物聯網通信(存儲版)

　　

【正文】 需求 ① 系統性能需求 ?峰值速率 ?用戶吞吐量和頻譜效率 ?移動性 ?用戶面延時 ?控制面延時和容量 ② 部署成本和互操作性 ?上行和下行都可以工作在廣泛頻帶內以及適應各種帶寬的頻譜分配 ?LTE設計同時支持 FDD、 TDD和半雙工FDD模式 （ 3） LTE的架構 （ 4） LTE的關鍵技術 ① 多址技術 ? 下行采用的是正交頻分多址接入（ OFDMA）技術 ?系統的峰均功率比（ PAPR）過高問題的解決 ② 多天線技術 ? 增益來源：復用增益 、分集增益 、天線增益 ?下行 MIMO技術支持 2 2（兩發兩收）基本天線配置 ? 上行基本天線配置為 1 2 ③ 干擾抑制技術 ? LTE在 eNode B間引入 X2接口 ，以降低小區間干擾 短距離無線通信 ZigBee Bluetooth UWB 60 GHz ZigBee 圖 46 短距離無線通信技術一覽 1． ZigBee的來源與優勢 ZigBee技術的名字來源于蜂群使用的賴以生存和發展的通信方式。 ?多普勒效應 三類損耗和四種效應 三類損耗 ?路徑傳播損耗 ?大尺度衰落損耗 ?小尺度衰落損耗 四種效應 ?陰影效應 ?遠近效應 ?多徑效應 ?多普勒效應 2．移動通信的發展 ?蜂窩系統的概念和理論在 20世紀 60年代就由美國貝爾實驗室等單位提了出來，但其復雜的控制系統直到 20世紀 70年代才大規模實現。 ? 1974年，美國 Bell實驗室提出蜂窩移動通信的概念 移動通信特點 （ 1）移動性。 （ 2）電波傳播條件復雜。 ?小區制蜂窩通信具有小覆蓋、小發射功率和資源重用等優點，決定了它在現代移動通信中的重要作用。 ZigBee是基于 IEEE 研制開發的。 （ 6）時延短 對時延敏感的應用做了優化。 FFD通常有 3種狀態： ①作為一個主協調器； ②作為一個協調器； ③作為一個終端設備。 （ 2） ZigBee的協議架構 ZigBee的協議架構如圖 48所示，采用了 IEEE MAC層作為 ZigBee技術的物理層和 MAC層。 表 42 各個國家和地區 ZigBee頻率工作范圍 頻段（ MHz） 擴 展 參 數 數 據 參 數 碼片速率 （ kchip/s） 調 制 比特速率 （ kbit/s） 符號速率 （ kBaud/s） 符 號 868～ 300 BPSK 20 20 二進制 902～ 928 600 BPSK 40 40 二進制 2400～ 2023 OQPSK 250 16相正交 （ 4） ZigBee的上層協議 應用層包括 3個組成部分： 應用支持子層（ APS） 應用框架 ZigBee設備對象（ ZDO） ZigBee中定義了 3種密鑰： 網絡密鑰 用在數據鏈路層、網絡層和應用層中。 如圖 415所示： 圖 415 藍牙系統的組成 天線部分體積小巧，屬于微帶天線。 （ 4）跳頻技術 跳頻是指在接收或發送一分組數據后，即跳至另一頻點。 指 標 類 型 系 統 參 數 工作頻段 ISM頻段， ～ 雙工方式 全雙工， TDD時分雙工 業務類型 支持電路交換和分組交換業務 數據速率 異步信道速率 同步信道速率 1Mbit/s 非對稱連接為 721kbit/s、 ，對稱連接為 ，+EDR規范支持更高的速率 64kbit/s， +EDR規范支持更高的速率 功率 美國 FCC要求小于 0dBm（ 1mW），其他國家可擴展為 100mW 跳頻頻率數 79個頻點 /MHz 跳頻速率 1600跳 /秒 工作模式 PARK/HOLD/SNIFF 數據連接方式 面向連接業務（ SCO），無連接業務（ ACL） 糾錯方式 1/3 FEC、 2/3 FEC、 ARQ等 信道加密 采用 0位、 40位和 60位密鑰 發射距離 一般可達 10cm～ 10m，增加功率的情況下可達 100m 表 43 主要技術指標和系統參數 2． Bluetooth協議體系結構 圖 416 藍牙協議棧 藍牙的協議體系分為四層：核心協議層、替代電纜協議層、電話控制協議層和可選協議。 