物联网技术课件第四次

1、第一章 物联网(lin wn)概述 2可靠(kko)网络传输 2.1移动通信网共五十八页2.1 移动(ydng)通信网2.1.1 移动通信网概况2.1.2 移动通信网特点(tdin)2.1.3 移动通信网分类2.1.4 移动通信网发展2.1.5 移动通信网结构与功能2.1.6 移动通信网技术共五十八页学习情境(qngjng)2 可靠网络传输顾名思义，物联网是一种网络形式，感知仅仅是物联网应用的第一阶段，如果没有网络传输体系，那么感知层获取到的信息就无法被及时处理和传递，物联网便是“英雄无用武之地”；如果没有“可靠”的网络传输体系，信息的安全性和隐私性就必然成为制约物联网推进发展的重大障碍。因此

2、，可靠的网络传输是物联网实现(shxin)物与物、人与物之间全方位信息交互的重要基础。共五十八页2.1 移动(ydng)通信网本情境主要介绍移动(ydng)通信网的概况、特点、分类、发展及其结构、功能和所用的技术。共五十八页2.1.1 移动(ydng)通信网概况移动通信是移动体之间的通信或移动体与固定体之间的通信。从用户角度看，可以使用的接入技术包括：蜂窝移动无线系统(xtng)，如3G；近距离通信系统(xtng)，如蓝牙；无线局域网（WLAN）系统(xtng)；固定无线接入或无线本地环系统(xtng)；卫星系统(xtng)；广播系统(xtng)等。共五十八页2.1.2 移动(ydng)通信网

3、特点（1）移动性移动性即要保持物体在移动状态中的通信，因而它必须是无线通信，或无线通信与有线通信的结合。在无线通信系统中，通常利用电磁波传输(chun sh)信息，但电磁波的传播特性一般都较差。共五十八页2.1.2 移动(ydng)通信网特点（2）电磁波传播条件复杂电磁波不仅会随着传播距离的增加而发生弥散损耗，而且会由于地形、地物的遮蔽、阻挡而发生反射、折射和绕射等现象，这些现象使同一信号经由多条路径到达(dod)接收地点。传输路径不同的信号其幅度、相位和到达时间都不一样，他们相互叠加会产生电平衰落和时延扩展。此外，移动通信常常在快速移动中进行，这不仅会引起多普勒频移，产生随机调频，而且会使得

4、电波传播特性发生快速的随机起伏。多径和多普勒频移是严重影响移动通信质量的两大因素。共五十八页2.1.2 移动(ydng)通信网特点（3）噪声和干扰严重除去一些常见的外部干扰和噪声，在系统本身与不同(b tn)系统之间，还会产生互调干扰、邻道干扰和同频干扰等。共五十八页2.1.2 移动(ydng)通信网特点（4）系统和网络结构复杂移动通信网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(wixng)通信网、数据网等互连，故整个网络结构是很复杂的。共五十八页2.1.2 移动(ydng)通信网特点（5）要求频带利用率高、设备性能好移动通信可

5、利用的频谱资源非常有限，而移动通信业务量的需求却与日俱增(y r j zng)。为了解决这一矛盾，一方面要开辟和启用新的频段，另一方面要研究各种新技术和新措施，以压缩信号所占的频带宽度和提高频谱利用率。移动设备终端应该具有如下特点，即体积小、重量轻、省电、操作简单和携带方便。在某些极端条件下，还应保证设备能够在振动、冲击、高低温变化等恶劣环境中正常工作。共五十八页2.1.3 移动(ydng)通信网分类移动通信的种类繁多，按照对其使用要求和工作场合的差异，可将移动通信网络分为以下几类。（1）集群移动通信，也称大区制移动通信。只有一个基站天线高度几十至百余米覆盖半径30km发射机功率(gngl)2

6、00W用户几十至几百共五十八页2.1.3 移动(ydng)通信网分类（2）蜂窝移动通信(tng xn)，也称小区制移动通信(tng xn)。把整个大范围的服务区划分成许多小区，对每个小区设置一个基站，负责本小区各个移动台的联络与控制，各个基站通过移动交换中心相互联系，与市话局连接。超短波电波传播距离有限，离开一定距离的小区可以重复使用频率。每个小区的用户在1000个以上，全部覆盖区容量可达100万个用户。共五十八页2.1.3 移动(ydng)通信网分类（3）卫星移动通信(tng xn)。利用卫星转发信号可实现移动通信，对于车载移动通信可采用赤道固定卫星对手持终端，采用中低轨道的多颗星座卫星较为

