(3.3.1)--计算机网络及通信技术（三）.pdf

Internet+Education Solutions物联网工程导论物联网无线通信技术15:56/21-2不同物联网应用场景的通信需求15:56/3内容1.短距离无线通信2.广域网无线通信15:56/41-41.短距离无线通信什么是短距离无线通信？并没有一个严格的定义。一般意义上，只要通信收发双方通过无线电波传输信息，单跳传输距离限制在较短的范围内，就可以称为短距离无线通信。特点 通信覆盖范围在几十米或上百米内。发射功率小于100mw 低成本，低功耗主流技术ZigBee蓝牙WiFi15:56/56-51.1 WiFi无线局域网1）概述pWi-Fi（Wireless Fidelity）是由Wi-Fi联盟(Wi-Fi Alliance)所持有的一个无线网络通信技术品牌，目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性。pIEEE802.11是IEEE制定的一个无线局域网标准，随着IEEE 802.11a 及IEEE 802.11g等标准的出现，现在IEEE 802.11 这个标准已被统称作Wi-Fi。pWiFi主要用于办公室局域网和校园网中，使用CSMA/CA 作为MAC协议，支持基站模式和自组织模式。15:56/66-61.1 WiFi无线局域网IEEE小组相继推出了一系列802.11标准IEEE 802.11协议发布时间频宽（GHz）最大带宽（Mbps）调制模式IEEE 802.11-19971997.62.42.4852DSSSIEEE 802.11a1999.95.15.854OFDMIEEE 802.11b1999.92.42.48511DSSSIEEE 802.11g2003.62.42.48554DSSS或OFDMIEEE 802.11n2009.102.42.485或5.15.8100OFDMIEEE 802.11ac2014.15.15.8866.7OFDM*不同802.11协议的差异主要体现在使用频段，调制模式等物理层技术上15:56/76-7pWiFi的基本组成单元是基本服务集（BSS）p一个BSS 包括:p若干无线终端p一个无线接入点APp多个BSS可组成扩展服务集（EBSS），通过集线器（hub）或交换机（switch）或路由器（router）联网p每个无线接口（终端及AP）均有一个全局唯一的MAC地址WiFi无线局域网（续）2）网络架构BSS1BSS 2Internethub,switchor routerAPAP15:56/86-8WiFi将通信频段划分成若干信道，每个BSS分配一个信道：管理员安装AP时，为AP分配一个服务集标识符（SSID），并选择AP使用的信道相邻AP使用的信道可能相互干扰主机必须与一个AP关联：扫描信道，监听各个AP发送的信标帧（包含AP的SSID和MAC地址）选择一个AP进行关联（可能需要身份鉴别）使用DHCP获得AP所在子网中的一个IP地址WiFi无线局域网（续）（3）信道与关联15:56/91-91.2 ZigBee无线网络qZigBee，又称为IEEE 802.15.4标准，其目标是实现类似于蜂群的低功耗、低复杂度、低速率、自组织的短距无线通信网络，为个人或者家庭范围内不同设备之间的低速互连提供统一标准。1）概述15:56/101-101.2 ZigBee无线网络（续）q特点v低功耗：发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式；设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间。v低成本：ZigBee模块的初始成本在2美元左右，ZigBee协议是免专利费的。v时延短：活动设备信道接入的时延为15ms。v网络容量大：最多可以容纳254个从设备和一个主设备。v可靠：MAC层采用冲突避免的载波多路侦听技术（CSMA-CA）。v安全：基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法。