物联网通信技术
2024-12-29 20:31:17 1 举报AI智能生成
物联网通信技术
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大纲/内容
第一章、物联网通信概述
物联网的特征与体系结构
特征
全面感知
利用传感器、RFID电子标签、二维码、摄像头等能够随时随地获取物体的各种信息。
可靠传输
通过各种电信网络和互联网的融合，将感知的各种信息进行实时准确的传递。
智能处理
利用云计算、数据挖掘等智能计算技术，及时对海量数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化管理。
体系结构
感知层
就是利用采集信息的设备采集生活中发生的行为和数据，例如温湿度，光照，人的行为。
网络层
将感知层获取到的信息通过指定的网络方式传输到应用层，在物联网中负责传递和处理感知层获取的信息。
应用层
为用户提供智能应用，就是满足用户的需求，用户需要数据做什么，或者是对传感器进行怎么样的交互。
物联网协议体系
组成
信源
信道
信宿
常见的通信协议
根据不同的介质
有线传输
光纤
同轴电缆
双绞线
无线传输
卫星
WiFi
根据传输的距离
近距离通信
RFID
组成
电子标签
读写器
天线
是一种短距离传输技术
NFC
是一种短距离的高频无线通信技术
ZigBee
基于IEEE 802.15.4协议
一种短距离、低功耗、高可靠的无线数传网络。
蓝牙
基于IEEE 802.15协议提供短距离
提供短距离、低成本的无线传输应用
远距离通信
第二章、基带传输技术
熟悉常见基带信号的波形
不归零码
单极性不归零码
双极性不归零码
不归零码难以判断位的开始和结束，需要同时发送时钟信号进行同步
归零码
单极性归零码
双极性归零码
曼切斯特码
掌握分组信道编码原理
分组码
分组码可以表示为（n,k）其中n代表码的总长度，k代表信息位，r就为监督码元
奇偶校验码
奇偶校验位的校验码元（监督位）只有1位，并且该校验方式只能检测出部分错误。
汉明码
传输方式
按照数据信号在信道上的传送方向与时间的关系
单工
两个站之间只能沿一个指定的方向传送数据信号，就是设定了发，就只能执行发操作，收操作同理。
半双工
指两个站之间可以在两个方向上传输数据信号，但不能同时进行。
全双工
指两个站直接可以在两个方向上同时传送数据信号。
按照收发两端实现同步的方式
异步传输
例如单片机中的UART就是异步传输，我们设置的波特率为115200的意思就是以115200的比特周期的中心采样
同步传输
每个字符使用起止位按位进行传送，数据块以帧作为整体传输，并做到
基带信号
指未对载波调制的待传信号称为基带信号，它所占的频带称为基带。基带传输，指一种不搬移基带信号频谱的传输方式。
基带传输技术作用于物理层
第三章、频带传输技术
熟悉无线信号与信道的特性
无线信道（也叫无线电波）
传播方式
地波
天波
空间直线波
传输特性
传输方式
直射波
反射波
透射波
绕射波
传播模型
大尺度传播模型
发射机与接收机之间长距离（几百或几千米）内信号强度的变化。
小尺度传播模型
描述短距离（几个波长）或短时间（秒级）内接收信号强度的快速变化。
空间特性
快衰落
由多径衰落造成，通常服从瑞丽分布
慢衰落
由阴影衰落造成，通常服从对数正态分布
时间特性
多径效应
因为空间角度中因为各种场景和物体而产生的直射波、反射波、绕射波、透射波导致信号到达接收端的时间也不同
空间角度
本地反射物所引起的多径效应呈现较快的幅度变化，其局部均值为随距离增加而起伏的曲线
时间角度
各个路径的长度不同，因而信号到达的时间也不同，引起接受信号中脉冲的宽度扩展，称为时延扩展，有可能造成码间串扰
多普勒效应
移动端与基站之间的相对运动，或是信道路径中物体的运动，会引起多普勒频移
传输损伤
误码
抖动
漂移
滑动
时延
掌握常见数字调制方式原理
载波的特性
幅度
幅移键控法ASK
幅移就是把频率、相位作为常量，而把振幅作为变量
二进制幅移键控（2ASK）
振幅键控是载波的幅度随数字基带信号变化而变化的数字调制方式
