05单元5 物联网通信与网络技术

单元5 物联网通信与网络技术
物联网技术及应用基础
5.1 认识无线通信技术
5.1.3调制解调技术
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1 什么是调制 modulation
◦ 为什么要调制？在通信系统中，任何信道都有相关 的频率范围，如果需要传输的信号不在这个频率范 围内，就需要将信号的频率搬到信道频率范围之内， 就像将汽车开到轮船上以便渡海一样，这个过程称 之为调制。
G GSSM M
CCDDM MAA IISS9955
TTDDM MAA IISS--113366
PPDDCC
第 第三 三代 代（ （33GG)) 本 本世 世纪 纪初 初期 期
IMT-2000
UUM MTTSS W WCCDDM MAA
ccddm maa 22000000 TTDD-SSCCDDM MAA
◦ Space Division Multiple Address
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5.1 认识无线通信技术
任务10：调查——无线通信应用情况
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1G （Generation）
◦ 第一代移动通信主要采用的是模拟技术和频分多 址(FDMA)技术。由于受到传输带宽的限制，不能 进行移动通信的长途漫游，只能是一种区域性的 移动通信系统。
◦ 无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说在室内、 室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps(兆比特/每秒)、 384kbps(千比特/每秒)以及144kbps的传输速度（此数值根据 网络环境会发生变化)。
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1 WCDMA
◦CDMA：全称为Wideband CDMA，也称为 CDMA Direct Spread，意为宽频分码多重存 取，这是基于GSM网发展出来的3G技术规范， 是欧洲提出的宽带CDMA技术。 ◦ WCDMA的关键技术包括RAKE接收、多用户 检测、软切换、功率控制等技术。
艾文.雅各布于1985年7月1日，在他退休不到一年时候，决定与原公 司其他离职的6位同事一起再干一场，在家中共商大计，决定创建Quality Communications，他们的宏伟蓝图造就了20年后电信业中最耀眼的新星 ——高通公司。
Shannon对CDMA基础理论的 形成作出了极大贡献，艾文.雅各 布博士正是基于对该理论的浓厚兴 趣，创造了CDMA技术和标准。
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2 CDMA-2000
◦ CDMA-2000由美国高通北美公司为主导提出，摩托 罗拉、Lucent和后来加入的韩国三星都有参与，韩 国现在成为该标准的主导者，是IS-95标准向第三代 移动通信系统演进的技术体制方案。
◦ cdma2000的一个主要特点是与现有的TIA/EIA-95B标准后向兼容，可从IS 95B 系统的基础上平滑地升 级到3G，建设成本低。
2 典型GSM通信系统组成
◦ 蜂窝GSM移动通信系统主要是由交换网路子系 统（NSS）、基站子系统(BSS)和移动台（MS） 三大部分组成。
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◦ 移动台（MS）
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◦ 移动台（MS）就是移动客户设备部分，它由两部分组成，移动 终端和客户识别卡（SIM）。移动终端就是“手机”，它可完成 话音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息发射 和接收。SIM卡就是“身份卡”，存有认证客户身份所需的所有 信息，并能执行一些与安全保密有关的重要信息，以防止非法客 户进入网路。SIM卡还存储与网路和客户有关的管理数据。只有 插入SIM后移动终端才能接入进网。
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2、 时分多址TDMA
◦ TDMA是在给定频带的最高数据传送速率的条件下，把传 递时间划分为若干时间间隙，即时隙，用户的收发各使用 一个指定的时隙，以突发脉冲序列方式接收和发送信号。 多个用户依序分别占用时隙，在一个宽带的无线载波上以 较高速率传递信息数据，接收并解调后，各用户分别提取 相应时隙的信息，按时间区分用户，从而实现多址通信。
◦ Code Division Multiple Address
用户使用不同的编码
红色编码
红色编码
绿色编码
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绿色编码
高通缔造CDMA神话 Qualcomm
CDMA技术的出现源自于人类对更高质量无线通信的需求，最初应 用在军事领域。CDMA移动通信系统是一个保密通信系统，它的码址总 共有4.4万亿中可能的排列，可防止窃听，保密性强。
◦ 优异的话音质量、更高的保密性和更可靠的接通率。同时系 统具有容量大、配置灵活、通话质量更佳、频率规划简单、 建网成本低等优势。
◦ 高通初期清一色的工程技术人员也许不懂经营，但是他们做 了最重要的两件事：
◦ ①把CDMA技术提交到美国标准组织和世界标准组织，申请 被确立为世界移动通信标准；
◦ ②把CDMA研发过程中所有大大小小的技术都申请了专利— —确立了后来CDMA技术的“专利霸主”。是一家专门经营 和销售知识产权的公司。
◦ 第一代移动通信有很多不足之处，如容量有限、 制式太多、互不兼容、保密性差、通话质量不高、 不能提供数据业务和不能提供自动漫游等。
◦ 1980s年代，一部移动终端公开价格在2万元左右， 黑市5万，被视为一种身份的象征
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G
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◦ 由于以上1G移动通信系统存在的问题，使得国际相 关组织开始了第二代移动通信系统(2G)的研究，主要 有两支国际普遍采用的标准(区域化的标准)：
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实现区域覆盖的蜂窝结构 Cellular
◦ 在六边形小区的中心设立固定的收发信台称为基站， 提供六边形小区内移动台入网的无线接口；或在六边 形的顶点按照三个120度角的扇形设立基站，提供扇区 内移动台入网的接口。
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◦ 美国高通公司推出的CDMAIS-95和欧洲的GSM，在 2G标准里最先推出和应用最广泛的是GSM，Global System for Mobile Communications，中文为全球 移动通讯系统，俗称“全球通”。
◦ 采用TDMA+FDMA多址技术。在2G时代还有一支全 球应用的标准就是CDMA，即码分多址。
◦ CDMA技术已经成为全球3G标准的核心技术
