《物联网通信》PPT课件.ppt

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1、第4章物联网通信,第4章物联网通信,4.1移动通信网络,移动通信基本原理 宽带移动通信,移动通信系统在生活中的应用,移动通信的特点：,覆盖广建设成本低部署方便具备移动性,物联网与移动通信网络,物联网的终端都需要以某种方式连接起来，发送或者接收数据。移动通信网是适合物联网组网特点的通信和联网方式。,物联网的组网特点,方便性：不需要数据线连接信息基础设施的可用性：不是所有地方都有方便的固定接入能力 一些应用场景本身需要随时监控的目标就是在移动状态下移动通信网络将是物联网主要的接入手段,章节设置,移动通信的基本原理移动通信的特点移动通信网络的发展历程宽带移动通信系统的标准演进、网络架构和技术特点,移

2、动通信基本原理,早期移动通信发展历程,1897年，马可尼在陆地和一艘拖船上完成无线通信实验，标志无线通信的开始1928年，美国警用车辆的车载无线电系统，标志移动通信开始1946年，Bell实验室在圣路易斯建立第一个公用汽车电话网，1960s，实现无线频道自动选择域公用电话网自动拨号连接。1974年，美国Bell实验室提出蜂窝移动通信的概念,1、移动通信特点,（1）移动性。（2）电波传播条件复杂。（3）噪声和干扰严重。（4）系统和网络结构复杂。（5）要求频带利用率高，设备性能好。,无线电传播环境,携带信息的电磁波的传输是扩散的；地理环境复杂多变，用户移动随机不可预测，所有这些都造成了无线电波传输

3、的损耗。,多径传播,基站天线、移动用户天线和这两端天线之间的传播路径称之为无线移动信道。多径信号经过不同的路径到达接收端时，具有不同的时延和入射角，这将导致接收信号的时延扩展和角度扩展。多普勒效应,三类损耗和四种效应,三类损耗路径传播损耗 大尺度衰落损耗 小尺度衰落损耗,四种效应阴影效应远近效应多径效应多普勒效应,2移动通信的发展,蜂窝系统的概念和理论在20世纪60年代就由美国贝尔实验室等单位提了出来，但其复杂的控制系统直到20世纪70年代才大规模实现。小区制蜂窝通信具有小覆盖、小发射功率和资源重用等优点，决定了它在现代移动通信中的重要作用。,现代移动通信发展历程,现代移动通信发展主要经历了三

4、个阶段第一代移动通信系统 第二代移动通信系统 第三代移动通信系统,（1）第一代移动通信系统,解决了用户移动性的基本问题蜂窝小区系统设计:频率复用-解决大容量需求与有限频谱资源的矛盾多址方式：FDMA模拟系统-FM调制、模拟电路交换、模拟语音信号业务功能：单一通话,第一阶段是模拟蜂窝移动通信网，时间是20世纪70年代中期至80年代中期。模拟系统有以下缺点：频谱利用率低；业务种类有限；无高速数据业务；保密性差，易被窃听和盗号；设备成本高；体积大，重量大。,（2）第二代移动通信系统,数字化通信 语音信号数字化、数字式电路交换、数字式调制多址方式：TDMA，CDMA微蜂窝小区结构：提高用户数量,采用了

5、一系列数字处理技术来有效提高通信质量 纠错编码、交织、自适应均衡、分集等业务类型：以通话为主，还有低速数据业务,以GSM和IS-95为代表的第二代移动通信系统，时间是从20世纪80年代中期开始 从1996年开始，为了解决中速数据传输问题，又出现了2.5G移动通信系统，如GPRS和IS-95B。,CDMA应用于数字移动通信的优点,系统容量大：比模拟网大10倍，比GSM大4.5倍 系统通信质量更佳：软切换技术 频率规划灵活 适用于多媒体通信系统：多CDMA信道方式、多CDMA帧方式,（3）第三代移动通信系统,以多媒体(Multi-media)综合服务业务为主要特征会话型、数据流型、互动型、后台类型

6、主要以宽带CDMA技术为基础 WCDMA、CDMA2000、TDSCDMA、WiMax等,多址方式：TDMA/CDMA/OFDMA电路交换分组交换引入多种新技术智能天线、发端分集、空时码、OVSF多址码等,第三代移动通信系统的目标,能实现全球漫游能提供多种业务能适应多种环境足够的系统容量,4.1.2 宽带移动通信,第三代移动通信系统的概念是国际电联（ITU）早在1985年就提出的，当时称为未来公共陆地移动通信系统（FPLMTS）,1996年更名为IMT-2000，在欧洲称其为个人移动通信系统（UMTS）。IMT-2000的宗旨是建立全球的综合性个人通信网，提供多种业务，尤其是多媒体和高比特率分

