第6章物联网通信

1、武昌理工学院武昌理工学院 邓谦邓谦第第6 6章章 物联网通信物联网通信http:/ 6章章 物联网通信物联网通信IP通信技术6.1http:/ 理解IP通信技术基础 掌握路由器的工作原理及IP路由协议功能 理解典型的近距离无线通信技术原理及应用 掌握Wi-Fi网络的架构 掌握移动通信系统的组成 理解4G系统网络结构及其关键技术第第6 6章章 物联网通信物联网通信http:/ 基于基于IPIP协议的设备可以实现全球互联，具有被协议的设备可以实现全球互联，具有被任何设备在任何地点访问的优势，如任何设备在任何地点访问的优势，如PCPC机、手机、机、手机、PDAsPDAs、数据库服务器以及其它智能化设

2、备。目前、数据库服务器以及其它智能化设备。目前，几乎所有的设备都支持，几乎所有的设备都支持IPIP通信网络，包括服务器通信网络，包括服务器集群、高速磁盘阵列、手机、低功耗嵌入式设备。集群、高速磁盘阵列、手机、低功耗嵌入式设备。尽管尽管IPIP通信技术最初是为计算机网络设计的，然而通信技术最初是为计算机网络设计的，然而其本质上的灵活性，已经使得其本质上的灵活性，已经使得IPIP通信网连接各种不通信网连接各种不同设备以及各种不同应用成为可能。同设备以及各种不同应用成为可能。6.16.1IPIP通信技术通信技术http:/ TCP/IP TCP/IP协议体系是协议体系是2020世纪世纪7070年代中

3、期美国国年代中期美国国防部为其高级研究项目专用网络（防部为其高级研究项目专用网络（Advanced Advanced Research Projects Agency NetworkResearch Projects Agency Network，ARPANetARPANet）开发的网络体系结构和协议标准，以它为基础组）开发的网络体系结构和协议标准，以它为基础组建的建的InternetInternet是目前世界上规模最大的计算机互联是目前世界上规模最大的计算机互联网络，正因为网络，正因为InternetInternet的广泛使用，使得的广泛使用，使得TCP/IPTCP/IP协协议体系成为事实上

4、的标准。议体系成为事实上的标准。6.1.1 TCP/IP6.1.1 TCP/IP协议协议http:/ TCP/IP6.1.1 TCP/IP协议协议TCP/IP模型与OSI参考模型http:/ 网络网络接口层：接口层：TCP/IPTCP/IP的网络接口层大体对应于的网络接口层大体对应于OSIOSI参考模型的数据链路层和物理层，通常包括计参考模型的数据链路层和物理层，通常包括计算机和网络设备的接口驱动程序与网络接口卡等。算机和网络设备的接口驱动程序与网络接口卡等。 网络层网络层：网络层是：网络层是TCP/IPTCP/IP体系的关键部分。它体系的关键部分。它的主要功能是使主机能够将信息发往任何网络并

5、传的主要功能是使主机能够将信息发往任何网络并传送到正确的目的主机。送到正确的目的主机。6.1.1 TCP/IP6.1.1 TCP/IP协议协议http:/ 传输传输层：层：TCP/IPTCP/IP的传输层主要负责为两台主机的传输层主要负责为两台主机上的应用程序提供端到端的连接，使源、目的端主上的应用程序提供端到端的连接，使源、目的端主机上的对等实体可以进行会话。机上的对等实体可以进行会话。 应用层应用层：TCP/IPTCP/IP模型没有单独的会话层和表示模型没有单独的会话层和表示层，其功能融合在层，其功能融合在TCP/IPTCP/IP应用层中。应用层直接应用层中。应用层直接与用户和应用程序打交

6、道，负责对软件提供接口以与用户和应用程序打交道，负责对软件提供接口以使程序能够使用网络服务。使程序能够使用网络服务。6.1.1 TCP/IP6.1.1 TCP/IP协议协议http:/ 初始化初始化主机通过一个主机通过一个SYNSYN标志置位的数据段发标志置位的数据段发出会话请求。出会话请求。 接收接收主机通过发回具有以下项目的数据段表示主机通过发回具有以下项目的数据段表示回复：回复：SYNSYN标志置位、即将发送的数据段的起始字标志置位、即将发送的数据段的起始字节的顺序号，节的顺序号，ACKACK标志置位、期望收到的下一个数标志置位、期望收到的下一个数据段的字节顺序号。据段的字节顺序号。 请

7、求请求主机再回送一个数据段，主机再回送一个数据段，ACKACK标志置位，标志置位，并带有对接收主机确认序列号。并带有对接收主机确认序列号。6.1.1 TCP/IP6.1.1 TCP/IP协议协议http:/ TCP/IP6.1.1 TCP/IP协议协议TCP连接的建立http:/ 6.1.2 路由器与路由器与IPIP路由选择协议路由选择协议1. 1. 路由器。路由器。路由器路由器主要有以下几种主要有以下几种功能：功能： 网络互连网络互连：路由器支持各种局域网和广域网接：路由器支持各种局域网和广域网接口，主要用于互连局域网和广域网，实现不同网络口，主要用于互连局域网和广域网，实现不同网络互相通信

