物联网通信笔记

发表于 2021-06-23 更新于 2024-12-26 分类于学习笔记阅读次数：

知识点和作业题总结

知识点

通信：消息的传递
消息：符号、文字、语音、数据、图像等
信号：为了传递消息，各种消息必须转换为相应的电信号或光信号，信号是消息的载体，信息是消息的内涵。信息量即信息多少的量度，用信息熵表示
信息熵：
电信号、光信号：本质上都是电磁波，具有不同的频率和波长
频谱与带宽：实际上一种信号是由多个频率成分组成的，信号所包含的频率成分的范围称为频谱；信号的带宽就是该频谱的绝对宽度

通信系统（模型）：消息传递的过程中所经过的一系列环节构成通信系统，可抽象为一个通信系统模型

信源：信号的源头
信宿：信号的目的地
信道：信号传输的通道（按传输介质可分为：无线（明线、电缆光纤）和有线（微波、卫星））
物理信道：一个实际存在的物理实体信道称为物理信道，包含实际存在的物理设备和传输物理媒质。
逻辑信道：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。

模拟信号：信号是连续的变化状态，如语音信号
数字信号：信号是可数的、离散的变化状态，如数据、符号等（A：01000001）A/ D转换与D / A转换：
为了更有利于信号在信道中传送，传得更远，信道中一般不直接传送原始信号即基带信号，先要将它调制（加载）到高频载波（也是电磁波）上转换为频带信号，再传送
度量无线通信的技术性能：有效性度量（数量方面）、可靠性度量（质量方面）
无失真离散信源编码方法：等长编码、变长编码

低频(LF)：30~300 KHz、中频(MF)：300~3000 KHz、高频(HF) 3~30 MHz

基带传送：在传输介质上直接传送基带信号（双绞线、传统电话线）
多路复用：在一条物理介质上同时传送多路信号
频分复用（FDM）：将多路信号经过高频载波信号调制后在同一介质上传送，每路信号被调制到不同的载波频段上占用介质的不同频带实现复用
时分复用（TDM）：将多路模拟信号分别经过PCM调制后变为数字信号，然后每路信号以时分的方式在属于自己的时间片中占用传输介质的全部带宽进行复用
波分复用（WDM）：本质上是光域上的FDM技术，将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，每一个信道占用不同的光波频率（或波长），在发送端采用波分复用器（合波器）将不同波长的光载信号合并起来送入一根光纤进行传输；然后在接收端用分波器将这些由不同波长光载波信号组成的光信号分离开来

通信的交换技术：电路交换、报文交换、分组交换
通信方式：单工通信、半双工通信、全双工通信

物联网定义：
2005年ITU：物联网即物物相联的互联网
2012年ITU修改物联网定义：物联网是信息社会的一个全球基础设施，它基于现有和未来可互操作的信息和通信技术，通过物理的和虚拟的物物相联，来提供更好的服务。
物联网：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络系统。

物联网实现物理世界与信息世界的无缝连接
连接到物联网上的每个“物”应该具有4个基本的特征：地址标识、感知能力、通信能力和可以控制
物联网提供服务特点：任何人可以在任何时候、任何地方，通过任何网络或途径访问任何资源和任何服务

物联网三层框架及其通信结构：感知层、网络层、应用层
在物联网中，通信的主要作用是将信息可靠安全地传送到目的地。
物联网所采用的通信方式和通信系统也具有异构性和复杂性，采用的是以数据为主的通信手段，物联网的感知控制层的通信方式最为复杂。

感知控制的通信目的是将各种设备传感设备（或数据采集设备以及连同的控制设备）所感知的信息在较短的通信距离内送到信息汇聚系统，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短，传输方式灵活、多样。

感知控制层所采用的通信技术主要分为短距离有线通信、短距离无线通信和无线传感器网络。
感知层短距离有线通信技术主要是由各种串行数据通信技术构成的，目前采用的技术有RS-232/485、USB、CAN工业总线、及各种串行数据通信技术。
感知层短距离无线通信技术主要有各种低功率、中高频无线数据传输技术，目前主要采用蓝牙、红外、低功率无线数传电台、无线局域网等技术来完成短距离无线通信任务。

无线传感器网络（WSN）是一种部署在感知区域内的大量的微型传感器节点通过无线传输方式形成的一个多跳的自组织系统。它一种具有网络规模大、自组织、多跳路由、动态拓扑、可靠性高的以数据为中心的、能量受限的通信网络，是“狭义”上的物联网，也是物联网的核心技术之一。

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
网络传输层通信系统中支持计算机通信系统的数据传送网可由公众固定网、公众移动通信网、公众数据网及其他专用网构成。
目前的公众固定、移动通信网、公众数据网主要有PSTN（公众电话交换网）、GSM（全球移动通信系统）、CDMA（码分多址）、TD-SCDMA（时分同步码分多址)、DDN（数字数据网）、ATM（异步传输模式）、FR（帧中继）等，它们为物联网的网络层提供了数据传送平台

公众通信网和专用传送网构成的数据传送平台是物联网网络传输层的基础设施，
主机、网络交换机及路由器等构成的计算机网络系统是物联网网络传输层的功能设施，
为物联网提供各种信息存储、信息传送、信息处理等各项基础服务，为物联网的综合应用层提供了信息承载平台，保障了物联网各专业领域的应用。

物联网通信技术几个研究方面：频谱分配与扩频通信、异构网络融合、IP 网络技术等。
OSI参考模型七层：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、链路层、物理层
TCP/IP参考模型：应用层、传输层、网络层、网络接口层

