物联网应用技术导论第3章物联网通信与网络技术课件

,*,物联网应用技术导论,第,3,章 物联网通信与网络技术,物联网技术,第,1,章 概论,*,*,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,3,1,. . . .,物联网应用技术导论课件第3章 物联网通信与网络技术,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,2,. . . .,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,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,物联网通信与网络技术概述,3,. . . .,物联网要实现物物相连，需要网络作为连接的桥梁,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。,3.1.1,无线通信及网络技术,4,. . . .,通信技术简单地说是指将信息从一个地点传送到,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。,5,. . . .,1、 无线通信技术5 .,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。,6,. . . .,2、无线通信网络及分类6 .,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。,7,. . . .,集中式终端根据其位置是否固定又可分为固,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。,8,. . . .,自组织网络（Ad Hoc Networ,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,9,. . . .,3、无线通信技术的发展9 .,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。,10,. . . .,3.1.2 物联网网络技术10 .,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。,11,. . . .,无线网络技术丰富多样，根据距离不同，可,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。,12,. . . .,3.2 无线个域网络技术12 .,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。,13,. . . .,3.2.1 蓝牙技术13 .,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,）。,14,. . . .,2、蓝牙的主要技术特点14 .,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。,15,. . . .,蓝牙产品采用跳频技术，能够抵抗信号衰,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,16,. . . .,表3-1 蓝牙技术指标和系统参数工作频段ISM频段，2.4,3,、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,17,. . . .,3、蓝牙组网方式 图3-1 蓝牙的组网方式示意图17 .,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,）。,18,. . . .,基于蓝牙技术的无线接入简称为BLUE,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。,19,. . . .,微微网（piconet）：通过蓝牙技术以,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。,20,. . . .,蓝牙分布式网络是自组网（ad hoc,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。,21,. . . .,4、蓝牙技术的主要应用设备21 .,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。,22,. . . .,蓝牙技术的主要缺点是传输距离短、传输,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。,23,. . . .,3.2.2 ZigBee网络技术23 .,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。,24,. . . .,1、ZigBee与IEEE802.15.4协议24 .,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。,25,. . . .,ZigBee联盟成立于2001年8月。2,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。,26,. . . .,截至目前为止，ZigBee共公布了三,表,3-2 ZigBee,各版本的比较,版本号,ZigBee04,ZigBee06,ZigBee07,ZigBee07,指令集,无,无,Zigbee,Zigbee Pro,无线射频标准,802.15.4,802.15.4,802.15.4,802.15.4,地址分配,无,CSKIP,CSKIP,随机,拓扑,星状,树状、网状,树状、网状,网状,大网络,不支持,不支持,不支持,支持,自动跳频,是，,3,信道,否,否,是,PANID,冲突决策,支持,否,可选,支持,数据分割,支持,否,可选,可选,多对一路由,否,否,否,支持,高安全,支持,支持，,1,密钥,支持，,1,密钥,支持，多密钥,支持节点数目,少量节点,300,个以下,300,个以下,1000,个以上,应用领域,消费电子,住宅,住宅,商业,27,. . . .,表3-2 ZigBee各版本的比较版本号ZigBee04Z,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,28,. . . .,2、ZigBee主要技术特点28 .,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。,29,. . . .,3、ZigBee 网络结构29 .,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,30,. . . .,ZigBee 的网络结构具有星状（STAR），图3-2,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,自动化,监视,诊断,传感器,玩具,游戏器具,保安,HVAC,照明,门禁,4,ZigBee,应用场景（图,3-3,）,图,3-3 ZigBee,应用场景,31,. . . .,工业、农业、商业消费电子、汽车自动化监视TV低速无线设备个人,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。,32,. . . .,ZigBee主要应用范围很广，这得益于Z,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。,33,. . . .,3.2.3 UWB超宽带技术33 .,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。,（,5,）,UWB,具有超高速、超大容量、抗截获性好等诸多优点，超宽带的低功耗特点对于用便携式电池供电的系统长时间工作是非常重要的。,（,6,）系统结构简单、成本低、易数字化。,34,. . . .,2、 UWB的主要技术特点34 .,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。,35,. . . .,3、 UWB的应用35 . .,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,）。,36,. . . .,3.2.4 Z-wave技术36 .,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。,37,. . . .,2、Z-wave网络结构37 .,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,2,2,1,1,2,节点,2,节点,1,节点,3,节点,4,3,、,Z-wave,网络的安装,图3-4 Z-Wave组网示意图,38,. . . .,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22112,4,、,Z-wave,路由技术,图3-5 Z-wave网络选择,39,. . . .,4、Z-wave路由技术图3-5 Z-wave网络选择39,5,、,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。