3． Bluetooth的應用及產品 藍牙 SIG中定義了幾種基本的應用模型 ，主要包括文件傳輸、 Inter網橋、局域 網接入、同步、三合一電話（ threeinone phone）和終端耳機等。 超寬帶 UWB 超寬帶技術產生原因 傳統的無線傳輸技術一般都是帶寬受限的，系統帶寬通常在 20MHz以下，可用頻譜資源有限和信道的多徑衰落特征是限制傳輸速率的主要瓶頸。 （ 2）通信距離短 高頻信號衰落更快，這導致 UWB信號產生嚴重的失真。 （ 3） 數據 傳輸 數字電視、家庭影院、 DVD機、投影機、數碼相機、機頂盒等家用電子設備之間的可視文件和數據流的傳輸。 （ 2）基于脈沖調制的超寬帶系統 UWB系統常用的調制方式包括脈位調制（ PPM）、脈幅調制（ PAM）和二相調制（ BPSK）。 OFDM（ MBOFDM）超寬帶技術 在 2023年 FCC規定了 UWB通信的頻譜使用范圍和功率限制后，全球各大消費電子類公司及其研究人員從傳統窄帶無線通信的角度出發，提出了有別于基帶窄脈沖形式的帶通載波調制超寬帶方案 MBOFDM（ MultiBand OFDM）。 信道估計序列長度 :兩種類型均為 6個OFDM符號。但是 10GHz以下無線頻譜分配擁擠不堪的現狀已完全排除了這種可能，因此，要實現超高速無線數據傳輸還需開辟新的頻譜資源。 ④ 單載波調制與 OFDM 在 60GHz物理層技術方案的選擇上，目前有單載波調制和 OFDM兩大備選技術。 （ 2）物理層 為了適應于不同的應用， IEEE 中定義了 3種物理層模式。 全向模式 全向模式是指設備使用全向天線進行通信，這時 中相同。 （ 4） MAC協議 使用載波偵聽多址 /沖突檢測（CSMA/CD）機制，使用定向天線來傳輸，支持同時有多個連接。 3．能量受限 網絡節點由電池供電，一旦電池能量用完，這個節點也就失去了作用（死亡）。 無線傳感器網絡能夠協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并以無線的方式發送出去，通過無線網絡最終發送給觀察者。一個好的MAC協議應具有可擴展性，以適應網絡的動態變化。對于節點間共同協作完成同一個任務，保證網絡性能具有重要意義。 2．無線傳感器網絡 MAC協議的分類 ② PAMAS協議 該協議基于 CSMA，不傳輸或不接收的節點會自動關閉無線收發模塊以節省能量。 TMAC協議規定了 5種事件和一個計時器 TA，根據 TA確定監聽工作階段的結束時間。 1．無線傳感器網絡路由協議特點與設計原則 （ 2）基于局部拓撲信息 節點只能獲取局部拓撲信息且資源有限，需要實現簡單高效的路由機制。 ( 1 ) , 1 , ,1CWrr CWP r CW?? ???????3．典型的無線傳感器網絡 MAC協議 Sift協議和 SMAC以及 TMAC協議一樣只是從發送數據的節點考慮問題，對接收節點的狀態考慮較少，需要節點間保持時鐘同步，特別適合于傳感器網絡內局部區域使用。 SMAC采用的主要機制如下 ： 3．典型的無線傳感器網絡 MAC協議 ① 周期監聽和睡眠機制：該機制會帶來一定的通信延遲，占用大量存儲空間緩存數據 ② 沖突和串音避免機制：采用了物理和虛擬載波監聽機制和 RTS/CTS握手交互機制來減少沖突和避免串音 3．