2.1基本概念和介质课件

1、移动计算的概念移动计算是使人们能在任何时间、任何地点、在运动过程中都能不间断地访问网络服务（数据和计算）的技术的统称。第1页，共48页。8/4/20221东北石油大学计算机与信息技术学院类似的术语游牧计算（Nomadic computing）: 可携带的，正在移动时无法访问网络；普适计算（Ubiquitous computing）:无所不在的、随时随地可以进行计算的一种方式；往往不被人们所发现，“如：嵌入式计算”。第2页，共48页。8/4/20222东北石油大学计算机与信息技术学院第二代移动通信系统1990s,第二代移动通信系统。1992年欧洲的GSM系统；1993年美国的IS95；1993年

2、日本的PDC。第3页，共48页。8/4/20223东北石油大学计算机与信息技术学院第三代移动通信系统2000s,第三代移动通信系统。欧洲的WCDMA系统；美国的CDMA2000；中国的TD-SCDMA。第4页，共48页。8/4/20224东北石油大学计算机与信息技术学院第二章 无线通信网络第5页，共48页。8/4/20225东北石油大学计算机与信息技术学院主要内容数据通信概述：基本概念、传输介质数据调制与编码：数字数据调制方法多路复用技术:FDMA,TDMA,CDMAWLAN：IEEE 802.11协议标准WPAN技术：蓝牙技术标准第6页，共48页。8/4/20226东北石油大学计算机与信息技

3、术学院2.1 数据通信概述 一个具有有限持续时间T的数字信号，可以看做为一个以T为周期的周期阶梯函数g（t）。于是此函数可展开成傅立叶（Fourier）级数。一、引入：信号的傅立叶级数展开第7页，共48页。8/4/20227东北石油大学计算机与信息技术学院基波频率 直流分量n次谐波的正弦振幅值n次谐波的余弦振幅值第8页，共48页。8/4/20228东北石油大学计算机与信息技术学院 传输ASCII码表示的字符b ，即01100010，其周期函数g(t)和对应的输出电压波形为：第9页，共48页。8/4/20229东北石油大学计算机与信息技术学院第10页，共48页。8/4/202210东北石油大学计

4、算机与信息技术学院第11页，共48页。8/4/202211东北石油大学计算机与信息技术学院信号在信道上的传输特性。（1）信道如果存在截止频率fc, 0-fc称为信道的有效带宽。（2）信道对于傅立叶级数中谐波分量衰减的不同，因此输出引起失真。（3）信道的带宽越宽，在接收端越接近于原来的周期函数。第12页，共48页。8/4/202212东北石油大学计算机与信息技术学院 （1）比特率： 表示数据的传输速率，定义为单位时间内传送的比特数（每秒种传输的二进制位数）。单位为比特/秒(bit/s)或简写为bps。 （2）波特率： 表示信号速率，一般称为调制速率。定义为单位时间内所传输的波形个数（每秒种发送的

5、码元数）。单位为波特(baud)。设一个波形的持继时间为T，则波特率 Dbaud = 1/T比特率与波特率第13页，共48页。8/4/202213东北石油大学计算机与信息技术学院（3）比特率与波特率的关系 信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”在数量上却有密切的关系。1.若 1 个码元只携带 1 bit 的信息量，则“比特/秒”和“波特”在数值上相等。2.若 1 个码元携带 n bit 的信息量，则M Baud 的码元传输速率所对应的信息传输速率为 M n b/s。3.如果某数字传输系统的码元状态数为V，则该系统中比特率和波特率的关系为：n = log 2 VS = B log 2

6、 V比特率与波特率第14页，共48页。8/4/202214东北石油大学计算机与信息技术学院 对于比特率等于波特率为B bps的信道，如果截止频率为fc, 发送8位所需的时间为8/B秒，若8位为一个周期T，则基波频率为： 能通过信道的谐波最高次数n满足条件：.假设该信道的截止频率为3000Hz则： f=B/8 Hznffc 则 nfc/f=8*fc/Bn8*3000/B=24000/B带宽与数据传输速率第15页，共48页。8/4/202215东北石油大学计算机与信息技术学院即使是完善信道，有限带宽限制了数据传输速率若信道的带宽是固定的，则用它来直接传输数字信号的数据速率越高则失真越大传输速率与通

