《物联网通信技术及应用(第2版)微课视频版》 课件 第1、2章 物联网通信技术概述、通信原理

1.1物联网通信的起源及发展1.2物联网通信系统

1.3物联网通信技术的发展前景1.4物联网通信技术发展的新特征第1章物联网通信技术概述

1.1物联网通信的起源及发展

物联网概念定义无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体可以通过因特网主动进行信息交换。概念与定义国际电信联盟（ITU)

物联网（InternetofThings）的概念最早由MITAuto-ID中心Ashton教授于1999年在研究射频识别（RFID）时首先提出。智慧地球感知中国1.1物联网通信的起源及发展

物品通过短距离RFID等信息传感设备与互联网连接起来，实现局域范围内的物品“智能化识别和管理”。物联网目标当代认识早期认识能够提供种物我合一的生活境界就是一种虚拟数字世界和现实物理世界的融合。1.1物联网通信的起源及发展

在“数字世界泛在化”和“物理世界智能化”的融合过程中，物联网被赋予多个维度的内涵，具有多重含义。从领域的维度（横向）1.1物联网通信的起源及发展

感知传输智能从层次的维度（纵向）1.1物联网通信的起源及发展

应用层网络层感知层公共支撑层QOS管理信息安全网络管理标识解析物联网框架结构1.1物联网通信的起源及发展协同信息处理子层信息汇聚信息协同处理中间件传送网关短距离通信传输子层有线数据传输无线数据传输无线传感器传输数据采集子层传感器条码识别RFID多媒体信息采集成定位感知控制层1.1物联网通信的起源及发展网络传输层移动通信网固定通讯网互联网广播电视网卫星网1.1物联网通信的起源及发展

应用层

行业应用层智能工业智能农业智能交通环境监测

服务支撑层SOA海量存储分布数据处理数据库数据挖掘1.2物联网通信系统

可靠地传输异构平台协议IPX25ZIGBEE

物理世界虚拟世界数字世界与人类世界交汇ThingToThingM2M

ThingToPerson

1.2物联网通信系统

物联网通信系统的基本结构网络传输层汇聚1汇聚N感知控制层1感知控制层2感知控制层3感知控制层41.2物联网通信系统

感知层通信系统

短距离有线通信

短距离无线通信

无线传感器通信1231.2物联网通信系统

网络层通信系统GSPSTNM/CDMATD/SCDMADDN/ATM/FR其他专用网1.3物联网通信技术的发展前景

面临的问题软件无线电和认知无线电体系物联网中的异构网络融合基于多通信协议的高能效传感器网络物联网扩频通信和频谱分配问题

IP网络技术1.3物联网通信技术的发展前景

1

扩频通信使WSN之间的通信不因受干扰而影响通信质量

2

频谱分配满足大量部署WSN对频谱资源的需求。

物联网扩频通信和频谱分配问题1.3物联网通信技术的发展前景

基于软件无线电和认知无线电的物联网通信体系架构

认知无线电可以识别利用率低的无线频段，并将这些频段回收，统一管理，优化分配。解决无线频段资源紧张的问题。软件无线电具有统一的硬件平台，多样化软件调制方式和传输模式的特点，它可以满足未来不断发展的无线通信模式变化的需求，而且成本低廉1.3物联网通信技术的发展前景

