网络传输层技术.ppt

物联网技术导论,第4章 网络传输层技术网络传输层是物联网的神经中枢和大脑 承担数据可靠传递的功能。通过网络将感知的各种信息进行实时可靠传送。4.1 互联网4.2 移动通信网4.3 短距离无线通信4.4 无线传感器网络及相关技术4.5 综合通信传输技术,4.1 互联网网络传输层包括各种通信网络与互联网的融合网络、网络管理中心和信息处理中心等。涉及的关键技术包括互联网、移动通信、异构网融合、短距离无线通信，下一代承 载网、远程控制等。即通过现有的互联网、广电网、通信网或者下一代互联网（IPv6）,实现数据的传输和计算;它要解 决的是感知层所获得的数据在一定范围内，尤其是远距离地传输问题。,按传输方式分类：有线网络和无线网络；按传输距离分类有：长距离通信和短距离通信。有线通信传输层分：三网融合和现场总线。按距离又分为中、长距离（WAN）的广域网络（包括PSTN、ADSL和HFC数字电视Cable等）和短距离的现场总线（Field Bus，也包括PLC电力线载波等技术）无线通信传输层分：短距无线离通信和长距离无线通 信。短距离无线通信传输涉及ZigBee、WiFi(Wlan)、Bluetooth(蓝牙)，长距离无线通信传输涉及GPRS、WCDMA、TD-CDMA、GSM。物联网传输层的主要技术见表4-1。,各种通信网络与互联网形成的融合网络是最成熟的部分，但需要解决大规模M2M（Machine to Machine）应用普及后，新的业务模型对系统容量、Qos(Quality of Service，服务质量)的特别要求。还包括物联网管理中心、信息中心、云计算平台、专家系统等对海量信息进行智能处理的部分。也就是说网络层不但要具备网络运营的能力，还要提升信息运营的能力。网络层是物联网成为普遍服务的基础设施，有待突破的方向是向下与感知层的结合，向上与应用层的结合。,网络传输层可以理解为搭建物联网的网络平台，建立在现有的移动通信网、互联网和其他专网的基础上，通过各种接入设备与上述网络相连，如图4-2所示。如手机付费系统中由刷卡设备将内置手机的 RFID 信息采集上传到互联网，网络传输层完成后台鉴权认证并从银行网络划帐。,4.1 互联网 互联网连接的是虚拟世界网络，物联 网联接的是物理的、真实的世界网络。物以网聚是形成开放产业生态体系，且物联网需要对接的大量资源都已经 存在于互联网之上，而规模化的引入 物联网设备还需要IPv6地址体系的支 持。因此，互联网是物联网灵感的来 源，是物联网产业化规模发展的网络 基础。,互联网的发展历程及关键技术,1、雷纳德克兰洛克（1934-）是为阿帕网第一结点远程通信试验亲自“接生”的加州大学洛杉矶分校（UCLA）教授。1964年首次提出“分组交换”概念，为互联网奠定了最重要的技术基础。1969年UCLA成为阿帕网的第一个结点，并于当年10月29日 实现了网上第一个报文的传输。2008被授予美国国家科学家奖章，被人们称为数据网之父。,2、劳伦斯罗伯茨（1937-）是互联网前身“阿帕网”(ARPANET)项目技术负责人，无可争议的“阿帕网之父”。发表了阿帕网的构想多计算机网络与计算机间通信的设计论文，提出“资源子网”与“通信子网”分开的概念，并正确地为阿帕网选择了“分组交换”通信方式。1968年，他提交了一份题为资源共享的计算机网络报告，提出首先在美国西海岸选择4个结点进行试验。1969年10月29日，最终导致了“天下第一网”阿帕网诞生，标志着人类社会正式进入网络时代。,3、罗伯特.卡恩（1938年-）是阿帕网总体结构设计者。担任最重要的系统设计任务。承揽了阿帕网接口消息处理机（IMP)项目，就是今天网络最关键的设备路由器的前身。1972年10月，主持了美国各地40台计算机通过网络互联。设计出了第一个“网络控制协议”（NCP)，并参与了美国国家信息基础设施（俗称的“信息高速公路”）的设计。4、温顿.瑟夫（1943年-）克兰罗克教授的学生，有幸参加第一台结点交换机安装、调试、运行的全过程。1973年负责建立一种能保证计算机之间进行通信的标准规范（即“通信协议”）。1974年，与罗伯特.卡恩共同发表名为分组网络互联协议的论文，被媒体称为“因特网之父”。提出了真正的TCP/IP（传输控制协议/因特网协议）协议，这标志着因特网正式诞生。,4.1.2 IPv6与NGIIP解决的最根本问题是如何把网络连接在一起，即如何把计算机连接在一起，除了 计算机的网络地址之外，这些连接起来的计算机无需了解任何的网络细节。