物联网通信与网络技术幻灯片.ppt
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1、物联网通信与网络技术第1页,共271页,编辑于2022年,星期一5.1 无线通信技术概述无线通信技术概述1蜂窝革命蜂窝革命蜂窝革命直观地表现在移动电话市场罕见的增长上。在1990年,移动用户数大约是1100万。今天,这个数字是几十亿。根据国际电信联盟(ITU)的统计,全世界范围的移动用户数在2002年首次超过固定电话的用户数。更新一代的设备,添加了具有可接入Internet和内置数码照相机这样的强大功能。移动电话显著增长的原因有很多:首先是移动电话的便捷性,它们可以随使用者移动;此外,其特性决定了它们是位置感知的;再有,移动电话是与处于固定位置的地区基站进行通信的。第2页,共271页,编辑于2
2、022年,星期一移动电话仅是这场蜂窝革命中较为明显的一个方面。随着新型无线设备的引进,这些新型设备可以接入到Internet上。它们除具有可对个人信息进行组织管理以及电话功能外,现在又有了Web接入、即时消息、E-mail和其他在Internet上可获得的服务。汽车中的无线设备可以根据需要为用户下载地图和导向。第3页,共271页,编辑于2022年,星期一无线技术带来的第一个高潮是话音方面,现在,人们的注意力在数据上。这一市场比较大的一块是“无线”Internet。无线用户使用Internet不同于固定用户,与典型的固定设备(诸如PC)相比,无线设备受显示和输入能力方面的限制,采用事务处理和消息
3、会话,而不是冗长的浏览会话。无线设备由于具有位置感知能力,因而可以根据用户的地理位置对信息做适当的剪裁。信息有能力找到用户,而不需用户去搜索信息。第4页,共271页,编辑于2022年,星期一2全球蜂窝网络全球蜂窝网络今天的蜂窝网不再是单一的。然而,设备仅能支持众多技术中的一两种,且通常只能在某一个运营商的网络范围内运行。国际电信联盟已开发出下一代无线设备的标准。新的标准会使用更高的频率以增加其容量,新的标准也致力于消除过去人们在开发和使用的第一代、第二代网络时产生的不兼容性。第5页,共271页,编辑于2022年,星期一在北美,使用较广泛的第一代数字无线网络是先进移动电话系统(Advanced
4、Mobile Phone System,AMPS)。该网络使用蜂窝数字分组数据(Cellular Digital Packet Data,CDPD)覆盖网络提供数据服务,它提供19.2kb/s的数据速率。CDPD在规则的话音通道上使用空闲期提供数据服务。第6页,共271页,编辑于2022年,星期一第二代无线系统有全球移动通信系统(Global System for Mobile Communications,GSM)、个人通信服务(Personal Communication Service,PCS)IS-136和PCS IS-95。PCS IS-136使用时分多点接入(Time Divisi
5、on Multiple Access,TDMA),PCS IS-95使用码分多址(Code Division Multiple Access,CDMA)。GSM和PCS IS-136使用专用信道以9.6 kb/s的速率交付数据服务。第7页,共271页,编辑于2022年,星期一ITU已开发出新的标准(International Mobile Telecommunication-2000,IMT-2000)。该系列标准致力于提供无缝的全球网,标准是围绕着2 GHz频带开发的。新的标准和频带提供的数据速率可达到2 Mb/s。除定义频率使用、编码技术和传输以外,标准还需要定义移动设备如何与Intern
6、et交互。有几个标准工作组和工业联盟正在致力于实现这样的目标。无线应用协议(Wireless Application Protocol,WAP)论坛已开发出一个通用协议,该协议准许具有有限显示和输入能力的设备存取Internet。因特网工程任务组(Internet Engineering Task Force,IETF)已开发出一个移动IP标准,该标准可以使无处不在的IP协议在一个移动环境下工作。第8页,共271页,编辑于2022年,星期一3宽带Internet上有越来越多的多媒体应用。在万维网(World Wide Web,WWW)的网页上有大量的图片、视频和音频信息,商业通信也呈现同样的趋
