1.2 物联网通信

通信是物联网的关键功能，没有通信，物联网感知的大量信息无法进行有效地交换和共享，从而也不能利用基于这些物理世界的数据产生丰富的多层次的物联网应用。没有通信的保障，物联网设备无法接入虚拟数字世界，数字世界与物理世界的融合也无从谈起。物联网通信构成了物物互连的基础，是物联网从专业领域的应用系统发展成为大规模泛在信息化网络的关键。

由于物联网对通信的强烈需求，物联网通信包含了几乎现有的所有通信技术，包括有线和无线通信。然而考虑到物联网的泛在化特征，要求物联网设备的广泛互连和接入，最能体现该特征的是无线通信技术。正是无线通信技术的发展，使得大量的物和与物相关的电子设备能够接入到数字世界，而且能够适应现实世界的运动性。因此物联网虽然用到大量的有线通信技术，但本节重点介绍无线通信，包括移动通信网络、宽带无线接入、射频与微波通信等。

移动通信网络是一个广域的通信网络，需要中心化的基站和核心网来支持和维护移动终端间的通信。在物联网的应用场景中，传感器等物联网设备需要实时交互共享信息，釆用对等通信的方式，需要具有低功耗、无中心特征的短距离无线通信技术，无线传感器网络技术来建立局部范围内的物联网，再通过网关等特定设备接入互联网或广域核心网，成为名副其实的物联网。物联网设备分为一般的嵌入式系统和传感器两类。其中短距离无线通信技术目前主要用于包含嵌入式系统的电子设备之间的互连，无线传感器网络主要用于传感器之间的互连。

因此，考虑物联网的泛在特征，本节主要介绍与物联网密切相关的无线通信技术。考虑到全局网络和局部网络的关系，本节也介绍了全局范围的移动通信网络、局部范围的无线短距离通信技术和无线传感器网络。

1.2.1 移动通信

移动通信网络具有覆盖广、建设成本低、部署方便、具备移动性等特点。而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（这些数据种类也是多种多样的，如声音、视频、普通信息数据等），即物联网需要一个无处不在的通信网络。考虑到方便性（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）以及一些应用场景本身需要随时监控的目标就处在移动状态下，因此移动通信网络将是物联网最主要的接入手段之一。

1.移动通信的特点

所谓移动通信就是移动物体之间的通信，或移动物体与固定物体之间的通信。移动物体可以是人，也可是汽车、火车、轮船、飞机等在移动状态中的物体。移动通信，顾名思义其最本质的特色是“移动”二字，就是说这类通信不是传统静态的固定式通信，而是动态的移动式通信。

随着现代通信的发展，尤其是移动通信这一综合利用了有线和无线的传输方式商业化后，满足了人们在活动中与固定终端或其他移动载体上的对象进行通信联络的要求，移动通信有受时空限制少和实时性好的优点，从而得到了广泛的应用和迅速发展。

移动通信与有线通信比较起来，主要有以下不同之处：

（1）移动性。就是要保持物体在移动状态中的通信，因而它必须是无线通信，或无线与有线通信的结合。

（2）电波传播条件复杂。因为移动物体可能在各种环境中运动，电磁波在传播时会产生反射、折射、绕射、多普勒效应等现象，产生多径干扰、信号传播延迟和频谱展宽等现象。

（3）噪声和干扰严重。在城市环境中存在如汽车火花噪声、各种工业噪声，移动用户之间的互调干扰、邻道干扰、同频干扰等。

（4）系统和网络结构复杂。它是一个多用户通信系统和网络，必须使用户之间互不干扰；能协调一致地工作。此外，移动通信系统还应与市话网、卫星通信网、数据网等互连，整个网络结构比较复杂。

（5）要求频带利用率高，设备性能好。

总之，传播的开放性、接收环境的复杂性和通信用户的随机移动性，这3个特点共同构成了移动通信的主要特点。移动信道的主要特点和电磁传播的方式特点，决定了将会对无线信号的传输产生3类不同的损耗和4种效应。

三类损耗包括路径传播损耗、大尺度衰落损耗、小尺度衰落损耗，具体含义如下：

（1）路径传播损耗。又称为衰耗，它是指电磁波在宏观大范围（即公里级）空间传播所产生的损耗。它反映了传播在空间距离的接收信号电平的变化趋势。

（2）大尺度衰落损耗。它是由于在电波传播路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产生的阴影效应而产生的损耗。它反映了中等范围内数百波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，一般遵从对数正态分布，其变化率较慢又称为慢衰落。

（3）小尺度衰落损耗。它主要是由于多径传播而产生的衰落，反映微观小范围内数十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，一般遵从瑞利或莱斯分布。其变化率比慢衰耗快，所以称为小尺度衰落或快衰落。它又可以进一步划分为空间选择性衰落、频率选择性衰落、时间选择性衰落。选择性是指在不同的空间、频率、时间，其衰落特性不一样。

