物联网与近距离无线通信技术概述.ppt

物联网与近距离无线通信技术 计算机科学与信息工程学院授课人 江朝元联系电话 课程安排 32学时 10学时实验教学目标介绍几种典型的短距离无线通信技术的基本原理 技术特点 通信协议以及在物联网中的应用 掌握实践应用的基础知识及应用前沿 教学安排理论与实验并重 依托 物联网工程实验室平台 开展演示 试验和测试等实践环节 获得短距离无线通信技术的实际感受和直接经验 实验地点长橡厂实验楼4楼 课程安排 考核方式 平时成绩占30 包括平时上课考核 作业和实验 期终考试占70 闭卷 或半开卷 考试 以笔试为主 课程安排 参考教程 董健等著 物联网与短距离无线通信技术 电子工业出版社 2012 9 1 孙弋等著 短距离无线通信及组网技术 西安电子科技大学出版社 2008 3 WLAN 蓝牙 ZigBee 自组织网络 NS网络仿真等 第1章物联网与近距离无线通信技术概述 主要内容 1 1物联网概述1 2无线与移动通信概述1 3射频与微波通信概述1 4近距离无线通信技术概览 引言科技的时代背景 信息技术三大浪潮20世纪40 80年代 计算机 PC 嵌入式 大型机 20世纪90 2000年代 互联网络 LAN INTERNET 21世纪 物联网 泛在网 移动计算 无线通信 宽带通信 物联网是新一代互联网络 是互联网的一种延伸网络 英文名称是 InternetofThings 简称 IOT 顾名思义 物联网就是物物相连的互联网 其包含两层意思 第一 物联网的核心和基础仍然是互联网 是在互联网基础上的延伸和扩展的网络 第二 其网络端由PC延伸和扩展到了与所有物品相关的嵌入式终端 可进行信息物 物 人 物 人与人的信息交换 定义 物联网是通过射频识别 RFID 红外感应器 全球定位系统 激光扫描器等信息传感设备 按约定的协议 把任何物品与互联网相连接 进行信息交换和通信 以实现对物品的智能化识别 定位 跟踪 监控和管理的一种网络 1 1 1物联网的概念与定义 1 物联网的概念 1 1 1物联网的概念与定义 互联网络 PC PC PC PC RFID GPS 二维码 传感器 2 物联网的基本特征互联网特征 需要联网的 物品 一定要能够互联互通形成网络 识别与通信特征 纳入物联网的 物品 一定要具备自动识别与物物通信的能力 智能化特征 网络应具有信息智能感知 智能处理 智能控制的能力 1 1 1物联网的概念与定义 物联网的概念最早由MITAuto ID中心Ashton教授于1999年在研究射频识别技术 RFID 时首先提出 2005年国际电信联盟 ITU 发布有关物联网的报告 正式提出明确的概念 无所不在的 物联网 通信时代即将来临 世界上所有的物体从轮胎到牙刷 从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行信息交换 射频识别技术 传感器技术 纳米技术 智能嵌入式技术将达到广泛的应用 1 1 1物联网的概念与定义 3 物联网的由来 4 物联网的四大支撑技术传感技术 微型 智能传感 RFID电子标识通信技术 宽带通信 短距离无线通信嵌入式计算技术 嵌入式处理器 操作系统云计算技术 基础设施即服务 LaaS 平台即服务 PaaS 和软件即服务 SaaS 1 1 1物联网的概念与定义 5 几个术语概念的对比物联网与传感网传感网是由大量智能传感器组成的信息感知网络 是物联网的前生 现在是物联网的组成部分 物联网与互联网物联网是互联网的延伸和扩展 互联网是物联网的核心和基础 物联网与泛在网泛在网是物联网的发展远景 物联网是泛在网的前期 1 1 1物联网的概念与定义 1 1 2物联网体系结构 感知层 传输层 支撑层 应用层 射频识别 智能传感 GPS定位 二维码识别 其他标识 光纤互联网 卫星通信网 移动通信网 WLAN网 短距离无线网 云计算 人工智能 数据挖掘 分布式处理 虚拟现实 嵌入式计算 专家系统 编 解码 系统集成 全面感知 可靠传输 智能处理 1 1 3物联网的发展概况 重庆 2010年 成立 国家物联网应用示范基地 无锡 2009年 成立 国家物联网产业研发基地 以人为本 发展无所不在的4U网络 即实现所有人与人 物与物 人与物之间的连接 Ubiquitous 普及 Universal 万能 User oriented 面向用户 Unique 独特 韩国的 U Korea 战略 1 1 3物联网的发展概况 重点支持 无所不在的网络 相关的技术研发及科技应用 希望通过 U Korea 计划的实施带动国家信息产业的整体发展 日本的 U Japan 计划 2005年2月 新加坡资讯通信发展局发布名为 