这就有以下三个要求：首先，每个连接在互联网上的计算机必须具有唯一的标识；其次，所有计算机都能 够与所有其他计算机以每个计算机都能识别的格式进行数据的收发；最后，一台计算机必须能够在了解另一计算机的网络地址后把数据可靠地传至对方。,IPv4起源于阿帕网的研究。IPv4是一个令人难以置信的成功的协议，它可以把数十个或数百个网络上的数以百计或数以千计的主机连接在一起，并已经在全球互联网上成功的连接了数以千万计的主机。IP协议的地址长度设定为32个二进制数位，可以提供接近于40亿个网络地址。经常以4 个两位十六进制数字表示，也常常以4个0至255间的数字表示，数字建议小数点间隔。每个IP主机地址包括两部分：网络地址，用于指出该主机属于哪一个网络（属于同一个网络的主机使用同样的网络地址）；主机地址，它唯一地定义了网络上的主机。,32位IP地址分成五类，只有三类用于IP网络，这三类地址一度被认为以应付将来的网络互联。A类，用于大型企业；B类，用于中型企业；C类，用于小型企业。A类、B类、C地址可以标识的网络个数分别是128、16384、2097152，每个网络可容纳的主机个数分别是16777216、65536、256出现A类利用率不高，B类分配殆尽，C类容量不能满足越来越多用户的的网络群体。解决地址危机的办法开始得以广泛使用，其中包括无类别域间路由选择（CIDR)、网络地址转换（NAT）和使用非选路由网络地址。,地址空间的限制是IPv4的根本问题，为了克服IPv4的不足，IETF从90年代初开始制定IPv6协议,IPv6继承了IPv4的端到端和尽力而为的基本思想，其设计目标就是要解决IPv4存在的问题，并取代IPv4成为下一代互联网的主导协议。IPv6的地址长度由IPv4的32位扩展到128位，提供了充分大的空间以满足各种 设的需求。IPv6并不等同于下一代互联网（即取名为：Internet2)，但它是下一代互联网的核心和灵魂。Internet2与现在使用的互联网相比，具有革命性的优势。,IPv6的地址能产生2128个IP地址，地址资源极为丰富，其数量至多可以这么形容：如果地球表面铺 上一层沙子，那么每一颗沙子都可以拥有一个IP地址。,4.1.3 Web2.0服务：众人拾才火焰高Web1.0时代，最突出的问题是内容奇缺，门户网站称为互 联网的主流，如新浪、搜狐等网站开始崭露头角。“信 息爆炸”的阶段。随着互联网的进一步发展，人们渐渐发现，互联网是最大的舞台，一个人人可以参与的舞台，而在这个当中，“群众的力量”还远远未被挖掘出来。至此，Web2.0悄然而至，社区、博客、消费者对消费者（C2C）电子商务大行其道，他们共同的特点是：搭建一个平台，方便用户的参与用户参与创建内容、提供信息、进行交易、进行传播。从互联网的发展历程来看，互联网是在不断“进化”，而在进化的过程中，是围绕一个“中心”、一个“特征”展开的一个“中心”就是“以用户的需求”为中心，一个“特征”就是互联网特征：开放、平等、分享、互动、创新。互联网从萌芽期到Web2.0时代，越来越开放，越来越平等，越来越强化用户的互动，分享和创新，人们通过互联网不断提高沟通效率，不断释放生产力。,1.Web2.0的诞生,2004年，在出版社经营者 OReilly和MediaLive International之间的一场头脑风 暴论坛。身为互联网先驱和 OReilly副总裁戴尔多尔蒂（如 图4-5所示）指出；伴随着令人 激动的新程序和新网站间惊人的 规律性，互联网不仅远没有“崩 溃”，甚至比以往更重要。两家公司联合召开了全球第一次 Web 2.0主题会议，次年，会议上又总结了他们认为表现Web2.0应用特色的一些关键原则。“Web 2.0”的概念由此诞生了。,图 4-5 戴尔 多尔蒂,2.Web2.0 的特征,Web2.0实际上是对Web1.0的信息源进行扩展，使其多样化。表4-2给出Web1.0与Web2.0的对比。,4.1.4 移动互联网1.概述当今，掌上电脑、智能手机、手机上网、移动QQ、飞信、微信、手机网购、手机游戏等等，层出不穷、千变万化、眼花缭乱的移动互联网服务充斥着我们生活，到处都是移动互联网的世界。日益增大的网络带宽不断增强的终端能力不断增加的移动应用固定和无线互联网的融合,2009年中国3G牌照的发布正式拉开了中国移动互联网的序幕。经过三年的发展，中国正在从移动互联网的萌芽期逐步向成长期过渡。2011年10月31日11月1日，由中国移动在北京成功举办了 2011移动互联网国际研讨会。