《物聯網應用技術導論》課件

第3章物聯網通信與網絡技術

東軟電子出版社羅漢江主編《物聯網應用技術導論》教材配套課件31......《物聯網應用技術導論》課件

第3章物聯網通信與網絡技術第3章物聯網通信與網絡技術本章主要內容3.1物聯網通信與網絡技術概述3.2無線個域網絡技術3.3無線局域網絡技術3.4無線城域網絡技術3.5無線廣域網絡技術3.6物聯網的接入技術3.7物聯網其他網絡技術2......第3章物聯網通信與網絡技術本章主要內容3.1物聯網通

物聯網要實現物物相連，需要網絡作為連接的橋梁。物聯網的通信與組網技術主要完成感知信息的可靠傳輸。由于物聯網連接的物體多種多樣，物聯網涉及的網絡技術也有多種，如可以是有線網絡、無線網絡；可以是短距離網絡和長距離網絡；可以是企業專用網絡、公用網絡；還可以是局域網、互聯網等等。3.1物聯網通信與網絡技術概述3......物聯網要實現物物相連，需要網絡作為連接的橋梁

通信技術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。按照歷史發展的順序，通信技術先后由人體傳遞信息通信到簡易信號通信，再發展到有線通信和無線通信。近年來發展最快、應用最廣的就是無線通信技術。3.1.1無線通信及網絡技術4......通信技術簡單地說是指將信息從一個地點傳送到

1、

無線通信技術

無線通信技術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行信息交換的一種通信方式。目前無線通信主要使用數字化通信技術。數字化通信是一種用數字信號0和1進行數字編碼傳輸信息的通信方式。數字化通信可以傳輸電報、數據等數字信號，也可傳輸經過數字化處理的語音和圖像等模擬信號。5......1、無線通信技術5..2、無線通信網絡及分類

無線通信網絡是利用無線通信技術、通信設備、通信標準和協議等組成的通信網絡，在該網絡中通信終端能夠接入網絡并依賴該網絡進行相互通信。根據接入網絡的方式不同可以分為集中式和自組織兩種。6......2、無線通信網絡及分類6..集中式終端根據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、固定骨干節點等。典型的集中式包括各類蜂窩網絡，通過安裝多個固定的基站把較大通信區域覆蓋，而每個基站可以管理成百上千個移動接入節點。在無線局域網絡中可以利用集中式接入在一個相對小區域內形成星狀網絡。7......集中式終端根據其位置是否固定又可分為固

自組織網絡（AdHocNetworks）是與集中式網絡完全不同的一種網絡，在這種網絡中，沒有固定集中的控制中心，所有在網絡中的節點通過一定的自組織協議加入網絡，節點間的通信通過鄰居節點的多跳來實現。自組織網絡屬于對等網絡，不會因為其中一個節點的損壞而失去功能，而集中式網絡如果基站損壞，將會破壞網絡的通信功能。8......自組織網絡（AdHocNetwor3、無線通信技術的發展無線通信技術是社會信息化的重要支撐，隨著信息化社會的到來以及IP技術的興起，未來無線通信技術將得到快速發展，其發展的主要趨勢是寬帶化、接入多樣化、信息個人化和IP網絡化等幾個方面：寬帶化IP網絡化信息個人化核心網絡綜合化，接入網絡多樣化9......3、無線通信技術的發展9..3.1.2物聯網網絡技術物聯網的網絡是連接物體的信息通道，在物聯網中的網絡有多種形式，如有線網絡、無線網絡，局域網絡、互聯網，企業網絡、專用網絡等等。對于物聯網，無線網絡具有特別的吸引力，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選擇。10......3.1.2物聯網網絡技術10..無線網絡技術豐富多樣，根據距離不同，可以組成無線個域網、無線局域網、無線城域網和無線廣域網。其中近距離的無線技術是物聯網最為活躍的部分，因為物聯網被稱作是互聯網的最后一公里，也稱為末梢網絡。根據應用的不同，其通信距離可能是幾厘米到幾百米之間，目前常用的技術主要有藍牙、ZigBee、Z-wave、RFID、NFC、UWB、WI-FI等。11......無線網絡技術豐富多樣，根據距離不同，可3.2無線個域網絡技術無線個域網(WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN)是為了實現活動半徑小、業務類型豐富、面向特定群體、無線無縫的連接而提出的新興無線通信網絡技術。無線個域網主要解決最后幾十米的通信問題，目前主要包括藍牙技術、ZigBee技術、UWB技術、Z-wave技術、NFC（近距離通信）和紅外通信等技術，具有低成本、低功耗、通信距離短等特點。12......3.2無線個域網絡技術12..3.2.1藍牙技術1、藍牙技術簡介藍牙（Bluetooth）是一種低成本、低功率、近距離無線連接技術標準，是實現數據與話音無線傳輸的開放性規范。13......3.2.1藍牙技術13..2、藍牙的主要技術特點藍牙技術使用的工作頻率為2.4G-2.5G之間，屬于免費的ISM（IndustryScienceMedicine）頻段。藍牙技術可以實現語音、視頻和數據的傳輸，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到100m）。14......2、藍牙的主要技術特點14..藍牙產品采用跳頻技術，能夠抵抗信號衰落；采用快跳頻和短分組技術，能夠有效地減少同頻干擾，提高通信的安全性；采用前向糾錯編碼技術，以便在遠距離通信時減少隨機噪聲的干擾；采用FM調制方式，使設備變得更為簡單可靠；“藍牙”技術產品一個跳頻頻率發送一個同步分組，每組一個分組占用一個時隙，也可以增至5個時隙；“藍牙”技術支持一個異步數據通道，或者3個并發的同步語音通道，或者一個同時傳送異步數據和同步語音的通道。15......藍牙產品采用跳頻技術，能夠抵抗信號衰表3-1藍牙技術指標和系統參數工作頻段ISM頻段，2.402GHz-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79個頻點/1MHz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,2/3標FEC，ARQ鑒權采用反應邏輯算術信道加密采用0位、40位、60位加密語音編碼方式連續可變斜率調制CVSD發射距離一般可達10cm-10m，增加功率的情況下可達100m16......表3-1藍牙技術指標和系統參數工作頻段ISM頻段，2.43、藍牙組網方式