7、有利。共五十八页2.1.3 移动(ydng)通信网分类（4）无绳电话。对于室内外慢速移动的手持终端的通信，采用小功率(gngl)、通信距离近的、轻便的无绳电话机。可以经过通信点与市话用户进行单向或双方向的通信。共五十八页2.1.3 移动(ydng)通信网分类除此之外，还有以下分类方法。1.按使用对象可分为民用设备和军用设备。2.按使用环境分为陆地通信、海上通信和空中通信。3.按多址方式(fngsh)分为频分多址、时分多址和码分多址等。4.按覆盖范围分为广域网和局域网。5.按业务类型分为电话网、数据网和多媒体网。6.按工作方式分为同频单工、异频单工、异频双工和半双工。7.按服务范围分为专用网和公

8、用网。8.按信号形式分为模拟网和数字网。共五十八页2.1.4 移动(ydng)通信网发展进入21世纪，移动通信逐渐演变成社会发展(fzhn)和进步的必不可少的工具。1.第一代移动通信系统（1G）。1G是模拟制式的移动通信系统微处理器的发明和交换及控制链路的数字化缺点是业务量小，质量差，频谱利用率低，安全保密性差，无法承载数据业务共五十八页2.1.4 移动(ydng)通信网发展2.第二代移动通信系统（2G）。2G是数字蜂窝通信系统改善了语音质量，增加了网络容量，加强了通话保密性，提供无缝国际漫游业务GSM系统数据传送速率115-384kbit/s缺点：频率资源接近枯竭，语音质量不能达到用户(yn

9、gh)满意的标准，数据通信速率太低，无法满足移动多媒体业务需求共五十八页2.1.4 移动(ydng)通信网发展3.第三代移动通信(tng xn)系统（3G）。3G是移动多媒体通信系统业务包括语音、传真、数据、多媒体娱乐和全球无缝漫游传输速率384-2Mbit/s,带宽5MHz缺点：三大分支存在相互兼容的问题，频谱利用率低共五十八页2.1.4 移动(ydng)通信网发展4.第四代移动通信系统（4G）。4G是真正意义的高速移动通信系统下载速度100Mbit/s，上传20Mbit/s支持交互多媒体业务、高质量影像、3D动画和宽带互联网接入，是宽带大容量的高速蜂窝系统4G与固定宽带价格不相上下，可以部

10、署在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方网络结构分为3层：物理(wl)网络层、中间环境层、应用网络层关键技术：共五十八页2.1.4 移动(ydng)通信网发展4.第四代移动通信(tng xn)系统（4G）。关键技术：信道传输抗干扰性强的高速接入技术、调制和信息传输技术高性能、小型化和低成本的自适应阵列智能天线大容量、低成本的无线接口和光接口系统管理资源软件无线电、网络结构协议正交频分复用（OFDM）为技术核心共五十八页2.1.5 移动通信网结构(jigu)与功能移动通信网的基本结构：移动台（MS）、基站子系统（BSS）和构成(guchng)网络节点的移动交换中心（MSC）。共五十八页2.1

11、.5 移动(ydng)通信网结构与功能移动台一般(ybn)由用户设备构成，用户使用这些设备可以接入蜂窝移动通信网得到所需服务。每个移动台都包括一个移动终端（MT）。根据通信业务的需要，移动台还可以包括各种终端设备（TE）或是它们的组合以及终端适配器（TA）。移动台分为车载台、便携台和手持台等类型。共五十八页2.1.5 移动通信网结构(jigu)与功能基站子系统由基站收发信台（BTS）和基站控制器（BSC）两部分组成。它通过无线接口直接与移动台相接，负责无线收发和无线资源管理。它与网络子系统（NSS）中的移动业务交换中心（MSC）相连(xin lin)，实现用户之间的通信连接，传送系统信号和用户

12、信息等。共五十八页2.1.5 移动(ydng)通信网结构与功能移动交换中心对位于其服务区内的移动台进行交换和控制，同时提供移动网与固定公众电信网的接口。作为交换设备，移动交换中心具有完成呼叫接续(jix)与控制的能力以及无线管理和移动性管理的能力。共五十八页2.1.5 移动(ydng)通信网结构与功能移动用户和基站之间是通过公共空中协议建立的无线链路来连接的。基站系统(xtng)同移动交换中心以及移动交换中心到公用电话网（PSTN）或其他网络的连接需要相应的网络策略和标准来支持。共五十八页2.1.5 移动(ydng)通信网结构与功能与PSTN相连的蜂窝移动通信系统包括大量移动台（MS）、许多基

