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同学们好

我是云南大学信息学院的常俊老师

今天

我们将学习物联网

无线通信基础

物物相连

离不开通信

万物互连

离不开通信网络传输

网络传输是物联网系统

的重要组成

它不仅

需要为感知层的数据

提供可靠的网络传输

也需要为管理平台层的信息

提供交换

共享

互联网由终端

接入网

和核心网构成

物联网

是互联网

在终端设备上的延伸

在接入网上的扩展

物联网应用场景对通信通常

都不友好

只有无线通信技术能够用

大规模的嵌入无线通信芯片的

智能传感器部署

更是离不开无线网络接入技术

因此

无线通信

是物联网网络传输的核心接入技术

本讲我们将学习以下内容

第一

物联网无线接入分类

二

无线通信基础

三

物联网无线通信技术对比

首先

我们来看物联网无线接入分类

物联网无线接入

可从不同的角度进行分类

第一个

我们可以根据传输速率来分

分为高速率

它的速率大于1Mbps

包括3G

4G

5G移动通信

和WiFi

物联网应用类型市场占比10%

中速率

介于1Mbps

和100kbps之间

包括

MTC

eMTC

GPRS

WiFi

和蓝牙

物联网应用类型占市场比例30%

低速率

小于100kbps

包括ZigBee

RFID

NB-IOT

和LoRa等

物联网应用类型市场占比60%

第二

根据传输距离来分

近

或者是短距离通信技术

小于100米

包括Zigbee蓝牙

和WiFi等

远距离通信技术

大于100米

包括

2G

3G

4G

5G等移动通信网络

以及

低功耗广域网

LPWAN

LoRa和NB-IOT

三

根据无线接入的运行模式

分为

基于基础设施接入模式

和自组织模式

基于基础设施接入模式中

基础设施

包括基站

接入点等等

单跳工作

无线终端通过基站连接到固定网络

网络基础设施

所有传统的

网络服务都由固定网络提供

包括

蜂窝移动通信

WiFi

Lora等等

在自组织模式中

多跳网络中没有基站

多跳工作

节点相互帮助

转发分组

每个节点

既是终端又是路由器

包括无线传感网

Zigbee

蓝牙mesh等等

第二

无线通信的基础

为了更好的理解

无线接入技术

学习无线通信的基础知识

是十分必要的

我们就从无线电的知识开始

无线电频谱的特点

包括有限性

即

频段是有限的

排它性

即

在一定的时间

地区

频域内独占

复用性

即

频率在一定时间

地区

频域编码条件下可以复用

非耗尽性

即

重复利用

不会耗尽

传播性

即

不受国界

和行政

地域的限制

但是它受到自然环境影响

易干扰性

即

互相干扰

无线电频谱

是划分成频段来分配使用的

国际上将无线电频谱划分为12个频段

通常的无线电通信

只使用其中第4

到12频段

其中有一些特殊频段

称为

ISM频段

它是ITU

也是国际电联

规定的工业科学医疗

简称ISM频段

开放给三类机构来使用

无需许可证授权

可免费使用

ISM频段各国规定不一样

其中2.4GHz频段

为各国通用

许多无线网络工作于此频段

它的使用

需限制发射功率

小于一瓦

不干扰其它频段

无线电的频谱资源十分的珍贵

各国呢都设有专门的管理部门

中国无线电管理局

是专业无线电管理部门

依据

《中华人民共和国无线电管理条例》

等法律规定

负责管理

具体职责

有频率使用和管理

固定台站布局规划

台站设置认可

频率分配

电台执照管理

公用移动通信基站共建共享

监督无线电发射设备

研制及生产

无线电波辐射和电磁环境监测等等

在美国

美国联邦通信委员会

FCC

是管理部门

各种无线通信

和数字产品进入美国市场

都需要FCC认可

接下来

我们来学习无线电波的传播及特性

无线电波的传播方式分为

天波传播

它依靠电离层

或对流层反射

地波传播

包括直射

反射

绕射等

LOS视距传播

无阻挡物的直线传播

NLOS非视距传播

包括地面转发站

中继

和通信卫星中继

等等形式

无线链路有一些特有的属性

信号衰减

是指信号

在传输的过程中

能量逐渐减少

通常

称为路径损耗

干扰

是指受到其它信号源的干扰

多径传播

是指由于地面

或物体的反射作用

信号

沿多条不同长度的路径

到达接收端

以上特性

将导致无线链路的传输距离受限

误码率很高

因此

无线通信的技术发明

无一不是由此出发的

接下来

我们将学习通信系统的组成

通信系统的模型

将通信系统抽象成

信源

调制

发射机

信道

噪声

接收机

解调

和信宿几个组成部分

信号源消息信号

通常包含直流分量

和频率较低的频率分量

称为

基带信号

调制

指的是将输入信息

变换为适于信道

传输的形式

基带信号一般不能直接传输

需变换为一个

远高于基带频率的信号

即

已调信号

调制过程

改变高频载波

即信息载体信号的幅度

相位

或者频率

使其

随基带信号幅度而变化

解调过程

则将基带信号从载波中提取出来

使接收方

能正确处理

常用的调制方式有模拟

数字

脉冲等等

天线

是发射

和接收无线电波的重要设备

它是无线通信系统

外界传输介质的接口

发送方

将信号通过馈线

也就是电缆

输送到天线

再以电磁波的形式辐射出去

接收方

则由天线

吸收到达的电磁波

仅接收极小部分的功率

通过馈线送至天线接收机

天线的型号

增益

方向图

驱动功率

配置

极化率等

都是影响性能的因素之一

第三

物联网无线通信技术对比

由于通信距离

通信带宽

和通信能耗互相制约

因此

产生了多种多样的无线通信技术

以解决

物联网不同的通信需求

Wi-Fi

注重提高网络带宽

通信距离

通常来说相对比较小

通信能耗相对较高

网络带宽

是其最重要的需求

ZigBee网络

协议

标准带宽较小

通信距离也相对较短

其优势是协议灵活

能耗小

蓝牙协议

折中了上述两者

带宽比Wi-Fi更低

但是

比ZigBee呢又更高一些

相应的能耗

也比Wi-Fi更低

比ZigBee更高

3G之后的蜂窝移动通信

功耗高

距离较远

带宽较大

LPWAN

称为低功耗广域网通信

其带宽较小

小结

物联网无线接入技术

可根据传输速率

传输距离

和无线接入的运行模式

进行分类

无线通信的基础

我们学习了无线电频谱的特点

划分

和监管

学习了无线电波的传播形式

链路特性

也学习了

通信系统的模型

调制

和天线

最后呢

对常用的WiFI

ZigBee

蓝牙

3G移动

和LPWAN等无线接入技术

从距离

带宽

和功耗三个维度进行了对比

好的

今天的课就上到这里

同学们

再见