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课程安排32学时+10学时实验教学目标介绍几种典型的短距离无线通信技术的基本原理、技术特点、通信协议以及在物联网中的应用。掌握实践应用的基础知识及应用前沿。教学安排理论与实验并重,依托“物联网工程实验室平台”,开展演示、试验和测试等实践环节,获得短距离无线通信技术的实际感受和直接经验。实验地点长橡厂实验楼4楼。课程安排考核方式⒈平时成绩占30%:包括平时上课考核、作业和实验;⒉期终考试占70%:闭卷(或半开卷)考试,以笔试为主。课程安排参考教程董健等著.物联网与短距离无线通信技术.电子工业出版社.2012.9.1孙弋等著.短距离无线通信及组网技术.西安电子科技大学出版社,2008.3.WLAN、蓝牙、ZigBee、自组织网络、NS网络仿真等第1章物联网与近距离无线通信技术概述主要内容:1.1物联网概述1.2无线与移动通信概述1.3射频与微波通信概述1.4近距离无线通信技术概览引言科技的时代背景信息技术三大浪潮20世纪40-80年代:计算机(PC\嵌入式\大型机)20世纪90-2000年代:互联网络(LAN\INTERNET)21世纪:物联网、泛在网(移动计算、无线通信、宽带通信)物联网是新一代互联网络,是互联网的一种延伸网络。英文名称是“InternetofThings”,简称:IOT。顾名思义,“物联网就是物物相连的互联网”。其包含两层意思:第一,物联网的核心和基础仍然是互联网,是在互联网基础上的延伸和扩展的网络;第二,其网络端由PC延伸和扩展到了与所有物品相关的嵌入式终端,可进行信息物-物、人-物、人与人的信息交换。定义:物联网是通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。1.1.1物联网的概念与定义1、物联网的概念物联网的概念与定义互联网络PCPCPCPCRFIDGPS二维码传感器人与人交流物与物交流物与人交流2、物联网的基本特征互联网特征:需要联网的“物品”,一定要能够互联互通形成网络。识别与通信特征:纳入物联网的“物品”,一定要具备自动识别与物物通信的能力。智能化特征:网络应具有信息智能感知、智能处理、智能控制的能力。1.1.1物联网的概念与定义物联网的概念最早由MITAuto-ID中心Ashton教授于1999年在研究射频识别技术(RFID)时首先提出。2005年国际电信联盟(ITU)发布有关物联网的报告,正式提出明确的概念:无所不在的“物联网”通信时代即将来临,世界上所有的物体从轮胎到牙刷,从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行信息交换。射频识别技术,传感器技术,纳米技术,智能嵌入式技术将达到广泛的应用。1.1.1物联网的概念与定义3、物联网的由来4、物联网的四大支撑技术传感技术:微型/智能传感、RFID电子标识通信技术:宽带通信、短距离无线通信嵌入式计算技术:嵌入式处理器、操作系统云计算技术:基础设施即服务(LaaS),平台即服务(PaaS)和软件即服务(SaaS)。1.1.1物联网的概念与定义、几个术语概念的对比物联网与传感网传感网是由大量智能传感器组成的信息感知网络,是物联网的前生,现在是物联网的组成部分。物联网与互联网物联网是互联网的延伸和扩展,互联网是物联网的核心和基础。物联网与泛在网泛在网是物联网的发展远景,物联网是泛在网的前期。1.1.1物联网的概念与定义1.1.2物联网体系结构感知层传输层支撑层应用层射频识别智能传感GPS定位二维码识别其他标识光纤互联网卫星通信网移动通信网WLAN网短距离无线网云计算人工智能数据挖掘分布式处理虚拟现实嵌入式计算专家系统编/解码系统集成全面感知可靠传输智能处理1.1.3物联网的发展概况重庆:2010年,成立“国家物联网应用示范基地”无锡:2009年,成立“国家物联网产业研发基地”以人为本,发展无所不在的4U网络。即实现所有人与人、物与物、人与物之间的连接(Ubiquitous[普及],Universal[万能],User-oriented[面向用户],Unique[独特])。韩国的“U-Korea”战略1.1.3物联网的发展概况重点支持“无所不在的网络”相关的技术研发及科技应用,希望通过“U-Korea”计划的实施带动国家信息产业的整体发展。日本的“U-Japan”计划2005年2月,新加坡资讯通信发展局发布名为“下一代I-Hub”的新计划,标志着该国正式将“U”型网络构建纳入国家战略。该计划旨在通过一个安全、高速、无所不在的网络实现下一代的联接。新加坡“下一代I-Hub”计划1.1.3物联网的发展概况美国的“智慧的地球”2008年11月,IBM公司总裁彭明盛提出“智慧的地球”(SmartPlanet)这一概念,建议新政府投资新一代的智慧型基础设施,阐明其短期和长期效益。2009年1月28日,奥巴马就任美国总统后与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”,对此给予了积极的回应,认为“智慧的地球”有助于美国的“巧实力”(SmartPower)战略,是继互联网之后国家发展的核心领域。1.1.3物联网的发展概况欧盟的物联网行动计划2006年欧盟成了专业工作组,进行RFID技术研究。2008年发布了《2020年的物联网——未来路线》2009年欧盟制订了《物联网——欧洲行动计划》。目前,欧盟已将物联网纳入到预算高达500亿欧元的欧盟“第七个科技框架计划(2007—2013年)”中。1.1.3物联网的发展概况中国的“感知中国”2009年8月温家宝在考察无锡高新微纳传感器工程技术中心时指出,要积极创造条件,在无锡建立中国的传感网中心——“感知中国”中心。2010年3月,“加快物联网的研发应用”第一次写入中国政府工作报告。同时,列入《国家中长期科学与技术发展规划(2006-2020年)》和“新一代宽带移动无线通信网”重大专项中均将传感网列入重点研究领域。