物联网通信原理知识总结.docx

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物联网通信原理知识总结

IOTRevision

Chap1通信系统

Part1KeyPoint

1.无线通信系统的模型

a）组成：

i.发送端：

把各种可能转换的消息转换成原始电信号

ii.信道：

信号传输的通道

iii.接收端：

从接收信号中回复出相应的原始信号

iv.噪声源：

信道中的噪声及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示

b）简化模型

i.一种简化模型

ii.模拟通信系统模型

两个概念：

·调制：

发送端把连续消息变换为原始信号称为调制

·解调：

接收端把原始电信号反变换为原连续消息称为解调

iii.数字通信系统模型

图中加密-解密，编码-解码和调制-解调并非必有，可根据需求定制

2.无线通信网络系统的分类及通信方式

a）分类：

i.按消息的物理特性：

电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统

ii.按调制系统：

基带传输（将未经调制的信号直接传送）、调制传输（对各种信号变换方式后传输的总称）

iii.按传输信号的特征：

模拟通信系统、数字通信系统（按照信道中所传输的是模拟信号还是数字信号）

iv.按传输信号的复用方式：

1.频分复用：

用频谱搬移的方法使不同信号占用不同频率范围

2.时分复用：

用脉冲调制的方法使不同的信号占据不同的时间分区

3.码分复用：

用一组正交的脉冲序列分别携带不同的信号

传统的模拟通信中都采用频分复用。

随着数字通信的发展，时分复用通信系统的应用越来越广泛。

码分复用主要应用于卫星通信系统中。

b）通信方式：

i.按消息传递的方向和时间关系

单工：

消息只能单方向传输

半双工：

通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发

全双工：

通信双方可同时进行收发消息

ii.按数字信号排列的顺序分类

串行通信:

数字序列以串行方式一个接一个在一条信道上传输，一般的远距离数字通信

并行通信：

数字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

iii.按通信的网络方式分类

专线通信（点对点通信）：

通信网的基础网通信

3.信息的度量和计算

a）消息出现概率越小，它所含的信息量越大；反之信息量越小，且当P（x）=1时，I=0

b）若干个互相独立事件构成的消息，所含信息量等于各独立事件信息量的和

c）等概率离散消息的度量：

消息是M进制，则该消息的每个波形出现的概率就变成为1/M.所传递的信息量就为

非等概率离散消息度量：

在非等概率的情况下，设离散信息源是一个由n个符号组成的集合，称符号集。

符号集中的每一个符号xi在消息中是按一定概率P（xi）独立出现的，又设符号集中各符号出现的概率为x1,x2,…,xnP（x1）,P（x2）,…,P（xn）且，ΣP（xi）=1则x1,x2,…,xn所包含的信息量分别为－log2P（x1）,－log2P（x2）,…,－log2P（xn）于是，每个符号所含信息量的统计平均值，即平均信息量为

H（x）=P（x1）[－log2P（x1）]+P（x2）[－log2P（x2）]+…+P（xn）[－log2P（xn）]=-ΣP（xi）log2P（xn）（bit/符号）

由于H与热力学中的熵形式相似，故又称为信息源的熵，共单位为bit/符号

例题：

非等概率等概率

4.通信系统的性能指标涉及：

a）有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性和维护使用，其中通信的有效性与可靠性是其主要矛盾所在。

b）有效性主要指:

主要是指消息传输的“速度”，可靠性主要指消息传输的“质量”