7、势。例如,E-mail常常包含了大量的多媒体附件。为了能够完全参与到通信中,要求无线网络具有与其进行通信的固定设备同样高的数据速率。通过宽带无线技术可以得到更高的数据速率。第9页,共271页,编辑于2022年,星期一宽带无线服务具有所有无线服务同样的优点:便利和廉价。运营商的服务可以比固定服务更快地交付,且没有铺设线路设备的成本。这样的服务也是移动的,几乎能够在任一地方交付。围绕着很多不同的应用,有许多开发宽带无线标准的尝试。这些标准几乎覆盖了从无线局域网到小型无线家庭网络的所有方面。数据传输率也由2 Mb/s到100 Mb/s,甚至100 Mb/s以上。这其中的很多技术现在就可获得,更多的技
8、术在未来几年内也可获得。无线局域网(WLAN)在架设固定网络很困难或太昂贵的地方提供网络服务。主要的WLAN标准是IEEE 802.11,它提供高达54 Mb/s的数据速率。第10页,共271页,编辑于2022年,星期一IEEE 802.11的一个潜在问题是与蓝牙技术的兼容性。蓝牙是一个无线网络的规范,它定义了诸如膝上型计算机(Laptop)、个人数字助理(Personal Digital Assistant,PDA)和移动电话设备之间的无线通信。蓝牙和IEEE 802.11的某些版本使用相同的频带,如果在同一个设备上配置,这两种技术很可能会相互干扰。第11页,共271页,编辑于2022年,星
9、期一5.2蓝蓝 牙牙 技技 术术5.2.1蓝牙技术概述蓝牙技术概述蓝牙(Bluetooth)技术是由爱立信、诺基亚、Intel、IBM和东芝五家公司于1998年5月共同提出并开发的。蓝牙技术的本质是设备间的无线连接,主要用于通信与信息设备。近年来,在电声行业中也开始使用蓝牙技术。一般情况下,工作范围是10 m半径之内。在此范围内,可进行多台设备间的互联。但对于某些产品,设备间的连接距离甚至远隔100 m也照样能建立蓝牙通信与信息传递。第12页,共271页,编辑于2022年,星期一有了蓝牙技术,存储于手机中的信息可以在电视机上显示出来,也可以将其中的声音信息数据进行转换,以便在PC(个人电脑)上
10、聆听。东芝公司已开发了一种蓝牙无线Modem 和PC卡,将两张卡中的一张插入Modem的主机上,另一张插入PC(个人电脑),这样用户就成功实现了与因特网的无线联网。第13页,共271页,编辑于2022年,星期一蓝牙技术的特点如下:(1)采用跳频技术,数据包短,抗信号衰减能力强;(2)采用快速跳频和前向纠错方案以保证链路稳定,减少同频干扰和远程传输噪声;(3)使用2.4 GHz ISM频段,无须申请许可证;(4)可同时支持数据、音频、视频信号;(5)采用FM调制方式,降低设备的复杂性。第14页,共271页,编辑于2022年,星期一蓝牙技术的传输速率设计为1 MHz,以时分方式进行全双工通信,其基
11、带协议是电路交换和分组交换的组合。一个跳频频率发送一个同步分组,每个分组占用一个时隙,使用扩频技术也可扩展到五个时隙。同时,蓝牙技术支持一个异步数据通道或三个并发的同步话音通道,或一个同时传送异步数据和同步话音的通道。每一个话音通道支持64 kb/s的同步话音;异步通道支持最大速率为721 kb/s、反向应答速率为57.6 kb/s的非对称连接,或者是432.6 kb/s的对称连接。第15页,共271页,编辑于2022年,星期一5.2.2蓝牙协议体系结构蓝牙协议体系结构蓝牙技术的一个主要目的就是使符合该规范的各种设备能够互通,这就要求本地设备和远端设备使用相同的协议。不同的应用,其使用的协议栈
12、可能不同,但它们都必须使用蓝牙技术规范中的物理层和数据链路层。完整的蓝牙协议体系结构如图5.1所示。当然,不是任何应用都必须使用全部协议,可以只采用部分协议,例如语音通信时,只需经过基带协议(Baseband),而不用通过L2CAP。第16页,共271页,编辑于2022年,星期一图5.1 蓝牙协议体系结构第17页,共271页,编辑于2022年,星期一图5.1所示中的蓝牙协议体系又可以分为以下四层:核心协议:Baseband、LMP、L2CAP、SDP;电缆替代协议:RFCOMM;电话控制协议:TCS Binary、AT-Commands;选用协议:PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP
13、、vCard/vCal、WAE。第18页,共271页,编辑于2022年,星期一除了上述协议层外,规范还定义了主机控制器接口(HCI),它为基带控制器、连接控制器、硬件状态和控制寄存器等提供命令接口。这些协议又可以分为蓝牙专有协议和非专有协议,此区分主要是在蓝牙专有协议的基础上尽可能地采用和借鉴现有的各种高层协议(即非专有协议),使得现有的各种应用能移植到蓝牙上来,如UDP/TCP/IP等。第19页,共271页,编辑于2022年,星期一蓝牙核心协议都是蓝牙专有的协议,绝大部分的蓝牙设备都需要这些协议。而RFCOMM和TCS Binary协议是SIG分别在ETSITS 07.10和ITU Reco
14、mmendation Q.931协议的基础上制定的。选用协议则主要是各种已经广泛使用的高层协议。总之,电缆替代协议、电话控制协议和选用协议在核心协议的基础上构成了面向应用的协议。第20页,共271页,编辑于2022年,星期一1核心协议核心协议1)基带协议(Baseband)蓝牙的网络拓扑结构如图5.2所示。它首先由一个个微微网(Piconet)构成。一个微微网中,只有一个蓝牙设备是主设备(Master),可以有七个从设备(Slave),它们是由3位的MAC地址区分的。主设备的时钟和跳频序列用于同步同一个微微网中的从设备。多个独立的非同步的微微网又可以形成分布式网络(Scatternet),一个
15、微微网中的主/从设备可以是另外一个微微网中的主/从设备,但是各个微微网通过使用不同的跳频序列来加以区分。第21页,共271页,编辑于2022年,星期一图5.2 蓝牙的网络拓扑结构第22页,共271页,编辑于2022年,星期一基带协议就是确保各个蓝牙设备之间的物理射频连接,以形成微微网。蓝牙的射频系统是一个跳频系统,其任一分组在指定时隙、指定频率上发送,它使用查询(Inquiry)和寻呼(Page)进程同步不同设备间的发送频率和时钟,可为基带数据分组提供两种物理连接方式:同步面向连接(SCO)和异步非连接(ACL)。第23页,共271页,编辑于2022年,星期一SCO既能传输语音分组(采用CVS
16、D编码),也能传输数据分组;而ACL只能传输数据分组。所有的语音和数据分组都附有不同级别的前向纠错(FEC)或循环冗余校验(CRC)编码,并可进行加密,以保证数据传输可靠。此外,对于不同的数据类型都会分配一个特殊的信道,可以传递连接管理信息和控制信息等。第24页,共271页,编辑于2022年,星期一2)连接管理协议(LMP)连接管理协议负责蓝牙各设备间连接的建立。首先,它通过连接的发起、交换、核实,进行身份认证和加密;其次,它通过设备间协商以确定基带数据分组的大小;另外,它还可以控制无线部分的电源模式和工作周期,以及微微网内各设备的连接状态。第25页,共271页,编辑于2022年,星期一3)逻
17、辑链路控制和适配协议(L2CAP)逻辑链路控制和适配协议是基带的上层协议,可以认为它是与LMP并行工作的,它们的区别在于当数据不经过LMP时,则L2CAP将采用多路技术、分割和重组技术、群提取技术等为上层提供数据服务。虽然基带协议提供了SCO和ACL两种连接类型,但是L2CAP只支持ACL,并允许高层协议以64 KB/s的速度收发数据分组。第26页,共271页,编辑于2022年,星期一4)服务发现协议(SDP)使用服务发现协议,可以查询到设备信息和服务类型,之后,蓝牙设备之间的连接才能建立。第27页,共271页,编辑于2022年,星期一2电缆替代协议电缆替代协议(RFCOMM)RFCOMM是基
18、于ETSI 07.10规范的串行线仿真协议,它在蓝牙基带协议上仿真RS-232控制和数据信号,为使用串行线传送机制的上层协议(如OBEX)提供服务。第28页,共271页,编辑于2022年,星期一3电话控制协议1)二元电话控制协议(TCS Binary)二元电话控制协议是面向比特的协议,它定义了蓝牙设备间建立语音和数据呼叫的控制信令,定义了处理蓝牙TCS设备群的移动管理进程。2)AT命令集电话控制协议(AT-Commands)在ITU2T V.250 和ETS300 916(GSM 07.07)的基础之上,SIG定义了控制多用户模式下,移动电话、调制解调器和可用于传真业务的AT命令集。第29页,
19、共271页,编辑于2022年,星期一4选用协议1)点对点协议(PPP)PPP是IETF(Internet Engineering Task Force)制定的,在蓝牙技术中,它运行于RFCOMM之上,完成点对点的连接。2)UDP/TCP/IP协议UDP/TCP/IP协议也是由IETF制定的,是互联网通信的基本协议。在蓝牙设备中使用这些协议,是为了与互联网连接的设备进行通信。第30页,共271页,编辑于2022年,星期一3)对象交换协议(OBEX)OBEX是IrOBEX的简写,是由红外数据协会(IrDA)制定的会话层协议,它采用简单和自发的方式来交换对象。其基本功能类似于HTTP,采用客户机/服
