《物联网应用技术导论》课件 第3章 物联网通信与网络技术 《物联网应用技术导论》课件 第3章 物联网通信与网络技术 东软电子出版社 罗汉江主编《物联网应用技术导论》教材配套课件3

第3章 物联网通信与网络技术 本章主要内容 3.1 物联网通信与网络技术概述 3.2 无线个域网络技术 3.3 无线局域网络技术 第3章 物联网通信与网络技术 本章主要内容 3.1 物联网通信与网络技术概述 3.2 无线个域网络技术 3.3 无线局域网络技术 3.4 无线城域网络技术 3.5 无线广域网络技术 3.6 物联网的接入技术 3.7 物联网其他网络技术

3.1 物联网通信与网络技术概述 物联网要实现物物相连，需要网络作为连接的桥梁。物联网的通信与组网技术主要完成感知信息的可靠传输。由于物联网连接的物体多种多样，物联网涉及的网络技术也有多种，如可以是有线网络、无线网络；可以是短距离网络和长距离网络；可以是企业专用网络、公用网络；还可以是局域网、互联网等等。

3.1.1 无线通信及网络技术 通信技术简单地说是指将信息从一个地点传送到另一个地点所采取的方法和措施。按照历史发展的顺序，通信技术先后由人体传递信息通信到简易信号通信，再发展到有线通信和无线通信。近年来发展最快、应用最广的就是无线通信技术。

1、 无线通信技术 无线通信技术主要包括无线电通信、微波通信、红外通信和光通信等多种形式。其中无线电通信最为广泛，它是利用电磁波信号在自由空间传播的特性进行信息交换的一种通信方式。 目前无线通信主要使用数字化通信技术。数字化通信是一种用数字信号0和1进行数字编码传输信息的通信方式。数字化通信可以传输电报、数据等数字信号，也可传输经过数字化处理的语音和图像等模拟信号。

无线通信网络是利用无线通信技术、通信设备、通信标准和协议等组成的通信网络，在该网络中通信终端能够接入网络并依赖该网络进行相互通信。 2、无线通信网络及分类 无线通信网络是利用无线通信技术、通信设备、通信标准和协议等组成的通信网络，在该网络中通信终端能够接入网络并依赖该网络进行相互通信。 根据接入网络的方式不同可以分为集中式和自组织两种。

集中式终端根据其位置是否固定又可分为固定式和移动式，如固定或移动基站、固定骨干节点等。典型的集中式包括各类蜂窝网络，通过安装多个固定的基站把较大通信区域覆盖，而每个基站可以管理成百上千个移动接入节点。在无线局域网络中可以利用集中式接入在一个相对小区域内形成星状网络。

自组织网络（Ad Hoc Networks）是与集中式网络完全不同的一种网络，在这种网络中，没有固定集中的控制中心，所有在网络中的节点通过一定的自组织协议加入网络，节点间的通信通过邻居节点的多跳来实现。自组织网络属于对等网络，不会因为其中一个节点的损坏而失去功能，而集中式网络如果基站损坏，将会破坏网络的通信功能。

3、无线通信技术的发展 无线通信技术是社会信息化的重要支撑，随着信息化社会的到来以及IP技术的兴起，未来无线通信技术将得到快速发展，其发展的主要趋势是宽带化、接入多样化、信息个人化和IP网络化等几个方面： 宽带化 IP网络化 信息个人化 核心网络综合化，接入网络多样化

3.1.2 物联网网络技术 物联网的网络是连接物体的信息通道，在物联网中的网络有多种形式，如有线网络、无线网络，局域网络、互联网，企业网络、专用网络等等。对于物联网，无线网络具有特别的吸引力，不仅可以摆脱布线的麻烦和费用，而且对于移动物体可能是唯一的连网选择。

无线网络技术丰富多样，根据距离不同，可以组成无线个域网、无线局域网、无线城域网和无线广域网。其中近距离的无线技术是物联网最为活跃的部分，因为物联网被称作是互联网的最后一公里，也称为末梢网络。根据应用的不同，其通信距离可能是几厘米到几百米之间，目前常用的技术主要有蓝牙、ZigBee、Z-wave、RFID、NFC、UWB、WI-FI等。

3.2 无线个域网络技术 无线个域网(Wireless Personal Area Network，WPAN)是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无线无缝的连接而提出的新兴无线通信网络技术。无线个域网主要解决最后几十米的通信问题，目前主要包括蓝牙技术、ZigBee技术、UWB技术、Z-wave技术、NFC（近距离通信）和红外通信等技术，具有低成本、低功耗、通信距离短等特点。

3.2.1 蓝牙技术 1、蓝牙技术简介 蓝牙（Bluetooth）是一种低成本、低功率、近距离无线连接技术标准，是实现数据与话音无线传输的开放性规范。

2、蓝牙的主要技术特点 蓝牙技术使用的工作频率为2.4G-2.5G之间，属于免费的ISM（Industry Science Medicine）频段。 蓝牙技术可以实现语音、视频和数据的传输，其最高的通信速率为1Mb/s，采用时分方式的全双工通信，通信距离为10m左右（如果配置功率放大器可以使通信距离达到100m）。

