物聯網技術概論：第5章

第五章：物聯網通信體系

• 前言
• 5.1 WiFi技術
• 5.2 藍牙技術
• 5.3 ZigBee技術
• 5.4 移動通信技術
• 5.5 衛星通信技術
• 5.6 雙絞線和光纖
• 5.7 以太網
• 5.8 網絡體系結構
• 5.9 傳輸層和網絡層重要協定

前言

• 物聯網相關各種資訊傳遞技術
• （1）無線通信技術
• ① 短距離通信：藍牙、NFC
• ② 中距離無線：WIFI、Zigbee
• ③ 遠距離無線：3G、4G、5G
• ④ 長距離無線：微波、衛星

• （2）有線通信技術
• 雙絞線、光纖組網

  

  

5.1 WiFi技術

• WiFi 是一種無線區域網路通信技術 （ 全 稱 Wireless - Fidelity，無線保真）。
• WiFi最早是基于IEEE802.11協定，發表于1997年，定義了WLAN的MAC層和實體層标準。
• 繼IEEE802.11協定之後，相繼有衆多版本被推出，最典型的是IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g、IEEE802.11n。

1、WiFi技術标準

2、WiFi無線區域網路

• WiFi區域網路的本質特點：
• 不使用通信電纜将計算機與網絡進行連接配接，而是用無線的方式，進而使網絡的建構和終端的移動更加靈活。
• WiFi區域網路兩個重要的基本概念：
• ① 站點(Station，STA)：每一個連接配接到無線網絡中的終端（如筆記本電腦、手機等可聯網的裝置）都稱之為一個站點。
• ② 無線接入點(Access Point，AP)：無線網絡的建立者，也是網絡的中心節點。一般家庭或辦公室使用的無線路由器就一個AP。

3、兩種網絡拓撲結構

• WiFi無線網絡包括兩種類型的拓撲形式：
• ① 基礎網（Infrastructure）；
• ②自組網（Ad-hoc）
• 兩者的差别：
• ① 基礎網基于AP組建；
• ② 自組網中僅含有STA，不存在AP。

（1）WiFi組網：基礎網

• 基于AP組建的基礎無線網絡
• 由AP建立，衆多STA加入所組成
• AP是整個網絡的中心
• 各STA間不能直接通信，需經AP轉發

  

  

（2）WiFi組網：自組網

• Ad-hoc模式也稱對等模式，允許一組具有無線功能的計算機或移動裝置之間為資料共享而迅速建立起無線連接配接。
• 僅由兩個及以上STA組成，網絡中不存在AP
• 各裝置自發組網，裝置之間是對等的
• 網絡中所有的STA之間都可以直接通信，不需要轉發

  

（3）WiFi網絡的安全機制

• 使用者接入過程中的認證：
• ① 認證是STA向AP證明其身份的過程
• ② 隻有通過身份認證的站點才能進行無線接入通路
• ③ 認證可以通過MAC位址進行，也可以通過使用者名/密碼進行
• ④ 認證有開放系統認證和共享密鑰認證兩種
• ⑤ STA和AP均可通過解除認證來終結認證關系

5.2 藍牙技術

• 藍牙技術是一種支援裝置短距離通信（一般幾十米内）的技術。
• 藍牙技術采用分散式網絡結構，支援點對點及點對多點通信。
• 工作在2.4~2.485GHz頻段，其資料速率為1Mbps。采用時分雙工傳輸方案實作全雙工傳輸。
• 能在包括行動電話、無線耳機、筆記本電腦等等衆多裝置之間進行無線資訊交換。
• 藍牙系統采用一種靈活的、無基站的組網方式
• 一個藍牙裝置可同時與 7 個其他的藍牙裝置相連接配接。

1、藍牙系統的網絡結構的有兩種形式：

• （1） 微微網（Piconet）；
• 微微網是通過藍牙技術以特定方式連接配接起來的微型網絡，一個微微網可以隻是 2 台相連的裝置，也可以是 8 台相連的裝置。
• 在一個微微網中，所有裝置的級别都是相同的，有相同權限。
• 藍牙采用自組式組網方式（Ad hoc），微微網由主裝置單元（發起連結的裝置）和從裝置單元構成，有 1 個主裝置單元和最多 7 個從裝置單元。