4种效应包括阴影效应、远近效应、多径效应、多普勒效应，具体含义如下所述。

（1）阴影效应。由于大型建筑物和其他物体的阻挡，在电波传播的接收区域中产生传播半盲区。它类似于太阳光受阻挡后可产生的阴影，光波的波长较短，因此阴影可见，电磁波波长较长，阴影不可见，但是接收终端（如手机）与专用仪表可以测试出来。

（2）远近效应。由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站之间的距离也是在随机变化的，若各移动用户发射信号功率一样，那么到达基站时信号的强弱将不同，离基站近者信号强，离基站远者信号弱。通信系统中的非线性将进一步加重信号强弱的不平衡性，甚至出现了以强压弱的现象，并使弱者，即离基站较远的用户，产生掉话（通信中断）现象，通常称这一现象为远近效应。

（3）多径效应。由于接收者所处地理环境的复杂性，使得接收到的信号不仅有直射波的主径信号，还有从不同建筑物反射过来以及绕射过来的多条不同路径信号，而且它们到达时的信号强度、到达时间以及到达时的载波相位都是不一样的。所接收到的信号是上述各路径信号的矢量和，也就是说多径信号之间可能产生自干扰，称这类自干扰为多径干扰或多径效应。这类多径干扰非常复杂，有时根本收不到主径直射波，收到的是一些连续反射波等。

（4）多普勒效应。由于接收用户处于高速移动中，比如车载通信时传播频率的扩散而引起的，其扩散程度与用户运动速度成正比。这一现象只产生在高速（≥70km/h）车载通信时，而对于通常慢速移动的步行和准静态的室内通信，则不予考虑。

2.移动通信的发展

现代移动通信技术的发展始于20世纪20年代。从20世纪20年代至40年代，在短波频段上开发出专用移动通信系统，其代表是美国底特律市警察使用的车载无线电系统。该系统的工作频率为2MHz，到40年代工作频率提高到30～40MHz。通常认为这个阶段是现代移动通信的起步阶段，主要是专用系统，特点是工作频率较低。

20世纪40年代中期至60年代初期，公用移动通信业务开始问世。1946年，根据美国联邦通信委员会（FFC）的计划，贝尔系统在圣路易斯城建立了世界上第一个公用汽车电话网，称为“城市系统”。当时使用3个频道，每个频道间隔为120kHz，采用单工通信方式。随后，德国（1950年）、法国（1956年）、英国（1959年）等相继研制了公用移动电话系统。美国贝尔实验室完成了人工交换系统的接续问题。这一时期的移动通信从专用移动网向公用移动网过渡，采用人工接续方式，全网的通信容量较小。

从20世纪60年代中期到70年代中期，美国推出了改进型移动电话系统（IMTS），使用150MHz和450MHz频段，采用大区制、中大容量，实现了无线频道自动选择并能够自动接续到公司电话网。同期，德国也推出了具有相同技术水平的B网。这一时期，移动通信系统的特点是采用大区制、中小容量，使用450MHz频段，实现了自动选频与自动接续。

20世纪70年代中期至80年代中期是移动通信蓬勃发展的时期。1978年年底，美国贝尔实验室研制成功了采用小区制的先进移动电话系统（AMPS），建成了蜂窝状移动通信网，大大提高了系统容量，开始了第一代陆地公众蜂窝移动通信系统。1983年，该系统首次在芝加哥投入商用。同年12月，在华盛顿也开始启用。之后，服务区域在美国逐渐扩大。到1985年3月已扩展到47个地区，约10万移动用户。其他工业化国家也相继开发出蜂窝式公用移动通信网。日本于1979年推出800MHz汽车电话（HAMTS），在东京、大阪、神户等地投入商用。德国于1984年完成C网，频段为450MHz。英国在1985年开发出全地址通信系统（TACS），首先在伦敦投入使用，以后覆盖了全国，频段是900MHz。加拿大推出450MHz移动电话系统MTS。瑞典等北欧四国于1980年开发出NMT-450移动通信网，并投入使用，频段为450MHz。这一时期，无线移动通信系统发展的主要特点是小区制、大容量的蜂窝状移动通信网成为使用系统，并在世界各地迅速发展，奠定了现代移动通信高速发展的基础。

移动通信大发展的原因，除了用户需求这一主要推动力之外，还有几方面技术进展所提供的条件。首先，微电子技术在这一时期得到长足发展，这使得通信设备的小型化、微型化有了可能性，各种轻便终端设备被不断地推出。其次，提出并形成了移动通信新体制。随着用户数量增加，大区制所能提供的容量很快饱和，这就必须探索新体制。在这方面最重要的突破是贝尔实验室在20世纪70年代提出的蜂窝网的概念。蜂窝网，即所谓小区制，由于实现了频率复用，大大提高了系统容量。可以说，蜂窝概念真正解决了公用移动通信系统的要求与频率资源有限的矛盾。第三方面的进展是微处理器技术日趋成熟以及计算机技术的迅猛发展，从而为大型通信网的管理与控制提供了技术手段。

