計算機網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信與物理層協(xié)議講述研究教程文件

計算機網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信與物理層協(xié)議講述研究6.1.2物理層協(xié)議的類型1．點-點通信線路物理層協(xié)議為建立、維護、釋放數(shù)據(jù)鏈路之間比特傳輸?shù)奈锢磉B接（機械、電氣、功能、規(guī)程）EIA-232-C標準規(guī)定了計算機串行通信接口與調(diào)制解調(diào)器之間物理接口（機械、電氣、功能、規(guī)程）具體參數(shù)與工作流程家庭接入通過ADSL物理層協(xié)議（上行/下行傳輸速率標準、傳輸信號編碼格式、電平、同步方式、連接接口等內(nèi)容）線纜調(diào)制解調(diào)器（有線電視線纜接入）物理層標準有：“線纜數(shù)據(jù)業(yè)務接口規(guī)范DOCSIS”、IEEE802.14物理層標準6.1.2物理層協(xié)議的類型2．廣播通信線路物理層協(xié)議廣播通信線路：有線、無線有線傳輸介質(zhì)（以太網(wǎng)802.3協(xié)議）包括多個物理層協(xié)議無線局域網(wǎng)（IEEE802.11）物理層標準：跳頻擴頻、直接序列擴頻無線個人區(qū)域網(wǎng)（IEEE802.15.4）物理層標準：無

線信道頻段、調(diào)制方式、信號編碼方式、發(fā)射與接收功率、同步方式6.3數(shù)據(jù)編碼技術(shù)6.3.1數(shù)據(jù)編碼類型數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)編碼關(guān)系6.3.2模擬數(shù)據(jù)編碼方法移幅鍵控ASK移頻鍵控FSK移相鍵控PSK絕對調(diào)相相對調(diào)相多相調(diào)制模擬數(shù)據(jù)信號編碼方法6.3.3數(shù)字數(shù)據(jù)編碼方法數(shù)字編碼方法6.3.4脈沖編碼調(diào)制方法PCM的工作原理6.3.4脈沖編碼調(diào)制方法采樣、量化、編碼6.4數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信方式6.4.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)6.4.2數(shù)據(jù)通信方式1．串行通信與并行通信串行通信：收發(fā)雙方建立一條信道并行通信：收發(fā)雙方建立多條信道串行通信與并行通信6.4.2數(shù)據(jù)通信方式2．單工、半雙工、全雙工通信6.4.2數(shù)據(jù)通信方式3．同步傳輸、異步傳輸同步傳輸工作原理

異步傳輸工作原理6.5傳輸介質(zhì)6.5.1雙絞線的主要特性6.5.2同軸電纜的主要特性基帶同軸：僅用于數(shù)字信號傳輸寬帶同軸：用于數(shù)字信號和模擬信號傳輸（頻分多路復用）6.5.3光纖電纜的主要特性光纖結(jié)構(gòu)與傳輸原理光纖傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6.5.4無線與衛(wèi)星通信技術(shù)1．電磁波譜與移動通信6.5.4無線與衛(wèi)星通信技術(shù)2．無線通信頻段劃分頻率范圍低頻（LF）30~300kHz中頻（MF）300kHz~3MHz高頻（HF）3~30MHz甚高頻（UHF）30~300MHz特高頻（VHF）300MHz~3GHz超高頻（SHF）3-30GHz極高頻（EHF）>30GHz6.5.4無線與衛(wèi)星通信技術(shù)3．微波通信高頻無線電波的傳播路徑6.5.4無線與衛(wèi)星通信技術(shù)4．蜂窩無線通信第一代移動通信（模擬方式），語音信息以模擬信號傳輸?shù)诙苿油ㄐ?G（數(shù)字方式），GSM、TDMA等數(shù)字制式，手機接入互聯(lián)網(wǎng)第三代移動通信3G，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)無縫漫游，處理音樂、圖像、視頻、網(wǎng)頁瀏覽，電子商務活第四代移動通信4G，高速上網(wǎng)，已經(jīng)商用6.5.4無線與衛(wèi)星通信技術(shù)5．衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信的工作原理6.6數(shù)據(jù)傳輸速率的定義與信道速率的極限6.6.1數(shù)據(jù)傳輸速率的定義數(shù)據(jù)傳輸速率：S=1/T（T

