物联网概论_第6章_物联网通信

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1、物联网概论TheIntroductionoftheInternetofThings 物联网概论 第6章物联网通信 物联网概论 第6章物联网通信公用电信网可划分为三个部分 即长途网 长途局以上的部分 中继网 长途局与市话端局之间 市话端局与市话端局之间的部分 和接入网 端局与用户之间的部分 目前国际上倾向于将长途网和中继网合在一起称为核心网 相对于核心网的部分就是接入网 在物联网中 接入网技术是物联网通信的关键技术 接入网和核心网共同构成了物联网通信的体系架构 物联网概论 6 1无线接入网技术6 1 1无线接入网技术概述6 1 2ZigBee6 1 3蓝牙6 1 4UWB6 1 560GHz通信

2、6 1 6WLAN6 1 7WiMAX6 1 83G 物联网概论 6 1 1无线接入网技术概述迄今为止 没有任何一种单一的无线技术能够满足所有的场合和应用需要 因而技术的多元性是无线接入的一个基本特征 依通信覆盖范围的不同 无线网络从小到大依次为无线个域网 WPAN 无线局域网 WLAN 无线城域网 WMAN 和无线广域网 WWAN 无线接入技术能实现真正意义上的个人通信 目前无线接入有ZigBee 蓝牙 RFID UWB 60GHz Wi Fi WiMAX 3G等 物联网概论 6 1 1无线接入网技术概述 物联网概论 6 1 1无线接入网技术概述无线通信需要占用频谱资源 对于电磁频谱 按照频

3、率从低到高 波长从长到短 的次序 可以划分为不同的频段 频谱被看作大自然中的一项资源 需要仔细地计划加以利用 不同频段电磁波的传播方式和传播特点各不相同 它们的用途也不相同 因此无线通信采用了不同的工作频率 以满足多种应用的需要 物联网概论 6 1 1无线接入网技术概述ISM频段 IndustrialScientificMedicalBand 是工业 科学和医用频段 属于无许可 FreeLicense 频段 使用者无需许可证 没有所谓使用授权的限制 在物联网中 短距离无线通信频率的选择 要顾及其它无线电服务 因而短距离无线通信系统通常使用ISM频段 例如 ZigBee 蓝牙 RFID UWB

4、60GHz Wi Fi等都使用ISM频段 物联网概论 6 1 2ZigBee1 ZigBee的起源长期以来 低价格 低传输速率 短距离 低功率的无线通讯一直存在着 在这个无线通讯市场中 首先出现的是蓝牙技术 2002年 ZigBee联盟 ZigBeeAlliance 成立 ZigBee成员制定了一个基于IEEE802 15 4标准的高性价比 低功耗的网络应用规格 并且版本不断更新 目前超过150多家成员公司还在积极进行ZigBee规格的制定工作 物联网概论 6 1 2ZigBee2 ZigBee的技术特点 1 低功耗 2 低成本 3 低速率 4 有效范围大 5 短时延 6 高容量 7 高安全

5、8 工作频段灵活 物联网概论 6 1 2ZigBee3 ZigBee的网络特点 1 网络拓扑结构ZigBee支持3种拓扑结构 包括星形 网状形和簇树形结构 2 网络特点ZigBee最多有65000个节点 节点之间相互协调实现通信 这些节点只需很少的能量 以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器 通信效率非常高 ZigBee采用的是自组织网络 ZigBee网络采用的是动态路由 物联网概论 6 1 2ZigBee4 ZigBee协议ZigBee协议的基础是IEEE802 15 4 但IEEE802 15 4仅是处理物理层 PHY 和媒体接入层 MAC 的协议 ZigBee联盟扩展

6、了上述协议的范围 对ZigBee的网络层 NWK 协议和应用程序编程接口 API 进行了标准化 物联网概论 6 1 2ZigBee5 ZigBee的应用场景符合如下条件的应用 可以采用ZigBee技术 1 需要数据采集或监控的网点多 2 要求传输的数据量不大 而要求设备成本低 3 要求数据传输的可靠性高 安全性高 4 设备体积很小 电池供电 5 地形复杂 监测点多 需要较大的网络覆盖 物联网概论 6 1 3蓝牙1 蓝牙的起源蓝牙的创始人是瑞典爱立信公司 爱立信公司早在1994年就进行蓝牙技术的研发 1998年2月 爱立信 诺基亚 IBM 东芝 Intel组成了一个特殊兴趣小组 SIG 建立一个