以AMPS和TACS为代表的第一代蜂窝移动通信网是模拟系统。模拟蜂窝网虽然取得了很大成功，但也暴露了一些问题。例如，频谱利用率低、移动设备复杂、费用较高、业务种类受限制以及通话易被窃听等，最主要的问题是其容量已不能满足日益增长的移动用户需求。解决这些问题的方法是开发新一代数字蜂窝移动通信系统。从20世纪80年代中期开始，数字移动通信系统逐渐发展和成熟。数字通信的频谱利用率高，可大大提高系统的容量，能提供语音、数据等多种业务服务。欧洲首先推出了泛欧数字移动通信网（GSM）的体系。随后，美国和日本也制定了各自的数字移动通信体制。GSM于1991年7月开始投入商用。在世界各地，特别是在亚洲，GSM系统取得了极大成功，并更名为全球移动通信系统。在十多年内，数字蜂窝移动通信处于一个大发展时期，GSM已成为陆地公用移动通信的主要系统。

移动通信技术在20世纪90年代呈现出加快发展的趋势。当数字蜂窝网刚进入实用阶段之时，关于未来移动通信的讨论已如火如荼地展开，新的技术与新的系统不断推出。美国高通公司于20世纪90年代初推出了窄带码分多址（CDMA）蜂窝移动通信系统。这是移动通信中具有重要意义的事件。从此，码分多址这种新的无线接入技术在移动通信领域占有了越来越重要的地位。这个时期，不断推出的移动通信系统还有移动卫星通信系统、数字无绳电话系统等。移动通信呈现出多样化的趋势。

从20世纪末到21世纪初，第三代移动通信系统（3G）的开发和推出，使移动通信进入一个全新的发展阶段。3G最早在1985年国际电信联盟（ITU）提出，当时考虑到该系统可能在2000年左右进入市场，工作频段在2000MHz，且最高业务速率为2000kbps，故在1996年正式更名为IMT-2000（International Mobile Telecommunication-2000）。3G是一种能提供多种类型、高质量多媒体业务的全球漫游移动通信网络，能实现静止2Mbps的传输速度，中低速384kbps，高速144kbps速率的通信网；但由于各国、各厂商的利益差异，产生目前三大主流技术标准WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA，而焦点集中在WCDMA（3GPP）和CDMA2000（3GPP2）上，随着3GPP和3GPP2的标准化工作逐渐深入和趋向稳定，ITU又将目光投向能提供更高无线传输速率和统一灵活的全IP网络平台的下一代移动通信标准，称为Beyond3G（B3G）或4G。

目前我国及世界上部分发达国家已经开始了面向未来的4G移动通信技术与系统的研究。未来移动通信系统将是多功能集成的宽带移动通信系统，将能为用户提供在高速移动的环境下高达100Mbps以上速率的信息传输，频谱利用率比现有系统提高10倍以上。未来的无线移动通信技术将走向宽带化、智能化、个人化，与固定网络形成统一的综合宽带通信网。

1.2.2 宽带无线接入

随着无线通信技术的发展，宽带无线接入技术能通过无线的方式以与有线接入技术相当的数据传输速率和通信质量接入核心网络，有些宽带无线接入技术还能支持用户终端构成小规模的Ad hoc网络。因此，宽带无线接入技术在高速Internet接入、信息家电联网、移动办公、军事、救灾、空间探险等领域具有非常广阔的应用空间。国际电子电气工程师协会（IEEE）成立了无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）标准委员会，并于1997年制定出第一个无线局域网标准802.11，此后IEEE 802.11迅速发展了一个系列标准，并在家庭、中小企业、商业领域等方面取得了成功的应用。1999年，IEEE成立了802.16工作组开始研究建立一个全球统一的宽带无线接入城域网（Wireless Metropolitan Area Network，WMAN）技术规范。虽然宽带无线接入技术的标准化历史不长，但发展却非常迅速。已经制定或正在制定的IEEE 802.11、IEEE 802.15、IEEE 802.16、IEEE 802.20、IEEE 802.22等宽带无线接入标准集，覆盖了无线个域网（Wireless Personal Area Network，WPAN）、无线局域网（WLAN）、无线城域网（WMAN）、无线广域网（Wireless Wide Area Network，WWAN）等无线网络，宽带无线接入技术在无线通信领域的地位越来越重要。图1.6和表1.1给出了IEEE 802无线标准体系及其特征对比。

表1.1 IEEE 802无线标准系列及其特征比较

1.无线个域网

无线个域网（Wireless Personal Area Network，WPAN）是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无线无缝的连接而提出的新兴无线通信网络技术。WPAN能够有效地解决“最后的几米电缆”的问题，进而将无线联网进行到底。

