物联网概论第三章 物联网技术基础.ppt

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1、物联网概论,第三章 物联网技术基础,2,目 录,3.1 传感器技术 3.2 MEMS技术 3.3 无线传感器网络 3.4 无线网络技术 3.5 自动识别技术 3.6 条形码技术 3.7 定位技术,3,3.1传感器技术,传感器和人们的日常生活密切相关,传感器具有的社会意义,传感器在经济建设中占据重要地位,4,3.1传感器技术,尽管21世纪的人们并没有实现科幻小说中的某些预言。然而更为奇妙的场景很快便会成为现实：只需一台电脑，一切尽在掌控之中。你可以一边从个人pc中调控欣赏在平面电视上播放的影片，一边控制烤箱的温度，等待享受美味的下午茶，同时密切地监控与了解一切需要关注的信息：工作室里机器的运行，

2、实验室里研究的进度，家中饮用水的成分和空气中或许可能出现有毒物质的示警，酒窖里不同位置的温度与湿度，私家公路的灯光调控，各类仪表的数据变更不会再有过火而败味的美食，更不会有小鬼当家中入室的匪徒，火灾和毒气泄漏都将最大程度地被防止，博物馆的馆长则不再担惊受怕地忧虑古董名画的命运。,5,3.1传感器技术,传感器的定义传感器的组成 传感器的分类 传感器的应用,6,3.1.1传感器的定义,传感器（Sensor）的定义：能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置。,传感器的组成：由敏感元器件（感知元件）和转换器件两部分组成。,半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器！,7,3

3、.1.1传感器的定义,物理类：基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。,化学类：基于化学反应的原理。,生物类：基于酶、抗体和激素等分子识别功能。,敏感元器件品种,8,3.1.1传感器的定义,索诺马溪谷，气温急剧上升。但这家位于吉克庄园的葡萄酒商正在通过每棵葡萄树上的小型无线Zigbee传感器密切地监控自己的田地。这些一枚硬币大小的机器可以跟踪土壤的温度和营养成分等数据。它们利用卫星无线发射机相连接。商业周刊,9,3.1.1传感器的定义,光化学传感器是近年发展起来的一种新型微量和痕量分析技术，它是把特定的化学物质的种类和浓度变成电信号来表示的功能元件。主要是利用光敏感材料与被测物质中的分子、离子或

4、生物物质相互接触时直接或间接地引起电极电势等电信号的变化,使得很少的化学物质加入体系后,会有放大了许多倍的信号被检出,借此可以获得某种化学物质的浓度。目前,化学传感器的研究受到了广泛的关注,由于其具有灵敏度非常高,选择性好,携带方便,易微型化,能用于现场分析和监控等特点,因此在矿山开发、石油化工、生物医学及日常生活中越来越多的被用来作为易燃,易爆,有毒,有害气体的检测预报和自动控制装置,或用来测定多种含量极低的物质,甚至可以测量细胞中的离子浓度。医学上采用化学传感器作病情诊断及治疗过程的自动控制。,10,3.1.1传感器的定义,日本制成多功能生物传感器，它能测定血液和尿中的各种物质，如糖、蛋白

5、质和胆固醇等。英国科学家研制一种如同一支钢笔大小的酶传感器。它可在瞬间测出汽车驾驶员血液中的酒精含量，从而大大方便了警察的执法。日本九州大学的科研人员研制出比人的舌头还要灵敏10倍的味觉传感器。利用传感器产生不同的电位差，从电位差的变化可了解产生味道的浓度。,11,3.1.2 传感器的组成,传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路和辅助电源等组成,12,3.1.2 传感器的组成,敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，把输入转换成电路参量。基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。,1

6、3,3.1.2 传感器的分类,物理传感器：应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。,化学传感器：包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。,根据传感器的工具原理划分,14,3.1.3 传感器的分类,根据传感器的用途划分,压敏和力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、加速度传感器、辐射传感器、热敏传感器等。,根据传感器的原理划分,振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器、生物传感器等。,15,3.1.3 传感器的分类,根据输出

7、的信号,膺数字传感器:将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出（包括直接或间接转换）。,模拟传感器:将被测量的非电学量转换成模拟电信号。,开关传感器:当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。,数字传感器:将被测量的非电学量转换成数字输出信号。,16,3.1.4 传感器的应用,在现代工业上的应用,现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各种参数，使设备工作在最佳或正常状态，并使产品达到质量要求。,钢铁企业应用各种传感器和通信网络，在生产过程中实现对加工产品的宽度、厚度、温度的实时监控，从而提高了产品质量，优化

