物聯網工程導論

（第3版）南開大學吳功宜

吳英第5章

物聯網通信與網絡技術本章知識點結構本章教學要求掌握計算機網絡與移動通信網技術的基本概念理解計算機網絡與移動通信網技術的工作原理和技術特征了解物聯網終端接入技術的方法與特點了解軟件無線電、認知無線電在物聯網中的應用5.1計算機網絡基本概念

5.1.1從信息技術的角度看計算機網絡的發展歷程5.1.2計算機網絡的形成與發展分組交換技術的研究分組交換技術出現標志著計算機網絡時代的到來ARPANET研究與發展ARPANET出現標志著計算機網絡與互聯網時代的到來計算機網絡協議研究與發展從1969年到1971年，經過近兩年對網絡應用層協議的研究與開發，研究人員陸續推出了第一批計算機網絡應用協議的標準文本，如FTP標準、E-Mail標準、DNS標準，為互聯網應用奠定了基礎1972年10月，羅伯特·卡恩在華盛頓DC召開的第一屆國際計算機與通信會議上首次演示了ARPANET的功能，使學術界與產業界認識到互聯網的應用前景從20世紀70年代誕生以來，TCP/IP協議經歷了20多年的實踐檢驗和不斷完善的過程，促進了互聯網的發展，使得TCP/IP協議成為互聯網的核心協議互聯網形成與發展如果說開放互聯網商業服務是促進互聯網快速發展第一次飛躍的推動力，那么Web技術的應用是互聯網第二次快速發展的推動力20世紀90年代，隨著信息高速公路NII的推進，互聯網進入了高速發展階段，互聯網以及成為人類信息交互與共享的重要平臺互聯網代表著全球范圍內無限增長的信息資源，成為人類擁有的最大的知識寶庫，推動著全球經濟、科技與文化的發展三網融合的發展互聯網的廣泛應用推動電信網技術的高速發展，電信運營商的服務業務也從以語音服務為主，逐步向數據業務方向發展，引起世界范圍內大規模的產業結構調整與企業重組寬帶城域網的建設導致了計算機網絡、電信通信網與電視通信網“三網融合”局面的出現，實質上是計算機網絡、電信通信網與電視傳輸網技術與業務的融合“三網融合”的技術基礎是計算機網絡技術，標志著電信通信網與電視通信網的傳輸網已經向“IP化”的方向發展三網融合與物聯網接入的關系5.1.3計算機網絡分類與特點按覆蓋的地理范圍，計算機網絡可分為5種類型廣域網城域網局域網個人區域網人體區域網ComputerNetworks廣域網廣域網（WAN）又稱為遠程網，所覆蓋的地理范圍從幾十公里到幾千公里，覆蓋一個國家、地區，或橫跨幾個洲，形成國際性的遠程計算機網絡廣域網的通信子網利用公用分組交換網、衛星通信網或無線分組交換網，它將分布在不同地區的計算機系統、城域網、局域網互聯起來，實現資源共享的目的一般情況下廣域網應該是一種公共數據網絡，只有某些對信息安全、性能有特殊要求的國家部門網絡、大型企業網絡、大型物聯網應用系統，才需要組建自己專用廣域網城域網城域網（MAN）通常稱為寬帶城域網，覆蓋范圍從幾公里到幾十公里。支持一個現代化城市的寬帶城域網結構一般可以分為核心交換、匯聚與接入等三層結構寬帶城域網是以IP協議為基礎，通過計算機網絡、廣播電視網、電信網的三網融合，形成覆蓋城市區域的網絡通信平臺，為語音、數據、圖像、視頻傳輸與大規模的用戶接入提供高速與保證質量的服務寬帶城域網的應用和業務主要有：大規模互聯網用戶的接入，網上辦公、視頻會議、網絡銀行、網購等辦公環境的應用、家庭網絡的應用，以及物聯網的智能家居、智能醫療、智能交通、智能物流等應用局域網局域網（LAN）覆蓋有限的地理范圍，它適用于機關、校園、工廠、機房等有限范圍內的計算機、服務器與存儲設備連網的需求局域網能夠提供高傳輸速率（10Mbps～100Gbps）、低誤碼率的高質量數據傳輸環境局域網可以分為兩類：有線局域網（如Ethernet）與無線局域網（如Wi-Fi）個人區域網由于個人區域網（PAN）主要是用無線通信技術實現聯網設備之間的通信，因此就出現了無線個人區域網絡（WPAN）的概念無線傳感器網絡（WSN）中主要使用的無線通信技術是802