WPAN是一种与无线广域网（WWAN）、无线城域网（WMAN）、无线局域网（WLAN）并列但覆盖范围相对较小的无线网络。在网络构成上，WPAN位于整个网络链的末端，用于实现同一地点终端与终端间的连接，如连接手机和蓝牙耳机等。WPAN所覆盖的范围一般在10m半径以内，必须运行于许可的无线频段。WPAN设备具有价格便宜、体积小、易操作和功耗低等优点。

WPAN被定位于短距离无线通信技术，但根据不同的应用场合又分为高速WPAN（HR-WPAN）和低速WPAN（LR-WPAN）两种。发展高速WPAN是为了连接下一代便携式消费者电器和通信设备，支持各种高速率的多媒体应用，包括高质量声像配送、多兆字节音乐和图像文档传送等。这些多媒体设备之间的对等连接要提供20Mbps以上的数据速率以及在确保的带宽内提供一定的服务质量（QoS）。高速率WPAN在宽带无线移动通信网络中占有一席之地。发展低速WPAN是因为在我们的日常生活中并不是都需要高速应用。

在家庭、工厂与仓库自动化控制，安全监视，保健监视，环境监视，军事行动，消防队员操作指挥，货单自动更新，库存实时跟踪以及在游戏和互动式玩具等方面都可以开展许多低速应用。有许多低速应用比高速应用对我们的生活更为重要，甚至能够挽救我们的生命。例如，当你忘记关掉煤气炉或者睡前忘锁门的时候，有了低速WPAN就可以使你获救或免于财产损失。

从网络构成上来看，WPAN位于整个网络架构的底层，用于很小范围内的终端与终端之间的连接，即点到点的短距离连接。WPAN是基于计算机通信的专用网，工作在个人操作环境，把需要相互通信的装置构成一个网络，且无须任何中央管理装置及软件。用于无线个域网的通信技术有很多，如蓝牙（Bluetooth）、超宽带（UWB）、红外（IrDA）、HomeRF、ZigBee等。

2.无线局域网

对于铺设电缆或是检查电缆是否断线这种耗时的工作，很容易令人失去耐心，也不容易在短时间内找出断线所在。再者，由于配合企业及应用环境的不断更新与发展，原有的企业网络必须配合重新布局，需要重新安装网络线路，虽然电缆本身并不贵，可是请技术人员来配线的成本很高，尤其是老旧的大楼，配线工程费用就更高了。因此，架设无线局域网络就成为最佳解决方案。

基于IEEE 802.11标准的无线局域网允许在局域网络环境中使用未授权的2.4GHz或5.3GHz射频波段进行无线连接。它们应用广泛，从家庭到企业再到Internet接入热点。

大楼之间：大楼之间建构网络的连接，取代专线，简单又便宜。

餐饮及零售：餐饮服务业可利用无线局域网，直接从餐桌即可输入并传送客人点菜内容至厨房、柜台。零售商促销时，可使用无线局域网产品设置临时收银柜台。

医疗：使用有无线局域网功能的手提电脑取得实时信息，医护人员可藉此避免对伤患救治的迟延、不必要的纸上作业、单据循环的迟延及误诊等，从而提升对伤患照顾的品质。

企业：当企业内的员工使用无线局域网时，不管他们在办公室的任何一个角落，有无线局域网就能随意地发电子邮件、分享档案及上网浏览。

仓储管理：一般仓储人员的盘点事宜，通过无线网络的应用，能立即将最新的资料输入计算机仓储系统。

货柜集散场：一般货柜集散场的桥式起重车，可以在调动货柜时，将实时信息传回办公室，以利于相关作业的按步骤进行。

监视系统：主控站一般位于远方，且需要监控被监控现场，由于布线困难，可通过无线网络将远方的影像传回主控站。

展示会场：如一般的电子展、计算机展，由于网络需求极高，而且布线又会让会场显得凌乱，因此无线网络是最佳选择。

无线局域网具有的优点包括：

（1）灵活性和移动性。在有线网络中，网络设备的安放位置受网络位置的限制，而无线局域网在无线信号覆盖区域内的任何一个位置都可以接入网络。无线局域网另一个最大的优点在于其移动性，连接到无线局域网的用户可以移动且能同时与网络保持连接。

（2）安装便捷。无线局域网可以免去或最大程度地减少网络布线的工作量，一般只要安装一个或多个接入点设备，就可以建立覆盖整个区域的无线局域网。

（3）易于进行网络规划和调整。对于有线网络来说，办公地点或网络拓扑的改变通常意味着重新建网。重新布线是一个昂贵、费时、浪费和琐碎的过程，无线局域网可以避免或减少以上情况的发生。

