四物联网关键技术之PPT课件.ppt

4 2网络与通信技术 互联网 电信网 广电网 补充 无线通信与网络技术 第六章 无线传感器网络技术 第七章 1 4 2 1互联网 电信网 广电网 一 互联网与NGI网络孤岛 物理网络不能直接相联网上的用户有与另一个网上用户通信的需要网上的用户有共享另一个网上资源的需求 2 互联网络 互联网络 internetwork 简称互联网 internet 利用互联设备将两个或多个物理网络相互连接而形成的互联设备又称为称为路由器或Router 3 Internet是指主要通过TCP IP协议将世界各地网络连接起来 实现资源共享 提供各种应用服务的全球性计算机网络 国内一般称因特网或国际互联网 从Internet的结构角度看 它是一个使用路由器将分布在世界各地的 数以千万计的规模不一的计算机网络互联起来的大型网际网 从Internet使用者角度看 Internet是由大量计算机连接在一个巨大的通信系统平台上 而形成的一个全球范围的信息资源网 4 从计算机网络技术上讲 Internet是一个最大的互联网络 它的产生 发展和应用反映了现代信息技术发展的最新特点 从Internet所具有的丰富资源和能提供的信息服务来讲 它是一个信息网络实体 它不断的扩大和延伸 已经成为全球信息资源最丰富的计算机网络 用一句话概括 Internet是全球性的 最具影响力的计算机互联网络 是世界范围的信息资源宝库 5 Internet使用路由器将分布在世界各地数以千计的规模不一的计算机网络互连起来 成为一个超大型国际网 网络之间通信采用TCP IP协议 屏蔽了物理网络连接的细节 使用户感觉使用的是一个单一网络 可以没有区别地访问Internet上任何主机 6 7 Internet的特点 1 灵活多样的入网方式 2 三大技术融为一体 网络技术 多媒体技术和超文本技术 3 采用C S 客户机 服务器 结构 4 信息覆盖面广 容量大 时效长 5 收费低廉 6 具有公平性 8 不足 资源的分散化管理为Internet上信息查找带来很大困难 而且Internet目前仍存在安全性问题 作为一个 没有法律 没有警察 没有国界和没有总统的全球性网络 其开放性和自治性使它在安全方面先天不足 此外 计算机病毒也是困扰Internet发展的重要因素之一 9 TCP IP协议1 TCP IP协议简介TCP IP协议最早由斯坦福大学的两名研究人员于1973年提出 随后从1977年到1979年间推出TCP IP体系结构和协议规范 它的跨平台性使其逐步成为Internet的标准协议 通过TCP IP协议 不同操作系统 不同架构的多种物理网络之间均可以进行通信 TCP 传输控制协议TransmissionControlProtocolIP 网际协议InternetProtocol 10 2 TCP IP互联网概念结构TCP IP定义了电子设备如何连入因特网 以及数据如何在它们之间传输的标准 Internet软件围绕着3个层次的概念化网络服务而设计 11 最底层的服务被定义为不可靠的 尽最大努力传送的 无连接的分组传送系统 这种机制称为Internet协议 即IP协议 它为其他层的服务提供了基础 中间层是一个可靠的传送服务 对应TCP协议 Internet数据传输的可靠性就由该层来保证 同时它为应用层提供了一个有效平台 最高层是应用服务层 12 IP协议只管将数据包传送到目的主机 无论传输正确与否 不做验证 不发确认 也不保证数据包的顺序 而这一问题就由传输层TCP协议来解决 TCP协议为Internet提供了可靠的无差错的通信服务 当数据包到达目的地后 TCP检查数据在传输中是否有损失 如果接收方发现有损坏的数据包 就要求发送端重新发送被损坏的数据包 确认无误后再将各个数据包重新组合成原文件 13 通俗而言 TCP负责发现传输的问题 一有问题就发出信号 要求重新传输 直到所有数据安全正确地传输到目的地 而IP是给因特网的每一台电脑规定一个地址 14 IP地址是按照IP协议规定的格式 为每一个正式接入Internet的主机所分配的 供全世界标识的唯一通信地址 目前全球广泛应用的IP协议是4 0版本 记为IPv4 因而IP地址又称为IPv4地址 15 3 IP地址结构和编址方案IP地址用32位二进制编址 分为四个8位组 由网络号netid和主机号hostid两部分构成 网络号确定了该台主机所在的物理网络 它的分配必须全球统一 主机号确定了在某一物理网络上的一台主机 它可由本地分配 不需全球一致 16 4 Ipv6随着网络的迅猛发展 全球数字化和信息化步伐的加快 越来越多的设备 电器 各种机构 个人等加入到争夺地址的行列中 由此IPv4地址资源的匮乏 促使了IPv6的出现 IPv6是IPv4的替代品 是IP协议的6 0版本 也是下一代网络的核心协议 它在未来网络的演进中 将对基础设施 设备服务 媒体应用 电子商务等诸多方面产成巨大的产业推动力 17 Ipv6由Internet工程任务组IETF的IPng工作组于1994年9月首次提出 于1995年正式公布 研究修订后于1999年确定开始部署 单播 多播 任播 18 IPv6主要有以下几个方面的特点 1 地址长度 AddressSize IPv6地址为128位 代替了IPv4的32位 地址空间大于3 4 1038 如果整个地球表面 包括陆地和水面 都覆盖着计算机 