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1、第6章数据通信与物理层协议 物理层协议主要功能信息 数据 信号之间关系传输介质类型及主要特征数据编码的类型和基本方法数据通信速率和带宽的定义数据传输技术 多路复用技术基本概念 6 1物理层的基本概念6 1 1物理层的主要服务功能处于网络体系结构最底层 向数据链路层提供比特流传输服务数据链路通过物理层接口传送比特流数据将比特流进行编码 信号通过传输介质传输给下一个结点物理层物理层主要功能 物理连接建立维护与释放比特流传输 6 1 2物理层协议的类型1 点 点通信线路物理层协议为建立 维护 释放数据链路之间比特传输的物理连接 机械 电气 功能 规程 EIA 232 C标准规定了计算机串行通信接口与
2、调制解调器之间物理接口 机械 电气 功能 规程 具体参数与工作流程家庭接入通过ADSL物理层协议 上行 下行传输速率标准 传输信号编码格式 电平 同步方式 连接接口等内容 线缆调制解调器 有线电视线缆接入 物理层标准有 线缆数据业务接口规范DOCSIS IEEE802 14物理层标准 6 1 2物理层协议的类型2 广播通信线路物理层协议广播通信线路 有线 无线有线传输介质 以太网802 3协议 包括多个物理层协议无线局域网 IEEE802 11 物理层标准 跳频扩频 直接序列扩频无线个人区域网 IEEE802 15 4 物理层标准 无线信道频段 调制方式 信号编码方式 发射与接收功率 同步方式
3、 6 3数据编码技术6 3 1数据编码类型 数据与数据编码关系 6 3 2模拟数据编码方法移幅键控ASK移频键控FSK移相键控PSK绝对调相相对调相多相调制 模拟数据信号编码方法 6 3 3数字数据编码方法 数字编码方法 6 3 4脉冲编码调制方法 PCM的工作原理 6 3 4脉冲编码调制方法采样 量化 编码 6 4数据通信系统结构与通信方式6 4 1数据通信系统结构 数据通信系统基本结构 6 4 2数据通信方式1 串行通信与并行通信串行通信 收发双方建立一条信道并行通信 收发双方建立多条信道 串行通信与并行通信 6 4 2数据通信方式2 单工 半双工 全双工通信 6 4 2数据通信方式3 同
4、步传输 异步传输 同步传输工作原理异步传输工作原理 6 5传输介质6 5 1双绞线的主要特性 6 5 2同轴电缆的主要特性基带同轴 仅用于数字信号传输宽带同轴 用于数字信号和模拟信号传输 频分多路复用 6 5 3光纤电缆的主要特性 光纤结构与传输原理 光纤传输系统结构 6 5 4无线与卫星通信技术1 电磁波谱与移动通信 6 5 4无线与卫星通信技术2 无线通信 6 5 4无线与卫星通信技术3 微波通信 高频无线电波的传播路径 6 5 4无线与卫星通信技术4 蜂窝无线通信第一代移动通信 模拟方式 语音信息以模拟信号传输第二代移动通信2G 数字方式 GSM TDMA等数字制式 手机接入互联网第三代
5、移动通信3G 实现互联网无缝漫游 处理音乐 图像 视频 网页浏览 电子商务活第四代移动通信4G 高速上网 已经商用 6 5 4无线与卫星通信技术5 卫星通信 卫星通信的工作原理 6 6数据传输速率的定义与信道速率的极限6 6 1数据传输速率的定义数据传输速率 S 1 T T发送每个比特所需时间 网络系统重要标志每秒传输数据代码比特数 bit s bps 注意几点 指结点向传输介质发送数据速率 即为发送速率计算速率使用十进制 1kbps 1000bps 1024bps 存储计算用二进制 比特率B 波特 用于模拟信号传输 每秒载波调制变化数 1 s 数据传输速率S bps 波特率B baud 关系
