1.2 物聯網通信

通信是物聯網的關鍵功能，沒有通信，物聯網感知的大量信息無法進行有效地交換和共享，從而也不能利用基于這些物理世界的數據產生豐富的多層次的物聯網應用。沒有通信的保障，物聯網設備無法接入虛擬數字世界，數字世界與物理世界的融合也無從談起。物聯網通信構成了物物互連的基礎，是物聯網從專業領域的應用系統發展成為大規模泛在信息化網絡的關鍵。

由于物聯網對通信的強烈需求，物聯網通信包含了幾乎現有的所有通信技術，包括有線和無線通信。然而考慮到物聯網的泛在化特征，要求物聯網設備的廣泛互連和接入，最能體現該特征的是無線通信技術。正是無線通信技術的發展，使得大量的物和與物相關的電子設備能夠接入到數字世界，而且能夠適應現實世界的運動性。因此物聯網雖然用到大量的有線通信技術，但本節重點介紹無線通信，包括移動通信網絡、寬帶無線接入、射頻與微波通信等。

移動通信網絡是一個廣域的通信網絡，需要中心化的基站和核心網來支持和維護移動終端間的通信。在物聯網的應用場景中，傳感器等物聯網設備需要實時交互共享信息，釆用對等通信的方式，需要具有低功耗、無中心特征的短距離無線通信技術，無線傳感器網絡技術來建立局部范圍內的物聯網，再通過網關等特定設備接入互聯網或廣域核心網，成為名副其實的物聯網。物聯網設備分為一般的嵌入式系統和傳感器兩類。其中短距離無線通信技術目前主要用于包含嵌入式系統的電子設備之間的互連，無線傳感器網絡主要用于傳感器之間的互連。

因此，考慮物聯網的泛在特征，本節主要介紹與物聯網密切相關的無線通信技術。考慮到全局網絡和局部網絡的關系，本節也介紹了全局范圍的移動通信網絡、局部范圍的無線短距離通信技術和無線傳感器網絡。

1.2.1 移動通信

移動通信網絡具有覆蓋廣、建設成本低、部署方便、具備移動性等特點。而物聯網的終端都需要以某種方式連接起來，發送或者接收數據（這些數據種類也是多種多樣的，如聲音、視頻、普通信息數據等），即物聯網需要一個無處不在的通信網絡。考慮到方便性（需要數據線連接）、信息基礎設施的可用性（不是所有地方都有方便的固定接入能力）以及一些應用場景本身需要隨時監控的目標就處在移動狀態下，因此移動通信網絡將是物聯網最主要的接入手段之一。

1.移動通信的特點

所謂移動通信就是移動物體之間的通信，或移動物體與固定物體之間的通信。移動物體可以是人，也可是汽車、火車、輪船、飛機等在移動狀態中的物體。移動通信，顧名思義其最本質的特色是“移動”二字，就是說這類通信不是傳統靜態的固定式通信，而是動態的移動式通信。

隨著現代通信的發展，尤其是移動通信這一綜合利用了有線和無線的傳輸方式商業化后，滿足了人們在活動中與固定終端或其他移動載體上的對象進行通信聯絡的要求，移動通信有受時空限制少和實時性好的優點，從而得到了廣泛的應用和迅速發展。

移動通信與有線通信比較起來，主要有以下不同之處：

（1）移動性。就是要保持物體在移動狀態中的通信，因而它必須是無線通信，或無線與有線通信的結合。

（2）電波傳播條件復雜。因為移動物體可能在各種環境中運動，電磁波在傳播時會產生反射、折射、繞射、多普勒效應等現象，產生多徑干擾、信號傳播延遲和頻譜展寬等現象。

（3）噪聲和干擾嚴重。在城市環境中存在如汽車火花噪聲、各種工業噪聲，移動用戶之間的互調干擾、鄰道干擾、同頻干擾等。

（4）系統和網絡結構復雜。它是一個多用戶通信系統和網絡，必須使用戶之間互不干擾；能協調一致地工作。此外，移動通信系統還應與市話網、衛星通信網、數據網等互連，整個網絡結構比較復雜。

（5）要求頻帶利用率高，設備性能好。

總之，傳播的開放性、接收環境的復雜性和通信用戶的隨機移動性，這3個特點共同構成了移動通信的主要特點。移動信道的主要特點和電磁傳播的方式特點，決定了將會對無線信號的傳輸產生3類不同的損耗和4種效應。

三類損耗包括路徑傳播損耗、大尺度衰落損耗、小尺度衰落損耗，具體含義如下：

（1）路徑傳播損耗。又稱為衰耗，它是指電磁波在宏觀大范圍（即公里級）空間傳播所產生的損耗。它反映了傳播在空間距離的接收信號電平的變化趨勢。

（2）大尺度衰落損耗。它是由于在電波傳播路徑上受到建筑物及山丘等的阻擋所產生的陰影效應而產生的損耗。它反映了中等范圍內數百波長量級接收電平的均值變化而產生的損耗，一般遵從對數正態分布，其變化率較慢又稱為慢衰落。

（3）小尺度衰落損耗。它主要是由于多徑傳播而產生的衰落，反映微觀小范圍內數十波長量級接收電平的均值變化而產生的損耗，一般遵從瑞利或萊斯分布。其變化率比慢衰耗快，所以稱為小尺度衰落或快衰落。它又可以進一步劃分為空間選擇性衰落、頻率選擇性衰落、時間選擇性衰落。選擇性是指在不同的空間、頻率、時間，其衰落特性不一樣。