  

  

• （2）散射網（Scatternet）
• 散射網由多個獨立的、非同步的微微網組成，以特定的方式連接配接在一起。
• 一個微微網中的主裝置單元同時也可以作為另一個微微網中的從裝置單元，作為 2 個或 2 個以上微微網成員的藍牙單元就成了網橋（bridge）節點。
• 網橋最多隻能作為一個微微網的主裝置，但可以作為多個微微網的從裝置。

  

  2、藍牙協定棧

  

• （1）實體層
• 負責提供資料傳輸的實體通道（通常稱為信道）。一個通信系統中往往存在幾種不同類型的信道，如控制信道、資料信道、語音信道等等。
• （2） 資料鍊路層
• 在實體層的基礎上，提供兩個或多個裝置之間、和實體無關的邏輯傳輸通道（也稱作邏輯鍊路）。
• （3） 中間件層
• 提供針對某種通信方式、服務模式的協定。比如針對語音通信的協定、針對序列槽通信的協定、查詢服務的協定等。
• （4）應用層
• 為實作各種各樣的應用功能制定的協定。

3、藍牙技術安全模式

• 安全模式1： 非安全模式
• 安全模式2： 業務層安全模式
• 業務層安全模式的安全機制對系統的各個應用和服務需要進行分别的安全保護，包括授權通路、身份鑒别和加密傳輸。
• 安全模式3： 鍊路層安全模式
• 鍊路層安全機制對所有的應用和服務的通路都需要通路授權、身份鑒别和加密傳輸。

安全模式2 與安全模式3 的本質差別在于：

• ① 安全模式2下的藍牙裝置在信道建立以後啟動安全性過程，即其安全性過程在較高層協定進行;
• ② 安全模式3下的藍牙裝置在信道建立以前啟動安全性過程，即其安全性過程在低層協定進行。

5.3 ZigBee技術

• ZigBee是基于IEEE802.15.4标準的低功耗區域網路協定，ZigBee技術是一種近距離、低複雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。
• 主要适合用于自動控制和遠端控制領域，可以嵌入各種裝置。非常适合用于有周期性資料、間歇性資料和低反應時間資料傳輸的應用。
• ZigBee又稱紫蜂協定，來源于蜜蜂的八字舞（蜜蜂通過之字形“舞蹈”與同伴傳遞資訊）。也就是說ZigBee協定可以建立類似于蜂群的通信網絡。
• ZigBee是一個由可多到65000個子產品組成的無線網絡平台，任何結點之間可以互相通信，通信距離一般在幾十米左右。

1、ZigBee技術特性

• （1）低功耗：在低耗電待機模式下，2節5号幹電池可支援1個節點工作6～24個月，甚至更長。相比較，藍牙能工作數周、WiFi可工作數小時。
• （2）低成本：通過大幅簡化協定，降低了對通信控制器的要求，每塊晶片的價格遠低于藍牙或WiFi。
• （3）低速率：ZigBee 分别提供 250kbps（2.4GHz）、40kbps （915 MHz）和 20kbps（868 MHz）的原始資料吞吐率，滿足低速率傳輸資料的應用需求。
• （4）短時延：ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀态隻需15ms，節點連接配接進入網絡隻需30ms，進一步節省了電能。相比較，藍牙需要3～10s、WiFi 需要3s。
• （5）高安全：ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用通路控制清單(ACL) 防止非法擷取資料，以及在資料轉移中采用進階加密标準(AES)的對稱密碼加密。

2、ZigBee網絡

• （1）協調器
• 在ZigBee 網絡中，有且隻能有一個協調器，它在網絡中起了網絡搭建和網絡維護的功能。是整個網絡的中心樞紐。是等級最高的父節點。
• （2）路由器
• 路由器在ZigBee 網絡中既可以充當父節點，也可以充當子節點，有資訊轉發和輔助協調器維護網絡的功能。
• （3） 終端
• 終端的功能最為簡單，隻能加入網絡，為最末端的子節點裝置。隻能與其父節點進行通信，如果兩個終端之間需要通信，必須經過父節點進行多跳或者單跳通信。是網絡中數量最多的節點，也是低功耗的網絡裝置。

