第一章物联网所用主要通信

1、第一章第一章 物联网所用的主要通信技术及其发展物联网所用的主要通信技术及其发展第二章第二章 数据通信数据通信基础基础第三章第三章 zigbeezigbee网络原理与网络原理与开发开发第四章第四章 无线无线传感器传感器网络网络第五章第五章 短距离短距离有线通信有线通信技术技术第六章第六章 近距离近距离无线通信技术无线通信技术第一章第一章 物联网所用的主要通信技术及其发展物联网所用的主要通信技术及其发展 赵建立赵建立 山东科技大学山东科技大学2022-2-2451965年前后发生的变革以大型机为标志，1980年前后以个人计算机的普及为标志，1995年前后则发生了互联网革命。2010年前后？物联网？

2、IBM前首席执行官郭士纳提出一个重要的观点：计算模式每隔15年发生一次变革。每一次这样的技术变革都引起企业间、产业间甚至国家间竞争格局的重大动荡和变化。而互联网革命一定程度上是由美国“信息高速公路”战略所催熟。2022-2-246 IBM提出的“智慧地球”概念上升至美国的国家战略。该战略认为IT产业下一阶段的任务是把新一代IT技术充分运用在各行各业之中，具体地说，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且被普遍连接，形成“物联网”。2008年-美国智慧地球 物联网行动计划。具体而务实，强调RFID的广泛应用，注重信息安全。2009年6

3、月，欧盟委员会向欧盟议会、理事会、欧洲经济和社会委员会及地区委员会递交了欧盟物联网行动计划（Internet of Things-An action plan for Europe），以确保欧洲在建构物联网的过程中起主导作用。2009年-欧盟物联网行动 i-Japan战略。在u-Japan的基础上，强调电子政务和社会信息服务应用。该战略的理念是以人为本，实现所有人与人、物与物、人与物之间的连接，希望在2010年将日本建设成一个“实现随时、随地、任何物体、任何人（anytime, anywhere, anything, anyone）均可连接的泛在网络社会”。2009年-日本i-Japan战略

4、韩国也在2006年确立了u-Korea战略。u-Korea旨在建立无所不在的社会,也就是在民众的生活环境里，布建智能型网络、最新的技术应用等先进的信息基础建设，让民众可以随时随地享有科技智慧服务。2009年-韩国u-Korea战略2022-2-247温家宝：感知中国 10年前，中科院启动传感网研究计划 2009年8月7日，温家宝在无锡考察，提议建立传感器中心 2009年9月11日，传感器网络标准工作组成立大会暨“感知中国高峰论坛”在北京举行，标志着传感器网络标准工作组正式成立 2009年11月，国务院正式批准同意支持无锡建设国家传感网创新示范区 随后，无锡感知中国中心在政府和科研机构的配合下建

5、立成熟的传感器技术。如常见的无线传感网络（WSN）、RFID、电子标签等。发达的网络。已进入信息高速公路时代，可以各种方式接入到网络，如宽带、WiFi、ZigBee等。高速的信息处理能力。计算机软件技术迅猛发展，计算机的存储能力和计算能力还在进一步增强，使得海量信息处理成为可能。技术的成熟为物联网提供了现实基础。包括以下几个方面：一、国内外发展现状物联网究竟是什么物联网究竟是什么? ?它的出现又将给我们的生活带来怎样它的出现又将给我们的生活带来怎样的变化的变化? ?一、国内外发展现状通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相

6、连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。 普适计算泛在网络物联网RFID传感器网络一、国内外发展现状目前主要还有以下几个定义： 1）MIT Auto ID Center的定义 1999 年，MIT Auto ID Center 给出较早的“物联网”定义为：在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术, 构造一个覆盖世界上万事万物的网络( Internet of Things) , 以实现物品的自动识别和信息的互联共享。2005年, 国际电信联盟( ITU) 发布的ITU 互联网报告2005： 物联网中正式给出了“物联网”概念并对其涵义进

7、行了扩展，指出物联网是互联网应用的延伸，“RFID、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术”将是实现物联网的四大核心技术。 国际电信联盟是联合国的一个重要专门机构，也是联合国机构中历史最长的一个国际组织。简称“国际电联”、“电联”或“ITU”。 国际电联是主管信息通信技术事务的联合国机构，负责分配和管理全球无线电频谱与卫星轨道资源，制定全球电信标准，向发展中国家提供电信援助，促进全球电信发展。 2014 2014年年1010月月2323日，日，赵厚麟赵厚麟当选国际电信联盟新一任秘书当选国际电信联盟新一任秘书长，成为国际电信联盟长，成为国际电信联盟150150年历史上首位中国籍年历史上首位中国籍秘书