物联网通信体系结构：

RS-232串口通信最简单的三线连接法：TXD（发送数据）-RXD（接收数据）、RXD-TXD、Ground（信号地）-Ground
USB引脚：红（电源正5V）、白（数据-）、绿（数据+）、黑（地）（针脚顺序左往右）
Mini-USB引脚：与USB相比增加ID（A型与地相连、B型不接地）（针脚4是ID、5是地）

USB拓扑结构（分层的星型拓扑）组成：USB连接、USB设备、USB主机7层体系，最多5层USB Hub
USB总线结构：USB连接、USB设备、USB主机
USB主机系统：USB功能应用、USB设备驱动、USB总线接口
USB传输方式：控制传输方式、数据块传输方式、同步传输方式、中断传输方式
USB传输技术：2.0以前差分半双工，3.0差分全双工
USB的发展：3.0，4.0，无线，双机互连，主动式光纤缆线

CAN总线系统由三个主要功能部件组成：CAN收发器、数据传输终端、数据传输线

无线通信是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式
目前信息通信领域中，发展最快、应用最广的就是无线通信技术。在移动中实现的无线通信又通称为移动通信，人们把二者合称为无线移动通信。

无线个人区域网（WPAN）：蓝牙、ZigBee（低成本、低功率的无线通信）和超宽带UWB（高速近距无线通信）
无线局域网：WiFi
宽带无线接入：WiMAX
蜂窝电话系统——最成功的无线网络
卫星通信系统：广播视频、语音，卫星电话，定位

无线信道主要以辐射无线电波为传输方式的无线电信道和在水下传播声波的水声信道等。

不同频段的无线电波有不同的传播方式：
地波传输：地球和电离层构成波导，中长波、长波和甚长波可以在这天然波导内沿着地面传播并绕过地面的障碍物
天波传输：短波、超短波可以通过电离层形成的反射信道和对流层形成的散射信道进行传播
视距传输：对于超短波、微波等更高频率的电磁波，通常采用直接点对点的直线传输
无线信道举例：无线电视距中继、卫星中继信道
常用的无线ISM频段分为工业（902-928MHz），科学研究（2.42-2.4835GHz）和医疗（5.725-5.850GHz）
局域网IEEE 802.11b/g工作在2.4～2.4835GHz频段

“蓝牙”是一种近距离无线连接技术标准的代称，蓝牙的实质就是要建立通用的无线电空中接口及其控制软件的公开标准。
蓝牙是一种近距离无线通信技术，它的标准是IEEE 802.15，工作在2.4GHz频带，带宽为1 Mbps。电子装置彼此可以通过蓝牙连接起来，省去了传统的电线。通过芯片上的无线接收器，配有蓝牙的电子产品能够在10m的距离内彼此相连，传输速率可以达到1 Mbps。
蓝牙技术：跳频技术（1600跳/s跳转一个信道，传送一个时隙数据，即产生一次跳频）

蓝牙系统的基本术语：
微微网：是由采用蓝牙技术的所有设备以对等网方式组成的网络。最多由8台设备构成。
分布式网络：是由多个独立、非同步的微微网形成的,也叫散射网络。
主设备（主单元）：在微微网中，如果某台设备的时钟和跳频序列用于同步其他设备，则称它为主设备。
从设备（从单元）：非主设备的设备均为从设备。
MAC地址：用3 bit表示的地址，用于区分微微网中的设备。
休眠设备：在微微网中只参与同步，但没有MAC地址的设备。
监听及保持方式：指微微网中从设备的两种低功耗工作方式。

蓝牙协议体系结构:核心协议层：基带、链路管理协议(LMP)、适配协议和逻辑链路控制应用协议(L2CAP)、服务搜索协议(SDP)。

由ZigBee技术构建的无线传感网，是由一组ZigBee节点以Ad-Hoc自组织多跳方式构成的。部分或全部节点都是可以移动的，网络的拓扑结构也会随着节点的移动而不断发生变化。每个节点都具有动态搜索、定位跟踪和恢复连接的能力。

ZigBee是一种开放的协议，物理层（PHY）和MAC层则采用了IEEE 802.15.4标准，而其他上层则由ZigBee联盟自己定义。其主要特点如下：
低功耗。ZigBee网络节点设备工作周期较短、收发信息功率低，并且采用了休眠模式。
传输可靠，抗干扰强。
低成本。由于ZigBee协议栈设计简练，因此，它的研发成本相对较低。
安全。ZigBee技术提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128/64/32，并且各应用可以灵活地确定其安全属性，使网络安全能够得到更有效的保障。
速度快，距离远。

ZigBee网络拓扑结构：星型网络拓扑结构、网状拓扑结构、簇-树状网络拓扑结构

ZigBee物理设备：全功能设备（FFD）、简化功能设备（RFD）
FFD适应星形、簇-树形、网状；RFD适应星形
FFD：具有转发与路由能力，拥有足够的存储空间来存储路由信息，具备处理控制能力，可作为协调器，可与任何ZigBee设备通信。
RFD：不具备转发与路由能力，内存小、功耗低，只发送与接收信号，不能作为协调器，只能与全功能设备通信。

ZigBee三类逻辑设备：ZigBee协调器、ZigBee路由设备、ZigBee终端设备
ZigBee协调器：3类设备中最复杂的一种，存储容量最大，计算能力最强，必须是全功能设备。每个ZigBee网络必须有且只有一个协调器，负责发送网络信标、建立、初始化和管理网络，确定信道，分配16位网络地址。
ZigBee路由设备：是一个全功能设备，在接入网络后它自动获得一个16位网络地址，并允许在其通信范围内的其他节点加入或退出网络，同时还具有路由与转发数据能力。
ZigBee终端设备：可以由全功能设备或简化功能设备构成，它只能与父节点进行通信，并从父节点处获得网络标识和短地址信息。
一个节点是一个设备，有一个射频端，一个64位IEEE地址(全球唯一)，一个16位网络地址。