下一代I Hub 的新计划 标志着该国正式将 U 型网络构建纳入国家战略 该计划旨在通过一个安全 高速 无所不在的网络实现下一代的联接 新加坡 下一代I Hub 计划 1 1 3物联网的发展概况 美国的 智慧的地球 2008年11月 IBM公司总裁彭明盛提出 智慧的地球 SmartPlanet 这一概念 建议新政府投资新一代的智慧型基础设施 阐明其短期和长期效益 2009年1月28日 奥巴马就任美国总统后与美国工商业领袖举行了一次 圆桌会议 对此给予了积极的回应 认为 智慧的地球 有助于美国的 巧实力 SmartPower 战略 是继互联网之后国家发展的核心领域 1 1 3物联网的发展概况 欧盟的物联网行动计划 2006年欧盟成了专业工作组 进行RFID技术研究 2008年发布了 2020年的物联网 未来路线 2009年欧盟制订了 物联网 欧洲行动计划 目前 欧盟已将物联网纳入到预算高达500亿欧元的欧盟 第七个科技框架计划 2007 2013年 中 1 1 3物联网的发展概况 中国的 感知中国 2009年8月温家宝在考察无锡高新微纳传感器工程技术中心时指出 要积极创造条件 在无锡建立中国的传感网中心 感知中国 中心 2010年3月 加快物联网的研发应用 第一次写入中国政府工作报告 同时 列入 国家中长期科学与技术发展规划 2006 2020年 和 新一代宽带移动无线通信网 重大专项中均将传感网列入重点研究领域 1 1 3物联网的发展概况 2012年1月 国家发改委正式立项启动面向农业 林业 交通 电力等8个重点领域的 国家物联网应用示范工程 我国物联网进入应用初级阶段 我国物联网发展现状 一是产业体系初步形成 但产业化能力不高 尚未形成规模化产业优势 二是核心关键技术有待突破 在传感器 芯片 关键设备制造 智能通信与控制 海量数据处理等核心技术上 与发达国家存在较大差距 三是标准比较分散 体系还不完善 在国际上面临核心标准的竞争 四是物联网应用的规模和领域比较小 没有形成成熟的商业模式 应用成本较高 五是物联网承载大量的国家经济社会活动和战略性资源 因而面临巨大的安全与隐私保护挑战 1 1 3物联网的发展概况 目前 物联网还缺乏统一标准 标准化的实现将能够整合行业应用 规范新业务发展 保证物联网产品的互操作性和互联互通 物联网标准体系的建设与完备 是扩大物联网市场规模的基础 是物联网产业发展的关键 物联网的标准化概况 1 1 3物联网的发展概况 国际物联网标准制定现状 目前 负责物联网整体架构研究的国际组织有 1 ETSI欧洲电信标准化协会M2M技术委员会 研究M2M物联网 2 ITU T国际电信联盟泛在传感网 USN 3 ISO IEC国际标准化组织 国际电工协会RFID的标准化研究 1 1 3物联网的发展概况 1 2005年12月 工信部组织成立了电子标签RFID标准工作组 2 2009年9月 国家标准委在北京 感知中国高峰论坛 会上成立了传感器网络标准工作组 WGSN 3 2010年2月 中国通信标准化委员会 CCSA 在北京成立了 泛在网技术工作委员会 4 2010年6月 国家标准委 工信部组织成立了 中国物联网标准联合工作组 下设19个专业会员会 开展国际 国内系列标准体系研究 我国物联网标准制定现状 1 1 3物联网的发展概况 欧洲智能系统集成技术平台组织 EPoSS 在 InternetofThingsin2020 中预测 物联网的发展将经历四个阶段 1 1 4物联网的前景展望 2010年之前以RFID为代表的物联网技术广泛应用于物流 零售和制药等领域 2010 2015年实现物与物之间的互联 2020年之后实现全智能化 2015 2020年进入半智能化 物联网的广泛应用 1 1 4物联网的前景展望 物联网发展面临的挑战 虽然物联网具有美好的前景和重大的意义 但物联网的大规模地应用面临的挑战 至少包括三个方面 一是成本的挑战 二是安全的挑战 三是侵犯隐私的威胁 1 1 4物联网的前景展望 无线通信系统概述 1 2无线与移动通信概述 1897年 意大利科学家马可尼发明了无线电波传输 随着计算机和半导体的发展 理论和技术不断取得进步和突破 时至今日 已成为人们日常生活中不可或缺的通信方式 22岁的诺贝尔奖物理学家和他的火花发射机 电报机 定向天线 雷达 无线电话 传真机 无线与移动通信的概念 1 2无线与移动通信概述 无线通信 WirelessCommunication 是指利用电磁波信号在空间传播的特性进行信息交换的一种通信方式 包括固定体之间的无线通信和移动通信两大部分 移动通信 MobileCommunication 