13、站（BS）、若干移动交换中心（MSC）及若干与MSC相连的数据库。MSC通过与公用电话网PSTN的程控交换机（EX）相连，接入公用电话网。系统的基本功能是，移动台能与有线电话(yuxin dinhu)（TEL）或其他移动台通话。共五十八页2.1.5 移动(ydng)通信网结构与功能常用的移动通信系统(xtng)主要有4类：蜂窝移动通信系统(xtng)、集群移动通信系统(xtng)、无绳电话系统(xtng)和无线寻呼系统(xtng)。它们的功能及应用场合各不相同，但其基本原理及技术是相同的。共五十八页2.1.6 移动(ydng)通信网技术1.调制技术调制的目的是把要传送的模拟信号或数字信号变换(

14、binhun)成适合信道传输的信号，这种变换(binhun)后的信号称为已调信号。移动通信信道的基本特征是：带宽有限；干扰和噪声影响大；存在着多径衰落。为了适应移动信道特征，已调信号应具有较高的频谱利用率和较强的抗干扰、抗衰落的能力。共五十八页2.1.6 移动(ydng)通信网技术1.调制技术常用的无线通信调制技术（1）幅度调制载波：信息(xnx)的载体，意为承载信息(xnx)的电波，一般为正弦或者余弦形式。基带调制信号：信息经过编码之后、加载到载波之前的形式。共五十八页2.1.6 移动(ydng)通信网技术1.调制技术（1）幅度调制幅度调制是正弦（或余弦(yxin)）载波的幅度随基带调制信号

15、作线性变化的调制方式。基带信号为一叠加了直流分量的低频正弦波形。载波信号为一个频率较高的余弦波形。将已调信号波形的极值点用曲线拟合方法连接起来，就是已调信号波形的包络线。共五十八页2.1.6 移动(ydng)通信网技术1.调制技术（1）幅度调制已调信号的虚线波形就是基带信号的波形，实线波形的频率就是载波(zib)的频率。已调信号以载波信号为载体，承载了基带信号的信息。共五十八页2.1.6 移动(ydng)通信网技术1.调制技术（2）角度调制角度调制就是角度随着基带信号而变化。分为相位调制和频率调制。两个已调信号的波形完全一致，仅在时间上略有延迟，这说明(shumng)调频和调相没有本质区别。共

16、五十八页2.1.6 移动(ydng)通信网技术1.调制技术（3）数字调制以上(yshng)是模拟调制技术，实际上多用数字调制技术，优点有：抗噪声能力强，对信道扰动的鲁棒性高，安全性高。数字调制就是把波形编制成0和1.常用的是不归零码（NRZ）数字调制技术中的调幅、调频、调相分别称为幅度键控、频移键控和相移键控。共五十八页2.1.6 移动(ydng)通信网技术1.调制技术（3）数字调制1）幅度(fd)键控（ASK）。基带信号为矩形脉冲序列。已调信号0代表无信号，1代表原波形保持不变。共五十八页2.1.6 移动(ydng)通信网技术1.调制技术（3）数字调制2）频移键控（FSK）。0对应一种频率的

17、载波(zib)信号，1对应另一种频率的载波(zib)信号。共五十八页2.1.6 移动(ydng)通信网技术1.调制技术（3）数字调制3）相移键控（PSK）。相移键控是受键控的载波相位根据基带信号矩形脉冲序列的变化而改变的一种数字调制方式(fngsh)。已调信号只相差相位，0对应相位，1对应0相位。共五十八页2.1.6 移动(ydng)通信网技术1.调制技术（3）数字调制4）其他方式。线性调制技术，包括(boku)正交相移键控（QPSK）、差分正交相移键控（DQPSK）、/4-DQPSK和多电平PSK。共五十八页2.1.6 移动(ydng)通信网技术1.调制技术(jsh)（3）数字调制4）其他方

18、式。恒定包络调制技术，包括最小频移键控（MSK）、高斯滤波最小频移键控（GMSK）、高斯频移键控（GFSK）。共五十八页2.1.6 移动(ydng)通信网技术1.调制技术（3）数字调制4）其他方式。正交振幅调制（QAM），这是一种将两种调制信号汇合到一个(y )信道的方法，因此会双倍扩展有效带宽。共五十八页2.1.6 移动(ydng)通信网技术1.调制技术（4）载波信号的频谱分析矩形脉冲波是多种频率不同正弦波的合成。频谱曲线分析已调信号波形：中间部分称为主瓣，宽度为2/T，旁边是若干宽度为1/T的旁瓣，旁瓣的幅度逐渐(zhjin)变小，但不会变为零，始终震荡至无限大的频率。共五十八页2.1.6

