无线传感器网络与物联网通信技术 课件 第5章 物联网无线通信技术

第5章物联网无线通信技术第5章物联网无线通信技术2目录5.1蓝牙技术5.2Wi-Fi技术5.3ZigBee技术5.4LoRa技术5.5NB-IoT技术5.65G技术5.7本章小结5.1蓝牙技术5.1.1蓝牙技术简介蓝牙（Bluetooth）是一种典型、广泛使用的短距离无线通信技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间以及设备与互联网之间的通信传输，可使数据传输变得快速、高效。图5-1蓝牙微微网连接方式图5-2蓝牙散射网连接方式5.1蓝牙技术5.1.1蓝牙技术简介结合蓝牙技术的发展，根据应用和所采用协议，蓝牙技术可分为两大类，即经典蓝牙模式和低功耗蓝牙模式（BluetoothLowEnergy，BLE），如图5-3所示。5.1蓝牙技术5.1.2蓝牙协议——蓝牙协议体系结构按照蓝牙协议栈的层次体系结构，蓝牙协议可分为3类，即底层协议、中间层协议和高层协议，如图5-4所示。5.1蓝牙技术蓝牙底层协议蓝牙底层协议作为蓝牙协议栈的基础，负责蓝牙信息数据流传输链路的实现，包括射频协议、基带协议和链路管理协议。①射频协议（RadioFrequencyProtocol，RFP），用于规范硬件模块上的无线通信技术，主要包括频段与信道选择、发射机与接收机的收发功率及调制方式等特性设置，实现数据的无线收发。②基带协议（BaseBandProtocol，BBP），位于射频协议之上，且这两个协议组成蓝牙物理层。③链路管理协议（LinkManagerProtocol，LMP），是蓝牙协议栈中的一个数据链路协议，负责在蓝牙设备之间建立连接。5.1蓝牙技术蓝牙中间层协议蓝牙中间层协议提供与底层协议间的接口，并为上层应用提供服务，实现数据帧的分解与重组、服务质量控制等，主要包括主机控制器接口、逻辑链路控制与适配、串口仿真、电话控制和服务发现5类协议。①主机控制器接口协议（HostControllerInterfaceProtocol，HCI），位于底层LMP协议和中间层逻辑链路控制与适配协议之间，是蓝牙协议栈中软硬件之间的接口，为上层协议提供访问和调用底层连接管理和基带等资源的统一接口与命令方式。②逻辑链路控制与适配协议（LogicalLinkControlandAdaptationProtocol，L2CAP），是基带的高层协议，主要面向链路进行操作，可认为该协议与LMP协议并行工作，它们的区别在于当业务数据不经过LMP协议时，L2CAP协议为上层提供服务。5.1蓝牙技术蓝牙中间层协议③串口仿真协议（RFCOMM），又称为线缆替换协议，实现RS-232串口控制和数据信号的仿真功能，以此来实现设备间的串行通信，从而为采用串行传输机制的上层协议提供服务。④电话控制协议（TelephonyControlProtocolSpecification，TCS），是面向比特的协议，定义蓝牙设备之间建立语音和数据呼叫所需的控制信令，通过一套电话控制命令（ATCommands，AT命令集）定义了在多使用模式下关于控制移动电话和调制解调器的管理进程。⑤服务发现协议（ServiceDiscoveryProtocol，SDP），是所有应用架构的基础，该协议提供服务注册的方法和访问服务发现数据库的途径。利用该协议可查询到设备信息和服务类型，从而在蓝牙设备之间建立相应的连接。5.1蓝牙技术蓝牙高层协议蓝牙高层协议面向应用框架，主要包括对象交换协议、无线应用协议和音频协议等。①对象交换协议（ObjectExchangeProtocol，OBEX）。蓝牙技术联盟采用了红外数据协会针对红外数据链路上的数据对象交换问题制定的OBEX协议，并在蓝牙协议栈上进行移植。②无线应用协议（WirelessApplicationProtocol，WAP）。