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1、第第4 4章物联网通信章物联网通信第第4 4章物联网通信章物联网通信 移动通信网络移动通信网络 4.1短距离无线通信短距离无线通信 4.2无线传感器网络无线传感器网络 4.34.14.1移动通信网络移动通信网络 移动通信基本原理移动通信基本原理宽带移动通信宽带移动通信移动通信系统在生活中的应用移动通信系统在生活中的应用移动通信的特点：移动通信的特点：u覆盖广覆盖广u建设成本低建设成本低u部署方便部署方便u具备移动性具备移动性物联网与移动通信网络物联网与移动通信网络物联网的终端都需要以某种方式连物联网的终端都需要以某种方式连接起来，发送或者接收数据。移动通信接起来，发送或者接收数据。移动通信网是
2、适合物联网组网特点的通信和联网网是适合物联网组网特点的通信和联网方式。方式。物联网的组网特点物联网的组网特点u方便性：不需要数据线连接方便性：不需要数据线连接u信息基础设施的可用性：不是所有地方信息基础设施的可用性：不是所有地方都有方便的固定接入能力都有方便的固定接入能力u一些应用场景本身需要随时监控的目标一些应用场景本身需要随时监控的目标就是在移动状态下就是在移动状态下移动通信网络将是物联网主要的接入手段移动通信网络将是物联网主要的接入手段 章节设置章节设置u移动通信的基本原理移动通信的基本原理u移动通信的特点移动通信的特点u移动通信网络的发展历程移动通信网络的发展历程u宽带移动通信系统的标
3、准演进、网络架宽带移动通信系统的标准演进、网络架构和技术特点构和技术特点移动通信基本原理移动通信基本原理早期移动通信发展历程早期移动通信发展历程u1897年，马可尼在陆地和一艘拖船上完成无线通信实年，马可尼在陆地和一艘拖船上完成无线通信实验，标志无线通信的开始验，标志无线通信的开始u1928年，美国警用车辆的车载无线电系统，标志移动年，美国警用车辆的车载无线电系统，标志移动通信开始通信开始u1946年年，Bell实验室在圣路易斯建立第一个公用汽车电实验室在圣路易斯建立第一个公用汽车电话网，话网，1960s，实现无线频道自动选择域公用电话网自实现无线频道自动选择域公用电话网自动拨号连接。动拨号连
4、接。u1974年，美国年，美国Bell实验室提出蜂窝移动通信的概念实验室提出蜂窝移动通信的概念1、移动通信特点、移动通信特点 （1）移动性。）移动性。（2）电波传播条件复杂。）电波传播条件复杂。（3）噪声和干扰严重。）噪声和干扰严重。（4）系统和网络结构复杂。）系统和网络结构复杂。（5）要求频带利用率高，设备性能好。）要求频带利用率高，设备性能好。无线电传播环境无线电传播环境 u携带信息的电磁波的传输是扩散的；携带信息的电磁波的传输是扩散的；u地理环境复杂多变，用户移动随机不可地理环境复杂多变，用户移动随机不可预测，预测，所有这些都造成了无线电波传输的损耗。所有这些都造成了无线电波传输的损耗。
5、多径传播多径传播u基站天线、移动用户天线和这两端天线基站天线、移动用户天线和这两端天线之间的传播路径称之为无线移动信道。之间的传播路径称之为无线移动信道。u多径信号经过不同的路径到达接收端时，多径信号经过不同的路径到达接收端时，具有不同的时延和入射角，这将导致接具有不同的时延和入射角，这将导致接收信号的时延扩展和角度扩展。收信号的时延扩展和角度扩展。u多普勒效应多普勒效应三类损耗和四种效应三类损耗和四种效应三类损耗三类损耗u路径传播损耗路径传播损耗u大尺度衰落损耗大尺度衰落损耗u小尺度衰落损耗小尺度衰落损耗四种效应四种效应u阴影效应阴影效应u远近效应远近效应u多径效应多径效应u多普勒效应多普勒
6、效应2移动通信的发展移动通信的发展u蜂窝系统的概念和理论在蜂窝系统的概念和理论在20世纪世纪60年代年代就由美国贝尔实验室等单位提了出来，就由美国贝尔实验室等单位提了出来，但其复杂的控制系统直到但其复杂的控制系统直到20世纪世纪70年代年代才大规模实现。才大规模实现。u小区制蜂窝通信具有小覆盖、小发射功小区制蜂窝通信具有小覆盖、小发射功率和资源重用等优点，决定了它在现代率和资源重用等优点，决定了它在现代移动通信中的重要作用。移动通信中的重要作用。现代移动通信发展历程现代移动通信发展历程现代移动通信发展主要经历了三个阶段现代移动通信发展主要经历了三个阶段u第一代移动通信系统第一代移动通信系统u第
