物联网技术基础（中篇共上中下3篇）

物联网技术基础第4章物联网通信技术目录Content蓝牙技术ZigBee技术Wi-Fi技术短距离无线通信技术概述1234超宽带（UWB）技术移动通信技术56物联网通信技术主要是指短距离无线通信技术和移动通信技术，它们是物联网通信技术的基石。“”4.1短距离无线通信技术概述短距离无线通信技术一般指有效通信距离在厘米到百米范围内的无线通信技术，主要包括Wi-Fi技术、蓝牙技术、ZigBee技术、超宽带（UWB）技术、射频识别（RFID）技术、红外数据传输（IrDa）、近距离/近场通信（NearFieldCommunication，NFC）等。从数据的传输速率来分，可以将短距离无线通信分为：低速短距离无线通信技术高速短距离无线通信技术短距离无线通信最高数据传输速率高于100Mbps，通信距离小于10m的称为高速短距离无线通信技术；低速短距离无线通信技术的最低传输速率低于1Mbps，通信距离小于100m。短距离无线通信技术具有以下特点。（1）小范围区域内使用（2）低功耗（3）对等通信短距离无线通信技术（4）低成本（5）不用申请无线频道（6）高频操作4.2蓝牙技术蓝牙的实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的短距离无线接口，将通信技术与计算机技术进一步结合起来，它是各种设备在无电线或电缆相互连接的情况下，能在短距离范围内实现相互通信或操作的一种技术。1．蓝牙的概念蓝牙（Bluetooth）是一种支持设备短距离（一般在10m以内）通信的无线电技术，利用蓝牙技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间、设备与互联网之间的通信。牙采用分散式网络结构，支持点对点及点对多点通信，使用IEEE802.15协议，工作在全球通用的2.4GHzISM频段，传输速率为1Mbps，采用时分双工传输方案实现全双工传输。2．蓝牙技术的发展蓝牙是一种无线个人局域网，由蓝牙技术联盟（BluetoothSIG）制定了技术标准。2006年10月，联想公司取代IBM在该组织中的创始成员位置。后续又发布了蓝牙V3.0，蓝牙V4.0。2001年的V1.1版正式列入IEEE标准蓝牙技术联盟先后推出了V1.2，V2.0版及其他附加新功能。2016年6月17日，蓝牙技术联盟发布了新一代的蓝牙标准，命名为Bluetooth5。3．蓝牙技术的特点蓝牙技术具有以下主要特点。01全球范围适用02成本低，集成成本少03同时可传输语音和数据04具有很好的抗干扰能力05蓝牙模块体积很小，便于集成06低功耗07可以建立临时性的对等连接08开放的接口标准1．蓝牙系统的组成蓝牙系统由天线单元、链路控制（硬件）单元、链路管理（软件）单元和软件结构（协议栈）4个单元组成。蓝牙系统各单元的连接关系如图4-3所示。主终端链路

控制器基带

处理器链路

管理软件蓝牙

软件协议天线图4-3蓝牙系统各单元的连接关系蓝牙天线体积十分小巧、重量轻，属于微带天线。空中接口是建立在天线电平为0dBm的基础上的。1）天线单元链路控制（硬件）单元描述了硬件－基带链路控制器的数字信号处理规范。2）链路控制（硬件）单元链路管理器（LM）软件模块设计了链路的数据设置、鉴权、链路硬件配置和其他一些协议。3）链路管理（软件）单元蓝牙规范的协议栈仍采用分层结构，分别完成数据流的过滤和传输、跳频和数据帧传输、连接的建立和释放、链路的控制、数据的拆装、业务质量（QoS）、协议的复用和分用等功能。4）软件结构（协议栈）2．蓝牙的工作原理蓝牙技术规定每一对设备之间进行蓝牙通信时，必须一个为主角色，另一个为从角色，才能进行通信。1）蓝牙通信的主从关系蓝牙主端设备发起呼叫，首先是查找，主端设备找到从端蓝牙设备后，与从端蓝牙设备进行配对。配对完成后，主端即可向从端设备发起呼叫，已配对的设备在下次呼叫时，不再需要重新配对。2）蓝牙的呼叫过程已配对的设备，作为从端的蓝牙耳机也可以发起建链请求。链路建立成功后，主从两端之间即可进行双向的数据或语音通信。在通信状态下，主端和从端设备都可以发起断链，断开蓝牙链路。蓝牙设备在出厂前即提前设好两个蓝牙设备之间的配对信息，主端预存有从端设备的PIN码、地址等，两端设备加电即自动建链，透明串口传输，无需外围电路干预。3）蓝牙一对一的串口数据传输应用蓝牙技术的应用非常广泛而且极具潜力。如图4-4所示。打印机平板电脑手机键盘鼠标蓝牙耳机相机蓝牙AP传真机笔记本蓝牙图4-4蓝牙应用示意图1．在无线设备上的应用蓝牙最普及的应用是替代计算机与打印机、鼠标、键盘、扫描仪、投影设备等外设的连接电缆，以及使无线设备实现无线互联互通。2．在医疗方面的应用蓝牙设备可以嵌入在现代医疗设备中，取代原有的有线连接方式，使得各医疗设备之间互联，提高了医疗设备使用的灵活性，为病人的检查、护士的监护提供便利性，医生还可以使有些检查和治疗无线遥控进行，动态获取病人的生理数据，为治疗提供依据。3．在电子钱包和电子锁中的应用蓝牙构成的无线电子锁比其他非接触式电子锁或IC锁具有更高的安全性和适用性。在超市购物时，走向收银台，蓝牙电子钱包会发出一个信号，证明信用卡或现金卡上有足够的余额。4．在传统家电中的应用将蓝牙系统嵌入微波炉、洗衣机、电冰箱、空调等传统家用电器，使之智能化并具有网络信息终端的功能，能够主动发布、获取和处理新信息，赋予传统电器以新的内涵。