物联网技术与应用第4章288

第4章物联网通信第4章物联联网通信信移动通信网络

4.1短距离无线通信4.2无线传感器网络4.34.1移动通信信网络4.1..1移动通信信基本原原理4.1..2宽带移动动通信移动通信信系统在在生活中中的应用用移动通信信的特点点：覆盖广建设成本本低部署方便便具备移动动性物联网与与移动通通信网络络物联网的的终端都都需要以以某种方方式连接接起来，，发送或或者接收收数据。。移动通通信网是是适合物物联网组组网特点点的通信信和联网网方式。。物联网的的组网特特点方便性：：不需要要数据线线连接信息基础础设施的的可用性性：不是是所有地地方都有有方便的的固定接接入能力力一些应用用场景本本身需要要随时监监控的目目标就是是在移动动状态下下移动通信信网络将将是物联联网主要要的接入入手段章节设置置移动通信信的基本本原理移动通信信的特点点移动通信信网络的的发展历历程宽带移动动通信系系统的标标准演进进、网络络架构和和技术特特点4.1..1移动通信信基本原原理早期移动动通信发发展历程程1897年，马马可尼在在陆地和和一艘拖拖船上完完成无线线通信实实验，标标志无线线通信的的开始1928年，美美国警用用车辆的的车载无无线电系系统，标标志移动动通信开开始1946年，Bell实验室在在圣路易易斯建立立第一个个公用汽汽车电话话网，1960s，实现无线线频道自自动选择择域公用用电话网网自动拨拨号连接接。1974年，美美国Bell实验室提提出蜂窝窝移动通通信的概概念1、移动通通信特点点（1）移移动性。。（2）电电波传播播条件复复杂。（3）噪噪声和干干扰严重重。（4）系系统和网网络结构构复杂。。（5）要要求频带带利用率率高，设设备性能能好。无线电传传播环境境携带信息息的电磁磁波的传传输是扩扩散的；；地理环境境复杂多多变，用用户移动动随机不不可预测测，所有这些些都造成成了无线线电波传传输的损损耗。多径传播播基站天线线、移动动用户天天线和这这两端天天线之间间的传播播路径称称之为无无线移动动信道。。多径信号号经过不不同的路路径到达达接收端端时，具具有不同同的时延延和入射射角，这这将导致致接收信信号的时时延扩展展和角度度扩展。。多普勒效效应三类损耗耗和四种种效应三类损耗耗路径传播播损耗大尺度衰衰落损耗耗小尺度衰衰落损耗耗四种效应应阴影效应应远近效应应多径效应应多普勒效效应2．移动通通信的发发展蜂窝系统统的概念念和理论论在20世纪60年代就由由美国贝贝尔实验验室等单单位提了了出来，，但其复复杂的控控制系统统直到20世纪70年代才大大规模实实现。小区制蜂蜂窝通信信具有小小覆盖、、小发射射功率和和资源重重用等优优点，决决定了它它在现代代移动通通信中的的重要作作用。现代移动动通信发发展历程程现代移动动通信发发展主要要经历了了三个阶阶段第一代移移动通信信系统第二代移移动通信信系统第三代移移动通信信系统（1）第一代代移动通通信系统统解决了用用户移动动性的基基本问题题蜂窝小区区系统设设计:频率复用用---解解决大容容量需求求与有限限频谱资资源的矛矛盾多址方式式：FDMA模拟系统统---FM调制、模模拟电路路交换、、模拟语语音信号号业务功能能：单一一通话第一阶段段是模拟拟蜂窝移移动通信信网，时时间是20世纪70年代中期期至80年代中期期。模拟系统统有以下下缺点：：频谱利利用率低低；业务务种类有有限；无无高速数数据业务务；保密密性差，，易被窃窃听和盗盗号；设设备成本本高；体体积大，，重量大大。（2）第二代代移动通通信系统统数字化通通信语音信号号数字化化、数字字式电路路交换、、数字式式调制多址方式式：TDMA，CDMA微蜂窝小小区结构构：提高高用户数数量采用了一一系列数数字处理理技术来来有效提提高通信信质量纠错编码码、交织织、自适适应均衡衡、分集集等业务类型型：以通通话为主主，还有有低速数数据业务务以GSM和IS-95为代表的的第二代代移动通通信系统统，时间间是从20世纪80年代中期期开始从1996年开始，，为了解解决中速速数据传传输问题题，又出出现了2.5G移动通信信系统，，如GPRS和IS-95B。CDMA应用于数数字移动动通信的的优点系统容量量大：比模拟网网大10倍，比GSM大4.5倍系统通信信质量更更佳：：软切换换技术频率规划划灵活适用于多多媒体通通信系统统：多CDMA信道方式式、多CDMA帧方式（3）第三代代移动通通信系统统以多媒体((Multi-media)综合服务务业务为为主要特特征会话型、、数据流流型、互互动型、、后台类类型主要以宽宽带CDMA技术为基基础WCDMA、CDMA2000、TD－SCDMA、WiMax等多址方式式：TDMA/CDMA//OFDMA电路交换换分组交交换引入多种种新技术术智能天线线、发端端分集、、空时码码、OVSF多址码等等第三代移移动通信信系统的的目标能实现全全球漫游游能提供多多种业务务能适应多多种环境境足够的系系统容量量4.1..2宽带移动动通信第三代移移动通信信系统的的概念是是国际电电联（ITU）早在1985年就提出出的，当当时称为为未来公公共陆地地移动通通信系统统（FPLMTS）,1996年更名为为IMT--2000，在欧洲称称其为个个人移动动通信系系统（UMTS）。IMT--2000的宗旨是是建立全全球的综综合性个个人通信信网，提提供多种种业务，，尤其是是多媒体体和高比比特率分分组数据据业务并并实现全全球无缝缝覆盖。。演变历程程2000年5月举行的的ITU--T2000年全会上上，被正正式命名名为IMT--2000无线接口口技术规规范2007年10月，ITU在日内瓦瓦举行的的无线通通信全体体会议上上，与会会国家通通过投票票正式通通过无线线宽带技技术WiMAX成为3G标准2008年全球移移动大会会上，主主流设备备厂商不不约而同同地发布布了LTE的研究成成果和后后续演进进策略IMT--2000无线传输输技术分分类IMT-2000CDMAFDDDSWCDMAFDDMCcdma2000TDDTD-SCDMATD-CDMAIMT-2000TDMATDMAMCUWC-136TDMASCEP-DECT移动通信信网络将将成为物物联网最最重要的的信息基基础设施施，为人人与人之之间通信信、人与与网络之之间的通通信、物物与物之之间的通通信提供供服务工业和信信息化部部领导在在2009年“全国国工业和和信息化化工作会会议”上上指出，，2010年将推进进国家传传感信息息中心建建设，促促进物联联网与互互联网、、移动互互联网融融合发展展（1）WCDMA的演进过过程1985：FPLMTS，1996更名为IMT--20001992：WRC92大会分配配频谱230MHz1999.3：完成IMT--2000RTT关键参数数1999.11：完成IMT--2000RTT技术规范范2000：完成IMT2000全部网络络标准成立3GPP(1998..12))、3GPP2(1999)等标准化化组织WCDMA技术特点点信道带宽