7、二代移动通信系统第二代移动通信系统u第三代移动通信系统第三代移动通信系统（1）第一代移动通信系统）第一代移动通信系统u解决了用户移动性的基本问题解决了用户移动性的基本问题u蜂窝小区系统设计蜂窝小区系统设计:频率复用频率复用-解决大容量需求与有限频谱资源的矛盾解决大容量需求与有限频谱资源的矛盾u多址方式：多址方式：FDMAu模拟系统模拟系统-FM调制、模拟电路交换、模拟语音信号调制、模拟电路交换、模拟语音信号u业务功能：单一通话业务功能：单一通话u第一阶段是模拟蜂窝移动通信网，时间第一阶段是模拟蜂窝移动通信网，时间是是20世纪世纪70年代中期至年代中期至80年代中期。年代中期。u模拟系统有以下缺
8、点：频谱利用率低；模拟系统有以下缺点：频谱利用率低；业务种类有限；无高速数据业务；保密业务种类有限；无高速数据业务；保密性差，易被窃听和盗号；设备成本高；性差，易被窃听和盗号；设备成本高；体积大，重量大。体积大，重量大。（2）第二代移动通信系统）第二代移动通信系统u数字化通信数字化通信语音信号数字化、数字式电路交换、数语音信号数字化、数字式电路交换、数字式调制字式调制u多址方式：多址方式：TDMA，CDMAu微蜂窝小区结构：提高用户数量微蜂窝小区结构：提高用户数量u采用了一系列数字处理技术来有效提高采用了一系列数字处理技术来有效提高通信质量通信质量 纠错编码、交织、自适应均衡、分集等纠错编码、
9、交织、自适应均衡、分集等u业务类型：以通话为主，还有低速数据业务类型：以通话为主，还有低速数据业务业务u以以GSM和和IS-95为代表的第二代移动通信为代表的第二代移动通信系统，时间是从系统，时间是从20世纪世纪80年代中期开始年代中期开始u从从1996年开始，为了解决中速数据传输年开始，为了解决中速数据传输问题，又出现了问题，又出现了2.5G移动通信系统，如移动通信系统，如GPRS和和IS-95B。CDMA应用于数字移动通信的优点应用于数字移动通信的优点 u系统容量大：系统容量大：比模拟网大比模拟网大10倍，比倍，比GSM大大4.5倍倍u系统通信质量更佳系统通信质量更佳：软切换技术：软切换技
10、术u频率规划灵活频率规划灵活u适用于多媒体通信系统：适用于多媒体通信系统：多多CDMA信道方式、多信道方式、多CDMA帧方式帧方式（3）第三代移动通信系统）第三代移动通信系统u以以多媒体多媒体(Multi-media)综合服务业务为综合服务业务为主要特征主要特征会话型、数据流型、互动型、后台类型会话型、数据流型、互动型、后台类型u主要以宽带主要以宽带CDMA技术为基础技术为基础WCDMA、CDMA2000、TDSCDMA、WiMax等等u多址方式：多址方式：TDMA/CDMA/OFDMAu电路交换电路交换分组交换分组交换u引入多种新技术引入多种新技术智能天线、发端分集、空时码、智能天线、发端分
11、集、空时码、OVSFOVSF多址码等多址码等第三代移动通信系统的目标第三代移动通信系统的目标 u能实现全球漫游能实现全球漫游u能提供多种业务能提供多种业务u能适应多种环境能适应多种环境u足够的系统容量足够的系统容量4.1.2宽带移动通信宽带移动通信u第第三三代代移移动动通通信信系系统统的的概概念念是是国国际际电电联联（ITUITU）早早在在19851985年年就就提提出出的的，当当时时称称为为未未来来公公共共陆陆地地移移动动通通信信系系统统（FPLMTSFPLMTS）,19961996年年更更名名为为IMT-2000IMT-2000，在在欧欧洲洲称称其其为为个个人人移移动动通通信信系系统统（U
12、MTSUMTS）。）。uIMT-2000的的宗宗旨旨是是建建立立全全球球的的综综合合性性个个人人通通信信网网，提提供供多多种种业业务务，尤尤其其是是多多媒媒体体和和高高比比特特率率分组数据业务并实现全球无缝覆盖。分组数据业务并实现全球无缝覆盖。演变历程演变历程u2000年年5月举行的月举行的ITU-T2000年全会上，被正年全会上，被正式命名为式命名为IMT-2000无线接口技术规范无线接口技术规范u2007年年10月，月，ITU在日内瓦举行的无线通信全在日内瓦举行的无线通信全体会议上，与会国家通过投票正式通过无线宽体会议上，与会国家通过投票正式通过无线宽带技术带技术WiMAX成为成为3G标准
