物聯(lián)網(wǎng)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述課件

《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)》課件

第4章物聯(lián)網(wǎng)

通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)電子工業(yè)出版社劉化君劉傳清編著《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)》教材配套課件42023/8/3《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)》課件

第4章物聯(lián)網(wǎng)

通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)電子工業(yè)14.1無線通信與網(wǎng)絡(luò)概述4.1.1無線通信技術(shù)4.1.2無線通信網(wǎng)絡(luò)4.1.3無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展4.2無線個域網(wǎng)4.2.1IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)4.2.2ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)4.2.3ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)4.2.4藍(lán)牙技術(shù)4.2.5超寬帶技術(shù)4.3無線局域網(wǎng)4.3.1IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)系列4.3.2IEEE802.11WLAN組成結(jié)構(gòu)4.3.3IEEE802.11幀結(jié)構(gòu)4.3.4IEEE802.11MAC協(xié)議4.3.5AdHoc網(wǎng)絡(luò)4.3.6無線局域網(wǎng)的構(gòu)建4.4無線城域網(wǎng)4.4.1無線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)系列4.4.2IEEE802.16協(xié)議體系結(jié)構(gòu)4.4.3WiMAX網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建4.5無線廣域網(wǎng)第4章物聯(lián)網(wǎng)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)2023/8/34.1無線通信與網(wǎng)絡(luò)概述4.3無線局域網(wǎng)第4章物聯(lián)網(wǎng)通信24.1無線通信與網(wǎng)絡(luò)概述

通信是現(xiàn)代信息社會中包括能源、交通、通信在內(nèi)的三大基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之一，是現(xiàn)代信息社會運(yùn)行機(jī)體的神經(jīng)系統(tǒng)。在通信領(lǐng)域，發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的是無線通信及通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其中寬帶衛(wèi)星通信、蜂窩式無線網(wǎng)絡(luò)、移動IP、WLAN（WiFi）、ZigBee、UWB、藍(lán)牙、WiMAX等都是21世紀(jì)熱門的無線通信技術(shù)應(yīng)用。無線通信技術(shù)給人們帶來的影響是無可爭議的，它作為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，必將更加深入到人們生活和工作的各個方面。2023/8/34.1無線通信與網(wǎng)絡(luò)概述

通信是現(xiàn)代信息社會中包括能源、交通34.1.1無線通信技術(shù)

無線通信(Wirelesscommunication)是利用電磁波信號在自由空間中傳播的特性進(jìn)行信息交換的一種通信方式。采用通信技術(shù)來傳輸信息在現(xiàn)代社會是十分流行和重要的，它已經(jīng)成為人們生活和工作的必須，社會發(fā)展的重要工具。特別是數(shù)字通信，推動了數(shù)字化社會的形成，使人們進(jìn)入信息化社會?，F(xiàn)代無線通信基本上是分區(qū)通信或蜂窩通信，它的實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字化、移動性和個人通信、分區(qū)制和頻率復(fù)用、點(diǎn)對多點(diǎn)通信等基本技術(shù)。在物聯(lián)網(wǎng)中，可以根據(jù)不同的需要來選擇使用不同的無線通信技術(shù)。2023/8/34.1.1無線通信技術(shù)

