物联网技术-第4章_物联网通信与网络技术44

物联网技术第4章物联网通信与网络技术《物联网技术》课件第4章物联网通信与网络技术2019年8月16日电子工业出版社刘化君刘传清编著《物联网技术》教材配套课件4物联网技术第4章物联网通信与网络技术2019年8月16日4.1无线通信与网络概述4.1.1无线通信技术4.1.2无线通信网络4.1.3无线通信网络技术发展4.2无线个域网4.2.1IEEE802.15.4标准4.2.2ZigBee协议体系结构4.2.3ZigBee网络系统4.2.4蓝牙技术4.2.5超宽带技术4.3无线局域网4.3.1IEEE802.11标准系列4.3.2IEEE802.11WLAN组成结构4.3.3IEEE802.11帧结构4.3.4IEEE802.11MAC协议4.3.5AdHoc网络4.3.6无线局域网的构建4.4无线城域网4.4.1无线城域网标准系列4.4.2IEEE802.16协议体系结构4.4.3WiMAX网络构建4.5无线广域网第4章物联网通信与网络技术物联网技术第4章物联网通信与网络技术4.1无线通信与网络概述2019年8月16日通信是现代信息社会中包括能源、交通、通信在内的三大基础结构之一，是现代信息社会运行机体的神经系统。在通信领域，发展最快、应用最广的是无线通信及通信网络技术，其中宽带卫星通信、蜂窝式无线网络、移动IP、WLAN（WiFi）、ZigBee、UWB、蓝牙、WiMAX等都是21世纪热门的无线通信技术应用。无线通信技术给人们带来的影响是无可争议的，它作为物联网的核心技术之一，必将更加深入到人们生活和工作的各个方面。物联网技术第4章物联网通信与网络技术4.1.1无线通信技术2019年8月16日无线通信(Wirelesscommunication)是利用电磁波信号在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。采用通信技术来传输信息在现代社会是十分流行和重要的，它已经成为人们生活和工作的必须，社会发展的重要工具。特别是数字通信，推动了数字化社会的形成，使人们进入信息化社会。现代无线通信基本上是分区通信或蜂窝通信，它的实现基于数字化、移动性和个人通信、分区制和频率复用、点对多点通信等基本技术。在物联网中，可以根据不同的需要来选择使用不同的无线通信技术。物联网技术第4章物联网通信与网络技术2019年8月16日1.数字化技术通信数字化现已居于绝对的优势地位。数字化技术指的是运用0和1两位数字编码，通过电子计算机、光缆、通信卫星等设备，来表达、传输和处理所有信息的技术。数字化技术是信息技术的核心，信息的载体有多种，如字符、声音、语言和图像等。这些信息载体存在着共同的问题：一是信息量小，二是难以交换、交流。显然，数字化带来的问题是信号的模数变换、信源编码、数字调制、信道编码、低电压低功率集成电路等研究与开发。因此，数字化技术一般包括数字编码、数字压缩、数字传输、数字调制与解调等技术。物联网技术第4章物联网通信与网络技术2019年8月16日2.移动性和个人化现代无线通信的重要成果之一是通信的移动性。早在19世纪末期，赫兹发明无线电后，马可尼演示海上航行船舶间的通信，这可以说是开创了无线移动通信先河。进入20世纪20年代，有些国家的海军舰船和陆地公安部门开始正式使用移动无线电调度系统。在第二次世界大战中，有些国家军队中的通信部队利用数字编码的话音通信实现了保密通信，这包括了话音编码和脉码调制（PCM）技术。事实上，1946年开始建立了第一批商用移动电话系统，但需由话务员负责接通。其后不久，蜂窝网方式发明问世，一个适当大的地区设置多个半径约1km的蜂窝小区，互相紧密邻近排列，其中心基站可使用较低的射频发射功率，每隔几个蜂窝就可使用相同的频率，节约了无线电频谱资源的利用。物联网技术第4章物联网通信与网络技术2019年8月16日3.分区制、越区切换和频率复用技术通信系统的容量问题是移动通信所要解决的基本问题，即大量用户与有限频带之间的矛盾。