2.1基本概念和介質(zhì)課件

1、移動計算的概念移動計算是使人們能在任何時間、任何地點、在運動過程中都能不間斷地訪問網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（數(shù)據(jù)和計算）的技術(shù)的統(tǒng)稱。第1頁，共48頁。8/4/20221東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院類似的術(shù)語游牧計算（Nomadic computing）: 可攜帶的，正在移動時無法訪問網(wǎng)絡(luò)；普適計算（Ubiquitous computing）:無所不在的、隨時隨地可以進行計算的一種方式；往往不被人們所發(fā)現(xiàn)，“如：嵌入式計算”。第2頁，共48頁。8/4/20222東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院第二代移動通信系統(tǒng)1990s,第二代移動通信系統(tǒng)。1992年歐洲的GSM系統(tǒng)；1993年美國的IS95；1993年

2、日本的PDC。第3頁，共48頁。8/4/20223東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院第三代移動通信系統(tǒng)2000s,第三代移動通信系統(tǒng)。歐洲的WCDMA系統(tǒng)；美國的CDMA2000；中國的TD-SCDMA。第4頁，共48頁。8/4/20224東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院第二章 無線通信網(wǎng)絡(luò)第5頁，共48頁。8/4/20225東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院主要內(nèi)容數(shù)據(jù)通信概述：基本概念、傳輸介質(zhì)數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼：數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)制方法多路復(fù)用技術(shù):FDMA,TDMA,CDMAWLAN：IEEE 802.11協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)WPAN技術(shù)：藍牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)第6頁，共48頁。8/4/20226東北石油大學(xué)計算機與信息技

3、術(shù)學(xué)院2.1 數(shù)據(jù)通信概述 一個具有有限持續(xù)時間T的數(shù)字信號，可以看做為一個以T為周期的周期階梯函數(shù)g（t）。于是此函數(shù)可展開成傅立葉（Fourier）級數(shù)。一、引入：信號的傅立葉級數(shù)展開第7頁，共48頁。8/4/20227東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院基波頻率 直流分量n次諧波的正弦振幅值n次諧波的余弦振幅值第8頁，共48頁。8/4/20228東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院 傳輸ASCII碼表示的字符b ，即01100010，其周期函數(shù)g(t)和對應(yīng)的輸出電壓波形為：第9頁，共48頁。8/4/20229東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院第10頁，共48頁。8/4/202210東北石油大學(xué)計

4、算機與信息技術(shù)學(xué)院第11頁，共48頁。8/4/202211東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院信號在信道上的傳輸特性。（1）信道如果存在截止頻率fc, 0-fc稱為信道的有效帶寬。（2）信道對于傅立葉級數(shù)中諧波分量衰減的不同，因此輸出引起失真。（3）信道的帶寬越寬，在接收端越接近于原來的周期函數(shù)。第12頁，共48頁。8/4/202212東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院 （1）比特率： 表示數(shù)據(jù)的傳輸速率，定義為單位時間內(nèi)傳送的比特數(shù)（每秒種傳輸?shù)亩M制位數(shù)）。單位為比特/秒(bit/s)或簡寫為bps。 （2）波特率： 表示信號速率，一般稱為調(diào)制速率。定義為單位時間內(nèi)所傳輸?shù)牟ㄐ蝹€數(shù)（每秒種發(fā)送的

5、碼元數(shù)）。單位為波特(baud)。設(shè)一個波形的持繼時間為T，則波特率 Dbaud = 1/T比特率與波特率第13頁，共48頁。8/4/202213東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院（3）比特率與波特率的關(guān)系 信息的傳輸速率“比特/秒”與碼元的傳輸速率“波特”在數(shù)量上卻有密切的關(guān)系。1.若 1 個碼元只攜帶 1 bit 的信息量，則“比特/秒”和“波特”在數(shù)值上相等。2.若 1 個碼元攜帶 n bit 的信息量，則M Baud 的碼元傳輸速率所對應(yīng)的信息傳輸速率為 M n b/s。3.如果某數(shù)字傳輸系統(tǒng)的碼元狀態(tài)數(shù)為V，則該系統(tǒng)中比特率和波特率的關(guān)系為：n = log 2 VS = B log 2

6、 V比特率與波特率第14頁，共48頁。8/4/202214東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院 對于比特率等于波特率為B bps的信道，如果截止頻率為fc, 發(fā)送8位所需的時間為8/B秒，若8位為一個周期T，則基波頻率為： 能通過信道的諧波最高次數(shù)n滿足條件：.假設(shè)該信道的截止頻率為3000Hz則： f=B/8 Hznffc 則 nfc/f=8*fc/Bn8*3000/B=24000/B帶寬與數(shù)據(jù)傳輸速率第15頁，共48頁。8/4/202215東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院即使是完善信道，有限帶寬限制了數(shù)據(jù)傳輸速率若信道的帶寬是固定的，則用它來直接傳輸數(shù)字信號的數(shù)據(jù)速率越高則失真越大傳輸速率與通