無線通信(Wirelesscom41.數(shù)字化技術(shù)通信數(shù)字化現(xiàn)已居于絕對的優(yōu)勢地位。數(shù)字化技術(shù)指的是運(yùn)用0和1兩位數(shù)字編碼，通過電子計(jì)算機(jī)、光纜、通信衛(wèi)星等設(shè)備，來表達(dá)、傳輸和處理所有信息的技術(shù)。數(shù)字化技術(shù)是信息技術(shù)的核心，信息的載體有多種，如字符、聲音、語言和圖像等。這些信息載體存在著共同的問題：一是信息量小，二是難以交換、交流。顯然，數(shù)字化帶來的問題是信號的模數(shù)變換、信源編碼、數(shù)字調(diào)制、信道編碼、低電壓低功率集成電路等研究與開發(fā)。因此，數(shù)字化技術(shù)一般包括數(shù)字編碼、數(shù)字壓縮、數(shù)字傳輸、數(shù)字調(diào)制與解調(diào)等技術(shù)。2023/8/31.數(shù)字化技術(shù)2023/7/3152.移動性和個人化現(xiàn)代無線通信的重要成果之一是通信的移動性。早在19世紀(jì)末期，赫茲發(fā)明無線電后，馬可尼演示海上航行船舶間的通信，這可以說是開創(chuàng)了無線移動通信先河。進(jìn)入20世紀(jì)20年代，有些國家的海軍艦船和陸地公安部門開始正式使用移動無線電調(diào)度系統(tǒng)。在第二次世界大戰(zhàn)中，有些國家軍隊(duì)中的通信部隊(duì)利用數(shù)字編碼的話音通信實(shí)現(xiàn)了保密通信，這包括了話音編碼和脈碼調(diào)制（PCM）技術(shù)。事實(shí)上，1946年開始建立了第一批商用移動電話系統(tǒng)，但需由話務(wù)員負(fù)責(zé)接通。其后不久，蜂窩網(wǎng)方式發(fā)明問世，一個適當(dāng)大的地區(qū)設(shè)置多個半徑約1km的蜂窩小區(qū)，互相緊密鄰近排列，其中心基站可使用較低的射頻發(fā)射功率，每隔幾個蜂窩就可使用相同的頻率，節(jié)約了無線電頻譜資源的利用。2023/8/32.移動性和個人化2023/7/3163.分區(qū)制、越區(qū)切換和頻率復(fù)用技術(shù)通信系統(tǒng)的容量問題是移動通信所要解決的基本問題，即大量用戶與有限頻帶之間的矛盾。由于分配給移動通信的帶寬有限，提供的信道滿足不了用戶的需要，必須用空間的分區(qū)制來加以補(bǔ)償，也就是將通信空間劃分成許多通信小區(qū)，常用六邊形表示，形象地稱為蜂窩。這種移動通信稱作蜂窩移動通信，是移動通信的主流。頻率復(fù)用也稱頻率再用，就是重復(fù)使用頻率，在GSM網(wǎng)絡(luò)中頻率復(fù)用就是使同一頻率覆蓋不同的區(qū)域（一個基站或該基站的一部分(扇形天線)所覆蓋的區(qū)域），這些使用同一頻率的區(qū)域彼此需要相隔一定的距離（稱為同頻復(fù)用距離），以滿足將同頻干擾抑制到允許的指標(biāo)之內(nèi)。2023/8/33.分區(qū)制、越區(qū)切換和頻率復(fù)用技術(shù)2023/7/3174.

點(diǎn)對點(diǎn)通信及點(diǎn)對多點(diǎn)通信技術(shù)點(diǎn)對點(diǎn)通信實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)任意兩個用戶之間的信息交換。電臺收到帶有點(diǎn)對點(diǎn)通信標(biāo)識信息的數(shù)據(jù)后，比較系統(tǒng)號和地址碼，系統(tǒng)號和地址碼都與本地相符時，將數(shù)據(jù)傳送到用戶終端，否則將數(shù)據(jù)丟棄，不傳送到用戶終端。點(diǎn)對點(diǎn)通信時，只有1個用戶可收到信息。點(diǎn)對點(diǎn)連接是兩個系統(tǒng)或進(jìn)程之間的專用通信鏈路，可想象成是直接連接兩個系統(tǒng)的一條線路。兩個系統(tǒng)獨(dú)占此線路進(jìn)行通信。點(diǎn)對點(diǎn)通信的對立面是廣播，在廣播通信中一個系統(tǒng)可以向多個系統(tǒng)傳輸。2023/8/34.點(diǎn)對點(diǎn)通信及點(diǎn)對多點(diǎn)通信技術(shù)2023/7/3184.1.2無線通信網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)代通信技術(shù)的一個重要標(biāo)志是網(wǎng)絡(luò)化。有線與無線通信系統(tǒng)的結(jié)合構(gòu)成了現(xiàn)代通信網(wǎng)。目前，在各類通信網(wǎng)絡(luò)中最具增長潛力的是無線通信網(wǎng)。

1.現(xiàn)代無線通信網(wǎng)絡(luò)的概念圖4-1無線通信網(wǎng)的組織結(jié)構(gòu)示意圖4.1.2無線通信網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)代通信技術(shù)的一個重要標(biāo)志是網(wǎng)絡(luò)化。92.無線通信網(wǎng)絡(luò)模型