那么IPv6允许每平方米拥有7 1023个IP地址 IPv6地址空间是巨大的 19 2 自动配置 AutomaticConfigure IPv6区别于IPv4的一个重要特性就是它支持无状态和有状态两种地址自动配置的方式 这种自动配置是对动态主机配置协议 DHCP 的改进和扩展 使得网络 尤其是局域网 的管理更加方便和快捷 并为用户带来极大方便 20 3 头部格式 HeaderFormat Ipv6简化了报头 减少了路由表长度 同时减少了路由器处理报头的时间 降低了报文通过Internet的延迟 4 可扩展的协议 ExtensibleProtocol Ipv6并不像Ipv4那样规定了所有可能的协议特征 而是增强了选项和扩展功能 使其具有更高的灵活性和更强的功能 21 5 服务质量 QoS 对服务质量作了定义 Ipv6报文可以标记数据所属的流类型 以便路由器或交换机进行相应的处理 QoS QualityofService 即服务质量 对于网络业务 服务质量包括传输的带宽 传送的时延 数据的丢包率等 在网络中可以通过保证传输的带宽 降低传送的时延 降低数据的丢包率以及时延抖动等措施来提高服务质量 22 6 内置的安全特性 InnerSecurity Ipv6提供了比Ipv4更好的安全性保证 Ipv6协议内置标准化安全机制 支持对企业网的无缝远程访问 即使终端用户用 时时在线 接入企业网 这种安全机制也可行 而这在IPv4技术中无法实现 对于从事移动性工作的人员来说 IPv6是IP级企业网存在的保证 23 下一代Internet1996年10月 美国政府发起下一代国际互联网 NGI NextGenerationInternet 计划 其主要研究工作涉及协议 开发 部署高端试验网以及应用演示 由美国国家科学基金会 NSF 与美国通信公司 MCI 合作建立了NGI主干网vBNS VeryHighBandwidthNetworkService 24 1998年 美国下一代互联网研究的大学联盟UCAID UniversityCorporationforAdvancedInternetDevelopment 成立 启动Internet2计划 并于1999年底建成传输速率2 5Gbps的Internet2骨干网Abilene 向220个大学 企业 研究机构提供高性能服务 至2004年2月已升级到10Gbps 25 下一代Internet主要包括三大计划 1 NGI计划 NextGenerationInternet NGI 是美国白宫在1996年10月宣布的一个计划 其主要研究工作涉及协议 开发 部署高端试验网以及应用演示 26 2 Internet Internet 是由美国184所大学和70家企业共同努力建设的网络 致力于开发一种更加复杂的 带宽更宽并且能够提供更好服务质量 QualityofService QoS 的Internet 希望能为将来的商业应用提供可靠的技术支撑 27 3 GTRN计划 GlobalTerabitResearchNetwork GTRN 是美国Internet2联合欧洲 亚洲各国发起的一个计划 积极推动全球化的下一代互联网研究和建设 28 二 电信网与NGN 电信网 telecommunicationnetwork 是构成多个用户相互通信的多个电信系统互连的通信体系 是人类实现远距离通信的重要基础设施 利用电缆 无线 光纤或者其它电磁系统 传送 发射和接收标识 文字 图像 声音或其它信号 29 用户驻地网 CPN 是指用户网络接口到用户终端之间的传输及线路设施 即从用户驻地业务集中点到用户终端的传输及线路等相关设施 换言之 是指宽带网在用户所在小区或楼房的部分 也就是说 用户驻地可以是一个居民小区 也可以是一栋或相邻的多栋写字楼 由完成通信和控制功能的用户驻地布线系统组成 以使用户终端可以灵活方便地进入接入网 30 公用电信网一般可划分为接入网和核心网 接入网的一侧是核心网 核心网主要由各类业务网构成 另一侧是用户 接入网起承上启下的作用 通过接入网将核心网的业务提供给用户 接入网是一种透明传输体系 本身不提供业务 由用户终端与核心网配合提供各类业务 接入网可根据接入方式分为有线 无线 固定 移动等 31 下一代网络 NextGenerationNetwork 又称为次世代网络 主要思想是在一个统一的网络平台上以统一管理的方式提供多媒体业务 整合现有的市内固定电话 移动电话的基础上 统称FMC 增加多媒体数据服务及其他增值型服务 其中话音的交换将采用软交换技术 而平台的主要实现方式为IP技术 逐步实现统一通信 其中voip将是下一代网络中的一个重点 为了强调IP技术的重要性 业界的主要公司之一思科公司 CiscoSystems 主张称为IP NGN 32 VoIP VoiceoverInternetProtocol 宽带电话或网络电话 原理是将普通电话的模拟信号进行压缩打包处理 通过Internet传输 到达对方后再进行解压 还原成模拟信号 对方用普通电话机等设备就可以接听 IP电话其实就是通信网络通过TCP IP协议实现的一种电话应用 而这种应用主要包括PCtoPC PCtoPhone和PhonetoPhone 33 三 广播电视网与NGB NGB NextGenerationBroadcastingNetwork 中国下一代广播电视网 