5．在车载电话中的应用蓝牙车载电话是专为行车安全和舒适性而设计，乘车者只需要拥有一部带有蓝牙功能的手机，便可与车载蓝牙连接，从而通过车载蓝牙来接打电话。4.3ZigBee技术ZigBee是一种成本和功耗都很低的低速率、短距离无线接入技术，它主要针对低速率传感器网络而提出，能够满足小型化、低成本设备的无线联网要求。ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的组网、安全和应用软件方面的通信技术。ZigBee技术主要应用在短距离范围内且数据传输速率要求不高的电子设备之间。图4-5ZigBee网络示意图ZigBee网络通常由一个协调器（）、多个路由器（）和多个终端设备（）组成，如图4-5所示。ZigBee技术具有以下特点。（1）数据传输速率低。（3）成本低。（2）功耗低。（4）网络容量大。（5）有效范围小。（7）时延短。（9）工作频段灵活。（6）可靠。（8）高安全。1．ZigBee网络的设备类型在ZigBee网络中，根据设备的通信能力，可以分为：简化功能设备（RFD）全功能设备（FFD）网络设备类型

全功能设备（FFD）可以担任网络协调器，形成网络，让其他的全功能设备或是简化功能设备连接。简化功能设备（RFD）只提供部分的MAC服务，在网络中只能做终端节点，不能充当协调器和路由节点。根据设备在网络中承担的任务不同，ZigBee网络设备又可分为：PAN协调器协调器一般设备ZigBee网络设备ZigBee协调器是启动和配置网络的一种全功能设备，一个ZigBee网络只允许有一个ZigBee协调器。ZigBee路由器是一种支持关联的设备，允许其他设备加入网络，查找、建立及修复网络报文的路由信息并负责转发报文。ZigBee终端设备可以加入、退出网络，接收和发送网络报文。ZigBee网络根据应用需求可以组织成星型拓扑、树型拓扑和网状拓扑三种网络拓扑结构，如图4-6所示。2．ZigBee网络的拓扑结构图4-6ZigBee网络的拓扑结构（1）星型网络由全功能设备作为网络的中心，负责协调全网的工作。（2）树型网络由网状网通过全功能设备扩展网络，组成网状网与星型网构成的混合网。（3）网状网络中的每一个全功能设备同时可作为路由器，根据网络路由协议优化最短和最可靠的路径，并具有高度动态的拓扑结构和自组织、自维护功能。在ZigBee中，只有PAN协调点可以建立一个新的ZigBee网络。另外，这个ZigBee协调点还会为自己选择一个16bit网络地址。ZigBee协调点选定了网络地址后，就开始接受新的节点加入其网络。ZigBee主要适用于自动控制和远程控制领域（可以嵌入到各种设备中），目的是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制，典型应用如无线传感器网络。如图4-7所示。图4-7ZigBee应用示意图1．在智能家居中的应用运用ZigBee技术构建模拟的家居监测控制系统，可用若干支持ZigBee技术的模块安装在家电产品中，通过ZigBee收集各种信息，传送到中央控制装置。2．在医疗护理中的应用基于ZigBee网络的病房呼叫系统由中心控制协调器、呼叫转移路由节点、床头无线呼叫终端组成。ZigBee网络可以帮助医生和患者争取每一秒的时间。3．在其他智能领域的应用如在建筑智能化领域中，利用ZigBee网络技术，可以监测到建筑物内可能发生的火灾隐患、煤气泄漏并及早提供相关信息；在酒店里遍布供热通风与空气调节（HVAC）设备；在车站，持有ZigBee终端的乘客们可以随时得到导航信息；及其他领域。4.4Wi-Fi技术Wi-Fi可实现各种便携设备在局部区域内的高速无线连接或接入局域网。它实际上提供了一种能够将各种终端都使用无线进行互联的技术，为用户屏蔽了各种终端之间的差异性。1．Wi-Fi的概念Wi-Fi是一种能够将笔记本电脑、手持设备等终端以无线方式互相连接的技术。Wi-Fi的英文全称为WirelessFidelity，又叫802.11b标准，是IEEE定义的一个无线网络通信的工业标准。2．Wi-Fi的特点Wi-Fi技术的主要特点如下。1234567无线电波的覆盖范围广无需布线易扩展性上网相对健康安全高移动性传输速度快门槛比较低1．Wi-Fi的网络结构Wi-Fi的网络结构主要由站点（STA）、基本服务单元（BSS）、分配系统（DS）、接入点（AP）、扩展服务单元（ESS）、基本服务单元标识符（BSSID）、服务单元标识符（SSID）和关口（Portal）8个部分组成。Wi-Fi的网络结构如图4-8所示。图4-8Wi-Fi网络结构组成站点（STA）是具有无线网络接口的无线终端设备，是网络最基本的组成部分。1）站点（STA）基本服务单元（BSS）是无线局域网的最小构件。一个基本服务单元（BSS）包括一个基站和若干站点。2）基本服务单元（BSS）分配系统（DS）用于连接不同的基本服务单元（BSS），它通过必要的逻辑服务将匹配地址分配给目标站点，使移动终端设备得到支持，并在多个BSS间实现无缝整合。3）分配系统（DS）基本服务单元（BSS）里面的基站就叫做接入点（AP），AP既有普通站点的身份，又有接入到分配系统的功能。4）接入点（AP）扩展服务单元（ESS）由分配系统（DS）和基本服务单元（BSS）组合而成。