藍牙系統采用無基站的靈活組網方式，支持點對點或點對多點的通信方式，在藍牙2.0標準中一個藍牙設備可同時與7個其他的藍牙設備相連接。如圖3-1所示：圖3-1藍牙的組網方式示意圖17......3、藍牙組網方式圖3-1藍牙的組網方式示意圖17.基于藍牙技術的無線接入簡稱為BLUEPAC（BluetoothPublicAccess），藍牙系統的網絡拓撲結構有兩種形式：微微網（piconet）和分布式網絡（Scatternet）。18......基于藍牙技術的無線接入簡稱為BLUE

微微網（piconet）：通過藍牙技術以特定方式連接起來的一種微型網絡，一個微微網可以只是兩臺相連的設備，比如一臺便攜式電腦和一部移動電話，也可以是8臺連在一起的設備。19......

微微網（piconet）：通過藍牙技術以藍牙分布式網絡是自組網（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，并可獨立進行分組轉發的決策。其建網靈活性，多跳性、拓撲結構動態變化和分布式控制等特點是構建藍牙分布式網絡的基礎。20......藍牙分布式網絡是自組網（adhoc4、藍牙技術的主要應用設備藍牙無線接入技術具有小規模、低成本、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備之間的通信，也能夠成功地簡化以上這些設備與Internet之間的通信，從而使這些現代通信設備與因特網之間的數據傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬道路。21......4、藍牙技術的主要應用設備21..藍牙技術的主要缺點是傳輸距離短、傳輸速率慢。但由于藍牙技術能耗低，在物聯網低功耗藍牙主要應用于醫療和健康傳感器網絡等電源供給有限的場合，如應用的領域包括：血氧計、血壓計、體溫計、體重秤、血糖儀、心血管活動監控儀、便攜式心電圖儀等等。藍牙技術已經得到非常普遍的應用，全球大約80%以上的手機都使用了藍牙技術，其中將近100%的智能手機都已經使用了藍牙技術。利用每個人都擁有手機的優勢，藍牙技術可以用在更加廣闊的領域，如車載網的應用、手機、電玩、電腦、手表、運動及健體、保健、汽車工業、家居電器、遠程控制、自動化工業等等。22......藍牙技術的主要缺點是傳輸距離短、傳輸3.2.2ZigBee網絡技術ZigBee技術是一種新興的短距離無線通信技術，主要面向低速率無線個人區域網（LRWPAN，LowRateWirelessPersonalAreaNetwork），典型特征是近距離、低功耗、低成本、低傳輸速率，主要適用于工業監控、遠程控制、傳感器網絡、家庭監控、安全系統和玩具等領域，目的是為了滿足小型廉價設備的無線聯網和控制。Zigbee技術采用三種頻段：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備的相互干擾。23......3.2.2ZigBee網絡技術23..1、ZigBee與IEEE802.15.4協議

