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1、第4章物联网通信第4章物联网通信 移动通信网络 4.1短距离无线通信 4.2无线传感器网络 4.34.1移动通信网络 4.1.1移动通信基本原理4.1.2宽带移动通信移动通信系统在生活中的应用移动通信的特点：u覆盖广u建设成本低u部署方便u具备移动性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接起来，发送或者接收数据。移动通信网是适合物联网组网特点的通信和联网方式。物联网的组网特点u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 章节设置u移动通信的基本原理u移动通
2、信的特点u移动通信网络的发展历程u宽带移动通信系统的标准演进、网络架构和技术特点4.1.1移动通信基本原理早期移动通信发展历程u 1897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u 1928年，美国警用车辆的车载无线电系统，标志移动通信开始u 1946年，Bell实验室在圣路易斯建立第一个公用汽车电话网，1960s，实现无线频道自动选择域公用电话网自动拨号连接。u 1974年，美国Bell实验室提出蜂窝移动通信的概念1、移动通信特点（1）移动性。（2）电波传播条件复杂。（3）噪声和干扰严重。（4）系统和网络结构复杂。（5）要求频带利用率高，设备性能好。无线电传播环境 u
3、携带信息的电磁波的传输是扩散的；u地理环境复杂多变，用户移动随机不可预测，所有这些都造成了无线电波传输的损耗。多径传播u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。u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，这将导致接收信号的时延扩展和角度扩展。u多普勒效应三类损耗和四种效应三类损耗u路径传播损耗u大尺度衰落损耗u小尺度衰落损耗四种效应u阴影效应u远近效应u多径效应u多普勒效应2移动通信的发展u蜂窝系统的概念和理论在20世纪60年代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20世纪70年代才大规模实现。u小区制蜂窝通信具有小覆盖、小发射功
4、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。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u第一代移动通信系统u第二代移动通信系统u第三代移动通信系统（1）第一代移动通信系统u解决了用户移动性的基本问题u蜂窝小区系统设计:频率复用-解决大容量需求与有限频谱资源的矛盾u多址方式：FDMAu模拟系统-FM调制、模拟电路交换、模拟语音信号u业务功能：单一通话u第一阶段是模拟蜂窝移动通信网，时间是20世纪70年代中期至80年代中期。u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；保密性差，易被窃听和盗号；设备成本高；体积大，重量大。（2）第二代移动通信系统u数字化
5、通信语音信号数字化、数字式电路交换、数字式调制u多址方式：TDMA，CDMAu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通信质量 纠错编码、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u以GSM和IS-95为代表的第二代移动通信系统，时间是从20世纪80年代中期开始u从1996年开始，为了解决中速数据传输问题，又出现了2.5G移动通信系统，如GPRS和IS-95B。CDMA 应用于数字移动通信的优点 u系统容量大：比模拟网大10倍，比GSM大4.5倍u系统通信质量更佳：软切换技术u频率规划灵活u适用于多媒体通信系统：多CDMA信道方式、多CDMA帧方式
6、（3）第三代移动通信系统u以多媒体(Multi-media)综合服务业务为主要特征会话型、数据流型、互动型、后台类型u主要以宽带CDMA技术为基础WCDMA、CDMA2000、TDSCDMA、WiMax等u多址方式：TDMA/CDMA/OFDMAu电路交换分组交换u引入多种新技术智能天线、发端分集、空时码、OVSF多址码等第三代移动通信系统的目标 u能实现全球漫游u能提供多种业务u能适应多种环境u足够的系统容量4.1.2宽带移动通信u第三代移动通信系统的概念是国际电联（ITU）早在1985年就提出的，当时称为未来公共陆地移动通信系统（FPLMTS）,1996年更名为IMT-2000，在欧洲称其
