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

1、第2章 無線通信和網(wǎng)絡(luò)(wnglu)仿真技術(shù)基礎(chǔ)金光(jn un),江先亮1共七十頁2本章(bn zhn)內(nèi)容簡介無線電頻譜無線傳輸介質(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)知無線電可見光和激光通信網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)簡介 NS2基礎(chǔ)知識用NS2進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)仿真共七十頁3無線電頻譜無線電頻譜特點有限性：頻段有限排它性：一定時間、地區(qū)和頻域內(nèi)獨占復(fù)用性：一定時間、地區(qū)、頻域和編碼條件下可復(fù)用 非耗盡性：可重復(fù)(chngf)利用不會耗盡傳播性：不受國界和行政地域限制，但受自然環(huán)境影響 易干擾性：互相干擾共七十頁4無線電頻譜劃分(hu fn)國際上將無線電波頻譜劃分為12個頻段，通常的

2、無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，開放給三類機(jī)構(gòu)使用，無需許可證授權(quán)，可免費使用。ISM頻段各國規(guī)定不一：美國為902-928MHz、2.4-2.4835GHz和5.725-5.850GHz，其中2.4GHz頻段為各國通用。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，普通語音通信感受明顯。差錯檢測和流量控制一系列問題。優(yōu)點：范圍大、距離遠(yuǎn)、不受地面災(zāi)害影響、建設(shè)快、費用和距離無關(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：信號傳輸時延，有些頻帶受天氣影響，天線受太陽噪聲影響，安全保密性較差，衛(wèi)星本身造價高14共七十頁紅外線通信(tng xn) 紅外線為載體進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健Ｔ缙诙鄠€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(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，實現(xiàn)通信。無論直接傳輸，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視線范圍。能像可見光一樣集中成窄光束發(fā)射，兩個優(yōu)點：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)簡單、價廉。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)改變引起接收信號功率隨時間變化。固定環(huán)境中下雨等天氣變化會引發(fā)衰落，移動環(huán)境中一個天線相對另一個移動，各種障礙物的相對位置隨時間而變化，傳輸更為復(fù)雜。 16共七十頁衰減(shui jin)和衰減(shui jin)失真 信號強(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：每單位距離一個固定的分貝數(shù)。無線介質(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： 接收信號應(yīng)有足夠強(qiáng)度，使接收方檢

5、測并解釋信號。 與噪聲相比，信號須維持較高強(qiáng)度，以便準(zhǔn)確接收。 高頻下的衰減更嚴(yán)重，會引起失真。前兩個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)，接收信號失真會影響對信號理解。與傳輸信號頻率成分相比，接收信號頻率成分有不同相對強(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共七十頁自由空間損耗(snho) 無線通信過程中離發(fā)射天線越遠(yuǎn)，接收信號功率就越低。衛(wèi)星通信中是主要(zhyo)的傳播損耗。即使無其它衰減或損耗源，長距離的信號傳輸也會有衰減。自由空間損耗，可表示為發(fā)射功率與天線接收功率之比，或用該比率對數(shù)值乘以10，單位為分貝。18共七十頁噪聲(zoshng)

6、 熱噪聲：電子熱擾動產(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，稱為白噪聲。無法消除，有上限。衛(wèi)星通信影響顯著，地面站接收信號較弱?；フ{(diào)噪聲：不同頻率信號共享介質(zhì)產(chǎn)生。新產(chǎn)生信號某種頻率是原來多頻率累加和或差。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。串?dāng)_噪聲：不同信號路徑間融合，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)錯誤和缺陷。對模擬數(shù)據(jù)影