4種效應包括陰影效應、遠近效應、多徑效應、多普勒效應，具體含義如下所述。

（1）陰影效應。由于大型建筑物和其他物體的阻擋，在電波傳播的接收區域中產生傳播半盲區。它類似于太陽光受阻擋后可產生的陰影，光波的波長較短，因此陰影可見，電磁波波長較長，陰影不可見，但是接收終端（如手機）與專用儀表可以測試出來。

（2）遠近效應。由于接收用戶的隨機移動性，移動用戶與基站之間的距離也是在隨機變化的，若各移動用戶發射信號功率一樣，那么到達基站時信號的強弱將不同，離基站近者信號強，離基站遠者信號弱。通信系統中的非線性將進一步加重信號強弱的不平衡性，甚至出現了以強壓弱的現象，并使弱者，即離基站較遠的用戶，產生掉話（通信中斷）現象，通常稱這一現象為遠近效應。

（3）多徑效應。由于接收者所處地理環境的復雜性，使得接收到的信號不僅有直射波的主徑信號，還有從不同建筑物反射過來以及繞射過來的多條不同路徑信號，而且它們到達時的信號強度、到達時間以及到達時的載波相位都是不一樣的。所接收到的信號是上述各路徑信號的矢量和，也就是說多徑信號之間可能產生自干擾，稱這類自干擾為多徑干擾或多徑效應。這類多徑干擾非常復雜，有時根本收不到主徑直射波，收到的是一些連續反射波等。

（4）多普勒效應。由于接收用戶處于高速移動中，比如車載通信時傳播頻率的擴散而引起的，其擴散程度與用戶運動速度成正比。這一現象只產生在高速（≥70km/h）車載通信時，而對于通常慢速移動的步行和準靜態的室內通信，則不予考慮。

2.移動通信的發展

現代移動通信技術的發展始于20世紀20年代。從20世紀20年代至40年代，在短波頻段上開發出專用移動通信系統，其代表是美國底特律市警察使用的車載無線電系統。該系統的工作頻率為2MHz，到40年代工作頻率提高到30～40MHz。通常認為這個階段是現代移動通信的起步階段，主要是專用系統，特點是工作頻率較低。

20世紀40年代中期至60年代初期，公用移動通信業務開始問世。1946年，根據美國聯邦通信委員會（FFC）的計劃，貝爾系統在圣路易斯城建立了世界上第一個公用汽車電話網，稱為“城市系統”。當時使用3個頻道，每個頻道間隔為120kHz，采用單工通信方式。隨后，德國（1950年）、法國（1956年）、英國（1959年）等相繼研制了公用移動電話系統。美國貝爾實驗室完成了人工交換系統的接續問題。這一時期的移動通信從專用移動網向公用移動網過渡，采用人工接續方式，全網的通信容量較小。

從20世紀60年代中期到70年代中期，美國推出了改進型移動電話系統（IMTS），使用150MHz和450MHz頻段，采用大區制、中大容量，實現了無線頻道自動選擇并能夠自動接續到公司電話網。同期，德國也推出了具有相同技術水平的B網。這一時期，移動通信系統的特點是采用大區制、中小容量，使用450MHz頻段，實現了自動選頻與自動接續。

20世紀70年代中期至80年代中期是移動通信蓬勃發展的時期。1978年年底，美國貝爾實驗室研制成功了采用小區制的先進移動電話系統（AMPS），建成了蜂窩狀移動通信網，大大提高了系統容量，開始了第一代陸地公眾蜂窩移動通信系統。1983年，該系統首次在芝加哥投入商用。同年12月，在華盛頓也開始啟用。之后，服務區域在美國逐漸擴大。到1985年3月已擴展到47個地區，約10萬移動用戶。其他工業化國家也相繼開發出蜂窩式公用移動通信網。日本于1979年推出800MHz汽車電話（HAMTS），在東京、大阪、神戶等地投入商用。德國于1984年完成C網，頻段為450MHz。英國在1985年開發出全地址通信系統（TACS），首先在倫敦投入使用，以后覆蓋了全國，頻段是900MHz。加拿大推出450MHz移動電話系統MTS。瑞典等北歐四國于1980年開發出NMT-450移動通信網，并投入使用，頻段為450MHz。這一時期，無線移動通信系統發展的主要特點是小區制、大容量的蜂窩狀移動通信網成為使用系統，并在世界各地迅速發展，奠定了現代移動通信高速發展的基礎。

移動通信大發展的原因，除了用戶需求這一主要推動力之外，還有幾方面技術進展所提供的條件。首先，微電子技術在這一時期得到長足發展，這使得通信設備的小型化、微型化有了可能性，各種輕便終端設備被不斷地推出。其次，提出并形成了移動通信新體制。隨著用戶數量增加，大區制所能提供的容量很快飽和，這就必須探索新體制。在這方面最重要的突破是貝爾實驗室在20世紀70年代提出的蜂窩網的概念。蜂窩網，即所謂小區制，由于實現了頻率復用，大大提高了系統容量。可以說，蜂窩概念真正解決了公用移動通信系統的要求與頻率資源有限的矛盾。第三方面的進展是微處理器技術日趨成熟以及計算機技術的迅猛發展，從而為大型通信網的管理與控制提供了技術手段。