15:56/111-111.2 ZigBee无线网络qZigBee协议主要包括开放系统互连（OSI）五层模型的物理层、介质访问控制层、网络层、传输层，以及应用层。vIEEE 802.15.4主要规定了物理层和链路层的规范。vZigBee主要提供了在物理层和链路层之上的网络层、传输层和应用层规范。2）协议栈15:56/121-121.2 ZigBee无线网络q频段采用2.4-2.4835GHz的16个信道，为ISM开放频段。q扩频采用直接序列扩频技术，具有一定抗干扰效果。q调制采用O-QPSK，调制效率高。3）物理层15:56/131-131.3 蓝牙无线网络q1994年，瑞典爱立信公司研发了一种基于个人操作空间(personal operating space,POS)的短距无线通信技术，并用10世纪丹麦国王的名字命名。q1998年3月，蓝牙特别兴趣小组(Bluetooth Special Interest Group)成立，蓝牙技术成为IEEE 802.15.1标准。v蓝牙技术的物理层采用跳频扩频结合的调制技术，频段范围是2.402GHz-2.480GHz，通信速率一般能达到1Mbps左右。v蓝牙设备有两种可能的角色，分别为主设备和从设备。v同一个蓝牙设备可以在这两种角色之间转换。v一个主蓝牙设备可以最多同时和7个从设备通信。q蓝牙建立连接时间长、功耗高、安全性不高。（1）概述15:56/141-141.3 蓝牙无线网络2）蓝牙4.0q蓝牙4.0是蓝牙技术联盟于2010年7月7日推出的新标准，包含高速蓝牙、经典蓝牙和低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy，BLE）三种模式，分别应对以数据交换与传输、信息沟通与设备连接、低带宽设备连接为主的不同应用需求。q低功耗：一颗纽扣电池可运行一年乃至数年。q低延迟：最短可在3毫秒内完成连接设置并开始传输数据。q应用广泛：蓝牙技术在运动、健身、健康和医疗领域存在着极为广阔的应用前景，超过99%的智能手机具备蓝牙功能，特别适合可穿戴计算应用场景，同时得到苹果iOS和谷歌android两大阵营大力推崇。15:56/151-151.3 蓝牙无线网络3）传统蓝牙和低功耗蓝牙的技术对比技术规范传统蓝牙低功耗蓝牙无线电频率2.4GHz2.4GHz理论通信距离100m100m空中数据率13Mbps1Mbps支持活跃从设备数7未定义（理论最大值为232）延迟100ms6ms安全性64/128-bit128-bit AES语音能力有无耗电量1W（参考值）0.010.5W（依赖使用情况）峰值电流消耗30mA15mA15:56/161-162.广域网无线通信技术什么是广域网无线通信？也称远距离无线通信，并没有一个严格的定义。一般意义上，只要通信收发双方通过无线电波传输信息，单跳传输距离限制在几百米以上的范围内，就可以称为广域网无线通信。主要包括蜂窝移动通信和低功耗广域网（LPWAN）两类技术。蜂窝移动通信运营商使用授权频段，可提供部分物联网应用的支持，但其对窄带应用存在成本和功耗的问题。自2005年开始，3GPP逐渐开始研究蜂窝网承载机器类通信服务的可行性和改进措施，并在R13中定义了三种全新的窄带空口，包括兼容GSM的EC-GSM-IOT，兼容LTE的eMTC和NB-IOT技术。低功耗广域网（LPWAN）使用授权频段的NB-IOT技术。使用非授权频段的LoRa技术。15:56/171-172.1 蜂窝移动通信技术蜂窝移动通信自上世纪80年开启商用以来，每隔十年就更新一代，发展迅猛，5G正向我们走来。蜂窝移动通信采用最新的集成电路、信号处理和网络技术，是这个时代不惧困难，不断创新，不断突破的有一真实写照。完整的物联网系统由前端信息生成、中间传输网络以及后端的应用平台构成。移动通信网络，将成为物联网终端“全面、随时、随地”传输信息的有效平台。