1物联网与近距离无线通信技术概述_2

课程安排28学时+4学时上机实验教学目标本课程主要介绍各种短距离无线通信技术的基本原理、特点、协议以及在物联网中的应用等。本课程理论与实验并重，依托“物联网工程实验室平台”，籍演示、操作、测试、硬件制作、软件调试等环节，让学生对各种短距离无线通信技术有实际的感受和直接的经验。解决理论学习与实际应用脱节的矛盾，对于学生掌握前沿通信技术、激发学习兴趣、理解理论知识、提高实践能力以及增强就业竞争力，均起到积极作用。课程安排考核方式⒈平时成绩占30%：包括平时上课考核、作业和实验；⒉期终考试占70%：闭卷（或半开卷）考试，以笔试为主。课程安排参考教程董健等著.物联网与短距离无线通信技术.电子工业出版社.2012.9.1孙弋等著.短距离无线通信及组网技术.西安电子科技大学出版社,2008.3.第1章物联网与近距离无线通信技术概述内容概要：1、物联网概述2、无线与移动通信概述3、射频与微波通信4、近距离无线通信技术概览物联网（InternetofThings）的概念最早由MITAuto-ID中心Ashton教授于1999年在研究射频识别（RFID）时首先提出。2005年国际电信联盟（ITU）发布有关物联网的报告，指出：无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷，从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行信息交换。射频识别技术，传感器技术，纳米技术，智能嵌入式技术将达到广泛的应用。1.1.1物联网的概念与定义早期认识典型的物联网是将所有的物品通过短距离RFID等信息传感设备与互联网连接起来，实现局域范围内的物品“智能化识别和管理”。当代认识物联网的基本含义就是一种虚拟数字世界和现实物理世界的融合。物联网的目标现实世界与虚拟世界的双向融合第一个方向是现实世界向虚拟世界的融入第二个方向是虚拟世界向现实世界的融入1.1.1物联网的概念与定义在“数字世界泛在化”和“物理世界智能化”的融合过程中，物联网被赋予多个维度的内涵，具有多重含义。从领域的维度（横向）物联网覆盖了信息技术和通信技术的众多领域，包括RFID、传感器、互联网、嵌入式、移动通信等。广义上，物联网就是以“物”的信息感知、传输、处理为特征，利用包括RFID、移动通信、传感器等在内的通信技术使“物”具有通信能力，利用嵌入式、中间件编程等信息技术使“物”具有信息处理能力，形成一个物物、人人、人物都能通信的系统。1.1.1物联网的概念与定义从层次的维度（纵向）第一层是感知网络利用RFID、摄像头、传感器、GPS等识别物体、采集信息第二层是传输网络利用移动通信系统、互联网等将感知层获取的信息进行处理和传递第三层是业务和应用网络分析和处理获取的信息，实现智能化的管理、应用和服务1.1.1物联网的概念与定义物联网与传感网物联网与互联网物联网与泛在网传感网是物联网的组成部分，物联网是互联网的延伸，泛在网是物联网发展的愿景。1.1.1物联网的概念与定义1.1.2物联网体系结构1.1.3物联网的发展概况发展无所不在的网络（U网络），以人为本，实现所有人与人、物与物、人与物之间的连接，即所谓的4U（Ubiquitous，Universal，User-oriented，Unique）。韩国的“U-Korea”战略1.1.3物联网的发展概况韩国信息和通信部具体推动“U-Korea”项目的建设，重点支持“无所不在的网络”相关的技术研发及科技应用，希望通过“U-Korea”计划的实施带动国家信息产业的整体发展。日本的“U-Japan”计划2005年2月，新加坡资讯通信发展局发布名为“下一代I-Hub”的新计划，标志着该国正式将“U”型网络构建纳入国家战略。该计划旨在通过一个安全、高速、无所不在的网络实现下一代的联接。新加坡“下一代I-Hub”计划1.1.3物联网的发展概况美国的“智慧的地球”2008年11月，IBM公司总裁彭明盛推广“智慧的地球”（SmartPlanet）这一概念，建议新政府投资新一代的智慧型基础设施，阐明其短期和长期效益。