《物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)及應(yīng)用(第2版)微課視頻版》 課件 第1、2章 物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)概述、通信原理

1.1物聯(lián)網(wǎng)通信的起源及發(fā)展1.2物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)

1.3物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展前景1.4物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)發(fā)展的新特征第1章物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)概述

1.1物聯(lián)網(wǎng)通信的起源及發(fā)展

物聯(lián)網(wǎng)概念定義無(wú)所不在的“物聯(lián)網(wǎng)”通信時(shí)代即將來(lái)臨，世界上所有的物體可以通過(guò)因特網(wǎng)主動(dòng)進(jìn)行信息交換。概念與定義國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU)

物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings）的概念最早由MITAuto-ID中心Ashton教授于1999年在研究射頻識(shí)別（RFID）時(shí)首先提出。智慧地球感知中國(guó)1.1物聯(lián)網(wǎng)通信的起源及發(fā)展

物品通過(guò)短距離RFID等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)局域范圍內(nèi)的物品“智能化識(shí)別和管理”。物聯(lián)網(wǎng)目標(biāo)當(dāng)代認(rèn)識(shí)早期認(rèn)識(shí)能夠提供種物我合一的生活境界就是一種虛擬數(shù)字世界和現(xiàn)實(shí)物理世界的融合。1.1物聯(lián)網(wǎng)通信的起源及發(fā)展

在“數(shù)字世界泛在化”和“物理世界智能化”的融合過(guò)程中，物聯(lián)網(wǎng)被賦予多個(gè)維度的內(nèi)涵，具有多重含義。從領(lǐng)域的維度（橫向）1.1物聯(lián)網(wǎng)通信的起源及發(fā)展

感知傳輸智能從層次的維度（縱向）1.1物聯(lián)網(wǎng)通信的起源及發(fā)展

應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)層感知層公共支撐層QOS管理信息安全網(wǎng)絡(luò)管理標(biāo)識(shí)解析物聯(lián)網(wǎng)框架結(jié)構(gòu)1.1物聯(lián)網(wǎng)通信的起源及發(fā)展協(xié)同信息處理子層信息匯聚信息協(xié)同處理中間件傳送網(wǎng)關(guān)短距離通信傳輸子層有線數(shù)據(jù)傳輸無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸無(wú)線傳感器傳輸數(shù)據(jù)采集子層傳感器條碼識(shí)別RFID多媒體信息采集成定位感知控制層1.1物聯(lián)網(wǎng)通信的起源及發(fā)展網(wǎng)絡(luò)傳輸層移動(dòng)通信網(wǎng)固定通訊網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)廣播電視網(wǎng)衛(wèi)星網(wǎng)1.1物聯(lián)網(wǎng)通信的起源及發(fā)展

應(yīng)用層

行業(yè)應(yīng)用層智能工業(yè)智能農(nóng)業(yè)智能交通環(huán)境監(jiān)測(cè)

服務(wù)支撐層SOA海量存儲(chǔ)分布數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)挖掘1.2物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)

可靠地傳輸異構(gòu)平臺(tái)協(xié)議IPX25ZIGBEE

物理世界虛擬世界數(shù)字世界與人類世界交匯ThingToThingM2M

ThingToPerson

1.2物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸層匯聚1匯聚N感知控制層1感知控制層2感知控制層3感知控制層41.2物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)

感知層通信系統(tǒng)

短距離有線通信

短距離無(wú)線通信

無(wú)線傳感器通信1231.2物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)層通信系統(tǒng)GSPSTNM/CDMATD/SCDMADDN/ATM/FR其他專用網(wǎng)1.3物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展前景

面臨的問(wèn)題軟件無(wú)線電和認(rèn)知無(wú)線電體系物聯(lián)網(wǎng)中的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合基于多通信協(xié)議的高能效傳感器網(wǎng)絡(luò)物聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)頻通信和頻譜分配問(wèn)題

IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)1.3物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展前景

1

擴(kuò)頻通信使WSN之間的通信不因受干擾而影響通信質(zhì)量

2

頻譜分配滿足大量部署WSN對(duì)頻譜資源的需求。

物聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)頻通信和頻譜分配問(wèn)題1.3物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展前景

基于軟件無(wú)線電和認(rèn)知無(wú)線電的物聯(lián)網(wǎng)通信體系架構(gòu)

