物联网应用技术导论_第3章_物联网通信与网络技术117

物联网应用技术导论第3章物联网通信与网络技术《物联网应用技术导论》课件第3章物联网通信与网络技术东软电子出版社罗汉江主编《物联网应用技术导论》教材配套课件3物联网应用技术导论第3章物联网通信与网络技术第3章物联网通信与网络技术本章主要内容3.1物联网通信与网络技术概述3.2无线个域网络技术3.3无线局域网络技术3.4无线城域网络技术3.5无线广域网络技术3.6物联网的接入技术3.7物联网其他网络技术物联网应用技术导论第3章物联网通信与网络技术物联网要实现物物相连，需要网络作为连接的桥梁。物联网的通信与组网技术主要完成感知信息的可靠传输。由于物联网连接的物体多种多样，物联网涉及的网络技术也有多种，如可以是有线网络、无线网络；可以是短距离网络和长距离网络；可以是企业专用网络、公用网络；还可以是局域网、互联网等等。3.1物联网通信与网络技术概述物联网应用技术导论第3章物联网通信与网络技术通信技术简单地说是指将信息从一个地点传送到另一个地点所采取的方法和措施。按照历史发展的顺序，通信技术先后由人体传递信息通信到简易信号通信，再发展到有线通信和无线通信。近年来发展最快、应用最广的就是无线通信技术。3.1.1无线通信及网络技术物联网应用技术导论第3章物联网通信与网络技术1、无线通信技术无线通信技术主要包括无线电通信、微波通信、红外通信和光通信等多种形式。其中无线电通信最为广泛，它是利用电磁波信号在自由空间传播的特性进行信息交换的一种通信方式。目前无线通信主要使用数字化通信技术。数字化通信是一种用数字信号0和1进行数字编码传输信息的通信方式。数字化通信可以传输电报、数据等数字信号，也可传输经过数字化处理的语音和图像等模拟信号。物联网应用技术导论第3章物联网通信与网络技术2、无线通信网络及分类无线通信网络是利用无线通信技术、通信设备、通信标准和协议等组成的通信网络，在该网络中通信终端能够接入网络并依赖该网络进行相互通信。根据接入网络的方式不同可以分为集中式和自组织两种。物联网应用技术导论第3章物联网通信与网络技术集中式终端根据其位置是否固定又可分为固定式和移动式，如固定或移动基站、固定骨干节点等。典型的集中式包括各类蜂窝网络，通过安装多个固定的基站把较大通信区域覆盖，而每个基站可以管理成百上千个移动接入节点。在无线局域网络中可以利用集中式接入在一个相对小区域内形成星状网络。物联网应用技术导论第3章物联网通信与网络技术自组织网络（AdHocNetworks）是与集中式网络完全不同的一种网络，在这种网络中，没有固定集中的控制中心，所有在网络中的节点通过一定的自组织协议加入网络，节点间的通信通过邻居节点的多跳来实现。自组织网络属于对等网络，不会因为其中一个节点的损坏而失去功能，而集中式网络如果基站损坏，将会破坏网络的通信功能。物联网应用技术导论第3章物联网通信与网络技术3、无线通信技术的发展无线通信技术是社会信息化的重要支撑，随着信息化社会的到来以及IP技术的兴起，未来无线通信技术将得到快速发展，其发展的主要趋势是宽带化、接入多样化、信息个人化和IP网络化等几个方面：宽带化IP网络化信息个人化核心网络综合化，接入网络多样化物联网应用技术导论第3章物联网通信与网络技术3.1.2物联网网络技术物联网的网络是连接物体的信息通道，在物联网中的网络有多种形式，如有线网络、无线网络，局域网络、互联网，企业网络、专用网络等等。对于物联网，无线网络具有特别的吸引力，不仅可以摆脱布线的麻烦和费用，而且对于移动物体可能是唯一的连网选择。物联网应用技术导论第3章物联网通信与网络技术无线网络技术丰富多样，根据距离不同，可以组成无线个域网、无线局域网、无线城域网和无线广域网。其中近距离的无线技术是物联网最为活跃的部分，因为物联网被称作是互联网的最后一公里，也称为末梢网络。根据应用的不同，其通信距离可能是几厘米到几百米之间，目前常用的技术主要有蓝牙、ZigBee、Z-wave、RFID、NFC、UWB、WI-FI等。