彭力-物联网概论-第5课 无线通信系统与远程通信技术.ppt

1、1,本书内容框架,一、绪论（1、10）二、射频识别技术（2）三、无线传感器网络技术（6）四、无线单片机技术和传感器技术（4、5）五、无线通信系统和远程通信技术（3、8）六、短距离无线通信技术（7）七、智能信息处理技术（9）八、本课程考试,2,第五课、无线通信系统和远程通信技术,江南大学物联网工程学院 吴治海 Email: PhoneAddress:C423 2011-10-11,本节课主要内容提纲,无线通信系统通信系统结构调制解调技术数据传输方式通信技术指标多路访问技术远程通信技术远程通信概念多路复用技术现代远程通信,1.1无线通信系统结构,信息传播过程：信源 信道

2、信宿。 无线通信系统：也称无线电通信系统，是由发送设备、接收设备、无线信道三大部分组成，是利用无线电磁波实现信息和数据传输的系统。,4,1.1无线通信系统结构,5,1.1无线通信系统结构,6,电磁波工作范围,1.1无线通信系统结构,7,无线电波各频段的主要应用,1.1无线通信系统结构,ISM： 国际通信联盟无线电通信局规定，此频段主要是开放给工业，科学、医学三个主要机构使用。,8,频谱（信道）是区别各种电波的一个重要依据。由于从几十兆到几千兆的频谱（信道）上，集中了各种不同的无线应用，而且这些无线电传播都使用同一个通信媒介空气，所以为了保证各种无线通信之间不相互干扰，就需要对无线信道的使用进行

3、必要的管理。,1.1无线通信系统结构,9,无线收发器结构：收发模块、接收天线、时钟晶振,无线收发器内部结构,10,基带信号来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。 调制原因：基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。 调制就是对信号源的信息进行处理加到载波上，使其变为适合于信道传输形式的过程。 已调信号基带信号通过调制后的信号，频率高于基带信号，适合于信道传输。,1.2调制与解调技术,0,1,0,0,1,1,1,0,0,基带信号,调幅,调频,调相,1.2

4、调制与解调技术,基本调制方法：调幅（AM）、调频（FM)、调相(PM):,1.2调制与解调技术,解调（demodulate)：从携带消息的已调信号中恢复消息的过程，是调制的逆过程。 接收端必须恢复接收端传送的消息才能加以利用。 调制 基带信号 已调信号 解调 另外通信系统中可能还有滤波、放大、天线辐射、控制等过程。调制与解调两种变换对信号的变化起决定性作用，而其他过程对信号不会发生质的变化，只是对信号进行了放大或改善了信号特性。,按数字信号代码传输的顺序分为并行传输和串行传输： 并行传输将代表信息的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，优点是节省传输时间，但需要传输信道多，

5、 设备复杂， 成本高， 故一般适用于计算机和其他高速数字系统，特别适用于设备之间的近距离通信。如：打印机与计算机之间。 串行传输数字序列以串行方式一个接一个地在一条信道上传输，通常，一般的远距离数字通信都采用这种传输方式。如：USB。,1.3数据传输方式,1.3数据传输方式, 并行传输 串行传输,按同步方式分为异步传输和同步传输： 异步传输以字符为单位的传输，每个字符的起始时刻可以是任意的。终止代码+字符代码+起始代码。收发双方的时钟信号不需要严格同步，但传输效率低。 同步传输以固定的时钟节拍来发送数据信号，在一串数据流中，各信号码元之间的相对位置是固定的、传输效率高，但接收方为了从收到的数据