Part2PracticeAnswer

1.数字通信有哪些特点？

·传输的信号是“离散”或数字的

·数字信号传输时，信道噪声或干扰所造成的差错原则上都是可以控制的

·传输可以加密

·由于数字通信传输的是一个接一个按节拍传送的数字信号单元（码元）因而接收端必须按与发送端相同的节拍接收

·为了表达消息内容，基带信号都是按消息内容进行编组的（相当于文章要有标点符号）

2.按消息的物理特征，通信系统如何分类？

·电报通信

·电话通信

·数据通信

·图像通信等系统

3.按调制方式，通信系统如何分类？

·基带传输（音频市内电话）和频带（调制）传输

4.按传输信息的特征，通信系统如何分类？

·模拟通信和数字通信

5.按传送信息的复用方式，通信系统如何分类？

·频分复用、时分复用、码分复用

6.通信方式如何确定的？

依据传输时是单向传输还是双向传输

或者不能同时双向但不同时候能双向传输

Chap2无线通信

Part1KeyPoint

1.电波波段的划分及相应的传播特性

长波的传播特性：

以表面波的方式传播，传播稳定性较好

中波的传播特性：

以表面波和天波的方式传播

短波的传播特性：

可用表面波、天波的方式传播，传播距离远

超短波、微波传播特性：

只能用空间波、散射波和穿越电离层在外层空间的传播方式

a.长波：

传播特性：

以表面波的方式传播，传播稳定性较好。

缺点：

1）由于表面波衰减很慢，对其他的收信台干扰严重。

2）天电干扰对长波的接收影响很大，特别是雷雨天气。

3）使用的发射机和天线一般体积庞大，但通信容量小，因此利用不广。

利用：

导弹、潜艇导航及地下、水下通信。

b.中波:

传播特性：

以表面波和天波的方式传播。

对于波长2000～3000米的中长波，电离层对它的影响很小，电波可以获得稳定的场强。

用于对飞机、舰船的导航通信。

波长200～2000米的波段，电离层对它的吸收强烈，只能靠地表波传播。

主要用于广播，称为广播波段。

c.短波:

传播特性：

可用表面波、天波的方式传播，传播距离远。

缺点：

因表面波衰减快，天波传播距离远，会形成哑区（寂静区），通信容量小，通信质量不稳。

利用：

是一种传统的远程和超远程通信方式。

因设备简单，通信距离远，用于远距离的无线电通信和广播。

d.超短波、微波

传播特性：

只能用空间波、散射波和穿透电离层在外层空间的传播方式。

缺点：

接收信号随季节、昼夜和气象条件而有所变化。

利用：

超短波由于频带较宽，广泛应用于电视、调频广播、雷达、导航通信等方面。

微波频带更宽，用于多路通信，传输电视、电话、电报、高速数据等，以及地面至空间飞行器、空间飞行器之间或地球于外星球之间的通信、遥测、射电天文等。

2.大尺度路径损耗与小尺度衰落及多径效应

大尺度路径损耗包括反射，绕射，散射。

反射：

电波在不同性质的介质交替处，会一部分发生反射，一部分通过

绕射：

绕射使电波可绕物体表面传播

散射：

实际移动无线环境中，接受的信号比单独绕射和反射模型预测的要强，这是因为当电波遇到粗糙表面时反射能量由于散射而散布于所有方向

小尺度衰落：

指无线信号在经过短时间或短距离传播后，其幅度快速衰落，以至于大尺度路径损耗的影响可以忽略不计。

多径效应：

指无线通信中，由于建筑、山脉、地面等物体对发射及发射出的电磁波的反射，使得接收机收到的信号包含有大量反射信号，这些反射信号通常称为多径信号。

3．无线通信的多址技术及各自特征

频分多址FDMA：

是以不同的频率信道实现；指为每个用户指定了特定的信道，按要求分配给请求报务的用户，在呼叫和整个过程中，其他用户不能共享这一频段。

时分多址TDMA：

是以不同时隙实现通讯；且每个时隙仅允许一个用户，要么接受要么发送。

码分多址CDMA：

是以不同的代码序列来实现通信；它是扩频多址的一种，扩频多址可以抵抗多径干扰而增强多址功能。

每个用户都有自己的伪随机码，而其他码字由于不相关而被认为是噪音

空间多址SDMA：

是以不同方位信息实现多址通信。

空间分址控制用户的空间辐射能量，如用定向波束来服务不同的用户。

Part2PracticeAnswer

1.简述电波波段的传播特性

长波的传播特性：

以表面波的方式传播，传播稳定性较好

中波的传播特性：

以表面波和天波的方式传播

短波的传播特性：

可用表面波、天波的方式传播，传播距离远

2.简述无线通信系统设计需要注意哪些方面

频率复用

信道分配策略

切换策略

无线通信系统的干扰

中继和服务等级

频率复用：

为了解决频率带宽有限的问题，必须对频率进行再利用，这称为频率利用。

需要解决同频和邻频干扰等问题。

信道分配策略：

分为固定分配策略和动态分配策略。

其中固定分配策略是给小区分配一组预先确定好的信道，固定分配策略易遇到呼叫阻塞等问题，这时靠借用策略，即借用相邻小区的信道。

动态分配策略是在每次呼叫请求来时，小区基站向移动交换中心请求一个信道。

在通信结束后，这一信道又被归还，以便重复使用。

切换策略：

当一个正在使用信道服务的移动平台从一个基站移动到另一个基站时，要求在服务不中断的情况下完成切换。

因此，切换策略要优先于呼叫请求，同时必须指定一个最恰当的信号强度，避免产不不需要的切换。

无线通信系统的干扰：

需要解决同频干扰和邻频干扰问题。

同频干扰可通过在物理上隔开一个最小距离来避免。

邻频干扰可以通过精确滤波和信道分配来减小干扰

中继和服务等级：

中继是指允许大量用户在一个小区内共享相对较小的信道，即从可用信道库中给每个用户按需分配信道。

一旦服务结束，其占用的信道就立即回到可用信道库中。

服务等级是用来测量在系统最忙的时间用户进入系统的能力，被用作某个中继系统的预定性能基准，定义为呼叫阻塞概率（表示为B，单位为Erlang），或是呼叫延迟时间大于特定排除时间的概率。