ZigBee和IEEE802.15.4并不是完全一回事。IEEE802.15.4是IEEE無線個人區域網(PersonalAreaNetwork，PAN)工作組的一項標準，被稱作IEEE802.15.4技術標準，IEEE僅處理低級MAC層和物理層協議。ZigBee聯盟在802.15.4的基礎上，對其網絡層協議和API進行了標準化。另外ZigBee聯盟還開發了安全層，以保證使用ZigBee協議標準的物聯網設備不會意外泄漏其標識，而且這種利用網絡的遠距離傳輸的信息不會被其他節點獲得。24......1、ZigBee與IEEE802.15.4協議24..ZigBee聯盟成立于2001年8月。2002年下半年ZigBee聯盟得以擴大，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體公司四大巨頭共同宣布加入“ZigBee聯盟”，研發名為“ZigBee”的下一代無線通信標準。目前ZigBee聯盟全球約有400多家成員，包括國際著名半導體生產商、技術提供者、代工生產商以及最終使用者，其總營業額突破1萬億美元。2011年6月，ZigBee聯盟分別在北京和無錫設立了辦事處，作為在中國開展物聯網產業技術交流與合作的平臺。25......ZigBee聯盟成立于2001年8月。2截至目前為止，ZigBee共公布了三個協議標準，分別稱為ZigBee2004，ZigBee2006，Zigbee2007。ZigBee2007規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。26......截至目前為止，ZigBee共公布了三表3-2ZigBee各版本的比較版本號ZigBee04ZigBee06ZigBee07ZigBee07指令集無無ZigbeeZigbeePro無線射頻標準802.15.4802.15.4802.15.4802.15.4地址分配無CSKIPCSKIP隨機拓撲星狀樹狀、網狀樹狀、網狀網狀大網絡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數據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，多密鑰支持節點數目少量節點300個以下300個以下1000個以上應用領域消費電子住宅住宅商業27......表3-2ZigBee各版本的比較版本號ZigBee04Z2、ZigBee主要技術特點（1）低功耗（2）低成本（3）時延短（4）傳輸范圍小（5）數據傳輸速率低（6）數據傳輸的可靠性（7）安全性好28......2、ZigBee主要技術特點28..3、ZigBee網絡結構在ZigBee網絡中節點按照不同的功能，可以分為協調器節點、路由器節點、和終端節點3種。一個ZigBee網絡由一個協調器節點、多個路由器和多個終端設備節點組成。29......3、ZigBee網絡結構29..ZigBee的網絡結構具有星狀（STAR），樹狀（TREE），網狀（MESH）3種網絡拓撲，如圖3-2所示。圖3-2ZigBee組網示意圖30......ZigBee的網絡結構具有星狀（STAR），圖3-2工業、農業、商業消費電子、汽車自動化監視傳感器自動化控制TVVCRDVD、CD低速無線設備個人健康監護PC機的外圍設備鼠標、鍵盤、操作桿玩具和游戲家庭自動化監視診斷傳感器玩具游戲器具保安HVAC照明門禁4．ZigBee應用場景（圖3-3）圖3-3ZigBee應用場景31......工業、農業、商業消費電子、汽車自動化監視TV低速無線設備個人ZigBee主要應用范圍很廣，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可以廣泛應用的領域包括工業、農業控制、商業領域、消費性電子、PC機的外圍設備、家庭自動化、玩具和游戲、個人健康監護、醫用設備控制、汽車自動化等領域。具體地講，ZigBee技術可以應用到消費性電子設備、家庭和建筑自動化設備，智能家居（照明控制、各類窗簾控制、家庭安防、暖氣控制、內置家居控制的機頂盒、萬能遙控器）、環境檢測與控制、自動讀表系統、煙霧傳感器、醫療監控系統、大型空調系統、工業和樓宇自動化、安全監控、工業控制、傳感器控制等方面。32......ZigBee主要應用范圍很廣，這得益于Z3.2.3UWB超寬帶技術1、UWB技術簡介“UWB”（ultrawideband）是超寬帶無線技術的縮寫。UWB技術是一種使用1GHz以上帶寬的無線通信技術。雖然是無線通信，但其通信速度可以達到幾百Mbit/秒以上。33......3.2.3UWB超寬帶技術33..2、UWB的主要技術特點（1）超寬帶帶來全新的通信方式及頻譜管理模式。（2）抗多徑能力強。（3）定位精確。（4）保密性強。（5）UWB具有超高速、超大容量、抗截獲性好等諸多優點，超寬帶的低功耗特點對于用便攜式電池供電的系統長時間工作是非常重要的。（6）系統結構簡單、成本低、易數字化。34......2、UWB的主要技術特點34..3、UWB的應用超寬帶無線通信應用按照通信距離分大體可以分為兩類，一類是短距離高速應用，數據傳輸速率可以達到數百Mbit/s，主要是構建短距離高速WPAN、家庭無線多媒體網絡以及替代高速短程有線連接，如無線USB和DVD，典型的通信距離是10m；另一類中長距離（幾十米以上）低速率應用，通常傳輸速率為1Mbit/量級，主要應用于無線傳感器網絡和低速率連接。35......3、UWB的應用35...3.2.4Z-wave技術1、Z-wave技術簡介Z-wave技術是由丹麥的芯片和軟件開發商Zensys公司開發的一種短距離無線通信技術，起初主要用于智能無線家居(IntelligentWirelessHome)，為促進消費者在無線家居控制領域應用Z-wave技術，確保所有成員的系統和設備之間的互通性，給產品提供售后合作和服務，2005年1月，Zensys公司與其他60多家廠商在CES（ConsumerElectronicsShow）大會上宣布成立Z-wave聯盟（Z-WaveAlliance）。36......3.2.4Z-wave技術36..2、Z-wave網絡結構Z-wave網絡的節點分為三個等級，最高等級的節點是控制節點（Controllers），它存儲網絡中的所有節點的拓撲信息，計算信息傳輸的路徑，規定網絡中所有節點的路由地址，在網絡中可充當中繼器。第二等級的節點是路由節點（RoutingSlaves），與控制節點不同的是路由節點只儲存與它相關的部分網絡拓撲信息，定義部分節點的路由地址，在網絡中也可以充當中繼器。最低等級的節點是從節點（Slaves），它不存儲拓撲信息，也不計算信息傳輸的路徑，只是響應控制節點和路由節點傳來的命令，并將反饋信息沿原路傳回。從節點固定在Z-wave網絡的某一位置，必須時刻偵聽網絡命令，在網絡中充當中繼器。37......2、Z-wave網絡結構37..控制節點尋找節點分配地址反饋信息告知地址1反饋信息22112節點2節點1節點3節點43、Z-wave網絡的安裝圖3-4Z-Wave組網示意圖38......控制節點尋找節點分配地址反饋信息告知地址1反饋信息221124、Z-wave路由技術圖3-5Z-wave網絡選擇39......4、Z-wave路由技術圖3-5Z-wave網絡選擇395、Z-wave的應用作為一種基于射頻的、低成本、低功耗、小尺寸、易使用、高可靠的適于組網的雙向無線通信技術，Z-wave在智能家居方面得到了廣泛應用。利用一個Z-wave控制器，在一所公寓內可以同時控制若干家用電器、燈具、抄表器、門禁、通風空調設備、家用網關、自動報警器等等。如果將Z-Wave技術與其它技術（如Wi-Fi技術）相結合，用戶就可以利用手機，PDA，互聯網，遙控器等多種手段對Z-wave網絡中的家電、自動化設備、甚至是門鎖進行遠程控制。用戶還可以設定相應的“情景”：比如影院模式，就會自動合上客廳的窗簾，降低電燈的亮度，并且啟動電視機或者投影儀。由于采用了通用的標準，不同公司出品的Z-Wave產品之間都可以互聯互通，這給用戶帶來了極大的方便。40......5、Z-wave的應用40..3.2.5其他短距離通信技術RFID通信技術NFC（近距離通信技術）和IrDA（紅外通信技術）41......3.2.5其他短距離通信技術41..3.3無線局域網絡技術無線局域網（Wireless

