物联网与短距离无线通信技术（第二版）

物联网与短距离无线通信技术-------2023/3/1

　　　　　　概述--------物联网从应用出发，利用互联网，无线通信网络资源进行业务信息的传送，是互联网和移动通信网应用的延申，

 

 

 

 　　　　　　　　　　　　　　物联网体系结构

感知技术：射频识别，传感器，GPS定位，相机和麦克风及摄像头等多媒体信息采机和处理，二维码

传输技术：移动通信网，互联网，无线网络，卫星通信，短距离无线通信（802.11的蓝牙，WLAN,NFC和红外传输技术）

支撑技术：云计算，嵌入式，人工智能，数据库与数据挖掘技术，分布式并行计算，多媒体与虚拟现实

应用技术：智能电网，智能物流--------

　　　　　　　　专家系统------属于信息处理层技术

　　　　　　　　系统集成----根据用户需求，优选各种技术和产品，整合各个子系统为一个整体

　　　　　　　　编解码-----应用于多种数据的存储，减少数字信息的冗余，节省空间

无线通信技术的介绍重点------

　　　　　　移动通信网络----阴影效应，多径效应，远近效应，多普勒效应，

　　　　　　宽带无线接入----无线个域网WPAN，无线局域网WLAN,无线城域网WMAN,无线广域网WWAN，

 

 　　　　　　　　无线城域网架构

　　

 

 　　　　　　短距离无线通信---蓝牙，WIFI,UWB,ZigBee,NFC

　　　　　　无线传感器网络WSN:------

　　　　　　射频与微波通信----

4中主要短距离无线通信技术比较

 

 

 

　　第一章1.蓝牙------1M速率和10米距离---802.15.1

　　　　　　　　2.4GHz频段------Ad hoc临时性的对等连接----

　　　　　　　　由天线----链路控制部分----链路管理接口----主终端-----三部分组成

　　　　　　

 

 　　　　　　　　　　无线蓝牙协议栈

　　　　　　　　　　蓝牙核心协议：

　　　　　　　　　　　　　　Baseband,-----是蓝牙的物理层，负责管理物理信道和链路中除了错误纠正，数据处理，调频选择和蓝牙安全之外的所有业务，位于蓝牙协议栈的射频RF之上

　　　　　　　　　　　　　　　　　　基带可以处理2种类型的链路：同步连接SCO,异步无连接ACL

　　　　　　　　　　　　　　　　LMP,---链路管理协议----LMP和L2CAP共同实现OSI数据链路层的功能----负责蓝牙设备之间的链路建立，鉴权和加密等安全技术---控制功率和蓝牙节点连接状态----不负责业务数据的传递

　　　　　　　　　　　　　　　　L2CAP------逻辑链路控制和适配协议

　　　　　　　　　　　　　　　　SDP-----服务发现协议

　　　　　　　　　　主机控制器接口HCI----为基带控制器，连接管理器提供命令接口

　　第二章2.zigbee--------和蓝牙同族，范围134米

　　第三章3.无线局域网WLAN,------802.11a和802.11b,

　　第四章4.红外IRDA,------打印机，扫描仪，数码相机

　　第五章5.射频识别RFID,-----利用射频信号及空间耦合的电感或电磁耦合的传输特性，是新自动识别-----包含阅读器，应答器，电子标签---2.4G赫兹

　　第六章6.近场通信NFC,-------13.56M赫兹的工作频率，功耗低，距离近

　　第七章7.超宽带UWB,-------不采用正弦波，利用纳秒级的非正弦波窄带脉冲传输数据，频谱范围很宽-----主要应用在小范围，高分辨率，能够穿透墙壁，地面及身体的雷达和图像系统中----整合已经成熟的无线USB和无线1394等连接技术

　　　　　　定义：信号在-20dB处的绝对带宽大于1.5GHz或相对带宽大于25%，则该信号为超宽带信号----可使用的频段3.1-10.6GHz，规定UWB的系统最高辐射密度为-43.3dBm/MHz----

