無線與移動網技術：二、無線網絡的物理層

第2部分無線通信物理層技術無線傳輸媒體無線傳播模型移動環(huán)境下的無線傳輸基帶傳輸技術頻帶傳輸擴頻技術問題回顧1、曼切斯特編碼與差分曼切斯特編碼的編碼規(guī)則？2、曼切斯特編碼與差分曼切斯特編碼的同步如何解決？3、基本的調制方式有哪三種？控制參數各是什么？4、8進制的數字調制系統(tǒng)的傳輸速率是2進制數字調制系統(tǒng)的多少倍？5、你是如何理解OFDM的？6、CDMA的含義2.1無線傳輸媒體1、無線傳輸媒體導向性傳輸媒體(GuidedMedium)電磁波被導向沿著固定媒體路徑進行傳播，也被稱為有線傳輸介質如雙絞線、同軸電纜和光纖等都屬于導向傳輸媒體利用有線網絡進行通信存在一些客觀上的不足或限制非導向性傳輸媒體(UnguidedMedium)以自由空間為傳輸電磁波的手段，又被稱為無線傳輸介質無線傳輸所使用的工作頻段很廣。國際電信聯(lián)盟的ITU-R將無線電的頻率劃分為若干個頻段（又稱波段）2.1無線傳輸媒體2、短波通信短波通信是指利用波長為10～100m（頻率為3～30MHz）的電磁波所進行的無線通信，也被稱為高頻無線電通信。地波傳播(Ground

WavePropagation)沿大地與空氣的分界面?zhèn)鞑サ碾姴ǚQ為地表面波，簡稱地波。當短波通信以地波形式進行時，其工作頻率范圍在1.5MHz至5MHz陸地對地波衰減很大，且衰減程度隨頻率升高而增大，因而限制了地波方式的短波通信傳播距離。天波傳播(SkyWavePropagation)短波通信中，信號可以在地球表面與大氣電離層之間被多次反射，從而實現(xiàn)短波長距離通話2.1無線傳輸媒體3、微波通信微波通信是指使用波長在1毫米至1米之間（頻率300MHz至300GHz）的電磁波即微波所進行的通信。該頻率范圍的電磁波又被稱為射頻（RadioFrequency，簡稱RF）電波。任何直線距離內無障礙的兩點間均可以使用微波進行信號傳送。在遠距離傳輸時，由于受地球曲面以及空間傳輸損耗的影響，每隔50公里左右，就需要設置中繼站與其他波長較長的無線電通信相比較，微波通信有以下優(yōu)點：工作頻帶寬、通信容量大；受外界干擾??；通信效果較好；靈活性較大2.1無線傳輸媒體3、微波通信微波通信存在的主要缺點是：中繼站定點比較復雜易受地形、對流層和氣候條件等自然環(huán)境與因素的影響通信保密性差2.1無線傳輸媒體4、紅外線紅外線的波長大于可見光線，波長為0.75～1000um。基于紅外線的無線通信系統(tǒng)采用各種光二極管來進行站點與站點之間的數據交換。紅外信號可以直接或經過墻面、天花板反射后，被視距范圍內的接收裝置所接收。紅外線傳輸可以達到較高的傳輸速率，且安全性能高，抗干擾性強受視距影響，其傳輸距離短，只能實現(xiàn)近距離通信任何不透明的物體都會阻礙紅外線信號傳播，從而不適用于移動通信紅外通信點對點的連接，使得其難以靈活地組成復雜的多點網絡2.2無線傳播模型1、無線傳播機制直射波：指在自由空間中，電磁波沿直線傳播而不被吸收，且不發(fā)生反射、折射和散射等現(xiàn)象而直接到達接收點的傳播方式。反射波：指從其他物體反射后到達接收點的傳播信號，反射波信號強度次于直射波。繞射波：指從障礙物繞射后到達接收點的傳播信號。通常，繞射波的強度與反射波相當。散射波：當波穿行的介質中存在小于波長的物體并且單位體積內物體的個數非常巨大時，會發(fā)生散射，散射波信號強度相對較弱。2.2無線傳播模型2、自由空間傳播模型為了給通信系統(tǒng)的規(guī)劃和設計提供依據，人們通過理論分析或實測等方法，對電磁波在某些特定環(huán)境下的傳播特性進行統(tǒng)計分析，從而總結和建立了一些具有普遍性的數學模型。我們將這些模型稱為無線傳播模型(PropagationModel)(FreeSpacePropagationModel)是最簡單、理想情況的無線電波傳播模型。