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4 、空分多址SDMA
◦ 空分多址，顾名思义，就是利用空间的隔离进行复用 的一种多址接入技术，采用空分多址接入的多个用户 可以使用完全相同的频率、时隙和码道资源。
◦ 事实上，我们熟知的蜂窝移动通信技术中的蜂窝概念 本身就是一种空分复用技术，不同的小区（cell）内中 的用户可以使用完全相同的资源。
◦ Time Division Multiple Address
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3 、码分多址CDMA
◦ CDMA方式是用伪随机编码信号或其他扩频码调制所需传送 的信号，再经载波调制后发送出去。接收端使用完全相同的扩 频码序列，同步后与接收的宽带信号作相关处理，把宽带信号 解扩为原始数据信息。不同用户使用不同的码序列，它们占用 相同频带，接收机虽然能收到，但不能解出，这样可实现互不 干扰的多址通信。它以不同的互相正交的码序列区分用户，故 称为“码分多址”。由于它是以扩频为基础的多址方式，所以 也称为“扩频多址（SSMA）”。
诞生了“全线通”——美国高 通公司研制开发的车辆跟踪调度管 理系统，是移动信息管理领域的主 流产品，占全球80%的市场份额。
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高通公司CDMA技术的“专利霸主”
◦ CDMA的核心技术——扩频技术可以增加网络的用户容量并 重复利用频率资源，具备更强的安全性，基站数量可以大大 减少，节省运营商的网络运营成本。
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5.2 蜂窝移动通信技术
5.2.3 3G
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3G
◦ 3G是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。它是将无线 通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。 能够处理图像、音乐、视频等多种形式，提供网页浏览、电话 会议、电子商务信息服务。
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5.1 认识无线通信技术 5.2 蜂窝移动通信技术 5.3短距离无线通信技术
5.1 认识无线通信技术
5.1.2 通信系统结构
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1 一般通信系统结构
◦ 所谓通信是指通过某种媒质进行的信息传递。 ◦ 一个简单的通信系统首先由发送和接收两部分组成。 ◦ 从硬件上看，通信系统主要由信源、信宿、传输介质、
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1、频分多址FDMA
◦ 频分多址(FDMA)技术它把传输频带划分为若干个较窄 的且互不重叠的子频带，每个用户分配到一个固定子 频带，按频带区分用户。信号调制到该子频带内，各 用户信号同时传送，接收时分别按频带提取，从而实 现多址通信。
◦ Frequency Division Multiple Address
调制信号 m(t)
调制器
c(t)
载波信号
已调信号 s(t)
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2 模拟调制技术
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◦ 模拟调制一般指调制信号和载波都是连续波的调制 方式。它有调幅、调频和调相三种基本形式。
◦ Amplification ◦ Frequency ◦ Phase
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1G-2G-3G标准
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第 第一 一代 代（ （11GG)) 上 上世 世纪 纪8800年 年代 代
模拟
AMPS TACS NMT
其它
宽带业务 话音业务
数字技术 模拟技术
第 第二 二代 代（ （22GG)) 上 上世 世纪 纪9900年 年代 代
数字
(l)
◦ 但使用CDMA（码多分址技术）的地区只有日、韩 和北美，所以cdma2000的支持者不如WCDMA多。
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◦ 基站子系统BSS
◦ BSS系统是在一定的无线覆盖区中由MSC控制，与MS进行通信 的系统设备，它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功 能。功能实体可分为基站控制器（BSC）和基站收发信台 （BTS）。
◦ 网络交换子系统NSS
◦ 交换网路子系统（NSS）主要完成交换功能和客户数据与移动性 单管元5理物、联安网全通信性与管网理络技所术需的数据库功能。
3 数字调制技术
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◦ 数字调制分为调幅、调相和调频三类，分别对应幅移键控 （ASK）、相移键控（PSK）和频移键控（FSK）三种数字
调制方式。
0 11 0
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二进制 PSK
相位改变
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5.1.4 多址技术
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接收和发送5部分组成，如图所示。
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2 数字通信系统
◦ 通信有模拟Analog和数字Digital之分。 ◦ 模拟通信指信源发出和信宿接收及信道传输的都是模
拟信号，如第一代移动通信，我们在电影中看见的某 些大佬手里拿的像砖头一样的“大哥大”，就是模拟 通信。
◦ 而数字通信中信源发出和信宿接收的是模拟信号，而 信道传输的是数字信号。
信源
信源 编码
信道 编码
调制 器
信道
解调 信道
器
解码
信源 解码
信宿
噪声
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3 信源和信道编码
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◦ 在数字通信系统中信源编码目的是使信源减少冗余，更加经 济有效的传输。因为信源是模拟信息，所以信源编码主要是
把模拟信号转换为数字信号。包括语音压缩编码、图像压缩 编码等。例如将信息“真”，“假”变换成0、1、00、11或 其他码组。
◦ 而信道编码是为了提高系统传输的可靠性。类似运送玻璃杯 的途中，为保证物品不被打烂，通常会用泡沫或海绵将玻璃
杯包装起来，信道编码也与之类似，会在信息码元序列中增
加一些监督码元，这些监督码元与信息码元之间有一定的关 系，接收端可以利用这种关系来发现或纠正可能存在的错码。