ZigBee的带宽和数据传输率：
2.4 GHz（ISM频带）：全世界使用、数据传输率250kbps、信道16
868MHz：欧洲使用、数据传输率20kbps、信道1
915GHz（ISM频带）：北美使用、数据传输率40kbps、信道10

ZigBee MAC子层数据帧格式：MHR（MAC层帧头）、MAC载荷、MFR

ZigBee通信可靠性保证：通信可靠机制、网络的自组织治愈能力强
通信可靠机制：CSMA-CA的碰撞避免机制、完全确认的数据传输机制
ZigBee采用了CSMA-CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；明晰的信道检测
MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接受方的确认信息。
网络的自组织自愈能力强
ZigBee的自组织功能：无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连结关系，组成结构化的网络；
ZigBee自愈功能：增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应的调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。

超宽带无线电是指具有很高带宽比（射频带宽与其中心频率之比）的无线电技术。
美国FCC对UWB的定义为：（或者总带宽不小于500 MHz）
其中，fH、fL分别为功率较峰值功率下降10 dB时所对应的高端频率和低端频率，fC为载波频率或中心频率。

UWB通信系统的主要实现方式：基带脉冲方式和载波调制方式。
前者是传统的UWB通信方式，后者是FCC规定了UWB通信的频率使用范围和功率限制后，在UW无线通信标准化的过程中提出的。载波调制的UWB通信系统又可分为单带和多带两种形式。（脉冲无线电、单载波方式、多带载波方式）

UWB的技术特点：系统结构的实现比较简单、高速的数据传输、功耗低、安全性高、多径分辨能力强、定位精确、工程简单，造价便宜

红外线(Infrared)是一种波长范围在750 nm1 mm之间的电磁波，它的频率高于微波而低于可见光，是一种人眼看不到的光线。
红外通信一般采用红外波段内的近红外线，即采用波长在0.7525μm之间的电磁波进行无线通信。

1993年成立的红外数据协会(Infrared Data Association，IrDA)，为了保证不同厂商生产的红外产品能够获得最佳的通信效果，制定的红外通信协议将红外数据通信所采用的光波波长的范围限定在850~900 nm之间。

红外通信特点：

具有极强的保密性
避免常规无线电波之间的相互干扰；
带宽较宽，可承载高速数据传输；
设备结构简单、成本低、耗电少，能高速数据通信；
依靠低成本的红外发射器与接收器就能进行高速数据通信。

无线个人局域网（WPAN）是一种采用无线连接的个人局域网。它被用在诸如电话、计算机、附属设备以及小范围（个人局域网的工作范围一般是在10米以内）内的数字助理设备之间的通讯。
支持无线个人局域网的技术包括：蓝牙、ZigBee、超频波段（UWB）、IrDA、HomeRF等

近场通信（Near Field Communication，NFC）是一种短距高频的无线电技术，在13.56MHz频率运行于20厘米距离内。其传输速度有106 Kbit/秒、212 Kbit/秒或者424 Kbit/秒三种。
目前近场通信已通过成为ISO/IEC IS 18092国际标准、ECMA-340标准与ETSI TS 102 190标准。

NFC采用主动和被动两种读取模式。
NFC工作模式：卡模式、点对点模式
卡模式（Card emulation）：这个模式其实就是相当于一张采用RFID技术的IC卡。此种方式下，有一个极大的优点，那就是卡片通过非接触读卡器的 RF 域来供电，即便是寄主设备（如手机）没电也可以工作
点对点模式（P2P mode）：这个模式和红外线差不多，可用于数据交换，只是传输距离较短，传输创建速度较快，传输速度也快些，功耗低（蓝牙也类似）。将两个具备NFC功能的设备链接，能实现数据点对点传输

NFC特征：

与RFID一样，NFC信息也是通过频谱中无线频率部分的电磁感应耦合方式传递，但两者之间还是存在很大的区别。
NFC是一种提供轻松、安全、迅速的通信的无线连接技术，其传输范围比RFID小。
NFC与现有非接触智能卡技术兼容，已经成为得到越来越多主要厂商支持的正式标准。
NFC还是一种近距离连接协议，提供各种设备间轻松、安全、迅速而自动的通信。
与无线世界中的其他连接方式相比，NFC是一种近距离的私密通信方式。

支持NFC的设备可以在主动或被动模式下交换数据。
在被动模式下，启动NFC通信的设备，也称为NFC发起设备(主设备)，在整个通信过程中提供射频场(RF-field)。它可以选择106kbps、212kbps或424kbps其中一种传输速度，将数据发送到另一台设备。另一台设备称为NFC目标设备(从设备)，不必产生射频场，而使用负载调制(load modulation)技术，即可以相同的速度将数据传回发起设备。

NFC与RFID区别

NFC将非接触读卡器、非接触卡和点对点功能整合进一块单芯片，而RFID必须有阅读器和标签组成。
NFC传输范围比RFID小
应用方向不同

计算机网络是利用通信线路将地理位置分散的、具有独立功能的许多计算机系统连接起来，按照某种协议进行数据通信，以实现资源共享及分布式处理的系统。

按网络结点分布，计算机网络可分为局域网（LAN）、广域网（WAN）和城域网（MAN）。

按交换方式计算机网络可分为电路交换网络、报文交换网络和分组交换网络等。

按网络拓扑结构计算机网络可分为星型网络、树状网络、总线型网络、环型网络和网状网络等。

带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）工作流程：先听后发、边发边听、冲突停止、随机延迟后重发