8、长。秘书长。 EPC 是早期国际上典型的物联网概念模型，它的本质就是“RFID 技术加互联网”。每一个物品都被赋予一个独一无二的EPC 代码，将这个EPC 代码存储在RFID 标签中并贴在物品上，同时将这个代码所对应的详细信息和属性存储在互联网上的服务器中。 当物品从生产到流通的各个环节中被识别并记录时，通过ONS( 对象名解析服务) 的解析可获得物品所属信息服务系统的URI ( 统一资源标识) , 进而通过网络从EPCIS 中获得其代码所对应的信息和属性，以进行物品识别，实现对物流供应链的自动追踪管理。“物联网”定义为：物联网将是未来互联网不可分割的一部分，是一个动态的全球网络架构，它具备基

9、于一定的标准和互用的它具备基于一定的标准和互用的通信协议的自组织能力。通信协议的自组织能力。其中物理的和虚拟的物理的和虚拟的“物物”均具有身份标识、物理属性和虚拟特性，并应用智能接口可以无缝链接到信息网络。 物联网将具有三方面本质特性本质特性：第一，不能简单地将物联网看作今天互联网的延伸，物联网建立在特有基础设施上，将是一系列新的独立系统。当然，部分基础设施仍要依存于现有的互联网；第二，物联网将伴随新的业务共同发展；第三，物联网包括多种不同的通信模式。如物与人通信, 物与物通信。 目前国内较为多见的定义为：“物联网，指利用各种信息传感设备，如射频识别装置、红外传感器、全球定位系统、激光扫描等种

10、种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，其目的就是让所有的物品都与网络连接在一起，方便识就是让所有的物品都与网络连接在一起，方便识别和管理别和管理。 物联网应该具备三个特性三个特性： 一是全面感知，即利用各种可用的感知手段，实现随时即时采集物体动态； 二是可靠传递，通过各种信息网络与互联网的融合，将感知的信息实时准确可靠地传递出去； 三是智能处理，利用云计算等智能计算技术对海量的数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化控制”。 综合上述5种物联网的定义，可得出物联网是采用各种传感设备，采集各种“物”的信息，传输到以互联网为核心的信息网络上，以实现全面感知、信息的智能处理、实施对“物”的智

11、能控制、完成相应的应用。姚建铨院士（中国科学院）：物联网是信息产业发展的必然趋势 科学推动物联网和智慧城市建设 物联网产业发展邬贺铨院士（中国工程院）：物联网 2022-2-24192022-2-2420感知层是实现物联网全面的感知的核心能力是物联网中包括关键技术、标准化方面、产业化方面亟待突破的部分关键在于具备更精确、更全面的感知能力，并解决低功耗、小型化和低成本的问题广泛覆盖的移动通信网络是实现物联网的基础设施是物联网三层中标准化程度最高、产业化能力最强、最成熟的部分关键在于为物联网应用特征进行优化和改进，形成协同感知的网络提供丰富的基于物联网的应用，是物联网发展的根本目标将物联网技术与行

12、业信息化需求相结合，实现广泛智能化应用的解决方案集关键在于行业融合、信息资源的开发利用、低成本高质量的解决方案、信息安全的保障以及有效的商业模式的开发物联网应用层物联网网络层物联网感知层2022-2-2421需要腾需要腾“云云”才能驾才能驾“物物”！传感器条码识别RFID多媒体信息采集定位数据采集有线数据传输短距离通信传输无线数据传输无线传感网络信息汇聚信息协同处理子层信息协同处理中间件传送网关感知控制层感知控制层移动通信远程信息传送固定通信互联网广播电视网卫星网传输网络层传输网络层SOA海量存储分布数据处理数据库数据挖掘服务支撑智能工业行业应用智能农业智能交通综合应用层综合应用层环境监测网络

13、管理QoS管理信息安全标识解析公共支撑公共支撑图 1.1 物联网框架结构 物联网是实现物理世界、虚拟世界、数字世界与人类社会间的交互的技术手段。物联网通信模式主要分为：“物与物”( Thing-to- thing) ，“物与人”( Thing-to- person)和人与人通信。“ 物与物”通信，主要实现“物”与“物”在没有人工介入情况下的信息交互， 如“物”能够监控其它“物”，当发生应急情况，物能够主动采取相应措施。“M2M”技术就是“物与物”通信的一种形式。“物与人”通信，主要实现“物”与“人”之间的信息交互，如人对“物”的远程控制，或者“物”向人主动报告自身状态信息和感知的信息。 在物联