蓝牙产品采用跳频技术，能够抵抗信号衰落；采用快跳频和短分组技术，能够有效地减少同频干扰，提高通信的安全性；采用前向纠错编码技术，以便在远距离通信时减少随机噪声的干扰；采用FM调制方式，使设备变得更为简单可靠；“蓝牙”技术产品一个跳频频率发送一个同步分组，每组一个分组占用一个时隙，也可以增至5个时隙；“蓝牙”技术支持一个异步数据通道，或者3个并发的同步语音通道，或者一个同时传送异步数据和同步语音的通道。

表3-1 蓝牙技术指标和系统参数 工作频段 ISM频段，2.402GHz-2.480GHz 双工方式 全双工，TDD时分双工 业务类型 表3-1 蓝牙技术指标和系统参数 工作频段 ISM频段，2.402GHz-2.480GHz 双工方式 全双工，TDD时分双工 业务类型 支持电路交换和分组交换业务 数据速率 1Mbps 非同步信道速率 非对称连接721Kbps/57.6 Kbps，对称连接432.6 Kbps 同步信道速率 64 Kbps 功率 美国FCC要求<0dbm(1mw)，其他国家可扩展为100mw 跳频频率数 79个频点/1MHz 工作模式 PARK/HOLD/SNIFF 数据连接方式 面向连接业务SCO，无连接业务ACL 纠错方式 1/3FEC,2/3标FEC，ARQ 鉴权 采用反应逻辑算术 信道加密 采用0位、40位、60位加密 语音编码方式 连续可变斜率调制CVSD 发射距离 一般可达10cm-10m，增加功率的情况下可达100m

3、蓝牙组网方式　　 蓝牙系统采用无基站的灵活组网方式，支持点对点或点对多点的通信方式，在蓝牙2.0标准中一个蓝牙设备可同时与7个其他的蓝牙设备相连接。如图3-1所示： 图3-1 蓝牙的组网方式示意图

基于蓝牙技术的无线接入简称为BLUEPAC （Bluetooth Public Access），蓝牙系统的网络拓扑结构有两种形式：微微网（piconet）和分布式网络（Scatternet）。

  微微网（piconet）：通过蓝牙技术以特定方式连接起来的一种微型网络，一个微微网可以只是两台相连的设备，比如一台便携式电脑和一部移动电话，也可以是8台连在一起的设备。

蓝牙分布式网络是自组网（ad hoc networks）的一种特例，其最大特点是无基站支持，每个移动终端的地位是平等的，并可独立进行分组转发的决策。其建网灵活性，多跳性、拓扑结构动态变化和分布式控制等特点是构建蓝牙分布式网络的基础。

4、蓝牙技术的主要应用设备 蓝牙无线接入技术具有小规模、低成本、短距离连接等特点，能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化以上这些设备与Internet之间的通信，从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。

蓝牙技术的主要缺点是传输距离短、传输速率慢。但由于蓝牙技术能耗低，在物联网低功耗蓝牙主要应用于医疗和健康传感器网络等电源供给有限的场合，如应用的领域包括：血氧计、血压计、体温计、体重秤、血糖仪、心血管活动监控仪、便携式心电图仪等等。蓝牙技术已经得到非常普遍的应用，全球大约80%以上的手机都使用了蓝牙技术，其中将近100%的智能手机都已经使用了蓝牙技术。利用每个人都拥有手机的优势，蓝牙技术可以用在更加广阔的领域，如车载网的应用、手机、电玩、电脑、手表、运动及健体、保健、汽车工业、家居电器、远程控制、自动化工业等等。

3.2.2 ZigBee网络技术 ZigBee 技术是一种新兴的短距离无线通信技术，主要面向低速率无线个人区域网（LRWPAN，Low Rate Wireless Personal Area Network），典型特征是近距离、低功耗、低成本、低传输速率，主要适用于工业监控、远程控制、传感器网络、家庭监控、安全系统和玩具等领域，目的是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制。Zigbee技术采用三种频段：2.4GHz 、868MHz和915MHz 。2.4GHz频段是全球通用频段，868MHz和915MHz则是用于美国和欧洲的ISM频段，这两个频段的引入避免了2.4GHz 附近各种无线通信设备的相互干扰。

1、ZigBee与IEEE802.15.4协议 ZigBee和IEEE802.15.4并不是完全一回事。IEEE 802.15.4 是IEEE无线个人区域网(Personal Area Network，PAN)工作组的一项标准，被称作IEEE802.15.4技术标准，IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议。ZigBee联盟在802.15.4的基础上，对其网络层协议和API进行了标准化。另外ZigBee联盟还开发了安全层，以保证使用ZigBee协议标准的物联网设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输的信息不会被其他节点获得。

ZigBee联盟成立于2001年8月。2002年下半年ZigBee联盟得以扩大，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布加入“ZigBee 联盟”，研发名为“ZigBee”的下一代无线通信标准。目前ZigBee联盟全球约有400多家成员，包括国际著名半导体生产商、技术提供者、代工生产商以及最终使用者，其总营业额突破1万亿美元。 2011年6月，ZigBee联盟分别在北京和无锡设立了办事处，作为在中国开展物联网产业技术交流与合作的平台。

截至目前为止，ZigBee共公布了三个协议标准，分别称为ZigBee2004，ZigBee2006，Zigbee 2007。ZigBee 2007规范了两套功能指令集，分别是ZigBee功能命令集和ZigBee Pro 功能命令集。ZigBee各个版本的比较如表3-2所示。

