第4章物聯網通信第4章物聯聯網通信信移動通信網絡

4.1短距離無線通信4.2無線傳感器網絡4.34.1移動通信信網絡4.1..1移動通信信基本原原理4.1..2寬帶移動動通信移動通信信系統在在生活中中的應用用移動通信信的特點點：覆蓋廣建設成本本低部署方便便具備移動動性物聯網與與移動通通信網絡絡物聯網的的終端都都需要以以某種方方式連接接起來，，發送或或者接收收數據。。移動通通信網是是適合物物聯網組組網特點點的通信信和聯網網方式。。物聯網的的組網特特點方便性：：不需要要數據線線連接信息基礎礎設施的的可用性性：不是是所有地地方都有有方便的的固定接接入能力力一些應用用場景本本身需要要隨時監監控的目目標就是是在移動動狀態下下移動通信信網絡將將是物聯聯網主要要的接入入手段章節設置置移動通信信的基本本原理移動通信信的特點點移動通信信網絡的的發展歷歷程寬帶移動動通信系系統的標標準演進進、網絡絡架構和和技術特特點4.1..1移動通信信基本原原理早期移動動通信發發展歷程程1897年，馬馬可尼在在陸地和和一艘拖拖船上完完成無線線通信實實驗，標標志無線線通信的的開始1928年，美美國警用用車輛的的車載無無線電系系統，標標志移動動通信開開始1946年，Bell實驗室在在圣路易易斯建立立第一個個公用汽汽車電話話網，1960s，實現無線線頻道自自動選擇擇域公用用電話網網自動撥撥號連接接。1974年，美美國Bell實驗室提提出蜂窩窩移動通通信的概概念1、移動通通信特點點（1）移移動性。。（2）電電波傳播播條件復復雜。（3）噪噪聲和干干擾嚴重重。（4）系系統和網網絡結構構復雜。。（5）要要求頻帶帶利用率率高，設設備性能能好。無線電傳傳播環境境攜帶信息息的電磁磁波的傳傳輸是擴擴散的；；地理環境境復雜多多變，用用戶移動動隨機不不可預測測，所有這些些都造成成了無線線電波傳傳輸的損損耗。多徑傳播播基站天線線、移動動用戶天天線和這這兩端天天線之間間的傳播播路徑稱稱之為無無線移動動信道。。多徑信號號經過不不同的路路徑到達達接收端端時，具具有不同同的時延延和入射射角，這這將導致致接收信信號的時時延擴展展和角度度擴展。。多普勒效效應三類損耗耗和四種種效應三類損耗耗路徑傳播播損耗大尺度衰衰落損耗耗小尺度衰衰落損耗耗四種效應應陰影效應應遠近效應應多徑效應應多普勒效效應2．移動通通信的發發展蜂窩系統統的概念念和理論論在20世紀60年代就由由美國貝貝爾實驗驗室等單單位提了了出來，，但其復復雜的控控制系統統直到20世紀70年代才大大規模實實現。小區制蜂蜂窩通信信具有小小覆蓋、、小發射射功率和和資源重重用等優優點，決決定了它它在現代代移動通通信中的的重要作作用。現代移動動通信發發展歷程程現代移動動通信發發展主要要經歷了了三個階階段第一代移移動通信信系統第二代移移動通信信系統第三代移移動通信信系統（1）第一代代移動通通信系統統解決了用用戶移動動性的基基本問題題蜂窩小區區系統設設計:頻率復用用---解解決大容容量需求求與有限限頻譜資資源的矛矛盾多址方式式：FDMA模擬系統統---FM調制、模模擬電路路交換、、模擬語語音信號號業務功能能：單一一通話第一階段段是模擬擬蜂窩移移動通信信網，時時間是20世紀70年代中期期至80年代中期期。模擬系統統有以下下缺點：：頻譜利利用率低低；業務務種類有有限；無無高速數數據業務務；保密密性差，，易被竊竊聽和盜盜號；設設備成本本高；體體積大，，重量大大。（2）第二代代移動通通信系統統數字化通通信語音信號號數字化化、數字字式電路路交換、、數字式式調制多址方式式：TDMA，CDMA微蜂窩小小區結構構：提高高用戶數數量采用了一一系列數數字處理理技術來來有效提提高通信信質量糾錯編碼碼、交織織、自適適應均衡衡、分集集等業務類型型：以通通話為主主，還有有低速數數據業務務以GSM和IS-95為代表的的第二代代移動通通信系統統，時間間是從20世紀80年代中期期開始從1996年開始，，為了解解決中速速數據傳傳輸問題題，又出出現了2.5G移動通信信系統，，如GPRS和IS-95B。CDMA應用于數數字移動動通信的的優點系統容量量大：比模擬網網大10倍，比GSM大4.5倍系統通信信質量更更佳：：軟切換換技術頻率規劃劃靈活適用于多多媒體通通信系統統：多CDMA信道方式式、多CDMA幀方式（3）第三代代移動通通信系統統以多媒體((Multi-media)綜合服務務業務為為主要特特征會話型、、數據流流型、互互動型、、后臺類類型主要以寬寬帶CDMA技術為基基礎WCDMA、CDMA2000、TD－SCDMA、WiMax等多址方式式：TDMA/CDMA//OFDMA電路交換換分組交交換引入多種種新技術術智能天線線、發端端分集、、空時碼碼、OVSF多址碼等等第三代移移動通信信系統的的目標能實現全全球漫游游能提供多多種業務務能適應多多種環境境足夠的系系統容量量4.1..2寬帶移動動通信第三代移移動通信信系統的的概念是是國際電電聯（ITU）早在1985年就提出出的，當當時稱為為未來公公共陸地地移動通通信系統統（FPLMTS）,1996年更名為為IMT--2000，在歐洲稱稱其為個個人移動動通信系系統（UMTS）。IMT--2000的宗旨是是建立全全球的綜綜合性個個人通信信網，提提供多種種業務，，尤其是是多媒體體和高比比特率分分組數據據業務并并實現全全球無縫縫覆蓋。。演變歷程程2000年5月舉行的的ITU--T2000年全會上上，被正正式命名名為IMT--2000無線接口口技術規規范2007年10月，ITU在日內瓦瓦舉行的的無線通通信全體體會議上上，與會會國家通通過投票票正式通通過無線線寬帶技技術WiMAX成為3G標準2008年全球移移動大會會上，主主流設備備廠商不不約而同同地發布布了LTE的研究成成果和后后續演進進策略IMT--2000無線傳輸輸技術分分類IMT-2000CDMAFDDDSWCDMAFDDMCcdma2000TDDTD-SCDMATD-CDMAIMT-2000TDMATDMAMCUWC-136TDMASCEP-DECT移動通信信網絡將將成為物物聯網最最重要的的信息基基礎設施施，為人人與人之之間通信信、人與與網絡之之間的通通信、物物與物之之間的通通信提供供服務工業和信信息化部部領導在在2009年“全國國工業和和信息化化工作會會議”上上指出，，2010年將推進進國家傳傳感信息息中心建建設，促促進物聯聯網與互互聯網、、移動互互聯網融融合發展展（1）WCDMA的演進過過程1985：FPLMTS，1996更名為IMT--20001992：WRC92大會分配配頻譜230MHz1999.3：完成IMT--2000RTT關鍵參數數1999.11：完成IMT--2000RTT技術規范范2000：完成IMT2000全部網絡絡標準成立3GPP(1998..12))、3GPP2(1999)等標準化化組織WCDMA技術特點點信道帶寬

