物联网传输层技术.ppt

物联网概论 物联网传输层技术 2 3 3协议与标准 3 2无线通信传输层 3 1有线通信传输层 教学内容 3 3 1IEEE802 15 4 ZigBee 3 3 2IEEE802 11b WiFi 3 3 3IEEE802 16 WiMAX 3 3 4ISO Bluetooth 3 2 1长距离无线通信3 2 2短距离无线通信 3 1 1三网融合3 1 2现场总线 第3章物联网传输层 传输层主要分 有线通信无线通信两种通信方式对物联网产业来说处于同等重要 互相补充的作用 例如 工业化和信息化 两化融合 业务中大部分还是有线通信 智能楼宇等领域也还是以有线通信为主 有线通信将来会成为物联网产业发展的主要支撑 但无线通信技术也是不可或缺的 3 3 1有线通信传输层 有线通信技术可分为 中 长距离 WAN 的广域网络 包括PSTN ADSL和HFC数字电视Cable等 短距离的现场总线 FieldBus 也包括PLC电力线载波等技术 4 3 1 1三网融合 现有的电信网 有线电视网和计算机网是物联网业务可以利用的中 长距离有线网络 还有一些和这三大网络规模相当的未公开的覆盖全国的专网 如公安系统的专网 据说国家电网的专网比有线电视网规模还要大 三网融合是指电信网 计算机网和有线电视网三大网络通过技术改造 能够提供包括语音 数据 图像等综合多媒体的通信业务 5 3 1 1三网融合 基本概述 三网融合是一种广义的 社会化的说法 在现阶段它并不意味着电信网 计算机网和有线电视网三大网络的物理合一 而主要是指高层业务应用的融合 其表现为技术上趋向一致 网络层上可以实现互联互通 形成无缝覆盖 业务层上互相渗透和交叉 应用层上趋向使用统一的IP协议 在经营上互相竞争 互相合作 朝着向人类提供多样化 多媒体化 个性化服务的同一目标逐渐交汇在一起 行业管制和政策方面也逐渐趋向统一 三大网络通过技术改造 能够提供包括语音 数据 图像等综合多媒体的通信业务 这就是所谓的三网融合 6 3 1 1三网融合 结合点 三网融合 在概念上从不同角度和层次上分析 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 目前更主要的是应用层次上互相使用统一的通信协议 IP优化光网络就是新一代电信网的基础 是我们所说的三网融合的结合点 数字技术的迅速发展和全面采用 使电话 数据和图像信号都可以通过统一的编码进行传输和交换 所有业务在网络中都将成为统一的 0 或 1 的比特流 光通信技术的发展 为综合传送各种业务信息提供了必要的带宽和传输高质量 成为三网业务的理想平台 软件技术的发展使得三大网络及其终端都通过软件变更 最终支持各种用户所需的特性 功能和业务 最重要的是统一的TCP IP协议的普遍采用 将使得各种以IP为基础的业务都能在不同的网上实现互通 人类首次具有统一的为三大网都能接受的通信协议 从技术上为三网融合奠定了最坚实的基础 7 3 1 1三网融合 发展 如果按传统的办法处理三网融合将是一个长期而艰巨的过程 如何绕过传统的三网来达到融合的目的 那就是寻找通信体制革命的这条路 我们必须把握技术的发展趋势 结合我国实际情况 选择我们自己的发展道路 我们的实际情况是数据通信与发达国家相比起步晚 传统的数据通信业务规模不大 比起发达国家的多协议 多业务的包袱要小得多 因此 可以尽快转向以IP为基础的新体制 在光缆上采用IP优化光网络 建设宽带IP网 加速我国Internet网的发展 使之与我国传统的通信网长期并存 既节省开支又充分利用现有的网络资源 2010年1月13日国务院总理温家宝主持召开国务院常务会议 决定加快推进电信网 广播电视网和互联网三网融合 8 3 1 1三网融合 有线广域网在物联网应用中的一个劣势就是众所周知的IP地址不够的问题 在IPv6未全面实施之前 这个问题将制约有线网在物联网业务中的使用 而无线广域网可以通过发SIM卡 电话ID号码 的方式解决每个智能物件对应一个ID 号码 的问题 尽管如此 中国电信 