6、S B log2k 6 6 1数据传输速率的定义 第9章物理层与物理层协议 6 6 2信道带宽与香农定理香农定理 在有随机热噪声信道中传输数据信号 传输速率Rmax为 Rmax B log2 1 S N bps B 信道带宽 Hz S N 信噪比香农定理给出有限带宽 有热噪声信道的最大传输速率极限值最大传输速率与带宽之间存在明确关系 可以用 带宽 表示 传输速率 6 7多路复用技术6 7 1多路复用的基本概念1 多路复用与通信信道 多路复用系统的结构与功能 6 7 1多路复用的基本概念2 多路复用技术1 频分多路复用FDM 设置互不重叠多个频率信道 传输多路信号2 波分多路复用WDM 光纤上复
7、用多路光载波信号 光频分复用 3 时分多路复用TDM 为多个信道分配互不重叠时间片 传输多路信号4 码分多路复用CDM 3G手机移动通信共享信道方法 CDMA 5 正交频分多路复用OFDM 一种特殊的多载波传输技术 6 7 2时分多路复用1 时分多路复用的分类同步时分多路复用将时间片预先分配给各个信道 时间片固定不变 各个信道发送和接收必须同步统计时分多路复用异步时分多路复用 允许动态地分配时间片 6 7 2时分多路复用同步时分 6 7 3频分多路复用在一条通信线路上设置多个信道每个信道中心频率不同 各信道频率范围互不重叠一条通信线路可以同时传输多路信号 6 7 4波分多路复用一根光纤上复用多
8、路光载波信号 光的频分多路复用 共享光纤远距离传输 10 2无线局域网与802 11协议10 2 1无线局域网概述一 无线局域网定义计算机网络与无线通信技术相结合的产物 指采用无线传输介质的计算机局域网 利用无线电和红外线等无线方式 提供对等或点对点连通性的数据通信利用无线多址信道和带宽调制技术提供统一的物理层平台 以支持节点间的数据通信 为通信的移动化 个性化和多媒体应用提供可能 10 2无线局域网与802 11协议10 2 1无线局域网概述一 无线局域网定义 10 2 1无线局域网概述二 无线局域网的特点 1 移动性 网络和主机迁移方便 通信范围不再受线路环境的限制 扩大了覆盖范围 为便携
9、式设备提供有效的网络接入功能 用户可随时随地获取信息 2 灵活性 安装简单 组网灵活 可将网络延伸到线缆无法连接的地方 3 可伸缩性 添加接入点AP 或扩展点EP可扩展组网 4 经济性 可用于难以物理布线的环境 节省线缆 快速组网 可低成本快速组建临时性网络 10 2 1无线局域网概述三 无线局域网分类 10 2 1无线局域网概述四 无线局域网应用 1 作为传统的局域网的扩充 2 建筑物之间的互联 3 漫游访问 10 2 2无线局域网层次结构与组成一 无线局域网的组成1 站点通常包括终端用户设备 无线网络接口 网络软件三部分站点之间的通信距离由于天线辐射能力有限和应用环境不同而受到限制2 无线
10、介质站点与AP间通信的传输介质 由物理层标准定义3 无线接入点移动通信网络的基站BS 固定不动 具有无线网络接口的网络设备4 分布式系统将多个BS通过DS连接 形成一个扩展服务区ESA 10 2 2无线局域网层次结构与组成二 无线局域网拓扑结构1 分布对等式拓扑 10 2 2无线局域网层次结构与组成二 无线局域网拓扑结构2 基础架构集中式拓扑 10 2 2无线局域网层次结构与组成二 无线局域网拓扑结构3 ESS网络拓扑多个BSA通过DS连接形成的扩展区域 范围可达数千米 同一ESA的所有站组成ESS 在ESA中 AP除完成基本功能外 还可确定一个BSA的地理位置 ESS是一种由多个BSS组成的
11、多区网 每个BSS都有一个BSS标识 BSSD 如果网络由多个ESS组成 每个ESS也有一个ESSID 所有ESSID组成一个网络标识 NID 以区分不同网络 4 中继或桥接型拓扑两个或多个网络 LAN或WLAN 或网段可通过无线中继器 网桥或路由器等连接和扩展 10 2 3无线局域网层次模型结构一 IEEE802 11的层次结构模型 IEEE802 11协议标准 10 2 4802 11的CSMA CA工作原理1 802 11的MAC层服务类型MAC层采用CSMA CA冲突表面方法 冲突避免CA 要求每个发送结点在发送帧之前先侦听信道 如果信道空闲 结点可以发送帧 发送结点在发送完一帧之后