7、组数据业务并实现全球无缝覆盖。,演变历程,2000年5月举行的ITU-T 2000年全会上，被正式命名为IMT-2000无线接口技术规范2007年10月，ITU在日内瓦举行的无线通信全体会议上，与会国家通过投票正式通过无线宽带技术WiMAX成为3G标准 2008年全球移动大会上，主流设备厂商不约而同地发布了LTE的研究成果和后续演进策略,IMT-2000无线传输技术分类,移动通信网络将成为物联网最重要的信息基础设施，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 工业和信息化部领导在2009年“全国工业和信息化工作会议”上指出，2010年将推进国家传感信息中心建设，促进物联网与

8、互联网、移动互联网融合发展,（1）WCDMA的演进过程,1985：FPLMTS，1996更名为IMT-20001992：WRC92大会分配频谱230MHz1999.3：完成IMT-2000 RTT关键参数1999.11：完成IMT-2000 RTT技术规范2000：完成IMT2000全部网络标准成立3GPP(1998.12)、3GPP2(1999)等标准化组织,WCDMA技术特点,R99 网络结构,R99 网络特点,接入部分 全新的5MHz/载频的宽带码分多址接入网；功率控制；软切换；更软切换核心网 电路域与GSM完全兼容；相对于GPRS，增加了服务级别的概念系统 采用分组域和电路域分别承载与

9、处理的方式目前的商业部署全都采用了R99,R4 网络结构,R4 网络改进,加入低码片速率TDD模式（LCR TDD），即由我国提出的TD-SCDMA引入直放站来解决复杂地形覆盖问题引入扇区降低终端和基站的发射功率的方法以提高容量通过Node B同步减少系统邻近小区的交调干扰，降低传输网络的成本引入Iub和Iur上的AAL2连接的QoS优化,R4 网络特点,电路域核心网中引入了基于软交换架构的分层架构，使电路交换域和分组交换域可以承载在一个公共的分组骨干网上 主要实现了话音、数据、信令承载统一提高了组网的灵活性,R5 网络结构,R5 网络改进,高速下行分组接入（HSDPA）的功能，下行理论峰值数

10、据速率可高达14.4Mbit/s 涉及的关键技术 自适应编码调制 HARQ 快速蜂窝选择（FCS）MIMO,R5网络特点,R5协议引入了IP多媒体子系统（IMS）由CSCF、MGCF、MRF和HSS功能实体组成为多媒体业务提供支持呼叫控制功能与传统网络进行互通实现其他资源密集型功能信令实体（CSCF）与媒体处理是完全分离的,R6（HSUPA）,引入高速上行分组接入(HSUPA）提供多媒体广播和多播业务（MBMS）进入IMS第二阶段 支持WLAN-UMTS互通 增强QoS,（2）WCDMA系统结构,通用移动通信系统（UMTS）是采用WCDMA空中接口技术的第三代移动通信系统 UMTS系统 由陆地

11、无线接入网（UTRAN）和核心网络（CN）构成,WCDMA系统结构,WCDMA系统结构,UEUE是用户终端设备 UE从逻辑上包括移动设备（ME）和用户身份模块（SIM）UTRAN由基站（Node B）和无线网络控制器（RNC）组成 Node B是WCDMA系统的基站 RNC是无线网络控制器,WCDMA系统结构,CNCN即核心网络，负责与其他网络的连接和对UE的通信和管理 MSC/VLR是CS域功能节点 GMSC是CS域与外部网络之间的网关节点 SGSN（服务GPRS支持节点）是PS域功能节点 GSN（网关GPRS支持节点）是PS域功能节点 HLR（归属位置寄存器）是CS域和PS域共有的功能节点

12、,WCDMA系统结构,External Networks外部网络，可以分为电路交换网络（CS Networks）和分组交换网络（PS Networks）两类,2cdma2000,美国TIA提出，可从IS-95和IS-95B平滑过渡，升级简单cdma2000 1x采用1.25M的带宽cdma2000 1xEV DO可支持2.4Mb/s的数据速率，cdma2000 1xEV DV可支持话音和数据cdma2000 3x采用3个1.25M的带宽进行传输。,cdma2000演进,cdmaOnecdmaOne是基于IS-95标准的各种CDMA产品的总称，IS-95B可提供实现64kbit/s cdma20

