物联网技术与应用-第3章-物联网通信技术课件.pptx

1、物联网技术与应用第3章 物联网通信技术2022-12-13120212022年12月13日3.1 无线通信与网络概述3.1.1 无线通信技术3.1.2无线通信网络3.1.3 无线通信网络技术发展3.2 无线个域网3.2.1 IEEE 802.15.4标准3.2.2 ZigBee协议体系结构3.2.3 ZigBee网络系统3.2.4 蓝牙技术3.2.5 超宽带技术3.3 无线局域网3.3.1 IEEE 802.11标准系列3.3.2 IEEE 802.11 WLAN组成结构3.3.3 IEEE 802.11帧结构3.3.4 IEEE 802.11 MAC协议3.3.5 Ad Hoc网络3.3.6

2、 无线局域网的构建3.4 无线城域网3.4.1 无线城域网标准系列3.4.2 IEEE 802.16协议体系结构3.4.3 WiMAX网络构建3.5 无线广域网目录目录220213.1 无线通信与网络概述无线通信与网络概述2022年12月13日通信是现代信息社会中包括能源、交通、通信在内的三大基础结构之一，是现代信息社会运行机体的神经系统。在通信领域，发展最快、应用最广的是无线通信及通信网络技术，其中宽带卫星通信、蜂窝式无线网络、移动IP、WLAN（WiFi）、ZigBee、UWB、蓝牙、WiMAX等都是21世纪热门的无线通信技术应用。无线通信技术给人们带来的影响是无可争议的，它作为物联网的核

3、心技术之一，必将更加深入到人们生活和工作的各个方面。320213.1.1 无线通信技术无线通信技术2022年12月13日无线通信(Wireless communication)是利用电磁波信号在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。无线通信技术在现代社会是十分流行和重要的，它已经成为人们生活和工作的必须，社会发展的重要工具。数字通信作为当前主流通信传输方式，推动了数字化社会的形成，使人们进入信息化社会。现代无线通信基本上是分区通信或蜂窝通信，它的实现基于数字化、移动性和个人通信、分区制和频率复用、点对多点通信等基本技术。在物联网中，根据不同的需求要选用不同的无线通信技术。在物联网中，

4、根据不同的需求要选用不同的无线通信技术。420212022年12月13日1.数字化数字化技术技术通信数字化现已居于绝对的优势地位。数字化技术指的是运用0和1两位数字编码，通过电子计算机、光缆、通信卫星等设备，来表达、传输和处理所有信息的技术。数字化技术是信息技术的核心，信息的载体有多种，如字符、声音、语言和图像等。这些信息载体存在着共同的问题：一是信息量小，二是难以交换、交流。显然，数字化带来的问题是信号的模数变换、信源编码、数字调制、信道编码、低电压低功率集成电路等研究与开发。因此，数字化技术一般包括数字编码、数字压缩、数字传输、数字调制与解调等技术。一、一、无线通信无线通信中的关键中的关键

5、技术技术点点2022年12月13日2.移动移动性和个人化性和个人化现代无线通信的重要成果之一是通信的移动性。早在19世纪末期，赫兹发明无线电后，马可尼演示海上航行船舶间的通信，这可以说是开创了无线移动通信先河。进入20世纪20年代，有些国家的海军舰船和陆地公安部门开始正式使用移动无线电调度系统。在第二次世界大战中，有些国家军队中的通信部队利用数字编码的话音通信实现了保密通信，这包括了话音编码和脉码调制（PCM）技术。事实上，1946年开始建立了第一批商用移动电话系统，但需由话务员负责接通。其后不久，蜂窝网方式发明问世，一个适当大的地区设置多个半径约1km的蜂窝小区，互相紧密邻近排列，其中心基站

6、可使用较低的射频发射功率，每隔几个蜂窝就可使用相同的频率，节约了无线电频谱资源的利用。620212022年12月13日3.分区分区制、越区切换和频率复用技术制、越区切换和频率复用技术通信系统的容量问题是移动通信所要解决的基本问题，即大量用户与有限频带之间的矛盾。由于分配给移动通信的带宽有限，提供的信道满足不了用户的需要，必须用空间的分区制来加以补偿，也就是将通信空间划分成许多通信小区，常用六边形表示，形象地称为蜂窝。这种移动通信称作蜂窝移动通信，是移动通信的主流。频率复用也称频率再用，就是重复使用频率，在GSM网络中频率复用就是使同一频率覆盖不同的区域（一个基站或该基站的一部分(扇形天线)所覆

