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物联网技术-第4章物联网通信技术-4.1无线网络

作者：Li_阴宅 | 2024-06-23 00:13:56

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1. 无线通信概念

（1）有线与无线

有线介质：

 双绞线

 同轴电缆

 光纤

无线介质：

 无线电

 红外线

 光波

 声波

（2）电磁波的频谱

（3）频段的划分

（4）调制与解调

无线通信中的调制与解调是信号传输过程中的两个关键步骤，对于实现有效的信息传递至关重要。

调制 (Modulation)

调制是指将需要传输的信息（如音频、视频、数据等基带信号）嵌入到一个高频的载波信号上，使得基带信号能够适应于空中传播的特性。这个过程通过改变载波信号的一个或多个属性（如振幅、频率、相位）来实现。主要的调制类型包括：

调幅 (AM, Amplitude Modulation): 改变载波信号的振幅以携带信息。
调频 (FM, Frequency Modulation): 改变载波信号的频率来编码信息。
调相 (PM, Phase Modulation): 改变载波信号的相位来传输信息。
正交幅度调制 (QAM, Quadrature Amplitude Modulation): 同时改变载波信号的幅度和相位，实现更高的数据传输速率。

解调 (Demodulation)

解调是调制的逆过程，发生在接收端。它的目的是从接收到的已调制信号中恢复出原始基带信号。接收机通过检测并分析载波信号的变化（振幅、频率或相位的变化），将这些变化还原为原始的信息内容。为了正确解调，接收机必须知道调制的具体类型和参数，这样才能使用相应的解调技术。

（5）调制技术

（6）信道的复用

（7）网络的组成元素

无线网络用户

 手机，PDA，传感器，……

 可无线通信。

 可获取有效信息。

基站

 将用户与公共基础网络相连的设备。

 蜂窝塔（Cell Tower）

 WiFi接入点（Access Point）

 根据不同协议，覆盖范围及传输速率不同。

无线连接

 用户与基站、用户与用户或基站与基站之间的数据传输通路。

 以无线电体。

 支持多种多样的传输速率和传输距离。

自组网

 无须基站。用户之间通过自组织的方式形成自组网(Ad-hoc Network)。

 地址指派、路由选择等功能由用户自身完成。

（8）无线网络分类

（9）无线传输的特点

信号强度衰减快

无线信号能量随着传输距离增长而减弱。

非视线传输

若发送者与接收者之间的路径部分被阻挡，则称其为非视线传输。

无线信号可能会被阻挡物吸收或迅速衰减。

信号干扰

相同无线频段的信号会相互干扰，例如2.4GHz。

外部环境的电磁噪声，例如微波炉、汽车、高压电线。

多径传播

无线信号由于阻挡物的反射和折射，到达接收端的时间可能略微不同，引起信号失真。

无线宽带网络和有线宽带网络的主要区别在于物理层和数据链路层。

2. 无线宽带网络

（1）无线局域网

Wi-Fi （ Wireless Fidelity，无线保真）是由Wi-Fi联盟(Wi-Fi Alliance)所持有的一个无线网络通信技术品牌，目的是改善基于 IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通。

性。随着IEEE 802.11a 及IEEE 802.11g等标准的出现，现在IEEE 802.11 这个标准已被统称作Wi-Fi。

IEEE802.11 是IEEE制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中，用户与用户终端的无线接入。由于802.11在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，IEEE小组相继推出了一系列802.11标准。不同802.11协议的差异主要体现在使用频段，调制模式和信道差分等物理层技术上。

（2）无线城域网

WiMAX （ Worldwide Interoperability for Microwave Access ）旨在为广阔区域内的无线网络用户提供高速无线数据传输业务，视线覆盖范围可达112.6千米，非视线覆盖范围可达40千米，带宽70Mbps，WiMAX技术的带宽足以取代传统的有线入户连接为企业或家庭提供互联网接入业务，可取代部分互联网有线骨干网络提供更人性化多样化的服务。与之对应的是一系列IEEE 802.16 协议。

•WiMAX架构

与802.11基站模式类似

基站以点对多点连接为用户提供服务。这段被称为“最后一英里”（Last Mile）。

基站之间或与上层网络以点对点连接（光纤、电缆、微波）相连。称为“回程”（Backhaul）。

•WiMAX频段

10～66GHz（适合视线传输，作为回程连接载波）

2～11GHz（适合非视线传输，用于最后一英里传输

3. 移动通信网络

（1）蜂窝结构

（2）频率的复用

（3）几个基本概念

 空中接口—无线通信中手机与基站通信的接口

 移动台—通过空中接口与无线网络通信的设备

 移动台可以分为车载移动台或手持移动台。

 手机就是目前最常用的便携式的移动台。

 基站包括天线、无线收发信机以及基站控制器 （ BSC ）。

 基站一端通过空中接口与手机通信，另一端接 入到移动通信系统主干网之中。

移动通信中1G、2G、3G、4G与5G技术的区别

主要表现在 无线信道采用不同的空中接口标准 上。

（4）系统结构

（5）5G技术

4. 无线低速网络

（1）需求

更全面的互联互通是物联网的特点之一，物联网背景下连接的物体，既有复杂的也有简单的。

•适应物联网中那些能力较低的节点：

低速率

低通信半径

低计算能力

低功耗

• 无线低速网络协议 能够适应物联网中资源较少设备的需求。

•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接入网中，低速网络协议是实现全面互联互通的需要。

（2）网络协议

（3）蓝牙

• 蓝牙技术 是一种短距离低功耗传输协议，最早始于1994年，由瑞典的爱立信公司研发。

•采用的是调频技术（frequency-hopping spreadspectrum），频段范围是2.402GHz-2.480GHz。

•通信速率一般能达到1Mbps左右，新的蓝牙标准也支持超过20Mbps的速率。

•通信半径从几米到100米不等，常见为几米。

蓝牙主要是为了替换一些个人用户携带设备的有线，如耳机，键盘等。这些设备对带宽的要求相对较低，或者设备的资源拥有量（电量，计算资源等等）相对较低。

（4）802.15.4/ZigBee

物理层

•频段：3个频段，均为国际电信联盟电信标准化组定义的用于科研和医疗的开放频段（ISM），包括

868.0-868.6MHz，主要为欧洲采用，单信道；

902-928MHz，北美采用，10个信道，支持扩展到30；

2.4-2.4835GHz，世界范围内通用，16个频道。

• 传输技术： 最早为直接扩频，后来可采用调频、调相等多种技术

网络层

网络层功能： 路由的选择，新节点和路径的发现，决定一个节点属于某一个子网络等。 ZigBee网络层 采用距离矢量路由协议（AOD 源节点广播一个路由请求给它的所有邻居。 邻居节点在收到消息后，再广播收到的消息给们的邻居，如此直到消息到达目的节点。 当目的节点收到路由请求消息以后，目的节点回一个路由回复给源节点。 回复不再以广播方式发送到源节点，而是沿着由请求数据包从源节点到目的节点的路径，这样节点就可以按照这条路径发送消息到目的节点了