5MHz双工方式

FDD或TDD码元速率

3．84Mchip/s帧长

10ms下行链路和RF信道结构

直扩

扩频调制方式

上行：双信道QPSK；下行：平衡QPSK；复扩频电路

数据调制方式

上行：BPSK；下行：QPSK信道编码

交织或turbo码

相干检测

上/下行：用户专用的时间复用导频；下行：共用导频

上行信道复用

控制和导频信道时分复用；数据和控制信道I&Q复用

下行信道复用

数据和控制信道时分复用

多速率

可变扩频和多码

扩频因子

4～256功率控制

开环和快速闭环(1.6KHz)下行扩频码

可变长度的正交序列码(OVSF)划分信道，

218－1的Gold序列码区分小区和用户上行扩频码

可变长度的正交序列码(OVSF)划分信道，

241－1的Gold序列区分用户切换

软切换，频率间切换

R99网络结构构R99网络特点点接入部分分全新的5MHz/载频的宽宽带码分分多址接接入网；；功率控控制；软软切换；；更软切切换核心网电路域与与GSM完全兼容容；相对对于GPRS，增加了了服务级级别的概概念系统采用分组组域和电电路域分分别承载载与处理理的方式式目前的商商业部署署全都采采用了R99R4网络结构构R4网络改进进加入低码码片速率率TDD模式（LCRTDD），即由由我国提提出的TD-SCDMA引入直放放站来解解决复杂杂地形覆覆盖问题题引入扇区区降低终终端和基基站的发发射功率率的方法法以提高高容量通过NodeB同步减少少系统邻邻近小区区的交调调干扰，，降低传传输网络络的成本本引入Iub和Iur上的AAL2连接的QoS优化R4网络特点点电路域核核心网中中引入了了基于软软交换架架构的分分层架构构，使电电路交换换域和分分组交换换域可以以承载在在一个公公共的分分组骨干干网上主要实现现了话音音、数据据、信令令承载统统一提高了组组网的灵灵活性R5网络结构构R5网络改进进高速下行行分组接接入（HSDPA）的功能能，下行行理论峰峰值数据据速率可可高达14.4Mbit/s涉及的关关键技术术自适应编编码调制制HARQ快速蜂窝窝选择（（FCS）MIMOR5网络特点点R5协议引入入了IP多媒体子子系统（（IMS）由CSCF、MGCF、MRF和HSS功能实体体组成为多媒体体业务提提供支持持呼叫控制制功能与传统网网络进行行互通实现其他他资源密密集型功功能信令实体体（CSCF）与媒体体处理是是完全分分离的R6（HSUPA）引入高速速上行分分组接入入(HSUPA）提供多媒媒体广播播和多播播业务（（MBMS）进入IMS第二阶段段支持WLAN-UMTS互通增强QoS（2）WCDMA系统结构构通用移动动通信系系统（（UMTS）是采用用WCDMA空中接口口技术的的第三代代移动通通信系统统UMTS系统由由陆地无无线接入入网（UTRAN）和核心心网络（（CN）构成WCDMA系统结构构WCDMA系统结构构①UEUE是用户终终端设备备UE从逻辑上上包括移移动设备备（ME）和用户户身份模模块（SIM）②UTRAN由基站（（NodeB）和无线线网络控控制器（（RNC）组成NodeB是WCDMA系统的基基站RNC是无线网网络控制制器WCDMA系统结构构③CNCN即核心网网络，负负责与其其他网络络的连接接和对UE的通信和和管理MSC//VLR是CS域功能节节点GMSC是CS域与外部部网络之之间的网网关节点点SGSN（服务GPRS支持节点点）是PS域功能节节点GSN（网关GPRS支持节点点）是PS域功能节节点HLR（归属位位置寄存存器）是是CS域和PS域共有的的功能节节点WCDMA系统结构构④ExternalNetworks外部网络络，可以以分为电电路交换换网络（（CSNetworks）和分组组交换网网络（PSNetworks）两类2．cdma2000美国TIA提出，可可从IS-95和IS-95B平滑过渡渡，升级级简单cdma20001x采用1.25M的带宽cdma20001xEVDO可支持2.4Mb/s的数据速速率，cdma20001xEVDV可支持话话音和数数据cdma20003x采用3个1.25M的带宽进进行传输输。cdma2000演进CDMA20001XCDMA20003X信号带宽

1.25MHZ3×1.25=3.75MHz下行链路RF信道结构

直接扩频

多载波扩频

码片速率

上/下行：1.2288Mcps下行：1.2288Mcps，上行：3.6864Mcps定时

同步(定时驱动，例如从GPS来的定时)帧长

20ms/5ms可选

扩频调制

下行：平衡QPSK，上行：具有混合相移链控的双信道QPSK数据调制

下行：QPSK，上行：BPSK相干检测

下行：公共连续导频信道和辅助导频，上行：导频符号，即导频和功控以及EIB时分复用

上行信道复用

控制、导频、基本和辅助码复用，I和Q复用数据与控制信道

多速率

可变扩频增益和多码

扩频因子

4～256功率控制

开环和快速闭环(800Hz，1.25ms)扩频码(下行)信道扩频码：可变长度正交Walsh码；基站(小区)扩频码：，m序列且I与Q用不同序列（在码字受限时，采用准正交函数QoF）扩频码(上行)用户扩频码：(不同时间偏移并截短用于用户)切换

