物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用：第4章 物聯(lián)網(wǎng)通信

1、第4章物聯(lián)網(wǎng)通信第4章物聯(lián)網(wǎng)通信 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò) 4.1短距離無線通信 4.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 4.34.1移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò) 4.1.1移動(dòng)通信基本原理 4.1.2寬帶移動(dòng)通信 移動(dòng)通信系統(tǒng)在生活中的應(yīng)用移動(dòng)通信的特點(diǎn)：覆蓋廣建設(shè)成本低部署方便具備移動(dòng)性 物聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò) 物聯(lián)網(wǎng)的終端都需要以某種方式連接起來，發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)。移動(dòng)通信網(wǎng)是適合物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)特點(diǎn)的通信和聯(lián)網(wǎng)方式。物聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)特點(diǎn)方便性：不需要數(shù)據(jù)線連接信息基礎(chǔ)設(shè)施的可用性：不是所有地方都有方便的固定接入能力 一些應(yīng)用場(chǎng)景本身需要隨時(shí)監(jiān)控的目標(biāo)就是在移動(dòng)狀態(tài)下移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將是物聯(lián)網(wǎng)主要的接入手段 章節(jié)設(shè)置移動(dòng)通信的基本原理移動(dòng)通信的特點(diǎn)

2、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn)4.1.1移動(dòng)通信基本原理早期移動(dòng)通信發(fā)展歷程1897年，馬可尼在陸地和一艘拖船上完成無線通信實(shí)驗(yàn)，標(biāo)志無線通信的開始1928年，美國(guó)警用車輛的車載無線電系統(tǒng)，標(biāo)志移動(dòng)通信開始1946年，Bell實(shí)驗(yàn)室在圣路易斯建立第一個(gè)公用汽車電話網(wǎng)，1960s，實(shí)現(xiàn)無線頻道自動(dòng)選擇域公用電話網(wǎng)自動(dòng)撥號(hào)連接。1974年，美國(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室提出蜂窩移動(dòng)通信的概念1、移動(dòng)通信特點(diǎn) （1）移動(dòng)性。（2）電波傳播條件復(fù)雜。（3）噪聲和干擾嚴(yán)重。（4）系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。（5）要求頻帶利用率高，設(shè)備性能好。無線電傳播環(huán)境 攜帶信息的電磁波的傳輸是擴(kuò)散

3、的；地理環(huán)境復(fù)雜多變，用戶移動(dòng)隨機(jī)不可預(yù)測(cè)，所有這些都造成了無線電波傳輸?shù)膿p耗。 多徑傳播基站天線、移動(dòng)用戶天線和這兩端天線之間的傳播路徑稱之為無線移動(dòng)信道。多徑信號(hào)經(jīng)過不同的路徑到達(dá)接收端時(shí)，具有不同的時(shí)延和入射角，這將導(dǎo)致接收信號(hào)的時(shí)延擴(kuò)展和角度擴(kuò)展。多普勒效應(yīng) 三類損耗和四種效應(yīng) 三類損耗路徑傳播損耗 大尺度衰落損耗 小尺度衰落損耗 四種效應(yīng)陰影效應(yīng)遠(yuǎn)近效應(yīng)多徑效應(yīng)多普勒效應(yīng)2移動(dòng)通信的發(fā)展蜂窩系統(tǒng)的概念和理論在20世紀(jì)60年代就由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室等單位提了出來，但其復(fù)雜的控制系統(tǒng)直到20世紀(jì)70年代才大規(guī)模實(shí)現(xiàn)。小區(qū)制蜂窩通信具有小覆蓋、小發(fā)射功率和資源重用等優(yōu)點(diǎn)，決定了它在現(xiàn)代移動(dòng)通信

4、中的重要作用。 現(xiàn)代移動(dòng)通信發(fā)展歷程現(xiàn)代移動(dòng)通信發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)階段第一代移動(dòng)通信系統(tǒng) 第二代移動(dòng)通信系統(tǒng) 第三代移動(dòng)通信系統(tǒng) （1）第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)解決了用戶移動(dòng)性的基本問題蜂窩小區(qū)系統(tǒng)設(shè)計(jì):頻率復(fù)用 -解決大容量需求與有限頻譜資源的矛盾多址方式：FDMA模擬系統(tǒng) - FM調(diào)制、模擬電路交換、模擬語音信號(hào)業(yè)務(wù)功能：?jiǎn)我煌ㄔ挼谝浑A段是模擬蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)，時(shí)間是20世紀(jì)70年代中期至80年代中期。 模擬系統(tǒng)有以下缺點(diǎn)：頻譜利用率低；業(yè)務(wù)種類有限；無高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；保密性差，易被竊聽和盜號(hào)；設(shè)備成本高；體積大，重量大。（2）第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)數(shù)字化通信 語音信號(hào)數(shù)字化、數(shù)字式電路交換、數(shù)字式調(diào)制

5、多址方式：TDMA，CDMA微蜂窩小區(qū)結(jié)構(gòu)：提高用戶數(shù)量采用了一系列數(shù)字處理技術(shù)來有效提高通信質(zhì)量 糾錯(cuò)編碼、交織、自適應(yīng)均衡、分集等業(yè)務(wù)類型：以通話為主，還有低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以GSM和IS-95為代表的第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)，時(shí)間是從20世紀(jì)80年代中期開始 從1996年開始，為了解決中速數(shù)據(jù)傳輸問題，又出現(xiàn)了2.5G移動(dòng)通信系統(tǒng)，如GPRS和IS-95B。 CDMA應(yīng)用于數(shù)字移動(dòng)通信的優(yōu)點(diǎn) 系統(tǒng)容量大： 比模擬網(wǎng)大10倍，比GSM大4.5倍 系統(tǒng)通信質(zhì)量更佳 ：軟切換技術(shù) 頻率規(guī)劃靈活 適用于多媒體通信系統(tǒng)： 多CDMA信道方式、多CDMA幀方式（3）第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)以多媒體(Multi-med

6、ia)綜合服務(wù)業(yè)務(wù)為主要特征會(huì)話型、數(shù)據(jù)流型、互動(dòng)型、后臺(tái)類型主要以寬帶CDMA技術(shù)為基礎(chǔ) WCDMA、CDMA2000、TDSCDMA、WiMax等多址方式： TDMA/CDMA/OFDMA電路交換分組交換引入多種新技術(shù)智能天線、發(fā)端分集、空時(shí)碼、OVSF多址碼等第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的目標(biāo) 能實(shí)現(xiàn)全球漫游能提供多種業(yè)務(wù)能適應(yīng)多種環(huán)境足夠的系統(tǒng)容量4.1.2 寬帶移動(dòng)通信第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的概念是國(guó)際電聯(lián)（ITU）早在1985年就提出的，當(dāng)時(shí)稱為未來公共陸地移動(dòng)通信系統(tǒng)（FPLMTS）,1996年更名為IMT-2000，在歐洲稱其為個(gè)人移動(dòng)通信系統(tǒng)（UMTS）。IMT-2000的宗旨是建立全球的

7、綜合性個(gè)人通信網(wǎng)，提供多種業(yè)務(wù)，尤其是多媒體和高比特率分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)并實(shí)現(xiàn)全球無縫覆蓋。演變歷程2000年5月舉行的ITU-T 2000年全會(huì)上，被正式命名為IMT-2000無線接口技術(shù)規(guī)范2007年10月，ITU在日內(nèi)瓦舉行的無線通信全體會(huì)議上，與會(huì)國(guó)家通過投票正式通過無線寬帶技術(shù)WiMAX成為3G標(biāo)準(zhǔn) 2008年全球移動(dòng)大會(huì)上，主流設(shè)備廠商不約而同地發(fā)布了LTE的研究成果和后續(xù)演進(jìn)策略 IMT-2000無線傳輸技術(shù)分類IMT-2000 CDMAFDD DSWCDMAFDD MCcdma2000TDDTD-SCDMATD-CDMAIMT-2000TDMATDMA MCUWC-136TDMA S