7、为个人移动通信系统（UMTS）。u IMT-2000的宗旨是建立全球的综合性个人通信网，提供多种业务，尤其是多媒体和高比特率分组数据业务并实现全球无缝覆盖。演变历程u 2000年5月举行的ITU-T2000年全会上，被正式命名为IMT-2000无线接口技术规范u 2007年10月，ITU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带技术WiMAX成为3G标准u 2008年全球移动大会上，主流设备厂商不约而同地发布了LTE的研究成果和后续演进策略IMT-2000 无线传输技术分类IMT-2000CDMAFDDDS WCDMAFDDMC cdma2000TDD TD-SCDMA
8、TD-CDMAIMT-2000TDMATDMAMC UWC-136TDMASC EP-DECTu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、人与网络之间的通信、物与物之间的通信提供服务u工业和信息化部领导在2009年“全国工业和信息化工作会议”上指出，2010年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（1）WCDMA 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I
9、MT2000全部网络标准u成立3GPP(1998.12)、3GPP2(1999)等标准化组织WCDMA 技术特点信道带宽5MHz双工方式 FDD或TDD码元速率 384Mchip/s帧长 10ms下行链路和RF信道结构直扩扩频调制方式 上行：双信道QPSK；下行：平衡QPSK；复扩频电路数据调制方式 上行：BPSK；下行：QPSK信道编码 交织或turbo码相干检测 上/下行：用户专用的时间复用导频；下行：共用导频上行信道复用 控制和导频信道时分复用；数据和控制信道I&Q复用下行信道复用 数据和控制信道时分复用多速率 可变扩频和多码扩频因子 4256功率控制 开环和快速闭环(1.6KHz)下行
10、扩频码 可变长度的正交序列码(OVSF)划分信道，2181的Gold序列码区分小区和用户上行扩频码 可变长度的正交序列码(OVSF)划分信道，2411的Gold序列区分用户切换 软切换，频率间切换R99 网络结构R99 网络特点u接入部分全新的5MHz/载频的宽带码分多址接入网；功率控制；软切换；更软切换u核心网电路域与GSM完全兼容；相对于GPRS，增加了服务级别的概念u系统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R99R4 网络结构R4 网络改进u加入低码片速率TDD模式（LCRTDD），即由我国提出的TD-SCDMAu引入直放站来解决复杂地形覆盖问题u引入扇区降低
11、终端和基站的发射功率的方法以提高容量u通过NodeB同步减少系统邻近小区的交调干扰，降低传输网络的成本u引入Iub和Iur上的AAL2连接的QoS优化R4 网络特点u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u提高了组网的灵活性R5 网络结构R5 网络改进u高速下行分组接入（HSDPA）的功能，下行理论峰值数据速率可高达14.4Mbit/su涉及的关键技术u自适应编码调制uHARQu快速蜂窝选择（FCS）uMIMOR5 网络特点u R5协议引入了IP多媒体子系统（IMS）u由CSCF、MGCF、MR
12、F和HSS功能实体组成u为多媒体业务提供支持u呼叫控制功能u与传统网络进行互通u实现其他资源密集型功能u信令实体（CSCF）与媒体处理是完全分离的R6（HSUPA）u引入高速上行分组接入(HSUPA）u提供多媒体广播和多播业务（MBMS）u进入IMS第二阶段u支持WLAN-UMTS互通u增强QoS（2）WCDMA 系统结构u通用移动通信系统（UMTS）是采用WCDMA空中接口技术的第三代移动通信系统uUMTS系统由陆地无线接入网（UTRAN）和核心网络（CN）构成WCDMA 系统结构WCDMA 系统结构UEu UE是用户终端设备u UE从逻辑上包括移动设备（ME）和用户身份模块（SIM）UTR