由于分配给移动通信的带宽有限，提供的信道满足不了用户的需要，必须用空间的分区制来加以补偿，也就是将通信空间划分成许多通信小区，常用六边形表示，形象地称为蜂窝。这种移动通信称作蜂窝移动通信，是移动通信的主流。频率复用也称频率再用，就是重复使用频率，在GSM网络中频率复用就是使同一频率覆盖不同的区域（一个基站或该基站的一部分(扇形天线)所覆盖的区域），这些使用同一频率的区域彼此需要相隔一定的距离（称为同频复用距离），以满足将同频干扰抑制到允许的指标之内。物联网技术第4章物联网通信与网络技术2019年8月16日4.点对点通信及点对多点通信技术点对点通信实现网内任意两个用户之间的信息交换。电台收到带有点对点通信标识信息的数据后，比较系统号和地址码，系统号和地址码都与本地相符时，将数据传送到用户终端，否则将数据丢弃，不传送到用户终端。点对点通信时，只有1个用户可收到信息。点对点连接是两个系统或进程之间的专用通信链路，可想象成是直接连接两个系统的一条线路。两个系统独占此线路进行通信。点对点通信的对立面是广播，在广播通信中一个系统可以向多个系统传输。物联网技术第4章物联网通信与网络技术4.1.2无线通信网络现代通信技术的一个重要标志是网络化。有线与无线通信系统的结合构成了现代通信网。目前，在各类通信网络中最具增长潜力的是无线通信网。1.现代无线通信网络的概念控制节点接入节点接入节点网桥多媒体接口WLAN多功能设备摄像机PDA便携式计算机手机至核心网………………WPAN图4-1无线通信网的组织结构示意图物联网技术第4章物联网通信与网络技术2.无线通信网络模型2019年8月16日（1）移动自组织网络移动自组织网络是对等网络，它通常包含成千上万个可以完全移动的通信节点，每个节点可视为一种个人信息设备（如配备有无线收发机的个人数字助理），能覆盖几百米的范围。MANET的目的是形成并维持一个有联系关系的多跳网络，这种网络能在节点之间传输多媒体业务。在移动自组织网络中，为了使服务质量最优，需要做好网络的组织结构、路由寻址算法和移动性管理等工作。也就是说，当节点在高速移动情形下，网络仍能提供好的吞吐／时延特性。物联网技术第4章物联网通信与网络技术2019年8月16日（2）蜂窝网络蜂窝网络是由静止节点和移动节点组成的较大网络。位于通信子网中的静止节点（基站）和构成固定基础设施结构的有线中枢网络相连。移动节点的数量大大超过静止节点，每个基站中有成百上千个移动节点，这些移动节点通常分布得很分散。每个基站都覆盖一个很大的区域，且区域之间很少重叠。只有当移动节点移动并发生越区切换时，才会出现区域间的重叠覆盖情况（每个移动节点可能移动到远离基站的位置）。这种蜂窝网络的主要目标就是提供高服务质量和高带宽效率。物联网技术第4章物联网通信与网络技术2019年8月16日（3）短距离无线通信网短距离无线通信（ShortRangeWireless，SRW）是指可以在室内、办公室或封闭的公共场提供近距离通信的技术。一般，SRW可以在100m以内实现传输速度为10～100Mb/s的低功率近距离通信。SRW可分为两种：一种是传输范围在10m内，低成本、低功耗的短距离无线连接（Connectivity）的无线个人局域网（WPAN）；另一种是以更快传输速度和更大覆盖范围为目标的无线局域网（WLAN）。总而言之，通过SRW技术、手机、Headset、PDA、Notebook、数码相机、摄像机、健身器材管理设备等在没有电缆连接的情况下可以实现无线通信或操作，而且用户可以通过SRW直接接入建筑物内的局域网（LAN）及语音及数字信息网络。物联网技术第4章物联网通信与网络技术2019年8月16日3．无线通信网的分类对无线通信网可以有多种不同的分类方式。为简单明晰起见，通常将无线通信网按照通信距离划分为无线个域网、无线局域网、无线城域网和无线广域网，如图4-2所示。蜂窝移动通信属于无线广域网（WWAN），IEEE802标准系列涵盖了WPAN、WLAN、WMAN和WWAN几个方面。