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无线通信简介 理工大学通信工程学院侯兴康2015年7月 1 2020 3 18 可编辑 主要内容 1通信基础知识2无线通信3短波通信4无线自组织网 2020 3 18 可编辑 1通信基础知识 1 1什么是通信1 2通信系统的一般框图1 3数字通信系统框图1 4通信方式1 5通信系统分类 2020 3 18 可编辑 1 1什么是通信 通信就是信息的传递过程 信息的表现形式是 消息 通信就是将消息从一个时空传递到另一个时空的过程 常见的消息有话音 图像 视频 数据等 对通信系统的基本要求 快速 准确 保密 畅通有效 可靠优质 廉价 2020 3 18 可编辑 1 2通信系统的一般框图 消息的产生地 消息 原始 电 信号 原始信号 传输信号 适合在信道中传输的信号 传输信号的物理媒质 信道中的噪声其他噪声 信息的归宿点 接收信号 消息 信源 发送设备 信道 信宿 噪声源 接收设备 传输信号 接收信号 2020 3 18 可编辑 1 3数字通信系统框图 接收设备 发送设备 信源 信源编码器 加密器 信道编码器 调制器 信宿 信源译码器 解密器 信道译码器 解调器 信道 噪声源 模拟信号 数字信号减少信号中的冗余以提高有效性 信息加密可选件 使信息带有规律性 以减少误码概率增加冗余以提高可靠性可选件 频谱搬移 以适应频带传输要求基带传输无需此模块 2020 3 18 可编辑 1 4通信方式 按消息传递的方向与时间关系分 单工通信 单向通信 双工通信 双向通信 半双工通信 时分双向通信 按数字信号排列顺序分 并行通信 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 串行通信 数字序列以串行方式一个接一个地在一条信道上传输 2020 3 18 可编辑 1 5通信系统分类 按通信业务分 语音通信 视频通信 数据通信等 按系统结构分 点对点通信 通信网 按信号特征分 模拟通信 数字通信 按传输媒质分 有线通信 无线通信 2020 3 18 可编辑 2无线通信 2 1简单的无线电通信系统2 2频率 波长 无线电频段划分2 3电波传播模式2 4短波电台2 5超短波电台2 6微波接力2 7散射通信2 8卫星中继2 9主流无线通信网 2020 3 18 可编辑 2 1简单的无线电通信系统 两个无线电台 对讲机 信号以无线电波的形式传输无线电波最重要的参数 频率功率频率需符合国家无线电频谱规划频率决定了设备 特别是天线 的尺寸 2020 3 18 可编辑 2 2频率 波长 无线电频段划分 频率 f 就是单位时间 1s 内正弦波变化的次数 单位Hz波长 就是电波在空间传播时 相邻两个最大值之间的距离 单位m频率与波长的关系 例1 f 3MHz 100m例2 f 300MHz 1m例3 f 3GMHz 0 1m 光速 3x108m s 2020 3 18 可编辑 频段 波段 划分 不同的频率被规定用于不同的用途无线电频率划分表 2020 3 18 可编辑 2 3电波传播模式 1 水下传播电波在海水中的吸收衰减随频率升高而增大 目前仅用于超长波水下通信 2 地表波传播又称地波传播 地面吸收衰减随频率升高而增大 地波传播用于中频 中波 以下频段 3 对流层视距传播在低层大气中 利用直射波的传播模式 传播距离一般在50公里左右 是超短波波段和微波波段的主要传播模式 2020 3 18 可编辑 2 3电波传播方式 4 对流层散射传播利用无线电波在大气湍流气团中产生的散射波进行超视距通信的传播模式 适用于超短波段 通信距离可达数百公里 是散射电台的主要模式 5 电离层反射传播利用电离层和地面对电磁波的一次或多次反射进行传播的传播模式 又称天波传播 是短波电台的主要模式 6 地空传播无线电波穿透电离层的直射传播模式 是卫星通信 空间通信的唯一传播模式 2020 3 18 可编辑 2 4短波电台 频段 1 5 30MHz利用电离层反射进行通信通信距离300Km 3000Km量级通信容量10Kbps量级极具抗毁性通信保底手段 2020 3 18 可编辑 2 5超短波电台 频段 30 300MHz主要靠地波 直射波 绕射波通信通信距离30Km量级通信容量100Kbps量级设备简单 使用方便 