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第十章无线通信与网络 1 无线通信是以自由空间作为介质 利用电磁波传播信号的通信系统 它是目前通信领域发展最为活跃的技术 无线通信的优点 不需架线挖沟 建设成本低 周期短 覆盖范围广 扩容灵活 维护简单 一 概述 2 信号源用于将待传递信息变成基带电信号 发送设备主要解决电信号与信道的匹配 信号以电磁波形式在空间介质中传播 接收设备的功能与发送设备相反 无线通信系统包括信号源 发送设备 传输信道 即为空间介质 接收设备和收信装置等 3 无线通信系统分类从通信方式来分 无线通信可分为移动通信和固定通信两种 从通信的信道来分 无线通信可分为卫星通信 红外通信 短波通信等 从接入网络的组网方式来分 无线通信网可分为无线广域网 无线局域网和无线个域网 根据是否存在固定的网络基础设施来分 无线系统可分为蜂窝系统和Adhoc系统 4 无线通信的发展前景多址技术 将有限的通信资源在多个用户之间进行有效的切割与分配 在保证多用户之间通信质量的同时尽可能地降低系统的复杂度并获得较高系统容量软件无线电 智能多模式终端的进一步发展 是无线系统从模拟到数字发展的新阶段自适应技术 实时检测信道 根据信道状况自动调整通信参数 包括自适应天线 自适应调制 自适应信道均衡等多用户检测 在接收端尽量消除信道之间的多址干扰 5 二 无线通信的基本原理 1无线电波的传播特性 a 直射 b 折射 c 绕射 d 散射 直射 反射 绕射和散射是无线通信系统中四种最基本的传播方式 6 电磁波在均匀空间中是以直线方式传播的 在直射过程中 如果电磁波入射到一个尺寸比波长大得多的物体时 如地球表面 建筑物和墙壁表面 将发生反射 如果电磁波被不规则的边缘阻挡时 由阻挡表面产生的二次波存在于整个空间 甚至于阻挡物的后面 也就是电磁波能够绕过障碍物传播 即为电磁波的绕射 当电磁波传播过程中遇到尺寸小于波长的目标物或者障碍物的数目很多时 如粗糙表面 小物体或其他不规则物体 电磁波将产生散射 7 无线电波是一种电磁波 当电磁波自波源 天线 发出后 要经过地波 表面波 传播 空间波传播和天波传播等各种可能的途径才能到达接收天线 地波传播又称表面波传播 是电磁波绕着地球的弯曲表面而进行的传播 空间波传播又称视距传播 在可视距离内 电磁波由天线发射出来 沿直线传播到接收天线 天波传播是利用电离层的折射和反射来传播的电磁波 8 决定传播方式和传播特点的关键因素是无线电信号的频率 长波和中波的传播都是借助地波的 并且比较稳定 多用作远距离通信与导航 短波通信可以借助天波传送 短波传播主要用于国际无线电广播 远距离无线电话和电报通信等 超短波和微波只能用空间直射波进行视距通信 传播距离大致上限制在视距范围之内 超短波和微波波段广泛用于卫星通信 宇宙飞船与地面站之间的通信 遥测等系统中 9 调制就是对信号源的编码信息进行处理 使其变为适合传输并适应信道复用的形式 解调则是将基带信号从载波中提取出来 使接收者理解或做进一步的处理 调制信号为模拟信号时 最基本的调制方式是 幅度调制 AM 频率调制 FM 和相位调制 PM 还可以有三种基本方式的组合调制方式 调制信号为数字信号时 通常称为键控 SK ShiftKeying 三种基本的键控方式为振幅键控 ASK 频率键控 FSK 和相位键控 PSK 2调制解调技术 10 调制方案的性能常用它的功率效率和带宽效率来衡量 功率效率 带宽效率 每比特信号能量R每秒数据率噪声功率谱密度B已调信号占用的带宽目前 扩频技术也得到广泛应用 扩展频谱的优点 很多用户可以在一个频带中同时使用 而不会相互产生明显的干扰 良好的抗多径干扰的特性 11 固定分配接入固定分配方式固定地将信道划分为不同的子信道并分配给各个用户 常用的固定分配接入方法 FDMA频分多址TDMA时分多址CDMA码分多址即分别采用频率 时间或码字区分不同用户传输的多址方式 3无线介质接入方案 12 随机接入方法随机接入方法就是在通信时为了处理突发性数据而产生的 分成两类 第一类基于ALOHA接入方案 另一类是基于CSMA 载波侦听 的随机接入技术 13 ALOHA是最简单的随机接入技术 它以分组形式允许多用户在共用信道上发送消息 基于载波侦听的随机接入技术在发送前先监测信道 并采取相应措施减少工作站发送消息的盲目性 从而减少冲突概率 14 三 射频系统及应用 目前在无线通信领域 射频多指300MHz至5 8GHz的频率范围 