7、響不大，短時下降通話質(zhì)量?？赡軐?dǎo)致數(shù)字通信嚴(yán)重錯誤，可檢測發(fā)現(xiàn)重傳。 19共七十頁大氣(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，衰減會減少。氧氣產(chǎn)生的衰減峰值約為60GHz，低于30GHz，衰減會減少。雨霧會散射無線電波，導(dǎo)致衰減。針對大氣吸收的損耗，降水量充沛地區(qū)，可多用短路徑，或使用低頻帶。20共七十頁多徑 無線環(huán)境中障礙物會反射信號，接收方收到不同時延的同一信號多路副本。極端情況可能沒有直接收到信號。依賴直接或反射波路徑長度不同，合成(hchng)信號強(qiáng)度會不同于直接收到信號。針對多路徑信號，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)會使水反射表面處于運動態(tài)。在移動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為固定微波和移動通信中典型多徑干擾類型。移動通信中，建筑物和地形特征決定了反射表面會有所不同。21共七十頁折射(zhsh) 大氣層折射傳播無線電波(wxin dinb)。信號高度變化會引起速率改變，大氣條件下空間改變會引起折射。通常信號速率隨高度增加，無線電波向下彎曲，而氣條件偶爾也會導(dǎo)致這種變化與典型變化不同。折射可使極少部分或沒有直線波到達(dá)接收天線。22共七十頁移動(ydng)環(huán)境中的衰落 多徑傳播：反射、散射和衍射。電磁波遇相對該信號波長更大表面時會反

9、射。假設(shè)靠近移動單元的一個地面發(fā)射波被接收，由于地面反射波在反射后有一個180相移，地面波和直線波可能趨于抵消，產(chǎn)生較大損耗。如移動天線高度低于建筑物，會發(fā)生多徑干擾，反射波可能干擾接收方。無線電波到達(dá)難以穿透的物體邊界且波長小于物體尺寸，會發(fā)生衍射。波以此邊界作為源向不同方向傳播。即使沒有發(fā)送方的無障礙直線波，信號仍可被接收。散射發(fā)生在障礙物尺寸約等于信號波長或略小時。一個輸入信號會散射為幾路弱輸出信號。蜂窩通信(tng xn)中，路燈柱、交通標(biāo)志等引起散射。23共七十頁衰落類型：移動通信衰落效果分為快衰落或慢衰落。城市中移動節(jié)點沿一條街道移動時，超過大約波長一半距離時，信號強(qiáng)度急劇變化。使

10、用900MHz接收到的信號振幅空間變化為例，振幅變化在一個短距離上高達(dá)2030dB，即為快衰落。移動用戶覆蓋超出(choch)一個波長的距離，即用戶穿過不同高度的建筑物、空地、十字路口等?？缭竭@樣的長距離時，接收到發(fā)生快速波動的平均功率值會改變。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。信號源信息通常包含直流分量和頻率較低頻率分量，稱為基帶信號?；鶐盘栆话悴荒苤苯佑糜趥鬏?，需變換為一個遠(yuǎn)高于基帶頻率的信號，即已調(diào)信號。調(diào)制過程改變高頻載波即信息載體信號的幅度、相位或頻率，使

11、其隨基帶信號幅度而變化。解調(diào)過程則將基帶信號從載波中提取出來，使接收方能正確處理。常用調(diào)制方式：模擬、數(shù)字、脈沖25共七十頁常用(chn yn)調(diào)制方式 模擬調(diào)制：連續(xù)變化的信號調(diào)制一個高頻正弦波。調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)、調(diào)相(PM)。數(shù)字調(diào)制：用數(shù)字信號對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)介紹見教材2.4.1節(jié)26共七十頁典型(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，相位

12、在不同數(shù)值間切換，載波相位隨調(diào)制信號狀態(tài)不同而改變。傳輸數(shù)字信號時，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：同時以載波信號幅度和相位來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。信號有兩個相同頻率載波，相位相差90(1/4周期)，分別稱I和Q信號，分別表示成正弦和余弦。兩種被調(diào)制的載波發(fā)射時被混和。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共七十頁擴(kuò)頻(

13、Spread Spectrum，SS) 對各類噪聲如多徑失真具有免疫性。可隱藏和加密(ji m)信號。接收方須知道擴(kuò)頻碼，才可恢復(fù)原始信息。多個用戶可獨立使用同樣較高帶寬，幾乎無干擾。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。接收方接收時也同步跳轉(zhuǎn)頻率。竊聽者只能聽到無法識別的雜音(zyn)，即使試圖在某一頻率干擾，也只能影響有限幾位信號。 29共七十頁FHSS系統(tǒng)(xtng)框圖30共七十頁

