物联网中的几种无线通信技术1122.docx
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物联网中的几种无线通信技术1122
第7讲几种常用的无线网络通信技术
随着轻型移动设备的与日剧增，其数量已经远远超过了固定设备。
由于有线网络连接在空间上的局限性，如何将这些移动设备、高速地联入互联网中呢？
无线通信技术在其中起到了至关重要的作用。
无线通信技术消除了有线网络对接入设备的位置限制，同时也节省了光线、电缆等有线信号传输设施的成本。
这就意味着人们可以以相对低廉的价格且非常方便地在餐厅、教学楼、机场等有无线信号覆盖的区域上网浏览和获取信息。
IT界许多人都认为将来移动通信网络将全面打败现在的互联网。
本讲主要介绍无线网络的分类和几种无线通信技术。
7.1无线网络简介
无线网络包含了一系列的无线通信协议。
例如WiFi（WirelessFidelity）、3G、ZigBee协议等。
为了更加准确区别不同协议的特性，首先要了解一些组成无线网络的基本元素。
1.无线网络用户
无线网络用户是指具备无线通信能力，并可将无线通信信号转化为有效信息的终端设备。
如，装有WiFi无线模块的台式机、笔记本电脑或者是PDA（个人数字数理）、装有3G通信模块的手机和装有CC2420无线通信模块的传感器。
2.无线连接
无线接入是指无线网络用户与基站或者无线网络用户之间用以传输数据的通路。
相对于优先网络中的电缆、光缆、同轴电缆等物理连接介质，无线连接主要通过无线电波、光波作为传输载体。
不同无线连接技术提供不同的数据传输速率和传输距离。
3.基站
基站的职责是将一些无线网络用户连接到更大的网络中（校园网、互联网、电话网）。
无线网络用户通过基站接收和发送数据包，基站将用户的数据包发给它所属的上层网络，并将上层网络的数据包转发给指定的无线网络用户。
根据不同的无线连接协议，相应基站的名称和覆盖的范围是不同的。
例如，WiFi的基站被称为接入点（AP），它的覆盖范围为几十米；蜂窝电话网的基站被称为蜂窝塔，在城市中它的覆盖范围为几千米，而在空旷的平地中其覆盖范围可达几十千米。
只有在基站的覆盖范围内，用户才可能通过它进行数据交互。
用户除了通过基站与上层网络交互的无线组织模式之外，还可以通过子组织的方式形成自组网。
它的特点是无需基站和上层网络支持，用户自身具备网络地址指派、路由选择以及类似域名解析等功能。
基于不同技术和协议的无线连接的传输范围，可以将无线网络分为4类，如图7-1所示。
1Gb/s
UWB
WiMAX
WiFi
100Mb/s
3G
2.5G
10Mb/s
蓝牙
1Mb/s
约10米约100米可达约100km可达约30km
个域网局域网城域网广域网
图7-1无线网络协议分类
4.无线广域网
无线广域网（WirelessWideAreaNetwork）连接信号可以覆盖整个城市甚至整个国家，其信号传播途径主要有两种：
一种是通过多个相邻的地面基站接力传播，另一种是信号可以通过卫星系统传播。
当前主要的广域网包括2G、2.5G和3G系统。
2G系统的贡献是使用数字信号取代了1G中的模拟信号进行语音传输，它的核心技术包括全球移动通信系统（GlobleSystemforMobileCommunications,GSM）和码分多址数字无线技术，2.5G系统的带宽为100~400kb/s。
3G系统使用独立于2G系统的基本架构，其核心技术包括CDMA-2000、时分同步码分多址数字无线技术（TimeDivisionSynchronousCodeDivisionMultipleAccess，TD-SCDMA）和WCDMA，相比2G系统在数据传输速率上有重大提升，其最大的带宽约为2Mb/s。
5.无线城域网
无线城域网（WirelessMetropolitanAreaNetwork）基站的信号可以覆盖整个城市，在服务区域内的用户可以通过基站访问互联网等上层网络。
微波存取全球互通（WorldwideInteroperabilityforMicrowareAccess,WiMAX）是实现无线城域网的主要技术，IEEE802.16的一系列协议对WiMAX进行了规范。