IP（v4）编址方式：网络号+主机号
IP编址方式-子网编址：网络地址+子网地址+主机地址
IP编址方式-无分类编址：IP地址/网络位数

无线局域网（Wireless LAN，WLAN）是20世纪90年代计算机网络与无线通信技术相结合的产物。

与有线LAN相比，无线LAN具有以下主要优点：

由于无线LAN不需要布线；
无线LAN可作为有线LAN的无线延伸，也可用于有线LAN的无线互连；
便于笔记本等便携式计算机的接入；
不受场地限制，能迅速建立局域网；例如，大型展示会、灾后网络恢复等需要短时间内建立一些临时局域网。
通过支持移动IP，实现移动计算机网络。

无线局域网的技术要点：可靠性、兼容性、数据传输速率、通信安全、移动性

可靠性：分组丢失率应该低于10-5，误码率应该低于10-8；
兼容性：室内应用的局域网，应尽可能与现有的有线局域网兼容，现有的网络操作系统和网络软件应能在无线局域网上不加修改地正常运行；
数据传输速率：为了满足局域网的业务环境，无线局域网至少应具备1 Mbit/s的数据传输速率，802.11n可达几百Mbps；
通信安全：无线局域网可在不同层次采取措施来保证通信的安全性；
移动性：无线局域网中的网站分为全移动站与半移动站。全移动站指在网络覆盖范围内该站可在移动状态下保持与网络的通信。半移动站指在网络覆盖范围内网中的站可自由移动，但仅在静止状态下才能与网络通信。

无线网卡：PCMCIA无线网卡、PCI无线网卡、USB无线网卡
无线网桥也称无线网关、无线接入点或无线AP(Access Point)
AP通过标准接口，经由集线器(hub)、路由器(router)与因特网(Intemet)相连，
IEEE 802.11标准无线局域网的构件

无线局域网最小构件：基本服务集合（BSS）、拓展服务集（ESS）
基本服务集(Basic Service Set，BSS)，一个BSS包括一个AP和若干个移动站；
扩展服务集(ESS，Extension Service Set)：包括两个或更多的基本服务集

无线局域网的拓扑结构：无中心拓扑（对等式拓扑）、单接入点方式、多接入点方式、多蜂窝漫游工作方式

IEEE 802.11标准规定了物理层的三种实现方法：跳频扩频、直接序列扩频、红外技术

跳频扩频（Frequency Hopping Spread Spectrum，FHSS）是扩频技术中常用的一种。
直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）是另一种重要的扩频技术。红外技术（Infrared，IR）是指使用波长为850-950 nm的红外线在室内传送数据。

FHSS是一种载频不断随机改变的扩频技术。载频的变化规律受一串伪随机码的控制，发送端和接收端用相同的伪随机码控制频率的变化规律。在某一时刻，即使有特定频率的杂波进行干扰，载波频率立即改变成其他频率，因此抗干扰性强。

隐蔽站问题：当A和C都检测不到无线信号时，以为B是空的向B发送数据，结果B同时收到A和C发送的数据发生碰撞
暴露站问题：当站B向A发送数据，而C又想和D通信时，由于C检测到了媒体上有信号，于是不能向D发送数据

请求发送帧RTS(Request To Send) 允许发送帧CTS(Clear To Send)
发送端→ RTS →接收端
接收端→ CTS →发送端
发送端→数据帧→接收端
接收端→ ACK →发送端

CSMA/CA（载波侦听多路访问／冲突避免）和CSMA/CD（载波帧听，多路访问/冲突检测）的区别：

CSMA/CD：可以检测冲突，但无法“避免”
CSMA/CA：不能检测到信道上有无冲突，只能尽量“避免”
传输介质不同，CSMA/CD用于总线式以太网，而CSMA/CA则用于无线局域网802.11a/b/g/n等等
检测方式不同，CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测，当数据发生碰撞时，电缆中的电压就会随着发生变化；而CSMA/CA采用能量检测(ED)、载波检测(CS)和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式

WLAN为什么不能用CSMA/CD协议而必须使用CSMA/CA协议：WLAN中，信号动态变化范围大，对某个节点来说，其刚刚发出的信号强度要远高于来自其他节点的信号强度，也就是说它自己的信号会把其他的信号给覆盖掉，在WLAN中实现CSMA/CD是比较困难

早期出现的本地多点分配系统LMDS（Local Multipoint Distribution System）就是一种宽带无线城域网接入技术。许多国家把27.5 GHz~29.5GHz定为LMDS频段。然而由于缺乏统一的技术标准，LMDS一直未能普及起来。
WiMAX是Worldwide Interoperability for Microwave Access的缩写(意思是“全球微波接入的互操作性”，AX表示Access)。在许多文献中，我们可以见到WiMAX常用来表示无线城域网WMAN，这与Wi-Fi常用来表示无线局域网WLAN相似。但应分清：IEEE的802.16工作组是无线城域网标准的制定者，而WiMAX论坛则是802.1技术的推动者。

无线城域网共有两个正式标准：802.16d、 802.16e

802.16可覆盖一个城市的部分区域，通信的距离变化很大（远的可达50公里）
802.16必须有不同的物理层
802.16的基站可能需要多个定向天线
802.16对差错的处理尤为重要

起基础性作用的是空中接口IEEE802. 16 与802. 16a

WiMax技术标准为IEEE 802. 16系列， WiMax采用IEEE 802. 16系列标准尤其是802. 16a，作为物理层及MAC 层技术，WiMax 技术还可具备在2～66GHz频带范围内可利用所有需要或不需要许可的频带，以及确保服务质量(QoS) 等功能。
WiMax 设备通常由安装在建筑物上的基站或塔式基站和家庭或办公场所内的用户接入终端组成
WiMAX工作原理：非视线无线上网型服务、视线型服务

