第05章物联网主要通讯技术31

第5章物联网主要通讯技术学习要点物联网的主要通信技术ZigBee技术WLAN技术蓝牙技术3G技术4G技术目录5.54G技术5.43G技术5.3蓝牙技术5.2WLAN技术5.1ZigBee技术5.1ZigBee技术•ZigBee技术是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术。•其主要适用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。•ZigBee作为一种无线联网协议，属于个人区域网络（PersonalAreaNetwork，PAN）的范畴，有别于GSM、GPRS等广域无线通信技术和IEEE802.11a、IEEE802.11b等无线局域网技术，参数及性能比较见下表1。5.1ZigBee技术5.1ZigBee技术5.1ZigBee技术•ZigBee技术主要应用在数据传输速率不高的短距离设备之间，因此非常适用于家电和小型电子设备的无线数据传输。主要应用领域：–智能家庭和楼宇自动化–在消费和家用自动化市场–工业自动化领域–医疗监控–农业领域5.1ZigBee技术5.2WLAN技术•WLAN又称为无线局域网络，利用无线射频技术实现数据传输，WLAN用户通过一个或多个无线接收器接入WLAN。WLAN具有移动行、便捷性、较高的带宽等特点。•WLAN技术是提升城市信息化水平的重要手段，是3G环境下热点区域中对3G数据业务覆盖的重要补充，现已广泛应用在商务区、大学、机场等公共区域。5.2WLAN技术5.2WLAN技术•WAPI标准•WAPI（WLANAuthenticationandPrivacyInfrastructure）是中国开发的具有自主知识产权的无线局域网中的一种传输协议，它与现行的802.11b传输协议比较相近，同时也是中国无线局域网安全强制性标准。•作为全球在此领域的两个标准之一，相比另一个由美国IEEE主导完成（实际为Intel主导）的标准，WAPI具有明显的安全和技术优势，迄今未被发现有安全技术漏洞。•WAPI通过双向身份识别、采用公钥密码等方式完善WLAN的安全性能。•WAPI安全系统采用公钥密码技术，鉴权服务器（AS）负责证书的颁发、验证与吊销等，无线客户端与无线接入点（AP）上都安装有AS颁发的公钥证书，作为自己的数字身份凭证。5.2WLAN技术•WLAN优劣势•WLAN的网络速度与以太网相当。一个AP(AccessPoint)最多可支持100多个用户接入,最大传输范围可达到几十公里,有以下的通信特点–高移动性,通信范围不受环境条件的限制,拓宽了网络的传输范围。–抗干扰性强、网络的保密性好。有线局域网中的诸多安全问题,无线局域网基本上可以避免。–建网容易,管理方便。相对于有线网络,WLAN的组建、配置和维护较为容易,一般计算机工作人员都可以胜任网络的管理工作。–WLAN还不能完全脱离有线网络，它只是有线网络的补充，而不是替换。•与有线网络相比,无线局域网有以下不足:–网络产品昂贵,昂贵的设备增加了组网的成本。–传输速率慢,以太网可实现1Gbit/s的传输速度,而无线局域网的传输速度被限制在10Mbit/s左右，市场上一般的无线网络带宽还达不到2Mbit/s。5.2WLAN技术•802.11技术基础•1．802.11物理层（PHY）•802.11标准的物理层是MAC层和数据帧传输所在的无线介质之间的接口。物理层定义了红外光束、跳频扩频技术（FHSS）和直接序列扩频技术（DSSS）。物理层使用特定的调制技术，利用850纳米到950纳米波长范围的红外光束进行二进制数据的传输，传输速率为1Mbps或2Mbps。•2．介质访问接入控制层（MAC）•IEEE820.11标准的MAC层定义了一种新的接入控制协议来进行无线介质分享，这种协议叫带有冲突避免的载波侦听多路访问CSMA/CA（Carrier—SenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance）。