无线通信总复习

第一章 概述 无线通信是依靠自由空间来传输电磁波的通信方式 无线通信的挑战 信道的随机时变和各种扩散 频率扩散 时间扩散 角扩散 造成的各 种选择性衰落 时间选择性衰落 频率选择性衰落 空间选择性衰落 对抗上述衰落的有效手段是分集 无线通信的应用概况 短波 超短波通信 天波 电离层 数据 电话 单边带 地波 小型接力机 单双工电台 对讲机 微波通信 微波接力 模拟 数字 散射 点对多点微波 电视 电话 数据 卫星通信 高轨道 同步静止 中轨道 低轨道 电视 电话 数据 移动通信 蜂窝电话 无绳电话 无线数据 集群系统 寻呼系统 卫星移动系统 简述无线电广播工作的基本原理 首先把声音通过话筒转换成音频电信号 经放大后被高频信号 载波 调制 这时高频载 波信号的某一参量随着音频信号作相应的变化 使我们要传送的音频信号包含在高频载波 信号之内 高频信号再经放大 然后高频电流流过天线时 形成无线电波向外发射 这种 无线电波被收音机天线接收 经放大 解调 还原为音频电信号 还原为声音 为什么要频谱重用 举例授权频段的无线连接和非授权频段的无线连接 重用又带来了什 么问题 第二章 传输信息的信号 信号 是数据的电气或电磁表示 连续信号 由连续可变的电压表示 离散信号 由一串特定的电压表示 模拟数据在一段时间内具有连续的值 例如 音频 视频 数字数据的值是离散的 如文本和整数 摩斯代码 周期信号 信号模式在时间上重复 非周期信号 波长 速度 周期 任一电磁信号都可表示为由具有不同振幅 频率和相位的周期性模拟信号 正弦波 组成 傅里叶级数 用于周期性信号 傅里叶变换 用于非周期信号 当一个信号所有频率成分都是某个频率的整数倍时 后者称为基频 整个信号周期等于基 频周期 信号的频谱 信号所包含的频率范围 带宽 频谱的宽度 最高频率减最低频率 信号的绝对带宽 信号的频谱宽度 信号的带宽 信号频谱的某一窄小频带范围集中了信号的绝大部分能量 这一频带称为有 效带宽或带宽 信号的中心频率和带宽决定可达的数据率 中心频率 基频 提高有可能增加带宽 也就可能提高数据率 只提高中心频率而不增加带宽 数据率的提高是以牺牲信号质量为代价的 数据率与带宽的关系为 若数据率为 Wbps 则带宽需要 2 WHz 才能很好地代表原信号 信号的带宽必须适应传输信道带宽 不能超出信道带宽限制 任何数字波形都具有无限的带宽 数字信号的能量主要集中在信号的基频附近 确定了信号的有效带宽 根据中心频率 基频 可估算出数字信号数据率 数据率能否保质达到取决于信号带宽 信号带宽相同 但其频谱未必相同 迭加的信号谐波数量不同 传输信号的带宽受限于传输媒体 带宽越受限制 差错机会越多 模拟数据 数字数据的传输 数据以电磁信号的方式从一点传播至另一点 模拟信号 一个连续变化的电磁波 根据它的频率可以再多种类型的媒体上传播 如铜线 媒体 光纤 无线空间 数字信号 一个电压脉冲序列 这些电压脉冲可以再铜线媒体上传输 不适宜直接在无线 媒介中传播 便宜 较少受噪声干扰 衰减严重 模拟信号载送数字数据 调制解调器 数字信号载送模拟数据 编解码器 模拟传输传输模拟信号不考虑信号内容 可以是模拟数据或数字数据 用放大器 数字传输 考虑内容 用中继器 噪声未被放大 信道容量 公式 数据率 单位每秒比特 bps 也称比特率 数据通信速率 带宽 每秒周期次数 单位 Hz 受制于发送器与传输媒体 噪声 通信路径上的噪声平均电平 差错率 误码率 错误发生率 码元 传送信息的最小信号单位 即接收方可识别的最小信号脉冲 1 2 周期的电平 八进制 一个码元表示三个比特码元速率为 800B 而数据率为 2400bit s Baud Rate 码元速率 调制速率 波特率 R B 码元传输速率 又称为波特率 指每秒信号的变化次数 