会上提到“手机网民占全部网民比例已经达到65.5%。移动互联网正在成为主流互联网发展趋势。”2012年是中国的移动互联网大力发展的一年，移动互联网用户数人 数超过4亿，移动互联网应用全面开花。在移动互联网应用领域，2012年热点层出不穷：微信用户破3亿，盖过了QQ的发展势头；基 于LBS(Location Based Service，基于位置的服务)的O2O（Online To Offline，线上线下电子商务）应用兴盛一时；位置社交异军突起；,2.移动互联网是什么移动因特网移动+因特网简单的无线接入+因特网内容服务 移动因特网=移动因特网,移动互联网体现的是融合发生的不是物理变化，而是化学变化，二者有机结合出现新的产业形态是：移动互联网。它继承了移动随时随地随身和互联网分享、开放、互动的优势，是整合二者优势的“升级版本”。它将延伸至PC和任何可移动终端，如手机、个人数字助理（PDA）、MP3、手持游戏终端等。移动互联网强调使用蜂窝移动通信网接入并使用互联网业务，而无线接入互联网强调是各种无线接入技术接入互联网的方式。,3.移动互联网发展的两个阶段,封闭发展阶段1997年开发出无线应用协议（WAP），是为手机量身定制的“互联网”。这期间移动互联网在很大程度上复制了传统的互联网，手机相当于计算机，手机号码就像是互联网络的IP地址，移动运营商的GSM和CDMA网络就像是互联网，而短信网址是移动互联网的中文实名，用户可以不去记网站的手机号码，直接进行网站的访问。但它在平台层面并没有实现WAP和互联网的无缝对接，WAP网络完全是一个封闭的网络，是一个“有围墙的花园”，可理解为一个面向手机客户的巨大的“局域网”。,融合发展阶段WAP阶段只能算是移动互联网的雏形。而融合发 展阶段，一个重大的变革是通道和应用实现了分离，从而导致在应用层面，业务和平台从封闭走 向了开放，花园的围墙被推倒了，移动网络和互 联网之间的隔阂没有了，世界变平了！这期间，电信运商最大挑战就是：在移动互联网 时代，手机码不再是客户身份识别的唯一手段，应用识别码也可成为用户的识别码，如QQ号码未来就可能成为通用的用户识别码。运营商在通过 一些应用来强化手机号码作为认证的手段，如飞 信、手机邮箱等基于手机号码的黏性新业务，将手机号码打造成未来的“网络身份证”。互联网的核心特征是开放、分享、互动、创新。,回首中国“网”事,1987年9月20日20点55分，北京计算机应用技术研究所，在德国卡尔斯鲁厄大学维纳.措恩教授带领的科研小组的 帮组下，王运丰教授和李澄炯博士等建成了国内第一个电 子邮件节点，并成功发送了第一封穿越了半个地球到达德 国的邮件。中国因特网在国际上第一个声音就此发出。,费里德曼在世界 是平的中说，电子邮件是推动“世界是平的”的一种基本力量。只因基于互联网技术的电 子邮件比我们先前的任何一种通信方式都来得边界，使得信息交流跨越了时空的概念。,4.移动互联网基本网络架构在移动互联网架构中，通常可使用的设备包括台式计算机、便携式计算机、手提电脑、PDA（个人数字助理）、移动电话、手写输入设备等。在移动互联网体系中，移动式设备成为终端设备的主要客户端。移动互联网的终端特点，使得Internet、WAN、LAN、WLAN、GSM、GN、PAN 等网络体系成为一个有机联系的整体。如图4-11所示。,在图4-11中，实线（黑色为有线；红色为无线）为传统网络连接方式，虚线为移动互联网新增添的连接方式。在移动互联网体系中，设备可以通过蓝牙、红外、无线局域网 WIFI、移动上网GPRS，WCDMA 等方式接入网络，使得台式电 脑、便携式电脑、手提电脑、移动电话等设备之间交互成为现实。移动互联网并不仅局限于GPRS、CDMA、WCDMA 等移动上网方式，蓝牙Bluetooth、WIFI、CSD 均是移动互联网接入的方式接入方式可由用户根据成本与便利性选择使用。移动互联网下，从PAN个人区域网至局域网LAN、广域网WAN或Internet 之间的接入具有双向性。即用户可根据终端由 Internet 接入Lan 或PAN，也可由Pan 接入到LAN 或Internet，提高了接入的广度与深度。小型的PAN 可为移动设备用户提供更为低廉的接入访问方式，即利用了短距离接入的无线方式，也利用了局域网共享的优势。从各样接入方式与网络组成形式分析，移动互联网是包括小到PAN、GN、大到LAN 与WAN 等网络的有机整合体，即可以相互独立，也可以相互联系共享。