第4章 物联网通信技术

2020/5/27,物联网技术与应用配套电子课件,主编:刘丽军,第4章物联网通信技术,【本章知识要点】,学习完本章后，应当掌握如下知识：（1）理解互联网、IPv6与物联网的关系。（2）掌握什么是移动通信技术，理解其与物联网的关系。（3）了解常见的短距离无线通信技术。,起源于美国的因特网现已发展成为世界上最大的国际性计算机互联网网络(network)由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成。互联网是“网络的网络”(networkofnetworks)。连接在因特网上的计算机都称为主机(host)。,4.1互联网,4.1互联网,第一阶段是从单个网络ARPANET向互联网发展的过程。第二阶段的特点是建成了三级结构的因特网。第三阶段的特点是逐渐形成了多层次ISP结构的因特网。,4.1互联网,互联网发展的三个阶段,用户,因特网,ISP1,ISP2,因特网服务提供者,用户通过ISP上网,根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的IP地址数目的不同，ISP(InternetServiceProvider)也分成为不同的层次。,互联网的组成,从互联网的工作方式上看，可以划分为以下两大块：边缘部分由所有连接在因特网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。核心部分由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。,因特网的核心部分,因特网的边缘部分,主机,网络,路由器,因特网的边缘部分与核心部分,因特网的边缘部分,处在因特网边缘的部分就是连接在因特网上的所有的主机。这些主机又称为端系统(endsystem)。“主机A和主机B进行通信”，实际上是指：“运行在主机A上的某个程序和运行在主机B上的另一个程序进行通信”。即“主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信”。或简称为“计算机之间通信”,两种通信方式,在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方式通常可划分为两大类：客户服务器方式（C/S方式）即Client/Server方式,客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉及的两个应用进程。客户服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。如网站服务器和IE浏览器。对等方式（P2P方式）即Peer-to-Peer方式,客户服务器工作模式,对等连接方式,对等连接(peer-to-peer，简写为P2P)是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。只要两个主机都运行了对等连接软件（P2P软件），它们就可以进行平等的、对等连接通信。双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。P2P下载工具，eDonkey,eMule，共享资源。网络上现有的许多服务可以归入P2P的行列。即时讯息系统譬如ICQ、AOLInstantMessenger、YahooPager、微软的MSNMessenger以及国内的腾讯QQ是最流行的P2P应用。它们允许用户互相沟通和交换信息、交换文件。用户之间的信息交流不是直接的，需要有位于中心的服务器来协调。,因特网的核心部分,网络核心部分是因特网中最复杂的部分。网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信（即传送或接收各种形式的数据）。在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router)。路由器是实现分组交换(packetswitching)的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。,因特网的核心部分（续）,因特网的核心部分是由许多网络和把它们互连起来的路由器组成，而主机处在因特网的边缘部分。在因特网核心部分的路由器之间一般都用高速链路相连接，而在网络边缘的主机接入到核心部分则通常以相对较低速率的链路相连接。主机的用途是为用户进行信息处理的，并且可以和其他主机通过网络交换信息。路由器的用途则是用来转发分组的，即进行分组交换的。为了说明分组交换的原理，先介绍电路交换。,核心路由器互连网络示意图,电路交换的主要特点,两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。电路交换必定是面向连接的。电路交换的三个阶段：建立连接通信释放连接,报文,分组交换的主要特点,在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段，如64KB。