物联网主要通讯技术

第5章

物联网主要通讯技术学习要点物联网的主要通信技术ZigBee技术WLAN技术蓝牙技术3G技术4G技术目录5.54G技术5.43G技术5.3蓝牙技术5.2WLAN技术5.1ZigBee技术5.1ZigBee技术ZigBee技术是一组基于无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术。其主要适用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。ZigBee作为一种无线联网协议，属于个人区域网络（PersonalAreaNetwork，PAN）的范畴，有别于GSM、GPRS等广域无线通信技术和IEEE802.11a、IEEE802.11b等无线局域网技术，参数及性能比较见下表1。5.1ZigBee技术5.1ZigBee技术5.1ZigBee技术ZigBee技术主要应用在数据传输速率不高的短距离设备之间，因此非常适用于家电和小型电子设备的无线数据传输。主要应用领域：智能家庭和楼宇自动化在消费和家用自动化市场工业自动化领域医疗监控农业领域5.1ZigBee技术5.2WLAN技术WLAN又称为无线局域网络，利用无线射频技术实现数据传输，WLAN用户通过一个或多个无线接收器接入WLAN。WLAN具有移动行、便捷性、较高的带宽等特点。WLAN技术是提升城市信息化水平的重要手段，是3G环境下热点区域中对3G数据业务覆盖的重要补充，现已广泛应用在商务区、大学、机场等公共区域。5.2WLAN技术5.2WLAN技技术WAPI标准WAPI（WLANAuthenticationandPrivacyInfrastructure）是中中国开开发的的具有有自主主知识识产权权的无无线局局域网网中的的一种种传输输协议议，它它与现现行的的802.11b传输协协议比比较相相近，，同时时也是是中国国无线线局域域网安安全强强制性性标准准。作为全全球在在此领领域的的两个个标准准之一一，相相比另另一个个由美美国IEEE主导完完成（（实际际为Intel主导））的标标准，，WAPI具有明明显的的安全全和技技术优优势，，迄今今未被被发现现有安安全技技术漏漏洞。。WAPI通过双双向身身份识识别、、采用用公钥钥密码码等方方式完完善WLAN的安全全性能能。WAPI安全系系统采采用公公钥密密码技技术，，鉴权权服务务器（（AS）负负责责证证书书的的颁颁发发、、验验证证与与吊吊销销等等，，无无线线客客户户端端与与无无线线接接入入点点（（AP）上上都都安安装装有有AS颁发发的的公公钥钥证证书书，，作作为为自自己己的的数数字字身身份份凭凭证证。。5.2WLAN技技术术WLAN优劣劣势势WLAN的网网络络速速度度与与以以太太网网相相当当。。一一个个AP(AccessPoint)最多多可可支支持持100多个个用用户户接接入入,最大大传传输输范范围围可可达达到到几几十十公公里里,有以以下下的的通通信信特特点点高移移动动性性,通信信范范围围不不受受环环境境条条件件的的限限制制,拓宽宽了了网网络络的的传传输输范范围围。。抗干干扰扰性性强强、、网网络络的的保保密密性性好好。。有有线线局局域域网网中中的的诸诸多多安安全全问问题题,无线线局局域域网网基基本本上上可可以以避避免免。。建网网容容易易,管理理方方便便。。相相对对于于有有线线网网络络,WLAN的组组建建、、配配置置和和维维护护较较为为容容易易,一般般计计算算机机工工作作人人员员都都可可以以胜胜任任网网络络的的管管理理工工作作。。WLAN还不不能能完完全全脱脱离离有有线线网网络络，，它它只只是是有有线线网网络络的的补补充充，，而而不不是是替替换换。。与有有线线网网络络相相比比,无线线局局域域网网有有以以下下不不足足:网络络产产品品昂昂贵贵,昂贵贵的的设设备备增增加加了了组组网网的的成成本本。。传输输速速率率慢慢,以太太网网可可实实现现1Gbit/s的传传输输速速度度,而无无线线局局域域网网的的传传输输速速度度被被限限制制在在10Mbit/s左右右，，市市场场上上一一般般的的无无线线网网络络带带宽宽还还达达不不到到2Mbit/s。5.2WLAN技技术术802.11技术术基基础础1．802.11物理理层层（（PHY）802.11标准准的的物物理理层层是是MAC层和和数数据据帧帧传传输输所所在在的的无无线线介介质质之之间间的的接接口口。。