是由科技部和广电总局联合组织开发建设 以有线电视网数字化整体转换和移动多媒体广播电视 CMMB 的成果为基础 以自主创新的 高性能宽带信息网 核心技术为支撑 构建的适合我国国情的 三网融合 的 有线无线相结合的 全程全网的下一代广播电视网络 NGB计划用三年左右的时间建设覆盖全国主要城市的示范网 用十年左右时间建造成熟 成为以 三网融合 为基本特征的新一代国家信息基础设施 34 3TNet 高性能宽带信息网 是指T比特的路由 T比特的交换和T比特的传输 如果把电视节目看作是行驶中的汽车 那么3Tnet就是能够让汽车畅通无阻的超宽高速公路 要想坐在家中收看清晰连续的电视节目 汽车 至少要以4 105比特 秒的高速度行驶 若走现在的信息公路 汽车 驶入电视的速度只有105比特 秒 有了3TNet 车 速将达到3 107比特 秒 哪怕几辆 集卡 齐头并进也不成问题 35 CMMB 移动多媒体广播电视 国内自主研发的第一套面向手机 笔记本电脑等多种移动终端的系统 利用S波段信号实现 天地 一体覆盖 全国漫游 支持25套电视和30套广播节目 2006年10月24日 国家广电总局正式颁布中国移动多媒体广播 俗称手机电视 行业标准 确定采用我国自主研发的移动多媒体广播行业标准 中国移动多媒体广播规定了在广播业务频率范围内 移动多媒体广播系统广播信道传输信号的帧结构 信道编码和调制 标准适用于30MHz到3000MHz频率范围内的广播业务频率 通过卫星和 或地面无线发射电视 广播 数据信息等多媒体信号的广播系统 可实现全国漫游 36 三网融合是指电信网 互联网和广播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 三网融合 后 民众可用电视遥控器打电话 在手机上看电视剧 随需选择网络和终端 只要拉一条线 或无线接入即完成通信 电视 上网等 四 三网融合和多网融合 37 38 三网融合 是为了实现网络资源的共享 避免低水平的重复建设 形成适应性广 容易维护 费用低的高速宽带的多媒体基础平台 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 39 2010年1月13日 国务院常务会议提出了三网融合的阶段性目标 即 2010年 2012年重点开展广电和电信业务双向进入试点 探索形成保障三网融合规范有序开展的政策体系和体制机制 2013年 2015年 总结推广试点经验 全面实现三网融合发展 普及应用融合业务 基本形成适度竞争的网络产业格局 基本建立适应三网融合的机制和职责清晰 协调顺畅 决策科学 管理高效的新型监管体系 40 2010年7月 北京 上海 大连 哈尔滨 南京 杭州 厦门 青岛 武汉 深圳 绵阳以及湖南长株潭地区等首批12个试点城市地区名单出炉 四网融合 在现有的三网融合的基础上加入电网 成为四网融合 并已有试点 41 42 物联网的组网特点方便性 不需要数据线连接信息基础设施的可用性 不是所有地方都有方便的固定接入能力一些应用场景本身需要随时监控的目标就是在移动状态下移动通信网络将是物联网主要的接入手段 4 2 2无线通信与网络技术 43 一 概述 无线通信利用电磁波的辐射和传播 经过空间来传送信息 44 1 发展历程1895年 马可尼在陆地和一艘拖船上完成无线通信实验 标志无线通信的开始1928年 美国警用车辆的车载无线电系统 标志移动通信开始1946年 Bell实验室在圣路易斯建立第一个公用汽车电话网 1960s 实现无线频道自动选择域公用电话网自动拨号连接 1974年 美国Bell实验室提出蜂窝移动通信的概念 45 20世纪70年代中期至80年代中期 模拟蜂窝移动通信网 20世纪80年代中期开始 以GSM和IS 95为代表的第二代移动通信系统从1996年开始 为了解决中速数据传输问题 又出现了2 5G移动通信系统 如GPRS和IS 95B 2000年5月 ITU公布第三代移动通信标准 46 2 无线通信技术的特点 1 数字化 2 移动性 3 点对点通信 4 分区制 越区切换 频率复用 47 3 无线通信网络 1 组成图6 1MS 移动台 移动通信网中移动用户使用的设备BS 基站 其覆盖范围内所有移动台的信息发布中心MSC 移动交换中心 移动网络完成呼叫连接 过区切换控制 无线信道管理等功能的设备 48 49 2 无线通信网络模型蜂窝网络 把移动电话的服务区别分为一个个正六边形的子区 每个小区设一个基站 形成了形状酷似 蜂窝 的结构 蜂窝网络又可分为模拟蜂窝网络和数字蜂窝网络 主要区别于传输信息的方式 50 蜂窝网络组成主要有以下三部分 移动站 基站子系统 网络子系统 移动站就是我们的网络终端设备 比如手机或者一些蜂窝工控设备 基站子系统包括我们日常见到的移动基站 大铁塔 无线收发设备 专用网络 一般是光纤 无数的数字设备等等的 我们可以把基站子系统看作是无线网络与有线网络之间的转换器 51 常见的蜂窝网络类型有 GSM网络 有些国家叫pcs 1900 CDMA网络 FDMA TDMA PDC TACS AMPS等 52 短距离无线通信网 SRW 距离10 200m速度10 100Mb s包括WPAN和WLAN特征 低成本 低功耗 对等通信 53 移动自组织网络 AdHoc 一种移动通信和计算机网络相结合的网络 用户终端可以在网内随意移动而保持通信 