第2章 無(wú)線通信和網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)基礎(chǔ)20150528

1、第2章 無(wú)線通信和網(wǎng)絡(luò)(wnglu)仿真技術(shù)基礎(chǔ)金光(jn un),江先亮1共七十頁(yè)2本章(bn zhn)內(nèi)容簡(jiǎn)介無(wú)線電頻譜無(wú)線傳輸介質(zhì)(jizh)和方式損耗與衰落調(diào)制擴(kuò)頻復(fù)用和多址天線MIMO認(rèn)知無(wú)線電可見(jiàn)光和激光通信網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)簡(jiǎn)介 NS2基礎(chǔ)知識(shí)用NS2進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)仿真共七十頁(yè)3無(wú)線電頻譜無(wú)線電頻譜特點(diǎn)有限性：頻段有限排它性：一定時(shí)間、地區(qū)和頻域內(nèi)獨(dú)占復(fù)用性：一定時(shí)間、地區(qū)、頻域和編碼條件下可復(fù)用 非耗盡性：可重復(fù)(chngf)利用不會(huì)耗盡傳播性：不受?chē)?guó)界和行政地域限制，但受自然環(huán)境影響 易干擾性：互相干擾共七十頁(yè)4無(wú)線電頻譜劃分(hu fn)國(guó)際上將無(wú)線電波頻譜劃分為12個(gè)頻段，通常的

2、無(wú)線電通信只使用其中第412頻段。ITU規(guī)定ISM(Industrial Scientific Medical，工業(yè)科學(xué)醫(yī)療)頻段，開(kāi)放給三類(lèi)機(jī)構(gòu)使用，無(wú)需許可證授權(quán)，可免費(fèi)使用。ISM頻段各國(guó)規(guī)定不一：美國(guó)為902-928MHz、2.4-2.4835GHz和5.725-5.850GHz，其中2.4GHz頻段為各國(guó)通用。歐洲(u zhu)的ISM低頻段為868MHz和433MHz。使用需遵守一定發(fā)射功率(上百ms，普通語(yǔ)音通信感受明顯。差錯(cuò)檢測(cè)和流量控制一系列問(wèn)題。優(yōu)點(diǎn)：范圍大、距離遠(yuǎn)、不受地面災(zāi)害影響、建設(shè)快、費(fèi)用和距離無(wú)關(guān)、易廣播(gungb)和多址通信、同一信道可用于不同方向不同區(qū)域等。

3、不足：信號(hào)傳輸時(shí)延，有些頻帶受天氣影響，天線受太陽(yáng)噪聲影響，安全保密性較差，衛(wèi)星本身造價(jià)高14共七十頁(yè)紅外線通信(tng xn) 紅外線為載體進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。早期多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，不同標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備不能通信。1993年紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)(IrDA)成立，統(tǒng)一規(guī)定紅外數(shù)據(jù)通信協(xié)議及規(guī)范。收發(fā)器調(diào)制出互不相干的紅外線，實(shí)現(xiàn)通信。無(wú)論直接傳輸，還是經(jīng)由淺色表面(房間天花板)的發(fā)射(fsh)，收發(fā)器間距離均不能超過(guò)視線范圍。能像可見(jiàn)光一樣集中成窄光束發(fā)射，兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：不易發(fā)現(xiàn)和截獲，保密性強(qiáng)；幾乎不受電磁、人為干擾，抗干擾性強(qiáng)。紅外線通信機(jī)小、輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉。須在視距范圍內(nèi)通信，傳播易受天氣影響。不能架設(shè)有線線

4、路、使用無(wú)線電又怕暴露的情況下，紅外線通信是較好選擇。15共七十頁(yè)損耗(snho)和衰落 通信損耗：衰減和衰減失真、自由空間損耗、噪聲、大氣吸收、多徑、折射等衰落：傳輸介質(zhì)或路徑(ljng)改變引起接收信號(hào)功率隨時(shí)間變化。固定環(huán)境中下雨等天氣變化會(huì)引發(fā)衰落，移動(dòng)環(huán)境中一個(gè)天線相對(duì)另一個(gè)移動(dòng)，各種障礙物的相對(duì)位置隨時(shí)間而變化，傳輸更為復(fù)雜。 16共七十頁(yè)衰減(shui jin)和衰減(shui jin)失真 信號(hào)強(qiáng)度隨所跨越任一傳輸介質(zhì)距離而下降。有線介質(zhì)衰減通常為指數(shù)值：每單位距離一個(gè)固定的分貝數(shù)。無(wú)線介質(zhì)衰減是更復(fù)雜(fz)的距離函數(shù)。一般應(yīng)考慮3因素影響： 接收信號(hào)應(yīng)有足夠強(qiáng)度，使接收方檢

5、測(cè)并解釋信號(hào)。 與噪聲相比，信號(hào)須維持較高強(qiáng)度，以便準(zhǔn)確接收。 高頻下的衰減更嚴(yán)重，會(huì)引起失真。前兩個(gè)因素可使用放大器或中繼器。衰減失真。由于衰減變化為頻率的函數(shù)，接收信號(hào)失真會(huì)影響對(duì)信號(hào)理解。與傳輸信號(hào)頻率成分相比，接收信號(hào)頻率成分有不同相對(duì)強(qiáng)度?？煽紤]跨頻帶衰減均勻，或用放大器更多放大高頻部分。17共七十頁(yè)自由空間損耗(snho) 無(wú)線通信過(guò)程中離發(fā)射天線越遠(yuǎn)，接收信號(hào)功率就越低。衛(wèi)星通信中是主要(zhyo)的傳播損耗。即使無(wú)其它衰減或損耗源，長(zhǎng)距離的信號(hào)傳輸也會(huì)有衰減。自由空間損耗，可表示為發(fā)射功率與天線接收功率之比，或用該比率對(duì)數(shù)值乘以10，單位為分貝。18共七十頁(yè)噪聲(zoshng)