因此移动互联网各终端之间的交互方式更为丰富，即可以是Http 通道的Web 交互，也可以是以太网之间的对等访问，更可以在通信线路与网络之间交互访问。在此基础上实现多种多样的服务。,5.移动互联网的技术特征,移动互联网继承了PC互联网的开放协作的特征，又继承了传统移动网络实时、隐私、便携、准确、可定位的特点，如图4-12所示。,4.2 移动通信网移动通信是指，通信双方有一方或两方处于 运动中的通信。包括陆、海、空移动通信。采用的频段遍及低频、中频、高频、甚高频和特高频。移动通信网由无线接入网、核心网和骨干网 三部分组成。无线接入网主要为移动终端提 供接入网络服务，核心网和骨干网主要为各种业务提供交换和传输服务。移动通信网为人与人之间通信、人与网络之间的通信、物与物之间的通信提供服务。在移动通信网中，当前比较热门的接入技术有3G、WiFi和WiMAX。,一个完整的移动通信信息传输实体有：移动交换子系统（SS）、操作维护管理子系统（OMS）、基站子系统（BSS）和移动台（MS）。如图4-13所示。,b.移动通信系统工作过程,基站子系统（BSS）：基站（BTS)和基站控制器（BSC）。主要作用：基站负责无线信号的收发。基站控制器：完成对各个基站的控制。移动子系统（MS）：手持台、车载台。交换子系统（SS）：移动交换机（MSC）位置寄存器（HLR、VLR）、鉴权中心（AUC）等。维护操作子系统（OMS）：负责管理控制整个移动网。,4.2.1 移动通信的发展历程,1G：模拟制式的移动通信系统，得益于70年代的两项关键突破：微处理器的发明和交换及控制链路的数字化。AMPS是美国推出的世界上第一个1G移动通信系统，充分利用了FDMA技术实现国内范围的语音通信。2G：风靡全球十几年的数字蜂窝通信系统，80年代末开发。2G是包括语音在内的全数字化系统，新技术体现在通话质量和系统容量的提升。GSM(Global system for mobile communication)是第一个商业运营的2G系统，GSM采用TDMA技术。2.5G：2.5G在2G基础上提供增强业务，如WAP。,3G：3G是移动多媒体通信系统，提供的业务包括语音，传真，数据，多媒体娱乐和全球无缝漫游等。NTT和爱立信1996年开始开发3G（ETSI于1998年），1998年国际电联推出WCDMA和CDMA2000两商用标准（中国2000年推出TD-SCDMA标准，2001年3月被3GPP接纳，起源于李世鹤带头搞的SCDMA）第一个3G网络运营于2001年的日本。3G技术提供2Mbps标准用户速率（高速移动下提供144KBPS速率）。4G：4G是真正意义的高速移动通信系统，用户速率20Mbps。4G支持交互多媒体业务，高质量影像，3D动画和宽带互联网接入，是宽带大容量的高速蜂窝系统。2005年初，NTTDOCOMO演示的4G移动通信系统在20km/小时下实现1Gbps的实时传输速率，该系统采用4X4天线MIMO技术和VSF-OFDM接入技术。,4.2.2 GSM和CDMA第一代移动通信系统的核心技术是频分多址（FDMA)，采用模拟信号传输。1987年，我国确定了以TACS制式作为我国模拟制式蜂窝移动电话的标准。按所使用的频率不同分为A网和B网。当年一部移动终端公开价格在2万元左右，黑市5万，被视为一种身份的象征。模拟系统有4个缺点：各系统间没有公共 接口；很难开展数据承载业务；频谱 利用率低无法适应大容量的需求；安全保密性差。,1.GSM风靡全球1982年，北欧国家向欧洲邮政电信管理部门会议（CEPT）提交了制定900MHz频段的公共欧洲电信业务规范，并成立了移动特别小组（GSM）1990年完成GSM900的规范，共产生大约130项的全面建议书。1991年将GSM更名为“全球移动通 信系统”，从此跨入了第二代数字移动通信系统，两个频段系统：GSM900和DCS1800，GSM系统 的核心技术是时分多址（TDMA)截止到2009年，全球共有39.3亿GSM和WCDMA/HSPA(高速上行链路分组接入技术 High SpeedUplink Packet Access)用户。GSM用户占了83.5%。在2014年前GSM的规模效应不会改变。,GSM系统几个重要特点1.防盗拷能力佳2.网络容量大3.手机号码资源丰富4.通话清晰5.稳定性强6.不易受干扰7.信息灵敏8.通话死角少9.手机耗电量低,我国GSM系统发展过程1992年，在嘉兴地区建设了全数字移动电话（GSM）演示系统。