无线自组网中的每个用户终端都兼有路由器和主机两种功能 作为主机 终端可以运行各种面向用户的应用程序 作为路由器 终端需要运行相应的路由协议 54 3 分类 55 二 无线个域网 WirelessPersonalAreaNetwork WPANWPAN网络为近距离范围内的设备建立无线连接 把几米范围内的多个设备通过无线方式连接在一起 使它们可以相互通信甚至接入LAN或Internet 通信半径小 业务类型丰富 无缝无线连接标准 IEEE802 15 56 1 IEEE802 15标准 1 IEEE简介InstituteofElectricalandElectronicsEngineers美国电气和电子工程师协会 国际性的电子技术与信息科学工程师的协会 世界上最大的专业技术组织之一 成员人数 57 IEEE IRE 美国无线电工程师协会 1912年 19631 1 AIEE 美国电气工程师协会 1884年 58 IEEE在150多个国家中它拥有300多个地方分会 透过多元化的会员 该组织在太空 计算机 电信 生物医学 电力及消费性电子产品等领域中都是主要的权威 专业上它有35个专业学会和两个联合会 IEEE发表多种杂志 学报 书籍和每年组织300多次专业会议 IEEE定义的标准在工业界有极大的影响 59 学会现有会员36万人 其中在美国的会员有22 4万人 另外10多万人分布在世界150个国家和地区 IEEE把世界分为10个大区 Region 美国本土6个 加拿大1个 拉丁美洲1个 欧洲 中东和非洲为1个 亚洲和大洋洲为1个 第10区 中国属于第10区 大区按地域设立分部 Section 全世界共300多个分部 中国有3个分部 北京分部 香港分部 台湾分部 中国大陆有2000名会员 统属北京分部 60 IEEE委员会和格式IEEE754浮点算法规范IEEE802局域网 城域网IEEE802 11无线网络IEEE829软件测试文书IEEE896未来总线FuturebusIEEE1003POSIXIEEE1076VHDLVHSIC硬件描述语言IEEE1149 1JTAGIEEE1275OpenFirmwareIEEE1284并口IEEEP1363公钥密码IEEE1394串行总线 火线 IEEE12207信息技术 IT 61 IEEE802 又称为LMSC LAN MANStandardsCommittee 局域网 城域网标准委员会 成立于1980年2月 它的任务是制定局域网的国际标准 取得了显著的成绩 LMSC 工作组 WorkingGroup 研究组 StudyGroup 技术顾问组 TechnicalAdvisoryGroup 62 目前活跃的WG和TAG如下 802 1局域网概述 体系结构 网络管理和性能测量等 802 2逻辑链路控制LLC 802 3总线网介质访问控制协议CSMA CD及物理层技术规范 802 4令牌环总线Token PassingBus 单一 多信道速率1 5 10MBit s 网介质访问控制协议及其物理层技术规范 63 802 5令牌环Token PassingRing 基带速率1 4 16MBit s 网介质访问控制协议及其物理层技术规范 802 11无线局域网的介质访问控制协议CSMA CA及其物理层技术规范 802 15 无线个域网 WPAN 802 16 无线城域网 WMAN 64 802 17 弹性分组环 ResilientPacketRing 802 18 无线管制RadioRegulatoryTAG802 19 共存CoexistenceTAG802 20 移动宽带无线接入MobileBroadbandWirelessAccess MBWA 802 21 媒质无关切换MediaIndependentHandoff 65 TG1 TG2 TG3 制定IEEE802 15 1标准 又称蓝牙无线个人区域网络标准 这是一个中等速率 近距离的WPAN网络标准 通常用于手机 PDA等设备的短距离通信 制定IEEE802 15 2标准 研究IEEE802 15 1与IEEE802 11 无线局域网标准 WLAN 的共存问题 制定IEEE802 15 3标准 研究高传输速率无线个人区域网络标准 该标准主要考虑无线个人区域网络在多媒体方面的应用 追求更高的传输速率与服务品质 TG4 制定IEEE802 15 4标准 针对低速无线个人区域网络 low ratewirelesspersonalareanetwork LR WPAN 制定标准 IEEE802 15 66 2 IEEE802 15 4系列标准该标准把低能量消耗 低速率传输 低成本作为重点目标 旨在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 任务组TG4定义的LR WPAN网络的特征与传感器网络有很多相似之处 很多研究机构把它作为传感器的通信标准 67 LR WPAN网络是一种结构简单 成本低廉的无线通信网络 它使得在低电能和低吞吐量的应用环境中使用无线连接成为可能 与WLAN相比 LR WPAN网络只需很少的基础设施 甚至不需要基础设施 IEEE802 15 4标准为LR WPAN网络制定了物理层和MAC子层协议 68 IEEE802 15 4标准定义的LR WPAN网络具有如下特点 1 在不同的载波频率下实现了20kbps 