WiMAX与WiFi的区别

传输范围分析
WiMAX的设计可以在需要执照的无线频段，或是公用的无线频段进行网络运作；WiFi的设计则只在公用频段中的2.4 GHz到5 GHZ之间工作
一般的WiMAX的传输功率大约100千瓦，所以WiFi的功率大约是WiMAX的一百万分之一
使用WiFi基地台一百万倍传输功率的WiMAX基地台，会有比WiFi终端更大的传输距离
传输速度分析
虽然WiMAX声称最高速度每秒324Mbyte，然而最新的WiFi MIMO理论上也有每秒108Mbyte的最高速度
安全性分析
WiMAX使用的是与WiFi的WPA2标准相似的认证与加密方法。其中的微小区别在于WiMAX的安全机制使用3DES或AES加密，然后再加上EAP，而WiFi的WPA2则是用典型的PEAP认证与AES加密。
移动性分析
WiMAX标准之一802.16e提供的主要是具有一定移动特性的宽带数据业务，面向的用户主要是笔记本终端和802.16e终端持有者。802.16e为了获得较高的数据接入带宽(30 Mbit/s)，必然要牺牲覆盖和移动性，因此802.16e在相当长的时间内将主要解决热点覆盖，网络可以提供部分的移动性
在移动性方面WiFi技术也是支持的，但是不支持两个WiFi基地台之间的终端的切换

通信网是各种通信节点（端节点、交换节点、转接点）及连接各节点的传输链路互相依存的有机结合体，以实现两点及多个规定点间的通信体系

基本功能：克服时间、空间等障碍实现有效的信息交换
构成要素：从硬件设施方面去看，通信网由终端设备、交换设备及传输链路三大要素组成

通信系统模型：网状网、交换式网络

网状网不适用于构建广域通信网
1. 每个用户之间都要有直达线路，成本太高，技术不可行
2. 用户永久独占通信线路，巨大浪费资源
3. 难于控制和管理
交换式网络
1. 引入交换节点，用户线与交换节点相接，通信时通过交换节点进行转接交换，交换节点之间通过中继线相连
2. 通过复杂的控制机制来“按需分配”网络资源

通信网的拓扑结构：星型网、网型网、网孔型网、环型网、总线型网、树型网、复合型网
电话网的构成要素：终端设备、交换设备、传输系统

移动通信网的覆盖方式

大区：1BS=1服务区（30-50KM）
小区：1服务区=n小区（2-10KM）

FDMA（频分多址）：把总带宽分隔成多个正交的信道，每一个信道每一次只能分配给一个用户
TDMA（时分多址）：在一个带宽上，把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），每个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户。
CDMA（码分多址）：利用码序列相关性实现的多址通信，每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。

GSM的网络结构：MS（移动台）、BSS（基站子系统）、NSS（网络子系统）、OSS（操作子系统）
移动台用IMSI（国际移动用户识别码）来标识自己时的位置登记和删除

GPRS网络结构：GPRS网关支持节点（GGSN）、GPRS服务支持节点（SGSN）、基站发信台（BTS）、基站控制器（BSC）、分组控制单元（PCU）、移动交换中心（MSC）、短消息中心（SMSC）、归属位置寄存器（SLR）、边界网关（BG）、计费网关（CG）、域名服务器（DNS）

异构网络（Heterogeneous Networks，HetNets）是指一种多协议网络，其构成主要包含不同制造商生产的网络设备和相关应用系统。
互联网是由多个异构网络互联组成的，用来连接异构网络的设备是路由器。
两个或以上采用了不同的接入技术，或者是采用相同的无线接入技术但网络设备在网络带宽、存储/计算/处理等资源上有明显差别的无线通信系统智能地融合在一起，构成异构无线网络。
异构终端以协同自组的方式密集部署而形成异构网络，同时多种异构网络也以协同自组的方式进行互联

切换是指移动终端之间的连接从一个信道转移到另一个信道的过程。
水平切换：同构网络不同小区之间的切换
垂直切换：异构网络之间的切换。

网络选择是当用户从一个网络离开的时候，如何确定其他备选网络以及选择网络以及选择哪个网络进行接入的问题。

作业题

简述频分、时分和波分复用技术工作原理。

答：频分复用（FDM）：将多路信号经过高频载波信号调制后在同一介质上传送，每路信号被调制到不同的载波频段上占用介质的不同频带实现复用
时分复用（TDM）：将多路模拟信号分别经过PCM调制后变为数字信号，然后每路信号以时分的方式在属于自己的时间片中占用传输介质的全部带宽进行复用
波分复用（WDM）：本质上是光域上的FDM技术，将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，每一个信道占用不同的光波频率（或波长），在发送端采用波分复用器（合波器）将不同波长的光载信号合并起来送入一根光纤进行传输；然后在接收端用分波器将这些由不同波长光载波信号组成的光信号分离开来

试画出RS-232C收发接口的标准连接及最简单连接方式。

答：标准连接(9对9)：
略
最简单连接(3对3)：
略

USB总线主要由哪几部分组成？

答：
USB总线结构：USB连接、USB设备、USB主机
USB设备是通过USB总线连接到USB主机上的。USB总线上的物理连接是一个分层的星形拓扑。处于每个星形拓扑中央的是hub（USB集线器）。在主机和一个hub或者一个应用之间以及在hub和其它hub或应用之间都是一个点对点的连接。
在USB总线中只有一个主机。USB总线与计算机主机系统的接口部分就是主机控制器，它可被看作一个硬件、固件和软件的结合体。主机系统中集成了一个根hub来提供一个或多个连接点。
USB互连是指USB设备与主机之间进行连接和通信的操作，它包括总线拓扑结构、通信各层的任务和相互关系、数据流模型，以及主机与多路USB设备通信时的带宽分配等内容。