15:56/181-182.1 蜂窝移动通信技术q第一代移动通信（1G）：模拟时代v产生于1980年代v应用场景为模拟和语音v典型系统：美国AMPSq第二代移动通信（2G）：数字时代v产生于1990年代v应用场景为数字、语音和短信v传输速率为115kbps-384kbpsv典型系统：欧洲GSMq第三代移动通信（3G）：互联时代v产生于2000年代v应用场景为多媒体和互联网v传输速率为384kbps-100Mbpsv典型系统：欧洲WCDMA，中国TD-SCDMA15:56/191-192.1 蜂窝移动通信技术q第四代移动通信（4G）：移动互联时代v产生于2010年代v应用场景为数据业务占主v传输速率为100Mbps-1Gbpsv典型系统：中国TD-LTEq第五代移动通信（5G）：物联网时代v产生于2020年代v应用场景为数据洪流和物联网v传输速率为10Gbps+v典型系统：中国5Gq5G时代通信技术的另一次变革。如果说2-3G的转变实现了业务由通信向个人应用的跨越，那么4G向5G的转变将成为通信历史上最重大的变革，实现了由个人应用向行业应用的转变。15:56/201-202.1 蜂窝移动通信技术通信业界将5G的应用划分为三个场景：增强型移动宽带（eMBB）、海量物联网（mMTC）、高可靠低时延（uRLLC）。其中eMBB相当于3-4G网络速率的变化，用于为用户提升更好的应用体验。而mMTC和uRLLC则是针对行业推出的全新场景，推动5G由移动物联网时代向万物互联时代转变。15:56/211-212.2 NB-IOT技术窄带物联网(Narrow Band IoT，NB-IoT)基于已有蜂窝网络，只占用约180KHz频段，可直接部署于GSM/LTE等网络，部署成本低、易升级。NB-IoT充分利用已有蜂窝网络，可由电信运营商主导。NB-IoT标准由3GPP主导，目标是定义一种非后向兼容、有较大变动的蜂窝物联网无线接入新技术，以解决室内覆盖增强、支持巨量低速率设备接入、低时延敏感、超低设备成本、低功耗和网络架构优化等问题。适合低功耗、长待机、深覆盖、大容量、低速率、静态/非连续移动、实时传输、时延低敏感的业务类型。1）概述15:56/221-222.2 NB-IOT技术方式一利用GSM载波的部署，将原本提供GSM服务的部分载波移给NB-IoT使用；方式二与既有网络独立部署，各自使用独立频谱，无互相干扰，但需一段自己的频谱；方式三与已有LTE系统共存，利用LTE频谱边缘信号强度较弱的部分部署NB-IoT，优点是不需要自身频谱，缺点是可能与LTE系统发生干扰。2）部署15:56/231-234.2 NB-IOT技术3）网络结构方案15:56/241-242.2 LoRa低功耗技术LoRa(Long Range)是Semtech公司推出的在1GHz以下(433/868/915MHz)的长距离低功耗数据传输技术通信距离最长可达15km，接收灵敏度达到了-148dbm工作电流10mA，休眠电流200nA，低功耗特性明显。LoRa使用线性调频扩频调制，保持了与FSK调制相同的低功耗特性，又明显增加通信距离，提高网络效率并消除干扰，集中器/网关能并行接收处理多节点数据，有效扩展了系统容量。1）概述15:56/251-252.2 LoRa低功耗技术LoRa网络主要由终端、网关(基站）、服务器和云服务四部分组成，应用数据可双向传输。其中网关可以承担每天数百万次的节点间通信(如每次数据包长10字节)。网关发射功率100mW，在城市密集环境可覆盖2km左右，而在郊区的覆盖范围可超过10km。LoRa的测距是基于信号的空中传输时间而非传统的RSSI，定位则基于多个网关对一个节点的空中传输时间差的测量，10km范围的定位精度可达5m。2）网络结构15:56/261.短距离无线通信技术l重点介绍了ZigBee、蓝牙和WiFi等主流技术 l由于应用场景多样，终端设备差异较大，导致了短距离无线通信的技术类型较多。需要根据实际需要，合理选择。2.蜂窝移动通信技术l介绍了蜂窝移动技术的演进l5G主要是以承载物联网应用的，重点关注并学习3GPP相关标准 3.低功耗广域网技术l介绍了NB-IOT和LoRa的技术特点l详细探讨了网络结构方案1-26小结Internet+Education Solutions欢迎各位优秀学子加入物联网大家庭One World，One Network