7、全球性的小范围无线通信技术 也就是现在的蓝牙 蓝牙技术的宗旨是提供一种短距离 低成本的无线传输应用技术 使短程无线通信技术标准化 使蓝牙技术能够成为未来的无线通信标准 物联网概论 6 1 3蓝牙2 蓝牙的技术优势全球可用 设备广泛 易于使用3 蓝牙的技术特点蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范 工作在全球通用的2 4GHzISM频段 采用分散式网络结构 快跳频 短包技术 时分双工等传输方案 支持点对点及点对多点通信 物联网概论 6 1 3蓝牙4 蓝牙的协议体系SIG在制定蓝牙的协议栈时 一个重要的原则就是 高层尽量利用已有的协议 而不是对于不同的应用去定义新的协议 5 蓝牙的应用场

8、景 1 居家 2 工作 3 途中 物联网概论 6 1 4UWB1 UWB的起源现代意义上的UWB数据传输技术出现于1960年 UWB技术在70年代获得了重要的发展 到80年代后期该技术开始被称为脉冲无线电 1998年美国联邦通信委员会 FCC 开放了UWB技术在短距离无线通信领域的应用许可 UWB引起了全球工业界的重视 与带宽相对较窄的传统无线系统不同 超宽带 UltraWideband UWB 能在较宽的频谱上传送极低功率的信号 能在10米左右的范围内实现数百Mbit s的无线数据传输 物联网概论 6 1 4UWB2 UWB的工作原理与普通信号波形相比 UWB不利用余弦波进行载波调制 而是发

9、送许多小于1ns的脉冲 也称为脉冲无线电 ImpulseRadio 通信 UWB调制采用脉冲宽度在ns级的快速上升和下降脉冲 脉冲覆盖的频谱从直流至GHz UWB不同于把基带信号变换为无线射频 脉冲成型后可直接送至天线发射 物联网概论 6 1 4UWB2 UWB的工作原理 物联网概论 6 1 4UWB3 UWB的技术特点 1 系统的结构简单 2 高速的数据传输 3 功耗低 4 安全性高 5 多径分辨能力强 6 定位精确 7 造价便宜 物联网概论 6 1 4UWB4 UWB的应用场景UWB技术多年来一直是美国军方使用的作战技术之一 但由于UWB具有巨大的数据传输速率优势 同时发射功率较小 在短距

10、离范围内提供高速无线数据传输将是UWB的重要应用领域 目前UWB主要应用于数字家庭和精确地理定位 物联网概论 6 1 560GHz通信1 60GHz通信的起源从理论上看 要进一步提高系统容量 增加带宽势在必行 但是10GHz以下的无线频谱已经拥挤不堪 要实现高速数据通信 还需要开辟新的频谱资源 目前众多国家相继在60GHz附近划分出免许可的ISM频段 这非常有利于在世界范围内开发这个频段的技术和产品 物联网概论 6 1 560GHz通信2 60GHz通信的标准化工作学术界 工业界和标准化组织已经投入大量精力研究60GHz通信技术和标准 其中 工业界有WirelessHD和WiGig联盟 标准化

11、组织有ECMA IEEE802 15 3c TG3c 和IEEE802 11ad TGad 小组 物联网概论 6 1 560GHz通信2 60GHz通信的标准化工作 物联网概论 6 1 560GHz通信3 60GHz通信的特点60GHz电磁波属毫米波范畴 具有高度的直线传播特性 绕射能力差 容易受障碍物的遮挡 60GHz的毫米波容易被氧气吸收 也容易被障碍物所阻挡 可以采用增大发射功率 选用高增益天线 增加中继站 采用相控阵天线的技术来解决 物联网概论 6 1 6WLAN1 WLAN的起源1990年IEEE802标准化委员会成立了IEEE802 11WLAN标准工作组 开始制定无线局域网络标准