3.信道分配策略分哪几种，其不同点时什么

固定分配策略：

固定分配信道，若所有信道被占用则呼叫阻塞，但也可以向相邻小区借用信道

动态分配策略：

不固定分配信道，每次呼叫时，小区基站向移动交换中心请求一个信道

4.思考下快速移动和低速移动时，无线通信系统的切换策略需要考虑哪些因素

当一个正在使用信道服务的移动平台，从一个基站移动到另一个基站时，移动交换中心自动地将呼叫转移到新基站的信道上。

一般情况下，切换策略都使切换请求优先于呼叫请求。

尽可能让用户觉察不到。

必须指定一个启动切换的最恰当信号强度，避免产生不需要的切换。

实际切换时，需要注意到快速移动和低速移动不同，以减轻移动交换中心的负荷。

基于上述原因，当用户快速移动时，可优先进行切换。

而当用户低速移动时，可暂缓切换。

5.无线通信系统干扰主要来自哪些方面，如何降低干扰

同频干扰：

频率复用意味着在一个给定的覆盖区域内，存在许多使用同一组频率的小区，即同频小区。

同频小区间的信号干扰称为同频干扰。

同频干扰不能通过增大发射功率来克服，因为这会干扰相邻同频小区，所以同频小区必须在物理层上隔开一个最小距离

邻频干扰：

使用信号频率的相邻频率的信号干扰叫邻频干扰。

使用信号频率的相邻频率的信号干扰叫邻频干扰，该干扰是由于接受滤波器不理想造成的，可通过精确滤波和信道分配来减小干扰。

即给小区分配信道频率时避免相邻，或给予分配的信道一定的频率间隔

降低功率来减小干扰

6．简述大尺度路径损耗和小尺度衰落及多径效应

大尺度路径损耗：

一方面信号的反射、绕射、散射等现象使电波在传输过程中发生了能量损耗。

另一方面，受到建筑物、高山的阻挡也会造成阴影衰落。

这两方面的影响是引发大尺度路径损耗的主要因素。

小尺度路径损耗：

简称衰落，指无线信号在经过短时间或短距离传播后，其幅度快速衰落，以至于大尺度路径损耗的影响可以忽略不计。

上述现象是由同一信号沿多个路径转播，以微小时间差到达接收机的信号的相互干涉引起的，也称为多径效应。

7.简述无线通信多址技术

频分多址：

指为每个用户指定了特定的信道，按要求分配给请求报务的用户在呼叫的整个过程中，其他用户不能共享这一频段

时分多址：

指把无线频谱按时隙划分，且每个时隙仅允许一个用户，要么接收，要么发送

码分多址：

码分多址系统中，窄带信号被乘以叫作扩频信号的宽带信号。

扩频信号是一个伪随机代码序列，此麻片速率比消息中的数据速率高若干个数量级。

每个用户都有自己的伪随机码，而其他码字由于不相关而被认为是噪音。

空间分址：

空间分址控制了用户的空间辐射能量，如用定向波束来服务不同的用户。

Chap3近距离无线通信

Part1KeyPoint

1.近距离无线通信的分类及各自特点

低速近距离无线通信技术：

802.15.4：

具备连接简单器件（传感器和激活器）的能力

802.15.4a:

具备精确定位（精度1米以内）及跟踪支持等能力

高速近距离无线通信技术：

高速UWB，主要应用与无线个人网（WPAN）的超宽带技术，其目的是将电子设备间的物理连接替换为无线连接

2.无线局域网、蓝牙、ZigBee、RFID各自的特点及在物联网领域的应用

无线局域网：

优点：

安装便捷、保用灵活、经济节约、易于扩展

应用：

销售、物流、电力、服务、教育、证券、展厅、中小型办公室/家庭办公应用、企业办公楼间办公

蓝牙:

是一种低成本低速率近距离通信技术

特点：

工作在2.4GHz频带

采用高速跳频和时分多址的技术

采用权向纠错编码、ARQ（自动重复请求）、TDD（时分双工）和基带协议（速率1Mbps）

支持64kbps实时语音传输和数据传输

发射功率分别为1mW、2.5mW和100mW

使用全球统一48位设备识别码

出书距离为10-100cm,覆盖范围是相隔1MHz的79个通道

应用：

移动电话和计算机等电子设备，汽车、医疗监护、智能住宅与办公室、小范围传感器网络

ZigBee:

优点：

低功耗、端到端信息传输时延短、可靠数据传输、网络可拓展空间大、安全性较高、成本低、优良的网络拓扑能力

应用：

家庭和楼宇自动化、医学、传感器、工业控制、农业、大型运输工具、道路交通安全

RFID:

优点:

快速扫描

体积小型化、形状多样化

抗污染能力和耐久性

可重复使用

穿透性和无屏障阅读

数据的记忆容量大

安全性高

应用：

身份识别系统（身份证、通告证）、物流管理系统、商业交易系统

Part2PracticeAnswer

1.简述低速和高速近距离通信有什么异同与作用？

高速近距离无线通信技术：

高速UWB，主要应用于无线个人网（WPAN）的超宽带技术。

其目的是将电子设备间的物理联线替换为无线连接。

例：

数字化家庭网络，高速UWB的工作主要在IEEE802.15.3a中进行，其数据率可以100Mbps以上。

另一前景就是这样的个人终端可支持读取大量存放在服务器空间里的数据，也可利用本地设备随时构成一台属于自己的多媒体计算机。

低速近距离无线通信技术：

802.15.4：

具备连接简单器件（传感器和激活器）的能力。

802.15.4a：

具备精确定位（精度1米以内）及跟踪支持等能力。

例：

适时跟踪公共汽车，以避免在烈日下等车。

2.简述无线局域网的构成和各自的功能

构成：

接入设备（AP）、接入控制器（AC）、无线接入服务（AS）和各种无线网络终端

AP：

将各个无线网络客户端连接在一起，实现大范围、多用户的无线接入

AC：

将来自不同AP的数据进行汇聚并接入互联网，同时完成AP的配置管理、无限用户认证，管理及宽带、访问、切换、安全等控制功能。

AS：

用于管理与控制无线局域网内提供。

如IP电话、视频会议、电子邮件等。

3.简述无线局域网的网络结构及各自特点

无线网的网络结构：

点对多、点对点、多对点、混合型等

点对点：

常用与固定的要联网的两个位置间，优点是传输距离远、传输效率高、受外界影响小

点对多：

常用于一个中心点。

多个远端点的情况。

最大的优点是组网成本低，维护简单，设备调试相对简单。

缺点是使用全向天线，使用功率大大衰减，网速较低，对远端点的可靠性得不到保证。

混合型：

适用于所建网络中有远距离的点、近距离的点，还有建筑物或地形阻挡的点，远距离的点采用点对点方式，近距离的多个点采用点多方式，有阻挡的点采用中继方式。

4.什么是蓝牙技术？

其特点是什么？

蓝牙技术是一种低成本、低功率、近距离通信技术，主要用于移动电话、个人数字助理（PDA）、无线了耳机、笔记本电脑、相关外设之间可通过蓝牙连接，进行无线信息的传输与交换。

蓝牙技术是由蓝牙联盟制定的，其标准如下：

工作在2.4GHz频带；

采用高速跳频和时分多址（每时隙为0.625μs）技术；

使用权向纠错编码、ARQ、TDD和基带协议（速率1Mbps）；

支持64kbps实时语音传输和数据传输；

发射功率分别1mW、2.5mW和100mW；

使用全球统一48位设备识别码；

传输距离为10cm-100m，覆盖范围是相隔1MHz的79个通道。

5.简述ZigBee的协议层的构成及各自的功能

物理层（PHYLayer）：

收发信机状态控制，即激活（Activation）或者禁止（Deactivation）；

能量检测（ED：

EnergyDetection），指对当前信道接收信号功率的检测，其结果为高层的信道选择提供依据；

链路质量指标（LinkQualityIndication，LQI），指接收数据包强度及质量的指标，通过测量接收机ED或估计SNR或两者的结合获得，该指标可以作为量化网络性能的一个尺度；

空闲信道评估（CCA），用于在采用CSMA-CA接入信道过程中提供空闲信道信息；

信道频率选择；

数据发送及接收。

媒体访问控制层（MACLayer）：

实现帧结构、信标（beacon）的生成及同步；

实现PAN的关联（Association）与取消关联（Disassociation）机制；

用于支持自组织目的，可支持自动建立星状网，还允许自组织对等网；

支持设备安全加密；

提供三级安全性：

无安全性方式、接入控制清单（ACL）、属于高级加密标准（AES）的对称密码；

CSMA-CA信道接入机制；

保障时隙（GuaranteedTimeSlot，GTS）机制；

建立可靠链接。

网络层（NWKLayer）：

网络层主要功能：

设备加入和离开网络；

基于每个帧提供安全机制；

路由、路由的发现和维护；

邻居节点设备的发现；

邻居节点设备的信息登记。

应用层（ApplicationLayer）：

应用层由应用支持子层（ApplicationSupport，APS）、ZigBee设备对象层（ZigBeeDeviceObject，ZDO）和应用框架（ApplicationFramework，AF）构成。