　　　　　　基于UWB的新技术和系统

　　　　　　　　1基于多带脉冲无线电超宽带IR-UWB系统

　　　　　　　　2基于直扩码分多址DS-CDMA的UWB系统

　　　　　　　　3基于多带正交频分复用MB-OFDM的UWB系统

　　　　　　　　　　UWB技术与其他短距离无线通信技术的比较

 

 UWB的技术特点：

　　　　　　1传输速率高，空间容量大-----可达1Gbps

　　　　　　2适合短距离通信-------功率仅为0.55mW，距离小于10米信道容量高于5GHz频段的VLAN-------距离超过12米的时候，UWB系统在信道容量上的优势将不复存在

　　　　　　3.具有良好的共存性和保密性------UWB系统辐射谱密极低（小于-41.4bBm/MHz）,具有很强的隐蔽性，很难被截获，提高通信保密性非常有利

　　　　　　4.多径分辨能力强，定位精度高------采用窄脉冲，时间和空间的分辨能力很强，具有很强的抗衰落能力，UWB信号可以分开无线信道的时间和频率并利用分集接收技术进行合并，超带宽无线电具有极强的穿透能力，由于室内或地下GPS定位系统无法覆盖，超短脉冲定位器可以给出相对位置，定位精度可达到厘米级

　　　　　　5.体积小，功耗低，------收发机器不需要复杂的载波调制/解调电路和滤波器，可以大大降低系统复杂程度，减少收发器体积和功耗

　　　　　　6.系统结构的实现比较简单-----UWB不使用载波，通过发送纳秒级脉冲来传输信号，不需要收发的上变频，不需要放大器与混频器，发射器低廉

　　一，UWB调制技术---------

　　　　　　1.脉位调制PPM----利用脉冲位置承载数据信息的调制方式----二进制（2PPM）和多进制（MPPM）

　　　　　　2.脉幅调制PAM------开关键控OOK和二进制相移键控BPSK（BPSK获得更高的传输可靠性，辐射谱中没有离散线谱）

　　　　　　3.波形调制PWSK----需要较多的成形滤波器和相关器，实现比较复杂，实际中用的很少，目前仅仅限于理论研究

　　　　　　4.正交多载波调制------在OFDM系统中，数据符号被调制在并行的多个正交载波上传输，调制和解调通过傅里叶变换实现，频谱利用率高，抗多径能力强，便于DSP实现等优点，OFDM技术广泛应用于广播，数字视频广播，WLAN等无线网络，位3G/4G蜂窝网的主流技术。

　　二，UWB多址技术

　　　　　　跳时多址THMA：

　　　　　　扩频-码分多址DS-CDMA：

　　　　　　跳频多址FHMA：

　　　　　　PWDMA：正交多脉冲提出的一种波分多址

　　三。UWB接收机的关键技术

　　　　　　UWB信道严重的频率选择衰落特征和UWB系统的低辐射功率限制对接接收机设计提出严峻挑战，为优化设计，必须对定时同步，信道估计，接收机结构等若干关键技术进行研究

 

 　　　　　　　　　　　　　　UWB系统接收机原理图

　　　　　　　　定时同步：定时偏差和抖动严重影响接收机性能，分为捕获和跟踪两种，接收机快速搜索信号到达的时间，并根据搜索结果调整接收定时机，接收机对微小的定时偏差进行补偿以保持同步

　　　　　　　　瑞克接收：合并可分辨的多径信号能量，提高系统在多径衰落信道中的性能

　　　　　　　　信道估计：估计多径信号的到达时间和幅度，进行相干检测，估计信道频率响应

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

　　第八章8.60GHz无线通信技术，----在2-20米内需要传输高达几个G的无线传输，802.11ad所工作的频段,可以轻松达到7G速率，延迟小，堪比有线-----主要应用与VR等娱乐领域，频率越高，穿透力越差，60H赫兹基本上不具备穿墙能力

　　第九章9.可见光天线通信技术，

　　第十章10.自组网AD HOC