以AMPS和TACS為代表的第一代蜂窩移動通信網是模擬系統。模擬蜂窩網雖然取得了很大成功，但也暴露了一些問題。例如，頻譜利用率低、移動設備復雜、費用較高、業務種類受限制以及通話易被竊聽等，最主要的問題是其容量已不能滿足日益增長的移動用戶需求。解決這些問題的方法是開發新一代數字蜂窩移動通信系統。從20世紀80年代中期開始，數字移動通信系統逐漸發展和成熟。數字通信的頻譜利用率高，可大大提高系統的容量，能提供語音、數據等多種業務服務。歐洲首先推出了泛歐數字移動通信網（GSM）的體系。隨后，美國和日本也制定了各自的數字移動通信體制。GSM于1991年7月開始投入商用。在世界各地，特別是在亞洲，GSM系統取得了極大成功，并更名為全球移動通信系統。在十多年內，數字蜂窩移動通信處于一個大發展時期，GSM已成為陸地公用移動通信的主要系統。

移動通信技術在20世紀90年代呈現出加快發展的趨勢。當數字蜂窩網剛進入實用階段之時，關于未來移動通信的討論已如火如荼地展開，新的技術與新的系統不斷推出。美國高通公司于20世紀90年代初推出了窄帶碼分多址（CDMA）蜂窩移動通信系統。這是移動通信中具有重要意義的事件。從此，碼分多址這種新的無線接入技術在移動通信領域占有了越來越重要的地位。這個時期，不斷推出的移動通信系統還有移動衛星通信系統、數字無繩電話系統等。移動通信呈現出多樣化的趨勢。

從20世紀末到21世紀初，第三代移動通信系統（3G）的開發和推出，使移動通信進入一個全新的發展階段。3G最早在1985年國際電信聯盟（ITU）提出，當時考慮到該系統可能在2000年左右進入市場，工作頻段在2000MHz，且最高業務速率為2000kbps，故在1996年正式更名為IMT-2000（International Mobile Telecommunication-2000）。3G是一種能提供多種類型、高質量多媒體業務的全球漫游移動通信網絡，能實現靜止2Mbps的傳輸速度，中低速384kbps，高速144kbps速率的通信網；但由于各國、各廠商的利益差異，產生目前三大主流技術標準WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA，而焦點集中在WCDMA（3GPP）和CDMA2000（3GPP2）上，隨著3GPP和3GPP2的標準化工作逐漸深入和趨向穩定，ITU又將目光投向能提供更高無線傳輸速率和統一靈活的全IP網絡平臺的下一代移動通信標準，稱為Beyond3G（B3G）或4G。

目前我國及世界上部分發達國家已經開始了面向未來的4G移動通信技術與系統的研究。未來移動通信系統將是多功能集成的寬帶移動通信系統，將能為用戶提供在高速移動的環境下高達100Mbps以上速率的信息傳輸，頻譜利用率比現有系統提高10倍以上。未來的無線移動通信技術將走向寬帶化、智能化、個人化，與固定網絡形成統一的綜合寬帶通信網。

1.2.2 寬帶無線接入

隨著無線通信技術的發展，寬帶無線接入技術能通過無線的方式以與有線接入技術相當的數據傳輸速率和通信質量接入核心網絡，有些寬帶無線接入技術還能支持用戶終端構成小規模的Ad hoc網絡。因此，寬帶無線接入技術在高速Internet接入、信息家電聯網、移動辦公、軍事、救災、空間探險等領域具有非常廣闊的應用空間。國際電子電氣工程師協會（IEEE）成立了無線局域網（Wireless Local Area Network，WLAN）標準委員會，并于1997年制定出第一個無線局域網標準802.11，此后IEEE 802.11迅速發展了一個系列標準，并在家庭、中小企業、商業領域等方面取得了成功的應用。1999年，IEEE成立了802.16工作組開始研究建立一個全球統一的寬帶無線接入城域網（Wireless Metropolitan Area Network，WMAN）技術規范。雖然寬帶無線接入技術的標準化歷史不長，但發展卻非常迅速。已經制定或正在制定的IEEE 802.11、IEEE 802.15、IEEE 802.16、IEEE 802.20、IEEE 802.22等寬帶無線接入標準集，覆蓋了無線個域網（Wireless Personal Area Network，WPAN）、無線局域網（WLAN）、無線城域網（WMAN）、無線廣域網（Wireless Wide Area Network，WWAN）等無線網絡，寬帶無線接入技術在無線通信領域的地位越來越重要。圖1.6和表1.1給出了IEEE 802無線標準體系及其特征對比。

表1.1 IEEE 802無線標準系列及其特征比較

1.無線個域網

無線個域網（Wireless Personal Area Network，WPAN）是為了實現活動半徑小、業務類型豐富、面向特定群體、無線無縫的連接而提出的新興無線通信網絡技術。WPAN能夠有效地解決“最后的幾米電纜”的問題，進而將無線聯網進行到底。

