摘要：红外光无线通信是一种低成本，高速率，短距离的无线通信方式，随着现代科技和光无线通信领域的发展，红外无线通信IrDA协议逐渐被通信、IT领域所接受，并成为支持近距离无线数据传输的主要规范。本文主要介绍了IrDA协议的内容，以及IrDA协议栈的基本结构，重点研究了链路建立层协议IrLAP规范和通信机制，为进一步优化链路，提高通信利用率打下基础。
关键词：红外无线通信、IrDA协议、IrLAP
The research of infrared wireless communication based IrDA protocol
Abstract: The technology of infrared wireless communication offers us a wireless connection and communication mode that is low cost, high speed and short distance. IrDA infrared data association brings forward IrDA infrared communication protocol that is the base of a large number of equipments，interlink with infrared data interface. This paper introduces IrDA standard and the frame analysis is presented linking processor of IrLAP.
Key words: infrared wireless communication, IrDA standard, IrLAP protocol
引言
红外无线通信技术是一种采用红外线作为通信载体，可以实现点对点及红外无线局域网通信的技术，它提供了一种低成本、高速率、短距离的无线通信技术。一般采用波长为850nm至900nm的红外线，调制方法有OOK、PPM、ASK等，目前红外光传输速率可获得高达Gb/s以上。IrDA即红外数据协会，全称The Infrared Data Association，是1993年6月成立的一个国际性组织，专门制定和推进能共同使用的低成本红外数据互联标准，支持点对点的工作模式。
红外光无线系统相对于射频无线系统有着显著地优势，光波谱在全球市场上没有严格的管制，有着巨大的带宽，并且无需认证。红外光不能穿透障碍物，各个空间通信没有干扰并增强了通信的可靠性，而且不会对其他电磁系统产生电磁干扰。红外光设备消耗更小功率，价格低廉。在1Mbps的传输速率时，红外无线通信需要150mW,而无线电通信则需要1W以上的功率。
1 IrDA协议
IrDA即红外数据协会，全称The Infrared Data Association，是由HP、COMPAQ、INTEL等二十多家公司在1993年6月发起成立一个国际性组织。专门制定和推进能共同使用的低成本红外数据互联标准，它支持点对点半双工的工作模式。IrDA的宗旨是制定以合理的成本实现的标准和协议，以推动红外通信技术的发展。1994年6月，第一个IrDA的红外数据通信标准发布，即IrDA1.0。
IrDA协议标准包括三个基本的规范和协议：红外物理层协议规范(Infrared Physical Layer Link Specification ：IrPHY)，定义硬件要求和低级数据帧结构以及帧传送速度；红外链路建立层协议(Infrared Link Access Protocol: IrLAP)，在自动协商好的参数基础上提供可靠的、无故障的数据交换；红外链接管理层协议（Infrared Link Management Protocol: IrLMP)，提供建立在IrLAP连接上的多路复用及数据链路管理。物理层规范制定了红外通信硬件设计上的目标和要求，IrLAP和IrLMP为两个软件层，负责对链接进行设置、管理和维护。在IrLAP和IrLMP基础上，针对一些特定的红外通信应用领域，IrDA还陆续发布了一些更高级别的红外协议，如TinyTP、IrOBEX、IrCOMM、IrLAN等等。如图1所示
信息访问服务(IAS) 局域网访问协议(IrLAN) 对象交换协议(IrOBEX) 模拟串口层协议(IrCOMM)
流传输协议(TinyTP)
链路管理层协议(IrLMP)
链路建立层协议(IrLAP)
物理层协议(IrPHY)
2 核心协议层
2.1红外物理层协议（IrPHY）