8、了生产流程。,17,3.1.4 传感器的应用,在家用电器领域的应用,如全自动洗衣机、电饭煲和微波炉等都离不开传感器。医疗卫生领域，电子脉博仪、体温计、医用呼吸机、超声波诊断仪、断层扫描（CT）及核磁共振诊断设备等，都大量地使用了各种各样的传感技术。,温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化而变化的特性工作的.,18,3.1.4 传感器的应用,在军事国防领域的应用,在军事国防领域，各种侦测设备，红外夜视探测，雷达跟踪、武器精确制导等，没有传感器是难以实现的。,目前每架军用飞机需 20 多种力学量的传感器，对操纵杆拉力、起落着陆冲击力、发动机的推动

9、力、救生装置弹射力、进气管压力场分布及动态中各种压力、振动、加速度、角加速度、位移等参量的测量，还要对过载和燃油密度及飞行员呼吸的流量等参数的测量，检测机舱内含氧量、舱内烟雾报警、机载火控系统的设计、隐型用传感器等。,19,3.1.4 传感器的应用,在航天领域的应用,在航空航天领域，空中管制、导航、飞机的飞行管理和自动驾驶着陆系统等，都需要大量的传感器。人造卫星的遥感遥测等都与传感器紧密相关。,“阿波罗10”的运载火箭部分，检测加速度、声学、温度、压力、振动、流量、应变等参数的传感器共有2077个，宇宙飞船部分共有各种传感器1218个。,20,3.2 MEMS技术,MEMS的基本概念 MEMS

10、技术的特点MEMS技术的起源MEMS的制造工艺 MEMS的加工材料MEMS的分类与应用 MEMS的发展前景,21,3.2.1 MEMS的基本概念,MEMS,Micro Electromechanical System，微机电系统,MEMS是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。,22,3.2.1 MEMS的基本概念,这种微电子机械系统不仅能采集、处理与发送信息或指令，还能按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。,23,3.2.2 MEMS的基本概念,微型化,MEMS的基本特点,低能耗、灵敏度和工作效率高,以硅为主要原料,可批量生产,集成

11、化,学科上的交叉,应用上的高度与广泛,24,3.2.3 MEMS的起源,半导体传感器,微型传感器,微机械加工技术,微执行器,25,3.2.4MEMS的制造工艺,微米/纳米技术包括了从亚毫米到亚微米范围内的材料工艺和装置的加工制造和综合集成。微米制造技术包括对微米材料的加工和制造。它的制造工艺包括光刻、刻蚀、淀积外延生长、扩散、离子注入、测试、监测与封装。纳米制造技术和工艺除了包括微米制造的一些技术（如离子束光刻等与工艺外，还包括为了利用材料的本质特性而对材料进行分子和原子量级的加工与排列技术和工艺等。,26,3.2.5 MEMS的加工材料,MEMS技术采用的材料一般可分为衬底材料和附加材料两类

12、。目前微机械加工采用的衬底材料以硅为主。衬底材料则可以是其他非半导体材料，包括金属、玻璃、石英、其他晶态绝缘体、陶瓷、塑料、高聚物以及其他有机和无机材料。,27,3.2.6 MEMS器件的分类与应用,力学换能器热学换能器光学换能器电磁学换能器化学与生物传感器及微流体器件,28,力学换能器,分为：力学传感器、力学执行器和机械电路元件3种。力学传感器：1速度2压力3应变4声音5触觉,29,力学换能器,力学执行器：根据实际采用的原理，力学执行器可分为静电式、热学式和压电式,30,力学换能器,机械电路元件：包括采用微机械加工的方法制作的谐振器、通用继电器和射频开关等。,31,光学换能器,光学换能器可分

13、为传感器和执行器两类。传感器的种类很多主要是采用微机械加工技术制作的半导体光学传感器和传感器阵列（如CCD 器件-Charge-coupled Device，电荷耦合元件。可称CCD图像传感器，是一种半导体器件，能把光学影像转化为数字信号。CCD上植入微光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用如胶片，但它是把图像像素转换成数字信号）。具体采用的效应有光电效应、光伏效应、光倒效应和热电效应等。,光学执行器-早期是微型发光器及其阵列（包括LED、激光LED、等离子光源、荧光光源）和液晶显示阵列。,33,热学换能器,热学换能器也分为传感器