物物理理层层定定义义了了红红外外光光束束、、跳跳频频扩扩频频技技术术（（FHSS）和和直直接接序序列列扩扩频频技技术术（（DSSS）。。物物理理层层使使用用特特定定的的调调制制技技术术，，利利用用850纳米米到到950纳米米波波长长范范围围的的红红外外光光束束进进行行二二进进制制数数据据的的传传输输，，传传输输速速率率为为1Mbps或2Mbps。2．介介质质访访问问接接入入控控制制层层（（MAC）IEEE820.11标准准的的MAC层定定义义了了一一种种新新的的接接入入控控制制协协议议来来进进行行无无线线介介质质分分享享，，这这种种协协议议叫叫带带有有冲冲突突避避免免的的载载波波侦侦听听多多路路访访问问CSMA/CA（Carrier——SenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance）。3．IEEE802.11a为改进WLAN技术，IEEE在1999年提出了了802.11a标准。这这一标准准既保留留了原有有标准的的优点，，又进一一步扩展展了物理理层（PHY）。新标标准增加加了5GHz的工作频频谱，使使用正交交频分复复用技术术（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）可支持持6Mbps到54Mbps的传输速速率。在在MAC层上，依依然使用用WEP进行安全全检测。。5.2WLAN技术术4.IEEE802.11bIEEE802.11标准的另另一个扩扩展标准准是820.11b，它是在在1999年和802.11a标准一同同发布的的。820.11b标准的关关键改进进是物理理层使用用2.4Ghz频段且支支持5.5Mbps和11Mbps两种传输输速率。。5．IEEE802.11gIEEE802.11a和802.11b工作在不不同的频频谱，因因此这两两种标准准互不兼兼容。为为了解决决这一问问题，IEEE在2003年提出了了802.11g这一LAN新标准。。802.11g兼容802.11b的物理层层标准，，并进行行了速率率上的扩扩展，在在2.4GHz频谱下支支持最高高54Mbps的传输速速率。当当传输速速率在20Mbps以下时，，在物理理层采用用DSSS技术和CCK技术。当当传输速速率超过过20Mbps时，在物物理层使使用OFDM技术。802.11g标准兼容容802.11b并提供了了更高的的传输速速率，但但昂贵的的成本阻阻碍了它它的发展展。5.2WLAN技术术WLAN的应用Wi-fi技术的应应用WLAN在智能公公交中的的应用WLAN在铁路行行业中的的应用5.3蓝牙技术术蓝牙技术术是一种种以低成成本的近近距离无无线传输输为基础础，为固固定与移移动设备备通信环环境建立立一个特特别连接接的无线线数据与与语音通通信的开开放性全全球规范范。它的主要要目标是是提供一一个全世世界通行行的无限限传输环环境，通通过无线线电波来来实现所所有移动动设备之之间的信信息传输输服务。。这些设设备移动动包括手手机、笔笔记本电电脑、PDA、数字相相机、打打印机等等等。它的实质质其实就就是为固固定设备备和移动动设备建建立一个个通用的的无线电电空中接接口。5.3蓝牙技术术蓝牙工作作原理图图如图5.7所示，在在蓝牙设设备间的的通信中中，首先先由蓝牙牙主设备备利用其其专门的的发射结结构，使使用短程程射频链链接，在在业务发发现协议议（发现现链接的的设备或或主机的的功能的的应用规规范）的的规范下下，通过过召唤体体系结构构（一种种业务发发现标准准），查查询到需需链接从从设备信信息和服服务类型型，之后后，蓝牙牙设备间间的链接接才能建建立，形形成蓝牙牙微网。。其次，，蓝牙设设备间可可进行语语言及数数据的传传输。如如果传输输语言信信息，则则采用电电路交换换形式，，进行同同步时分分双工（（TDD）的全双双工传输输。5.3蓝牙技术术5.3蓝牙技术术5.3蓝牙技术术蓝牙技术术的主要要运用居家电子工作军事娱乐5.43G技技术第三代移移动通信信技术（（TheThirdGeneration，3G）指无线线通信与与国际互互联网等等多媒体体通信结结合的新新一代移移动通信信系统。。3G是指在第第一代模模拟制式式手机(1G)和第二代代GSM、TDMA等数字手手机(2G)的基础上上发展起起来的第第三代移移动通信信技术。。