第五章 物聯(lián)網(wǎng)主要通訊技術(shù)

第五章

物聯(lián)網(wǎng)(liánwǎnɡ)主要通訊技術(shù)共五十三頁學(xué)習(xí)(xuéxí)要點(diǎn)ZigBee技術(shù)(jìshù)WLAN技術(shù)藍(lán)牙技術(shù)3G技術(shù)4G技術(shù)共五十三頁目錄(mùlù)5.54G技術(shù)(jìshù)5.43G技術(shù)5.3藍(lán)牙技術(shù)5.2WLAN技術(shù)5.1ZigBee技術(shù)共五十三頁5.1ZigBee技術(shù)(jìshù)

ZigBee技術(shù)是一組基于IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)。其主要適用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型(diǎnxíng)的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。共五十三頁ZigBee作為(zuòwéi)一種無線聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，屬于個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（PersonalAreaNetwork，PAN）的范疇，有別于GSM、GPRS等廣域無線通信技術(shù)和IEEE802.11a、IEEE802.11b等無線局域網(wǎng)技術(shù)，參數(shù)及性能比較見下表1。共五十三頁共五十三頁共五十三頁共五十三頁ZigBee

技術(shù)主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)傳輸速率不高的短距離設(shè)備之間，因此非常適用于家電和小型電子設(shè)備的無線數(shù)據(jù)傳輸。主要應(yīng)用領(lǐng)域：智能家庭(jiātíng)和樓宇自動化在消費(fèi)和家用自動化市場工業(yè)自動化領(lǐng)域、醫(yī)療監(jiān)控、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域共五十三頁5.2WLAN技術(shù)(jìshù)

WLAN又稱為無線局域網(wǎng)絡(luò)，利用無線射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，WLAN用戶通過一個或多個無線接收器接入WLAN。WLAN具有移動行、便捷性、較高的帶寬(dàikuān)等特點(diǎn)。WLAN技術(shù)是提升城市信息化水平的重要手段，是3G環(huán)境下熱點(diǎn)區(qū)域中對3G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)覆蓋的重要補(bǔ)充，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在商務(wù)區(qū)、大學(xué)、機(jī)場等公共區(qū)域。共五十三頁共五十三頁WAPI標(biāo)準(zhǔn)WAPI（WLANAuthenticationandPrivacyInfrastructure）是中國開發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的無線局域網(wǎng)中的一種傳輸協(xié)議，它與現(xiàn)行的802.11b傳輸協(xié)議比較相近，同時也是中國無線局域網(wǎng)安全(ānquán)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。作為全球在此領(lǐng)域的兩個標(biāo)準(zhǔn)之一，相比另一個由美國IEEE主導(dǎo)完成（實(shí)際為Intel主導(dǎo)）共五十三頁的標(biāo)準(zhǔn)，WAPI具有明顯的安全和技術(shù)優(yōu)勢，迄今未被發(fā)現(xiàn)有安全技術(shù)漏洞。WAPI通過雙向身份識別、采用公鑰密碼等方式(fāngshì)完善WLAN的安全性能。WAPI安全系統(tǒng)采用公鑰密碼技術(shù)，鑒權(quán)服務(wù)器（AS）負(fù)責(zé)證書的頒發(fā)、驗(yàn)證與吊銷等，無線客戶端與無線接入點(diǎn)（AP）上都安裝有AS頒發(fā)的公鑰證書，作為自己的數(shù)字身份憑證。共五十三頁WLAN優(yōu)劣勢WLAN的網(wǎng)絡(luò)速度與以太網(wǎng)相當(dāng)。一個AP(AccessPoint)最多可支持100多個用戶接入,最大傳輸范圍可達(dá)到幾十公里,有以下的通信特點(diǎn)高移動性,通信范圍不受環(huán)境條件的限制(xiànzhì),拓寬了網(wǎng)絡(luò)的傳輸范圍。抗干擾性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)的保密性好。共五十三頁有線局域網(wǎng)中的諸多安全問題,無線局域網(wǎng)基本上可以避免。建網(wǎng)容易,管理方便。相對于有線網(wǎng)絡(luò)(wǎngluò),WLAN的組建、配置和維護(hù)較為容易,一般計算機(jī)工作人員都可以勝任網(wǎng)絡(luò)的管理工作。WLAN還不能完全脫離有線網(wǎng)絡(luò)，它只是有線網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充，而不是替換。共五十三頁與有線網(wǎng)絡(luò)相比,無線局域網(wǎng)有以下不足:網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品(chǎnpǐn)昂貴,昂貴的設(shè)備增加了組網(wǎng)的成本。傳輸速率慢,以太網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)1Gbit/s的傳輸速度,而無線局域網(wǎng)的傳輸速度被限制在10Mbit/s左右，市場上一般的無線網(wǎng)絡(luò)帶寬還達(dá)不到2Mbit/s。共五十三頁802.11技術(shù)基礎(chǔ)1．802.11物理層（PHY）