6、流中正确地区分每个信号码元，必须建立准确的时钟同步，实现比较复杂。,1.3数据传输方式,按信息传输的方向与时间关系分为单工传输、半双工传输、全双工传输： 单工传输(Simplex)在任何一个时刻，信号只能从甲方向乙方单向传输，甲方只能发信，乙方只能收信。比如广播电台与收音机、电视台与电视机的通信(点到多点)、遥控玩具等均属此类。 ,1.3数据传输方式,半双工传输(HalfDuplex)在任何一个时刻，信号只能单向传输，或从甲方向乙方，或从乙方向甲方，每一方都不能同时收、发信息。比如对讲机、收发报机等之间的通信。,1.3数据传输方式,全双工传输(FullDuplex) 在任何一个时刻，信号能够双

7、向传输，每一方都能同时进行收信与发信工作。比如普通电话、手机。,1.3数据传输方式,如前所述，根据各种不同的划分标准，通信系统多种多样。那么如何评价一个通信系统性能的优劣呢？这是选择和使用一个通信系统所面临的首要问题。这就需要我们找出能够反映通信系统性能的各种技术指标。,1.4数据通信技术指标,然而，研究通信系统性能指标是一个非常复杂的问题，包括的内容很多，涉及到通信的有效性、可靠性、标准性、快速性、方便性、经济性以及实用维护等诸多方面。另外，很多特性之间是有矛盾的，此消彼长，如果把所有因素都考虑进去，面面俱到，不但系统的设计难以完成，对系统的评价也无法开展。,1.4数据通信技术指标,在设计和

8、使用通信系统时，通信的有效性和可靠性常常是我们首要考虑的问题，因此，我们把通信的有效性和可靠性这对矛盾作为评价通信系统性能的主要指标。有效性和可靠性是根据对通信质量的要求而定义出的客观标准，但它们是抽象的，没有可操作性，也很难量化。因此必须在通信系统中找到具体的、可以操作且能够反映有效性和可靠性的参数或指标。,1.4数据通信技术指标,对于模拟通信系统，有效性常用系统的传输频带宽度来衡量，而可靠性则用接收端最终输出的信噪比来评价。系统的传输带宽主要取决于两个方面，一是传输介质，二是对信号的处理方式。通常传输介质的带宽都比较大，完全能够满足传输要求，系统的带宽主要由对信号的处理方式决定。,1.4数

9、据通信技术指标,在数字通信系统中，用信息传输速率(比特率)来衡量系统的有效性。数字通信系统通常传输的是以0、1表示的脉冲序列。每一个表示0或1的脉冲称为一个码元。我们定义单位时间传输的码元个数为码元传输速率，其单位为波特(Baud)，故也常常称为波特率。（传码率）,1.4数据通信技术指标,比如一个系统1秒钟传送了1200个二进制码元，其波特率就是1200Baud。波特率仅仅告诉我们系统传输数字信号的能力，我们还不知其传输信息的多少。因此，我们再定义一个信息传输速率：单位时间传输的信息量。（传信率） 由于信息量的单位是比特，因此信息传输速率也称为比特率。通常，对于0、1等概率出现的二进制数字信号

10、，我们规定一个码元携带一比特的信息量，则二进制数字信号的码元速率和信息速率在数值上相等。,1.4数据通信技术指标,数字通信系统的可靠性用差错率衡量。差错率包括两个内容：误码率和误信率。 误码率指错误接收的码元数在传输的总码元数中所占的比例。或者说是码元在传输中被传错的概率。用下式表示： 误码率(Ps)=错误的码元数/传输的总码元数 误信率也称误比特率，它是指接收错误的信息量在传输总信息量中所占的比例。即信息量在传输中被丢失的概率。用下式表示： 误信率(Pb)=错误的比特数/传输的总比特数,1.4数据通信技术指标,1.5多路访问技术,无线通信与有线通信在诸多重要环节上完全不同，这些环节中的异同导