8、CEP-DECT移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將成為物聯(lián)網(wǎng)最重要的信息基礎(chǔ)設(shè)施，為人與人之間通信、人與網(wǎng)絡(luò)之間的通信、物與物之間的通信提供服務(wù) 工業(yè)和信息化部領(lǐng)導(dǎo)在2009年“全國(guó)工業(yè)和信息化工作會(huì)議”上指出，2010年將推進(jìn)國(guó)家傳感信息中心建設(shè)，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展 （1）WCDMA的演進(jìn)過程 1985：FPLMTS，1996更名為IMT-20001992：WRC92大會(huì)分配頻譜230MHz1999.3：完成IMT-2000 RTT關(guān)鍵參數(shù)1999.11：完成IMT-2000 RTT技術(shù)規(guī)范2000：完成IMT2000全部網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)成立3GPP(1998.12)、3GPP2(1999)等標(biāo)準(zhǔn)化

9、組織WCDMA技術(shù)特點(diǎn)信道帶寬 5MHz 雙工方式 FDD或TDD 碼元速率 384Mchip/s 幀長(zhǎng) 10ms 下行鏈路和RF信道結(jié)構(gòu) 直擴(kuò) 擴(kuò)頻調(diào)制方式 上行：雙信道QPSK ；下行：平衡QPSK ；復(fù)擴(kuò)頻電路 數(shù)據(jù)調(diào)制方式 上行：BPSK ；下行：QPSK 信道編碼 交織或turbo碼 相干檢測(cè) 上/下行：用戶專用的時(shí)間復(fù)用導(dǎo)頻 ；下行：共用導(dǎo)頻 上行信道復(fù)用 控制和導(dǎo)頻信道時(shí)分復(fù)用；數(shù)據(jù)和控制信道I&Q復(fù)用 下行信道復(fù)用 數(shù)據(jù)和控制信道時(shí)分復(fù)用 多速率 可變擴(kuò)頻和多碼 擴(kuò)頻因子 4256 功率控制 開環(huán)和快速閉環(huán)(1.6KHz) 下行擴(kuò)頻碼 可變長(zhǎng)度的正交序列碼(OVSF)劃分信道，

10、 2181的Gold序列碼區(qū)分小區(qū)和用戶上行擴(kuò)頻碼 可變長(zhǎng)度的正交序列碼(OVSF)劃分信道， 2411的Gold序列區(qū)分用戶切換 軟切換 ，頻率間切換 R99 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)R99 網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)接入部分 全新的5MHz/載頻的寬帶碼分多址接入網(wǎng)；功率控制；軟切換；更軟切換核心網(wǎng) 電路域與GSM完全兼容；相對(duì)于GPRS，增加了服務(wù)級(jí)別的概念系統(tǒng) 采用分組域和電路域分別承載與處理的方式目前的商業(yè)部署全都采用了R99 R4 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)R4 網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)加入低碼片速率TDD模式（LCR TDD），即由我國(guó)提出的TD-SCDMA引入直放站來解決復(fù)雜地形覆蓋問題引入扇區(qū)降低終端和基站的發(fā)射功率的方法以提高容量通過Nod

11、e B同步減少系統(tǒng)鄰近小區(qū)的交調(diào)干擾，降低傳輸網(wǎng)絡(luò)的成本引入Iub和Iur上的AAL2連接的QoS優(yōu)化 R4 網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)電路域核心網(wǎng)中引入了基于軟交換架構(gòu)的分層架構(gòu)，使電路交換域和分組交換域可以承載在一個(gè)公共的分組骨干網(wǎng)上 主要實(shí)現(xiàn)了話音、數(shù)據(jù)、信令承載統(tǒng)一提高了組網(wǎng)的靈活性 R5 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)R5 網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)高速下行分組接入（HSDPA）的功能，下行理論峰值數(shù)據(jù)速率可高達(dá)14.4Mbit/s 涉及的關(guān)鍵技術(shù) 自適應(yīng)編碼調(diào)制 HARQ 快速蜂窩選擇（FCS） MIMO R5網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)R5協(xié)議引入了IP多媒體子系統(tǒng)（IMS ）由CSCF、MGCF、MRF和HSS功能實(shí)體組成為多媒體業(yè)務(wù)提供支持呼叫控制功能

12、與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互通實(shí)現(xiàn)其他資源密集型功能信令實(shí)體（CSCF）與媒體處理是完全分離的 R6（HSUPA） 引入高速上行分組接入 (HSUPA） 提供多媒體廣播和多播業(yè)務(wù)（MBMS） 進(jìn)入IMS第二階段 支持WLAN-UMTS互通 增強(qiáng)QoS （2）WCDMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通用移動(dòng)通信系統(tǒng) （UMTS ）是采用WCDMA空中接口技術(shù)的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng) UMTS系統(tǒng) 由陸地?zé)o線接入網(wǎng)（UTRAN）和核心網(wǎng)絡(luò)（CN）構(gòu)成 WCDMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)WCDMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu) UEUE是用戶終端設(shè)備 UE從邏輯上包括移動(dòng)設(shè)備（ME）和用戶身份模塊（SIM） UTRAN由基站（Node B）和無線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC）組成 N

13、ode B是WCDMA系統(tǒng)的基站 RNC是無線網(wǎng)絡(luò)控制器 WCDMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu) CNCN即核心網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)與其他網(wǎng)絡(luò)的連接和對(duì)UE的通信和管理 MSC/VLR是CS域功能節(jié)點(diǎn) GMSC是CS域與外部網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn) SGSN（服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)）是PS域功能節(jié)點(diǎn) GSN（網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)）是PS域功能節(jié)點(diǎn) HLR（歸屬位置寄存器）是CS域和PS域共有的功能節(jié)點(diǎn) WCDMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu) External Networks外部網(wǎng)絡(luò)，可以分為電路交換網(wǎng)絡(luò)（CS Networks）和分組交換網(wǎng)絡(luò)（PS Networks）兩類 2cdma2000美國(guó)TIA提出，可從IS-95和IS-95B平滑過渡，升級(jí)

14、簡(jiǎn)單cdma2000 1x采用1.25M的帶寬cdma2000 1xEV DO可支持2.4Mb/s的數(shù)據(jù)速率， cdma2000 1xEV DV可支持話音和數(shù)據(jù)cdma2000 3x采用3個(gè)1.25M的帶寬進(jìn)行傳輸 。cdma2000演進(jìn)CDMA20001X CDMA20003X 信號(hào)帶寬 1.25MHZ 31.25=3.75MHz 下行鏈路RF信道結(jié)構(gòu) 直接擴(kuò)頻 多載波擴(kuò)頻 碼片速率 上/下行：1.2288Mcps 下行：1.2288Mcps，上行：3.6864Mcps 定時(shí) 同步(定時(shí)驅(qū)動(dòng)，例如從GPS來的定時(shí)) 幀長(zhǎng) 20ms/5ms 可選 擴(kuò)頻調(diào)制 下行：平衡QPSK，上行：具有混合相

