单元5物联网通信与网络技术课件

1、单元5 物联网通信与网络技术物联网技术及应用基础5.1 认识无线通信技术5.2 蜂窝移动通信技术5.3短距离无线通信技术5.1 认识无线通信技术5.1.2 通信系统结构1 一般通信系统结构所谓通信是指通过某种媒质进行的信息传递。一个简单的通信系统首先由发送和接收两部分组成。从硬件上看，通信系统主要由信源、信宿、传输介质、接收和发送5部分组成，如图所示。2 数字通信系统通信有模拟和数字之分。模拟通信指信源发出和信宿接收及信道传输的都是模拟信号，如第一代移动通信，我们在电影中看见的某些大佬手里拿的像砖头一样的“大哥大”，就是模拟通信。而数字通信中信源发出和信宿接收的是模拟信号，而信道传输的是数字信

2、号。3 信源和信道编码在数字通信系统中信源编码目的是使信源减少冗余，更加经济有效的传输。因为信源是模拟信息，所以信源编码主要是把模拟信号转换为数字信号。包括语音压缩编码、图像压缩编码等。例如将信息“真”，“假”变换成0、1、00、11或其他码组。而信道编码是为了提高系统传输的可靠性。类似运送玻璃杯的途中，为保证物品不被打烂，通常会用泡沫或海绵将玻璃杯包装起来，信道编码也与之类似，会在信息码元序列中增加一些监督码元，这些监督码元与信息码元之间有一定的关系，接收端可以利用这种关系来发现或纠正可能存在的错码。5.1 认识无线通信技术5.1.3调制解调技术1 什么是调制为什么要调制？在通信系统中，任何

3、信道都有相关的频率范围，如果需要传输的信号不在这个频率范围内，就需要将信号的频率搬到信道频率范围之内，就像将汽车开到轮船上以便渡海一样，这个过程称之为调制。2 模拟调制技术模拟调制一般指调制信号和载波都是连续波的调制方式。它有调幅、调频和调相三种基本形式。调幅3 数字调制技术数字调制分为调幅、调相和调频三类，分别对应幅移键控（ASK）、相移键控（PSK）和频移键控（FSK）三种数字调制方式。5.1 认识无线通信技术5.1.4 多址技术1频分多址FDMA频分多址(FDMA)技术它把传输频带划分为若干个较窄的且互不重叠的子频带，每个用户分配到一个固定子频带，按频带区分用户。信号调制到该子频带内，各

4、用户信号同时传送，接收时分别按频带提取，从而实现多址通信。2 时分多址TDMATDMA是在给定频带的最高数据传送速率的条件下，把传递时间划分为若干时间间隙，即时隙，用户的收发各使用一个指定的时隙，以突发脉冲序列方式接收和发送信号。多个用户依序分别占用时隙，在一个宽带的无线载波上以较高速率传递信息数据，接收并解调后，各用户分别提取相应时隙的信息，按时间区分用户，从而实现多址通信。3 码分多址CDMACDMA方式是用伪随机编码信号或其他扩频码调制所需传送的信号，再经载波调制后发送出去。接收端使用完全相同的扩频码序列，同步后与接收的宽带信号作相关处理，把宽带信号解扩为原始数据信息。不同用户使用不同的

5、码序列，它们占用相同频带，接收机虽然能收到，但不能解出，这样可实现互不干扰的多址通信。它以不同的互相正交的码序列区分用户，故称为“码分多址”。由于它是以扩频为基础的多址方式，所以也称为“扩频多址（SSMA）”。4 空分多址SDMA空分多址，顾名思义，就是利用空间的隔离进行复用的一种多址接入技术，采用空分多址接入的多个用户可以使用完全相同的频率、时隙和码道资源。事实上，我们熟知的蜂窝移动通信技术中的蜂窝概念本身就是一种空分复用技术，不同的小区（cell）内中的用户可以使用完全相同的资源。5.1 认识无线通信技术任务10：调查无线通信应用情况5.1 认识无线通信技术1G第一代移动通信主要采用的是模

6、拟技术和频分多址(FDMA)技术。由于受到传输带宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游，只能是一种区域性的移动通信系统。第一代移动通信有很多不足之处，如容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务和不能提供自动漫游等。2G由于以上lG移动通信系统存在的问题，使得国际相关组织开始了第二代移动通信系统(2G)的研究，主要有两支国际普遍采用的标准(区域化的标准)：美国高通公司推出的CDMAIS-95和欧洲的GSM，在2G标准里最先推出和应用最广泛的是GSM，Global System for Mobile Communications，中文为全球移动通讯系统，俗称“全球通”。