11、致了他们之间的通信质量的差异： 1、无线链路是通过相同的传输媒介空气来传播无线电信号； 2、误码率比常规有线系统高几个数量级。由于存在上述差异，RF链路的可靠性比有线链路低。 3、为了实现在同一范围内多点间通讯，必须防止数据包在空气中的传输时相互碰撞，建立可靠的无线传输通路。 4、FDMA/TDMA/CSMA/FHSS等都是无线通信中实行多路访问和提高信道效率，提高通讯可靠性的常用的办法。,26,1.5频分多址FDMA,频分多址（Frequency Division Multiple Access， FDMA ），即不同的用户分配在时隙相同而频率不同的信道上。按照这种技术，把在频分多路传输系统

12、中集中控制的频段根据要求分配给用户。同固定分配系统相比，频分多址使通道容量可根据要求动态地进行交换。,27,1.5频分多址FDMA,在FDMA系统中，分配给用户一个信道，即一对频谱，一个频谱用作前向信道即基站向移动台方向的信道，另一个则用作反向信道即移动台向基站方向的信道。这种通信系统的基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号，任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转，因而必须同时占用2个信道(2对频谱)才能实现双工通信。,28,1.5频分多址FDMA,FDMA是一个多频率的通信方式，在设计中频段的改变是必要的，将频段设置为433MHz，要改变信道的方法是改变寄存器CHANNR，在改变

13、信道的时候，只需要改变CHANNR的值，在下面的代码中给出了两个设备，选择不同信道的方法。 if(state = 0) CHANNR = 0 x00。 else CHANNR = 0 x01。,29,1.5频分多址FDMA,在实验中，使用三个无线通信模块，两个发送模块Tx1和Tx2，一个接收模块Rx，如图所示。当发送模块有按键按下时，发送模块就会向接收模块发送数据，直到发送成功或者超时退出。,30,1.5频分多址FDMA,31,1.5频分多址FDMA,32,1.5频分多址FDMA,33,1.5时分多址TDMA,时分多址(Time Division Multiple Access ，TDMA)是

14、把时间分割成周期性帧(Frame)，每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号而不混扰。同时基站发向多个移动终端的信号都按顺序安排在予定的时隙中传输，各移动终端只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分并接收下来。 TDMA较之FDMA具有通信口号质量高，保密较好，系统容量较大等优点，但它必须有精确的定时和同步以保证移动终端和基站间正常通信，技术上比较复杂。,34,1.5时分多址TDMA,TDMA是在一个信道上对时间进行分配，让设备在不同的时间中完成数据的交互通信。 模块TX1和模块TX2利用在编程时，程序

15、的写法是完全相同的，模块TX1和模块TX2不断检测按键，如果有按键按下，发送模块（以后称为节点模块）就开始接收模块（以后称之为主机）定时发送出来的同步信号。收到同时信号后，就产生一个与自己ID相关的廷时函数后直接把按键值发送出去。而主机每时每刻自动扫描监视空气中的信号并在一定时间内发送一次同步信号，发现有合格的数据包，就会自动进行接收。 这就实现了点(主机模块)对多点(节点1和节点)的可靠无线数据通讯。很多工业控制的无线系统，无线传感器系统，很多都常用TDMA的无线通信传输方式。,35,1.5时分多址TDMA,36,1.5时分多址TDMA,37,1.5载波侦听CSMA,CSMA/CD是英文“C

16、arrier Sense Multiple Access Collision Detect”的缩写，中文的意思是“载波侦听多路访问/冲突检测”，其工作原理如下： (1) 若媒体空闲，则传输； (2) 若媒体忙，一直监听直到信道空闲，然后立即传输； (3) 若在传输中监听到干扰，则发干扰信号通知所有站点。等候一段时间，再次传输。,38,1.5载波侦听CSMA,载波侦听这种无线通信方式比起前面介绍的FDMA/TDMA来，它能更好的利用资源，因为这种通信方法在发送数据之前，一直在检测空气中是否存在有相同频率的载波，如果在当前时间空气中有相同频率的载波，就不发送数据，如果空气中没有同频率的载波，表明现