WiMAX基站的视线（LineofSight,LoS）覆盖范围可达112.6km,所谓的“LoS”是指无线电波在相对空旷的区域以直线传播，但在建筑相对密集的城市，无线电波会以非视线（NoneLineofSight,NLoS）方式传输，802.16a协议支持的基站的非视线覆盖范围为40km。
6.无线局域网
无线局域网（WirelessLocalAreaNetwork）在一个局部的区域内（如教学楼、机场候机大厅、餐厅等）内为用户提供可访问互联网等上层网络的无线连接。
无线局域网是已有有线局域网的拓展和延伸，使得用户在一个区域内随时随地访问互联网。
无线局域网有两种工作模式，第一种基于基站模式，无线设备（手机、上网本、笔记本电脑）通过介入点访问上层网络；第二种是基于自组织模式，例如在一个会议室内，所有与会者的移动设别可以不借助接入点组成一个网络用于相互之间的文件、视频数据的交换。
IEEE802.11的一系列协议是针对无线局域网制定的规范，大多数802.11协议的接入点的覆盖范围在十几米内。
7.无线个域网
无线个域网（WirelessPersonalAreaNetwork）在更小的范围内（约10m）以自组织模式在用户之间建立用于相互通信的无线连接。
蓝牙传输技术和红外传输技术是无线个域网中的两个重要技术，蓝牙技术通过无线电波作为载波，覆盖范围一般在10m左右，带宽在1Mb/s左右；红外技术使用红外线作为载波，覆盖范围仅为1m左右，带宽可为100kb/s左右。
当然还有之前课程中提到的Zigbee技术，802.15.4是ZigBee技术协议，主要是针对低速个域网物理层和MAC层制定的标准。
四种类型的网络都有自身的特点。
无线广域网有相对较大的覆盖范围，支持高机动性无线设备，但数据传输速率较低限制了传输数据的大小，其大部分的用户为手机、PDA和上网本；无线局域网有相对较大的数据传输速率，但是每个接入点的覆盖范围有限且不支持高速移动的设备。
为了对物联网中物体的泛联提供有力的支持，无线网络协议依然面临很多挑战。
7.2几种常用的无线通信技术
上一节主要讲了无线网的分类，下面将详细介绍几种比较常用的五项网络通信技术。
7.2.1WiFi技术
WiFi全称为WirelessFidelity，又称IEEE802.11b标准，它最大的优点就是传输的速度较高，可以达到11Mb/s，另外它的有效距离也很长，同时也与已有的各种IEEE802.11DSSS（直接序列展频技术，DirectSequenceSpreadSpectrum）设备兼容。
IEEE802.11b无线网络规范是在IEEE802.11a网络规范基础之上发展起来的，最高带宽为11Mb/s，在信号较弱或有干扰的情况下，带宽可调整为5.5Mb/s、2Mb/s和1Mb/s,带宽的自动调整有效地保障了网络的稳定性和可靠性。
其主要的特性为：
速度快、可靠性高；在开放区域，通信距离可达305m;在封闭性区域通信距离为76～122m,方便与现有的有线以太网整合，组网的成本更低。
方便与现有的以太网整合，组网的成本更低。
1.WiFi无线网的拓扑结构
WiFi的拓扑结构主要有Ad-Hoc和Infrastructure两种。
Ad-Hoc是一种对等网结构，如图7-2所示，各计算机只需要接上相应的手机等便携式终端即可实现相互连接，资源共享，无需中间作用的“接入点”；
图7-2Ad-Hoc拓扑结构
Infrastructure则是一种整合优有线与无线局域网架构的应用模式如图7-3所示，通过此种网络结构，同样可以实现网络资源的共享，此应用需要通过接入点。
这种网络结构是应用最广泛的一种，它类似于以太网中的星形结构，其中间网桥作用的无线接入点就相当于有线网中的集线器或者交换机。
图7-3Infrastructure网络结构
2.WiFi的优点
WiFi技术与蓝牙技术一样，同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。
该技术使用的是2.4GHz附件的频段，该频段目前尚属没用许可的无线频段。