1994年10月25日，时任邮电部部长吴基传在中国国际通信设备技术展来年会上拨通了第一个GSM数字移动电话被视为中国进入数字移动电话一个标志性的事件。目前我国主要的两大GSM系统为GSM900（中国移 动）及GSM1800（中国联通）。前者发展较早，使用的较多，频谱较低，波长较长，穿透力较差，但传送的距离较远，手机发射功率较强，耗电量较 大，待机时间较短；后者发展较晚，频谱较低，波 长较短，穿透力较佳，但传送的距离较短，手机发 射功率较小，待机时间相应较长。很多双频手机都可支持这两大系统。,2.高通缔造CDMA神话CDMA技术的出现源自于人类对更高质量无线通信的需求，最初应 用在军事领域。CDMA移动通信系统是一个保密通信系统，它的码址总共有4.4万亿中可能的排列，可防止窃听，保密性强。艾文.雅各布于1985年7月1日，在他退休不到一年时候，决定与原公 司其他离职的6位同事一起再干一场，在家中共商大计，决定创建Quality Communications，他们的宏伟蓝图造就了20年后电信业中最耀眼的新星高通公司。,Shannon对CDMA基础理论的 形成作出了极大贡献，艾文.雅各布博士正是基于对该理论的浓厚兴趣，创造了CDMA技术和标准。诞生了“全线通”美国高通公司研制开发的车辆跟踪调度管 理系统，是移动信息管理领域的主流产品，占全球80%的市场份额。,高通公司CDMA技术的“专利霸主”CDMA的核心技术扩频技术可以增加网络的用户容量并重复利用频率资源，具备更强的安全性，基站数量可以大大减少，节省运营商的网络运营成本。优异的话音质量、更高的保密性和更可靠的接通率。同时系统具有容量大、配置灵活、通话质量更佳、频率规划简单、建网成本低等优势。高通初期清一色的工程技术人员也许不懂经营，但是他们做了最重要的两件事：把CDMA技术提交到美国标准组织和世界标准组织，申请被确立为世界移动通信标准；把CDMA研发过程中所有大大小小的技术都申请了专利确立了后来CDMA技术的“专利霸主”。是一家专门经营和销售知识产权的公司。CDMA技术已经成为全球3G标准的核心技术。,4.2.3 3G技术体系3G的真名是“IMT-2000”（International Mobile Telecom System.2000,国际移动电话系统-2000）,于 ITU1985年提出的，考虑到该系统将于2000年左右进入商用市场，工作的频段在2000MHz，且最高业务速率为2000Kbps，故于1996年正式更名为IMT.2000（International Mobile Telecommunication-2000），所以IMT-2000是第三代移动通信系统（3G）的统称。第三代移动通信技术的主动权受到4个支配力量的驱使：国际移动通信IMT.2000进程（1985年启动）日益增长的无线业务需求：许多系统如D-AMPS，GSM，PDC，PHS已经超出容量希望更高质量的语音业务希望在无线网络中引入高速数据和多媒体业务,3G标准制定的指导思想：系统中的网元可分别独立演进，网络尽可能实现平滑过渡，最终实现全IP化的全球宽带移动通信网络系统中无线接入网技术与核心交换网技术可各自遵循自己的演进路线。特别是在空中接口，3GPP致力于不断提高频谱利用率，除WCDMA作为首选空中接口技术获得不断完善外，UMTS（通用移动通信系统）还相继引入TD-SCDMA、高速下行链路数据分组接入（HSDPA）技术和高速上行两路数据分组接入（HSUPA）技术。3G在核心网技术：引入了分组软交换技术，进而顺应IP多媒体应用的发展趋势引入了IP多媒体域，以实现全IP多业务移动网络的最终发展目标。第三代移动通信系统：一种能提供多种类型、高质量多媒体业务，能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力，与固定网络相兼容，并以小型便携式终端在任何时候、任何地点进行任何种类通信的通信系统。,IMT-2000中的四大制式1G只能进行语音通话；2G增加了数据接收功能（如短信、电子邮件等）；3G就是“一条宽大通畅的高速公路”，可以视频通话、收发邮件、浏览网页、看电视、看电影和高速下载音乐等。3G的真名是“IMT-2000”（International Mobile Telecom System-2000,国际移动电话系统-2000）,于ITU1985年提出的，该系统工作在2000MHz频率段，最高业务速率可达2Mbit/s时至2007年10月19日，我国TD-SCDMA、欧洲WCDMA、美国cdma2000、全球微波互联接入（WiMAX)一并构成3G最主流的四大技术。