7、盖的区域），这些使用同一频率的区域彼此需要相隔一定的距离（称为同频复用距离），以满足将同频干扰抑制到允许的指标之内。2022年12月13日4.点对点点对点通信技术及广播通信技术及广播通信通信技术技术点对点通信实现网内任意两个用户之间的信息交换。电台收到带有点对点通信标识信息的数据后，比较系统号和地址码，系统号和地址码都与本地相符时，将数据传送到用户终端，否则将数据丢弃，不传送到用户终端。点对点通信时，只有1个用户可收到信息。点对点连接是两个系统或进程之间的专用通信链路，可想象成是直接连接两个系统的一条线路。两个系统独占此线路进行通信。点对点通信的对立面是广播，在广播通信中一个系统可以向多个系统

8、传输。二、二、无线通信无线通信终端基本结构终端基本结构92021三、三、无线通信无线通信系统框架系统框架102021现代通信技术的一个重要标志是网络化。有线与无线通信系统的结合构成了现代通信网。目前，在各类通信网络中最具增长潜力的是无线通信网。1.现代无线通信现代无线通信网络概念网络概念无线通信网的组织结构示意图无线通信网的组织结构示意图3.1.2 无线通信无线通信网络网络1120212.无线通信网络模型无线通信网络模型2022年12月13日（1）移动自组织网络）移动自组织网络移动自组织网络是对等网络，它通常包含成千上万个可以完全移动的通信节点，每个节点可视为一种个人信息设备（如配备有无线收发

9、机的个人数字助理），能覆盖几百米的范围。其目的是形成并维持一个有联系关系的多跳网络，这种网络能在节点之间传输多媒体业务。在移动自组织网络中，为了使服务质量最优，需要做好网络的组织结构、路由寻址算法和移动性管理等工作。也就是说，当节点在高速移动情形下，网络仍能提供好的吞吐时延特性。1220212022年12月13日（2）蜂窝网络）蜂窝网络蜂窝网络是由静止节点和移动节点组成的较大网络。位于通信子网中的静止节点（基站）和构成固定基础设施结构的有线中枢网络相连。移动节点的数量大大超过静止节点，每个基站中有成百上千个移动节点，这些移动节点通常分布得很分散。每个基站都覆盖一个很大的区域，且区域之间很少重叠

10、。只有当移动节点移动并发生越区切换时，才会出现区域间的重叠覆盖情况（每个移动节点可能移动到远离基站的位置）。这种蜂窝网络的主要目标就是提供高服务质量和高带宽效率。1320212022年12月13日（3）短距离无线通信网）短距离无线通信网短距离无线通信（Short Range Wireless，SRW）是指可以在室内、办公室或封闭的公共场提供近距离通信的技术。一般，SRW可以在100m以内实现传输速度为10100Mb/s的低功率近距离通信。SRW可分为两种：一种是传输范围在10m内，低成本、低功耗的短距离无线连接（Connectivity）的无线个人局域网（WPAN）；另一种是以更快传输速度和更

11、大覆盖范围为目标的无线局域网（WLAN）。通过SRW技术、手机、Headset、PDA、Notebook、数码相机、摄像机、健身器材管理设备等在没有电缆连接的情况下可以实现无线通信或操作，而且用户可以通过SRW直接接入建筑物内的局域网（LAN）及语音及数字信息网络。1420212022年12月13日3无线通信网的分类无线通信网的分类对无线通信网可以有多种不同的分类方式。从通信距离方面，通常将无线通信网按照通信距离划分为无线个域网、无线局域网、无线城域网和无线广域网，如图。蜂窝移动通信属于无线广域网（WWAN），IEEE 802标准系列涵盖了WPAN、WLAN、WMAN和WWAN几个方面。152

12、0211620214短短距离距离无线通信技术比较无线通信技术比较1720213.1.3 无线通信网络技术发展无线通信网络技术发展2022年12月13日在数字无线通信时代，电子电路技术和通信技术的发展推动着通信系统的飞速发展。目前，较受关注的是第三代、第四代蜂窝移动通信系统(3G、4G)、IEEE 802系列；发展趋势是移动宽带化、综合化、多样化、个人化和IP化。1820212022年12月13日1移动宽带化移动宽带化蜂窝移动通信系统的发展体现了无线通信发展史，从第一代模拟移动通信系统，到第二代数字移动通信系统，再到第三代以及基于全IP的后三代或四代移动通信系统。移动宽带化是未来通信发展的一个必