（4）故障定位容易。有线网络一旦出现物理故障，尤其是由于线路连接不良而造成的网络中断，往往很难查明，而且检修线路需要付出很大的代价。无线网络则很容易定位故障，只需更换故障设备即可恢复网络连接。

（5）易于扩展。无线局域网有多种配置方式，可以很快地从只有几个用户的小型局域网扩展到上千用户的大型网络，并且能够提供节点间“漫游”等有线网络无法实现的特性。由于无线局域网有以上诸多优点，因此其发展十分迅速。最近几年，无线局域网已经在企业、医院、商店、工厂和学校等场合得到了广泛的应用。

无线局域网在能够给网络用户带来便捷和实用的同时，也存在着一些缺陷。无线局域网的不足之处体现在以下几个方面：

（1）性能。无线局域网是依靠无线电波进行传输的。这些电波通过无线发射装置进行发射，而建筑物、车辆、树木和其他障碍物都可能阻碍电磁波的传输，所以会影响网络的性能。

（2）速率。无线信道的传输速率与有线信道相比要低得多。目前，无线局域网的最大传输速率为150Mbps，只适合于个人终端和小规模网络应用。

（3）安全性。本质上无线电波不要求建立物理的连接通道，无线信号是发散的。从理论上讲，很容易监听到无线电波广播范围内的任何信号，造成通信信息泄露。

由于无线局域网需要支持高速、突发的数据业务，在室内使用还需要解决多径衰落以及各子网间串扰等问题。具体来说，无线局域网必须实现以下技术要求：

（1）可靠性：无线局域网的系统分组丢失率应该低于5%～10%，误码率应该低于8%～10%。

（2）兼容性：对于室内使用的无线局域网，应尽可能使其跟现有的有线局域网在网络操作系统和网络软件上相互兼容。

（3）数据速率：为了满足局域网业务量的需要，无线局域网的数据传输速率应该在1Mbps以上。

（4）通信保密：由于数据通过无线介质在空中传播，无线局域网必须在不同层次采取有效的措施以提高通信保密和数据安全性能。

（5）移动性：支持全移动网络或半移动网络。

（6）节能管理：当无数据收发时使站点机处于休眠状态，当有数据收发时再激活，从而达到节省电力消耗的目的。

（7）小型化、低价格：这是无线局域网得以普及的关键。

（8）电磁环境：无线局域网应考虑电磁对人体和周边环境的影响问题。

3.无线城域网

无线城域网（Wireless Metropolitan Area Network，WMAN）是以无线方式构成的城域网，提供面向互联网的高速连接。无线城域网的推出是为了满足日益增长的宽带无线接入（Broadband Wireless Access，BWA）市场需求。无线城域网一般是通过Wi-Fi来布网实现的，可以使用无线网卡来搜索无线信号来实现上网，在热点地区速度最高可以达到54Mbps。

无线城域网的推出是为了满足日益增长的宽带无线接入（BWA）市场需求。虽然多年来802.11x技术一直与许多其他专有技术一起被用于BWA，并获得很大成功，但是WLAN的总体设计及其提供的特点并不能很好地适用于室外的BWA应用。当其用于室外时，在带宽和用户数方面将受到限制，同时还存在着通信距离等其他一些问题。基于上述情况，IEEE决定制定一种新的、更复杂的全球标准，这个标准应能同时解决物理层环境（室外射频传输）和QoS两方面的问题，以满足BWA和“最后一公里”接入市场的需要。

IEEE 802.16是为制定无线城域网（Wireless MAN）标准成立的工作组，1999成立，主要负责开发2～66GHz频带的无线接入系统空中接口的物理层和MAC层规范。IEEE 802.16工作组于2001年12月通过最早的IEEE 802.16标准，2003年4月，发布了修正和扩展后的IEEE 802.16a，该标准工作频段为2～11GHz，在MAC层提供了QoS保证机制，支持语音和视频等实时性业务。2004年7月，通过了IEEE 802.16d，对2～66GHz频段的空中接口物理层和MAC层做了详细规定。该协议是相对成熟的版本，目前业界各大厂商都是基于该标准开发产品的。2005年12月，IEEE正式批准IEEE 802.16e标准，该标准在2～6GHz频段上，支持终端车载速率下的移动宽带接入。

2001年，业界主要的无线宽带接入厂商和芯片制造商成立了非营利工业贸易联盟组织WiMAX（Worldwide interoperability for Microwave Access）。该联盟对基于IEEE 802.16标准和ETSI HiperMAN标准的宽带无线接入产品进行兼容性和互操作性的测试和认证，发放WiMAX认证标志，致力于在IEEE 802.16标准基础上的需求分析、应用推广、网络架构完善等后续研究工作，促进IEEE 802.16无线接入产业的成熟和发展。