歌华有线等以有线网络为主的营运商也都有宏大的物联网业务计划 例如在智能家庭网关 HomeGateway 领域 歌华有线凭借机顶盒的部署基础占据一定优势 9 3 1 2现场总线FieldBus 10 概念 IEC61158标准定义 现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间数字式 串行 多点通信的数据总线 总线上的数据输入设备包括按钮 传感器 接触器 变送器 阀门等 传输其位置状态 参数值等数据 总线上的输出数据用于驱动信号灯 接触器 开关 阀门等 11 总线将分散的有通信能力的测量控制设备作为网络节点 连接成能相互沟通信息 共同完成自控任务的控制网络 产生的背景 在计算机数据传输中 长期使用低数据速率和点对点的数据传输标准 在工业控制或生产自动化领域中使用大量的传感器 执行器和控制器 若采用星形拓扑结构 安装成本和介质造价高 采用流行的LAN组件和环形 总线型拓扑结构 其硬件和软件对应的系统造价高 需要设计一种造价低 而又能经受工业现场环境的通信系统 减少了接线与安装 现场总线控制系统FCS 是建立在现场总线技术基础上的网络结构扁平化 具有开放性 可互操作性 常规控制功能彻底分散 有统一的控制策略组态方法的新一代的分散型控制系统 技术特点 开放性 现场总线的开放性有几层含义 一是指相关标准的一致性和公开性 一致开放的标准有利于不同厂家设备之间的互连与替换 二是系统集成的透明性和开放性 用户进行系统设计 集成和重构的能力大大提高 三是产品竞争的公正性和公开性 用户可按自己的需要和评价 选用不同供应商的产品组成大小随意的系统 交互性 现场总线设备的交互性有几层含义 一是指上层网络与现场设备之间具有相互沟通的能力 二是指现场设备之间具有相互沟通能力 也就是具有互操作性 三是指不同厂家的同类设备可以相互替换 也就是具有互换性 16 技术特点 自治性 由于智能仪表将传感测量 补偿计算 工程量处理与控制等功能下载到现场设备中完成 因此一台单独的现场设备即具有自动控制的基本功能 可以随时诊断自己的运行状况 实现功能的自治 适应性 安装在工业生产第一线的现场总线是专为恶劣环境而设计的 对现场环境具有很强的适应性 具有防电 防磁 防潮和较强的抗干扰能力 可满足本质安全防爆要求 可支持多种通信介质 如双绞线 同轴电缆 光缆 射频 红外线 电力线等 现场总线与其他通信技术的区别 现场总线与RS232 RS485RS232 RS485只能代表通信的物理介质层和链路层 如果实现数据的双向访问 就必须自己编写通信应用和程序现场总线技术是以ISO OSI模型为基础的 具有完整的软件支持 现场总线与计算机网络现场总线是一种传输速率低 实时控制网络 短帧传送 实时性强 可靠性高 安全性好 适应工业应用环境 计算机网络是一种实时性不高 高速信息网络 现场总线协议参考模型 为使不同厂家的智能仪表接入统一系统进行互连操作 国际标准化组织ISO于1978年建立了一个 开放系统互连 的技术委员会 起草了 开放系统互连基本参考模型 OpenSystemInterconnection 的建议草案 1983年正式成为国际标准 ISO7498 1986年又对该标准进行了进一步的完善和补充 OSI参考模型 现场总线系统是企业的底层网络 发展历史 1984年美国Inter公司提出一种计算机分布式控制系统 位总线 BITBUS 80年代中期 美国Rosemount公司开发了一种可寻址的远程传感器 HART 通信协议1985年由Honeywell和Bailey等大公司发起 成立了WorldFIP制定了FIP协议 1987年 以Siemens Rosemount 横河等几家著名公司为首也成立了一个专门委员会互操作系统协议 ISP 并制定了PROFIBUS协议 后来美国仪器仪表学会也制定了现场总线标准IEC ISASP50 两个现场总线集团 ISP集团 WorldFIP集团 1994年 两大集团宣布合并 融合成现场总线基金会 FieldbusFoundation 简称FF 22 