無(wú)線個(gè)域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

《物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)導(dǎo)論》課件

第3章物聯(lián)網(wǎng)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

第3章物聯(lián)網(wǎng)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)本章主要內(nèi)容3.1物聯(lián)網(wǎng)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述3.2無(wú)線個(gè)域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)3.3無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)3.4無(wú)線城域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)3.5無(wú)線廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)3.6物聯(lián)網(wǎng)的接入技術(shù)3.7物聯(lián)網(wǎng)其他網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)要實(shí)現(xiàn)物物相連，需要網(wǎng)絡(luò)作為連接的橋梁。物聯(lián)網(wǎng)的通信與組網(wǎng)技術(shù)主要完成感知信息的可靠傳輸。由于物聯(lián)網(wǎng)連接的物體多種多樣，物聯(lián)網(wǎng)涉及的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也有多種，如可以是有線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；可以是短距離網(wǎng)絡(luò)和長(zhǎng)距離網(wǎng)絡(luò)；可以是企業(yè)專用網(wǎng)絡(luò)、公用網(wǎng)絡(luò)；還可以是局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等等。3.1物聯(lián)網(wǎng)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述

通信技術(shù)簡(jiǎn)單地說(shuō)是指將信息從一個(gè)地點(diǎn)傳送到另一個(gè)地點(diǎn)所采取的方法和措施。按照歷史發(fā)展的順序，通信技術(shù)先后由人體傳遞信息通信到簡(jiǎn)易信號(hào)通信，再發(fā)展到有線通信和無(wú)線通信。近年來(lái)發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的就是無(wú)線通信技術(shù)。3.1.1無(wú)線通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

1、

無(wú)線通信技術(shù)

無(wú)線通信技術(shù)主要包括無(wú)線電通信、微波通信、紅外通信和光通信等多種形式。其中無(wú)線電通信最為廣泛，它是利用電磁波信號(hào)在自由空間傳播的特性進(jìn)行信息交換的一種通信方式。目前無(wú)線通信主要使用數(shù)字化通信技術(shù)。數(shù)字化通信是一種用數(shù)字信號(hào)0和1進(jìn)行數(shù)字編碼傳輸信息的通信方式。數(shù)字化通信可以傳輸電報(bào)、數(shù)據(jù)等數(shù)字信號(hào)，也可傳輸經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理的語(yǔ)音和圖像等模擬信號(hào)。2023/2/462、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)及分類

無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)是利用無(wú)線通信技術(shù)、通信設(shè)備、通信標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議等組成的通信網(wǎng)絡(luò)，在該網(wǎng)絡(luò)中通信終端能夠接入網(wǎng)絡(luò)并且依賴該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相互通信。根據(jù)接入網(wǎng)絡(luò)的方式不同可以分為集中式和自組織兩種。集中式終端根據(jù)其位置是否固定又可分為固定式和移動(dòng)式，如固定或移動(dòng)基站、固定骨干節(jié)點(diǎn)等。典型的集中式包括各類蜂窩網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)安裝多個(gè)固定的基站把較大通信區(qū)域覆蓋，而每個(gè)基站可以管理成百上千個(gè)移動(dòng)接入節(jié)點(diǎn)。在無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)中可以利用集中式接入一個(gè)相對(duì)小的區(qū)域內(nèi)，并形成星狀網(wǎng)絡(luò)。

