物联网中的几种无线通信技术(20111122) - 图文

第7讲 几种常用的无线网络通信技术

随着轻型移动设备的与日剧增，其数量已经远远超过了固定设备。由于有线网络连接在空间上的局限性，如何将这些移动设备、高速地联入互联网中呢？无线通信技术在其中起到了至关重要的作用。无线通信技术消除了有线网络对接入设备的位置限制，同时也节省了光线、电缆等有线信号传输设施的成本。这就意味着人们可以以相对低廉的价格且非常方便地在餐厅、教学楼、机场等有无线信号覆盖的区域上网浏览和获取信息。IT界许多人都认为将来移动通信网络将全面打败现在的互联网。本讲主要介绍无线网络的分类和几种无线通信技术。

7.1 无线网络简介

无线网络包含了一系列的无线通信协议。例如WiFi（Wireless Fidelity）、3G、ZigBee协议等。为了更加准确区别不同协议的特性，首先要了解一些组成无线网络的基本元素。

1. 无线网络用户

无线网络用户是指具备无线通信能力，并可将无线通信信号转化为有效信息的终端设备。如，装有WiFi无线模块的台式机、笔记本电脑或者是PDA（个人数字数理）、装有3G通信模块的手机和装有CC2420无线通信模块的传感器。

2. 无线连接

无线接入是指无线网络用户与基站或者无线网络用户之间用以传输数据的通路。相对于优先网络中的电缆、光缆、同轴电缆等物理连接介质，无线连接主要通过无线电波、光波作为传输载体。不同无线连接技术提供不同的数据传输速率和传输距离。

3. 基站

基站的职责是将一些无线网络用户连接到更大的网络中（校园网、互联网、电话网）。无线网络用户通过基站接收和发送数据包，基站将用户的数据包发给它所属的上层网络，并将上层网络的数据包转发给指定的无线网络用户。根据不同的无线连接协议，相应基站的名称和覆盖的范围是不同的。例如，WiFi的基站被称为接入点（AP），它的覆盖范围为几十米；蜂窝电话网的基站被称为蜂窝塔，在城市中它的覆盖范围为几千米，而在空旷的平地中其覆盖范围可达几十千米。只有在基站的覆盖范围内，用户才可能通过它进行数据交互。用户除了通过基站与上层网络交互的无线组织模式之外，还可以通过子组织的方式形成自组网。它的特点是无需基站和上层网络支持，用户自身具备网络地址指派、路由选择以及类似域名解析等功能。

基于不同技术和协议的无线连接的传输范围，可以将无线网络分为4类，如图7-1所示。

1Gb/s

UWB 100Mb/s

10Mb/s

蓝牙 1Mb/s

WiFi WiMAX 3G 2.5G 约10米 约100米 可达约100km 可达约30km 个域网 局域网 城域网 广域网 图7-1 无线网络协议分类

4. 无线广域网

无线广域网（Wireless Wide Area Network）连接信号可以覆盖整个城市甚至整个国家，其信号传播途径主要有两种：一种是通过多个相邻的地面基站接力传播，另一种是信号可以通过卫星系统传播。当前主要的广域网包括2G、2.5G和3G系统。2G系统的贡献是使用数字信号取代了1G中的模拟信号进行语音传输，它的核心技术包括全球移动通信系统（Globle System for Mobile Communications, GSM）和码分多址数字无线技术，2.5G系统的带宽为100~400kb/s。3G系统使用独立于2G系统的基本架构，其核心技术包括CDMA-2000、时分同步码分多址数字无线技术（Time Division Synchronous Code Division Multiple Access，TD-SCDMA）和WCDMA，相比2G系统在数据传输速率上有重大提升，其最大的带宽约为2Mb/s。

5. 无线城域网

无线城域网（Wireless Metropolitan Area Network）基站的信号可以覆盖整个城市，在服务区域内的用户可以通过基站访问互联网等上层网络。微波存取全球互通（Worldwide Interoperability for Microware Access, WiMAX）是实现无线城域网的主要技术，IEEE 802.16的一系列协议对WiMAX进行了规范。WiMAX基站的视线（Line of Sight,LoS）覆盖范围可达112.6km,所谓的“LoS”是指无线电波在相对空旷的区域以直线传播，但在建筑相对密集的城市，无线电波会以非视线（None Line of Sight,NLoS）方式传输，802.16a协议支持的基站的非视线覆盖范围为40km。