其包络是变化的，且变化规律与基带信号有关
其载波频率是恒定的，且与基带信号无关
信号带宽是基带脉冲波形带宽的2倍，近似为2fs
频率
频移键控法FSK
频移就是把振幅、相位作为常量，而把频率作为变量
相位
相移键控法PSK
相移就是把振幅、频率作为常量，而把相位作为变量
二进制相移键控（2BPSK）
其包络是恒定的，其载波频率也是恒定的
其载波初始相位是变化的，
信号带宽是基带脉冲形带宽的2倍，近似2fs
频带传输技术和基带传输技术一样作用于物理层
第四章、链路传输技术
了解组帧技术和分段技术的特点
组帧技术
定义
为了能使接收节点正确地接收并检查所接收的帧，发送节点必须依据一定的规则把网络层递交的分组封装成帧（即组帧）
作用
组帧技术主要解决一帧什么时候开始，什么时候结束，那一部分是差错校验比特等问题
常见组帧技术
面向比特的组帧技术
用一串特殊的比特来标志帧的起始和结束
面向字符的组帧技术
用字符填充帧首尾，确定帧的开始和结束
长度计数的组帧技术
用长度标志一帧含有的字符串，从而确定帧的结束
掌握常见的差错检测与控制方法
停等式ARQ
基本思想：在开始下一帧传送之前，必须确保当前帧已被正确接收
n - ARQ
允许连续发送n个数据帧之后再等待确认
选择重发式ARQ
选择错误的数据帧进行重发，不用重发从出错帧开始的后续所有帧
熟悉静态接入技术与随机接入技术的典型方法与基本原理
静态接入技术
典型的静态接入技术
时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）
时分多址的基本原理就是把时间分为周期性的帧；每一帧再分为n个时隙
频分多址（Frequency - Division Multiple Access，FDMA）
频分多址的基本原理就是把通信系统的总频段分为m个等间隔的频道或信道，并且这些频道互不重叠，为了防止不同频道间的信号干扰，频道间留有保护频带
码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）
码分多址的基本原理就是用不同码型来划分信道，每个地址码对应一个信道，不同信道可以在同一个时间段内，同一个频段内通过不同的地址码区分
随机接入技术
ALOHA
纯ALOHA
如果时间是连续的，那么就是纯ALOHA
时隙ALOHA
如果时间被分成离散时隙，所有帧都必须同步到时隙中，那么就是时隙ALOHA
CSMA
链路传输技术就是基于数据链路层
数据链路控制子层
介质访问控制子层
第五章、网络传输技术
了解集中式路由和分布式路由算法
集中式路由算法
控制中心计算路由
分布式路由算法
核心思想就是各个节点独立地计算最短路径
熟悉自组织网络路由协议
定义
由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳的临时性自治系统
特点
去中心化和自组织性
动态变化的网络拓扑
多条路由
掌握DSDV和AODV协议
DSDV（目的节点序列距离矢量路由协议）
AODV（无线自组网按需平面距离矢量路由协议）
第六章、应用传输技术
了解MQTT、CoAP和LwM2M传输协议的主要特点
MQTT
轻量级
开放标准且简单
可靠传输
支持多种网络协议
CoAP
轻量化
支持可靠传输
支持IP多播
LwM2M
轻量化
基于CoAP
标准化
熟悉MQTT、CoAP和LwM2M传输协议的基本原理和使用方法
MQTT
基本原理
发布 / 订阅模式
MQTT 基于发布 / 订阅模式进行消息传递。其中包含三种角色，即发布者、订阅者和代理服务器。
消息结构
MQTT 传输的消息主要分为主题（Topic）和负载（Payload）两部分。主题可理解为消息的类型或分类标签，用于标识消息的内容范畴；负载则是具体的消息内容。
服务质量（QoS）保证
QoS 0：至多一次传输
消息发送者会尽最大努力发送消息，但不保证消息一定能到达接收者，消息的传递流程只包括一次，如果发送失败，则不会重试。此级别适用于对消息传递可靠性要求不高，但对响应速度要求较高的场景，如环境传感器数据，丢失一次读记录无所谓，因为不久后还会有第二次发送。