5）扩展服务单元（ESS）基本服务单元标识符（BSSID）用一个48bit字符来标识基本服务单元（BSS）。6）基本服务单元标识符（BSSID）服务单元标识符（SSID）是用一个字符串标识的扩展服务单元（ESS），即通常所说的WLAN信号名称，最多可以有32个字符。7）服务单元标识符（SSID）关口（Portal）也是Wi-Fi网络结构的一个逻辑组成部分，用于将无线局域网和有线局域网或者其他网络联系起来。8）关口（Portal）站点使用的无线媒介分配系统使用的媒介和无线局域网集成在一起的其他局域网使用的媒介媒介这里有3种媒介，即2．Wi-Fi的组网模式Wi-Fi包括两种类型的组网模式：自组网（Ad-Hoc或IBSS）和基础架构模式。其中，自组网的网络结构如图4-9所示，基础架构模式的网络结构如图4-10所示。图4-9自组网图4-10基础架构模式基于自组网技术的无线网络（Ad-Hoc）通常也称为自组网，仅由两个及以上站点组成，这种类型的网络是一种松散的结构，网络中所有的站点都可以直接通信。1）自组网（Ad-Hoc或IBSS）基于AP组建的基础无线网络也称为基础网，是由AP创建，众多站点加入所组成的无线网络。2）基础架构模式架设无线网络的基本配备就是无线网卡和一台AP。AP主要在媒体存取控制层（MAC）中扮演无线工作站和有线局域网的桥梁。对于宽带的使用，Wi-Fi更显优势。Wi-Fi无线网络如图4-11所示。图4-11Wi-Fi无线网络3．Wi-Fi的工作原理Wi-Fi的设置至少需要一个AP和一个以上的客户端。Wi-Fi对客户端开放其连接标准，并支持漫游。终端设备在Wi-Fi环境下联网的方式有主动型串口设备联网和被动型串口设备联网两种。主动型串口设备联网指的是由设备主动发起连接，并与后台服务器进行数据交互（上传或下载）的方式。集成Wi-Fi模块的产品如图4-12所示。1）主动型串口设备联网图4-12集成Wi-Fi模块的产品被动型串口设备联网指的是系统中所有设备一直处于被动的等待连接状态，仅由后台服务器主动发起与设备的连接，并进行请求或下传数据的方式。2）被动型串口设备联网Wi-Fi目前主要对个人、家庭、企业等用户提供服务，广泛应用于酒店、机场、医院、饭店、校园、商场、办公室、会议室、展览馆、体育馆、新闻中心等区域及场所，如图4-13所示。图4-13Wi-Fi应用示意图1．在掌上移动终端的应用用户可以使用支持Wi-Fi的笔记本电脑、智能手机、平板电脑及其他终端设备等高速接入互联网。多数Wi-Fi手机不需要做任何设置，在无线路由器的信号覆盖范围内，就能自动获取IP地址进行无线连接。2．在广告模式中的应用Wi-Fi广告模式的发展展现出了新方向，如区域电子地图、个性化入口页面、地理位置定位、广告换取Wi-Fi免费、共建“吸引力”内容区等。3．在日常生活中的应用用户可以在Wi-Fi覆盖区域内进行在线浏览网页、视频聊天、观看流媒体视频、在线播放音乐、在线网络游戏、在线支付、在线转账、在线文件传输、在线收发电子邮件、在线购物、在线订餐、在线订酒店等活动。4．在交通工具中的应用通过配备电子车载Wi-Fi产品，汽车等交通工具可以摇身一变成为一个移动网络，从而让用户享受到无处不在的信息服务。4.5超宽带（UWB）技术超宽带是一种全新的、与传统通信技术有极大差异的短距离无线通信技术，它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据。1．超宽带的概念超宽带（UltraWideBand，UWB）技术是一种新型的无线通信技术，利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，UWB能在10m左右的范围内实现数百Mbps至数Gbps的数据传输速率，适用于高速、近距离的无线通信。2．超宽带的发展历史246135超宽带（UWB）出现于20世纪60年代2003年10月，讨论和研究UWB电磁兼容等问题2006年8月，日本开放了超宽带频段2002年2月，UWB这项无线技术首次获得了FCC的批准2004年9月28日，首届UWB中国论坛在北京召开2008年12月12日，中国自己的UWB频谱规划正式发布3．超宽带的特点具体而言，UWB的主要特点如下。（1）带宽极宽。（3）抗干扰性能强。（2）传输速率高。（4）通信保密性好。（5）功耗低。（7）体积小、成本低。（6）发送功率非常小。（8）多径分辨能力强。（9）定位精确。根据超宽带（UWB）无线通信的特点，其主要功能包括：无线通信1定位功能21．在雷达成像中的应用超宽带（UWB）技术在雷达成像应用中，主要以UWB穿墙成像雷达为主。2．在高速无线通信系统中的应用在高速无线通信应用中，超宽带（UWB）可以作为一种短距离高速传输的无线接入手段。3．在精确测量定位系统中的应用超宽带（UWB）由于其高分辨率，在精确测量定位系统中得到了广泛应用。如Ubisense公司构建的实时定位系统（RTLS）。此外，汽车防碰雷达系统也是UWB技术应用的一个重要领域。4．在智能交通系统中的应用超宽带（UWB）系统同时具有无线通信和定位的功能，可方便地应用于智能交通系统中，为车辆防撞、电子牌照、电子驾照等提供高性能、低成本的解决方案。5．在有线电视网络中的应用UWB作为一种新的无线家庭网络接入方式，其动态网格网络允许家庭网络中的每个设备既可以充当网络中的一个用户，也可以作为网络基础设备中的一个部分，实现全宅的覆盖。4.6移动通信技术移动通信是指移动体之间，或移动体与固定体之间的通信。移动通信系统是指能够实现移动通信的技术系统。移动通信系统由空间系统和地面系统两部分组成。移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。双向传输（应答式）单向传输（广播式）无线通信单向传输只用于无线电寻呼系统。双向传输有单工、半双工和双工3种工作方式。从传输方式的角度看，无线通信分为单工通信：通信双方电台交替地进行收信和发信。