認(rèn)知無(wú)線電可以識(shí)別利用率低的無(wú)線頻段，并將這些頻段回收，統(tǒng)一管理，優(yōu)化分配。解決無(wú)線頻段資源緊張的問(wèn)題。軟件無(wú)線電具有統(tǒng)一的硬件平臺(tái)，多樣化軟件調(diào)制方式和傳輸模式的特點(diǎn)，它可以滿足未來(lái)不斷發(fā)展的無(wú)線通信模式變化的需求，而且成本低廉1.3物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展前景

接入環(huán)境網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)性

網(wǎng)絡(luò)融合

網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)性BECDA

接入技術(shù)異構(gòu)

組網(wǎng)異構(gòu)

頻譜資源異構(gòu)運(yùn)營(yíng)管理異構(gòu)終端異構(gòu)1.3物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展前景

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合方案終端融合

業(yè)務(wù)融合網(wǎng)絡(luò)融合1.3物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展前景

1研究高效傳輸通信協(xié)議以減少傳輸單位比特能量的開銷。

2研究多種相合融合的

多通信協(xié)議。基于多通信協(xié)議的高能效傳感器網(wǎng)絡(luò)1.3物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展前景

IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

IP4IP6兩種通信協(xié)議自動(dòng)識(shí)別與轉(zhuǎn)換，以克服IP通信帶來(lái)的QOS不穩(wěn)定。1.4物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)發(fā)展的新特征LPWAN通信技術(shù)的崛起物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展對(duì)無(wú)線通信技術(shù)提出了更高的要求，專為低帶寬、低功耗、遠(yuǎn)距離、大量連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的LPWAN(low-powerWide-AreaNetwork，低功耗廣域網(wǎng))正在快速興起。其中，逐漸形成了NB－IoT、eMTC、LoRa三大通訊技術(shù)的三足鼎立，每種技術(shù)各有千秋，在各自的應(yīng)用場(chǎng)景上有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。IoT是碎片化的，這就要求協(xié)議間的兼容與互通，雖然三種技術(shù)想互存在競(jìng)爭(zhēng)，但是未來(lái)NB－IoT、eMTC、LoRa也是需要相互融合的。如圖1.4所示，LPWAN主要是服務(wù)于網(wǎng)絡(luò)層的遠(yuǎn)距離通訊技術(shù)。1.4物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)發(fā)展的新特征NB－IoTNB-IoT(NarrowBand-InternetofThings，窄帶物聯(lián)網(wǎng))，是由3GPP標(biāo)準(zhǔn)化組織定義的一種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是一種專為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的可在全球范圍內(nèi)廣泛使用的窄帶射頻技術(shù)，其使用License頻段，可采取帶內(nèi)、保護(hù)帶或獨(dú)立載波等三種部署方式，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存。1.4物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)發(fā)展的新特征eMTC雖然NB－IoT能滿足物聯(lián)網(wǎng)很多的應(yīng)用場(chǎng)景，但是在可靠低時(shí)延等場(chǎng)景里面，eMTC才是最優(yōu)解。eMTC是由LTE協(xié)議演進(jìn)而來(lái)的，也就是中國(guó)移動(dòng)的通訊協(xié)議。移動(dòng)為了降低成本，對(duì)LTE協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化，讓用戶設(shè)備支持1．4MHz的射頻和基帶帶寬，直接接入LTE網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)閺某志冒l(fā)展上，物聯(lián)網(wǎng)成本是必須考慮的事情。1.4物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)發(fā)展的新特征LoRaLoRa有個(gè)中文名叫做遠(yuǎn)距離無(wú)線電，它的一大特點(diǎn)是在同樣功耗下比其它無(wú)線方式傳播的距離更遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一，是一種前景廣闊的通訊技術(shù)。LoRa網(wǎng)絡(luò)主要由四部分組成，它們是基站（也可以是網(wǎng)關(guān)）、服務(wù)器、LoRa終端和物聯(lián)網(wǎng)云。LoRa的特點(diǎn)是應(yīng)用端和服務(wù)器端數(shù)據(jù)雙向傳遞。一般來(lái)說(shuō)，LoRa在城市中無(wú)線距離范圍是1~2公里，在郊區(qū)無(wú)線距離最高可達(dá)20km。1.4物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)發(fā)展的新特征物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的5G之路5G將是連接新行業(yè)、支持新服務(wù)并營(yíng)造新用戶體驗(yàn)的更強(qiáng)大統(tǒng)一連接平臺(tái)。物聯(lián)網(wǎng)將是5G不可或缺的一部分，提供4GLTE無(wú)法支持的新型物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和效率。目前5G愿景定義明確，2020年開始商用，它將進(jìn)一步增強(qiáng)移動(dòng)寬帶、更高效地支持大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)并且促成全新關(guān)鍵任務(wù)服務(wù)。1.4物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)發(fā)展的新特征物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的5G之路降低復(fù)雜性，支持更低成本設(shè)備提高功率效率，實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)電池續(xù)航增強(qiáng)覆蓋，更好地支持挑戰(zhàn)性的位置部署支持更高節(jié)點(diǎn)密度部署第1章物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)概述