WPAN是一種與無線廣域網（WWAN）、無線城域網（WMAN）、無線局域網（WLAN）并列但覆蓋范圍相對較小的無線網絡。在網絡構成上，WPAN位于整個網絡鏈的末端，用于實現同一地點終端與終端間的連接，如連接手機和藍牙耳機等。WPAN所覆蓋的范圍一般在10m半徑以內，必須運行于許可的無線頻段。WPAN設備具有價格便宜、體積小、易操作和功耗低等優點。

WPAN被定位于短距離無線通信技術，但根據不同的應用場合又分為高速WPAN（HR-WPAN）和低速WPAN（LR-WPAN）兩種。發展高速WPAN是為了連接下一代便攜式消費者電器和通信設備，支持各種高速率的多媒體應用，包括高質量聲像配送、多兆字節音樂和圖像文檔傳送等。這些多媒體設備之間的對等連接要提供20Mbps以上的數據速率以及在確保的帶寬內提供一定的服務質量（QoS）。高速率WPAN在寬帶無線移動通信網絡中占有一席之地。發展低速WPAN是因為在我們的日常生活中并不是都需要高速應用。

在家庭、工廠與倉庫自動化控制，安全監視，保健監視，環境監視，軍事行動，消防隊員操作指揮，貨單自動更新，庫存實時跟蹤以及在游戲和互動式玩具等方面都可以開展許多低速應用。有許多低速應用比高速應用對我們的生活更為重要，甚至能夠挽救我們的生命。例如，當你忘記關掉煤氣爐或者睡前忘鎖門的時候，有了低速WPAN就可以使你獲救或免于財產損失。

從網絡構成上來看，WPAN位于整個網絡架構的底層，用于很小范圍內的終端與終端之間的連接，即點到點的短距離連接。WPAN是基于計算機通信的專用網，工作在個人操作環境，把需要相互通信的裝置構成一個網絡，且無須任何中央管理裝置及軟件。用于無線個域網的通信技術有很多，如藍牙（Bluetooth）、超寬帶（UWB）、紅外（IrDA）、HomeRF、ZigBee等。

2.無線局域網

對于鋪設電纜或是檢查電纜是否斷線這種耗時的工作，很容易令人失去耐心，也不容易在短時間內找出斷線所在。再者，由于配合企業及應用環境的不斷更新與發展，原有的企業網絡必須配合重新布局，需要重新安裝網絡線路，雖然電纜本身并不貴，可是請技術人員來配線的成本很高，尤其是老舊的大樓，配線工程費用就更高了。因此，架設無線局域網絡就成為最佳解決方案。

基于IEEE 802.11標準的無線局域網允許在局域網絡環境中使用未授權的2.4GHz或5.3GHz射頻波段進行無線連接。它們應用廣泛，從家庭到企業再到Internet接入熱點。

大樓之間：大樓之間建構網絡的連接，取代專線，簡單又便宜。

餐飲及零售：餐飲服務業可利用無線局域網，直接從餐桌即可輸入并傳送客人點菜內容至廚房、柜臺。零售商促銷時，可使用無線局域網產品設置臨時收銀柜臺。

醫療：使用有無線局域網功能的手提電腦取得實時信息，醫護人員可藉此避免對傷患救治的遲延、不必要的紙上作業、單據循環的遲延及誤診等，從而提升對傷患照顧的品質。

企業：當企業內的員工使用無線局域網時，不管他們在辦公室的任何一個角落，有無線局域網就能隨意地發電子郵件、分享檔案及上網瀏覽。

倉儲管理：一般倉儲人員的盤點事宜，通過無線網絡的應用，能立即將最新的資料輸入計算機倉儲系統。

貨柜集散場：一般貨柜集散場的橋式起重車，可以在調動貨柜時，將實時信息傳回辦公室，以利于相關作業的按步驟進行。

監視系統：主控站一般位于遠方，且需要監控被監控現場，由于布線困難，可通過無線網絡將遠方的影像傳回主控站。

展示會場：如一般的電子展、計算機展，由于網絡需求極高，而且布線又會讓會場顯得凌亂，因此無線網絡是最佳選擇。

無線局域網具有的優點包括：

（1）靈活性和移動性。在有線網絡中，網絡設備的安放位置受網絡位置的限制，而無線局域網在無線信號覆蓋區域內的任何一個位置都可以接入網絡。無線局域網另一個最大的優點在于其移動性，連接到無線局域網的用戶可以移動且能同時與網絡保持連接。

（2）安裝便捷。無線局域網可以免去或最大程度地減少網絡布線的工作量，一般只要安裝一個或多個接入點設備，就可以建立覆蓋整個區域的無線局域網。

（3）易于進行網絡規劃和調整。對于有線網絡來說，辦公地點或網絡拓撲的改變通常意味著重新建網。重新布線是一個昂貴、費時、浪費和瑣碎的過程，無線局域網可以避免或減少以上情況的發生。

（4）故障定位容易。有線網絡一旦出現物理故障，尤其是由于線路連接不良而造成的網絡中斷，往往很難查明，而且檢修線路需要付出很大的代價。無線網絡則很容易定位故障，只需更換故障設備即可恢復網絡連接。

（5）易于擴展。無線局域網有多種配置方式，可以很快地從只有幾個用戶的小型局域網擴展到上千用戶的大型網絡，并且能夠提供節點間“漫游”等有線網絡無法實現的特性。由于無線局域網有以上諸多優點，因此其發展十分迅速。最近幾年，無線局域網已經在企業、醫院、商店、工廠和學校等場合得到了廣泛的應用。