,1.美国cdma2000是一种宽带CDMA技术。室内最高速率大于2Mbit/s，步行环境时为384kbit/s，车载环境时大于144kbit/s。由高通公司提出，摩托罗拉、朗讯和三星等厂商先后参与。目前使用CDMA的地区只有日、韩、北美和中国。由于cdma2000是CDMA标准的延伸，它与WCDMA互不兼容。全球CDMA投资萎缩，部分将升级为cdma2000，最终将演进到LTE(Long Term Evolution长期演进 技术),是第四代通信技术(4G)的其中一种标准格式。,cdma2000标准发展l cdma2000在核心网标准和技术方面相对滞后,2.欧洲WCDMA主要由欧洲和日本提出，其核心网是基于 GSM系统的移动应用部分（MAP）的可以保持与GSM/通用分组无线业务（GPRS）网络的兼容性，带宽5MHz，由此称为 WCDMA；W即宽带，以区别于源于北美 的窄带CDMA（带宽1.25MHz）标准。可有效支持电路交换业务、分组交换业务。灵活的无线协议可在一个载波内对同一用 户同时支持话音、数据和多媒体业务与，通过透明或非透明传输快来支持实时和非 实时业务。,WCDMA标准规划清晰，制定严谨l WCDMA支持HSDPA技术，顺应未来高速无线数据业务的需求l WCDMA将分阶段引入IP，目标是实现全网的IP化，标准比较完善l WCDMA 2001/06及以后发布的协议能够保持前向兼容,3.中国TD-SCDMA在1G、2G阶段，中国的企业曾对外支付了专利使用费2500亿人民币与5000亿人民币，如果在3G的竞争上，中国民族通信业不再标准上超前，1G和2G的被动局面将会再现。大唐电信集团为之做了大量富有成效的工作，时任电信科学研究院副院长的李世鹤（1941年出生于重庆）提出在SCDMA技术的基础上引入时分多址技术，并命名为TD-SCDMA技术，被国际电信联盟采纳为3G标准之一，由此李世鹤被誉为“中国3G之父”。,3G标准的指导思想系统中的网元可分别独立演进，网络尽可能实现 平滑过渡，最终实现全IP化的全球宽带移动通信网络系统中无线接入网技术与核心交换网技术可各自遵循自己的演进路线。特别是在空中接口，3GPP致力于不断提高频谱利用率，除 WCDMA作为首选空中接口技术获得不断完善外，UMTS（通用移动通信系统）还相继引入TD-SCDMA、高速下行链路数据分组接入（HSDPA）技术和高速上行两路数据分组接入（HSUPA）技 术。在核心网技术方面，引入了分组软交换技术，进 而顺应IP多媒体应用的发展趋势引入了IP多媒体域，以实现全IP多业务移动网络的最终发展目标。,4.WiMAX1999年7月，IEEE成立了802.16工作组专门研究宽带无线接入技术规范，目标是要建立一个全球统一的宽带无线接入标准。推出了IEEE802.16系列标准，弥补了IEEE在无线城域网标准上的空白。能实现的最大传输距离为50km，远远大于无线局 域网200m左右的覆盖范围，接入速率最高达到120Mbit/s,IEEE802.16提供完善的服务质量支持和安全性机制，相对于无线局域网有了本质上的发展。其中具有深远意义的标准有两个：固定宽带无线 接入标准802.16d和支持移动特性的宽带无线接入标准802.16e，工作频段为6GHz以下。严格上来说，WiMAX应该算是4G技术。,5.3G频谱分配,我国无线电频率划分规定依据国际电联有关第三代公众移动通信系统（IMT2000）频率划分和技术标准，按照我国无线电频率划分规定，结合我国无线电频谱使用的实际情况，我国第三代公众移动通信系统频率规划结果：1）主要工作频段：频分双工（FDD）方式：19201980MHz21102170MHz；时分双工（TDD）方式：18801920MHz、20102025MHz。2）补充工作频率：频分双工（FDD）方式：17551785MHz18501880MHz；时分双工（TDD）方式：23002400MHz，与无线电定位业务共用，均为主要业务，共用标准另行制定。3）卫星移动通信系统工作频段：19802010MHz21702200MHz。,4.2.4 向4G演进每一代无线通信网络的进步的核心标志是“速度！”。图4-21给出各标准的演进路线。,尽管3G要比2G优越得多，但仍存在一些尚未解决或仅解决了一部分的问题。在支持爆炸式增长的多媒体方面，3G还存在着一定的局限性。