13、ANu由基站（NodeB）和无线网络控制器（RNC）组成u NodeB是WCDMA系统的基站u RNC是无线网络控制器WCDMA 系统结构CNu CN即核心网络，负责与其他网络的连接和对UE的通信和管理u MSC/VLR是CS域功能节点u GMSC是CS域与外部网络之间的网关节点u SGSN（服务GPRS支持节点）是PS域功能节点u GSN（网关GPRS支持节点）是PS域功能节点u HLR（归属位置寄存器）是CS域和PS域共有的功能节点WCDMA 系统结构ExternalNetworksu外部网络，可以分为电路交换网络（CSNetworks）和分组交换网络（PSNetworks）两类2cdma
14、2000u美国TIA提出，可从IS-95和IS-95B平滑过渡，升级简单ucdma20001x采用1.25M的带宽ucdma20001xEVDO可支持2.4Mb/s的数据速率，cdma20001xEVDV可支持话音和数据ucdma20003x采用3个1.25M的带宽进行传输。cdma2000 演进CDMA20001X CDMA20003X信号带宽 1.25MHZ 31.25=3.75MHz下行链路RF信道结构 直接扩频 多载波扩频码片速率 上/下行：1.2288Mcps 下行：1.2288Mcps，上行：3.6864Mcps定时 同步(定时驱动，例如从GPS来的定时)帧长 20ms/5ms可选
15、扩频调制 下行：平衡QPSK，上行：具有混合相移链控的双信道QPSK数据调制 下行：QPSK，上行：BPSK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，即导频和功控以及EIB时分复用上行信道复用 控制、导频、基本和辅助码复用，I和Q复用数据与控制信道多速率 可变扩频增益和多码扩频因子 4256功率控制 开环和快速闭环(800Hz，1.25ms)扩频码(下行)信道扩频码：可变长度正交Walsh码；基站(小区)扩频码：，m序列且I与Q用不同序列（在码字受限时，采用准正交函数QoF）扩频码(上行)用户扩频码：(不同时间偏移并截短用于用户)切换 扇区间，小区间软切换，频段间硬切换发分集
16、 正交发分集，空时扩展发分集 载波解复用，用不同天线发射cdmaOneu cdmaOne是基于IS-95标准的各种CDMA产品的总称，IS-95B可提供实现64kbit/scdma20001xu cdma20001x具有3G系统的部分功能，cdma20001x完全兼容IS-95系统功能1xEV-DOu 1xEV-DO是一种专为高速分组数据传送而优化设计的cdma2000空中接口技术u在网络结构方面，1xEV-DO与cdma20001x的无线接入网在逻辑功能上是相互独立的u1xEV-DO可以作为高速分组数据业务的专用网1xEV-DVu在cdma20001x载波基础上提升前向和反向分组传送的速率和
17、提供业务QoS保证3TD-SCDMA（1）TD-SCDMA的演进u IMT-2000CDMATD为TDD方式，2001年3月3GPP通过R4版本，TD-SCDMA被接纳为正式标准u TD-SCDMA采用直接序列扩频、低码片速率的TDD（时分双工）模式u TD-SCDMA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UTRATDD TD-SCDMA 备注占用带宽/MHz 5 1.6每载波码片速率/MCPS 3.84 1.28扩频方式 DS，SF=1/2/4/8/16 DS，SF=1/2/4/8/16调制方式 QPSK QPSK信道编码 卷积码：R=1/2，1/3，turbo
18、码卷积码：R=1/2，1/3，turbo码帧结构/ms 系统帧720，无线帧10系统帧720，无线帧10交织/ms 10/20/40/80 10/20/40/80时隙数 15 7上行同步 8chip 1/2chip容量(每时隙话音信道数)8 16 同时工作每载波话音信道数 56 48 对称业务容量(每时隙总传输速率)220.8kbps 281.6kbps 数据业务每载波总传输速率 3.31Mbps 1.971Mbps 数据业务话音频谱利用率/10 25 对称话音业务数据频谱利用率/0.662 1.232 不对称话音业务智能天线 较困难 容易多址方式 CDMA+TDMA SCDMA+CDMA+T
19、DMATD-SCDMA 的演进 TD-SCDMA阶段u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、低码片速率、多时隙、可变扩频、自适应功率调整、3GPP提出的高层协议、核心网HSPATDD阶段u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（HSUPA）LTETDD阶段uLTETDD是TD-SCDMA在向4G系统演进过程中的过渡阶段uMIMO-OFDMA是下一代通信系统中最具有革命性的技术TDDB3G/4Gu基于TD-SCDMA的后3G或者4G系统来说，将采用TDD模式（2）TD-SCDMA 的关键技术多用户检测u宽带CDMA通信系统中抗