13、然趋势，窄带的、低速的网络会逐渐被宽带网络所取代。2G（GSM）：9.6K bps2.5G（GPRS）：56K bps3G（WCDMA）：7.2M bps4G（FDD-LTE）：100M bps1920212022年12月13日2核心网络综合化，接入网络多样化核心网络综合化，接入网络多样化网络的多样化、宽带化，以及带宽的移动化，将使在同一核心网络上综合传送多种业务信息成为可能。网络的综合化将进一步推动传统电信网、广播电视网与计算机互联网的三网融合。网络覆盖的无缝化，将使用户在任何时间、任何地点都能实现网络接入；而且数据速率越来越高，频谱带宽越来越宽，频段越来越高。所谓“三网融合”即指电信网、广

14、播电视网和互联网的相互渗透、互相兼容、并逐步整合成为统一的信息网络。“三网融合”的目的是为了加强网络互联互通和资源共享，避免低水平重复建设，形成适应性广、容易维护、费用低的高速宽带多媒体基础平台。在概念上从不同角度和层次上分析三网融合，可以涉及到技术融合、业务融合、行业融合、终端融合及网络融合等诸多方面。目前主要是在应用层次上互相使用统一的TCP/IP通信协议。TCP/IP协议的普遍采用，将使得各种以IP为基础的业务能在不同的网络上实现互联互通。2020212022年12月13日3个人化和个人化和IP化化信息个人化是21世纪初信息领域进一步发展的主要方向之一，而移动IP正是实现未来信息个人化的

15、重要技术手段。在手机等智能终端上实现各种IP应用以及移动IP技术正逐步成为人们关注的焦点之一。终端智能化越来越高，移动智能网技术与IP技术的组合将进一步推动全球个人通信的迅速发展。移动通信网络结构正在经历一场深刻的变革，随着网络中数据业务量主导地位的形成，现有电路交换网络已逐渐被IP网络替代，IP技术将成为未来网络的核心关键技术，TCP/IP协议将成为信息网络的主导通信协议。随着移动通信通用分组无线业务（GPRS）的普及应用，用户将在端到端分组传输模式下发送和接收数据，打破传统的数据接入方式。以IP为基础组网，开始了基于IP核心骨干网的应用实践。2120213.2 无线个域网无线个域网2022

16、年12月13日无线个域网（WPAN）是基于计算机通信的专用网，它可以在10m距离范围内实现计算机、周边设备、手机、信息家电产品等设备的无线通信与操作。WPAN技术是随着便携式计算机、PDA等个人便携式电子设备的发展和有关需求应运而生的。为了制订在个人领域（Personal Operating Space，POS）以低功耗并以简单的结构实现无线接入的标准，1998年成立了WPAN SG(Study Group)，并于1999年成立了IEEE 802.15 WG，致力于WPAN网络的物理层（PHY）和介质访问控制层（MAC）的标准化工作，目标是为在个人操作空间内相互通信的无线通信设备提供通信标准。

17、用于无线个域网的通信技术很多，如ZigBee、蓝牙、UWB、红外(IrDA)、HomeRF、射频识别等。目前，为满足低功耗、低成本的传感网要求而专门开发的低速率WPAN标准IEEE 802.15.4成为物联网的重要通信网络技术之一。2220213.2.1 IEEE 802.15.4标准标准2022年12月13日该任务组于2000年12月成立，ZigBee联盟（ZigBee Alliance）于2001年8月成立，2002年由英国Invensys公司、美国Motorola公司、日本Mitsubishi公司和荷兰Philips公司等厂商联合推出了低成本、低功耗的ZigBee技术。ZigBee是一种

18、新兴的近距离、低速率、低功耗的双向无线通信技术，也是ZigBee联盟所主导的传感网技术标准。IEEE 802.15.4是IEEE标准委员会TG4任务组发布的一项标准。232021一个简单的例子：当一队伞兵空降后，每人持有一个ZigBee网络模块终端，降落到地面后，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络。而且，由于人员的移动，彼此间的联络还会发生变化。因而，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新。这就是自组织网一、网络特点一、网络特点1、采用自组织、采用自组织网通信方式网通信方式2420212022年12