13、00 1xcdma2000 1x具有3G系统的部分功能，cdma2000 1x完全兼容 IS-95系统功能 1x EV-DO1x EV-DO是一种专为高速分组数据传送而优化设计的cdma2000空中接口技术,在网络结构方面，1x EV-DO与cdma2000 1x的无线接入网在逻辑功能上是相互独立的 1x EV-DO可以作为高速分组数据业务的专用网 1x EV-DV在cdma2000 1x载波基础上提升前向和反向分组传送的速率和提供业务QoS保证,3TD-SCDMA,（1）TD-SCDMA的演进IMT-2000 CDMA TD为TDD方式，2001年3月3GPP通过R4版本，TD-SCDMA被

14、接纳为正式标准 TD-SCDMA采用直接序列扩频、低码片速率的TDD（时分双工）模式 TD-SCDMA不需要成对的工作频段，这对缓解当前移动频段资源紧张的问题是极为重要的,TD-SCDMA的演进,TD-SCDMA阶段智能天线、联合检测、动态信道分配、软件无线电、上行同步码分多址技术、接力切换、低码片速率、多时隙、可变扩频、自适应功率调整、3GPP提出的高层协议、核心网 HSPA TDD阶段第二阶段主要包括引入高速下行分组接入（HSDPA）和高速上行分组接入（HSUPA）,LTE TDD阶段LTE TDD是TD-SCDMA在向4G系统演进过程中的过渡阶段 MIMO-OFDMA是下一代通信系统中最

15、具有革命性的技术 TDD B3G/4G基于TD-SCDMA的后3G或者4G系统来说，将采用TDD模式,（2）TD-SCDMA的关键技术,多用户检测宽带CDMA通信系统中抗干扰的关键技术 智能天线典型的TD-SCDMA系统配置的智能天线是由8个天线元素组成的天线阵列 软件无线电软件无线电是一种具有开放式结构的将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的新技术,动态信道分配（DCA）目的是进一步减少干扰，增加系统容量 接力切换 TD-SCDMA系统的关键特征，该技术利用了软切换与硬切换技术的优点,2G到3G的演进路线,4WiMAX,全名是Wo

16、rld wide Interoperability for Microwave Access（全球微波接入的互操作性），是基于IEEE 802.16e系列宽频无线标准为基础的宽带无线技术,（1）WiMAX的演进,1999年，IEEE 802局域网（LAN）/城域网（MAN）成立了802.16工作组来专门研究宽带无线接入标准 一些世界知名通信企业联合发起了全球微波接入互操作性论坛，在全球范围内推广802.16协议,IEEE 802.16d协议 物理层定义了两种双工方式：TDD和FDD MAC层分为了3个子层：业务汇聚子层（CS）、公共部分子层（CPS）和安全子层（SS）IEEE 802.16e协

17、议 协议栈模型和802.16d相同 支持不同数量子载波的OFDMA 增强安全性,（2）WiMAX系统结构,接入服务网（ASN）ASN为MS提供无线接入 连接服务网（CSN）CSN为MS提供IP连接 网络接入提供者（NAP）NAP是一种运营实体,网络服务提供者（NSP)NSP是一种运营实体应用服务提供者(ASP)ASP的主要功能是提供增值业务以及三层之上的业务 网络参考点,5LTE,第三代移动通信系统普遍采用的是码分多址（CDMA）技术，此技术能支持的最大系统带宽为5MHz 2004年底，第三代合作伙伴计划（3GPP）提出了通用移动通信系统（UMTS）的长期演进（LTE）项目 长期演进（LTE）

18、项目、超移动宽带（UMB）技术、WiMAX技术、802.20移动宽带频分双工/移动宽带时分双工（Mobile Broadband FDD/TDD）等技术构成“准4G”技术,（2）LTE的需求,系统性能需求峰值速率用户吞吐量和频谱效率 移动性用户面延时 控制面延时和容量,部署成本和互操作性上行和下行都可以工作在广泛频带内以及适应各种带宽的频谱分配 LTE设计同时支持FDD、TDD和半双工FDD模式,（3）LTE的架构,（4）LTE的关键技术,多址技术 下行采用的是正交频分多址接入（OFDMA）技术 系统的峰均功率比（PAPR）过高问题的解决 多天线技术增益来源：复用增益、分集增益、天线增益 下行

19、MIMO技术支持22（两发两收）基本天线配置 上行基本天线配置为12,干扰抑制技术LTE在eNode B间引入X2接口，以降低小区间干扰,4.2 短距离无线通信,4.2.1 ZigBee4.2.2 Bluetooth4.2.3 UWB4.2.4 60 GHz,4.2.1 ZigBee,图 4-6 短距离无线通信技术一览,1ZigBee的来源与优势,ZigBee技术的名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式。ZigBee是基于无线标准研制开发的。仅仅定义了物理层和MAC层，并不足以保证不同的设备之间可以对话，于是便有了ZigBee。,ZigBee技术具有以下优势：（1）低功耗 ZigBee主