13、标准u2008年全球移动大会上，主流设备厂商不约而年全球移动大会上，主流设备厂商不约而同地发布了同地发布了LTE的研究成果和后续演进策略的研究成果和后续演进策略IMT-2000无线传输技术分类无线传输技术分类IMT-2000CDMAFDDDSWCDMAFDDMCcdma2000TDDTD-SCDMATD-CDMAIMT-2000TDMATDMAMCUWC-136TDMASCEP-DECTu移动通信网络将成为物联网最重要的信移动通信网络将成为物联网最重要的信息基础设施，为人与人之间通信、人与息基础设施，为人与人之间通信、人与网络之间的通信、物与物之间的通信提网络之间的通信、物与物之间的通信提供服
14、务供服务u工业和信息化部领导在工业和信息化部领导在2009年年“全国工全国工业和信息化工作会议业和信息化工作会议”上指出，上指出，2010年年将推进国家传感信息中心建设，促进物将推进国家传感信息中心建设，促进物联网与互联网、移动互联网融合发展联网与互联网、移动互联网融合发展（1）WCDMA的演进过程的演进过程 u1985：FPLMTS，1996更名为IMT-2000u1992：WRC92大会分配频谱230MHzu1999.3：完成IMT-2000RTT关键参数u1999.11：完成IMT-2000RTT技术规范u2000：完成IMT2000全部网络标准u成立3GPP(1998.12)、3GPP
15、2(1999)等标准化组织WCDMA技术特点技术特点信道带宽信道带宽5MHz双工方式双工方式FDD或或TDD码元速率码元速率384Mchip/s帧长帧长10ms下行链路和下行链路和RF信道结信道结构构直扩直扩扩频调制方式扩频调制方式上行：双信道上行：双信道QPSK；下行：平衡下行：平衡QPSK；复扩频电路复扩频电路数据调制方式数据调制方式上行：上行：BPSK；下行：下行：QPSK信道编码信道编码交织或交织或turbo码码相干检测相干检测上上/下行：用户专用的时间复用导频下行：用户专用的时间复用导频；下行：共用导频下行：共用导频上行信道复用上行信道复用控制和导频信道时分复用；数据和控制信道控制和
16、导频信道时分复用；数据和控制信道I&Q复用复用下行信道复用下行信道复用数据和控制信道时分复用数据和控制信道时分复用多速率多速率可变扩频和多码可变扩频和多码扩频因子扩频因子4256功率控制功率控制开环和快速闭环开环和快速闭环(1.6KHz)下行扩频码下行扩频码可变长度的正交序列码可变长度的正交序列码(OVSF)划分信道，划分信道，2181的的Gold序列码区分小区和用序列码区分小区和用户户上行扩频码上行扩频码可变长度的正交序列码可变长度的正交序列码(OVSF)划分信道，划分信道，2411的的Gold序列区分用户序列区分用户切换切换软切换软切换，频率间切换频率间切换R99网络结构网络结构R99网络
17、特点网络特点u接入部分接入部分全新的全新的5MHz/载频的载频的宽宽带码分多址接入网；带码分多址接入网；功功率率控制；软切换；更软切换控制；软切换；更软切换u核心网核心网电路域与电路域与GSM完全兼容；相对于完全兼容；相对于GPRS，增加，增加了服务级别的概念了服务级别的概念u系统系统采用分组域和电路域分别承载与处理的方式采用分组域和电路域分别承载与处理的方式u目前的商业部署全都采用了目前的商业部署全都采用了R99R4网络结构网络结构R4网络改进网络改进u加入低码片速率加入低码片速率TDD模式（模式（LCRTDD），即），即由我国提出的由我国提出的TD-SCDMAu引入直放站来解决复杂地形覆盖
18、问题引入直放站来解决复杂地形覆盖问题u引入扇区降低终端和基站的发射功率的方法以引入扇区降低终端和基站的发射功率的方法以提高容量提高容量u通过通过NodeB同步减少系统邻近小区的交调干扰，同步减少系统邻近小区的交调干扰，降低传输网络的成本降低传输网络的成本u引入引入Iub和和Iur上的上的AAL2连接的连接的QoS优化优化R4网络特点网络特点u电路域核心网中引入了基于软交换架构电路域核心网中引入了基于软交换架构的分层架构，使电路交换域和分组交换的分层架构，使电路交换域和分组交换域可以承载在一个公共的分组骨干网上域可以承载在一个公共的分组骨干网上u主要实现了话音、数据、信令承载统一主要实现了话音、
19、数据、信令承载统一u提高了组网的灵活性提高了组网的灵活性R5网络结构网络结构R5网络改进网络改进u高速下行分组接入（高速下行分组接入（HSDPA）的功能，）的功能，下行理论峰值数据速率可高达下行理论峰值数据速率可高达14.4Mbit/su涉及的关键技术涉及的关键技术u自适应编码调制自适应编码调制uHARQu快速蜂窝选择（快速蜂窝选择（FCS）uMIMOR5网络特点网络特点uR5协议引入了协议引入了IP多媒体子系统（多媒体子系统（IMS）u由由CSCF、MGCF、MRF和和HSS功能实体组成功能实体组成u为多媒体业务提供支持为多媒体业务提供支持u呼叫控制功能呼叫控制功能u与传统网络进行互通与传统