  

  3、網絡拓撲結構

  

  

4、ZigBee 網絡協定

• （1）實體層（PHY）
• 實體層定義了實體無線信道和MAC子層之間的接口。實體層資料服務從無線實體信道上收發資料。
• （2）MAC層
• MAC 層負責處理所有的實體無線信道通路，并産生網絡信号、同步信号；提供兩個對等MAC實體之間可靠的鍊路。
• （3）網絡層
• 網絡層主要實作結點加入或離開網絡、接收或抛棄其他結點、路由查找及傳送資料等功能，支援多種路由算法。
• （4）應用層
• 應用層包含三部分：應用架構AF、ZigBee裝置對象ZDO和應用支援APS子層。它們實作了将不同的應用對象映射到ZigBee網絡層 。

5、ZigBee應用領域

• （1）家庭和建築物的自動化控制：照明、空調、窗簾等家具裝置的遠端控制；
• （2）消費性電子裝置：電視、DVD、CD機等電器的遙控。
• （3）PC外設：無線鍵盤、滑鼠、遊戲操縱杆等；
• （4）工業控制：使資料的自動采集、分析和處理變得更加容易；
• （5）醫療裝置控制：醫療傳感器、病人的緊急呼叫按鈕等；
• （6） 互動式玩具。

總結：

5.4 移動通信技術

• 移動通信是指通信的雙方，或至少有一方處于移動狀态下進行資訊交換的通信就叫做移動通信。移動體可以是人，也可以是汽車、火車、輪船等在移動狀态中的物體。
• 移動通信系統包括無繩電話，無線尋呼，陸地蜂窩移動通信，衛星移動通信等。一般情況下，移動通信系統是指陸地蜂窩移動通信系統。
• 移動通信除了依靠無線通信技術之外，還依賴有線通信網絡的支援，如公衆電話網PSTN，公衆資料網PDN， ISDNISDN。

1、蜂窩通信網絡

• 20世紀70年代中期，貝爾實驗室發明了蜂窩式組網技術。
• 這種技術放棄了點對點傳輸和廣播覆寫模式，把整個服務區域劃分成若幹個較小的區域（蜂窩技術是以而得名）。
• 各小區均用小功率的發射機（即基站發射機）進行覆寫，許多小區像蜂窩一樣能布滿 （即覆寫）任意形狀的服務地區。手機均采用這項技術，是以常常被稱作蜂窩電話。

蜂窩移動通信小區覆寫：

移動通信系統組成：

2、蜂窩移動通信特點

• （1）頻率複用
• 每一組連接配接（對于無線電話而言就是一組會話）都需要專門的頻率，而可以使用的頻率一共隻有大約1000個。
• 為了使更多的會話能同時進行，蜂窩系統把給每一個 “蜂窩”(即每一個小的區域) 配置設定了一定數額的頻率。
• 不同的蜂窩可以使用相同的頻率。這樣有限的無線資源就可以充分利用了。
• （2）越區切換
• 越區切換通常發生在移動台從一個基站覆寫的小區進入另一基站覆寫小區的情況下，為保持通信的連續性，将移動台與目前基站之間的鍊路轉移到移動台與新基站之間的鍊路。
• （3）位置登記
• 移動系統中，使用者在系統覆寫範圍内任意移動。為能把一個呼叫傳送給移動的使用者，必須有一個高效的位置管理系統來跟蹤使用者的位置變化。
• 現有的移動系統中，位置管理采用資料庫技術實作。

3、移動通信技術的發展

5.5 衛星通信技術

• 衛星通信是指利用人造地球衛星作為中繼站轉發無線電波，在兩個或多個地球站之間進行的通信。其無線電波頻率使用微波頻段(300 MHz～300 GHz)。
• 衛星通信是地面微波中繼通信的繼承和發展，是微波接力向太空的延伸。