15、移鏈控的雙信道QPSK 數(shù)據(jù)調(diào)制 下行：QPSK，上行：BPSK 相干檢測(cè) 下行：公共連續(xù)導(dǎo)頻信道和輔助導(dǎo)頻，上行：導(dǎo)頻符號(hào)，即導(dǎo)頻和功控以及EIB時(shí)分復(fù)用 上行信道復(fù)用 控制、導(dǎo)頻、基本和輔助碼復(fù)用，I和Q復(fù)用數(shù)據(jù)與控制信道 多速率 可變擴(kuò)頻增益和多碼 擴(kuò)頻因子 4256 功率控制 開環(huán)和快速閉環(huán)(800Hz，1.25ms) 擴(kuò)頻碼(下行) 信道擴(kuò)頻碼：可變長(zhǎng)度正交Walsh碼；基站(小區(qū))擴(kuò)頻碼： ，m序列且I與Q用不同序列 （在碼字受限時(shí)，采用準(zhǔn)正交函數(shù)QoF ）擴(kuò)頻碼(上行) 用戶擴(kuò)頻碼： (不同時(shí)間偏移并截短用于用戶) 切換 扇區(qū)間，小區(qū)間軟切換，頻段間硬切換 發(fā)分集 正交發(fā)分集，空

16、時(shí)擴(kuò)展發(fā)分集 載波解復(fù)用，用不同天線發(fā)射 cdmaOnecdmaOne是基于IS-95標(biāo)準(zhǔn)的各種CDMA產(chǎn)品的總稱，IS-95B可提供實(shí)現(xiàn)64kbit/s cdma2000 1xcdma2000 1x具有3G系統(tǒng)的部分功能，cdma2000 1x完全兼容 IS-95系統(tǒng)功能 1x EV-DO1x EV-DO是一種專為高速分組數(shù)據(jù)傳送而優(yōu)化設(shè)計(jì)的cdma2000空中接口技術(shù) 在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面，1x EV-DO與cdma2000 1x的無線接入網(wǎng)在邏輯功能上是相互獨(dú)立的 1x EV-DO可以作為高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的專用網(wǎng) 1x EV-DV在cdma2000 1x載波基礎(chǔ)上提升前向和反向分組傳送的速率和

17、提供業(yè)務(wù)QoS保證 3TD-SCDMA（1）TD-SCDMA的演進(jìn)IMT-2000 CDMA TD為TDD方式 ，2001年3月3GPP通過R4版本，TD-SCDMA被接納為正式標(biāo)準(zhǔn) TD-SCDMA采用直接序列擴(kuò)頻、低碼片速率的TDD（時(shí)分雙工）模式 TD-SCDMA不需要成對(duì)的工作頻段，這對(duì)緩解當(dāng)前移動(dòng)頻段資源緊張的問題是極為重要的 UTRA TDDTD-SCDMA備注 占用帶寬/MHz 51.6每載波碼片速率/MCPS 3.841.28擴(kuò)頻方式 DS，SF=1/2/4/8/16DS，SF=1/2/4/8/16調(diào)制方式 QPSKQPSK信道編碼 卷積碼：R=1/2，1/3，turbo碼卷積

18、碼：R=1/2，1/3，turbo碼幀結(jié)構(gòu)/ms 系統(tǒng)幀720，無線幀10系統(tǒng)幀720，無線幀10交織/ms 10/20/40/8010/20/40/80時(shí)隙數(shù) 157上行同步 8chip1/2chip容量(每時(shí)隙話音信道數(shù)) 816同時(shí)工作 每載波話音信道數(shù) 5648對(duì)稱業(yè)務(wù) 容量(每時(shí)隙總傳輸速率) 220.8kbps 281.6kbps 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) 每載波總傳輸速率 3.31Mbps 1.971Mbps 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) 話音頻譜利用率 /10 25 對(duì)稱話音業(yè)務(wù) 數(shù)據(jù)頻譜利用率 /0.662 1.232 不對(duì)稱話音業(yè)務(wù) 智能天線 較困難 容易 多址方式 CDMA+TDMA SCDMA+CDMA

19、+TDMA TD-SCDMA的演進(jìn) TD-SCDMA階段智能天線、聯(lián)合檢測(cè)、動(dòng)態(tài)信道分配、軟件無線電、上行同步碼分多址技術(shù)、接力切換、低碼片速率、多時(shí)隙、可變擴(kuò)頻、自適應(yīng)功率調(diào)整、3GPP提出的高層協(xié)議、核心網(wǎng) HSPA TDD階段第二階段主要包括引入高速下行分組接入（HSDPA）和高速上行分組接入（HSUPA） LTE TDD階段LTE TDD是TD-SCDMA在向4G系統(tǒng)演進(jìn)過程中的過渡階段 MIMO-OFDMA是下一代通信系統(tǒng)中最具有革命性的技術(shù) TDD B3G/4G基于TD-SCDMA的后3G或者4G系統(tǒng)來說，將采用TDD模式 （2）TD-SCDMA的關(guān)鍵技術(shù) 多用戶檢測(cè)寬帶CDMA通

20、信系統(tǒng)中抗干擾的關(guān)鍵技術(shù) 智能天線典型的TD-SCDMA系統(tǒng)配置的智能天線是由8個(gè)天線元素組成的天線陣列 軟件無線電軟件無線電是一種具有開放式結(jié)構(gòu)的將標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的硬件功能單元經(jīng)過一個(gè)通用硬件平臺(tái)，利用軟件加載方式來實(shí)現(xiàn)各種類型的無線電通信系統(tǒng)的新技術(shù) 動(dòng)態(tài)信道分配 （DCA）目的是進(jìn)一步減少干擾，增加系統(tǒng)容量 接力切換 TD-SCDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵特征，該技術(shù)利用了軟切換與硬切換技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 2G到3G的演進(jìn)路線4WiMAX 全名是World wide Interoperability for Microwave Access（全球微波接入的互操作性），是基于IEEE 802.16e系列寬頻無

21、線標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的寬帶無線技術(shù)（1）WiMAX的演進(jìn) 1999年，IEEE 802局域網(wǎng)（LAN）/城域網(wǎng)（MAN）成立了802.16工作組來專門研究寬帶無線接入標(biāo)準(zhǔn) 一些世界知名通信企業(yè)聯(lián)合發(fā)起了全球微波接入互操作性論壇，在全球范圍內(nèi)推廣802.16協(xié)議 IEEE 802.16d協(xié)議 物理層定義了兩種雙工方式：TDD和FDD MAC層分為了3個(gè)子層：業(yè)務(wù)匯聚子層（CS）、公共部分子層（CPS）和安全子層（SS） IEEE 802.16e協(xié)議 協(xié)議棧模型和802.16d相同 支持不同數(shù)量子載波的OFDMA 增強(qiáng)安全性（2）WiMAX系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 接入服務(wù)網(wǎng) （ ASN ）ASN為MS提供無線接入 連接

22、服務(wù)網(wǎng)（ CSN）CSN為MS提供IP連接 網(wǎng)絡(luò)接入提供者 （NAP）NAP是一種運(yùn)營(yíng)實(shí)體 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供者（NSP)NSP是一種運(yùn)營(yíng)實(shí)體應(yīng)用服務(wù)提供者 (ASP)ASP的主要功能是提供增值業(yè)務(wù)以及三層之上的業(yè)務(wù) 網(wǎng)絡(luò)參考點(diǎn) 5LTE 第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)普遍采用的是碼分多址（CDMA）技術(shù)，此技術(shù)能支持的最大系統(tǒng)帶寬為5MHz 2004年底，第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）提出了通用移動(dòng)通信系統(tǒng)（UMTS）的長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）項(xiàng)目 長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）項(xiàng)目、超移動(dòng)寬帶（UMB）技術(shù)、WiMAX技術(shù)、802.20移動(dòng)寬帶頻分雙工/移動(dòng)寬帶時(shí)分雙工（Mobile Broadband FDD/TDD）等技