若数字传输系统所传输的数字序列恰为二进制序列 则等于每秒钟传送码元的数目 而在 多电平中则不等同 单位为 波特 常用符号 Baud 表示 简写为 B Bit Rate 信息速率 数据率 比特率 R b 每秒钟传送 bit 的数 R b R B log 2 M M 为进制数 二进制传输 R b R B 1924 年 尼奎斯特 Nyquist 推导出理想低通信道下 码元传输的速率都是有上限 的 并推导出一个计算公式 用来推算无噪声的 有限带宽信道的最大数据传输速率 的 最高码元传输速率的公式 Nyquist Theorem C 2Blog 2 M C 通道容量 bps B 通道带宽 hz M 数字信号电平数 二进制传输 C 2B 香农容量公式 在有随机噪声干扰的情况计算信道最大数据传输速率 C Blog 2 1 SNR 数据速率越高 噪声影响越厉害 SNR dB 10log P s P n 10log SNR 在被高斯白噪声干扰的信道中 最大信息速率 C 由下列公式确定 C Blog2 1 S N S 信号功 率 瓦 N 是噪声功率 瓦 信道容量 信道上数据可以被传输的最大速率 影响因素 带宽 噪声 误码率 香农和奈奎斯特的关系 奈奎斯特分析了无噪声环境下信道的理论容量 信号 最大数据传输速率仅受限于信道带宽 香农针对信道受随机噪声干扰情况下 给定带宽的信道上能取得的信号最大数据传输速率 log 2 M 4 一个信号单元编码为一个 位的字 传输媒体 传输媒体是数据传输系统中发送器和接收器之间的物理路径 导向的 电磁波被引导沿某一固定媒体前进 如双绞线 同轴电缆和光纤受限于传输媒体 非导向的 提供传输电磁波信号的手段 但不引导方向 无线传播 如大气和外层空间受 限于信号带宽分为全向信号 低频 不必对准 和定向信号 必须精确对准 高频 复用 单一媒体上能承载多路的信号 传输媒体的容量通常会超出传输单一信号所要求的容量 复用的原因 1 数据速率越高传输设施的成本就越有效 2 大多数个人数据通信设备要求 相对低的数据率 关键 把多路信号汇合到一条信道上之后 在接收端必须能正确分割出各种信号 频分复用 FDM 当传输媒体的有效带宽超出了被传输信号带宽所要求的带宽时 每个数据信号被调制到具有不同频率的载波上 所有的信号在一个信道上同时传送 时分复用 TDM 当传输媒体所能达到的比特率超出了被传输数字信号要求的数据率时 以时间作为分割信号的依据 利用每个信号在时间上交叉 在在一个传输通路上传输多个 数字信号 频分复用如何避免信号干扰 在频分多路复用中 每个信号分别被调制到不同的载波频率上 且载波频率的间距足够大 这些信号带宽不重叠 可以同时被运载 每个被调制的信号以各自载波频率为中心的一定 的带宽传输 即信道 为了防止相互之间的干扰 这些信道被防护频带隔离 解释同步时分复用 TDM 的工作方式 在同步时分复用中 时隙被预先分配给数据源 且是固定的 无论有无数据需要发送 所 数据源按照预先分配好的时隙依次传输 第三章通信网络 交换技术 节点 节点之间的链路通常是复用线路 节点 站点之间的链路通常是点到点链路 电路交换 两个站点之间有一条专用的通信链路 如公用电话网络 1 电路建立 Circuit establishment 在发送任一信号之前 首先必须建立一条端对端 站点对站点 的电路 2 信息传输 Information Transfer 信息通过网络传输 数据可能是模拟话音 可能是数字话音 二进制数据 3 电路断连 Circuit disconnect 经过一段时间的数据传输之后 连接被终止 动作信号传播到各节点以释放占用 资源 特点 1 效率可能非常低 连接期间信道容量是专用的 即使对于话音连接利用率不能接 近 100 为了建立呼叫 