是指移动体之间的通信或移动体与固定体之间的通信 移动通信就是在移动中实现的无线通信 人们常常把二者合称为无线与移动通信 无线与移动通信的概念 1 2无线与移动通信概述 移动通信的特点 移动性 可保持物体在移动状态中的通信 电磁波传播条件复杂 因移动体可能在各种环境中运动 电磁波在传播时会产生反射 折射 绕射 多普勒效应等现象 产生多径干扰 信号传播延迟和展宽等效应 噪声和干扰严重 在城市环境中的汽车火花噪声 各种工业噪声 移动用户之间的互调干扰 邻道干扰 同频干扰等 系统和网络结构复杂 它是一个多用户通信系统和网络 必须使用户之间互不干扰 能协调一致地工作 要求频带利用率高 设备性能好 无线与移动通信的概念 1 2无线与移动通信概述 按用途的不同可以分为 公众蜂窝移动通信系统宽带无线接入系统无线局域网无线个域网无绳电话集群通信卫星移动通信 按使用频段又可分为 中长波通信 小于1MHz 短波通信 1 30MHz 超短波通信 30MHz 1GHz 微波通信 1GHz以上 毫米波通信 几十吉赫 红外光通信大气激光通信 1 3射频与微波通信 1 3 1射频的概念 射频 RadioFrequency RF 是指可辐射到空间的电磁波频率 通常所指的频率范围为300kHz 30GHz RF的本质是射频电流 是一种高频交流电的简称 每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流 大于10000次的称为高频电流 射频就是这样一种高频电流 1 3射频与微波通信 1 3 2频谱的划分 由于电磁波是在全球存在的 所以需要由国际协议来分配频谱 频谱的分配是指将频率根据不同的业务加以分配 以避免频率使用方面的混乱 负责国际频率分配的世界组织有 国际电信联盟 ITU 国际无线电咨询委员会 CCIR 电子和电气工程师协会 IEEE 和国际频率登记局 IFRB 等 我国进行频率分配的组织是工业和信息化部无线电管理局 1 IEEE划分的频谱由于应用领域的众多 对频谱的划分有多种方式 而今较为通用的频谱分段法是IEEE建立的 如下表所示 1 3射频与微波通信 IEEE频谱 1 3 2频谱的划分 1 3射频与微波通信 微波是经常使用的波段 是指频率为300MHz 3000GHz的电磁波 对应的波长为1m 0 1mm 分为分米波 厘米波 毫米波和亚毫米波4个波段 射频 没有一个严格的频率范围定义 广义地说 可以向外辐射电磁信号的频率均可称为射频 在射频识别中 频率一般选为10kHz至几GHz 1 3 3微波和射频 1 4近距离无线通信技术概览 什么叫短距离无线通信 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 通常最远为数百米 的范围内 就可以称为短距离无线通信 1 4近距离无线通信技术概览 短距离无线通信技术存在的背景 移动通信向宽带化 大容量 多媒体的方向发展 频率资源和系统容量的矛盾变得特别突出 期望使用一种廉价的无线方法建立起有线 无线设备之间的信息传输且 全球通用 物联网的发展及智能终端的出现提供了广阔的空间 1998年IEEE802 15工作组成立 主要致力于研究个人区域网络和短距离无线通信网络的标准化问题 1 4近距离无线通信技术概览 短距离无线通信技术的特征 无线发射功率在 W到100mW量级通信距离在几厘米到几百米使用全向天线和线路板天线应用场景众多 特别是频率资源稀缺情况不需要申请频率资源使用许可证 ISM CR等 无中心 自组网电池供电 1 4近距离无线通信技术概览 典型的几种短距离无线通信技术无线个域网 WPAN WirelessPersonalAreaNetwork BluetoothIEEE802 15 1UWBIEEE802 15 3ZigBeeIEEE802 15 4无线传感器网络 WSN WirelessSensorNetwork ZigBee 1 4近距离无线通信技术概览 几种短距离无线通信技术的比较 1 4近距离无线通信技术概览 短距离无线通信技术的体系划分 1 4近距离无线通信技术概览 使用较广泛的 蓝牙 Bluetooth 无线局域网802 11 Wi Fi 和红外数据传输 IrDA 有发展潜力的 ZigBee 超宽频 UltraWideBand 短距通信 NFC WiMedia GPS DECT 无线1394和专用无线系统等 其立足的特点 或基于传输速度 距离 耗电量的特殊要求 或着眼于功能的扩充性 或符合某些单一应用的特别要求 或建立竞争技术的差异化等 但是没有一种技术可以完美到足以满足所有的需求 1 4 1蓝牙技术 