local

area

network，WLAN）是計算機網絡與無線通信技術相結合的產物。無線局域網利用電磁波在空氣中發送和接受數據，無需線纜介質，具有傳統局域網無法比擬的靈活性。

42......3.3無線局域網絡技術42..1、無線局域網的技術要點（1）可靠性（2）兼容性（3）數據傳輸速率（4）通信安全（5）移動性43......1、無線局域網的技術要點43..2、無線局域網的組成無線局域網的基本構件有無線網卡和無線網關。（1）無線網卡：無線網卡的作用類似于以太網卡，作為無線網絡的接口，實現計算機與無線網絡的連接。（2）無線網關：無線網關也稱無線網橋、無線接入點或無線AP（AcessPoint）可以起到以太網中的集線器的作用。44......2、無線局域網的組成44..3、無線局域網的拓撲結構（1）無中心拓撲（2）單接入點拓撲（3）多接入點拓撲（4）多蜂窩漫游工作方式45......3、無線局域網的拓撲結構45..4、無線局域網WLAN的標準IEEE802.111990年11月成立IEEE802.11委員會負責制定WLAN標準。無線局域網第一個版本發表于1997年，其中定義了介質訪問接入控制層（MAC層）和物理層。802.11a定義了一個在5GHzISM頻段上的數據傳輸速率可達54Mbit/s的物理層，802.11b定義了一個在2.4GHz的ISM頻段上但數據傳輸速率高達11Mbit/s的物理層。1999年，加上了兩個補充版本：802.11a定義了一個在5GHzISM頻段的物理層。46......4、無線局域網WLAN的標準IEEE802.1146..表3-3802.11系列標準參數比較標準版本802.11a802.11b802.11g802.11n802.11ac發布時間1999199920032009未定工作頻段5GHz2.4GHz2.4GHz2.4、5GHz5GHz傳輸速率54Mbps11Mbps54Mbps600Mbps1Gbps編碼類型OFDMDSSSOFDM、DSSSMIMO-OFDMMIMO-OFDM信道寬度20MHz22MHz20MHz20/40MHz20/40/80/160MHz天線數目1x11x11x14x48x847......表3-3802.11系列標準參數比較802.11a8023.3.1Wi-Fi技術1、Wi-Fi技術簡介Wi-Fi（WirelessFidelity，無線高保真）屬于無線局域網的一種，通常是指符合IEEE802.11b標準的網絡產品，Wi-Fi可以將個人電腦、手持設備（如PDA、手機）等終端以無線方式互相連接。48......3.3.1Wi-Fi技術48..2、Wi-Fi技術標準Wi-Fi技術標準按其速度和技術新舊可分為：IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g、IEEE802.11n和IEEE802.11ac等。49......2、Wi-Fi技術標準49..3、Wi-Fi技術優勢Wi-Fi技術具有如下5大技術優勢：（1）無線電波覆蓋范圍廣（2）傳輸速度非常快（3）廠商進入該領域的門檻比較低（4）健康安全（5）目前WiFi應用現在已經非常普遍。50......3、Wi-Fi技術優勢50..4、Wi-Fi的工作方式使用Wi-Fi聯網的兩種工作方式主要有點對點和基本模式兩種。點對點模式：Wi-Fi聯網的點對點模式是指無線網卡和無線網卡這間的通訊方式。基本模式：與點對點模式不同的，基本模式指無線網絡的擴充或無線和有線網絡并存時的通訊方式，這是Wi-Fi目前最常用的方式。51......4、Wi-Fi的工作方式51..5、局域網絡中的Wi-Fi的實現為了實現局域網內部網絡與外部Internet相連互通，在局域網內網和外部Internet之間需要一個局域網網關。該網關是整個局域網無線網絡系統的核心部分，它一方面完成局域網無線網絡中各種不同通信協議之間的轉換和信息共享，并且同外部網絡進行數據交換，另一方面還負責對局域網中網絡終端進行管理和控制。局域網中的網絡終端也通過這個網關與外部網絡連通。實現交互和信息共享。同時，該網關還應有防火墻能力，能夠避免外界網絡對局域網內部網絡終端設備的非法訪問和攻擊。52......5、局域網絡中的Wi-Fi的實現52..3.3.2Adhoc網絡技術1、Adhoc簡介