接入环境网络异构性

网络融合

网络异构性BECDA

接入技术异构

组网异构

频谱资源异构运营管理异构终端异构1.3物联网通信技术的发展前景

异构网络融合方案终端融合

业务融合网络融合1.3物联网通信技术的发展前景

1研究高效传输通信协议以减少传输单位比特能量的开销。

2研究多种相合融合的

多通信协议。基于多通信协议的高能效传感器网络1.3物联网通信技术的发展前景

IP网络技术

IP4IP6两种通信协议自动识别与转换，以克服IP通信带来的QOS不稳定。1.4物联网通信技术发展的新特征LPWAN通信技术的崛起物联网的快速发展对无线通信技术提出了更高的要求，专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计的LPWAN(low-powerWide-AreaNetwork，低功耗广域网)正在快速兴起。其中，逐渐形成了NB－IoT、eMTC、LoRa三大通讯技术的三足鼎立，每种技术各有千秋，在各自的应用场景上有独特的优势。IoT是碎片化的，这就要求协议间的兼容与互通，虽然三种技术想互存在竞争，但是未来NB－IoT、eMTC、LoRa也是需要相互融合的。如图1.4所示，LPWAN主要是服务于网络层的远距离通讯技术。1.4物联网通信技术发展的新特征NB－IoTNB-IoT(NarrowBand-InternetofThings，窄带物联网)，是由3GPP标准化组织定义的一种技术标准，是一种专为物联网设计的可在全球范围内广泛使用的窄带射频技术，其使用License频段，可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式，与现有网络共存。1.4物联网通信技术发展的新特征eMTC虽然NB－IoT能满足物联网很多的应用场景，但是在可靠低时延等场景里面，eMTC才是最优解。eMTC是由LTE协议演进而来的，也就是中国移动的通讯协议。移动为了降低成本，对LTE协议进行优化，让用户设备支持1．4MHz的射频和基带带宽，直接接入LTE网络，因为从持久发展上，物联网成本是必须考虑的事情。1.4物联网通信技术发展的新特征LoRaLoRa有个中文名叫做远距离无线电，它的一大特点是在同样功耗下比其它无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，是一种前景广阔的通讯技术。LoRa网络主要由四部分组成，它们是基站（也可以是网关）、服务器、LoRa终端和物联网云。LoRa的特点是应用端和服务器端数据双向传递。一般来说，LoRa在城市中无线距离范围是1~2公里，在郊区无线距离最高可达20km。1.4物联网通信技术发展的新特征物联网通信技术的5G之路5G将是连接新行业、支持新服务并营造新用户体验的更强大统一连接平台。物联网将是5G不可或缺的一部分，提供4GLTE无法支持的新型物联网服务和效率。目前5G愿景定义明确，2020年开始商用，它将进一步增强移动宽带、更高效地支持大规模物联网并且促成全新关键任务服务。1.4物联网通信技术发展的新特征物联网通信技术的5G之路降低复杂性，支持更低成本设备提高功率效率，实现超长电池续航增强覆盖，更好地支持挑战性的位置部署支持更高节点密度部署第1章物联网通信技术概述

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2.1通信的基本概念2.2通信系统的组成

2.3通信系统的分类

2.4通信方式2.5信息及其度量2.6通信系统的主要性能指标第2章通信原理

指人与人或人与自然之间通过某种行为或媒介进行的信息交流与传递，从广义上指需要信息的双方或多方在不违背各自意愿的情况下采用任意方法，任意媒质，将信息从某方准确安全地传送到另方。通信的定义2.1通信的基本概念传递消息中所包含的信息消息：是物质或精神状态的一种反映，例如语音、文字、音乐、数据、图片或活动图像等。信息：是消息中包含的有效内容。2.1通信的基本概念2.1.1通信的目的烽火台驿马快递飞鸽传书非电信号的通信2.1通信的基本概念2.1.2实现通信的方式和手段电报、电话、广播、电视、遥控、遥测、因特网和计算机通信电信号的通信2.1通信的基本概念2.1.2实现通信的方式和手段信息源信道受信者发送设备噪声源发送端接收端接收设备2.2通信系统的组成2.2.1

通信系统的一般模型代表消息的信号参量取值连续。

例如麦克风输出电压。2.2通信系统的组成2.2.2模拟信号代表消息的信号参量取值为有限个。例如电报信号、计算机输入输出信号。2.2通信系统的组成2.2.3数字信号模拟信号源信道受信者调制器噪声源发送端接收端解调器2.2通信系统的组成2.2.4模拟通信系统利用模拟信号来传递信息的通信系统模拟消息