20、务器模式,而独立于传输机制和传输应用程序接口(API)。另外,OBEX专门提供了一个文件夹列表对象,用于浏览远端设备上的文件夹内容。在我国目前使用的蓝牙协议有1.0和2.0版本,欧洲使用的蓝牙协议多为2.2版本。在蓝牙1.0协议中,RFCOMM是OBEX唯一的传输层,在以后的版本中,有可能也支持TCP/IP作为传输层。第31页,共271页,编辑于2022年,星期一4)无线应用协议(WAP)WAP是由无线应用协议论坛(WAP Forum)制定的,它融合了各种广域无线网络技术,其目的是将互联网内容和电话传送的业务传送到数字蜂窝电话或者其他无线终端。选用WAP,可以充分利用无线应用环境(WAE)开发
21、的高层应用软件。第32页,共271页,编辑于2022年,星期一5.2.3蓝牙网关的主要功能蓝牙网关的主要功能蓝牙网关用于办公网络内部的蓝牙移动终端通过无线方式访问局域网以及Internet;跟踪、定位办公网络内的所有蓝牙设备,在两个属于不同匹配网的蓝牙设备之间建立路由连接,并在设备之间交换路由信息。第33页,共271页,编辑于2022年,星期一蓝牙网关的主要功能如下:(1)实现蓝牙协议与TCP/IP协议的转换,完成办公网络内部蓝牙移动终端的无线上网功能。(2)在安全的基础上实现蓝牙地址与IP地址之间的地址解析,它利用自身的IP 地址和TCP端口来唯一地标识办公网络内部没有IP地址的蓝牙移动终端
22、,比如蓝牙打印机等。第34页,共271页,编辑于2022年,星期一(3)通过路由表来对网络内部的蓝牙移动终端进行跟踪、定位,使得办公网络内部的蓝牙移动终端可以通过正确的路由,访问局域网或者另一个匹配网中的蓝牙移动终端。(4)在两个属于不同匹配网的蓝牙移动终端之间交换路由信息,从而完成蓝牙移动终端通信的漫游与切换。在这种通信方式中,蓝牙网关在数据包路由过程中充当中继作用,相当于蓝牙网桥。第35页,共271页,编辑于2022年,星期一5.2.4蓝牙移动终端蓝牙移动终端(MT)蓝牙移动终端是普通的蓝牙设备,能够与蓝牙网关以及其他蓝牙设备进行通信,从而实现办公网络内部移动终端的无线上网以及网络内部文件
23、、资源的共享。各个功能模块关系如图5.3所示。第36页,共271页,编辑于2022年,星期一图5.3 功能模块关系第37页,共271页,编辑于2022年,星期一如果目的端位于单位内部的局域网或者Internet,则需要通过蓝牙网关进行蓝牙协议与TCP/IP协议的转换。如果该MT没有IP地址,则由蓝牙网关来提供,其通信方式为MTBGMT。如果目的端位于办公网络内部的另一个匹配网,则通过蓝牙网关来建立路由连接,从而完成整个通信过程的漫游,其通信方式为MTBGM_MT(为主移动终端)MT。采用蓝牙技术也可使办公室的每个数据终端互相连通。例如,多台终端共用1 台打印机,可按照一定的算法登录打印机的等待
24、队列,依次执行。第38页,共271页,编辑于2022年,星期一5.2.5蓝牙网络的结构和蓝牙系统的组成蓝牙网络的结构和蓝牙系统的组成1蓝牙网络的结构蓝牙网络的结构微微网是实现蓝牙无线通信的最基本方式。每个微微网只有一个主设备。一个主设备最多可以同时与七个从设备同时进行通信。多个蓝牙设备组成的微微网如图5.4所示。散射网是多个微微网相互连接所形成的比微微网覆盖范围更大的蓝牙网络,其特点是不同的微微网之间有互联的蓝牙设备,如图5.5所示。第39页,共271页,编辑于2022年,星期一图5.4 多个蓝牙设备组成的微微网 第40页,共271页,编辑于2022年,星期一图5.5 多个微微网组成的散射网
25、第41页,共271页,编辑于2022年,星期一虽然每个微微网只有一个主设备,但从设备可以基于时分复用机制加入不同的微微网,而且一个微微网的主设备可以成为另外一个微微网的从设备。每个微微网都有其独立的跳频序列,它们之间并不跳频同步,由此避免了同频干扰。第42页,共271页,编辑于2022年,星期一2蓝牙系统的组成蓝牙系统由无线单元、链路控制单元、链路管理器三部分组成。1)无线单元 蓝牙是以无线LAN的IEEE 802.11标准技术为基础的,使用2.45 GHz ISM全球通自由波段。蓝牙天线属于微带天线,空中接口是建立在天线电平为0 dBm基础上的,遵从FCC(美国联邦通信委员会)有关0 dBm
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