第二章 无线通信与网络

1、第二章 无线通信与网络,提纲,无线通信技术 无线传输技术 无线蜂窝系统 无线网络 无线网络应用 无线网络发展 无线网络拓扑,无线通信技术,无线传输技术,无线传输 数字调制 多址接入,无线传输,电磁波可将信息从一个地方传到另一个地方 电磁波的传播不需要任何有形介质 电磁波称为传输的载波（载体） 传输的数据叠加在载波上，接收端再过滤出信号 调制解调 传输数据的频率范围称为频带 多个无线电载波可共存于同一空间,无线传输的电磁频谱,无线通信使用的电磁波的频率范围和频段,无线频谱的分配,频率统一分配（FCC/ITU_R/各个国家） 根据信息类型分配频谱（AM/FM无线电台、TV、蜂窝电话） 工业科学医学

2、频段（ISM） 可自由使用但限制功率 专用于非许可的商业用途 救护车、出租车、无线遥控玩具、无线电家用设备等,工业科学医学频段,无线通信涉及到的大气层,长波（低频LF）传播,波长1公里10公里，频率为30300kHz 可沿地表传播或靠电离层反射传播，但电离层对其吸收较强，衰落严重 在陆地一般传播距离为几十到几百公里,中波（中频MF）传播,波长100米1000米，频率3003000kHz 可沿地表传播或靠电离层反射传播 在白天，电离层的D层对中波吸收较为严重，难以天波的形式传播 在夜间，电离层的D层消失，E层电子密度下降，高度上升，对中波吸收减小，可由E层反射，因此，夜间中波除靠地波传播外，还靠

3、天波传播,短波（高频HF）传播,波长为10米100米，频率为330MHz 由于地表面对短波的吸收强烈，且随频率的升高明显增大，短波的天波传播是其主要的传播方式,超短波（甚高频VHF）传播,波长为1米10米，频率为30300MHz 由于地表面对超短波的吸收严重，且其对电离层的穿透能力强，所以超短波难以靠地波和天波传播 主要以直射方式（视距）传播,微波传播,波长小于1米，频率高于300MHz 根据波长不同，分为分米波（特高频UHF），厘米波（超高频SHF），毫米波（极高频EHF）和亚毫米波（至高频THF） 微波的传播类似于光波的传播，是一种视距传播,传播方式,电磁波信号从天线出发沿三种方式传播 地

4、面波（ground wave） 沿着地球表面传播，30Hz 3MHz 天空波（sky wave） 电离层反射，3MHz 30MHz 直线LOS（line of sight） 大于30MHz,全向传播与定向传播,全向传播（Omnidirectional） 信号沿所有方向传播 可被所有的天线接收 发射设备和接收设备不必在物理上对准,定向传播（directional） 天线把所有的能量集中于一小束电磁波,自由空间传播模型,自由空间传播模型用于预测接收机和发射机之间视距传播时接收信号的场强,无线通信的衰减（fading）,衰减（fading）：传输介质或路径使得接收信号的能量发生变化 在固定环境下，大

5、气层条件的变化 低频具有更强的穿透力，可以传输更远的距离 频率越高，衰减越严重，发射器需要更大的功率，传输范围变短 在移动环境下：障碍物的相对位置随时间发生变化，造成复杂的传输效果多径传播,反射（reflection）,反射：当信号遇到表面大于信号波长的障碍物（地球表面、高建筑物、大型墙面）导致信号的相位发生漂移,衍射（Diffraction）,衍射：当信号遇到大于波长的不可穿透物的边缘（如无线电波中途遇到的尖锐不规则的边缘物），即使没有来自发送器的视线信号，也可接收到信号。,散射（Scattering）,散射：当入境信号遇到比波长小的物体（树叶、街牌、灯柱）就发散成几个弱的出境信号,反射、衍

6、射和散射(LOS 视距通信 ),多径（multipath）传播的影响,一个信号的多个拷贝以不同的相位到达 如果相位破坏性叠加，则相对噪声来说信号的强度就会下降（信噪比减小），导致接收端检测困难 信号串扰（intersymbol interference） 一个脉冲的一个或多个延迟的拷贝在一个比特时间内到达,多径（Multipath）:障碍物反射信号，使得接收端接收到多个不同延迟的信号,多径传播的影响,假设：以给定频率在固定天线和移动节点之间的链路上发送一个窄脉冲,瑞利衰落,在无线通信信道环境中，电磁波经过反射、衍射、散射等多条路径传播到达接收机后，总信号的强度服从瑞利分布。,数字调制技术,在无