射频技术在当今各个领域得到了广泛应用 如 高速语音 数据 图文与图像传输 蜂窝式个人通信与基站 低轨道卫星移动通信 无线局域网 无线接入技术 包括Bluetooth 全球卫星定位系统 卫星直播电视 多点多址分布系统 1无线通信射频系统概述 15 无线射频系统一般由接收机和发射机两部分构成 发送信号时 从基带模块送出含有信息的模拟信号 经中频放大后 在混频器中的升频器中混频成为射频信号 送到射频功率放大器中进行功率放大 再通过天线发送出去 接收信号时 通过天线接收进来的射频信号经滤波和低噪声放大器放大后 与本地振荡器所产生的本地振荡信号再经降频器混频 产生固定的中频信号IF 放大后送到基带部分进行后续处理 16 2接收机 射频接收系统可分为超外差升降频结构和直接升降频结构两种 超外差升降频结构 17 微弱射频信号首先通过射频 RF 段的带通滤波器 BPF 以衰减频带外的噪声和干扰 然后由低噪声放大器 LNA 进行多级放大 放大后的信号与可调谐本振进行混频 通过中频 IF 段的带通滤波器 频谱就被下变频到一个固定的中频 18 上述结构有两个主要的问题需要解决 即抑制镜像信号和相邻信道的干扰 通过二次变频超外差接收结构 能较好的解决上述矛盾 二次变频超外差接收结构 19 直接升降频结构 直接升降频结构其本地振荡频率和射频频率相同 射频频率直接降到基频 没有镜像频率的问题 所以不需要在混频器前加镜像滤波器 没有中频 故不需要在混频器后加选择滤波器和中频放大器 而是直接使用一个低通滤波器和一个基频放大器 但存在上下边带重叠的问题 上下边带重叠 20 可以采用两次下变频的方法来解决 第一次和正弦信号混频 第二次和余弦信号混频 21 直流失调本振信号与载波频率相同 对同频带工作的其它接收机带来干扰 正交通道幅度和相位不匹配会引起误码率上升 颤动噪声 电源上的不稳定抖动和50Hz的低频干扰 存在的问题 22 发射机完成的主要功能是调制 上变频 功率放大和滤波 发射机的方案比较简单 大致可以分两种 一是将调制和上变频合二为一 在一个电路完成 称为直接变换法 二是将调制和上变频分开 先在较低的中频上进行调制 然后将已调信号上变频到发射的载频上 称为两步法 注入拉移现象 3发射机 23 直接变换法比较简单 基频信号只经过一次升频后 就经由功率放大器发射出去 存在注入拉移现象 要消除拉移现象 直接降频结构的本地振荡频率最好离射频频率足够远 使用两个不同频率的压控振荡器 VCO 经过混频器后 产生新的本振频率 以改善注入拉移现象 24 两次变换法可以改善直接变换法的不足 超外差发射机的二次升频结构 25 利用二次升频的方式把基频信号发射出去 功率放大器的频率离振荡频率非常远 因此不会有注入拉移现象 而且由于调制是在较低的中频上进行 因此正交的两支路容易一致 26 4射频芯片nRF905及在无线影音监控系统中的应用 nRF905内部结构图 27 无线数字影音监控系统采用的是点到点双工无线通信方式 在视距200 300米的变电站区域内 实现无线语音对讲 无线视频传输功能 整个系统分为移动端和固定端 视频数据是单向传输的 由移动端向固定端发射 音频则是双向传输 28 系统移动端由数字视频输入模块 音频输入输出模块 DSP处理器与存储器 无线发射模块构成 系统固定端由数字视频编码模块 音频编解码模块 DSP处理器与存储器 无线收发模块构成 29 四 无线通信网络 无线通信网络按通信覆盖的范围大致可以分为 无线广域网 WWAN 十几公里 无线城域网 WMAN 几公里 无线局域网 WLAN 100米左右 无线个域网 WPAN 10米左右 30 1无线广域网 无线广域网络是移动电话及数据服务所使用的通讯网络 覆盖范围可以达到十几公里乃至上百公里 无线广域网主要有2G 2 5G及3G等 主要采用GSM GPRS CDMA等技术 1 2G2G即第二代蜂窝通信系统规范 主要应用于GSM GlobalSystemforMobile 即全球移动系统 它的工作频段在890MHz到915MHz之间 用于用户到基站的传输 和935MHz到960MHz之间 用于基站到用户的传输 提供了9 6kbps的数据传输率 31 GSM的基本结构 32 2 2 5G2 5G即第二代半蜂窝通信系统规范 主要采用GPRS GeneralPacketRadioService 技术 即通用分组无线业务 GPRS是一种工作于20kHz信道的基于FDMA TDMA的分级交换无线技术 支持从144kbps 384kbps的速率 GPRS是分组交换 