.11標準的WLAN、802.15.4標準的無線個人區域網（6LoWPLAN）技術、藍牙技術、ZigBee技術物聯網應用的發展更凸顯出個人區域網絡技術與標準研究的重要性人體區域網智能醫療應用系統需要將人體攜帶的傳感器或移植到人體內的生物傳感器結點組成人體區域網，物聯網智能醫療應用的計算機網絡提出了新的需求，促進了人體區域網（BAN）的發展智能醫療需要將采集的人體生理信號（如溫度、血糖、血壓、心跳等參數），以及人體活動或動作信號、人所在的環境信息，通過無線方式傳送到附近的基站，因此用于智能醫療的個人區域網是一種無線人體區域網（WBAN）2012年，IEEE批準了無線人體區域網的IEEE802.15.6標準無線個人區域網結構5.1.4TCP/IP協議基本概念開放的協議標準，獨立于特定的計算機硬件與操作系統，獨立于特定的網絡硬件，可以運行在局域網、廣域網等各種傳輸網之上，適用于互聯網與物聯網TCP協議的特點可靠的面向連接服務：在應用層數據傳輸之前，必須在通信的與目的程序進程之間建立一個TCP連接；當一次進程通信結束后，TCP協議關閉這個連接；面向連接傳輸的每一個報文都需接收方確認面向字節流的傳輸服務：流（stream）相當于一個管道，從一端放入什么的字節流，從另一端可以照原樣取出什么的字節流；TCP協議對正確接收到的字節行確認，出錯時要求發送方重傳TCP支持數據全雙工通信：兩個應用程序進程可以同時利用該連接發送和接收數據報文。雙方通過捎帶確認的方法交互準確接收數據報的信息UDP協議的特點無連接服務：UDP協議相對比較簡單，兩個通信的進程之間傳輸之前不建立連接，因此通過UDP協議不能保證發送的報文按順序到達不提供擁塞控制機制：UDP協議不提供擁塞控制機制，發送進程可以用任意的速率發送報文，以提高報文傳輸的實時性TCP協議適用于對數據傳輸可靠性要求較高的網絡應用，UDP協議適用于對數據傳輸實時性要求較高的網絡應用實時傳輸協議RTP/RTCP物聯網感知信息中會有大量的視頻。視頻傳輸可以分為：非實時的視頻傳輸與實時視頻傳輸非實時的視頻傳輸，如智能安防應用中需要下載視頻之后再播放，這類應用對于視頻中的語音傳輸與圖像傳輸的實時性要求不高，傳統的TCP協議可以滿足這類應用對于智能工業、智能交通、智能醫療中對視頻信息傳輸的實時性要求較高，傳統的TCP協議已不能滿足。這類應用需要應用實時傳輸協議（RTP）與實時傳輸控制協議（RTCP）容遲網技術研究TCP協議應用于互聯網時，其實做了一個假設：在一次進程通信過程中，源端與目的端之間一定要保證“持續”的TCP連接物聯網很多應用都不能保證滿足TCP“持續”連接的要求，學術界將這類網絡稱之為“受限網絡”針對受限網絡，研究人員提出“容遲網（DTN）”的研究，修改了傳統的TCP/IP的體系結構與傳輸機制，以適應物聯網中對傳輸層的“長延時、間歇性連接、低信噪比與高誤碼率”的應用需求IPv4協議的特點IP協議是一種無連接的分組傳送服務的協議提供的是一種“盡力而為（best-effort）”的服務IP協議可以用于城域網或局域網、個人區域網，以及Ethernet網、Wi-Fi、移動通信網4G/5G網絡IP協議能夠適用于互聯網、移動互聯網與物聯網IP協議與網絡規模的矛盾IPv4的地址長度為32位，2011年2月IPv4地址全部分配完畢互聯網面臨著地址匱乏的危機，解決的辦法是從IPv4協議向IPv6協議過渡IPv6的地址長度定為128位，因此IPv6可以提供多達超過2128（3.4×1038）個地址IPv6協議與物聯網未來物聯網大量的傳感器、RFID讀寫設備、智能控制設備、智能汽車、智能機器人、可穿戴計算設備都可以獲得IPv6地址，聯入物聯網的節點數量將可以不受限制地持續增長IPv6協議能夠適應物聯網智能工業、智能農業、智能交通、智能醫療、智能物流、智能家居等領域的應用，IPv6協議將成為物聯網核心協議之一5.1.5下一代網絡體系結構與軟件定義網絡技術的研究