發(fā)送每個比特所需時間），網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)重要標志每秒傳輸數(shù)據(jù)代碼比特數(shù)（bit/s，bps）注意幾點：指結(jié)點向傳輸介質(zhì)發(fā)送數(shù)據(jù)速率，即為發(fā)送速率計算速率使用十進制，1kbps=1000bps≠1024bps（存儲計算用二進制）比特率B（波特）：用于模擬信號傳輸（每秒載波調(diào)制變化數(shù)，1/s）數(shù)據(jù)傳輸速率S（bps）、波特率B（baud）關(guān)系S=B·log2k6.6.1數(shù)據(jù)傳輸速率的定義波特率（baud）多相調(diào)制的相數(shù)數(shù)據(jù)傳輸速率（bps）1200二相調(diào)制（k=2）12001200四相調(diào)制（k=4）24001200八相調(diào)制（k=8）36001200十六相調(diào)制（k=16）4800第9章物理層與物理層協(xié)議6.6.2信道帶寬與香農(nóng)定理香農(nóng)定理：在有隨機熱噪聲信道中傳輸數(shù)據(jù)信號，傳輸速率Rmax為：Rmax=B·log2(1+S/N)（bps）B：信道帶寬（Hz）、S/N：信噪比香農(nóng)定理給出有限帶寬、有熱噪聲信道的最大傳輸速率極限值最大傳輸速率與帶寬之間存在明確關(guān)系，可以用“帶寬”表示“傳輸速率”6.7多路復用技術(shù)6.7.1多路復用的基本概念1．多路復用與通信信道多路復用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能6.7.1多路復用的基本概念2．多路復用技術(shù)1）頻分多路復用FDM：設(shè)置互不重疊多個頻率信道，傳輸多路信號2）波分多路復用WDM：光纖上復用多路光載波信號（光頻分復用）3）時分多路復用TDM：為多個信道分配互不重疊時間片，傳輸多路信號4）碼分多路復用CDM：3G手機移動通信共享信道方法（CDMA）5）正交頻分多路復用OFDM：一種特殊的多載波傳輸技術(shù)6.7.2時分多路復用1．時分多路復用的分類同步時分多路復用將時間片預先分配給各個信道，時間片固定不變，各個信道發(fā)送和接收必須同步統(tǒng)計時分多路復用異步時分多路復用，允許動態(tài)地分配時間片6.7.2時分多路復用同步時分6.7.3頻分多路復用在一條通信線路上設(shè)置多個信道每個信道中心頻率不同，各信道頻率范圍互不重疊一條通信線路可以同時傳輸多路信號6.7.4波分多路復用一根光纖上復用多路光載波信號（光的頻分多路復用）共享光纖遠距離傳輸10.2無線局域網(wǎng)與802.11協(xié)議10.2.1無線局域網(wǎng)概述一、無線局域網(wǎng)定義計算機網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，指采用無線傳輸介質(zhì)的計算機局域網(wǎng)。利用無線電和紅外線等無線方式，提供對等或點對點連通性的數(shù)據(jù)通信利用無線多址信道和帶寬調(diào)制技術(shù)提供統(tǒng)一的物理層平臺，以支持節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信，為通信的移動化、個性化和多媒體應用提供可能10.2無線局域網(wǎng)與802.11協(xié)議10.2.1無線局域網(wǎng)概述一、無線局域網(wǎng)定義10.2.1無線局域網(wǎng)概述二、無線局域網(wǎng)的特點（1）移動性。網(wǎng)絡(luò)和主機遷移方便，通信范圍不再受線路環(huán)境的限制，擴大了覆蓋范圍，為便攜式設(shè)備提供有效的網(wǎng)絡(luò)接入功能，用戶可隨時隨地獲取信息。（2）靈活性。安裝簡單，組網(wǎng)靈活，可將網(wǎng)絡(luò)延伸到線纜無法連接的地方（3）可伸縮性。添加接入點AP，或擴展點EP可擴展組網(wǎng)。（4）經(jīng)濟性。可用于難以物理布線的環(huán)境，節(jié)省線纜、快速組網(wǎng)，可低成本快速組建臨時性網(wǎng)絡(luò)。10.2.1無線局域網(wǎng)概述三、無線局域網(wǎng)分類10.2.1無線局域網(wǎng)概述四、無線局域網(wǎng)應用（1）作為傳統(tǒng)的局域網(wǎng)的擴充（2）建筑物之間的互聯(lián)（3）漫游訪問10.2.2無線局域網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)與組成一、無線局域網(wǎng)的組成1.