23、術(shù)構(gòu)成“準(zhǔn)4G”技術(shù) （2）LTE的需求 系統(tǒng)性能需求峰值速率用戶吞吐量和頻譜效率 移動(dòng)性用戶面延時(shí) 控制面延時(shí)和容量 部署成本和互操作性上行和下行都可以工作在廣泛頻帶內(nèi)以及適應(yīng)各種帶寬的頻譜分配 LTE設(shè)計(jì)同時(shí)支持FDD、TDD和半雙工FDD模式 （3）LTE的架構(gòu) （4）LTE的關(guān)鍵技術(shù) 多址技術(shù) 下行采用的是正交頻分多址接入（OFDMA）技術(shù) 系統(tǒng)的峰均功率比（PAPR）過高問題的解決 多天線技術(shù)增益來源：復(fù)用增益 、分集增益 、天線增益 下行MIMO技術(shù)支持22（兩發(fā)兩收）基本天線配置 上行基本天線配置為12 干擾抑制技術(shù)LTE在eNode B間引入X2接口 ，以降低小區(qū)間干擾 4.2

24、 短距離無線通信4.2.1 ZigBee4.2.2 Bluetooth4.2.3 UWB4.2.4 60 GHz4.2.1 ZigBee 圖 4-6 短距離無線通信技術(shù)一覽1ZigBee的來源與優(yōu)勢(shì) ZigBee技術(shù)的名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式。 ZigBee是基于IEEE 802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的。802.15.4僅僅定義了物理層和MAC層，并不足以保證不同的設(shè)備之間可以對(duì)話，于是便有了ZigBee。ZigBee技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）低功耗 ZigBee主要通過降低傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量、降低收發(fā)信機(jī)的忙閑比及數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率、降低幀開銷以及實(shí)行嚴(yán)格的功率管理機(jī)制來降低設(shè)備

25、的功耗。（2） 工作可靠 ZigBee采用了載波偵聽多址/沖突避免（CSMA/CA）的信道接入方式和完全握手協(xié)議。 MAC層采用了回復(fù)確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，提高了可靠性。（3） 成本低 主機(jī)芯片成本低，其他終端成本低。（4）網(wǎng)絡(luò)容量大 每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持65000個(gè)節(jié)點(diǎn)。（5）有效范圍大 可多級(jí)拓展。（6）時(shí)延短 對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化。（7）優(yōu)良的拓?fù)淠芰?ZigBee具有組成星、網(wǎng)和簇樹網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)能力。還具有無線網(wǎng)絡(luò)自愈能力。（8）安全性較好 ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)能力，加密算法采用通用的AES-128。（9）工作頻段靈活 使用的頻段分別為2.4GHz、868M

26、Hz（歐洲）及915MHz（美國(guó)），均為免執(zhí)照頻段。2ZigBee的協(xié)議架構(gòu) （1）ZigBee的網(wǎng)絡(luò)組成和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?利用ZigBee技術(shù)組成的無線個(gè)人局域網(wǎng)（WPAN）是一種低速率的無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（LR-WPAN）。 LR-WPAN網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，具有有限的功率和靈活的吞吐量。 在一個(gè)LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)中，可同時(shí)存在兩種不同類型的設(shè)備:全功能設(shè)備（Full Functional Device，F(xiàn)FD）精簡(jiǎn)功能設(shè)備（Reduced Function Device，RFD）。FFD通常有3種狀態(tài)：作為一個(gè)主協(xié)調(diào)器；作為一個(gè)協(xié)調(diào)器；作為一個(gè)終端設(shè)備。 一個(gè)FFD可以同時(shí)和多個(gè)RFD或多個(gè)其

27、他的FFD通信，而RFD只能和一個(gè)FFD進(jìn)行通信。 RFD的應(yīng)用非常簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，且RFD僅需要使用較小的資源和存儲(chǔ)空間，這樣就可非常容易地組建一個(gè)低成本、低功耗的無線通信網(wǎng)絡(luò)。 圖 4-7 ZigBee技術(shù)的三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ZigBee支持3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4-7所示，包括星形、網(wǎng)狀形和簇樹形結(jié)構(gòu)。 在星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器來控制。在網(wǎng)狀形和簇樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)以及選擇關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。 星形網(wǎng)絡(luò)是一種常用且適用于長(zhǎng)期運(yùn)行使用操作的網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)狀形網(wǎng)絡(luò)是一種高可靠性監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)；簇樹形網(wǎng)絡(luò)是星形和網(wǎng)狀形的混合型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，結(jié)合了上述兩種拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)?？梢愿?/p>

28、據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要來選擇合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 （2）ZigBee的協(xié)議架構(gòu) ZigBee的協(xié)議架構(gòu)如圖4-8所示，采用了IEEE 802.15.4制定的物理層和MAC層作為ZigBee技術(shù)的物理層和MAC層。 圖 4-8 ZigBee協(xié)議架構(gòu)示意圖 （3）IEEE 802.15.4協(xié)議 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了ZigBee物理層和MAC子層，符合開放系統(tǒng)互聯(lián)模型（OSI）。 IEEE 802.15.4的物理層提供兩類服務(wù)：物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。 物理層功能包括無線收發(fā)信機(jī)的開啟和關(guān)閉、能量檢測(cè)（ED）鏈路質(zhì)量指示（LQI）、信道評(píng)估（CCA）和通過物理媒體收發(fā)數(shù)據(jù)包。 圖 4-9

29、 IEEE 802.15.4中兩個(gè)不同的物理層如圖4-9所示，IEEE 802.15.4定義了兩種不同工作頻段的物理層：868/915MHz和2450MHz。 表4-1給出了各國(guó)對(duì)ZigBee頻率工作范圍的劃分。 工作頻率范圍/MHz 頻 段 類 型 國(guó)家和地區(qū) 868868.6 ISM 歐洲 902928 ISM 北美 24002483.5 ISM 全球 表 4-1 各個(gè)國(guó)家和地區(qū)ZigBee頻率工作范圍 由于各個(gè)國(guó)家和地區(qū)采用的工作頻率范圍不同，為了提高數(shù)據(jù)傳輸速率，IEEE 802.15.4對(duì)于不同的頻率范圍，規(guī)定了不同的調(diào)制方式。具體的內(nèi)容如表4-2所示。 表 4-2 各個(gè)國(guó)家和地區(qū)Z

30、igBee頻率工作范圍 頻段（MHz） 擴(kuò) 展 參 數(shù) 數(shù) 據(jù) 參 數(shù)碼片速率（kchip/s） 調(diào) 制比特速率（kbit/s） 符號(hào)速率（kBaud/s） 符 號(hào)868868.6 300BPSK2020二進(jìn)制902928 600BPSK4040二進(jìn)制24002483.5 2000O-QPSK25062.516相正交（4）ZigBee的上層協(xié)議 應(yīng)用層包括3個(gè)組成部分： 應(yīng)用支持子層（APS） 應(yīng)用框架 ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO）ZigBee中定義了3種密鑰：網(wǎng)絡(luò)密鑰-用在數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層中。鏈路密鑰-應(yīng)用在應(yīng)用層。主密鑰-應(yīng)用在應(yīng)用層。3ZigBee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用（1）家

31、庭自動(dòng)化 圖 4-10 ZigBee在家庭自動(dòng)化中的應(yīng)用（2）無線定位 圖 4-11 ZigBee在無線定位中的應(yīng)用（3）工業(yè)領(lǐng)域 圖 4-12 ZigBee在智能能源中的應(yīng)用4.2.2 Bluetooth1Bluetooth的來源與特點(diǎn) 愛立信、IBM、Intel、Nokia和東芝五家公司于1998年5月聯(lián)合成立了Bluetooth（藍(lán)牙）特別興趣小組（Bluetooth Special Interest Group，BSIG），并制訂了短距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)。所謂藍(lán)牙（Bluetooth）技術(shù)，實(shí)際上是一種短距離無線電技術(shù)。 藍(lán)牙技術(shù)利用短距離、低成本的無線連接替代了電纜連接，從而