WAP协议融合了各种广域无线网络技术，利用该协议可将互联网内容和电话业务传送到数字蜂窝电话或其他无线终端上，进而以此为基础可开发适应蓝牙无线应用环境的高层应用软件。③音频协议（Audio）。音频协议并不属于蓝牙协议栈的规定内容，但可认为是直接面向应用的软件协议，可通过在基带上直接传输SCO数据分组来实现。④选用协议。蓝牙协议融合互联网通信协议，包括运行于串口仿真协议之上的点对点协议（PointtoPointProtocol，PPP）和UDP/TCP/IP协议。5.1蓝牙技术5.1.2蓝牙协议——低功耗蓝牙协议体系结构相对经典蓝牙协议来说，低功耗蓝牙协议的体系架构较为简单，主要由控制器、主机和应用层3部分组成，如图5-5所示。5.1蓝牙技术低功耗蓝牙协议体系结构——控制器控制器位于低功耗蓝牙协议栈的底层，主要由物理层和链路层构成，表征为一个物理设备，可被嵌入蓝牙芯片内部，负责执行蓝牙设备发现、建立连接等低等级的操作。低功耗蓝牙协议体系结构——主机主机位于主机控制器接口协议的上层，由L2CAP协议、属性协议（AttributeProtocol，ATT）、安全管理协议（SecurityManagerProtocol，SMP）、通用属性规范（GenericAttributeProfile，GATT）和通用访问规范（GenericAccessProfile，GAP）构成。低功耗蓝牙协议体系结构——应用层应用层是面向蓝牙的各种应用程序的集合。5.1蓝牙技术低功耗蓝牙技术优势①功耗低。低功耗蓝牙技术使用的跳频间隔为2MHz，最多只涉及40个跳频信道，且仅使用3个跳频信道进行广播，在很大程度上降低了蓝牙设备广播时所需的功耗。②连接速度快。低功耗蓝牙技术允许设备在发送广播数据的同时，在接收到其他蓝牙设备的扫描和连接请求后，允许链路层自动对请求做出响应并回复，进而建立连接。③安全性高。低功耗蓝牙技术引入AES（AdvancedEncryptionStandard）加密技术，提升了无线传输的安全性。④集成性好。由于低功耗蓝牙技术所具有的优势，设备开发和集成厂家在各种终端设备中广泛植入低功耗蓝牙器件，也进一步推进了智能终端设备的快速应用和发展。5.2Wi-Fi技术5.2.1Wi-Fi技术简介Wi-Fi技术的标准由美国电气和电子工程师协会（IEEE）制定。该技术发展最早始于1997年提出的IEEE802.11标准（定义了WLAN的基本物理层和MAC层协议标准）。几种典型的IEEE802.11标准的简要描述如表5-1所示。标准名称主要描述IEEE802.11原始标准，工作在2.4GHz的ISM频段，使用DSSS和FHSS数据传输方式，支持速率为2Mbit/sIEEE802.11a高速WLAN标准，工作在5GHz的ISM频段，使用OFDM调制方式，速率可达54Mbit/sIEEE802.11b最初的Wi-Fi标准，工作在2.4GHz的ISM频段，使用DSSS和CCK调制方式，速率可达11Mbit/sIEEE802.11g工作在2.4GHz的ISM频段，使用OFDM调制方式，兼容IEEE802.11b标准，速率可达54Mbit/sIEEE802.11n工作在2.4GHz或5GHz的ISM频段，融合了MIMO无线通信技术和OFDM调制技术，兼容IEEE802.11a/b/g，速率可达150Mbit/s，甚至600Mbit/sIEEE802.11ax工作在2.4GHz或5GHz的ISM频段，引入MU-MIMO、1024-QAM等技术，兼容IEEE802.11a/b/g/n/ac，速率可达9.6Gbit/s5.2Wi-Fi技术5.2.1Wi-Fi技术简介Wi-Fi技术的应用优势主要体现在以下几个方面。①无线电波的覆盖范围大。Wi-Fi技术的覆盖范围可达100m左右。②传输速率快。