8、。互相通信。 数据处理数据处理：提供包括分组过滤、分组转发、优：提供包括分组过滤、分组转发、优先级、复用、加密、压缩和防火墙等功能。先级、复用、加密、压缩和防火墙等功能。 网络管理网络管理：路由器提供包括配置管理、性能管：路由器提供包括配置管理、性能管理、容错管理和流量控制等功能。理、容错管理和流量控制等功能。http:/ 6.1.2 路由器与路由器与IPIP路由选择协议路由选择协议路由器路由器由以下几部分组成由以下几部分组成： 中央处理器中央处理器（CPUCPU）: :路由器的路由器的CPUCPU用来运行用来运行路由器的操作系统以及在操作系统支撑下的各种服路由器的操作系统以及在操作系统支撑下

9、的各种服务。务。 存储设备存储设备（store devicesstore devices）: :路由器上的存储路由器上的存储设备用来存储路由器的引导程序、操作系统、路由设备用来存储路由器的引导程序、操作系统、路由器的配置文件以支持路由器操作系统的运行器的配置文件以支持路由器操作系统的运行。 接口接口: :路由器具有非常强大的网络连接和路由功路由器具有非常强大的网络连接和路由功能能http:/ 6.1.2 路由器与路由器与IPIP路由选择协议路由选择协议路由报文示意图http:/ 6.1.2 路由器与路由器与IPIP路由选择协议路由选择协议2. IP2. IP路由选择路由选择协议协议我们把路由协

10、议大体上分为以下我们把路由协议大体上分为以下3 3类。类。 距离距离矢量路由协议：根据距离矢量算法，确定矢量路由协议：根据距离矢量算法，确定网络中节点的方向与距离网络中节点的方向与距离。 链路链路状态路由协议：根据链路状态算法，计算状态路由协议：根据链路状态算法，计算生成网络的拓扑生成网络的拓扑。 混合型混合型路由协议：既具有距离矢量路由协议的路由协议：既具有距离矢量路由协议的特点，又具有链路状态路由协议的特点特点，又具有链路状态路由协议的特点。http:/ 6.1.2 路由器与路由器与IPIP路由选择协议路由选择协议链路状态路由协议与距离矢量路由协议链路状态路由协议与距离矢量路由协议比较：比

11、较：（1 1）对整个网络拓扑的）对整个网络拓扑的了解了解（2 2）计算路由的）计算路由的算法算法（3 3）路由）路由更新更新http:/ IPv66.1.3 IPv6简介简介1. 1. 扩展扩展的编址丰富互联的编址丰富互联需求需求2. 2. 自动配置便于即插即自动配置便于即插即用用3. 3. 简化的报头格式提供高效的简化的报头格式提供高效的传输传输4. 4. 强制的安全机制保障端到端的传输强制的安全机制保障端到端的传输安全安全5. 5. 增强的增强的移动移动6. 6. 增强的增强的QoSQoS服务保证传输服务服务保证传输服务质量质量http:/ 6.2.1 蓝牙技术蓝牙技术 蓝蓝牙技术实际上是

12、一种短距离无线电技术，利用该技术牙技术实际上是一种短距离无线电技术，利用该技术，能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话等移动，能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话等移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化以上这些设备通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化以上这些设备与因特网之间的通信，从而使这些现代通信设备与因特网之与因特网之间的通信，从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽了间的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽了道路。道路。6.26.2短距离无线通信技术短距离无线通信技术http:/ 6.2.1 蓝牙技术蓝牙技术1. 1. 蓝蓝

13、牙技术的规范及特点牙技术的规范及特点2 2. . 蓝牙协议体系结构蓝牙协议体系结构3. 3. 蓝牙的应用及蓝牙的应用及产品产品http:/ Zigbee6.2.2 Zigbee技术技术1 1. ZigBee. ZigBee技术特点技术特点2 2. . ZigBeeZigBee协议栈协议栈3. ZigBee3. ZigBee网络的拓扑结构及网络的拓扑结构及配置配置4. ZigBee4. ZigBee组网组网技术技术5. ZigBee5. ZigBee的应用场景的应用场景http:/ 6.2.3 超带宽技术超带宽技术1.1.超带宽的技术特点及应用超带宽的技术特点及应用2. 2. 脉冲脉冲无线电技术

14、无线电技术3 3. UWB. UWB调制技术调制技术4. UWB4. UWB多址多址技术技术http:/ Wi-Fi6.2.4 Wi-Fi技术技术1 1. Wi-Fi. Wi-Fi技术特点技术特点2 2. . Wi-FiWi-Fi构架和原理构架和原理3. Wi-Fi3. Wi-Fi网络的网络的使用使用http:/ 移动通信移动通信（Mobile CommunicationMobile Communication），是指），是指通信双方或至少有一方处于运动中进行信息传输和通信双方或至少有一方处于运动中进行信息传输和交换的通信方式。移动通信系统包括无绳电话、无交换的通信方式。移动通信系统包括无绳电