扇区间，小区间软切换，频段间硬切换

发分集正交发分集，空时扩展发分集

载波解复用，用不同天线发射

①cdmaOnecdmaOne是基于IS-95标准的各各种CDMA产品的总总称，IS-95B可提供实实现64kbit//s②cdma20001xcdma20001x具有3G系统的部部分功能能，cdma20001x完全兼容容IS-95系统功能能③1xEV-DO1xEV-DO是一种专专为高速速分组数数据传送送而优化化设计的的cdma2000空中接口口技术在网络结结构方面面，1xEV-DO与cdma20001x的无线接接入网在在逻辑功功能上是是相互独独立的1xEV-DO可以作为为高速分分组数据据业务的的专用网网④1xEV-DV在cdma20001x载波基础础上提升升前向和和反向分分组传送送的速率率和提供供业务QoS保证3．TD-SCDMA（1）TD-SCDMA的演进IMT--2000CDMATD为TDD方式，，2001年3月3GPP通过R4版本，TD-SCDMA被接纳为为正式标标准TD-SCDMA采用直接接序列扩扩频、低低码片速速率的TDD（时分双双工）模模式TD-SCDMA不需要成成对的工工作频段段，这对对缓解当当前移动动频段资资源紧张张的问题题是极为为重要的的UTRATDDTD-SCDMA备注

占用带宽/MHz51.6每载波码片速率/MCPS3.841.28扩频方式

DS，SF=1/2/4/8/16DS，SF=1/2/4/8/16调制方式

QPSKQPSK信道编码

卷积码：R=1/2，1/3，turbo码卷积码：R=1/2，1/3，turbo码帧结构/ms系统帧720，无线帧10系统帧720，无线帧10交织/ms10/20/40/8010/20/40/80时隙数

157上行同步

8chip1/2chip容量(每时隙话音信道数)

816同时工作

每载波话音信道数

5648对称业务

容量(每时隙总传输速率)220.8kbps281.6kbps数据业务

每载波总传输速率

3.31Mbps1.971Mbps数据业务

话音频谱利用率

/1025对称话音业务

数据频谱利用率

/0.6621.232不对称话音业务

智能天线

较困难

容易

多址方式

CDMA+TDMASCDMA+CDMA+TDMATD-SCDMA的演进①TD-SCDMA阶段智能天线线、联合合检测、、动态信信道分配配、软件件无线电电、上行行同步码码分多址址技术、、接力切切换、低低码片速速率、多多时隙、、可变扩扩频、自自适应功功率调整整、3GPP提出的高高层协议议、核心心网②HSPATDD阶段第二阶段段主要包包括引入入高速下下行分组组接入（（HSDPA）和高速速上行分分组接入入（HSUPA）③LTETDD阶段LTETDD是TD-SCDMA在向4G系统演进进过程中中的过渡渡阶段MIMO-OFDMA是下一代代通信系系统中最最具有革革命性的的技术④TDDB3G/4G基于TD-SCDMA的后3G或者4G系统来说说，将采采用TDD模式（2）TD-SCDMA的关键技技术①多用用户检测测宽带CDMA通信系统统中抗干干扰的关关键技术术②智能能天线典型的TD-SCDMA系统配置置的智能能天线是是由8个天线元元素组成成的天线线阵列③软件件无线电电软件无线线电是一一种具有有开放式式结构的的将标准准化、模模块化的的硬件功功能单元元经过一一个通用用硬件平平台，利利用软件件加载方方式来实实现各种种类型的的无线电电通信系系统的新新技术④动态态信道分分配（（DCA）目的是进进一步减减少干扰扰，增加加系统容容量⑤接力力切换TD-SCDMA系统的关关键特征征，该技技术利用用了软切切换与硬硬切换技技术的优优点2G到3G的演进路路线4．WiMAX全名是WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess（全球微波波接入的的互操作作性），，是基于于IEEE802.16e系列宽频频无线标标准为基基础的宽宽带无线线技术（1）WiMAX的演进1999年，IEEE802局域网（（LAN）/城域网（（MAN）成立了了802..16工作组来来专门研研究宽带带无线接接入标准准一些世界界知名通通信企业业联合发发起了全全球微波波接入互互操作性性论坛，，在全球球范围内内推广802..16协议①IEEE802.16d协议物理层定定义了两两种双工工方式：：TDD和FDDMAC层分为了了3个子层：：业务汇汇聚子层层（CS）、公共共部分子子层（CPS）和安全全子层（（SS）②IEEE802.16e协议协议栈模模型和802..16d相同支持不同同数量子子载波的的OFDMA增强安全全性（2）WiMAX系统结构构①接入入服务网网（ASN）ASN为MS提供无线线接入②连接接服务网网（CSN）CSN为MS提供IP连接③网络络接入提提供者（（NAP）NAP是一种运运营实体体④网络络服务提提供者（（NSP))NSP是一种运运营实体体⑤应用服服务提供供者(ASP)ASP的主要功功能是提提供增值值业务以以及三层层之上的的业务⑥网络络参考点点5．LTE第三代移移动通信信系统普普遍采用用的是码码分多址址（CDMA）技术，，此技术术能支持持的最大大系统带带宽为5MHz2004年底，第第三代合合作伙伴伴计划（（3GPP）提出了了通用移移动通信信系统（（UMTS）的长期期演进（（LTE）项目长期演进进（LTE）项目、、超移动动宽带（（UMB）技术、、WiMAX技术、802..20移动宽带带频分双双工/移动宽带带时分双双工（MobileBroadbandFDD/TDD）等技术术构成““准4G”技术（2）LTE的需求①系统统性能需需求峰值速率率用户吞吐吐量和频频谱效率率移动性用户面延延时控制面延延时和容容量②部署署成本和和互操作作性上行和下下行都可可以工作作在广泛泛频带内内以及适适应各种种带宽的的频谱分分配LTE设计同时时支持FDD、TDD和半双工工FDD模式（3）LTE的架构（4）LTE的关键技技术①多址址技术下行采用用的是正正交频分分多址接接入（OFDMA）技术系统的峰峰均功率率比（PAPR）过高问问题的解解决②多天天线技术术增益来源源：复用用增益、、分集集增益、、天线线增益下行MIMO技术支持持2