7、线通信系统中利用载波来携带数字信号，数字信号必须对载波进行调制才能实际传输 当载波的频率按照数字信号1/0变化而相应地变化，称为频移键控FSK 当载波的相位按照数字信号1/0变化而相应地变化，称为相移键控PSK 当载波的振幅按照数字信号1/0变化而相应地变化，称为振幅键控ASK,连续相位调制技术,误码性能好，可使用高效率的C类功率放大器 平滑调频（TFM）、最小频移键控（MSK）、高斯预滤波最小频移键控（GMSK） GSM采用GMSK调制技术,LSJ_ADD,MSK : a type ofcontinuous-phasefrequency-shift keying MSK encodes ea

8、ch bit as a halfsinusoid. This results in a constant-modulus signal, which reduces problems caused by non-linear distortion. GSMK = GAUSSIAN Filter+MSK,线性调制技术,频谱利用率高，但对调制器和功率放大器的线性要求高 二相相移键控（BPSK）、四相相移键控（QPSK）、正交调幅（QAM） 美国和日本的数字移动通信采用QPSK调制技术,多路复用（multiplexing）,为了提高信道利用率，使多路信号沿同一信道传输而互不干扰的技术,多路复用技术,

9、实现多路服用的关键 把多路信号汇合到一条信道上之后，在接收端必须能正确地分割出各种信号 分割信号的依据：信号之间的差别 信号频率上的不同 频分多路复用 信号出现时间上的不同 时分多路复用 信号码型结构上的不同 码分多路复用,7C29822.030-Cimini-9/97,频分多址接入,7C29822.031-Cimini-9/97,时分多址接入,7C29822.032-Cimini-9/97,码分多址接入,常用的码分多址,调频（FH） 调频通信指载波频率收到一组伪随机码控制而进行离散变化的通信方式 直接序列扩频（DS） 把信码与伪随机序列进行”模二加”处理，由于伪随机序列的速率远大于信码的速率

10、，故已调信号的频谱被扩展,LSJ_ADD,码分多址是利用不同码之间的正交性实现的，为了判断码的正交性，需要采用积分的办法。当双方使用相同的码时，积分可以得到最大输出；当双方的码不匹配，积分将输出极小值。这样就可以区分出不同的用户。,多址接入方法比较,另一个与接入方法有关的重要参数是正向信道和反向信道的载波频率差。 正向信道又叫下行链路，指从基站到移动终端的通信； 反向信道又叫上行链路，指从移动终端到基站的通信。 如果正向信道和反向信道采用不同的载波频率，而且间隔足够大，这样的双工技术叫做FDD（Frequency Division Duplexing，频分双工）； 如果正向信道和反向信道采用相

11、同的载波频率，但采用交替的时隙，这样的双工技术叫做TDD（Time Division Duplexing，时分双工）。,无线信道接入方法,无线蜂窝系统,蜂窝概念,蜂窝通信是一种使用频率复用的智能方法，以使有限的带宽可以容纳巨大数量的用户。 其基本原理是把覆盖区域分为大量相连的小区域，每个小区域都使用自己的、低功率的无线基站。由于同样的频谱在分散的区域内可以被多次复用，这样，每次建立一个新的基站（一个小区域）时，容量就会增加。 小区域被称为小区或单元（cell），一组小区组成区群（cluster）。 一个区群中小区的数量称为区群大小或频率复用因子。 需要对这些小区域以智能的方式分配信道，以避免两

12、种干扰： 同频道干扰（cochannel interference） 邻道干扰（adjacent channel interference）,蜂窝形状,频率复用,N=4频率复用模型,N=7频率复用模型,以FDMA为例，K为分配给系统的频率总数，N为频率复用模型蜂窝数，假定每个蜂窝区分配相同数量的频率，则每个蜂窝区有K/N个频率,频率复用,设参数 D 使用相同频段的蜂窝区最小中心间距 R 蜂窝区半径 d 相邻蜂窝区的中心距离 N 重用因子，重用模型中蜂窝区个数 在六边形蜂窝区模型中 可能的N值为1、3、4、7、9、12、13等 存在下列关系,增加容量,增加新信道（adding new chann