3G/TD-SCDMAGPS,GPRS802.20/MBWAWiMAX802.16WiFi802.11802.15.4ZigBee蓝牙UWBRFIDWPANWLANWMANWWAN物联网技术第4章物联网通信与网络技术4.1.3无线通信网络技术发展2019年8月16日在数字无线通信时代，电子电路技术和通信技术的发展推动着通信系统的飞速发展。目前，较受关注的是第三代蜂窝移动通信系统(3G)、IEEE802系列；发展趋势是移动宽带化、综合化、多样化、个人化和IP化。物联网技术第4章物联网通信与网络技术2019年8月16日1．移动宽带化蜂窝移动通信系统的发展体现了无线通信发展史，从第一代模拟移动通信系统，到第二代数字移动通信系统，再到第三代以及基于全IP的后三代或四代移动通信系统。移动宽带化是未来通信发展的一个必然趋势，窄带的、低速的网络会逐渐被宽带网络所取代。物联网技术第4章物联网通信与网络技术2019年8月16日2．核心网络综合化，接入网络多样化未来信息网络的结构模式将向核心网/接入网转变，网络的多样化、宽带化，以及带宽的移动化，将使在同一核心网络上综合传送多种业务信息成为可能。网络的综合化将进一步推动传统电信网、广播电视网与计算机互联网的三网融合。网络覆盖的无缝化，将使用户在任何时间、任何地点都能实现网络接入；而且数据速率越来越高，频谱带宽越来越宽，频段越来越高。所谓“三网融合”即指电信网、广播电视网和互联网的相互渗透、互相兼容、并逐步整合成为统一的信息网络。“三网融合”的目的是为了加强网络互联互通和资源共享，避免低水平重复建设，形成适应性广、容易维护、费用低的高速宽带多媒体基础平台。在概念上从不同角度和层次上分析三网融合，可以涉及到技术融合、业务融合、行业融合、终端融合及网络融合等诸多方面。目前主要是在应用层次上互相使用统一的TCP/IP通信协议。TCP/IP协议的普遍采用，将使得各种以IP为基础的业务能在不同的网络上实现互联互通。物联网技术第4章物联网通信与网络技术2019年8月16日3．个人化和IP化信息个人化是21世纪初信息领域进一步发展的主要方向之一，而移动IP正是实现未来信息个人化的重要技术手段。在手机等智能终端上实现各种IP应用以及移动IP技术正逐步成为人们关注的焦点之一。终端智能化越来越高，移动智能网技术与IP技术的组合将进一步推动全球个人通信的迅速发展。移动通信网络结构正在经历一场深刻的变革，随着网络中数据业务量主导地位的形成，现有电路交换网络已逐渐被IP网络替代，IP技术将成为未来网络的核心关键技术，TCP/IP协议将成为信息网络的主导通信协议。随着移动通信通用分组无线业务（GPRS）的普及应用，用户将在端到端分组传输模式下发送和接收数据，打破传统的数据接入方式。以IP为基础组网，开始了基于IP核心骨干网的应用实践。物联网技术第4章物联网通信与网络技术4.2无线个域网2019年8月16日无线个域网（WPAN）是基于计算机通信的专用网，它可以在10m距离范围内实现计算机、周边设备、手机、信息家电产品等设备的无线通信与操作。WPAN技术是随着便携式计算机、PDA等个人便携式电子设备的发展和有关需求应运而生的。为了制订在个人领域（PersonalOperatingSpace，POS）以低功耗并以简单的结构实现无线接入的标准，1998年成立了WPANSG(StudyGroup)，并于1999年成立了IEEE802.15WG，致力于WPAN网络的物理层（PHY）和介质访问控制层（MAC）的标准化工作，目标是为在个人操作空间内相互通信的无线通信设备提供通信标准。用于无线个域网的通信技术很多，如ZigBee、蓝牙、UWB、红外(IrDA)、HomeRF、射频识别等。目前，为满足低功耗、低成本的传感网要求而专门开发的低速率WPAN标准IEEE802.15.4成为物联网的重要通信网络技术之一。物联网技术第4章物联网通信与网络技术4.2.1IEEE802.15.4标准2019年8月16日IEE