第五章 物聯(lián)網主要通訊技術

第五章

物聯(lián)網(liánwǎnɡ)主要通訊技術共五十三頁學習(xuéxí)要點ZigBee技術(jìshù)WLAN技術藍牙技術3G技術4G技術共五十三頁目錄(mùlù)5.54G技術(jìshù)5.43G技術5.3藍牙技術5.2WLAN技術5.1ZigBee技術共五十三頁5.1ZigBee技術(jìshù)

ZigBee技術是一組基于IEEE802.15.4無線標準研制開發(fā)的有關組網、安全和應用軟件方面的技術。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備之間進行數(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)和低反應時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽谩９参迨揨igBee作為(zuòwéi)一種無線聯(lián)網協(xié)議，屬于個人區(qū)域網絡（PersonalAreaNetwork，PAN）的范疇，有別于GSM、GPRS等廣域無線通信技術和IEEE802.11a、IEEE802.11b等無線局域網技術，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

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

WLAN又稱為無線局域網絡，利用無線射頻技術實現(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。WLAN技術是提升城市信息化水平的重要手段，是3G環(huán)境下熱點區(qū)域中對3G數(shù)據(jù)業(yè)務覆蓋的重要補充，現(xiàn)已廣泛應用在商務區(qū)、大學、機場等公共區(qū)域。共五十三頁共五十三頁WAPI標準WAPI（WLANAuthenticationandPrivacyInfrastructure）是中國開發(fā)的具有自主知識產權的無線局域網中的一種傳輸協(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安全(ānquán)強制性標準。作為全球在此領域的兩個標準之一，相比另一個由美國IEEE主導完成（實際為Intel主導）共五十三頁的標準，WAPI具有明顯的安全和技術優(yōu)勢，迄今未被發(fā)現(xiàn)有安全技術漏洞。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，鑒權服務器（AS）負責證書的頒發(fā)、驗證與吊銷等，無線客戶端與無線接入點（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的網絡速度與以太網相當。一個AP(AccessPoint)最多可支持100多個用戶接入,最大傳輸范圍可達到幾十公里,有以下的通信特點高移動性,通信范圍不受環(huán)境條件的限制(xiànzhì),拓寬了網絡的傳輸范圍。抗干擾性強、網絡的保密性好。共五十三頁有線局域網中的諸多安全問題,無線局域網基本上可以避免。建網容易,管理方便。相對于有線網絡(wǎngluò),WLAN的組建、配置和維護較為容易,一般計算機工作人員都可以勝任網絡的管理工作。WLAN還不能完全脫離有線網絡，它只是有線網絡的補充，而不是替換。共五十三頁與有線網絡相比,無線局域網有以下不足:網絡產品(chǎnpǐn)昂貴,昂貴的設備增加了組網的成本。傳輸速率慢,以太網可實現(xiàn)1Gbit/s的傳輸速度,而無線局域網的傳輸速度被限制在10Mbit/s左右，市場上一般的無線網絡帶寬還達不到2Mbit/s。共五十三頁802.11技術基礎1．802.11物理層（PHY）

802.11標準的物理層是MAC

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

納米到950

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

層定義了一種新的接入控制協(xié)議來進行無線介質分享，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WLAN

技術，IEEE

在1999

年提出(tíchū)了802.11a

標準。共五十三頁這一標準既保留了原有標準的優(yōu)點，又進一步擴展了物理層（PHY）。新標準增加(zēngjiā)了5GHz的工作頻譜，使用正交頻分復用技術（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）可支持6Mbps到54Mbps