5MHz雙工方式

FDD或TDD碼元速率

3．84Mchip/s幀長

10ms下行鏈路和RF信道結構

直擴

擴頻調制方式

上行：雙信道QPSK；下行：平衡QPSK；復擴頻電路

數據調制方式

上行：BPSK；下行：QPSK信道編碼

交織或turbo碼

相干檢測

上/下行：用戶專用的時間復用導頻；下行：共用導頻

上行信道復用

控制和導頻信道時分復用；數據和控制信道I&Q復用

下行信道復用

數據和控制信道時分復用

多速率

可變擴頻和多碼

擴頻因子

4～256功率控制

開環和快速閉環(1.6KHz)下行擴頻碼

可變長度的正交序列碼(OVSF)劃分信道，

218－1的Gold序列碼區分小區和用戶上行擴頻碼

可變長度的正交序列碼(OVSF)劃分信道，

241－1的Gold序列區分用戶切換

軟切換，頻率間切換

R99網絡結構構R99網絡特點點接入部分分全新的5MHz/載頻的寬寬帶碼分分多址接接入網；；功率控控制；軟軟切換；；更軟切切換核心網電路域與與GSM完全兼容容；相對對于GPRS，增加了了服務級級別的概概念系統采用分組組域和電電路域分分別承載載與處理理的方式式目前的商商業部署署全都采采用了R99R4網絡結構構R4網絡改進進加入低碼碼片速率率TDD模式（LCRTDD），即由由我國提提出的TD-SCDMA引入直放放站來解解決復雜雜地形覆覆蓋問題題引入扇區區降低終終端和基基站的發發射功率率的方法法以提高高容量通過NodeB同步減少少系統鄰鄰近小區區的交調調干擾，，降低傳傳輸網絡絡的成本本引入Iub和Iur上的AAL2連接的QoS優化R4網絡特點點電路域核核心網中中引入了了基于軟軟交換架架構的分分層架構構，使電電路交換換域和分分組交換換域可以以承載在在一個公公共的分分組骨干干網上主要實現現了話音音、數據據、信令令承載統統一提高了組組網的靈靈活性R5網絡結構構R5網絡改進進高速下行行分組接接入（HSDPA）的功能能，下行行理論峰峰值數據據速率可可高達14.4Mbit/s涉及的關關鍵技術術自適應編編碼調制制HARQ快速蜂窩窩選擇（（FCS）MIMOR5網絡特點點R5協議引入入了IP多媒體子子系統（（IMS）由CSCF、MGCF、MRF和HSS功能實體體組成為多媒體體業務提提供支持持呼叫控制制功能與傳統網網絡進行行互通實現其他他資源密密集型功功能信令實體體（CSCF）與媒體體處理是是完全分分離的R6（HSUPA）引入高速速上行分分組接入入(HSUPA）提供多媒媒體廣播播和多播播業務（（MBMS）進入IMS第二階段段支持WLAN-UMTS互通增強QoS（2）WCDMA系統結構構通用移動動通信系系統（（UMTS）是采用用WCDMA空中接口口技術的的第三代代移動通通信系統統UMTS系統由由陸地無無線接入入網（UTRAN）和核心心網絡（（CN）構成WCDMA系統結構構WCDMA系統結構構①UEUE是用戶終終端設備備UE從邏輯上上包括移移動設備備（ME）和用戶戶身份模模塊（SIM）②UTRAN由基站（（NodeB）和無線線網絡控控制器（（RNC）組成NodeB是WCDMA系統的基基站RNC是無線網網絡控制制器WCDMA系統結構構③CNCN即核心網網絡，負負責與其其他網絡絡的連接接和對UE的通信和和管理MSC//VLR是CS域功能節節點GMSC是CS域與外部部網絡之之間的網網關節點點SGSN（服務GPRS支持節點點）是PS域功能節節點GSN（網關GPRS支持節點點）是PS域功能節節點HLR（歸屬位位置寄存存器）是是CS域和PS域共有的的功能節節點WCDMA系統結構構④ExternalNetworks外部網絡絡，可以以分為電電路交換換網絡（（CSNetworks）和分組組交換網網絡（PSNetworks）兩類2．cdma2000美國TIA提出，可可從IS-95和IS-95B平滑過渡渡，升級級簡單cdma20001x采用1.25M的帶寬cdma20001xEVDO可支持2.4Mb/s的數據速速率，cdma20001xEVDV可支持話話音和數數據cdma20003x采用3個1.25M的帶寬進進行傳輸輸。cdma2000演進CDMA20001XCDMA20003X信號帶寬

1.25MHZ3×1.25=3.75MHz下行鏈路RF信道結構

直接擴頻

多載波擴頻

碼片速率

上/下行：1.2288Mcps下行：1.2288Mcps，上行：3.6864Mcps定時

同步(定時驅動，例如從GPS來的定時)幀長

20ms/5ms可選

擴頻調制

下行：平衡QPSK，上行：具有混合相移鏈控的雙信道QPSK數據調制

下行：QPSK，上行：BPSK相干檢測

下行：公共連續導頻信道和輔助導頻，上行：導頻符號，即導頻和功控以及EIB時分復用

上行信道復用

控制、導頻、基本和輔助碼復用，I和Q復用數據與控制信道

多速率

可變擴頻增益和多碼

擴頻因子

4～256功率控制

開環和快速閉環(800Hz，1.25ms)擴頻碼(下行)信道擴頻碼：可變長度正交Walsh碼；基站(小區)擴頻碼：，m序列且I與Q用不同序列（在碼字受限時，采用準正交函數QoF）擴頻碼(上行)用戶擴頻碼：(不同時間偏移并截短用于用戶)切換

