物联网通信.docx

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物联网通信

第零章

1融合包含以下三个层次的内容：

业务融合,终端融合,网络融合

异构网络融合的实现分为两个阶段：

连通阶段和融合阶段。

连通阶段是指传感网、RFID网、局域网、广域网等的互联互通，将感知信息和业务信息传送到网络另一端的应用服务器进行处理，以支持应用服务。

2物联网框架结构

3感知控制层

（1）数据采集子层通过各种类型的感知设备获取现实世界中的物理信息，这些物理信息可以描述当前“物”属性和运动状态。

感知设备的种类主要有各种传感器、RFID、多媒体信息采集装置、条码（一维、二维条码）识别装置和实时定位装置等。

（2）短距离通信传输子层将局部范围内采集的信息汇聚到网络传输层的信息传送系统，该系统主要包括短距离有线数据传输系统、无线传输系统、无线传感器网络等。

（3）协同信息处理子层将局部采集到的信息通过汇聚

装置及协同处理系统进行数据汇聚处理，以降低信息的冗余度、提高信息的综合应用度、降低与传送网络层的通信负荷为目的。

协同信息处理子层主要包括信息汇聚系统、信息协

同处理系统、中间件系统及传送网关系统等。

4网络传输层

网络传输层将来自感知控制层的信息通过各种承载网络

传送到应用层。

各种承载网络包括了现有的各种公用通信网络、专业通信网络，目前这些通信网主要有移动通信网、固定通信网、互联网、广播电视网、卫星网等。

5应用层及其应用子层的作用

应用层是物联网框架结构的最高层次，是“物”的信息综合应用的最终体现。

“物”的信息综合应用与行业有密切的关系，依据行业的不同而不同。

　　应用层主要分为两个子层次，即服务支撑层和行业应用层。

服务支撑层主要用于各种行业应用的信息协同、信息处理、信息共享、信息存储等，是一个公用的信息服务平台；行业应用层主要面向诸如环境、电力、智能、工业、农业、家居等方面的应用。

6按照物联网的框架结构，物联网的通信系统可大体分为两大类，即感知控制层通信和网络层传输通信

7感知控制层通信系统功能及特点

感知控制层的通信目的是将各种传感设备所感知的信息在较短的通信距离内传送到信息汇聚系统，并由该系统传送（或互联）到网络传输层。

其通信的特点是传输距离近，传输方式灵活、多样。

8网络传输层通信系统

网络传输层是由数据通信主机（或服务器）、网络交换机、路由器等构成的，在数据传送网络支撑下的计算机通信系统

9多个无线接入环境的异构性体现在以下几个方面：

（1）无线接入技术的异构性

（2）组网方式的异构性。

（3）终端的异构性。

（4）频谱资源的异构性（5）运营管理的异构性

第一章

1什么是通信系统模型

通信的任务是完成消息的传递。

消息具有不同的形式，如符号、文字、语音、数据、图像等，为了将消息传递到目的地，须经过若干个环节构成的“通信系统”来完成，将这些环节抽象为一般的模型，即形成了通信系统的模型。

2经过调制后的信号称为已调信号，它应具有两个基本特征，一是携带消息，二是适合信道的传输。

3通信系统分类

（1）按消息的物理特征分类,通信系统可以分为电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统和多媒体通信系统等。

（2）按调制方式分类。

可将通信系统分为基带传输通信系统和频带（调制）传输通信系统。

（3）按信号特征分类.把通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统

（4）按传输媒质分类。

通信系统可分为有线和无线两大类

（5）按信号复用方式分类,传输多路信号可用三种复用方式;即频分复用、时分复用和码分复用。

4常见的调制方式

（1）载波调制:

现象调制（AM用于广播,SSB用于载波通信短波无线电话通信,DSB立体声广播,VSB电视广播传真）非线性调制（FM用于微博中继卫星通信,PM用于中间调制方式）数字调制（ASK,FSK,PSK,均用于数据传输,QAM用于微波空间通信}

（2）脉冲调制:

脉冲模拟调制（PAM用于中间调制方式,遥测,PDM用于中间调制方式,PPM用于遥测,光纤通信）脉冲数字调制（PCM用于市话中继,DM用于军用民用数字电话,DPCM用于电视电话,图像,多媒体.ADPCM用于中速数字电话}

5通信系统模型

6通信系统模型各模块的作用

（1）发送端（信息源）的作用是把各种可能的消息转换成原始电信号。

为了使该信号适合在信道中传输，需由发送设备对其进行某种处理或变化，然后再传送到信道中进行传输。

（2）信道是指信号传输的通道

（3）在接收端:

接收设备的作用与发送设备相反，即从接收信号中尽可能地恢复出原始电信号

（4）受信者（也称信宿）是将复原的原始信号转换成相应的消息

（5）受信者（也称信宿）是将复原的原始信号转换成相应的消息

7通信所用的波长与频率有如下关系

λ为工作波长,f为工作频率,c为光速（m/s）

8按照消息传递的方向与时间的关系，通信方式可分为单工、半双工和全双工三种

9数字通信的9个模块:

信息源,加密器,编码器,调制器,信道,解调器,译码器,解密器,收信者

10按照码元排列方式的不同，通信方式可分为串行通信与并行通信两种。

11信噪比是用来衡量通信系统抗干扰能力的一个重要指标,信噪比是指信号与噪声的平均功率之比,用S/N表示,单位为dB。

12传输速率有两种度量方式，一种是码元传输速率（RB），另一种是信息传输速率（Rb）。

13什么是差错率

答：

差错率是衡量传输质量的重要指标之一。

分为码元差错率和比特差错率

码元差错率：

只在传输和的码元总数中发生差错的码元数所点的比例（误码率）。

比特差错率：

只在传输的比特总数中法发生差错的比特数所占的比例。

第二章

1数据信号分析可从时间-时域、频率-频域以及从时频域这三方面进行分析。

2信号以时间上的表现形式不同，可以分为连续信号和离散信号两种

3不论是连续信号还是离散信号，如果相同的信号形式以周期性的方式重复，则称为周期信号。

4数据率与频带的关系

数据信号的波形是由多个脉冲组成的，每个脉冲的频谱是无限宽的连续频域函数。

一个脉冲信号可以用无限多个振幅不同、频率不同的正弦波叠加来近似，如可近似为

A是实数，f1是某个频率

随着k的增加，1/k逐渐趋近于0，这就是说式中的前几项对该信号的能量贡献较大，而后面的项则贡献较小，信号的带宽为B=2kMf1－f1=f1（kM－1）式中，B为信号的带宽，kM为所取的项数的值，如kM=1,3,5,7,9.......

由于每个比特持续时长为TB=T/2=1/（2f1），故该系统的传输速率即数据率为

任何数字信号的带宽是无限宽的，而信道的传输带宽是有限的，这将限制传输信号带宽，因此在传输数字信号前，应采用适当的技术来限制信号的带宽，使其适合信道的传输。

由该式可以看出，k的取值越多，所逼近的信号就越精确于脉冲波形，但同时也带来了信号带宽的增加，信号带宽的增加必然要求信道传输带宽的增加，这就意味着信道将不能传输较多路的信号，因此在设计数字通信系统时应综合考虑，既不能由于考虑增加额外的信道传输带宽而限制信号的带宽，也不能由于过度精确地逼近而增加信道超额的带宽，需在两者之间权衡。

5什么是交换技术

物联网中的通信网络是由许多交换节点连接构成的。

物联网的信息传输要经过一系列的交换节点，从一条条传输信道（线路）到另一条条传输信道（线路）后，才能到达最终

的接收端（目的地）

6交换节点的作用相当于交通运输中的“换乘车站”，交换节点的信息“换乘”方式称为信息的交换方式。

7交换方式

（1）有电路交换（电路交换是最常用的一种交换方式。

在通信时，通信网需对两个收发用户建立一条专用的临时电路，当通信结束时，释放该电路.电路交换有空分交换和时分交换两种方式）、

（2）报文交换:

报文交换是以“存储—转发”方式进行的，在数据通信时，先将报文传到一节点后将信息存储起来，节点根据报文提供的目的地址，在通信网中确定信息的通路，并将要发送的报文送到输出电路队列中排队等候，一旦该输出电路空闲，就立即将报文传送给下一个节点，依次完成从源节点向目标节点的传送。

（3）分组交换:

分组交换也采用“存储—转发”的技术，但它不像报文交换，以整个报文为交换单位，而是将一个较长的报文分解成若干固定长度的“段”，每一段报文按一定的格式形成一个交换单位，这个规定格式的交换单位称为“报文分组”，简称“分组”。

8上一题的分组交换分为有数据报和虚电路两种交换方式。

（1）数据报与报文交换方式类似，每个分组在通信网中的传输路径完全由网络当前的状况随机决定。

（2）虚电路交换方式中，数据传输前，必须在源与目的地之间建立一条逻辑连接，即虚电路

第三章

1、信道模型

信道的功能是将载有信息的电磁信号从一端传送到另一端。

一个实际的信道除了传输媒质外，还应有相关的诸如编码/译码器、调制/解调器、接收/发送滤波器等电路，这样构成的信道称为广义信道，其模型如图

2、物理信道和逻辑信道

答：

一个实际存在的物理实体信道称为物理信道，如有线信道、无线信道等，它包含了实际存在的物理设备和传输物理媒质。

采用多路复用技术在一个物理信道中来传输多路信号而划分的信道称为逻辑信道。

一个物理信道可以包含多个逻辑信道。

3、信道简要地划分为如图

4、连续信道的信道容量

　　信道带宽为B（Hz），信道输出的信号功率为S（W）以及输出的加性带限高斯白噪声功率为N（W），则该连续信道的容量为C=B*log₂（1+S/N）（bit/s）

上式就是信息论中非常著名的香农（Shannon）公式。

它表明，当信号与作用在信道上的起伏噪声的平均功率给定时，在具有一定频带宽度B的信道上，理论上单位时间内可能传输的信息量的极限值，该公式也成为了扩频通信技术的理论基础。

5、无线信道传播方式

答：

传播方式主要有地面波传播、天波传播、地面—电离层波导传播、视距传播、散射传播、外大气层和星际空间传播方式。

地面波传播：

无线电波沿地球表面传播到达接收端的传播方式。

长波和中波就是利用该方式传输信号的。

天波传播：

经电离层发射到地面的电波叫做天波。

天波传播就是自发射天线发射的电波，在高空被电离层反射回来到达接收端的传播方式。

电离层是指地球周围离地面60km以上的区域，在这个区域中存在着大量被电离的粒子，它们具有对特定波长电磁波的反射性能。

6、信道的参数：

信道带宽、信道容量、信道衰减、信道延迟和信道噪声等，信道的这些参数特性直接决定着信息传输的方式。

信道的特性和信号特性影响着数据通信的质量。

7、各种信道可以概括为离散信道和连续信道两类。

离散信道就是广义信道中的编码信道，信道模型可以用转移概率来表示；而连续信道就是广义信道中的调制信道，其信道模型可以用时变线性系统来表示。

信道容量是衡量信道最大传输能力的重要参数，连续信道和离散信道的信道容量意义各有不同。

8、10-10*15Hz是通信系统所使用的频率。

国际电信联盟（ITU）依据波长将电磁波划分为甚低频（VLF）3Hz~30kHz、、低频（LF）30~300kHz、中频（MF）300kHz~3MHz、高频（HF）3~30MHz、甚高频（VHF）30~300MHz、超高频（UHF）300MHz~3GHz、特高频（SHF）3~30GHz、极高频（EHF）30~300GHz和巨高频（THF）300GHz~10*14Hz频段。