协议规定了MAC层和PHY层的规范，MAC层独立于PHY层，并且支持多种不同的PHY层。IEEE 802.16协议结构如图1.7所示。

现从以下几个方面给出IEEE 802.16与IEEE 802.11的比较。

1）覆盖

802.16标准是为在各种传播环境（包括视距、近视距和非视距）中获得最优性能而设计的。即使在链路状况最差的情况下，也能提供可靠的性能。OFDM波形在2～40km的通信距离上支持高频谱效率（bps/Hz），在一个射频内速率可高达70Mbps。可以采用先进的网络拓扑（网状网）和天线技术（波束成形、STC、天线分集）来进一步改善覆盖。这些先进技术也可用来提高频谱效率、容量、复用以及每射频信道的平均与峰值吞吐量。此外，不是所有的OFDM都是相同的。为BWA设计的OFDM具有支持较长距离传输和处理多径或反射的能力。

相反，WLAN和802.11系统在它们的核心不是采用基本的CDMA，就是使用设计大不相同的OFDM。它们的设计要求是低功耗，因此必然限制了通信距离。WLAN中的OFDM是按照系统覆盖数十米或几百米设计的，而802.16被设计成高功率，OFDM可覆盖数十公里。

2）可扩展性

在物理层，802.16支持灵活的射频信道带宽和信道复用（频率复用），当网络扩展时，可以作为增加小区容量的一种手段。此标准还支持自动发送功率控制和信道质量测试，可以作为物理层的附加工具来支持小区规划和部署以及频谱的有效使用。当用户数增加时，运营商可通过扇形化和小区分裂来重新分配频谱。还有，此标准对多信道带宽的支持使设备制造商能够提供一种手段，以适应各国政府对频谱使用和分配的独特管制办法，这是世界各地的运营商都面临的一个问题。IEEE 802.16标准规定的信道宽度为1.75～20MHz，在这中间还可以有许多选择。

但是，基于Wi-Fi的产品要求每一条信道至少为20MHz（802.11b中规定在2.4GHz频段为22MHz），并规定只能工作在不需牌照的频段上，包括2.4GHz ISM、5GHz ISM和5GHz UNII。

在MAC层，802.11的基础是CSMA/CA，基本上是一个无线以太网协议，其扩展能力较差，类似于以太网。当用户增加时，吞吐量就明显减小。而802.16标准中的MAC层却能在一个射频信道内从一个扩展到数百个用户。这是802.11MAC不可能做到的。

3）QoS

802.16的MAC层是靠同意/请求协议来接入媒体的，它支持不同的服务水平（如专用于企业的T1/E1和用于住宅的尽力而为服务）。此协议在下行链路采用TDM数据流，在上行链路采用TDMA，通过集中调度来支持对时延敏感的业务，如语音和视像等。由于确保了无碰撞数据接入，802.16的MAC层改善了系统总吞吐量和带宽效率，并确保数据时延受到控制，不致太大（相反，CSMA/CA没有这种保证）。TDM/TDMA接入技术还使支持多播和广播业务变得更容易。

WLAN由于在其核心采用CSMA/CA，故其目前已实施的系统无法提供802.16系统的QoS。

4.无线广域网

WWAN是采用无线网络把物理距离极为分散的局域网（LAN）连接起来的通信方式。WWAN连接地理范围较大，常常是一个国家或是一个洲。其目的是为了让分布较远的各局域网互连，它的结构分为末端系统（两端的用户集合）和通信系统（中间链路）两部分。IEEE 802.20是WWAN的重要标准。IEEE 802.20是由IEEE 802.16工作组于2002年3月提出的，并为此成立专门的工作小组，这个小组于2002年9月独立为IEEE 802.20工作组。802.20是为了实现高速移动环境下的高速率数据传输，以弥补IEEE 802.1x协议族在移动性上的劣势。802.20技术可以有效解决移动性与传输速率相互矛盾的问题，它是一种适用于高速移动环境下的宽带无线接入系统空中接口规范。

IEEE 802.20标准在物理层技术上，以正交频分复用技术（OFDM）和多输入多输出技术（MIMO）为核心，充分挖掘时域、频域和空间域的资源，大大提高了系统的频谱效率。在设计理念上，基于分组数据的纯IP架构适应突发性数据业务的性能优于3G技术，与3.5G性能相当。在实现和部署成本上也具有较大的优势。IEEE 802.20能够满足无线通信市场高移动性和高吞吐量的需求，具有性能好、效率高、成本低和部署灵活等特点。IEEE 802.20的移动性优于IEEE 802.11，在数据吞吐量上强于3G技术，其设计理念符合下一代无线通信技术的发展方向，因而是一种非常有前景的无线技术。目前，IEEE 802.20系统技术标准仍有待完善，产品市场还没有成熟、产业链有待完善，所以还很难判定它在未来市场中的位置。