3G的局限性和困难主要体现在：难以支持更高速率的业务，频谱资源的缺乏和带宽饱和，在支持IPv6方面存在困难；要是现在不同频段间的不同业务环境中的漫游显得非常困难，无法提供全范围的多速率业务，缺乏端到端的无缝传输机制，费用昂贵。2008年3月国际电信联盟无线电部门发出征集IMT-Advanced（B3G，宽带3G，即4G）候选技术的通函，共收到6项提案：一是基于IEEE802.16m（WiMAX）技术的3个提案，分别来自IEEE、日本、韩国。另一个是基于LTE.Advanced(Long Term Evolution,长期演进技术，LTE也被通俗的称为3.9G)技术的3个提案，分别来自3GPP、日本和中国。,、,1.4G网络的定义,4G通信一种较广泛认同的定义：4G是一种宽带接入和分布式的全IP架构网络，是集成多功能的宽带移动通信系统。到目前为止，4G的定义 它的技术参数、国际标 准、网络结构、乃至业务内容依然没有完全统 一。,IMT-A技术的目标，峰值速率为：低速 移动、热点覆盖场景下1Gbit/s，高速移动、广域覆盖场 景下100Mbit/s。,2.4G网络的特点多网络融合：多种无线通信技术系统共存；全IP化网络：从单纯的电路交换向分组交换过渡，并最终演变为基于分组交换的全网络；用户容量更大：预计其容量为3G系统的10倍；无缝的全球覆盖：用户可在任何时间、任何地点使用无线网络；带宽更宽：更高的单位信道带宽和频谱传输效率；智能灵活性：用户的无线网络可以通过其他网络扩 展其应用业务，自适应地变换不同信道，提供更高 质量和个性化的服务；兼容性：兼容多种制式的通信协议和终端应用环境，及各种终端硬件设备。总之，4G网络必须实现更灵活的兼容性。,4G的未来是泛在网的必然趋势，即4G技术的多网融合网络，如图4-23所示。我国的4G业务主要以中国移动推出的TD-LTE技术为主，目前已在杭州进行小范围试运行，中国移动计划在2013年实现TD-SCDMA向TD-LTE的平滑过度，并建立TD_LTE基站20万个以上。正式的4G商用服务于2012年底在香港推出。长期演进为泛在网的五层构架，如图4-24所示。,归纳：泛在网五层结构,4.3 短距离无线通信随着网络及通信技术的飞速发展，人们对无线通信的需求越来越大，也出现了许多的无线通信协议。物联网背景下连接的物体，更多的情况要求适应物联网中那些能力较低的节点低速率、低通信半径（短距离）、低计算能力和低能量，需要对物联网中各种各样的物体进行操作的前提就是先将他们连接起来，低速网络协议是实现全面互联互通的前提。因此，在物联网结构中，其传输层主要应用技术为无线网络技术，所以各类网络中最具增长潜力的是无线网络。图4-25给出通信网络区间范围界定。,典型的无线低速网络协议有WiFi(802.11，Wireless Fidelity，无线 局域网)、蓝牙（协议）、紫蜂ZigBee（协议）、IrDA（Infrared Data Association，红外线数据协会）无线协议及 WSN（wireless sensor network，无线传感器网络）等无线低速网络技术。另外，在物联网中还涉及物体目标跟踪和定位。图4-26给出 IEEE802协议框架下无线传输空间划分。本节分别对这些典型的无线通信技术作介绍。,4.3.1 蓝牙技术（Bluetooth）蓝牙技术是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线机、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互联网之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙技术使用高速跳频和时分多址等先进技术，在近距离内最廉价地将几台数字化设备呈网状链接起来。蓝牙技术采用分散式网络结构，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段。其数据速率为1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输。,1.蓝牙技术的起源1998年5月，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蓝牙技术，其宗 旨是提供一种短距离、低成本的无线传输应用技术。蓝牙的名字来源于10世纪丹麦国王Harald Blatand.英译为Harold Bluetooth(因为他十分 喜欢吃蓝梅,所以牙齿每天都带着蓝色)。