一般提及移動通信網絡都是有中心的，要基于預設的網絡設施才能運行。例如，蜂窩移動通信系統要有基站的支持；無線局域網一般也工作在有AP接入點和有線骨干網的模式下。但對于有些特殊場合來說，有中心的移動網絡并不能勝任。比如，戰場上部隊快速展開和推進，地震或水災后的營救等。這些場合的通信不能依賴于任何預設的網絡設施，而需要一種能夠臨時快速自動組網的移動網絡，Adhoc網絡可以滿足這樣的要求。53......3.3.2Adhoc網絡技術53..2、Adhoc網絡的特點（1）網絡的獨立性（2）動態變化的網絡拓撲結構（3）有限的無線通信帶寬（4）有限的主機能源（5）網絡的分布式特性（6）生存周期短（7）有限的物理安全54......2、Adhoc網絡的特點54..3.4無線城域網絡技術盡管無線局域網技術已經得到了廣泛的應用，但是人們對于無線寬帶通信的探索并未因此而停止，人們期待覆蓋范圍更大、信息速率更高、服務質量更好的技術出現，因此無線城域網應運而生。自2004年美國費城首先提出無線城市發展計劃以來，美國、西歐等國家和地區已有一批城市在政府主導下開始進行無線城市的建設，無線城域網技術WMAN（WirelessMetropolitanAreaNetwork）應運而生。55......3.4無線城域網絡技術55..無線城域網的整體結構：無線城域網由基站（BS）、用戶基站（SS）、接力站（RS）組成。在無線城域網中，基站的作用是一方面提供與核心網絡即傳統因特網間的連接，另一方面通常采用扇形/定向天線或全向天線向用戶基站發送數據。56......無線城域網的整體結構：無線城域網由基站無線城域網的通信標準主要是IEEE802.16協議，而WiMAX常用來表示無線城域網WMAN，這與Wi-Fi常用來表示無線局域網WLAN相似。本節主要介紹IEEE802.16協議和Wimax網絡技術。57......無線城域網的通信標準主要是IEEE8023.4.1IEEE802.16協議1、IEEE802.16協議簡介IEEE802.16協議是無線城域網的通信標準，其作用就是在用戶終端同核心網絡之間建立起一個通信路徑，保證數據在兩者之間的無線連接。IEEE802.16先后發表多個版本，具體參數比較見表3-4。58......3.4.1IEEE802.16協議58..表3-4802.16系列標準參數比較標準版本802.16802.16a802.16-2004802.16e-2005發布時間2001200320042006工作頻段10-66GHz<11GHz<11GHz<6GHz傳輸速率32-134Mbps75Mbps75Mbps30Mbps信道條件視距非視距視距+非視距非視距信道寬度20/25/28MHz1.5-20MHz1.5/20MHz1.5/20MHz小區半徑<5km5~10km5~15km

2~5km59......表3-4802.16系列標準參數比較802.16802.2、IEEE802.16的體系結構IEEE802.16主要有三層體系結構：（1）物理層（2）數據鏈路層（3）匯聚層60......2、IEEE802.16的體系結構60..3、IEEE802.16的技術優勢（1）擺脫了有線網絡線纜的束縛