现场总线组织 现场总线基金会 FieldbusFoundation LonMark协会 Profibus协会 工业以太网协会IEA IndustrialEthernetAssociation 工业自动化开放网络联盟IAONA IndustrialAutomationOpenNetworkAlliance SocietyofAutomotiveEngineers SAE 现场总线标准 制定现场总线标准的国际标准化组织IECISOIEC TC65负责测量和控制系统数据通信国际标准化工作的SC65C WG6 是最先开始现场总线标准化工作的组织 2000年初宣布 IEC现场总线国际标准子集有八种 IEC61158 ControlNet Profibus P Net HighSpeedEthernet NewcomerSwiftNet WorldFIP Interbus S最早成为国际标准的是CAN 它属于ISO标准 ISO11898 技术优点 节省硬件数量与投资节省安装费用节省维护开销用户具有高度的系统集成主动权系统的实时性与可靠性 25 快速实时响应能力的要求传输速率不高于1Mbps响应时间为0 01 0 5s具有处理随机事件的能力 硬件严格筛选 软件简单易用 在线快速排除故障 独立的局部数据库 容错技术和冗余技术 网络拓扑结构 环形拓扑结构星形拓扑结构总线型拓扑结构树型拓扑结构 26 现场总线的分类 目前国际上有40多种现场总线 但没有任何一种现场总线能覆盖所有的应用面 按其传输数据的大小可分为4类 传感器总线 信息量小 响应快 位传输设备总线 可靠性高 响应快 字节传输控制总线 信息量大 可靠性高 信息传输信息总线 信息量大 集成度高 文件传输 27 常用现场总线 现场总线是FCS的核心 目前 世界上出现了多种现场总线的企业或国家标准 这些现场总线技术各具特点 已经逐渐形成自己的产品系列 并占有相当大的市场份额 由于技术和商业利益的原因 尚没有统一 以下就是目前流行的几种著名的现场总线 CAN CAN ControlAreaNetwork ISO11898 由德国Bosch公司推出 最早用于汽车内部监测部件与控制部件的数据通信网络 现在已经逐步应用到其它控制领域 CAN协议采用了OSI底层的物理层 数据链路层和高层的应用层 信号传输介质为双绞线 最高通信速率为1Mbps 通信距离40m 最远通信距离可达10km 通信速率为5kbps 节点总数可达110个 CAN的信号传输采用短帧结构 每一帧的有效字节数为8个 因而传输的时间短 受干扰的概率低 每帧信息均采用循环冗余校验CRC 通信误码率极低 CAN节点在错误严重的情况下 具有自动关闭总线的功能 这时故障节点与总线脱离 使其它节点的通信不受影响 30 LonWorks LonWorks LocalOperatingNetwork的缩写 由美国Echelon公司研制 1990年正式公布 采用了ISO OSI模型中完整的七层通信协议 其最高通信速率为1 25mbps 通信距离不超过130m 最远通信距离为27km 通信速率为78kbps 节点总数可达32000个 网络的传输介质可以是双绞线 同轴电缆 光纤 射频 红外线 电力线等 LonWorks的信号传输采用可变长帧结构 每帧的有效字节可由0 288个 LonWorks所采用的LonTalk通信协议被封装在称之为Neuron的神经元芯片中 PROFIBUS PROFIBUS是 ProcessFieldBus的缩写 它是德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170所规定的现场总线标准 PROFIBUS由三个兼容部分组成 即PROFIBUS DP PROFIBUS PA和PROFIBUS FMS 最高通信速率为12Mbps 通信距离不超过100m 最大通信距离为1200m 通信速率为9 6kbps 如果采用中继器可延长至10km 其传输介质可以是双绞线或光缆 每个网络可挂32个节点 如带中继器 最多可挂127个节点 