从Wi-Fi标准可以看出，IEEE802.11b的传输速率可达11Mbit/s。③技术进入门槛低。Wi-Fi技术的使用非常方便，只需在应用场所放置热点并与互联网连通，用户终端在此Wi-Fi热点的无线覆盖范围内就可接入互联网。④无线环境健康安全。Wi-Fi标准所定义的无线发射功率不超过100mW，所构建的无线网络环境对应用环境和人员是健康安全的。5.2Wi-Fi技术5.2.2Wi-Fi基本原理如图5-6所示，若干个站点（STA）和一个接入点（AP）组成基本服务集（BSS），STA需要和AP建立关联后才能进行正常通信，若干个BSS通过分配系统（DS）构成扩展服务集（ESS）。5.2Wi-Fi技术5.2.2Wi-Fi基本原理Wi-Fi无线网络拓扑结构主要包含6部分：①站点，是网络中最基本的组成部分，比如智能手机、平板电脑等。②基本服务集，即网络中最基本的服务单元，两个站点就可构成最简单的服务集，站点也可动态地连接到基本服务集中。③分配系统，用于连接不同的基本服务集。④接入点，是一组站点与分布式系统之间提供接口的站点，既有普通站点的身份，又具备接入分配系统的功能。⑤扩展服务集，由分配系统和基本服务集组合构成，由于不同的基本服务集在地理位置上可能不相近，因此是一种逻辑上的组合。⑥关口，用于将无线局域网和有限局域网或其他网络联系起来，也是一个逻辑成分。5.2Wi-Fi技术5.2.3Wi-Fi

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技术优势随着无线局域网用户数及各种无线接入终端设备的爆炸式增长，传统的无线局域网标准难以满足站点数量密集、接入频繁、大业务数据量等场景下的快速传输需求，为此，IEEE于2013年成立了一个研究小组，旨在开发新一代的高效无线局域网（HighEfficientWLAN，HEW）标准，即IEEE802.11ax标准。经过不断完善，最终被确认为第6代Wi-Fi技术标准（命名为Wi-Fi6），并于2019年正式发布并启动该标准的商业认证计划。5.2Wi-Fi技术Wi-Fi

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关键技术正交频分多址（OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess，OFDMA）技术是正交频分复用（OFDM）技术的改进。多用户多输入多输出（Multi-UserMultiple-InputMultiple-Output，MU-MIMO）技术使接入点能够同时与多个用户站点相互传输数据，提升了网络容量，适合语音、视频等大数据量的快速传输。目标唤醒时间（TargetWakeTime，TWT）调度机制是一种节能管理技术，该技术通过接入点统一调度站点在不同的接入时间段内传输数据，让接入点和各个用户站点协商传输时间表，最小化用户站点之间的传输竞争，达到降低通信能耗的目的。更高阶的正交幅度调制（QuadratureAmplitudeModulation，QAM）技术，达到1024-QAM。5.2Wi-Fi技术Wi-Fi6技术特点①吞吐量更高，传输速率更快。在高密度部署场景下，用户站点的平均吞吐量比前一代标准提高了4倍；链路的传输速率得到很大提升，最高传输速率可达9.6Gbit/s，网络时延得到明显改善。②网络设备的功率利用效率得以提升。IEEE802.11ax标准所引入的节能管理技术进一步提升了网络设备的功率利用效率，在电池供电情况下，使得用户站点能够具有更长的续航能力和寿命。③兼容性好。IEEE802.11ax标准能够兼容常用的IEEE802.11无线局域网标准，能够与现有绝大多数设备共存。④网络服务质量得以提升。IEEE802.11ax标准的高性能技术保证了网络能够提供高质量的用户服务效果。