站點通常包括終端用戶設(shè)備、無線網(wǎng)絡(luò)接口、網(wǎng)絡(luò)軟件三部分站點之間的通信距離由于天線輻射能力有限和應用環(huán)境不同而受到限制2.無線介質(zhì)站點與AP間通信的傳輸介質(zhì)，由物理層標準定義3.無線接入點移動通信網(wǎng)絡(luò)的基站BS，固定不動。具有無線網(wǎng)絡(luò)接口的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備4．分布式系統(tǒng)將多個BS通過DS連接，形成一個擴展服務區(qū)ESA10.2.2無線局域網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)與組成二、無線局域網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)1.分布對等式拓撲10.2.2無線局域網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)與組成二、無線局域網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)2.基礎(chǔ)架構(gòu)集中式拓撲10.2.2無線局域網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)與組成二、無線局域網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)3.ESS網(wǎng)絡(luò)拓撲多個BSA通過DS連接形成的擴展區(qū)域，范圍可達數(shù)千米。同一ESA的所有站組成ESS。在ESA中，AP除完成基本功能外，還可確定一個BSA的地理位置。ESS是一種由多個BSS組成的多區(qū)網(wǎng)，每個BSS都有一個BSS標識（BSSD）。如果網(wǎng)絡(luò)由多個ESS組成，每個ESS也有一個ESSID，所有ESSID組成一個網(wǎng)絡(luò)標識（NID）以區(qū)分不同網(wǎng)絡(luò)。4.中繼或橋接型拓撲兩個或多個網(wǎng)絡(luò)（LAN或WLAN）或網(wǎng)段可通過無線中繼器、網(wǎng)橋或路由器等連接和擴展10.2.3無線局域網(wǎng)層次模型結(jié)構(gòu)一、IEEE802.11的層次結(jié)構(gòu)模型IEEE802.11協(xié)議標準協(xié)議名稱發(fā)布時間說明IEEE802.111997年2.4GHz微波和紅外線標準，速率為1Mbps和2MbpsIEEE802.11a1999年5GHz微波標準，速率為54MbpsIEEE802.11b1999年2.4GHz微波標準，速率為5.5Mbps和11MbpsIEEE802.11c2000年IEEE802.11網(wǎng)絡(luò)和普通以太網(wǎng)之間互通IEEE802.11d2000年國際間漫游規(guī)范IEEE802.11e2005年服務質(zhì)量控制，包括數(shù)據(jù)包脈沖IEEE802.11f2003年服務訪問點間通信協(xié)議IEEE802.11g2003年2.4GHz微波標準，速率為54MbpsIEEE802.11h2003年5GHz微波頻譜管理（歐洲）IEEE802.11i2004年增強安全機制IEEE802.11j2004年微波頻譜擴展（日本）IEEE802.11k2008年微波測量規(guī)范IEEE802.11n2009年2.4G/5GHz使用MIMO技術(shù)，速率為100MbpsIEEE802.11p2010年車載環(huán)境的無線接入10.2.4802.11的CSMA/CA工作原理1.802.11的MAC層服務類型MAC層采用CSMA/CA沖突表面方法。沖突避免CA：要求每個發(fā)送結(jié)點在發(fā)送幀之前先偵聽信道。如果信道空閑，結(jié)點可以發(fā)送幀。發(fā)送結(jié)點在發(fā)送完一幀之后，必須在等待一個短的時間間隔，檢查接受結(jié)點是否發(fā)回幀的確認(ACK)。如果接受到確認，則索命此次發(fā)送沒有出現(xiàn)沖突，發(fā)送成功。如果在規(guī)定的時間內(nèi)沒有接受到確認，表明出現(xiàn)了沖突，發(fā)送失敗，重發(fā)該幀，知道規(guī)定的最大重發(fā)次數(shù)。10.2.4802.11的CSMA/CA工作原理1.802.11的MAC層服務類型10.2.4802.11的CSMA/CA工作原理2.CSMA/CA基本工作原理執(zhí)行信道載波偵聽功能。