PROFIBUS采用定长或可变长帧结构 定长帧一般为8字节 可变长帧每帧的有效字节数为l 244个 近年来 多家公司联合开发PROFIBUS通信系统的专用集成电路芯片 FieldbusFoundation 现场总线基金会 FieldbusFoundation FF 是国际公认的 惟一不属于某企业的 非商业化的国际标准化组织 其宗旨是制定单一的国际现场总线标准 FF总线以OSI参考模型为基础 取其物理层 链路层和应用层为FF通信模型的相应层次 并在此基础上增加了用户层 FF总线分为低速现场总线和高速现场总线两种通信速率 低速现场总线H1的传输速率为31 25kbps 高速现场总线HSE的传输速率为100Mbps H1支持总线供电和本质安全特性 最大通信距离为1900m 如果加中继器可延长至9500m 最多可直接连接32个节点 非总线供电 13个节点 总线供电 6个节点 本质安全要求 如果加中继器最多可连接240个节点 通信介质为双绞线 光缆或无线电 FF采用可变长帧结构 每帧的有效字节数为0 251个 目前已经有Smar Fuji National Semiconductor Siemens Yokogawa等12家公司可以提供FF的通信芯片 目前 全世界已有120多个用户和制造商成为现场总线基金会的成员 基金会董事会囊括了世界上最主要的自动化设备供应商 基金会成员所生产的自动化设备占世界市场的90 以上 HART 可寻址远程传感器数据通路 HighwayAddressableRemoteTransducer 最早由Rosemount公司开发 参考了ISO OSI参考模型的物理层 数据链路层和应用层 采用基于Bell202通信标准的频移键控FSK技术 通信速率为1200bps 单台设备的最大通信距离为3000m 多台设备互连的最大通信距离为1500m 通信介质为双绞线 最大节点数为15个 HART采用可变长帧结构 每帧最长为25个字节 寻址范围为0 15 当地址为0时 处于4 20mA与数字通信兼容状态 而当地址为l 15时 则处于全数字状态 WorldFIP 世界工厂仪表协议WorldFactoryInstrumentProtocol的缩写 采纳了IEC物理层国际标准 IEC6ll58 2 是欧洲现场总线标准EN50170 3 WorldFIP协议按照OSI参考模型定义了物理层 数据链路层和应用层 WorldFIP采用有调度的总线访问控制 通信速率分别为31 35kbps 1Mbps 2 5Mbps 对应的最大通信距离分别为5000m 1000m 500m 其通信介质为双绞线 如果采用光纤 其最大通信距离可达40km 每段现场总线的最大节点数为32个 使用分线盒可连接256个节点 整个网络最多可以使用3个中继器 连接4个网段 WorldFIP采用可变长帧结构 每帧的最大字节数为256个 适合于包括TCP IP在内的各种类型的协议数据单元 WorldFIP可以提供各种专用通信芯片 现场总线的特点和应用范围 8种现场总线的特点和应用范围 现场总线应用 现场总线技术的应用领域十分广泛 凡属设备间需要数据通信的场合都需要它连续 离散制造业 如电力 石化 冶金 纺织 造纸 过程自动化仪表 火车 汽车 轮船 机器人 数控机床 智能传感器楼宇自控 仓储 智能交通 环境监测 大气 水污染监测网络 农 林 水利 养殖等其技术与产品在工业控制计算机 测控板卡 仪器仪表 系统集成 应用系统等领域都有良好的发展前景 40 3 3协议与标准 3 2无线通信传输层 3 1有线通信传输层 教学内容 3 3 1IEEE802 15 4 ZigBee 3 3 2IEEE802 11b WiFi 3 3 3IEEE802 16 WiMAX 3 3 4ISO Bluetooth 3 3 5数据标准 3 2 1长距离无线通信3 2 2短距离无线通信 3 1 1三网融合3 1 2现场总线 3 2无线通信传输层 无线通信也可分为长距离的无线广域网 WWAN 中 短距离的无线局域网 WLAN 超短距离的WPAN 