20、干扰的关键技术智能天线u典型的TD-SCDMA系统配置的智能天线是由8个天线元素组成的天线阵列软件无线电u软件无线电是一种具有开放式结构的将标准化、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信系统的新技术动态信道分配（DCA）u目的是进一步减少干扰，增加系统容量接力切换uTD-SCDMA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2G 到3G 的演进路线4WiMAX 全名是World wide Interoperability for Microwave Access（全球微波接入的互操作性），是基于IEEE 802.16e系列宽频无线标准为基础
21、的宽带无线技术（1）WiMAX 的演进 u1999年，IEEE802局域网（LAN）/城域网（MAN）成立了802.16工作组来专门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全球微波接入互操作性论坛，在全球范围内推广802.16协议IEEE802.16d协议u物理层定义了两种双工方式：TDD和FDDu MAC层分为了3个子层：业务汇聚子层（CS）、公共部分子层（CPS）和安全子层（SS）IEEE802.16e协议u协议栈模型和802.16d相同u支持不同数量子载波的OFDMAu增强安全性（2）WiMAX 系统结构接入服务网（ASN）uASN为MS提供无线接入连接服务网（CSN）uCS
22、N为MS提供IP连接网络接入提供者（NAP）uNAP是一种运营实体网络服务提供者（NSP)uNSP是一种运营实体应用服务提供者(ASP)uASP的主要功能是提供增值业务以及三层之上的业务网络参考点5LTE u第三代移动通信系统普遍采用的是码分多址（CDMA）技术，此技术能支持的最大系统带宽为5MHzu 2004年底，第三代合作伙伴计划（3GPP）提出了通用移动通信系统（UMTS）的长期演进（LTE）项目u长期演进（LTE）项目、超移动宽带（UMB）技术、WiMAX技术、802.20移动宽带频分双工/移动宽带时分双工（MobileBroadbandFDD/TDD）等技术构成“准4G”技术（2）L
23、TE 的需求 系统性能需求u峰值速率u用户吞吐量和频谱效率u移动性u用户面延时u控制面延时和容量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及适应各种带宽的频谱分配uLTE设计同时支持FDD、TDD和半双工FDD模式（33）LTELTE的架构的架构（44）LTELTE的关键技术的关键技术多址技术u下行采用的是正交频分多址接入（OFDMA）技术u系统的峰均功率比（PAPR）过高问题的解决多天线技术u增益来源：复用增益、分集增益、天线增益u下行MIMO技术支持22（两发两收）基本天线配置u上行基本天线配置为12干扰抑制技术u LTE在eNodeB间引入X2接口，以降低小区间干扰4.2 短
24、距离无线通信4.2.1ZigBee4.2.2Bluetooth4.2.3UWB4.2.460GHz4.2.1ZigBee 图 4-6 短距离无线通信技术一览1ZigBee的来源与优势ZigBee技术的名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式。ZigBee是基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的。802.15.4仅仅定义了物理层和MAC层，并不足以保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：（1）低功耗ZigBee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、降低帧开销以及实行严格的功率管理机制来降低设备的功耗。（2）工作可靠Z