7、過諧波數(shù)目第16頁，共48頁。8/4/202216東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院二、基本概念數(shù)據(jù)(data) 對客觀事物的表示，運送信息的實體。信號(signal)數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。模擬傳輸傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是連續(xù)的信息。數(shù)字傳輸傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是離散的信息。2.1 數(shù)據(jù)通信概述第17頁，共48頁。8/4/202217東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院信道信息的傳輸通道。帶寬信道能通過信號的頻率范圍。數(shù)據(jù)傳輸速率單位時間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘?。比特率每秒傳輸?shù)亩M制位數(shù)。波特率每秒傳輸?shù)男盘枖?shù)。第18頁，共48頁。8/4/202218東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院采樣頻率定義了每秒從連續(xù)信號中提取并組成離

8、散信號的采樣個數(shù)。量化把采樣到數(shù)據(jù)的幅度數(shù)字化的表示稱之為量化。編碼把量化后的數(shù)值轉(zhuǎn)換成數(shù)字編碼脈沖。噪聲傳輸過程中設(shè)備自行產(chǎn)生的與輸入信號無關(guān)的信號。 第19頁，共48頁。8/4/202219東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院第20頁，共48頁。8/4/202220東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院單向通信（單工通信） 只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。雙向交替通信（半雙工通信） 通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時發(fā)送(當(dāng)然也就不能同時接收)。雙向同時通信（全雙工通信） 通信的雙方可以同時發(fā)送和接收信息。第21頁，共48頁。8/4/202221東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院信號在信

9、道上的傳輸特性。（1）信道如果存在截止頻率fc, 0-fc稱為信道的有效帶寬。（2）信道對于傅立葉級數(shù)中諧波分量衰減的不同，因此輸出引起失真。（3）信道的帶寬越寬，在接收端越接近于原來的周期函數(shù)。第22頁，共48頁。8/4/202222東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院 （1）比特率： 表示數(shù)據(jù)的傳輸速率，定義為單位時間內(nèi)傳送的比特數(shù)（每秒種傳輸?shù)亩M制位數(shù)）。單位為比特/秒(bit/s)或簡寫為bps。 （2）波特率： 表示信號速率，一般稱為調(diào)制速率。定義為單位時間內(nèi)所傳輸?shù)牟ㄐ蝹€數(shù)（每秒種發(fā)送的碼元數(shù)）。單位為波特(baud)。設(shè)一個波形的持繼時間為T，則波特率 Dbaud = 1/T比特率

10、與波特率第23頁，共48頁。8/4/202223東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院（3）比特率與波特率的關(guān)系 信息的傳輸速率“比特/秒”與碼元的傳輸速率“波特”在數(shù)量上卻有密切的關(guān)系。1.若 1 個碼元只攜帶 1 bit 的信息量，則“比特/秒”和“波特”在數(shù)值上相等。2.若 1 個碼元攜帶 n bit 的信息量，則M Baud 的碼元傳輸速率所對應(yīng)的信息傳輸速率為 M n b/s。3.如果某數(shù)字傳輸系統(tǒng)的碼元狀態(tài)數(shù)為V，則該系統(tǒng)中比特率和波特率的關(guān)系為：n = log 2 VS = B log 2 V比特率與波特率第24頁，共48頁。8/4/202224東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院信道信息

11、的傳輸通道。帶寬信道能通過信號的頻率范圍。數(shù)據(jù)傳輸速率單位時間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘?。比特率每秒傳輸?shù)亩M制位數(shù)。波特率每秒傳輸?shù)男盘枖?shù)。第25頁，共48頁。8/4/202225東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院 離散無噪聲的數(shù)字信道的極限數(shù)據(jù)傳輸率（信道容量）為：C = 2Hlog2 V H為信道的帶寬(Hz) V為碼元劃分等級數(shù)目Harry Nyquist1889 1976三、相關(guān)定理1.奈奎斯特(Nyquist)定理2.1 數(shù)據(jù)通信概述第26頁，共48頁。8/4/202226東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院比特率=波特率信號代表的二進制位數(shù)波特率=2H Baud信號代表的二進制位數(shù)=log2 V因

12、此： C = 2Hlog2 V第27頁，共48頁。8/4/202227東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院2.香儂(Shannon) 定理S表示信號功率；N表噪聲功率；H為信道帶寬；C為信道容量；在信號平均功率有限的白噪聲(指通信系統(tǒng)內(nèi)部本身產(chǎn)生的噪聲)信道中，信道的極限數(shù)據(jù)傳輸率(即信道容量)為:C = Hlog2 (1+S/N)Claude E. Shannon1916 - 2001分貝用來度量電路中不同點上功率的相對大?。篋 = 10log10(S/N)第28頁，共48頁。8/4/202228東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院3.定理應(yīng)用例：考慮語音信道帶寬為3100赫茲，信噪比為30分貝。求