6、 熱噪聲：電子熱擾動(dòng)產(chǎn)生(chnshng)，存在于電子設(shè)備和傳輸介質(zhì)中，受溫度影響。頻譜均勻分布，稱(chēng)為白噪聲。無(wú)法消除，有上限。衛(wèi)星通信影響顯著，地面站接收信號(hào)較弱。互調(diào)噪聲：不同頻率信號(hào)共享介質(zhì)產(chǎn)生。新產(chǎn)生信號(hào)某種頻率是原來(lái)多頻率累加和或差。如頻率f1和f2混合可能得到f1+f2頻率的能量，干擾原始信號(hào)。串?dāng)_噪聲：不同信號(hào)路徑間融合，相鄰雙絞線間電子耦合產(chǎn)生。微波天線盡管定向性較高，但微波能量在傳播期間仍會(huì)擴(kuò)散。串?dāng)_與熱噪聲具同等(或較少)干擾作用，串?dāng)_在ISM頻帶中一般占主要成分。脈沖噪聲：不規(guī)則脈沖或短時(shí)噪聲尖峰，振幅較高。原因包括外部電磁干擾(如雷電)、通信系統(tǒng)錯(cuò)誤和缺陷。對(duì)模擬數(shù)據(jù)影

7、響不大，短時(shí)下降通話質(zhì)量?？赡軐?dǎo)致數(shù)字通信嚴(yán)重錯(cuò)誤，可檢測(cè)發(fā)現(xiàn)重傳。 19共七十頁(yè)大氣(dq)吸收 一般源于水蒸氣和氧氣(yngq)。水蒸氣產(chǎn)生的衰減峰值約22GHz，頻率低于15GHz，衰減會(huì)減少。氧氣產(chǎn)生的衰減峰值約為60GHz，低于30GHz，衰減會(huì)減少。雨霧會(huì)散射無(wú)線電波，導(dǎo)致衰減。針對(duì)大氣吸收的損耗，降水量充沛地區(qū)，可多用短路徑，或使用低頻帶。20共七十頁(yè)多徑 無(wú)線環(huán)境中障礙物會(huì)反射信號(hào)，接收方收到不同時(shí)延的同一信號(hào)多路副本。極端情況可能沒(méi)有直接收到信號(hào)。依賴(lài)直接或反射波路徑長(zhǎng)度不同，合成(hchng)信號(hào)強(qiáng)度會(huì)不同于直接收到信號(hào)。針對(duì)多路徑信號(hào)，固定且位置較好天線間，或在衛(wèi)星和固定

8、地面站間通信中可有效控制。但如路徑穿越水面，風(fēng)會(huì)使水反射表面處于運(yùn)動(dòng)態(tài)。在移動(dòng)通信和天線位置不佳的環(huán)境中，多徑因素影響較明顯。教材圖2.3為固定微波和移動(dòng)通信中典型多徑干擾類(lèi)型。移動(dòng)通信中，建筑物和地形特征決定了反射表面會(huì)有所不同。21共七十頁(yè)折射(zhsh) 大氣層折射傳播無(wú)線電波(wxin dinb)。信號(hào)高度變化會(huì)引起速率改變，大氣條件下空間改變會(huì)引起折射。通常信號(hào)速率隨高度增加，無(wú)線電波向下彎曲，而氣條件偶爾也會(huì)導(dǎo)致這種變化與典型變化不同。折射可使極少部分或沒(méi)有直線波到達(dá)接收天線。22共七十頁(yè)移動(dòng)(ydng)環(huán)境中的衰落 多徑傳播：反射、散射和衍射。電磁波遇相對(duì)該信號(hào)波長(zhǎng)更大表面時(shí)會(huì)反

9、射。假設(shè)靠近移動(dòng)單元的一個(gè)地面發(fā)射波被接收，由于地面反射波在反射后有一個(gè)180相移，地面波和直線波可能趨于抵消，產(chǎn)生較大損耗。如移動(dòng)天線高度低于建筑物，會(huì)發(fā)生多徑干擾，反射波可能干擾接收方。無(wú)線電波到達(dá)難以穿透的物體邊界且波長(zhǎng)小于物體尺寸，會(huì)發(fā)生衍射。波以此邊界作為源向不同方向傳播。即使沒(méi)有發(fā)送方的無(wú)障礙直線波，信號(hào)仍可被接收。散射發(fā)生在障礙物尺寸約等于信號(hào)波長(zhǎng)或略小時(shí)。一個(gè)輸入信號(hào)會(huì)散射為幾路弱輸出信號(hào)。蜂窩通信(tng xn)中，路燈柱、交通標(biāo)志等引起散射。23共七十頁(yè)衰落類(lèi)型：移動(dòng)通信衰落效果分為快衰落或慢衰落。城市中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)沿一條街道移動(dòng)時(shí)，超過(guò)大約波長(zhǎng)一半距離時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度急劇變化。使

10、用900MHz接收到的信號(hào)振幅空間變化為例，振幅變化在一個(gè)短距離上高達(dá)2030dB，即為快衰落。移動(dòng)用戶(hù)覆蓋超出(choch)一個(gè)波長(zhǎng)的距離，即用戶(hù)穿過(guò)不同高度的建筑物、空地、十字路口等。跨越這樣的長(zhǎng)距離時(shí)，接收到發(fā)生快速波動(dòng)的平均功率值會(huì)改變。教材圖2.4描述了這種緩慢改變的波形，即為慢衰落。衰落效果可分為平面或選擇性。 24共七十頁(yè)調(diào)制(tiozh) 調(diào)制指將輸入(shr)信息變換為適于信道傳輸形式。信號(hào)源信息通常包含直流分量和頻率較低頻率分量，稱(chēng)為基帶信號(hào)?；鶐盘?hào)一般不能直接用于傳輸，需變換為一個(gè)遠(yuǎn)高于基帶頻率的信號(hào)，即已調(diào)信號(hào)。調(diào)制過(guò)程改變高頻載波即信息載體信號(hào)的幅度、相位或頻率，使