19、月13日2、支持、支持简单器件简单器件由于802.15.4标准具有低速率、低功耗和短距离传输等特点，使得非常适宜支持简单器件。在802.15.4标准中定义了14个物理层基本参数和35个介质接入控制层基本参数，总共为49个。这使它非常适用于存储能力和计算能力有限的简单器件。在802.15.4中定义了两种器件：全功能器件（FFD）和简化功能器件（RFD）。对全功能器件，要求它支持所有的49个基本参数。而对简化功能器件，在最小配置时只要求它支持38个基本参数。FFD设备之间以及FFD设备与RFD设备之间都可以通信。RFD设备之间不能直接通信，只能与FFD设备通信，或者通过一个FFD设备向外转发数据。

20、这个与RFD相关联的FFD设备称为该RFD的协调器（coordinator）。RFD设备主要用于简单的控制应用，如灯的开关、被动式红外线传感器等，传输的数据量较少，对传输资源和通信资源占用不多，这样RFD设备可以采用非常廉价的实现方案。IEEE802.15.4网络中，有一个称为PAN网络协调器（PAN coordinator）的FFD设备，是LR-WPAN网络中的主控制器。PAN网络协调器（以后简称网络协调器）除了直接参与应用以外，还要完成成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发等任务。252021物理层物理层（MHz）频带频带(MHz)(MHz)信道数信道数码元速率码元速率(kchip/s

21、)(kchip/s)调制方式调制方式比特速率比特速率(kb/s)(kb/s)符号速率符号速率(ksymbol/(ksymbol/s)s)868/915868-868.61300BPSK2020902-92810600BPSK404024002400-2483.5162000O-QPSK25062.5二二.通信性能通信性能2620212022年12月13日三三.ZigBee网络拓扑结构网络拓扑结构ZigBee技术具有强大的组网能力，通过无线通信组成星形、网状(Mesh)网和混合网，如图所示，可以根据实际项目需要来选择合适的网络结构。ZigBee网络拓扑结构2720213.2.2 ZigBee协议

22、体系结构协议体系结构2022年12月13日建立在IEEE 802.15.4标准之上的ZigBee协议体系结构如图所示，由高层应用标准、应用汇聚层、网络层、IEEE 802.15.4协议组成。ZigBee协议体系结构 ZigBee协议栈是基于标准的开放式系统互联（OSI）七层模型，但是仅定义了那些相关实现预期市场空间功能的层。IEEE 802.15.4-2003标准定义了两个较低层：物理层（PHY）和媒体访问控制子层（MAC）ZigBee 联盟在此基础上建立了网络层（NWK）和应用层构架。应用层构架由应用支持子层（APS）、ZigBee 设备对象（ZDO）和制造商定义的应用对象组成。282021

23、一一.IEEE 802.15.4标准协议标准协议栈栈结构结构2022年12月13日IEEE 802.15.4标准协议结构标准协议结构292021ZigBee协议协议栈内部结构栈内部结构3020212022年12月13日二二.物理层物理层(PHY)的的主要功能主要功能IEEE 802.15.4标准所定义的物理层具有的功能有：（1）激活和休眠射频收发器；（2）信道能量检测（energy detect）；（3）检测接收数据包的链路质量指示（link quality indication,LQI）；（4）空闲信道评估（clear channel assessment,CCA）；（5）收发数据。3120

24、212022年12月13日三三.介质介质访问控制层的主要功能访问控制层的主要功能（1）协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协议器同步；（2）支持PAN网络的关联（association）和取消关联（disassociation）操作；（3）支持无线信道通信安全；（4）使用CSMA-CA机制访问信道；（5）支持时槽保障（guaranteed time slot,GTS）机制；（6）支持不同设备的MAC层间可靠传输。3220212022年12月13日四四.网络层网络层主要功能主要功能网络层负责拓扑结构的建立和维护网络连接，它独立处理传入数据请求、关联、解除关联业务，包含寻址、路由和

25、安全等。网络层包括逻辑链路控制子层，逻辑链路控制子层是基于IEEE 802.2标准。（1）加入和离开一个网络（2）为帧运用安全功能（3）为到预定目的地的帧寻找路由（4）发现和维护设备之间的路由（5）发现邻居（6）存储相关的邻居信息3320212022年12月13日五五.应用层主要功能应用层主要功能在ZigBee协议中应用层包括应用汇聚层、ZigBee设备配置和用户应用程序。应用层提供高级协议管理功能，用户应用程序由各制造商自己来规定，它使用应用层协议来管理协议栈。无线传感网作为物联网的末梢网络，需要低功耗短距离的无线通信技术。IEEE 802.15.4标准是针对低速无线个人域网络的无线通信标准