（2）與無線局域網相比性能更勝一籌

（3）節約網絡建設成本61......3、IEEE802.16的技術優勢61..3.4.2WiMAX網絡技術1、WiMAX技術簡介近年來隨著IPTV、流媒體等業務的發展，用戶對“最后一公里”寬帶化的需求日益突出。WiMAX作為最具影響力的寬帶無線接入技術受到了國內外通信界的廣泛關注。WiMax(WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess)，即全球微波互聯接入，是一項新興的寬帶無線接入技術，能提供面向互聯網的高速連接，數據傳輸距離最遠可達50km。WiMAX還具有QoS保障、傳輸速率高、業務豐富多樣等優點。WiMAX的技術起點較高，采用了代表未來通信技術發展方向的OFDM/OFDMA、AAS、MIMO等先進技術，隨著技術標準的發展，WiMAX逐步實現寬帶業務的移動化，而3G則實現移動業務的寬帶化，兩種網絡的融合程度會越來越高。WIMAX技術采用的標準是IEEE802.16d和IEEE802.16e。802.16d標準是固定網絡的補充和延伸，不具有移動接入的性能。802.16e支持移動接入。62......3.4.2WiMAX網絡技術62..2、WiMAX技術優勢（1）

傳輸距離遠，接入速度高（2）

無“最后一公里”瓶頸限制、系統容量大（3）提供廣泛的多媒體通信服務。（4）

互操作性好（5）

應用范圍廣63......2、WiMAX技術優勢63..3、WiMAX組網模式（1）WiMAX網絡架構圖3-6WIMAX網絡架構64......3、WiMAX組網模式圖3-6WIMAX網絡架構64.（2）WIMAX應用模式WIMAX解決方案適合于提供寬帶數據業務，以及基于寬帶的NGN話音業務。WIMAX作為“最后一公里”的無線接入解決方案為實際部署提供更多的手段，增加了部署靈活性和可搬移性。從接入方式的角度可以分為以下幾種：無線寬帶固定式接入―作為光纖、DSL線路的有效替代和補充，開展IP話音、作為WiFi熱點回程等；無線寬帶游牧式接入―方便個人電腦用戶區域性數據接入；無線寬帶便攜式接入－方便筆記本電腦、PDA用戶隨時隨地寬帶數據接入；無線寬帶移動式接入－支持車載速度移動寬帶數據接入。65......（2）WIMAX應用模式65..4、WiMAX的應用（1）城市安全。（2）監控交通狀況，控制交通擁堵。（3）金融行業。（4）醫療保健行業。（5）物流企業。66......4、WiMAX的應用66..無線城域網的整體結構：無線城域網由基站（BS）、用戶基站（SS）、接力站（RS）組成。在無線城域網中，基站的作用是一方面提供與核心網絡即傳統因特網間的連接，另一方面通常采用扇形/定向天線或全向天線向用戶基站發送數據。67......無線城域網的整體結構：無線城域網由基站3、Adhoc網絡的應用領域（1）軍事應用（2）傳感器網絡(SensorNetwork）（3）緊急事故和臨時場合（4）個人通信（5）與移動通信系統的結合68......3、Adhoc網絡的應用領域68..3.5無線廣域網絡技術

無線廣域網絡技術WWAN（WirelessWideAreaNetwork）是一個更大區域的網絡，能夠覆蓋比城市更大的區域，滿足更大范圍內的無線接入，與無線個域網、無線局域網和無線城域網相比，它更加強調的是快速移動性。典型的無線廣域網的例子是GSM移動通信系統和衛星通信系統。目前全球的無線廣域網主要有GSM、CDMA技術，本節分別介紹GSM技術、GPRS技術、3G技術、4G技術。69......3.5無線廣域網絡技術69..3.5.1GSM技術1、GSM技術簡介全球移動通信技術GSM（GlobalSystemforMobileCommunications）數字移動通信系統源于歐洲。早在80年代初，歐洲已有幾大模擬蜂窩移動系統在運營，例如北歐的NMT（北歐移動電話）和英國的TACS（全接入通信系統），西歐其他各國也提供移動業務。70......3.5.1GSM技術70..GSM是當前應用最為廣泛的移動電話標準，自90年代中期投入商用以來，GSM標準的設備占據當前全球蜂窩移動通信設備市場80%以上，全球超過200個國家和地區超過10億人正在使用GSM電話。所有用戶可以在簽署了"漫游協定"移動電話運營商之間自由漫游。71......GSM是當前應用最為廣泛的移動電話標準，２、GSM系統結構GSM系統主要由移動臺（MS）、移動網子系統（NSS）、基站子系統（BSS）和操作支持子系統（OSS）四部分組成。（１）移動臺（MS）移動臺是公用GSM移動通信網中用戶使用的設備，也是用戶能夠直接接觸的整個GSM系統中的唯一設備。72......２、GSM系統結構72...（２）基站子系統（BSS）基站子系統（BSS）是GSM系統中與無線蜂窩方面關系最直接的基本組成部分。（３）移動網子系統（NSS）移動網子系統（NSS）主要包含有GSM系統的交換功能和用于用戶數據與移動性管理、安全性管理所需的數據庫功能，它對GSM移動用戶之間通信和GSM移動用戶與其它通信網用戶之間通信起著管理作用。73......（２）基站子系統（BSS）73..（４）操作支持子系統（OSS）操作支持子系統（OSS）需完成許多任務，包括移動用戶管理、移動設備管理以及網路操作和維護。74......（４）操作支持子系統（OSS）74..３、GSM技術特點頻譜效率高。容量大。話音質量好。開放的接口。安全性好。與ISDN、PSTN等的互連。在SIM卡基礎上實現漫游。75......３、GSM技術特點75...3.5.2GPRS技術1、GPRS技術簡介GPRS是通用分組無線服務技術（GeneralPacketRadioService)的簡稱，它是GSM移動電話用戶可用的一種移動數據業務。GPRS可說是GSM的延續。