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)頻信號還原成原始信息(xnx)。原始信號中每一位在傳輸中以多個碼片表示，即使用擴(kuò)展編碼。這種擴(kuò)展編碼能將信號擴(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DSSS系統(tǒng)(xtng)框圖32共七十頁復(fù)用(f yn)和多址 兩點間信道中同時傳輸互不干擾多個信號稱“信道復(fù)用”，而多點間實現(xiàn)互不干擾多邊通信稱“多址接入”。本質(zhì)是信號分割，賦予各信號不同特征或地址。根據(jù)特征差異來區(qū)分，按不同地址分發(fā)，實現(xiàn)互不干擾通信。多點間通

15、信和點對點通信技術(shù)上不同，難點在于如何消除避免沖突。關(guān)鍵是設(shè)計正交信號集合，各信號彼此(bc)無關(guān)。實際較難實現(xiàn)完全正交和不相關(guān)，一般準(zhǔn)正交，互相關(guān)很小。允許各信號間存在一定干擾。復(fù)用方式有頻分復(fù)用(FDM)、時分復(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TDMA(Time Division Multiplexing Address)給定頻帶最高數(shù)據(jù)傳輸速率，傳遞時間劃分為若干時隙，各用戶使用某一時隙，突發(fā)脈沖序列方式(fngsh)接收和發(fā)

16、送信號。用戶按序占用不同時隙，一個寬帶載波上以較高速率傳遞信息。接收方接收解調(diào)后，各用戶分別按次序提取相應(yīng)時隙信息。總碼元速率為各路之和，還有少量位幀同步等額外開銷。 34共七十頁FDMA(Frequency Division Multiplexing Address) 常用于衛(wèi)星通信、移動通信、微波通信等。傳輸頻帶劃分為若干較窄且互不重疊子頻帶，各用戶分配一個固定子頻帶。信號調(diào)制到該子頻帶內(nèi)，各用戶信號同時傳輸，接收時分別按頻帶提取。實際應(yīng)用中濾波器往往達(dá)不到理想條件，各信號間存在一定相關(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，可由一組模擬信號用頻分復(fù)用方式或一組數(shù)字信

17、號用時分復(fù)用方式占用一個較寬頻帶，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)信號轉(zhuǎn)換成低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制至每個子信道上并行傳輸。接收方采用相關(guān)技術(shù)區(qū)分正交信號，減少子信道間相互干擾。每個子信道上信號帶寬小于信道相關(guān)帶寬，每個子信道可看成平坦性衰落，從而消除符號(fho)間干擾。各子信道帶寬僅是原信道帶寬一小部分，信道均衡相對容易。OFDMA與OFDM相比

18、，每個用戶可選擇信道條件較好的子信道傳輸數(shù)據(jù)，不像OFDM在整個頻帶內(nèi)發(fā)送，從而保證各個子載波都被對應(yīng)信道條件較好的用戶使用，獲得頻率上的多用戶分集增益。36共七十頁CDMA(Code Division Multiplexing Address) 發(fā)送(f sn)方用一個帶寬遠(yuǎn)高于信號帶寬的偽隨機(jī)編碼信號或其它擴(kuò)頻碼，調(diào)制需傳輸?shù)男盘?，即拓寬原信號的帶寬，再?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，同步后對接收信號作相關(guān)處理，解擴(kuò)為原始數(shù)據(jù)。不同用戶使用互相正交的碼片序列，占用相同頻帶，實現(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，稱“碼分多址”，也稱“擴(kuò)頻多址(SS

19、MA)”。37共七十頁SDMA(Space Division Multiplexing Address) 利用空間特征區(qū)分不同用戶。最常用、最明顯特征是用戶位置。配合電磁波傳播(chunb)特征，可使不同地域用戶同時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，如無線電頻率資源管理。蜂窩移動通信充分運用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