,三种交换的比较,ABCD,ABCD,ABCD,报文交换,电路交换,分组交换,t,数据传送的特点,比特流直达终点,报文,报文,报文,分组,分组,分组,存储转发,存储转发,存储转发,存储转发,互联网的分层结构,4.1.2从互联网到物联网,互联网是一个完全虚拟的世界，人与人之间的交流只是信息和知识的交流。而物联网则不需要，它是通过在物体里植入的各种微型的芯片实现人与物体本体的直接相连。但是，物联网必须借助互联网才能实现全球互联，在本身的信息储存与识别技术基础之上，还需要嵌入无线网络、移动通信网络和互联网才能实现信息的传递。,4.1.3IPv6与物联网,IPv6(InternetProtocolVersion6)是IETF(互联网工程任务组，InternetEngineeringTaskForce)设计的用于替代现行版本IP协议(IPv4)的下一代IP协议。IPv6所拥有的地址容量是IPv4的约81028倍，达到2128个。这不但解决了网络地址资源数量的问题，同时也为除电脑外的设备连入互联网在数量限制上扫清了障碍。,4.1.3IPv6与物联网,1、IPv6对物联网的支持(1)IPv6在物联网寻址中的优势；(2)IPv6对物联网节点移动性的支持；(3)IPv6在保证物联网网络质量中的优势；(4)IPv6在物联网安全中的优势；(5)存在的问题。,4.1.3IPv6与物联网,2、物联网对于IPv6的意义物联网的发展对于IPv6产生了很大的需求，可以说，IPv6在此看到了新的发展契机。为加快IPv6取代IPv4的进程，IPv6的发展必须以物联网的发展为依托，从物联网的发展需求中获得自身发展的强大动力。,4.2移动通信技术,所谓移动通信，是指通信双方或至少一方是在运动中实现信息传输的过程或方式。例如移动体（车辆、船舶、飞机、人）与固定点之间、或移动体之间的通信等等。,1、移动通信的发展历史（1）第一代（1G：1Generation）第一代移动通信系统是模拟移动通信系统，以美国的AMPS(IS-54)和英国的TACS为代表，采用频分双工、频分多址制式，并利用蜂窝组网技术以提高频率资源利用率，克服了大区制容量密度低、活动范围受限的问题。虽然采用频分多址，但并未提高信道利用率，因此通信容量有限；通话质量一般，保密性差；制式太多，标准不统一，互不兼容；不能提供非话数据业务；不能提供自动漫游。因此，已逐步被各国淘汰。,4.2.1移动通信概述,（2）第二代（2G：2Generation）第二代移动通信系统为数字移动通信系统，以GSM和窄带CDMA为典型代表。第二代移动通信系统中采用数字技术，利用蜂窝组网技术。多址方式由频分多址转向时分多址和码分多址技术，双工技术仍采用频分双工。2G采用蜂窝数字移动通信，使系统具有数字传输的种种优点，它克服了1G的弱点，话音质量及保密性能得到了很大提高，可进行省内、省际自动漫游。但系统带宽有限，限制了数据业务的发展，也无法实现移动的多媒体业务。,4.2.1移动通信概述,（3）第三代（3G：3Generation）第三代移动通信系统的目标是能提供多种类型、高质量的多媒体业务；能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力；与固定网络的各种业务相互兼容，具有高服务质量；与全球范围内使用的小型便携式终端在任何时候任何地点进行任何种类的通信。国际电信联盟(ITU)在2000年5月确定WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三大主流无线接口标准。,4.2.1移动通信概述,2、移动通信的特点(1)用户的移动性。(2)电波传播条件复杂。(3)噪声和干扰严重。(4)系统和网络结构复杂。(5)有限的频率资源。,4.2.1移动通信概述,3、移动通信的分类(1)集群移动通信。(2)公用移动通信系统。(3)卫星移动通信。(4)无绳电话。(5)寻呼系统。,4.2.1移动通信概述,4、移动通信网的系统构成,4.2.1移动通信概述,5、移动通信网的覆盖方式(1)大区制(2)小区制,4.2.1移动通信概述,当把多个用户接入一个公共的传输媒质实现相互间通信时，需要给每个用户的信号赋以不同的特征，以区分不同的用户，这种技术称为多址技术。,4.2.1用户多址技术,多址方式的基本类型有：（1）频分多址方式(FDMA，FrequencyDivisionMultipleAccess)；（2）时分多址方式(TDMA，TimeDivisionMultipleAccess)；（3）空分多址方式(SDMA，SpaceDivisionMultipleAccess)；（4）码分多址方式(CDMA，CodeDivisionMultipleAccess)。目前移动通信系统中常用的是FDMA、TDMA、CDMA以及它们的组合。,4.2.1用户多址技术,“3G”(3rd-generation)或“三代”是第三代移动通信技术的简称，是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送声音(通话)及数据信息(电子邮件、即时通信等)，其代表特征是提供高速数据业务，速率一般在几百Kb/s。相对第一代模拟制式手机(1G)和第二代GSM、CDMA等数字手机(2G)，一般地讲，3G是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。