2020 3 18 可编辑 2 6微波接力 频段 5GHz量级靠点对点视频直射波传输通信距离50Km量级通信容量500Mbps量级设备庞大 机动性差常用用于静态干线中继 2020 3 18 可编辑 2 7散射通信 频段 5GHz量级靠对流量散射进行传输通信距离500Km量级通信容量50Mbps量级设备庞大抗毁性好通信保底手段 2020 3 18 可编辑 2 8卫星中继 频段 500MHz 20GHz利用深空通信卫星中继进行传输通信距离可全球覆盖通信容量 单台终端 300Kbps量级通信延迟明显抗毁性略差无人区通信 应急通信 2020 3 18 可编辑 2 9主流无线通信网 覆盖范围 用户数据率 PANLANMANWAN 802 15 4ZigBee 802 15 1蓝牙 802 15 3超宽带 802 11g a 802 11b 802 16 2G移动通信 3G移动通信 4G移动通信 Wi Fi WiMAX 802 11n 2020 3 18 可编辑 3短波通信 3 1短波通信的特点3 2短波信号的传播形式3 3电离层反射传播的基本特性3 4短波自适应通信3 5短波天线 2020 3 18 可编辑 3 1短波通信的特点 通信距离远可达几百到几千公里 甚至可以环球传播 方便灵活 抗毁性强以电台为终端 以电离层为中继 为军用通信的最后保障之一 信道条件恶劣典型时变 色散信道 要达到良好的通信效果 需要进行复杂的处理 通信容量小 电路匹配困难频段为1 5MHz 30MHz 频带资源紧张 同时 高 低频倍数 倍频程 过大 匹配困难 2020 3 18 可编辑 3 2短波信号的传播形式 视距传播地波传播天波传播 2020 3 18 可编辑 3 3电离层反射传播的基本特性 2020 3 18 可编辑 最高可用频率 电子密度越大 反射能力越强 频率越低 反射能力越强 发射仰角越小 反射能力越强 固定发射仰角 同一时间 存在最高可用频率MUF 超过此频率的信号将穿过电离层 无法通信 用MUF的0 85作为最佳工作频率 MUF白天高 夜晚低 可用自适应选频系统自动选择工作频率 2020 3 18 可编辑 多径传播 2020 3 18 可编辑 寂静区 解决寂静区问题的办法是低频率 大仰角 2020 3 18 可编辑 3 4短波自适应通信 自适应 Adaptive 通信系统具有适应通信条件变化的能力 短波通信中可能用到的自适应 频率自适应功率自适应分集自适应自适应均衡自适应天线阵列 2020 3 18 可编辑 频率自适应原理 根据电离层反射信道的变化情况 选择与其相匹配最佳工作频率 实时信道估值 RTCE RealTimeChannelEvaluation 是核心技术 它测量信道特性 为选率提供决策依据 主要是测量信噪比 多径时延 误码率等 其它重要技术 自适应信号处理 自适应控制技术 自动频谱管理技术 2020 3 18 可编辑 频率自适应的实现方法 链路质量分析 LQA 在通信间隙测量各个信道的质量 并按优劣排序自动扫描接收接收机在预先约定的一组信道上循环扫描 等待LQA探测信号的出现自动链路建立 ALE 在LQA和自动扫描接收的基础上 自动选择最佳信道建立通信信道自动切换在最佳信道发生变化时 自动切换到新的信道上进行通信 2020 3 18 可编辑 3 5短波天线 Pr Pt Gt L Gr dB Pr 接收信号功率Pt 发射信号功率Gt 发射天线增益Gr 接收天线增益L 路径损耗天线直接影响信号的传播 是至关重要的因素 2020 3 18 可编辑 常见天线 鞭状天线 简单方便 增益低 2020 3 18 可编辑 常见天线 斜拉天线 长10米量级 2020 3 18 可编辑 常见天线 水平偶极天线 增益3 7dB 工作频段较窄 有时需分波段设计 2020 3 18 可编辑 常见天线 笼形天线 增益3 7dB 工作频段较宽 适用于固定台站 2020 3 18 可编辑 常见天线 菱形天线 增益高 可达18dB 频段宽 架设方便 适合远距离固定通信 2020 3 18 可编辑 常见天线 鱼骨形天线 频带宽 增益高 干扰电平低 常用作固定接收机天线 2020 3 18 可编辑 常见天线 对数周期天线 工作于频段内的任意频点时 只有对应的振子起作用 宽频带天线 方向性及增益系数与频率近似无关 2020 3 18 可编辑 几种天线的对比 