2009年1月28日，奥巴马就任美国总统后与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”，对此给予了积极的回应，认为“智慧的地球”有助于美国的“巧实力”（SmartPower）战略，是继互联网之后国家发展的核心领域。1.1.3物联网的发展概况欧盟的物联网行动计划2006年欧盟成了的工作组，进行RFID技术研究。2008年发布了《2020年的物联网——未来路线》2009年欧盟制订了《物联网——欧洲行动计划》。目前欧盟已将物联网及其核心技术纳入到预算高达500亿欧元并开始实施的欧盟“第七个科技框架计划（2007—2013年）”中。1.1.3物联网的发展概况中国的“感知中国”2009年8月国家领导人在考察无锡高新微纳传感器工程技术中心时指出，要积极创造条件，在无锡建立中国的传感网中心——“感知中国”中心。2010年3月，“加快物联网的研发应用”第一次写入中国政府工作报告。《国家中长期科学与技术发展规划（2006－2020年）》和“新一代宽带移动无线通信网”重大专项中均将传感网列入重点研究领域。1.1.3物联网的发展概况我国物联网发展现状一是产业体系初步形成但产业化能力不高，尚未形成规模化产业优势；二是核心关键技术有待突破，在传感器、芯片、关键设备制造、智能通信与控制、海量数据处理等核心技术上，与发达国家存在较大差距；三是标准比较分散、体系还不完善，在国际上面临标识等关键资源和核心标准的竞争；四是物联网应用的规模和领域比较小，没有形成成熟的商业模式，应用成本较高；五是物联网承载大量的国家经济社会活动和战略性资源，因而面临巨大的安全与隐私保护挑战。1.1.3物联网的发展概况目前物联网还缺乏统一标准。标准化的实现将能够整合行业应用，规范新业务的实现和测试，保证物联网产品的互操作性和全网的互联互通。物联网标准体系的建设与完备，是扩大物联网市场规模的基础，是物联网产业发展的关键。物联网的标准化概况1.1.3物联网的发展概况国际物联网标准制定现状目前投入物联网相关整体架构研究的国际组织有：（1）ETSI欧洲电信标准化协会M2M技术委员会，研究M2M物联网（2）ITU-T国际电信联盟泛在传感网（USN）（3）ISO/IEC国际标准化组织/国际电工协会RFID的标准化研究1.1.3物联网的发展概况（1）电子标签标准工作组成了于2005年10月（2）传感器网络标准工作组（WGSN）成立于2009年9月（3）成立于2003年的资源共享协同服务标准工作组（闪联）：信息设备智能互联与资源共享协议（4）中国通信标准化协会（CCSA）：《无线泛在网络体系架构》、《无线传感器网络与电信网络相结合的网关设备技术要求》（5）运营商。中国电信开发了开放式架构的M2M平台，在一定程度上解决了标准化问题。我国物联网标准制定现状1.1.3物联网的发展概况欧洲智能系统集成技术平台组织（EPoSS）在《InternetofThingsin2020》中预测，物联网的发展将经历四个阶段：1.1.4物联网的前景展望2010年之前以RFID为代表的物联网技术广泛应用于物流、零售和制药等领域；2010—2015年实现物与物之间的互联；2020年之后实现全智能化2015—2020年进入半智能化；物联网的广泛应用1.1.4物联网的前景展望物联网发展面临的挑战虽然物联网具有美好的前景和重大的意义，但物联网的大规模地应用面临的挑战，至少包括三个方面:一是成本的挑战二是安全的挑战三是侵犯隐私的威胁1.1.4物联网的前景展望无线通信系统概述1.2无线与移动通信概述自1897年意大利科学家马可尼首次成功利用无线电波进行传输以来，经过一个多世纪的时间，无线通信取得了迅速的发展，特别在飞速发展的计算机和半导体的推动下，无线通信的理论和技术不断取得进步和突破。时至今日，由于使用的灵活性、方便性，无线通信已逐渐成为人们日常生活中不可或缺的重要通信方式之一。