GPRS經常被描述成“2.5G”，也就是說這項技術位于第二代（2G）和第三代（3G）移動通訊技術之間。76......3.5.2GPRS技術76..2、GPRS的特點（1）傳輸速率高（2）接入速度快（3）可永久連接（4）豐富的數據業務（5）計費更加合理77......2、GPRS的特點77...3、GPRS提供的業務GPRS提供的業務具有以下特點：不連續的非周期性(突發)的數據傳送,突發出現的時間間隔遠大于突發數據的平均傳輸時延；頻繁發送的小數據量業務，如小于500字節的數據，允許每分鐘發送幾次；不頻繁發送的大數據量業務,如允許每小時傳送幾次千字節的數據。78......3、GPRS提供的業務78..GPRS可提供以下類型的業務:（1）信息點播類業務（2）消息類業務（3）遠程操作業務79......GPRS可提供以下類型的業務:79..3.5.33G網絡技術1、移動通信的發展歷程隨著移動通信技術發展，至今移動通信發展已經歷了四代：第一代即1G，系模擬移動通信，上世紀80年代初投入商用，技術主要建立在頻分多址(FDM)和蜂窩頻率復用理論的基礎上，主要代表技術是美國的TACS制式；第二代即2G，系數字移動通信，上世紀80年代中后期投入商用，以歐洲提出的GSM和美國提出的CDMA技術為代表；第二代半即2.5G，上世紀90年代中期投入商用，技術以GSM演進的GPRS和CDMA演進的CDMA1X為代表。鑒于第二代數字移動通信在技術和成本上獲得較好解決，從而迅速地促進了移動通信的發展，顯然，移動通信的繁榮是始于第二代數字移動通信。80......3.5.33G網絡技術80..