表3-2 ZigBee各版本的比较 版本号 ZigBee04 ZigBee06 ZigBee07 指令集 无 Zigbee Zigbee Pro 无线射频标准 802.15.4 地址分配 CSKIP 随机 拓扑 星状 树状、网状 网状 大网络 不支持 支持 自动跳频 是，3信道 否 是 PANID冲突决策 可选 数据分割 多对一路由 高安全 支持，1密钥 支持，多密钥 支持节点数目 少量节点 300个以下 1000个以上 应用领域 消费电子 住宅 商业

2、ZigBee主要技术特点 （1）低功耗 （2）低成本 （3）时延短 （4）传输范围小 （5） 数据传输速率低 （6）数据传输的可靠性 （7）安全性好

3、ZigBee 网络结构 在ZigBee网络中节点按照不同的功能，可以分为协调器节点、路由器节点、和终端节点3种。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。

ZigBee 的网络结构具有星状（STAR）， 树状（TREE）， 网状（MESH）3种网络拓扑，如图3-2所示。 图3-2 ZigBee组网示意图

4．ZigBee 应用场景（图3-3） 图3-3 ZigBee应用场景 工业、农业、商业 消费电子、汽车自动化 监视 传感器 自动化 控制 TV VCR DVD、CD 低速无线设备 个人健康监护 PC机的 外围设备 鼠标、键盘、操作杆 玩具和游戏 家庭 诊断 玩具 游戏器具 保安 HVAC 照明 门禁 图3-3 ZigBee应用场景

ZigBee主要应用范围很广，这得益于ZigBee具有的低速率、低成本和低功耗的特点。如上图所示，ZigBee可以广泛应用的领域包括工业、农业控制、商业领域、消费性电子、PC机的外围设备、家庭自动化、玩具和游戏、个人健康监护、医用设备控制、汽车自动化等领域。具体地讲，ZigBee技术可以应用到消费性电子设备、家庭和建筑自动化设备，智能家居（照明控制、各类窗帘控制、家庭安防、暖气控制、内置家居控制的机顶盒、万能遥控器）、环境检测与控制、自动读表系统、烟雾传感器、医疗监控系统、大型空调系统、工业和楼宇自动化、安全监控、工业控制、传感器控制等方面。

3.2.3 UWB超宽带技术 1、UWB技术简介 “UWB”（ultra wideband）是超宽带无线技术的缩写。UWB技术是一种使用1GHz以上带宽的无线通信技术。虽然是无线通信，但其通信速度可以达到几百Mbit/秒以上。

2、 UWB的主要技术特点 （1）超宽带带来全新的通信方式及频谱管理模式。 （2）抗多径能力强。 （3）定位精确。 （4）保密性强。 （6）系统结构简单、成本低、易数字化。

3、 UWB的应用 超宽带无线通信应用按照通信距离分大体可以分为两类，一类是短距离高速应用，数据传输速率可以达到数百Mbit/s，主要是构建短距离高速WPAN、家庭无线多媒体网络以及替代高速短程有线连接，如无线USB和DVD，典型的通信距离是10m；另一类中长距离（几十米以上）低速率应用，通常传输速率为1Mbit/量级，主要应用于无线传感器网络和低速率连接。

3.2.4 Z-wave技术 1、 Z-wave技术简介 Z-wave技术是由丹麦的芯片和软件开发商Zensys公司开发的一种短距离无线通信技术，起初主要用于智能无线家居(Intelligent Wireless Home)，为促进消费者在无线家居控制领域应用Z-wave技术，确保所有成员的系统和设备之间的互通性，给产品提供售后合作和服务，2005年1月，Zensys公司与其他60多家厂商在CES（Consumer Electronics Show）大会上宣布成立Z-wave联盟（Z-Wave Alliance）。

2、Z-wave网络结构 Z-wave网络的节点分为三个等级，最高等级的节点是控制节点（Controllers），它存储网络中的所有节点的拓扑信息，计算信息传输的路径，规定网络中所有节点的路由地址，在网络中可充当中继器。 第二等级的节点是路由节点（Routing Slaves），与控制节点不同的是路由节点只储存与它相关的部分网络拓扑信息，定义部分节点的路由地址，在网络中也可以充当中继器。最低等级的节点是从节点（Slaves），它不存储拓扑信息，也不计算信息传输的路径，只是响应控制节点和路由节点传来的命令，并将反馈信息沿原路传回。从节点固定在Z-wave网络的某一位置，必须时刻侦听网络命令，在网络中充当中继器。

3、Z-wave网络的安装 图3-4 Z-Wave组网示意图 控制节点 寻找节点 分配地址 反馈信息 告知地址1 反馈信息2 2 1 节点2 节点1 节点3 节点4 图3-4 Z-Wave组网示意图

4、Z-wave路由技术 图3-5 Z-wave网络选择

5、Z-wave的应用 作为一种基于射频的、低成本、低功耗、小尺寸、易使用、高可靠的适于组网的双 向无线通信技术，Z-wave在智能家居方面得到了广泛应用。 利用一个Z-wave控制器，在一所公寓内可以同时控制若干家用电器、灯具、抄表 器、门禁、通风空调设备、家用网关、自动报警器等等。如果将Z-Wave技术与其它技 术（如Wi-Fi技术）相结合，用户就可以利用手机，PDA，互联网，遥控器等多种手段 对Z-wave网络中的家电、自动化设备、甚至是门锁进行远程控制。用户还可以设定相 应的“情景”：比如影院模式，就会自动合上客厅的窗帘，降低电灯的亮度，并且启 动电视机或者投影仪。由于采用了通用的标准，不同公司出品的Z-Wave产品之间都可 以互联互通，这给用户带来了极大的方便。