×2（两发两两收）基基本天线线配置上行基本本天线配配置为1

×2③干扰抑制制技术LTE在eNodeB间引入X2接口，，以降低低小区间间干扰4.2短距离无无线通信信4.2..1ZigBee4.2..2Bluetooth4.2..3UWB4.2..460GHz4.2..1ZigBee图4-6短距离无无线通信信技术一一览1．ZigBee的来源与与优势ZigBee技术的名名字来源源于蜂群群使用的的赖以生生存和发发展的通通信方式式。ZigBee是基于IEEE802.15.4无线标准准研制开开发的。。802..15..4仅仅定义义了物理理层和MAC层，并不不足以保保证不同同的设备备之间可可以对话话，于是是便有了了ZigBee。ZigBee技术具有有以下优优势：（1）低功耗耗ZigBee主要通过过降低传传输的数数据量、、降低收收发信机机的忙闲闲比及数数据传输输的频率率、降低低帧开销销以及实实行严格格的功率率管理机机制来降降低设备备的功耗耗。（2）工作可靠靠ZigBee采用了载载波侦听听多址/冲突避免免（CSMA/CA）的信道道接入方方式和完完全握手手协议。。MAC层采用了了回复确确认的数数据传输输机制，，提高了了可靠性性。（3）成本低主机芯片片成本低低，其他他终端成成本低。。（4）网络容容量大每个ZigBee网络最多多可支持持65000个节点。。（5）有效范范围大可多级拓拓展。（6）时延短短对时延敏敏感的应应用做了了优化。。（7）优良的的拓扑能能力ZigBee具有组成成星、网网和簇树树网络结结构构能力。。还具有有无线网网络自愈愈能力。。（8）安全性性较好ZigBee提供了数数据完整整性检查查和鉴权权能力，，加密算算法采用用通用的的AES--128。（9）工作频频段灵活活使用的频频段分别别为2.4GHz、868MHz（欧洲））及915MHz（美国）），均为为免执照照频段。。2．ZigBee的协议架架构（1）ZigBee的网络组组成和网网络拓扑扑利用ZigBee技术组成成的无线线个人局局域网（WPAN）是一种种低速率率的无线线个人区区域网（LR-WPAN）。LR-WPAN网状结构构简单、、成本低低廉，具有有限限的功率率和灵活活的吞吐吐量。在一个LR-WPAN网络中，，可同时时存在两种不同同类型的的设备:全功能设设备（FullFunctionalDevice，FFD）精简功能能设备（（ReducedFunctionDevice，RFD）。FFD通常有3种状态：：①作为一一个主协协调器；；②作为一一个协调调器；③作为一一个终端端设备。。一个FFD可以同时时和多个个RFD或多个其他的FFD通信，而而RFD只能和一一个FFD进行通信信。RFD的应用非非常简单单，容易易实现，，且RFD仅需要使使用较小小的资源源和存储储空间，，这样就就可非常常容易地地组建一一个低成成本、低低功耗的的无线通通信网络络。图4-7ZigBee技术的三三种网络络拓扑结结构ZigBee支持3种拓扑结结构，如如图4-7所示，包包括星形形、网状状形和簇簇树形结结构。在星形拓拓扑结构构中，整整个网络络由一个个网络协协调器来来控制。。在网状状形和簇簇树形拓拓扑结构构中，ZigBee协调器负负责启动动网络以以及选择择关键的的网络参参数。星形网络络是一种种常用且且适用于于长期运运行使用用操作的的网络；；网状形形网络是是一种高高可靠性性监测网网络；簇簇树形网网络是星星形和网网状形的的混合型型拓扑网网络，结结合了上上述两种种拓扑的的优点。。可以根据据实际应应用需要要来选择择合适的的网络结结构。（2）ZigBee的协议架架构ZigBee的协议架架构如图图4-8所示，采采用了IEEE802.15.4制定的物物理层和和MAC层作为ZigBee技术的物物理层和和MAC层。图4-8ZigBee协议架构构示意图图（3）IEEE802.15.4协议IEEE802.15.4标准定义义了ZigBee物理层和和MAC子层，符符合开放放系统互互联模型型（OSI）。IEEE802.15.4的物理层层提供两两类服务务：物理理层数据据服务和和物理层层管理服服务。物理层功功能包括括无线收收发信机机的开启启和关闭闭、能量量检测（（ED）链路质质量指示示（LQI）、信道道评估（（CCA）和通过过物理媒媒体收发发数据包包。图4-9IEEE802.15.4中两个不不同的物物理层如图4-9所示，IEEE802.15.4定义了两两种不同同工作频频段的物物理层：：868//915MHz和2450MHz。表4-1给出了各各国对ZigBee频率工作作范围的的划分。。

工作频率范围/MHz频段类型国家和地区868～868.6ISM欧洲902～928ISM北美2400～2483.5ISM全球表4-1各个国家家和地区区ZigBee频率工作作范围由于各个个国家和和地区采采用的工工作频率率范围不不同，为为了提高高数据传传输速率率，IEEE802.15.4对于不同同的频率率范围，，规定了了不同的的调制方方式。具具体的内内容如表表4-2所示。表4-2各个国家家和地区区ZigBee频率工作作范围频段（MHz）扩展参数数据参数码片速率