26、，低功耗、低成本是其主要目标，它为个人或者家庭范围内不同设备之间低速联网提供了统一标准。342021六六.IEEE 802.15.4帧结构帧结构前导码起始分隔符物理头端物理服务数据单元(PSDU)6 字节0-127 字节1.物理帧格式物理帧格式u 前导码（4字节）：用于符号同步。u 起始分隔符（1字节）：用于帧同步。u 物理头端（1字节）：指定了物理服务数据单元的长度。u 物理服务数据单元（=127字节）：用于负载数据。3520212.MAC帧格式帧格式u MAC层帧结构目标：用最低复杂度实现多噪声无线信道环境下的可靠数 据传输u 帧组成u 地址格式：16位短地址和64位扩展地址u 帧控制字段

27、的内容指示地址类型u 帧的类型：信标帧，数据帧，确认帧，MAC命令帧362021MAC帧格式帧格式-信标信标帧格式帧格式u 超帧字段：持续时间；活跃部分持续时间；竞争访问时断持续时间u GTS分配释放信息：将无竞争时断划分为若干个GTS，并把每个GTS具体分配给某个设备u 转发数据目标地址：列出了与协调者保存的数据相对应的设备地址u 信标帧负载数据：为上层协议提供数据传输接口372021MAC帧格式帧格式-数据数据帧格式帧格式u 传输上层发送到MAC子层的数据u MAC服务数据单元：数据负载传送至MAC子层u MAC帧：MAC服务数据单元+MHR头信息+MFR尾信息382021MAC帧格式帧格

28、式-确认确认帧格式帧格式u 如果设备收到目的地址为其自身的数据帧或MAC命令帧，并且帧的确认请求位设置为1，设备需要回应一个确认帧。u 确认帧的序列号应该与被确认帧的序列号相同，并且负载长度为0。u 确认帧紧接着被确认帧发送，不需要使用CSMA-CA机制竞争信道。392021MAC帧格式帧格式-命令命令帧格式帧格式u 命令帧用于组建PAN，传输同步数据等。u 命令帧有9种类型。u 命令帧的功能：把设备关联到PAN；与协调器交换数据；分配GTS。u 命令帧的具体功能由帧的负载数据表示。4020213.2.3 ZigBee网络系统网络系统2022年12月13日基于IEEE 802.15.4无线标准

29、研制开发的ZigBee技术，主要用于无线个域网(WPAN)。ZigBee技术的出现给人们的工作和生活带来极大的方便和快捷。ZigBee技术的应用领域主要包括无线数据采集、无线工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制、远程网络控制等场合。4120212022年12月13日一一.ZigBee网络系统的构建网络系统的构建IEEE 802.15.4网络是指在一个POS内使用相同无线信道并通过IEEE 802.15.4标准相互通信的一组设备的集合，又名LR-WPAN网络，其实也就是ZigBee网络。例如，一个基于ZigBee技术的IEEE 802.15.4网络系统，如图所示。

30、基于基于ZigBee技术的网络系统技术的网络系统422021二二.ZigBee网络网络系统中的节点角色系统中的节点角色一个ZigBee网络由一个协调器节点、多个路由器和多个终端设备节点组成。1)协调器。协调器。这个设备开始一个ZigBee网络。它是网络上的第一个设备。协调器首先选择一个信道和网络标识(PAN ID)，然后开始这个网络。这个协调器也可以辅助建立安全和应用等级绑定在网络中。注意:协调器的主要角色是建立和配置网络。一旦建立完成,这个协调器的作用就像路由器节点(或者甚至可以离开)。这继续的网络操作不依赖这个协调器的存在，这是由于这个网络的分布式特性。2)路由器。路由器。执行功能如下：i