3.2.5 其他短距离通信技术 RFID通信技术 NFC（近距离通信技术） 和IrDA（红外通信技术）

3.3 无线局域网络技术 无线局域网（Wireless local area network，WLAN）是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。无线局域网利用电磁波在空气中发送和接受数据，无需线缆介质，具有传统局域网无法比拟的灵活性。

1、无线局域网的技术要点 （1）可靠性 （2）兼容性 （3）数据传输速率 （4）通信安全 （5）移动性

2、无线局域网的组成 无线局域网的基本构件有无线网卡和无线网关。 （1）无线网卡：无线网卡的作用类似于以太网卡，作为无线网络的接口，实现计算机与无线网络的连接。 （2）无线网关：无线网关也称无线网桥、无线接入点或无线AP（Acess Point）可以起到以太网中的集线器的作用。

3、无线局域网的拓扑结构 （1）无中心拓扑 （2）单接入点拓扑 （3）多接入点拓扑 （4）多蜂窝漫游工作方式

4、无线局域网WLAN的标准IEEE802.11 1990年11月成立IEEE802.11委员会负责制定WLAN标准。无线局域网第一个版本发表于1997年，其中定义了介质访问接入控制层（MAC层）和物理层。 802.11a定义了一个在5GHz ISM频段上的数据传输速率可达54Mbit/s的物理层，802.11b定义了一个在2.4GHz的ISM频段上但数据传输速率高达11Mbit/s的物理层。 1999年，加上了两个补充版本：802.11a定义了一个在5GHz ISM频段的物理层。

表3-3 802.11系列标准参数比较 标准版本 802.11a 802.11b 802.11g 802.11n 802.11ac 发布时间 表3-3 802.11系列标准参数比较 标准版本 802.11a 802.11b 802.11g 802.11n 802.11ac 发布时间 1999 2003 2009 未定 工作频段 5GHz 2.4GHz 2.4、5GHz 传输速率 54Mbps 11Mbps 600Mbps 1Gbps 编码类型 OFDM DSSS OFDM、DSSS MIMO-OFDM 信道宽度 20MHz 22MHz 20/40MHz 20/40/80/160MHz 天线数目 1x1 4x4 8x8

3.3.1 Wi-Fi技术 1、Wi-Fi技术简介 Wi-Fi（Wireless Fidelity，无线高保真）属于无线局域网的一种，通常是指符合IEEE802.11b标准的网络产品，Wi-Fi可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接。

2、Wi-Fi技术标准 Wi-Fi技术标准按其速度和技术新旧可分为：IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g、IEEE802.11n和IEEE802.11ac等。

3、Wi-Fi技术优势 Wi-Fi技术具有如下5大技术优势： （1）无线电波覆盖范围广 （2）传输速度非常快 （3）厂商进入该领域的门槛比较低 （4）健康安全 （5）目前WiFi应用现在已经非常普遍。

4、Wi-Fi的工作方式 使用Wi-Fi联网的两种工作方式主要有点对点和基本模式两种。

5、局域网络中的Wi-Fi的实现 为了实现局域网内部网络与外部Internet相连互通，在局域网内网和外部Internet之间需要一个局域网网关。该网关是整个局域网无线网络系统的核心部分，它一方面完成局域网无线网络中各种不同通信协议之间的转换和信息共享，并且同外部网络进行数据交换，另一方面还负责对局域网中网络终端进行管理和控制。局域网中的网络终端也通过这个网关与外部网络连通。实现交互和信息共享。同时，该网关还应有防火墙能力，能够避免外界网络对局域网内部网络终端设备的非法访问和攻击。

3.3.2 Ad hoc网络技术 1、Ad hoc简介 　 一般提及移动通信网络都是有中心的，要基于预设的网络设施才能运行。例如，蜂窝移动通信系统要有基站的支持；无线局域网一般也工作在有AP接入点和有线骨干网的模式下。但对于有些特殊场合来说，有中心的移动网络并不能胜任。比如，战场上部队快速展开和推进，地震或水灾后的营救等。这些场合的通信不能依赖于任何预设的网络设施，而需要一种能够临时快速自动组网的移动网络，Ad hoc网络可以满足这样的要求。

2、Ad hoc网络的特点 （1）网络的独立性 （2）动态变化的网络拓扑结构 （3）有限的无线通信带宽 （4）有限的主机能源 （5）网络的分布式特性 （6）生存周期短 （7）有限的物理安全

3.4 无线城域网络技术 尽管无线局域网技术已经得到了广泛的应用，但是人们对于无线宽带通信的探索并未因此而停止，人们期待覆盖范围更大、信息速率更高、服务质量更好的技术出现，因此无线城域网应运而生。自 2004 年美国费城首先提出无线城市发展计划以来，美国、西欧等国家和地区已有一批城市在政府主导下开始进行无线城市的建设，无线城域网技术WMAN（Wireless Metropolitan Area Network）应运而生。