信号在传送之前总会存在段时延 2 一旦电路建立 网络对于用户透明度很高 3 信息以固定数据率进行传输 除了经过传输链路的传播时延为不存在其他时延 分组交换 将报文拆分分组序列 1 发送前 报文拆分成一个分组序列 分组长度上限一般为 1000bytes 每个分 组包含了用户数据的一部分 再加上包含控制信息的分组首部 2 在路由途中 每个节点上 分组被接收 暂时保存 并被传递到下一个节点 特点 1 效率高 2 能够完成数据率之间的转换 3 能够使用优先级别 4 电 路交换网通信量拥挤时 分组交换仍能接受 只是传递时延增加 缺点 A 每次一个分组通过一个节点会增加时延 总时延变化很大 B 分组额外开销信息 包括目的地址和分组排序信息 降低了可用来承载 用户数据的通信容量 C 在每个节点要做更多处理 基本操作 数据报 优点 免除了呼叫建立阶段 更灵活 因为它更简单 数据报的交付具有内在的 可靠性 虚电路方式 站点之间事先建立一条路由 优点 保持顺序 到达目的地时保持原来的次 序 差错控制 不仅确保分组按正确顺序到达 且确保所有分组都正确的到达 分组不必 在每一个节点上都进行路由选择 分组可以更快的通过网络 异步传输模式 信元中继 能够以很高数据率操作 类似于分组交换技术 与分组交换一样 ATM 也使用不连续的数据块进行数据传输 允 许在单个物理接口上复用多条逻辑连接 具有最小的差错和通信量控制能力 使用大小固定的信元可以简化 ATM 节点需要完成的工作 有助于 ATM 的高速运行 B ISDN 宽带综合业务数字网 ATM 建立在电路交换和分组交换基础上的一种面向连接的快速分组交换技术采用定长分组 作为传输和交换的单位 这种定长分组叫做信元 cell 53 字节 优点 能支持不同速率的各种业务 所有信息在最低层是以面向连接的方式传送 保持了 电路交换在保证实时性和服务性质量方面的优点 光纤信道误码率低 容量很大 缺点 1 5 字节信元首部在整个 53 字节的信元中所占比例相当大 2 技术复杂价格高 3 能支持的直接应用不多 4 10KM 以太网的问世 进一步削弱了 ATM 在因特网高速主干网 领域的竞争能力 ATM 逻辑连接 虚通路连接 VCC 标识 VCI ATM 中的逻辑连接 基本交换单元 通过网络在端用户之 间建立起来的 一个可变速率的 全双工 固定大小的信元通过该连接进行传输交换 虚通道连接 VPC 标识 VPI 一群有相同端点的 VCC 使用虚通道的优点 简化网络结构 提高网络性能和可靠性 缩短了处理和连接建立的时 间 增强网络的服务 第四章 协议和 TCP IP 协议簇 TCP IP 协议体系结构 将通信工作组织成五个相对独立的层次 物理层 网络接入层 互联网层 运输层 物理层 涵盖了数据传输设备和传输媒体或网络之间的接口 网络接入层 一个端系统和跟它连接的网络之间的数据交换 互联网层 隐藏底层的具体实现 使用互联网协议 IP 物理地址 逻辑地址 运输层 通常采用传输控制协议 提供数据交换过程的可靠性 三次握手 四次挥手 端口 主机上每个应用程序都必须有一个此主机上唯一的地址 这个地址使主机 主机协议 TCP UDP 能够将数据交付给正确的进程 应用层 支持各种应用程序锁必须的逻辑功能 每一个不同种类的应用程序都需要一个专 供这种应用程序使用的单独的模块 常见 TCP IP 应用 简单邮件传送协议 SMTP 文件传送协议 FTP TELNET 远程登录 第五章天线与传播 天线 辐射模式 类型 辐射模式 辐射方向图 天线在各个方向上传输信号的能量强度 用二维图形方式表达天线辐射电磁波的能量强度和角度 波束宽度 半功率波束宽度 3dB 波束宽度 计算天线方向性的计算值 在这个角 度中 天线辐射的功率至少是最佳方向辐射功率的一半 类型 各向同性天线 偶极天线 