17、在空间资源没有被占用，可以发送数据，这样不仅提高了空间资源的利用效率，也同时提高了通信的可靠性。,39,1.5载波侦听CSMA,可以通俗理解为：“先听后说，边说边听”。CSMA/CD是一种分布式介质访问控制协议，网中的各个站（节点）都能独立地决定数据帧的发送与接收。每个站在发送数据帧之前，首先要进行载波监听，只有介质空闲时，才允许发送帧。这时，如果两个以上的站同时监听到介质空闲并发送帧，则会产生冲突现象，这使发送的帧都成为无效帧，发送随即宣告失败。 每个站必须有能力随时检测冲突是否发生，一旦发生冲突，则应停止发送，以免介质带宽因传送无效帧而被白白浪费，然后随机延时一段时间后，再重新争用介质，重

18、发送帧。CSMA/CD协议简单、可靠，其网络系统（如Ethernet）被广泛使用,40,1.5载波侦听CSMA,if(!CCA) /监听时候有相同载波 SRX(); /有就继续监听 halWait(1); /等待重发 if(CCA) /继续判断 ; STX(); /发送 INT_GLOBAL_ENABLE(TRUE); sppTxStatus = TX_IN_PROGRESS; RFIM |= IRQ_DONE; / 如果还没有合适的信道，表示网络忙 else res = CHANNEL_BUSY; RFIM ,41,1.5载波侦听CSMA,42,1.5跳频通讯FHSS,跳频通讯(Freque

19、ncy-Hopping Spread Spectrum, FHSS)可以说是抗干扰能力最强的一种通信方式，其实它的原理和上面讲的CSMA的原理近似。但与CSMA通信方式比较，跳频通信的灵活性更大，能够更加合理的利用空间资源。,43,1.5跳频通讯FHSS,在跳频的通信过程中，发送端如果在发送了数据包装后，在一定的时间内没有回复，那就说明空气中有相同频率的载波存在。不会如CSMA遇到这样的情况就进入了等待状态，跳频中这时就更换频道了，继续尝试有没有回复，如有回复就说明通信成功。这样就可以容易的实现接收和发送端的跳频节奏一致，这样就把的通信范围从一个频道扩展到了一个频谱上。,44,1.5跳频通讯F

20、HSS,在跳频通信过程中主要是看如何实现接收和发送端在改变频道的过程中实现频道的统一，而且在频道转换过程中应当尽可能的少花费时间。FHSS和FDMA一样是一个多频率的通信方式，在实验中信道的改变是必要的，将频段设置为2.4GHz，要改变信道的方法是改变寄存器CHANNR，在改变信道的时候，只需要改变CHANNR的值，在下面的代码中给出了两个设备，选择不同信道的方法。 if(+CHANNR_Number = 6) CHANNR_Number = 0。 radioInit(frequency， myAddr，CHANNR_Number)。,45,1.5跳频通讯FHSS,上面的函数就是配合跳频数组来

21、改变频道用的，在这里只要确定节点是工作在发送状态或是工作在接收状态之后，就可以确定它的频道，而在通讯的过程中可以不断的调整频道来进行通讯。在这里只用到了6个频道，其实在应用中可以适当的增加或减少所用的频道。 程序首先建了一随机数组，为跳频函数提供频道。注意，这个数组一定与后面节点的数组相同。不然可能造成发送和接收都无法正常进行。,46,1.5跳频通讯FHSS,47,1.5跳频通讯FHSS,48,1.5跳频通讯FHSS,49,2.1远程通信概念,远程通信（Telecommunication）这一单词源于希腊语“远程”（Greek tele）（遥远的）和通信（communicate） （共享）。在

22、现代术语中，远程通信是指，在连接的系统间，通过使用模拟或数字信号调制技术进行的声音、数据、传真、图像、音频、视频和其它信息的电子传输。 模拟通信与数字通信。 数字通信比模拟通信的优点：抗干扰能力强；远距离传输仍能保持质量；适用于各种通信业务要求、便于实现统一的综合业务数字网、便于采用大规模集成电路、便于实现加密处理、便于实现通信网的计算机管理等。 数模变换AD(抽样、量化、编码)与模数变换DA。,50,共享信道,复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,信道,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,复用,分用,(a) 不使用复用技术,