1、衛星通信系統組成

• （1）空間裝置也就是通信衛星是由若幹轉發器、數副天線、位置和姿态控制系統、遙測和指令系統、電源分系統組成，其主要作用是轉發各地球站信号。
• （2）地球站由天線、發射系統、接收系統、以及電源、監控等裝置組成。主要功能是将需要發射的信号傳至衛星和從衛星接收信号。
• （3）地面的跟蹤遙測及指令分系統并不直接用于通信，而是用來保障通信的正常進行。
• （4）監控管理分系統對在軌衛星的通信性能及參數進行監測與控制。

2、衛星通信鍊路

• 單顆衛星通信鍊路的組成：

  

  

  通信衛星的分類：
• 按照衛星的結構，可分為有源衛星和無源衛星。
• 按照衛星的運動方式，可分為靜止衛星（同步衛星）和運動衛星（非同步衛星），包括相位衛星和随機衛星等類型。
• 按照衛星離地面的高度(h)，通信衛星可分為低軌道(h<5000 km)衛星、中軌道(5000<h<20000 km)衛星、高軌道(h>20000 km)衛星和地球同步軌道(h=35786 km)衛星。

衛星軌道的分類：

• 同步衛星通信：

  

  3、衛星通信的優缺點
• （1）衛星通信的優勢

  

• （2）衛星通信的局限性

  

  4、衛星通信系統介紹
• （1）海事衛星通信系統 INMARSAT（高軌道）
• 最早的海事衛星移動系統 ，由美國 COMSAT 公司利用 Marisat 衛星進行衛星通信，是一個軍用的衛星通信系統。
• 70年代中期為增強海上船隻的安全保障，将部分内容提供給遠洋船隻使用。
• 1982年形成了以國際海事衛星組織管理的INMARSAT系統，開始提供全球海事衛星通信服務。
• 如今已發展為INMARSAT-4 移動通信衛星以及INMARSAT- 5寬帶通信衛星，管理着135個國家的大量通信服務。
• 運作在地球靜止軌道上，為除南北極75度以上的級區外的全球區域提供通信服務。
• 按發展順序由INMARSAT-1、 INMARSAT-2、 INMARSAT- 3、 INMARSAT-4 、INMARSAT-5代衛星組成。目前主要用後三代，共有 11 顆 GEO 衛星在軌運作。

  

• （2）銥星通信系統 Iridium（低軌道）

  

  

5.6 雙絞線和光纖

• 電子裝置之間進行有線通信，首先需要在它們之間建立實體連接配接。所有的連接配接材料都可以稱為媒體。
• 有線網絡通信的傳輸媒體有很多種，包括電話線、雙絞線、同軸電纜、光纖等。
• 和物聯網關系最為密切的有線網絡是區域網路。用于區域網路組網的傳輸媒介主要有兩種：雙絞線和光纖。

1、雙絞線

• 雙絞線是目前使用最廣的一種傳輸媒體，它價格便宜、易于安裝，适用于多種網絡拓撲結構。
• 由4對扭在一起且互相絕緣的銅導線組成，兩條線扭絞在一起可以減少對鄰近線對的電子幹擾。
• 通常有橙（白橙）、藍（白藍）、綠（白綠）、棕（白棕） 四對。
• 按結構分類，雙絞線可分為非屏蔽雙絞線（UTP，Unshielded Twisted Pair）和屏蔽雙絞線（STP，Shielded Twisted Pair）兩類。
• 按性能名額分類，雙絞線可分為1類，2類，3類，4類，5類，超5類，6類等雙絞線。
• 雙絞線多數用于區域網路的建構。
• 電子工業協會根據導體的技術性能和絞扭的密度對雙絞線進行分類：1類、2類、3類、4類、5、超5類、6類和7 類。以上多數類型的線纜都有屏蔽型和非屏蔽型兩種。

  

• 3類雙絞線的最高傳輸頻率為16MHz，最高傳輸速率為10Mbps，最大網段長度為100m。
• 4類雙絞線的最高傳輸頻率為20MHz，最高傳輸速率為16Mbps，最大網段長度為100m。
• 5類雙絞線增加了繞線密度，外套使用高品質的絕緣材料。其最高傳輸頻率達到100MHz，最高傳輸速率達100Mbps，最大網段長度為100m。
• 超5類雙絞線是增強型的5類雙絞線，實際最高的傳輸頻率往往可達200MHz，在工作于全雙工通信時，實際最高傳輸速率可以達到近1000Mbps。
• 6類的性能超過超5類，标準規定其帶寬為250MHz。 是1000 Mbps 資料傳輸的最佳選擇，其最大網段長度也是100m。
• 目前區域網路中最常見的雙絞線是超5類、6類雙絞線。
• 雙絞線接頭：