5.3ZigBee技术5.3.1ZigBee技术简介ZigBee技术在IEEE802.15.4标准的物理层和MAC层基础上，重新定义了网络层和应用层协议，形成新的通信规范，所具有的特点主要体现在以下方面。①功耗低。②时延短。③传输速率低。④网络容量大。⑤工作频段灵活。⑥安全性高。⑦成本低。5.3ZigBee技术5.3.2ZigBee节点设备类型ZigBee网络含有3种类型的节点设备，包括协调器（Coordinator）、路由器（Router）和终端设备（End-Device）。根据节点设备的通信能力，ZigBee网络还针对节点设备定义了两种功能，以此来判断节点设备相互组网连通的能力，即全功能设备（FullFunctionDevice，FFD）和精简功能设备（ReducedFunctionDevice，5.3ZigBee技术5.3.3ZigBee体系结构ZigBee网络拓扑结构在IEEE802.15.4标准所定义的点到点拓扑和星形拓扑的基础上，进一步支持星形网络、树状网络和网状（Mesh）网络，如图5-8所示，这些拓扑结构离不开ZigBee网络协议体系结构的支持。5.3ZigBee技术5.3.3ZigBee体系结构ZigBee网络协议体系结构参考了OSI模型，与无线传感器网络的基本协议体系结构类似，并经过一定简化，包含物理层、MAC层、网络层和应用层。也有文献将网络的安全服务从四层体系结构中剥离出来，构成单独的安全服务提供层（SecurityServiceProvider，SSP）。如图5-9所示。5.4LoRa技术5.4.1LoRa技术简介LoRa技术是一种远距离传输、低功耗、低成本的无线通信技术。LoRa技术的特点主要体现在以下几个方面。①工作在非授权的ISM频段上，主要包括433MHz、868MHz、915MHz等。②传输距离远。在城镇环境下的传输距离为2～5km，在空旷环境下的传输距离可达15km。③传输速率低。LoRa技术的数据传输速率为0.3～50kbit/s。④网络结构简单。LoRa组网采用简单的星形网络拓扑结构形式。⑤网络容量大。一个LoRa网络能够连接上千甚至上万个节点。⑥功耗低。LoRa节点与网关直接通信，不传输数据的节点会进入睡眠状态。⑦可靠性高。LoRa组网采用扩频调制技术。5.4LoRa技术5.4.2LoRa协议结构LoRa网络规范除了位于底层的LoRa物理技术，还涉及LoRaWAN开放标准协议。LoRa网络的整体协议结构包含物理层、数据链路层和应用层3层。其网络协议结构如图5-10所示。5.4LoRa技术LoRa物理层调制技术方面，LoRa采用线性扩频（ChirpSpreadSpectrum，CSS）调制技术，并结合前向纠错编码技术来实现无线传输。CCS调制对传输数据进行高速采样并调制到脉冲信号上，形成的LoRa调制传输数据比特率可表示为其中，调制参数包括扩频因子（SpreadingFactor，SF）、调制带宽（Bandwidth，BW）和编码率（CodingRate，CR），分别直接影响LoRa无线通信的抗干扰能力、有效比特率和解码困难度，有以下关系5.4LoRa技术LoRa物理层LoRa调制利用线性扩频技术将负载信息的数据比特转换成若干个信息码片来进行扩频传输。扩频因子定义为码片速率与符号速率间的比值，表征每个数据比特发送的符号数量。利用扩频因子形成的码片信号是相互正交的，故可在同一频段内同时传输多个数据信息。LoRa扩频因子的配置见表5-2，可通过寄存器进行设置。SF等级（寄存器配置）扩频因子（码片/符号）6647128825695121010241120481240965.4LoRa技术LoRa物理层LoRa射频芯片的物理层可以配置4种不同的编码率，见表5-3，可通过寄存器配置方式实现编码率的选择。