20、要通过降低传输的数据量、降低收发信机的忙闲比及数据传输的频率、降低帧开销以及实行严格的功率管理机制来降低设备的功耗。,（2）工作可靠 ZigBee采用了载波侦听多址/冲突避免（CSMA/CA）的信道接入方式和完全握手协议。MAC层采用了回复确认的数据传输机制，提高了可靠性。,（3）成本低 主机芯片成本低，其他终端成本低。（4）网络容量大 每个ZigBee网络最多可支持65000个节点。,（5）有效范围大 可多级拓展。（6）时延短 对时延敏感的应用做了优化。,（7）优良的拓扑能力 ZigBee具有组成星、网和簇树网络结 构能力。还具有无线网络自愈能力。（8）安全性较好 ZigBee提供了数据完整

21、性检查和鉴权能力，加密算法采用通用的AES-128。,（9）工作频段灵活 使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）及915MHz（美国），均为免执照频段。,2ZigBee的协议架构,（1）ZigBee的网络组成和网络拓扑 利用ZigBee技术组成的无线个人局域网（WPAN）是一种低速率的无线个人区域网（LR-WPAN）。LR-WPAN网状结构简单、成本低廉，具有有限的功率和灵活的吞吐量。,在一个LR-WPAN网络中，可同时存在两种不同类型的设备:全功能设备（Full Functional Device，FFD）精简功能设备（Reduced Function Device，RFD）。,

22、FFD通常有3种状态：作为一个主协调器；作为一个协调器；作为一个终端设备。一个FFD可以同时和多个RFD或多个其他的FFD通信，而RFD只能和一个FFD进行通信。,RFD的应用非常简单，容易实现，且RFD仅需要使用较小的资源和存储空间，这样就可非常容易地组建一个低成本、低功耗的无线通信网络。,图 4-7 ZigBee技术的三种网络拓扑结构,ZigBee支持3种拓扑结构，如图4-7所示，包括星形、网状形和簇树形结构。在星形拓扑结构中，整个网络由一个网络协调器来控制。在网状形和簇树形拓扑结构中，ZigBee协调器负责启动网络以及选择关键的网络参数。,星形网络是一种常用且适用于长期运行使用操作的网络

23、；网状形网络是一种高可靠性监测网络；簇树形网络是星形和网状形的混合型拓扑网络，结合了上述两种拓扑的优点。可以根据实际应用需要来选择合适的网络结构。,（2）ZigBee的协议架构 ZigBee的协议架构如图4-8所示，采用了制定的物理层和MAC层作为ZigBee技术的物理层和MAC层。,图 4-8 ZigBee协议架构示意图,（3）协议标准定义了ZigBee物理层和MAC子层，符合开放系统互联模型（OSI）。,的物理层提供两类服务：物理层数据服务和物理层管理服务。物理层功能包括无线收发信机的开启和关闭、能量检测（ED）链路质量指示（LQI）、信道评估（CCA）和通过物理媒体收发数据包。,图 4-

24、9 中两个不同的物理层,如图4-9所示，定义了两种不同工作频段的物理层：868/915MHz和2450MHz。表4-1给出了各国对ZigBee频率工作范围的划分。,表 4-1 各个国家和地区ZigBee频率工作范围,由于各个国家和地区采用的工作频率范围不同，为了提高数据传输速率，对于不同的频率范围，规定了不同的调制方式。具体的内容如表4-2所示。,表 4-2 各个国家和地区ZigBee频率工作范围,（4）ZigBee的上层协议 应用层包括3个组成部分：应用支持子层（APS）应用框架 ZigBee设备对象（ZDO）,ZigBee中定义了3种密钥：网络密钥-用在数据链路层、网络层和应用层中。链路密

25、钥-应用在应用层。主密钥-应用在应用层。,3ZigBee技术在物联网中的应用,（1）家庭自动化,图 4-10 ZigBee在家庭自动化中的应用,（2）无线定位,图 4-11 ZigBee在无线定位中的应用,（3）工业领域,图 4-12 ZigBee在智能能源中的应用,4.2.2 Bluetooth,1Bluetooth的来源与特点,爱立信、IBM、Intel、Nokia和东芝五家公司于1998年5月联合成立了Bluetooth（蓝牙）特别兴趣小组（Bluetooth Special Interest Group，BSIG），并制订了短距离无线通信技术标准蓝牙技术。,所谓蓝牙（Bluetooth

