《物联网导论》课件第5章 短距离无线通信.ppt

1、FDMATDMAGSMGPRSEDGEWCDMACDMA2000TD-SCDMA蓝牙WI-FIWLANWi-MAXHSDPAHSUPA3GEV-DOEV-DVLTEUMBAMPSTACSHSCSDAMPSTACSNMT其它GSMGSMCDMA CDMA IS95IS95TDMATDMAIS-136IS-136PDCPDC第一代 80年代模拟第二代 90年代数字第三代 IMT-2000UMTSUMTSWCDMAWCDMACDMACDMA20002000需求驱动需求驱动模拟技术数字技术语音业务宽带业务TD-TD-SCDMASCDMA5.1 蓝牙5.2 ZigBee5.3 Wifi5.4 红外线通信

2、技术5.5 超宽带技术本章内容本章内容 蓝牙，是一种支持设备短距离通信的无线电技术，范围一般被限定在10m之内。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用蓝牙技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。信息时代最大的特点就是更加方便快速的信息传播，正是基于这一点，工程技术人员也在努力开发更加出色的信息数据传输方式。蓝牙，对于手机乃至整个IT业而言已经不仅仅是一项简单的技术，而是一种概念。当蓝牙联盟信誓旦旦地对未来前景作着美好的憧憬时，整个业界都为之震动

3、。抛开传统连线的束缚，彻底地享受无拘无束的乐趣，蓝牙给予我们的承诺足以让人精神振奋。在第十世纪有一位丹麦国王叫做Harald Blatand，因为国王喜欢吃蓝莓，牙龈每天都是蓝色的所以叫蓝牙，所以Blatand 在英文里的意思可以被解释为蓝牙（Bluetooth）。Blatand国王将挪威，瑞典和丹麦统一起来；他的口齿伶俐、善于交际，就如同这项即将面世的技术，技术将被定义为允许不同工业领域之间的协调工作，保持着各个系统领域之间的良好交流，例如计算机，手机和汽车行业之间的工作。于是蓝牙才能在今天变得家喻户晓起来。在行业协会筹备阶段，需要一个极具有表现力的名字来命名这项高新技术。行业组织人员，在经

4、过一夜关于欧洲历史和未来无线技术发展的讨论后，有些人认为用Blatand国王的名字命名再合适不过了。蓝牙的创始人是爱立信公司，爱立信早在1994年就已进行研发。1998年，爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔公司等五家著名厂商，在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了一种新的技术，其宗旨是提供一种短距离、低成本的无线传输应用技术。1999年下半年，著名的业界巨头微软、摩托罗拉、三星、朗讯与蓝牙特别小组的五家公司共同发起成立了蓝牙技术推广组织，从而在全球范围内掀起了一股“蓝牙”热潮。全球业界即将开发一大批蓝牙技术的应用产品，使蓝牙技术呈现出极其广阔的市场前景，并预示着21世纪初将迎来波澜壮

5、阔的全球无线通信浪潮。蓝牙技术是一个一对多的通信方法，在每一对设备之间进行蓝牙通讯时，必须一个为主要角色，另一为从属角色，才能进行通信。对于一个特定具备蓝牙通讯功能的设备，它既可以是主端设备向其它设备发起呼叫，也可以作为从属角色，等待其它主设备来连接。通信时，由主端进行查找，发起配对，建链成功后，双方才可以收发数据。在理论上，一个蓝牙主端设备，可同时与7个蓝牙从端设备进行通讯。一个蓝牙设备以主模式发起呼叫时，需要知道对方的蓝牙地址，配对密码等信息，配对完成后，可直接发起呼叫。首先是查找，找出周围处于可被查找的蓝牙设备，此时从端设备需要处于可被查找状态。主端设备找到从端蓝牙设备后，与从端蓝牙设备