1.SDN技術研究的背景目前在互聯網上大量應用的路由器是由不同的網絡設備制造商設計的，路由器內部的體系結構、工作模式不僅相同。執行IP協議的軟件固化在路由器內部專用芯片中，網絡使用者對路由器的工作模式沒有任何控制能力軟件定義網絡（SoftwareDefinedNetwork，SDN）技術正是為滿足下一代互聯網體系結構要求而開展的一項研究SDN是一種新的路由器體系結構，能提供開放的接口，實現虛擬化、可編程與可重構，具備對新網絡業務靈活響應和快速部署的能力5.1.5下一代網絡體系結構與SDN技術SDN試圖對高層的用戶應用提供對網絡互聯結構與網絡服務的標準可編程接口，從而實現大規模的網絡流量管理的可編程、可控制，以支持未來出現的各種新的網絡體系結構與新的服務業務支持SDN的三大核心機制是：基于流的數據分組轉發機制、基于中心控制的路由機制、面向應用的網絡編程機制SDN研究的發展與技術的成熟，將為物聯網的大規模應用奠定重要的理論與應用基礎5.2移動通信網基本概念

5.2.1無線接口與空中接口移動通信系統需要解決的問題手機如何找到基站？基站如何區分不同的手機？如何確定手機用戶的合法性？如何保證手機移動過程的通信連續性？如何保證手機發送信息的安全性？5.2.2大區制與小區制手機需要將信號傳送到發射塔，就需要手機發射的信號功率比較大手機的體積不可能太小，價格就會很貴，對人體的電磁波輻射影響增大，不符合環保的要求由于城市里建筑物、地下車庫，或者是汽車、火車的金屬車頂都會阻擋無線信號，不能保證手機在一些特殊環境中通信的暢通大區制的缺點大區制與蜂窩結構的區別小區制的特點“小區制”是將整個區域劃分成若干個小區，多個小區組成一個區群；由于區群結構酷似蜂窩，因此小區制移動通信系統頁叫做“蜂窩移動通信系統”每個小區架設一個（或幾個）基站，小區內的手機與基站建立無線鏈路區群中各小區基站之間可以通過光纜、電纜或微波鏈路與移動交換中心連接

移動交換中心通過光纜與市話交換網絡連接，從而構成一個完整的蜂窩移動通信網絡系統5.2.3蜂窩移動通信網的基本結構5.2.4移動通信技術與標準發展1995年，1G，模擬通信方式1997年，2G，數字通信方式，電話+短信2007年，3G，移動+寬帶2012年，4G，更快的傳輸速度、更短的延時與更好的兼容性2020年，5G，能夠滿足物聯網應用對帶寬、可靠性與延時的需求5.2.55G技術與智能物聯網5G性能指標5G網絡作為面向2020年的技術，需要滿足移動寬帶、物聯網，以及其他高可靠通信要求，同時它也是一個智能化的網絡；5G網絡具有自檢修、自配置與自管理的能力5G的設計者將物聯網納入到整個技術體系之中，5G技術的發展與應用將大大推動物聯網“萬物互聯”的發展進入5G時代，受益最大的將是物聯網5G應用場景5.2.66G發展愿景如果說5G能實現“萬物互聯”的局面，那么6G將開啟更高層次“萬物智聯”的新局面6G的六種潛在應用場景：以人為中心的沉浸式通信感知、定位與成像工業4.0及其演進智慧城市與智慧生活移動服務全球覆蓋分布式機器學習與互聯AI5.3智能物聯網接入技術

