無線個域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

《物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)導(dǎo)論》課件

第3章物聯(lián)網(wǎng)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

第3章物聯(lián)網(wǎng)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)本章主要內(nèi)容3.1物聯(lián)網(wǎng)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述3.2無線個域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)3.3無線局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)3.4無線城域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)3.5無線廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)3.6物聯(lián)網(wǎng)的接入技術(shù)3.7物聯(lián)網(wǎng)其他網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)要實現(xiàn)物物相連，需要網(wǎng)絡(luò)作為連接的橋梁。物聯(lián)網(wǎng)的通信與組網(wǎng)技術(shù)主要完成感知信息的可靠傳輸。由于物聯(lián)網(wǎng)連接的物體多種多樣，物聯(lián)網(wǎng)涉及的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也有多種，如可以是有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)；可以是短距離網(wǎng)絡(luò)和長距離網(wǎng)絡(luò)；可以是企業(yè)專用網(wǎng)絡(luò)、公用網(wǎng)絡(luò)；還可以是局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等等。3.1物聯(lián)網(wǎng)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述

通信技術(shù)簡單地說是指將信息從一個地點傳送到另一個地點所采取的方法和措施。按照歷史發(fā)展的順序，通信技術(shù)先后由人體傳遞信息通信到簡易信號通信，再發(fā)展到有線通信和無線通信。近年來發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的就是無線通信技術(shù)。3.1.1無線通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

1、

無線通信技術(shù)

無線通信技術(shù)主要包括無線電通信、微波通信、紅外通信和光通信等多種形式。其中無線電通信最為廣泛，它是利用電磁波信號在自由空間傳播的特性進(jìn)行信息交換的一種通信方式。目前無線通信主要使用數(shù)字化通信技術(shù)。數(shù)字化通信是一種用數(shù)字信號0和1進(jìn)行數(shù)字編碼傳輸信息的通信方式。數(shù)字化通信可以傳輸電報、數(shù)據(jù)等數(shù)字信號，也可傳輸經(jīng)過數(shù)字化處理的語音和圖像等模擬信號。2023/2/462、無線通信網(wǎng)絡(luò)及分類

無線通信網(wǎng)絡(luò)是利用無線通信技術(shù)、通信設(shè)備、通信標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議等組成的通信網(wǎng)絡(luò)，在該網(wǎng)絡(luò)中通信終端能夠接入網(wǎng)絡(luò)并且依賴該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相互通信。根據(jù)接入網(wǎng)絡(luò)的方式不同可以分為集中式和自組織兩種。集中式終端根據(jù)其位置是否固定又可分為固定式和移動式，如固定或移動基站、固定骨干節(jié)點等。典型的集中式包括各類蜂窩網(wǎng)絡(luò)，通過安裝多個固定的基站把較大通信區(qū)域覆蓋，而每個基站可以管理成百上千個移動接入節(jié)點。在無線局域網(wǎng)絡(luò)中可以利用集中式接入一個相對小的區(qū)域內(nèi)，并形成星狀網(wǎng)絡(luò)。