6、进行配对，此时需要输入从端设备的PIN码，一般蓝牙耳机默认为：1234或0000，立体声蓝牙耳机默认为：8888，也有设备不需要输入PIN码。配对完成后，从端蓝牙设备会记录主端设备的信任信息，此时主端即可向从端设备发起呼叫，根据应用不同，可能是ACL数据链路呼叫或SCO语音链路呼叫，已配对的设备在下次呼叫时，不再需要重新配对。已配对的设备，做为从端的蓝牙耳机也可以发起建链请求，但做数据通讯的蓝牙模块一般不发起呼叫。链路建立成功后，主从两端之间即可进行双向的数据或语音通讯。在通信状态下，主端和从端设备都可以发起断链，断开蓝牙链路。蓝牙无线技术是在两个设备间进行无线短距离通信的最简单、最便捷的方法

7、。它广泛应用于世界各地，可以无线连接手机、便携式计算机、汽车、立体声耳机、MP3 播放器等多种设备。由于有了“配置文件”这一独特概念，蓝牙产品不再需要安装驱动程序软件。如果说蓝牙最大的应用就是解决了电线的困扰。从为设备供电的电线到连接计算机至键盘、打印机、鼠标和 PDA 的电缆，无不造成了一个杂乱无序的环境。在某些情况下，这会增加办公室危险，如员工可能会被电线绊倒或被电缆缠绕。随着蓝牙的出现，再也看不到凌乱的电线，房间也像一台机器一样有条不紊地高效运作着。无需支付任何费用。无需支付任何费用。蓝牙技术在 2.4 GHz 波段运行，该波段是一种无需申请许可证的工业、科技、医学无线电波段。因此，许多

8、行业的制造商都积极地在其产品中实施此技术，以减少使用零乱的电线，实现无缝连接、流传输立体声，传输数据或进行语音通信。无需基础设施无需基础设施。蓝牙技术是一项即时技术，它不要求固定的基础设施，且易于安装和设置。您不需要电缆即可实现连接。新用户使用亦不费力，只需拥有 蓝牙品牌产品，检查可用的配置文件，将其连接至使用同一配置文件的另一蓝牙设备即可。功耗低体积小。功耗低体积小。蓝牙设备在通信连接下有四种模式：激活模式、呼吸模式、保持模式、休眠模式。在正常的工作状态下采用激活模式，其他三种模式都是为了达到最小功耗而设置的。很好的抗干扰能力和安全性。很好的抗干扰能力和安全性。蓝牙采用了跳频方式来扩展频谱，

9、抵抗来自设备的干扰。同时提供了认证和加密功能以确保链路的安全性。蓝牙耳机就是将蓝牙技术应用在免持耳机上，让使用者可以免除恼人电线的牵绊，自在地以各种方式轻松通话。自从蓝牙耳机问世以来，一直是行动商务族提升效率的好工具。蓝牙停车场的全称是蓝牙远距离停车场管理系统，蓝牙停车场是利用蓝牙技术完成远距离非接触性刷卡的停车场管理系统。司机把蓝牙卡放在车挡风玻璃边，调好角度，车辆距离蓝牙读头3-30米内，激活蓝牙读卡器，读写器读取该卡的特征和有关信息，若有效，给停车场控制器传达指令，停车场控制器给道闸开关量信号，道闸升起，车辆感应器检测到车辆通过后，栏杆自动落下；若卡片无效或已过有效期，则道闸不起杆。蓝牙

10、技术不仅仅运用于电脑，像移动电话、数字相机、摄像机、打印机、传真机、家电等许许多多电子设备都可以采用蓝牙技术，实现无线连通，而不必拖一条尾巴（连接线）。随着蓝牙技术的普及，家庭装修时不再为电器的布线而烦恼；使用家电时，不必为一大堆遥控器而头疼，一部手机或是一把汽车钥匙就能一切搞定；出门在外，公司的工作安排和家里亲人的画面可以随时随地获得；打卡、缴费不用排队，从缴费点附近经过，不必进门就可以轻松完成。蓝牙技术的广泛应用将使我们的生活无比轻松。ZigBee译为“紫蜂”，它与蓝牙相类似。是一种新兴的短距离无线通信技术，用于传感控制应用。由IEEE 802.15工作组中提出，并由其TG4工作组制定规范

11、。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、高数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4网络网络IEEE 802.15.4网络是指在一个POS内使用相同无线信道并通过IEEE 802.15.4标准相互通信