•3．IEEE802.11a•为改进WLAN技术，IEEE在1999年提出了802.11a标准。这一标准既保留了原有标准的优点，又进一步扩展了物理层（PHY）。新标准增加了5GHz的工作频谱，使用正交频分复用技术（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）可支持6Mbps到54Mbps的传输速率。在MAC层上，依然使用WEP进行安全检测。5.2WLAN技术•4.IEEE802.11b•IEEE802.11标准的另一个扩展标准是820.11b，它是在1999年和802.11a标准一同发布的。820.11b标准的关键改进是物理层使用2.4Ghz频段且支持5.5Mbps和11Mbps两种传输速率。•5．IEEE802.11g•IEEE802.11a和802.11b工作在不同的频谱，因此这两种标准互不兼容。为了解决这一问题，IEEE在2003年提出了802.11g这一LAN新标准。802.11g兼容802.11b的物理层标准，并进行了速率上的扩展，在2.4GHz频谱下支持最高54Mbps的传输速率。当传输速率在20Mbps以下时，在物理层采用DSSS技术和CCK技术。当传输速率超过20Mbps时，在物理层使用OFDM技术。802.11g标准兼容802.11b并提供了更高的传输速率，但昂贵的成本阻碍了它的发展。5.2WLAN技术•WLAN的应用–Wi-fi技术的应用–WLAN在智能公交中的应用–WLAN在铁路行业中的应用5.3蓝牙技术•蓝牙技术是一种以低成本的近距离无线传输为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接的无线数据与语音通信的开放性全球规范。•它的主要目标是提供一个全世界通行的无限传输环境，通过无线电波来实现所有移动设备之间的信息传输服务。这些设备移动包括手机、笔记本电脑、PDA、数字相机、打印机等等。•它的实质其实就是为固定设备和移动设备建立一个通用的无线电空中接口。5.3蓝牙技术•蓝牙工作原理图如图5.7所示，在蓝牙设备间的通信中，首先由蓝牙主设备利用其专门的发射结构，使用短程射频链接，在业务发现协议（发现链接的设备或主机的功能的应用规范）的规范下，通过召唤体系结构（一种业务发现标准），查询到需链接从设备信息和服务类型，之后，蓝牙设备间的链接才能建立，形成蓝牙微网。其次，蓝牙设备间可进行语言及数据的传输。如果传输语言信息，则采用电路交换形式，进行同步时分双工（TDD）的全双工传输。5.3蓝牙技术5.3蓝牙技术5.3蓝牙技术•蓝牙技术的主要运用–居家–电子–工作–军事–娱乐5.43G技术•第三代移动通信技术（TheThirdGeneration，3G）指无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。•3G是指在第一代模拟制式手机(1G)和第二代GSM、TDMA等数字手机(2G)的基础上发展起来的第三代移动通信技术。•相对于第一代模拟制式手机(1G)和第二代GSM、CDMA等数字手机(2G)，3G的一个突出特点是，在未来移动通信系统中实现个人终端用户能够在全球范围内的任何时间，任何地点，与任何人，用任意方式，高质量地完成任何信息之间的移动通信与传输。5.43G技术•3G技术的起源•3G技术是由“展布频谱技术”（也称码分扩频技术）的技术理论演变而成的，展布频谱技术就是3G技术的根本基础原理。这个技术理论是由美国女演员海蒂·拉玛和她的作曲家丈夫于1942年提出一个Spectrum(频谱)的技术概念。•二战期间，为了帮助美国军方制造出能够对付纳粹德国的电波干扰或防窃听的军事通讯系统，海蒂-拉玛开始研究这个技术，这个技术最初的作用是用于军事。二战结束后暂时失去了价值，于是美国军方封存了此技术。但是它的概念使很多国家对此产生了浓厚的兴趣，多国在60年代都在此技术上展开了研究，不过进展不大。