典型的無線傳感器網絡 MAC協議 ③消息傳遞機制：可以支持長消息的發送，提高消息成功發送率 ④流量自適應監聽機制：減小了通信延遲的累加效應，但周期睡眠造成的延遲依然很顯著 SMAC協議并不適合健康監測、目標跟蹤等實時性較高的應用。 2．無線傳感器網絡 MAC協議的分類 ① DCF協議 基于 IEEE ，主要是從MACAW協議演進而來。網絡的吞吐量受許多因素的影響，例如沖突避免機制的有效性、信道利用率、延遲、控制開銷等。 MAC協議直接控制無線收發電路，因此 MAC協議的能量有效性直接影響節點和網絡的生存壽命。 8．易受物理環境影響 無線傳感器網絡與其所在的物理環境密切相關，并隨著環境的變化而不斷地變化。傳感器節點的死亡、移動，新節點的加入，使得整個網絡的拓撲結構發生動態變化，要求網絡具有可調整性和可重構性。 （ 2）異構的網絡同樣適用 ECMA387提出了一個異構的網絡解決方案，相同類型的設備之間可以互相操作，不同類型的設備之間也可以共存和互操作。 CTA在超幀中的位置是可以動態改變的，這樣 PNC可以靈活地分配 CTA的時間給 DEV，從而提高信道資源的利用率。 微微網 工作過程（ 2） 加入 DEV通過關聯過程加入微微網，PNC會廣播微微網內所有 DEV的信息，并將新的 DEV信息放到信標中，從而使網內其他 DEV和新加入的 DEV知道彼此的信息。 有實驗表明 4跳 60GHz系統已可實現與 WLAN相同的覆蓋范圍，并保持每秒數吉比特的超高速率。 時頻碼（ TimeFrequency Code， TFC）， MBOFDM 定義了 7組時頻碼，其中包括 4組跳頻與 3組定頻模式，跳頻模式可使兩個未經協調的微微網（ pico）之間的干擾減小。PLCP前導的結構分為同步序列和信道估計序列兩段。 OOK和 PPM比較 優點 ： 可以通過非相干檢測恢復信息 ； 缺點 ： 經過這些方式調制的脈沖信號將出現線譜。 脈沖無線電（ Impulse Radio） ： （ 1）常用脈沖波形 功率譜的形狀取決于脈沖信號的形狀。 （ 1）短距離點到點通信 各種移動設備之間的高速信息傳輸，例如 PDA、 MP可視電話、 3G手機等設備之間的短距離點到點通信，包括多媒體文件傳輸、游戲互動等。 中心頻率 ： ? ?HL 2ff?? ?? ?HL10 dBF r a c tion a lH L H L22ffBBf f f f? ?????例如，以 ?10dB絕對帶寬計算 的相對帶寬為： 注： FCC規定 UWB信號為絕對帶寬 大于 500MHz或相對帶寬大于 20%的無線電信號 。 藍牙 2023年底宣布的低功耗藍牙無線技術規范。 （ 3）邏輯鏈路控制和適配協議（L2CAP）：位于基帶協議之上，為低層的數據服務，向上層提供面向連接和無連接的數據服務。 （ 8）編碼安全 藍牙技術在物理層、鏈路層、業務層3個層次上提供安全措施，充分保證通信的保密性。 藍牙的無線發射機采用 FM調制方式， 從而能降低設備的復雜性。 Bluetooth的主要技術特點： （ 1）拓撲結構 藍牙技術支持點對點或點對多點的話音、數據業務 ， 采用一種靈活的無基站的組網方式，如圖 413和圖 414所示。 工作頻率范圍/MHz 頻 段 類 型 國家和地區 868～ ISM 歐洲 902～ 928 ISM 北美 2400～ ISM 全球 表 41 各個國家和地區 ZigBee頻率工作范圍 由于各個國家和地區采用的工作頻率范圍不同，為了提高數據傳輸速率， IEEE ，規定了不同的調制方式。