  

• 雙絞線順序：

  

  2、光纖
• 光導纖維簡稱為光纖。
• 在它的中心部分包括了一根或多根玻璃纖維，通過從雷射器或發光二極管發出的光波穿過中心纖維來進行資料傳輸。

  

  

  

  

  

  

  

• 光纖通信系統構成：

  

• 雙絞線和光纖應用場合：

  

5.7 以太網

• 以太網是一種計算機區域網路技術。IEEE組織的IEEE802.3标準制定了以太網的技術标準，它規定了包括實體層的連線、電子信号和媒體通路層協定的内容。
• 區域網路是覆寫較小地理範圍的計算機網絡。區域網路一般在一組樓房内或一座樓房内或在同一房間内。
• 以太網是目前應用最普遍的區域網路技術，基本取代了其他區域網路标準如令牌環、FDDI等技術。

1、以太網發展：

• 标準以太網：

  傳輸速率：10M

  傳輸媒體：同軸電纜、非屏蔽3類、5類雙絞線。

  拓撲結構：總線型、星形

• 快速以太網：

  傳輸速率：100M

  傳輸媒體：主要是雙絞線。

  拓撲結構：星形

• 千兆以太網：

  傳輸速率達到1000M，傳輸媒體是超5類、6類雙絞線、光纖等。拓撲結構以星形為主。

2、以太網拓撲結構：

3、以太網通信方式：

4、以太網中常用裝置：

5.8 網絡體系結構

• 計算機網絡通信涉及到軟體、硬體等諸多方面。為了簡化問題，人們設計了分層式的網絡體系結構。
• OSI參考模型：

  

  

• 協定是為進行網絡中的資料交換（通信）而建立的規則、标準或約定。
• 兩個通信對象對等層之間使用同樣的協定才能互相交流。
• 網絡體系結構的每個層次都有各自的協定。
• 例如：
• 應用層協定有http(網際網路)、ftp(檔案傳輸)、smtp（郵件）等;
• 實體層協定有IEEE 802.3(以太網)、IEEE 802.11(WIFI)、IEEE 802.15.4 (Zigbee) 等。

  

  

  

  

• 分層網絡體系的優點：
• 各層之間是獨立的。某一層并不需要知道它的下一層是怎樣實作的，僅需要知道該層通過層間的接口所提供的服務。
• 靈活性好。當某一層發生變化時，隻要層間接口關系保持不變，則在這層以上或者以下各層均不受影響。
• 易于實作和維護。這種結構使得實作和調試一個龐大而又複雜的系統變得易于處理，因為整個系統已被分解為若幹個相對獨立的子系統。

5.9 傳輸層和網絡層重要協定

IP協定：

• IP協定的作用是将資料包從源傳送到目的地。
• 實作了在網際網路絡間進行尋址和分組轉發 。
• IP資料包中含有發送它的主機的位址（源位址）和接收它的主機的位址（目的位址），這些位址就是IP位址。
• 它不提供可靠的傳輸服務，它不提供端到端的确認，對資料沒有差錯控制，不提供重發和流量控制。

  

  

  IPV4存在的問題：
• （1）位址空間使用效率較低，IPv4 資源即将耗盡
• ① Internet迅速發展，越來越多的裝置需要IP位址：手機、家電、…
• ② IPv4位址大約有40多億個，即将被配置設定完畢
• （2）資源配置設定不均
• ① IPv4對于移動特性并沒有很好的支援
• ② 對于某些網際網路應用，需要能夠對資料進行加密和鑒别，但IPv4不提供資料的加密和鑒别。

IPV6優點：

• ① 更大的位址空間，位址擴大到128bit；
• ② 減少路由選擇表的長度；
• ③ 簡化協定，使路由器處理分組更迅速；
• ④ 提供比目前IP更好的安全性（含鑒别和保密）。