自組織網(wǎng)絡(luò)（AdHocNetworks）是與集中式網(wǎng)絡(luò)完全不同的一種網(wǎng)絡(luò)，在這種網(wǎng)絡(luò)中，沒有固定集中的控制中心，所有在網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點通過一定的自組織協(xié)議加入網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點間的通信通過鄰居節(jié)點的多跳來實現(xiàn)。自組織網(wǎng)絡(luò)屬于對等網(wǎng)絡(luò)（又稱工作組，網(wǎng)上各臺計算機有相同的功能，無主從之分），不會因為其中一個節(jié)點的損壞而失去功能，而集中式網(wǎng)絡(luò)如果基站損壞，將會破壞網(wǎng)絡(luò)的通信功能。3、無線通信技術(shù)的發(fā)展無線通信技術(shù)是社會信息化的重要支撐，隨著信息化社會的到來以及IP技術(shù)的興起，未來無線通信技術(shù)將得到快速發(fā)展，其發(fā)展的主要趨勢是寬帶化、接入多樣化、信息個人化和IP網(wǎng)絡(luò)化等幾個方面：寬帶化IP網(wǎng)絡(luò)化信息個人化核心網(wǎng)絡(luò)綜合化，接入網(wǎng)絡(luò)多樣化3.1.2物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)是連接物體的信息通道，在物聯(lián)網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)有多種形式，如有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)，局域網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)，企業(yè)網(wǎng)絡(luò)、專用網(wǎng)絡(luò)等等。對于物聯(lián)網(wǎng)來說無線網(wǎng)絡(luò)具有特別的吸引力，不僅可以擺脫布線的麻煩和費用，而且對于移動物體可能是唯一的連網(wǎng)選擇。無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)豐富多樣，根據(jù)距離不同，可以組成無線個域網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、無線城域網(wǎng)和無線廣域網(wǎng)。其中近距離的無線技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)最為活躍的部分，因為物聯(lián)網(wǎng)被稱作是互聯(lián)網(wǎng)的最后一公里，也稱為末梢網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)應(yīng)用的不同，其通信距離可能是幾厘米到幾百米之間，目前常用的技術(shù)主要有藍(lán)牙、ZigBee、Z-wave、RFID、NFC、UWB、WI-FI等。3.2無線個域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無線個域網(wǎng)(WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN)是為了實現(xiàn)活動半徑小、業(yè)務(wù)類型豐富、面向特定群體、無縫連接而提出的新興無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。無線個域網(wǎng)主要解決最后幾十米的通信問題，目前主要包括藍(lán)牙技術(shù)、ZigBee技術(shù)、UWB技術(shù)、Z-wave技術(shù)、NFC（近距離通信）和紅外通信等技術(shù)，具有低成本、低功耗、通信距離短等特點。3.2.1藍(lán)牙技術(shù)1、藍(lán)牙技術(shù)簡介藍(lán)牙（Bluetooth）是一種低成本、低功率、近距離無線連接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是實現(xiàn)數(shù)據(jù)與話音無線傳輸?shù)拈_放性規(guī)范。2、藍(lán)牙的主要技術(shù)特點藍(lán)牙技術(shù)使用的工作頻率為2.4G-2.5G之間，屬于免費的ISM（IndustryScienceMedicine）頻段，此頻段主要是開放給工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)三個主要機構(gòu)使用，無需授權(quán)許可，只需要遵守一定的發(fā)射功率(一般低于1W)，并且不要對其它頻段造成干擾即可。ISM頻段各國并統(tǒng)一，美國分為工業(yè)（902-928MHz）,科學(xué)研究（2.42-2.4835GHz）和醫(yī)療（5.725-5.850GHz）三個頻段。

2、藍(lán)牙的主要技術(shù)特點

藍(lán)牙技術(shù)可以實現(xiàn)語音、視頻和數(shù)據(jù)的傳輸，其最高的通信速率為1Mb/s，采用時分方式的全雙工通信，通信距離為10m左右（如果配置功率放大器可以使通信距離達(dá)到100m）。表3-1藍(lán)牙技術(shù)指標(biāo)和系統(tǒng)參數(shù)工作頻段ISM頻段，2.402GHz-2.480GHz雙工方式全雙工，TDD時分雙工業(yè)務(wù)類型支持電路交換和分組交換業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)速率1Mbps非同步信道速率非對稱連接721Kbps/57.6Kbps，對稱連接432.6Kbps同步信道速率64Kbps功率美國FCC要求<0dbm(1mw)，其他國家可擴展為100mw跳頻頻率數(shù)79個頻點/1MHz工作模式PARK/HOLD/SNIFF數(shù)據(jù)連接方式面向連接業(yè)務(wù)SCO，無連接業(yè)務(wù)ACL糾錯方式1/3FEC,2/3標(biāo)FEC，ARQ鑒權(quán)采用反應(yīng)邏輯算術(shù)信道加密采用0位、40位、60位加密語音編碼方式連續(xù)可變斜率調(diào)制CVSD發(fā)射距離一般可達(dá)10cm-10m，增加功率的情況下可達(dá)100m3、藍(lán)牙組網(wǎng)方式