第三代即3G，自2000年一些歐洲國家開始拍賣3G牌照以來，全球移動通信的熱點一直圍繞著3G。所謂3G，其實它的全稱為3rdGeneration，中文含義是指第三代數字通信。81......第三代即3G，自2000年一些歐洲國家開始拍賣根據國際電信聯盟(ITU)定義，3G特征一是全球化，即3G各系統間在設計上具有高度的互通性，使用共同的頻段和全球統一的標準，能提供全球無縫漫游；二是綜合化，能夠提供多種業務，特別是能夠支持多媒體業務和互聯網業務，并有能力容納新的業務；三是個人化，用戶使用全球唯一的個人號碼。82......根據國際電信聯盟(ITU)定義，3G特3G的主要特點：（1）3G是2G的演進和發展，不是重新建立一個移動通信網。（2）能提供1G、2G所不能提供的各種寬帶信息業務。（3）具有多媒體業務功能，不僅能接收和發送語音、數據信息，而且還能接收和發送靜態、動態圖象及其它數據業務。（4）能克服包括多徑衰減、多址干擾、遠近效應等技術難題。（5）實現數據業務，主要是Internet所需要不對稱基于包交換（IP）的業務。（6）具有高頻譜利用率，解決全球存在的系統容量問題。（7）系統設備低價位，業務服務高質量、低價位，能滿足個人通信化的要求。83......3G的主要特點：83...第四代即4G，ITU提出4G應具有如下主要特點：（1）高速傳輸（高峰時50～100Mbit/s，平均20Mbit/s）。（2）大容量（約10倍于3G系統）。（3）支持下一代互聯網（IPv6，QoS）。（4）無縫服務。（5）靈活的網絡結構。（6）使用微波頻段（3～6GHz）。（7）低系統成本（3G系統的1/10～1/100）。84......第四代即4G，ITU提出4G應具有如下主要特點：84..4G是目前傳輸速率最快的移動通信技術，比已投入商業運營的3G網絡的傳輸速率快10倍。借助4G移動網絡，用戶可更順暢地用手機上網，通過筆記本電腦完成一些需要更快傳輸速率和更高傳輸性能的任務，如網絡電視播放、網絡視頻會議等。美國、瑞典、挪威等少數國家已開通4G移動通信網絡。4G國際標準候選技術有中國主導的TD-LTE和歐美主導的FDD-LTE.85......4G是目前傳輸速率最快的移動通信技術，比已3、3G的主流標準目前，國際電信聯盟確定了四大3G標準：WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA和WiMAX86......3、3G的主流標準86...4、3G的多址技術（1）頻分多址和頻分雙工技術（2）時分多址技術（3）碼分多址技術87......4、3G的多址技術87..5、3G技術的應用（1）寬帶上網（2）視頻通話（3）手機電視（4）無線搜索（5）手機音樂（6）手機購物（7）手機網游88......5、3G技術的應用88...3.5.44GLTE技術4G是英文fourth-generation的縮寫，指移動電話系統的第四代，也是3G之后的延伸。按照ITU定義的技術標準，靜態傳輸速率達到1Gbps，用戶在高速移動狀態下可以達到100Mbps，就可以作為4G的技術之一。2012年1月，“中國創造”的TD—LTE—Advanced(下稱“TD—LTE—A”)被國際電信聯盟確定成為第四代移動通信(下稱“4G”)國際標準，與FDD-LTE-Advanced并列為4G國際標準，使得我國首次在4G移動通信標準這一前沿實現了從“追趕”到“引領”的重大跨越。89......3.5.44GLTE技術89..1、LTE簡介LTE是第三代合作伙伴計劃3GPP(The3rdGenerationPartnershipProject)于2004年11月啟動的UMTS技術長期演進項目。LTE分為FDD方式的LTE和TDD方式的LTE，其中TDD方式的LTE又由于演進路線的不同分為LTETDD1和LTETDD2。我國從2005年開始推動LTE的TDD方案即LTETDD2方式的研究并被3GPP接受，之后由我國大力推動并通過多方努力，目前兩種TDD方式經融合為一種即TD-LTE。TD-LTE也被同時確定為TD-SCDMA標準的后續演進技術。90......1、LTE簡介90...2、LTE關鍵技術在LTE采用的各種技術中，最核心的技術是OFDM和MIMO，這兩種技術是今后無線通信技術的核心技術，將會得到快速發展和大量采用。91......2、LTE關鍵技術91..3、LTE應用前景（1）將LTE引入手機（2）用LTE部署石油和天然氣（3）LTE應用于公安執勤通信92......3、LTE應用前景92...3.6物聯網的接入技術物聯網的接入技術指將末梢匯聚網絡或單個的節點，接入核心承載網絡的技術。核心承載網絡可以包括各種如3G、4G，GPRS等公共商業網絡，也可以是企業專網、物聯網專網等，此外還包括全球性的核心承載網絡——互聯網。93......3.6物聯網的接入技術93..3.6.1物聯網網關技術 物聯網網關是連接感知網絡與傳統通信網絡的紐帶，是不同網絡進行通信的“關口”和“翻譯器”。作為網關設備，物聯網網關可以實現感知網絡與通信網絡，以及不同類型感知網絡之間的協議轉換，既可以實現廣域互聯，也可以實現局域互聯。94......3.6.1物聯網網關技術 94..具體地講，物聯網網關一般具備如下功能：1、多種接入能力2、協議轉換能力3、管理能力95......具體地講，物聯網網關一般具備如下功能：95..3.6.26LowPAN技術6LowPan（IPv6overLowpowerWirelessPersonalAreaNetworks）技術，主要實現將低功率無線個域網（LowpowerWirelessPersonalAreaNetworks）連接到IPv6網絡中。96......3.6.26LowPAN技術96..IPv6（InternetProtocolVersion6）是下一代互聯網協議，是下一代互聯網的起點。IPv6是互聯網工程任務組IETF（InternetEngineeringTaskForce）設計的用于替代IPv4的下一代IP協議。IPv6是為了解決IPv4所存在的一些問題和不足而提出的，同時它還在許多方面提出了改進，例如路由方面、自動配置方面。97......IPv6（InternetProto3.7物聯網其他網絡技術3.7.1有線通信網絡技術物聯網中有線網絡技術主要包括長距離通信網絡技術和短距離有線通信網絡技術。其中長距離有線通信技術主要是支持IP協議的網絡，如計算機網、廣電網、電信網以及國家電網等通信網絡。短距離有線通信網絡技術主要包括目前流行的10多種現場總線控制系統，如ModBus、DeviceNet、電力載波通信PLC（PowerLineCommunication）等網絡技術。短距離有線通信網絡主要應用于樓宇自動化、工業過程自動化、電力行業等領域。98......3.7物聯網其他網絡技術98..現場總線控制系統FCS（FiledbusControlSystem）是一個開放的數據通信網絡系統，具有可互操作的網絡將現場各控制器及儀表設備互連，構成現場總線控制系統，同時控制功能徹底下放到現場，降低了安裝成本和維護費用。因此，FCS實質是一種開放的、具可互操作性的、徹底分散的分布式控制系統，有望成為21世紀控制系統的主流產品。99......現場總線控制系統FCS（Filedbu圖3-7現場總線控制系統結構100......圖3-7現場總線控制系統結構100..目前已開發出有40多種現場總線，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等，下面主要介紹FF、Profitbus、HART、CAN和LonWorks5種現場總線。101..