寄存器配置编码率开销比14/51.2524/61.5034/71.7544/82.005.4LoRa技术LoRaWAN协议层LoRaWAN协议根据应用的不同，分别定义了终端设备的3种工作模式，即ClassA、ClassB和ClassC，其中，ClassA模式是其他两种模式的基础。ClassA是协议默认的终端工作模式，采用完全异步传输的双向通信方式，在每个终端节点上行传输之后，紧接着是两个短暂的下行传输链路接收窗口，用于接收网关返回的命令或数据，如图5-11所示。5.4LoRa技术LoRaWAN协议层ClassB模式除了具有ClassA模式一样的通信功能，还允许网关主动发起通信，终端节点可在特定时间打开接收窗口，该模式又称为拥有预定接收时间槽的ClassA模式。为了确保该类型终端节点能够在特定时间完成数据传输，网关需要发送时间同步信标（Beacon），终端节点在监听过程中收到同步信标后完成与网关的时间同步，进而终端节点打开接收窗口Ping时隙，网关向终端节点下发数据信息，如图5-12所示。5.4LoRa技术LoRaWAN协议层ClassC模式称为大接收窗口时间槽机制，面向持续监听类应用。该模式下，终端节点除了在发送时短暂关闭，其他时间均处于打开接收窗口状态，以实时监听网关下发的数据信息，如图5-13所示。5.4LoRa技术5.4.3LoRa网络结构LoRa网络主要由终端节点、网关（或称基站）、网络服务器和应用服务器组成，其网络结构如图5-14所示。5.4LoRa技术5.4.3LoRa网络结构在LoRa网络中，终端节点与网关之间以星形网络连接在一起，网关处于星形网络的核心位置。根据无线传输形式，LoRa网络可分解为3种组网通信方式，分别为点对点通信、星形网轮询组网和星形网并发组网。星形轮询组网星形并发组网5.5NB-IoT技术5.5.1NB-IoT技术简介基于授权频谱的LPWAN技术以窄带物联网（NarrowBandInternetofThings，NB-IoT）和增强机器类通信（enhancedMachineTypeCommunication，eMTC）技术为典型代表。NB-IoT技术的特点主要体现在以下几个方面。①覆盖范围广。②网络接入量大。③功耗低。④稳定可靠。⑤成本低。5.5NB-IoT技术5.5.2NB-IoT协议结构——网络接口协议NB-IoT针对窄带通信需求提出一种新的空口技术，其无线接口协议包含物理层、数据链路层和网络层3部分，并规划了两种数据传输模式，即控制面（ControlPlane，CP）模式和用户面（UserPlane，UP）模式。两种模式的协议结构如图5-17所示。5.5NB-IoT技术5.5.2NB-IoT协议结构——物理层NB-IoT技术的频谱资源有限，工作在200kHz的窄带带宽上，其中的运行带宽为180kHz，两侧分别有10kHz的保护频带，因此，需要充分利用该有限的带宽资源。根据设计需要，NB-IoT技术提供了3种部署方式，即独立部署（StandAlone）、带内部署（In-Band）和保护带部署（GuardBand），如图5-18所示5.5NB-IoT技术5.5.2NB-IoT协议结构——下行传输链路NB-IoT下行传输链路的带宽为180kHz，子载波间隔采用与LTE相同的15kHz，下行方式采用正交频分多址接入OFDMA技术。帧结构方面，一个长度为10ms的无线数据帧由10个长度为1ms的子帧构成，每个子帧在频域上包含12个连续的子载波。为了适应低成本的用户终端设计，NB-IoT对NPSS和NSSS序列进行了限定，其中，NPSS在每个无线数据帧的第5个子帧发送，周期为10ms；NSSS在偶数帧的无线数据帧的第9个子帧发送，周期为20ms，如图5-19所示。5.5NB-IoT技术5.5.2NB-IoT协议结构——上行传输链路NB-IoT上行传输链路的带宽为180kHz，子载波间隔分别支持3.75kHz和15kHz两种形式。