20、网络进行互通u实现其他资源密集型功能实现其他资源密集型功能u信令实体（信令实体（CSCF）与媒体处理是完全分离的）与媒体处理是完全分离的R6（HSUPA）u引入高速上行分组接入引入高速上行分组接入(HSUPA）u提供多媒体广播和多播业务（提供多媒体广播和多播业务（MBMS）u进入进入IMS第二阶段第二阶段u支持支持WLAN-UMTS互通互通u增强增强QoS（2）WCDMA系统结构系统结构u通用移动通信系统通用移动通信系统（UMTS）是采用）是采用WCDMA空中接口技术的第三代移动通空中接口技术的第三代移动通信系统信系统uUMTS系统系统由陆地无线接入网由陆地无线接入网（UTRAN）和核心网络（
21、）和核心网络（CN）构成）构成WCDMA系统结构系统结构WCDMA系统结构系统结构UEuUE是用户终端设备是用户终端设备uUE从逻辑上包括移动设备（从逻辑上包括移动设备（ME）和用户身份）和用户身份模块（模块（SIM）UTRANu由基站（由基站（NodeB）和无线网络控制器（）和无线网络控制器（RNC）组成组成uNodeB是是WCDMA系统的基站系统的基站uRNC是无线网络控制器是无线网络控制器WCDMA系统结构系统结构CNuCN即核心网络，负责与其他网络的连接和对即核心网络，负责与其他网络的连接和对UE的通信和管理的通信和管理uMSC/VLR是是CS域功能节点域功能节点uGMSC是是CS域与
22、外部网络之间的网关节点域与外部网络之间的网关节点uSGSN（服务（服务GPRS支持节点）是支持节点）是PS域功能节域功能节点点uGSN（网关（网关GPRS支持节点）是支持节点）是PS域功能节点域功能节点uHLR（归属位置寄存器）是（归属位置寄存器）是CS域和域和PS域共有域共有的功能节点的功能节点WCDMA系统结构系统结构ExternalNetworksu外部网络，可以分为电路交换网络（外部网络，可以分为电路交换网络（CSNetworks）和分组交换网络（）和分组交换网络（PSNetworks）两类）两类2cdma2000u美国美国TIA提出，可从提出，可从IS-95和和IS-95B平滑平滑过
23、渡，升级简单过渡，升级简单ucdma20001x采用采用1.25M的带宽的带宽ucdma20001xEVDO可支持可支持2.4Mb/s的数的数据速率，据速率，cdma20001xEVDV可支持话可支持话音和数据音和数据ucdma20003x采用采用3个个1.25M的带宽进行的带宽进行传输传输。cdma2000演进演进CDMA20001XCDMA20003X信号带宽信号带宽1.25MHZ31.25=3.75MHz下行链路下行链路RF信道结构信道结构直接扩频直接扩频多载波扩频多载波扩频码片速率码片速率上上/下行：下行：1.2288Mcps下行：下行：1.2288Mcps，上行：，上行：3.6864
24、Mcps定时定时同步同步(定时驱动，例如从定时驱动，例如从GPS来的定时来的定时)帧长帧长20ms/5ms可选可选扩频调制扩频调制下行：平衡下行：平衡QPSK，上行：具有混合相移链控的双信道，上行：具有混合相移链控的双信道QPSK数据调制数据调制下行：下行：QPSK，上行：，上行：BPSK相干检测相干检测下行：公共连续导频信道和辅助导频，上行：导频符号，即导频和功控下行：公共连续导频信道和辅助导频，上行：导频符号，即导频和功控以及以及EIB时分复用时分复用上行信道复用上行信道复用控制、导频、基本和辅助码复用，控制、导频、基本和辅助码复用，I和和Q复用数据与控制信道复用数据与控制信道多速率多速率
25、可变扩频增益和多码可变扩频增益和多码扩频因子扩频因子4256功率控制功率控制开环和快速闭环开环和快速闭环(800Hz，1.25ms)扩频码扩频码(下行下行)信信道道扩扩频频码码：可可变变长长度度正正交交Walsh码码；基基站站(小小区区)扩扩频频码码：，m m序序列且列且I I与与Q Q用不同序列用不同序列 （在码字受限时，采用准正交函数（在码字受限时，采用准正交函数QoF QoF）扩频码扩频码(上行上行)用户扩频码：用户扩频码：(不同时间偏移并截短用于用户不同时间偏移并截短用于用户)切换切换扇区间，小区间软切换，频段间硬切换扇区间，小区间软切换，频段间硬切换发分集发分集 正交发分集，空时扩展