32、為現(xiàn)存的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和小型的外圍設(shè)備提供了統(tǒng)一的連接。Bluetooth的主要技術(shù)特點(diǎn)：（1）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)藍(lán)牙技術(shù)支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的話音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，采用一種靈活的無基站的組網(wǎng)方式，如圖4-13和圖4-14所示。 圖 4-13 多個(gè) 藍(lán)牙設(shè)備組成的微微網(wǎng) 圖 4-14 多個(gè)微微網(wǎng)組成的散射網(wǎng)（2）系統(tǒng)組成 藍(lán)牙系統(tǒng)一般由天線單元、鏈路控制（硬件）、鏈路管理（軟件）和藍(lán)牙軟件（協(xié)議）等4個(gè)功能模塊組成。 如圖4-15所示： 圖 4-15 藍(lán)牙系統(tǒng)的組成天線部分體積小巧，屬于微帶天線。鏈路控制器（LC）的單元包括3個(gè)集成芯片：連接控制器、基帶處理器以及射頻傳輸/接收器，此外，還使用了單獨(dú)調(diào)諧元件。鏈路管

33、理（LM）提供的服務(wù)有：發(fā)送和接收數(shù)據(jù)、請(qǐng)求名稱、鏈路地址查詢、建立連接、鑒權(quán)、鏈路模式協(xié)商和建立、決定幀的類型等。（3）射頻特性 藍(lán)牙設(shè)備的工作頻段選在全球通用的2.4GHz的ISM（工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段。頻道采用23個(gè)或79個(gè)，頻道間隔均為1MHz。 采用時(shí)分雙工方式。 藍(lán)牙的無線發(fā)射機(jī)采用FM調(diào)制方式，從而能降低設(shè)備的復(fù)雜性。 最大發(fā)射功率分為3個(gè)等級(jí)，100mW（20dBm），2.5mW（4dBm），1mW（0dBm），藍(lán)牙設(shè)備之間的有效通信距離大約為10100m。（4）跳頻技術(shù)跳頻是指在接收或發(fā)送一分組數(shù)據(jù)后，即跳至另一頻點(diǎn)。（5）TDMA結(jié)構(gòu) 藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸率為1Mbit/s，采

34、用數(shù)據(jù)包的形式按時(shí)隙傳送，每時(shí)隙0.625s。 藍(lán)牙系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)的同步定向聯(lián)接和非實(shí)時(shí)的異步不定向聯(lián)接，分別為SCO鏈路和ACL鏈路。 前者主要傳送話音等實(shí)時(shí)性強(qiáng)的信息，后者則以數(shù)據(jù)為主。（6）軟件的層次結(jié)構(gòu)底層為各類應(yīng)用所通用，高層則視具體應(yīng)用而有所不同。（7）糾錯(cuò)技術(shù)藍(lán)牙系統(tǒng)的糾錯(cuò)機(jī)制分為前向糾錯(cuò)編碼（FEC）和包重發(fā)（ARQ），支持1/3率和2/3率FEC編碼。（8）編碼安全藍(lán)牙技術(shù)在物理層、鏈路層、業(yè)務(wù)層3個(gè)層次上提供安全措施，充分保證通信的保密性。藍(lán)牙規(guī)范公布的主要技術(shù)指標(biāo)和系統(tǒng)參數(shù)如表4-3所示。指 標(biāo) 類 型 系 統(tǒng) 參 數(shù)工作頻段ISM頻段，2.4022.480GHz雙工方式全

35、雙工，TDD時(shí)分雙工業(yè)務(wù)類型支持電路交換和分組交換業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)速率異步信道速率同步信道速率1Mbit/s非對(duì)稱連接為721kbit/s、57.6kbit/s，對(duì)稱連接為432.6kbit/s，2.0+EDR規(guī)范支持更高的速率64kbit/s，2.0+EDR規(guī)范支持更高的速率功率美國(guó)FCC要求小于0dBm（1mW），其他國(guó)家可擴(kuò)展為100mW跳頻頻率數(shù)79個(gè)頻點(diǎn)/MHz跳頻速率1600跳/秒工作模式PARK/HOLD/SNIFF數(shù)據(jù)連接方式面向連接業(yè)務(wù)（SCO），無連接業(yè)務(wù)（ACL）糾錯(cuò)方式1/3 FEC、2/3 FEC、ARQ等信道加密采用0位、40位和60位密鑰發(fā)射距離一般可達(dá)10cm10m，增

36、加功率的情況下可達(dá)100m 表 4-3 主要技術(shù)指標(biāo)和系統(tǒng)參數(shù)2Bluetooth協(xié)議體系結(jié)構(gòu) 圖 4-16 藍(lán)牙協(xié)議棧藍(lán)牙的協(xié)議體系分為四層：核心協(xié)議層、替代電纜協(xié)議層、電話控制協(xié)議層和可選協(xié)議。除了以上這些協(xié)議，在基帶控制器、鏈路控制器以及訪問硬件狀態(tài)和控制寄存器等提供主機(jī)控制器命令接口。 藍(lán)牙核心協(xié)議由SIG制定的藍(lán)牙指定協(xié)議組成，而其他協(xié)議則根據(jù)應(yīng)用的需要而定。因此，下面主要介紹藍(lán)牙核心協(xié)議。 （1）基帶協(xié)議：基帶協(xié)議為兩個(gè)或多個(gè)藍(lán)牙單元之間建立物理射頻連接。 （2）鏈路管理協(xié)議（LMP）：鏈路管理協(xié)議管理基帶層內(nèi)主從網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，負(fù)責(zé)兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備之間的鏈路設(shè)置和控制，包括傳遞驗(yàn)證和加

37、密，管理鏈路密鑰。 （3）邏輯鏈路控制和適配協(xié)議（L2CAP）：位于基帶協(xié)議之上，為低層的數(shù)據(jù)服務(wù)，向上層提供面向連接和無連接的數(shù)據(jù)服務(wù)。 （4）服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議（SDP）：使用SDP，可以查詢到設(shè)備和服務(wù)類型，從而在藍(lán)牙設(shè)備間建立相應(yīng)的連接。3Bluetooth的應(yīng)用及產(chǎn)品 藍(lán)牙SIG中定義了幾種基本的應(yīng)用模型，主要包括文件傳輸、Internet網(wǎng)橋、局域網(wǎng)接入、同步、三合一電話（three-in-one phone）和終端耳機(jī)等。 在實(shí)際生活中，藍(lán)牙的應(yīng)用也是十分廣泛的，涉及到居家、工作、娛樂等方面。 市面上的藍(lán)牙產(chǎn)品主要包括藍(lán)牙耳機(jī)、藍(lán)牙適配器、車載藍(lán)牙多媒體系統(tǒng)、車載藍(lán)牙電話、藍(lán)牙鍵盤和鼠

38、標(biāo)、藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)、藍(lán)牙無線條碼掃描槍等。 我們可以利用藍(lán)牙技術(shù)來連接其他的無線設(shè)備、下載照片、進(jìn)行多人游戲，甚至可以進(jìn)行自動(dòng)存取款、訂票。這可以為我們的生活帶來極大的便利，使得物物聯(lián)網(wǎng)的概念成為現(xiàn)實(shí)。 2010年7月，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（Bluetooth SIG）宣布正式采納藍(lán)牙4.0核心規(guī)范，并啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的認(rèn)證計(jì)劃。 藍(lán)牙4.0的標(biāo)志性特色是2009年底宣布的低功耗藍(lán)牙無線技術(shù)規(guī)范。預(yù)計(jì)支持藍(lán)牙4.0標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備將于2010年底或2011年初批量上市。4.2.3 超寬帶 UWB超寬帶技術(shù)產(chǎn)生原因傳統(tǒng)的無線傳輸技術(shù)一般都是帶寬受限的，系統(tǒng)帶寬通常在20MHz以下，可用頻譜資源有限和信道的多徑衰落特征是限制