14、和执行器。传感器主要有热电阻、热电偶原理和PN结效应制作的多种微型温度传感器、微型露点传感器、微型热量计等。执行器有制冷器和Peltier效应（两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差。这就是Peltier效应），是法国科学家珀尔帖于1834年发现的）热泵等。,34,电磁学换能器,（1）磁传感器：包括霍尔效应传感器、磁敏电阻式传感器、真空电子式磁传感、磁通门式磁力计、隧道式磁力计和超导量子干涉磁力计等。（2）电磁执行器：目前已有采用磁致伸缩原理和传统电机驱动原理制作的执行器。为了能在微结构中产生磁场，可采用制作永磁薄膜和微型线圈的办法。,35,化学与生物传感器

15、及微流体器件,化学和生物传感器主要用在医学诊断、植入式检测、环境监测和食品工艺检测等方面，基本还处在研究阶段。除了与宏观化学和生物传感器对应的微观器件外，这类传感器还包括基因芯片及各种可与生物神经系统接口的微电极阵列等。,36,微流体器件,（1）流体传感器 包括检测流量、流速、密度和粘滞性等物理量的传感器。（2）阀 微型阀根据有无动力执行机构可分为有源和无源两类。有源阀的开关动作执行机构可采用热膨胀、气动、压电静电和电磁等原理。（3）泵 微流体泵可实现的功能有输送反应物或悬浮颗粒、产生压力差、使冷却水循环、产生推进力等。（4）流体通道 流体通道是微流体系统的基本构件，可以采用包括硅在内的多种材

16、料，采用的方法是体或表面微机械加工技术。（5）集成的化学分析系统 这类实例包括气体和液体的色彩分析系统、细胞融合装置以及DNA放大分析系统等。,37,3.2.7 MEMS发展前景 与应用领域,MEMS技术也正发展成为一个巨大的产业，多数工业观察家预测，未来5年MEMS器件的销售额将呈迅速增长之势，年平均增长率约为18%，因此对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。,38,MEMS的应用领域,（1）航空航天在飞机和载人航天器上应用的各种传感器数量很大，若采用微型集成传感器，体积、质量、耗电功率将减少很多，对航天器来说，仪表系统的体积质量减少后，运载效益

17、将非常可观。MEMS技术首先将促进航天器内传感器的微型化，使之节能、降低成本和大幅度提高系统可靠性。微型卫星和小卫星就是这一领域的成果。,39,MEMS的应用领域,（2）医药卫生应用于生物医学领域的微机电系统,通常称为生物微机电系统（BioMEMS）。传统上把在数平方厘米大小的硅片等材料上加工出的应用于生化分析的生物微机电系统称为生物芯片（BioChip）以生物芯片为核心的微全分析系统（Micro Total Analysis Systems，MTAS）是微机电系统当前的研究热点之一。由于具有效率高、成本低的优点，所以生物芯片的研究和开发将对生物和医学基础研究、疾病诊断与治疗、农业育种、新药开

18、发、环境监测、司法鉴定等产生重大影响。,40,MEMS的应用领域,（3）光学器件微机电系统技术利用制作硅芯片的微细加工工艺，可以实现超小型精密立体微结构和把许多微结构组合成系统。因此，微机电系统技术在制作光学器件中大有用武之地。如光开关和光交换器、光存储等。,41,MEMS的应用领域,（4）微能源对于微机电或包含微机电的器件，常规能源用一般的方法很难高效地完成供能任务。因此，微能源也成为了微机电技术应用的一个非常重要的领域。目前正在研制的微能源种类很丰富，主要有微型内燃机系统，微燃料电池、微蓄电池等。,42,MEMS的应用领域,（5）微机器人微机器人是微系统最典型的应用。在许多特殊场合，在人难