25、igBee采用了载波侦听多址/冲突避免（CSMA/CA）的信道接入方式和完全握手协议。MAC层采用了回复确认的数据传输机制，提高了可靠性。（3）成本低主机芯片成本低，其他终端成本低。（4）网络容量大每个ZigBee网络最多可支持65000个节点。（5）有效范围大可多级拓展。（6）时延短对时延敏感的应用做了优化。（7）优良的拓扑能力ZigBee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。（8）安全性较好ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权能力，加密算法采用通用的AES-128。（9）工作频段灵活使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）及915MHz（美国），均为免执照频
26、段。2ZigBee的协议架构（1）ZigBee的网络组成和网络拓扑利用ZigBee技术组成的无线个人局域网（WPAN）是一种低速率的无线个人区域网（LR-WPAN）。LR-WPAN网状结构简单、成本低廉，具有有限的功率和灵活的吞吐量。在一个LR-WPAN网络中，可同时存在两种不同类型的设备:全功能设备（FullFunctionalDevice，FFD）精简功能设备（ReducedFunctionDevice，RFD）。FFD通常有3种状态：作为一个主协调器；作为一个协调器；作为一个终端设备。一个FFD可以同时和多个RFD或多个其他的FFD通信，而RFD只能和一个FFD进行通信。RFD的应用非常
27、简单，容易实现，且RFD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、低功耗的无线通信网络。图 4-7 ZigBee技术的三种网络拓扑结构ZigBee支持3种拓扑结构，如图4-7所示，包括星形、网状形和簇树形结构。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扑结构中，ZigBee协调器负责启动网络以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状形的混合型拓扑网络，结合了上述两种拓扑的优点。可以根据实际应用需要来选择合适的网络结构。（2）ZigBee的协议架构ZigBee
28、的协议架构如图4-8所示，采用了IEEE802.15.4制定的物理层和MAC层作为ZigBee技术的物理层和MAC层。图 4-8 ZigBee协议架构示意图（3）IEEE802.15.4协议IEEE802.15.4标准定义了ZigBee物理层和MAC子层，符合开放系统互联模型（OSI）。IEEE802.15.4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。物理层功能包括无线收发信机的开启和关闭、能量检测（ED）链路质量指示（LQI）、信道评估（CCA）和通过物理媒体收发数据包。图 4-9 IEEE 802.15.4中两个不同的物理层如图4-9所示，IEEE802.15.4定义了两种不同
29、工作频段的物理层：868/915MHz和2450MHz。表4-1给出了各国对ZigBee频率工作范围的划分。工作频率范围/MHz频段类型 国家和地区868868.6 ISM 欧洲902928 ISM 北美24002483.5 ISM 全球 表 4-1 各个国家和地区ZigBee频率工作范围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，IEEE802.15.4对于不同的频率范围，规定了不同的调制方式。具体的内容如表4-2所示。表 4-2 各个国家和地区ZigBee频率工作范围频段（MHz）扩展参数 数据参数码片速率（kchip/s）调制比特速率（kbit/s）符号速率（kBau
30、d/s）符号868868.6 300 BPSK 20 20二进制902928 600 BPSK 40 40二进制24002483.5 2000 O-QPSK 250 62.5 16相正交（4）ZigBee的上层协议应用层包括3个组成部分：应用支持子层（APS）应用框架ZigBee设备对象（ZDO）ZigBee中定义了3种密钥：网络密钥-用在数据链路层、网络层和应用层中。链路密钥-应用在应用层。主密钥-应用在应用层。3ZigBee技术在物联网中的应用（1）家庭自动化 图 4-10 ZigBee在家庭自动化中的应用（2）无线定位 图 4-11 ZigBee在无线定位中的应用（3）工业领域 图 4-
31、12 ZigBee在智能能源中的应用4.2.2Bluetooth1Bluetooth 的来源与特点 爱立信、IBM、Intel、Nokia和东芝五家公司于1998年5月联合成立了Bluetooth（蓝牙）特别兴趣小组（BluetoothSpecialInterestGroup，BSIG），并制订了短距离无线通信技术标准蓝牙技术。所谓蓝牙（Bluetooth）技术，实际上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。Bluetooth的主要技术特点：（1）拓扑结构蓝牙技术支持点对点或点对多点的话音、数据业务，采用