在每个帧分配给用户多个时隙 3 3G3G即第三代蜂窝通信系统规范 3G的主要特征是可提供丰富多彩的移动多媒体业务 传输速率在高速移动环境中支持144kbps 慢速移动环境中支持384kbps 静止状态下支持2Mbps 33 3G系统的技术基础是CDMA 延伸的技术标准有 1 WCDMA 2 CDMA2000 3 TD SCDMA 4 HSDPA 34 2无线城域网 无线城域网络覆盖范围可以达到十公里 宽带无线接入 BWA BroadbandWirelessAccess 技术与系统是无线移动通信的一个重要技术与应用领域 具有经济便捷 容量高 覆盖面广 可快速提供宽带业务等优点 无线宽带城域网技术是以IEEE802 16系列标准为代表的宽带无线接入热点技术 1999年IEEE成立了IEEE802 16工作组专门研究宽带固定无线接入规范 目标是要建立一个全球统一的宽带无线接入标准 最早的IEEE802 16标准于2001年12月正式发布 之后该标准不断丰富 先后推出了802 16a 802 16c 802 16d以及802 16e标准等 35 3无线局域网 无线局域网 WLAN WirelessLocalAreaNetwork 是在有线局域网络的基础上发展起来的 使局域网上的计算机具有可移动性 能快速 方便的解决有线方式不易实现的连通问题 它是计算机网络与无线通信技术相结合的产物 36 1 WLAN的特点 灵活移动性安装便捷经济节约可扩展性强便于维护和管理 37 2 WLAN的标准 1 802 112 802 11b Wi Fi WirelessFidelity 无线保真 3 802 11a4 802 11g5 其他802 11标准 IEEE802 11e IEEE802 11f IEEE802 11h IEEE802 11i6 HomeRF7 HiperLAN 1和HiperLAN 2 38 4无线个域网 无线个域网 WPAN WirelessPersonalAreaNetwork 是指对个人操作空间 POS PersonalOperationSpace 中的电子设备进行无线互联而形成的无线网络 它的核心思想是用新的无线传输技术代替传统的有线传输技术 实现个人信息终端的智能化互连 组建个人化的办公或者家用信息网络 使用动态拓扑以适应网络节点的移动性 其优点是 按需建网 容错 连接不受限制 一种装置用做主控 其他装置作为从属装置 WPAN特点 小范围通信 一般通信范围在10m左右 低功耗 低成本 低复杂性 低数据速率等 39 WPAN的标准 1 IrDA InfraredDataAssociation 2 蓝牙 Bluetooth 3 IEEE802 15 40 5AdHoc网络技术 无线移动自组织网 AdHoc 是一种节点可任意移动 拓扑结构动态变化 没有预设的网络基础设施的无线网络技术 这种无线网络具有可临时组网 快速展开 无控制中心 抗毁性强等特点 拓宽了移动通信的应用领域 41 AdHoc网络与传统的蜂窝技术的区别 移动节点之间的通信是在没有固定基础设施 例如基站或路由器 支持的条件下进行的 AdHoc网络支持动态配置和动态流控 所有网络协议也都是分布式的 网络的组织和控制并不依赖于某些重要的节点 所以它们允许节点发生故障 离开网络或加入网络 也就是说每一个移动节点可以根据自己的需要在整个网络内随意移动 而无须考虑如何维护与其他实体的通信连接 因此具备动态搜索 定位和恢复连接能力 42 AdHoc网络技术的研究重点 组网接入控制路由算法安全问题服务质量保证 43 1 组网 网络结构自组织网络可以分成两种结构 平面结构和分级结构 平面结构中 所有结点的地位平等 所以又称为对等式结构 分级结构中 网络被划分为簇 每个簇由一个簇头和多个成员节点组成 簇头结点负责簇间业务的转发 根据不同的硬件配置 分级结构又可以分为单频分级和多频分级两种 44 网络的协议栈 45 2 接入控制 在AdHoc网络协议栈中 媒体访问控制 MediumAccessControl 协议运行在物理层之上 它主要解决共用信道的使用权问题 它的性能好坏直接关系到无线信道的利用效率 网络吞吐量 时延等性能指标的优劣 研究的要点在 1 低能耗2 高度的自适应性3 提高网络公平性4 提高网络带宽利用率和吞吐量5 提高网络实时性 46 3 路由算法 AdHoc网络路由算法的关键技术问题 路由环路避免问题 路由协议的控制开销问题 路由协议的可扩展性问题 路由协议对网络动态性的适应问题以及路由协议与定位技术的结合问题等 