原始电信号（基带信号）基带信号

已调信号（带通信号）2.2通信系统的组成2.2.4模拟通信系统利用数字信号来传递信息的通信系统2.2通信系统的组成2.2.5数字通信系统信息源信源编码加密信道编码数字调制数字解调信道译码解密信源译码受信者信道噪声源信源编码与译码的目的提高信息传输的有效性完成模/数转换同步的目的使收发两端的信号在时间上保持步调一致加密与解密目的保证所传信息的安全数字调制与解调目的形成适合在信道中传输的带通信号信道编码与译码目的增强抗干扰能力2.2通信系统的组成2.2.5数字通信系统数字通信的优点抗干扰能力强，且噪声不积累1传输差错可控2易于集成，使通信设备微型化，重量轻56便于将来自不同信源的信号综合到一起传输6便于处理、变换、存储3易于加密处理，且保密性好42.2通信系统的组成数字通信的缺点需要较大的传输带宽1对同步要求高22.2通信系统的组成按通信业务分类电报通信系统电话通信系统数据通信系统图像通信系统2.3通信系统的分类按调制方式分类基带传输系统带通（调制）传输系统2.3通信系统的分类按信号特征分类模拟通信系统数字通信系统2.3通信系统的分类按传输媒介分类有线通信系统无线通信系统2.3通信系统的分类按工作波段分类长波通信中波通信短波通信微波通信2.3通信系统的分类按信号复用方式分类频分复用时分复用码分复用波分复用2.3通信系统的分类消息只能单方向传输的工作方式2.4通信方式2.4.1单工通信通信双方都能收发消息，但不能同时收发的工作方式2.4通信方式2.4.2半双工通信通信双方可同时进行收发消息的工作方式2.4通信方式2.4.3全双工通信将代表信息的数字信号码元序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输优点：节省传输时间，速度快：不需要字符同步措施缺点：需要n条通信线路，成本高2.4通信方式2.4.4并行传输将数字信号码元序列以串行方式一个码元接一个码元地在一条信道上传输优点：只需一条通信信道，节省线路铺设费用缺点：速度慢，需要外加码组或字符同步措施2.4通信方式2.4.5串行传输随着技术的发展，以USB技术为代表串行传输速度已经超过了并行传输。信息：是消息中包含的有效内容度量信息量的原则能度量任何消息，并与消息的种类无关。度量方法应该与消息的重要程度无关。消息中所含信息量和消息内容的不确定性有关【例】“某客机坠毁”这条消息比“今天下雨”这条消息包含有更多的信息。消息所表达的事件越不可能发生，信息量就越大。2.5信息及其度量事件的不确定程度可以用其出现的概率来描述： 消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越大。设：P(x)－消息发生的概率，

I

－消息中所含的信息量，则P(x)和I之间应该有如下关系：I是P(x)的函数：I＝I[P(x)]P(x)

，I

；P(x)

，I

；

P(x)=1时，I

＝0；P(x)=0时，I

＝

；

2.5信息及其度量满足上述3条件的关系式即为信息量的定义上式中对数的底： 若a=2，信息量的单位称为比特(bit)，可简记为b

若a=e，信息量的单位称为奈特(nat)， 若a=10，信息量的单位称为哈特莱(Hartley)。通常广泛使用的单位为比特，这时有

(b)2.5信息及其度量【例】一离散信源由“0”“1”“2”“3”四个符号组成，它们出现的概率分别为3/8，1/4，1/4，1/8，且每个符号的出现都是独立的。试求某消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。【解】此消息中，“0”出现23次，“1”出现14次，“2”出现13次，“3”出现7次，共有57个符号。故该消息的信息量

每个符号的算术平均信息量为2.5信息及其度量指传输一定信息量时所占用的信道资源（频带宽度和时间间隔）是传输的“速度”问题。指接收信息的准确程度是传输的“质量”问题。性能指标概述可靠性有效性由于模拟通信系统和数字通信系统的通信方式不同，因此，需要