物联网技术课件第四次

第一章物联网概述2可靠网络传输2.1移动通信网2.1移动通信网•2.1.1移动通信网概况•2.1.2移动通信网特点•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移动通信网技术学习情境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，可靠的网络传输是物联网实现物与物、人与物之间全方位信息交互的重要基础。2.1移动通信网本情境主要介绍移动通信网的概况、特点、分类、发展及其结构、功能和所用的技术。•2.1.1移动通信网概况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，如3G；近距离通信系统，如蓝牙；无线局域网（WLAN）系统；固定无线接入或无线本地环系统；卫星系统；广播系统等。•2.1.2移动通信网特点（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信息，但电磁波的传播特性一般都较差。•2.1.2移动通信网特点（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。•2.1.2移动通信网特点（3）噪声和干扰严重除去一些常见的外部干扰和噪声，在系统本身与不同系统之间，还会产生互调干扰、邻道干扰和同频干扰等。•2.1.2移动通信网特点（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、卫星通信网、数据网等互连，故整个网络结构是很复杂的。•2.1.2移动通信网特点（5）要求频带利用率高、设备性能好移动通信可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。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。•2.1.3移动通信网分类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200W用户几十至几百•2.1.3移动通信网分类（2）蜂窝移动通信，也称小区制移动通信。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。•2.1.3移动通信网分类（3）卫星移动通信。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有利。•2.1.3移动通信网分类（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、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。•2.1.3移动通信网分类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用网。8.按信号形式分为模拟网和数字网。•2.1.4移动通信网发展进入21世纪，移动通信逐渐演变成社会发展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•2.1.4移动通信网发展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•2.1.4移动通信网发展3.第三代移动通信系统（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•2.1.4移动通信网发展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：物理网络层、中间环境层、应用网络层关键技术：•2.1.4移动通信网发展4.第四代移动通信系统（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•2.1.5移动通信网结构与功能移动通信网的基本结构：移动台（MS）、基站子系统（BSS）和构成网络节点的移动交换中心（MSC）。•2.1.5移动通信网结构与功能移动台一般由用户设备构成，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。•2.1.5移动通信网结构与功能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，实现用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。•2.1.5移动通信网结构与功能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与控制的能力以及无线管理和移动性管理的能力。•2.1.5移动通信网结构与功能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。•2.1.5移动通信网结构与功能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（TEL）或其他移动台通话。•2.1.5移动通信网结构与功能常用的移动通信系统主要有4类：蜂窝移动通信系统、集群移动通信系统、无绳电话系统和无线寻呼系统。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。•2.1.6移动通信网技术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成适合信道传输的信号，这种变换后的信号称为已调信号。移动通信信道的基本特征是：①带宽有限；②干扰和噪声影响大；③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。•2.1.6移动通信网技术1.调制技术常用的无线通信调制技术（1）幅度调制载波：信息的载体，意为承载信息的电波，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。•2.1.6移动通信网技术1.调制技术（1）幅度调制幅度调制是正弦（或余弦）载波的幅度随基带调制信号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。•2.1.6移动通信网技术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。•2.1.6移动通信网技术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，这说明调频和调相没有本质区别。•2.1.6移动通信网技术1.调制技术（3）数字调制以上是模拟调制技术，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。•2.1.6移动通信网技术1.调制技术（3）数字调制1）幅度键控（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。•2.1.6移动通信网技术1.调制技术（3）数字调制2）频移键控（FSK）。0对应一种频率的载波信号，1对应另一种频率的载波信号。•2.1.6移动通信网技术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。已调信号只相差π相位，0对应π相位，1对应0相位。•2.1.6移动通信网技术1.调制技术（3）数字调制4）其他方式。①线性调制技术，包括正交相移键控（QPSK）、差分正交相移键控（DQPSK）、π/4-DQPSK和多电平PSK。•2.1.6移动通信网技术1.调制技术（3）数字调制4）其他方式。②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）。•2.1.6移动通信网技术1.调制技术（3）数字调制4）其他方式。③正交振幅调制（QAM），这是一种将两种调制信号汇合到一个信道的方法，因此会双倍扩展有效带宽。•2.1.6移动通信网技术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，旁瓣的幅度逐渐变小，但不会变为零，始终震荡至无限大的频率。•2.1.6移动通信网技术1.调制技术（5）调制信号的带宽定义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。•2.1.6移动通信网技术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