19、以接近或不能接近的空间中，微机器人完成人的工作，如狭小空间中的机器人、电缆维修机器人等。,43,3.3 无线传感器网络,无线传感器网络概述 无线传感器网络的应用领域,44,3.3.1 无线传感器网络概述,无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是信息科学领域中一个全新的发展方向，也是新兴学科与传统学科进行领域间交叉的结果。,45,3.3.1 无线传感器网络概述,三个阶段,46,无线传感器网络概述,智能传感器将计算能力嵌入到传感器中，使得传感器节点不仅具有数据采集能力，而且具有信息处理能力。无线智能传感器在智能传感器的基础上增加了无线通信能力，大大延长了传感器的

20、感知触角，降低了传感器的工程实施成本。,47,无线传感器网络概述,无线传感器网络将网络技术引入到无线智能传感器中，使得传感器不再是单个的感知单元，而是能够交换信息、协调控制的有机体，实现物与物的互联，把感知触角深入世界各个角落，成为下一代互联网及物联网的基础。,48,无线传感器网络技术发展背景,1996年，美国UCLA大学的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。在其后的10余年里，WSN网络技术得到学术界、工业界、政府的广泛关注，成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空

21、间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。,49,3.3.2 无线传感器网络的系统结构,无线传感网由部署在监测区域内、具有无线通信与计算能力的大量的廉价微型传感器节点组成，通过自组织方式构成能够根据环境完成指定任务的分布式、智能化网络系统。无线传感网的节点间一般采用多跳（multi-hop）方式进行通信。传感网的节点协作监控不同位置的物理或者环境状况（如温度、湿度、声音、压力或污染物等）。,50,3.3.2 无线传感器网络的系统结构,无线传感网的系统结构图,传感网通过一组传感器以特定方式构成有线或者无线网络，使各节点能协作地感知、采集和处理

22、网络覆盖范围内地理区域中的感知对象信息，并发布给观察者。,51,3.3.2 无线传感器网络的系统结构,传感网的构建必须具备三个基本要素：感知对象：需要被感知的任何事物或者环境参数。感知节点：既有感知功能，也有路由选择功能，用于检测周围事件的发生或者环境参数。汇聚节点：即SINK，从传感器节点采集并处理最终的检测数据。传感网可在独立的环境下运行，也可以通过网关连接到网络，通过自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知的信息传送到用户终端。,52,3.3.2 无线传感器网络的系统结构,无线传感器网络节点单元结构示意,53,3.3.2 无线传感器网络的系统结构,无线传感网节点的组成和功能，包括6个单元

23、：感知单元：由传感器和A/D转换模块组成。用于感知、获取外界信息，并将其转换为数字信号。处理单元：由微处理器、存储器、嵌入式操作系统等构成。负责协调节点各部分的工作，如对感知单元获取的信息进行必要的处理、保存，控制感知单元和电源的工作模式等。通信单元：由无线收发器构成，负责与其他传感器或者收发器进行通信。电源部分：为传感器工作提供必要的能源。定位系统：用于观察者对传感器的位置进行跟踪。移动系统：用于在执行特定任务时，移动传感器节点。,54,3.3.2 无线传感器网络的系统结构,传感器节点在无线传感网中可作为数据采集者、数据中转站或者簇头节点。作为数据采集者，数据采集节点收集周围环境数据，通过通

24、信路由协议直接或者间接将数据传递给远方基站或者sink节点；作为数据中转站，节点除了完成数据采集任务以外，还要接收邻居节点的数据，将其发送给距离基站更近的邻居节点或者直接发送到基站或者sink节点；作为簇头节点，节点负责收集该簇内所有节点采集到的数据，经过数据融合后，发送到基站或者sink节点。,55,3.3.3 无线传感器网络结构和部署,无线传感网的拓扑结构有三种：星状网、网状网和混合网。,56,星状网,星状网的拓扑结构是单跳（single-hop）。如传统无线网络中，所有终端节点直接与基站进行双向通信，而彼此之间不进行连接。基站节点可以是一台PC、专用控制设备或其他与数据处理设备通信的网关

25、，网络中各终端节点也可按应用需求而各不相同。这种结构对传感网并不合适，因为传感器自身能量有限，如果每个节点都要保证数据的正确接收，则传感器节点需要以较大功率发送数据。此外，当节点之间距离较近时，会监测到相似或者相同的信息，这些不必要的冗余会增加网络的负载。,57,混合网,混合网拓扑结构力求兼具星状网的简洁、易控以及网状网的多跳和自愈的优点，使得整个网络的建立、维护以及更新更简单、高效。其中，分层式网络结构属于混合网中较典型的一种，尤其适合节点众多的无线传感网的应用。分层网中，整个传感器网络形成分层结构，传感器节点通过基站指定或者自组织的方法形成各个独立的簇（cluster），每个簇选出相应的簇