bluetooth技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范 它以低成本的短距离无线连接为基础 可为固定的或移动的终端设备提供廉价的接入服务 蓝牙技术传输频段为全球公众通用的2 4GHzISM频段 提供1Mbps的传输速率和10m的传输距离 蓝牙技术诞生于1994年 Ericsson当时决定开发一种低功耗 低成本的无线接口 以建立手机及其附件间的通信 该技术还陆续获得PC行业业界巨头的支持 1998年 蓝牙技术协议由Ericsson IBM Intel NOKIA Toshiba等5家公司达成一致 1 4 2Wi Fi技术 Wi Fi WirelessFidelity 无线高保真 也是一种无线通信协议 正式名称是IEEE802 11b 与蓝牙一样 同属于短距离无线通信技术 Wi Fi速率最高可达11Mb s 是以太网的一种无线扩展 理论上只要用户位于一个接入点四周的一定区域内 就能以最高约11Mb s的速度接入Web 1 4 3ZigBee技术 ZigBee主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间 ZigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式 蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置 距离和方向等信息 ZigBee联盟成立于2001年8月 2002年下半年 Invensys Mitsubishi Motorola以及Philips半导体公司四大巨头共同宣布加盟ZigBee联盟 以研发名为ZigBee的下一代无线通信标准 ZigBee是使用2 4GHz波段 采用跳频技术 与蓝牙相比 ZigBee更简单 速率更慢 功率及费用也更低 它的基本速率是250kb s 当降低到28kb s时 传输范围可扩大到134m 并获得更高的可靠性 另外 它可与254个节点联网 1 4 3ZigBee技术 ZigBee技术特点主要包括以下几个部分 1 数据传输速率低 只有10kb s 250kb s 专注于低传输应用 2 功耗低 在低耗电待机模式下 两节普通5号干电池可使用6个月以上 这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势 3 成本低 因为ZigBee数据传输速率低 协议简单 所以大大降低了成本 积极投入ZigBee开发的Motorola以及Philips 均已在2003年正式推出芯片 飞利浦预估 应用于主机端的芯片成本和其它终端产品的成本比蓝牙更具价格竞争力 4 网络容量大 每个ZigBee网络最多可支持255个设备 也就是说每个ZigBee设备可以与另外254台设备相连接 1 4 3ZigBee技术 5 有效覆盖范围10 75m之间 具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定 基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境 6 工作频段灵活 使用的频段分别为2 4GHz 868MHz 欧洲 及915MHz 美国 均为免执照频段 1 4 4IrDA技术 红外线数据协会IrDA InfraredDataAssociation 成立于1993年 起初 采用IrDA标准的无线设备仅能在1m范围内以115 2kb s速率传输数据 很快发展到4Mb s以及16Mb s的速率 IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术 是第一个实现无线个人局域网 PAN 的技术 目前它的软硬件技术都很成熟 在小型移动设备 如PDA 手机上广泛使用 事实上 当今每一个出厂的PDA及许多手机 笔记本电脑 打印机等产品都支持IrDA IrDA的主要优点是无需申请频率的使用权 因而红外通信成本低廉 1 4 5UWB技术 超宽带技术UWB UltraWideband 是一种无线载波通信技术 它不采用正弦载波 而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据 因此其所占的频谱范围很宽 UWB可在非常宽的带宽上传输信号 美国FCC对UWB的规定为 在3 1 10 6GHz频段中占用500MHz以上的带宽 UWB可以利用低功耗 低复杂度发射 接收机实现高速数据传输 在近年来得到了迅速发展 UWB技术具有系统复杂度低 发射信号功率谱密度低 对信道衰落不敏感 低截