QoS 1：至少一次传输
发送方会确保消息至少被传递一次到接收方，在某些情况下，消息可能会被多次传递。接收方可以通过消息 ID 或其他标识符来判断是否已经接收过某个消息，从而处理重复接收的情况。该级别适用于需要确保消息被至少传递一次的场景，但允许消息的重复传递，比如一些控制指令的发送。
QoS 2：只有一次传输
这是最高等级的服务质量，保证消息只会被接收者准确地接收一次，不过这种模式会增加一定的开销。它适用于对数据准确性和唯一性要求极高的场景，如金融交易数据传输等。
CoAP
基本原理
GET方法: 用于查询资源，该资源通过请求中的URI进行识别。
POST方法: 要求CoAP请求中的资源描述内容被CoAP服务器处理。
PUT方法: 要求服务器根据CoAP请求中的URI和CoAP请求负载中的资源描述信息更新服务器内的指定资源。
DELETE方法: 要求服务器根据CoAP请求中的URI删除服务器中的指定资源。
LwM2M
基本原理
LwM2M定义了三个逻辑实体:
LwM2M Server 服务器；
LwM2M Client 客户端，负责执行服务器的命令
和上报执行结果；
LwM2M 引导服务器 Bootstrap Server，负责
配置LwM2M客户端。
掌握MQTT、CoAP和LwM2M传输协议的使用场景
MQTT
物联网（IoT）领域
移动应用开发
远程监控系统
CoAP
CoAP更适合数据采集的场合
LwM2M
LwM2M协议适用于轻量级的各种物联网设备
第七章、物联网有线通信系统
了解串行接口通信和CAN总线的主要特点
串行接口通信
特点：串行通信是指用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。
优点：所需数据线少，成本低，传输距离可以从几米到几千米
缺点：传输速率慢，效率不高。
CAN总线
高可靠性
实时性
良好的错误检测能力
熟悉上述系统的协议架构
串行接口通信
物理层
功能：负责数据传输的物理媒介和硬件接口
常见标准
RS-232
RS-485
TTL
数据链路层
功能：负责将物理层提供的比特流转化为可管理的数据帧
数据帧结构
起始位
数据位
校验位
停止位
常见协议
UART
应用层
功能：负责与应用程序的交互
常见协议
Modbus
CAN总线
物理层
通常采用双绞线作为传输介质，两根线分别为 CAN_H（高位数据线）和 CAN_L（低位数据线），通过这两根线传输差分信号。
数据链路层
MAC子层
CAN协议的核心，涉及控制帧的结构、执行仲裁、
应答、错误检测
应答、错误检测
LLC子层
为上层数据传送和远程数据请求提供服务
数据帧：这是 CAN 总线最主要的帧类型，用于传输节点之间的数据。
应用层
掌握上述系统的基本原理与使用方法
第八章、典型免授权频谱无线通信系统
ZigBee
特点
低功耗
低速率
短距离
协议架构
物理层
媒体访问控制层（MAC层）也就是数据链路层
网络层
应用层
基本原理
基于 IEEE 802.15.4 标准
采用星型、树型、网状网络拓扑
采用 CSMA - CA 信道接入方式
蓝牙
特点
低功耗
短距离
点对点或点对多点传输
基本原理
基于跳频技术
采用主从模式
工作在 2.4GHz ISM 频段
Wi-Fi
特点
高速率
中短距离
高带宽
协议架构
物理层
数据链路层
网络层
传输层
应用层
LoRa
特点
低功耗
远距离
低速率
协议架构
物理层
数据链路层
网络层
应用层
基本原理
基于扩频技术
采用星形或网状网络拓扑
工作在免授权频段
第九章、典型授权频谱无线通信系统
5G NB - IoT
特点
低功耗
广覆盖
大连接
低速率
协议架构
物理层
数据链路层
网络层
应用层
基本原理
基于蜂窝网络
采用窄带技术
支持海量连接
5G NR
特点
高速率
低时延
高可靠性
大带宽
协议架构
物理层
数据链路层
网络层
传输层
应用层
基本原理
基于 OFDM 技术
采用毫米波频段
支持大规模 MIMO
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