无线城域网的整体结构：无线城域网由基站（BS）、用户基站（SS）、接力站（RS）组成。在无线城域网中，基站的作用是一方面提供与核心网络即传统因特网间的连接，另一方面通常采用扇形/定向天线或全向天线向用户基站发送数据。

无线城域网的通信标准主要是IEEE802.16协议，而WiMAX 常用来表示无线城域网 WMAN，这与Wi-Fi 常用来表示无线局域网 WLAN 相似。本节主要介绍IEEE 802.16协议和Wimax网络技术。

3.4.1 IEEE802.16协议 1、IEEE802.16协议简介 IEEE802.16 协议是无线城域网的通信标准，其作用就是在用户终端同核心网络之间建立起一个通信路径，保证数据在两者之间的无线连接。 IEEE802.16先后发表多个版本，具体参数比较见表 3-4。

表3-4 802.16系列标准参数比较 标准版本 802.16 802.16a 802.16-2004 802.16e-2005 发布时间 表3-4 802.16系列标准参数比较 标准版本 802.16 802.16a 802.16-2004 802.16e-2005 发布时间 2001 2003 2004 2006 工作频段 10-66GHz <11GHz <6GHz 传输速率 32-134Mbps 75Mbps 30Mbps 信道条件 视距 非视距 视距+非视距 信道宽度 20/25/28MHz 1.5-20MHz 1.5/20MHz 小区半径 <5km 5~10km 5~15km 2~5km

2、IEEE802.16 的体系结构 IEEE802.16主要有三层体系结构： （1）物理层 （2）数据链路层 （3）汇聚层

3、IEEE802.16的技术优势 （ 1）摆脱了有线网络线缆的束缚 （2）与无线局域网相比性能更胜一筹 （3）节约网络建设成本

3.4.2 WiMAX网络技术 1、WiMAX技术简介 近年来随着 IPTV、流媒体等业务的发展，用户对“最后一公里”宽带化的需求日益突出。WiMAX 作为最具影响力的宽带无线接入技术受到了国内外通信界的广泛关注。WiMax(Worldwide Interoperability for Microwave Access)，即全球微波互联接入，是一项新兴的宽带无线接入技术，能提供面向互联网的高速连接，数据传输距离最远可达50km。WiMAX还具有QoS保障、传输速率高、业务丰富多样等优点。WiMAX的技术起点较高，采用了代表未来通信技术发展方向的OFDM/OFDMA、AAS、MIMO等先进技术，随着技术标准的发展，WiMAX逐步实现宽带业务的移动化，而3G则实现移动业务的宽带化，两种网络的融合程度会越来越高。WIMAX 技 术 采 用 的 标 准 是 IEEE802.16d 和IEEE802.16e。802.16d 标准是固定网络的补充和延伸，不具有移动接入的性能。802.16e 支持移动接入。

2、WiMAX技术优势 （1） 传输距离远，接入速度高 （2） 无“最后一公里”瓶颈限制、系统容量大 （3）提供广泛的多媒体通信服务。 （4） 互操作性好 （5） 应用范围广

3、WiMAX组网模式 （1）WiMAX网络架构 图3-6 WIMAX 网络架构

（2） WIMAX 应用模式 WIMAX 解决方案适合于提供宽带数据业务，以及基于宽带的 NGN 话音业务。WIMAX 作为“最后一公里”的无线接入解决方案为实际部署提供更多的手段，增加了部署灵活性和可搬移性。从接入方式的角度可以分为以下几种：无线宽带固定式接入―作为光纤、DSL 线路的有效替代和补充，开展 IP 话音、作为 WiFi 热点回程等；无线宽带游牧式接入―方便个人电脑用户区域性数据接入；无线宽带便携式接入－方便笔记本电脑、PDA 用户随时随地宽带数据接入；无线宽带移动式接入－支持车载速度移动宽带数据接入。

4、WiMAX的应用 （1）城市安全。 （2）监控交通状况，控制交通拥堵。 （3）金融行业。 （4）医疗保健行业。 （5）物流企业。

无线城域网的整体结构：无线城域网由基站（BS）、用户基站（SS）、接力站（RS）组成。在无线城域网中，基站的作用是一方面提供与核心网络即传统因特网间的连接，另一方面通常采用扇形/定向天线或全向天线向用户基站发送数据。

3、Ad hoc网络的应用领域 （1） 军事应用 （2）传感器网络(Sensor Network） （3）紧急事故和临时场合 （4）个人通信 （5）与移动通信系统的结合

3.5 无线广域网络技术 无线广域网络技术WWAN（Wireless Wide Area Network）是一个更大区域的网络，能够覆盖比城市更大的区域，满足更大范围内的无线接入，与无线个域网、无线局域网和无线城域网相比，它更加强调的是快速移动性。典型的无线广域网的例子是GSM移动通信系统和卫星通信系统。目前全球的无线广域网主要有GSM、CDMA技术，本节分别介绍GSM技术、GPRS技术、3G技术、4G技术。

3.5.1 GSM技术 1、GSM技术简介 全球移动通信技术GSM（Global System for Mobile Communications）数字移动通信系统源于欧洲。早在80年代初，欧洲已有几大模拟蜂窝移动系统在运营，例如北欧的NMT（北欧移动电话）和英国的TACS（全接入通信系统），西欧其他各国也提供移动业务。