•美国军方解禁了“展布频谱技术”这项技术之后，在1985年，在美国的圣迭戈成立了一个名为‘高通’的小公司（现成为世界五百强），这个公司利用此技术开发出一个名为‘CDMA’的新通讯技术，也就是“CDMA”技术直接导致3G的诞生。CDMA是3G的根本基础原理，而展布频谱技术是CDMA的基础原理。•现在世界3G技术的3大标准：美国的CDMA2000、欧洲的WCDMA、中国的TD-SCDMA，都是在CDMA的技术基础上开发出来的。5.43G技术•中国3G的发展历程•2000年5月，国际电信联盟正式公布第三代移动通信标准，我国提交的TD-SCDMA正式成为国际标准，与欧洲WCDMA、美国CDMA2000成为3G时代最主流的三大技术之一。•在中国，2008年5月24日，工业和信息化部、国家发改委、财政部联合发布《关于深化电信体制改革的通告》，鼓励中国电信收购中国联通CDMA网（包括资产和用户），中国联通与中国网通合并，中国网通的基础电信业务并入中国联通，中国铁通并入中国移动，国内电信运营商由5家变为3家。•2008年6月2日，中国联通和中国网通两家公司实施合并。同时，中国电信将以总价1100亿元收购联通CDMA网络。•2008年7月29日，中国电信集团宣布未来三年投资800亿元发展CDMA业务，并提出在三年内把CDMA用户数由目前约4300万增至1亿，届时在中国移动通信市场的占有率将达15%。•2008年8月，工信部发布《关于同意中国移动通信集团公司开展试商用工作的批复》，同意中国移动在全国建立TD网络并开展试商用。•2008年12月22日，中国电信发布移动业务品牌“天翼”，189号段在部分省市投入试商用，全面转型为全业务运营商。•2008年12月31日，国务院常务会议通过决议，同意启动3G牌照发放工作。•主要3G的应用如下：–宽带上网–视频语音–手机购物–手机阅读和手机电视–手机游戏–3G技术应用在企业方面–3G技术在社会中的应用5.43G技术5.43G技术5.54G通信技术•第四代移动通信(The4thGeneration，4G)是业界对第四代移动通信通俗的叫法，国际电联的官方称法是“IMT-Advanced”。•4G将适合所有的移动通信用户，最终实现商业无线网络、局域网、蓝牙、广播、电视卫星通信的无缝衔接并相互兼容。•4G通信技术是继第三代以后的又一次无线通信技术演进，它是以传统通信技术为基础，并利用一些新的通信技术，来不断提高无线通信的网络效率和功能。•4G技术由于连接传输速率大幅提高，从而能引入高质量的视频通信，它将可创造出许多消费者难以想象的应用，将被广泛地应用于人们生活和经济建设的方方面面。5.54G通信技术•目前世界发送国家都正在积极进行4G技术规格的研究制定，以期在全球4G规格制定中享有发言权。•4G的各项运行标准将由国际电信联盟（ITU）电信标准局决定。新一代无线通信技术在美国及日本、韩国等发达国家已经进入密集的研发和市场化阶段。•从2001年底起，我国已经在国内外申请移动通信技术发明专利100余项，我国在第四代移动通信技术上已经处于世界前沿。继在国产3G标准制定方面取得巨大进展之后，国家“十五”、“863”计划启动了面向未来移动与无线通信发展的“FUTURE计划”。•2006年7月，上海建设的世界最大的4G实验网通过了863项目的验收。通过验收的上海试验网由三个无线覆盖小区、六个无线接入点组成，具有在移动环境下支持蜂值速率为100Mb/S的无线传输及高清晰度交互式图像业务演示等功能。•2009年，我国对4G的发展步伐明显加快，大唐移动联合中兴通讯、华为以及相关高校和科研院所完成了4G相关白皮书。我国已经完成了4G标准的技术方案起草工作，目前正在进行4G关键技术的系统验证和更多地区的4G系统测试工作。5.54G通信技术•4G通信中的关键技术–正交频分复用技术（OFMD）–软件无线电技术–智能天线技术–MIMO技术–基于IP的核心网–多用户检测技术5.54G通信技术•目前4G标准主要有下面5种：–LTE：LTE(LongTermEvolution,长期演进)–LT