7、过谐波数目第16页，共48页。8/4/202216东北石油大学计算机与信息技术学院二、基本概念数据(data) 对客观事物的表示，运送信息的实体。信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。模拟传输传输的数据是连续的信息。数字传输传输的数据是离散的信息。2.1 数据通信概述第17页，共48页。8/4/202217东北石油大学计算机与信息技术学院信道信息的传输通道。带宽信道能通过信号的频率范围。数据传输速率单位时间内传输的信息量。比特率每秒传输的二进制位数。波特率每秒传输的信号数。第18页，共48页。8/4/202218东北石油大学计算机与信息技术学院采样频率定义了每秒从连续信号中提取并组成离

8、散信号的采样个数。量化把采样到数据的幅度数字化的表示称之为量化。编码把量化后的数值转换成数字编码脉冲。噪声传输过程中设备自行产生的与输入信号无关的信号。 第19页，共48页。8/4/202219东北石油大学计算机与信息技术学院第20页，共48页。8/4/202220东北石油大学计算机与信息技术学院单向通信（单工通信） 只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。双向交替通信（半双工通信） 通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。双向同时通信（全双工通信） 通信的双方可以同时发送和接收信息。第21页，共48页。8/4/202221东北石油大学计算机与信息技术学院信号在信

9、道上的传输特性。（1）信道如果存在截止频率fc, 0-fc称为信道的有效带宽。（2）信道对于傅立叶级数中谐波分量衰减的不同，因此输出引起失真。（3）信道的带宽越宽，在接收端越接近于原来的周期函数。第22页，共48页。8/4/202222东北石油大学计算机与信息技术学院 （1）比特率： 表示数据的传输速率，定义为单位时间内传送的比特数（每秒种传输的二进制位数）。单位为比特/秒(bit/s)或简写为bps。 （2）波特率： 表示信号速率，一般称为调制速率。定义为单位时间内所传输的波形个数（每秒种发送的码元数）。单位为波特(baud)。设一个波形的持继时间为T，则波特率 Dbaud = 1/T比特率

10、与波特率第23页，共48页。8/4/202223东北石油大学计算机与信息技术学院（3）比特率与波特率的关系 信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”在数量上却有密切的关系。1.若 1 个码元只携带 1 bit 的信息量，则“比特/秒”和“波特”在数值上相等。2.若 1 个码元携带 n bit 的信息量，则M Baud 的码元传输速率所对应的信息传输速率为 M n b/s。3.如果某数字传输系统的码元状态数为V，则该系统中比特率和波特率的关系为：n = log 2 VS = B log 2 V比特率与波特率第24页，共48页。8/4/202224东北石油大学计算机与信息技术学院信道信息

11、的传输通道。带宽信道能通过信号的频率范围。数据传输速率单位时间内传输的信息量。比特率每秒传输的二进制位数。波特率每秒传输的信号数。第25页，共48页。8/4/202225东北石油大学计算机与信息技术学院 离散无噪声的数字信道的极限数据传输率（信道容量）为：C = 2Hlog2 V H为信道的带宽(Hz) V为码元划分等级数目Harry Nyquist1889 1976三、相关定理1.奈奎斯特(Nyquist)定理2.1 数据通信概述第26页，共48页。8/4/202226东北石油大学计算机与信息技术学院比特率=波特率信号代表的二进制位数波特率=2H Baud信号代表的二进制位数=log2 V因

12、此： C = 2Hlog2 V第27页，共48页。8/4/202227东北石油大学计算机与信息技术学院2.香侬(Shannon) 定理S表示信号功率；N表噪声功率；H为信道带宽；C为信道容量；在信号平均功率有限的白噪声(指通信系统内部本身产生的噪声)信道中，信道的极限数据传输率(即信道容量)为:C = Hlog2 (1+S/N)Claude E. Shannon1916 - 2001分贝用来度量电路中不同点上功率的相对大小：D = 10log10(S/N)第28页，共48页。8/4/202228东北石油大学计算机与信息技术学院3.定理应用例：考虑语音信道带宽为3100赫兹，信噪比为30分贝。求

13、：该信道的容量？已知：W3100Hz， RS/N =30dB思考题：利用Nyquist定理计算该信道信号的划分等级30 = 10 log10 (S/N)S/N = 1000C = Wlog2 (1+S/N)= 3100 *log2(1+1000)= 30894bps第29页，共48页。8/4/202229东北石油大学计算机与信息技术学院四、传输介质电介质 双绞线，同轴电缆光介质 光纤无线传输介质 包括无线电波，微波，红外等等。2.1 数据通信概述第30页，共48页。8/4/202230东北石油大学计算机与信息技术学院传输介质双绞线屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair

14、)无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)第31页，共48页。8/4/202231东北石油大学计算机与信息技术学院传输介质同轴电缆 粗缆：用于干线。 细缆：用于连接局域网络。第32页，共48页。8/4/202232东北石油大学计算机与信息技术学院传输介质光纤 折射角包层（低折射率的媒体）纤芯（高折射率的媒体）入射角包层（低折射率的媒体）包层纤芯第33页，共48页。8/4/202233东北石油大学计算机与信息技术学院传输介质多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤第34页，共48页。8/4/202234东北石油大学计算机与信息技术学院传输

15、介质1041051061071081091010101110121013101410151016VHF波段 LFMFHFUHFSHFEHFTHF同轴电缆双绞线卫星AM无线FM无线TV光纤陆地微波RadioMicro-waveinfraredX-rayGamma rayUV100 102 104 106 1081010 1012 10141016 1018 1020 10221024 f(Hz)可见光电磁频谱及在通信中的使用传输介质的电磁频谱第35页，共48页。8/4/202235东北石油大学计算机与信息技术学院无线频谱的分配频率统一分配（FCC/ITU-R/各个国家） 根据信息类型分配频谱 (

16、AM/FM无线电台、TV、蜂窝电话)工业科学医学频段 （ISM） 可自由使用但限制功率专用于非许可的商业用途(救护车、警察、出租车、无线遥控玩具、无线电家用设备等）第36页，共48页。8/4/202236东北石油大学计算机与信息技术学院工业科学医学频段（ISM ）设备昂贵802.11a26MHz902MHz928MHz83.5MHz2.4GHz2.4835GHz125 MHz5.735GHz5.860GHz蓝牙和802.11受微波炉和雷达干扰工作最好但太拥挤*在美国功率小于1W的设备可使用上述频段而无需FCC的许可第37页，共48页。8/4/202237东北石油大学计算机与信息技术学院 离散无

17、噪声的数字信道的极限数据传输率（信道容量）为：C = 2Hlog2 V H为信道的带宽(Hz) V为码元划分等级数目Harry Nyquist1889 1976三、相关定理1.奈奎斯特(Nyquist)定理2.1 数据通信概述第38页，共48页。8/4/202238东北石油大学计算机与信息技术学院比特率=波特率信号代表的二进制位数波特率=2H Baud信号代表的二进制位数=log2 V因此： C = 2Hlog2 V第39页，共48页。8/4/202239东北石油大学计算机与信息技术学院2.香侬(Shannon) 定理S表示信号功率；N表噪声功率；H为信道带宽；C为信道容量；在信号平均功率有限

18、的白噪声(指通信系统内部本身产生的噪声)信道中，信道的极限数据传输率(即信道容量)为:C = Hlog2 (1+S/N)Claude E. Shannon1916 - 2001分贝用来度量电路中不同点上功率的相对大小：D = 10log10(S/N)第40页，共48页。8/4/202240东北石油大学计算机与信息技术学院定理应用带宽为4KHZ，如果有8种不同的物理状态表示数据，信噪比为30dB。那么按奈氏准则和香农定理计算，分别计算其最大限制的数据传输速率。 C=2 H log2 N=2*4K*log2 8=24Kbps 分贝(dB)的计算是:10lgS/N 即本题为:10lgS/N=30 则

19、:S/N=1000C=F log2(1+S/N)= 4K*log2 100140Kbps第41页，共48页。8/4/202241东北石油大学计算机与信息技术学院工业科学医学频段（ISM ）设备昂贵802.11a26MHz902MHz928MHz83.5MHz2.4GHz2.4835GHz125 MHz5.735GHz5.860GHz蓝牙和802.11受微波炉和雷达干扰工作最好但太拥挤*在美国功率小于1W的设备可使用上述频段而无需FCC的许可第42页，共48页。8/4/202242东北石油大学计算机与信息技术学院无线电频率范围在10kHz1GHz之间；能穿透墙壁，也可到达普通网络无法到达的地方；全向传播（Omnidirectional）信号沿着所有的方向传播可被所有的天线接收,发射设备和接收设备不必在物理上对准第43页，共48页。8/4/202243东北石油大学计算