5.3.1智能物聯網接入基本概念5.3.2有線接入技術局域網接入電話交換網與ADSL接入技術廣播電視網與HFC接入技術光纖接入技術光纖到家FTTH光纖到樓FTTB光纖到路邊FTTC光纖到結點FTTN光纖到辦公室FTTO電力線接入技術5.3.3無線接入技術工業、科學與醫藥ISM頻段用戶在使用ISM的902～928MHz（915MHz頻段）、2.4～2.485GHz（2.4GHz頻段）、5.725～5.825GHz（5.8GHz頻段）等3個頻段

發射功率小于規定值（一般小于1W）時，可以不用申請Wi-Fi接入使用Wi-Fi接入到AP的組網方式Wi-Fi可以不使用基站，按照Adhoc方式組網IEEE802.11n標準特點速率最高可以達到600Mbps接入點覆蓋范圍可以達到幾平方公里可以實現與無線城域網802.16標準的兼容成為“無線城市”建設的首選技術IEEE802.11協議標準WPAN接入藍牙通信采用工業、科學與醫學（ISM）頻段，工作頻率在2.4GHz時，數據傳輸速率最高為1Mbps，通信距離一般在10cm～10m，支持點對點、點對多點的通信ZigBee技術ZigBee是一種面向自動控制的低速、低功耗、低價格的無線網絡技術，ZigBee網絡的結點數量、覆蓋規模大在ISM的2.4GHz頻道，傳輸速率為250kbps；在915Mbps為40kbps；功耗低，節點在不更換電池的情況下可以工作長達幾年；傳輸距離為10～75m適應于數據采集與控制的點多、數據傳輸量不大、覆蓋面廣、造價低的應用領域，如家庭網絡、安全監控、醫療保健、工業控制、無線定位等IEEE802.15.4標準IEEE標準化委員會在2000年正式成立了802.15工作組，致力于低速、長壽命電池、低復雜度的無線個人區域網絡（LR-WPAN）標準的研究與制定工作研究的目標時解決近距離、低速率、低功耗、低成本、低復雜度的嵌入式無線傳感器，以及自動控制設備、自動讀表設備之間的數據傳輸問題主要考慮無線傳感器節點的發射功率只是Wi-Fi的1%，靠電池運行1～5年的緊湊型、低功耗、廉價、嵌入式設備的通信技術6LoWPAN標準由IPv6替代IPv4協議已是大勢所趨，物聯網技術的發展將進一步推動IPv6的部署與應用2004年11月，IETF成立了基于IPv6的低速無線個人區域網6LoWPAN工作組，將IPv6協議集成到以IEEE802.15.4為底層協議的無線個人區域網中基于LoWPAN的無線傳感器網絡研究成為熱點課題，同時研究人員正在開展將LoWPAN在家庭網絡、工業控制網絡、城市應用、樓宇自動化等應用場景中，智能終端設備接入技術的研究UWB技術UWB又稱為脈沖無線通信技術，UWB采用將寬度在ns（納秒）量級的脈沖信號直接通過天線發射出去，脈沖峰峰時間間隔在10～100ps（皮秒），其中1ps等于1×10-12秒UWB具有抗干擾性能強、傳輸速率高、帶寬極寬、消耗電能小、發送功率小等優點，UWB特別適用于室內場合的高速無線接入由于UWB技術對信道衰落不敏感、定位與物體搜索能力強等特點，可以用于VANET自動駕駛車輛的前方、后方、側面障礙物的搜索、定位與報警WBAN接入2007年11月成立了專門致力于為醫療保健服務的IEEE的802.15工作組（IEEETG6），研究適應于人體與人體周邊（3～5m）無線通信的無線人體區域網絡（WBAN）的通信技術及標準IEEE802.15.6標準具有短距離、低功耗、低成本、實時性與安全性高的特點，除了可以應用于健康醫療之外，還可以應用于航空、個人娛樂、體育運動、環境智能、軍事與社會公共安全等領域IEEE802.15.6除了應用于醫療保健與疾病控制之外，可以用于消防、探險、軍事等危險場合，也可用于日常生活中便攜播放器與無線耳機之間等人體身邊便攜式裝置之間的通信NFC技術一種由非接觸式RFID識別技術演變出的近距離（可用距離約為10厘米）的高頻無線通信—近場通信NFC技術引起了產業界的高度重視NFC可以用于RFID、電子身份識別（如信用卡、門禁卡等）與數據傳輸；用戶可以用智能手機去替代公交卡、銀行卡、員工卡、門禁卡、會員卡等非接觸