（1）移動自組織網(wǎng)絡(luò)移動自組織網(wǎng)絡(luò)是對等網(wǎng)絡(luò)，它通常包含成千上萬個可以完全移動的通信節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)可視為一種個人信息設(shè)備（如配備有無線收發(fā)機(jī)的個人數(shù)字助理），能覆蓋幾百米的范圍。MANET的目的是形成并維持一個有聯(lián)系關(guān)系的多跳網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)能在節(jié)點(diǎn)之間傳輸多媒體業(yè)務(wù)。在移動自組織網(wǎng)絡(luò)中，為了使服務(wù)質(zhì)量最優(yōu)，需要做好網(wǎng)絡(luò)的組織結(jié)構(gòu)、路由尋址算法和移動性管理等工作。也就是說，當(dāng)節(jié)點(diǎn)在高速移動情形下，網(wǎng)絡(luò)仍能提供好的吞吐／時延特性。2023/8/32.無線通信網(wǎng)絡(luò)模型

（1）移動自組織網(wǎng)絡(luò)在移動自組織網(wǎng)絡(luò)10（2）蜂窩網(wǎng)絡(luò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)是由靜止節(jié)點(diǎn)和移動節(jié)點(diǎn)組成的較大網(wǎng)絡(luò)。位于通信子網(wǎng)中的靜止節(jié)點(diǎn)（基站）和構(gòu)成固定基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)的有線中樞網(wǎng)絡(luò)相連。移動節(jié)點(diǎn)的數(shù)量大大超過靜止節(jié)點(diǎn)，每個基站中有成百上千個移動節(jié)點(diǎn)，這些移動節(jié)點(diǎn)通常分布得很分散。每個基站都覆蓋一個很大的區(qū)域，且區(qū)域之間很少重疊。只有當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)移動并發(fā)生越區(qū)切換時，才會出現(xiàn)區(qū)域間的重疊覆蓋情況（每個移動節(jié)點(diǎn)可能移動到遠(yuǎn)離基站的位置）。這種蜂窩網(wǎng)絡(luò)的主要目標(biāo)就是提供高服務(wù)質(zhì)量和高帶寬效率。2023/8/3（2）蜂窩網(wǎng)絡(luò)2023/7/3111（3）短距離無線通信網(wǎng)短距離無線通信（ShortRangeWireless，SRW）是指可以在室內(nèi)、辦公室或封閉的公共場提供近距離通信的技術(shù)。一般，SRW可以在100m以內(nèi)實(shí)現(xiàn)傳輸速度為10～100Mb/s的低功率近距離通信。SRW可分為兩種：一種是傳輸范圍在10m內(nèi)，低成本、低功耗的短距離無線連接（Connectivity）的無線個人局域網(wǎng)（WPAN）；另一種是以更快傳輸速度和更大覆蓋范圍為目標(biāo)的無線局域網(wǎng)（WLAN）。總而言之，通過SRW技術(shù)、手機(jī)、Headset、PDA、Notebook、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、健身器材管理設(shè)備等在沒有電纜連接的情況下可以實(shí)現(xiàn)無線通信或操作，而且用戶可以通過SRW直接接入建筑物內(nèi)的局域網(wǎng)（LAN）及語音及數(shù)字信息網(wǎng)絡(luò)。2023/8/3（3）短距離無線通信網(wǎng)2023/7/31123．無線通信網(wǎng)的分類對無線通信網(wǎng)可以有多種不同的分類方式。為簡單明晰起見，通常將無線通信網(wǎng)按照通信距離劃分為無線個域網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、無線城域網(wǎng)和無線廣域網(wǎng)，如圖4-2所示。蜂窩移動通信屬于無線廣域網(wǎng)（WWAN），IEEE802標(biāo)準(zhǔn)系列涵蓋了WPAN、WLAN、WMAN和WWAN幾個方面。

2023/8/33．無線通信網(wǎng)的分類2023/7/31134.1.3無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展

在數(shù)字無線通信時代，電子電路技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展推動著通信系統(tǒng)的飛速發(fā)展。目前，較受關(guān)注的是第三代蜂窩移動通信系統(tǒng)(3G)、IEEE802系列；發(fā)展趨勢是移動寬帶化、綜合化、多樣化、個人化和IP化。2023/8/34.1.3無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展