无线个人网 WirelessPersonalAreaNetworks 传感网主要由WLAN或WPAN技术作为支撑 结合传感器 传感器 和 传感网 二合一的RFID的传输部分也是属于WPAN或WLAN 41 3 2 1长距离无线通信 无线通信发展 1G 1995年问世的第一代模拟制式手机只能进行语音通话 2G 1996到1997年出现的第二代GSM TDMA等数字制式手机便增加了接收数据的功能 如接受电子邮件或网页 2 5G 基于2G与3G之间的过渡类型 比2G在速度 带宽上有所提高 可使现有GSM网络轻易地实现与高速数据分组的简便接入 3G 第三代与前两代的主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升 它能够在全球范围内更好地实现无缝漫游 并处理图像 音乐 视频流等多种媒体形式 提供包括网页浏览 电话会议 电子商务等多种信息服务 同时也要考虑与已有第二代系统的良好兼容性 42 3 2 1长距离无线通信 GSM 全名为 GlobalSystemforMobileCommunications 中文为全球移动通讯系统 俗称 全球通 是一种起源于欧洲的移动通信技术标准 是第二代移动通信技术 其开发目的是让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标准 让用户使用一部手机就能行遍全球 我国于20世纪90年代初引进采用此项技术标准 此前一直是采用蜂窝模拟移动技术 即第一代GSM技术 2001年12月31日我国关闭了模拟移动网络 目前 中国移动 中国联通各拥有一个GSM网 为世界最大的移动通信网络 GSM系统包括GSM900 900MHz GSM1800 1800MHz及GSM1900 1900MHz等几个频段 GSM 全球移动通信系统 是一种广泛应用于欧洲及世界其他地方的数字移动电话系统 GSM使用的是时分多址的变体 并且它是目前三种数字无线电话技术 TDMA GSM和CDMA 中使用最为广泛的一种 GSM将资料数字化 并将数据进行压缩 然后与其它的两个用户数据流一起从信道发送出去 另外的两个用户数据流都有各自的时隙 GSM实际上是欧洲的无线电话标准 据GSMMoU联合委员会报道 GSM在全球有12亿的用户 并且用户遍布120多个国家 因为许多GSM网络操作员与其他国外操作员有漫游协议 因此当用户到其他国家之后 仍然可以继续使用他们的移动电话 43 3 2 1长距离无线通信 CDMA 是码分多址的英文缩写 CodeDivisionMultipleAccess 它是在数字技术的分支 扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术 CDMA技术的原理是基于扩频技术 即将需传送的具有一定信号带宽信息数据 用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制 使原数据信号的带宽被扩展 再经载波调制并发送出去 接收端使用完全相同的伪随机码 与接收的带宽信号作相关处理 把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩 以实现信息通信 44 3 2 1长距离无线通信 TD SCDMA 全称TimeDivision SynchronousCDMA 该标准是由我国大唐电信公司提出的3G标准 该标准将智能无线 同步CDMA和软件无线电等当今国际领先技术融于其中 由于中国国内庞大的市场 该标准受到各大主要电信设备厂商的重视 全球一半以上的设备厂商都宣布可以支持TD SCDMA标准 对于中国通信事业实为一大机遇 由于3G商用需要相当浩大的工程 所牵扯的层面多且复杂 要从目前的2G迈向3G不可能一下就衔接得上 因而2 5G的手机就应运而生 目前已经进行商业应用的2 5G移动通信技术可以认为是从2G迈向3G的衔接性技术 同时也就衍生了HSCSD WAP EDGE 蓝牙 Bluetoot EPOC等技术都是2 