級(jí)網(wǎng)絡(luò)，而不作為Ⅱ級(jí)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(guò)多的角色，會(huì)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(wú)論是采用哪種無(wú)線(xiàn)技術(shù)構(gòu)建可穿戴式無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)最基本的服務(wù)要求。在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，Ⅰ級(jí)網(wǎng)絡(luò)和Ⅱ級(jí)網(wǎng)絡(luò)可采用不同的數(shù)據(jù)傳輸模式。在Ⅱ級(jí)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(jí)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(lái)完成的大量的通信業(yè)務(wù)。而在Ⅰ級(jí)網(wǎng)絡(luò)中，Master則既可采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，也可采用點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)傳輸。但Slave之間若需進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信則必須脫離原來(lái)的匹克網(wǎng)，單獨(dú)組建新的匹克網(wǎng)。

　　很顯然，同一Ⅱ級(jí)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(jí)網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備要向其它Ⅱ級(jí)網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，則必須經(jīng)過(guò)Ⅰ級(jí)網(wǎng)絡(luò)中的LAP轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)Ⅰ級(jí)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(shí)，可考慮通過(guò)作為網(wǎng)關(guān)的LAP來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)，或建立虛連接。

　?、?Web 訪(fǎng)問(wèn)

　　通常情況下，只有Ⅰ級(jí)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備才具有Web訪(fǎng)問(wèn)的需求和條件。Web訪(fǎng)問(wèn)應(yīng)通過(guò)網(wǎng)關(guān)來(lái)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(lái)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(duì)語(yǔ)音業(yè)務(wù)，可以考慮采取VoIP技術(shù)。

　?、?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(gè)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(duì)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(fǎng)問(wèn)。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(huì)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(wú)線(xiàn)技術(shù)自己的地址編址和分配方案。

　　為檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備的活動(dòng)狀態(tài)，可以向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)或特定的Ⅱ級(jí)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布廣播消息。并根據(jù)反饋的情況對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行診斷，以便及時(shí)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(shí)候。