2.2無線傳播模型2、自由空間傳播模型自由空間路徑損耗：描述信號衰減，定義為有效發(fā)射功率和接收功率之間的差值，不包括天線增益2.2無線傳播模型2、自由空間傳播模型2.2無線傳播模型2、雙線地面反射模型(Two-rayGroundReflectionPropagationModel)除了考慮直線傳播路徑外，還考了地面反射路徑2.2無線傳播模型2、雙線地面反射模型(Two-rayGroundReflectionPropagationModel)雙線地面反射模型在描述短距離情況時的效果并不準確。相比之下，自由空間模型在描述短距離時更加有效。因此，雙線地面反射模型給了一個臨界距離dc：關于dc的討論2.3移動環(huán)境下的無線傳播1、多徑傳播與多徑衰落在無線通信系統(tǒng)中，由于無線信道中的反射、散射和折射，使得經過傳播后的發(fā)射信號沿著多個不同的路徑到達接收天線。接收天線最終接收到的信號是各路信號的疊加，這就是無線信號的多徑傳播多徑傳播中各路信號的傳播路徑各不相同，因此信號到達接收天線時的幅度、相位也各不相同，疊加后會出現(xiàn)快速起伏的短期效應，這種效應被稱為多徑衰落2.3移動環(huán)境下的無線傳播1、多徑傳播與多徑衰落以較簡單的雙徑傳播為例2.3移動環(huán)境下的無線傳播1、多徑傳播與多徑衰落兩個相鄰峰值的頻率間隔為：相干帶寬的討論（頻率選擇性信道）2.3移動環(huán)境下的無線傳播2、多普勒頻譜擴展當無線電發(fā)射機與接收機處于相對運動的狀態(tài)時，接收信號的頻率將會發(fā)生偏移。當兩者做相向運動時，接收信號的頻率將高于發(fā)射信號的實際頻率而當兩者作反向運動時，接收信號的頻率將低于發(fā)射頻率這種現(xiàn)象被稱為多普勒效應2.3移動環(huán)境下的無線傳播2、多普勒頻譜擴展最大多普勒頻移為：該值常被用來描述無線信道的時變性所引起的接收信號的頻譜展寬程度，亦稱為多普勒擴展當發(fā)射機在無線信道上發(fā)送一個頻率為f0的單頻正弦波時，由于多普勒效應，接收信號的頻譜被展寬，將包含頻率f0-fmax至f0+fmax

的頻譜稱為多普勒頻譜相干時間的討論（時間選擇性衰落）2.3移動環(huán)境下的無線傳播3、快衰落與慢衰落在移動通信傳播環(huán)境中，電波在傳播路徑上遇到起伏的山丘、建筑物、樹林等障礙物阻擋，形成電波的陰影區(qū)，就會造成信號場強中值的緩慢變化，引起衰落。通常把這種慢衰落現(xiàn)象稱為陰影效應。這種由于陰影效應導致接收場強中值隨著地理位置改變而出現(xiàn)的緩慢變化稱為慢衰落(SlowFading)移動的接收天線附近的散射體（地形，地物和移動體等）引起的多徑傳播信號在接收點相疊加，造成接收信號快速起伏的現(xiàn)象稱為快衰落快衰落一般可以分為三類：頻率選擇性衰落、時間選擇性衰落和空間選擇性衰落2.3移動環(huán)境下的無線傳播3、快衰落與慢衰落2.3移動環(huán)境下的無線傳播3、快衰落與慢衰落在移動通信傳播環(huán)境中，電波在傳播路徑上遇到起伏的山丘、建筑物、樹林等障礙物阻擋，形成電波的陰影區(qū)，就會造成信號場強中值的緩慢變化，引起衰落。通常把這種慢衰落現(xiàn)象稱為陰影效應。這種由于陰影效應導致接收場強中值隨著地理位置改變而出現(xiàn)的緩慢變化稱為慢衰落(SlowFading)移動的接收天線附近的散射體（地形，地物和移動體等）引起的多徑傳播信號在接收點相疊加，造成接收信號快速起伏的現(xiàn)象稱為快衰落快衰落一般可以分為三類：頻率選擇性衰落、時間選擇性衰落和空間選擇性衰落2.3移動環(huán)境下的無線傳播4、分集接收技術采用分集方法，即在若干個支路上接收相互間相關性很小的載有同一消息的信號，然后通過合并技術再將各個支路信號合并輸出，那么便可在接收終端上大大降低深衰落的概率。