12、 1997年6月 由大量局域网和计算机专家审定通过 WLAN第一个标准IEEE802 11诞生了 1999年 工业界成立了Wi Fi联盟 致力于解决符合IEEE802 11标准的产品生产和设备兼容性问题 物联网概论 6 1 6WLAN2 WLAN的技术特点 1 WLAN具有灵活性和移动性 2 WLAN安装便捷 3 WLAN易于进行网络规划和调整 4 WLAN容易定位故障 5 WLAN易于扩展 6 WLAN的缺陷是容易造成信息泄漏 物联网概论 6 1 6WLAN2 WLAN的技术特点 物联网概论 6 1 6WLAN3 WLAN的标准由于WLAN是基于计算机网络 在计算机网络结构中逻辑链路控制 L

13、LC 层之上可以是相同的 因此WLAN标准主要是针对物理层和媒质访问控制层 MAC WLAN主要涉及所使用的无线频率范围 空中接口通信协议等 物联网概论 6 1 7WIMAX1 WiMax的起源无线城域网 WMAN 主要用于解决城域网的无线接入问题 覆盖范围为几千米到几十千米 除提供固定的无线接入外 还提供具有移动性的接入能力 IEEE802 16是无线城域网的标准之一 为了促进IEEE802 16的应用 2003年Intel 西门子 富士通 AT T等公司成立了旨在推进无线宽带接入技术的WiMAX论坛 物联网概论 6 1 7WIMAX2 WiMax的技术特点实现更远的传输距离 WiMAX所能

14、实现的50公里无线信号传输距离是WLAN所不能比拟的 这样就使得无线网络应用的范围大大扩展 提供更高速的宽带接入 WiMAX所能提供的接入速度可以达到70Mbps 2011年4月 IEEE通过了802 16m标准 下载速率可能超过300Mbps 物联网概论 6 1 7WIMAX2 WiMax的技术特点 物联网概论 6 1 7WIMAX3 WiMax的技术标准实现IEEE802 16标准又称为IEEEWirelessMAN空中接口标准 是一点对多点技术标准 IEEE802 16标准有一系列协议 包括802 16 802 16a 802 16b 802 16c 802 16d 802 16e 80

15、2 16f 802 16g 802 16h 802 16i 802 16j 802 16k 802 16m等版本等 物联网概论 6 1 83G1 3G的起源蜂窝移动通信的概念早在20世纪60年代就由美国贝尔实验室提出 自20世纪70年代中期开始 移动通信技术经历了3代的发展历程 1985年 在美国的圣迭戈成立了一个名为 高通 的小公司 后成为世界五百强 这个公司开发出一种CDMA的新通讯技术 就是这个CDMA技术直接导致了3G的诞生 物联网概论 6 1 83G1 3G的起源 物联网概论 6 1 83G2 3G的技术特点 1 全球范围设计的 2 具有与固定通信网络相比拟的高话音质量和高安全性 3

16、 具有在本地采用2Mb s高速率接入和在广域网采用384kb s接入速率的数据率分段使用功能 4 移动终端可连接地面网络和卫星网 可移动使用和固定使用 可与卫星业务共存和互连 物联网概论 6 1 83G2 3G的技术特点 5 可同时提供高速电路交换和分组交换业务 6 支持分层小区结构 也支持包括用户向不同地点通信时浏览国际互联网的多种同步连接 7 语音业务 数据和视频信息 8 可支持同一地方的多个公共的和专用的运营公司 9 根据数据量 服务质量和使用时间收费 物联网概论 6 1 83G3 3G的3种标准 1 WCDMA 2 CDMA2000 3 TD SCDMA 物联网概论 6 1 83G4 3G的网络结构3G的网络结构主要包括核心网 CoreNetwork CN 无线接入网 RadioAccessNetwork RAN 和用户终端模块 其中核心网和无线接入网是第三代移动通信系统的重要内容 与原来的移动通信相比 3G核心网在电路域 CS 的基础上增加了分组域 PS 物联网概论 6 1 83G4 3G的网络结构 物联网概论 6 2有线接入网技术6 2 1基于双绞线传输的接入网技术6 2