自組織網(wǎng)絡(luò)（AdHocNetworks）是與集中式網(wǎng)絡(luò)完全不同的一種網(wǎng)絡(luò)，在這種網(wǎng)絡(luò)中，沒(méi)有固定集中的控制中心，所有在網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通過(guò)一定的自組織協(xié)議加入網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)間的通信通過(guò)鄰居節(jié)點(diǎn)的多跳來(lái)實(shí)現(xiàn)。自組織網(wǎng)絡(luò)屬于對(duì)等網(wǎng)絡(luò)（又稱工作組，網(wǎng)上各臺(tái)計(jì)算機(jī)有相同的功能，無(wú)主從之分），不會(huì)因?yàn)槠渲幸粋€(gè)節(jié)點(diǎn)的損壞而失去功能，而集中式網(wǎng)絡(luò)如果基站損壞，將會(huì)破壞網(wǎng)絡(luò)的通信功能。3、無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展無(wú)線通信技術(shù)是社會(huì)信息化的重要支撐，隨著信息化社會(huì)的到來(lái)以及IP技術(shù)的興起，未來(lái)無(wú)線通信技術(shù)將得到快速發(fā)展，其發(fā)展的主要趨勢(shì)是寬帶化、接入多樣化、信息個(gè)人化和IP網(wǎng)絡(luò)化等幾個(gè)方面：寬帶化IP網(wǎng)絡(luò)化信息個(gè)人化核心網(wǎng)絡(luò)綜合化，接入網(wǎng)絡(luò)多樣化3.1.2物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)是連接物體的信息通道，在物聯(lián)網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)有多種形式，如有線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，局域網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)，企業(yè)網(wǎng)絡(luò)、專用網(wǎng)絡(luò)等等。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有特別的吸引力，不僅可以擺脫布線的麻煩和費(fèi)用，而且對(duì)于移動(dòng)物體可能是唯一的連網(wǎng)選擇。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)豐富多樣，根據(jù)距離不同，可以組成無(wú)線個(gè)域網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)、無(wú)線城域網(wǎng)和無(wú)線廣域網(wǎng)。其中近距離的無(wú)線技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)最為活躍的部分，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)被稱作是互聯(lián)網(wǎng)的最后一公里，也稱為末梢網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)應(yīng)用的不同，其通信距離可能是幾厘米到幾百米之間，目前常用的技術(shù)主要有藍(lán)牙、ZigBee、Z-wave、RFID、NFC、UWB、WI-FI等。3.2無(wú)線個(gè)域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN)是為了實(shí)現(xiàn)活動(dòng)半徑小、業(yè)務(wù)類型豐富、面向特定群體、無(wú)縫連接而提出的新興無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。無(wú)線個(gè)域網(wǎng)主要解決最后幾十米的通信問(wèn)題，目前主要包括藍(lán)牙技術(shù)、ZigBee技術(shù)、UWB技術(shù)、Z-wave技術(shù)、NFC（近距離通信）和紅外通信等技術(shù)，具有低成本、低功耗、通信距離短等特點(diǎn)。3.2.1藍(lán)牙技術(shù)1、藍(lán)牙技術(shù)簡(jiǎn)介藍(lán)牙（Bluetooth）是一種低成本、低功率、近距離無(wú)線連接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與話音無(wú)線傳輸?shù)拈_放性規(guī)范。2、藍(lán)牙的主要技術(shù)特點(diǎn)藍(lán)牙技術(shù)使用的工作頻率為2.4G-2.5G之間，屬于免費(fèi)的ISM（IndustryScienceMedicine）頻段，此頻段主要是開放給工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)三個(gè)主要機(jī)構(gòu)使用，無(wú)需授權(quán)許可，只需要遵守一定的發(fā)射功率(一般低于1W)，并且不要對(duì)其它頻段造成干擾即可。ISM頻段各國(guó)并統(tǒng)一，美國(guó)分為工業(yè)（902-928MHz）,科學(xué)研究（2.42-2.4835GHz）和醫(yī)療（5.725-5.850GHz）三個(gè)頻段。

2、藍(lán)牙的主要技術(shù)特點(diǎn)

藍(lán)牙技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、視頻和數(shù)據(jù)的傳輸，其最高的通信速率為1Mb/s，采用時(shí)分方式的全雙工通信，通信距離為10m左右（如果配置功率放大器可以使通信距離達(dá)到100m）。表3-1藍(lán)牙技術(shù)指標(biāo)和系統(tǒng)參數(shù)工作頻段ISM頻段，2.402GHz-2.480GHz雙工方式全雙工，TDD時(shí)分雙工業(yè)務(wù)類型支持電路交換和分組交換業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)速率1Mbps非同步信道速率非對(duì)稱連接721Kbps/57.6Kbps，對(duì)稱連接432.6Kbps同步信道速率64Kbps功率美國(guó)FCC要求<0dbm(1mw)，其他國(guó)家可擴(kuò)展為100mw跳頻頻率數(shù)79個(gè)頻點(diǎn)/1MHz工作模式PARK/HOLD/SNIFF數(shù)據(jù)連接方式面向連接業(yè)務(wù)SCO，無(wú)連接業(yè)務(wù)ACL糾錯(cuò)方式1/3FEC,2/3標(biāo)FEC，ARQ鑒權(quán)采用反應(yīng)邏輯算術(shù)信道加密采用0位、40位、60位加密語(yǔ)音編碼方式連續(xù)可變斜率調(diào)制CVSD發(fā)射距離一般可達(dá)10cm-10m，增加功率的情況下可達(dá)100m3、藍(lán)牙組網(wǎng)方式