26、）技术，实际上是一种短距离无线电技术。蓝牙技术利用短距离、低成本的无线连接替代了电缆连接，从而为现存的数据网络和小型的外围设备提供了统一的连接。,Bluetooth的主要技术特点：（1）拓扑结构蓝牙技术支持点对点或点对多点的话音、数据业务，采用一种灵活的无基站的组网方式，如图4-13和图4-14所示。,图 4-13 多个 蓝牙设备组成的微微网,图 4-14 多个微微网组成的散射网,（2）系统组成 蓝牙系统一般由天线单元、链路控制（硬件）、链路管理（软件）和蓝牙软件（协议）等4个功能模块组成。如图4-15所示：,图 4-15 蓝牙系统的组成,天线部分体积小巧，属于微带天线。链路控制器（LC）的单

27、元包括3个集成芯片：连接控制器、基带处理器以及射频传输/接收器，此外，还使用了单独调谐元件。,链路管理（LM）提供的服务有：发送和接收数据、请求名称、链路地址查询、建立连接、鉴权、链路模式协商和建立、决定帧的类型等。,（3）射频特性 蓝牙设备的工作频段选在全球通用的2.4GHz的ISM（工业、科学、医学）频段。频道采用23个或79个，频道间隔均为1MHz。采用时分双工方式。,蓝牙的无线发射机采用FM调制方式，从而能降低设备的复杂性。最大发射功率分为3个等级，100mW（20dBm），2.5mW（4dBm），1mW（0dBm），蓝牙设备之间的有效通信距离大约为10100m。,（4）跳频技术跳频是

28、指在接收或发送一分组数据后，即跳至另一频点。（5）TDMA结构 蓝牙的数据传输率为1Mbit/s，采用数据包的形式按时隙传送，每时隙0.625s。,蓝牙系统支持实时的同步定向联接和非实时的异步不定向联接，分别为SCO链路和ACL链路。前者主要传送话音等实时性强的信息，后者则以数据为主。,（6）软件的层次结构底层为各类应用所通用，高层则视具体应用而有所不同。（7）纠错技术蓝牙系统的纠错机制分为前向纠错编码（FEC）和包重发（ARQ），支持1/3率和2/3率FEC编码。,（8）编码安全蓝牙技术在物理层、链路层、业务层3个层次上提供安全措施，充分保证通信的保密性。蓝牙规范公布的主要技术指标和系统参数

29、如表4-3所示。,表 4-3 主要技术指标和系统参数,2Bluetooth协议体系结构,图 4-16 蓝牙协议栈,蓝牙的协议体系分为四层：核心协议层、替代电缆协议层、电话控制协议层和可选协议。除了以上这些协议，在基带控制器、链路控制器以及访问硬件状态和控制寄存器等提供主机控制器命令接口。,蓝牙核心协议由SIG制定的蓝牙指定协议组成，而其他协议则根据应用的需要而定。因此，下面主要介绍蓝牙核心协议。（1）基带协议：基带协议为两个或多个蓝牙单元之间建立物理射频连接。,（2）链路管理协议（LMP）：链路管理协议管理基带层内主从网络的运行，负责两个或多个设备之间的链路设置和控制，包括传递验证和加密，管理

30、链路密钥。,（3）逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）：位于基带协议之上，为低层的数据服务，向上层提供面向连接和无连接的数据服务。,（4）服务发现协议（SDP）：使用SDP，可以查询到设备和服务类型，从而在蓝牙设备间建立相应的连接。,3Bluetooth的应用及产品,蓝牙SIG中定义了几种基本的应用模型，主要包括文件传输、Internet网桥、局域网接入、同步、三合一电话（three-in-one phone）和终端耳机等。,在实际生活中，蓝牙的应用也是十分广泛的，涉及到居家、工作、娱乐等方面。,市面上的蓝牙产品主要包括蓝牙耳机、蓝牙适配器、车载蓝牙多媒体系统、车载蓝牙电话、蓝牙键盘和鼠标、蓝

31、牙网关、蓝牙无线条码扫描枪等。,我们可以利用蓝牙技术来连接其他的无线设备、下载照片、进行多人游戏，甚至可以进行自动存取款、订票。这可以为我们的生活带来极大的便利，使得物物联网的概念成为现实。,2010年7月，蓝牙技术联盟（Bluetooth SIG）宣布正式采纳蓝牙4.0核心规范，并启动对应的认证计划。蓝牙4.0的标志性特色是2009年底宣布的低功耗蓝牙无线技术规范。预计支持蓝牙4.0标准的设备将于2010年底或2011年初批量上市。,4.2.3 超宽带 UWB,超宽带技术产生原因,传统的无线传输技术一般都是带宽受限的，系统带宽通常在20MHz以下，可用频谱资源有限和信道的多径衰落特征是限制传

