物联网工程设计与系统仿真 课件 第3章 可靠传输的关键技术

第3章可靠传输的关键技术12了解蓝牙的制式、技术特征、组网方式及物联网应用熟悉ZigBee的技术特征、组网方式及物联网应用熟悉Z-Wave的技术特征、组网方式及物联网应用了解红外通信的技术特征以及红外遥控系统了解短距离无线通信有关标准化组织或技术联盟了解GSM及GPRS的系统构成和应用特征了解4G的关键技术和网络应用现状熟悉5G的性能特征、关键技术及物联网应用知识目标能够阐述蓝牙制式的特征和应用能够分析蓝牙的组网模式和组网过程能够分析ZigBee的组网模式和组网过程能够分析Z-Wave的组网模式和组网过程

能力目标培养从整体到局部、从概括到细节的认知习惯培养积极思考与勤于实践并重的意识培养独立学习与沟通协作的能力素质目标第3章可靠传输的关键技术目录CATALOG030102物联网通信的多种选择短距离无线通信蜂窝广域网通信第3章可靠传输的关键技术物联网通信的多种选择3.1※通信系统模型※短距离通信技术※蜂窝广域网通信技术现代通信的涵义通信，是指通过某种媒质进行的信息传递。通信的基本形式是在信源与信宿之间建立一个传输信息的通道。现代通信意义上所指的信息已不再局限于电话、电报、传真等单一媒体信息，而是将声音、文字、图像、数据等合为一体的多媒体信息，这些信息是通过通信来进行传递。5通信系统模型6信源：产生各种信息（如语音、文字、图像及数据等）的信息源，可以是发出信息的人或机器信宿：信息的接收者，可以与信源相对应构成人到人通信或机器到机器通信，构成人到机器通信或机器到人通信信道：信号的传输媒介，可以分为有线信道和无线信道。123变换器：又称为发送设备，负责将信源产生的信号变换成适合在信道传输的信号反变换器：又称为接收设备，负责将从信道上接收的信号变换成信息接收者可以接收的信息噪声源：噪声源不是通信模型中的一部分，但通信模型中传输的信号会被噪声所干扰，从而产生误码。456和物联网密切相关的典型短距离无线通信技术WiFi蓝牙