的傳輸速率。在MAC層上，依然使用WEP

進行安全檢測。共五十三頁4.IEEE802.11bIEEE802.11標準的另一個擴展標準是820.11b，它是在1999

年和802.11a

標準一同發(fā)布的。820.11b標準的關鍵(guānjiàn)改進是物理層使用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準互不兼容。為了解決這一問題，IEEE在2003年提出了802.11g這一LAN新標準。802.11g兼容802.11b的物理層標準，并進行了速率上的擴展，在2.4GHz頻譜下支持最高54Mbps的傳輸速率。當傳輸速率在20Mbps以下(yǐxià)時，在物理層采用DSSS技術和CCK技術。當傳輸速率超過20Mbps時，在物理層使用OFDM技術。共五十三頁802.11g標準兼容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的應用Wi-Fi技術(jìshù)的應用WLAN在智能公交中的應用WLAN在鐵路行業(yè)中的應用共五十三頁共五十三頁5.3藍牙(lányá)技術藍牙技術是一種以低成本的近距離無線傳輸為基礎，為固定與移動設備通信環(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，通過無線電波來實現(xiàn)(shíxiàn)所有移動設備之間的信息傳輸服務。共五十三頁這些設備(shèbèi)移動包括手機、筆記本電腦、PDA、數(shù)字相機、打印機等等。它的實質其實就是為固定設備和移動設備建立一個通用的無線電空中接口。藍牙工作原理圖如圖5.7所示，在藍牙設備間的通信中，首先由藍牙主設備利用其專門的發(fā)射結構，使用短程射頻鏈接，在業(yè)務發(fā)現(xiàn)(fāxiàn)協(xié)議（發(fā)現(xiàn)(fāxiàn)鏈接的設備或主機的功能的應共五十三頁用規(guī)范(guīfàn)）的規(guī)范(guīfàn)下，通過召喚體系結構（一種業(yè)務發(fā)現(xiàn)標準），查詢到需鏈接從設備信息和服務類型，之后，藍牙設備間的鏈接才能建立，形成藍牙微網。其次，藍牙設備間可進行語言及數(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牙技術的主要運用居家電子工作軍事(jūnshì)娛樂共五十三頁5.43G技術(jìshù)第三代移動通信技術（The ThirdGeneration，3G）指無線通信與國際互聯(lián)網等多媒體通信結合(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(1G)和第二代GSM、TDMA等數(shù)字手機(2G)的基礎上發(fā)展起來的第三代移動通信技術。共五十三頁相對于第一代模擬制式手機(1G)和第二代GSM、CDMA等數(shù)字手機(2G)，3G的一個突出特點是，在未來移動通信系統(tǒng)(xìtǒng)中實現(xiàn)個人終端用戶能夠在全球范圍內的任何時間，任何地點，與任何人，用任意方式，高質量地完成任何信息之間的移動通信與傳輸。共五十三頁

3G技術的起源3G技術是由“展布頻譜技術”（也稱碼分擴頻技術）的技術理論演變而成的，展布頻譜技術就是3G技術的根本基礎原理。這個(zhège)技術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對付納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，這個技術最初的作用是用于軍事。二戰(zhàn)結束后暫時失去了價值，于是美國軍方封存了此技術。但是它的概念使很多國家對此產生了濃厚的興趣，多國在60年代都在此技術上展開了研究，不過進展不大。美國軍方解禁了“展布頻譜技術”這項技術之后，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），這個公司利用此技術開發(fā)出一個(yīɡè)名為‘CDMA’的新通訊技術，也就是“CDMA”技術直接導致3G的誕生。CDMA是3G的根本基礎原理，而展布頻譜技術是CDMA的基礎原理。共五十三頁現(xiàn)在世界3G技術的3大標準(biāozhǔn)：美國的CDMA2000、歐洲的WCDMA、中國的TD-SCDMA，都是在CDMA的技術基礎上開發(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準，我國提交的TD-SCDMA正式成為國際標準，與歐洲WCDMA、美國CDMA2000成為3G時代最主流的三大技術之一。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（包括資產和用戶），中國聯(lián)通與中國網通合并，中國網通的基礎電信業(yè)務并入中國聯(lián)通，中國鐵通并入中國移動，國內電信運營商由5家變?yōu)?家。2008年6月2日，中國聯(lián)通和中國網通兩家公司實施合并。同時，中國電信共五十三頁將以總價1100億元收購聯(lián)通CDMA網絡。

2008年7月29日，中國電信集團宣布未來三年投資800億元發(fā)展CDMA業(yè)務，并提出在三年內把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15%。

2008年8月，工信部發(fā)布《關于同意中國移動通信集團公司開展試商用工作的批復》，同意中國移動在全國建立TD網絡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(yèwù)品牌“天翼”，189號段在部分省市投入試商用，全面轉型為全業(yè)務運營商。

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

主要3G的應用如下(rúxià)：寬帶上網視頻語音手機購物手機閱讀和手機電視手機游戲3G技術應用在企業(yè)方面3G技術在社會中的應用共五十三頁共五十三頁5.54G通信(tōngxìn)技術第四代移動通信(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，最終實現(xiàn)商業(yè)無線網絡、局域網、藍牙、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

通信技術是繼第三代以后的又一次無線通信技術演進，它是以傳統(tǒng)通信技術為基礎，并利用一些新的通信技術，來不斷(bùduàn)提高無線通信的網絡效率和功能。4G技術由于連接傳輸速率大幅提高，從而能引入高質量的視頻通信，它將可創(chuàng)造出許多消費者難以想象的應用，將被廣泛地應用于人們生活和經濟建設的方方面面。共五十三頁目前(mùqián)世界發(fā)送國家都正在積極進行4G技術規(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。4G的各項運行標準將由國際電信聯(lián)盟（ITU）電信標準局決定。新一代無線通信技術在美國及日本、韓國等發(fā)達國家已經進入密集的研發(fā)和市場化階段。共五十三頁從2001年底起，我國已經在國內外申請移動通信技術發(fā)明專利100余項，我國在第四代移動通信技術上已經處于世界前沿。繼在國產3G標準制定(zhìdìng)方面取得巨大進展之后，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，上海建設的世界最大的4G實驗網通過了863項目的驗收。通過驗收的上海試驗網由三個無線覆蓋小區(qū)、六個無線接入點組成，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、華為以及相關高校和科研院所完成了4G相關白皮書。我國已經完成了4G標準的技術方案起草工作，目前正在進行4G關鍵技術