無線局域網在能夠給網絡用戶帶來便捷和實用的同時，也存在著一些缺陷。無線局域網的不足之處體現在以下幾個方面：

（1）性能。無線局域網是依靠無線電波進行傳輸的。這些電波通過無線發射裝置進行發射，而建筑物、車輛、樹木和其他障礙物都可能阻礙電磁波的傳輸，所以會影響網絡的性能。

（2）速率。無線信道的傳輸速率與有線信道相比要低得多。目前，無線局域網的最大傳輸速率為150Mbps，只適合于個人終端和小規模網絡應用。

（3）安全性。本質上無線電波不要求建立物理的連接通道，無線信號是發散的。從理論上講，很容易監聽到無線電波廣播范圍內的任何信號，造成通信信息泄露。

由于無線局域網需要支持高速、突發的數據業務，在室內使用還需要解決多徑衰落以及各子網間串擾等問題。具體來說，無線局域網必須實現以下技術要求：

（1）可靠性：無線局域網的系統分組丟失率應該低于5%～10%，誤碼率應該低于8%～10%。

（2）兼容性：對于室內使用的無線局域網，應盡可能使其跟現有的有線局域網在網絡操作系統和網絡軟件上相互兼容。

（3）數據速率：為了滿足局域網業務量的需要，無線局域網的數據傳輸速率應該在1Mbps以上。

（4）通信保密：由于數據通過無線介質在空中傳播，無線局域網必須在不同層次采取有效的措施以提高通信保密和數據安全性能。

（5）移動性：支持全移動網絡或半移動網絡。

（6）節能管理：當無數據收發時使站點機處于休眠狀態，當有數據收發時再激活，從而達到節省電力消耗的目的。

（7）小型化、低價格：這是無線局域網得以普及的關鍵。

（8）電磁環境：無線局域網應考慮電磁對人體和周邊環境的影響問題。

3.無線城域網

無線城域網（Wireless Metropolitan Area Network，WMAN）是以無線方式構成的城域網，提供面向互聯網的高速連接。無線城域網的推出是為了滿足日益增長的寬帶無線接入（Broadband Wireless Access，BWA）市場需求。無線城域網一般是通過Wi-Fi來布網實現的，可以使用無線網卡來搜索無線信號來實現上網，在熱點地區速度最高可以達到54Mbps。

無線城域網的推出是為了滿足日益增長的寬帶無線接入（BWA）市場需求。雖然多年來802.11x技術一直與許多其他專有技術一起被用于BWA，并獲得很大成功，但是WLAN的總體設計及其提供的特點并不能很好地適用于室外的BWA應用。當其用于室外時，在帶寬和用戶數方面將受到限制，同時還存在著通信距離等其他一些問題。基于上述情況，IEEE決定制定一種新的、更復雜的全球標準，這個標準應能同時解決物理層環境（室外射頻傳輸）和QoS兩方面的問題，以滿足BWA和“最后一公里”接入市場的需要。

IEEE 802.16是為制定無線城域網（Wireless MAN）標準成立的工作組，1999成立，主要負責開發2～66GHz頻帶的無線接入系統空中接口的物理層和MAC層規范。IEEE 802.16工作組于2001年12月通過最早的IEEE 802.16標準，2003年4月，發布了修正和擴展后的IEEE 802.16a，該標準工作頻段為2～11GHz，在MAC層提供了QoS保證機制，支持語音和視頻等實時性業務。2004年7月，通過了IEEE 802.16d，對2～66GHz頻段的空中接口物理層和MAC層做了詳細規定。該協議是相對成熟的版本，目前業界各大廠商都是基于該標準開發產品的。2005年12月，IEEE正式批準IEEE 802.16e標準，該標準在2～6GHz頻段上，支持終端車載速率下的移動寬帶接入。

2001年，業界主要的無線寬帶接入廠商和芯片制造商成立了非營利工業貿易聯盟組織WiMAX（Worldwide interoperability for Microwave Access）。該聯盟對基于IEEE 802.16標準和ETSI HiperMAN標準的寬帶無線接入產品進行兼容性和互操作性的測試和認證，發放WiMAX認證標志，致力于在IEEE 802.16標準基礎上的需求分析、應用推廣、網絡架構完善等后續研究工作，促進IEEE 802.16無線接入產業的成熟和發展。

協議規定了MAC層和PHY層的規范，MAC層獨立于PHY層，并且支持多種不同的PHY層。IEEE 802.16協議結構如圖1.7所示。

現從以下幾個方面給出IEEE 802.16與IEEE 802.11的比較。

1）覆蓋

802.16標準是為在各種傳播環境（包括視距、近視距和非視距）中獲得最優性能而設計的。即使在鏈路狀況最差的情況下，也能提供可靠的性能。OFDM波形在2～40km的通信距離上支持高頻譜效率（bps/Hz），在一個射頻內速率可高達70Mbps。可以采用先進的網絡拓撲（網狀網）和天線技術（波束成形、STC、天線分集）來進一步改善覆蓋。這些先進技術也可用來提高頻譜效率、容量、復用以及每射頻信道的平均與峰值吞吐量。此外，不是所有的OFDM都是相同的。為BWA設計的OFDM具有支持較長距離傳輸和處理多徑或反射的能力。