Bluetooth紫蜂

ZigBee超宽带UWB光保真LiFiZ-Wave近场通信NFC射频识别RFID7蜂窝广域网通信技术：1Gto5G8短距离无线通信3.2※蓝牙技术※ZigBee技术※Z-Wave技术※红外通信技术蓝牙技术：适用于无线个域网10低成本、低功率、近距离无线技术标准，主要在个人区域无线通信网络的范围内实现设备和设备的无缝连接和资源共享。199419981999Now爱立信公司发明蓝牙技术第一批蓝牙产品进入市场蓝牙技术联盟成立，致力推广蓝牙通信标准，得到众厂商支持蓝牙技术联盟：36000+公司构成进入市场的蓝牙设备必须符合蓝牙技术联盟BluetoothSIG的标准短距离通信技术——蓝牙标准传输距离：通常为10米，使用增强技术可将有效传输距离扩充到百米以上。低功耗。设备在通信连接状态下，有四种工作模式：激活（Active）、呼吸（Sniff）、保持（Hold）和休眠（Park）。除了激活模式外，其余三种都是低功耗模式。语音数据同传。支持异步数据和同步语音的同时传输。工作在2.4GHz的ISM频段，抗干扰能力强。工作在ISM频段的无线电设备有很多，如家用微波炉、WiFi及HomeRF等。为抵抗来自这些设备的干扰，蓝牙采用跳频的方式来扩展频谱，在工作频段2.402~2.48GHz内分成79个频点，相邻频点间隔1MHz。设备在某频点发送数据后，会以伪随机的规律跳到另一个频点发送数据。11短距离通信技术——蓝牙模块体积小，便于集成。超小型蓝牙模块尺寸：长宽高均小于1cm。开放的接口标准。蓝牙技术联盟将蓝牙标准全部公开，任何单位和个人可依照标准进行产品开发，只要最终通过蓝牙技术联盟的产品兼容性测试，就可以推向市场。低成本。蓝牙作为国际标准，在全球拥有最广泛的的通用性，刺激了庞大的市场需求，并将蓝牙技术的使用成本摊薄。12企业经验：成为蓝牙技术联盟会员13企业申请加入蓝牙技术联盟会员资格：AdopterMembership和AssociateMembership权益AdopterAssociate在产品中使用蓝牙技术√√在营销和产品中使用蓝牙文字标记和徽标√√获取蓝牙规范的草案v0.9v0.5,v0.7,v0.9获取配置文件调整套件√√获取定制研究报告×√规范开发参加研究组和专家组√√参加工作组和BTI×√担任委员会和工作组的领导×√BARB（蓝牙架构审核委员会）顾问或BQRB（蓝牙认证评估委员会）代表（每位成员1个名额）×√经典蓝牙vs低功耗蓝牙14蓝牙组网：微微网（piconet）15主设备（1个）：提出通信要求，负责时钟同步信号和跳频序列从设备（最多7个）：受控同步的设备，接受主设备的控制主设备轮询从设备并与它们通信，从设备保持与主设备之间的同步从设备之间不能通信，需要通过主设备转发数据才能实现它们之间的通讯蓝牙组网：散射网（scatternet）16蓝牙散射网由一组相互独立并以特定方式连接在一起的蓝牙微微网构成一个微微网中的主设备同时也可以作为另一个微微网中的从设备，这种设备称为复合设备同时可以有7个移动蓝牙设备通过一个网络节点（主设备）与互联网相连蓝牙历经多版本，速度不断提高蓝牙4.1@2013提供蓝牙低能耗提供高数据速率提供IP连接以支持物联网的需求。蓝牙4.2@2014改善数据传输速度：提高了2.5倍。改善隐私保护：连接或追踪用户设备必须经过用户许可。17蓝牙5.0的改善传输速度相对于蓝牙4.2实现翻倍，为2Mbps。12345蓝牙5.0传输距离是蓝牙4.2的4倍，有效工作距离可达300米。支持八倍广告信息容量，扩展广告允许每个数据包发送最多255个字节的有效负载数据，而不是旧版本的31字节数据有效载荷。室内定位辅助功能，结合WiFi可实现精度小于1m的室内定位。应对物联网场景的底层优化，功耗进一步大大降低，相对于Wi-Fi，在智能家居、智慧工业等应用场景中的低功耗优势明显。18ZigBee技术：用于传感控制类应用19ZigBee与蓝牙类似，是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线通信技术，用于传感控制类(SensorandControl)应用。工作频段：ISM频段，2.4GHz（全球）、915MHz（北美）、868MHz（欧洲）。传输速率：最高250kbps、40kbps以及20kbps。传输距离在10m到100m之间，可通过增加功率放大模块的方式提升传输距离。ZigBee的三种组网模式20ZigBee依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波相互协调实现通信。星状树状网状ZC：协调器ZR：路由器ZED：终端ZigBee的三种组网模式21ZC：协调器是全网的中心，是网络中的第一台设备，负责网络搭建、维护和管理，通常由主电源常供电ZR：路由器是挂在ZC下的子节点设备，负责路由发现、消息转发、允许其他设备通过ZR加入网络等，通常也采用主电源常供电。ZED：终端为最末端的子节点设备，一般为功能简单的低功耗传感器设备，负责数据采集或控制，只能通过ZC或ZR加入网络；ZED没有维持网络结构的责任，可以睡眠或唤醒，能运行在低功耗模式，一般采用电池供电。ZED只能与ZC或ZR进行通信；两个ZED之间的通信必须经过ZC或ZR进行多跳或者单跳通信，且ZED不能允许其他设备经由ZED加入网络。ZigBee的技术特点22低功耗。低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。相比较，蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。ZigBee的响应速度较快，从睡眠转入工作状态（休眠激活时延）只需15ms，节点连接入网只需30ms，进一步节省了电能。相比较，完成同样动作，蓝牙和WiFi都需要数秒。低成本。大幅简化协议，降低了对通信控制器的要求，免协议专利费。低速率。可提供250kbps(@2.4GHz)、40kbps(@915MHz)和20kbps(@868MHz)的原始数据吞吐率，专注于低速率传输应用的需求。ZigBee的技术特点23近距离。传输范围（相邻节点）介于10～100m之间，增加发射功率后，可增加到1～3km。再通过路由和节点间通信接力，传输距离可以更远。超大容量。采用星状、树状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点（最多254个）；主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。高安全。可灵活设置的三级安全模式，包括安全设定、使用访问控制清单(AccessControlList,ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES-128加密算法）的对称密码。自组织组网。自愈能力强，通信可靠性高。ZigBee在物联网的应用24机顶盒、卫星接收器、家庭网关等：家庭监控和能源管理等解决方案Zigbee手机（韩国）：将个人电脑、家用设备和电动开关连接传感器+ZigBee：数据的自动采集、分析和处理，如危险化学成分的检测、火警的早期检测和预报、高速旋转机器的检测和维护基于ZigBee的自动抄表系统农业蔬果大棚监测组网系统（深圳）：实时采集温室内温度、土壤温度、CO2浓度、湿度信号以及光照、叶面湿度、露点温度等环境参数，自动开启或者关闭指定设备电灯开关、烟火检测器、抄表系统、无线报警、安保系统、HVAC、厨房器械：远程控制服务分布式交运信息系统：跟踪公共交通情况、根据不同交通流量动态调节红绿灯，追踪超速的汽车或被盗的汽车、精确定位和交通环境分析等