11、其隨基帶信號(hào)幅度而變化。解調(diào)過(guò)程則將基帶信號(hào)從載波中提取出來(lái)，使接收方能正確處理。常用調(diào)制方式：模擬、數(shù)字、脈沖25共七十頁(yè)常用(chn yn)調(diào)制方式 模擬調(diào)制：連續(xù)變化的信號(hào)調(diào)制一個(gè)高頻正弦波。調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)、調(diào)相(PM)。數(shù)字調(diào)制：用數(shù)字信號(hào)對(duì)正弦或余弦高頻振蕩(zhndng)進(jìn)行調(diào)制。振幅鍵控(ASK)、頻率鍵控(FSK)、移相鍵控(PSK)。脈沖調(diào)制：用脈沖序列作為載波。脈幅調(diào)制(PAM)脈寬調(diào)制(PDM)脈位調(diào)制(PPM)脈碼調(diào)制(PCM)脈頻調(diào)制(PFM)詳細(xì)介紹見(jiàn)教材2.4.1節(jié)26共七十頁(yè)典型(dinxng)數(shù)字調(diào)制技術(shù) 相位鍵控調(diào)制PSK：根據(jù)數(shù)字基帶信號(hào)，相位

12、在不同數(shù)值間切換，載波相位隨調(diào)制信號(hào)狀態(tài)不同而改變。傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)，用1碼控制發(fā)0相位，0碼控制發(fā)180相位。高速數(shù)字傳輸應(yīng)用廣泛。其抗干擾性強(qiáng)，衰減信道中效果亦佳。分二相、四相、八相、十六相等。正交調(diào)幅QAM：同時(shí)以載波信號(hào)幅度和相位來(lái)代表不同的比特編碼，多進(jìn)制與正交載波相結(jié)合，進(jìn)一步提高頻帶利用率。信號(hào)有兩個(gè)相同頻率載波，相位相差90(1/4周期)，分別稱(chēng)I和Q信號(hào)，分別表示成正弦和余弦。兩種被調(diào)制的載波發(fā)射時(shí)被混和。到達(dá)接收方后，載波分離(fnl)，數(shù)據(jù)被分別提取，然后和原始調(diào)制信息相混和。具體包括二進(jìn)制(4QAM)、四進(jìn)制(16QAM)、八進(jìn)制QAM(64QAM)等。27共七十頁(yè)擴(kuò)頻(

13、Spread Spectrum，SS) 對(duì)各類(lèi)噪聲如多徑失真具有免疫性。可隱藏和加密(ji m)信號(hào)。接收方須知道擴(kuò)頻碼，才可恢復(fù)原始信息。多個(gè)用戶(hù)可獨(dú)立使用同樣較高帶寬，幾乎無(wú)干擾。主流技術(shù)：跳頻擴(kuò)頻和直接序列擴(kuò)頻。28共七十頁(yè)跳頻擴(kuò)頻(Frequency Hopping SS，F(xiàn)HSS) 一定擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行選擇的多頻率頻移鍵控調(diào)制，載波頻率不斷跳變。發(fā)送方看似隨機(jī)的無(wú)線電頻率序列廣播信息，并以固定間隔從一頻率跳至另一頻率。接收方接收時(shí)也同步跳轉(zhuǎn)頻率。竊聽(tīng)者只能聽(tīng)到無(wú)法識(shí)別的雜音(zyn)，即使試圖在某一頻率干擾，也只能影響有限幾位信號(hào)。 29共七十頁(yè)FHSS系統(tǒng)(xtng)框圖30共七十頁(yè)

14、直接(zhji)序列擴(kuò)頻(Direct Sequence SS，DSSS) 高碼率擴(kuò)頻碼序列在發(fā)送方直接擴(kuò)展信號(hào)頻譜，接收方用相同擴(kuò)頻碼序列解擴(kuò)，把頻譜拓寬的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原始信息(xnx)。原始信號(hào)中每一位在傳輸中以多個(gè)碼片表示，即使用擴(kuò)展編碼。這種擴(kuò)展編碼能將信號(hào)擴(kuò)展至更寬的頻帶范圍上，該頻帶范圍與使用碼片位數(shù)成正比。31共七十頁(yè)DSSS系統(tǒng)(xtng)框圖32共七十頁(yè)復(fù)用(f yn)和多址 兩點(diǎn)間信道中同時(shí)傳輸互不干擾多個(gè)信號(hào)稱(chēng)“信道復(fù)用”，而多點(diǎn)間實(shí)現(xiàn)互不干擾多邊通信稱(chēng)“多址接入”。本質(zhì)是信號(hào)分割，賦予各信號(hào)不同特征或地址。根據(jù)特征差異來(lái)區(qū)分，按不同地址分發(fā)，實(shí)現(xiàn)互不干擾通信。多點(diǎn)間通