（kchip/s）调

制比特速率

（kbit/s）符号速率

（kBaud/s）符

号868～868.6300BPSK2020二进制902～928600BPSK4040二进制2400～2483.52000O-QPSK25062.516相正交（4）ZigBee的上层协协议应用层包包括3个组成部部分：应用支持持子层（（APS）应用框架架ZigBee设备对象象（ZDO）ZigBee中定义了了3种密钥：：网络密钥钥--用在数据据链路层层、网络络层和应应用层中中。链路密钥钥--应用在应应用层。。主密钥--应用在应应用层。。3．ZigBee技术在物物联网中中的应用用（1）家庭自自动化图4-10ZigBee在家庭自自动化中中的应用用（2）无线定定位图4-11ZigBee在无线定定位中的的应用（3）工业领领域图4-12ZigBee在智能能能源中的的应用4.2..2Bluetooth1．Bluetooth的来源与与特点爱立信、、IBM、Intel、Nokia和东芝五五家公司司于1998年5月联合成成立了Bluetooth（蓝牙））特别兴兴趣小组组（BluetoothSpecialInterestGroup，BSIG），并制制订了短短距离无无线通信信技术标标准—蓝牙技术术。所谓蓝牙牙（Bluetooth）技术，，实际上上是一种短短距离无无线电技技术。蓝牙技术术利用短短距离、、低成本本的无线线连接替代代了电缆缆连接，，从而为为现存的的数据网络和小小型的外外围设备备提供了了统一的的连接。Bluetooth的主要技技术特点点：（1）拓扑结结构蓝牙技术术支持点点对点或或点对多多点的话话音、数数据业务务，采用一种种灵活的的无基站站的组网网方式，，如图4-13和图4-14所示。。图4-13多个蓝蓝牙设备备组成的的微微网网图4-14多个微微微网组成成的散射射网（2）系统组组成蓝牙系统统一般由由天线单单元、链链路控制制（硬件））、链路路管理（（软件））和蓝牙牙软件（协议））等4个功能模模块组成成。如图4-15所示：图4-15蓝牙系统统的组成成天线部分分体积小小巧，属属于微带带天线。。链路控制制器（LC）的单元元包括3个集成芯芯片：连接接控制器器、基带带处理器器以及射射频传输/接收器，，此外，，还使用用了单独独调谐元元件。链路管理理（LM）提供的的服务有有：发送和接接收数据据、请求求名称、、链路地地址查询、建立立连接、、鉴权、、链路模模式协商商和建立、决定定帧的类类型等。。（3）射频特特性蓝牙设备备的工作作频段选选在全球球通用的的2.4GHz的ISM（工业、、科学、、医学））频段。频道采采用23个或79个，频道道间隔均均为1MHz。采用时分分双工方方式。蓝牙的无无线发射射机采用用FM调制方式式，从而能降降低设备备的复杂杂性。最大发射射功率分分为3个等级，，100mW（20dBm），2.5mW（4dBm），1mW（0dBm），蓝牙牙设备之之间的有有效通信信距离大约为为10～100m。（4）跳频技技术跳频是指指在接收收或发送送一分组组数据后后，即跳跳至另一一频点。。（5）TDMA结构蓝牙的数数据传输输率为1Mbit/s，采用数数据包的形形式按时时隙传送送，每时时隙0.625μs。蓝牙系统统支持实实时的同同步定向向联接和和非实时的的异步不不定向联联接，分分别为SCO链路和ACL链路。前者主要要传送话话音等实实时性强强的信息息，后者则则以数据据为主。。（6）软软件的层层次结构构底层为各各类应用用所通用用，高层层则视具具体应用用而有所所不同。。（7）纠错技技术蓝牙系统统的纠错错机制分分为前向向纠错编编码（FEC）和包重重发（ARQ），支持持1/3率和2/3率FEC编码。（8）编码安安全蓝牙技术术在物理理层、链链路层、、业务层层3个层次上上提供安安全措施施，充分分保证通通信的保保密性。。蓝牙规规范公布布的主要要技术指指标和系系统参数数如表4-3所示。指标类型系统参数工作频段ISM频段，2.402～2.480GHz双工方式全双工，TDD时分双工业务类型支持电路交换和分组交换业务数据速率异步信道速率同步信道速率1Mbit/s非对称连接为721kbit/s、57.6kbit/s，对称连接为432.6kbit/s，2.0+EDR规范支持更高的速率64kbit/s，2.0+EDR规范支持更高的速率功率美国FCC要求小于0dBm（1mW），其他国家可扩展为100mW跳频频率数79个频点/MHz跳频速率1600跳/秒工作模式PARK/HOLD/SNIFF数据连接方式面向连接业务（SCO），无连接业务（ACL）纠错方式1/3FEC、2/3FEC、ARQ等信道加密采用0位、40位和60位密钥发射距离一般可达10cm～10m，增加功率的情况下可达100m表4-3主要技术术指标和和系统参参数2．Bluetooth协议体系系结构图4-16蓝牙协议议栈蓝牙的协协议体系系分为四四层：核核心协议议层、替替代电缆缆协议层层、电话话控制协协议层和和可选协协议。除了以上上这些协协议，在在基带控控制器、、链路控控制器以以及访问问硬件状状态和控控制寄存存器等提提供主机机控制器器命令接接口。