在數(shù)字無線通信時代，電子電141．移動寬帶化蜂窩移動通信系統(tǒng)的發(fā)展體現(xiàn)了無線通信發(fā)展史，從第一代模擬移動通信系統(tǒng)，到第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)，再到第三代以及基于全I(xiàn)P的后三代或四代移動通信系統(tǒng)。移動寬帶化是未來通信發(fā)展的一個必然趨勢，窄帶的、低速的網(wǎng)絡(luò)會逐漸被寬帶網(wǎng)絡(luò)所取代。2023/8/31．移動寬帶化移動寬帶化是未來通信發(fā)展的一個必然趨勢，窄帶的152．核心網(wǎng)絡(luò)綜合化，接入網(wǎng)絡(luò)多樣化未來信息網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)模式將向核心網(wǎng)/接入網(wǎng)轉(zhuǎn)變，網(wǎng)絡(luò)的多樣化、寬帶化，以及帶寬的移動化，將使在同一核心網(wǎng)絡(luò)上綜合傳送多種業(yè)務(wù)信息成為可能。網(wǎng)絡(luò)的綜合化將進(jìn)一步推動傳統(tǒng)電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)與計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的三網(wǎng)融合。網(wǎng)絡(luò)覆蓋的無縫化，將使用戶在任何時間、任何地點(diǎn)都能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入；而且數(shù)據(jù)速率越來越高，頻譜帶寬越來越寬，頻段越來越高。所謂“三網(wǎng)融合”即指電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的相互滲透、互相兼容、并逐步整合成為統(tǒng)一的信息網(wǎng)絡(luò)?！叭W(wǎng)融合”的目的是為了加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通和資源共享，避免低水平重復(fù)建設(shè)，形成適應(yīng)性廣、容易維護(hù)、費(fèi)用低的高速寬帶多媒體基礎(chǔ)平臺。在概念上從不同角度和層次上分析三網(wǎng)融合，可以涉及到技術(shù)融合、業(yè)務(wù)融合、行業(yè)融合、終端融合及網(wǎng)絡(luò)融合等諸多方面。目前主要是在應(yīng)用層次上互相使用統(tǒng)一的TCP/IP通信協(xié)議。TCP/IP協(xié)議的普遍采用，將使得各種以IP為基礎(chǔ)的業(yè)務(wù)能在不同的網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。2023/8/32．核心網(wǎng)絡(luò)綜合化，接入網(wǎng)絡(luò)多樣化2023/7/31163．個人化和IP化信息個人化是21世紀(jì)初信息領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展的主要方向之一，而移動IP正是實(shí)現(xiàn)未來信息個人化的重要技術(shù)手段。在手機(jī)等智能終端上實(shí)現(xiàn)各種IP應(yīng)用以及移動IP技術(shù)正逐步成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一。終端智能化越來越高，移動智能網(wǎng)技術(shù)與IP技術(shù)的組合將進(jìn)一步推動全球個人通信的迅速發(fā)展。移動通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)正在經(jīng)歷一場深刻的變革，隨著網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量主導(dǎo)地位的形成，現(xiàn)有電路交換網(wǎng)絡(luò)已逐漸被IP網(wǎng)絡(luò)替代，IP技術(shù)將成為未來網(wǎng)絡(luò)的核心關(guān)鍵技術(shù)，TCP/IP協(xié)議將成為信息網(wǎng)絡(luò)的主導(dǎo)通信協(xié)議。隨著移動通信通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）的普及應(yīng)用，用戶將在端到端分組傳輸模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，打破傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入方式。以IP為基礎(chǔ)組網(wǎng)，開始了基于IP核心骨干網(wǎng)的應(yīng)用實(shí)踐。2023/8/33．個人化和IP化2023/7/31174.2無線個域網(wǎng)

無線個域網(wǎng)（WPAN）是基于計(jì)算機(jī)通信的專用網(wǎng)，它可以在10m距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)、周邊設(shè)備、手機(jī)、信息家電產(chǎn)品等設(shè)備的無線通信與操作。WPAN技術(shù)是隨著便攜式計(jì)算機(jī)、PDA等個人便攜式電子設(shè)備的發(fā)展和有關(guān)需求應(yīng)運(yùn)而生的。為了制訂在個人領(lǐng)域（PersonalOperatingSpace，POS）以低功耗并以簡單的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)無線接入的標(biāo)準(zhǔn)，1998年成立了WPANSG(StudyGroup)，并于1999年成立了IEEE802.15WG，致力于WPAN網(wǎng)絡(luò)的物理層（PHY）和介質(zhì)訪問控制層（MAC）的標(biāo)準(zhǔn)化工作，目標(biāo)是為在個人操作空間內(nèi)相互通信的無線通信設(shè)備提供通信標(biāo)準(zhǔn)。用于無線個域網(wǎng)的通信技術(shù)很多，如ZigBee、藍(lán)牙、UWB、紅外(IrDA)、HomeRF、射頻識別等。目前，為滿足低功耗、低成本的傳感網(wǎng)要求而專門開發(fā)的低速率WPAN標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4成為物聯(lián)網(wǎng)的重要通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一。2023/8/34.2無線個域網(wǎng)

無線個域網(wǎng)（WPAN）是基于計(jì)算機(jī)通信的184.2.1IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)