相对来说，3.75kHz间隔比15kHz间隔可提供更大的系统容量，能在一定程度上增强网络覆盖效果；而在带内部署时，15kHz间隔是LTE标准子载波模式，能够获得更好的系统兼容性。上行方式采用单载波频分多址接入（Single-CarrierFrequencyDivisionMultipleAccess，SC-FDMA）技术，NB-IoT支持两类上行传输模式，一类是单子载波Single-tone方式，配置3.75kHz和15kHz两种子载波间隔；另一类是多子载波Multi-tone方式，配置15kHz子载波间隔。采用3.75kHz子载波间隔，其对应的数据子帧长度和时隙也将有所变化。5.5NB-IoT技术5.5.3NB-IoT网络架构NB-IoT网络架构和LTE网络架构基本一致，在LTE的演进分组核心（EvolvedPacketCore，EPC）网络架构的基础上，针对NB-IoT自身流程进行了优化协调，如图5-20所示。5.5NB-IoT技术5.5.4NB-IoT关键技术——覆盖增强技术为强化NB-IoT无线信号的覆盖范围，针对下行的无线传输链路，网络主要通过加大各信道向用户终端的最大重传次数，即设计重传机制，再在用户终端对重复接收的数据进行合并，来实现数据通信质量的提高，进而获得无线信号的覆盖增强。这种处理方式可在一定程度上增加覆盖范围，但重传机制必然会引起传输时延的增加，进而影响到信息传输的实时性。特别是在无线信号覆盖较弱的区域，虽然可建立网络与用户终端的连通，但难以保障实时性要求较高的业务。5.5NB-IoT技术5.5.4NB-IoT关键技术——低功耗技术NB-IoT设计了两种低功耗技术，分别是省电模式（PowerSavingMode，PSM）和扩展非连续接收（extendedDiscontinuousReception，eDRX）技术。在PSM模式中，用户终端完成数据传输后向网络申请进入深度睡眠，如图5-21eDRX技术引入不连续接收的工作机制，以提升下行传输响应的可到达性，如图5-22图5-21图5-225.65G技术5.6.15G简介第一代移动通信系统（1G）采用的是模拟技术，只能用于话音需求。第二代移动通信系统（2G）基于数字通信技术，解决了模拟系统频谱效率低下、网络容量有限、易受干扰等缺陷，主要有GSM和CDMA两种标准系统。第三代移动通信系统（3G）以CDMA多址接入技术为基础，在系统容量、传输速率等方面得到进一步提升，涉及美国主导提出的CDMA2000技术、欧洲主导提出的宽带CDMA技术、我国主导提出的时分同步TD-SCDMA技术。第四代移动通信系统（4G）以LTE为核心内容，引入正交频分复用OFDM和多输入多输出（MultipleInputMultipleOutput，MIMO）等关键技术，具有更高的频谱效率、数据传输速率和传输质量，能够满足用户对语音、视频、网络访问等无线业务的需求。5.65G技术5.6.15G简介5G以构建面向用户为中心的全方位信息生态系统为目标，期望实现人与物在任意时间、任意地点的信息共享。国际电信联盟ITU定义了5G的三大应用场景：①增强移动带宽（enhancedMobileBroadband，eMBB）。面向数据流量的爆发式增长，强大的网络吞吐量和实时处理能力能够为移动互联网用户提供更加极致的应用体验。②海量机器类通信（massiveMachine-TypeCommunication，mMTC）。面向百亿台数量级网络设备的无线接入需求。③高可靠低时延通信（ultraReliable&LowLatencyCommunication，uRLLC）。面向具有严格要求的应用场景，提供高可靠和低时延的通信保障能力。5.65G技术5.6.25G关键技术概述作为新一代的移