红外线的频率范围为300GHz—10*13Hz、可见光的频率范围为10*13-10*14Hz。

9、无线信道和有线信道的区别和特点：

有线信道的传输特性非常良好，传输质量较高，但与无线信道相比，其主要的缺点是灵活、方便性较差。

一般，用物理特性、传输特性、传输距离、抗干扰性能和性价比来衡量有线信道的性能。

无线信道通常是指以辐射无线电波和光波为传输媒质所构成的信道。

辐射的无线电磁波可分为无线电波、微波，光波主要是应用红外和激光。

10、有线信道的性能衡量标准：

（1）物理特性

（2）传输特性（3）传输距离（4）抗干扰性能（5）性价比：

衡量信道的经济性。

11、双绞线

　　双绞线是较常见的传输媒质，广泛应用在计算机局域网中。

双绞线由两条相互绝缘的直径为1mm左右的铜导线按一定规格绞合在一起，通过绞合可减少两线间的串扰。

在中、低速传输速率下，能可靠地传输信号达几公里。

如果要进一步提高抗电磁干扰的能力，可在双绞线束的外围加一金属屏蔽层（如铜丝网、铝箔等）。

根据双绞线是否加装屏蔽层，双绞线可分为屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP）两类。

12、

第四章

1、抽样

答：

抽样的功能：

对模拟信号在时域上的离散化，即将一个时间连续、幅度也连续的信号转变成时间离散、幅度连续的信号。

抽样的定义：

对于一个时间、幅度都连续的模拟信号x（t），以固定的时间间隔不断地测量它的瞬时幅度值，从而可构成一个新的信号xs（nTs），用离散的xs（nTs）信号来表示原信号x（t）的过程。

2、抽样的结论：

答：

当开关接通时，有持续时间为τ的信号输出；当开关断开时，在Ts－τ时间内没有信号输出。

当τ足够小时，就认为xs（nTs）是由一些点组成的序列，这些点在时间上是离散的，周期为Ts，其幅度是连续的，可以是x（t）上的任意值。

根据抽样所得信号序列的不同，可分为理想抽样、自然抽样和平顶抽样。

如果抽样窄脉冲的宽度τ足够小，如趋近于零，这种抽样脉冲序列称为理想冲击序列δ（t），这样的抽样称为理想抽样。

在实际电路中，抽样脉冲宽度不可能趋近于零，在窄脉冲宽度τ持续期间，输出信号的幅度随x（t）的变化而变化，这样的抽样称为自然抽样。

如果抽样值不随被抽样信号x（t）幅度的变化，则称该种抽样为平顶抽样，抽样后输出的信号在τ时间内其幅度是一致的，也就是“平顶”的。

3、在抽样过程中，Ts称为抽样周期，抽样频率为fs=1／Ts。

抽样信号xs（nTs）、被抽样信号x（t）和抽样脉冲s（nTs）之间具有如下关系：

xs（nTs）=x（t）s（nTs）

一个实际的抽样过程可以用一个乘法器来实现，如图所示。

乘法器实现抽样的原理图

4、抽样定理：

抽样定理包含两个基本内容：

低通抽样和带通抽样定理。

1）低通抽样：

指频带被限制在0~fH范围的信号的抽样，该信号也称带限信号。

fH指信号的上限截止频率（最高频率），因此低通信号的带宽为B=fH。

（低通抽样定理也称带限信号抽样定理，该定理可描述为：

对于一个频率范围在［0,fH］内的时间连续信号x（t），若以抽样频率fs≥2fH对其均匀抽样，则x（t）被xs（nTs）完全确定，或者说抽样信号xs（nTs）将无失真地恢复出x（t）。

Ts称为抽样周期或抽样间隔，Ts=1/fs，1/2fH称为奈奎斯特间隔，2fH称为奈奎斯特速率。

奈奎斯特间隔是能够唯一确定连续信号x（t）的最大抽样间隔；奈奎斯特速率是能够唯一确定连续信号x（t）的最小抽样频率。

在频域中，我们一般用角频率ω表示频率，ω=2πf。

抽样频率和抽样周期可表示为

2）带通抽样定理：

带通信号是指信号的频率限制在［fL,fH］范围的信号，其中fL为下限截止频率（最低频率）,fH为上限截止频率（最高频率），信号的带宽为B=fH－fL。

带通信号的最小抽样频率为如下：

式中，n取小于fH/B的最大整数（当fH恰好是B的整数倍时，取n为fH/B）。

在工程中我们一般取抽样频率为2.5~5倍的fH，以免失真。

5、为什么奈奎斯特速率是200hz，不是400hz?