15、信和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信技術(shù)上不同，難點(diǎn)在于如何消除避免沖突。關(guān)鍵是設(shè)計(jì)正交信號(hào)集合，各信號(hào)彼此(bc)無(wú)關(guān)。實(shí)際較難實(shí)現(xiàn)完全正交和不相關(guān)，一般準(zhǔn)正交，互相關(guān)很小。允許各信號(hào)間存在一定干擾。復(fù)用方式有頻分復(fù)用(FDM)、時(shí)分復(fù)用(TDM)、碼分復(fù)用(CDM)、空分復(fù)用(SDM)等。多址通信方式有頻分多址(FDMA)、時(shí)分多址(TDMA)、碼分多址(CDMA)、空分多址(SDMA)等。還有極化復(fù)用和波分復(fù)用。33共七十頁(yè)TDMA(Time Division Multiplexing Address)給定頻帶最高數(shù)據(jù)傳輸速率，傳遞時(shí)間劃分為若干時(shí)隙，各用戶(hù)使用某一時(shí)隙，突發(fā)脈沖序列方式(fngsh)接收和發(fā)

16、送信號(hào)。用戶(hù)按序占用不同時(shí)隙，一個(gè)寬帶載波上以較高速率傳遞信息。接收方接收解調(diào)后，各用戶(hù)分別按次序提取相應(yīng)時(shí)隙信息。總碼元速率為各路之和，還有少量位幀同步等額外開(kāi)銷(xiāo)。 34共七十頁(yè)FDMA(Frequency Division Multiplexing Address) 常用于衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、微波通信等。傳輸頻帶劃分為若干較窄且互不重疊子頻帶，各用戶(hù)分配一個(gè)固定子頻帶。信號(hào)調(diào)制到該子頻帶內(nèi)，各用戶(hù)信號(hào)同時(shí)傳輸，接收時(shí)分別按頻帶提取。實(shí)際應(yīng)用中濾波器往往達(dá)不到理想條件，各信號(hào)間存在一定相關(guān)和干擾。所以各頻帶間留一定間隔減少串?dāng)_。分模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制，可由一組模擬信號(hào)用頻分復(fù)用方式或一組數(shù)字信

17、號(hào)用時(shí)分復(fù)用方式占用一個(gè)較寬頻帶，調(diào)制到相應(yīng)子頻帶后傳輸?shù)酵坏刂?。模擬信號(hào)數(shù)字化后占帶寬較大，可考慮(kol)壓縮編碼技術(shù)和數(shù)字調(diào)制技術(shù)。35共七十頁(yè)OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiplex Address)正交頻分復(fù)用(OFDM)將信道分為若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制至每個(gè)子信道上并行傳輸。接收方采用相關(guān)技術(shù)區(qū)分正交信號(hào)，減少子信道間相互干擾。每個(gè)子信道上信號(hào)帶寬小于信道相關(guān)帶寬，每個(gè)子信道可看成平坦性衰落，從而消除符號(hào)(fho)間干擾。各子信道帶寬僅是原信道帶寬一小部分，信道均衡相對(duì)容易。OFDMA與OFDM相比

18、，每個(gè)用戶(hù)可選擇信道條件較好的子信道傳輸數(shù)據(jù)，不像OFDM在整個(gè)頻帶內(nèi)發(fā)送，從而保證各個(gè)子載波都被對(duì)應(yīng)信道條件較好的用戶(hù)使用，獲得頻率上的多用戶(hù)分集增益。36共七十頁(yè)CDMA(Code Division Multiplexing Address) 發(fā)送(f sn)方用一個(gè)帶寬遠(yuǎn)高于信號(hào)帶寬的偽隨機(jī)編碼信號(hào)或其它擴(kuò)頻碼，調(diào)制需傳輸?shù)男盘?hào)，即拓寬原信號(hào)的帶寬，再經(jīng)載波調(diào)制后發(fā)送(f sn)。接收方使用相同擴(kuò)頻碼序列，同步后對(duì)接收信號(hào)作相關(guān)處理，解擴(kuò)為原始數(shù)據(jù)。不同用戶(hù)使用互相正交的碼片序列，占用相同頻帶，實(shí)現(xiàn)互不干擾的多址通信。由于以正交的不同碼片序列區(qū)分用戶(hù)，稱(chēng)“碼分多址”，也稱(chēng)“擴(kuò)頻多址(SS

19、MA)”。37共七十頁(yè)SDMA(Space Division Multiplexing Address) 利用空間特征區(qū)分不同用戶(hù)。最常用、最明顯特征是用戶(hù)位置。配合電磁波傳播(chunb)特征，可使不同地域用戶(hù)同時(shí)使用相同頻率且互不干擾。如利用定向天線或窄波束天線，按一定方向發(fā)射電磁波，局限在波束范圍內(nèi)。不同波束可使用相同頻率，控制發(fā)射功率作用于有限距離。依靠空間區(qū)分，電磁波影響范圍以外地域仍可使用相同頻率，如無(wú)線電頻率資源管理。蜂窩移動(dòng)通信充分運(yùn)用SDMA，用有限頻譜構(gòu)成大容量通信系統(tǒng)，頻率再用。衛(wèi)星通信中采用窄波束天線實(shí)現(xiàn)空分多址以提高頻譜利用率?？臻g分割不可能太細(xì)，某一空間范圍一般不會(huì)

20、僅一個(gè)用戶(hù)，SDMA常結(jié)合其它多址方式。近來(lái)研究一些以往未利用的空間特征逐步得到使用。38共七十頁(yè)天線(tinxin)無(wú)線通信系統(tǒng)的外界傳播介質(zhì)接口發(fā)送方將信號(hào)通過(guò)饋線(電纜)輸送到天線，再以電磁波形式輻射出去。接收方則由天線吸收到達(dá)的電磁波，僅接收極小一部分功率，通過(guò)饋線送至無(wú)線電接收機(jī)。天線是發(fā)射和接收無(wú)線電波的重要設(shè)備。天線的型號(hào)(xngho)、增益、方向圖、驅(qū)動(dòng)功率、配置、極化等都是影響性能的因素之一。39共七十頁(yè)天線(tinxin)的分類(lèi) 按用途分為通信天線、電視天線、雷達(dá)天線等。按工作頻段(pn dun)分為短波天線、超短波天線、微波天線等。按方向性分為全向天線、定向天線等。按外形