IEEE802.15.4是IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會TG4任務(wù)組發(fā)布的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。該任務(wù)組于2000年12月成立，ZigBee聯(lián)盟（ZigBeeAlliance）于2001年8月成立，2002年由英國Invensys公司、美國Motorola公司、日本Mitsubishi公司和荷蘭Philips公司等廠商聯(lián)合推出了低成本、低功耗的ZigBee技術(shù)。ZigBee是一種新興的近距離、低速率、低功耗的雙向無線通信技術(shù)，也是ZigBee聯(lián)盟所主導(dǎo)的傳感網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。2023/8/34.2.1IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)

IEEE802191.IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議結(jié)構(gòu)

圖4-3IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議結(jié)構(gòu)2023/8/31.IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議結(jié)構(gòu)

圖4-3IE202．物理層的主要功能IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)所定義的物理層具有的功能有：激活和惰性化無線電收發(fā)器，當(dāng)前信道的能量發(fā)現(xiàn)、接收包的鏈路質(zhì)量指示、信道頻率選擇和數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。（1）工作頻率和數(shù)據(jù)傳輸速率物理層（MHz）頻帶(MHz)信道數(shù)碼元速率(kchip/s)調(diào)制方式比特速率(kb/s)符號速率(ksymbol/s)868/915868-868.61300BPSK2020902-92810600BPSK404024002400-2483.5162000O-QPSK25062.52023/8/32．物理層的主要功能（1）工作頻率和數(shù)據(jù)傳輸速率物理層頻帶信21（2）支持簡單器件由于802.15.4標(biāo)準(zhǔn)具有低速率、低功耗和短距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，使得非常適宜支持簡單器件。在802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中定義了14個物理層基本參數(shù)和35個介質(zhì)接入控制層基本參數(shù)，總共為49個。這使它非常適用于存儲能力和計(jì)算能力有限的簡單器件。在802.15.4中定義了兩種器件：全功能器件（FFD）和簡化功能器件（RFD）。對全功能器件，要求它支持所有的49個基本參數(shù)。而對簡化功能器件，在最小配置時只要求它支持38個基本參數(shù)。

2023/8/3（2）支持簡單器件2023/7/31223．介質(zhì)訪問控制層的主要功能（1）IEEE802.15.4幀結(jié)構(gòu)圖4-4IEEE802.15.4幀結(jié)構(gòu)2023/8/33．介質(zhì)訪問控制層的主要功能（1）IEEE802.15.4234.2.2ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

建立在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上的ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)如圖4-5所示，由高層應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、IEEE802.15.4協(xié)議組成。圖4-5ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)2023/8/34.2.2ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

建立在IEEE802241．網(wǎng)絡(luò)層主要功能網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接，它獨(dú)立處理傳入數(shù)據(jù)請求、關(guān)聯(lián)、解除關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)，包含尋址、路由和安全等。網(wǎng)絡(luò)層包括邏輯鏈路控制子層，邏輯鏈路控制子層是基于IEEE802.2標(biāo)準(zhǔn)。（1）網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)層提供保證IEEE802.15.4MAC層所定義的功能，同時，能為應(yīng)用層提供適當(dāng)?shù)姆?wù)接口。

（2）ZigBee網(wǎng)絡(luò)配置低數(shù)據(jù)速率的WPAN中包括兩種無線設(shè)備：全功能設(shè)備(FFD)和精簡功能設(shè)備(RFD)。其中，F(xiàn)FD可以和FFD、RFD通信，而RFD只能與FFD通信，RFD之間無法進(jìn)行通信。

2023/8/31．網(wǎng)絡(luò)層主要功能（1）網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)（2）ZigBee網(wǎng)25（3）ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee技術(shù)具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，通過無線通信組成星形、網(wǎng)狀(Mesh)網(wǎng)和混合網(wǎng)，如圖4-6所示，可以根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需要來選擇合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖4-6ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2023/8/3（3）ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖4-6ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?62．應(yīng)用層在ZigBee協(xié)議中應(yīng)用層包括應(yīng)用匯聚層、ZigBee設(shè)備配置和用戶應(yīng)用程序。應(yīng)用層提供高級協(xié)議管理功能，用戶應(yīng)用程序由各制造商自己來規(guī)定，它使用應(yīng)用層協(xié)議來管理協(xié)議棧。無線傳感網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)的末梢網(wǎng)絡(luò)，需要低功耗短距離的無線通信技術(shù)。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是針對低速無線個人域網(wǎng)絡(luò)的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，低功耗、低成本是其主要目標(biāo)，它為個人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之間低速聯(lián)網(wǎng)提供了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