32、一种灵活的无基站的组网方式，如图4-13和图4-14所示。图 4-13 多个 蓝牙设备组成的微微网 图 4-14 多个微微网组成的散射网（2）系统组成蓝牙系统一般由天线单元、链路控制（硬件）、链路管理（软件）和蓝牙软件（协议）等4个功能模块组成。如图4-15所示：图 4-15 蓝牙系统的组成天线部分体积小巧，属于微带天线。链路控制器（LC）的单元包括3个集成芯片：连接控制器、基带处理器以及射频传输/接收器，此外，还使用了单独调谐元件。链路管理（LM）提供的服务有：发送和接收数据、请求名称、链路地址查询、建立连接、鉴权、链路模式协商和建立、决定帧的类型等。（3）射频特性蓝牙设备的工作频段选在全球
33、通用的2.4GHz的ISM（工业、科学、医学）频段。频道采用23个或79个，频道间隔均为1MHz。采用时分双工方式。蓝牙的无线发射机采用FM调制方式，从而能降低设备的复杂性。最大发射功率分为3个等级，100mW（20dBm），2.5mW（4dBm），1mW（0dBm），蓝牙设备之间的有效通信距离大约为10100m。（4）跳频技术跳频是指在接收或发送一分组数据后，即跳至另一频点。（5）TDMA结构蓝牙的数据传输率为1Mbit/s，采用数据包的形式按时隙传送，每时隙0.625s。蓝牙系统支持实时的同步定向联接和非实时的异步不定向联接，分别为SCO链路和ACL链路。前者主要传送话音等实时性强的信息，
34、后者则以数据为主。（6）软件的层次结构底层为各类应用所通用，高层则视具体应用而有所不同。（7）纠错技术蓝牙系统的纠错机制分为前向纠错编码（FEC）和包重发（ARQ），支持1/3率和2/3率FEC编码。（8）编码安全蓝牙技术在物理层、链路层、业务层3个层次上提供安全措施，充分保证通信的保密性。蓝牙规范公布的主要技术指标和系统参数如表4-3所示。指标类型系统参数工作频段ISM频段，2.4022.480GHz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异步信道速率同步信道速率1Mbit/s非对称连接为721kbit/s、57.6kbit/s，对称连接为432.6kbit
35、/s，2.0+EDR规范支持更高的速率64kbit/s，2.0+EDR规范支持更高的速率功率美国FCC要求小于0dBm（1mW），其他国家可扩展为100mW跳频频率数79个频点/MHz跳频速率1600跳/秒工作模式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、2/3FEC、ARQ等信道加密采用0位、40位和60位密钥发射距离一般可达10cm10m，增加功率的情况下可达100m 表 4-3 主要技术指标和系统参数2Bluetooth 协议体系结构 图 4-16 蓝牙协议栈蓝牙的协议体系分为四层：核心协议层、替代电缆协议层、电话控制协议
36、层和可选协议。除了以上这些协议，在基带控制器、链路控制器以及访问硬件状态和控制寄存器等提供主机控制器命令接口。蓝牙核心协议由SIG制定的蓝牙指定协议组成，而其他协议则根据应用的需要而定。因此，下面主要介绍蓝牙核心协议。（1）基带协议：基带协议为两个或多个蓝牙单元之间建立物理射频连接。（2）链路管理协议（LMP）：链路管理协议管理基带层内主从网络的运行，负责两个或多个设备之间的链路设置和控制，包括传递验证和加密，管理链路密钥。（3）逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）：位于基带协议之上，为低层的数据服务，向上层提供面向连接和无连接的数据服务。（4）服务发现协议（SDP）：使用SDP，可以查询到设
37、备和服务类型，从而在蓝牙设备间建立相应的连接。3Bluetooth 的应用及产品蓝牙SIG中定义了几种基本的应用模型，主要包括文件传输、Internet网桥、局域网接入、同步、三合一电话（three-in-onephone）和终端耳机等。在实际生活中，蓝牙的应用也是十分广泛的，涉及到居家、工作、娱乐等方面。市面上的蓝牙产品主要包括蓝牙耳机、蓝牙适配器、车载蓝牙多媒体系统、车载蓝牙电话、蓝牙键盘和鼠标、蓝牙网关、蓝牙无线条码扫描枪等。我们可以利用蓝牙技术来连接其他的无线设备、下载照片、进行多人游戏，甚至可以进行自动存取款、订票。这可以为我们的生活带来极大的便利，使得物物联网的概念成为现实。201