31、)允许其它设备加入这个网络；ii)跳跃路由；iii)辅助它的子树电池供电终端的通信。通常,路由器全时间处在活动状态，因此为主供电。一个具体的网络操作模式,叫做“串树”(Cluster Tree)，允许路由器操作周期运行，因此这个情况允许路由器电池供电。3)终端设备。终端设备。一个终端设备对于维护这个网络设备没有具体的责任，所以它可以睡眠和唤配看它自己选择。因此这能作为电池供电节点。4320212022年12月13日三三.ZigBee网络系统的特点网络系统的特点ZigBee这个名字来源于蜂群的通信方式，蜜蜂之间通过跳ZigZag形状的舞蹈来交换信息，以便共享食物源的方向、位置和距离等信息。与其它

32、无线通信协议相比，ZigBee无线协议复杂性低、对资源要求少，主要有以下几个特点。1）低功耗：这是ZigBee的一个显著特点。2）低成本：协议简单且所需的存储空间小，降低了ZigBee的成本，而且ZigBee协议是免专利费的。3）时延短：ZigBee通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。4）传输范围小：在不使用功率放大器的前提下，ZigBee节点的有效传输范围一般为1075m，能覆盖普通的家庭和办公场所。5）数据传输速率低：2.4GHz频段为250kb/s，915MHz频段为40kb/s，868MHz频段只有20

33、kb/s。6）数据传输可靠。442021ZigBee厂家厂家DIGI顺舟科技厦门四信得瑞紫蜂上海数传深圳鼎泰克 北京云天创型号型号XBee模块SZ05SZ06F8913ZF1022/3DT8836AA DRF1601ATZGB-780F1工作频率工作频率(GHz)2.42.42.42.42.42.42.4779936M可用频段数可用频段数(个个)161616161616164无线速率无线速率(Kbps)2502502502502501000250250发射功率发射功率(dBm)025252522不详410接收灵敏度接收灵敏度(dBm)-92-108-108-110-102不详-96-110发射

34、电流发射电流(mA)45707040130353429接收电流接收电流(mA)5055552826不详2519休眠电流休眠电流(uA)10550.415不详0.5工作电压工作电压(V)2.83.455-242.03.61.83.61.83.65121.83.6工作温度工作温度()()-4080-4085-4085-4580-2070-40 80-4080-4080无无PAPA室内通信距离室内通信距离(m)(m)30200200100300不详100100无无PAPA室外通信距离室外通信距离(m)(m)1002K2K5001.2K100400700四、主要四、主要ZigBee模块产品模块产品45

35、2021五五.802.15.4技术的应用和挑战技术的应用和挑战 产品的方便灵活、易于连接、实用可靠及可继承延续是市场的驱动力。IEEE 802.15.4止前正从高端工业用户转向消费者和家庭用户，其市场的动力来将自其低造价、小功耗以及便于使用的特点。将感应器和802.15.4WPAN设备组合，进行数据收集、处理和分析，就可以决定是否需要或何时需要用户操作。自动化的远程控制网络的802.15.4智能设备可实现农场经营的信息化和软件化，从而促进精作农业。802.15.4技术产品在环境监测和保护领域有重要作用。利用该技术可以对污染源，特别是各工厂废水，废气的排放口进行实时监测控制，在每个排放口安装相应

36、感应器，完成样本的采集、分析和最终的流量测定。802.15.4 将提供一个低成本的用于数据采集和传输的网状网络，网络上每个监测点只需在有限的时间内发送几个比特的数据，数据流是异步的，并在数据等待时间上限制极小，这些因素利于电池使用寿命的延长。挑战：挑战：802.15.4 WPAN应用的挑战在于它的网络拓扑结构。由于实际应用需用网状拓扑结构，所以一些节点可使用能量感知来获取生存所需能源，同时充当其他节点的中继器，以便转发信息到最终目的地。网络配置也应该实现自我配置。4620212022年12月13日一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑

37、、相关外设等之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段。其数据速率为1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输，使用IEEE802.15协议。3.2.4 蓝牙技术蓝牙技术4720211998年5月，爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔公司等五家著名厂商，在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙技术，其宗旨是提供一种短距离、低成本的无

38、线传输应用技术。这五家厂商还成立了蓝牙特别兴趣组，以使蓝牙技术能够成为未来的无线通信标准。芯片霸主Intel公司负责半导体芯片和传输软件的开发，爱立信负责无线射频和移动电话软件的开发，IBM和东芝负责笔记本电脑接口规格的开发。1999年下半年，著名的业界巨头微软、摩托罗拉、三星、朗讯与蓝牙特别小组的五家公司共同发起成立了蓝牙技术推广组织，从而在全球范围内掀起了一股“蓝牙”热潮。一一.蓝牙技术起源蓝牙技术起源482021 发射功率分级发射功率分级1mw（0dB/m），传输距离10m；2.5mw（4dB/m），传输距离30m；100mw（20dB/m），传输距离100m；增益自动调整。增益自动调整