本章內(nèi)容結(jié)束，謝謝！

2.1通信的基本概念2.2通信系統(tǒng)的組成

2.3通信系統(tǒng)的分類

2.4通信方式2.5信息及其度量2.6通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)第2章通信原理

指人與人或人與自然之間通過(guò)某種行為或媒介進(jìn)行的信息交流與傳遞，從廣義上指需要信息的雙方或多方在不違背各自意愿的情況下采用任意方法，任意媒質(zhì)，將信息從某方準(zhǔn)確安全地傳送到另方。通信的定義2.1通信的基本概念傳遞消息中所包含的信息消息：是物質(zhì)或精神狀態(tài)的一種反映，例如語(yǔ)音、文字、音樂、數(shù)據(jù)、圖片或活動(dòng)圖像等。信息：是消息中包含的有效內(nèi)容。2.1通信的基本概念2.1.1通信的目的烽火臺(tái)驛馬快遞飛鴿傳書非電信號(hào)的通信2.1通信的基本概念2.1.2實(shí)現(xiàn)通信的方式和手段電報(bào)、電話、廣播、電視、遙控、遙測(cè)、因特網(wǎng)和計(jì)算機(jī)通信電信號(hào)的通信2.1通信的基本概念2.1.2實(shí)現(xiàn)通信的方式和手段信息源信道受信者發(fā)送設(shè)備噪聲源發(fā)送端接收端接收設(shè)備2.2通信系統(tǒng)的組成2.2.1

通信系統(tǒng)的一般模型代表消息的信號(hào)參量取值連續(xù)。

例如麥克風(fēng)輸出電壓。2.2通信系統(tǒng)的組成2.2.2模擬信號(hào)代表消息的信號(hào)參量取值為有限個(gè)。例如電報(bào)信號(hào)、計(jì)算機(jī)輸入輸出信號(hào)。2.2通信系統(tǒng)的組成2.2.3數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)源信道受信者調(diào)制器噪聲源發(fā)送端接收端解調(diào)器2.2通信系統(tǒng)的組成2.2.4模擬通信系統(tǒng)利用模擬信號(hào)來(lái)傳遞信息的通信系統(tǒng)模擬消息

原始電信號(hào)（基帶信號(hào)）基帶信號(hào)