物联网应用技术导论第3章物联网通信与网络技术3.2无线个域网络技术无线个域网(WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN)是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无线无缝的连接而提出的新兴无线通信网络技术。无线个域网主要解决最后几十米的通信问题，目前主要包括蓝牙技术、ZigBee技术、UWB技术、Z-wave技术、NFC（近距离通信）和红外通信等技术，具有低成本、低功耗、通信距离短等特点。物联网应用技术导论第3章物联网通信与网络技术3.2.1蓝牙技术1、蓝牙技术简介蓝牙（Bluetooth）是一种低成本、低功率、近距离无线连接技术标准，是实现数据与话音无线传输的开放性规范。物联网应用技术导论第3章物联网通信与网络技术2、蓝牙的主要技术特点蓝牙技术使用的工作频率为2.4G-2.5G之间，属于免费的ISM（IndustryScienceMedicine）频段。蓝牙技术可以实现语音、视频和数据的传输，其最高的通信速率为1Mb/s，采用时分方式的全双工通信，通信距离为10m左右（如果配置功率放大器可以使通信距离达到100m）。物联网应用技术导论第3章物联网通信与网络技术蓝牙产品采用跳频技术，能够抵抗信号衰落；采用快跳频和短分组技术，能够有效地减少同频干扰，提高通信的安全性；采用前向纠错编码技术，以便在远距离通信时减少随机噪声的干扰；采用FM调制方式，使设备变得更为简单可靠；“蓝牙”技术产品一个跳频频率发送一个同步分组，每组一个分组占用一个时隙，也可以增至5个时隙；“蓝牙”技术支持一个异步数据通道，或者3个并发的同步语音通道，或者一个同时传送异步数据和同步语音的通道。物联网应用技术导论第3章物联网通信与网络技术表3-1蓝牙技术指标和系统参数工作频段ISM频段，2.402GHz-2.480GHz双工方式全双工，TDD时分双工业务类型支持电路交换和分组交换业务数据速率1Mbps非同步信道速率非对称连接721Kbps/57.6Kbps，对称连接432.6Kbps同步信道速率64Kbps功率美国FCC要求0dbm(1mw)，其他国家可扩展为100mw跳频频率数79个频点/1MHz工作模式PARK/HOLD/SNIFF数据连接方式面向连接业务SCO，无连接业务ACL纠错方式1/3FEC,2/3标FEC，ARQ鉴权采用反应逻辑算术信道加密采用0位、40位、60位加密语音编码方式连续可变斜率调制CVSD发射距离一般可达10cm-10m，增加功率的情况下可达100m物联网应用技术导论第3章物联网通信与网络技术3、蓝牙组网方式蓝牙系统采用无基站的灵活组网方式，支持点对点或点对多点的通信方式，在蓝牙2.0标准中一个蓝牙设备可同时与7个其他的蓝牙设备相连接。如图3-1所示：蓝牙主设备蓝牙从设备一蓝牙从设备二蓝牙从设备三蓝牙从设备七蓝牙从设备四蓝牙从设备六蓝牙从设备五图3-1蓝牙的组网方式示意图物联网应用技术导论第3章物联网通信与网络技术基于蓝牙技术的无线接入简称为BLUEPAC（BluetoothPublicAccess），蓝牙系统的网络拓扑结构有两种形式：微微网（piconet）和分布式网络（Scatternet）。物联网应用技术导论第3章物联网通信与网络技术微微网（piconet）：通过蓝牙技术以特定方式连接起来的一种微型网络，一个微微网可以只是两台相连的设备，比如一台便携式电脑和一部移动电话，也可以是8台连在一起的设备。物联网应用技术导论第3章物联网通信与网络技术蓝牙分布式网络是自组网（adhocnetworks）的一种特例，其最大特点是无基站支持，每个移动终端的地位是平等的，并可独立进行分组转发的决策。其建网灵活性，多跳性、拓扑结构动态变化和分布式控制等特点是构建蓝牙分布式网络的基础。物联网应用技术导论第3章物联网通信与网络技术4、蓝牙技术的主要应用设备蓝牙无线接入技术具有小规模、低成本、短距离连接等特点，能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化以上这些设备与Internet之间的通信，从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。