6. 无线局域网

无线局域网（Wireless Local Area Network）在一个局部的区域内（如教学楼、机场候机大厅、餐厅等）内为用户提供可访问互联网等上层网络的无线连接。无线局域网是已有有线局域网的拓展和延伸，使得用户在一个区域内随时随地访问互联网。无线局域网有两种工作模式，第一种基于基站模式，无线设备（手机、上网本、笔记本电脑）通过介入点访问上层网络；第二种是基于自组织模式，例如在一个会议室内，所有与会者的移动设别可以不借助接入点组成一个网络用于相互之间的文件、视频数据的交换。IEEE802.11的一系列协议是针对无线局域网制定的规范，大多数802.11协议的接入点的覆盖范围在十几米内。

7. 无线个域网

无线个域网（Wireless Personal Area Network）在更小的范围内（约10m）以自组织模式在用户之间建立用于相互通信的无线连接。蓝牙传输技术和红外传输技术是无线个域网中的两个重要技术，蓝牙技术通过无线电波作为载波，覆盖范围一般在10m左右，带宽在1Mb/s

左右；红外技术使用红外线作为载波，覆盖范围仅为1m左右，带宽可为100kb/s左右。当然还有之前课程中提到的Zigbee技术，802.15.4是ZigBee技术协议，主要是针对低速个域网物理层和MAC层制定的标准。

四种类型的网络都有自身的特点。无线广域网有相对较大的覆盖范围，支持高机动性无线设备，但数据传输速率较低限制了传输数据的大小，其大部分的用户为手机、PDA和上网本；无线局域网有相对较大的数据传输速率，但是每个接入点的覆盖范围有限且不支持高速移动的设备。为了对物联网中物体的泛联提供有力的支持，无线网络协议依然面临很多挑战。

7.2几种常用的无线通信技术

上一节主要讲了无线网的分类，下面将详细介绍几种比较常用的五项网络通信技术。

7.2.1 WiFi技术

WiFi 全称为Wireless Fidelity，又称IEEE 802.11b标准，它最大的优点就是传输的速度较高，可以达到11Mb/s，另外它的有效距离也很长，同时也与已有的各种IEEE 802.11 DSSS（直接序列展频技术，Direct Sequence Spread Spectrum）设备兼容。IEEE 802.11b无线网络规范是在IEEE802.11a网络规范基础之上发展起来的，最高带宽为11Mb/s，在信号较弱或有干扰的情况下，带宽可调整为5.5Mb/s、2Mb/s和1Mb/s,带宽的自动调整有效地保障了网络的稳定性和可靠性。其主要的特性为：速度快、可靠性高；在开放区域，通信距离可达305m;在封闭性区域通信距离为76～122m,方便与现有的有线以太网整合，组网的成本更低。方便与现有的以太网整合，组网的成本更低。

1. WiFi无线网的拓扑结构

WiFi的拓扑结构主要有Ad-Hoc和Infrastructure两种。Ad-Hoc是一种对等网结构，如图7-2所示，各计算机只需要接上相应的手机等便携式终端即可实现相互连接，资源共享，无需中间作用的“接入点”；

图7-2 Ad-Hoc拓扑结构

Infrastructure则是一种整合优有线与无线局域网架构的应用模式如图7-3所示，通过此

种网络结构，同样可以实现网络资源的共享，此应用需要通过接入点。这种网络结构是应用最广泛的一种，它类似于以太网中的星形结构，其中间网桥作用的无线接入点就相当于有线网中的集线器或者交换机。

图7-3 Infrastructure网络结构

2. WiFi的优点

WiFi技术与蓝牙技术一样，同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。该技术使用的是2.4GHz附件的频段，该频段目前尚属没用许可的无线频段。其目前的可使用的标准有IEEE 802.11a和IEEE 802.11b。该技术由于有着自身的优点，因此受到政府和企业的青睐。WiFi技术的突出优势在于：

1）无线电波的覆盖范围广，基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小，半径大约只有10m左右，而WiFi可达约100m左右，在整栋大楼里都可以使用。