蓝牙核心心协议由由SIG制定的的蓝牙指指定协议议组成，，而其他他协议则则根据应应用的需需要而定定。因此此，下面面主要介介绍蓝牙牙核心协协议。（1）基带协协议：基基带协议议为两个个或多个个蓝牙单元元之间建建立物理理射频连连接。（2）链路管管理协议议（LMP）：链路路管理协议管管理基带带层内主主从网络络的运行行，负责两个或或多个设设备之间间的链路路设置和和控制，包括传传递验证证和加密密，管理理链路密密钥。（3）逻辑链链路控制制和适配配协议（（L2CAP）：位于于基带协协议之上上，为低低层的数数据服务务，向上上层提供供面向连连接和无无连接的的数据服服务。（4）服务发发现协议议（SDP）：使用用SDP，可以查查询到设设备和服服务类型型，从而而在蓝牙设设备间建建立相应应的连接接。3．Bluetooth的应用及及产品蓝牙SIG中定义了了几种基基本的应应用模型型，主要包包括文件件传输、、Internet网桥、局局域网接入、、同步、、三合一一电话（（three-in-onephone）和终端端耳机等等。在实际生生活中，，蓝牙的的应用也也是十分分广泛的的，涉及及到居家家、工作作、娱乐乐等方面面。市面上的的蓝牙产产品主要要包括蓝蓝牙耳机机、蓝牙适适配器、、车载蓝蓝牙多媒媒体系统统、车载蓝牙电电话、蓝蓝牙键盘盘和鼠标标、蓝牙牙网关、蓝牙无无线条码码扫描枪枪等。我们可以以利用蓝蓝牙技术术来连接接其他的的无线设设备、下下载照片片、进行行多人游游戏，甚甚至可以以进行自自动存取取款、订订票。这这可以为为我们的的生活带带来极大大的便利利，使得得物物联联网的概概念成为为现实。。2010年7月，蓝牙牙技术联联盟（BluetoothSIG）宣布正正式采纳纳蓝牙4.0核心规范范，并启启动对应应的认证证计划。。蓝牙4.0的标志性性特色是是2009年底宣布布的低功功耗蓝牙牙无线技技术规范范。预计计支持蓝蓝牙4.0标准的设设备将于于2010年底或2011年初批量量上市。。4.2..3超宽带UWB超宽带技技术产生生原因传统的无无线传输输技术一一般都是是带宽受受限的，，系统带带宽通常常在20MHz以下，，可用频频谱资源源有限和和信道的的多径衰衰落特征征是限制制传输速速率的主主要瓶颈颈。发展20世纪60年代--主要用于于军事目的的，如高高功率雷雷达和保保密通信信1989年--美国国防防部提出“超宽带带”2002年2月--FCC批准将该该技术应应用于民民用系统统，并划分了了免授权权使用频频段超宽带（（UltraWideBand，UWB）若一个信信号在20dB处的绝对带宽宽大于1.5GHz或相对带宽宽大于25%，则这个个信号就就是超宽宽带信号号.两方面限限制：绝对带宽宽（AbsoluteBandwidth）或者相对带宽宽（FractionalBandwidth）特征该技术的显显著特征征则是采采用500MHz至几个吉吉赫兹的带宽进进行高速速数据传传输，在在10m距离内提提供高达达100Mbit/s以上，甚甚至1Gbit/s的传输速速率，同同时与现现有窄带带无线系系统很好好地共存存。绝对带宽宽（AbsoluteBandwidth）绝对带宽宽是指信信号功率率谱最大大值两侧侧某滚降降点对应应的上截截止频率率与下截止止频率之差。注：实际应用用中，绝绝对带宽宽有−3dB绝对带宽宽、−20dB绝对带宽宽等不同同选择。。图：绝对带宽宽的定义义（PSD：信号功功率谱密密度）相对带宽宽（FractionalBandwidth）相对带宽宽是指绝绝对带宽宽与中心心频率之之比。由由于超宽宽带系统统经常采采用无正正弦载波波调制的的窄脉冲冲信号承承载信息息，中心心频率并并非通常常意义上上的载波波频率，，而是上上、下截截止频率率的均值值。中心频率率：例如，以以−10dB绝对带宽宽计算的相对带带宽为：：注：FCC规定UWB信号为绝绝对带宽宽大于500MHz或相对带带宽大于于20%的无线电电信号。相对带宽宽（FractionalBandwidth）FCCPart15规定：UWB通信系统统可使用用的免授授权频段段为3.1～10.6GHz共7.5GHz带宽信号最高高功率谱谱密度为为−41..3dBm/MHz4.2..3.1超宽带的的技术特特点超宽的信信号带宽宽极低的发发射功率率谱密度度（1）传传输速率率高（2）通通信距离离短（3）系系统共存存性好，，通信保保密度高高（4）定定精度极极高，抗抗多径能能力强（5）体体积小、、功耗低低位（1）传输速速率高UWB系系统使用用高达500MHz～～7.5GHz的带宽宽，根据据香农信信道容量量公式，，即使发发射功率率很低，，也可以以在短距距离上实实现高达达几百兆兆至1Gbit/s的的传输速速率。（2）通信距距离短高频信号号衰落更更快，这这导致UWB信号产生生严重的的失真。。研究表明明:当收发信信机之间间距离小小于10m时，UWB系统的信信道容量量高于传传统的窄窄带系统统;当收发信机机之间距距离超过过12m时，UWB系统在信信道容量量上的优优势将不不复存在在。（3）系统共共存性好好，通信信保密度度高极低的功功率谱密密度（上限仅为为−41..3dBm/MHz）噪声电平平低，与传统的的窄带系系统有着着良好的的共存性性具有很强强的隐蔽蔽性（4）定精度度极高，，抗多径径能力强强脉冲宽度度一般在在亚纳秒秒级很强的穿穿透力，高精度测测距和定定位能力力抗多径能能力强（5）体积小小、功耗耗低位传统的UWB技技术无需需正弦载载波，收收发信机机不需要要复杂的的载频调调制解调调电路和和滤波器器等。因因此，可可以大大大降低系系统复杂杂度，减减小收发发信机体体积和功功耗。超宽带系系统两大特征征：高速率短距离超宽带的的应用范范围在通信领域域应用：组建高速速局部物物联网；无线个域域网和家家庭无线线网络；作为各种种设备之之间的高高速通信信接口。