26、发分集正交发分集，空时扩展发分集载波解复用，用不同天线发射载波解复用，用不同天线发射cdmaOneucdmaOne是基于是基于IS-95标准的各种标准的各种CDMA产品产品的总称，的总称，IS-95B可提供实现可提供实现64kbit/scdma20001xucdma20001x具有具有3G系统的部分功能，系统的部分功能，cdma20001x完全兼容完全兼容IS-95系统功能系统功能1xEV-DOu1xEV-DO是一种专为高速分组数据传送而优化是一种专为高速分组数据传送而优化设计的设计的cdma2000空中接口技术空中接口技术u在网络结构方面，在网络结构方面，1xEV-DO与与cdma20001
27、x的无线接入网在逻辑功能上的无线接入网在逻辑功能上是相互独立的是相互独立的u1xEV-DO可以作为高速分组数据业务的可以作为高速分组数据业务的专用网专用网1xEV-DVu在在cdma20001x载波基础上提升前向和反载波基础上提升前向和反向分组传送的速率和提供业务向分组传送的速率和提供业务QoS保证保证3TD-SCDMA（1）TD-SCDMA的演进的演进uIMT-2000CDMATD为为TDD方式方式，2001年年3月月3GPP通过通过R4版本，版本，TD-SCDMA被接纳为正式被接纳为正式标准标准uTD-SCDMA采用直接序列扩频、低码片速率的采用直接序列扩频、低码片速率的TDD（时分双工）
28、模式（时分双工）模式uTD-SCDMA不需要成对的工作频段，这对缓解不需要成对的工作频段，这对缓解当前移动频段资源紧张的问题是极为重要的当前移动频段资源紧张的问题是极为重要的UTRATDDTD-SCDMA备注备注占用带宽占用带宽/MHz51.6每载波码片速率每载波码片速率/MCPS3.841.28扩频方式扩频方式DS，SF=1/2/4/8/16DS，SF=1/2/4/8/16调制方式调制方式QPSKQPSK信道编码信道编码卷积码：卷积码：R=1/2，1/3，turbo码码卷积码：卷积码：R=1/2，1/3，turbo码码帧结构帧结构/ms系统帧系统帧720，无线帧，无线帧10系统帧系统帧720
29、，无线帧，无线帧10交织交织/ms10/20/40/8010/20/40/80时隙数时隙数157上行同步上行同步8chip1/2chip容量容量(每时隙话音信道数每时隙话音信道数)816同时工作同时工作每载波话音信道数每载波话音信道数5648对称业务对称业务容量容量(每时隙总传输速率每时隙总传输速率)220.8kbps281.6kbps数据业务数据业务每载波总传输速率每载波总传输速率3.31Mbps1.971Mbps数据业务数据业务话音频谱利用率话音频谱利用率/1025对称话音业务对称话音业务数据频谱利用率数据频谱利用率/0.6621.232不对称话音业务不对称话音业务智能天线智能天线较困难较
30、困难容易容易多址方式多址方式CDMA+TDMASCDMA+CDMA+TDMATD-SCDMA的演进的演进 TD-SCDMA阶段阶段u智能天线、联合检测、动态信道分配、软件无智能天线、联合检测、动态信道分配、软件无线电、上行同步码分多址技术、接力切换、低线电、上行同步码分多址技术、接力切换、低码片速率、多时隙、可变扩频、自适应功率调码片速率、多时隙、可变扩频、自适应功率调整、整、3GPP提出的高层协议、核心网提出的高层协议、核心网HSPATDD阶段阶段u第二阶段主要包括引入高速下行分组接入第二阶段主要包括引入高速下行分组接入（HSDPA）和高速上行分组接入（）和高速上行分组接入（HSUPA）LT
31、ETDD阶段阶段uLTETDD是是TD-SCDMA在向在向4G系统演系统演进过程中的过渡阶段进过程中的过渡阶段uMIMO-OFDMA是下一代通信系统中最是下一代通信系统中最具有革命性的技术具有革命性的技术TDDB3G/4Gu基于基于TD-SCDMA的后的后3G或者或者4G系统来系统来说，将采用说，将采用TDD模式模式（2）TD-SCDMA的关键技术的关键技术多用户检测多用户检测u宽带宽带CDMA通信系统中抗干扰的关键技术通信系统中抗干扰的关键技术智能天线智能天线u典型的典型的TD-SCDMA系统配置的智能天线是由系统配置的智能天线是由8个天线元素组成的天线阵列个天线元素组成的天线阵列软件无线电