14、网中，通信系统的主要作用是将信息可靠安全通信系统的主要作用是将信息可靠安全地传送到地传送到目的地。目的地。 由于物联网具有异构性的特点，这就使得物联网所采用的通信方式和通信系统也具有异构性和复杂性。在信息传输方面，虽然采用的是以数据为主的通信手段，但在承载平台上却采用了不同模式的有线、无线通信方式；在所采用的通信协议方面，网络传送层采用了基于IP的通信协议，但在感知控制层却采用了多种通信协议，如X.25、基于工业总线的接口和协议、ZigBee等。因此，可以说物联网的感知控制层的通信方式最为复杂。 感知控制的通信目的是将各种设备传感设备（或数据采集设备以及连同的控制设备）所感知的信息在较短的通信

15、距离内送到信息汇聚系统，并由该系统传送（或互联）到网络传输层，其通信的特点是传输距离近，传输方式灵活、多样。 感知控制层通信系统所采用的技术主要分为短距离有线通信、短距离无线通信和无线传感网络。 感知层短距离有线通信系统主要是由各种串行数据通信系统构成的，目前采用的技术有RS-232/485RS-232/485、USBUSB、CANCAN工业工业总线、及各种串行数据通信系统总线、及各种串行数据通信系统。 感知层短距离无线通信系统主要由各种低功率、中高频无线数据传输系统构成，目前主要采用蓝牙、红外、低功蓝牙、红外、低功率无线数传电台、无线局域网等率无线数传电台、无线局域网等技术来完成短距离无线通

16、信任务。 无线传感网络(Wireless Sensor Network，WSN)是一种部署在感知区域内的大量的微型传感器节点通过无线传输方式形成的一个多跳的自组织系统。它一种具有网络规模大、自组织、多跳路由、动态拓扑、可靠性高的以数据为中心的、能量受限的通信网络，是“狭义”上的物联网，也是物联网的核心技术之一。RS-232: Recommend Standard USB:Universal Serial Bus CAN:Controller Area Network 网络传输层是由数据通信主机（或服务器）、网络交换机、路由器等构成的，在数据传送网络支撑下的计算机通信系统，其基本结构如图1.3所

17、示。路由器交换机主机路由器路由器交换机交换机主机主机传送网传送网公众固定网PSTN公众移动网GSM/CDMA/TD-SCDMA公 众 数 据 网DDN/ATM/FR其他专用传送网图 1.3 网络传输层通信系统结构 网络传输层通信系统中支持计算机通信系统的数据传送网可由公众固定网、公众移动通信网、公众数据网及其他专公众固定网、公众移动通信网、公众数据网及其他专用网构成用网构成。 目前的公众固定、移动通信网、公众数据网主要有PSTN（Public Switched Telephone Network，公众电话交换网）、GSM（Global System for Mobile Communicati

18、ons，全球移动通信系统）、CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）、TD-SCDMA（Time Division Synchronous Code Division Multiple Access，时分同步码分多址)、DDN（Digital Data Network，数字数据网）、ATM（Asynchronous Transfer Mode，异步传输模式）、FR（FRAME-RELAY，帧中继）等，它们为物联网的网络层提供了数据传送平台。 公众通信网和专用传送网构成的数据传送平台是物联网网络传输层的基础设施，主机、网络交换机及路由器等构成的计算机网络系

19、统是物联网网络传输层的功能设施，为物联网提供各种信息存储、信息传送、信息处理等各项基础服务，为物联网的综合应用层提供了信息承载平台，保障了物联网各专业领域的应用。 物联网作为一种新兴的信息技术，它是应用现有的信息技术、通信技术、自动化控制技术等的基础上的融合与创新。现阶段对物联网的研究，不论从理论方面，还是从实践方面，均处于起步阶段，而物联网通信技术更是如此。就目前而言，尚不能较清楚地看到物联网通信技术发展的趋势，但可以从目前的研究方向看出端倪。目前，物联网通信技术主要研究的方向有以下几个方面 无线通信是利用无线一定频段的电磁波来传输信息的。理论上，一般情况下，在一定区域范围内，传输信息的电磁

20、波的频段是不能重叠的，如重叠则会形成电磁波的干扰，从而影响通信质量。 采用采用扩频技术，扩频技术，则可以采用重叠的频段来传输信息，但这要求扩频所采用的PN（Pseudorandom Noise，伪随机序列）码之间要相互正交、或跳频、跳时调度图之间不能相一致（或相似），这就要求研究一种扩频通信的技术及规则，使得大量部署的以扩频通信为无线传输的无线传感器网络之间的通信不受到干扰而影响通信质量。 另外，还需要研究一种频谱分配的技术，在充分利用时分、空分或时分+空分技术的基础上利用智能天线技术的原理，研究一种合理、有效、成本低廉、体积微小的无线通信技术，以满足大量部署无线传感器网络对频谱资源的需求。