从路由发现策略的角度来分 路由协议可分为主动路由和按需路由 47 主动路由和按需路由比较 48 4 安全问题 AdHoc网络中没有基站或中心节点 所有节点都是移动的 节点间通过无线信道连接 安全性较差 容易受到窃听 入侵 仿造身分和拒绝服务等攻击 因此有效的适用于AdHoc网络的安全体系结构和安全技术是AdHoc网络的研究重点之一 49 5 服务质量保证 在AdHoc网络中传输话音 图像等多媒体信息对带宽 时延抖动等都提出了很高的要求 这就需要提供一定的服务质量保证 相对于固定有线网络 AdHoc网络的QoS保障问题更加复杂 难以实现 AdHoc网络中的服务质量保证是一个系统性的问题 协议栈的不同层都要提供相应的机制 如QoSMAC QoS路由等 50 五蓝牙技术 1蓝牙技术的概念蓝牙技术是由爱立信 诺基亚 东芝 IBM和英特尔等5家大公司于1998年5月联合推出的一种无线通信新技术 通信主要用红外线链路来完成 其实质内容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 使通信和计算机进一步结合 是不同厂家生产的便携式设备在没有电线或电缆相互连接的情况下 能在近距离范围内具有互用 相互操作的性能 蓝牙技术的无线电收发器的链接距离可达10m 最多可链接7个设备 形成一个无线个域网络 51 蓝牙采用低能耗无线电通信技术来实现语音 数据和视频传输 采用跳频技术能够抗信号衰落 采用快跳频和短分组技术能减少同频干扰 提高通信的安全性 采用前向纠错编码技术能减少随机噪声的干扰 蓝牙基带协议是电路交换和包交换的一种组合形式 时隙做同步数据分组专用 蓝牙技术支持一个异步数据通道 或3个并发的同步语音通道 或一个同时传输异步数据和同步语音的通道 每一个话音通道支持64Kbps的同步话音 异步通道支持的最大速率为721Kbps 反向应速率为57 6Kbps的非对称连接 或者是432 6Kbps的对称连接 蓝牙工作在2 4GHzISM industrysciencemedicine 全球自由频段 52 2蓝牙网络拓扑 蓝牙系统支持点对点和一点对多点的通信模式 它采用一种灵活的无基站组网方式 2 8台蓝牙设备即可组成一个微微网 在一个微微网内 所有的蓝牙设备都是对等的 都以同样的方式工作 其中只有一台为主设备 即以其时钟和跳频序列同步其他设备 从设备 多个相对独立的 非同步的微微网客户连成一个特殊分散网 形成灵活的多重微微网拓扑结构 各微微网使用不同的跳频序列来区别 在拥有10个满载独立微微网的多重微微网结构内 全双工数据率高于64Mbps 这是因为按照基于0dBm天线发射功率所进行的系统模型 其数据吞吐下降率小于10 53 3蓝牙协议栈 54 4蓝牙系统结构 蓝牙系统一般由4个功能单元组成 天线单元链路控制 固件 单元链路管理 软件 单元蓝牙软件 协议 单元 55 1 天线单元 蓝牙天线属于微带天线 体积小 重量轻 蓝牙空中接口遵循美国联邦通信委员会FCC有关电平为0dBm的ISM频段的标准 蓝牙的数据速率为1Mbps ISM频带是对所有无线电系统都开放的频带 因此使用其中的任何一个频段都会遇到不可预测的干扰源 蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定 跳频的瞬时带宽是很窄的 但通过扩展频谱技术使这个窄带成百倍的扩展成宽频带 使干扰可能造成的影响变得很小 56 2 链路控制 固件 单元 在目前的蓝牙产品中 人们使用了3个IC分别作为连接控制器 基带处理器以及射频传输 接收器 此外还使用了30 50个单独调谐元件 链路管理 LM 软件模块携带了链路的数据设置 鉴权 链路硬件配置和其他一些协议 LM模块提供如下服务 发送和接收数据 请求名称 链路地址查询 链路模式协商和建立 决定帧的类别等 3 链路控制 固件 单元 57 4 软件 协议 单元 蓝牙基带协议结合电路开关和分组交换机 适用于语音和数据传输 蓝牙设备需要支持一些基本互操作特性要求 对某些设备 这种要求涉及无线模块 空中协议以及应用层协议和对象交换格式 蓝牙对不同级别的设备 如PC 手持机 移动电话 耳机等 有不同的要求 软件 协议 结构需有如下功能 设置及故障诊断工作 能自动识别其他设备 取代电缆连接 与外设通信 音频通信与呼叫控制 商用卡的交易与号码簿网络协议 蓝牙的软件单元是一个独立的操作系统 不与任何其他的操作系统进行捆绑 58 六 无线传感器网络 1基本概念 通过将大量具有传感