12、必须在等待一个短的时间间隔 检查接受结点是否发回帧的确认 ACK 如果接受到确认 则索命此次发送没有出现冲突 发送成功 如果在规定的时间内没有接受到确认 表明出现了冲突 发送失败 重发该帧 知道规定的最大重发次数 10 2 4802 11的CSMA CA工作原理1 802 11的MAC层服务类型 10 2 4802 11的CSMA CA工作原理2 CSMA CA基本工作原理执行信道载波侦听功能 当确定信道空闲时 源结点在等待DIFS时间之后 信道仍然空闲则发送一帧 发送结束后 源结点等待接收ACK帧 目的结点在收到正确的数据帧的SIFS时间之后 向源结点发送ACK帧 源结点在规定的时间之内接收
13、到ACK帧 说明没有发送冲突 该帧发送成功 10 2 4802 11的CSMA CA工作原理退避算法当信道从忙转到空闲时 各站不仅要等待一个DIFS时间 还必须执行退避算法 以进一步减少冲突的概率 采用二进制指数退避算法 它与802 3协议不同的地方时第i次退避在22 i个时间片中随机选择一个 当一个结点使用退避算法进入争用窗口时 它将启动一个退避定时器 按二进制指数退避算法随机选择退避时间片的值 当退避定时器的时间为0时 结点开始发送 如果此时信道已经转入忙 则结点将退避定时器复位后 重新进入退避争用状态 直到成功发送 10 5无线传感器网与物联网技术10 5 1无线传感器网络发展背景和特点
14、一 传感器和无线传感器网络传感器是指包含了敏感元件和转换元件的检测设备 能将检测和感知的信息变换成电信号 进一步转换成数字信息进行处理 存储和传输WSN综合了传感器 嵌入式计算 分布式信息处理和无线通信等技术 能协作地实时监控 感知和采集网络区域内的各种环境或被监测对象的信息 并予以处理和传输 发送给需要的用户WSN被认为是信息感知和采集的一场革命 在新一代物理中具有非常关键的作用 将会对人类的未来生活方式产生巨大影响 10 5 1无线传感器网络发展背景和特点二 无线传感器网络与传统无线网络的区别集成了监测 控制以及无线通信的网络系统 节点数目庞大 分布密传统无线网络的首要目标是提供高质量服务
15、和高效带宽利用 其次才考虑节能 而WSN的首要目标是能源的高效利用 这也是和传统网络的重要区别之一 三 无线传感器网络的特点 1 网络规模大 2 低速率 3 低功耗 4 低成本 5 短距离 6 可靠性 7 动态性 10 5 2无线传感器网络的基本结构一 WSN结点类型三种结点组成 传感器结点 汇聚结点 管理结点 10 5 2无线传感器网络的基本结构二 WSN结点结构4个部分组成 1 传感器模块 负责监控区域内信息采集和数据转换 2 处理器模块 负责整个传感器结点的操作 存储和处理传感器采集的数据 以及其他结点传送的数据 3 无线通信模块 负责与其他传感器结点进行无线通信 接收和发送手机的信息
16、交换控制信息 4 能量供应模块 通常是采用微型电池为传感器结点提供运行所需要的能量 10 5 2无线传感器网络的基本结构二 WSN结点结构 10 5 2无线传感器网络的基本结构三 WSN协议结构各层主要功能 1 物理层提供可靠的信号调制与无线发送 接收功能 2 数据链路层负责数据成帧 信道接入控制 帧检测与差错控制功能 3 网络层负责路由生成与路由选择功能 4 传输层负责数据流的传输控制功能 5 应用层负责基于任务的信息采集 处理 监控等应用服务功能 10 5 2无线传感器网络的基本结构三 WSN协议结构各平台主要功能 1 能量管理平台 负责完成监控传感器系统能量使用的功能 2 移动管理平台 负责实现监测与注册传感器结点的移动 维护汇聚结点的路由 以及动态追踪邻接点位置的功能 3 任务管理平台 负责实现在给定的区域内任务的平衡和调度监控功能 10 5 2无线传感器网络的基本结构四 基于功能的WSN结构模型 人有了知识 就会具备各种分析能力 明辨是非的能力 所以我们要勤恳读书 广泛阅读 古人说 书中自有黄金屋 通过阅读科技书籍 我们能丰富知识 培养逻辑思维能力 通过阅读文学作品 我们能提