简述蓝牙技术的网络结构。

答：微微网。微微网是由采用蓝牙技术的设备以特定方式组成的网络。微微网的建立由两台设备的连接开始，最多由8台设备构成。
分布式网络，也叫散射网络。分布式网络是由多个独立、非同步的微微网形成的，它靠调频顺序识别每个微微网。
主设备（主单元）：在微微网中，如果某台设备的时钟和跳频序列用于同步其他设备，则称它为主设备。
从设备（从单元）：非主设备的设备均为从设备
休眠设备：在微微网中只参与同步，但没有MAC地址的设备。
蓝牙技术的网络结构如下图。
略

简述蓝牙技术的协议体系结构。

答：蓝牙协议体系结构可以分为底层硬件模块、核心协议层、高端应用层三大部分，如下图所示。略

物理硬件部分：链路管理器(LM)、基带(BB)和蓝牙射频(RF)构成了蓝牙的物理模块。RF通过2.4GHz的ISM频段实现数据位流的传输。它主要定义了蓝牙收发器应满足的条件。基带负责调频和蓝牙数据与信息帧的传输。基带就是蓝牙的物理层，它负责管理物理信道和链路中除了错误纠正、数据处理、调频选择和蓝牙安全之外的所有业务。链路管理器负责连接的建立和拆除以及链路的安全和控制，其为上层软件模块提供了不同的访问入口，但是两个模块接口之间的信息和数据传输必须通过蓝牙主机控制器(HCI)的解析。
核心协议是蓝牙协议的关键部分，包括基带部分协议和其他低层链路功能的基带/链路控制器协议；用于链路的建立、安全和控制的链路管理协议LMP；描述主机控制器接口的HCI协议；支持高层协议复用、帧的组装和拆分的逻辑链路控制和适配协议L2CAP；服务发现协议SDP等。核心协议层：基带、链路管理协议(LMP)、适配协议和逻辑链路控制应用协议(L2CAP)、服务搜索协议(SDP)。
应用层协议：电缆代替协议(RFCOMM)、电话控制协议(TCS)、与Internet相关的高层协议、无线应用协议(WAP)、点对点协议(PPP)、对象交换协议(OBEX)、TCP/UDP/IP。

ZigBee网络设备类型有哪些？

答：
ZigBee物理设备：全功能设备（FFD）、简化功能设备（RFD）
FFD：具有转发与路由能力，拥有足够的存储空间来存储路由信息，具备处理控制能力，可作为协调器，可与任何ZigBee设备通信。
RFD：不具备转发与路由能力，内存小、功耗低，只发送与接收信号，不能作为协调器，只能与全功能设备通信。
ZigBee三类逻辑设备：ZigBee协调器、ZigBee路由设备、ZigBee终端设备
ZigBee协调器：3类设备中最复杂的一种，存储容量最大，计算能力最强，必须是全功能设备。每个ZigBee网络必须有且只有一个协调器，负责发送网络信标、建立、初始化和管理网络，确定信道，分配16位网络地址。
ZigBee路由设备：是一个全功能设备，在接入网络后它自动获得一个16位网络地址，并允许在其通信范围内的其他节点加入或退出网络，同时还具有路由与转发数据能力。
ZigBee终端设备：可以由全功能设备或简化功能设备构成，它只能与父节点进行通信，并从父节点处获得网络标识和短地址信息。

ZigBee网络拓扑有哪几种？

答：ZigBee网络拓扑结构：星型网络拓扑结构、网状拓扑结构、簇-树状网络拓扑结构
星形结构：星形结构是由一个ZigBee协调点和一个或多个ZigBee终端节点构成。 ZigBee 协调点必须是FFD，它位于网络的中心位置，负责建立和维护整个网络，其他节点一般为RFD，也可以为FFD，它们分布在ZigBee协调点的覆盖范围内，直接与ZigBee协调点进行通信。
网状结构：网状网络一般是由若干个FFD连接在一起组成的骨干网。它们之间是完全的对等通信，每一个节点都可以与其无线通信范围内的其他节点进行通信，但它们中也有一个会被推荐为ZigBee的协调点。骨干网中的节点还可以连接FFD或RFD构成以它为协调点的子网。网状网络是一种高可靠性网络，具有自动恢复的能力，可以为传输的数据包提供多条传输路径，一旦条路径出现了故障，便可选择另一条或多条路径。但正是由于两个节点之间存在多条路径，使得该网络成为一种高冗余的通信网络。
簇-树状结构：簇-树状网络中，节点可以采用Cluster-Tree路由来传输数据和控制信息。枝干末端的叶子节点一般为RFD。每一个在它的覆盖范围中充当协调点的FFD向与它相连的节点提供同步服务，而这些协调点又受ZigBee协调点的控制。ZigBee协调点比网络中的其他协调点具有更强的处理能力。簇-树状网络的一个显著优点是它的网络覆盖范围非常大，但随着覆盖范围的不断增大，信息-传输的延时也会逐渐变大，从而使同步变得越来越复杂。

FCC如何定义UMB？

答：
美国FCC对UWB的定义为：
（或者总带宽不小于500 MHz）
其中，fH、fL分别为功率较峰值功率下降10 dB时所对应的高端频率和低端频率，fC为载波频率或中心频率。