双工通信：通信双方电台同时进行收信和发信。

半双工通信：可以实现双向的通信，但不能在两个方向上同时进行，必须轮流交替地进行。

移动通信系统从20世纪80年代诞生以来，到2020年将大体经过5代的发展历程。（1）第一代移动通信（1G）。（3）第三代移动通信（3G）。（5）第五代移动通信（5G）。（2）第二代移动通信（2G）。（4）第四代移动通信（4G）。1．第一代移动通信（1G）概述第一代移动通信（1G）主要采用的是模拟技术和频分多址（FDMA）技术，20世纪80年代制定了最初的模拟、仅限语音的蜂窝电话标准，主要用于提供模拟语音业务。2．第一代移动通信的发展历史12345671928年，发明了超外差无线电接收机。1946年，建立起了第一个可用于汽车的电话系统。西德于1950年完成了公用移动电话系统的研制。20世纪60年代，美国开始使用IMTS。1976年将无线电应用于移动电话。1978年底，研制成功了全球第一个移动蜂窝电话系统。1980年研制成功了NMT-450移动通信网。3．第一代移动通信技术的局限性第一代移动通信技术具有容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务和不能提供自动漫游等诸多缺点。由于第一代移动通信技术采用的是模拟技术，1G系统的容量十分有限。此外，安全性和干扰也存在较大的问题。第二代移动通信技术使用数字制式，支持传统语音通信、文字和多媒体短信，并支持一些无线应用协议。它主要有GSM和CDMA移动通信两种工作模式。

GSM移动通信工作在900/1800MHz频段，无线接口采用TDMA技术，核心网移动性管理协议采用MAP协议；CDMA移动通信工作在800MHz频段，无线接口采用窄带码分多址（CDMA）技术，核心网移动性管理协议采用IS-41协议。1．GSM通信系统GSM通信系统的信令和语音信道都是数字式的，因此被看做第二代（2G）移动电话系统。1)GSM系统构成GSM网络由4部分组成：移动台（MobileStation，MS）、移动交换子系统（MobileSwitchingSystem，MSS）、基站子系统（BaseStationSystem，BSS）、操作与维护子系统（OperationandMaintenanceSystem，OMS）。它包括了从固定用户到移动用户（或相反）所经过的全部设备，如图4-14所示。图4-14数字蜂窝移动通信网组成移动台（MS）是用户端终止无线信道的设备，通过无线空中接口Um给用户提供接入网络业务的能力。（1）移动台（MS）。移动交换子系统（MSS）主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。（2）移动交换子系统（MSS）。基站子系统（BSS）包含GSM数字移动通信系统中无线通信部分的所有地面基础设施，通过无线接口直接与移动台实现通信连接。（3）基站子系统（BSS）。操作与维护子系统（OMS）是操作人员与系统设备间的中介，实现对系统的集中操作与维护，包括移动用户管理、移动设备管理、网络操作维护，支持的功能有事件/告警管理、故障管理、性能管理、配置管理和安全管理。（4）操作与维护子系统（OMS）。2)GSM通信系统的特点其主要技术特点如下。（1）频谱效率高。（3）话音质量与无线传输质量无关。（2）容量大。（4）开放的接口和通用的接口标准。（5）安全性好。（7）在SIM卡基础上实现漫游。（9）可提供多种业务。（6）可与ISDN，PSTN等网络互联。（8）能自动选择路由。2．CDMA通信系统1）CDMA概述CDMA（码分多址）是在扩频通信技术基础上发展起来的一种无线通信技术，它是可用于第二代和第三代无线通信中的一种协议。需传送的具有一定信号带宽的信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。CDMA技术原理是基于扩频技术，即将CDMA采用扩频的码分多址技术，可以同时区分并分离多个同时传输的信号，实现频域、时域和码域等三维信号处理的协作。其主要技术特点如下。（1）系统容量大。（3）频带利用率高。（2）通信质量好。（4）适用于多媒体通信系统。2）CDMA系统的特点（5）采用了多种分集方式。（7）频率规划灵活。（6）手机发射功率低。（8）CDMA系统具有软切换功能。1．第三代移动通信技术概述第三代移动通信技术（3rd-Generation，3G）是指支持高速数据传输的蜂窝移动通信技术。3G服务能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百Kbps以上。第三代移动通信（3G）可以提供所有2G的信息业务，同时保证更快的速度，以及更全面的业务内容。2．