21、物联网的感知控制层内的终端具有多种接入网络传输的通信方式，由于无线通信具有任何地点、任何时间都可接入，并能进行通信的特点，因此无线通信方式是物联网终端接入网无线通信方式是物联网终端接入网络层的首选络层的首选。但随着终端数量的增多，随之而来的是需要大量的频段资源以满足接入网络的需求，另外，无线通信方式也在随通信技术的发展而不断进步，因此就需要研究一种能满足物联网不断发展的无线通信方式。由于软件软件无线电无线电SDR(SDR(Software Defined Radio) )具有具有统一的硬件平台、多样化软件调制方式和统一的硬件平台、多样化软件调制方式和传输模式的特点，传输模式的特点，因此，它可以

22、满足未来不断发展的无线通信模式变化的需求，而且成本低廉、升级方便。 软件无线电，也称软件定义的无线电(Software Defined Radio，SDR) 是一种无线电广播通信技术，它基于软件定义的无线通信协议而非通过硬连线实现。换言之，频带、空中接口协议和功能可通过软件下载和更新来升级，而不用完全更换硬件。 为了解决无线频段资源的紧张问题，认知无线电认知无线电( ( CRCR：Cognitive Radio) )技术是解决该问题的一个关键技术，它可以技术是解决该问题的一个关键技术，它可以识别利用率低的无线频段，并将利用率低下的无线频段给予回识别利用率低的无线频段，并将利用率低下的无线频段给

23、予回收，统一管理、优化分配，以解决无线频段资源紧张的难题。收，统一管理、优化分配，以解决无线频段资源紧张的难题。 物联网终端具有多样性，其通信协议多样、数据传送的方式多样，并且它们分别接入到不同的通信网络，这就造成了需要大量的汇聚中间件系统来转换不同通信网络的接入问题，即形成了接入的异构性，尤其在以无线通信方式为首选的物联网终端接入中，该问题尤为突出。第一是无线接入技术的异构性，无线接入技术的异构性，它们的无线传输机制不同、覆盖的范围不同、可以获得的传输速率不同、提供的QoS不同、面向的业务和应用不同；第二是组网方式的异构性组网方式的异构性，除了经由基站接入的单跳式无线网络以外，还有多跳式的无

24、线自组织网和网状网，它们的网络控制方式不同，有依赖于基础设施的集中控制，也有灵活的分布式协同控制；第三是终端的异构性终端的异构性，由于业务应用的多样性以及信息通信技术的不断提升，终端已从手机扩展到便携式电脑、各种类型的信息终端、娱乐终端、移动办公终端、嵌入式终端等，不同的终端具有不同的接入能力、移动能力和业务能力；第四是频谱资源的异构性频谱资源的异构性，由于不同频段的传输特性不同，适用于各种频段的无线技术也不同，并且不同地区频谱规划方式也有显著区别；第五是运营管理的异构性运营管理的异构性，不同的运营商基于开发的业务以及用户群的不同，将会设计出不同的管理策略和资费策略。 由于异构网络相对独立自治

25、，相互间缺乏有效的协同机制，造成了系统间干扰、重叠覆盖、单一网络业务提供能力有限、频谱资源浪费、业务的无缝切换等问题无法解决。 “融合”已成为信息通信业的发展潮流。 它包含三个层次的内容：首先是业务融合业务融合，就是以统一的IP网络技术为基础，向用户提供独立于接入方式的服务； 其次是终端融合终端融合，现在的多模终端是终端融合的雏形，但是随着新的无线接入技术的不断出现，为了同时支持多种接入技术，终端会变得越来越复杂，价格也越来越高，更好的方案是采用基于软件无线电的终端重配置技术，它可以使得原本功能单一的移动终端设备具备了接人不同无线网络的能力； 第三是网络融合网络融合，包括固定网与移动网融合，核

26、心网与接入网融合、不同无线接入系统之间的融合等。 异构网络融合的实现分为两个阶段：连通阶段和融合阶段两个阶段：连通阶段和融合阶段。 连通阶段指传感网、RFID网、局域网、广域网等的互联互通，实现感知信息和业务信息传送到网络另一端的应用服务器进行处理以支持应用服务。 融合阶段是指在各种网络连通的网络平台上，分布式部署若干信息处理的功能单元，根据应用需求而在网络中对传递的信息进行收集、融合和处理，从而使基于感知的智能服务实现得更为精确。从该阶段开始，网络将从提供信息交互功能扩展到提供智能信息处理功能及支撑服务，并且传统的应用服务器网络架构向可管、可控、可信的集中智慧参与的网络架构演进。 无线传感器网络是物联网的核心组成部分，但由于无线传感器节点是能量受限的，因此在应用上其寿命受到较大的限制。其中一个重要的原因是通信过程传输单位比特能量消耗比过大，过大的原因是通信协议中所增加了过多的比特开销，以及收发节点之间的相互认证、等待等能量的开销，因此需要研究高效传输通信协议研究高效传输通信协议，以减少传输单位比特能量的开销。 另外，