39、。发射源接近或是远离而使蓝牙设备接收到的电波强度改变时，蓝牙设备会自动地调整发射功率。支持支持点对点和点对多点的通信点对点和点对多点的通信方式。方式。在非对称连接时，主设备到从设备的传输速率为721kbps，从设备到主设备的传输速率为57.6kbps；对称连接时，主从设备之间的传输速率各为432.6kbps。节能处理。节能处理。蓝牙标准中规定了在连接状态下有保持模式（HoldMode）、呼吸模式（SniffMode）和休眠模式（ParkMode）3种电源节能模式，再加上正常的活动模式（ActiveMode），一个使用电源管理的蓝牙设备可以处于这4种状态并进行切换，按照电能损耗由高到低的排列顺序

40、为：活动模式、呼吸模式、保持模式、休眠模式。蓝牙技术的出现，为各种移动设备和外围设备之间的低功耗、低成本、短距离的无线连接提供了有效途径。二二.蓝牙技术特点蓝牙技术特点492021技术规范技术规范典型的蓝牙典型的蓝牙低耗电的蓝牙低耗电的蓝牙无线电频率2.4 GHz2.4 GHz距离10米10米空中数据速率1-3 Mb/s1 Mb/s应用吞吐量0.7-2.1 Mb/s0.2 Mb/sNodes/Active slaves7-16,777,184无限安全64/128-bit及用户自定义的应用层128-bitAES及用户自定义的应用层鲁棒性自动适应快速跳频，FEC,快速 ACK自动适应快速跳频发送数

41、据的总时间100 m/s6 m/s政府监管全球全球认证机构蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)语音能力有没有网络拓扑分散网Star-bus耗电量1（作为参考）0.01至0.5（视符使用情况）Peak current consumption30 mA15 mA(最高运行时为15 mA)Service discovery有有主要用途手机，游戏机，耳机，Stereo audio streaming,汽车和PC等手机，游戏机，PC，表，体育健身，医疗保健，汽车，家用电子等 三三.蓝牙技术参数蓝牙技术参数502021共同点：共同点：蓝牙与 802.15.4

42、和蓝牙很相似,二者均用于WPAN。不同点：不同点：802.15.4适用于传感器、玩具和家庭自动控制，同时注重于低速数据或短操作时间的控制和通信网络；蓝牙则是在ad-hoc(peer to peer)网络中擅长便携式音频、便携式屏幕图表图象及文件的传输。802.15.4 设计特点是能够合理地优化能源的使用。一块正常电池的使用寿命可以达到2年以上；蓝牙的能耗与移动电话类似(需定期充电)；四四.蓝蓝牙（牙（802.15.1）与）与ZigBee（802.15.4）的）的关系关系5120213.2.5 超宽带技术超宽带技术2022年12月13日超宽带（Ultra Wide Band，UWB）技术定位于短

43、距离无线通信这一广阔的应用领域，特别是物联网应用的兴起，它可以作为物联网的基础通信技术之一，实现不同设备之间的互联互通。UWB(Ultra Wideband)超宽带是一种无载波扩谱通信技术，采用时间间隔极短(小于1ns)的脉冲进行通信的技术，也称做脉冲无线电(Impulse Radio)、时域(Time Domain)或无载波(Carrier Free)通信。具体定义为相对带宽(信号带宽与中心频率的比)大于25%的信号或者是带宽超过1.5GHz的信号。实际上UWB信号是一种持续时间极短、带宽很宽的短时脉冲。它的主要形式是超短基带脉冲，宽度一般在0.1ns20ns，脉冲间隔为2ns5000ns，

44、精度可控，频谱为50MHz10GHz，频带大于100%中心频率，522021UWB（超宽带）概念在1960年就被提出 1973年，第一个UWB系统的专利被授予 从其出现到20世纪90年代之前，UWB技术 主要用于军事上的雷达系统 1993年，R.A.Scholtz在军事 通信会议上发表论证IR进行 调时/调位多址技术的论文，开辟了将IR（脉冲无线电）作 为无线通信载体的新途径 随着微电子器件的高速发展，UWB技术开始应用于民用领 域，并在国际上掀起了研究和 应用的热潮，并被认为是下一 代无线通信的革命性技术 一一.超宽带超宽带技术技术的发展的发展532021（1）抗干扰性能强 UWB采用跳时扩