天线的长度是有效传输信号波长的一半 1 4 波长垂直 天线 抛物面反射天线 地面微波和卫星通信 天线增益 天线定向性的度量 在输入功率相等的条件下 实际天线与理想的各向同性天 线在空间同一点处所产生的信号功率之比 天线有效面积 取决于天线的尺寸和形状 传播方式 地波 当发射点和接受点都在地面上 且天线高度比工作波长短得多时 无线电波在两点 间沿着地面传播的模式 2MHz 以下 靠近地面的波阵面速度变慢 波阵面向下倾 斜 由衍射引起 与电磁波碰到障碍物时反应有关 无法穿透大气层 AM 调幅 无线电 天波 电波从地面发射 被大气层中的电离层反射 再被地面反射 传播距离可达几千公 里 30 300 千赫 国际广播 直线 视距传播 LOS 发送和接收天线必须在彼此的有效视距 20 50KM 内 适用于 30MHz 以上的信号 不会被电离层反射 直线传播公式 直线传播 衰减 自由空间损耗 公式 衰减 电磁波能量在介质中随着传输距离而减小 有向介质中 与传输距离的指数呈正比 无向介质中 接收到的信号必须有足够的能量水平 被正确识别 信号的功率必须 能够压制噪声 频率越高 衰减越大 因此信号经过衰减会有一定程度失真 对于全向天线 损耗随频率的增高而增高 而对于定向天线 频率越低 损耗越大 为什 么 答 通过提高天线增益弥补损耗 当距离固定时 频率增加导致增加的损耗为 20lgf 然而 加入考虑天线增益及固定的天线面积 损耗的变化为 20lgf 较高频率处确实存在损耗的减 少 移动环境中的衰落 多径 衰落类型 差错补偿机制 噪声 热噪声 交调噪声 串扰噪声 脉冲噪声 1Hz 带宽中的热噪声功率表示为 N0 kT W Hz k 1 38 10 的负 23 次方 J K BHz N kTB 其他损耗来源 大气层吸收 折射 多径 衰落衰落 在移动环境下 由于信号电波不断改变传输的路径和介质 因此接收到的信号功率 随时间不断变化 反射 当电磁波遇到远大于其波长的物体表面 衍射 障碍物不能被穿透 且大于电磁波长 散射 当障碍物大小和波长相近 形成几个较弱的电磁波向周围传播 多径传播的效果 识别困难 如果有 LOS 路径 则它包含大部分信号能量 衰落不明显 否则衰落明显 码间干扰 不同延迟信号同时到达 衰落类型 快衰落 在半个波长的移动距离内信号能量水平剧烈变化 和慢衰落 用户移 动造成的环境变化产生慢衰落 平衰落 信号在所有频率上衰落 和选 择性衰落 衰落信道模型 AWGN 衰落信道 信号受到信道热噪声的影响产生衰落 对空间通信和有 限通信较为准确 对地面无线通信不准确 Rayleigh 衰落信道 发射和接收天线之间无显著传输路径 有多个非显著 传输路径 便于分析 适用于户外无线环境 Rican 衰落信道 发射和接收天线之间有显著的 LOS 传输路径 并有多个非 显著传输路径 适用于室内 信道参数 K 主路径能量水平 其他路径的能量水平 K 0 瑞利信道 K 无穷 AWGN 信道 差错补偿机制 1 前向纠错码 为每块待传输的数据块加上纠错码 纠错码根据数据块内容产生 接收 端从接收到的数据独立计算出纠错码 并和接收到的纠错码比较 不一致则试图根据 纠错码确定错误位置和纠错 后向纠错 检错 重传 通常 实际传输的 bit 数据 bit 比值 2 3 即 1 2 或 1 3 的信道容量用于差错控制 必 需 2 自适应均衡 3 分集技术 采用多个逻辑信道 传输信息的不同成分 空间分集 例如多个天线接收信号 频率分集 通过多个载波传输 时间分集 数据扩展到时间 以使得突发噪声影响较少的位数 应对较长时间的严重 衰落 时分复用 TDM 块调整 代价是延迟 第六讲 路径损耗和阴影衰落 大尺度传播效应 路径损耗 由发射功率的辐射扩散及信道的传播特性造成 一般认为对于相同收发距离 