32、输速率的主要瓶颈。,发展,20世纪60年代-主要用于军事目的，如高功率雷达和保密通信1989年-美国国防部提出“超宽带”2002年2月-FCC批准将该技术应用于民用系统，并划分了免授权使用频段,超宽带（Ultra Wide Band，UWB）,若一个信号在20dB处的绝对带宽大于1.5GHz或相对带宽大于25%，则这个信号就是超宽带信号.两方面限制：绝对带宽（Absolute Bandwidth）或者相对带宽（Fractional Bandwidth）,特征,该技术的显著特征则是采用500MHz至几个吉赫兹的带宽进行高速数据传输，在10m距离内提供高达100Mbit/s以上，甚至1Gbit/s

33、的传输速率，同时与现有窄带无线系统很好地共存。,绝对带宽（Absolute Bandwidth）,绝对带宽是指信号功率谱最大值两侧某滚降点对应的上截止频率 与下截止频率 之差。,注：实际应用中，绝对带宽有3dB绝对带宽、20dB绝对带宽等不同选择。,图：绝对带宽的定义（PSD：信号功率谱密度）,相对带宽（Fractional Bandwidth）,相对带宽是指绝对带宽与中心频率之比。由于超宽带系统经常采用无正弦载波调制的窄脉冲信号承载信息，中心频率并非通常意义上的载波频率，而是上、下截止频率的均值。,中心频率：,例如，以10dB绝对带宽计算 的相对带宽为：,注：FCC规定UWB信号为绝对带宽

34、大于500MHz或相对带宽大于20%的无线电信号。,相对带宽（Fractional Bandwidth）,FCC Part15规定：,UWB通信系统可使用的免授权频段为3.110.6GHz共7.5GHz带宽信号最高功率谱密度为41.3dBm/MHz,超宽带的技术特点,超宽的信号带宽极低的发射功率谱密度,（1）传输速率高（2）通信距离短（3）系统共存性好，通信保密度高（4）定精度极高，抗多径能力强（5）体积小、功耗低位,（1）传输速率高,UWB系统使用高达500MHz7.5GHz的带宽，根据香农信道容量公式，即使发射功率很低，也可以在短距离上实现高达几百兆至1Gbit/s的传输速率。,（2）通信

35、距离短,高频信号衰落更快，这导致UWB信号产生严重的失真。研究表明:当收发信机之间距离小于10m时，UWB系统的信道容量高于传统的窄带系统;当收发信机之间距离超过12m时，UWB系统在信道容量上的优势将不复存在。,（3）系统共存性好，通信保密度高,极低的功率谱密度（上限仅为41.3dBm/MHz）噪声电平低，与传统的窄带系统有着良好的共存性具有很强的隐蔽性,（4）定精度极高，抗多径能力强,脉冲宽度一般在亚纳秒级很强的穿透力，高精度测距和定位能力抗多径能力强,（5）体积小、功耗低位,传统的UWB技术无需正弦载波，收发信机不需要复杂的载频调制解调电路和滤波器等。因此，可以大大降低系统复杂度，减小收

36、发信机体积和功耗。,超宽带系统两大特征：,高速率短距离,超宽带的应用范围,在通信领域应用：组建高速局部物联网；无线个域网和家庭无线网络；作为各种设备之间的高速通信接口。,（1）短距离点到点通信,各种移动设备之间的高速信息传输，例如PDA、MP3、可视电话、3G手机等设备之间的短距离点到点通信，包括多媒体文件传输、游戏互动等。,（2）设备间无线连接,桌面PC、笔记本电脑、移动设备与各种外设之间的无线连接，例如与打印机、扫描仪、存储设备等的无线连接。,（3）数据传输,数字电视、家庭影院、DVD机、投影机、数码相机、机顶盒等家用电子设备之间的可视文件和数据流的传输。,4）系统管理,结合UWB高精度的

37、定位能力，应用企业仓储管理和智能交通等各类物联网系统中，为精准的存货追踪管理、汽车防撞系统、测速、收费系统提供解决方案。,5）其他应用,窄脉冲具有很强的穿透各种障碍物，例如墙壁和地板的能力。UWB技术还能实现隔墙成像，因此具有比红外通信更为广泛的应用，例如在军事、勘探、安全等领域。,脉冲无线电技术,早期超宽带系统的代名词，专指采用冲激脉冲（超短脉冲）作为信息载体的非正弦载波无线电技术。该技术有别于传统使用正弦载波的窄带无线系统，属于基带、无载波通信的范畴。,脉冲无线电（Impulse Radio）：,（1）常用脉冲波形,功率谱的形状取决于脉冲信号的形状。因此，典型的UWB脉冲是高斯双叶脉冲（G

