《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)》教學(xué)PPT課件,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),聯(lián)網(wǎng),技術(shù),教學(xué),PPT,課件 導(dǎo)讀本章主要介紹物聯(lián)網(wǎng)核心通信技術(shù)，主要包括移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)通信的基本原理、寬帶移動(dòng)通信技術(shù)；了解短距離無線通信，包括Zigbee技術(shù)、藍(lán)牙、無線局域網(wǎng)、超寬帶等；了解無線傳感網(wǎng)絡(luò)，包括無線傳感網(wǎng)絡(luò)概述、無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及管件技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用及前景。17.1 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)通信系統(tǒng)從20世紀(jì)80年代誕生，目前已進(jìn)入4G時(shí)代。除蜂窩電話系統(tǒng)外，寬帶無線接入系統(tǒng)、LAN（Local Area Network，局域網(wǎng)）、ITS（Intelligent Transport System，智能運(yùn)輸系統(tǒng)）和HAPS（High Altitude Platform Station，同溫層平臺(tái)）系統(tǒng)將投入使用。未來移動(dòng)通信系統(tǒng)最明顯的趨勢(shì)是要求高數(shù)據(jù)速率、高機(jī)動(dòng)性和無縫隙漫游。2移動(dòng)通信系統(tǒng)組成（1）空間系統(tǒng)；（2）地面系統(tǒng) 衛(wèi)星移動(dòng)無線電臺(tái)和天線；關(guān)口站、基站。3移動(dòng)通信系統(tǒng)分類（1）集群移動(dòng)通信（2）蜂窩移動(dòng)通信（3）衛(wèi)星移動(dòng)通信（4）無繩電話4寬帶移動(dòng)通信寬帶移動(dòng)通信主要指第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（3G），第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)（4G）。3G，全稱為3rd Generation，中文含義就是指第三代數(shù)字通信。4G，同上。5寬帶移動(dòng)通信1995年問世的第一代模擬制式手機(jī)（1G）只能進(jìn)行語(yǔ)音通話；1996到1997年出現(xiàn)的第二代GSM、TDMA等數(shù)字制式手機(jī)（2G）便增加了接收數(shù)據(jù)的功能，如接受電子郵件或網(wǎng)頁(yè)；第三代與前兩代的主要區(qū)別是在傳輸聲音和數(shù)據(jù)的速度上的提升，它能夠要能在全球范圍內(nèi)更好地實(shí)現(xiàn)無縫漫游，并處理圖像、音樂、視頻流等多種媒體形式，提供包括網(wǎng)頁(yè)瀏覽、電話會(huì)議、電子商務(wù)等多種信息服務(wù)。6寬帶移動(dòng)通信目前，國(guó)內(nèi)支持國(guó)際電聯(lián)確定三個(gè)無線接口標(biāo)準(zhǔn)，分別是中國(guó)電信的CDMA2000，中國(guó)聯(lián)通的WCDMA，中國(guó)移動(dòng)的TD-SCDMA，GSM設(shè)備采用的是時(shí)分多址，而CDMA使用碼分?jǐn)U頻技術(shù)，先進(jìn)功率和話音激活至少可提供大于3倍GSM網(wǎng)絡(luò)容量，業(yè)界將CDMA技術(shù)作為3G的主流技術(shù)，國(guó)際電聯(lián)確定三個(gè)無線接口標(biāo)準(zhǔn)，分別是美國(guó)CDMA2000，歐洲WCDMA，中國(guó)TD-SCDMA。7寬帶移動(dòng)通信根據(jù)IMT-2000系統(tǒng)的基本標(biāo)準(zhǔn)，第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)主要由4個(gè)功能子系統(tǒng)構(gòu)成，它們是核心網(wǎng)（CN）、無線接入網(wǎng)（RAN）、移動(dòng)臺(tái)（MT）和用戶識(shí)別模塊（UIM），且基本對(duì)應(yīng)于GSM系統(tǒng)的交換子系統(tǒng)（SSS）、基站子系統(tǒng)（BBS）、移動(dòng)臺(tái)（MS）和SIM卡四部分。8寬帶移動(dòng)通信在物聯(lián)網(wǎng)中，采用新一代移動(dòng)通信技術(shù)可實(shí)現(xiàn)無處不在的智能無線通信，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)之間的通信提供服務(wù)。9WCDMAWCDMA（寬帶碼分多址）是一個(gè)ITU（國(guó)際電信聯(lián)盟）標(biāo)準(zhǔn)，它是從碼分多址分多址（CDMA）演變來的，從官方看被認(rèn)為是IMT-2000的直接擴(kuò)展，與現(xiàn)在市場(chǎng)上通常提供的技術(shù)相比，它能夠?yàn)橐苿?dòng)和手提無線設(shè)備提供更高的數(shù)據(jù)速率。10WCDMAWCDMA的關(guān)鍵技術(shù)主要包括RAKE接收技術(shù)、無線資源管理技術(shù)、多用戶檢測(cè)技術(shù)、智能天線技術(shù)等。