13、els） 频率借用（frequency borrowing） 蜂窝区分裂（cell splitting） 蜂窝区扇形化（cell sectoring） 微蜂窝区（microcells）,蜂窝式系统的运行,蜂窝区中心设置基站BS 基站连接到移动电话交换局MTSO MTSO和公共电话或电信网络连接 MTSO管理基站，执行越区切换，计费,移动单元和基站之间存在两种类型信道 控制信道 交换信息，建立和维持呼叫，同最近基站建立联系 业务信道 在用户之间传递语音或连接数据,当移动设备从一个蜂窝区移动到另一个时，网络将移动设备由一个基站分配给另一个基站 移动台控制切换：移动台连续监测当前基站和越区候选基站的

14、信号，移动台做出决策，并发送越区切换请求（小系统） 网络控制切换：基站监测来自移动台的信号，当信号低于某个门限时，网络安排向另一基站的越区切换（1G） 辅助越区切换：网络要求移动台测量周围基站的信号，并向网络提供反馈，网络根据测量结果决定何时切换并切换到哪一个基站（2G）,越区切换（handoff）,切换方式 硬切换：先断开，再切换 软切换：先切换，后断开 越区切换决策的主要参数 信号强度 信噪比 距离,一次典型呼叫过程,移动设备初始化 移动设备发起呼叫 寻呼 接收呼叫 继续呼叫 越区切换 结束呼叫,接入网与核心网,蜂窝无线网络可分为两个部分：接入网与核心网 接入网定义了终端用户通过射频信道与

15、网络中第一个服务实体之间的通信方式 频谱、多址方式、调制技术、信道编码 核心网在不同接入网之间建立通信 信令与控制、路由、业务和移动管理、MS数据库存储以及越区切换,无线网络,无线网络的应用从逻辑上可以分成两类： 面向语音的应用 面向数据的应用 每一类都有局域和广域两个应用场合，从而形成四个不同的应用部分。,无线网络应用,面向语音的无线网络应用围绕着连接PSTN的无线网络，这些业务进一步形成局域网应用和广域网应用。 面向数据的无线网络应用围绕着Internet和计算机通信网络的基础结构。这些业务进一步分为宽带局域与Ad-hoc（点对点）应用和广域无线数据应用。,无线网络应用,LSJ_ADD,P

16、ublic Switch Telephone Network Ad hocis aLatin phrasewhich, literally, means For this. It generally signifies a solution designed for a specific problem or task, non-generalizable, and which cannot be adapted to other purposes.,LSJ_ADD,The termad hocnetworking typically refers to a system of network

17、 elements that combine to form a network requiring little or no planning.,面向语音无线网络发展的重大事件,贝尔实验室的 FDMA（Frequency Division Multiple Access，频分多址）模拟蜂窝系统技术 欧洲的NMT（Nordic Mobile Telephony，北欧移动电话） 美国的AMPS（Advanced Mobile Phone System，高级移动电话系统） 北欧的TDMA（Time Division Multiple Access，时分多址）数字蜂窝系统技术 GSM（Global

18、System for Mobile communication，全球移动通信系统，简称“全球通”） 北美的CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）数字蜂窝系统技术 3G（第三代蜂窝移动通信系统）技术 WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access)、CDMA2000、TD-SCDMA,面向语音的广域无线应用,无绳电话 英国的CT-2 欧洲的DECT（Digital European Cordless Telephone，数字欧洲无绳电话） PCS服务 日本的PHP（Personal Handy Phone，个人手持电话），后来成为PHS（Personal Handyphone System个人手持系统，即“小灵通”） 英国的DCS-1800（GSM技术） 美国的PACS（Person Access Communications System，个人接入通信系统）,面向语音的局域无线应用,面向数据无线网络发展的重大事件,面向数据无线网络发展的重大事件（续）,Motorola和IBM的ARDIS Ericsson的Mobitex 美国的CDPD（Cellular Digital P