,4.2.2宽带移动通信3G技术,3G与2G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线漫游，并能处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供网页浏览、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。为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mb/s、384Kb/s以及144Kb/s的传输速度,4.2.2宽带移动通信3G技术,业界将CDMA技术作为3G的主流技术，国际电联确定三个无线接口标准，分别是美国CDMA2000、欧洲WCDMA、中国TD-SCDMA。目前国内支持国际电联确定三个无线接口标准，分别是中国电信的CDMA2000、中国联通的WCDMA、中国移动的TD-SCDMA。2007年，WiMAX也被接受为3G标准之一。,4.2.2宽带移动通信3G技术,1、WCDMAWCDMA是WidebandCodeDivisionMultipleAccess(宽带码分多址)的英文简称，是一种由3GPP(第三代合作伙伴计划)具体制定的，基于GSM移动应用部分核心网，UTRAN(UMTS陆地无线接入网)为无线接口的第三代移动通信系统。目前WCDMA有Release99、Release4、Release5、Release6等版本。,4.2.2宽带移动通信3G技术,2、TD-SCDMATD-SCDMA全称为TimeDivision-SynchronousCDMA(时分同步CDMA)，该标准是由中国独自制定的，1999年6月29日，中国原邮电部电信科学技术研究院(大唐电信)向ITU提出，但技术发明始于西门子公司，TD-SCDMA具有辐射低的特点，被誉为绿色3G。,4.2.2宽带移动通信3G技术,3、CDMA2000CDMA2000是由窄带CDMA(CDMAIS95)技术发展而来的宽带CDMA技术，也称为CDMAMulti-Carrier，它是由美国高通北美公司为主导提出，摩托罗拉、Lucent和后来加入的韩国三星都有参与，韩国现在成为该标准的主导者。,4.2.2宽带移动通信3G技术,(1)移动通信终端在物联网中的应用(2)移动通信传输网络在物联网中的应用(3)移动通信网络管理平台在物联网中的应用,4.2.3移动通信与物联网,虽然现在已经有了一些移动技术和物联网的融合应用，但是大都局限于一些特定行业，还远没有在人们的日常生活中普及。究其原因，主要在于两个方面：一是缺乏统一的相关标准对市场的规范和引导，这是移动技术和物联网大规模融合应用首先需要解决的主要问题；二是能够吸引大众的具体业务还有待于大力地研究开发，同第三代移动通信的发展普及类似，缺乏有足够吸引力的具体应用业务是影响移动通信大规模应用于物联网的另一个主要因素。,4.2.3移动通信与物联网,一般意义上，只要通信收发双方通过无线电波传输信息且传输距离限制在较短范围(几十米)以内，就可称为短距离无线通信。常见的有：(1)蓝牙技术(2)Wi-Fi技术(3)ZigBee技术(4)UWB技术(5)IrDA技术(6)NFC技术,4.3短距离无线通信技术,ZigBee是一种短距离、低功耗的无线网络技术，主要由ZigBee联盟制定，其底层是采用IEEE802.15.4标准规范的MAC与PHY层。,4.3.1ZigBee,4.3.1ZigBee,ZigBee技术特点(1)低功耗(2)低成本(3)低速率(4)近距离(5)短时延(6)高容量(7)高安全(8)免执照频段(9)自组织网通信方式(动态路由)。,4.3.1ZigBee,4.3.1ZigBee,Bluetooth(蓝牙)是一种支持设备短距离通信(一般10m内)的无线电技术，蓝牙能在移动电话、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。,4.3.2蓝牙,1、蓝牙技术优势(1)全球可用(2)设备范围广(3)易于使用(4)全球通用的规格,4.3.2蓝牙,2、蓝牙技术规范蓝牙共有六个版本：V1.1、V1.2、V2.0、V2.1、V3.0、V4.0，V1.1和V1.2为最早期版本，传输率约为748810Kb/s，因是早期设计，容易受到同频率产品的干扰，影响通讯质量。,4.3.2蓝牙,以通讯距离来分类，蓝牙的不同版本可再分为ClassA和ClassB。ClassA用在大功率、远距离的蓝牙产品上，但因成本高和耗电量大，不适合作为个人通讯产品使用(手机、蓝牙耳机、蓝牙Dongle等)，故多用在部分特殊商业用途上，通讯距离大约在80100m之间。ClassB是目前最流行的制式，通讯距离大约在830m之间，视产品的设计而定，多用于手机内、蓝牙耳机、蓝牙软件狗的个人通讯产品上，耗电量和体积较细，方便携带。,4.3.2蓝牙,蓝牙4.0包括三个子规范，即传统蓝牙技术、高速蓝牙和新的蓝牙低功耗技术。蓝牙4.0的改进之处主要体现在三个方面电池续航时间、节能和设备种类，拥有低成本、跨厂商互操作性、3毫秒低延迟、100米以上超长