26、首（cluster head），由簇首负责簇内所有节点的控制，并对簇内所收集的信息进行整合、处理，随后发送给基站。分层式网络结构既通过簇内控制，减少了节点与基站间远距离的信令交互，降低了网络建立的复杂度，减少了网络路由和数据处理的开销，同时又可通过数据融合降低网络负载，而多跳也减少了网络的能量消耗。,58,网状网拓扑结构,网状网拓扑结构是多跳的结构，网络中所有节点都可直接通信。通过一定的算法，网络选择一条或者多条路由进行多跳数据传输。由于每个传感器节点都有多条路径可达基站节点，故其故障修复能力较强。系统以多跳代替了单跳传输，减少了每一个传感器节点发送数据所需要的功率。然而由于网络节点数量较多，

27、分布随机、且拓扑结构变化复杂，因此在网络中进行多跳路由查找以及路由维护和修复很困难。同时，传感器节点必须时刻保持“监听”状态，相应增加了网络能耗，减少了网络寿命。,59,无线传器网络的部署,在传感网中，传感器节点可通过飞机播撒、人工安装等方式部署在感知对象内部、附近或周边等。这些节点通过自组织或设定方式组网，以协作方式感知、采集和处理覆盖区域中特定的信息，实现对信息在任意地点、任意时间的采集、处理和分析，并以多跳中继的方式将数据传回汇聚节点sink。,传感网的部署过程,60,3.3.4 无线传感网协议,61,3.3.4 无线传感网协议,物理层通信协议主要解决传输介质选择、传输频段选择、无线电收

28、发器的设计、调制方式等问题。由于无线传感器节点的能量有限，物理层（包括其他层）的一个核心设计原则就是节能。传感网使用的传输介质主要包括无线电、红外线、光波等，其中无线电是目前最主要的传输介质。使用这种介质需要解决频段选择、调制方式的选择等问题。,62,3.3.4 无线传感网协议,数据链路层的研究主要集中在MAC协议。传感网的MAC协议旨在为资源（特别是能量）受限的大量传感器节点建立具有自组织能力的多跳通信链路，实现公平优先的通信资源共享，处理数据包之间的碰撞，重点是如何节约能源。,63,3.3.4 无线传感网协议,网络层路由协议主要包括基于聚簇的路由协议、基于地理位置的路由协议、能量感知路由协

29、议、以数据为中心的路由协议等。（1）基于聚簇的路由协议-根据规则把所有节点集分为多个子集，各集为一个簇，有簇头，负责全局路由，其他节点通过簇头接受或发送数据。（2）基于地理位置的路由协议-假定各节点都知道自己的地理位置以及目标节点的地理位置。（3）以数据为中心的路由协议-节点不具有全局唯一地址，而是观测数据的属性。sink用洪泛方式将兴趣消息（监测数据）传播到整个或部分区内的节点。传播中，协议在每个节点上建立反向的从数据源到sink的传输路径，再把数据沿己确定的路径向sink传送。该类协议的能量和时间开销大。（4）能量感知路由协议-源节点和目标节点间建立多条通信路径，各路径具有一个与节点剩余能

30、量相关的选择概率，当源节点向目的节点传输数据时，协议根据路径的选择概率选择一条路径传输。在设计路由协议时要考虑节能与通信服务质量的平衡、如何支持拓扑结构频繁改变、如何面向应用设计路由协议、安全路由协议等问题。,64,3.3.4 无线传感网协议,传输层协议传感网的传输层与传统的网络传输层担负的任务大致相同，负责端到端的传输控制。传感网与互联网或其他网络相连时，传输层协议尤其重要。因传感网的能量受限性、节点命名机制、以数据为中心等特征，使其传输控制很困难，传感网的传输层需要特殊的技术和方法。,65,3.3.5无线传感器网络的应用领域,无线传感器网络可使用众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度

31、、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。基于MEMS的微传感技术和无线联网技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。,66,3.3.5无线传感器网络的应用领域,环境的监测和保护 医疗护理军事领域 生产作业,67,无线传感器网络的特点,无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点。,68,环境的监测和保护,英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器接入互联网，以读出缅因州“大鸭岛”上的气候，用来评价