,40,. . . .,5、Z-wave的应用40 .,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）,41,. . . .,3.2.5 其他短距离通信技术41 .,3.3,无线局域网络技术,无线局域网（,Wirelesslocalareanetwork,，,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,。,42,. . . .,3.3 无线局域网络技术42 .,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,43,. . . .,1、无线局域网的技术要点43 .,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。,44,. . . .,2、无线局域网的组成44 .,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,45,. . . .,3、无线局域网的拓扑结构45 .,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。,46,. . . .,4、无线局域网WLAN的标准IEEE802.1146 .,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,1999,1999,2003,2009,未定,工作频段,5GHz,2.4GHz,2.4GHz,2.4,、,5GHz,5GHz,传输速率,54Mbps,11Mbps,54Mbps,600Mbps,1Gbps,编码类型,OFDM,DSSS,OFDM,、,DSSS,MIMO-OFDM,MIMO-OFDM,信道宽度,20MHz,22MHz,20MHz,20/40MHz,20/40/80/160MHz,天线数目,1x1,1x1,1x1,4x4,8x8,47,. . . .,表3-3 802.11系列标准参数比较802.11a802,3.3.1 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。,48,. . . .,3.3.1 Wi-Fi技术48 .,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。,49,. . . .,2、Wi-Fi技术标准49 .,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。,50,. . . .,3、Wi-Fi技术优势50 .,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。,点对点模式：,Wi-Fi,联网的点对点模式是指无线网卡和无线网卡这间的通讯方式。,基本模式：与点对点模式不同的，基本模式指无线网络的扩充或无线和有线网络并存时的通讯方式，这是,Wi-Fi,目前最常用的方式。,51,. . . .,4、Wi-Fi的工作方式51 .,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。,52,. . . .,5、局域网络中的Wi-Fi的实现52 .,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。,53,. . . .,3.3.2 Ad hoc网络技术53 .,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,54,. . . .,2、Ad hoc网络的特点54 .,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。,55,. . . .,3.4 无线城域网络技术55 .,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。,56,. . . .,无线城域网的整体结构：无线城域网由基站,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。,57,. . . .,无线城域网的通信标准主要是IEEE802,3.4.1 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,。,58,. . . .,3.4.1 IEEE802.16协议58 .,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,11GHz,6GHz,传输速率,32-134Mbps,75Mbps,75Mbps,30Mbps,信道条件,视距,非视距,视距,+,非视距,非视距,信道宽度,20/25/28MHz,1.5-20MHz,1.5/20MHz,1.5/20MHz,小区半径,5km,510km,515km,25km,59,. . . .,表3-4 802.16系列标准参数比较802.16802.,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,60,. . . .,2、IEEE802.16 的体系结构60 .,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,61,. . . .,3、IEEE802.16的技术优势61 .,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。,62,. . . .,3.4.2 WiMAX网络技术62 .,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,63,. . . .,2、WiMAX技术优势63 .,3,、,WiMAX,组网模式,（,1,）,WiMAX,网络架构,图3-6 WIMAX 网络架构,64,. . . .,3、WiMAX组网模式图3-6 WIMAX 网络架构64 .,（,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。,65,. . . .,（2） WIMAX 应用模式65 .,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。,66,. . . .,4、WiMAX的应用66 .,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。,67,. . . .,无线城域网的整体结构：无线城域网由基站,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,68,. . . .,3、Ad hoc网络的应用领域68 .,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。,69,. . . .,3.5 无线广域网络技术69 .,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。,70,. . . .,3.5.1 GSM技术 70 .,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。,71,. . . .,GSM 是当前应用最为广泛的移动电话标准，,、,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。,（）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。,72,. . . .,、GSM系统结构72 . .,（）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。,（）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。,73,. . . .,（）基站子系统（BSS） 73 .,（）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。,74,. . . .,（）操作支持子系统（OSS） 74 .,、,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。,75,. . . .,、GSM技术特点75 . .,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。,76,. . . .,3.5.2 GPRS技术 76 .,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,77,. . . .,2、GPRS的特点77 . .,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。,78,. . . .,3、GPRS提供的业务78 .,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,79,. . . .,GPRS可提供以下类型的业务:79 .,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。,80,. . . .,3.5.3 3G网络技术 80 .,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