23、(b) 使用复用技术,2.2多路复用技术,2.2频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing),用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。,2.2时分复用TDM(Time Division Multiplexing),时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。 每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。 TDM 信号也称为等

24、时(isochronous)信号。 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。,2.2时分复用,频率,时间,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,A 在 TDM 帧中 的位置不变,2.2时分复用,频率,时间,C,D,C,D,C,D,A,A,A,A,C,D,B 在 TDM 帧中 的位置不变,2.2时分复用,频率,时间,B,D,B,D,B,D,A,A,A,A,B,D,C 在 TDM 帧中 的位置不变,2.2时分复用,频率,时间,B,C,B,C,B,C,A,A,A,A,B,C,D 在 TDM 帧中 的位置不变,A,B,C,D,a,a,b,b,c,d,b,c,a,t,t,t,t,t

25、,4 个时分复用帧,#1,a,c,b,c,d,时分复用,#2,#3,#4,用户,时分复用可能会造成线路资源的浪费：使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。,2.2时分复用,1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 7,0 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm,2.2波分复用 WDM(Wavelength

26、Division Multiplexing),波分复用就是光的频分复用。,8 2.5 Gb/s 1310 nm,20 Gb/s,复 用 器,分 用 器,EDFA,120 km,光调制器,光解调器,移动蜂窝区是理想形状是正六边形，每个小区包含一个基站BS，每个基站包含若干套收发机，其有效覆盖范围决定于发射功率、天线高度等因素，一般为几公里。下图示为一个蜂窝系统基本概念，深色为覆盖距离。,60,3.1CDMA系统,3.1CDMA系统,CDMA系统，即采用CDMA技术的数字蜂窝移动通信系统，简称CDMA系统。它是在扩频通信技术上发展起来的。由于扩频技术具有抗干扰能力强、保密性能好的特点，20世纪80

27、年代就在军事通信领域获得了广泛的应用。为了提高频率利用率，在扩频的基础上，人们又提出了码分多址的概念，利用不同的地址码来区分无线信道。,3.1CDMA系统,CDMA系统是以扩频调制技术和码分多址接入技术为基础的数字蜂窝移动通信系统。在CDMA系统中，不同用户传输的信息是靠各自不同的编码序列来区分的。信号在时间域和频率域是重叠的， 用户信号是靠各自不同的编码序列ci 来区分的。,W,CDMA数字蜂窝系统是在FDMA和TDMA技术的基础上发展起来的，与FDMA和TDMA相比，CDMA具有许多独特的优点，其中一部分是扩频通信系统所固有的，另一部分则是由软切换和功率控制等技术所带来的。CDMA移动通信

28、网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再用等几种技术结合而成的，因此它具有抗干扰性好，抗多径衰落，保密安全性高和同频率可在多个小区内重复使用的优点，所要求的载干比(C/I)小于1，容量和质量之间可做权衡取舍等属性。这些属性使CDMA比其他系统有以下重要的优势。,3.1CDMA系统特点,(1) 系统容量大。这里做一个简单的比较：考虑总频带为1.25 MHz，FDMA(如AMPS)系统每小区的可用信道数为7； TDMA(GSM)系统每小区的可用信道数为12.5； CDMA(IS-95)系统每小区的可用信道数为120。同时，在CDMA系统中，还可以通过话音激活检测技术进一步提高容量。理论上CDMA移动