空間分集：指利用位于不同接收地點的多個不同接收機，利用不同地點接收到信號的衰落特性在統(tǒng)計上的不相關性，即衰落性質的不一樣，實現(xiàn)抗衰落的性能頻率分集：指利用位于不同頻率的多路信號經衰落信道后在統(tǒng)計上的不相關性，以及不同頻段在衰落統(tǒng)計特性上的差異，來實現(xiàn)抗衰落的功能。時間分集：指利用時間衰落統(tǒng)計特性上的差異，來實現(xiàn)抗時間選擇性衰落的功能。對于一個隨機衰落信號，當其采樣點的時間間隔足夠大時，兩個采樣點在衰落統(tǒng)計上將具有互不相關的特點。2.3移動環(huán)境下的無線傳播4、分集接收技術通過分集技術，在接收端取得若干個相互獨立的支路信號以后，需要利用合并技術來得到分集增益。選擇式合并：檢測所有分集支路的信號，選擇其中信噪比最高的支路信號作為合并器的輸出這種方式方法簡單，容易實現(xiàn)。但由于未被選擇的支路信號棄之不用，因此抗衰落效果不如后兩種方式等增益合并：各支路的信號等增益相加其實現(xiàn)比較簡單，性能接近于最大比值合并最大比值合并：各條支路信號進行加權合并，加權系數與該支路信噪比成正比。信噪比越大，加權系數越大，對合并后信號貢獻也越大。最合理的合并方式2.4基帶傳輸技術1、基帶傳輸的常用碼型在采用無線基帶傳輸時，信號無需載波調制而直接被發(fā)射出去。送入信道的數字基帶信號的碼型應該符合以下一些要求：傳輸碼型應不合直流分量；可以從基帶信號中提取位同步信號；基帶編碼應具有內在檢錯能力；碼型變換過程應具有透明性，即與信源的統(tǒng)計特性無關；應盡量減少基帶信號頻譜中的高頻分量，以節(jié)省傳輸頻帶，提高信道的頻譜利用率，并減少串擾。2.4基帶傳輸技術1、基帶傳輸的常用碼型AMI(AlternativeMarkInversion)碼原信息碼的“0”編為傳輸碼的“0”；原信息碼的“1”，在編為傳輸碼時，交替的用“+1”和“-1”表示。評價2.4基帶傳輸技術1、基帶傳輸的常用碼型HDB3(HighDensityBipolaroforder3code)碼先檢查消息代碼的連0個數，當連0個數少于4個時，仍按AMI碼規(guī)則進行編碼消息代碼的連0個數達到或超過4個時，則將每個4連0小段的第4個0變換成非0符號（+1或-1），這個符號稱為破壞符號，用V符號表示，記作“+V”或“-V”V碼的極性應與其前一個非0符號極性相同，同時滿足V碼的極性必須交替出現(xiàn)。否則，將4連0小段的第1個0變換成“B”或“-B”，稱為恢復碼或平衡碼。B符號的極性應與其前一個非0符號極性相反2.4基帶傳輸技術1、基帶傳輸的常用碼型HDB3(HighDensityBipolaroforder3code)碼評價：由HDB3碼確定的基帶信號無直流分量，且只有很小的低頻分量。HDB3碼中連0串的數目至多為3個，易于提取定時信號。因此，HDB3是比較理想的基帶碼型。2.4基帶傳輸技術1、基帶傳輸的常用碼型曼切斯特編碼與差分曼切斯特編碼2.4基帶傳輸技術2、基帶脈沖調制和超寬帶脈沖傳輸無線應用（傳輸）中很少采用PAM：由于無線信道受到衰落和效應的影響，導致脈沖幅度起伏很大，因此無法利用脈沖幅度基帶信號更多采用的是脈沖相位調制(PPM)和脈沖寬度調制(PDM)PPM：脈沖相位隨信號變化的調制PDM：脈沖寬度隨信號變化的調制2.4基帶傳輸技術2、基帶脈沖調制和超寬帶脈沖傳輸2.4基帶傳輸技術2、基帶脈沖調制和超寬帶脈沖傳輸脈沖無線電利用了納秒至微微秒級的窄脈沖來傳輸數據，具有超高帶寬，因此又被稱為超寬帶（UltraWideBand，簡稱UWB）無線傳輸技術系統(tǒng)結構的實現(xiàn)較為簡單功耗低高速的數據傳輸安全性高多徑分辨能力強定位精確2.5頻帶傳輸1、基本的調制解調方法2.5頻帶傳輸1、基本的調制解調方法-ASK2.5頻帶傳輸1、基本的調制解調方法-ASK2.5頻帶傳輸1、