他将当时的瑞典、芬兰与丹麦统一起来。用他的名字来 命名这种新的技术标准，含有将四分五裂的局面 统一起来的意思。,2.蓝牙技术的应用蓝牙技术可以应用于日常生活的各个方面，例如，引入蓝牙技术，就可以去掉移动电话与膝上型电脑之间的令人讨厌的连接电 缆而通过无线使其建立通信。打印机、PDA、桌上型电脑、传真机、键 盘、游戏操纵杆以及所有其它的数字设备都可以成为蓝牙系统的一部分。,3.蓝牙技术的规范及特点蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。其程序写在一个9 9 mm的微芯片中。蓝牙工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工业、科学、医学）频段。蓝牙的标准是IEEE802.15，工作在2.4GHz 频带，带宽为1Mb/s。以时分方式进行全双工通信，其基带协议是电路交换和分组交换的组合。一个跳频频率发送一个同步分组，每个分组占用一个时隙，使用扩频技术也可扩展到5个时隙。同时，蓝牙技术支持1个异步数据通道或3个并发的同步话音通道，或1个同时传送异步数据和同步话音的通道。每一个话音通道支持64kb/s的同步话音；异步通道支持最大速率为721kb/s，反向应答速率为57.6 kb/s的非对称连接，或者是432.6 kb/s的对称连接。依据发射输出电平功率不同，蓝牙传输有3 种距离等级：Class1 为100m 左右；Class2 约为10m；Class3 约为2.3m。一般情况下，其正常的工作范围是10m半径之内。在此范围内，可进行多台设备间的互联。,4.蓝牙匹配规则两个蓝牙设备在进行通信前，必须将其匹配在一起，以保证其中一个设备发出的数据信息只会被经过允许的另一个设备所接受。蓝牙技术将设备分为两种：主设备和从设备。蓝牙主设备：主设备一般具有输入端。在进行蓝牙匹配操作时，用户通过输入端可输入随机的匹配密码来将两个设备匹配。蓝牙手机、安装有蓝牙模块的PC等都是主设备。（例如：蓝牙手机和蓝牙 PC进行匹配时，用户可在蓝牙手机上任意输入一组数字，然后在蓝牙PC 上输入相同的一组数字，来完成这两个设备之间的匹配。）蓝牙从设备：从设备一般不具备输入端。因此从设备在出厂时，在其蓝牙芯片中，固化有一个4位或6位数字的匹配密码。蓝牙耳机、UD数码笔等都是从设备。（例如：蓝牙PC与UD数码笔匹配时，用户将UD笔上的蓝牙匹配密码正确的输入到蓝牙PC上，完成UD笔与蓝牙PC之间的匹配。）,主设备与主设备之间、主设备与从设备之间，是可以互相匹配在一起的；而从设备与从设备是无法匹配的。例如：蓝牙PC与蓝牙手机可以匹配在一起；蓝牙PC也可以与UD笔匹配在一起；而UD笔与UD笔之间是不能匹配的。一个主设备，可匹配一个或多个其他设备。例如：一部蓝牙手机，一般只能匹配7个蓝牙设备。而一台蓝牙PC，可匹配十多个或数十个蓝牙设备。在同一时间，蓝牙设备之间仅支持点对点通信。,4.3.2WiFiWiFi(Wireless-Fidelity,无线高保真）也是一种无线通信协议，正式名称是IEEE80211b，与蓝牙一样，同属于短距离无线通信技术。WiFi速率最高可达11Mbs。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达100m左右，不用说家庭、办公室，就是小一点的整栋大楼也可使用。最初的IEEE80211规范是在1997年提出的，称为802.11b，主要目的是提供WLAN（Wireless Local Area Networks，无线局域网）接入，也是目前WLAN的主要技术标准，它的工作频率也是2.4 GHZ，与无绳电话、蓝牙等许多不需频率使用许可证的无线设备共享同一频段。起先,WiFi元件昂贵，兼容性不好，安全性也不能令人满意。随着时间推移，这些问题逐步得到解决，且随着WiFi协议新版本，如802.11a和802.11g的先后推出,WiFi的应用将越来越广泛。图4-25为WiFi总体拓扑结构。,1.WiFi的技术特点802.11a标准还没有被工业界广泛接受。它工作在5GHz频率范围，传输速率54Mbs，使用正交频分多路复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing;OFDM）调制技术，比802.11b采用的补码键控（ComplementaryCode Keying，CCK）