20、僅一個用戶，SDMA常結(jié)合其它多址方式。近來研究一些以往未利用的空間特征逐步得到使用。38共七十頁天線(tinxin)無線通信系統(tǒng)的外界傳播介質(zhì)接口發(fā)送方將信號通過饋線(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，通過饋線送至無線電接收機(jī)。天線是發(fā)射和接收無線電波的重要設(shè)備。天線的型號(xngho)、增益、方向圖、驅(qū)動功率、配置、極化等都是影響性能的因素之一。39共七十頁天線(tinxin)的分類 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共七十頁天線的主要(zhyo)指標(biāo) 增益：輸入功率相等時，實際天線與理想輻射單元在空間同一處產(chǎn)生(chnshng)的信號功率密度之比。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：天線輻射電磁場在固定距離上隨角坐標(biāo)的分布圖形。用輻射場強(qiáng)表示，稱為場強(qiáng)方向圖。用功率密度表示，稱為功率方向圖。用相位表示，稱為相位方向圖。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天線主波瓣或天線波束。主瓣之外稱副瓣、旁瓣或邊瓣，與主瓣相反方向旁瓣為后瓣。極化：描述電磁波場強(qiáng)矢量空間指向的一

22、個輻射特性，習(xí)慣以電場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矢量。電場矢量的空間取向在任何時間均不變的電磁波稱直線極化波。電場矢量方向平行于地面的波稱水平極化波，垂直于地面的波稱垂直極化波。電場矢量和傳播方向構(gòu)成平面稱極化平面。天線可能會在非預(yù)定的極化上輻射不需要能量，稱交叉極化輻射分量。41共七十頁其它(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，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。無源互調(diào)。接頭、饋線、天線、濾波器等無源部件在多個載頻大功率信號條件下，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，且會干擾。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，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。分集通過多信道(時間、空間、頻率)接收

24、到載有相同信息的多個副本，各信道傳輸特性不同，各副本衰落相關(guān)性較小，同時出現(xiàn)深衰落概率較小，可提高接收性能。分集特點：分散傳輸，接收機(jī)能獲得多個獨立攜帶同一信息的衰落信號；集中處理，接收機(jī)將收到的多個獨立衰落信號合并，以降低衰落影響?？臻g分集、時間分集、頻率分集、極化分集、接收合并 43共七十頁賦形波束(bsh)技術(shù) 根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)，對基帶(中頻)信號的最佳組合或分配。補(bǔ)償傳播(chunb)過程中由空間損耗、多徑效應(yīng)等導(dǎo)致的信號衰落與失真，同時降低同信道用戶間干擾。先系統(tǒng)建模，描述系統(tǒng)中各處信號。再根據(jù)性能要求，將信號組合或分配轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題，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無線移動信道的建模與估計。分上行和下行兩個方向。上行與用戶信號檢測密切相關(guān)。如CDMA系統(tǒng)賦形波束可結(jié)合各種信號檢測尤其是多用戶檢測技術(shù)，實現(xiàn)協(xié)同檢測。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的空域。44共七十頁智能天線(tinxin)技術(shù) 基站雙向天線，通過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用戶區(qū)，各波束指向固定，寬度由天線孔徑?jīng)Q定。用戶移動時，基站在不同波束中選擇，使接收信號最強(qiáng)。用戶信號位于波束邊緣且干擾信號位于波束中央時，接收效果最差。結(jié)構(gòu)簡單、無須判

26、定用戶信號到達(dá)方向。自適應(yīng)天線陣列，采用416天線陣元結(jié)構(gòu)，陣元間距為半個波長。陣元分布方式有直線型、圓環(huán)型和平面型。能識別用戶信號的到達(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)成無線MIMO系統(tǒng)46共七十頁MIMO的關(guān)鍵技術(shù) 信道估計。采用空時編碼(bin m)時，接收方需準(zhǔn)確知道信道特性才能有效解碼，因