29、网容量比模拟网大20倍，实际要比模拟网大10倍，比GSM要大45倍。 (2) 保密性好。在CDMA系统中采用了扩频技术，可以使通信系统具有抗干扰、抗多径传播、隐蔽、保密的能力。 (3) 软切换。CDMA系统中可以实现软切换。所谓软切换，是指先与新基站建立好无线链路之后才断开与原基站的无线链路。因此，软切换中没有通信中断的现象，从而提高了通信质量。,3.1CDMA系统特点,(4) 软容量。CDMA系统中容量与系统中的载干比有关，当用户数增加时，仅仅会使通话质量下降，而不会出现信道阻塞现象。因此，系统容量不是定值，而是可以变动的。这与CDMA的原理有关。因为在CDMA系统中，所有移动用户都占用相同

30、带宽和频率。我们打个比方，将带宽想像成一个大房子，所有的人将进入惟一的一个大房子。如果他们使用完全不同的语言，就可以清楚地听到同伴的声音，而只受到一些来自别人谈话的干扰。 在这里，屋里的空气可以被想像成宽带的载波，而不同的语言即被当作编码，我们可以不断地增加用户，直到整个背景噪音限制住了我们。如果能控制住每个用户的信号强度，在保持高质量通话的同时，我们就可以容纳更多的用户了。 (5) 频率规划简单。用户按不同的序列码区分，所以相同CDMA载波可在相邻的小区内使用，网络规划灵活，扩展简单。,3.1CDMA系统特点,卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站来转发或反射无线电波，在两个或多个地球站之间

31、进行的通信。 卫星通信实质是微波中继技术和空间技术的结合。一个卫星通信系统是由空间分系统、地球站群、跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统四大部分组成的。其中有的直接用来进行通信，有的用来保障通信的进行。,3.2卫星通信系统概念,卫星通信系统的基本组成,3.2卫星通信系统组成,1) 空间分系统 空间分系统即通信卫星，通信卫星内的主体是通信装置，另外还有星体的遥测指令、控制系统和能源装置等。 通信卫星的作用是进行无线电信号的中继，最主要的设备是转发器(即微波收、发信机)和天线。一个卫星的通信装置可以包括一个或多个转发器。它把来自一个地球站的信号进行接收、变频和放大，并转发给另一个地球站，这样将信号

32、在地球站之间进行传输。,3.2卫星通信系统组成,2) 地球站群 地球站群一般包括中央站(或中心站)和若干个普通地球站。中央站除具有普通地球站的通信功能外，还负责通信系统中的业务调度与管理，对普通地球站进行监测控制以及业务转接等。 地球站具有收、发信功能，用户通过它们接入卫星线路，进行通信。地球站有大有小，业务形式也多种多样。一般来说，地球站的天线口径越大，发射和接收能力越强，功能也越强。,3.2卫星通信系统组成,3) 跟踪遥测及指令分系统 跟踪遥测及指令分系统也称为测控站，它的任务是对卫星跟踪测量，控制其准确进入静止轨道上的指定位置；待卫星正常运行后，定期对卫星进行轨道修正和位置保持。 4)

33、监控管理分系统 监控管理分系统也称为监控中心，它的任务是对定点的卫星在业务开通前、后进行通信性能的监测和控制，例如对卫星转发器功率、卫星天线增益以及各地球站发射的功率、射频频率和带宽、地球站天线方向图等基本通信参数进行监控，以保证正常通信。,3.2卫星通信系统组成,按距离地面的高度可分为静止轨道卫星、中地球轨道卫星和低地球轨道卫星。 静止轨道GEO（Geostationary Earth Orbit）卫星，距地面35 780 km，卫星运行周期24h，相对于地面位置是静止的。 中地球轨道MEO（Moderatealtitude Earth Orbit）卫星，距地面50020 000 km，卫星运行周期412 h，相对于地面位置是移动的。 低地球轨道LEO（Low Earth Orbit）卫星，距地面5005000 km，卫星运行周期4 h，相对于地面位置是移动的。,3.2卫星通信系统分类,（1） 通信距离远、覆盖地域广、不受地理条件限制。 （2） 以广播方式工作，只要在卫星天线波束的覆盖区域内， 都可以接收卫星信号或向卫星发送