38、0年7月，蓝牙技术联盟（BluetoothSIG）宣布正式采纳蓝牙4.0核心规范，并启动对应的认证计划。蓝牙4.0的标志性特色是2009年底宣布的低功耗蓝牙无线技术规范。预计支持蓝牙4.0标准的设备将于2010年底或2011年初批量上市。4.2.3超宽带UWB超宽带技术产生原因传统的无线传输技术一般都是带宽受限的，系统带宽通常在20MHz以下，可用频谱资源有限和信道的多径衰落特征是限制传输速率的主要瓶颈。发展 20世纪60年代-主要用于军事目的，如高功率雷达和保密通信 1989年-美国国防部提出“超宽带”2002年2月-FCC批准将该技术应用于民用系统，并划分了免授权使用频段超宽带（Ultra
39、 Wide Band，UWB）若一个信号在20dB处的绝对带宽大于1.5GHz或相对带宽大于25%，则这个信号就是超宽带信号.两方面限制：绝对带宽（AbsoluteBandwidth）或者相对带宽（FractionalBandwidth）特征该技术的显著特征则是采用500MHz至几个吉赫兹的带宽进行高速数据传输，在10m距离内提供高达100Mbit/s以上，甚至1Gbit/s的传输速率，同时与现有窄带无线系统很好地共存。绝对带宽绝对带宽（Absolute BandwidthAbsolute Bandwidth）绝对带宽是指信号功率谱最大值两侧某滚降点对应的上截止频率 与下截止频率 之差。注：实
40、际应用中，绝对带宽有3dB 绝对带宽、20dB 绝对带宽等不同选择。图：绝对带宽的定义（PSD：信号功率谱密度）相对带宽相对带宽（Fractional BandwidthFractional Bandwidth）相对带宽是指绝对带宽与中心频率之比。由于超宽带系统经常采用无正弦载波调制的窄脉冲信号承载信息，中心频率并非通常意义上的载波频率，而是上、下截止频率的均值。中心频率：例如，以10dB绝对带宽计算 的相对带宽为：注：FCC 规定UWB 信号为绝对带宽 大于500MHz 或相对带宽大于20%的无线电信号。相对带宽相对带宽（Fractional BandwidthFractional Band
41、width）FCC Part15规定：UWB通信系统可使用的免授权频段为3.110.6GHz共7.5GHz带宽 信号最高功率谱密度为41.3dBm/MHz4.2.3.1超宽带的技术特点 超宽的信号带宽 极低的发射功率谱密度（1）传输速率高（2）通信距离短（3）系统共存性好，通信保密度高（4）定精度极高，抗多径能力强（5）体积小、功耗低位（1）传输速率高UWB系统使用高达500MHz7.5GHz的带宽，根据香农信道容量公式，即使发射功率很低，也可以在短距离上实现高达几百兆至1Gbit/s的传输速率。（2）通信距离短高频信号衰落更快，这导致UWB信号产生严重的失真。研究表明:当收发信机之间距离小于
42、10m时，UWB系统的信道容量高于传统的窄带系统;当收发信机之间距离超过12m时，UWB系统在信道容量上的优势将不复存在。（3）系统共存性好，通信保密度高 极低的功率谱密度（上限仅为41.3dBm/MHz）噪声电平低，与传统的窄带系统有着良好的共存性 具有很强的隐蔽性（4）定精度极高，抗多径能力强 脉冲宽度一般在亚纳秒级 很强的穿透力，高精度测距和定位能力 抗多径能力强（5）体积小、功耗低位传统的UWB技术无需正弦载波，收发信机不需要复杂的载频调制解调电路和滤波器等。因此，可以大大降低系统复杂度，减小收发信机体积和功耗。超宽带系统两大特征：高速率 短距离超宽带的应用范围在通信领域应用：组建高速
43、局部物联网；无线个域网和家庭无线网络；作为各种设备之间的高速通信接口。（1）短距离点到点通信各种移动设备之间的高速信息传输，例如PDA、MP3、可视电话、3G手机等设备之间的短距离点到点通信，包括多媒体文件传输、游戏互动等。（2）设备间无线连接桌面PC、笔记本电脑、移动设备与各种外设之间的无线连接，例如与打印机、扫描仪、存储设备等的无线连接。（3）数据传输数字电视、家庭影院、DVD机、投影机、数码相机、机顶盒等家用电子设备之间的可视文件和数据流的传输。4）系统管理结合UWB高精度的定位能力，应用企业仓储管理和智能交通等各类物联网系统中，为精准的存货追踪管理、汽车防撞系统、测速、收费系统提供解决