39、傳輸速率的主要瓶頸。發(fā)展20世紀(jì)60年代-主要用于軍事目的，如高功率雷達(dá)和保密通信1989年-美國(guó)國(guó)防部提出“超寬帶”2002年2月-FCC批準(zhǔn)將該技術(shù)應(yīng)用于民用系統(tǒng)，并劃分了免授權(quán)使用頻段超寬帶（Ultra Wide Band，UWB） 若一個(gè)信號(hào)在20dB處的絕對(duì)帶寬大于1.5GHz或相對(duì)帶寬大于25%，則這個(gè)信號(hào)就是超寬帶信號(hào).兩方面限制：絕對(duì)帶寬（Absolute Bandwidth）或者相對(duì)帶寬（Fractional Bandwidth）特征 該技術(shù)的顯著特征則是采用500MHz至幾個(gè)吉赫茲的帶寬進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸，在10m距離內(nèi)提供高達(dá)100Mbit/s以上，甚至1Gbit/s的傳輸

40、速率，同時(shí)與現(xiàn)有窄帶無線系統(tǒng)很好地共存。絕對(duì)帶寬（Absolute Bandwidth）絕對(duì)帶寬是指信號(hào)功率譜最大值兩側(cè)某滾降點(diǎn)對(duì)應(yīng)的上截止頻率 與下截止頻率 之差。注：實(shí)際應(yīng)用中，絕對(duì)帶寬有3dB絕對(duì)帶寬、20dB絕對(duì)帶寬等不同選擇。圖：絕對(duì)帶寬的定義（PSD：信號(hào)功率譜密度）相對(duì)帶寬（Fractional Bandwidth） 相對(duì)帶寬是指絕對(duì)帶寬與中心頻率之比。由于超寬帶系統(tǒng)經(jīng)常采用無正弦載波調(diào)制的窄脈沖信號(hào)承載信息，中心頻率并非通常意義上的載波頻率，而是上、下截止頻率的均值 。中心頻率：例如，以10dB絕對(duì)帶寬計(jì)算 的相對(duì)帶寬為：注：FCC規(guī)定UWB信號(hào)為絕對(duì)帶寬 大于500MHz或相

41、對(duì)帶寬大于20%的無線電信號(hào)。相對(duì)帶寬（Fractional Bandwidth）FCC Part15規(guī)定：UWB通信系統(tǒng)可使用的免授權(quán)頻段為3.110.6GHz共7.5GHz帶寬信號(hào)最高功率譜密度為41.3dBm/MHz4.2.3.1超寬帶的技術(shù)特點(diǎn)超寬的信號(hào)帶寬極低的發(fā)射功率譜密度（1）傳輸速率高（2）通信距離短（3）系統(tǒng)共存性好，通信保密度高（4）定精度極高，抗多徑能力強(qiáng)（5）體積小、功耗低位（1）傳輸速率高 UWB系統(tǒng)使用高達(dá)500MHz7.5GHz的帶寬，根據(jù)香農(nóng)信道容量公式，即使發(fā)射功率很低，也可以在短距離上實(shí)現(xiàn)高達(dá)幾百兆至1Gbit/s的傳輸速率。（2）通信距離短 高頻信號(hào)衰落更

42、快，這導(dǎo)致UWB信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的失真。研究表明:當(dāng)收發(fā)信機(jī)之間距離小于10m時(shí)，UWB系統(tǒng)的信道容量高于傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng);當(dāng)收發(fā)信機(jī)之間距離超過12m時(shí)，UWB系統(tǒng)在信道容量上的優(yōu)勢(shì)將不復(fù)存在。（3）系統(tǒng)共存性好，通信保密度高極低的功率譜密度（上限僅為41.3dBm/ MHz ）噪聲電平低，與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)有著良好的共存性具有很強(qiáng)的隱蔽性（4）定精度極高，抗多徑能力強(qiáng)脈沖寬度一般在亞納秒級(jí)很強(qiáng)的穿透力，高精度測(cè)距和定位能力抗多徑能力強(qiáng)（5）體積小、功耗低位傳統(tǒng)的UWB技術(shù)無需正弦載波，收發(fā)信機(jī)不需要復(fù)雜的載頻調(diào)制解調(diào)電路和濾波器等。因此，可以大大降低系統(tǒng)復(fù)雜度，減小收發(fā)信機(jī)體積和功耗。超寬帶系統(tǒng)兩

43、大特征：高速率短距離超寬帶的應(yīng)用范圍在通信領(lǐng)域應(yīng)用：組建高速局部物聯(lián)網(wǎng)；無線個(gè)域網(wǎng)和家庭無線網(wǎng)絡(luò)；作為各種設(shè)備之間的高速通信接口。（1）短距離點(diǎn)到點(diǎn)通信各種移動(dòng)設(shè)備之間的高速信息傳輸，例如PDA、MP3、可視電話、3G手機(jī)等設(shè)備之間的短距離點(diǎn)到點(diǎn)通信，包括多媒體文件傳輸、游戲互動(dòng)等。（2）設(shè)備間無線連接桌面PC、筆記本電腦、移動(dòng)設(shè)備與各種外設(shè)之間的無線連接，例如與打印機(jī)、掃描儀、存儲(chǔ)設(shè)備等的無線連接。（3）數(shù)據(jù)傳輸數(shù)字電視、家庭影院、DVD機(jī)、投影機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、機(jī)頂盒等家用電子設(shè)備之間的可視文件和數(shù)據(jù)流的傳輸。4）系統(tǒng)管理結(jié)合UWB高精度的定位能力，應(yīng)用企業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)管理和智能交通等各類物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中

44、，為精準(zhǔn)的存貨追蹤管理、汽車防撞系統(tǒng)、測(cè)速、收費(fèi)系統(tǒng)提供解決方案。5）其他應(yīng)用窄脈沖具有很強(qiáng)的穿透各種障礙物，例如墻壁和地板的能力。UWB技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)隔墻成像，因此具有比紅外通信更為廣泛的應(yīng)用，例如在軍事、勘探、安全等領(lǐng)域。4.2.3.2脈沖無線電技術(shù)早期超寬帶系統(tǒng)的代名詞，專指采用沖激脈沖（超短脈沖）作為信息載體的非正弦載波無線電技術(shù)。該技術(shù)有別于傳統(tǒng)使用正弦載波的窄帶無線系統(tǒng)，屬于基帶、無載波通信的范疇。脈沖無線電（Impulse Radio）：（1）常用脈沖波形功率譜的形狀取決于脈沖信號(hào)的形狀。因此，典型的UWB脈沖是高斯雙葉脈沖（Gaussian Doublet），這種脈沖因?yàn)樯扇菀?/p>

45、而被經(jīng)常使用。（2）基于脈沖調(diào)制的超寬帶系統(tǒng)UWB系統(tǒng)常用的調(diào)制方式包括脈位調(diào)制（PPM）、脈幅調(diào)制（PAM）和二相調(diào)制（BPSK）。脈位調(diào)制（PPM）PPM通過改變發(fā)射脈沖的時(shí)間間隔或發(fā)射脈沖相對(duì)于基準(zhǔn)時(shí)間的位置來傳遞信息，它的優(yōu)點(diǎn)就是簡(jiǎn)單，但是需要比較精確的時(shí)間控制。脈幅調(diào)制（PAM）PAM通過改變脈沖幅度的大小來傳遞信息，它可以改變脈沖幅度的極性，也可以僅改變脈沖幅度的絕對(duì)值大小。通常所講的PAM只改變脈沖幅度的絕對(duì)值，即OOK（On-off Keying）。二相調(diào)制（BPSK）BPSK通過改變脈沖的正負(fù)極性來調(diào)制二元信息，所有脈沖幅度的絕對(duì)值相同。使用二相調(diào)制的一個(gè)原因就是在抗噪性能上