21、分為線狀天線、面狀天線等。 40共七十頁(yè)天線的主要(zhyo)指標(biāo) 增益：輸入功率相等時(shí)，實(shí)際天線與理想輻射單元在空間同一處產(chǎn)生(chnshng)的信號(hào)功率密度之比。定量描述了天線集中輻射輸入功率程度。增加增益就可在一個(gè)確定方向上增大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，或在確定范圍內(nèi)增大增益余量。方向圖：天線輻射電磁場(chǎng)在固定距離上隨角坐標(biāo)的分布圖形。用輻射場(chǎng)強(qiáng)表示，稱(chēng)為場(chǎng)強(qiáng)方向圖。用功率密度表示，稱(chēng)為功率方向圖。用相位表示，稱(chēng)為相位方向圖。歸一化方向圖取最大值為一。方向圖中包含所需最大輻射方向的輻射波瓣稱(chēng)天線主波瓣或天線波束。主瓣之外稱(chēng)副瓣、旁瓣或邊瓣，與主瓣相反方向旁瓣為后瓣。極化：描述電磁波場(chǎng)強(qiáng)矢量空間指向的一

22、個(gè)輻射特性，習(xí)慣以電場(chǎng)矢量的空間指向作為電磁波的極化方向，指在該天線最大輻射方向上的電場(chǎng)矢量。電場(chǎng)矢量的空間取向在任何時(shí)間均不變的電磁波稱(chēng)直線極化波。電場(chǎng)矢量方向平行于地面的波稱(chēng)水平極化波，垂直于地面的波稱(chēng)垂直極化波。電場(chǎng)矢量和傳播方向構(gòu)成平面稱(chēng)極化平面。天線可能會(huì)在非預(yù)定的極化上輻射不需要能量，稱(chēng)交叉極化輻射分量。41共七十頁(yè)其它(qt)技術(shù)指標(biāo) 電壓駐波比。天線輸入阻抗與特性阻抗不一致，反射波和入射波在饋線上疊加形成駐波，相鄰電壓最大和最小值之比。比值過(guò)高將縮短通信距離，反射功率返回發(fā)射機(jī)功放，易燒壞功放管，影響系統(tǒng)工作。端口隔離度。多端口天線收發(fā)共用時(shí)，端口間隔離度應(yīng)大于30dB?；夭〒p

23、耗。接頭處反射與入射功率之比，反映了天線匹配特性。無(wú)源互調(diào)。接頭、饋線、天線、濾波器等無(wú)源部件在多個(gè)載頻大功率信號(hào)條件下，部件本身非線性引起(ynq)互調(diào)。功率容量。指平均功率，包括匹配、平衡、移相及其它耦合裝置，承受功率有限。其它指標(biāo)，如防護(hù)能力、工作溫度和濕度、外觀尺寸等。42共七十頁(yè)天線(tinxin)分集技術(shù) 衰落效應(yīng)影響通信質(zhì)量。加大發(fā)射功率、增加天線尺寸和高度等方法并不現(xiàn)實(shí)，且會(huì)干擾。分集技術(shù)在若干支路上接收彼此相關(guān)性很小的同一(tngy)數(shù)據(jù)信號(hào)，然后合并輸出，可在接收方降低深衰落概率。采用分集接收減輕衰落影響，獲得分集增益，提高接收靈敏度。分集通過(guò)多信道(時(shí)間、空間、頻率)接收

24、到載有相同信息的多個(gè)副本，各信道傳輸特性不同，各副本衰落相關(guān)性較小，同時(shí)出現(xiàn)深衰落概率較小，可提高接收性能。分集特點(diǎn)：分散傳輸，接收機(jī)能獲得多個(gè)獨(dú)立攜帶同一信息的衰落信號(hào)；集中處理，接收機(jī)將收到的多個(gè)獨(dú)立衰落信號(hào)合并，以降低衰落影響。空間分集、時(shí)間分集、頻率分集、極化分集、接收合并 43共七十頁(yè)賦形波束(bsh)技術(shù) 根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)，對(duì)基帶(中頻)信號(hào)的最佳組合或分配。補(bǔ)償傳播(chunb)過(guò)程中由空間損耗、多徑效應(yīng)等導(dǎo)致的信號(hào)衰落與失真，同時(shí)降低同信道用戶(hù)間干擾。先系統(tǒng)建模，描述系統(tǒng)中各處信號(hào)。再根據(jù)性能要求，將信號(hào)組合或分配轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問(wèn)題，尋求最優(yōu)解。直接建立在信道參量基礎(chǔ)上，其算法描述

25、、性能分析及仿真都依賴(lài)無(wú)線移動(dòng)信道的建模與估計(jì)。分上行和下行兩個(gè)方向。上行與用戶(hù)信號(hào)檢測(cè)密切相關(guān)。如CDMA系統(tǒng)賦形波束可結(jié)合各種信號(hào)檢測(cè)尤其是多用戶(hù)檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同檢測(cè)。下行波束賦形與功率分配有關(guān)，可使用波束賦形分辨同信道用戶(hù)的空域。44共七十頁(yè)智能天線(tinxin)技術(shù) 基站雙向天線，通過(guò)一組可編程電子相位固定天線單元獲取(huq)方向性，獲取(huq)基站和移動(dòng)終端間鏈路方向特性。 多波束天線，利用多并行波束覆蓋整個(gè)用戶(hù)區(qū)，各波束指向固定，寬度由天線孔徑?jīng)Q定。用戶(hù)移動(dòng)時(shí)，基站在不同波束中選擇，使接收信號(hào)最強(qiáng)。用戶(hù)信號(hào)位于波束邊緣且干擾信號(hào)位于波束中央時(shí)，接收效果最差。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)須判