物联网应用技术导论第3章物联网通信与网络技术蓝牙技术的主要缺点是传输距离短、传输速率慢。但由于蓝牙技术能耗低，在物联网低功耗蓝牙主要应用于医疗和健康传感器网络等电源供给有限的场合，如应用的领域包括：血氧计、血压计、体温计、体重秤、血糖仪、心血管活动监控仪、便携式心电图仪等等。蓝牙技术已经得到非常普遍的应用，全球大约80%以上的手机都使用了蓝牙技术，其中将近100%的智能手机都已经使用了蓝牙技术。利用每个人都拥有手机的优势，蓝牙技术可以用在更加广阔的领域，如车载网的应用、手机、电玩、电脑、手表、运动及健体、保健、汽车工业、家居电器、远程控制、自动化工业等等。物联网应用技术导论第3章物联网通信与网络技术3.2.2ZigBee网络技术ZigBee技术是一种新兴的短距离无线通信技术，主要面向低速率无线个人区域网（LRWPAN，LowRateWirelessPersonalAreaNetwork），典型特征是近距离、低功耗、低成本、低传输速率，主要适用于工业监控、远程控制、传感器网络、家庭监控、安全系统和玩具等领域，目的是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制。Zigbee技术采用三种频段：2.4GHz、868MHz和915MHz。2.4GHz频段是全球通用频段，868MHz和915MHz则是用于美国和欧洲的ISM频段，这两个频段的引入避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。物联网应用技术导论第3章物联网通信与网络技术1、ZigBee与IEEE802.15.4协议ZigBee和IEEE802.15.4并不是完全一回事。IEEE802.15.4是IEEE无线个人区域网(PersonalAreaNetwork，PAN)工作组的一项标准，被称作IEEE802.15.4技术标准，IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议。ZigBee联盟在802.15.4的基础上，对其网络层协议和API进行了标准化。另外ZigBee联盟还开发了安全层，以保证使用ZigBee协议标准的物联网设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输的信息不会被其他节点获得。物联网应用技术导论第3章物联网通信与网络技术ZigBee联盟成立于2001年8月。2002年下半年ZigBee联盟得以扩大，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布加入“ZigBee联盟”，研发名为“ZigBee”的下一代无线通信标准。目前ZigBee联盟全球约有400多家成员，包括国际著名半导体生产商、技术提供者、代工生产商以及最终使用者，其总营业额突破1万亿美元。2011年6月，ZigBee联盟分别在北京和无锡设立了办事处，作为在中国开展物联网产业技术交流与合作的平台。物联网应用技术导论第3章物联网通信与网络技术截至目前为止，ZigBee共公布了三个协议标准，分别称为ZigBee2004，ZigBee2006，Zigbee2007。ZigBee2007规范了两套功能指令集，分别是ZigBee功能命令集和ZigBeePro功能命令集。ZigBee各个版本的比较如表3-2所示。物联网应用技术导论第3章物联网通信与网络技术表3-2ZigBee各版本的比较版本号ZigBee04ZigBee06ZigBee07ZigBee07指令集无无ZigbeeZigbeePro无线射频标准802.15.4802.15.4802.15.4802.15.4地址分配无CSKIPCSKIP随机拓扑星状树状、网状树状、网状网状大网络不支持不支持不支持支持自动跳频是，3信道否否是PANID冲突决策支持否可选支持数据分割支持否可选可选多对一路由否否否支持高安全支持支持，1密钥支持，1密钥支持，多密钥支持节点数目少量节点300个以下300个以下1000个以