相反，WLAN和802.11系統在它們的核心不是采用基本的CDMA，就是使用設計大不相同的OFDM。它們的設計要求是低功耗，因此必然限制了通信距離。WLAN中的OFDM是按照系統覆蓋數十米或幾百米設計的，而802.16被設計成高功率，OFDM可覆蓋數十公里。

2）可擴展性

在物理層，802.16支持靈活的射頻信道帶寬和信道復用（頻率復用），當網絡擴展時，可以作為增加小區容量的一種手段。此標準還支持自動發送功率控制和信道質量測試，可以作為物理層的附加工具來支持小區規劃和部署以及頻譜的有效使用。當用戶數增加時，運營商可通過扇形化和小區分裂來重新分配頻譜。還有，此標準對多信道帶寬的支持使設備制造商能夠提供一種手段，以適應各國政府對頻譜使用和分配的獨特管制辦法，這是世界各地的運營商都面臨的一個問題。IEEE 802.16標準規定的信道寬度為1.75～20MHz，在這中間還可以有許多選擇。

但是，基于Wi-Fi的產品要求每一條信道至少為20MHz（802.11b中規定在2.4GHz頻段為22MHz），并規定只能工作在不需牌照的頻段上，包括2.4GHz ISM、5GHz ISM和5GHz UNII。

在MAC層，802.11的基礎是CSMA/CA，基本上是一個無線以太網協議，其擴展能力較差，類似于以太網。當用戶增加時，吞吐量就明顯減小。而802.16標準中的MAC層卻能在一個射頻信道內從一個擴展到數百個用戶。這是802.11MAC不可能做到的。

3）QoS

802.16的MAC層是靠同意/請求協議來接入媒體的，它支持不同的服務水平（如專用于企業的T1/E1和用于住宅的盡力而為服務）。此協議在下行鏈路采用TDM數據流，在上行鏈路采用TDMA，通過集中調度來支持對時延敏感的業務，如語音和視像等。由于確保了無碰撞數據接入，802.16的MAC層改善了系統總吞吐量和帶寬效率，并確保數據時延受到控制，不致太大（相反，CSMA/CA沒有這種保證）。TDM/TDMA接入技術還使支持多播和廣播業務變得更容易。

WLAN由于在其核心采用CSMA/CA，故其目前已實施的系統無法提供802.16系統的QoS。

4.無線廣域網

WWAN是采用無線網絡把物理距離極為分散的局域網（LAN）連接起來的通信方式。WWAN連接地理范圍較大，常常是一個國家或是一個洲。其目的是為了讓分布較遠的各局域網互連，它的結構分為末端系統（兩端的用戶集合）和通信系統（中間鏈路）兩部分。IEEE 802.20是WWAN的重要標準。IEEE 802.20是由IEEE 802.16工作組于2002年3月提出的，并為此成立專門的工作小組，這個小組于2002年9月獨立為IEEE 802.20工作組。802.20是為了實現高速移動環境下的高速率數據傳輸，以彌補IEEE 802.1x協議族在移動性上的劣勢。802.20技術可以有效解決移動性與傳輸速率相互矛盾的問題，它是一種適用于高速移動環境下的寬帶無線接入系統空中接口規范。

IEEE 802.20標準在物理層技術上，以正交頻分復用技術（OFDM）和多輸入多輸出技術（MIMO）為核心，充分挖掘時域、頻域和空間域的資源，大大提高了系統的頻譜效率。在設計理念上，基于分組數據的純IP架構適應突發性數據業務的性能優于3G技術，與3.5G性能相當。在實現和部署成本上也具有較大的優勢。IEEE 802.20能夠滿足無線通信市場高移動性和高吞吐量的需求，具有性能好、效率高、成本低和部署靈活等特點。IEEE 802.20的移動性優于IEEE 802.11，在數據吞吐量上強于3G技術，其設計理念符合下一代無線通信技術的發展方向，因而是一種非常有前景的無線技術。目前，IEEE 802.20系統技術標準仍有待完善，產品市場還沒有成熟、產業鏈有待完善，所以還很難判定它在未來市場中的位置。

室外無線網橋設備在各行各業具有廣泛的應用，例如，稅務系統采用無線網橋設備可實現各個稅務點、稅收部門和稅務局的無線聯網；電力系統采用無線網橋產品可以將分布于不同地區的各個變電站、電廠和電力局連接起來，實現信息交流和辦公自動化。教育系統可以通過無線接入設備在學生宿舍、圖書館和教學樓之間建立網絡連接。無線網絡建設可以不受山川、河流、街道等復雜地形限制，并且具有靈活機動、周期短和建設成本低的優勢，政府機構和各類大型企業可以通過無線網絡將分布于兩個或多個地區的建筑物或分支機構連接起來。無線網絡特別適用于地形復雜、網絡布線成本高、分布較分散、施工困難的分支機構的網絡連接，可以以較短的施工周期和較少的成本建立起可靠的網絡連接。

毫無疑問，無線通信是通信領域發展最快的部分，同時通信發展越來越呈現出傳輸寬帶化、業務多樣化的趨勢，而當以光通信為基礎的核心網已經具備超高速、超容量的特征時，接入網建設就成為電信網必須解決的瓶頸。