室外无线网桥设备在各行各业具有广泛的应用，例如，税务系统采用无线网桥设备可实现各个税务点、税收部门和税务局的无线联网；电力系统采用无线网桥产品可以将分布于不同地区的各个变电站、电厂和电力局连接起来，实现信息交流和办公自动化。教育系统可以通过无线接入设备在学生宿舍、图书馆和教学楼之间建立网络连接。无线网络建设可以不受山川、河流、街道等复杂地形限制，并且具有灵活机动、周期短和建设成本低的优势，政府机构和各类大型企业可以通过无线网络将分布于两个或多个地区的建筑物或分支机构连接起来。无线网络特别适用于地形复杂、网络布线成本高、分布较分散、施工困难的分支机构的网络连接，可以以较短的施工周期和较少的成本建立起可靠的网络连接。

毫无疑问，无线通信是通信领域发展最快的部分，同时通信发展越来越呈现出传输宽带化、业务多样化的趋势，而当以光通信为基础的核心网已经具备超高速、超容量的特征时，接入网建设就成为电信网必须解决的瓶颈。

宽带无线接入以其组网灵活迅速、升级方便等特点受到业界的青睐，但还存在尚未建立切实可行的赢利模式等诸多问题。近年来，由于Wi-Fi（Wireless Fidelity）、WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access）等宽带无线技术具有接入速率高、系统费用低等优点，使得利用Wi-Fi、WiMAX取代3G的呼声很高。但从覆盖域、速率能力、基本业务类型、前向扩展演进走向等多方面综合考虑，WLAN、WiMAX等无线宽带技术更可能是3G的补充，而不是竞争对手。新技术的发展离不开与之相对应的应用，国内外电信发展实践表明，新技术脱离市场应用就无法体现价值，急于求成、盲目发展必然导致泡沫。正确处理技术与市场的关系，建立适应市场需求的发展模式也应该成为宽带无线通信技术的思路。

通信运营商都期望把宽带接入作为一个增长点，但发展结果不尽人意。目前，宽带无线接入市场遇到的最大问题是尚未建立有效的赢利模式，因此运营商、设备供应商、内容供应商之间必须寻求利益平衡，建立紧密的共赢合作关系，形成产业链上下游各环节之间良性互动的发展局面。

1.2.3 短距离无线通信

随着电子技术的发展和各种便携式个人通信设备及家用电器等消费类电子产品的增加，人们对于各种消费类电子产品之间及其与其他设备之间的信息交互有了强烈的需求。对于使用便携设备并需要从事移动性工作的人们，希望通过一个小型的、短距离的无线网络为移动的商业用户提供各种服务，实现在任何时候、任何地点、与任何人进行通信并获取信息的个人通信，从而促使以蓝牙、Wi-Fi、超宽带（UWB）、ZigBee、NFC等技术为代表的短距离无线通信技术应运而生。而物联网中“无处不在”这一概念正与此契合，因此随着短距离无线通信技术的发展，物联网的普及之路将变得更加清晰。与移动通信网络实现全局端到端物联网通信不同，短距离无线通信主要关注建立局部范围内临时性的物联网通信。

什么是短距离无线通信？到目前为止，学术界和工程界对此并无严格定义。一般来说，短距离无线通信的主要特点是通信距离短，覆盖范围一般在几十米或上百米之内；无线发射器的发射功率较低，一般小于100mW；工作频率多为免付费、免申请的全球通用的工业、科学、医学（Industrial，Scientific and Medical，ISM）频段。短距离无线通信的范围很广，在一般意义上，只要通信收发双方通过无线电波传输信息，并且传输距离限制在较小范围内，通常是几十米以内，就可以称为短距离无线通信。

低成本、低功耗和对等通信，是短距离无线通信技术的三个重要特征和优势。从数据传输速率来说，短距离无线通信技术可分为高速短距离无线通信和低速短距离无线通信两类。高速短距离无线通信的最高数据速率高于100Mbps，通信距离小于10m，典型技术有高速UWB和60GHz；低速短距离无线通信的最低数据速率低于1Mbps，通信距离低于100m，典型技术有ZigBee、低速UWB、蓝牙。蓝牙技术载频选用在全球都可用的2.45GHz ISM频带，使用了调频技术，数据速率可达1Mbps。ZigBee可谓是蓝牙的同族兄弟，它使用2.45GHz波段，采用跳频技术，基本速率为250kbps。与蓝牙相比，ZigBee速率低，但功率和成本也更低，并且可支持254个节点连网。超宽带技术通过基带脉冲作用于天线的方式发送数据。窄脉冲（小于1ns）产生极大带宽的信号，脉冲采用脉位调制或二相相位键控调制。UWB被允许在3.1～10.6GHz的波段内工作，在10m的传输范围内，信号传输速率可达500Mbps。60GHz采用60GHz附近频段，使用了定向天线、波束成形等技术，连续5～7GHz的带宽内可以提供数吉比特每秒的速率。