（1）短距离离点到点点通信各种移动动设备之之间的高高速信息息传输，，例如PDA、、MP3、可视视电话、、3G手手机等设设备之间间的短距距离点到到点通信信，包括括多媒体体文件传传输、游游戏互动动等。（2）设备间无线连接接桌面PC、笔记记本电脑脑、移动动设备与与各种外外设之间间的无线线连接，，例如与与打印机机、扫描描仪、存存储设备备等的无无线连接接。（3）数据传输数字电视视、家庭庭影院、、DVD机、投投影机、、数码相相机、机机顶盒等等家用电电子设备备之间的的可视文文件和数数据流的的传输。。4）系统管理理结合UWB高精精度的定定位能力力，应用用企业仓仓储管理理和智能能交通等等各类物物联网系系统中，，为精准准的存货货追踪管管理、汽汽车防撞撞系统、、测速、、收费系系统提供供解决方方案。5）其他应应用窄脉冲具具有很强强的穿透透各种障障碍物，，例如墙墙壁和地地板的能能力。UWB技技术还能能实现隔隔墙成像像，因此此具有比比红外通通信更为为广泛的的应用，，例如在在军事、、勘探、、安全等等领域。。4.2..3.2脉冲无线线电技术术早期超宽宽带系统统的代名名词，专专指采用用冲激脉脉冲（超超短脉冲冲）作为为信息载载体的非非正弦载载波无线线电技术术。该技技术有别别于传统统使用正正弦载波波的窄带带无线系系统，属属于基带带、无载载波通信信的范畴畴。脉冲无线线电（ImpulseRadio）：（1）常用脉脉冲波形形功率谱的的形状取取决于脉脉冲信号号的形状状。因此此，典型型的UWB脉冲冲是高斯斯双叶脉脉冲（GaussianDoublet），这这种脉冲冲因为生生成容易易而被经经常使用用。（2）基于脉脉冲调制制的超宽宽带系统统UWB系系统常用用的调制制方式包包括脉位位调制（（PPM）、脉脉幅调制制（PAM）和和二相调调制（BPSK）。脉位调制制（PPM）PPM通通过改变变发射脉脉冲的时时间间隔隔或发射射脉冲相相对于基基准时间间的位置置来传递递信息，，它的优优点就是是简单，，但是需需要比较较精确的的时间控控制。脉幅调制制（PAM）PAM通通过改变变脉冲幅幅度的大大小来传传递信息息，它可可以改变变脉冲幅幅度的极极性，也也可以仅仅改变脉脉冲幅度度的绝对对值大小小。通常常所讲的的PAM只改变变脉冲幅幅度的绝绝对值，，即OOK（On-offKeying）。二相调制制（BPSK）BPSK通过改改变脉冲冲的正负负极性来来调制二二元信息息，所有有脉冲幅幅度的绝绝对值相相同。使使用二相相调制的的一个原原因就是是在抗噪噪性能上上它有优优于PPM的3dB增增益。OOK和PPM比较优点：可以通过过非相干干检测恢恢复信息息；缺点：经过这些些方式调调制的脉脉冲信号号将出现现线谱。。3种典型的的超宽带带脉冲无无线电系系统多址与调调制方式式相结合合，可以以得到3种典型型的超宽宽带脉冲冲无线电电系统，，即TH-PPM、TH-PAM和和DS--BPSK。4.2..3.3多带OFDM（MB-OFDM）超宽带带技术在2002年FCC规规定了UWB通通信的频频谱使用用范围和和功率限限制后，，全球各各大消费费电子类类公司及及其研究究人员从从传统窄窄带无线线通信的的角度出出发，提提出了有有别于基基带窄脉脉冲形式式的带通通载波调调制超宽宽带方案案MB--OFDM（MultiBandOFDM）。。带通载波波调制超超宽带方方案MB-OFDM方案2005年3月月，欧洲洲计算机机制造商商协会（（ECMA）发发布了基基于MB-OFDM方方案的ECMA-368和ECMA-369标准准。上述述标准于于2007年通通过ISO认证证，正式式成为第第一个UWB的的国际标标准。ECMA-368协议ECMA-368协议规定定了用于于高速短短距离无无线网络络的UWB系统的物物理层与与MAC层的特性性，使用用频段为为3.1～10.6GHz，最高速速率可以以达到480Mbit/s。（1）帧结构构ECMA-368协议议里的帧帧结构是是由物理理层汇聚聚协议（（PLCP））前导导、PLCP头头和物理理层服务务数据单单元（PSDU））三部分分组成的的PLCP协议议数据单单元（PPDU））。PPDU结构图PLCP（PhysicalLayerConvergenceProtocol：物理层汇汇聚协议议）PSDU（PHYServiceDataUnit，物理层层服务数数据单元元）PPDU（PLCPProtocolDataUnit，PLCP协议数据据单元）PLCP前导分类及结结构PLCP前导有有标准和和突发两两种类型型。PLCP前前导的结结构分为为同步序序列和信信道估计计序列两两段。同步序列列长度::标准类类型为24个OFDM符号，，突发类类型为12个OFDM符号;;信道估计计序列长长度:两两种类型型均为6个OFDM符符号。（2）编码和和调制PPDU的数据据经过编编码调制制过程后后形成OFDM时域信信号，再再经过射射频发送送到信道道中。PPDU数据编码码其中PLCP前前导直接接是时域域信号，，不用经经过编码码和调制制直接形形成OFDM信信号，PLCP头与PSDU部分则则经过上上图所示示的过程程形成OFDM符号。。双载波调调制（DCM）它把4个个交织后后的比特特同时映映射到两两个16进制（（16点点）的符符号中，，接下来来把两个个十六进进制的符符号映射射到间隔隔50个个子载波波的两个个子载波波中。（3）子带划划分在物理层层上，该该协议将将频谱划划分为14个带宽为为528MHz的子带，，这14个频带又又分为5组，其中中前4组内各含含有3个子带，，第5组内含有有2个子带。。实际方案案中，先先期仅采采用3..168～4..752GHz的3个个子带，，在每个个子频带带上，信信息采用用128点IFFT//FFT的OFDM调调制。