什么是IrDA？如何规定IrDA 的通信波长？

答：1993年成立的红外数据协会(Infrared Data Association，IrDA)，为了保证不同厂商生产的红外产品能够获得最佳的通信效果，制定的红外通信协议将红外数据通信所采用的光波波长的范围限定在850~900 nm之间。

试述红外通信各低层协议的简要功能。

答：强制性的低层协议：
物理层连接协议(Infrared Physical Layer Link Specification，IrPHY)。IrPHY提供了红外设备的连接规范，涵盖了红外收发器、数据比特的编码和解码、传输距离、传输视角发光功率等。
链路层访问协议(Infrared Link Access Protocol，IrLAP)。IrLAP规定了红外设备一下连接过程的基本要求：

设备搜索：搜寻红外辐射空间存在的设备；
选择连接：选择合适的传送对象，协商双方均支持的最佳通信参数并进行连接；
数据交换：用协商好的参数进行可靠的数据交换。
断开连接：关闭链路并且返回到常规断开状态，等待新的连接。

链路管理层协议(Infrared Link Management Protocol，IrLMP)。链路连接管理协议(IrLMP)是IrDA设备的一部分，通过该设备上的软件可以发现另一个设备所能够提供的服务。包括探测、复用连接、控制连接。

画图说明TCP/IP的组成。

答：略

试用具体例子说明为什么在运输连接建立时要使用三次握手。说明如不这样做可能会出现什么情况。

答：3次握手完成两个重要的功能，既要双方做好发送数据的准备工作（双方都知道彼此已准备好），也要允许双方就初始序列号进行协商，这个序列号在握手过程中被发送和确认。
假定B给A发送一个连接请求分组，A收到了这个分组，并发送了确认应答分组。按照两次握手的协定，A认为连接已经成功地建立了，可以开始发送数据分组。可是，B在A的应答分组在传输中被丢失的情况下，将不知道A是否已准备好，不知道A建议什么样的序列号，B甚至怀疑A是否收到自己的连接请求分组，在这种情况下，B认为连接还未建立成功，将忽略A发来的任何数据分组，只等待连接确认应答分组。而A发出的分组超时后，重复发送同样的分组。这样就形成了死锁。

请简述带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）的工作流程。

答：带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）工作流程：先听后发、边发边听、冲突停止、随机延迟后重发
发送数据前先侦听信道是否空闲，若空闲，则立即发送数据。若信道忙碌，则等待一段时间至信道中的信息传输结束后再发送数据；若在上一段信息发送结束后，同时有两个或两个以上的节点都提出发送请求，则判定为冲突。若侦听到冲突，则立即停止发送数据，等待一段随机时间，再重新尝试。

请图示无线局域网基本服务集和扩展服务集的构成。

答：基本服务集(Basic Service Set，BSS)：一个BSS包括一个AP和若干个移动站；
扩展服务集(ESS，Extension Service Set)：包括两个或更多的基本服务集

无线局域网的MAC协议有什么特点？为什么不能用CSMA/CD协议而必须使用CSMA/CA协议？

答：无线局域网的MAC协议的特点是：

由于不实现碰撞检测，要尽可能减少碰撞。因此在监听信道时，若信道忙要执行退避算法，而不是像CSMA/CD一直坚持监听直到信道空闲。
由于不可能避免所有的碰撞，同时无线信道误码率比较高，无线局域网的MAC协议采用停止等待协议，保证数据链路层数据传输的可靠性。
为进一步减少碰撞的概率，还采用了虚拟载波监听机制，让源站把它要占用信道的时间(包括目的站发回确认帧所需的时间)及时通知给所有其他站，以便使其他所有站在这一段时间都停止发送数据，这样就大大减少了碰撞的机会。
标准规定了不同长度的帧间间隔。高优先级帧需要等待的时间较短，低优先级帧等待的时间较长。若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到媒体，则媒体变为忙态因而低优先级帧就只能再推迟发送了。这样就减少了发生碰撞的机会。

WLAN为什么不能用CSMA/CD协议而必须使用CSMA/CA协议

WLAN中，信号动态变化范围大，对某个节点来说，其刚刚发出的信号强度要远高于来自其他节点的信号强度，也就是说它自己的信号会把其他的信号给覆盖掉，在WLAN中实现CSMA/CD是比较困难

结合隐藏站点和暴露站点问题说明RTS帧和CTS帧的作用。

答：隐蔽站问题：当A和C都检测不到无线信号时，以为B是空的向B发送数据，结果B同时收到A和C发送的数据发生碰撞。
暴露站问题：当站B向A发送数据，而C又想和D通信时，由于C检测到了媒体上有信号，于是不能向D发送数据。
使用RTS与CTS帧后，B处在A的传输范围可以收到A发送的RTS，当请求允许后，B将会向其余站点发送CTS。当C收到B的CTS后，在A和B通信的时间内就不能发送数据，保证了A和B的正常通信。
使用RTS和CTS帧后，在A和B通信的时间内，C能收到B的RTS，但是收不到A的CTS，所以C可以发送自己的数据给D，而不会干扰B。
可以看到通过使用RTS和CTS较好的解决了隐蔽站和暴露站的问题。

无线局域网MAC协议中的SIFS、PIFS和DIFS的作用是什么？

答：SIFS，即短帧间间隔，SIFS是最短的帧间间隔，用来分隔开属于一次对话的各帧；
PIFS，即点协调功能帧间间隔(比SIFS长)，是为了在开始使用PCF方式时(在PCF方式下使用，没有争用)优先获得接入到媒体中；
DIFS，即分布协调功能帧间间隔(最长的IFS)，在DCF方式中用来发送数据帧和管理帧。 IFS的长度实际上表示站点发送的优先级。