1）RAKE接收技術(shù)由于發(fā)射機(jī)發(fā)出的擴(kuò)頻信號(hào)，在傳輸過程中收到不同建筑物，山崗等各種障礙物的反射和折射，到達(dá)接受機(jī)時(shí)每個(gè)波束具有不同的延遲，形成多徑信號(hào)。11WCDMA2）無線資源管理技術(shù)WCDMA系統(tǒng)是自干擾系統(tǒng)，W C D M A 能夠提供的容量與網(wǎng)絡(luò)中的干擾水平直接相關(guān)，存在的干擾越少，系統(tǒng)可以提供的容量越大。3）智能天線技術(shù)是中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)TD-SDMA中的重要技術(shù)之一，是基于自適應(yīng)天線原理的一種適合于第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的新技術(shù)。12TD-SCDMA技術(shù)TD-SCDMA是中國(guó)唯一提交的關(guān)于第三代移動(dòng)通信的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，它使用了第二代和第三代移動(dòng)通信中的所有接入技術(shù)，包括TDMA、CDMA和SDMA，其中最關(guān)鍵的創(chuàng)新部分是SDMA。13WAP技術(shù)WAP（Wireless Application Protocol，無線應(yīng)用協(xié)議）已經(jīng)成為數(shù)字移動(dòng)電話和其他無線終端上無線信息和電話服務(wù)的實(shí)際世界標(biāo)準(zhǔn)。WAP可提供相關(guān)服務(wù)和信息，提供其他用戶進(jìn)行連接時(shí)的安全、迅速、靈敏和在線的交互方式。14CDMA2000CDMA2000也稱為CDMA Multi-Carrier，CDMA2000 是一個(gè)3G移動(dòng)通訊標(biāo)準(zhǔn)，目前我國(guó)電信采用此標(biāo)準(zhǔn)。目前使用CDMA的地區(qū)只有日、韓、北美和中國(guó)。15TD-SCDMATD-SCDMA是英文Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access（時(shí)分同步碼分多址）的簡(jiǎn)稱，是一種第三代無線通信的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也是ITU批準(zhǔn)的三個(gè)3G標(biāo)準(zhǔn)中的一個(gè)。TDSCDMA標(biāo)準(zhǔn)成為第一個(gè)由中國(guó)提出的，以我國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)為主的、被國(guó)際上廣泛接受和認(rèn)可的無線通信國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。16智能天線技術(shù)智能天線（Smart Antenna，SA）利用信號(hào)傳輸?shù)目臻g特性和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，通過先進(jìn)的算法處理，對(duì)基站的接收和發(fā)射波束進(jìn)行波束形成和賦形，從而達(dá)到降低干擾、增加容量、擴(kuò)大覆蓋、改善通信質(zhì)量、降低發(fā)射功率和提高無線數(shù)據(jù)傳輸速率的目的。17聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)聯(lián)合檢測(cè)（Joint Detection，JD）技術(shù)是在多用戶檢測(cè)（Multi-User Detection，MUD）技術(shù)基礎(chǔ)上提出的。該技術(shù)是減弱或消除多址干擾、多徑干擾和遠(yuǎn)近效應(yīng)的有效手段，能夠簡(jiǎn)化功率控制，降低功率控制精度，彌補(bǔ)正交擴(kuò)頻碼相關(guān)性不理想所帶來的消極影響，從而改善系統(tǒng)性能、提高系統(tǒng)容量、增大小區(qū)覆蓋范圍。18WiMax技術(shù)WiMax全稱為Worldwide Interoperability for MicrowaveAccess，即全球微波互聯(lián)接入。WiMAX是基于IEEE 802.16和ETSIHiper MAN無線城域網(wǎng)（MAN）標(biāo)準(zhǔn)的無線數(shù)字通信技術(shù)。它可為固定站（例如臺(tái)式電腦）提供高達(dá)50公里的寬帶無線接入（BWA）距離，為移動(dòng)站（例如筆記木電腦、移動(dòng)電話、個(gè)人媒體播放器和PDA）提供5-15公里的寬帶無線接入距離。197.2 短距離無線通信ZigBee，在中國(guó)被譯為“紫蜂”，它與藍(lán)牙相類似。是一種新興的短距離無線技術(shù)，用于傳感控制應(yīng)用（Sensor and Control）。ZigBee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于近距離無線連接。20ZigBee自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì) 低功耗。低成本。低速率。近距離。短時(shí)延。高容量。高安全。免執(zhí)照頻段。21藍(lán)牙技術(shù)藍(lán)牙技術(shù)的誕生開始于Ericsson的一項(xiàng)研究工作。1994年，Ericsson計(jì)劃在移動(dòng)電話與其附件之間開發(fā)一種低成本、低功耗的無線接口，以替代移動(dòng)設(shè)備之間的線纜解決的方案，并在價(jià)格、性能和體積等方面，對(duì)新技術(shù)提出了進(jìn)一步的要求。