藍(lán)牙系統(tǒng)采用無基站的靈活組網(wǎng)方式，支持點對點或點對多點的通信方式，在藍(lán)牙2.0標(biāo)準(zhǔn)中一個藍(lán)牙設(shè)備可同時與7個其他的藍(lán)牙設(shè)備相連接。如圖3-1所示：圖3-1藍(lán)牙的組網(wǎng)方式示意圖基于藍(lán)牙技術(shù)的無線接入簡稱為BLUEPAC（BluetoothPublicAccess），藍(lán)牙系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩種形式：微微網(wǎng)（piconet）和分布式網(wǎng)絡(luò)（Scatternet）。

微微網(wǎng)（piconet）：通過藍(lán)牙技術(shù)以特定方式連接起來的一種微型網(wǎng)絡(luò)，一個微微網(wǎng)可以只是兩臺相連的設(shè)備，比如一臺便攜式電腦和一部移動電話，也可以是8臺連在一起的設(shè)備。藍(lán)牙分布式網(wǎng)絡(luò)是自組網(wǎng)（adhocnetworks）的一種特例，其最大特點是無基站支持，每個移動終端的地位是平等的，并可獨立進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)的決策。其建網(wǎng)的靈活性，多跳性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化和分布式控制等特點是構(gòu)建藍(lán)牙分布式網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。4、藍(lán)牙技術(shù)的主要應(yīng)用設(shè)備藍(lán)牙無線接入技術(shù)具有規(guī)模小、成本低、短距離連接等特點，能夠有效地簡化掌上電腦、筆記本電腦和移動電話、手機等移動通信終端設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡化以上這些設(shè)備與Internet之間的通信，從而使這些現(xiàn)代通信設(shè)備與因特網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，也為無線通信拓寬了道路。藍(lán)牙技術(shù)的主要缺點是傳輸距離短、傳輸速率慢。但由于藍(lán)牙技術(shù)能耗低，在物聯(lián)網(wǎng)中，低功耗藍(lán)牙主要應(yīng)用于醫(yī)療和健康傳感器網(wǎng)絡(luò)等電源供給有限的場合，如應(yīng)用的領(lǐng)域包括：血氧計、血壓計、體溫計、體重秤、血糖儀、心血管活動監(jiān)控儀、便攜式心電圖儀等等。藍(lán)牙技術(shù)已經(jīng)得到非常普遍的應(yīng)用，全球大約80%以上的手機都使用了藍(lán)牙技術(shù)，其中將近100%的智能手機都已經(jīng)使用了藍(lán)牙技術(shù)。利用每個人都擁有手機的優(yōu)勢，藍(lán)牙技術(shù)可以用在更加廣闊的領(lǐng)域，如車載網(wǎng)的應(yīng)用、手機、電玩、電腦、手表、運動及健體、保健、汽車工業(yè)、家居電器、遠(yuǎn)程控制、自動化工業(yè)等等。3.2.2ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離無線通信技術(shù)，主要面向低速率無線個人區(qū)域網(wǎng)（LRWPAN，LowRateWirelessPersonalAreaNetwork），典型特征是近距離、低功耗、低成本、低傳輸速率，主要適用于工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)和玩具等領(lǐng)域，目的是為了滿足小型廉價設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制。Zigbee技術(shù)采用三種頻段：2.4GHz、868MHz和915MHz。2.4GHz頻段是全球通用頻段，868MHz和915MHz則是用于美國和歐洲的ISM頻段，這兩個頻段的引入避免了2.4GHz附近各種無線通信設(shè)備的相互干擾。1、ZigBee與IEEE802.15.4協(xié)議