15、话、无线寻呼、陆地蜂窝移动通信、卫星移动通信等。移线寻呼、陆地蜂窝移动通信、卫星移动通信等。移动体之间通信联系的传输手段只能依靠无线电通信动体之间通信联系的传输手段只能依靠无线电通信，因此，无线通信是移动通信的基础，而无线通信，因此，无线通信是移动通信的基础，而无线通信技术的发展将推动移动通信的发展。技术的发展将推动移动通信的发展。6.36.3移动通信技术移动通信技术http:/ 1. . 移动通信系统的组成移动通信系统的组成 移动通信移动通信时移动体之间的通信，或移动体与固定体之间时移动体之间的通信，或移动体与固定体之间的通信。移动体可以是人，也可以是汽车、火车、轮船、收的通信。移动体可以是

16、人，也可以是汽车、火车、轮船、收音机等在移动状态的物体。移动通信包括无线传输、有线传音机等在移动状态的物体。移动通信包括无线传输、有线传输，纤细的收集、处理和存储等，使用的主要设备有无线收输，纤细的收集、处理和存储等，使用的主要设备有无线收发信机、移动减缓控制设备和移动终端设备。发信机、移动减缓控制设备和移动终端设备。6.3.1 6.3.1 移动通信系统简介移动通信系统简介http:/ 6.3.1 移动通信系统简介移动通信系统简介移动通信系统的组成http:/ 2. 移动通信的工作移动通信的工作频段频段 目前目前，大容量移动通信系统均使用，大容量移动通信系统均使用800MHz800MHz频段（

17、频段（CDMACDMA）,900MHz,900MHz频段（频段（AMPSAMPS、TACSTACS、GSMGSM），并开），并开始使用始使用1800MHz1800MHz频段（频段（GSM1800/DCS1800GSM1800/DCS1800），该频段），该频段用于微蜂窝（用于微蜂窝（MicrocellMicrocell）系统。第三代移动通信使用）系统。第三代移动通信使用2.4GHz2.4GHz频段。频段。6.3.1 6.3.1 移动通信系统简介移动通信系统简介http:/ 3. . 移动通信的工作移动通信的工作方式方式 从从传输方式的角度来看，无线通信分为单向传输（广播传输方式的角度来看，无线

18、通信分为单向传输（广播式）和双向传输（应答式）。式）和双向传输（应答式）。 单向传输单向传输只用于无线电寻呼系统，双向传输有单工、双只用于无线电寻呼系统，双向传输有单工、双工和半双工三种工作方式。工和半双工三种工作方式。6.3.1 6.3.1 移动通信系统简介移动通信系统简介http:/ 4. 移动通信的组移动通信的组网网 蜂窝式蜂窝式组网的目的是解决常规移动通信系统的频谱匮乏组网的目的是解决常规移动通信系统的频谱匮乏，容量小，服务质量差，频谱利用率低等问题。蜂窝式组网，容量小，服务质量差，频谱利用率低等问题。蜂窝式组网理论为移动通信技术的发展和新一代多功能设备的产生奠定理论为移动通信技术的发

19、展和新一代多功能设备的产生奠定了基础。了基础。6.3.1 6.3.1 移动通信系统简介移动通信系统简介http:/ 6.3.1 移动通信系统简介移动通信系统简介蜂窝移动通信小区覆盖http:/ 现代现代移动通信技术的发展始于本世纪移动通信技术的发展始于本世纪2020年代，大致经历年代，大致经历了五个发展阶段：了五个发展阶段： 1 1. . 第一代移动通信第一代移动通信: :模拟语音模拟语音 2 2. . 第二代移动通信：数字语音第二代移动通信：数字语音 3 3. . 第三代移动通信：数字语音与数据第三代移动通信：数字语音与数据 4 4. . 第四代移动通信技术第四代移动通信技术 5. 5G 5

20、. 5G通信技术？通信技术？.2移动通信的发展移动通信的发展http:/ 由于由于前两代移动通信系统都只能支持语音和低速数据业前两代移动通信系统都只能支持语音和低速数据业务，只有第三代移动通信系统才能提供足够带宽支持多媒体务，只有第三代移动通信系统才能提供足够带宽支持多媒体业务，因此本节所说的宽带移动通信主要是指第三代移动通业务，因此本节所说的宽带移动通信主要是指第三代移动通信信系统：系统： 1 1. W-CDMA. W-CDMA 2 2. CDMA2000. CDMA2000 3 3. TD-SCDMA. TD-SCDMA 4 4. WiMAX. WiMAX.3宽带移动通信宽带移动通信http:/ 从从短期来看，在未来物联网通信技术的研究过程中，下短期来看，在未来物联网通信技术的研究过程中，下面这些内容将是研究的面这些内容将是研究的重点：重点：（1 1）发展）发展“物品物品”与与“物品物品”之间以及之间以及“物品物品”与网络之与网络之间可以方便地进行信