寬帶無線接入以其組網靈活迅速、升級方便等特點受到業界的青睞，但還存在尚未建立切實可行的贏利模式等諸多問題。近年來，由于Wi-Fi（Wireless Fidelity）、WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access）等寬帶無線技術具有接入速率高、系統費用低等優點，使得利用Wi-Fi、WiMAX取代3G的呼聲很高。但從覆蓋域、速率能力、基本業務類型、前向擴展演進走向等多方面綜合考慮，WLAN、WiMAX等無線寬帶技術更可能是3G的補充，而不是競爭對手。新技術的發展離不開與之相對應的應用，國內外電信發展實踐表明，新技術脫離市場應用就無法體現價值，急于求成、盲目發展必然導致泡沫。正確處理技術與市場的關系，建立適應市場需求的發展模式也應該成為寬帶無線通信技術的思路。

通信運營商都期望把寬帶接入作為一個增長點，但發展結果不盡人意。目前，寬帶無線接入市場遇到的最大問題是尚未建立有效的贏利模式，因此運營商、設備供應商、內容供應商之間必須尋求利益平衡，建立緊密的共贏合作關系，形成產業鏈上下游各環節之間良性互動的發展局面。

1.2.3 短距離無線通信

隨著電子技術的發展和各種便攜式個人通信設備及家用電器等消費類電子產品的增加，人們對于各種消費類電子產品之間及其與其他設備之間的信息交互有了強烈的需求。對于使用便攜設備并需要從事移動性工作的人們，希望通過一個小型的、短距離的無線網絡為移動的商業用戶提供各種服務，實現在任何時候、任何地點、與任何人進行通信并獲取信息的個人通信，從而促使以藍牙、Wi-Fi、超寬帶（UWB）、ZigBee、NFC等技術為代表的短距離無線通信技術應運而生。而物聯網中“無處不在”這一概念正與此契合，因此隨著短距離無線通信技術的發展，物聯網的普及之路將變得更加清晰。與移動通信網絡實現全局端到端物聯網通信不同，短距離無線通信主要關注建立局部范圍內臨時性的物聯網通信。

什么是短距離無線通信？到目前為止，學術界和工程界對此并無嚴格定義。一般來說，短距離無線通信的主要特點是通信距離短，覆蓋范圍一般在幾十米或上百米之內；無線發射器的發射功率較低，一般小于100mW；工作頻率多為免付費、免申請的全球通用的工業、科學、醫學（Industrial，Scientific and Medical，ISM）頻段。短距離無線通信的范圍很廣，在一般意義上，只要通信收發雙方通過無線電波傳輸信息，并且傳輸距離限制在較小范圍內，通常是幾十米以內，就可以稱為短距離無線通信。

低成本、低功耗和對等通信，是短距離無線通信技術的三個重要特征和優勢。從數據傳輸速率來說，短距離無線通信技術可分為高速短距離無線通信和低速短距離無線通信兩類。高速短距離無線通信的最高數據速率高于100Mbps，通信距離小于10m，典型技術有高速UWB和60GHz；低速短距離無線通信的最低數據速率低于1Mbps，通信距離低于100m，典型技術有ZigBee、低速UWB、藍牙。藍牙技術載頻選用在全球都可用的2.45GHz ISM頻帶，使用了調頻技術，數據速率可達1Mbps。ZigBee可謂是藍牙的同族兄弟，它使用2.45GHz波段，采用跳頻技術，基本速率為250kbps。與藍牙相比，ZigBee速率低，但功率和成本也更低，并且可支持254個節點連網。超寬帶技術通過基帶脈沖作用于天線的方式發送數據。窄脈沖（小于1ns）產生極大帶寬的信號，脈沖采用脈位調制或二相相位鍵控調制。UWB被允許在3.1～10.6GHz的波段內工作，在10m的傳輸范圍內，信號傳輸速率可達500Mbps。60GHz采用60GHz附近頻段，使用了定向天線、波束成形等技術，連續5～7GHz的帶寬內可以提供數吉比特每秒的速率。

上述提到的各種近距離無線通信技術分別具有不同的優缺點，適用于不同的物聯網應用場景。比如，ZigBee技術和Bluetooth都可以用來實現智能家居，而新涌現出來的60GHz無線通信技術都可以在10m范圍內傳輸無壓縮的高清視頻數據，因此根據不同的需要在不同的場景下可以使用不同的技術，而這也為物聯網的實現提供了更多的選擇，如圖1.8所示。在1.3節，我們將對各種典型短距離無線通信技術作一個概覽。

1.2.4 無線傳感器網絡

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）是由部署在監測區域內的大量微型傳感器節點組成，節點之間通過無線通信方式形成多跳自組織網絡系統，它是當前在國際上備受關注、涉及多學科的前沿研究領域，綜合傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等，其目的是協作地感知、釆集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息（如光強、溫度、濕度、噪聲、震動和有害氣體濃度等物理現象），并以無線的方式發送出去，通過無線網絡最終發送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構成了傳感器網絡的3個要素。如果說Internet構成了邏輯上的信息世界，改變了人與人之間的溝通方式，那么無線傳感器網絡就是將邏輯上的信息世界與客觀中的物理世界融合在一起，改變人類與自然界的交互方式，也是物聯網的基本組成部分。人們可以通過傳感器網絡直接感知客觀世界，從而極大地擴展現有網絡的功能和人類認識世界的能力。無線傳感器網絡作為一項新興的技術，越來越受到國內外學術界和工程界的關注，其在軍事偵察、環境監測、醫療護理、空間探索、智能家居、工業控制和其他商業應用領域展現出了廣闊的應用前景，被認為是將對21世紀產生巨大影響的技術之一。