1.1.3物联网的发展概况2012年1月,国家发改委正式立项启动面向农业、林业、交通、电力等8个重点领域的“国家物联网应用示范工程”,我国物联网进入应用初级阶段。我国物联网发展现状一是产业体系初步形成,但产业化能力不高,尚未形成规模化产业优势;二是核心关键技术有待突破,在传感器、芯片、关键设备制造、智能通信与控制、海量数据处理等核心技术上,与发达国家存在较大差距;三是标准比较分散、体系还不完善,在国际上面临核心标准的竞争;四是物联网应用的规模和领域比较小,没有形成成熟的商业模式,应用成本较高;五是物联网承载大量的国家经济社会活动和战略性资源,因而面临巨大的安全与隐私保护挑战。1.1.3物联网的发展概况目前,物联网还缺乏统一标准。标准化的实现将能够整合行业应用,规范新业务发展,保证物联网产品的互操作性和互联互通。物联网标准体系的建设与完备,是扩大物联网市场规模的基础,是物联网产业发展的关键。物联网的标准化概况1.1.3物联网的发展概况国际物联网标准制定现状目前,负责物联网整体架构研究的国际组织有:(1)ETSI欧洲电信标准化协会M2M技术委员会,研究M2M物联网(2)ITU-T国际电信联盟泛在传感网(USN)(3)ISO/IEC国际标准化组织/国际电工协会RFID的标准化研究1.1.3物联网的发展概况(1)2005年12月,工信部组织成立了电子标签RFID标准工作组。(2)2009年9月,国家标准委在北京“感知中国高峰论坛”会上成立了传感器网络标准工作组(WGSN)。(3)2010年2月,中国通信标准化委员会(CCSA)在北京成立了“泛在网技术工作委员会”。(4)2010年6月,国家标准委、工信部组织成立了“中国物联网标准联合工作组”,下设19个专业会员会,开展国际、国内系列标准体系研究。我国物联网标准制定现状1.1.3物联网的发展概况欧洲智能系统集成技术平台组织(EPoSS)在《InternetofThingsin2020》中预测,物联网的发展将经历四个阶段:1.1.4物联网的前景展望2010年之前以RFID为代表的物联网技术广泛应用于物流、零售和制药等领域;2010—2015年实现物与物之间的互联;2020年之后实现全智能化2015—2020年进入半智能化;物联网的广泛应用1.1.4物联网的前景展望物联网发展面临的挑战虽然物联网具有美好的前景和重大的意义,但物联网的大规模地应用面临的挑战,至少包括三个方面:一是成本的挑战二是安全的挑战三是侵犯隐私的威胁1.1.4物联网的前景展望无线通信系统概述1.2无线与移动通信概述1897年,意大利科学家马可尼发明了无线电波传输。随着计算机和半导体的发展,理论和技术不断取得进步和突破。时至今日,已成为人们日常生活中不可或缺的通信方式。22岁的诺贝尔奖物理学家和他的火花发射机电报机定向天线雷达无线电话传真机无线与移动通信的概念1.2无线与移动通信概述无线通信(WirelessCommunication),是指利用电磁波信号在空间传播的特性进行信息交换的一种通信方式,包括固定体之间的无线通信和移动通信两大部分。移动通信(MobileCommunication),是指移动体之间的通信或移动体与固定体之间的通信。移动通信就是在移动中实现的无线通信,人们常常把二者合称为无线与移动通信。无线与移动通信的概念1.2无线与移动通信概述移动通信的特点:①移动性,可保持物体在移动状态中的通信。②电磁波传播条件复杂,因移动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、信号传播延迟和展宽等效应。③噪声和干扰严重,在城市环境中的汽车火花噪声、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。⑤要求频带利用率高、设备性能好。无线与移动通信的概念1.2无线与移动通信概述按用途的不同可以分为:公众蜂窝移动通信系统宽带无线接入系统无线局域网无线个域网无绳电话集群通信卫星移动通信按使用频段又可分为:中长波通信(小于1MHz)短波通信(1~30MHz)超短波通信(30MHz~1GHz)微波通信(1GHz以上)毫米波通信(几十吉赫)红外光通信大气激光通信1.3射频与微波通信1.3.1射频的概念射频(RadioFrequency,RF)是指可辐射到空间的电磁波频率。通常所指的频率范围为300kHz~30GHz。RF的本质是射频电流,是一种高频交流电的简称。每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流,大于10000次的称为高频电流,射频就是这样一种高频电流。1.3射频与微波通信1.3.2频谱的划分由于电磁波是在全球存在的,所以需要由国际协议来分配频谱。频谱的分配是指将频率根据不同的业务加以分配,以避免频率使用方面的混乱。负责国际频率分配的世界组织有:国际电信联盟(ITU)、国际无线电咨询委员会(CCIR)、电子和电气工程师协会(IEEE)和国际频率登记局(IFRB)等。我国进行频率分配的组织是工业和信息化部无线电管理局。1.IEEE划分的频谱由于应用领域的众多,对频谱的划分有多种方式,而今较为通用的频谱分段法是IEEE建立的,如下表所示。1.3射频与微波通信IEEE频谱1.3.2频谱的划分1.3射频与微波通信微波是经常使用的波段,是指频率为300MHz~3000GHz的电磁波,对应的波长为1m~0.1mm,分为分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波4个波段。射频,没有一个严格的频率范围定义,广义地说,可以向外辐射电磁信号的频率均可称为射频。在射频识别中,频率一般选为10kHz至几GHz。1.3.3微波和射频1.4近距离无线通信技术概览什么叫短距
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