40kbps和250kbps三种不同的传输速率 69 802 15 4工作在工业科学医疗 ISM 频段 它定义了两个物理层 即2 4GHz频段和868 915MHz频段物理层 免许可证的2 4GHzISM频段全世界都有 而868MHz和915MHz的ISM频段分别只在欧洲和北美有 802 15 427个信道 250kbit s16个 20kbit s1个 40kbit s10个 2 4GHz 915MHz 868MHz 70 2 支持星型和点对点两种网络拓扑结构 在星型结构中 所有设备都与中心设备PAN网络协调器通信 在这种网络中 网络协调器一般使用持续电力系统供电 而其他设备采用电池供电 星型网络适合家庭自动化 个人计算机的外设以及个人健康护理等小范围的室内应用 71 点对点网络只要彼此都在对方的无线辐射范围之内 任何两个设备之间都可以直接通信 点对点网络中也需要网络协调器 负责实现管理链路状态信息 认证设备身份等功能 点对点网络模式可以支持adhoc网络允许通过多跳路由的方式在网络中传输数据 不过一般认为自组织问题由网络层来解决 不在IEEE802 15 4标准讨论范围之内 点对点网络可以构造更复杂的网络结构 适合于设备分布范围广的应用 比如在工业检测与控制 货物库存跟踪和智能农业等方面有非常好的应用背景 72 3 有16位和64位两种地址格式 其中64位地址是全球唯一的扩展地址 4 支持冲突避免的载波多路侦听技术 carriersensemultipleaccesswithcollisionavoidance CSMA CA 载波侦听 在特定载波频率侦听 空闲时发送多路访问 可以在多个载波频道传输和接收数据冲突避免 用避免冲突的方式来实现数据可靠传输 73 2 ZigBee 短距离无线通信技术一览 74 1 ZigBee的来源与优势 ZigBee技术的名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式 这一名称来源于蜜蜂的八字舞 由于蜜蜂 bee 是靠飞翔和 嗡嗡 zig 地抖动翅膀的 舞蹈 来与同伴传递花粉所在方位信息 也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络 75 ZigBee是基于IEEE802 15 4无线标准研制开发的 802 15 4仅仅定义了物理层和MAC层 并不足以保证不同的设备之间可以对话 于是便有了ZigBee 76 低功耗 ZigBee主要通过降低传输的数据量 降低收发信机的忙闲比及数据传输的频率 降低帧开销以及实行严格的功率管理机制来降低设备的功耗 工作可靠 ZigBee采用了载波侦听多址 冲突避免 CSMA CA 的信道接入方式和完全握手协议 MAC层采用了回复确认的数据传输机制 提高了可靠性 成本低 网络容量大 主机芯片成本低 其他终端成本低 每个ZigBee网络最多可支持65000个节点 1 2 3 4 77 有效范围大时延短 使用的频段分别为2 4GHz 868MHz 欧洲 及915MHz 美国 均为免执照频段 优良的拓补能力 ZigBee具有组成星 网和簇树网络结构能力 还具有无线网络自愈能力 安全性较好 工作频率灵活 可多级拓展 对时延敏感的应用做了优化 ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权能力 加密算法采用通用的AES 128 5 6 7 8 78 2 ZigBee的协议架构采用了IEEE802 15 4制定的物理层和MAC层作为ZigBee技术的物理层和MAC层 79 ZigBee协议架构示意图 802 15 4标准 独立定义 独立定义 80 物理层IEEE802 15 4的物理层提供两类服务 物理层数据服务和物理层管理服务 物理层功能包括无线收发信机的开启和关闭 能量检测 ED 链路质量指示 LQI 信道评估 CCA 和通过物理媒体收发数据包 81 表各个国家和地区ZigBee频率工作范围 ISM是由ITU R 国际通信联盟无线电通信局 定义的 此频段主要是开放给工业 科学 医学三个主要机构使用 属于FreeLicense 无需授权许可 只需要遵守一定的发射功率 一般低于1W 并且不要对其它频段造成干扰即可 82 由于各个国家和地区采用的工作频率范围不同 为了提高数据传输速率 IEEE802 15 4对于不同的频率范围 规定了不同的调制方式 具体的内容如表4 2所示 83 表各个国家和地区ZigBee频率工作范围 84 数据链路层逻辑链路控制 LLC 和媒介接入控制 MAC LLCIEEE802 6 MAC依赖于物理层 IEEE802 15 4支持多种LLC标准 85 网络层 利用ZigBee技术组成的无线个人局域网 WPAN 是一种低速率的无线个人区域网 LR WPAN LR WPAN网状结构简单 成本低廉 具有有限的功率和灵活的吞吐量 网络层负责网络机制的建立与管理 具有自我组织与自我修复功能 86 在一个LR WPAN网络中 可同时存在两种不同类型的设备 全功能设备 FullFunctionalDevice FFD 精简功能设备 ReducedFunctionDevice RFD 87 FFD通常有3种状态 作为一个主协调器 作为一个协调器 作为一个终端设备 一个FFD可以同时和多个RFD或多个其他的FFD通信 而RFD只能和一个FFD进行通信 