藍(lán)牙系統(tǒng)采用無(wú)基站的靈活組網(wǎng)方式，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方式，在藍(lán)牙2.0標(biāo)準(zhǔn)中一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備可同時(shí)與7個(gè)其他的藍(lán)牙設(shè)備相連接。如圖3-1所示：圖3-1藍(lán)牙的組網(wǎng)方式示意圖基于藍(lán)牙技術(shù)的無(wú)線接入簡(jiǎn)稱為BLUEPAC（BluetoothPublicAccess），藍(lán)牙系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩種形式：微微網(wǎng)（piconet）和分布式網(wǎng)絡(luò)（Scatternet）。

微微網(wǎng)（piconet）：通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)以特定方式連接起來(lái)的一種微型網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)微微網(wǎng)可以只是兩臺(tái)相連的設(shè)備，比如一臺(tái)便攜式電腦和一部移動(dòng)電話，也可以是8臺(tái)連在一起的設(shè)備。藍(lán)牙分布式網(wǎng)絡(luò)是自組網(wǎng)（adhocnetworks）的一種特例，其最大特點(diǎn)是無(wú)基站支持，每個(gè)移動(dòng)終端的地位是平等的，并可獨(dú)立進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)的決策。其建網(wǎng)的靈活性，多跳性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化和分布式控制等特點(diǎn)是構(gòu)建藍(lán)牙分布式網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。4、藍(lán)牙技術(shù)的主要應(yīng)用設(shè)備藍(lán)牙無(wú)線接入技術(shù)具有規(guī)模小、成本低、短距離連接等特點(diǎn)，能夠有效地簡(jiǎn)化掌上電腦、筆記本電腦和移動(dòng)電話、手機(jī)等移動(dòng)通信終端設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡(jiǎn)化以上這些設(shè)備與Internet之間的通信，從而使這些現(xiàn)代通信設(shè)備與因特網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，也為無(wú)線通信拓寬了道路。藍(lán)牙技術(shù)的主要缺點(diǎn)是傳輸距離短、傳輸速率慢。但由于藍(lán)牙技術(shù)能耗低，在物聯(lián)網(wǎng)中，低功耗藍(lán)牙主要應(yīng)用于醫(yī)療和健康傳感器網(wǎng)絡(luò)等電源供給有限的場(chǎng)合，如應(yīng)用的領(lǐng)域包括：血氧計(jì)、血壓計(jì)、體溫計(jì)、體重秤、血糖儀、心血管活動(dòng)監(jiān)控儀、便攜式心電圖儀等等。藍(lán)牙技術(shù)已經(jīng)得到非常普遍的應(yīng)用，全球大約80%以上的手機(jī)都使用了藍(lán)牙技術(shù)，其中將近100%的智能手機(jī)都已經(jīng)使用了藍(lán)牙技術(shù)。利用每個(gè)人都擁有手機(jī)的優(yōu)勢(shì)，藍(lán)牙技術(shù)可以用在更加廣闊的領(lǐng)域，如車載網(wǎng)的應(yīng)用、手機(jī)、電玩、電腦、手表、運(yùn)動(dòng)及健體、保健、汽車工業(yè)、家居電器、遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)化工業(yè)等等。3.2.2ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離無(wú)線通信技術(shù)，主要面向低速率無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（LRWPAN，LowRateWirelessPersonalAreaNetwork），典型特征是近距離、低功耗、低成本、低傳輸速率，主要適用于工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)和玩具等領(lǐng)域，目的是為了滿足小型廉價(jià)設(shè)備的無(wú)線聯(lián)網(wǎng)和控制。Zigbee技術(shù)采用三種頻段：2.4GHz、868MHz和915MHz。2.4GHz頻段是全球通用頻段，868MHz和915MHz則是用于美國(guó)和歐洲的ISM頻段，這兩個(gè)頻段的引入避免了2.4GHz附近各種無(wú)線通信設(shè)備的相互干擾。1、ZigBee與IEEE802.15.4協(xié)議