2G向3G通信技术的过渡人们发现从2G直接跳跃到3G存在较大的难度，于是出现了一个2.5G的过渡阶段。HSCSD、GPRS和EDGE都是2G向3G过渡过程中的新技术。HSCSD是GSM演进过程中第一种满足速度这一需求的技术。依靠这种适用于移动用户的数据传输技术，人们只需拨打一个电话便可获得想要的信息。GPRS是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。EDGE是一种从GSM到3G的过渡技术，它主要是在GSM系统中采用了一种新的调制方法，即最先进的多时隙操作和8PSK调制技术。3．3G无线通信标准3G主要存在CDMA2000，W-CDMA和TD-SCDMA三种通信标准。我国主要支持的三个无线接口标准，分别是中国电信的CDMA2000、中国联通的W-CDMA、中国移动的TD-SCDMA。CDMA2000（CodeDivisionMultipleAccess2000）是一个3G移动通信框架标准，是ITU的IMT-2000标准认可的无线电接口，也是2GcdmaOne标准的延伸，它的根本信令标准是IS-2000。1）CDMA2000W-CDMA采用直接序列扩频码分多址（DS-CDMA）、频分双工（FDD）方式，码片速率为3.84Mbps，载波带宽为5MHz。W-CDMA能够支持移动/手提设备之间的语音、图像、数据及视频通信。2）W-CDMATD-SCDMATimeDivision-SynchronousCodeDivisionMultipleAccess，时分同步码分多址）标准成为第一个由中国提出的，以中国知识产权为主的、被国际上广泛接受和认可的无线通信国际标准。3）TD-SCDMATD-SCDMA的技术特点如下。（2）采用综合的寻址（多址）方式。（1）灵活的上下行时隙配置。（3）动态信道分配。（4）TD-SCDMA的智能天线技术，能大大提高系统的容量。（5）软件无线技术能利用软件修改硬件。（6）TD-SCDMA系统克服了呼吸效应和远近效应。1．第四代移动通信技术概述第四代移动通信技术（4th-Generation，4G）是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像，并且图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品，因此它又被称为“多媒体移动通信”。2．4G无线通信标准目前4G无线通信技术有两个标准：一个是中国具有自主知识产权的TD-LTE-Advanced，另一个4G国际标准是IEEE802.16m（WiMAX）。LTE（LongTermEvolution，长期演进）项目是3G的演进，它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。1）LTELTE-Advanced是基于长期演进技术（LTE）的升级版本，也是4G规格的国际高速无线通信标准。2）LTE-AdvancedWiMAX（WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess，全球微波互联接入）是一项高速无线数据网络标准，又称为IEEE802.16无线城域网，为企业和家庭用户提供“最后一英里”的宽带无线连接方案。3）WiMAXWirelessMAN-Advanced事实上就是WiMAX的升级版，即IEEE802.16m标准。IEEE802.16m最高可以提供1Gbps无线传输速率，还将兼容未来的4G无线网络。4）IEEE802.16m3．4G的应用移动4G技术使手机上网的速度越来越快，视频通话、互联网游戏、高清电影在线观看等成为智能手机的主流应用。1）在智能手机中的应用会话通信类业务是指在移动智能终端上通过互联网传输双向语音、视频、文本的移动应用。2）在会话通信类业务中的应用流媒体点播类业务是指在移动智能终端上能够通过互联网进行影像远程点播的移动应用。3）在流媒体点播类业务中的应用大数据类业务是指在移动终端上通过互联网进行大数据量信息交互的应用。4）在大数据类业务中的应用可以广泛应用于交通控制、公交车监控、环境监测、车载移动等各种重要现场的视频监控。5）在无线视频监控业务中的应用4．4G发展现状根据TD产业联盟研究部权威发布的《全球4G/5G产业和市场发展报告》显示，现阶段，4G进入成熟期，全球LTE商用网络数量增长趋于平缓，已经商用网络601个，在建网络超过800个。同时，全球移动用户持续向4G转移，LTE用户总数达到21.86亿。截至2017年6月，全球LTE基站总出货量超过518万个，中国4G基站出货量全球占比超过66.6%；全球4G/LTE用户总数超过21.86亿人。1．第五代移动通信技术概述第五代移动通信技术（5th-Generation，5G）是4G之后的延伸，作为新一代无线移动通信网络，主要用于满足2020年以后的移动通信需求。3GPP定义了5G的三大场景，即eMBB（移动宽带增强）、mMTC（大规模物联网）、uRLLC（超高可靠超低时延通信）。面向2020年及未来，超高清、3D和浸入式视频的流行将会驱动数据速率大幅提升。增强现实、云桌面、在线游戏等业务，不仅对上下行数据传输速率提出挑战，同时也对时延提出了（无感知）的苛刻要求。2．5G的发展状况2013年2月欧盟计划到2020年推出成熟的标准。