2020 3 18 可编辑 天线调谐 鞭状天线机动性好 但工作频带很窄 难以满足短波通信需要 要想在更宽的频带内实现阻抗匹配 则必须使天线的阻抗可调 2020 3 18 可编辑 4无线自组织网 4 1无线网络概述4 2无线自组织网络概念4 3基于WIFI的自组网实例 2020 3 18 可编辑 4 1无线网络概述 目标 实现6A 任何人 anyone 在任何时候 anytime 任何地点 anywhere 可以采用任何方式 anymeans 与其他任何人 anyother 进行任何通信 anything 从覆盖范围上可分为 无线广域网 WWAN 移动通信网 无线局域网 WLAN WIFI 无线个域网 WPAN Bluetooth 从通信方式上可分为 基于基础设施的无线网络无需基础设施的自组织网络 2020 3 18 可编辑 无线网络元素 笔记本 PDA 运行应用程序 可能是静态的 没有移动 或者移动的无线并不总是意味着移动 2020 3 18 可编辑 无线网络元素 典型地连接到接入路由器 中继 负责在有线网络和其区域内的无线主机转发报文 如 蜂窝塔802 11访问点AP 2020 3 18 可编辑 无线网络元素 无线链路 典型地用来连接移动主机和基站 也用于骨干网 多重访问协议协调链路访问 多种数据速率 传输距离 2020 3 18 可编辑 无线网络的基础设施模式 基站连接移动主机到有线网络 切换 移动主机会改变连接到有线网络的基站 2020 3 18 可编辑 无线网络的自组模式 自组模式 没有基站 节点能够传输到链路范围内的其他节点 各节点自发组成为一个网络 在它们之间路由 2020 3 18 可编辑 4 2无线自组织网络概念 一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳的 临时性自创建 Self Creating 自组织 Self Organizing 自管理 Self Administering 系统 不依赖预设的基础设施而临时组建 移动终端具有路由功能 可以通过无线连接构成任意的网络拓扑 可独立工作 也可与Internet或蜂窝无线网络连接 2020 3 18 可编辑 自组织功能 Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi 2020 3 18 可编辑 动态变化的网络拓扑 Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi 2020 3 18 可编辑 自动最佳路由选择 1 Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi 2020 3 18 可编辑 自动最佳路由选择 2 Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi 2020 3 18 可编辑 自动路由保护 恢复 Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi 2020 3 18 可编辑 无缝漫游 2020 3 18 可编辑 方便扩展 Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi 2020 3 18 可编辑 4 3基于WIFI的自组网实例 一种可根据应用场景自适应地在空间 频率 通道三个维度上综合自主组网的系统 2020 3 18 可编辑 关键技术 节点聚合 在单一无线节点中聚合多种异构网络资源 节点在二层实现网络化 将频点 通道 空间三个维度统一 大幅提升无线网络的环境适应性和传输能力 在纵向实现了不同异构网络平面的在单节点的聚合 而横向聚合实现了任意两个节点IP层单跳直达 极大了提升了网络的性能和效率 2020 3 18 可编辑 关键技术 高动态分布式二层组网协议本协议基于物理地址实现 与网络层无关 不参与解析IP层的路由问题 网络响应速度可达到毫秒级 支持多达7 9跳的传输带宽 快速移动 兼容性好 网络环境多维感知技术实现了一种分布式感知算法 能够对每个链路上的信道频率 带宽和时延进行实时感知 并通过链路权重来实现计算评估 为二层的高动态组网协议提供基础数据支撑 资源池化管理机制系统利用资源池化理论 实现了网络负载