路径损耗相同 长距离 阴影效应 由发射机和接收机之间的障碍物造成 障碍物通过吸收 反射 散射和绕射等 方式衰减信号功率 甚至严重时阻断信号 障碍物尺寸 大尺度传播效应 两者在相对较大距离上引起的功率变化 小尺度传播效应 如多径信号干涉 在波长数量级距离上引起功率变化 自由空间路径损耗 自由空间和射线跟踪模型将忽略多普勒频移 统计衰落模型考虑多普勒频移 路径增益分贝值 路径损耗分贝值的负数 PG PL 10log10 Pr Pt 发送信号 s t 功率 Pt 则有 自由空间路径损耗 自由空间路径增益 例题 1 有一室内 WLAN 载波频率 fc 900MHz 小区半径 10m 使用全向天线 自由空 间路径损耗模型下 如果要求小区所有终端的最小接收功率为 10 W 问接入点发射功率应 该是多大 如果工作频率变成 5GHz 相应所需的发射功率又是多少 射线跟踪 两径模型 公式 射线跟踪模型 包含直射 反射 绕射和散射等各种衰落分量 建模需要知道发射机和接 收机周围所有物体的几何和介电特性 两径模型 地面反射波 直射波 少量反射体的孤立区域 只需知道天线高度 接收功率 当 d 充分大 接收功率与 d 的四次 方成反比 且与波长无关 临界距离 d c 4h t h r 用于系统设计 若蜂窝系统的电波符合两径模型 dc 为小区半 径 Eg2 请计算城市微小区 h t 10m h r 3m 和室内微小区 h t 3m h r 2m 两径模 型的临界距离 发射频率 f 2GHz c Tips d c 4h t h r 小区内信号随 d 2 下降邻小区干扰随 d 4 下降 现在的微小区为了保证容量 半径更 小 蜂窝系统电波传播很少符合两径模型 十径模型 适于街道 走廊 天线高度 街道 走廊宽度 包括各种一次 两次和三次反射信号 具体 直射 LOS 地面反射 GR 一次墙面反射 SW 两次墙面反射 DW 三次墙面反射 TW 墙地 WG 反射路径和地墙反射路 径 GW 得到的接收功率随距离的平方下降 即使距离很大也是如此 通用模型 任意传播环境 还需反射体 绕射体 散射体几何和介电特性 简化路径损耗模型 公式 奥村模型 城市宏小区信号预测 哈塔模型 校正后可用于郊区和乡村 与奥村模型不同 不再对特定传输路径进行校正 当 d 1km 时 是奥村模型很好的近似 折现 多斜率 模型 室外为小区和室内信道 通过多种方法确定转折点的数量和位置 通过线性回归得到每段斜率 特例为双斜率模型 两径模型在 d ht 可近似为它 简化路径损耗模型 阴影衰落 最常用的统计模型 对数正态阴影模型发射和接收功率比值假设为一个对数正态分布的随 机变量 路径损耗和阴影衰落的混合模型 简化路径损耗模型 对数正态阴影衰落随机过程 接收功率和反射功率之比的分贝值 第七讲 统计多径信道模型 不考察电平通过率 平均衰落时长 离散时间模型 空时信道 模型 时变信道冲激响应 多径信道的时延拓展 最先到达信号分量和最后达到信号分量之间的时间延迟 导致接受 端信号的失真 多径信道时变性 来源于发射机或接收机的运动 使多径传播中发射点的位置随时间变化 各径的脉冲幅度 时延乃至多径数目不断变化 忽略噪声 接收信号是直射信号分量及所有可分辨多径多分量之和 宽带信道 一般有可分辨的多径分量 接收信号是单反射体形成的分量或多个不可分辨分 量的和 宽带信道 接收信号每一项都是不可分辨的 每个可分辨径都是随时间变化的 是平稳遍历随机过程 对于时不变信道 t 为常量 多径传播对接收信号影响 直射径与多径时延扩展相对于信号带宽倒数的大小 相对很小 带宽远小于时延扩展的倒数 时延扩展远小于发送信号带宽的倒数 不可分辨 分量 窄带衰落模型 相对较大 可分解为若干个可分辨分量 宽带衰落模型 功率时延谱确定时延扩展 平均时延扩展和均方根时延扩展 