32、软件无线电u软件无线电是一种具有开放式结构的将标准化、软件无线电是一种具有开放式结构的将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的新技术信系统的新技术动态信道分配动态信道分配（DCA）u目的是进一步减少干扰，增加系统容量目的是进一步减少干扰，增加系统容量接力切换接力切换uTD-SCDMA系统的关键特征，该技术利系统的关键特征，该技术利用了软切换与硬切换技术的优点用了软切换与硬切换技术的优点2G到到3G的演进路线的演进路线4WiMAX 全名是全名是World
33、wide Interoperability World wide Interoperability for Microwave Accessfor Microwave Access（全球微波接入全球微波接入的互操作性），是基于的互操作性），是基于IEEE 802.16eIEEE 802.16e系系列宽频无线标准为基础的宽带无线技术列宽频无线标准为基础的宽带无线技术（1）WiMAX的演进的演进 u1999年，年，IEEE802局域网（局域网（LAN）/城域城域网（网（MAN）成立了）成立了802.16工作组来专门工作组来专门研究宽带无线接入标准研究宽带无线接入标准u一些世界知名通信企业联合发起了
34、全球一些世界知名通信企业联合发起了全球微波接入互操作性论坛，在全球范围内微波接入互操作性论坛，在全球范围内推广推广802.16协议协议IEEE802.16d协议协议u物理层定义了两种双工方式：物理层定义了两种双工方式：TDD和和FDDuMAC层分为了层分为了3个子层：业务汇聚子层（个子层：业务汇聚子层（CS）、）、公共部分子层（公共部分子层（CPS）和安全子层（）和安全子层（SS）IEEE802.16e协议协议u协议栈模型和协议栈模型和802.16d相同相同u支持不同数量子载波的支持不同数量子载波的OFDMAu增强安全性增强安全性（2）WiMAX系统结构系统结构接入服务网接入服务网（ASN）u
35、ASN为为MS提供无线接入提供无线接入连接服务网（连接服务网（CSN）uCSN为为MS提供提供IP连接连接网络接入提供者网络接入提供者（NAP）uNAP是一种运营实体是一种运营实体网络服务提供者（网络服务提供者（NSP)uNSP是一种运营实体是一种运营实体应用服务提供者应用服务提供者(ASP)uASP的主要功能是提供增值业务以及三的主要功能是提供增值业务以及三层之上的业务层之上的业务网络参考点网络参考点5LTE u第三代移动通信系统普遍采用的是码分多址第三代移动通信系统普遍采用的是码分多址（CDMA）技术，此技术能支持的最大系统带）技术，此技术能支持的最大系统带宽为宽为5MHzu2004年底，
36、第三代合作伙伴计划（年底，第三代合作伙伴计划（3GPP）提）提出了通用移动通信系统（出了通用移动通信系统（UMTS）的长期演进）的长期演进（LTE）项目）项目u长期演进（长期演进（LTE）项目、超移动宽带（）项目、超移动宽带（UMB）技术、技术、WiMAX技术、技术、802.20移动宽带频分双移动宽带频分双工工/移动宽带时分双工（移动宽带时分双工（MobileBroadbandFDD/TDD）等技术构成）等技术构成“准准4G”技术技术（2）LTE的需求的需求 系统性能需求系统性能需求u峰值速率峰值速率u用户吞吐量和频谱效率用户吞吐量和频谱效率u移动性移动性u用户面延时用户面延时u控制面延时和容
37、量控制面延时和容量部署成本和互操作性部署成本和互操作性u上行和下行都可以工作在广泛频带内以上行和下行都可以工作在广泛频带内以及适应各种带宽的频谱分配及适应各种带宽的频谱分配uLTE设计同时支持设计同时支持FDD、TDD和半双工和半双工FDD模式模式（3 3）LTELTE的架构的架构的架构的架构 （4 4）LTELTE的关键技术的关键技术的关键技术的关键技术多址技术多址技术u下行采用的是正交频分多址接入（下行采用的是正交频分多址接入（OFDMA）技术技术u系统的峰均功率比（系统的峰均功率比（PAPR）过高问题的解决）过高问题的解决多天线技术多天线技术u增益来源：复用增益增益来源：复用增益、分集增
38、益、分集增益、天线增益、天线增益u下行下行MIMO技术支持技术支持22（两发两收）基本天（两发两收）基本天线配置线配置u上行基本天线配置为上行基本天线配置为12干扰抑制技术干扰抑制技术uLTE在在eNodeB间引入间引入X2接口接口，以降低小区间，以降低小区间干扰干扰4.24.2 短距离无线通信短距离无线通信4.2.1ZigBee4.2.2Bluetooth4.2.3UWB4.2.460GHz4.2.1ZigBee 图图 4-6 短距离无线通信技术一览短距离无线通信技术一览1ZigBee的来源与优势的来源与优势ZigBee技术的名字来源于蜂群使用的技术的名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信