88 ZigBee支持3种拓扑结构 包括星形 网状形和簇树形结构 在星形拓扑结构中 整个网络由一个网络协调器来控制 在网状形和簇树形拓扑结构中 ZigBee协调器负责启动网络以及选择关键的网络参数 89 星形网络是一种常用且适用于长期运行使用操作的网络 网状形网络是一种高可靠性监测网络 簇树形网络是星形和网状形的混合型拓扑网络 结合了上述两种拓扑的优点 90 应用层应用支持子层 APS 应用框架 AF ZigBee设备对象 ZDO 91 ZigBee协议架构示意图 802 15 4标准 独立定义 独立定义 92 3 蓝牙技术 1 Bluetooth的来源 爱立信 IBM Intel Nokia和东芝五家公司于1998年5月联合成立了Bluetooth 蓝牙 特别兴趣小组 BluetoothSpecialInterestGroup BSIG 并制订了短距离无线通信技术标准 蓝牙技术 93 所谓蓝牙 Bluetooth 技术 实际上是一种短距离无线电技术 蓝牙技术利用短距离 低成本的无线连接替代了电缆连接 从而为现存的数据网络和小型的外围设备提供了统一的连接 94 蓝牙这个名称来自于第十世纪的一位丹麦国王HaraldBlatand Blatand国王将现在的挪威 瑞典和丹麦统一起来 他的口齿伶俐 善于交际 技术被定义为允许不同工业领域之间的协调工作 保持着各个系统领域之间的良好交流 95 2 Bluetooth的主要技术特点 语音和数据可同时传输 应用范围广 建立临时对等连接 蓝牙技术支持点对点或点对多点的话音 数据业务 采用一种灵活的无基站的组网方式 96 多个蓝牙设备组成的微微网 97 多个微微网组成的散射网 98 3 系统组成蓝牙系统一般由天线单元 链路控制 硬件 链路管理 软件 和蓝牙软件 协议 等4个功能模块组成 99 蓝牙系统的组成 100 无线射频单元天线部分体积小巧 属于微带天线 蓝牙设备的工作频段选在全球通用的2 4GHz的ISM 工业 科学 医学 频段频道采用23个或79个 频道间隔均为1MHz 采用时分双工方式 101 时分双工 TDD 接收和传送是在同一频率信道即载波的不同时隙 用保证时间来分离接收与传送信道 频分双工 FDD 接收和传送是在分离的两个对称频率信道上 用保证频段来分离接收与传送信道 102 蓝牙的无线发射机发射功率分为3个等级 100mW 20dBm 2 5mW 4dBm 1mW 0dBm 蓝牙设备之间的有效通信距离大约为10 100m 103 链路控制单元链路控制器 LC 建立网络 差错控制 验证和加密 104 表主要技术指标和系统参数 105 链路管理 LM 提供的服务有 发送和接收数据 请求名称 链路地址查询 建立连接 鉴权 链路模式协商和建立 决定帧的类型等 106 Bluetooth协议体系结构 了解 蓝牙协议栈 专用协议位于协议栈的底部 从底到上依次是蓝牙无线层 BluetoothRadio 基带层 Baseband LMP层 LinkManagerProtocol L2CAP层 LogicallinkControlandAdaptationProtocol SDP ServiceDiscoveryProtocol 另外RFCOMM层目的是取代电缆连接 TCS TelephonyControlProtocolSPecification 目的是进行呼叫控制 在蓝牙专用协议之上可以承载PPP TCP IP UDP IP WAP等通用高层协议 107 蓝牙核心协议由SIG制定的蓝牙指定协议组成 而其他协议则根据应用的需要而定 因此 下面主要介绍蓝牙核心协议 基带协议 基带协议为两个或多个蓝牙单元之间建立物理射频连接 108 链路管理协议 LMP 链路管理协议管理基带层内主从网络的运行 负责两个或多个设备之间的链路设置和控制包括传递验证和加密 管理链路密钥 109 逻辑链路控制和适配协议 L2CAP 位于基带协议之上 为低层的数据服务 向上层提供面向连接和无连接的数据服务 110 服务发现协议 SDP 使用SDP 可以查询到设备和服务类型 从而在蓝牙设备间建立相应的连接 111 三 无线局域网WLAN 1 IEEE802 11802 11是IEEE最初制定的一个无线局域网标准 主要用于解决办公室局域网和校园网中 用户与用户终端的无线接入 业务主要限于数据存取 速率最高只能达到2Mbps IEEE小组又相继推出了802 11b和802 11a两个新标准 三者之间技术上的主要差别在于MAC子层和物理层 112 IEEE802 11a 1999年 物理层补充 54Mbit s 工作在5GHz IEEE802 11b 1999年 物理层补充 11Mbit s 工作在2 4GHz IEEE802 11b是所有无线局域网标准中最著名 也是普及最广的标准 113 2 WLAN组成结构无线局域网由无线网卡 无线接入点 AP 计算机和有关设备组成 在一个典型的无线局域网环境中 有一些进行数据发送和接收的设备 称为接入点 AP AccessPoint 通常 一个AP能够在几十至上百米的范围内连接多个无线用户 在同时具有有线和无线网络的情况下 AP可以通过标准的Ethernet电缆与传统的有线网络相联 作为无线网络和有线网络的连接点 无线局域网的终端用户可通过无线网卡等访问网络 114 无线AP作为无线网络中的一个重要设备 其性能的好坏以及位置的摆放 