已調(diào)信號(hào)（帶通信號(hào)）2.2通信系統(tǒng)的組成2.2.4模擬通信系統(tǒng)利用數(shù)字信號(hào)來(lái)傳遞信息的通信系統(tǒng)2.2通信系統(tǒng)的組成2.2.5數(shù)字通信系統(tǒng)信息源信源編碼加密信道編碼數(shù)字調(diào)制數(shù)字解調(diào)信道譯碼解密信源譯碼受信者信道噪聲源信源編碼與譯碼的目的提高信息傳輸?shù)挠行酝瓿赡?數(shù)轉(zhuǎn)換同步的目的使收發(fā)兩端的信號(hào)在時(shí)間上保持步調(diào)一致加密與解密目的保證所傳信息的安全數(shù)字調(diào)制與解調(diào)目的形成適合在信道中傳輸?shù)膸ㄐ盘?hào)信道編碼與譯碼目的增強(qiáng)抗干擾能力2.2通信系統(tǒng)的組成2.2.5數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)，且噪聲不積累1傳輸差錯(cuò)可控2易于集成，使通信設(shè)備微型化，重量輕56便于將來(lái)自不同信源的信號(hào)綜合到一起傳輸6便于處理、變換、存儲(chǔ)3易于加密處理，且保密性好42.2通信系統(tǒng)的組成數(shù)字通信的缺點(diǎn)需要較大的傳輸帶寬1對(duì)同步要求高22.2通信系統(tǒng)的組成按通信業(yè)務(wù)分類電報(bào)通信系統(tǒng)電話通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)圖像通信系統(tǒng)2.3通信系統(tǒng)的分類按調(diào)制方式分類基帶傳輸系統(tǒng)帶通（調(diào)制）傳輸系統(tǒng)2.3通信系統(tǒng)的分類按信號(hào)特征分類模擬通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)2.3通信系統(tǒng)的分類按傳輸媒介分類有線通信系統(tǒng)無(wú)線通信系統(tǒng)2.3通信系統(tǒng)的分類按工作波段分類長(zhǎng)波通信中波通信短波通信微波通信2.3通信系統(tǒng)的分類按信號(hào)復(fù)用方式分類頻分復(fù)用時(shí)分復(fù)用碼分復(fù)用波分復(fù)用2.3通信系統(tǒng)的分類消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞?.4通信方式2.4.1單工通信通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時(shí)收發(fā)的工作方式2.4通信方式2.4.2半雙工通信通信雙方可同時(shí)進(jìn)行收發(fā)消息的工作方式2.4通信方式2.4.3全雙工通信將代表信息的數(shù)字信號(hào)碼元序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時(shí)傳輸優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省傳輸時(shí)間，速度快：不需要字符同步措施缺點(diǎn)：需要n條通信線路，成本高2.4通信方式2.4.4并行傳輸將數(shù)字信號(hào)碼元序列以串行方式一個(gè)碼元接一個(gè)碼元地在一條信道上傳輸優(yōu)點(diǎn)：只需一條通信信道，節(jié)省線路鋪設(shè)費(fèi)用缺點(diǎn)：速度慢，需要外加碼組或字符同步措施2.4通信方式2.4.5串行傳輸隨著技術(shù)的發(fā)展，以USB技術(shù)為代表串行傳輸速度已經(jīng)超過(guò)了并行傳輸。信息：是消息中包含的有效內(nèi)容度量信息量的原則能度量任何消息，并與消息的種類無(wú)關(guān)。度量方法應(yīng)該與消息的重要程度無(wú)關(guān)。消息中所含信息量和消息內(nèi)容的不確定性有關(guān)【例】“某客機(jī)墜毀”這條消息比“今天下雨”這條消息包含有更多的信息。消息所表達(dá)的事件越不可能發(fā)生，信息量就越大。2.5信息及其度量事件的不確定程度可以用其出現(xiàn)的概率來(lái)描述： 消息出現(xiàn)的概率越小，則消息中包含的信息量就越大。設(shè)：P(x)－消息發(fā)生的概率，

I

－消息中所含的信息量，則P(x)和I之間應(yīng)該有如下關(guān)系：I是P(x)的函數(shù)：I＝I[P(x)]P(x)

，I

；P(x)

，I

；

P(x)=1時(shí)，I

＝0；P(x)=0時(shí)，I

＝

；

2.5信息及其度量滿足上述3條件的關(guān)系式即為信息量的定義上式中對(duì)數(shù)的底： 若a=2，信息量的單位稱為比特(bit)，可簡(jiǎn)記為b

若a=e，信息量的單位稱為奈特(nat)， 若a=10，信息量的單位稱為哈特萊(Hartley)。通常廣泛使用的單位為比特，這時(shí)有

(b)2.5信息及其度量【例】一離散信源由“0”“1”“2”“3”四個(gè)符號(hào)組成，它們出現(xiàn)的概率分別為3/8，1/4，1/4，1/8，且每個(gè)符號(hào)的出現(xiàn)都是獨(dú)立的。試求某消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量?！窘狻看讼⒅?，“0”出現(xiàn)23次，“1”出現(xiàn)14次，“2”出現(xiàn)13次，“3”出現(xiàn)7次，共有57個(gè)符號(hào)。故該消息的信息量

每個(gè)符號(hào)的算術(shù)平均信息量為2.5信息及其度量指?jìng)鬏斠欢ㄐ畔⒘繒r(shí)所占用的信道資源（頻帶寬度和時(shí)間間隔）是傳輸?shù)摹八俣取眴?wèn)題。指接收信息的準(zhǔn)確程度是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問(wèn)題。性能指標(biāo)概述可靠性有效性由于模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)的通信方式不同，因此，需要