12、的一组设备的集合，又名LR-WPAN网络。在这个网络中，根据设备所具有的通信能力，可以分为全功能设备（Full Function Device,FFD）和精简功能设备（Reduced Function Device,RFD）。ZigBeeZigBee网络特点网络特点ZigBeeZigBee网络特点网络特点ZigBeeZigBee网络特点网络特点ZigBeeZigBee网络结构网络结构ZigBeeZigBee应用应用Wi-Fi是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。Wi-Fi是一个无线网路通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟(Wi-Fi Alliance)所持

13、有。特别是对于宽带的使用，Wi-Fi更显优势，有线宽带网络(ADSL、小区LAN等）到户后，连接到一个AP，然后在电脑中安装一块无线网卡即可。普通的家庭有一个AP已经足够，甚至用户的邻里得到授权后，则无需增加端口，也能以共享的方式上网。Wi-Fi技术由澳洲政府的研究机构CSIRO在90年代发明并于1996年在美国成功申请了无线网技术专利。发明人是悉尼大学工程系毕业生Dr John OSullivan领导的一群由悉尼大学工程系毕业生组成的研究小组。IEEE选择并认定了CSIRO发明的无线网技术是世界上最好的无线网技术，成为了2010年Wi-Fi的核心技术标准。IEEE曾请求澳洲政府放弃其Wi-F

14、i专利，让世界免费使用Wi-Fi技术，但遭到拒绝。收取了世界上几乎所有电器电信公司（包括苹果，英特尔，联想，戴尔，AT&T，索尼，东芝，微软，宏碁，华硕，等等）的专利使用费。组建组建一般架设无线网络的基本配备就是无线网卡及一台AP(无线访问接入点)，如此便能以无线的模式，配合既有的有线架构来分享网络资源，架设费用和复杂程度远远低于传统的有线网络。如果只是几台电脑的对等网，也可不要AP，只需要每台电脑配备无线网卡。AP主要在媒体存取控制层MAC中扮演无线工作站及有线局域网络的桥梁。有了AP，就像一般有线网络的Hub一般，无线工作站可以快速且轻易地与网络相连。一个Wi-Fi联接点网络成员和结构站点

15、(Station)，网络最基本的组成部分。基本服务单元(Basic Service Set,BSS)是网络最基本的服务单元。最简单的服务单元可以只由两个站点组成。站点可以动态地联结(Associate)到基本服务单元中。分配系统(Distribution System,DS)。分配系统用于连接不同的基本服务单元。分配系统使用的媒介(Medium)逻辑上和基本服务单元使用的媒介是截然分开的，尽管它们物理上可能会是同一个媒介，例如同一个无线频段。接入点(Access Point,AP)。接入点既有普通站点的身份，又有接入到分配系统的功能。扩展服务单元(Extended Service Set,ES

16、S)。由分配系统和基本服务单元组合而成。这种组合是逻辑上，并非物理上的-不同的基本服务单元物有可能在地理位置相去甚远。分配系统也可以使用各种各样的技术。关口(Portal)，也是一个逻辑成分。用于将无线局域网和有线局域网或其它网络联系起来。更宽的带宽更宽的带宽虽然IEEE启动了两个项目打算将802.11标准数据速率提高到千兆或几千兆，但至今也还没有形成初稿。更实际一点的是802.11n标准将数据速率提高了一个等级，可以适应不同的功能和设备，所有11n无线收发装置支持两个空间数据流，发送和接收数据可以使用两个或三个天线组合，苹果最新的Wi-Fi iPod Touch就含有一颗博通(Broadco

17、m)的无线芯片，支持11n标准。更强的射频信号更强的射频信号11n中更多可选的性能特性将会出现在无线芯片中，无线客户端和无线访问点利用这些芯片可以使射频(RF)信号更具弹性，稳定和可靠，换句话说更象一个电线。这些性能特性包括：低密度奇偶校验码，提高纠错能力；发射波束形成，它使用来自Wi-Fi客户端的反馈，让一个访问点集中处理客户端的射频信号；空间时分组编码(STBC)，它利用多重天线提高信号可靠性。功耗更低功耗更低802.11n在功耗和管理方面进行了重大创新，不仅能够延长Wi-Fi智能手机的电池寿命，还可以嵌入到其它设备中，如医疗监控设备，楼宇控制系统，实时定位跟踪标签和消费电子产品。可以不断