26、定用戶(hù)信號(hào)到達(dá)方向。自適應(yīng)天線陣列，采用416天線陣元結(jié)構(gòu)，陣元間距為半個(gè)波長(zhǎng)。陣元分布方式有直線型、圓環(huán)型和平面型。能識(shí)別用戶(hù)信號(hào)的到達(dá)方向，在此方向形成天線主波束，而在干擾方向形成零陷抑制干擾。傳統(tǒng)天線電磁波輻射較大，電磁污染較重，智能天線有效降低輻射 45共七十頁(yè)MIMO(Multiple Input Multiple Output，多入多出) 多發(fā)射、多接收天線進(jìn)行空間和時(shí)間分集，利用(lyng)多天線抑制信道衰落。發(fā)送方和接收方均采用多根天線或天線陣列，構(gòu)成無(wú)線MIMO系統(tǒng)46共七十頁(yè)MIMO的關(guān)鍵技術(shù) 信道估計(jì)。采用空時(shí)編碼(bin m)時(shí)，接收方需準(zhǔn)確知道信道特性才能有效解碼，因

27、此信道估計(jì)尤為重要。一類(lèi)是訓(xùn)練序列或?qū)ьl，另一類(lèi)是采用盲方法辨別信道，分為全盲和半盲。空時(shí)信號(hào)處理。從時(shí)間和空間同時(shí)進(jìn)行信號(hào)處理，分為空時(shí)編碼和空間復(fù)用。同步。載波同步、符號(hào)同步和幀同步等。分集。時(shí)間、頻率和空間三種分集技術(shù)，有效增加對(duì)噪聲、干擾、多徑的容忍。47共七十頁(yè)認(rèn)知(rn zh)無(wú)線電(Cognitive Radio, CR)智能無(wú)線電，對(duì)環(huán)境極度敏感的軟件無(wú)線電。CR可感知周?chē)h(huán)境特征，實(shí)時(shí)調(diào)整自身內(nèi)部狀態(tài)和收發(fā)(shuf)參數(shù)，選擇合適載波頻率、傳輸功率和調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)最佳性能。 48共七十頁(yè)認(rèn)知(rn zh)無(wú)線電的功能感知能力涵蓋：波形、頻譜、網(wǎng)絡(luò)、地理位置、本地可用業(yè)務(wù)、用

28、戶(hù)需求、語(yǔ)言、狀態(tài)、安全策略感知等。自動(dòng)觀察無(wú)線電環(huán)境、分析信息內(nèi)容、評(píng)估(pn )選擇、產(chǎn)生計(jì)劃、監(jiān)控服務(wù)，通過(guò)模型推理來(lái)獲得特定能力。從錯(cuò)誤中學(xué)習(xí)，包括有指導(dǎo)和無(wú)指導(dǎo)的機(jī)械學(xué)習(xí)。基本功能：分析無(wú)線環(huán)境，估計(jì)空間電磁環(huán)境中的干擾溫度和檢測(cè)頻譜空洞；信道狀態(tài)估計(jì)及容量預(yù)測(cè)；功率控制和動(dòng)態(tài)頻譜管理?？臻g射頻激勵(lì)來(lái)分析電磁環(huán)境，尋找滿足干擾溫度要求的頻段，如果該頻段信道狀況滿足要求，則向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送資源分配請(qǐng)求。通信中要避免干擾正在使用信道的主用戶(hù)。次級(jí)用戶(hù)利用主用戶(hù)未使用頻段，不要過(guò)于頻繁切換頻段。49共七十頁(yè)認(rèn)知(rn zh)無(wú)線電的關(guān)鍵技術(shù) 頻譜檢測(cè)：尋找合適頻譜空洞并反饋至發(fā)送端進(jìn)行頻譜管理和

29、功率控制。頻譜空洞指分配給某用戶(hù)(yngh)但一定時(shí)間位置空閑的頻譜。 能量檢測(cè)。檢測(cè)頻帶是否被占用，如果接收機(jī)不能接收足夠主用戶(hù)(yngh)信息，而只接收到隨機(jī)高斯噪聲，則需進(jìn)行能量檢測(cè)。 干擾溫度檢測(cè)。干擾溫度表征某個(gè)頻帶和特定地理位置無(wú)線電環(huán)境。準(zhǔn)確測(cè)得干擾源導(dǎo)致干擾；準(zhǔn)確設(shè)計(jì)合適干擾閾值，如干擾低于該值則系統(tǒng)可正常工作。頻譜管理：動(dòng)態(tài)頻譜分配。將一部分用于不同業(yè)務(wù)的頻譜合成一個(gè)公共頻帶，將整個(gè)頻帶劃分為若干子信道。使信道利用率最大化，同時(shí)考慮用戶(hù)接入公平性。功率控制：多用戶(hù)傳輸?shù)腃R系統(tǒng)中，發(fā)送功率控制受到給定干擾溫度和可用頻譜空洞數(shù)量的限制，需采用分布式功率控制擴(kuò)大通信系統(tǒng)工作范圍。