扇區間，小區間軟切換，頻段間硬切換

發分集正交發分集，空時擴展發分集

載波解復用，用不同天線發射

①cdmaOnecdmaOne是基于IS-95標準的各各種CDMA產品的總總稱，IS-95B可提供實實現64kbit//s②cdma20001xcdma20001x具有3G系統的部部分功能能，cdma20001x完全兼容容IS-95系統功能能③1xEV-DO1xEV-DO是一種專專為高速速分組數數據傳送送而優化化設計的的cdma2000空中接口口技術在網絡結結構方面面，1xEV-DO與cdma20001x的無線接接入網在在邏輯功功能上是是相互獨獨立的1xEV-DO可以作為為高速分分組數據據業務的的專用網網④1xEV-DV在cdma20001x載波基礎礎上提升升前向和和反向分分組傳送送的速率率和提供供業務QoS保證3．TD-SCDMA（1）TD-SCDMA的演進IMT--2000CDMATD為TDD方式，，2001年3月3GPP通過R4版本，TD-SCDMA被接納為為正式標標準TD-SCDMA采用直接接序列擴擴頻、低低碼片速速率的TDD（時分雙雙工）模模式TD-SCDMA不需要成成對的工工作頻段段，這對對緩解當當前移動動頻段資資源緊張張的問題題是極為為重要的的UTRATDDTD-SCDMA備注

占用帶寬/MHz51.6每載波碼片速率/MCPS3.841.28擴頻方式

DS，SF=1/2/4/8/16DS，SF=1/2/4/8/16調制方式

QPSKQPSK信道編碼

卷積碼：R=1/2，1/3，turbo碼卷積碼：R=1/2，1/3，turbo碼幀結構/ms系統幀720，無線幀10系統幀720，無線幀10交織/ms10/20/40/8010/20/40/80時隙數

157上行同步

8chip1/2chip容量(每時隙話音信道數)

816同時工作

每載波話音信道數

5648對稱業務

容量(每時隙總傳輸速率)220.8kbps281.6kbps數據業務

每載波總傳輸速率

3.31Mbps1.971Mbps數據業務

話音頻譜利用率

/1025對稱話音業務

數據頻譜利用率

/0.6621.232不對稱話音業務

智能天線

較困難

容易

多址方式

CDMA+TDMASCDMA+CDMA+TDMATD-SCDMA的演進①TD-SCDMA階段智能天線線、聯合合檢測、、動態信信道分配配、軟件件無線電電、上行行同步碼碼分多址址技術、、接力切切換、低低碼片速速率、多多時隙、、可變擴擴頻、自自適應功功率調整整、3GPP提出的高高層協議議、核心心網②HSPATDD階段第二階段段主要包包括引入入高速下下行分組組接入（（HSDPA）和高速速上行分分組接入入（HSUPA）③LTETDD階段LTETDD是TD-SCDMA在向4G系統演進進過程中中的過渡渡階段MIMO-OFDMA是下一代代通信系系統中最最具有革革命性的的技術④TDDB3G/4G基于TD-SCDMA的后3G或者4G系統來說說，將采采用TDD模式（2）TD-SCDMA的關鍵技技術①多用用戶檢測測寬帶CDMA通信系統統中抗干干擾的關關鍵技術術②智能能天線典型的TD-SCDMA系統配置置的智能能天線是是由8個天線元元素組成成的天線線陣列③軟件件無線電電軟件無線線電是一一種具有有開放式式結構的的將標準準化、模模塊化的的硬件功功能單元元經過一一個通用用硬件平平臺，利利用軟件件加載方方式來實實現各種種類型的的無線電電通信系系統的新新技術④動態態信道分分配（（DCA）目的是進進一步減減少干擾擾，增加加系統容容量⑤接力力切換TD-SCDMA系統的關關鍵特征征，該技技術利用用了軟切切換與硬硬切換技技術的優優點2G到3G的演進路路線4．WiMAX全名是WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess（全球微波波接入的的互操作作性），，是基于于IEEE802.16e系列寬頻頻無線標標準為基基礎的寬寬帶無線線技術（1）WiMAX的演進1999年，IEEE802局域網（（LAN）/城域網（（MAN）成立了了802..16工作組來來專門研研究寬帶帶無線接接入標準準一些世界界知名通通信企業業聯合發發起了全全球微波波接入互互操作性性論壇，，在全球球范圍內內推廣802..16協議①IEEE802.16d協議物理層定定義了兩兩種雙工工方式：：TDD和FDDMAC層分為了了3個子層：：業務匯匯聚子層層（CS）、公共共部分子子層（CPS）和安全全子層（（SS）②IEEE802.16e協議協議棧模模型和802..16d相同支持不同同數量子子載波的的OFDMA增強安全全性（2）WiMAX系統結構構①接入入服務網網（ASN）ASN為MS提供無線線接入②連接接服務網網（CSN）CSN為MS提供IP連接③網絡絡接入提提供者（（NAP）NAP是一種運運營實體體④網絡絡服務提提供者（（NSP))NSP是一種運運營實體體⑤應用服服務提供供者(ASP)ASP的主要功功能是提提供增值值業務以以及三層層之上的的業務⑥網絡絡參考點點5．LTE第三代移移動通信信系統普普遍采用用的是碼碼分多址址（CDMA）技術，，此技術術能支持持的最大大系統帶帶寬為5MHz2004年底，第第三代合合作伙伴伴計劃（（3GPP）提出了了通用移移動通信信系統（（UMTS）的長期期演進（（LTE）項目長期演進進（LTE）項目、、超移動動寬帶（（UMB）技術、、WiMAX技術、802..20移動寬帶帶頻分雙雙工/移動寬帶帶時分雙雙工（MobileBroadbandFDD/TDD）等技術術構成““準4G”技術（2）LTE的需求①系統統性能需需求峰值速率率用戶吞吐吐量和頻頻譜效率率移動性用戶面延延時控制面延延時和容容量②部署署成本和和互操作作性上行和下下行都可可以工作作在廣泛泛頻帶內內以及適適應各種種帶寬的的頻譜分分配LTE設計同時時支持FDD、TDD和半雙工工FDD模式（3）LTE的架構（4）LTE的關鍵技技術①多址址技術下行采用用的是正正交頻分分多址接接入（OFDMA）技術系統的峰峰均功率率比（PAPR）過高問問題的解解決②多天天線技術術增益來源源：復用用增益、、分集集增益、、天線線增益下行MIMO技術支持持2