无线与移动通信的概念1.2无线与移动通信概述无线通信（WirelessCommunication）是指利用电磁波信号可以在空间传播的特性进行信息交换的一种通信方式，包括固定体之间的无线通信和移动通信两大部分。由于人类社会活动具有显著的移动性，因而移动通信在无线通信中占主导地位。所谓移动通信（MobileCommunication），就是移动体之间的通信或移动体与固定体之间的通信。移动体可以是人，也可以是汽车、火车、轮船、收音机等在移动状态中的物体。移动通信可认为是在移动中实现的无线通信，人们常常把二者合称为无线与移动通信。无线与移动通信的概念1.2无线与移动通信概述移动通信与固定物体之间的通信比较起来，具有一系列的特点：①移动性，就是要保持物体在移动状态中的通信，因而它必须是无线通信，或无线通信与有线通信的结合；②电磁波传播条件复杂，因移动体可能在各种环境中运动，电磁波在传播时会产生反射、折射、绕射、多普勒效应等现象，产生多径干扰、信号传播延迟和展宽等效应；③噪声和干扰严重，在城市环境中的汽车火花噪声、各种工业噪声，移动用户之间的互调干扰、邻道干扰、同频干扰等；④系统和网络结构复杂，它是一个多用户通信系统和网络，必须使用户之间互不干扰，能协调一致地工作，此外，移动通信系统还应与市话网、卫星通信网、数据网等互连，整个网络结构更加复杂；⑤要求频带利用率高、设备性能好。无线与移动通信的概念1.2无线与移动通信概述按用途的不同，现代无线与移动通信系统可以分为陆地公众蜂窝移动通信系统、宽带无线接入系统、无线局域网、无线个域网、无绳电话、集群通信、卫星移动通信等[1,7]。其中陆地公众蜂窝移动通信系统是移动通信中发展最快、规模最大的系统。另外，按使用的频段，现代无线与移动通信又可分为：中长波通信（小于1MHz）、短波通信（1～30MHz）、超短波通信（30MHz～1GHz）、微波通信（1GHz到几十吉赫）、毫米波通信（几十吉赫）、红外光通信、大气激光通信等。无线与移动通信的发展历程1.2无线与移动通信概述（1）现代无线与移动通信技术的发展始于20世纪20年代（2）20世纪40年代中期至60年代初期，公用移动通信业务开始问世。（3）从20世纪60年代中期到70年代中期，美国推出了改进型移动电话系统（IMTS），使用150MHz和450MHz频段，采用大区制、中大容量，实现了无线频道自动选择并能够自动接续到公司电话网。（4）20世纪70年代中期至80年代中期是移动通信蓬勃发展的时期。1978年年底，美国贝尔实验室研制成功了采用小区制的先进移动电话系统（AMPS），建成了蜂窝状移动通信网，大大提高了系统容量，开始了第一代陆地公众蜂窝移动通信系统。（5）移动通信技术在20世纪90年代呈现出加快发展的趋势。（6）从20世纪末到21世纪初，第三代移动通信系统（3G）的开发和推出，使移动通信进入一个全新的发展阶段。（7）目前我国及世界上部分发达国家已经开始了面向未来的移动通信技术与系统的研究。1.3射频与微波通信1.3.1射频的概念射频（RadioFrequency，RF）表示可以辐射到空间的电磁波频率，通常所指的频率范围为300kHz～30GHz。RF的本质是射频电流，是一种高频交流电的简称。每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。1.3射频与微波通信1.3.2频谱的划分因为电磁波是在全球存在的，所以需要由国际协议来分配频谱。频谱的分配是指将频率根据不同的业务加以分配，以避免频率使用方面的混乱。现在进行频率分配的世界组织有国际电信联盟（ITU）、国际无线电咨询委员会（CCIR）和国际频率登记局（IFRB）等，我国进行频率分配的组织是工业和信息化部无线电管理局。1．IEEE划分的频谱由于应用领域的众多，对频谱的划分有多种方式，而今较为通用的频谱分段法是IEEE建立的，如下表所示。1.3射频与微波通信IEEE频谱1.3.2频谱的划分1.3射频与微波通信微波也是经常使用的波段