38、aussian Doublet），这种脉冲因为生成容易而被经常使用。,（2）基于脉冲调制的超宽带系统,UWB系统常用的调制方式包括脉位调制（PPM）、脉幅调制（PAM）和二相调制（BPSK）。,脉位调制（PPM）,PPM通过改变发射脉冲的时间间隔或发射脉冲相对于基准时间的位置来传递信息，它的优点就是简单，但是需要比较精确的时间控制。,脉幅调制（PAM）,PAM通过改变脉冲幅度的大小来传递信息，它可以改变脉冲幅度的极性，也可以仅改变脉冲幅度的绝对值大小。通常所讲的PAM只改变脉冲幅度的绝对值，即OOK（On-off Keying）。,二相调制（BPSK）,BPSK通过改变脉冲的正负极性来调制二元

39、信息，所有脉冲幅度的绝对值相同。使用二相调制的一个原因就是在抗噪性能上它有优于PPM的3dB增益。,OOK和PPM比较,优点：可以通过非相干检测恢复信息；缺点：经过这些方式调制的脉冲信号将出现线谱。,3种典型的超宽带脉冲无线电系统,多址与调制方式相结合，可以得到3种典型的超宽带脉冲无线电系统，即TH-PPM、TH-PAM和DS-BPSK。,多带OFDM（MB-OFDM）超宽带技术,在2002年FCC规定了UWB通信的频谱使用范围和功率限制后，全球各大消费电子类公司及其研究人员从传统窄带无线通信的角度出发，提出了有别于基带窄脉冲形式的带通载波调制超宽带方案MB-OFDM（MultiBand OF

40、DM）。,带通载波调制超宽带方案MB-OFDM方案,2005年3月，欧洲计算机制造商协会（ECMA）发布了基于MB-OFDM方案的ECMA-368和ECMA-369标准。上述标准于2007年通过ISO认证，正式成为第一个UWB的国际标准。,ECMA-368协议,ECMA-368协议规定了用于高速短距离无线网络的UWB系统的物理层与MAC层的特性，使用频段为3.110.6GHz，最高速率可以达到480Mbit/s。,（1）帧结构,ECMA-368协议里的帧结构是由物理层汇聚协议（PLCP）前导、PLCP头和物理层服务数据单元（PSDU）三部分组成的PLCP协议数据单元（PPDU）。,PPDU结构

41、图,PLCP（Physical Layer Convergence Protocol：物理层汇聚协议）PSDU（PHY Service Data Unit，物理层服务数据单元）PPDU（PLCP Protocol Data Unit，PLCP协议数据单元）,PLCP前导分类及结构,PLCP前导有标准和突发两种类型。PLCP前导的结构分为同步序列和信道估计序列两段。,同步序列长度:标准类型为24个OFDM符号，突发类型为12个OFDM符号;信道估计序列长度:两种类型均为6个OFDM符号。,（2）编码和调制,PPDU的数据经过编码调制过程后形成OFDM时域信号，再经过射频发送到信道中。,PPDU数

42、据编码,其中PLCP前导直接是时域信号，不用经过编码和调制直接形成OFDM信号，PLCP头与PSDU部分则经过上图所示的过程形成OFDM符号。,双载波调制（DCM）,它把4个交织后的比特同时映射到两个16进制（16点）的符号中，接下来把两个十六进制的符号映射到间隔50个子载波的两个子载波中。,（3）子带划分,在物理层上，该协议将频谱划分为14个带宽为528MHz的子带，这14个频带又分为5组，其中前4组内各含有3个子带，第5组内含有2个子带。,实际方案中，先期仅采用3.1684.752GHz的3个子带，在每个子频带上，信息采用128点IFFT/FFT的OFDM调制。,时频码（Time-Freq

43、uency Code，TFC），,MB-OFDM 定义了7组时频码，其中包括4组跳频与3组定频模式，跳频模式可使两个未经协调的微微网（piconet）之间的干扰减小。,6个符号时隙周期的时频码,4.2.4 60GHz,60GHz技术产生背景,从理论上看，要进一步提升系统容量，增加带宽势在必行。但是10GHz以下无线频谱分配拥挤不堪的现状已完全排除了这种可能，因此，要实现超高速无线数据传输还需开辟新的频谱资源。,各国60GHz频段,北美和韩国开放了5764GHz；欧洲和日本开放了5966GHz；澳大利亚开放了59.462.9GHz；中国目前也开放了5964GHz的频段。,各国和地区对60GHz频