智能家居

智能工业

交通运输

楼宇自动化

智慧农业Z-Wave：基于射频的短距离无线通信技术25基于射频的短距离无线通信技术专为住宅和轻型商业环境中的控制、监测和状态读取应用而设计传输速率：9.6/40/100kbit/s，小数据包传输信号有效覆盖范围：室内30m，室外100m+工作频率<1GHzISM频段：868.4MHz@欧洲/中国大陆908.4/916MHz@美国/加拿大919.8/921.4MHz@澳大利亚/巴西Z-Wave：控制监测类应用@住宅及商业环境26支持网状网连接以及消息确认机制可支撑智能家庭和智慧建筑的无线控制类应用，支持各类智能设备相互连接并交换控制命令和数据低功耗性能上优于Wi-Fi，远程覆盖性能上优于蓝牙在短距离无线通信技术中，相对较低的传输频率、相对较远的传输距离和一定的价格优势。在智能抄表、照明及家电控制、供热通风与空气调节、接入控制、防盗及火灾检测等物联网应用中，都可以考虑采纳Z-Wave作为连接技术方案。Z-Wave的网络结构：网状拓扑，三种节点类型27控制节点：存储全网拓扑信息，计算信息传输路径，规定所有节点的路由地址，可充当中继器路由节点：只储存与自身相关的部分节点的拓扑信息，定义部分节点的路由地址，可充当中继器从节点：不存储拓扑信息，不计算信息传输路径，只响应来自控制节点和路由节点的命令，可充当中继器Z-Wave灯光控制系统企业经验：Z-Wave部署28企业经验：Z-Wave在户外的距离单跳传播距离约为100m，但建筑物的存在会缩短这个距离。实践中，建议大约每10m（或更近）安装一个Z-Wave设备，以实现较好的覆盖效果。Z-Wave网络可以连接在一起，用于更大的部署。每个Z-Wave网络可以支持多达232个Z-Wave设备，用户可以在这样的限制下灵活地添加尽可能多的设备。Z-Wave的双向应答机制29当一个节点被分配了网络ID和节点ID并接入Z-Wave网络之后，节点能够自动寻找周围的邻居节点，邻居节点也会向该新节点发送确认信息。

如上图的Z-Wave组网：控制节点发出寻找节点的信息后，获取新加入节点A的信息，然后分配地址给节点A，节点A反馈信息给控制节点，确认加入Z-Wave网络。Z-Wave：在网状拓扑中的动态路由机制30动态路由机制：所有节点都具有路由选择的能力，这就使得Z-Wave网络能够绕过直接通信路径上的障碍物，更好地覆盖整个网络区域。