红外物理层协议制定了红外通信硬件设计的目标和要求，低级数据帧结构以及帧传送速度。包括了红外收发器、数据位的编码和解码、传输距离、传输视角（接收器和发射器之间红外传输方向上的角度偏差）、发光功率和抗噪声干扰等方面。为了达到兼容，硬件平台以及硬件接口设计必须符合红外协议制定的规范。IrPHY规定了红外通信数据发射速度分别为115.2kbps，0.576Mbps，1.152Mbps，4Mbps，16Mbps，IrPHY规定IrDA1.0串行红外SIR(Serial Infrared )规定了传输速率为从2.4kbs～115.2kbps, 用开关键控（OOK, on-off keying）归零码（RI）脉冲进行编码，“0”代表一个光脉冲。它基于HP-SIR开发出来的一种异步、半双工红外无线通信方式，它依托系统中的异步通信收发器（UART），通过对串行数据脉冲的波形的压缩和对所接受的光信号电脉冲的波形扩展这一编码解码过程实现红外数据传输。IrDA1.1快速红外FIR(Fast Infrared)规定了传输速率从0.576 Mbps～1.152Mbps，用RZI进行编码，在4Mbps时采用4PPM（Pulse Position Modulation）编码。VFIR(Very Fast Infrared)规定了传输速度为16Mbps，采用HHH编码方式。IrPHY定义了红外无线设备传输距离为1米，实现了传输视角为0o～15o的无错通信和在环境光及其它红外光干扰下的成功通信。规定波长范围850～900nm，发射半角的宽度为15o～30o，接收时光线的入射半角不小于15o，误码率为10-9（位速率为4Mbps时误码率不超过10-8）。表1、2、3列出IrDA协议规定的链路、发射器、接收器的主要参数。
链路参数 FIR（4Mbps） 1.152Mbps SIR(<115.2Kbps)
通信方式 半双工 半双工 半双工
距离 0到1米 0到1米 0到1米
调至方式 4PPM 1/4RZ 3/16RZ
误码率 10-8 10-9 10-9
表1 链路参数
发射器参数 范围
峰值波长 850nm-900nm
光强 40mW/SR-500 mW/SR
发射半角宽度 15-30度
上升时间 ＜600ns
表2 发射器参数
接收器参数 范围
有效接受强度 4 mW/cm2-500 mW/ cm2
半角宽度 ＞15度
表3接收器参数
2.1.1红外物理层的帧结构
IrDA红外物理层帧结构图如图2所示
STA ADD DATA FCS STO
图中STA为起始标志，由01111110组成，ADD为8位的地址场；DATA为2048字节的信息场；FCS为16位的CRC；STO为结束标志，由01111110组成。
为了将数据通信部分与经常变动的硬件层隔离，红外物理层还构造了一个被称为帧生成器的软件层，它的主要任务是接受来自物理层的数据帧并将他们提交给链路访问层(IrLAP),同时还接受输出帧并将它们传送到物理层。此外，帧生成器还可以根据IrLAP层的命令来控制硬件通信速度。
2.2红外链路建立层协议（IrLAP）
IrLAP是红外规范强制定义层，制定了连接建立的过程规范，描述了建立一个基本可靠连接的过程和要求。IrLAP是在现有的高级数据链路控制协议HDLC(High level Data Link Control Procedure)和同步数据链路控制SDLC(Synchronous Data Link Control)半双工协议基础上增添了一些红外通信的特性，提供连接制定,数据转移，流控制功能。IrLAP所作用的红外媒介是一个点对点，半双工介质。IrDA协议对IrLAP功能要求如下：
（1）寻找设备——搜寻红外光辐射的设备；
（2）连接设备——选择合适传送对象，协商双方均支持的最佳通信参数并进行连接；
（3）数据交换——用协商好的参数进行数据交换；
（4）断开连接——关闭链路并且返回到常规断开状态，等待新的连接；
2.2.1 IrLAP帧结构
IrLAP定义了3种类型的帧：信息帧(Information frame, I)、监控帧(Supervisory frame, S)、无序列帧(Unnumbered frame, U)。信息帧I用于信息的传输。监控帧S用于链路的管理，如应答接收帧，传送站点状态，报告帧序列错误等。无序列帧U用于建立和释放链路，报告过程错误，传送数据等。IrLAP最基本的数据帧格式如图3所示
IrLAP数据帧包括8位开始标志位和8位结束标志位，并且包含了特殊的位模式01111110，7个地址位和一个循环冗余校验位(C/R),8位控制位。每一个帧都包含一个控制域，控制域包含一个帧探测器，可以探测帧的类型和校验位P/F的值，校验位P/F的值用于进行传输控制。如图4所示，信息帧I的控制域包含一个发射序列号“Ns”，Ns用于确定传输的信息帧个数。信息帧I和监控帧S都包含一个接收序列号“Nr”，Nr用于确定所希望接收下一个信息帧I的序列号。监控帧S和无序列帧U的控制域都包含一个控制/响应编码“X”,IrDA协议标准规定了每个控制域含有8位比特位，Ns和Nr各占3位比特位，Ns和Nr的值从0～7循环，最大的窗口值为7。