其目前的可使用的标准有IEEE802.11a和IEEE802.11b。
该技术由于有着自身的优点，因此受到政府和企业的青睐。
WiFi技术的突出优势在于：
1）无线电波的覆盖范围广，基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小，半径大约只有10m左右，而WiFi可达约100m左右，在整栋大楼里都可以使用。
2）虽然由WiFi技术传输的无线通信质量不是很好，数据安全性比蓝牙技术差一些，传输的质量也有待改进，但其传输的速度非常快，可以达到11Mb/s，符合个人和信息化的需求。
3）进入该领域的门槛比较低。
只有在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员比较密集的地方设置“热点”，并通告高速线路将Internet接入上述场所。
这样，由于“热点”所发射出的电波可以达到距离接入点半径数十米至100m的地方，用户只要将支持无线局域网的笔记本电脑或者是PDA拿到该区域内即可高速接入Internet。
因此，不用耗费资金来进行网络布线接入，从而节点了成本。
3.WiFi的应用
在通信行业的激烈竞争中，宽带接入是各运营商竞争的焦点。
目前，各大运营商开始着手打造WiFi网络，为用户提供宽带接入业务。
各运营商从现有的资源出发，结合WiFi的技术优势，大幅度降低投资成本，快速抢占市场。
WiFi当前主要对个人、家庭、企业等用户提供服务。
从覆盖的区域来看，可重点应用在以下区域：
有线资本成本太高或者布线困难的区域；酒店、机场、医院、茶楼等人员比较密集的地方；校园、办公室、会议室等；展览馆、体育馆、新闻中心等信息需求量大的地方。
4.WiFi技术的发展
WiFi技术的商业目前还碰到了许多困难。
一方面受制于WiFi技术自身的限制，比如漫游性、安全性和无核计费等都还没有得到妥善解决；另一方面，由于WiFi的赢利模式不明确，如果将WiFi作为单一的网络来经营，商业用户的不足会使网络监视的投资收益比较低，因此也影响了电信运营商的积极性。
虽然WiFi技术的商用遇到一些问题，但这种技术的也不可能包办所有功能的通信系统。
可以说只有各种接入手段相互补充使用才能带来经济、可靠性、有效性。
因此，它可以在特定的区域和范围内发挥对3G的重要补充作用，WiFi技术与3G技术相结合具有广阔的发展前景。
7.2.2蓝牙技术
蓝牙技术一种支持设备短距离通信的无线电技术，能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备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Internet之间的通信，从而数据传输变的更加迅速高效。
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2.4GHz频段，数据传输速率为1Mb/s，采用十分双工传输的方案实现全双工传输。
蓝牙技术是一个开放型、短距离无线通信标准，它可以用来在校内短距离内取代多种电缆连接方案，通过统一的短距离无线链路在各种数字设备之间实现方便快捷、灵活安全、低成本、低功耗的数据通信。
1.蓝牙技术的系统参数和技术指标
表7-1蓝牙技术的系统参数和技术指标
系统参数和技术指标
说明
工作频段
ISM频段、2.402~2.408GHz
双工方式
全双工、十分双工
业务类型
支持电缆交换和分组交换业务
数据传输速率（Mb/s）
1
非同步通信速率（kb/s）
21/57.6（非对等连接），432.6（对等连接）
同步信道速率（kb/s）
64
功率（mW）
每个为1，其他国家为100
跳频频率数
79个频点
跳频速率（Hz）
1600
工作模式
PAPK/HOLD/SNIFF/ACTIVE
数据连接方式
SCO、ACL
纠错方式
1/3FEC、2/3FEC、ARQ
认证
竞争-应答方式
信道加密
0位、40位、60位密钥
语音编码方式
CSVD
发射距离（m）
10~100