2013年5月13日韩国三星电子有限公司宣布已成功开发第五代移动通信（5G）的核心技术。预计将于2020年开始推向商业化。该技术可在28GHz超高频段以每秒1Gbps以上的速度传送数据，且最长传送距离可达2km。2013年11月6日华为对5G的技术进行研发与创新，并预言在2020年用户会享受到20Gbps的商用5G移动网络。2014年5月8日日本电信运营商开始测试凌驾现有4G网络1000倍网络承载能力的高速5G网络。传输速度可望提升至10Gbps。预计在2015年展开户外测试，并期望于2020年开始运作。2015年3月1日英国已成功研制5G网络，并进行100m内的传送数据测试，每秒数据传输高达125GB，并称于2018年投入公众测试，2020年正式投入商用。2015年9月7日美国移动运营商Verizon无线公司宣布，将从2016年开始试用5G网络，2017年在美国部分城市进行商用。2016年1月7日我国5G技术研发试验将在2016～2018年进行，分为5G关键技术试验、5G技术方案验证和5G系统验证三个阶段实施。2017年2月9日国际通信标准组织3GPP宣布了“5G”的官方LOGO。2017年7月6日中国移动5G北京试验网启动会召开，会议标志着由大唐电信集团建设的5G北京试验网正式启动。3．5G网络的关键技术5G标准可由“关键指标”和“一组关键技术”共同定义。其中，关键指标是指Gbps用户体验速率；一组关键技术包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构。大规模天线阵列是提升系统频谱效率的最重要技术手段之一，对满足5G系统容量和速率需求将起到重要的支撑作用；超密集组网通过增加基站部署密度，可实现百倍量级的容量提升，是满足5G千倍容量增长需求的最主要手段之一；新型多址技术通过发送信号的叠加传输来提升系统的接入能力，可有效支撑5G网络的千亿设备连接需求；全频谱接入技术通过有效利用各类频谱资源，可有效缓解5G网络对频谱资源的巨大需求；新型网络架构基于SDN、NFV和云计算等先进技术可实现以用户为中心的更灵活、智能、高效和开放的5G新型网络。谢谢观看物联网技术基础第5章物联网智能化技术目录Content大数据人工智能云计算123物联网的智能化可以看做：在大数据的基础上，基于云计算平台完成深度学习进化，借由机器学习、高级分析、神经网络、智能优化等人工智能技术，帮助人们实现自然人机交互的智能。“”5.1云计算物联网的发展离不开云计算技术的支持。物联网中的终端的计算和存储能力有限，云计算平台可以作为物联网的大脑，实现对海量数据的存储和计算。现阶段广为接受的是美国国家标准与技术研究院（NIST）的定义：云计算是一种按使用量付费的模式，这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问，进入可配置的计算资源共享池（资源包括网络、服务器、存储、应用软件、服务），这些资源能够被快速提供，只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互。中国云计算网将云定义为：云计算是分布式计算（DistributedComputing）、并行计算（ParallelComputing）和网格计算（GridComputing）的发展，或者说是这些计算机科学概念的商业实现。作为传统计算机和网络技术发展融合的产物，云计算具有如下特点。（1）超大规模。云计算（2）虚拟化。（3）高可靠性。（4）通用性。（5）高可扩展性。（6）动态性。（7）经济性。云计算就是把计算资源都放到互联网上，互联网即是云计算时代的“云”。计算资源则包括了计算机硬件资源和软件资源。1．静态特性云计算平台是一个强大的“云”网络，连接了大量并发的网络计算和服务，可利用虚拟化技术扩展每一个服务器的能力，将各自的资源通过云计算平台结合起来，提供超级计算和存储能力。通用的云计算体系结构如图5-1所示。图5-1云计算体系结构图提供云用户请求服务的交互界面，用户通过Web浏览器可以注册、登录及定制服务、配置和管理用户。云用户端云用户在取得相应权限（付费或其他限制）后，可以选择或定制服务列表，也可以对已有服务进行退订的操作。服务目录提供管理和服务，能管理云用户，能对用户授权、认证、和登录进行管理，并可以管理可用计算资源和服务。管理系统和部署工具监控和计量云系统资源的使用情况。资源监控虚拟的或物理的服务器；云数据存储时采用相应数据切割算法实现并行方式上传和下载大容量数据。服务器集群2．云计算的服务层次在云计算中，根据其服务集合所提供的服务类型，整个云计算服务集合被划分成4个层次：应用层、平台层、基础设施层和虚拟化层。这4个层次每一层都对应着一个子服务集合，如图5-2所示为云计算的服务层次示意图。图5-2云计算服务层次图与平台层对应的平台即服务（PlatformasaService，PaaS）为用户提供操作系统、数据库、编程环境、网络协议。为用户提供安全、丰富的应用体验，保证应用程序的安全性、可靠性和高可用性。 与应用层对应的软件即服务（SoftwareasaService，SaaS）与虚拟化层对应的硬件即服务（HardwareasaService，HaaS）结合PaaS提供硬件服务，包括服务器集群及硬件检测等服务。