2023/8/32．應(yīng)用層2023/7/31274.2.3ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

基于IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的ZigBee技術(shù)，主要用于無線個域網(wǎng)(WPAN)。ZigBee技術(shù)的出現(xiàn)給人們的工作和生活帶來極大的方便和快捷。ZigBee技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括無線數(shù)據(jù)采集、無線工業(yè)控制、消費(fèi)性電子設(shè)備、汽車自動化、家庭和樓宇自動化、醫(yī)用設(shè)備控制、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制等場合。2023/8/34.2.3ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

基于IEEE802.15281.ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)建IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)是指在一個POS內(nèi)使用相同無線信道并通過IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)相互通信的一組設(shè)備的集合，又名LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)，其實(shí)也就是ZigBee網(wǎng)絡(luò)。例如，一個基于ZigBee技術(shù)的IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如圖4-7所示。圖4-7基于ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)2023/8/31.ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)建圖4-7基于ZigBee技292.ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特點(diǎn)ZigBee這個名字來源于蜂群的通信方式，蜜蜂之間通過跳ZigZag形狀的舞蹈來交換信息，以便共享食物源的方向、位置和距離等信息。與其它無線通信協(xié)議相比，ZigBee無線協(xié)議復(fù)雜性低、對資源要求少，主要有以下幾個特點(diǎn)。1）低功耗：這是ZigBee的一個顯著特點(diǎn)。2）低成本：協(xié)議簡單且所需的存儲空間小，降低了ZigBee的成本，而且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的。3）時延短：ZigBee通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。設(shè)備搜索時延為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設(shè)備信道接入時延為15ms。4）傳輸范圍?。涸诓皇褂霉β史糯笃鞯那疤嵯拢琙igBee節(jié)點(diǎn)的有效傳輸范圍一般為10～75m，能覆蓋普通的家庭和辦公場所。5）數(shù)據(jù)傳輸速率低：2.4GHz頻段為250kb/s，915MHz頻段為40kb/s，868MHz頻段只有20kb/s。6）數(shù)據(jù)傳輸可靠2023/8/32.ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特點(diǎn)1）低功耗：這是ZigBee304.2.4藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)與數(shù)字通信的開放式標(biāo)準(zhǔn)。它以低成本、近距離無線通信為基礎(chǔ)，為固定與移動設(shè)備提供了一種完整的通信方式。利用“藍(lán)牙”技術(shù)，能夠有效地簡化個人數(shù)字助理(PDA)、便攜式計(jì)算機(jī)和移動電話手機(jī)等移動通信終端設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡化以上這些設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)之間的通信，從而使這些現(xiàn)代通信設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效。其實(shí)際應(yīng)用范圍還可以拓展到各種家電產(chǎn)品、消費(fèi)電子產(chǎn)品和汽車等信息家電，組成一個巨大的無線通信網(wǎng)絡(luò)。2023/8/34.2.4藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)與數(shù)字通信的開放314.2.5超寬帶技術(shù)

超寬帶（UltraWideBand，UWB）技術(shù)定位于短距離無線通信這一廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的興起，它可以作為物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)通信技術(shù)之一，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間的互聯(lián)互通。UWB是一種無載波擴(kuò)譜通信技術(shù)，又被稱為脈沖無線電(ImpulseRadio)，具體定義為相對帶寬(信號帶寬與中心頻率的比)大于25%的信號或者是帶寬超過1.5GHz的信號。實(shí)際上UWB信號是一種持續(xù)時間極短、帶寬很寬的短時脈沖。它的主要形式是超短基帶脈沖，寬度一般在0.1ns～20ns，脈沖間隔為2ns～5000ns，精度可控，頻譜為50MHz～10GHz，頻帶大于100%中心頻率，典型點(diǎn)空比為0.1%。傳統(tǒng)的UWB系統(tǒng)使用一種被稱為“單周期(monocycle)波形”的脈沖。UWB具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、截獲能力低、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點(diǎn)，非常適于無線傳感網(wǎng)。2023/8/34.2.5超寬帶技術(shù)