19、 移动(ydng)通信网技术1.调制技术（5）调制信号的带宽(di kun)定义定义信号频谱带宽最简易的方法就是把频谱的主瓣宽度定义为带宽。主瓣与旁瓣不明显时，可以将中心频率处的频谱幅度衰减3dB时的宽度定义为带宽。可以采用等效噪声带宽，就是以中心频率处的频谱幅度值为长边画出矩形，使画出的矩形面积与实际频谱包围的面积相等，则该矩形的宽边长度即为带宽。共五十八页2.1.6 移动(ydng)通信网技术2.移动信道中电波传播特性的研究无线移动通信系统的信号传播会产生多径传播的问题，就是多径衰落。直线传播也会遇到干扰产生失真。通过理论分析和实测数据的统计分析可以建立数学模型，估算传播过程的有关参数。模

20、型(mxng)和参数的获得有助于改善信号的损伤程度，称为信号的补偿。常用的补偿机制有3种：前向纠错、自适应平衡、分集接收。共五十八页2.1.6 移动(ydng)通信网技术3.多址方式移动通信系统是以信道来区分(qfn)通信对象的，每个信道只容纳一个用户通话，许多同时通话的用户，相互以信道区分(qfn)，就是多址接入技术。在一个BS和它所辖服务区内众多MS之间的通信存在多址接入问题。多址接入方式分为4种：FDMA、TDMA、CDMA、SDMA。此外还有OFDMA。共五十八页2.1.6 移动(ydng)通信网技术3.多址方式（1）频分多址（FDMA）FDMA中频分的方法(fngf)是为每一个请求服

21、务的用户分配一对专用载频，在该用户接受服务期间，其他用户不能共享这对载频。共五十八页2.1.6 移动(ydng)通信网技术3.多址方式（1）频分多址（FDMA）1） FDMA系统中的干扰(gnro)问题。互调干扰。邻道干扰。同频道干扰。共五十八页2.1.6 移动(ydng)通信网技术3.多址方式（1）频分多址（FDMA）2） FDMA系统的特点。同频道干扰。每个信道占用一个载频。符号时间与平均延迟扩展相比较是很大的。移动(ydng)台较简单。基站复杂庞大。必须使用带通滤波器。越区切换较为复杂和困难。共五十八页2.1.6 移动(ydng)通信网技术3.多址方式(fngsh)（2）时分多址（TDM

22、A）时分多址中的址是一个时隙。TDMA是在一个载频上，把时间分成周期性的帧，每一帧分成若干时隙，每个时隙就是一个通信信道。共五十八页2.1.6 移动(ydng)通信网技术3.多址方式（2）时分多址（TDMA）TDMA系统的特点。1）多用户共享单一载频，抗干扰能力强。2）数据不是连续的而是以突发的方式发射，耗电少。3）传输速率高，采用自适应平衡。4）越区切换简单。5）必须留有一定的保护时间。6）必须有精确(jngqu)的定时和同步。7）不需双工器，基站复杂性减小。共五十八页2.1.6 移动(ydng)通信网技术3.多址方式（3）码分多址（CDMA）码分多址是以不同(b tn)的地址码字来区分不同

23、(b tn)的基站和移动台，这些地址码字在相位上彼此正交。共五十八页2.1.6 移动(ydng)通信网技术3.多址方式（3）码分多址（CDMA）CDMA系统的特点。1）许多用户共享同一频率。2）通信(tng xn)容量大。3）容量的软特性。4）可以减小多径衰落。5）信道数据速率高。6）低信号功率谱密度。共五十八页2.1.6 移动(ydng)通信网技术3.多址方式（4）空分多址（SDMA）空分多址是将空间进行划分，以获得更多的用户地址。是智能天线技术的集中体现。优势：提高天线增益，使得功率控制更加合理有效，显著提升系统容量，削弱外界(wiji)干扰。共五十八页2.1.6 移动(ydng)通信网技

24、术4.抗干扰措施1）利用信道编码进行检错和纠错来降低通信传输的差错率，例如(lr)前向纠错、自动重传请求（ARQ）。2）采用分集技术、自适应均衡技术和选用具有抗码间干扰和时延扩展能力的调制技术来克服由多径干扰所引起的多径衰落。3）扩频和跳频技术提高通信系统的综合抗干扰能力。4）采用扇区天线、多波束天线和自适应天线阵列减少蜂窝网络中的共道干扰。5）多用户信号检测技术减少多址干扰。共五十八页2.1.6 移动(ydng)通信网技术5.语音编码技术（1）波形编码。将波形直接变换成数字(shz)码流。特点：比特率高、解码后质量较高、时延较小。（2）参数编码。从信源信号的某个域中提取特征参数，变换成数字码