45、频信号，系统具有 较大的处理增益，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。因此，与IEEE80211a、IEEE80211b和蓝牙相比，在同等码速条件下，UWB具有更强的抗干扰性。（2）传输速率高 UWB的数据速率可以达到几十Mbits到几百Mbits，有望高于蓝牙100倍，也可以高于IEEE80211a和IEEE80211b。二二.超宽带超宽带技术技术特点特点542021（3）带宽极宽 UWB使用的带宽在1GHz以上，高达几个GHz。超宽带系统容量大，并且可以和目前的窄带通信系统同时工作而互不干

46、扰。这在频率资源日益紧张的今天，开辟了一种新的时域无线电资源。（4）消耗电能小 通常情况下，无线通信系统在通信时需要连续发射载波，因此要消耗一定电能。而UWB不使用载波，只是发出瞬间脉冲电波，也就是直接按0和1发送出去，并且在需要时才发送脉冲电波，所以消耗电能小。552021（5）保密性好 UWB保密性表现在两方面：一方面是采用跳时扩频，接收机只有已知发送端扩频码时才能解出发射数据；另一方面是系统的发射功率谱密度极低，用传统的接收机无法接收。（6）发送功率非常小 UWB系统发射功率非常小，通信设备可以用小于1mW的发射功率就能实现通信。低发射功率大大延长系统电源工作时间。而且，发射功率小，其电

47、磁波辐射对人体的影响也会很小，562021（7）定位精确冲激脉冲具有很高的定位精确，采用超宽带无线电通信，很容易将定位与通信合一，而常规无线电难以做到这一点。超宽带无线电具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，而GPS 定位系统只能工作在GPS 定位卫星的可视范围之内；与GPS 提供绝对地理位置不同，超短脉冲定位器可以给出相对位置，其定位精度可达厘米级，此外，超宽带无线电定位器更为便宜。（8）工程简单造价便宜 在工程实现上，UWB比其它无线技术要简单得多，可全数字化实现。它只需要以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲产生调制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上，设备的成本将很低。572021

48、 UWB 蓝牙 802.11a HomeRF速率(bps)=1G 1M 54M 12M距离(m)10 10 10100 50功率(毫瓦)=1应用范围 探距离 家庭或 电脑和 电脑、电话 多媒体 办公室 Internet网关 及移动设备三三.超超宽带宽带通信与其它近距离通信方式的比较通信与其它近距离通信方式的比较582021军军用方用方面面（1）UWB 雷达（2）UWB L PI/D 无线内通系统(预警机、舰船等)（3）战术手持和网络的PL I/D 电台（4）警戒雷达（5）UAV/UGV 数据链（6）探测地雷（7）检测地下埋藏的军事目标或以叶簇伪装的物体民用方面民用方面（1）地质勘探及可穿透障碍

49、物的传感器(imaging system)（2）汽车防冲撞传感器等(vehicle radar system)（3）家电设备及便携设备之间的无线数据通信(communication and measurementssystem)（4）家庭数字娱乐中心三三.超超宽带宽带通信的应用通信的应用5920213.2.6 无线局域网无线局域网2022年12月13日无线局域网（WLAN）是指以无线电波、红外线等无线传输介质来代替目前有线局域网中的传输介质（比如电缆）而构成的网络。WLAN覆盖半径一般在100m左右，可实现十几兆至几十兆的无线接入。在宽带无线接入网络中，常把WLAN称为“WMAN（无线城域网）

50、的毛细血管”，用于点对多点无线连接，解决用户群内部信息交流和网际接入，如企业专用网等。6020212022年12月13日一一.IEEE 802.11标准系列标准系列IEEE 802.11标准系列主要从WLAN的物理层和MAC层两个层面制订了系列规范，物理层标准规定了无线传输信号等基础标准，如802.11a、802.11b、802.11d、802.11g、802.11h，而介质访问控制子层标准是在物理层上的一些应用要求标准，如802.11e、802.11f、802.11i。IEEE 802.11标准涵盖了许多子集，包括：1）802.11a：将传输频段放置在5GHz频率空间；2）802.11b：将