無線傳感器網絡除了具有Ad hoc網絡的移動性、自組織性等特征以外，還具有很多其他鮮明的特點。這些特點向我們提出了一系列挑戰性問題。

1）動態性網絡

無線傳感器網絡具有很強的網絡動態性。由于能量、環境等問題，會使傳感器節點死亡或者由于節點的移動性，會有新節點隨時加入網絡中，從而使得整個網絡的拓撲結構發生動態變化，這就要求無線傳感器網絡系統要能夠適應這種變化以使網絡具有可調整性和可重構性。

2）硬件資源有限

由于受價格、體積和功耗的限制，節點在通信能力、計算能力和內存空間等方面比普通的計算機要弱很多。節點的通信距離一般在幾十米到幾百米范圍內，因此，節點只能與它的相鄰節點直接通信，如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節點進行通信，則需要通過中間節點進行路由，這樣每個節點既可以是信息的發起者，也是信息的轉發者。另外，由于節點的計算能力受限，而傳統Internet上成熟的協議和算法對無線傳感器網絡而言開銷太大，難以使用，必須重新設計簡單有效的協議。

3）能量受限

網絡節點由電池供電，電池的容量一般不是很大。其特殊的應用領域決定了在使用過程中不能經常給電池充電或更換電池，一旦電池能量用完，這個節點也就失去了作用。因此在傳感器網絡設計過程中，任何技術和協議的使用都要以節能為前提。因此，如何在網絡工作過程中節省能源、最大化網絡的生命周期是無線傳感器網絡重要的研究課題之一。

4）大規模網絡

為了對一個區域執行高密度的監測感知任務，往往有成千上萬甚至更多的傳感器節點投放到該區域，較無線自組織網絡規模成數量級的提高，甚至無法為單個節點分配統一的物理地址。傳感器節點分布非常密集，才能夠減少監測盲區，提高監測的精確性。此外，大量冗余節點的存在，使系統具有很強的容錯性，但這也要求中心節點提高數據融合的能力。因此，無線傳感器網絡主要不是依靠單個設備能力的提升，而是通過大規模、冗余的嵌入式設備的協同工作來提高系統的可靠性和工作質量。

5）以數據為中心

在無線傳感器網絡中人們只關心某個區域的某個觀測指標的值，而不會去關心具體某個節點的觀測數據，這就是無線傳感器網絡以數據為中心的特點。而傳統網絡傳送的數據是和節點的物理地址聯系起來的。以數據為中心的特點要求無線傳感器網絡能夠脫離傳統網絡的尋址過程，快速有效地組織起各個節點的感知信息并融合提取出有用信息直接傳送給用戶。

6）廣播方式通信

由于無線傳感器網絡中節點數目龐大，使得其在組網和通信時不可能像Ad hoc網絡那樣釆用點對點的通信，而要采用廣播方式，以加快信息傳播的范圍和速度，并可以節省電力。

7）無人值守

傳感器的應用與物理世界緊密聯系，傳感器節點往往密集分布于需要監控的物理環境中。由于規模巨大，不可能人工“照顧”每個節點，網絡系統往往在無人值守的狀態下工作。每個節點只能依靠自帶或自主獲取的能源（電池、太陽能）供電。由此導致的能源受限是阻礙無線傳感器網絡發展及應用的最重要的瓶頸之一。

8）易受物理環境影響

無線傳感器網絡與其所在的物理環境密切相關，并隨著環境的變化而不斷變化。這些時變因素嚴重地影響了系統的性能，如低能耗的無線通信易受環境因素的影響；外界激勵變化導致的網絡負載和運行規模的動態變化；隨著能量的消耗，系統工作狀態的變化都要求無線傳感器網絡系統要具有動態環境變化的適應性。

無線傳感器網絡結構如圖1.9所示，傳感器網絡系統通常包括傳感器節點、匯聚節點和管理節點。大量傳感器節點隨機部署在檢測區域內部或附近，能夠通過自組織方式構成網絡。傳感器節點檢測到的數據沿著其他傳感器節點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中檢測數據可能被多個節點處理，經過多跳路由后到匯聚節點，最后通過互聯網或衛星到達管理節點。用戶通過管理節點對傳感器網絡進行配置和管理，發布檢測任務并收集檢測數據。

傳感器節點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過攜帶能量有限的電池供電。從網絡功能上看，每個傳感器節點兼顧傳統網絡節點的終端和路由器雙重功能，除了進行本地信息收集和數據處理外，還要對其他節點轉發來的數據進行存儲、管理和融合等處理，同時與其他節點協作完成一些特定任務。匯聚節點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強，它連接傳感器網絡與Internet等外部網絡，實現兩種協議棧之間的通信協議轉換，同時發布管理節點的檢測任務，并把收集的數據轉發到外部網絡上。匯聚節點既可以是一個具有增強功能的傳感器節點，有足夠的能量供給和更多的內存與計算資源，也可以是沒有檢測功能僅帶有無線通信接口的特殊網關設備。