7、采用TDMA+FDMA多址技术。在2G时代还有一支全球应用的标准就是CDMA，即码分多址。1 实现区域覆盖的蜂窝结构在六边形小区的中心设立固定的收发信台称为基站，提供六边形小区内移动台入网的无线接口；或在六边形的顶点按照三个120度角的扇形设立基站，提供扇区内移动台入网的接口。2 典型GSM通信系统组成蜂窝GSM移动通信系统主要是由交换网路子系统（NSS）、基站子系统(BSS)和移动台（MS）三大部分组成。移动台（MS）移动台（MS）就是移动客户设备部分，它由两部分组成，移动终端和客户识别卡（SIM）。移动终端就是“手机”，它可完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息发射和接收

8、。SIM卡就是“身份卡”，存有认证客户身份所需的所有信息，并能执行一些与安全保密有关的重要信息，以防止非法客户进入网路。SIM卡还存储与网路和客户有关的管理数据。只有插入SIM后移动终端才能接入进网。基站子系统BSSBSS系统是在一定的无线覆盖区中由MSC控制，与MS进行通信的系统设备，它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。功能实体可分为基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。网络交换子系统NSS交换网路子系统（NSS）主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。5.2 蜂窝移动通信技术5.2.3 3G3G3G是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。它是

9、将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。能够处理图像、音乐、视频等多种形式，提供网页浏览、电话会议、电子商务信息服务。无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps(兆比特/每秒)、384kbps(千比特/每秒)以及144kbps的传输速度（此数值根据网络环境会发生变化)。1 WCDMACDMA：全称为WidebandCDMA，也称为CDMADirectSpread，意为宽频分码多重存取，这是基于GSM网发展出来的3G技术规范，是欧洲提出的宽带CDMA技术。WCDMA的关键技术包括RAKE接收、多用户检测、软切换、功率控

10、制等技术。2 CDMA-2000CDMA-2000由美国高通北美公司为主导提出，摩托罗拉、Lucent和后来加入的韩国三星都有参与，韩国现在成为该标准的主导者，是IS-95标准向第三代移动通信系统演进的技术体制方案。dma2000的一个主要特点是与现有的TIA/EIA-95-B标准后向兼容，可从IS 95B 系统的基础上平滑地升级到3G，建设成本低。但目前使用CDMA（码多分址技术）的地区只有日、韩和北美，所以cdma2000的支持者不如WCDMA多。3 TD-SCDMATD-SCDMA，TimeDivision-SynchronousCodeDivisionMultipleAccess(时分

11、同步的码分多址技术)，是中国提出的第三代移动通信标准。1998年正式向ITU(国际电联)提交并得到ITU认可并发布，与3GPP(第三代伙伴项目)体系融合使TDSCDMA标准成为第一个由中国提出的，以我国知识产权为主的、被国际上广泛接受和认可的无线通信国际标准。5.2 蜂窝移动通信技术任务11：调查手机上网技术与速度5.2 蜂窝移动通信技术5.2.4 4G4G是第四代移动通信及其技术的简称，根据国际电信联盟的定义，4G技术应满足下面的条件：固定状态下数据传输速度达到1Gbit/s，移动状态下数据传输速度达到100Mbps，比拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到20Mbps，并能够满足几乎所有

12、用户对于无线服务的要求。国际电信联盟已将WiMAX、HSPA+、LTE、LIT-Advanced、WirelessMAN- Advanced5种标准纳入4G标准中。1 LTELTE：LongTermEvolution3GPP长期演进，是新一代宽带无线移动通信技术。与3G采用的CDMA技术不同，LTE以OFDM（正交频分多址）和MIMO（多输入多输出天线）技术为基础，频谱效率是3G增强技术的23倍。LTE包括FDD和TDD两种制式。LTE的增强技术（LTE-Advanced）是国际电联认可的第四代移动通信标准。2 4G无线通信核心技术4G无线通信核心技术包含正交频分复用OFDM和MIMO多输入多

13、输出：MIMOOFDM5.3短距离无线通信技术5.3.1 蓝牙蓝牙工作频率为2.4GHz，有效范围大约在10m半径内，在此范围内，采用蓝牙技术的多台设备，如手机、电脑、打印机等能够无线互联，以约1Mb/s的速率相互传递数据，并能方便地接入互联网。随着蓝牙芯片价格和耗电量的不断降低，蓝牙已经成为手机和平板电脑的必备功能。5.3.2 UWB超宽带技术（UWB）是另一个新发展起来的无线通信技术。UWB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。脉冲采用脉位调制货二进制移相键控调制。UWB被允许在3.1-10.6GHz的波段内工作，主要应用在小范围、高分辨率，能够透墙

14、壁、地面和身体的雷达和图像系统中。现有的无线通信方式中，只有UWB有可能在10m范围内，支持高达110Mb/s的数据传输率，不需要压缩数据，可以快速、简单、经济地完成视频数据处理。5.3.3 zigbee简单的说，ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络，ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75米到几百米、几公里，并且支持无线扩展。Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个Zigbee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。5.3.4 wifiWi-Fi（WirelessFidelity无线高保真）实际上是一种商业认证，具有Wifi认证的产品符合IEEE802.11无线网络规范，它是当前应用最为广泛的WLAN无线局域网标准。Wi-Fi的主要特点是传输速率高、可