GSM 是当前应用最为广泛的移动电话标准，自90年代中期投入商用以来， GSM标准的设备占据当前全球蜂窝移动通信设备市场80%以上，全球超过200个国家和地区超过10亿人正在使用GSM电话。所有用户可以在签署了"漫游协定"移动电话运营商之间自由漫游。

２、GSM系统结构 GSM系统主要由移动台（MS）、移动网子系统（NSS）、基站子系统（BSS）和操作支持子系统（OSS）四部分组成。 （１）移动台（MS） 移动台是公用GSM移动通信网中用户使用的设备，也是用户能够直接接触的整个GSM系统中的唯一设备。

（２）基站子系统（BSS） 基站子系统（BSS）是GSM系统中与无线蜂窝方面关系最直接的基本组成部分。 （３）移动网子系统（NSS） 移动网子系统（NSS）主要包含有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，它对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通信起着管理作用。

（４）操作支持子系统（OSS） 操作支持子系统（OSS）需完成许多任务，包括移动用户管理、移动设备管理以及网路操作和维护。

３、GSM技术特点 频谱效率高。 容量大。 话音质量好。 开放的接口。 安全性好。 与ISDN、PSTN等的互连。 在SIM卡基础上实现漫游。

3.5.2 GPRS技术 1、GPRS技术简介 GPRS是通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service)的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS可说是GSM的延续。 GPRS经常被描述成“2.5G”，也就是说这项技术位于第二代（2G）和第三代（3G）移动通讯技术之间。

2、GPRS的特点 （1）传输速率高 （2）接入速度快 （3）可永久连接 （4）丰富的数据业务 （5）计费更加合理

3、GPRS提供的业务 GPRS提供的业务具有以下特点： 不连续的非周期性(突发)的数据传送,突发出现的时间间隔远大于突发数据的平均传输时延； 频繁发送的小数据量业务，如小于500字节的数据，允许每分钟发送几次； 不频繁发送的大数据量业务,如允许每小时传送几次千字节的数据。

GPRS可提供以下类型的业务: （1）信息点播类业务 （2）消息类业务 （3）远程操作业务

3.5.3 3G网络技术 1、移动通信的发展历程 随着移动通信技术发展，至今移动通信发展已经历了四代： 第一代即1G，系模拟移动通信，上世纪80年代初投入商用，技术主要建立在频分多址(FDM)和蜂窝频率复用理论的基础上，主要代表技术是美国的TACS制式； 第二代即2G，系数字移动通信，上世纪80年代中后期投入商用，以欧洲提出的GSM和美国提出的CDMA技术为代表；第二代半即2.5G，上世纪90年代中期投入商用，技术以GSM演进的GPRS和CDMA演进的CDMA1X为代表。鉴于第二代数字移动通信在技术和成本上获得较好解决，从而迅速地促进了移动通信的发展，显然，移动通信的繁荣是始于第二代数字移动通信。

第三代即3G，自2000年一些欧洲国家开始拍卖3G牌照以来，全球移动通信的热点一直围绕着3G。所谓3G，其实它的全称为3rd Generation，中文含义是指第三代数字通信。

根据国际电信联盟(ITU)定义，3G特征一是全球化，即3G各系统间在设计上具有高度的互通性，使用共同的频段和全球统一的标准，能提供全球无缝漫游；二是综合化，能够提供多种业务，特别是能够支持多媒体业务和互联网业务，并有能力容纳新的业务；三是个人化，用户使用全球唯一的个人号码。

3G的主要特点： （1）3G是2G的演进和发展，不是重新建立一个移动通信网。 （2）能提供1G、2G所不能提供的各种宽带信息业务。 （3）具有多媒体业务功能，不仅能接收和发送语音、数据信息，而且还能接收和发送静态、动态图象及其它数据业务。 （4）能克服包括多径衰减、多址干扰、远近效应等技术难题。 （5）实现数据业务，主要是Internet所需要不对称基于包交换（IP）的业务。 （6）具有高频谱利用率，解决全球存在的系统容量问题。 （7）系统设备低价位，业务服务高质量、低价位，能满足个人通信化的要求。

第四代即4G，ITU提出4G应具有如下主要特点： （1）高速传输（高峰时50～100Mbit/s，平均20Mbit/s）。 （2）大容量（约10倍于3G系统）。 （3）支持下一代互联网（IPv6，QoS）。 （4）无缝服务。 （5）灵活的网络结构。 （6）使用微波频段（3～6GHz）。 （7）低系统成本（3G系统的1/10～1/100）。

4G是目前传输速率最快的移动通信技术，比已投入商业运营的3G网络的传输速率快10倍。借助4G移动网络，用户可更顺畅地用手机上网，通过笔记本电脑完成一些需要更快传输速率和更高传输性能的任务，如网络电视播放、网络视频会议等。美国、瑞典、挪威等少数国家已开通4G移动通信网络。4G国际标准候选技术有中国主导的TD-LTE和欧美主导的FDD-LTE.