例4.1.1已知某信号由2个频率成分组成，其表达式为x（t）=cos400πt+cos80πt,对其进行均匀抽样，求信号带宽、奈奎斯特速率和奈奎斯特间隔。

解fH=200,fL=40,B=fH－fL=200－40=160fH/B=200/160=1.25

于是取n=1,代入上式得

于是带宽为160Hz，奈奎斯特速率为200Hz，奈奎斯特间隔（抽样间隔）为5ms。

该例题告诉我们，当最高频率与最低频率相差较大时，可用最高频率作为信号的带宽，原来的带通信号可近似地看成低通信号来处理。

6、量化：

利用预先规定的有限个电平来表示模拟样值的过程称为量化。

模拟信号抽样后，抽样值是随信号幅度连续变化的，即抽样值xs（nTs）可以取无穷多个可能的值。

如果用N个二进制数字信号来代表该抽样值的大小，以便用数字系统来传输该抽样值（以下简称为样值）信息，则N个二进制信号仅能同X=2N个样值相对应，而不能同无穷多个电平值相对应。

这样一来，样值必须被划分为X个离散电平，此电平被称为量化电平。

采用量化样值的方法后，才能使数字通信系统传输数字信息。

抽样把一个时间和幅度连续的信号变成了离散信号，量化把连续的抽样值变成了幅度上离散的值。

　　图4.1.3是量化过程的示意图。

图中的1、2、3是量化后可能输出的3个电平值。

图中的虚线是各样值量化后的取值。

xs（0Ts）=2,xs（1Ts）=1,xs（2Ts）=1,xs（3Ts）=2,xs（4Ts）=3,xs（5Ts）=3,xs（6Ts）=2。

模拟信号x（t）经过抽样后，变为时间上离散、幅度上连续的序列xs（nTs），经量化后变成xq（nTs）,xq（nTs）的取值为q1,q2,…，qM之一，即xq（nTs）=qi,qi－1≤xq（nTs）=qi,i=2,3,…，M

量化可分为均匀量化和非均匀量化两种。

7、什么是均匀量化

答：

把输入信号的取值区域按等距离分割的量化称为均匀量化。

在均匀量化中，每个量化区间的量化电平在各区间的中点。

量化间隔（量化台阶）Δ取决于输入信号的变化范围和量化电平数。

当信号的变化范围和量化电平数确定后，量化间隔也就确定。

如果输入信号的最小值和最大值分别用xmin和xmax表示，量化电平数用M表示，则均匀量化间隔Δ为

量化后输出xq（nTs）=qi,当qi－1

量化会产生量化误差，量化误差的最大值为Δ/2，这种误差对数字通信来说是有害的，它是以量化噪声的形式出现的，量化噪声的信噪比为

式中，So为信号x（t）的功率，Nq为量化噪声的功率。

8、均匀量化的缺点：

主要是无论抽样值大小如何，量化噪声的信噪比仅与量化电平数M有关，当输入信号x（t）较小时，则量化噪声的信噪比也很小，这样对较弱的信号是不利的，往往难以达到理想的效果。