27、此信道估計尤為重要。一類是訓(xùn)練序列或?qū)ьl，另一類是采用盲方法辨別信道，分為全盲和半盲?？諘r信號處理。從時間和空間同時進(jìn)行信號處理，分為空時編碼和空間復(fù)用。同步。載波同步、符號同步和幀同步等。分集。時間、頻率和空間三種分集技術(shù)，有效增加對噪聲、干擾、多徑的容忍。47共七十頁認(rèn)知(rn zh)無線電(Cognitive Radio, CR)智能無線電，對環(huán)境極度敏感的軟件無線電。CR可感知周圍環(huán)境特征，實時調(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，實現(xiàn)最佳性能。 48共七十頁認(rèn)知(rn zh)無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、戶需求、語言、狀態(tài)、安全策略感知等。自動觀察無線電環(huán)境、分析信息內(nèi)容、評估(pn )選擇、產(chǎn)生計劃、監(jiān)控服務(wù)，通過模型推理來獲得特定能力。從錯誤中學(xué)習(xí)，包括有指導(dǎo)和無指導(dǎo)的機(jī)械學(xué)習(xí)?；竟δ埽悍治鰺o線環(huán)境，估計空間電磁環(huán)境中的干擾溫度和檢測頻譜空洞；信道狀態(tài)估計及容量預(yù)測；功率控制和動態(tài)頻譜管理。空間射頻激勵來分析電磁環(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)送資源分配請求。通信中要避免干擾正在使用信道的主用戶。次級用戶利用主用戶未使用頻段，不要過于頻繁切換頻段。49共七十頁認(rèn)知(rn zh)無線電的關(guān)鍵技術(shù) 頻譜檢測：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(yngh)但一定時間位置空閑的頻譜。 能量檢測。檢測頻帶是否被占用，如果接收機(jī)不能接收足夠主用戶(yngh)信息，而只接收到隨機(jī)高斯噪聲，則需進(jìn)行能量檢測。 干擾溫度檢測。干擾溫度表征某個頻帶和特定地理位置無線電環(huán)境。準(zhǔn)確測得干擾源導(dǎo)致干擾；準(zhǔn)確設(shè)計合適干擾閾值，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)的頻譜合成一個公共頻帶，將整個頻帶劃分為若干子信道。使信道利用率最大化，同時考慮用戶接入公平性。功率控制：多用戶傳輸?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共七十頁可見光通信(tng xn)(Visible Light Communication，VLC) 使用380-780nm光譜可見光進(jìn)行短距離無線通信，通過可調(diào)強(qiáng)度(qingd)可見光源傳輸數(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僅需簡單發(fā)光二極管和光電探測器即可。 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，可見光亮度變化須在最大閃爍時間周期范圍內(nèi)，定義為人眼感知不到光

31、改變的最大時間周期。頻率200Hz即閃爍周期5ms通常安全。VLC調(diào)制過程中必須無任何明顯閃爍，無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)行無線傳輸。2007年，日本電子和信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會推動“可見光身份系統(tǒng)”。2008年，可見光通信聯(lián)盟制訂標(biāo)準(zhǔn)。美國政府設(shè)立“智能照明”項目。2011年，英國學(xué)者的VLC演示，被時代周刊評為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。愛丁堡大學(xué)Hass研究組利用普通燈泡實現(xiàn)無線傳輸數(shù)據(jù)，LiFi。連接因特網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?？梢姽忾W爍進(jìn)行編碼和傳輸，LED燈開表示1，關(guān)表示0，通過快速開關(guān)變化就能傳輸信息。LED燈泡閃爍頻率可達(dá)每秒百萬次。閃爍對肉眼并不可見。Hass研究組實現(xiàn)兩米范圍內(nèi)130Mbps的傳輸速率，應(yīng)用場景可擴(kuò)展到街頭、機(jī)場、水下等。一個局限是可見光無法穿透障礙物，接收器被阻擋，信號將中斷。另一局限是移動性，較難用電燈泡向快速移動的物體發(fā)送數(shù)據(jù)。LiFi較安全，只有處在光線傳播直線上節(jié)點才可能截獲信息。52共七十頁激光(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，使用激光代替無線電射頻的首個雙向通信系統(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傳統(tǒng)無線電射頻信號，隨著數(shù)據(jù)容量需求增加和無線電頻譜資源的有限性，研究目光轉(zhuǎn)向激光通信。開發(fā)部署成本較高，但有巨大的技術(shù)優(yōu)勢和潛力。53共七十頁網(wǎng)絡(luò)(wnglu)仿真技術(shù)簡介 通過數(shù)學(xué)建模、統(tǒng)計分析方法，利用計算機(jī)軟件來模擬真實網(wǎng)絡(luò)行為的技術(shù)(jsh)。通過建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)鏈路的統(tǒng)計模型，