30、50共七十頁(yè)可見(jiàn)光通信(tng xn)(Visible Light Communication，VLC) 使用380-780nm光譜可見(jiàn)光進(jìn)行短距離無(wú)線通信，通過(guò)可調(diào)強(qiáng)度(qingd)可見(jiàn)光源傳輸數(shù)據(jù)。LED比人眼的持久性快。傳統(tǒng)RF通信在6GHz以下頻段，高數(shù)據(jù)率通信會(huì)迅速耗盡頻譜帶寬。VLC工作頻率可達(dá)300THz，能在短距離內(nèi)提供每秒幾千兆比特的數(shù)據(jù)傳輸速率。RF通信傳輸、采樣和處理每秒千兆比特的數(shù)據(jù)率，需大功率的傳輸設(shè)備，而VLC僅需簡(jiǎn)單發(fā)光二極管和光電探測(cè)器即可。 挑戰(zhàn)一：光源閃爍現(xiàn)象應(yīng)盡可能小，以免傷害人眼。為避免閃爍，可見(jiàn)光亮度變化須在最大閃爍時(shí)間周期范圍內(nèi)，定義為人眼感知不到光

31、改變的最大時(shí)間周期。頻率200Hz即閃爍周期5ms通常安全。VLC調(diào)制過(guò)程中必須無(wú)任何明顯閃爍，無(wú)論單幀還是多幀之間。挑戰(zhàn)二：調(diào)光，即節(jié)能和環(huán)保。 51共七十頁(yè)2000年，慶應(yīng)大學(xué)和SONY公司首次利用LED照明燈作為基站進(jìn)行無(wú)線傳輸。2007年，日本電子和信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)推動(dòng)“可見(jiàn)光身份系統(tǒng)”。2008年，可見(jiàn)光通信聯(lián)盟制訂標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)政府設(shè)立“智能照明”項(xiàng)目。2011年，英國(guó)學(xué)者的VLC演示，被時(shí)代周刊評(píng)為2011年全球50大科技發(fā)明。VLC已列為IEEE802.15.7標(biāo)準(zhǔn)。物理層I速率為11.67266.6kbps，II為1.2596Mbps，III為1296Mbps。物理層I和II為單

32、一光源。物理層III采用不同(b tn)頻率(顏色)使用多光源，色彩偏移鍵控(CSK)調(diào)制。愛(ài)丁堡大學(xué)Hass研究組利用普通燈泡實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)，LiFi。連接因特網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?？梢?jiàn)光閃爍進(jìn)行編碼和傳輸，LED燈開(kāi)表示1，關(guān)表示0，通過(guò)快速開(kāi)關(guān)變化就能傳輸信息。LED燈泡閃爍頻率可達(dá)每秒百萬(wàn)次。閃爍對(duì)肉眼并不可見(jiàn)。Hass研究組實(shí)現(xiàn)兩米范圍內(nèi)130Mbps的傳輸速率，應(yīng)用場(chǎng)景可擴(kuò)展到街頭、機(jī)場(chǎng)、水下等。一個(gè)局限是可見(jiàn)光無(wú)法穿透障礙物，接收器被阻擋，信號(hào)將中斷。另一局限是移動(dòng)性，較難用電燈泡向快速移動(dòng)的物體發(fā)送數(shù)據(jù)。LiFi較安全，只有處在光線傳播直線上節(jié)點(diǎn)才可能截獲信息。52共七十頁(yè)激光(jgu

33、ng)通信2013年9月，NASA進(jìn)行月球(yuqi)激光通信演示(LLCD)試驗(yàn)，使用激光代替無(wú)線電射頻的首個(gè)雙向通信系統(tǒng)。使用脈沖激光束在地球和月球間384000公里的距離傳輸數(shù)據(jù)，下載速率達(dá)622Mbps，從新墨西哥州地面站向繞月軌道航天器的有效上傳速率達(dá)20Mbps。以往進(jìn)行深空星際通信的思路是依賴(lài)傳統(tǒng)無(wú)線電射頻信號(hào)，隨著數(shù)據(jù)容量需求增加和無(wú)線電頻譜資源的有限性，研究目光轉(zhuǎn)向激光通信。開(kāi)發(fā)部署成本較高，但有巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和潛力。53共七十頁(yè)網(wǎng)絡(luò)(wnglu)仿真技術(shù)簡(jiǎn)介 通過(guò)數(shù)學(xué)建模、統(tǒng)計(jì)分析方法，利用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)模擬真實(shí)網(wǎng)絡(luò)行為的技術(shù)(jsh)。通過(guò)建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)鏈路的統(tǒng)計(jì)模型，

34、模擬網(wǎng)絡(luò)流量的傳輸，從而獲取協(xié)議設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等需要的網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)仿真不再單純依賴(lài)數(shù)學(xué)計(jì)算，而基于統(tǒng)計(jì)模型。統(tǒng)計(jì)復(fù)用的隨機(jī)性能得到準(zhǔn)確再現(xiàn)。特點(diǎn)： 在高度復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下能得到高可信度的結(jié)果。 預(yù)測(cè)功能是其它傳統(tǒng)方法無(wú)法比擬的。 使用范圍廣，既用于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和改進(jìn)，也用于設(shè)計(jì)新方案。 初期成本低，建好的網(wǎng)絡(luò)模型可延續(xù)使用，后期投入會(huì)不斷下降。OPNET、NS2、MATLAB54共七十頁(yè)OPNET仿真(fn zhn)平臺(tái) 面向?qū)I(yè)研發(fā)人員，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、設(shè)備和應(yīng)用設(shè)計(jì)、分析和管理等。4個(gè)系列：Service Provider Guru：面向服務(wù)商的智能化網(wǎng)管軟件Modeler：網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和產(chǎn)品