2.2.2 IrLAP工作过程
链路建立协议的工作过程主要过程分为三部分：发现设备和地址冲突处理——链路建立——信息交换和链路关闭。其具体工作过程如图4所示。
建立IrLAP连接的两部分存在主从关系，承担不同责任。用IrDA术语表示为主站(Primary)和从站(Secondary)。主站控制通信管理和保持各个任务的独立性，它启动连接，发送命令帧，初始化链路，发送数据和组织控制数据流，并处理不可校正的链路连接错误。实体主设备包括PCs，PDAs，摄像机，其它任何需打印的设备（打印机现在是从位置）。从站发送响应帧来响应主站的请求，设备的协议栈既可以作为主站也可以作为从站。链路建立起来后，双方轮流发问，每次每个发问方等待时间不能超过500ms。实体的从设备是：打印机及其它的周边设备。
IrLAP的建立过程中包括两种操作方式：常规断开模式NDM(Normal Disconnect Mode)和常规响应模式NRM(Normal Disconnect Mode)。常规断开模式是一种设备未建立连接的默认操作模式。由于各个站点在可能的通信范围内移动，因此主站在建立连接时需要寻找移动站的位置。在这一模式下，设备必须对传输媒质进行检测，检测传输媒质上是否有其它传输正在进行。如果在超过500ms(最大链路运行周期)时间范围内没有检测到传输活动，则认为传输媒质可用来建立，这样可以避免对现有的链路造成干扰。IrDA设备的连接参数最高支持传输速率是9600bps。在此模式下，设备将开始设备发现，地址解析，连接建立过程。一旦连接已经确定，IrLAP层将进入常规响应模式，连接双方采用在常规断开模式中协商好的最佳参数进行通信，协议栈中较高层就可以利用常规命令和响应帧来进行数据信息交换。这是处于主站控制之下的信息交换阶段，在此阶段，无论是主站还是从站在断开模式下都保持空闲。一旦信息传输完毕，链接被断开，设备回到常规断开模式。
2.2.3IrLAP功能模型描述
IrDA协议主要用于信息数据从一个设备传到另一个设备，连接建立发生在常规断开模式，一旦连接建立，设备将工作在常规响应模式下。当在常规响应模式下,设备能在IrDA定义的任何速率下交换数据。然而，并不是所有的IrDA设备都支持IrDA的各种速率和连接参数的。所以，必须在连接建立时为设备确定正常模式下的参数。表x是IrDA定义了一些可选定的连接参数:
参数 描述 单位
C 链路数据通信速率 位/秒
Tmax 最长转换时间 秒
tta 最短转换时间 秒
Wmax 最大窗口尺寸 帧
N 窗口尺寸 帧
表4 IrDA协议连接参数
IrLAP模型主要描述在常规响应模式下，主站和从站间进行大量的信息数据传输。假定在红外无线链路传输中，只有主站和唯一的从站。主站控制整个竞争期间段，并且传输错误是随机分配的。在竞争期间段，主站决定它所使用的窗口尺寸N的大小，N表示在请求确认前，主站所能传送的最大的信息帧的数量。在竞争期间段协商和确定最大窗口尺寸Wmax。最长转换时间Tmax必须遵守IrLAP协议层定义的规定，Tmax比Wmax有更高的优先权。Tmax和已生成的帧尺寸大小有关，Tmax和传输速率C限制窗口尺寸N的大小。窗口尺寸N由下列等式给出
这里min是最小值的意思，floor是取整的意思，Tmax值固定为500ms。
IrLAP协议层使用Go-Back-N重传机制，在窗口传输的过程中重传跟在一个错误帧后面的正确接收的帧。图5是数据信息在主站和从站中的传输流程图。每个节点有3个变量，Vs代表发射帧的数量，Vr代表接受帧的数量，w代表在反转链路方向之前，主站所能重传的信息帧I的数量。主站同时也使用F-timer来限制从站的传输时间。
IrLAP协议层模型概括为发射站有准备传送的数据信息，它传送N个连续的信息帧，在最后一个信息帧中设置P位，然后反转链路方向。接收器等待最短转换时间tta，响应一个接受准备好信号(Receive Ready, RR),指示所期望接受下一个信息帧I，RR帧同时设置F位。发射器确定在发生错误前已经接受的正确的信息帧I的数量，然后，在下一个窗口重传错误的帧和错误帧后面所跟随的信息帧I。如果在窗口传输中最后一个信息帧I丢失，接收器没有响应，因为P位丢失。当F-timer时间期满时，主站发送带有轮询位P的RR帧给从站，来强制从站确认已正确接收的信息帧I。
结束语
本文针对IrDA核心协议层做了系统的分析和介绍,重点研究红外链路建立层协议IrLAP的规范、功能和通信机制，对IrLAP进行模型化，精简各个核心协议层服务，使IrDA协议更好的应用于红外无线通信系统中，希望本文对从事红外无线通信协议研究和开发的人员有所帮助。
参考文献：
[1]马静波.基于IrDA标准的红外无线数字通信及应用[A].信息技术，2005，3：46-47
[2] 张晓红,Sasan Saadat,乔为民,敬岚,苟世哲,刘军科.红外通信IrDA标准与应用 |