时频码（（Time-FrequencyCode，TFC），MB-OFDM定义义了7组组时频码码，其中中包括4组跳频频与3组组定频模模式，跳跳频模式式可使两两个未经经协调的的微微网网（piconet））之间的的干扰减减小。6个符号时时隙周期期的时频频码4.2..460GHz60GHz技术产生生背景从理论上上看，要要进一步步提升系系统容量量，增加加带宽势势在必行行。但是是10GHz以以下无线线频谱分分配拥挤挤不堪的的现状已已完全排排除了这这种可能能，因此此，要实实现超高高速无线线数据传传输还需需开辟新新的频谱谱资源。。各国60GHz频段北美和韩韩国开放放了57～64GHz；欧洲和日日本开放放了59～66GHz；澳大利亚亚开放了了59..4～62.9GHz；中国目前前也开放放了59～64GHz的频段段。各国和地地区对60GHz频谱的划划分可以看出出，在各各国和地地区开放放的频谱谱中，大大约有5GHz的重合4.2..4.160GHz通信的技技术特点点（1）60GHz信号传播播特性①极大大的路径径损耗②氧气气吸收损损耗高③绕射射能力差差，穿透透性差下表对比了了各种材材料对毫毫米波和和低频电电磁波的的穿透损损耗。此此外，测测量显示示PC显示器之之类的金金属物体体对60GHz信号的衰衰减在40dB以上。（2）60GHz无线通信信技术特特点①定向向发射和和接收②多跳跳中继③空间间复用④单载载波调制制与OFDM①定向向发射和和接收定向发射射和接收收首先能能显著减减小信号号多径时时延扩展展；其次次，定向向发射意意味着干干扰区域域的减小小，同时时毫米波波的高衰衰减特性性也缩短短了信号号的干扰扰距离，，不同链链路之间间的干扰扰大为降降低。②多跳跳中继为了扩大大60GHz网网络覆盖盖范围并并保持足足够高的的强健性性，可以以借助中中继利用用协同或或多跳等等方式来来进行组组网。有实验表表明4跳跳60GHz系系统已可可实现与与WLAN相同同的覆盖盖范围，，并保持持每秒数数吉比特特的超高高速率。。③空间间复用允许多条条同频通通信链路路在同一一空间内内共存，，从而有有效提升升网络容容量。④单载载波调制制与OFDM在60GHz物物理层技技术方案案的选择择上，目目前有单单载波调调制和OFDM两大备备选技术术。可以以根据不不同的应应用和场场景结合合使用60GHz标准化进进程（1）WirelessHD（2）WiGig（3）ECMA（4）IEEE802.15.3c（TG3c）（5）IEEE802.11ad（TGad））IEEE802.15.3c协议简介介（1）802..15..3的微微微网802..15..3协议议所定义义的微微微网的结结构如右右图所示示，是一一个基于于中央控控制的自自组织网网络。通常微微微网的通通信范围围在10m以内，基基本元素素是设备备（DEV），设备备间可以以独立的的进行数数据通信信。网协调器器PNCPNC的的主要作作用之一一就是传传送带有有微微网网信息的的信标（（Beacon），以以信标形形式为微微微网提提供基本本定时功功能，并并负责服服务质量量请求、、功率节节省和访访问控制制等功能能。微微网工作过程程（1）-建立微微网在在初始化化时，会会选择其其中一个个DEV充当微微微网协协调器PNC（（PiconetCoordinator）。。当802.15.3微微网网中的某某一个DEV能能够充当当PNC开始发发送信标标时，就就认为微微微网形形成了。。微微网工作过程程（2）-加入DEV通通过关联联过程加加入微微微网，PNC会会广播微微微网内内所有DEV的的信息，，并将新新的DEV信息息放到信信标中，，从而使使网内其其他DEV和新新加入的的DEV知道彼彼此的信信息。微微网工作过程程（3）-断开如果PNC将要要离开网网络并且且微微网网中的其其他DEV都没没有能力力成为PNC来来协调网网络时，，PNC将会通通过发送送带有PNC中中断信息息的信标标通知微微微网中中的其他他DEV，微微微网将结结束工作作。（2）物物理层为了适应应于不同同的应用用，IEEE802.15.3c中定义义了3种种物理层层模式。。①SingleCarrier（SC）②HighSpeedInterface（HSI）OFDM③Audio/Video（AV）OFDM（3）MAC层层①802.15.3超帧结结构超帧（superframe）是微微微网中中时间划划分的基基本单位位，其结结构如图图4-24所示示：图4-24802.15.3微微网超超帧结构构信标信标的位位置是在在每一个个超帧的的开始，，主要用用于设定定时间分分配和交交互管理理信息。。竞争接入入期（CAP）采用CSMA//CA机机制来竞竞争信道道资源，，用于交交互命令令和（或或）异步步数据。。信道时时间分配配期（CTAP）又包包括信道道时间分分配（ChannelTimeAllocation，CTA））和管理理信道时时间分配配（ManagementCTA，MCTA））。信道时间间分配期期CTAP中采用用的是时时分多址址（TimeDivisionMultipleAccess，TDMA））的信道道接入方方式，MTCA只适用用于DEV和PNC之之间的通通信信道时间间分配CTACTA可可以用于于传输同同步数据据流以及及异步数数据流。。它的长长度由PNC根根据DEV所发发送的信信道时间间请求命命令而决决定。CTA在超帧帧中的位位置是可可以动态态改变的的，这样样PNC可以灵灵活地分分配CTA的时时间给DEV，，从而提提高信道道资源的的利用率率。②802.15.3c超帧帧结构全向模式式（omnimode）和和准全向向模式（（quasi--omnimode）的概概念。全向模式式全向模式式是指设设备使用用全向天天线进行行通信，，这时802..15..3c的的帧结构构与802.15.3中相同同。准全向模模式准全向模模式是分分辨率最最低的模模式，通通常指覆覆盖设备备周围很很大区域域一种天天线模式式（也包包括这个个设备作作为PNC时））。IEEE802.15.3c中的超帧帧结构准全向信信标准全向信信标（Quasi-omnibeacon）是是指在准准全向模模式时，，PNC采用循循环的方方式在不不同的方方向上发发送同样样的信标标，使得得在不同同方向的的设备均均可以加加入同一一个微微微网。竞争接入入期竞争接入入期又分分为3部部分：关联子竞竞争接入入期（AssociationS-CAP）定期子竞竞争接入入期（RegularS--CAP）定期竞争争接入期期（AssociationCAP）ECMA-387简介（1）频频段规划划ECMA-387指定定了4个个频段，，每一个个的宽度度为2..160GHz，符号号速率为为1.728Gsymbol/s，，这对所所有的设设备都是是相同的的。标准支持持两个相相邻信道道的绑定定。信道道绑定可可以获得得更高的的数据速速率，而而使用有有效的低低阶调制制也可以以获得相相同的速速率，802..15..3c也也使用同同样