32、一种海燕巢的条件。无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。它也可以应用在精致农业中，监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。,69,医疗护理,曼彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的生理征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。,70,医疗护理,英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护理技术。该技术是作为探讨应对老龄化社会的技术项目CAST（Center for Aging Services Technologies）的一个环节开发的。该系统通过在鞋、家具以家用电器等家

33、具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默病患者以及残障人士的家庭生活。利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便护理。,71,军事领域,由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，非常适用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行“智能灰尘”（Smart Dust）传感器技术的研发。,72,生产作业,英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由40台机器上的210个传感器组成，这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件。它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以

34、提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用寿命。,73,3.4 无线网络技术,无线网络技术涵盖的范围很广，既包括允许用户建立远距离无线连接的全球语音和数据网络，也包括为近距离无线连接进行优化的红外线技术及射频技术等。,74,3.4.1无线网络的类型,无线广域网 无线城域网无线局域网 无线个人网,75,无线广域网,无线广域网（WWAN）技术可使用户通过远程公用网络或专用网络建立无线网络连接。通过无线服务提供商负责维护的若干天线基站或卫星系统，这些连接可以覆盖广大的地理区域，例如若干城市或者国家和地区。目前的WWAN 技术被称为第二代移动通信技术（2G）系统。2G系统主要包括

35、移动通信全球系统（GSM）、蜂窝式数字分组数据（CDPD）和码分多址（CDMA）。现在正努力从 2G 网络向第三代移动通信技术（3G）过渡。,76,无线城域网,无线城域网（WMAN）技术使用户可以在城区的多个场所之间创建无线连接（如在一个城市或大学校园的多个办公楼之间），而不必花费高昂的费用铺设光缆、铜质电缆和租用线路。,WMAN使用无线电波或红外光波传送数据。,77,无线局域网,无线局域网（WLAN）技术可以使用户在本地创建无线连接（例如，在公司或校园的大楼里，或在某个公共场所，如机场、宾馆、酒店、候车室等）。,78,无线个人网,无线个人网（WPAN）技术使用户能够为个人操作空间（POS）设

36、备（如 PDA、移动电话和笔记本电脑等）创建临时无线通讯。POS 指的是以个人为中心，最大距离为 10 米的一个空间范围。,主要的 WPAN 技术是蓝牙“Bluetooth”和红外线。,79,3.4.2无线网络常用设备类型,无线网卡 无线网桥 无线天线,80,无线网卡,无线网卡的作用类似于以太网中的网卡，作为无线局域网的接口，实现与无线局域网的连接。无线网卡根据接口类型的不同，主要分为三种类型，即PCMCIA无线网卡、PCI无线网卡和USB无线网卡。,81,无线网桥,无线网桥用于连接两个或多个独立的网络段，这些独立的网络段通常位于不同的建筑内，相距几百米到几十公里,广泛应用在不同建筑物间的互联

37、。无线网桥的特点是功率大，传输距离远（最大可达约50km），抗干扰能力强等，不自带天线，一般配备抛物面天线实现长距离的点对点连接。,82,无线天线,当计算机与无线接入点（AP）或其他计算机相距较远时，随着信号的减弱，传输速率会明显下降，或者根本无法实现与AP或其他计算机之间通讯，此时，就必须借助于无线天线对所接收或发送的信号进行增益（放大）。,83,无线天线,无线天线常见的类型有两种一种是室内天线，优点是方便灵活，缺点是增益小，传输距离短另一种是室外天线。优点是传输距离远。比较适合远距离传输。,84,3.4.3无线网络的接入方式,根据不同的应用环境，目前无线局域网采用的拓扑结构主要有:网桥连接

38、型访问节点连接型HUB接入型无中心型,85,网桥连接型,该结构主要用于无线或有线局域网之间的互连。当两个局域网无法实现有线连接或使用有线连接存在困难时，可使用网桥连接型实现点对点的连接。在这种结构中局域网之间的通信是通过各自的无线网桥来实现的，无线网桥起到了网络路由选择和协议转换的作用。,86,访问节点连接型,这种结构采用移动蜂窝通信网接入方式，各移动站点间的通信是先通过就近的无线接收站将信息接收下来，然后将收到的信息通过有线网传入到“移动交换中心”，再由移动交换中心传送到所有无线接收站上。,在网络覆盖范围内的任何地方都可以接收到该信号，并可实现漫游通信。,87,HUB接入型,在有线局域网中利