×2（兩發兩兩收）基基本天線線配置上行基本本天線配配置為1

×2③干擾抑制制技術LTE在eNodeB間引入X2接口，，以降低低小區間間干擾4.2短距離無無線通信信4.2..1ZigBee4.2..2Bluetooth4.2..3UWB4.2..460GHz4.2..1ZigBee圖4-6短距離無無線通信信技術一一覽1．ZigBee的來源與與優勢ZigBee技術的名名字來源源于蜂群群使用的的賴以生生存和發發展的通通信方式式。ZigBee是基于IEEE802.15.4無線標準準研制開開發的。。802..15..4僅僅定義義了物理理層和MAC層，并不不足以保保證不同同的設備備之間可可以對話話，于是是便有了了ZigBee。ZigBee技術具有有以下優優勢：（1）低功耗耗ZigBee主要通過過降低傳傳輸的數數據量、、降低收收發信機機的忙閑閑比及數數據傳輸輸的頻率率、降低低幀開銷銷以及實實行嚴格格的功率率管理機機制來降降低設備備的功耗耗。（2）工作可靠靠ZigBee采用了載載波偵聽聽多址/沖突避免免（CSMA/CA）的信道道接入方方式和完完全握手手協議。。MAC層采用了了回復確確認的數數據傳輸輸機制，，提高了了可靠性性。（3）成本低主機芯片片成本低低，其他他終端成成本低。。（4）網絡容容量大每個ZigBee網絡最多多可支持持65000個節點。。（5）有效范范圍大可多級拓拓展。（6）時延短短對時延敏敏感的應應用做了了優化。。（7）優良的的拓撲能能力ZigBee具有組成成星、網網和簇樹樹網絡結結構構能力。。還具有有無線網網絡自愈愈能力。。（8）安全性性較好ZigBee提供了數數據完整整性檢查查和鑒權權能力，，加密算算法采用用通用的的AES--128。（9）工作頻頻段靈活活使用的頻頻段分別別為2.4GHz、868MHz（歐洲））及915MHz（美國）），均為為免執照照頻段。。2．ZigBee的協議架架構（1）ZigBee的網絡組組成和網網絡拓撲撲利用ZigBee技術組成成的無線線個人局局域網（WPAN）是一種種低速率率的無線線個人區區域網（LR-WPAN）。LR-WPAN網狀結構構簡單、、成本低低廉，具有有限限的功率率和靈活活的吞吐吐量。在一個LR-WPAN網絡中，，可同時時存在兩種不同同類型的的設備:全功能設設備（FullFunctionalDevice，FFD）精簡功能能設備（（ReducedFunctionDevice，RFD）。FFD通常有3種狀態：：①作為一一個主協協調器；；②作為一一個協調調器；③作為一一個終端端設備。。一個FFD可以同時時和多個個RFD或多個其他的FFD通信，而而RFD只能和一一個FFD進行通信信。RFD的應用非非常簡單單，容易易實現，，且RFD僅需要使使用較小小的資源源和存儲儲空間，，這樣就就可非常常容易地地組建一一個低成成本、低低功耗的的無線通通信網絡絡。圖4-7ZigBee技術的三三種網絡絡拓撲結結構ZigBee支持3種拓撲結結構，如如圖4-7所示，包包括星形形、網狀狀形和簇簇樹形結結構。在星形拓拓撲結構構中，整整個網絡絡由一個個網絡協協調器來來控制。。在網狀狀形和簇簇樹形拓拓撲結構構中，ZigBee協調器負負責啟動動網絡以以及選擇擇關鍵的的網絡參參數。星形網絡絡是一種種常用且且適用于于長期運運行使用用操作的的網絡；；網狀形形網絡是是一種高高可靠性性監測網網絡；簇簇樹形網網絡是星星形和網網狀形的的混合型型拓撲網網絡，結結合了上上述兩種種拓撲的的優點。。可以根據據實際應應用需要要來選擇擇合適的的網絡結結構。（2）ZigBee的協議架架構ZigBee的協議架架構如圖圖4-8所示，采采用了IEEE802.15.4制定的物物理層和和MAC層作為ZigBee技術的物物理層和和MAC層。圖4-8ZigBee協議架構構示意圖圖（3）IEEE802.15.4協議IEEE802.15.4標準定義義了ZigBee物理層和和MAC子層，符符合開放放系統互互聯模型型（OSI）。IEEE802.15.4的物理層層提供兩兩類服務務：物理理層數據據服務和和物理層層管理服服務。物理層功功能包括括無線收收發信機機的開啟啟和關閉閉、能量量檢測（（ED）鏈路質質量指示示（LQI）、信道道評估（（CCA）和通過過物理媒媒體收發發數據包包。圖4-9IEEE802.15.4中兩個不不同的物物理層如圖4-9所示，IEEE802.15.4定義了兩兩種不同同工作頻頻段的物物理層：：868//915MHz和2450MHz。表4-1給出了各各國對ZigBee頻率工作作范圍的的劃分。。

工作頻率范圍/MHz頻段類型國家和地區868～868.6ISM歐洲902～928ISM北美2400～2483.5ISM全球表4-1各個國家家和地區區ZigBee頻率工作作范圍由于各個個國家和和地區采采用的工工作頻率率范圍不不同，為為了提高高數據傳傳輸速率率，IEEE802.15.4對于不同同的頻率率范圍，，規定了了不同的的調制方方式。具具體的內內容如表表4-2所示。表4-2各個國家家和地區區ZigBee頻率工作作范圍頻段（MHz）擴展參數數據參數碼片速率