3、3G的主流标准 目前，国际电信联盟确定了四大3G标准： WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA和WiMAX

4、 3G的多址技术 （1）频分多址和频分双工技术 （2）时分多址技术 （3）码分多址技术

5、3G技术的应用 （1）宽带上网 （2） 视频通话 （3） 手机电视 （4） 无线搜索 （5） 手机音乐 （6） 手机购物 （7） 手机网游

3.5.4 4G LTE技术 4G 是英文fourth-generation的缩写，指移动电话系统的第四代，也是3G之后的延伸。按照ITU定义的技术标准，静态传输速率达到1Gbps，用户在高速移动状态下可以达到100Mbps，就可以作为4G的技术之一。2012年1月，“中国创造”的TD—LTE—Advanced(下称“TD—LTE—A”)被国际电信联盟确定成为第四代移动通信(下称“4G”)国际标准，与FDD-LTE-Advanced并列为4G国际标准，使得我国首次在4G移动通信标准这一前沿实现了从“追赶”到“引领”的重大跨越。

1、LTE简介 LTE是第三代合作伙伴计划3GPP (The 3rd Generation Partnership Project)于 2004年 11 月启动的 UMTS 技术长期演进项目。LTE 分为FDD 方式的 LTE 和 TDD 方式的 LTE，其中 TDD 方式的 LTE 又由于演进路线的不同分为 LTE TDD1 和LTE TDD2。我国从 2005 年开始推动 LTE 的 TDD 方案即 LTE TDD2 方式的研究并被 3GPP 接受，之后由我国大力推动并通过多方努力，目前两种 TDD 方式经融合为一种即 TD-LTE。TD-LTE 也被同时确定为 TD-SCDMA 标准的后续演进技术。

2、LTE 关键技术 在LTE采用的各种技术中，最核心的技术是OFDM和MIMO，这两种技术是今后无线通信技术的核心技术，将会得到快速发展和大量采用 。

3、LTE应用前景 （1）将LTE引入手机 （2）用LTE部署石油和天然气 （3）LTE应用于公安执勤通信

3.6 物联网的接入技术 物联网的接入技术指将末梢汇聚网络或单个的节点，接入核心承载网络的技术。核心承载网络可以包括各种如3G、4G，GPRS等公共商业网络，也可以是企业专网、物联网专网等，此外还包括全球性的核心承载网络——互联网。

3.6.1 物联网网关技术 物联网网关是连接感知网络与传统通信网络的纽带，是不同网络进行通信的“关口”和“翻译器”。作为网关设备，物联网网关可以实现感知网络与通信网络，以及不同类型感知网络之间的协议转换，既可以实现广域互联，也可以实现局域互联。

具体地讲，物联网网关一般具备如下功能： 1、多种接入能力 2、协议转换能力 3、管理能力

3.6.2 6LowPAN技术 6LowPan（IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks）技术，主要实现将低功率无线个域网（Low power Wireless Personal Area Networks）连接到IPv6网络中。

IPv6（Internet Protocol Version 6）是下一代互联网协议，是下一代互联网的起点。IPv6是互联网工程任务组IETF（Internet Engineering Task Force）设计的用于替代IPv4的下一代IP协议。IPv6是为了解决IPv4所存在的一些问题和不足而提出的，同时它还在许多方面提出了改进，例如路由方面、自动配置方面。

3.7 物联网其他网络技术 3.7.1有线通信网络技术 物联网中有线网络技术主要包括长距离通信网络技术和短距离有线通信网络技术。其中长距离有线通信技术主要是支持IP协议的网络，如计算机网、广电网、电信网以及国家电网等通信网络。 短距离有线通信网络技术主要包括目前流行的10多种现场总线控制系统，如ModBus、DeviceNet、电力载波通信PLC（Power Line Communication）等网络技术。短距离有线通信网络主要应用于楼宇自动化、工业过程自动化、电力行业等领域。

现场总线控制系统FCS（Filedbus Control System）是一个开放的数据通信网络系统，具有可互操作的网络将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。因此，FCS实质是一种开放的、具可互操作性的、彻底分散的分布式控制系统，有望成为21世纪控制系统的主流产品。

图3-7 现场总线控制系统结构

目前已开发出有40多种现场总线，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等，下面主要介绍FF、Profitbus、HART、CAN和LonWorks 5种现场总线。

表3-4 5种现场总线性能对照表 种类 特性 FF Profibus HART CAN LonWorks 应用范围 仪表 PLC 智能送变器 表3-4 5种现场总线性能对照表 种类 特性 FF Profibus HART CAN LonWorks 应用范围 仪表 PLC 智能送变器 汽车 楼宇自动化、工业自动化 OSI网络层次 1，2，3，8 1，2，7 1-7 通信介质 双绞线、电缆、光纤、无线 双绞线、光纤 电源信号线 介质访问方式 令牌、主从 令牌、查询 位仲裁 P-P CSMA 纠错方式 CRC 通信速率Mbps 2.5 1.2 1 1.25 最大节点数 32 128 15 110 248 优先级 有 开发工具 没有

3.7.2 M2M技术 M2M是“机器对机器通信（Machine to Machine）”或者“人对机器通信（Man to Machine）”的简称。主要是指通过“通信网络”传递信息从而实现机器对机器或人对机器的数据交换，也就是通过通信网络实现机器之间的互联、互通。移动通信网络由于其网络的特殊性，终端侧不需要人工布线、可以提供移动性支撑，有利于节约成本，并可以满足在危险环境下的通信需求，使得以移动通信网络作为承载的M2M服务得到了业界的广泛关注。