蓝牙技术产品阐扬低功耗无线电通信技术的来实现语音、数据和视频传输，其传输的速率最高为1Mb/s，以时分方式进行全双工通信，通信距离为10m左右，配置功率放大器可以使通信距离进一步增加。
2.蓝牙技术的特点
蓝牙技术提供低成本、近距离无线通信，构成固定与移动设备通信环境中的个人网络，使得近距离内各种设备实现无缝资源资源共享。
显然，这种通信技术与传统的通信模式有明显的却别，它的初衷是希望以相同成本和安全性实现一般电缆的功能，从而使得移动用户摆脱电缆的束缚。
这决定蓝牙技术具备以下技术特性：
1）能传送语音和数据；
2）使用频段、连接性、抗干扰性和稳定性；
3）低成本、低功耗和低辐射
4）安全性
5）网络特性
3.蓝牙技术的应用
从目前蓝牙产品来看，蓝牙主要应用在手机、掌上计算机、耳机、数字照相机、数字摄像机、汽车套件等。
另外蓝牙系统还可以嵌入到微波炉、洗衣机、电冰箱、空调等家用电器上。
随着技术的发展成熟，蓝牙的应用也越来越广泛。
7.2.3GPS技术
全球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS）是20世纪70念叨由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。
其主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆检测和应急通信等一些军事目的，是美国全球战略的重要组成。
经过20多年的研究实验，耗资300多亿美元，到了1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗卫星星座已布设完成。
我国的北斗卫星导航系统也正在研制和布设中。
1.GPS的组成
GPS由空间卫星、地面监控、用户信号接收设备组成，如图7-4所示，是物流系统GPS跟踪的一个示意图。
三者有各自独立的功能和作用，但又是有机的组合在一起而成为缺一不可的整体部分。
图7-4物流系统中GPS跟踪组成元素
空间部分：
由24颗卫星组成如图7-5，包括21颗工作卫星和3颗备用卫星，均匀分布在6个轨道上。
卫星的这种分布，保证了再地球上任何地点、任何时候都能见到4颗以上的卫星，并能保持良好的定位解算的几何图形。
在时间、空间上提供了连续导航定位能力。
图7-5GPS系统中24颗卫星分布
地面监控部分：
负责监控GPS的工作，包括一个主控站、三个注入站、五个监控站。
主控站位于科罗拉空军基地，用来收集监控站的跟踪数据，计算卫星的工作状态并对它们进行调度。
注入站得主要功能是江主控站发送来的卫星星历和钟差信息注入卫星。
监控站的作用，对所收到的卫星进行连续的P码伪距跟踪测量，并将观测结果传送到主控站。
用户设备部分：
主要由各种GPS接收机组成，其作用是接入、跟踪、变换和测量GPS信号。
按工作原理可分为码相关型、平方型、混合型、干涉型接收机；按用途可以分为导航型、测地型；还有其他的分类，在这里就不一一列举了。
2.GPS的特点
GPS的主要特点包括高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等。
1）定位高精度:
应用时间已经证明，GPS相对定位精度在50km以内可达10-6，100~500km可达10-7。
2）观测时间短：
随着GPS的不断完善、软件的不断更新，目前20km以内相对静态定位，仅需15~20min；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15km以内时，流动站观测的时间只需1~2min，然后可以随时定位，每个观测站只需几秒钟。
3.GPS的应用
GPS应用范围广泛，在导航、跟踪、精确测量方面都有很大的应用。
在定位导航方面，GPS的使用对象主要是汽车、船舶、飞机等运动物体。
对于警察、消防员及医疗等部门紧急救援、追踪目标个人旅游及野外探险的导引等，GPS都有得天独厚的优势。
在日生活中，GPS还可以用于人身受到攻击时的报警，特殊病人、儿童少年的监护与救助等。