2）虽然由WiFi技术传输的无线通信质量不是很好，数据安全性比蓝牙技术差一些，传输的质量也有待改进，但其传输的速度非常快，可以达到11Mb/s，符合个人和信息化的需求。

3）进入该领域的门槛比较低。只有在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员比较密集的地方设置“热点”，并通告高速线路将Internet接入上述场所。这样，由于“热点”所发射出的电波可以达到距离接入点半径数十米至100m的地方，用户只要将支持无线局域网的笔记本电脑或者是PDA拿到该区域内即可高速接入Internet。因此，不用耗费资金来进行网络布线接入，从而节点了成本。

3. WiFi的应用

在通信行业的激烈竞争中，宽带接入是各运营商竞争的焦点。目前，各大运营商开始着手打造WiFi网络，为用户提供宽带接入业务。各运营商从现有的资源出发，结合WiFi的技术优势，大幅度降低投资成本，快速抢占市场。WiFi当前主要对个人、家庭、企业等用户提供服务。从覆盖的区域来看，可重点应用在以下区域：有线资本成本太高或者布线困难的区域；酒店、机场、医院、茶楼等人员比较密集的地方；校园、办公室、会议室等；展览馆、体育馆、新闻中心等信息需求量大的地方。

4. WiFi技术的发展

WiFi技术的商业目前还碰到了许多困难。一方面受制于WiFi技术自身的限制，比如漫游性、安全性和无核计费等都还没有得到妥善解决；另一方面，由于WiFi的赢利模式不明确，如果将WiFi作为单一的网络来经营，商业用户的不足会使网络监视的投资收益比较低，因此也影响了电信运营商的积极性。

虽然WiFi技术的商用遇到一些问题，但这种技术的也不可能包办所有功能的通信系统。可以说只有各种接入手段相互补充使用才能带来经济、可靠性、有效性。因此，它可以在特定的区域和范围内发挥对3G的重要补充作用，WiFi技术与3G技术相结合具有广阔的发展前景。

7.2.2 蓝牙技术

蓝牙技术一种支持设备短距离通信的无线电技术，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，也能够简化设备与Internet之间的通信，从而数据传输变的更加迅速高效。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在2.4GHz频段，数据传输速率为1Mb/s，采用十分双工传输的方案实现全双工传输。蓝牙技术是一个开放型、短距离无线通信标准，它可以用来在校内短距离内取代多种电缆连接方案，通过统一的短距离无线链路在各种数字设备之间实现方便快捷、灵活安全、低成本、低功耗的数据通信。

1. 蓝牙技术的系统参数和技术指标

表7-1 蓝牙技术的系统参数和技术指标

系统参数和技术指标 工作频段 双工方式 业务类型 数据传输速率（Mb/s） 非同步通信速率（kb/s） 同步信道速率（kb/s） 功率（mW） 跳频频率数 跳频速率（Hz） 工作模式 数据连接方式 纠错方式 认证 信道加密 语音编码方式 发射距离（m） 说明 ISM频段、2.402~2.408GHz 全双工、十分双工 支持电缆交换和分组交换业务 1 21/57.6（非对等连接），432.6（对等连接） 64 每个为1，其他国家为100 79个频点 1600 PAPK/HOLD/SNIFF/ACTIVE SCO、ACL 1/3FEC、2/3FEC、ARQ 竞争-应答方式 0位、40位、60位密钥 CSVD 10~100 蓝牙技术产品阐扬低功耗无线电通信技术的来实现语音、数据和视频传输，其传输的速率最高为1Mb/s，以时分方式进行全双工通信，通信距离为10m左右，配置功率放大器可以使通信距离进一步增加。

2. 蓝牙技术的特点

蓝牙技术提供低成本、近距离无线通信，构成固定与移动设备通信环境中的个人网络，使得近距离内各种设备实现无缝资源资源共享。显然，这种通信技术与传统的通信模式有明显的却别，它的初衷是希望以相同成本和安全性实现一般电缆的功能，从而使得移动用户摆脱电缆的束缚。这决定蓝牙技术具备以下技术特性：

1）能传送语音和数据；

2）使用频段、连接性、抗干扰性和稳定性； 3）低成本、低功耗和低辐射

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