34、模擬網(wǎng)絡(luò)流量的傳輸，從而獲取協(xié)議設(shè)計、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)仿真不再單純依賴數(shù)學(xué)計算，而基于統(tǒng)計模型。統(tǒng)計復(fù)用的隨機(jī)性能得到準(zhǔn)確再現(xiàn)。特點： 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)測功能是其它傳統(tǒng)方法無法比擬的。 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，后期投入會不斷下降。OPNET、NS2、MATLAB54共七十頁OPNET仿真(fn zhn)平臺 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、分析和管理等。4個系列：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、開發(fā)平臺，設(shè)計分析網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備和通信協(xié)議IT Guru：預(yù)測分析網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用性能，診斷，查找瓶頸(pn jn)，提出驗證方案WDM Guru，波分復(fù)用光纖網(wǎng)絡(luò)分析評測主要特點：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；采用離散事件驅(qū)動的仿真機(jī)理；采用混合建模機(jī)制；統(tǒng)計收集和分析功能；提供和網(wǎng)管系統(tǒng)、流量監(jiān)測系統(tǒng)的接口。55共七十頁NS2(Network Simulator 2)仿真(fn zhn)平臺 加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)的適于多種網(wǎng)絡(luò)的權(quán)威仿真軟件。開放源碼，免費下載(xi zi)，得到廣泛應(yīng)用和認(rèn)可。用于有線或無線、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)跟蹤仿真過程，仿真動畫NAM進(jìn)行回放。很多研究小組對NS2功能進(jìn)行擴(kuò)展，支持各種新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。采用分裂對象模型的開發(fā)機(jī)制，C+和Otcl兩種語言，TclCL自動連接和映射。將數(shù)據(jù)通道和控制通道的實現(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)組件對象使用C+編寫，對象通過TclCL映射對Otcl解釋器可見。仿真用戶編寫相對簡單的Tcl/OTcl腳本代碼，快速配置仿真拓?fù)?、?jié)點、鏈路等各種部件和參數(shù)。本書實驗大部分采用NS2仿真環(huán)境，許多章節(jié)都提供供讀者自行運行觀察的仿真實驗示例，讀者可自行分析代碼，觀察結(jié)果。56共七十頁NS3仿真(fn zhn)

37、平臺 NS3處于開發(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、MAC隨機(jī)訪問模型等。NS3是NS2的升級，但與已有NS2平臺不具有繼承關(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)計和仿真分析，同時還提供了可選Python進(jìn)行仿真設(shè)計。代碼管理和編譯，NS2采用make，而NS3采用了waf。NS3開發(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，如CsmaNetDevice、WifiN

38、etDevice；Channel：通道，如CsmaChannel、WifiChannel；Application：應(yīng)用程序，如UdpEchoClientApplication、UdpServerApplication。Topology Helper模塊，對應(yīng)每種拓?fù)溥B接，如CsmaNetHelper。57共七十頁MATLAB仿真(fn zhn)平臺 數(shù)值計算和圖形處理科學(xué)計算軟件。集成程序設(shè)計、數(shù)值計算、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)省大量編程時間。5個主要部分

39、：(1)語言體系。提供高層次的矩陣/數(shù)組語言。(2)工作環(huán)境。變量數(shù)據(jù)I/O方法，開發(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。(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：語言為解釋執(zhí)行，基礎(chǔ)是矩陣運算，運算量大，效率相對較低，不能端口操作和實時控制。58共七十頁59NS2基礎(chǔ)知識NS2獲取和安裝：官方主頁/nsnam/ns/；安裝說明和下載頁面/nsnam/ns/ns-build.html NS2可在Windows中兩種途徑運行。一是安裝Cygwin，即WindowsCygwin+NS2。二是虛擬機(jī)，Windows+虛擬機(jī)+Linux+NS2。本書配套實驗(shyn)手冊建議第二種，即Windows+VirtualBox虛擬機(jī)+Ubuntu，可參見配套電子資源實驗1“無線網(wǎng)絡(luò)的NS2實驗環(huán)境組建”。本書仿真實例主要基于NS2.35，對應(yīng)Linux下tar壓縮包為ns-allino