802.11標(biāo)準(zhǔn)的物理層是MAC

層和數(shù)據(jù)幀傳輸所在的無線介質(zhì)之間的接口。物理層定義了紅外光束、跳頻擴(kuò)頻技術(shù)（FHSS）和直接序列擴(kuò)頻技術(shù)（DSSS）。物理層使用特定的調(diào)制(tiáozhì)技術(shù)利用850

納米到950

納米波長范圍的紅外光束進(jìn)行二進(jìn)制數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸速率為1Mbps或2Mbps。共五十三頁2．介質(zhì)訪問接入控制層（MAC）IEEE820.11標(biāo)準(zhǔn)(biāozhǔn)的MAC

層定義了一種新的接入控制協(xié)議來進(jìn)行無線介質(zhì)分享，這種協(xié)議叫帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問CSMA/CA（Carrier—SenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance）。3．IEEE802.11a為改進(jìn)WLAN

技術(shù)，IEEE

在1999

年提出(tíchū)了802.11a

標(biāo)準(zhǔn)。共五十三頁這一標(biāo)準(zhǔn)既保留了原有標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，又進(jìn)一步擴(kuò)展了物理層（PHY）。新標(biāo)準(zhǔn)增加(zēngjiā)了5GHz的工作頻譜，使用正交頻分復(fù)用技術(shù)（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）可支持6Mbps到54Mbps

的傳輸速率。在MAC層上，依然使用WEP

進(jìn)行安全檢測。共五十三頁4.IEEE802.11bIEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的另一個擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)是820.11b，它是在1999

年和802.11a

標(biāo)準(zhǔn)一同發(fā)布的。820.11b標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵(guānjiàn)改進(jìn)是物理層使用2.4Ghz

頻段且支持5.5Mbps

和11Mbps

兩種傳輸速率。5．IEEE802.11gIEEE802.11a和802.11b工作在不同的頻譜共五十三頁因此這兩種標(biāo)準(zhǔn)互不兼容。為了解決這一問題，IEEE在2003年提出了802.11g這一LAN新標(biāo)準(zhǔn)。802.11g兼容802.11b的物理層標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行了速率上的擴(kuò)展，在2.4GHz頻譜下支持最高54Mbps的傳輸速率。當(dāng)傳輸速率在20Mbps以下(yǐxià)時，在物理層采用DSSS技術(shù)和CCK技術(shù)。當(dāng)傳輸速率超過20Mbps時，在物理層使用OFDM技術(shù)。共五十三頁802.11g標(biāo)準(zhǔn)兼容802.11b并提供了更高的傳輸速率，但昂貴(ángguì)的成本阻礙了它的發(fā)展。WLAN的應(yīng)用Wi-Fi技術(shù)(jìshù)的應(yīng)用WLAN在智能公交中的應(yīng)用WLAN在鐵路行業(yè)中的應(yīng)用共五十三頁共五十三頁5.3藍(lán)牙(lányá)技術(shù)藍(lán)牙技術(shù)是一種以低成本的近距離無線傳輸為基礎(chǔ)，為固定與移動設(shè)備通信環(huán)境建立一個特別連接的無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范。它的主要目標(biāo)是提供一個全世界通行的無限傳輸環(huán)境，通過無線電波來實(shí)現(xiàn)(shíxiàn)所有移動設(shè)備之間的信息傳輸服務(wù)。共五十三頁這些設(shè)備(shèbèi)移動包括手機(jī)、筆記本電腦、PDA、數(shù)字相機(jī)、打印機(jī)等等。它的實(shí)質(zhì)其實(shí)就是為固定設(shè)備和移動設(shè)備建立一個通用的無線電空中接口。藍(lán)牙工作原理圖如圖5.7所示，在藍(lán)牙設(shè)備間的通信中，首先由藍(lán)牙主設(shè)備利用其專門的發(fā)射結(jié)構(gòu)，使用短程射頻鏈接，在業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)(fāxiàn)協(xié)議（發(fā)現(xiàn)(fāxiàn)鏈接的設(shè)備或主機(jī)的功能的應(yīng)共五十三頁用規(guī)范(guīfàn)）的規(guī)范(guīfàn)下，通過召喚體系結(jié)構(gòu)（一種業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)），查詢到需鏈接從設(shè)備信息和服務(wù)類型，之后，藍(lán)牙設(shè)備間的鏈接才能建立，形成藍(lán)牙微網(wǎng)。其次，藍(lán)牙設(shè)備間可進(jìn)行語言及數(shù)據(jù)的傳輸。如果傳輸語言信息，則采用電路交換形式，進(jìn)行同步時分雙工（TDD）的全雙工傳輸。共五十三頁共五十三頁共五十三頁共五十三頁藍(lán)牙技術(shù)的主要運(yùn)用居家電子工作軍事(jūnshì)娛樂共五十三頁5.43G技術(shù)(jìshù)第三代移動通信技術(shù)（The ThirdGeneration，3G）指無線通信與國際互聯(lián)網(wǎng)等多媒體通信結(jié)合(jiéhé)的新一代移動通信系統(tǒng)。3G是指在第一代模擬制式手機(jī)(1G)和第二代GSM、TDMA等數(shù)字手機(jī)(2G)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的第三代移動通信技術(shù)。共五十三頁相對于第一代模擬制式手機(jī)(1G)和第二代GSM、CDMA等數(shù)字手機(jī)(2G)，3G的一個突出特點(diǎn)是，在未來移動通信系統(tǒng)(xìtǒng)中實(shí)現(xiàn)個人終端用戶能夠在全球范圍內(nèi)的任何時間，任何地點(diǎn)，與任何人，用任意方式，高質(zhì)量地完成任何信息之間的移動通信與傳輸。共五十三頁