（kchip/s）調

制比特速率

（kbit/s）符號速率

（kBaud/s）符

號868～868.6300BPSK2020二進制902～928600BPSK4040二進制2400～2483.52000O-QPSK25062.516相正交（4）ZigBee的上層協協議應用層包包括3個組成部部分：應用支持持子層（（APS）應用框架架ZigBee設備對象象（ZDO）ZigBee中定義了了3種密鑰：：網絡密鑰鑰--用在數據據鏈路層層、網絡絡層和應應用層中中。鏈路密鑰鑰--應用在應應用層。。主密鑰--應用在應應用層。。3．ZigBee技術在物物聯網中中的應用用（1）家庭自自動化圖4-10ZigBee在家庭自自動化中中的應用用（2）無線定定位圖4-11ZigBee在無線定定位中的的應用（3）工業領領域圖4-12ZigBee在智能能能源中的的應用4.2..2Bluetooth1．Bluetooth的來源與與特點愛立信、、IBM、Intel、Nokia和東芝五五家公司司于1998年5月聯合成成立了Bluetooth（藍牙））特別興興趣小組組（BluetoothSpecialInterestGroup，BSIG），并制制訂了短短距離無無線通信信技術標標準—藍牙技術術。所謂藍牙牙（Bluetooth）技術，，實際上上是一種短短距離無無線電技技術。藍牙技術術利用短短距離、、低成本本的無線線連接替代代了電纜纜連接，，從而為為現存的的數據網絡和小小型的外外圍設備備提供了了統一的的連接。Bluetooth的主要技技術特點點：（1）拓撲結結構藍牙技術術支持點點對點或或點對多多點的話話音、數數據業務務，采用一種種靈活的的無基站站的組網網方式，，如圖4-13和圖4-14所示。。圖4-13多個藍藍牙設備備組成的的微微網網圖4-14多個微微微網組成成的散射射網（2）系統組組成藍牙系統統一般由由天線單單元、鏈鏈路控制制（硬件））、鏈路路管理（（軟件））和藍牙牙軟件（協議））等4個功能模模塊組成成。如圖4-15所示：圖4-15藍牙系統統的組成成天線部分分體積小小巧，屬屬于微帶帶天線。。鏈路控制制器（LC）的單元元包括3個集成芯芯片：連接接控制器器、基帶帶處理器器以及射射頻傳輸/接收器，，此外，，還使用用了單獨獨調諧元元件。鏈路管理理（LM）提供的的服務有有：發送和接接收數據據、請求求名稱、、鏈路地地址查詢、建立立連接、、鑒權、、鏈路模模式協商商和建立、決定定幀的類類型等。。（3）射頻特特性藍牙設備備的工作作頻段選選在全球球通用的的2.4GHz的ISM（工業、、科學、、醫學））頻段。頻道采采用23個或79個，頻道道間隔均均為1MHz。采用時分分雙工方方式。藍牙的無無線發射射機采用用FM調制方式式，從而能降降低設備備的復雜雜性。最大發射射功率分分為3個等級，，100mW（20dBm），2.5mW（4dBm），1mW（0dBm），藍牙牙設備之之間的有有效通信信距離大約為為10～100m。（4）跳頻技技術跳頻是指指在接收收或發送送一分組組數據后后，即跳跳至另一一頻點。。（5）TDMA結構藍牙的數數據傳輸輸率為1Mbit/s，采用數數據包的形形式按時時隙傳送送，每時時隙0.625μs。藍牙系統統支持實實時的同同步定向向聯接和和非實時的的異步不不定向聯聯接，分分別為SCO鏈路和ACL鏈路。前者主要要傳送話話音等實實時性強強的信息息，后者則則以數據據為主。。（6）軟軟件的層層次結構構底層為各各類應用用所通用用，高層層則視具具體應用用而有所所不同。。（7）糾錯技技術藍牙系統統的糾錯錯機制分分為前向向糾錯編編碼（FEC）和包重重發（ARQ），支持持1/3率和2/3率FEC編碼。（8）編碼安安全藍牙技術術在物理理層、鏈鏈路層、、業務層層3個層次上上提供安安全措施施，充分分保證通通信的保保密性。。藍牙規規范公布布的主要要技術指指標和系系統參數數如表4-3所示。指標類型系統參數工作頻段ISM頻段，2.402～2.480GHz雙工方式全雙工，TDD時分雙工業務類型支持電路交換和分組交換業務數據速率異步信道速率同步信道速率1Mbit/s非對稱連接為721kbit/s、57.6kbit/s，對稱連接為432.6kbit/s，2.0+EDR規范支持更高的速率64kbit/s，2.0+EDR規范支持更高的速率功率美國FCC要求小于0dBm（1mW），其他國家可擴展為100mW跳頻頻率數79個頻點/MHz跳頻速率1600跳/秒工作模式PARK/HOLD/SNIFF數據連接方式面向連接業務（SCO），無連接業務（ACL）糾錯方式1/3FEC、2/3FEC、ARQ等信道加密采用0位、40位和60位密鑰發射距離一般可達10cm～10m，增加功率的情況下可達100m表4-3主要技術術指標和和系統參參數2．Bluetooth協議體系系結構圖4-16藍牙協議議棧藍牙的協協議體系系分為四四層：核核心協議議層、替替代電纜纜協議層層、電話話控制協協議層和和可選協協議。除了以上上這些協協議，在在基帶控控制器、、鏈路控控制器以以及訪問問硬件狀狀態和控控制寄存存器等提提供主機機控制器器命令接接口。