超寬帶（UltraWideBan324.3無線局域網(wǎng)無線局域網(wǎng)（WLAN）是指以無線電波、紅外線等無線傳輸介質(zhì)來代替目前有線局域網(wǎng)中的傳輸介質(zhì)（比如電纜）而構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。WLAN覆蓋半徑一般在100m左右，可實(shí)現(xiàn)十幾兆至幾十兆的無線接入。在寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)中，常把WLAN稱為“WMAN（無線城域網(wǎng)）的毛細(xì)血管”，用于點(diǎn)對多點(diǎn)無線連接，解決用戶群內(nèi)部信息交流和網(wǎng)際接入，如企業(yè)專用網(wǎng)等。2023/8/34.3無線局域網(wǎng)無線局域網(wǎng)（WLAN）是指以無線電波、紅外線334.3.1IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)系列IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)系列主要從WLAN的物理層和MAC層兩個層面制訂了系列規(guī)范，物理層標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了無線傳輸信號等基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，如802.11a、802.11b、802.11d、802.11g、802.11h，而介質(zhì)訪問控制子層標(biāo)準(zhǔn)是在物理層上的一些應(yīng)用要求標(biāo)準(zhǔn)，如802.11e、802.11f、802.11i。IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了許多子集，包括：1）802.11a：將傳輸頻段放置在5GHz頻率空間；2）802.11b：將傳輸頻段放置在2.4GHz頻率空間；3）802.11d：RegulatoryDomains，定義域管理；4）802.11e：QoS(Qualityofservice)，定義服務(wù)質(zhì)量；5）802.11f：IAPP(Inter-AccessPointProtocol)，接入點(diǎn)內(nèi)部協(xié)議；6）802.11g：在2.4GHz頻率空間取得更高的速率；7）802.11h：5GHz頻率空間的功耗管理；8）802.11i：Security，定義網(wǎng)絡(luò)安全性。2023/8/34.3.1IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)系列IEEE802.344.3.2IEEE802.11WLAN組成結(jié)構(gòu)

圖4-8IEEE802.1lWLAN組成結(jié)構(gòu)2023/8/34.3.2IEEE802.11WLAN組成結(jié)構(gòu)

圖4354.3.3IEEE802.11幀結(jié)構(gòu)

IEEE802.11定義了3種不同類型的幀：管理幀、控制幀和數(shù)據(jù)幀。管理幀用于站點(diǎn)與AP發(fā)生關(guān)聯(lián)或解關(guān)聯(lián)、定時和同步、身份認(rèn)證以及解除認(rèn)證，控制幀用于在數(shù)據(jù)交換時的握手和確認(rèn)操作；數(shù)據(jù)幀用來傳送數(shù)據(jù)。MAC頭部提供了關(guān)于幀控制、持續(xù)時間、尋址和順序控制的信息。每種幀包含用于MAC子層的一些字段的頭。圖4-9IEEE802.11幀格式2023/8/34.3.3IEEE802.11幀結(jié)構(gòu)

IEEE802.364.3.4IEEE802.11MAC協(xié)議

圖4-10CSMA/CA協(xié)議中的RTS幀和CTS幀2023/8/34.3.4IEEE802.11MAC協(xié)議

圖4-10374.3.5AdHoc網(wǎng)絡(luò)

AdHoc網(wǎng)絡(luò)是由許多帶有無線收發(fā)裝置的通信終端(也稱為節(jié)點(diǎn)、站點(diǎn))構(gòu)成的一種自組織的自治系統(tǒng)?；ヂ?lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)對AdHoc網(wǎng)絡(luò)的定義是：一個移動AdHoc網(wǎng)絡(luò)可以看作是一個獨(dú)立的自治系統(tǒng)或者是一個對互聯(lián)網(wǎng)的多跳無線擴(kuò)展。作為一個自治系統(tǒng)，它有自己的路由協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制；作為多跳無線擴(kuò)展，它對互聯(lián)網(wǎng)提供一種靈活、無縫的接入。2023/8/34.3.5AdHoc網(wǎng)絡(luò)

AdHoc網(wǎng)絡(luò)是由許多帶有無384.3.6無線局域網(wǎng)的構(gòu)建

1．WLAN的組網(wǎng)模式一般來說，WLAN有兩種組網(wǎng)模式：一種是無固定基站的，另一種是有固定基站的。這兩種模式各有特點(diǎn)。無固定基站組成的網(wǎng)絡(luò)稱為自組網(wǎng)絡(luò)，主要用于便攜式計(jì)算機(jī)之間組成平等結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。有固定基站的網(wǎng)絡(luò)類似于移動通信，網(wǎng)絡(luò)用戶的便攜式計(jì)算機(jī)通過基站（又稱為訪問點(diǎn)AP）連入網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用比較廣泛的網(wǎng)絡(luò)，一般用于有線局域網(wǎng)覆蓋范圍的延伸或作為寬帶無線互聯(lián)網(wǎng)的接入方式。2023/8/34.3.6無線局域網(wǎng)的構(gòu)建