39、用HUB可组建星形网络结构。同样也可利用无线AP组建星型结构的无线局域网，其工作方式和有线星形结构很相似。但在无线局域网中一般要求无线AP应具有简单的网内交换功能。,88,无中心型结构,该结构的工作原理类似于有线对等网的工作方式。它要求网中任意两个站点间均能直接进行信息交换。每个站点既是工作站，也是服务器。,89,3.4.4无线网络的标准与特点,无线网络标准最初标准是IEEE 802.11，解决办公室局域网和校园网中，用户及各类终端设备的无线接入问题，其速率最高只能达到2Mbps。早期的无线网卡都支持该标准，但因其在带宽和传输距离上都不能满足实际需要，IEEE便推出了802.11a。IEEE

40、802.11a 采用了与原始标准相同的核心协议，工频为5GHz，使用52个正交频分多路复用副载波，最大原始数据传输率在物理层为54 Mbps，传输层可达25 Mbps，达到了现实网络中等吞吐量（20 Mbps）的要求。可提供25Mbps的无线ATM接口和10Mbps的以太网无线帧结构接口，以及TDD/TDMA的空中接口；拥有12条不相互重叠的频道，8条用于室内，4条用于点对点传输。支持语音、数据、图像业务；一个扇区可接入多个用户，每个用户可带多个终端。,90,无线宽带网的特点,安装便捷 使用灵活 经济节约 易于扩展 更好的安全性,91,3.4.5 3G技术,国际电信联盟在2000年5月确定W-

41、CDMA、CDMA2000、TD-SCDMA以及WiMAX四大主流无线接口标准，写入3G技术指导性文件2000年国际移动通讯计划（简称IMT2000）。,92,CDMA技术,CDMA是Code Division Multiple Access(码分多址)的缩写，是第三代移动通信系统的技术基础。第一代移动通信系统采用频分多址(FDMA)的模拟调制方式，这种系统的主要缺点是频谱利用率低，信令干扰话音业务。第二代移动通信系统主要采用时分多址(TDMA)的数字调制方式，提高了系统容量，并采用独立信道传送信令，使系统性能大为改善，但TDMA的系统容量仍然有限，越区切换性能仍不完善。,93,CDMA技术,

42、目前中国联通、中国移动所使用的GSM移动电话网采用的便是FDMA和TDMA两种方式的结合。GSM比模拟移动电话有很大的优势，但在频谱效率上仅是模拟系统的3倍，容量有限；在话音质量上也很难达到有线电话水平；TDMA终端接入速率最高也只能达到9.6kbit/s；TDMA系统无软切换功能，因而容易掉话，影响服务质量。,94,CDMA技术,TDMA并不是现代蜂窝移动通信的最佳无线接入，而CDMA技术完全适合现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换等，正受到越来越多的运营商和用户的青睐。,95,CDMA技术,CDMA技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽的信息，用一个带宽远

43、大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。,96,CDMA技术,第二次世界大战期间研发出CDMA技术，其思想初衷是防止敌方对己方通讯的干扰，在战争期间广泛应用于军事抗干扰通信，后来由美国高通公司更新成为商用蜂窝电信技术。1995年，第一个CDMA商用系统运行之后，CDMA技术理论上的诸多优势在实践中得到了检验，从而在北美、南美和亚洲等地得到了迅速推广和应用。全球许多国家和地区，包括中国香港、韩国、日本、美国都已建有CDMA商用网络。,9

44、7,3G标准,W-CDMA CDMA2000 TD-SCDMA WiMAX,98,W-CDMA,也称为WCDMA，全称为Wideband CDMA，也称为CDMA Direct Spread，意为宽频分码多重存取。这套系统能够架设在现有的GSM网络上，对于系统提供商而言可以较轻易地过渡，而GSM系统相当普及的亚洲对这套新技术的接受度预料会相当高。,99,W-CDMA,该标准提出了GSM(2G)-GPRS-EDGE-WCDMA(3G)的演进策略。GPRS是General Packet Radio Service(通用分组无线业务)的简称，EDGE是Enhanced Data rate for G