上述提到的各种近距离无线通信技术分别具有不同的优缺点，适用于不同的物联网应用场景。比如，ZigBee技术和Bluetooth都可以用来实现智能家居，而新涌现出来的60GHz无线通信技术都可以在10m范围内传输无压缩的高清视频数据，因此根据不同的需要在不同的场景下可以使用不同的技术，而这也为物联网的实现提供了更多的选择，如图1.8所示。在1.3节，我们将对各种典型短距离无线通信技术作一个概览。

1.2.4 无线传感器网络

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由部署在监测区域内的大量微型传感器节点组成，节点之间通过无线通信方式形成多跳自组织网络系统，它是当前在国际上备受关注、涉及多学科的前沿研究领域，综合传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，其目的是协作地感知、釆集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息（如光强、温度、湿度、噪声、震动和有害气体浓度等物理现象），并以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的3个要素。如果说Internet构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观中的物理世界融合在一起，改变人类与自然界的交互方式，也是物联网的基本组成部分。人们可以通过传感器网络直接感知客观世界，从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。无线传感器网络作为一项新兴的技术，越来越受到国内外学术界和工程界的关注，其在军事侦察、环境监测、医疗护理、空间探索、智能家居、工业控制和其他商业应用领域展现出了广阔的应用前景，被认为是将对21世纪产生巨大影响的技术之一。

无线传感器网络除了具有Ad hoc网络的移动性、自组织性等特征以外，还具有很多其他鲜明的特点。这些特点向我们提出了一系列挑战性问题。

1）动态性网络

无线传感器网络具有很强的网络动态性。由于能量、环境等问题，会使传感器节点死亡或者由于节点的移动性，会有新节点随时加入网络中，从而使得整个网络的拓扑结构发生动态变化，这就要求无线传感器网络系统要能够适应这种变化以使网络具有可调整性和可重构性。

2）硬件资源有限

由于受价格、体积和功耗的限制，节点在通信能力、计算能力和内存空间等方面比普通的计算机要弱很多。节点的通信距离一般在几十米到几百米范围内，因此，节点只能与它的相邻节点直接通信，如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由，这样每个节点既可以是信息的发起者，也是信息的转发者。另外，由于节点的计算能力受限，而传统Internet上成熟的协议和算法对无线传感器网络而言开销太大，难以使用，必须重新设计简单有效的协议。

3）能量受限

网络节点由电池供电，电池的容量一般不是很大。其特殊的应用领域决定了在使用过程中不能经常给电池充电或更换电池，一旦电池能量用完，这个节点也就失去了作用。因此在传感器网络设计过程中，任何技术和协议的使用都要以节能为前提。因此，如何在网络工作过程中节省能源、最大化网络的生命周期是无线传感器网络重要的研究课题之一。

4）大规模网络

为了对一个区域执行高密度的监测感知任务，往往有成千上万甚至更多的传感器节点投放到该区域，较无线自组织网络规模成数量级的提高，甚至无法为单个节点分配统一的物理地址。传感器节点分布非常密集，才能够减少监测盲区，提高监测的精确性。此外，大量冗余节点的存在，使系统具有很强的容错性，但这也要求中心节点提高数据融合的能力。因此，无线传感器网络主要不是依靠单个设备能力的提升，而是通过大规模、冗余的嵌入式设备的协同工作来提高系统的可靠性和工作质量。

5）以数据为中心

在无线传感器网络中人们只关心某个区域的某个观测指标的值，而不会去关心具体某个节点的观测数据，这就是无线传感器网络以数据为中心的特点。而传统网络传送的数据是和节点的物理地址联系起来的。以数据为中心的特点要求无线传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效地组织起各个节点的感知信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。

6）广播方式通信

由于无线传感器网络中节点数目庞大，使得其在组网和通信时不可能像Ad hoc网络那样釆用点对点的通信，而要采用广播方式，以加快信息传播的范围和速度，并可以节省电力。

7）无人值守

传感器的应用与物理世界紧密联系，传感器节点往往密集分布于需要监控的物理环境中。由于规模巨大，不可能人工“照顾”每个节点，网络系统往往在无人值守的状态下工作。每个节点只能依靠自带或自主获取的能源（电池、太阳能）供电。由此导致的能源受限是阻碍无线传感器网络发展及应用的最重要的瓶颈之一。

8）易受物理环境影响

无线传感器网络与其所在的物理环境密切相关，并随着环境的变化而不断变化。这些时变因素严重地影响了系统的性能，如低能耗的无线通信易受环境因素的影响；外界激励变化导致的网络负载和运行规模的动态变化；随着能量的消耗，系统工作状态的变化都要求无线传感器网络系统要具有动态环境变化的适应性。

无线传感器网络结构如图1.9所示，传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机部署在检测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点检测到的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中检测数据可能被多个节点处理，经过多跳路由后到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布检测任务并收集检测数据。

传感器节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务。汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，它连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的检测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有检测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。