相对于第第一代模模拟制式式手机(1G)和第二代代GSM、CDMA等数字手手机(2G)，3G的一个突突出特点点是，在在未来移移动通信信系统中中实现个个人终端端用户能能够在全全球范围围内的任任何时间间，任何何地点，，与任何何人，用用任意方方式，高高质量地地完成任任何信息息之间的的移动通通信与传传输。5.43G技技术3G技术的起起源3G技术是由由“展布布频谱技技术”（（也称码码分扩频频技术））的技术术理论演演变而成成的，展展布频谱谱技术就就是3G技术的根根本基础础原理。。这个技技术理论论是由美美国女演演员海蒂蒂·拉玛和她她的作曲曲家丈夫夫于1942年提出一一个Spectrum(频谱)的技术概概念。二战期间间，为了了帮助美美国军方方制造出出能够对对付纳粹粹德国的的电波干干扰或防防窃听的的军事通通讯系统统，海蒂蒂-拉玛开始始研究这这个技术术，这个个技术最最初的作作用是用用于军事事。二战战结束后后暂时失失去了价价值，于于是美国国军方封封存了此此技术。。但是它它的概念念使很多多国家对对此产生生了浓厚厚的兴趣趣，多国国在60年代都在在此技术术上展开开了研究究，不过过进展不不大。美国军方方解禁了了“展布布频谱技技术”这这项技术术之后，，在1985年，在美美国的圣圣迭戈成成立了一一个名为为‘高通通’的小小公司（（现成为为世界五五百强）），这个个公司利利用此技技术开发发出一个个名为‘‘CDMA’的新通讯讯技术，，也就是是“CDMA”技术直接接导致3G的诞生。。CDMA是3G的根本基基础原理理，而展展布频谱谱技术是是CDMA的基础原原理。现在世界界3G技术的3大标准：：美国的的CDMA2000、欧洲的的WCDMA、中国的的TD-SCDMA，都是在在CDMA的技术基基础上开开发出来来的。5.43G技技术中国3G的发展历历程2000年5月，国际际电信联联盟正式式公布第第三代移移动通信信标准，，我国提提交的TD-SCDMA正式成为为国际标标准，与与欧洲WCDMA、美国CDMA2000成为3G时代最主主流的三三大技术术之一。。在中国，，2008年5月24日，工业业和信息息化部、、国家发发改委、、财政部部联合发发布《关于深化化电信体体制改革革的通告告》，鼓励中中国电信信收购中中国联通通CDMA网（包括括资产和和用户）），中国国联通与与中国网网通合并并，中国国网通的的基础电电信业务务并入中中国联通通，中国国铁通并并入中国国移动，，国内电电信运营营商由5家变为3家。2008年6月2日，中国联通通和中国网通通两家公司实实施合并。同同时，中国电电信将以总价价1100亿元收购联通通CDMA网络。2008年7月29日，中国电信信集团宣布未未来三年投资资800亿元发展CDMA业务，并提出出在三年内把把CDMA用户数由目前前约4300万增至1亿，届时在中中国移动通信信市场的占有有率将达15%。2008年8月，工信部发发布《关于同意中国国移动通信集集团公司开展展试商用工作作的批复》，同意中国移移动在全国建建立TD网络并开展试试商用。2008年12月22日，中国电信信发布移动业业务品牌“天天翼”，189号段在部分省省市投入试商商用，全面转转型为全业务务运营商。2008年12月31日，国务院常常务会议通过过决议，同意意启动3G牌照发放工作作。主要3G的应用如下：：宽带上网视频语音手机购物手机阅读和手手机电视手机游戏3G技术应用在企企业方面3G技术在社会中中的应用5.43G技术5.43G技术5.54G通信技术第四代移动通通信(The4thGeneration，4G)是业界对第四四代移动通信信通俗的叫法法，国际电联联的官方称法法是“IMT-Advanced”。4G将适合所有的的移动通信用用户，最终实实现商业无线线网络、局域域网、蓝牙、、广播、电视视卫星通信的的无缝衔接并并相互兼容。。4G通信技术是继继第三代以后后的又一次无无线通信技术术演进，它是是以传统通信信技术为基础础，并利用一一些新的通信信技术，来不不断提高无线线通信的网络络效率和功能能。4G技术由于连接接传输速率大大幅提高，从从而能引入高高质量的视频频通信，它将将可创造出许许多消费者难难以想象的应应用，将被广广泛地应用于于人们生活和和经济建设的的方方面面。。5.54G通信技术目前世界发送送国家都正在在积极进行4G技术规格的研研究制定，以以期在全球4G规格制定中享享有发言权。。4G的各项运行标标准将由国际际电信联盟（（ITU）电信标准局局决定。新一一代无线通信信技术在美国国及日本、韩韩国等发达国国家已经进入入密集的研发发和市场化阶阶段。从200