直接影响着无线网络传输信号的强弱 要想有效提高无线网络的整体性能 选好和用好无线AP就成了不可或缺的一个重要环节 115 无线路由器就是AP 路由功能和交换机的集合体 支持有线无线组成同一子网 直接接上MODEM 无线AP相当于一个无线交换机 接在有线路由器上 为跟它连接的无线网卡从路由器那里分得IP 116 3 AdHoc网络移动通信网络一般有两类 集中控制式 基于预设的网络设施才能运行 如蜂窝移动通信系统要有基站的支持 无集中控制 某些场合需要一种能够临时快速自动组网的移动网络 如AdHoc 117 根据IEEE的定义 AdHoc网络是一种特殊的自组织 对等式 多跳 无线移动网络 AdHoc也常被成为移动网络 前身是无线分组网PRNET 对无线分组网的研究起源于军事研究的需要 118 119 1 特点动态拓补自组织无中心多跳有限无线传输带宽用户终端局限性 120 2 网络结构平面结构 这种网络结构中的任意两点间一般存在多条路径 能较好的实现负载平衡和最优化路由 理论上不存在瓶颈 缺点 可扩充性较差 每个节点都需要知道到达其他所有节点的路由 维护这些动态变化的路由信息需要大量的控制信息 适用于中小规模的AdHoc网络 121 分级结构 划分为一到多个簇 每个簇由一个簇头和多个簇成员组成 这个簇头形成高一级的网络 在高一级网络中 可以再分簇 形成更高一级的网络 簇成员的功能比较简单 不需要维护复杂的路由信息 因此具有很好的可扩充性 缺点是维护分级结构需要节点执行簇头选举算法 簇头节点可能会成为网络的瓶颈 适用于规模较大的AdHoc网络 122 3 应用领域军事应用传感器网络紧急和临时场合个人通信移动网络 123 4 WIFI网络英文全称为wirelessfidelity 无线高保真 Wi Fi是一种可以将个人电脑 手持设备 如PDA 手机 等终端以无线方式互相连接的技术 Wi Fi是一个无线网路通信技术的品牌 由Wi Fi联盟 Wi FiAlliance 所持有 目的是改善基于IEEE802 11标准的无线网路产品之间的互通性 124 WIFI WirelessFidelity 又称802 11b标准 它的最大优点就是传输速度较高 可以达到11Mbps 另外它的有效距离也很长 同时也与已有的各种802 11DSSS设备兼容 无线上网已经成为现实 无线电波的覆盖范围广 基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小 半径大约只有15米 而Wi Fi的半径则可达90米左右 办公室自不用说 就是在整栋大楼中也可使用 不过随着wifi技术的发展 wifi信号未来覆盖的范围将更宽 125 1 技术特点覆盖范围广 100m传输速度快 11Mb S门槛低无需布线无线网络 辐射小 126 2 技术架构站点 station 网络最基本的组成部分 基本服务单元 BSS 最基本的服务单元 最简单的服务单元可以只由两个站点组成 站点可以动态的联结到基本服务单元中 分配系统 DS 分配系统用于连接不同的基本服务单元 分配系统使用的媒介逻辑上和基本服务单元使用的媒介是截然分开的 尽管它们物理上可能会是同一个媒介 例如同一个无线频段 接入点 AP 接入点即有普通站点的身份 又有接入到分配系统的功能 扩展服务单元 ESS 由分配系统和基本服务单元组合而成 分配系统也可以使用各种各样的技术 关口 Portal 也是一个逻辑成分 用于将无线局域网和有线局域网或其它网络联系起来 127 WIFI和WLAN的关系wifi包含于WLAN中 发射信号的功率不同 覆盖范围不同事实上WIFI就是WLANA 无线局域网联盟 的一个商标 该商标仅保障使用该商标的商品互相之间可以合作 与标准本身实际上没有关系 但因为WIFI主要采用802 11b协议 因此人们逐渐习惯用WIFI来称呼802 11b协议 从包含关系上来说 WIFI是WLAN的一个标准 WIFI包含于WLAN中 属于采用WLAN协议中的一项新技术 WiFi的覆盖范围则可达300英尺左右 约合90米 WLAN最大 加天线 可以到5KM 128 3 应用我们主要知道WIFI和WLAN都是实现无线上网的技术即可 并且WLAN无线上网其实包含WIFI无线上网 WLAN无线上网覆盖范围更宽 而WIFI无线上网比较适合比如智能手机 平板电脑等智能小型数码产品 129 四 无线城域网 WMAN WirelessMetropolitanAreaNetworks定义 无线城域网是以无线方式构成的城域网 提供面向互联网的高速连接 是连接数个无线局域网的无线网络型式 目的 无线城域网的推出是为了满足日益增长的宽带无线接入 BWA 市场需求 130 1 802 16标准 1 概述1999年 IEEE802成立了802 16工作组来专门研究BWA标准IEEE802 16 1负责制定频率范围在10 66GHz的无线接口标准IEEE802 16 2负责制定宽带无线接入系统共存方面的标准IEEE802 16 3负责制定频率范围在2 11GHz之间无线接口标准WiMAX论坛成立 在全球范围内推广802 16协议 131 标准化 132 2 802 16协议体系最终制定的802 16系列标准协议栈按照两层体系结构组织MAC层物理层802 16系列协议中各协议的MAC层功能基本相同 差别主要体现在物理层上 133 IEEE802 