藍牙核心心協議由由SIG制定的的藍牙指指定協議議組成，，而其他他協議則則根據應應用的需需要而定定。因此此，下面面主要介介紹藍牙牙核心協協議。（1）基帶協協議：基基帶協議議為兩個個或多個個藍牙單元元之間建建立物理理射頻連連接。（2）鏈路管管理協議議（LMP）：鏈路路管理協議管管理基帶帶層內主主從網絡絡的運行行，負責兩個或或多個設設備之間間的鏈路路設置和和控制，包括傳傳遞驗證證和加密密，管理理鏈路密密鑰。（3）邏輯鏈鏈路控制制和適配配協議（（L2CAP）：位于于基帶協協議之上上，為低低層的數數據服務務，向上上層提供供面向連連接和無無連接的的數據服服務。（4）服務發發現協議議（SDP）：使用用SDP，可以查查詢到設設備和服服務類型型，從而而在藍牙設設備間建建立相應應的連接接。3．Bluetooth的應用及及產品藍牙SIG中定義了了幾種基基本的應應用模型型，主要包包括文件件傳輸、、Internet網橋、局局域網接入、、同步、、三合一一電話（（three-in-onephone）和終端端耳機等等。在實際生生活中，，藍牙的的應用也也是十分分廣泛的的，涉及及到居家家、工作作、娛樂樂等方面面。市面上的的藍牙產產品主要要包括藍藍牙耳機機、藍牙適適配器、、車載藍藍牙多媒媒體系統統、車載藍牙電電話、藍藍牙鍵盤盤和鼠標標、藍牙牙網關、藍牙無無線條碼碼掃描槍槍等。我們可以以利用藍藍牙技術術來連接接其他的的無線設設備、下下載照片片、進行行多人游游戲，甚甚至可以以進行自自動存取取款、訂訂票。這這可以為為我們的的生活帶帶來極大大的便利利，使得得物物聯聯網的概概念成為為現實。。2010年7月，藍牙牙技術聯聯盟（BluetoothSIG）宣布正正式采納納藍牙4.0核心規范范，并啟啟動對應應的認證證計劃。。藍牙4.0的標志性性特色是是2009年底宣布布的低功功耗藍牙牙無線技技術規范范。預計計支持藍藍牙4.0標準的設設備將于于2010年底或2011年初批量量上市。。4.2..3超寬帶UWB超寬帶技技術產生生原因傳統的無無線傳輸輸技術一一般都是是帶寬受受限的，，系統帶帶寬通常常在20MHz以下，，可用頻頻譜資源源有限和和信道的的多徑衰衰落特征征是限制制傳輸速速率的主主要瓶頸頸。發展20世紀60年代--主要用于于軍事目的的，如高高功率雷雷達和保保密通信信1989年--美國國防防部提出“超寬帶帶”2002年2月--FCC批準將該該技術應應用于民民用系統統，并劃分了了免授權權使用頻頻段超寬帶（（UltraWideBand，UWB）若一個信信號在20dB處的絕對帶寬寬大于1.5GHz或相對帶寬寬大于25%，則這個個信號就就是超寬寬帶信號號.兩方面限限制：絕對帶寬寬（AbsoluteBandwidth）或者相對帶寬寬（FractionalBandwidth）特征該技術的顯顯著特征征則是采采用500MHz至幾個吉吉赫茲的帶寬進進行高速速數據傳傳輸，在在10m距離內提提供高達達100Mbit/s以上，甚甚至1Gbit/s的傳輸速速率，同同時與現現有窄帶帶無線系系統很好好地共存存。絕對帶寬寬（AbsoluteBandwidth）絕對帶寬寬是指信信號功率率譜最大大值兩側側某滾降降點對應應的上截截止頻率率與下截止止頻率之差。注：實際應用用中，絕絕對帶寬寬有?3dB絕對帶寬寬、?20dB絕對帶寬寬等不同同選擇。。圖：絕對帶寬寬的定義義（PSD：信號功功率譜密密度）相對帶寬寬（FractionalBandwidth）相對帶寬寬是指絕絕對帶寬寬與中心心頻率之之比。由由于超寬寬帶系統統經常采采用無正正弦載波波調制的的窄脈沖沖信號承承載信息息，中心心頻率并并非通常常意義上上的載波波頻率，，而是上上、下截截止頻率率的均值值。中心頻率率：例如，以以?10dB絕對帶寬寬計算的相對帶帶寬為：：注：FCC規定UWB信號為絕絕對帶寬寬大于500MHz或相對帶帶寬大于于20%的無線電電信號。相對帶寬寬（FractionalBandwidth）FCCPart15規定：UWB通信系統統可使用用的免授授權頻段段為3.1～10.6GHz共7.5GHz帶寬信號最高高功率譜譜密度為為?41..3dBm/MHz4.2..3.1超寬帶的的技術特特點超寬的信信號帶寬寬極低的發發射功率率譜密度度（1）傳傳輸速率率高（2）通通信距離離短（3）系系統共存存性好，，通信保保密度高高（4）定定精度極極高，抗抗多徑能能力強（5）體體積小、、功耗低低位（1）傳輸速速率高UWB系系統使用用高達500MHz～～7.5GHz的帶寬寬，根據據香農信信道容量量公式，，即使發發射功率率很低，，也可以以在短距距離上實實現高達達幾百兆兆至1Gbit/s的的傳輸速速率。（2）通信距距離短高頻信號號衰落更更快，這這導致UWB信號產生生嚴重的的失真。。研究表明明:當收發信信機之間間距離小小于10m時，UWB系統的信信道容量量高于傳傳統的窄窄帶系統統;當收發信機機之間距距離超過過12m時，UWB系統在信信道容量量上的優優勢將不不復存在在。（3）系統共共存性好好，通信信保密度度高極低的功功率譜密密度（上限僅為為?41..3dBm/MHz）噪聲電平平低，與傳統的的窄帶系系統有著著良好的的共存性性具有很強強的隱蔽蔽性（4）定精度度極高，，抗多徑徑能力強強脈沖寬度度一般在在亞納秒秒級很強的穿穿透力，高精度測測距和定定位能力力抗多徑能能力強（5）體積小小、功耗耗低位傳統的UWB技技術無需需正弦載載波，收收發信機機不需要要復雜的的載頻調調制解調調電路和和濾波器器等。因因此，可可以大大大降低系系統復雜雜度，減減小收發發信機體體積和功功耗。超寬帶系系統兩大特征征：高速率短距離超寬帶的的應用范范圍在通信領域域應用：組建高速速局部物物聯網；無線個域域網和家家庭無線線網絡；作為各種種設備之之間的高高速通信信接口。