用户提供网络资源、存储资源、计算资源、虚拟磁盘、虚拟化等。 与基础设施层对应的基础设施即服务（InfrastructureasaService，IaaS）3．云计算的技术层次从技术角度来分，云计算大约由4部分构成：物理资源、虚拟化资源、服务管理中间件和服务接口，如图5-3所示。图5-3云计算技术层次图（1）服务接口。统一规定了在云计算时代使用计算机的各种规范、云计算服务的各种标准等。（2）服务管理中间件。在云计算技术中，中间件位于服务和服务器集群之间，提供管理和服务即云计算体系结构中的管理系统。（3）虚拟化资源。指一些可以实现一定操作、具有一定功能，但其本身是虚拟而不是真实的资源。（4）物理资源。主要指能支持计算机正常运行的一些硬件设备及技术。1．按照运营模式分类从部署类型或者说从“云”的归属来看，云计算主要分为私有云、公共云和混合云3种形态，如表5-1所示。表5-1云计算按照运营模式分类部署模式类型定义典型实例私有云云基础设施被某单一组织拥有或租用，该基础设施只为该组织运行eBay，BMW，Walmart，BestBuy，ZStack公共云基础设施是被一个销售云计算服务的组织所拥有，该组织将云计算服务销售给一般大众或广泛的工业群体AmazonAWS，GoogleGCP，WindowsAzure，阿里云及腾讯云混合云基础设施是由两种或两种以上的云（内部云、社区云或公共云）组成，每种云仍然保持独立，但用标准的或专有的技术将它们组合起来，具有数据和应用程序的可移植性（例如，可以用来处理突发负载）中国铁路12306、农信互联、饿了么2．按照服务模式分类根据美国国家标准与技术研究院（NIST）的定义，云计算主要分为三种服务模式：软件即服务（SaaS）平台即服务（PaaS）基础设施即服务（IaaS）云计算服务模式这三个层次的服务主要是从用户体验的角度出发进行划分。SaaS提供给客户的服务是运营商运行在云计算基础设施上的应用程序，用户可以在各种设备上通过瘦客户端界面访问，如浏览器。1）软件即服务（SoftwareasaService，SaaS）SaaS的优势主要体现在以下4个方面。（1）使用简单。（2）支持公开协议。（3）安全保障。（4）初始成本低。SaaS层用到的大多数技术都是比较常见的。下面列出了其中最主要的5种技术。12345HTML：标准的Web页面技术。JavaScript：一种用于Web页面的动态语言。CSS：主要用于控制Web页面的外观。Flash：业界最常用的RIA（RichInternetApplications，富互联网应用）技术。Silverlight：来自微软的RIA技术。PaaS提供给客户的服务是把客户采用供应商提供的开发语言和工具所开发的或收购的应用程序部署到供应商的云计算基础设施上。2）平台即服务（PlatformasaService，PaaS）PaaS平台主要有以下6个方面的优势。（1）友好的开发环境。（2）丰富的服务。（3）精细的管理和监控。优势（4）伸缩性强。（5）多租户（Multi-Tenant）机制。（6）整合率高。PaaS层的技术比较多样，常见的有如下5种。12345REST：通过REST技术，能够非常方便和优雅地将中间件层所支撑的部分服务提供给调用者。多租户：它能让一个单独的应用实例可以为多个组织服务，而且能保持良好的隔离性和安全性。并行处理：为了处理海量数据，需要利用庞大的x86集群进行规模巨大的并行处理。应用服务器：在原有应用服务器的基础上为云计算做了一定程度的优化。分布式缓存：通过这种技术，不仅能有效降低对后台服务器的压力，还能加快相应的反应速度。IaaS提供给客户的服务是对所有设施的利用，包括处理、存储、网络和其他基本的计算资源，客户能够部署和运行任意软件。客户不管理或控制任何云计算基础设施，但能控制操作系统的选择、储存空间、部署的应用，也有可能获得有限制的网络组件的控制。3）基础设施即服务（InfrastructureasaService，IaaS）aaS服务在很多方面都存在一定的优势，以下是最明显的5个方面。（1）免维护。（3）开放标准。（5）伸缩性强。（2）非常经济。（4）支持的应用。IaaS所采用的技术都是一些比较底层的，其中有4种技术是比较常用的。01 虚拟化02 分布式存储03 关系型数据库04

NoSQL（非关系型数据库）现在大多数的IaaS服务都是基于Xen的，但VMware也推出了基于ESX技术的vCloud，同时业界也有几个基于关系型数据库的云服务。关于分布式存储和NoSQL，它们已经被广泛用于云平台的后端。云计算的本质就是XaaS。XaaS最常见的例子是SaaS（软件即服务）、PaaS（平台即服务）和IaaS（基础设施即服务），这三个结合起来使用，有时被称为SPI模式。云应用是云计算概念的子集，是云计算技术在应用层的体现。云应用的主要载体是互联网技术，以瘦客户端或智能客户端的形式展现，其界面实质上是HTML5，JavaScript或Flash等技术的集成。1．云物联云物联有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，它是在互联网基础上延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。下面列举几种典型的云应用。2．