18、地监测和收集数据，可基于用户的身份和位置进行个性化。改进的安全性改进的安全性互联网最具破坏性的影响是通过盗窃身份证明，拒绝服务攻击，侵犯隐私，刺探以及缺乏相应的信任手段对用户造成的伤害，移动网络使这一情况变得更糟，如果用户信任当前打开的Wi-Fi连接，有可能使他们遭受毁灭性的风险。IEEE已经批准了802.11w标准，它保护无线管理帧，使无线链路更好地工作,Wi-Fi客户端现在可以接收和采用落地网络信息，在此之前这个信息可能是由攻破访问点的黑客利用MAC地址伪造的，11w标准切断了这种攻击。改善移动性改善移动性 在以前的标准中缺乏RF管理，因为访问点和客户端之间，以及与相邻无线设备之间通常彼此

19、不了解，它们只了解自己的无线电波频率，这种局限性使得想管理RF也很困难。例如，当一个Wi-Fi手机进入某个访问点范围时，它会触发一个盲目的寻找过程，如果客户端可以询问它的访问点“你的邻居是谁，哪一个是最佳连接访问点?”，这样设备和网络就可以更好地协作，与此同时，Wi-Fi访问点可以“看”到客户端的RF环境，确定弱信号或不足的覆盖面，然后采取措施优化连接。同时，Wi-Fi联盟使用11k的某些特性构思它的语音企业认证，目标是优化大规模的，企业级Wi-Fi语音环境通话质量。Wi-Fi个人区域个人区域Wi-Fi是一个端到端的连接，未来的Wi-Fi网络，你的设备无论在哪里都可以直接连接到其它客户端设备，

20、例如搭载低功耗芯片的Ozmo设备让外围设备可以通过Wi-Fi直接连接到你的笔记本电脑。Wi-Fi联盟最新公布的Wi-Fi Direct(WFD)项目，将让你笔记本电脑上的Wi-Fi卡绕过访问点，直接连接到无线打印机，数码相机，投影仪，传感器或等离子屏幕。作为一个行业规范，WFD将在固件中引入新的协议实现，这样就不需要对硬件做改动了。同时，Wi-Fi访问点通过802.11z标准（定于2010年7月完成）也可以变成点到点连接引擎，它将为直接连接配置提供扩展，客户端设备从一个访问点请求许可直接连接到另一个附近的客户端设备，但数据不通过访问点，客户端仍然与访问点连接，由访问点提供全套安全和管理服务。利

21、用红外线来传输信号的通信方式，叫红外线通信。红外线是波长在750nm至1mm之间的电磁波，它的频率高于微波而低于可见光，是一种人的眼睛看不到的光线。红外通信一般采用红外波段内的近红外 线，波长在0.75um至25um之间。在红外线通信中，最大的制约是大气对红外线辐射传输的影响，包括是吸收和散射。由于红外线的直射特性，红外通讯技术不适合传输障碍较多的地方，这种场合下一般选用其他无线通讯技术或蓝牙技术。红外通讯技术多数情况下传输距离短、传输速率不高。因此，目前红外技术已经淡出人们的实现。UWB（UltraWideband）是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，UWB能在10米左右的范围内实现数百Mbi/s至数Gbit/s的数据传输速率。UWB具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势，主要应用于室内通信、高速无线LAN、家庭网络、无绳电话、安全检测、位置测定、雷达等领域。有人称它为无线电领域的一次革命性进展，认为它将成为未来短距离无线通信的主流技术。目前UWB标准化的工作还没有完成，一些技术问题需要不断完善，但它将可能成为新一代WLAN和WPAN的技术基础，从而实现超高速宽带无线接入。专家指出，在军事需求和商业市场的推动下，UWB技术将会进一步发展和成熟起来。