（1）短距離離點到點點通信各種移動動設備之之間的高高速信息息傳輸，，例如PDA、、MP3、可視視電話、、3G手手機等設設備之間間的短距距離點到到點通信信，包括括多媒體體文件傳傳輸、游游戲互動動等。（2）設備間無線連接接桌面PC、筆記記本電腦腦、移動動設備與與各種外外設之間間的無線線連接，，例如與與打印機機、掃描描儀、存存儲設備備等的無無線連接接。（3）數據傳輸數字電視視、家庭庭影院、、DVD機、投投影機、、數碼相相機、機機頂盒等等家用電電子設備備之間的的可視文文件和數數據流的的傳輸。。4）系統管理理結合UWB高精精度的定定位能力力，應用用企業倉倉儲管理理和智能能交通等等各類物物聯網系系統中，，為精準準的存貨貨追蹤管管理、汽汽車防撞撞系統、、測速、、收費系系統提供供解決方方案。5）其他應應用窄脈沖具具有很強強的穿透透各種障障礙物，，例如墻墻壁和地地板的能能力。UWB技技術還能能實現隔隔墻成像像，因此此具有比比紅外通通信更為為廣泛的的應用，，例如在在軍事、、勘探、、安全等等領域。。4.2..3.2脈沖無線線電技術術早期超寬寬帶系統統的代名名詞，專專指采用用沖激脈脈沖（超超短脈沖沖）作為為信息載載體的非非正弦載載波無線線電技術術。該技技術有別別于傳統統使用正正弦載波波的窄帶帶無線系系統，屬屬于基帶帶、無載載波通信信的范疇疇。脈沖無線線電（ImpulseRadio）：（1）常用脈脈沖波形形功率譜的的形狀取取決于脈脈沖信號號的形狀狀。因此此，典型型的UWB脈沖沖是高斯斯雙葉脈脈沖（GaussianDoublet），這這種脈沖沖因為生生成容易易而被經經常使用用。（2）基于脈脈沖調制制的超寬寬帶系統統UWB系系統常用用的調制制方式包包括脈位位調制（（PPM）、脈脈幅調制制（PAM）和和二相調調制（BPSK）。脈位調制制（PPM）PPM通通過改變變發射脈脈沖的時時間間隔隔或發射射脈沖相相對于基基準時間間的位置置來傳遞遞信息，，它的優優點就是是簡單，，但是需需要比較較精確的的時間控控制。脈幅調制制（PAM）PAM通通過改變變脈沖幅幅度的大大小來傳傳遞信息息，它可可以改變變脈沖幅幅度的極極性，也也可以僅僅改變脈脈沖幅度度的絕對對值大小小。通常常所講的的PAM只改變變脈沖幅幅度的絕絕對值，，即OOK（On-offKeying）。二相調制制（BPSK）BPSK通過改改變脈沖沖的正負負極性來來調制二二元信息息，所有有脈沖幅幅度的絕絕對值相相同。使使用二相相調制的的一個原原因就是是在抗噪噪性能上上它有優優于PPM的3dB增增益。OOK和PPM比較優點：可以通過過非相干干檢測恢恢復信息息；缺點：經過這些些方式調調制的脈脈沖信號號將出現現線譜。。3種典型的的超寬帶帶脈沖無無線電系系統多址與調調制方式式相結合合，可以以得到3種典型型的超寬寬帶脈沖沖無線電電系統，，即TH-PPM、TH-PAM和和DS--BPSK。4.2..3.3多帶OFDM（MB-OFDM）超寬帶帶技術在2002年FCC規規定了UWB通通信的頻頻譜使用用范圍和和功率限限制后，，全球各各大消費費電子類類公司及及其研究究人員從從傳統窄窄帶無線線通信的的角度出出發，提提出了有有別于基基帶窄脈脈沖形式式的帶通通載波調調制超寬寬帶方案案MB--OFDM（MultiBandOFDM）。。帶通載波波調制超超寬帶方方案MB-OFDM方案2005年3月月，歐洲洲計算機機制造商商協會（（ECMA）發發布了基基于MB-OFDM方方案的ECMA-368和ECMA-369標準準。上述述標準于于2007年通通過ISO認證證，正式式成為第第一個UWB的的國際標標準。ECMA-368協議ECMA-368協議規定定了用于于高速短短距離無無線網絡絡的UWB系統的物物理層與與MAC層的特性性，使用用頻段為為3.1～10.6GHz，最高速速率可以以達到480Mbit/s。（1）幀結構構ECMA-368協議議里的幀幀結構是是由物理理層匯聚聚協議（（PLCP））前導導、PLCP頭頭和物理理層服務務數據單單元（PSDU））三部分分組成的的PLCP協議議數據單單元（PPDU））。PPDU結構圖PLCP（PhysicalLayerConvergenceProtocol：物理層匯匯聚協議議）PSDU（PHYServiceDataUnit，物理層層服務數數據單元元）PPDU（PLCPProtocolDataUnit，PLCP協議數據據單元）PLCP前導分類及結結構PLCP前導有有標準和和突發兩兩種類型型。PLCP前前導的結結構分為為同步序序列和信信道估計計序列兩兩段。同步序列列長度::標準類類型為24個OFDM符號，，突發類類型為12個OFDM符號;;信道估計計序列長長度:兩兩種類型型均為6個OFDM符符號。（2）編碼和和調制PPDU的數據據經過編編碼調制制過程后后形成OFDM時域信信號，再再經過射射頻發送送到信道道中。PPDU數據編碼碼其中PLCP前前導直接接是時域域信號，，不用經經過編碼碼和調制制直接形形成OFDM信信號，PLCP頭與PSDU部分則則經過上上圖所示示的過程程形成OFDM符號。。雙載波調調制（DCM）它把4個個交織后后的比特特同時映映射到兩兩個16進制（（16點點）的符符號中，，接下來來把兩個個十六進進制的符符號映射射到間隔隔50個個子載波波的兩個個子載波波中。（3）子帶劃劃分在物理層層上，該該協議將將頻譜劃劃分為14個帶寬為為528MHz的子帶，，這14個頻帶又又分為5組，其中中前4組內各含含有3個子帶，，第5組內含有有2個子帶。。實際方案案中，先先期僅采采用3..168～4..752GHz的3個個子帶，，在每個個子頻帶帶上，信信息采用用128點IFFT//FFT的OFDM調調制。