16的物理层既可以支持单载波又可以支持多载波 即OFDM技术基于单载波的物理层规范分为两种 WirelessMAN SC 频段为10 66GHzWirelessMAN SCa 低于11GHz基于多载波的物理层规范分为 WirelessMAN OFDM和WirelessMAN OFDMA 两种规范均基于OFDM多载波技术 操作频段均低于11GHz 134 正交多载波通信技术在当前能提供的高速率传输的各种无线解决方案中 以正交频分复用 OFDM 为代表的多载波调制技术是最有前途的方案之一 典型应用 有线领域ADSL公认的4G核心技术之一 基本原理 把一股高速信息数据流分裂成许多低速数据流 进行并行传输 135 IEEE802 16的物理层规范 TDD 时分双工 接收和传送是在同一频率信道即载波的不同时隙 用保证时间来分离接收与传送信道 FDD 频分双工 接收和传送是在分离的两个对称频率信道上 用保证频段来分离接收与传送信道 136 MAC层包括与高层实体接口的特定服务会聚子层 ConvergenceSublayer CS 完成MAC层核心功能的公共部分子层 CommonPartSublayer CPS 安全子层 SecuritySublayer 137 IEEE802 16协议中定义了两种网络结构 点到多点 PMP 结构网格 Mesh 结构 138 2 WiMAX 全名是WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess 全球微波互联接入 是基于IEEE802 16e系列宽频无线标准为基础的宽带无线技术 数据传输距离最远可达50km 139 网络体系结构 PMP 一个完整的802 16系统应包含的网络实体有 用户设备 UE 用户站 SS 基站 BS 核心网 CN 140 WiMAX技术有四个发展阶段 固定接入业务阶段 游牧式业务阶段 便携式业务阶段和全移动业务阶段 WiMAX网络有两种组网方式 WiMAX网络单独组网或者与现有网络融合组网 141 WiMAX与Wi Fi最明显的区别是覆盖范围存在巨大差别 Wi Fi最高只能达到90m的覆盖范围 而只能在无线局域网环境中使用 而WiMAX802 16e通常可以达到50km 主要定位在移动无线城域网环境中使用 142 五 无线广域网 WWAN WirelessWideAreaNetworkWWAN连接地理范围较大 常常是一个国家或是一个洲 其目的是为了让分布较远的各局域网互连 与WPAN WLAN WMAN相比 更加强调快速移动性 143 IEEE802 20是WWAN的重要标准 IEEE802 20是由IEEE802 16工作组于2002年3月提出的 并为此成立专门的工作小组 144 1 面向话音的无线广域网 1G 模拟 FDMA2G 数字 TDMA CDMA3G 宽带特征4G 145 1 FDMA 频分多址 FrequencyDivisionMultipleAccess 把分配给无线蜂窝电话通讯的频段分为若干个等间隔的信道 每一个信道都能够传输语音通话 数字服务和数字数据 采用频分多址 每一个信道每一次只能分配给一个用户 146 FDMA是指不同的移动台占用不同的频率 即每个移动台占用一个频率的信道进行通话或通信 因为各个用户使用不同频率的信道 所以相互没有干扰 147 2 TDMA 时分多址 TimeDivisionMultipleAccess 时分多址是把时间分割成周期性的帧 Frame 每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号 在满足定时和同步的条件下 基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号而不混扰 同时 基站发向多个移动终端的信号都按顺序安排在予定的时隙中传输 各移动终端只要在指定的时隙内接收 就能在合路的信号中把发给它的信号区分并接收下来 148 3 CDMA码分多址 CodeDivisionMultipleAccess 不分频道不分时隙 无论传送何种信息的信道都靠采用不同的编码序列来区分 具有频谱利用率高 话音质量好 保密性强 掉话率低 电磁辐射小 容量大 覆覆盖广等特点 可以大量减少投资和降低运营成本 149 频分多址 FDMA 是采用调频的多址技术 业务信道在不同的频段分配给不同的用户 如TACS系统 AMPS系统等 时分多址 TDMA 是采用时分的多址技术 业务信道在不同的时间分配给不同的用户 如GSM DAMPS等 CDMA 码分多址 是采用扩频的码分多址技术 所有用户在同一时间 同一频段上 根据不同的编码获得业务信道 150 GSM 全球移动通讯系统GlobalSystemofMobilecommunication 是当前应用最为广泛的移动电话标准 151 2 面向数据的无线广域网 根据移动数据网络与蜂窝基础结构的关系 可将移动数据网络分为四类 152 独立移动数据网络拥有自己的频段 该频段不被其它的服务所使用 且有不与别的服务所共享的基础网络 根据网络运行频段的状态 分为 需要许可证频段和免许可证频段共享移动数据网络与现有的面向语音的模拟服务共享频谱和部分基础结构 在模拟语音所使用的 相同的无线信道上传输 但有自己的空中接口和MAC协议 数据服务除了使用专用的数据信道外 还可占用空闲的语音信