13、：該信道的容量？已知：W3100Hz， RS/N =30dB思考題：利用Nyquist定理計算該信道信號的劃分等級30 = 10 log10 (S/N)S/N = 1000C = Wlog2 (1+S/N)= 3100 *log2(1+1000)= 30894bps第29頁，共48頁。8/4/202229東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院四、傳輸介質(zhì)電介質(zhì) 雙絞線，同軸電纜光介質(zhì) 光纖無線傳輸介質(zhì) 包括無線電波，微波，紅外等等。2.1 數(shù)據(jù)通信概述第30頁，共48頁。8/4/202230東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院傳輸介質(zhì)雙絞線屏蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair

14、)無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair)第31頁，共48頁。8/4/202231東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院傳輸介質(zhì)同軸電纜 粗纜：用于干線。 細(xì)纜：用于連接局域網(wǎng)絡(luò)。第32頁，共48頁。8/4/202232東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院傳輸介質(zhì)光纖 折射角包層（低折射率的媒體）纖芯（高折射率的媒體）入射角包層（低折射率的媒體）包層纖芯第33頁，共48頁。8/4/202233東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院傳輸介質(zhì)多模光纖與單模光纖輸入脈沖輸出脈沖單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖第34頁，共48頁。8/4/202234東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院傳輸

15、介質(zhì)1041051061071081091010101110121013101410151016VHF波段 LFMFHFUHFSHFEHFTHF同軸電纜雙絞線衛(wèi)星AM無線FM無線TV光纖陸地微波RadioMicro-waveinfraredX-rayGamma rayUV100 102 104 106 1081010 1012 10141016 1018 1020 10221024 f(Hz)可見光電磁頻譜及在通信中的使用傳輸介質(zhì)的電磁頻譜第35頁，共48頁。8/4/202235東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院無線頻譜的分配頻率統(tǒng)一分配（FCC/ITU-R/各個國家） 根據(jù)信息類型分配頻譜 (

16、AM/FM無線電臺、TV、蜂窩電話)工業(yè)科學(xué)醫(yī)學(xué)頻段 （ISM） 可自由使用但限制功率專用于非許可的商業(yè)用途(救護車、警察、出租車、無線遙控玩具、無線電家用設(shè)備等）第36頁，共48頁。8/4/202236東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院工業(yè)科學(xué)醫(yī)學(xué)頻段（ISM ）設(shè)備昂貴802.11a26MHz902MHz928MHz83.5MHz2.4GHz2.4835GHz125 MHz5.735GHz5.860GHz藍牙和802.11受微波爐和雷達干擾工作最好但太擁擠*在美國功率小于1W的設(shè)備可使用上述頻段而無需FCC的許可第37頁，共48頁。8/4/202237東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院 離散無

17、噪聲的數(shù)字信道的極限數(shù)據(jù)傳輸率（信道容量）為：C = 2Hlog2 V H為信道的帶寬(Hz) V為碼元劃分等級數(shù)目Harry Nyquist1889 1976三、相關(guān)定理1.奈奎斯特(Nyquist)定理2.1 數(shù)據(jù)通信概述第38頁，共48頁。8/4/202238東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院比特率=波特率信號代表的二進制位數(shù)波特率=2H Baud信號代表的二進制位數(shù)=log2 V因此： C = 2Hlog2 V第39頁，共48頁。8/4/202239東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院2.香儂(Shannon) 定理S表示信號功率；N表噪聲功率；H為信道帶寬；C為信道容量；在信號平均功率有限

18、的白噪聲(指通信系統(tǒng)內(nèi)部本身產(chǎn)生的噪聲)信道中，信道的極限數(shù)據(jù)傳輸率(即信道容量)為:C = Hlog2 (1+S/N)Claude E. Shannon1916 - 2001分貝用來度量電路中不同點上功率的相對大?。篋 = 10log10(S/N)第40頁，共48頁。8/4/202240東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院定理應(yīng)用帶寬為4KHZ，如果有8種不同的物理狀態(tài)表示數(shù)據(jù)，信噪比為30dB。那么按奈氏準(zhǔn)則和香農(nóng)定理計算，分別計算其最大限制的數(shù)據(jù)傳輸速率。 C=2 H log2 N=2*4K*log2 8=24Kbps 分貝(dB)的計算是:10lgS/N 即本題為:10lgS/N=30 則

19、:S/N=1000C=F log2(1+S/N)= 4K*log2 100140Kbps第41頁，共48頁。8/4/202241東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院工業(yè)科學(xué)醫(yī)學(xué)頻段（ISM ）設(shè)備昂貴802.11a26MHz902MHz928MHz83.5MHz2.4GHz2.4835GHz125 MHz5.735GHz5.860GHz藍牙和802.11受微波爐和雷達干擾工作最好但太擁擠*在美國功率小于1W的設(shè)備可使用上述頻段而無需FCC的許可第42頁，共48頁。8/4/202242東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院無線電頻率范圍在10kHz1GHz之間；能穿透墻壁，也可到達普通網(wǎng)絡(luò)無法到達的地方；全向傳播（Omnidirectional）信號沿著所有的方向傳播可被所有的天線接收,發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備不必在物理上對準(zhǔn)第43頁，共48頁。8/4/202243東北石油大學(xué)計算