卧室里的人通过Z-Wave遥控器想关掉餐厅灯

F，关灯的信号可经过灯C直接到灯F。假设此时出现了网络通信障碍，灯C到灯F的信号被挡住了，这时

Z-Wave会自动选择其他的路径，例如关灯信号可以经灯C通过灯E传送到灯F，这时，灯E成为了信号传输的中继器。Z-Wave在物联网的应用31在欧美的智能家居市场得到广泛应用以Z-Wave技术构建家居无线网络，可以通过本地网络设备实现对家电的遥控，也可以通过使用计算机、手机等设备经互联网对Z-Wave网络中的设备进行控制。Z-Wave在技术上已经很成熟，但在标准化工作、市场开拓及消费群体的培育上相比ZigBee而言尚存在差距。红外通信：短距离点对点直线传输传播特点基本原理红外通信的实质是对二进制数字信号进行调制与解调，以便利用红外信道进行传输。发送端将基带二进制信号调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。接收端将接收到的光脉冲转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。适用于点对点的近距离（1m左右）直线低速率传输；传输定向性强（窄角度，30°锥形范围），收发两端必须对准才能通信；能量低，易受到墙壁或其他障碍物的阻碍，容易受到雨雪、雾气等干扰。3233红外数据协会IrDA于１９９３年６月成立，它为短距离红外无线数据通信制定了一系列开放的标准。IrDA的目标：制定能以合理且较小代价实现的标准和协议，以推进红外通信的发展1993199419962001惠普、康柏、Intel等20+厂商发起成立IrDAIrDA1.1发布，即FIR，速率：2400~115,200bit/s1.152Mbit/s4Mbit/sIrDA1.0发布，即SIR，速率115.2kbit/s，适用于串行端口VFIR被纳入IrDA1.1，速率：16Mbit/s因为功耗偏高，FIR和VFIR都不如SIR应用广泛红外通信：统一的红外数据通信标准红外通信vs蓝牙34项目红外通信蓝牙传输距离/m1（标准功率）0.2（低功耗）1（Class3）10（Class2）100（Class1）传输角度波长短，单向性好，只能在特定角度范围内（不超过30ﾟ）直线传输，发送和接收设备需要对准波长长，可以绕开障碍物，传输呈球面发散，可以在任何角度传输，发送/接收设备无需对准安全性数据不易被截获，安全性高数据容易被截获，安全性低移动性不支持支持成本相对低（收发模块几元到几十元）相对高（收发模块几十元到上百元）技术特性的不同使两种技术在应用上有所区别。在有障碍物或对移动性要求比较高的环境中，适合使用蓝牙在可以直视且位置相对固定的环境中，适合使用红外通信，既可以降低成本，又能达到较高的数据传输速率。红外遥控系统特点和优势波长特性红外线波长（750nm～1mm）远小于无线电波的波长（几毫米到几千米）35红外遥控系统：一种无线、非接触控制技术，具有抗干扰能力强、信息传输可靠、功耗低、成本低、易实现等优点。红外遥控是诸多电子设备特别是家用电器广泛采用的遥控技术，也逐渐应用到计算机和手机等智能系统中。优势特点最突出的优点是不被干扰、不影响其他无线电设备、工作过程较稳定，传输效率高和反应快适用领域适合在工业控制及航空航天等领域被用于监测勘察及设备操控等方面红外遥控系统构成36发送端：将待发送的二进制信号编码调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发光二级管发射红外信号接收端：完成对红外信号的接收、放大、检波、整形，并解调出遥控编码脉冲。发送端：红外发光二极管37在发送端，红外发光二极管是一种不同于普通发光二极管的特殊发光二极管，通常使用砷化镓、砷铝化镓等材料制成，采用全透明或浅蓝色、黑色的树脂封装。当在其两端施加一定的电压，就会产生波长为940nm的红外线。接收端：红外接收头（模块）38在接收端，红外接收头的作用是滤除红外线合成信号的载波信号，并输出还原的数字编码信号。当红外线合成信号进入红外接收头时，其输出端便可以得到红外发射器发出的数字编码。红外接收电路通常被集成在一个元件中，成为一体化红外接收头。蜂窝广域网通信3.3※GSM技术※GPRS技术※4G技术※5G技术蜂窝广域网通信技术：1Gto5G40GSM（2G）系统41GSM是由欧洲电信标准组织（EuropeanTelecommunicationsStandardsInstitute，ETSI）制定的数字移动通信标准，被看作第二代移动电话系统（2G）GSM是一种电路交换系统，主要支持用户的语音业务，数据的传送只能使用短信形式实现GSM无法做到“实时在线”和“按流量计费”。GSM（2G）系统结构移动台1234基站子系统网络子系统操作支持系统42GSM（2G）系统结构43是GSM移动通信网中用户使用的设备，也是用户在GSM系统中能够直接接触的唯一设备。MS类型以手持台为主，还包括车载台和便携式台。移动台MSGSM（2G）系统结构44BSS通过无线接口直接与移动台相接，负责无线发送接收和无线资源管理。BSS与网络子系统的MSC相连，实现移动用户之间或移动用户与固定网络用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。要对BSS进行操作维护管理，还要建立BSS与操作支持系统之间的通信连接。