46、它有優(yōu)于PPM的3dB增益。OOK和PPM比較優(yōu)點(diǎn)：可以通過非相干檢測(cè)恢復(fù)信息；缺點(diǎn)：經(jīng)過這些方式調(diào)制的脈沖信號(hào)將出現(xiàn)線譜。3種典型的超寬帶脈沖無線電系統(tǒng)多址與調(diào)制方式相結(jié)合，可以得到3種典型的超寬帶脈沖無線電系統(tǒng)，即TH-PPM、TH-PAM和DS-BPSK。4.2.3.3多帶OFDM（MB-OFDM）超寬帶技術(shù)在2002年FCC規(guī)定了UWB通信的頻譜使用范圍和功率限制后，全球各大消費(fèi)電子類公司及其研究人員從傳統(tǒng)窄帶無線通信的角度出發(fā)，提出了有別于基帶窄脈沖形式的帶通載波調(diào)制超寬帶方案MB-OFDM（MultiBand OFDM）。帶通載波調(diào)制超寬帶方案MB-OFDM方案2005年3月，歐洲

47、計(jì)算機(jī)制造商協(xié)會(huì)（ECMA）發(fā)布了基于MB-OFDM方案的ECMA-368和ECMA-369標(biāo)準(zhǔn)。上述標(biāo)準(zhǔn)于2007年通過ISO認(rèn)證，正式成為第一個(gè)UWB的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。ECMA-368協(xié)議ECMA-368協(xié)議規(guī)定了用于高速短距離無線網(wǎng)絡(luò)的UWB系統(tǒng)的物理層與MAC層的特性，使用頻段為3.110.6GHz，最高速率可以達(dá)到480Mbit/s。（1）幀結(jié)構(gòu)ECMA-368協(xié)議里的幀結(jié)構(gòu)是由物理層匯聚協(xié)議（ PLCP ）前導(dǎo)、PLCP頭和物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元（ PSDU ）三部分組成的PLCP協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ PPDU ）。PPDU結(jié)構(gòu)圖PLCP（Physical Layer Convergence Pr

48、otocol：物理層匯聚協(xié)議）PSDU（PHY Service Data Unit，物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元）PPDU（PLCP Protocol Data Unit，PLCP協(xié)議數(shù)據(jù)單元）PLCP前導(dǎo)分類及結(jié)構(gòu)PLCP前導(dǎo)有標(biāo)準(zhǔn)和突發(fā)兩種類型。PLCP前導(dǎo)的結(jié)構(gòu)分為同步序列和信道估計(jì)序列兩段。同步序列長(zhǎng)度:標(biāo)準(zhǔn)類型為24個(gè)OFDM符號(hào)，突發(fā)類型為12個(gè)OFDM符號(hào);信道估計(jì)序列長(zhǎng)度:兩種類型均為6個(gè)OFDM符號(hào)。（2）編碼和調(diào)制PPDU的數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼調(diào)制過程后形成OFDM時(shí)域信號(hào)，再經(jīng)過射頻發(fā)送到信道中。PPDU數(shù)據(jù)編碼其中PLCP前導(dǎo)直接是時(shí)域信號(hào)，不用經(jīng)過編碼和調(diào)制直接形成OFDM信號(hào)，PLC

49、P頭與PSDU部分則經(jīng)過上圖所示的過程形成OFDM符號(hào)。雙載波調(diào)制（DCM）它把4個(gè)交織后的比特同時(shí)映射到兩個(gè)16進(jìn)制（16點(diǎn)）的符號(hào)中，接下來把兩個(gè)十六進(jìn)制的符號(hào)映射到間隔50個(gè)子載波的兩個(gè)子載波中。（3）子帶劃分在物理層上，該協(xié)議將頻譜劃分為14個(gè)帶寬為528MHz的子帶，這14個(gè)頻帶又分為5組，其中前4組內(nèi)各含有3個(gè)子帶，第5組內(nèi)含有2個(gè)子帶。 實(shí)際方案中，先期僅采用3.1684.752GHz的3個(gè)子帶，在每個(gè)子頻帶上，信息采用128點(diǎn)IFFT/FFT的OFDM調(diào)制。時(shí)頻碼（Time-Frequency Code，TFC），MB-OFDM 定義了7組時(shí)頻碼，其中包括4組跳頻與3組定頻模式

50、，跳頻模式可使兩個(gè)未經(jīng)協(xié)調(diào)的微微網(wǎng)（piconet）之間的干擾減小。6個(gè)符號(hào)時(shí)隙周期的時(shí)頻碼4.2.4 60GHz60GHz技術(shù)產(chǎn)生背景從理論上看，要進(jìn)一步提升系統(tǒng)容量，增加帶寬勢(shì)在必行。但是10GHz以下無線頻譜分配擁擠不堪的現(xiàn)狀已完全排除了這種可能，因此，要實(shí)現(xiàn)超高速無線數(shù)據(jù)傳輸還需開辟新的頻譜資源。各國(guó)60GHz頻段北美和韓國(guó)開放了5764GHz；歐洲和日本開放了5966GHz；澳大利亞開放了59.462.9GHz；中國(guó)目前也開放了5964GHz的頻段。各國(guó)和地區(qū)對(duì)60GHz頻譜的劃分可以看出，在各國(guó)和地區(qū)開放的頻譜中，大約有5GHz的重合4.2.4.1 60GHz通信的技術(shù)特點(diǎn)（1）6

51、0GHz信號(hào)傳播特性 極大的路徑損耗 氧氣吸收損耗高 繞射能力差，穿透性差 下表對(duì)比了各種材料對(duì)毫米波和低頻電磁波的穿透損耗。此外，測(cè)量顯示PC顯示器之類的金屬物體對(duì)60GHz信號(hào)的衰減在40dB以上。（2）60GHz無線通信技術(shù)特點(diǎn) 定向發(fā)射和接收 多跳中繼 空間復(fù)用 單載波調(diào)制與OFDM 定向發(fā)射和接收定向發(fā)射和接收首先能顯著減小信號(hào)多徑時(shí)延擴(kuò)展；其次，定向發(fā)射意味著干擾區(qū)域的減小，同時(shí)毫米波的高衰減特性也縮短了信號(hào)的干擾距離，不同鏈路之間的干擾大為降低。 多跳中繼為了擴(kuò)大60GHz網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍并保持足夠高的強(qiáng)健性，可以借助中繼利用協(xié)同或多跳等方式來進(jìn)行組網(wǎng)。有實(shí)驗(yàn)表明4跳60GHz系統(tǒng)已

52、可實(shí)現(xiàn)與WLAN相同的覆蓋范圍，并保持每秒數(shù)吉比特的超高速率。 空間復(fù)用允許多條同頻通信鏈路在同一空間內(nèi)共存，從而有效提升網(wǎng)絡(luò)容量。 單載波調(diào)制與OFDM在60GHz物理層技術(shù)方案的選擇上，目前有單載波調(diào)制和OFDM兩大備選技術(shù)?？梢愿鶕?jù)不同的應(yīng)用和場(chǎng)景結(jié)合使用60GHz標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程（1）WirelessHD（2）WiGig（3）ECMA（4）IEEE 802.15.3c（TG3c）（5）IEEE 802.11ad（TGad）IEEE 802.15.3c協(xié)議簡(jiǎn)介（1）802.15.3的微微網(wǎng)802.15.3協(xié)議所定義的微微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如右圖所示，是一個(gè)基于中央控制的自組織網(wǎng)絡(luò)。通常微微網(wǎng)的通信范圍在