使用时只需按动带有移动位置服务的GPS手机按钮，报警监控中心和急救中心在几秒钟内便可获知报警人的位置并迅速提供帮助。
7.2.43G技术
第三代移动通信技术（3rd-generation，3G），是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。
3G服务能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百kbps以上。
目前3G存在四种标准：
CDMA2000（美国版），WCDMA（欧洲版），TD-SCDMA（中国版），WiMAX。
国际电信联盟（ITU）在2000年5月确定WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA三大主流无线接口标准，写入3G技术指导性文件《2000年国际移动通讯计划》（简称IMT—2000）；2007年，WiMAX亦被接受为3G标准之一。
CDMA是CodeDivisionMultipleAccess（码分多址）的缩写，是第三代移动通信系统的技术基础。
第一代移动通信系统采用频分多址（FDMA）的模拟调制方式，这种系统的主要缺点是频谱利用率低，信令干扰话音业务。
第二代移动通信系统主要采用时分多址（TDMA）的数字调制方式，提高了系统容量，并采用独立信道传送信令，使系统性能大大改善，但TDMA的系统容量仍然有限，越区切换性能仍不完善。
CDMA系统以其频率规划简单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量、软切换等特点显示出巨大的发展潜力。
下面分别介绍一下3G的几种标准。
1.W-CDMA
也称为WCDMA，全称为WidebandCDMA，也称为CDMADirectSpread，意为宽频分码多重存取，这是基于GSM网发展出来的3G技术规范，是欧洲提出的宽带CDMA技术，它与日本提出的宽带CDMA技术基本相同，目前正在进一步融合。
W-CDMA的支持者主要是以GSM系统为主的欧洲厂商，日本公司也或多或少参与其中，包括欧美的爱立信、阿尔卡特、诺基亚、朗讯、北电，以及日本的NTT、富士通、夏普等厂商。
该标准提出了GSM（2G）-GPRS-EDGE-WCDMA（3G）的演进策略。
这套系统能够架设在现有的GSM网络上，对于系统提供商而言可以较轻易地过渡。
预计在GSM系统相当普及的亚洲，对这套新技术的接受度会相当高。
因此W-CDMA具有先天的市场优势。
2.CDMA2000
CDMA2000是由窄带CDMA技术发展而来的宽带CDMA技术，也称为CDMAMulti-Carrier，它是由美国高通北美公司为主导提出，摩托罗拉、Lucent和后来加入的韩国三星都有参与，韩国现在成为该标准的主导者。
这套系统是从窄频CDMAOne数字标准衍生出来的，可以从原有的CDMAOne结构直接升级到3G，建设成本低廉。
但目前使用CDMA的地区只有日、韩和北美，所以CDMA2000的支持者不如W-CDMA多。
不过CDMA2000的研发技术却是目前各标准中进度最快的，许多3G手机已经率先面世。
该标准提出了从CDMAIS95（2G）-CDMA20001x-CDMA20003x（3G）的演进策略。
CDMA20001x被称为2.5代移动通信技术。
CDMA20003x与CDMA20001x的主要区别在于应用了多路载波技术，通过采用三载波使带宽提高。
目前中国电信正在采用这一方案向3G过渡，并已建成了CDMAIS95网络。
3.TD-SCDMA
时分同步（TimeDivision-SynchronousCDMA，TD-SCDMA），该标准是由中国大陆独自制定的3G标准，1999年6月29日，中国原邮电部电信科学技术研究院（大唐电信）向ITU提出，但技术发明始于西门子公司，TD-SCDMA具有辐射低的特点，被誉为绿色3G。
该标准将智能无线、同步CDMA和软件无线电等当今国际领先技术融于其中，在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、频率灵活性及成本等方面的独特优势。