35、開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)分析網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備和通信協(xié)議IT Guru：預(yù)測(cè)分析網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用性能，診斷，查找瓶頸(pn jn)，提出驗(yàn)證方案WDM Guru，波分復(fù)用光纖網(wǎng)絡(luò)分析評(píng)測(cè)主要特點(diǎn)：三層建模機(jī)制。底層Process、中間Node、上層網(wǎng)絡(luò)模型提供齊全的基本模型庫(kù)；采用離散事件驅(qū)動(dòng)的仿真機(jī)理；采用混合建模機(jī)制；統(tǒng)計(jì)收集和分析功能；提供和網(wǎng)管系統(tǒng)、流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的接口。55共七十頁(yè)NS2(Network Simulator 2)仿真(fn zhn)平臺(tái) 加州大學(xué)伯克利分校開(kāi)發(fā)的適于多種網(wǎng)絡(luò)的權(quán)威仿真軟件。開(kāi)放源碼，免費(fèi)下載(xi zi)，得到廣泛應(yīng)用和認(rèn)可。用于有線或無(wú)線、本地連接、衛(wèi)星連接等。包括大量工具模

36、塊，涉及TCP協(xié)議、路由算法、多播協(xié)議、調(diào)度器等。詳細(xì)跟蹤仿真過(guò)程，仿真動(dòng)畫(huà)NAM進(jìn)行回放。很多研究小組對(duì)NS2功能進(jìn)行擴(kuò)展，支持各種新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。采用分裂對(duì)象模型的開(kāi)發(fā)機(jī)制，C+和Otcl兩種語(yǔ)言，TclCL自動(dòng)連接和映射。將數(shù)據(jù)通道和控制通道的實(shí)現(xiàn)相分離。事件調(diào)度器和數(shù)據(jù)通道上的基本網(wǎng)絡(luò)組件對(duì)象使用C+編寫(xiě)，對(duì)象通過(guò)TclCL映射對(duì)Otcl解釋器可見(jiàn)。仿真用戶(hù)編寫(xiě)相對(duì)簡(jiǎn)單的Tcl/OTcl腳本代碼，快速配置仿真拓?fù)?、?jié)點(diǎn)、鏈路等各種部件和參數(shù)。本書(shū)實(shí)驗(yàn)大部分采用NS2仿真環(huán)境，許多章節(jié)都提供供讀者自行運(yùn)行觀察的仿真實(shí)驗(yàn)示例，讀者可自行分析代碼，觀察結(jié)果。56共七十頁(yè)NS3仿真(fn zhn)

37、平臺(tái) NS3處于開(kāi)發(fā)階段，/陸續(xù)發(fā)布新版NS3，新增MIMO、HARQ、控制信道和參考信號(hào)、MAC隨機(jī)訪問(wèn)模型等。NS3是NS2的升級(jí)，但與已有NS2平臺(tái)不具有繼承關(guān)系，是全新的網(wǎng)絡(luò)仿真器，不支持NS2的API。NS3采用純C+進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)和仿真分析，同時(shí)還提供了可選Python進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。代碼管理和編譯，NS2采用make，而NS3采用了waf。NS3開(kāi)發(fā)中，不如NS2完善，不包含目前所有(suyu)NS2功能，其新特性：多網(wǎng)卡處理、IP尋址策略、更完善的網(wǎng)絡(luò)模塊等。4大類(lèi)組件：Node：可添加應(yīng)用、協(xié)議、外部接口等；NetDevice：網(wǎng)卡及驅(qū)動(dòng)，如CsmaNetDevice、WifiN

38、etDevice；Channel：通道，如CsmaChannel、WifiChannel；Application：應(yīng)用程序，如UdpEchoClientApplication、UdpServerApplication。Topology Helper模塊，對(duì)應(yīng)每種拓?fù)溥B接，如CsmaNetHelper。57共七十頁(yè)MATLAB仿真(fn zhn)平臺(tái) 數(shù)值計(jì)算和圖形處理科學(xué)計(jì)算軟件。集成程序設(shè)計(jì)、數(shù)值計(jì)算、圖形繪制、輸入輸出、網(wǎng)絡(luò)仿真、人工智能/神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制等各領(lǐng)域研究功能。人機(jī)交互環(huán)境，基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(sh j ji u)為矩陣。與C/FORTRAN等相比，可節(jié)省大量編程時(shí)間。5個(gè)主要部分

39、：(1)語(yǔ)言體系。提供高層次的矩陣/數(shù)組語(yǔ)言。(2)工作環(huán)境。變量數(shù)據(jù)I/O方法，開(kāi)發(fā)、調(diào)試、管理文件工具。(3)圖形圖像系統(tǒng)。(4)數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)。(5)應(yīng)用程序接口。擴(kuò)展功能強(qiáng)，可配備各種工具箱，完成各種特定任務(wù)。學(xué)術(shù)研究和仿真領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，涵蓋IT多領(lǐng)域。一些不足：語(yǔ)言為解釋執(zhí)行，基礎(chǔ)是矩陣運(yùn)算，運(yùn)算量大，效率相對(duì)較低，不能端口操作和實(shí)時(shí)控制。58共七十頁(yè)59NS2基礎(chǔ)知識(shí)NS2獲取和安裝：官方主頁(yè)/nsnam/ns/；安裝說(shuō)明和下載頁(yè)面/nsnam/ns/ns-build.html NS2可在Windows中兩種途徑運(yùn)行。一是安裝Cygwin，即WindowsCygwin+NS2。二是虛擬機(jī)，Windows+虛擬機(jī)+Linux+NS2。本書(shū)配套實(shí)驗(yàn)(shyn)手冊(cè)建議第二種，即Windows+VirtualBox虛擬機(jī)+Ubuntu，可參見(jiàn)配套電子資源實(shí)驗(yàn)1“無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的NS2實(shí)驗(yàn)環(huán)境組建”。本書(shū)仿真實(shí)例主要基于NS2.35，對(duì)應(yīng)Linux下tar壓縮包為ns-allino