基本的調制解調方法-FSK2.5頻帶傳輸1、基本的調制解調方法-FSK2.5頻帶傳輸1、基本的調制解調方法-FSK2.5頻帶傳輸1、基本的調制解調方法-PSK絕對調相2.5頻帶傳輸1、基本的調制解調方法-PSK相對調相2.5頻帶傳輸1、基本的調制解調方法-PSK2.5頻帶傳輸1、基本的調制解調方法-PSK2.5頻帶傳輸1、基本的調制解調方法-PSK為了描述與理解2DPSK信號的調制過程，需引入相對碼序列與絕對碼序列的概念絕對碼序列是指原始的數字信息序列，暫記為an假設有另一個二進制序列dn，將此二進制序列進行絕對調相所得到的已調信號的相位，與將an進行相對調相所得到的已調信號的相位一致，則我們將序列dn稱為相對碼序列2.5頻帶傳輸1、基本的調制解調方法-PSK2.5頻帶傳輸1、基本的調制解調方法-PSK2.5頻帶傳輸1、基本的調制解調方法-PSK2.5頻帶傳輸2、多進制調制原理為了提高通信系統(tǒng)的有效性能，可以采用多進制數字調制的方式多進制幅度鍵控(MASK)、多進制頻移鍵控(MFSK)和多進制相移鍵控(MPSK)2.5頻帶傳輸2、多進制調制原理-MASK將二進制基帶序列進行M進制的電平序列轉換，然后用這些M進制的電平去調制載波，以得到多電平的幅度調信號。2.5頻帶傳輸2、多進制調制原理-MFSK2.5頻帶傳輸2、多進制調制原理-QPSK2.5頻帶傳輸2、多進制調制原理-QPSK在PSK系統(tǒng)中，相位的取值通常有兩種方式，即方式A和方式B2.5頻帶傳輸-星座圖正弦信號可用始于坐標原點的矢量表示，將信號點在信號平面上的分布圖就稱作星座圖2.5頻帶傳輸-星座圖星座圖中，當兩個信號點的距離越近時，其信號波形就越接近，從而也就越容易受到噪聲的干擾而造成誤判。增加兩信號點之間的距離可以增加抗干擾能力增加信號發(fā)射功率，即增加信號點圓周半徑安排信號點在星座圖中的位置，來增大兩個信號點之間的距離2.5頻帶傳輸4、正交調幅(QAM)正交振幅調制是將幅度調制和相位調制結合起來構建的一種新的調制方式用兩個獨立的基帶波形對兩個相互正交的同頻載波進行振幅調制，利用這種已調信號在同一頻帶內頻譜正交的性能來實現(xiàn)兩路并行數字信息的傳輸。2.5頻帶傳輸4、正交調幅(QAM)2.5頻帶傳輸5、正交頻分多路復用(OFDM)正交頻分復用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)是一種多載波并行調制技術。OFDM調制的基本原理是把數據流串并轉換為N路速率較低的子數據流，用它們分別去調制N路子載波(sub-carrier)后再進行傳輸。因為子數據流的傳輸速率是原來的1／N，即符號周期擴大為原來的N倍，可以遠遠大于信道的最大延遲擴展，從而大大提高了抗多徑衰落和抗脈沖干擾能力。因此，OFDM特別適合高速無線數據傳輸。2.5頻帶傳輸5、正交頻分多路復用(OFDM)2.5頻帶傳輸5、正交頻分多路復用(OFDM)多徑傳播會使信號出現(xiàn)多徑時延，這種多徑時延如果擴展到下一個符號，就會造成符號間串擾。為了消除符號間干擾，可以在每個OFDM符號之間插入保護間隔(GuardInterval，GI），其保護間隔的長度一般大于無線信道的最大延遲擴展。循環(huán)擴展2.5頻帶傳輸5、正交頻分多路復用(OFDM)為了讓帶寬之外的功率譜密度下降得更快，引入了“加窗”技術(Windowing)，即通過使用各種窗函數以使信號的幅度在符號邊界更平滑的過渡到0。所謂窗函數，是一種除在給定區(qū)間之外取值均為0的實函數。常用的窗函數有升余弦滾降窗，定義如下：2.6擴頻技術1、擴頻的概念擴頻通信是指將系統(tǒng)所傳輸的信號擴展至一個很寬的頻帶進行通信擴頻通信具有不少優(yōu)良的通信特性：抗干擾能力強?？呻S機接入、任意選址。頻帶利用率高。通信安全性高。距離分辨率高。2.6擴頻技術1、擴頻的概念2.6擴頻技術2、擴頻序