當確定信道空閑時，源結(jié)點在等待DIFS時間之后，信道仍然空閑則發(fā)送一幀。發(fā)送結(jié)束后，源結(jié)點等待接收ACK幀。目的結(jié)點在收到正確的數(shù)據(jù)幀的SIFS時間之后，向源結(jié)點發(fā)送ACK幀。源結(jié)點在規(guī)定的時間之內(nèi)接收到ACK幀，說明沒有發(fā)送沖突，該幀發(fā)送成功。10.2.4802.11的CSMA/CA工作原理退避算法當信道從忙轉(zhuǎn)到空閑時，各站不僅要等待一個DIFS時間，還必須執(zhí)行退避算法，以進一步減少沖突的概率。采用二進制指數(shù)退避算法。它與802.3協(xié)議不同的地方時第i次退避在22+i個時間片中隨機選擇一個。當一個結(jié)點使用退避算法進入爭用窗口時，它將啟動一個退避定時器，按二進制指數(shù)退避算法隨機選擇退避時間片的值。當退避定時器的時間為0時，結(jié)點開始發(fā)送。如果此時信道已經(jīng)轉(zhuǎn)入忙，則結(jié)點將退避定時器復位后，重新進入退避爭用狀態(tài)，直到成功發(fā)送。10.5無線傳感器網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)10.5.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展背景和特點一、傳感器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器是指包含了敏感元件和轉(zhuǎn)換元件的檢測設(shè)備，能將檢測和感知的信息變換成電信號，進一步轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息進行處理、存儲和傳輸WSN綜合了傳感器、嵌入式計算、分布式信息處理和無線通信等技術(shù)，能協(xié)作地實時監(jiān)控、感知和采集網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或被監(jiān)測對象的信息，并予以處理和傳輸，發(fā)送給需要的用戶WSN被認為是信息感知和采集的一場革命，在新一代物理中具有非常關(guān)鍵的作用，將會對人類的未來生活方式產(chǎn)生巨大影響10.5.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展背景和特點二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別集成了監(jiān)測、控制以及無線通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，節(jié)點數(shù)目龐大、分布密傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的首要目標是提供高質(zhì)量服務和高效帶寬利用，其次才考慮節(jié)能。而WSN的首要目標是能源的高效利用，這也是和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的重要區(qū)別之一。三、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點（1）網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大

（2）低速率（3）低功耗

（4）低成本（5）短距離

（6）可靠性（7）動態(tài)性10.5.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)一、WSN結(jié)點類型三種結(jié)點組成：傳感器結(jié)點，匯聚結(jié)點、管理結(jié)點10.5.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)二、WSN結(jié)點結(jié)構(gòu)4個部分組成：（1）傳感器模塊：負責監(jiān)控區(qū)域內(nèi)信息采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（2）處理器模塊：負責整個傳感器結(jié)點的操作，存儲和處理傳感器采集的數(shù)據(jù)，以及其他結(jié)點傳送的數(shù)據(jù)。（3）無線通信模塊：負責與其他傳感器結(jié)點進行無線通信，接收和發(fā)送手機的信息，交換控制信息。（4）能量供應模塊：通常是采用微型電池為傳感器結(jié)點提供運行所需要的能量。