另外，由于中国内地庞大的市场，该标准受到各大主要电信设备厂商的重视，全球一半以上的设备厂商都宣布可以支持TD-SCDMA标准。
该标准提出不经过2.5代的中间环节，直接向3G过渡，非常适用于GSM系统向3G升级。
军用通信网也是TD-SCDMA的核心任务。
7.2.5WiMAX
微波存取全球互通（WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess，WiMAX）又称为802.16无线城域网，是又一种为企业和家庭用户提供“最后一英里”的宽带无线连接方案。
将此技术与需要授权或免授权的微波设备相结合之后，由于成本较低，将扩大宽带无线市场，改善企业与服务供应商的认知度。
2007年10月19日，在国际电信联盟在日内瓦举行的无线通信全体会议上，经过多数国家投票通过，WiMAX正式被批准成为继WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA之后的第四个全球3G标准，图7-6是WiMAX工作的一个流程图。
图7-6WiMAX工作流程
WiMAX网络的工作原理类似于移动电话。
在城市的一定地理范围内分成多个一系列相互邻接的覆盖区域称为单元。
用户处于其中一个单元的覆盖范围中，用户可以是固定位置、便携式或移动的，当用户移动时，从一个单元到另一个单元，则从一个单元中去除关联，再无线关联到另一个单元。
WiMAX网络包括两个主要组件:
基站和用户设备。
WiMAX基站安装在高楼上广播无线信号，用户使用MobileInternetDevice（MID）、WiMAX使能的笔记本电脑、或者WiMAX调制解调器等用户端设备接收信号。
美国联邦通讯委员会FCC规定无线局域网WiFi的传输功率在1--100毫瓦，而一般的WiMAX传输功率大约100千瓦，WiFi功率只是WiMAX的一百万分之一，因此使用比WiFi基站高一百万倍传输功率的WiMAX基站，会比无线局域网WiFi终端传输距离大得多，可达几到十几公里，多个基站则可覆盖几十公里。
WiMAX传输速率可高达70Mbps。
作为一种无线城域网技术，它可以将WiFi热点连接到互联网，也可作为DSL（DigitalSubscriberLine）有线接入方式的无线扩展或替代，实现最后一公里的宽带接入，还可实现在服务区内的漫游。
WiMAX可为50公里区域内提供服务，用户无需线缆即可与基站建立宽带连接。
在WiMAX网络架构中数据传输连接由两个重要的部分组成。
1.基站和用户之间的连接
基站使用视线或非视线点对多点连接为用户提供服务，这段连接被称为最后一英里。
在城市中，由于建筑物的阻挡，基站与用户之间多使用非视线通信。
与WiFi不同的是，多数的802.16协议采用时分双工或者频分双工支持全双工传输并提供服务质量，即基站可以根据用户的需求分配上行传输（由用户到基站）和下行传输（由基站到用户）信道各自的带宽。
2.基站和上层网络的连接
基站通过光纤、电缆、微波连接等其他告诉的点对点连接与上层的网络相连，这段连接被称为回程。
回程需要的是告诉、稳定的连接。
WiMAX使用了两个频宽范围。
1）10~66GHz毫米的波频段。
它可以供分配的频宽较大，因此有较大的数据载荷能力。
它使用于数据高速传输，但由于波长较短，适合视线传输，可作为回程连接的载波。
2）2~11GHz厘米波频段。
它相对毫米波波长较长，受阻碍去的干扰较小，适合做非视线传输的载波，因此所用于基站和用户之间的点到多点数据传输。
同目前正在广泛使用的无线网络相比，IEEE802.16（WiMAX）技术有着自己独特的优势。
IEEE802.11（WiFi）技术可以提供高达54Mbps和300Mbps/600Mbps的无线接入速度，但是它的传输距离十分有限，仅限于半径约为100米的范围；3G移动电话系统可以提供非常广阔的传输范围，但是它的接入速度比较慢，只有3Mbps；WiMAX的出现刚好弥补了这两个不足。
因此在不久
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