5G技术 45 3 2 1长距离无线通信 WCDMA 即WidebandCDMA 意为宽频分码多重存取 是由GSM网发展出来的3G技术规范 其支持者主要是以GSM系统为主的欧洲厂商 包括欧美的爱立信 诺基亚 朗讯 北电以及日本的NTT 富士通 夏普等厂商 这套系统能够架设在现有的GSM网络上 对于系统提供商而言可以较方便地过渡 而GSM系统相当普及的亚洲对这套新技术的接受度会比较高 因此 W CDMA具有先天的市场优势 目前W CDMA手机已有多种产品面世 但国内还没有完善的3G网络可以应用 46 3 2 1长距离无线通信 GPRS 是通用分组无线业务 GeneralPacketRadioService 的简称 它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务 它经常被描述成 2 5G 也就是说这项技术位于第二代 2G 和第三代 3G 移动通讯技术之间 它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道 提供中速的数据传递 GPRS突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式 只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换 这种改造的投入相对来说并不大 但得到的用户数据速率却相当可观 GPRS GeneralPacketRadioService 是一种以全球手机系统 GSM 为基础的数据传输技术 可说是GSM的延续 GPRS和以往连续在频道传输的方式不同 是以封包 Packet 式来传输 因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算 并非使用其整个频道 理论上较为便宜 GPRS的传输速率可提升至56甚至114Kbps 而且 因为不再需要现行无线应用所需要的中介转换器 所以连接及传输都会更方便容易 如此 使用者既可联机上网 参加视讯会议等互动传播 而且在同一个视讯网络上 VRN 的使用者 甚至可以无需通过拨号上网 而持续与网络连接 47 3 2 2短距离无线通信 蓝牙 蓝牙是一种支持设备短距离通信 一般是10m之内 的无线电技术 能在包括移动电话 PDA 无线耳机 笔记本电脑 相关外设等众多设备之间进行无线信息交换 蓝牙的标准是IEEE802 15 工作在2 4GHz频带 带宽为1Mb s 蓝牙 Bluetooth 原是一位在10世纪统一丹麦的国王 他将当时的瑞典 芬兰与丹麦统一起来 用他的名字来命名这种新的技术标准 含有将四分五裂的局面统一起来的意思 蓝牙技术使用高速跳频 FH FrequencyHopping 和时分多址 TDMA TimeDivesionMuli access 等先进技术 在近距离内最廉价地将几台数字化设备 各种移动设备 固定通信设备 计算机及其终端设备 各种数字数据系统 如数字照相机 数字摄像机等 甚至各种家用电器 自动化设备 呈网状链接起来 蓝牙技术将是网络中各种外围设备接口的统一桥梁 它消除了设备之间的连线 取而代之以无线连接 蓝牙是一种短距的无线通讯技术 电子装置彼此可以透过蓝牙而连接起来 省去了传统的电线 透过芯片上的无线接收器 配有蓝牙技术的电子产品能够在十公尺的距离内彼此相通 传输速度可以达到每秒钟1兆字节 以往红外线接口的传输技术需要电子装置在视线之内的距离 而现在有了蓝牙技术 这样的麻烦也可以免除了 48 3 2 2短距离无线通信 WiFi 俗称无线宽带 IEEE802 11b的别称 是由一个名为 无线以太网相容联盟 WirelessEthernetCompatibilityAlliance WECA 的组织所发布的业界术语 中文译为 无线相容认证 它是一种短程无线传输技术 能够在数百英尺范围内支持互联网接入的无线电信号 随著技术的发展 以及IEEE802 11a及IEEE802 11g等标准的出现 现在IEEE802 11这个