ZigBee和IEEE802.15.4并不是完全一回事。IEEE802.15.4是IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)(PersonalAreaNetwork，PAN)工作組的一項標(biāo)準(zhǔn)，被稱作IEEE802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，IEEE僅處理低級MAC(媒體介入控制)層和物理層協(xié)議。ZigBee聯(lián)盟在802.15.4的基礎(chǔ)上，對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API(應(yīng)用程序編程接口)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。另外ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證使用ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備不會意外泄漏其標(biāo)識，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男畔⒉粫黄渌?jié)點獲得。Zigbee網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)ZigBee聯(lián)盟成立于2001年8月。2002年下半年ZigBee聯(lián)盟得以擴大，英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司四大巨頭共同宣布加入“ZigBee聯(lián)盟”，研發(fā)名為“ZigBee”的下一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)。目前ZigBee聯(lián)盟全球約有400多家成員，包括國際著名半導(dǎo)體生產(chǎn)商、技術(shù)提供者、代工生產(chǎn)商以及最終使用者，其總營業(yè)額突破1萬億美元。2011年6月，ZigBee聯(lián)盟分別在北京和無錫設(shè)立了辦事處，作為在中國開展物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)交流與合作的平臺。截至目前為止，ZigBee共公布了三個協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，分別稱為ZigBee2004，ZigBee2006，Zigbee2007。ZigBee2007規(guī)范了兩套功能指令集，分別是ZigBee功能命令集和ZigBeePro功能命令集。ZigBee各個版本的比較如表3-2所示。表3-2ZigBee各版本的比較版本號ZigBee04ZigBee06ZigBee07ZigBee07指令集無無ZigbeeZigbeePro無線射頻標(biāo)準(zhǔn)802.15.4802.15.4802.15.4802.15.4地址分配無CSKIPCSKIP隨機拓?fù)湫菭顦錉?、網(wǎng)狀樹狀、網(wǎng)狀網(wǎng)狀大網(wǎng)絡(luò)不支持不支持不支持支持自動跳頻是，3信道否否是PANID沖突決策支持否可選支持?jǐn)?shù)據(jù)分割支持否可選可選多對一路由否否否支持高安全支持支持，1密鑰支持，1密鑰支持，多密鑰支持節(jié)點數(shù)目少量節(jié)點300個以下300個以下1000個以上應(yīng)用領(lǐng)域消費電子住宅住宅商業(yè)2、ZigBee主要技術(shù)特點（1）低功耗（2）低成本（3）時延短（4）傳輸范圍?。?）數(shù)據(jù)傳輸速率低（6）數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕?）安全性好3、ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點按照不同的功能，可以分為協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點和終端節(jié)點3種。一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點、多個路由器和多個終端設(shè)備節(jié)點組成。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有星狀（STAR），樹狀（TREE），網(wǎng)狀（MESH）3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌鐖D3-2所示。圖3-2ZigBee組網(wǎng)示意圖工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)消費電子、汽車自動化監(jiān)視傳感器自動化控制TVVCRDVD、CD低速無線設(shè)備個人健康監(jiān)護(hù)PC機的外圍設(shè)備鼠標(biāo)、鍵盤、操作桿玩具和游戲家庭自動化監(jiān)視診斷傳感器玩具游戲器具保安HVAC照明門禁4．ZigBee應(yīng)用場景（圖3-3）圖3-3ZigBee應(yīng)用場景ZigBee主要應(yīng)用范圍很廣，這得益于ZigBee具有的低速率、低成本和低功耗的特點。如上圖所示，ZigBee可以廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)控制、商業(yè)領(lǐng)域、消費性電子、PC機的外圍設(shè)備、家庭自動化、玩具和游戲、個人健康監(jiān)護(hù)、醫(yī)用設(shè)備控制、汽車自動化等領(lǐng)域。具體地講，ZigBee技術(shù)可以應(yīng)用到消費性電子設(shè)備、家庭和建筑自動化設(shè)備，智能家居（照明控制、各類窗簾控制、家庭安防、暖氣控制、內(nèi)置