基站子系统BSSGSM（2G）系统结构45提供GSM系统的交换功能和用于用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能，对GSM移动用户之间通信和GSM移动用户与其它通信网用户之间的通信起管理作用。网络子系统NSSGSM（2G）系统结构46OSS主要负责移动用户管理、移动设备管理以及网络的操作和维护。操作支持系统OSSGPRS（2.5G）技术GPRS是在GSM系统基础上发展起来的分组数据承载和传输业务，主要支持GSM移动电话用户的移动数据业务。GPRS是分组交换系统，能更高效地利用无线网络的资源，在数据业务的承载和支持上具有明显优势，适用于间歇非周期性的数据传输、少量的数据传输，以及较大容量数据的不频繁传输等，支持“实时在线”以及“按流量计费”。GPRS经常被描述成“2.5G”，即位于第二代和第三代移动通讯技术之间。47GPRS（2.5G）网络新增设备123服务GPRS支持节点SGSN网关GPRS支持节点GGSN分组控制单元PCU（属于BSC）48123GPRS（2.5G）网络结构49SGSN类似通信网络内的路由器，主要负责传输GPRS网络内的数据分组，将BSC（基站控制器）送出的数据分组路由到其他的SGSN，或是由GGSN将分组传递到外部的因特网。SGSN还具有所有与管理数据传输有关的功能。新增：服务GPRS支持节点SGSNGPRS（2.5G）网络结构50GGSN是GPRS网络连接外部因特网的网关，主要负责GPRS网络与外部网的数据交换，将来自SGSN的分组按照其他分组协议（如IP）发送到其他非GPRS网络，或将来自其他网络的分组转发相应的SGSN。新增：网关GPRS支持节点GGSNGPRS（2.5G）网络结构51主要负责分组数据的信道管理和信道接入控制。PCU实际属于BSC的一部分，图中未标出。新增：分组控制单元PCUGPRS（2.5G）特点支持端到端的分组交换数据传输业务，并采用动态信道资源分配策略，能够高效地利用频率资源，降低通信成本。具有多种服务质量，可灵活支持不同类型的数据业务。网络接入速度快，能与IP有线网络无缝连接。计费规则更加合理。充分利用GSM的无线覆盖，提高无线资源的利用率。12345GPRS特点524G技术：LTE<E-A53LTE包括LTE-TDD（也称为TD-LTE，其中TDD含义为时分双工）和LTE-FDD（也称为FDD-LTE，其中FDD含义为频分双工）两种制式。LTE还没有达到国际电信联盟所认可的对4G的要求，可以看做3.9G。LTE-A满足国际电信联盟对4G的要求，是真正意义上的4G。4G技术：LTE<E-A542009-2019年全国移动通信基站数量（单位：万个）2009-2018年我国不同类型基站的比例超12亿的4G用户基数是中国移动互联网产业发展的坚实用户基础，为各类移动互联网应用规模化和创新发展提供了土壤。4G技术：数据通信速度大幅提升554G网络的优势在于通话质量及数据通信速度，数据传输速率达到100Mbit/s，能支持数据、高质量音视频和图像等的高速传输。4G网络支撑业务类型的丰富刺激了4G终端的功能多样化和类型丰富化。随着智能设备发展的突飞猛进，眼镜、手表、手环等常见物品都有可能成为4G终端。4G关键技术56正交频分复用OFDM12345新型调制和编码智能天线（smartantenna,SA）软件无线电（softwaredefinedradio,SDR）IP技术4G关键技术：OFDM技术57OFDM的主要思想：在频域内将给定信道分成多个相互正交的子信道，将高速数据流转换成多个并行的低速数据流，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各子载波并行传输。多子载波传输使得OFDM技术具有良好的抗衰落能力。循环前缀的采用令OFDM技术具有较强的抗码间干扰能力。4G关键技术：新型编码和调制58新的调制技术包括多载波正交频分复用调制技术以及单载波自适应均衡技术等，以确保频谱被充分利用和延长终端的电池寿命。更高级的信道编码方案、自动重发请求和分集接收等技术的采用，则保证了系统足够的性能。4G关键技术：智能天线技术59智能天线技术具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能，既能改善信号质量，又能增加传输容量，是4G移动通信系统的关键技术之一。具体做法：采用数字信号处理以产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号的目的。4G关键技术：MIMO60MIMO使用两个或多个发射器和接收器同时发送和接收更多数据从而实现空间分集，分立式多天线将通信链路分解成为许多并行的子信道，从而大大提高信道容量。对功率、带宽较为受限的无线信道，MIMO技术是有效提升数据速率、提高系统容量、提高传输质量的空间分集技术。4G关键技术：软件无线电61软件无线电技术将标准化、模块化的硬件功能单元构建为一个通用硬件平台，利用软件加载方式实现各种类型的无线电通信系统。软件无线电技术尽可能多地用软件来定义和实现无线传输的各种功能。软件系统包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、信源编码软件、信道纠错编码软件、调制解调算法软件等。软件无线电技术支持采用不同空中接口的多模式手机和基站，能实现各种应用的可变服务质量。4G关键技术：核心网IP化624G网络的核心网是基于全IP的网络，可以实现不同网络间的无缝互联。核心网具有开放的结构，把业务、控制和传输等分开，允许各种空中接口