1．WLAN的組網(wǎng)模式2023392.WLAN采用的傳輸介質(zhì)無線局域網(wǎng)采用的傳輸介質(zhì)是紅外線IR（Infrared）或無線電波（RF）。紅外線的波長是750nm～1mm，是頻率高于微波而低于可見光的電磁波，是人的肉眼看不見的光線。利用紅外線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸就是視距傳輸，對臨近的類似系統(tǒng)不會產(chǎn)生干擾，也很難竊聽。紅外數(shù)據(jù)協(xié)會（IRDA）為了使不同廠商的產(chǎn)品之間獲得最佳的傳輸效果，規(guī)定了紅外線波長范圍為850nm～900nm。無線電波一般使用3個頻段：L頻段（902～928MHz）、S頻段（2.4～2.4835GHz）和C頻段（5.725～5.85GHz）。S頻段也稱為工業(yè)科學(xué)醫(yī)療頻段，大多數(shù)無線產(chǎn)品使用該頻段。2023/8/32.WLAN采用的傳輸介質(zhì)2023/7/31403．WLAN的應(yīng)用范疇WLAN是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，提供有線局域網(wǎng)的功能，能夠使用戶真正實(shí)現(xiàn)隨時、隨地、隨意的寬帶網(wǎng)絡(luò)接入。WLAN的最高數(shù)據(jù)傳輸速率目前已經(jīng)達(dá)到54Mb/s（802.11g），傳輸距離可遠(yuǎn)至20km以上。它不僅可以作為有線數(shù)據(jù)通信的補(bǔ)充和延伸，而且還可以與有線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境互為備份。WLAN的應(yīng)用較為廣泛，其應(yīng)用場合主要包括以下幾個方面：1）多個普通局域網(wǎng)及計(jì)算機(jī)的互聯(lián)。2）多個控制模塊(ControlModule，CM)通過有線局域網(wǎng)的互聯(lián)，每個控制模塊又可支持一定數(shù)量的無線終端系統(tǒng)。3）具有多個局域網(wǎng)的大樓之間的無線連接。4）為具有無線網(wǎng)卡的便攜式計(jì)算機(jī)、掌上電腦、手機(jī)等提供移動、無線接入。5）無中心服務(wù)器的某些便攜式計(jì)算機(jī)之間的無線通信。2023/8/33．WLAN的應(yīng)用范疇2023/7/3141小結(jié)與進(jìn)一步學(xué)習(xí)建議

無線通信是利用電磁波信號在自由空間中傳播的特性進(jìn)行信息交換的一種通信方式。采用無線通信傳輸方式取代有線傳輸方式，是區(qū)別于傳統(tǒng)傳感網(wǎng)（有線傳感器網(wǎng)絡(luò)）的重要特征，也是傳感網(wǎng)優(yōu)勢（如造價低、部署靈活等）的重要來源。本章介紹了當(dāng)前可應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的無線通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要內(nèi)容包括無線通信與網(wǎng)絡(luò)的基本概念、無線個域網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、無線城域網(wǎng)、無線廣域網(wǎng)等通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。2023/8/3小結(jié)與進(jìn)一步學(xué)習(xí)建議

無線通信是利用電磁波信號在自42討論與思考1．從技術(shù)特點(diǎn)和適用場合，對常用的幾種無線通信技術(shù)例如IEEE802.11、IEEE802.15.4、ZigBee技術(shù)進(jìn)行比較，它們之間有什么區(qū)別？2．簡述IEEE802.11、IEEE802.15.4、ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的基本內(nèi)容。3．ZigBee網(wǎng)絡(luò)有哪幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)？4.無線局域網(wǎng)的物理層有哪幾個標(biāo)準(zhǔn)？5．為什么無線局域網(wǎng)采用CSMA/CA協(xié)議而不是CSMA/CD？6．無線局域網(wǎng)的MAC協(xié)議中的SIFS、PIFS和DIFS的作用是什么？7.常用的無線局域網(wǎng)設(shè)備有哪些？它們各自的功能又是什么？8.無線局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有哪幾種？9.IEEE802.16協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的基本內(nèi)容，它主要適宜構(gòu)建那類無線網(wǎng)絡(luò)？2023/8/3討論與思考2023/7/3143本章到此結(jié)束歡迎使用《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)》教材電子工業(yè)出版社劉化君劉傳清編著Thankyou2023/8/3本章到此結(jié)束歡迎