39、方式。赖以生存和发展的通信方式。ZigBee是基于无线标准研制开发的。是基于无线标准研制开发的。仅仅定义了物理层和仅仅定义了物理层和MAC层，并不足以保层，并不足以保证不同的设备之间可以对话，于是便有了证不同的设备之间可以对话，于是便有了ZigBee。ZigBee技术具有以下优势：技术具有以下优势：（1）低功耗）低功耗ZigBee主要通过降低传输的数据量、主要通过降低传输的数据量、降低收发信机的忙闲比及数据传输的频率、降低收发信机的忙闲比及数据传输的频率、降低帧开销以及实行严格的功率管理机制降低帧开销以及实行严格的功率管理机制来降低设备的功耗。来降低设备的功耗。（2）工作可靠工作可靠ZigBe
40、e采用了载波侦听多址采用了载波侦听多址/冲突避免冲突避免（CSMA/CA）的信道接入方式和完全握手）的信道接入方式和完全握手协议。协议。MAC层采用了回复确认的数据传输机层采用了回复确认的数据传输机制，提高了可靠性。制，提高了可靠性。（3）成本低成本低主机芯片成本低，其他终端成本低。主机芯片成本低，其他终端成本低。（4）网络容量大）网络容量大每个每个ZigBee网络最多可支持网络最多可支持65000个节个节点。点。（5）有效范围大）有效范围大可多级拓展。可多级拓展。（6）时延短）时延短对时延敏感的应用做了优化。对时延敏感的应用做了优化。（7）优良的拓扑能力）优良的拓扑能力ZigBee具有组成星
41、、网和簇树网络结具有组成星、网和簇树网络结构能力。还具有无线网络自愈能力。构能力。还具有无线网络自愈能力。（8）安全性较好）安全性较好ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权提供了数据完整性检查和鉴权能力，加密算法采用通用的能力，加密算法采用通用的AES-128。（9）工作频段灵活）工作频段灵活使用的频段分别为使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）及（欧洲）及915MHz（美国），均为免执照（美国），均为免执照频段。频段。2ZigBee的协议架构的协议架构（1）ZigBee的网络组成和网络拓扑的网络组成和网络拓扑利用利用ZigBee技术组成的无线个人局域技术组成的无线个人局域网（网（
42、WPAN）是一种低速率的无线个人区）是一种低速率的无线个人区域网（域网（LR-WPAN）。）。LR-WPAN网状结构简单、成本低廉，网状结构简单、成本低廉，具有有限的功率和灵活的吞吐量。具有有限的功率和灵活的吞吐量。在一个在一个LR-WPAN网络中，可同时存在网络中，可同时存在两种不同类型的设备两种不同类型的设备:全功能设备（全功能设备（FullFunctionalDevice，FFD）精简功能设备（精简功能设备（ReducedFunctionDevice，RFD）。）。FFD通常有通常有3种状态：种状态：作为一个主协调器；作为一个主协调器；作为一个协调器；作为一个协调器；作为一个终端设备。作
43、为一个终端设备。一个一个FFD可以同时和多个可以同时和多个RFD或多个或多个其他的其他的FFD通信，而通信，而RFD只能和一个只能和一个FFD进行通信。进行通信。RFD的应用非常简单，容易实现，且的应用非常简单，容易实现，且RFD仅需要使用较小的资源和存储空间，仅需要使用较小的资源和存储空间，这样就可非常容易地组建一个低成本、低这样就可非常容易地组建一个低成本、低功耗的无线通信网络。功耗的无线通信网络。图图 4-7 ZigBee技术的三种网络拓扑结构技术的三种网络拓扑结构ZigBee支持支持3种拓扑结构，如图种拓扑结构，如图4-7所示，所示，包括星形、网状形和簇树形结构。包括星形、网状形和簇树
44、形结构。在星形拓扑结构中，整个网络由一个在星形拓扑结构中，整个网络由一个网络协调器来控制。在网状形和簇树形拓网络协调器来控制。在网状形和簇树形拓扑结构中，扑结构中，ZigBee协调器负责启动网络以协调器负责启动网络以及选择关键的网络参数。及选择关键的网络参数。星形网络是一种常用且适用于长期运星形网络是一种常用且适用于长期运行使用操作的网络；网状形网络是一种高行使用操作的网络；网状形网络是一种高可靠性监测网络；簇树形网络是星形和网可靠性监测网络；簇树形网络是星形和网状形的混合型拓扑网络，结合了上述两种状形的混合型拓扑网络，结合了上述两种拓扑的优点。拓扑的优点。可以根据实际应用需要来选择合适的可以