6.简述RFID的网络架构及各自的功能

信息接入层：

标签、阅读器及边缘节点，完成数据采集功能。

信息分析层：

包括EvenSever，对上报的数据进行过滤，分析处理。

对上的命令进行解析。

信息传递层：

可以是TCP/IP、NGN网络，或某种闭环网络。

根据应用类型进行选择

业务应用层：

包括网络管理服务器、AAA（鉴权、认证）、应用服务器、命令解析服务器、物品地址解析服务器及数据库等。

7.简述RFID标签的种类及各自的特点以及关键技术

被动式：

没有内部供电电源，其内部集成电路用过收到的电磁波进行驱动。

当标签接收到足够强度的讯号时，可以向读写器发出数据。

价格低廉，体积小、无需电源。

目前市场多以被动式为主。

被动式射频标签受传播衰减影响，读取距离受限。

半被动式：

在被动式上加上了一颗电池，反应速度更快。

距离更远，效果更好。

主动式：

具有内部电源能供应内部IC所需电源。

拥有较长的读取距离和可容纳较大的内存容量，可以用来存储读取器所传送来的一些附加讯息。

Chap4中远距离无线通信技术

Part1KeyPoint

1.微波通信系统的构成、通信方式及特点、衡量用性能指标

数字微波系统构成：

用户终端、交换机、数字复用终端机、微波站

通信方式：

一点对多点微波通信方式，是一种分布式无线通信

特点：

传输容量大

抗干扰性强，整个线路噪声不累积

保密性好

便于组成数字通信网

设备体积小、功耗低

容易穿越复杂地形

抗灾害能力强

性能指标：

传输容量频带利用率传输质量

传输质量：

位误码率：

Pb=错误接受的比特数/信道传输的总比特数

码元误码率：

PB=错误接受的码元数/信道传输的总码元数

2.短波通信的方式及特点

方式：

·利用频率为3-30MHz的电磁波进行无线电通信

·主要通过地波传播及天波传播

特点：

·通信距离远

·短波信道拥挤

·信道具有时变性

3.卫星通信系统的构成、通信方式及特点

构成：

通信卫星地球站

·通信卫星：

天线系统：

包括通信天线、遥测、指令天线（波束有全球覆盖、区域覆盖、点波束、多点波束等类型）

通信转发器：

任务是把接收到的地球信号放大，并用变频器变换成下行频率信号，再发出

·地球站：

包括地球站到卫星和上行链路和卫星至地球站的下行链路

由于传输距离远，需要发出大功率的信号

同时地球接收站必须采用低噪音高增益放大器

需要具有自动跟踪和伺服系统

特点：

·通信距离远，覆盖面积大，不受地理条件限制

·以广播方式工作，便于实现多址连接

·信道稳定，通信质量高

·机动性能好

4.WiMAX的系统构成及关键技术

WiMAX是一种高速无线数据传输网络标准，主要用于城市网络，采用IEEE802.16标准。

构成：

传输单元：

类似于一个移动电话的蜂窝单元，即把一定的地理范围划分为一个无线电波可覆盖的区域，区域间的重叠部分称为传输单元，用户设备可通过传输单元从一个区域过渡到另一个区域

主要设备：

基站和用户设备

应用范围：

支持移动、便携和固定服务

关键技术：

Part2PracticeAnswer

1.数字微波通信的特点是什么？

数字微波通信又分为PDH（准同步数字体系列）和SDH（同步数字系列）微波通信

特点：

传输容量大；频带宽，一个信道可同时传输若干路数字信号；抗干扰性强，整个线路噪声不累积；

每次中继时会除掉干扰噪声；保密性强；数字信号易于加密；微波天线方向性好；便于组成数字通信网；设备体积小、功耗低；容易穿越复杂地形；抗灾害能力强。

2.如何评价微波通信和传输质量？

传输容量：

位传输速率Rb，即每秒传输的信息量，单位为bps

码元传输速率RB，即每秒传输的码元数，单位为Bd

频带利用量：

传输速率与所占信道频带的关系，公式为η=信息传输率/频带宽度b（s·Hz）

传输质量：

位误码率：

Pb=错误接收的比特数信道/传输的总比特数

码元误码率：

PB=错误接收的码元数/信道传输的总码元数

3.同步数字体系是什么？

简述其技术关键

SDH全称叫做同步数字传输体系（SynchronousDigitalHierarchy）,是一种将复接、线路传输及交换功能融为一体、并由统一网管系统操作的综合信息传送网络，采用了高速多态调制解调技术、自适应交叉极化干扰抵消（XPIC）技术、高线性功率放大器和自适应发射功率控制、自适应频域和时域均衡技术及智能天线、编码调制与前向纠错技术等关键技术。

4.什么是短波通信？

简述短波通信的特点。

利用频率为3～30MHz的电磁波进行的无线电通信。

主要通过地波传播和天波传播，由于地波信号沿地球表面进行传播，衰减较大，只能进行近距离传播。

而天波信号依靠电离层反射来传播，可实现远距离传播。

特点：

通信距离远：

通过天波传播的单跳反射最大可过3500km，多次反射可达数万公里。

短波信道