云安全云安全通过网状的大量客户端对网络中软件行为的异常监测，获取互联网中木马、恶意程序的最新信息，推送到服务器端进行自动分析和处理，再把病毒和木马的解决方案分发到每一个客户端。3．云存储云存储是指通过集群应用、网格技术或分布式文件系统等功能，将网络中大量各种不同类型的存储设备通过应用软件集合起来协同工作，共同对外提供数据存储和业务访问功能的一个系统。4．私有云私有云是将云基础设施与软硬件资源创建在防火墙内，以供机构或企业内各部门共享数据中心内的资源。5．云游戏云游戏是以云计算为基础的游戏方式，在云游戏的运行模式下，所有游戏都在服务器端运行，并将渲染完毕后的游戏画面压缩后通过网络传送给用户。6．云教育云教育是云计算技术在教育领域的应用而衍生出的新型的教育理念和教育模式，其本质是教育方式的变革，是教育信息化和网络化的外在表现。7．云会议云会议是基于云计算技术的一种高效、便捷、低成本的会议形式。使用者只需要通过互联网界面进行简单易用的操作，便可快速、高效地与全球各地的团队及客户同步分享语音、数据文件及视频，而会议中数据的传输、处理等复杂技术由云会议服务商帮助使用者实现。8．云社交云社交是一种物联网、云计算和移动互联网交互应用的虚拟社交应用模式，它以建立著名的“资源分享关系图谱”为目的，进而开展网络社交。1959年6月发表虚拟化论文。1961年提出计算力和通过公用事业销售计算机应用的思想。1962年提出“星际计算机网络”设想。1965年提出建立信息公用事业的设想。1984年JohnGage说出了“网络就是计算机”的名言，用于描述分布式计算技术带来的新世界。2006年3月Amazon推出弹性计算云（ElasticComputeCloud，EC2）服务。2007年10月推广云计算的计划，使学生可以通过网络开发各项以大规模计算为基础的研究计划。2008年1月30日将这种先进的大规模、快速计算技术推广到校园。2010年3月5日Novell与云安全联盟（CSA）共同宣布一项供应商中立计划，名为“可信任云计算计划（TrustedCloudInitiative）”。2012年英国迅速建起了统一的“政府云”（简称“G云”）。2014年3月26日微软宣布MicrosoftAzure在中国正式商用2016年IaaS国际市场出现了三足鼎立：AWS，微软Azure和Google云平台。2017年云计算在工业转型升级、智慧城市建设、食品药品监管、环境污染检测等领域得到了广泛应用。5.2大数据大数据依托云计算的分布式处理、分布式数据库和云存储、虚拟化技术，并采用人工智能技术对海量数据进行分布式数据挖掘，进而得到有价值的信息。大数据（BigData），又称巨量资料，指的是所涉及的数据资料量规模巨大到无法通过人脑或现有的软件工具，在合理时间内达到提取、存储、搜索、共享、分析和处理的海量的、复杂的数据集合。业界通常用4个V，来概括大数据的特征：Volume（体积大）Value（价值）Variety（类型多）Velocity（速度快）适用于大数据的技术，包括大规模并行处理（MPP）数据库、数据挖掘、分布式文件系统、分布式数据库、云计算平台、互联网和可扩展的存储系统。传统的数据分析多是基于结构化、关系性的数据，往往是取一个很小的数据集来对整个数据进行预测和判断，而大数据分析是对整个数据全集直接进行存储和管理分析。大数据分析与传统数据分析的区别主要表现在如下3个方面。大数据脱离了对建模和算法的依赖01当数据越来越大时，数据本身保证了数据分析结果的有效性。即便缺乏精准的算法，只要拥有足够多的数据，也能得到接近事实的结论。因而，数据被誉为新的生产力。大数据弱化了因果关系02大数据分析可以挖掘出不同要素之间的相关关系，不需要知道这些要素为什么相关就可以利用其结果。传统的决策者要想决定某件事，必须参考各种理论，对其中的因果进行判定后才能达成，而大数据时代则让决策变得更加容易。大数据分析能处理多种数据结构03传统的数据分析是计算机所能够处理的数据都需要在前期进行结构化处理，并记录在相应的数据库中。而大数据技术对于数据的结构的要求大大降低，能够在最大程度上利用存储的海量数据进行分析。大数据包括：结构化数据半结构化数据非结构化数据大数据非结构化数据越来越成为数据的主要部分。系统地认知大数据，可以从理论、技术和实践三个层面来展开，如图5-4所示。图5-4大数据的三个层面（1）理论层面。理论是认知的必经途径，也是被广泛认同和传播的基线。（2）技术层面。技术是大数据价值体现的手段和前进的基石。（3）实践层面。实践是大数据的最终价值体现。大数据处理流程一般包括大数据采集、大数据预处理、大数据存储及管理、大数据分析及挖掘、大数据展现和应用，如图5-5所示。图5-5大数据处理流程1．大数据采集技术

智能感知层主要包括数据传感体系、网络通信体系、传感适配体系、智能识别体系及软硬件资源接入系统。基础支撑层提供大数据服务平台所需的虚拟服务器，结构化、半结构化和非结构化数据的数据库及物联网络资源等基础支撑环境。数据采集是数据分析和挖掘的基础。大数据采集一般分为智能感知层和基础支撑层。2．大数据预处理技术数据预处理是指对收集的数据进行分类或分组前所做的审核、筛选、排序等必要的处理，主要完成对已接收数据的辨析、抽取、清洗等操作。3．大数据存储及管理技术大数据存储及管理要用存储器把采集到的数据存储起来，建立相应的数据库，并进行管理和调用。4．大数据分析及挖掘技术大数据分析是用适当的统计分析方法对