3G技術(shù)的起源3G技術(shù)是由“展布頻譜技術(shù)”（也稱碼分?jǐn)U頻技術(shù)）的技術(shù)理論演變而成的，展布頻譜技術(shù)就是3G技術(shù)的根本基礎(chǔ)原理。這個(zhège)技術(shù)理論是由美國女演員海蒂·拉瑪和她的作曲家丈夫于1942年提出一個Spectrum(頻譜)的技術(shù)概念。共五十三頁二戰(zhàn)期間，為了幫助(bāngzhù)美國軍方制造出能夠?qū)Ω都{粹德國的電波干擾或防竊聽的軍事通訊系統(tǒng)，海蒂-拉瑪開始研究這個技術(shù)，這個技術(shù)最初的作用是用于軍事。二戰(zhàn)結(jié)束后暫時失去了價值，于是美國軍方封存了此技術(shù)。但是它的概念使很多國家對此產(chǎn)生了濃厚的興趣，多國在60年代都在此技術(shù)上展開了研究，不過進(jìn)展不大。美國軍方解禁了“展布頻譜技術(shù)”這項(xiàng)技術(shù)之后，共五十三頁在1985年，在美國的圣迭戈成立了一個(yīɡè)名為‘高通’的小公司（現(xiàn)成為世界五百強(qiáng)），這個公司利用此技術(shù)開發(fā)出一個(yīɡè)名為‘CDMA’的新通訊技術(shù)，也就是“CDMA”技術(shù)直接導(dǎo)致3G的誕生。CDMA是3G的根本基礎(chǔ)原理，而展布頻譜技術(shù)是CDMA的基礎(chǔ)原理。共五十三頁現(xiàn)在世界3G技術(shù)的3大標(biāo)準(zhǔn)(biāozhǔn)：美國的CDMA2000、歐洲的WCDMA、中國的TD-SCDMA，都是在CDMA的技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)出來的。中國(zhōnɡɡuó)3G的發(fā)展歷程

2000年5月，國際電信聯(lián)盟正式公布第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)，我國提交的TD-SCDMA正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)，與歐洲WCDMA、美國CDMA2000成為3G時代最主流的三大技術(shù)之一。共五十三頁在中國，2008年5月24日，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)改委、財政部聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于(guānyú)深化電信體制改革的通告》，鼓勵中國電信收購中國聯(lián)通CDMA網(wǎng)（包括資產(chǎn)和用戶），中國聯(lián)通與中國網(wǎng)通合并，中國網(wǎng)通的基礎(chǔ)電信業(yè)務(wù)并入中國聯(lián)通，中國鐵通并入中國移動，國內(nèi)電信運(yùn)營商由5家變?yōu)?家。2008年6月2日，中國聯(lián)通和中國網(wǎng)通兩家公司實(shí)施合并。同時，中國電信共五十三頁將以總價1100億元收購聯(lián)通CDMA網(wǎng)絡(luò)。