時頻碼（（Time-FrequencyCode，TFC），MB-OFDM定義義了7組組時頻碼碼，其中中包括4組跳頻頻與3組組定頻模模式，跳跳頻模式式可使兩兩個未經經協調的的微微網網（piconet））之間的的干擾減減小。6個符號時時隙周期期的時頻頻碼4.2..460GHz60GHz技術產生生背景從理論上上看，要要進一步步提升系系統容量量，增加加帶寬勢勢在必行行。但是是10GHz以以下無線線頻譜分分配擁擠擠不堪的的現狀已已完全排排除了這這種可能能，因此此，要實實現超高高速無線線數據傳傳輸還需需開辟新新的頻譜譜資源。。各國60GHz頻段北美和韓韓國開放放了57～64GHz；歐洲和日日本開放放了59～66GHz；澳大利亞亞開放了了59..4～62.9GHz；中國目前前也開放放了59～64GHz的頻段段。各國和地地區對60GHz頻譜的劃劃分可以看出出，在各各國和地地區開放放的頻譜譜中，大大約有5GHz的重合4.2..4.160GHz通信的技技術特點點（1）60GHz信號傳播播特性①極大大的路徑徑損耗②氧氣氣吸收損損耗高③繞射射能力差差，穿透透性差下表對比了了各種材材料對毫毫米波和和低頻電電磁波的的穿透損損耗。此此外，測測量顯示示PC顯示器之之類的金金屬物體體對60GHz信號的衰衰減在40dB以上。（2）60GHz無線通信信技術特特點①定向向發射和和接收②多跳跳中繼③空間間復用④單載載波調制制與OFDM①定向向發射和和接收定向發射射和接收收首先能能顯著減減小信號號多徑時時延擴展展；其次次，定向向發射意意味著干干擾區域域的減小小，同時時毫米波波的高衰衰減特性性也縮短短了信號號的干擾擾距離，，不同鏈鏈路之間間的干擾擾大為降降低。②多跳跳中繼為了擴大大60GHz網網絡覆蓋蓋范圍并并保持足足夠高的的強健性性，可以以借助中中繼利用用協同或或多跳等等方式來來進行組組網。有實驗表表明4跳跳60GHz系系統已可可實現與與WLAN相同同的覆蓋蓋范圍，，并保持持每秒數數吉比特特的超高高速率。。③空間間復用允許多條條同頻通通信鏈路路在同一一空間內內共存，，從而有有效提升升網絡容容量。④單載載波調制制與OFDM在60GHz物物理層技技術方案案的選擇擇上，目目前有單單載波調調制和OFDM兩大備備選技術術。可以以根據不不同的應應用和場場景結合合使用60GHz標準化進進程（1）WirelessHD（2）WiGig（3）ECMA（4）IEEE802.15.3c（TG3c）（5）IEEE802.11ad（TGad））IEEE802.15.3c協議簡介介（1）802..15..3的微微微網802..15..3協議議所定義義的微微微網的結結構如右右圖所示示，是一一個基于于中央控控制的自自組織網網絡。通常微微微網的通通信范圍圍在10m以內，基基本元素素是設備備（DEV），設備備間可以以獨立的的進行數數據通信信。網協調器器PNCPNC的的主要作作用之一一就是傳傳送帶有有微微網網信息的的信標（（Beacon），以以信標形形式為微微微網提提供基本本定時功功能，并并負責服服務質量量請求、、功率節節省和訪訪問控制制等功能能。微微網工作過程程（1）-建立微微網在在初始化化時，會會選擇其其中一個個DEV充當微微微網協協調器PNC（（PiconetCoordinator）。。當802.15.3微微網網中的某某一個DEV能能夠充當當PNC開始發發送信標標時，就就認為微微微網形形成了。。微微網工作過程程（2）-加入DEV通通過關聯聯過程加加入微微微網，PNC會會廣播微微微網內內所有DEV的的信息，，并將新新的DEV信息息放到信信標中，，從而使使網內其其他DEV和新新加入的的DEV知道彼彼此的信信息。微微網工作過程程（3）-斷開如果PNC將要要離開網網絡并且且微微網網中的其其他DEV都沒沒有能力力成為PNC來來協調網網絡時，，PNC將會通通過發送送帶有PNC中中斷信息息的信標標通知微微微網中中的其他他DEV，微微微網將結結束工作作。（2）物物理層為了適應應于不同同的應用用，IEEE802.15.3c中定義義了3種種物理層層模式。。①SingleCarrier（SC）②HighSpeedInterface（HSI）OFDM③Audio/Video（AV）OFDM（3）MAC層層①802.15.3超幀結結構超幀（superframe）是微微微網中中時間劃劃分的基基本單位位，其結結構如圖圖4-24所示示：圖4-24802.15.3微微網超超幀結構構信標信標的位位置是在在每一個個超幀的的開始，，主要用用于設定定時間分分配和交交互管理理信息。。競爭接入入期（CAP）采用CSMA//CA機機制來競競爭信道道資源，，用于交交互命令令和（或或）異步步數據。。信道時時間分配配期（CTAP）又包包括信道道時間分分配（ChannelTimeAllocation，CTA））和管理理信道時時間分配配（ManagementCTA，MCTA））。信道時間間分配期期CTAP中采用用的是時時分多址址（TimeDivisionMultipleAccess，TDMA））的信道道接入方方式，MTCA只適用用于DEV和PNC之之間的通通信信道時間間分配CTACTA可可以用于于傳輸同同步數據據流以及及異步數數據流。。它的長長度由PNC根根據DEV所發發送的信信道時間間請求命命令而決決定。CTA在超幀幀中的位位置是可可以動態態改變的的，這樣樣PNC可以靈靈活地分分配CTA的時時間給DEV，，從而提提高信道道資源的的利用率率。②802.15.3c超幀幀結構全向模式式（omnimode）和和準全向向模式（（quasi--omnimode）的概概念。全向模式式全向模式式是指設設備使用用全向天天線進行行通信，，這時802..15..3c的的幀結構構與802.15.3中相同同。準全向模模式準全向模模式是分分辨率最最低的模模式，通通常指覆覆蓋設備備周圍很很大區域域一種天天線模式式（也包包括這個個設備作作為PNC時））。IEEE802.15.3c中的超幀幀結構準全向信信標準全向信信標（Quasi-omnibeacon）是是指在準準全向模模式時，，PNC采用循循環的方方式在不不同的方方向上發發送同樣樣的信標標，使得得在不同同方向的的設備均均可以加加入同一一個微微微網。競爭接入入期競爭接入入期又分分為3部部分：關聯子競競爭接入入期（AssociationS-CAP）定期子競競爭接入入期（RegularS--CAP）定期競爭爭接入期期（AssociationCAP）ECMA-387簡介（1）頻頻段規劃劃ECMA-387指定定了4個個頻段，，每一個個的寬度度為2..160GHz，符號號速率為為1.728Gsymbol/s，，這對所所有的設設備都是是相同的的。標準支持持兩個相相鄰信道道的綁定定。信道道綁定可可以獲得得更高的的數據速速率，而而使用有有效的低低階調制制也可以以獲得相相同的速速率，802..15..3c也也使用同同樣