44、方案。5）其他应用窄脉冲具有很强的穿透各种障碍物，例如墙壁和地板的能力。UWB技术还能实现隔墙成像，因此具有比红外通信更为广泛的应用，例如在军事、勘探、安全等领域。4.2.3.2脉冲无线电技术早期超宽带系统的代名词，专指采用冲激脉冲（超短脉冲）作为信息载体的非正弦载波无线电技术。该技术有别于传统使用正弦载波的窄带无线系统，属于基带、无载波通信的范畴。脉冲无线电（Impulse Radio）：（1）常用脉冲波形功率谱的形状取决于脉冲信号的形状。因此，典型的UWB脉冲是高斯双叶脉冲（GaussianDoublet），这种脉冲因为生成容易而被经常使用。（2）基于脉冲调制的超宽带系统UWB系统常用的调
45、制方式包括脉位调制（PPM）、脉幅调制（PAM）和二相调制（BPSK）。脉位调制（PPM）PPM通过改变发射脉冲的时间间隔或发射脉冲相对于基准时间的位置来传递信息，它的优点就是简单，但是需要比较精确的时间控制。脉幅调制（PAM）PAM通过改变脉冲幅度的大小来传递信息，它可以改变脉冲幅度的极性，也可以仅改变脉冲幅度的绝对值大小。通常所讲的PAM只改变脉冲幅度的绝对值，即OOK（On-offKeying）。二相调制（BPSK）BPSK通过改变脉冲的正负极性来调制二元信息，所有脉冲幅度的绝对值相同。使用二相调制的一个原因就是在抗噪性能上它有优于PPM的3dB增益。OOK和PPM比较优点：可以通过非相
46、干检测恢复信息；缺点：经过这些方式调制的脉冲信号将出现线谱。3种典型的超宽带脉冲无线电系统多址与调制方式相结合，可以得到3种典型的超宽带脉冲无线电系统，即TH-PPM、TH-PAM和DS-BPSK。4.2.3.3多带OFDM（MB-OFDM）超宽带技术在2002年FCC规定了UWB通信的频谱使用范围和功率限制后，全球各大消费电子类公司及其研究人员从传统窄带无线通信的角度出发，提出了有别于基带窄脉冲形式的带通载波调制超宽带方案MB-OFDM（MultiBandOFDM）。带通载波调制超宽带方案MB-OFDM方案2005年3月，欧洲计算机制造商协会（ECMA）发布了基于MB-OFDM方案的ECMA
47、-368和ECMA-369标准。上述标准于2007年通过ISO认证，正式成为第一个UWB的国际标准。ECMA-368协议ECMA-368协议规定了用于高速短距离无线网络的UWB系统的物理层与MAC层的特性，使用频段为3.110.6GHz，最高速率可以达到480Mbit/s。（1）帧结构ECMA-368协议里的帧结构是由物理层汇聚协议（PLCP）前导、PLCP头和物理层服务数据单元（PSDU）三部分组成的PLCP协议数据单元（PPDU）。PPDU结构图PLCP（Physical Layer Convergence Protocol：物理层汇聚协议）PSDU（PHY Service Data Un
48、it，物理层服务数据单元）PPDU（PLCP Protocol Data Unit，PLCP协议数据单元）PLCP前导分类及结构PLCP前导有标准和突发两种类型。PLCP前导的结构分为同步序列和信道估计序列两段。同步序列长度:标准类型为24个OFDM符号，突发类型为12个OFDM符号;信道估计序列长度:两种类型均为6个OFDM符号。（2）编码和调制PPDU的数据经过编码调制过程后形成OFDM时域信号，再经过射频发送到信道中。PPDU数据编码其中PLCP前导直接是时域信号，不用经过编码和调制直接形成OFDM信号，PLCP头与PSDU部分则经过上图所示的过程形成OFDM符号。双载波调制（DCM）它
49、把4个交织后的比特同时映射到两个16进制（16点）的符号中，接下来把两个十六进制的符号映射到间隔50个子载波的两个子载波中。（3）子带划分在物理层上，该协议将频谱划分为14个带宽为528MHz的子带，这14个频带又分为5组，其中前4组内各含有3个子带，第5组内含有2个子带。实际方案中，先期仅采用3.1684.752GHz的3个子带，在每个子频带上，信息采用128点IFFT/FFT的OFDM调制。时频码（Time-Frequency Code，TFC），MB-OFDM定义了7组时频码，其中包括4组跳频与3组定频模式，跳频模式可使两个未经协调的微微网（piconet）之间的干扰减小。6个符号时隙周
50、期的时频码4.2.460GHz60GHz技术产生背景从理论上看，要进一步提升系统容量，增加带宽势在必行。但是10GHz以下无线频谱分配拥挤不堪的现状已完全排除了这种可能，因此，要实现超高速无线数据传输还需开辟新的频谱资源。各国60GHz频段北美和韩国开放了5764GHz；欧洲和日本开放了5966GHz；澳大利亚开放了59.462.9GHz；中国目前也开放了5964GHz的频段。各国和地区对60GHz频谱的划分可以看出，在各国和地区开放的频谱中，大约有5GHz的重合4.2.4.1 60GHz通信的技术特点（1）60GHz信号传播特性 极大的路径损耗 氧气吸收损耗高 绕射能力差，穿透性差 下表对比