53、10m以內(nèi)，基本元素是設(shè)備（DEV），設(shè)備間可以獨(dú)立的進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。網(wǎng)協(xié)調(diào)器PNCPNC的主要作用之一就是傳送帶有微微網(wǎng)信息的信標(biāo)（Beacon），以信標(biāo)形式為微微網(wǎng)提供基本定時(shí)功能，并負(fù)責(zé)服務(wù)質(zhì)量請(qǐng)求、功率節(jié)省和訪問控制等功能。微微網(wǎng)工作過程（1）-建立微微網(wǎng)在初始化時(shí)，會(huì)選擇其中一個(gè)DEV充當(dāng)微微網(wǎng)協(xié)調(diào)器PNC（Piconet Coordinator）。當(dāng)802.15.3微微網(wǎng)中的某一個(gè)DEV能夠充當(dāng)PNC開始發(fā)送信標(biāo)時(shí)，就認(rèn)為微微網(wǎng)形成了。微微網(wǎng)工作過程（2）-加入 DEV通過關(guān)聯(lián)過程加入微微網(wǎng)，PNC會(huì)廣播微微網(wǎng)內(nèi)所有DEV的信息，并將新的DEV信息放到信標(biāo)中，從而使網(wǎng)內(nèi)其他DEV和新

54、加入的DEV知道彼此的信息。微微網(wǎng)工作過程（3）-斷開 如果PNC將要離開網(wǎng)絡(luò)并且微微網(wǎng)中的其他DEV都沒有能力成為PNC來協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，PNC將會(huì)通過發(fā)送帶有PNC中斷信息的信標(biāo)通知微微網(wǎng)中的其他DEV，微微網(wǎng)將結(jié)束工作。（2）物理層為了適應(yīng)于不同的應(yīng)用，IEEE 802.15.3c中定義了3種物理層模式。 Single Carrier（SC） High Speed Interface（HSI）OFDM Audio/Video（AV）OFDM（3）MAC層 802.15.3超幀結(jié)構(gòu)超幀（superframe）是微微網(wǎng)中時(shí)間劃分的基本單位，其結(jié)構(gòu)如圖4-24所示：圖4-24 802.15.3微微

55、網(wǎng)超幀結(jié)構(gòu)信標(biāo)信標(biāo)的位置是在每一個(gè)超幀的開始，主要用于設(shè)定時(shí)間分配和交互管理信息。競(jìng)爭(zhēng)接入期（CAP） 采用CSMA/CA機(jī)制來競(jìng)爭(zhēng)信道資源，用于交互命令和（或）異步數(shù)據(jù)。信道時(shí)間分配期（CTAP）又包括信道時(shí)間分配（Channel Time Allocation，CTA）和管理信道時(shí)間分配（Management CTA，MCTA）。信道時(shí)間分配期CTAP中采用的是時(shí)分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）的信道接入方式，MTCA只適用于DEV和PNC之間的通信信道時(shí)間分配CTA CTA可以用于傳輸同步數(shù)據(jù)流以及異步數(shù)據(jù)流。它的長(zhǎng)度由PNC根據(jù)DEV所發(fā)送

56、的信道時(shí)間請(qǐng)求命令而決定。CTA在超幀中的位置是可以動(dòng)態(tài)改變的，這樣PNC可以靈活地分配CTA的時(shí)間給DEV，從而提高信道資源的利用率。 802.15.3c超幀結(jié)構(gòu)全向模式（omni mode）和準(zhǔn)全向模式（quasi-omni mode）的概念。全向模式全向模式是指設(shè)備使用全向天線進(jìn)行通信，這時(shí)802.15.3c的幀結(jié)構(gòu)與802.15.3中相同。準(zhǔn)全向模式準(zhǔn)全向模式是分辨率最低的模式，通常指覆蓋設(shè)備周圍很大區(qū)域一種天線模式（也包括這個(gè)設(shè)備作為PNC時(shí)）。IEEE 802.15.3c中的超幀結(jié)構(gòu)準(zhǔn)全向信標(biāo)準(zhǔn)全向信標(biāo)（Quasi-omni beacon）是指在準(zhǔn)全向模式時(shí)，PNC采用循環(huán)的方式在

57、不同的方向上發(fā)送同樣的信標(biāo)，使得在不同方向的設(shè)備均可以加入同一個(gè)微微網(wǎng)。競(jìng)爭(zhēng)接入期競(jìng)爭(zhēng)接入期又分為3部分：關(guān)聯(lián)子競(jìng)爭(zhēng)接入期（Association S-CAP）定期子競(jìng)爭(zhēng)接入期（Regular S-CAP）定期競(jìng)爭(zhēng)接入期（Association CAP）ECMA-387簡(jiǎn)介（1）頻段規(guī)劃ECMA-387指定了4個(gè)頻段，每一個(gè)的寬度為2.160GHz，符號(hào)速率為1.728Gsymbol/s，這對(duì)所有的設(shè)備都是相同的。標(biāo)準(zhǔn)支持兩個(gè)相鄰信道的綁定。信道綁定可以獲得更高的數(shù)據(jù)速率，而使用有效的低階調(diào)制也可以獲得相同的速率，802.15.3c也使用同樣的頻段劃分。（2）異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)同樣適用ECMA-387

58、提出了一個(gè)異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)解決方案，相同類型的設(shè)備之間可以互相操作，不同類型的設(shè)備之間也可以共存和互操作。（3）支持3種類型設(shè)備A類設(shè)備提供10m范圍內(nèi)的可視距/非視距多徑環(huán)境下的視頻流和無線個(gè)域網(wǎng)應(yīng)用；B類設(shè)備提供較短距離（13m）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)可視距鏈路的視頻和數(shù)據(jù)應(yīng)用；C類設(shè)備提供1m以內(nèi)的可視距點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路的數(shù)據(jù)應(yīng)用。（4）MAC協(xié)議使用載波偵聽多址/沖突檢測(cè)（CSMA/CD）機(jī)制，使用定向天線來傳輸，支持同時(shí)有多個(gè)連接。另外ECMA-387還在空間復(fù)用和共存和互操作性上提出了自己的解決方案。4.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)4.3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述4.3.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議4.3.3 無線傳感器

59、網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議4.3.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用4.3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)之間通過無線通信方式形成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。圖4.3-1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)（sensor node）、匯聚節(jié)點(diǎn)（sink node）和管理節(jié)點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素：（1）傳感器（2）感知對(duì)象（3）觀察者無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成傳感器技術(shù)嵌入式計(jì)算技術(shù)現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)分布式信息處理技術(shù)等無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所涉及的技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)除了具有Ad h

60、oc網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性、自組織性等特征以外，還具有很多其他鮮明的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)向我們提出了一系列挑戰(zhàn)性問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)1動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性。傳感器節(jié)點(diǎn)的死亡、移動(dòng)，新節(jié)點(diǎn)的加入，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，要求網(wǎng)絡(luò)具有可調(diào)整性和可重構(gòu)性。2硬件資源有限節(jié)點(diǎn)在通信能力、計(jì)算能力和內(nèi)存空間等方面的限制使得網(wǎng)絡(luò)需要通過中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由，此外，還必須重新設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單有效的協(xié)議。3能量受限網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由電池供電，一旦電池能量用完，這個(gè)節(jié)點(diǎn)也就失去了作用（死亡）。因此，如何在網(wǎng)絡(luò)工作過程中節(jié)省能源，最大化網(wǎng)絡(luò)的生命周期，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)重要的研究課題之一。4大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)由于網(wǎng)絡(luò)