通常，把满足信噪比要求的输入信号取值范围定义为动态范围。

均匀量化时，信号的动态范围将受到较大的限制，为了克服这个缺点，实际应用中往往采用非均匀量化。

第五章：

数字基带传输

1单极性码也称不归零（NRZ）码，是由单极性矩形脉冲所形成的波形。

它是一种最简单的基带数据信号，用脉冲的有、无来表示二进制码的“1”和“0”。

特点是脉冲极性单一，有直流成分，脉冲宽度等于码元宽度

2双极性码是由双极性脉冲形成的。

脉冲的正、负分别对应二进制码的“1”和“0”。

该码型信号的特点是电平均值为零，无直流分量，接收端的判决门限也为零，具有良好的抗干扰

3双极性归零码是用正负脉冲分别代表二进制的“1”和“0”，脉冲的宽度小于码元的宽度，小于码元宽度的其余部分要回到零电平，该码型有利于接收端同步时钟的提取

4差分编码也叫相对脉冲码。

它不是用脉冲本身的电平代表二进制码“1”和“0”的，而是用脉冲波形的变化来表示码元取值的。

5数字基带信号的编码原则

1）基带信号的编码应尽量使频带减小.使数字信号编码后的数字信号数量尽量降低，这样可以使传输系统的信息传输效率提高。

2）基带数字信号应具有尽量小的直流分量，使带宽尽量集中在中频部分

3）基带信号中应足够大地提取码元同步的信号分量

4）基带传输码型应基本上不受信源统计特性的影响

5）基带传输码型应对噪声和码间干扰有较强的抵抗能力和自检能力。

6）尽量降低译码过程引起的误码扩散，以提高传输能力

6数字基带传输系统

定义：

在数字通信中的有些场合中，基带信号可以不经过调制而直接进行传输，这种直接传输基带信号的数字通信系统称为数字基带传输系统。

基带传输系统主要由波形变换器、发送滤波器、信道、匹配滤波器、均衡器和抽样判决器等构成

由于基带传输系统的信道的传输带宽是有限的，因此一个基带传输系统可以看做是一个频带受限的传输系统，简称为带限系统。

带限系统对脉冲信号的畸变主要是由带限系统的频率特性所产生的。

7传输系统无失真的条件

设输入信号x（t）通过线性系统H（ω）后输出信号y（t）。

如果要求输出信号不失真，则y（t）的波形应与x（t）的波形完全相同，仅在幅度上有大小之别，在时间上有一固定的延迟，即满足y（t）=Kx（t－τ）

8基带信号定义是指把消息变换为二进制（或多进制）的脉冲序列的信号，将消息变为脉冲序列的过程称为基带变换。

9采用实验方法——眼图法，该方法能方便地估计系统的性能。

第六章：

数字调制系统

1数字调制采用的方法是“键控”的调制方法。

数字基带调制也分为幅度、频率和相位三种，称为幅度键控（2ASK）、频移键控（2FSK）和相移键控（2PSK）三种调制方法。

2ASK的调制是通过高频载波信号输出的有、无来表示数字基带信号“0”和“1”的

2FSK的调制是通过输出两个不同频率的载波信号来表示数字基带信号“0”和“1”的

2PSK是通过输出不同相位的载波来表示数字基带信号“0”和“1”的

数字调制作用：

便于无线通信合理安排频率资源减少噪声和干扰

22ASK原理：

二进制数字振幅键控的基本原理是使用代表二进制的数字基带序列信号来控制连续的高频载波信号。

两种方法：

直接相乘法幅移键控法

信号的解调方法有包络解调法和相干解调法两种

由于受到fs的限制，2ASK信号的信息传输速率不可能很高，在需要较高信息传输速率的情况下，可以采用多进制数字振幅键控（MASK）来实现

3MASK的调制方法与2ASK的调制方法相同，不同之处是要将数字基带信号由二进制变为M进制

42FSK基本原理：

发送端的数字基带信号为二进制的移频键控系统称为2FSK

由于理想低通信号的频带利用率为ηB=2（b/s）/Hz，因此有

5在数字相位调制（PSK）中，载波信号相位所表示的数字基带信号状态的方法有两种，一种是绝对移相（PSK），另一种是相对移相（DPSK）。

绝对相位指的是相位数值的大小，相对相位指的是相位变化的多少

第七章

循环校验正反码。

。

校验码

1、计算码距D0

2、奇校验偶校验

奇偶校验编码只需在信息码后加1位校验位（或称为监督位），使码组中“1”的个数为奇数或偶数。

优点是操作简单，冗余度低，编码效率高；缺点是奇校验只能发现奇数个错误，不能发现偶数个错误。

两者的监督方程分别为

3、矩阵校验：

将若干个所要传送的数字序列编排成一个矩阵，矩阵中的每一行为一个码字，在每一行的最后加上一个监督码元，进行奇偶校验，矩阵中的每一列则由不同码字相同位置的码元组成，在每列的最后也加上一个监督码元，进行奇偶校验,

4、正反码：

正反码是一种简单的能纠错的码