图3-8 M2M示意图

1、移动性应用： 2、固定性应用： M2M业务及应用可以分为移动性应用和固定性应用两类。 适用于外围设备位置不固定，移动性强、需要与中心节点实时通信的应用，如交通、公安、海关、税务、医疗、物流等行业从业人员手持系统或车载、船载系统等。 2、固定性应用： 适用于外围设备位置固定，但地理分布广泛、有线接入方式部署困难或成本高昂的应用，可利用机器到机器实现无人值守，如电力、水利、采油、采矿、环保、气象、烟草、金融等行业信息采集或交易系统等。

M2M涉及5个重要的技术部分： 1、智能化机器 2、M2M硬件 3、通信网络 4、中间件 5、应用

3.7.3 三网融合及NGN技术 1、三网融合 三网融合是指电信网、广播电视网、互联网在向宽带通信网、数字电视网、下一代互联网演进过程中，三大网络通过技术改造，其技术功能趋于一致，业务范围趋于相同，网络互联互通、资源共享，能为用户提供语音、数据和广播电视等多种服务。三网融合注重电信网、广播电视网和互联网的相互渗透、互相兼容、并逐步整合成为全世界统一的信息通信网络，其中互联网是其核心部分。“三网融合”使三大网络从各自独立的专业网络向综合性网络转变，网络性能得以提升，资源利用水平进一步提高。

（1）三网融合的提出、发展含义及应用 随着信息技术的快速发展，人们对信息交流的要求已不仅限于单一的语音信息交流，近些年来数字技术的不断发展，网络传输的速度加快，语音、数据、图像的综合信息服务给人们自然、生动、真切和有效的交流方式。三网融合就是在这种背景下提出的。

三网融合是指电信网、广播电视网、互联网在向宽带通信网、数字电视网、下一代互联网演进过程中，三大网络通过技术改造，其技术功能趋于一致，业务范围趋于相同，网络互联互通、资源共享，能为用户提供语音、数据和广播电视等多种服务。三网融合注重电信网、广播电视网和互联网的相互渗透、互相兼容、并逐步整合成为全世界统一的信息通信网络，其中互联网是其核心部分。“三网融合”使三大网络从各自独立的专业网络向综合性网络转变，网络性能得以提升，资源利用水平进一步提高。

三网融合可以给千家万户带来实质性的好处，比如未来的“下一代广播电视网”(NGB)将传统广播电视网、互联网、通信网进行“三网融合”，形成新一代国家信息基础设施，将给我国千家万户带来一场“电视革命”。NGB好比国家面向千家万户修建了一条条畅通的“信息高速公路”。通过这条高速公路，极大降低了老百姓使用获取信息和享受娱乐的技术门槛。NGB可以提供互动电视、电子商务、在线娱乐、个人通讯、医疗教育、金融证券、社区服务、物流等各种类型的服务，传统的电视内容提供商将会变成信息系统的综合服务商。内容与网络强强联手，对电视数字产业乃至整个广电行业发展具重要意义。

图3-9 三网融合

（2）国外三网融合的发展 从三网融合的提出到现在，全球许多国家的政府、相关的管制部门都在做着不同的尝试，通过政策、制度以及管制框架上的变革来解决实现三网融合面临的诸多问题。一个明显的趋势就是一些国家把电信和广播在传输上的管制职责集中到一个管制实体中。目前有6个国家，美国、英国、日本、意大利、加拿大、澳大利亚，成立统一的监管机构。国外的三网融合是一个渐进的过程，三网融合的难点在于电信网和有线电视网的融合，这两个行业从最初严格的禁入，到现在19个国家已经实现了两个行业的双向进入。

2、下一代网络NGN 下一代网络NGN（Next-generation Network）技术以软交换为核心，能够提供包括语音、数据、视频和多媒体业务的基于分组技术的综合开放的网络架构，代表了通信网络发展的方向。NGN具有分组传送、控制功能从承载、呼叫/会话、应用/业务中分离、业务提供与网络分离、提供开放接口、利用各基本的业务组成模块、提供广泛的业务和应用、端到端QoS和透明的传输能力通过开放的接口规范与传统网络实现互通、通用移动性、允许用户自由地接入不同业务提供商、支持多样标志体系，融合固定与移动业务等特征。

NGN主要业务特点： 多媒体化：NGN中发展最快的特点将是多媒体特点，同时多媒体特点也是NGN最基本、最明显的特点； 开放性：NGN网络具有标准的、开放的接口，为用户快速提供多样的定制业务； 个性化：个性化业务的提供将给未来的运营商带来丰厚的利润； 虚拟化：虚拟业务将是个人身份、联系方式以至于住所都虚拟化。用户可以使用个人号码，号码可以携带等虚拟业务，实现在任何时候、任何地方的通信； 智能化：NGN的通信终端具有多样化、智能化的特点，网络业务和终端特性结合起来可以提供更加智能化的业务。

NGN的主要支撑技术主要有IPv6、光纤高速传输 、光交换与智能光网、宽带接入、城域网、软交换、3G和后3G移动通信系统、IP终端和网络安全等。

3.8 本章小结 本章讲述了物联网的通信与组网技术。无线通信技术是物联网重要的通信及组网技术，主要讨论了无线个域网、无线局域网、无线城域网和无线广域网技术如蓝牙、ZigBee、Z-wave、Wi-Fi、Ad hoc、Wimax、GSM、GPRS、3G、4G LTE等技术。另外本章还介绍了物联网的接入技术如网关技术、6LowPAN技术等。此外对有线通信技术现场总线、M2M技术、三网融合及下一代网络技术NGN等分别作了介绍。

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