2008年7月29日，中國電信集團(tuán)宣布未來三年投資800億元發(fā)展CDMA業(yè)務(wù)，并提出在三年內(nèi)把CDMA用戶數(shù)由目前約4300萬增至1億，屆時(jièshí)在中國移動通信市場的占有率將達(dá)15%。

2008年8月，工信部發(fā)布《關(guān)于同意中國移動通信集團(tuán)公司開展試商用工作的批復(fù)》，同意中國移動在全國建立TD網(wǎng)絡(luò)并開展試商用共五十三頁2008年12月22日，中國電信發(fā)布移動業(yè)務(wù)(yèwù)品牌“天翼”，189號段在部分省市投入試商用，全面轉(zhuǎn)型為全業(yè)務(wù)運(yùn)營商。

2008年12月31日，國務(wù)院常務(wù)會議通過決議，同意啟動3G牌照發(fā)放工作。共五十三頁

主要3G的應(yīng)用如下(rúxià)：寬帶上網(wǎng)視頻語音手機(jī)購物手機(jī)閱讀和手機(jī)電視手機(jī)游戲3G技術(shù)應(yīng)用在企業(yè)方面3G技術(shù)在社會中的應(yīng)用共五十三頁共五十三頁5.54G通信(tōngxìn)技術(shù)第四代移動通信(The4thGeneration，4G)是業(yè)界對第四代移動通信通俗的叫法，國際電聯(lián)的官方稱法是“IMT-Advanced”。4G將適合所有的移動通信用戶，最終實(shí)現(xiàn)商業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)、藍(lán)牙、廣播(guǎngbō)、電視衛(wèi)星通信的無縫銜接并相互兼容。共五十三頁4G

通信技術(shù)是繼第三代以后的又一次無線通信技術(shù)演進(jìn)，它是以傳統(tǒng)通信技術(shù)為基礎(chǔ)，并利用一些新的通信技術(shù)，來不斷(bùduàn)提高無線通信的網(wǎng)絡(luò)效率和功能。4G技術(shù)由于連接傳輸速率大幅提高，從而能引入高質(zhì)量的視頻通信，它將可創(chuàng)造出許多消費(fèi)者難以想象的應(yīng)用，將被廣泛地應(yīng)用于人們生活和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的方方面面。共五十三頁目前(mùqián)世界發(fā)送國家都正在積極進(jìn)行4G技術(shù)規(guī)格的研究制定，以期在全球4G規(guī)格制定中享有發(fā)言權(quán)。4G的各項(xiàng)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)將由國際電信聯(lián)盟（ITU）電信標(biāo)準(zhǔn)局決定。新一代無線通信技術(shù)在美國及日本、韓國等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)進(jìn)入密集的研發(fā)和市場化階段。共五十三頁從2001年底起，我國已經(jīng)在國內(nèi)外申請移動通信技術(shù)發(fā)明專利100余項(xiàng)，我國在第四代移動通信技術(shù)上已經(jīng)處于世界前沿。繼在國產(chǎn)3G標(biāo)準(zhǔn)制定(zhìdìng)方面取得巨大進(jìn)展之后，國家“十五”、“863”計劃啟動了面向未來移動與無線通信發(fā)展的“FUTURE計劃”。共五十三頁2006年7月，上海建設(shè)的世界最大的4G實(shí)驗(yàn)網(wǎng)通過了863項(xiàng)目的驗(yàn)收。通過驗(yàn)收的上海試驗(yàn)網(wǎng)由三個無線覆蓋小區(qū)、六個無線接入點(diǎn)組成，具有在移動環(huán)境下支持(zhīchí)蜂值速率為100Mb/S的無線傳輸及高清晰度交互式圖像業(yè)務(wù)演示等功能。共五十三頁2009年，我國對4G的發(fā)展步伐明顯加快，大唐移動聯(lián)合中興通訊、華為以及相關(guān)高校和科研院所完成了4G相關(guān)白皮書。我國已經(jīng)完成了4G標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方案起草工作，目前正在進(jìn)行4G關(guān)鍵技術(shù)