简述FHSS技术的工作原理。

答：FHSS是一种载频不断随机改变的扩频技术。载频的变化规律受一串伪随机码的控制，发送端和接收端用相同的伪随机码控制频率的变化规律。在某一时刻，即使有特定频率的杂波进行干扰，载波频率立即改变成其他频率，因此抗干扰性强。

WiMax的含义及主要技术标准有哪些？

答：WiMAX是Worldwide Interoperability for Microwave Access的缩写(意思是“全球微波接入的互操作性”，AX表示Access)。在许多文献中，我们可以见到WiMAX常用来表示无线城域网WMAN，这与Wi-Fi常用来表示无线局域网WLAN相似。WiMax技术标准为IEEE 802. 16系列，WiMax采用IEEE 802. 16系列标准尤其是802. 16a，作为物理层及MAC 层技术。

什么是通信网？它由哪些要素组成？

答：通信网是各种通信节点（端节点、交换节点、转接点）及连接各节点的传输链路互相依存的有机结合体，以实现两点及多个规定点间的通信体系。
构成要素：从硬件设施方面去看，通信网由终端设备、交换设备及传输链路三大要素组成

通信网有哪些基本构成？

答：通信网除了有传递各种用户信息的业务网之外，还需要有若干支撑网，以使网络更好地运行。

业务网。业务网也就是用户信息网，它是现代通信网的主体，是向用户提供诸如电话、电报、传真、数据和图像等各种电信业务的网络。业务网按其功能又可分为用户接入网、交换网和传输网三个部分。用户接入网负责将电信业务透明地传送到用户，即用户通过接入网的传输，能灵活地接入不同的电信业务节点。
支撑网。支撑网是使业务网正常运行、增强网络功能、提供全网服务质量以满足用户要求的网络。支撑网包括信令网、同步网和管理网，传送控制、监测信号。
信令网：在采用公共信道通信令的网络后，除原有的用户业务之外，还有一个寄生并存的起支撑作用的专门传送信令的网络，其功能是实现网络节点间信令的传输和转换。
同步网：实现数字传输后，在数字交换局之间、数字交换局和传输设备之间均需要实现信号时钟的同步。同步网的功能就是实现这些设备之间的信号时钟同步。
管理网：管理网是为提高全网质量和充分利用网络设备而设置的。网络管理是实时地监视业务网的运行，必要时采取控制措施，以达到在任何情况下都可以最大限度地使用网络中一切可以利用的设备。使尽可能多的通信得以实现。

构成电话网时都有哪些必备的要素？各自的作用是什么？

答：电话网的构成要素：终端设备、交换设备、传输系统

用户终端设备：将用户声音信号转换成电信号或者将电信号还原成语言信号。
交换设备：用户信息的交换，按用户的要求建立通信的信道，还具有控制和监视的功能。
传输系统：负责在个交换点之间传输信息。传输系统还包括用户线，负责话机和交换机间传递信息。

移动通信中为什么要采用复杂的多址接入方式？多址方式有哪些？它们是如何区分每个用户的？

答：移动通信与固定式有线通信的最大差异在于固定通信是静态的，而移动通信是动态的。为了满足多个移动用户进行通信，必须解决动态寻址以及对多个地址的动态划分与识别两个问题，因此移动通信需要采用复杂的多址接入方式。
多址方式有频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）等方式。
FDMA（频分多址）：把总带宽分隔成多个正交的信道，每一个信道每一次只能分配给一个用户
TDMA（时分多址）：在一个带宽上，把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），每个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户。
CDMA（码分多址）：利用码序列相关性实现的多址通信，每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。

画图说明GPRS网络结构。

答：GPRS网络结构：GPRS网关支持节点（GGSN）、GPRS服务支持节点（SGSN）、基站发信台（BTS）、基站控制器（BSC）、分组控制单元（PCU）、移动交换中心（MSC）、短消息中心（SMSC）、归属位置寄存器（SLR）、边界网关（BG）、计费网关（CG）、域名服务器（DNS）

无线传感器网络的特征有哪些？

答：无线传感器网络是一种具有网络规模大、自组织、多跳路由、动态拓扑、可靠性高的以数据为中心的、能量受限的通信网络。

无线传感器节点由哪些模块组成？

答：无线传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块、能量供应模块组成。

画图说明无线传感器网络协议结构。

答：无线传感器网络协议栈有：应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层、能量管理平台、移动管理平台、任务管理平台。

无线传感器网络有哪些MAC协议？

答：无线传感器网络MAC协议有：
竞争型MAC协议：S-MAC协议、T-MAC协议、Sift协议、WiseMAC协议
非竞争型MAC协议：DEANA协议、SMACS协议、DE-MAC协议、TRAMA协议
混合型MAC协议：Z-MAC协议、Funneling-MAC协议

简述物联网中异构网络网络模型的特点？

答：是由无线广域网、无线传感器网络、无线局域网、无限个域网组成的异构网络系统。不同网络物联网应用系统通过网关连接到核心网，最后连接到Internet网络上，最终融合成为一个整体。

物联网中异构网络的资源管理主要包括哪些方面？

答：在异构物联网系统网络中，无线资源管理的目标主要包括接入控制、负债均衡、功率控制、信道分配，以及为用户提供无处不在的服务和进行无缝切换，并提供无线资源的利用率。

什么是网络选择？介绍几种典型的网路选择方案。

答：网络选择是当用户从一个网络离开的时候，如何确定其他备选网络以及选择网络以及选择哪个网络进行接入的问题。
典型的网络选择方案：基于接收信号强度的网络选择算法、基于模糊逻辑和神经网络的网络选择算法、基于博弈论的网络选择算法、基于优化理论的网络选择算法、基于策略的网络选择算法。