Bluetooth 技術(shù)在 2.4 GHz 波段運(yùn)行，該波段是一種無需申請(qǐng)?jiān)S可證的工業(yè)、科技、醫(yī)學(xué)（ISM）無線電波段。22藍(lán)牙技術(shù)用無線電波代替?zhèn)鹘y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中錯(cuò)綜復(fù)雜的電纜，在10米到100米的空間內(nèi)使各類移動(dòng)及非移動(dòng)設(shè)備之間可以實(shí)現(xiàn)方便快捷、靈活安全，低成本，低功耗的數(shù)據(jù)和話音通信側(cè)，所以藍(lán)牙技術(shù)在設(shè)計(jì)上主要考慮了：空中接口的工作頻段 體積與性能 對(duì)話音和數(shù)據(jù)的處理23 無線局域網(wǎng)（Wi-Fi）Wi-Fi 是一種可以將個(gè)人電腦、手持設(shè)備（如PDA、手機(jī)）等終端以無線方式互相連接的技術(shù)，簡(jiǎn)單來說其實(shí)就是IEEE 802.11b 的別稱，是由一個(gè)名為“無線以太網(wǎng)相容聯(lián)盟”（Wireless Ethernet Compatibility Alliance，WECA）的組織所發(fā)布的業(yè)界術(shù)語(yǔ)，它是一種短程無線傳輸技術(shù)，能夠在數(shù)百英尺范圍內(nèi)支持互聯(lián)網(wǎng)接入的無線電信號(hào)。24Wi-Fi技術(shù)特點(diǎn) Wi-Fi 的半徑則可達(dá)100 米，適合辦公室及單位樓層內(nèi)部使用，而藍(lán)牙技術(shù)只能覆蓋15 米內(nèi)。速度快，最高帶寬為11 Mbps。無需布線。健康安全。IEEE802.11 規(guī)定的發(fā)射功率不可超過100 毫瓦，實(shí)際發(fā)射功率約6070 毫瓦，手機(jī)的發(fā)射功率約200 毫瓦至1 瓦間，手持式對(duì)講機(jī)高達(dá)5 瓦。25超寬帶（UWB）技術(shù)超寬帶無線通信技術(shù)（UWB-Ultra Wide Band）是一種使用1GHz 以上帶寬的無線通信技術(shù)，又稱脈沖無線電（Impulse Radio）技術(shù)。UWB 不需要載波，而是利用納秒至微微秒級(jí)的非正弦波窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，需占用很寬的頻譜范圍，有效傳輸距離在10米以內(nèi)，頻率范圍為從3.1GHz 到10。該技術(shù)適用于高速、近距離的無線個(gè)人通信。26超寬帶（UWB）技術(shù)UWB 技術(shù)最基本的工作原理是發(fā)送和接收脈沖間隔嚴(yán)格受控的高斯單周期超短時(shí)脈沖，接收機(jī)直接用一級(jí)前端交叉相關(guān)器就把脈沖序列轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)。UWB 是發(fā)射和接收沖激脈沖的技術(shù)，可以使用不同的方式來產(chǎn)生和接收這些信號(hào)以及對(duì)傳輸信息進(jìn)行編碼，可以單獨(dú)或成組發(fā)射，并可根據(jù)幅度、相位和脈沖位置對(duì)信息進(jìn)行編碼。27UWB特點(diǎn) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)成本低。由于UWB 不使用載波，不需要傳統(tǒng)收發(fā)器所需的上、下變頻，也不需要本地振蕩器、功用放大器和混頻器等，因在結(jié)構(gòu)上，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單；另外，UWB 系統(tǒng)可全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，它只需要以一種數(shù)學(xué)方式產(chǎn)生脈沖，并對(duì)其進(jìn)行調(diào)制，所以調(diào)制電路可以全部集成在一塊芯片上，可大大降低設(shè)備的造價(jià)。28UWB特點(diǎn) 傳輸速率高。UWB 以寬頻帶來獲得高速率，在10 米范圍內(nèi)，根據(jù)經(jīng)過修改的信道容量公式，其傳輸速率可以達(dá)到500Mbps，是實(shí)現(xiàn)個(gè)人通信與無線局域網(wǎng)的理想選擇。功耗低。UWB 只在需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)才發(fā)送脈沖，信號(hào)的功率譜密度極低，發(fā)射系統(tǒng)比現(xiàn)有的傳統(tǒng)無線電技術(shù)功耗低得多。29UWB特點(diǎn) 傳輸速率高，傳輸速率可以達(dá)到500Mbps。功耗低。UWB 只在需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)才發(fā)送脈沖，信號(hào)的功率譜密度極低，發(fā)射系統(tǒng)比現(xiàn)有的傳統(tǒng)無線電技術(shù)功耗低得多。保密性好。由于UWB 信號(hào)采用了跳時(shí)擴(kuò)頻，必須采用與發(fā)端一致的擴(kuò)頻碼脈沖序列才能進(jìn)行解調(diào)，因此增加了系統(tǒng)的安全性。多徑分辨能力強(qiáng)。307.3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）被認(rèn)為是影響人類未來生活的重要技術(shù)之一，這一新興技術(shù)為人們提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑。早在 20 世紀(jì)70 年代，就出現(xiàn)了將傳統(tǒng)傳感器采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、連接傳感控制器而構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)雛形，可歸之為第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)。31無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）隨著相關(guān)學(xué)科的的不斷發(fā)展和進(jìn)步，傳感器網(wǎng)絡(luò)同時(shí)還具有了獲取多種信息信號(hào)的綜合處理能力，并通過與傳感控制器的相聯(lián)，組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)，這是第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)。而從上世紀(jì)末開始，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)開始應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們用其組建智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)，大量多功能傳感器被運(yùn)用，并使用無線技術(shù)連接，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸形成。32WSN概念無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）綜合了微電子技術(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)等先進(jìn)技術(shù)，能夠協(xié)同地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)其進(jìn)行處理，處理后的信息通過無線方式發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送給觀察者。33WSN組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括分布式傳感器節(jié)點(diǎn)、接收和發(fā)送器、互聯(lián)網(wǎng)以及用戶接口界面等，其中傳感器節(jié)點(diǎn)是基本和核心單元。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般采用分層體系結(jié)構(gòu)，分層協(xié)議由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成。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)。34WSN特點(diǎn)（1）硬件資源有限（2）電源容量有限（3）無中心 (4）自組織（5）多跳（Multi-hop）路由（6）動(dòng)態(tài)拓?fù)洌?）節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，分布密集。35WSN關(guān)鍵技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂啤＞W(wǎng)絡(luò)協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)安全。時(shí)間同步。定位技術(shù)。數(shù)據(jù)融合。36WSN路由協(xié)議WSN的路由協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)關(guān)鍵的支撐技術(shù)，路由協(xié)議的優(yōu)劣直接影響著網(wǎng)絡(luò)的性能。WSN 的路由協(xié)議大致類別：以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議、分層路由協(xié)議、基于地理位置的路由協(xié)議和基于QoS的路由協(xié)議。37以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議該類路由協(xié)議采用基于屬性的命名機(jī)制來描述數(shù)據(jù)，通過匯聚節(jié)點(diǎn)向特定的區(qū)域發(fā)送查詢請(qǐng)求來獲取數(shù)據(jù)信息，并在數(shù)據(jù)傳輸過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)融合以降低節(jié)點(diǎn)的能量消耗。典型的以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議有定向擴(kuò)散（DD）協(xié)議、SPIN協(xié)議等。38定向擴(kuò)散協(xié)議定向擴(kuò)散（Directed Diffusion，DD）協(xié)議是一個(gè)重要的基于數(shù)據(jù)的、查詢驅(qū)動(dòng)的路由協(xié)議，該協(xié)議用屬性值對(duì)命名數(shù)據(jù)。沿途節(jié)點(diǎn)按需對(duì)各Interest進(jìn)行緩存與合并，并根據(jù)Interest設(shè)計(jì)、創(chuàng)建包含數(shù)據(jù)上報(bào)率、下一跳等信息的梯度（Gradient），從而建立多條指向Sink點(diǎn)的路徑。39無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用及前景（1）環(huán)境的監(jiān)測(cè)和保護(hù)（2）醫(yī)療護(hù)理（3）軍事領(lǐng)域（4）其他用途40