45、根据实际应用需要来选择合适的网络结构。网络结构。（2）ZigBee的协议架构的协议架构ZigBee的协议架构如图的协议架构如图4-8所示，采用所示，采用了制定的物理层和了制定的物理层和MAC层作为层作为ZigBee技术技术的物理层和的物理层和MAC层。层。图图 4-8 ZigBee协议架构示意图协议架构示意图（3）协议）协议标准定义了标准定义了ZigBee物理层和物理层和MAC子层，符子层，符合开放系统互联模型（合开放系统互联模型（OSI）。）。的物理层提供两类服务：物理层数据服的物理层提供两类服务：物理层数据服务和物理层管理服务。务和物理层管理服务。物理层功能包括无线收发信机的开启和物理层功
46、能包括无线收发信机的开启和关闭、能量检测（关闭、能量检测（ED）链路质量指示）链路质量指示（LQI）、信道评估（）、信道评估（CCA）和通过物理）和通过物理媒体收发数据包。媒体收发数据包。图图 4-9 中两个不同的物理层中两个不同的物理层如图如图4-9所示，定义了两种不同工作频所示，定义了两种不同工作频段的物理层：段的物理层：868/915MHz和和2450MHz。表表4-1给出了各国对给出了各国对ZigBee频率工作范频率工作范围的划分。围的划分。工作频率范围工作频率范围/MHz/MHz频频段段类类型型国家和地区国家和地区868868.6ISM欧洲欧洲902928ISM北美北美2400248
47、3.5ISM全球全球 表表 4-1 各个国家和地区各个国家和地区ZigBee频率工作范围频率工作范围由于各个国家和地区采用的工作频率由于各个国家和地区采用的工作频率范围不同，为了提高数据传输速率，对于范围不同，为了提高数据传输速率，对于不同的频率范围，规定了不同的调制方式。不同的频率范围，规定了不同的调制方式。具体的内容如表具体的内容如表4-2所示。所示。表表 4-2 各个国家和地区各个国家和地区ZigBee频率工作范围频率工作范围频段频段（MHz）扩扩展展参参数数数数据据参参数数码片速率码片速率（kchip/s）调调制制比特速率比特速率（kbit/s）符号速率符号速率（kBaud/s）符符号
48、号868868.6300BPSK2020二进制二进制902928600BPSK4040二进制二进制24002483.52000O-QPSK25062.516相正交相正交（4）ZigBee的上层协议的上层协议应用层包括应用层包括3个组成部分：个组成部分：应用支持子层（应用支持子层（APS）应用框架应用框架ZigBee设备对象（设备对象（ZDO）ZigBee中定义了中定义了3种密钥：种密钥：网络密钥网络密钥-用在数据链路层、网络层和应用用在数据链路层、网络层和应用层中。层中。链路密钥链路密钥-应用在应用层。应用在应用层。主密钥主密钥-应用在应用层。应用在应用层。3ZigBee技术在物联网中的应用技
49、术在物联网中的应用（1 1）家庭自动化）家庭自动化 图图 4-10 ZigBee在家庭自动化中的应用在家庭自动化中的应用（2 2）无线定位）无线定位 图图 4-11 ZigBee在无线定位中的应用在无线定位中的应用（3 3）工业领域）工业领域 图图 4-12 ZigBee在智能能源中的应用在智能能源中的应用4.2.2Bluetooth1Bluetooth的来源与特点的来源与特点 爱立信、爱立信、IBM、Intel、Nokia和东芝五和东芝五家公司于家公司于19981998年年5 5月联合成立了月联合成立了Bluetooth（蓝牙）特别兴趣小组（蓝牙）特别兴趣小组（BluetoothSpecia
50、lInterestGroup，BSIG），并制订了短距离），并制订了短距离无线通信技术标准无线通信技术标准蓝牙技术。蓝牙技术。所谓蓝牙（所谓蓝牙（Bluetooth）技术，实际上）技术，实际上是一种短距离无线电技术。是一种短距离无线电技术。蓝牙技术利用短距离、低成本的无线蓝牙技术利用短距离、低成本的无线连接替代了电缆连接，从而为现存的数据连接替代了电缆连接，从而为现存的数据网络和小型的外围设备提供了统一的连接网络和小型的外围设备提供了统一的连接。Bluetooth的主要技术特点：的主要技术特点：（1）拓扑结构）拓扑结构蓝牙技术支持点对点或点对多点的话蓝牙技术支持点对点或点对多点的话音、数据业务