围绕平均变化程度的最好测 度 窄带衰落模型 Tm 1 B Tm 采用均方根时延扩展 有限状态马氏信道 简单又能反应平衰落信道主要特性的模型可用于卫星信道 室内信道 瑞利衰落信道等等 宽带衰落模型 功率时延谱 相关带宽 多普勒功率谱和相关事件 公式 宽带信号 多径时延扩展 Tm 多增加了一个失真因素 若发送脉冲持续时间为 T 到接收 端脉冲扩展成 T Tm Tm T 码间干扰 还需要考虑时延扩展和信道时变性对信号的影响 同窄带信道一样 在宽带信道中 假定 每径的相位服从均匀分布 则 c t 同相分量和 正交分量是相互独立的高斯过程 其自相关函数相同 均值为 0 互相关为 0 在径数较少 时也能成立 只要各径幅度为瑞利分布 相位为均匀分布 信道大多数是广义平稳的 联合统计特性只与时间差有关 实际环境中时延分别为 t1 t2 分别来自不同散射体 其信道应不相关 称这样的信道为不 相关散射信道 同时具备广义平稳和不相关散射两个特性 则称为广义平稳不相关信道 如果发送带宽 B Bc 间隔超过相干带宽的两个频率点上的信道幅度近似独立 带宽内信 道幅度变化很大 频率选择性衰落 如果 B Bc 介于平衰落和频率选择性衰落之间 第八讲无线信道的信道容量 不考察时变频率选择性信道容量 AWGN 信道容量 公式 信道容量 不考虑编码时延和复杂度条件下 使误码率趋向于无限小的最高传输速率 信道输入和信道输出之间的互信息量 香农定义信道容量为 互信息量在不同信道输入分布下的最大值 信道输入输出关系 y i x i n i 假设信道带宽 B 接收信号功率 P 接收信噪比 SNR 定义为 x i 的功率除以 n i 的功率为恒定值 白噪声的单边功率谱密度是 N 0 2 AWGN 信道的容量由著名的香农公式给出 C Blog2 1 香农证明 信道容量等于遍历所有可能的输入分布后得到的最大互信息量 香农容量作为数据速率上界 无线信道一般表现为平衰落或频率选择性衰落 平衰落信道容量 公式 信道容量取决于发送端和接收端对 g i 的了解情况 三种 1 信道分布信息 CDI 已知 发送端和接收端都已知 g i 的分布 已知 CDI 可达到容量输入分布问题在两种情形下可以求解 1 独立同分布的瑞利信 道 2 有限状态马氏信道 2 接收端已知 CSI 接收端已知 g i 在时刻 i 的值 且发送端和接收端都已知 g i 的分布 等同于已知 i 且发送接收端都已知 g i 的分布 A 香农容量 遍历容量 B 带中断的容量 3 发送端和接收端都已知 CSI 发送端和接收端都已知 g i 在时刻 i 的值及 g i 的分布 频率选择性衰落信道容量 公式 第九讲卫星通信 基本概念和原理 卫星轨道 传输损伤 覆盖区域 全球性 区域性 国家性 服务类型 固定服务 广播服务 移动服务卫星 卫星轨道分类 1 以球心作为圆心的圆形 以球心作为两焦点之一的椭圆形 2 赤道轨道 极地轨道 倾斜轨道 3 通信卫星高度划分 地球同步轨道 GEO 中轨道 MEO 低轨道 LEO 卫星链路传输效果的依赖因素 传输损伤 A 地面站天线和卫星天线间的距离 B 下行链路时 地面站天线与卫星目的点之间的地面 距离 中心店 最高辐射功率 C 大气衰减 氧气 水 地面站到卫星的仰角 仰角越小 所需穿越的大气层越厚 频率 频率越高 衰减效应越大 容量分配 分频 一个单独的 GEO 可以处以一个相当大的带宽 将他们划分为一系列承载 较小带宽的信道 这些信道每一个都要执行一个容量分配任务三种类型 频分多址 时分 多址 码分多址 第十讲蜂窝式无线网络 蜂窝网络的原理 频率重用 利用信号功率随传输距离衰减呢的特点 不同空间位置上复用频率 将空间区 域划分为若干个互不重叠的小区 每个小区分配一个信道集 不同小区可以复用相同信道 集 同