ZigBee和IEEE802.15.4并不是完全一回事。IEEE802.15.4是IEEE無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(PersonalAreaNetwork，PAN)工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，被稱作IEEE802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，IEEE僅處理低級(jí)MAC(媒體介入控制)層和物理層協(xié)議。ZigBee聯(lián)盟在802.15.4的基礎(chǔ)上，對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API(應(yīng)用程序編程接口)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。另外ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證使用ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備不會(huì)意外泄漏其標(biāo)識(shí)，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男畔⒉粫?huì)被其他節(jié)點(diǎn)獲得。Zigbee網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)ZigBee聯(lián)盟成立于2001年8月。2002年下半年ZigBee聯(lián)盟得以擴(kuò)大，英國(guó)Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國(guó)摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司四大巨頭共同宣布加入“ZigBee聯(lián)盟”，研發(fā)名為“ZigBee”的下一代無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)。目前ZigBee聯(lián)盟全球約有400多家成員，包括國(guó)際著名半導(dǎo)體生產(chǎn)商、技術(shù)提供者、代工生產(chǎn)商以及最終使用者，其總營(yíng)業(yè)額突破1萬(wàn)億美元。2011年6月，ZigBee聯(lián)盟分別在北京和無(wú)錫設(shè)立了辦事處，作為在中國(guó)開展物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)交流與合作的平臺(tái)。截至目前為止，ZigBee共公布了三個(gè)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，分別稱為ZigBee2004，ZigBee2006，Zigbee2007。ZigBee2007規(guī)范了兩套功能指令集，分別是ZigBee功能命令集和ZigBeePro功能命令集。ZigBee各個(gè)版本的比較如表3-2所示。表3-2ZigBee各版本的比較版本號(hào)ZigBee04ZigBee06ZigBee07ZigBee07指令集無(wú)無(wú)ZigbeeZigbeePro無(wú)線射頻標(biāo)準(zhǔn)802.15.4802.15.4802.15.4802.15.4地址分配無(wú)CSKIPCSKIP隨機(jī)拓?fù)湫菭顦錉?、網(wǎng)狀樹狀、網(wǎng)狀網(wǎng)狀大網(wǎng)絡(luò)不支持不支持不支持支持自動(dòng)跳頻是，3信道否否是PANID沖突決策支持否可選支持?jǐn)?shù)據(jù)分割支持否可選可選多對(duì)一路由否否否支持高安全支持支持，1密鑰支持，1密鑰支持，多密鑰支持節(jié)點(diǎn)數(shù)目少量節(jié)點(diǎn)300個(gè)以下300個(gè)以下1000個(gè)以上應(yīng)用領(lǐng)域消費(fèi)電子住宅住宅商業(yè)2、ZigBee主要技術(shù)特點(diǎn)（1）低功耗（2）低成本（3）時(shí)延短（4）傳輸范圍?。?）數(shù)據(jù)傳輸速率低（6）數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕?）安全性好3、ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)按照不同的功能，可以分為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)3種。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、多個(gè)路由器和多個(gè)終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)組成。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有星狀（STAR），樹狀（TREE），網(wǎng)狀（MESH）3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，如圖3-2所示。圖3-2ZigBee組網(wǎng)示意圖工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)消費(fèi)電子、汽車自動(dòng)化監(jiān)視傳感器自動(dòng)化控制TVVCRDVD、CD低速無(wú)線設(shè)備個(gè)人健康監(jiān)護(hù)PC機(jī)的外圍設(shè)備鼠標(biāo)、鍵盤、操作桿玩具和游戲家庭自動(dòng)化監(jiān)視診斷傳感器玩具游戲器具保安HVAC照明門禁4．ZigBee應(yīng)用場(chǎng)景（圖3-3）圖3-3ZigBee應(yīng)用場(chǎng)景ZigBee主要應(yīng)用范圍很廣，這得益于ZigBee具有的低速率、低成本和低功耗的特點(diǎn)。如上圖所示，ZigBee可以廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)控制、商業(yè)領(lǐng)域、消費(fèi)性電子、PC機(jī)的外圍設(shè)備、家庭自動(dòng)化、玩具和游戲、個(gè)人健康監(jiān)護(hù)、醫(yī)用設(shè)備控制、汽車自動(dòng)化等領(lǐng)域。具體地講，ZigBee技術(shù)可以應(yīng)用到消費(fèi)性電子設(shè)備、家庭和建筑自動(dòng)化設(shè)備，智能家居（照明控制、各類窗簾控制、家庭安防、暖氣控制、內(nèi)置