45、SM Evolution(增强数据速率的GSM演进)的简称，这两种技术被称为2.5代移动通信技术。,100,CDMA2000,CDMA2000是由窄带CDMA(CDMA IS95)技术发展而来的宽带CDMA技术，也称为CDMA Multi-Carrier，由高通北美公司提出，摩托罗拉、Lucent和韩国三星都参与，韩国现在成该标准的主导者。该标准提出了从CDMA IS95(2G)-CDMA20001x-CDMA20003x(3G)的演进策略。CDMA20001x被称为2.5代移动通信技术。目前中国联通正在采用这一方案向3G过渡，并已建成了CDMA IS95网络。,101,346 TD-SCDM

46、A,全称为Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access（时分同步CDMA），该标准是由中国大陆制定的3G标准，1999年6月29日，中国原邮电部电信科学技术研究院（大唐电信）向ITU提出。,102,TD-SCDMA,该标准将智能无线、同步CDMA和软件无线电等当今国际领先技术融于其中，在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、频率灵活性及成本等方面的独特优势。由于中国庞大的市场，该标准受到各大主要电信设备厂商的重视，全球一半以上的设备厂商都宣布可以支持TDSCDMA标准。该标准提出不经过2.5代的中间环节，直接向3G过渡，非常适用于G

47、SM系统向3G升级。,103,WiMAX,WiMAX 的全名是微波存取全球互通（Worldwide Interoperability for Microwave Access），又称为80216无线城域网，是又一种为企业和家庭用户提供“最后一公里”的宽带无线连接方案。将此技术与需要授权或免授权的微波设备相结合之后，由于成本较低，将扩大宽带无线市场，改善企业与服务供应商的认知度。,104,346 TD-SCDMA,在与欧洲、美国各自提出的3G标准的竞争中，中国提出的TD-SCDMA已正式成为全球3G标准之一，这标志中国在移动通信领域已经进入世界领先之列。该方案的主要技术集中在大唐公司手中，它的设

48、计参照了TDD（时分双工）在不成对的频带上的时域模式。,105,TD-SCDMA,TDD模式是基于在无线信道时域里，周期地重复TDMA帧结构实现的。这个帧结构被再分为几个时隙。在TDD模式下，可方便地实现上/下行链路间灵活切换，其优势是，在上/下行链路间的时隙分配可以被一个灵活的转换点改变，以满足不同的业务要求,106,TD-SCDMA,TDSCDMA的无线传输方案综合了FDMA，TDMA和CDMA等基本传输方法。通过与联合检测相结合，它在传输容量方面表现非凡。通过引进智能天线，容量还可以进一步提高。基于高度的业务灵活性，TDSCDMA无线网络可以通过无线网络控制器（RNC）连接到交换网络。在

49、最终版本里，计划让TDSCDMA无线网络与互联网直接相连。,107,TD-SCDMA,TDSCDMA在应用范围内有自身的特点：一是终端的移动速度受现有DSP运算速度的限制，只能做到240km/h；二是基站覆盖半径在15km以内时频谱利用率和系统容量可达最佳，在用户容量不是很大的区域，基站最大覆盖可达40km。,108,TDSCDMA的优势,技术优势-TD-SCDMA相对其它3G备选技术拥有明显的网络建设、运营及财务优势。标准优势-无论在资金上、技术上还是政策上，政府都给予了TD-SCDMA最大的支持。用户优势-我国的移动电话用户数突破8亿户，这么大的基数给了TD-SCDMA最好的支持。,3.4

50、.7 4G技术,109,3.4.7 4G技术,在2009年2月，欧洲的四家移动设备生产商阿尔卡特、爱立信、诺基亚和西门子组成了世界无线研究论坛（WWRF），研究3G的发展方向。WWRF预计4G技术在2010年开始投入应用。这一代通信技术可将不同的无线局域网络和通信标准、手机信号、无线电通信和电视广播以及卫星通信结合起来。,110,3.4.7 4G技术,第四代移动通信系统应具备以下几种基本特性：(1)集中服务 个人通信、信息系统、广播和娱乐等各项业务将会结合成一个整体，提供给用户比以往更广泛的服务和应用；系统的使用将会更加安全、方便以及更多地考虑到用户的个性。(2)泛在移动接入 在4G系统中，移