44、谱的划分,可以看出，在各国和地区开放的频谱中，大约有5GHz的重合,4.2.4.1 60GHz通信的技术特点,（1）60GHz信号传播特性 极大的路径损耗 氧气吸收损耗高 绕射能力差，穿透性差,下表对比了各种材料对毫米波和低频电磁波的穿透损耗。此外，测量显示PC显示器之类的金属物体对60GHz信号的衰减在40dB以上。,（2）60GHz无线通信技术特点 定向发射和接收 多跳中继 空间复用 单载波调制与OFDM,定向发射和接收,定向发射和接收首先能显著减小信号多径时延扩展；其次，定向发射意味着干扰区域的减小，同时毫米波的高衰减特性也缩短了信号的干扰距离，不同链路之间的干扰大为降低。,多跳中继,为

45、了扩大60GHz网络覆盖范围并保持足够高的强健性，可以借助中继利用协同或多跳等方式来进行组网。有实验表明4跳60GHz系统已可实现与WLAN相同的覆盖范围，并保持每秒数吉比特的超高速率。,空间复用,允许多条同频通信链路在同一空间内共存，从而有效提升网络容量。,单载波调制与OFDM,在60GHz物理层技术方案的选择上，目前有单载波调制和OFDM两大备选技术。可以根据不同的应用和场景结合使用,60GHz标准化进程,（1）WirelessHD（2）WiGig（3）ECMA（4）（TG3c）（5）IEEE 802.11ad（TGad）,协议简介,（1）的微微网协议所定义的微微网的结构如右图所示，是一个

46、基于中央控制的自组织网络。,通常微微网的通信范围在10m以内，基本元素是设备（DEV），设备间可以独立的进行数据通信。,网协调器PNC,PNC的主要作用之一就是传送带有微微网信息的信标（Beacon），以信标形式为微微网提供基本定时功能，并负责服务质量请求、功率节省和访问控制等功能。,微微网工作过程（1）-建立,微微网在初始化时，会选择其中一个DEV充当微微网协调器PNC（Piconet Coordinator）。当微微网中的某一个DEV能够充当PNC开始发送信标时，就认为微微网形成了。,微微网工作过程（2）-加入,DEV通过关联过程加入微微网，PNC会广播微微网内所有DEV的信息，并将新的D

47、EV信息放到信标中，从而使网内其他DEV和新加入的DEV知道彼此的信息。,微微网工作过程（3）-断开,如果PNC将要离开网络并且微微网中的其他DEV都没有能力成为PNC来协调网络时，PNC将会通过发送带有PNC中断信息的信标通知微微网中的其他DEV，微微网将结束工作。,（2）物理层为了适应于不同的应用，中定义了3种物理层模式。Single Carrier（SC）High Speed Interface（HSI）OFDM Audio/Video（AV）OFDM,（3）MAC层超帧结构超帧（superframe）是微微网中时间划分的基本单位，其结构如图4-24所示：,图微微网超帧结构,信标,信标的

48、位置是在每一个超帧的开始，主要用于设定时间分配和交互管理信息。,竞争接入期（CAP）,采用CSMA/CA机制来竞争信道资源，用于交互命令和（或）异步数据。信道时间分配期（CTAP）又包括信道时间分配（Channel Time Allocation，CTA）和管理信道时间分配（Management CTA，MCTA）。,信道时间分配期,CTAP中采用的是时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）的信道接入方式，MTCA只适用于DEV和PNC之间的通信,信道时间分配CTA,CTA可以用于传输同步数据流以及异步数据流。它的长度由PNC根据DEV所发送的信道时间请

49、求命令而决定。CTA在超帧中的位置是可以动态改变的，这样PNC可以灵活地分配CTA的时间给DEV，从而提高信道资源的利用率。,超帧结构全向模式（omni mode）和准全向模式（quasi-omni mode）的概念。,全向模式,全向模式是指设备使用全向天线进行通信，这时的帧结构与中相同。,准全向模式,准全向模式是分辨率最低的模式，通常指覆盖设备周围很大区域一种天线模式（也包括这个设备作为PNC时）。,中的超帧结构,准全向信标,准全向信标（Quasi-omni beacon）是指在准全向模式时，PNC采用循环的方式在不同的方向上发送同样的信标，使得在不同方向的设备均可以加入同一个微微网。,竞争

50、接入期,竞争接入期又分为3部分：关联子竞争接入期（Association S-CAP）定期子竞争接入期（Regular S-CAP）定期竞争接入期（Association CAP）,ECMA-387简介,（1）频段规划ECMA-387指定了4个频段，每一个的宽度为2.160GHz，符号速率为1.728Gsymbol/s，这对所有的设备都是相同的。,标准支持两个相邻信道的绑定。信道绑定可以获得更高的数据速率，而使用有效的低阶调制也可以获得相同的速率，也使用同样的频段划分。,（2）异构的网络同样适用ECMA-387提出了一个异构的网络解决方案，相同类型的设备之间可以互相操作，不同类型的设备之间也可