無線與移動(dòng)網(wǎng)技術(shù)：二、無線網(wǎng)絡(luò)的物理層

第2部分無線通信物理層技術(shù)無線傳輸媒體無線傳播模型移動(dòng)環(huán)境下的無線傳輸基帶傳輸技術(shù)頻帶傳輸擴(kuò)頻技術(shù)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(diào)制方式有哪三種？控制參數(shù)各是什么？4、8進(jìn)制的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的傳輸速率是2進(jìn)制數(shù)字調(diào)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(dǎo)向性傳輸媒體(GuidedMedium)電磁波被導(dǎo)向沿著固定媒體路徑進(jìn)行傳播，也被稱為有線傳輸介質(zhì)如雙絞線、同軸電纜和光纖等都屬于導(dǎo)向傳輸媒體利用有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信存在一些客觀上的不足或限制非導(dǎo)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(zhì)無線傳輸所使用的工作頻段很廣。國(guó)際電信聯(lián)盟的ITU-R將無線電的頻率劃分為若干個(gè)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(zhǎng)為10～100m（頻率為3～30MHz）的電磁波所進(jìn)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(jiǎn)稱地波。當(dāng)短波通信以地波形式進(jìn)行時(shí)，其工作頻率范圍在1.5MHz至5MHz陸地對(duì)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(hào)可以在地球表面與大氣電離層之間被多次反射，從而實(shí)現(xiàn)短波長(zhǎng)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(zhǎng)在1毫米至1米之間（頻率300MHz至300GHz）的電磁波即微波所進(jìn)行的通信。該頻率范圍的電磁波又被稱為射頻（RadioFrequency，簡(jiǎn)稱RF）電波。任何直線距離內(nèi)無障礙的兩點(diǎn)間均可以使用微波進(jìn)行信號(hào)傳送。在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，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(shè)置中繼站與其他波長(zhǎng)較長(zhǎng)的無線電通信相比較，微波通信有以下優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn)是：中繼站定點(diǎn)比較復(fù)雜易受地形、對(duì)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(zhǎng)大于可見光線，波長(zhǎng)為0.75～1000um?；诩t外線的無線通信系統(tǒng)采用各種光二極管來進(jìn)行站點(diǎn)與站點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換。紅外信號(hào)可以直接或經(jīng)過墻面、天花板反射后，被視距范圍內(nèi)的接收裝置所接收。紅外線傳輸可以達(dá)到較高的傳輸速率，且安全性能高，抗干擾性強(qiáng)受視距影響，其傳輸距離短，只能實(shí)現(xiàn)近距離通信任何不透明的物體都會(huì)阻礙紅外線信號(hào)傳播，從而不適用于移動(dòng)通信紅外通信點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，使得其難以靈活地組成復(fù)雜的多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)2.2無線傳播模型1、無線傳播機(jī)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(dá)接收點(diǎn)的傳播方式。反射波：指從其他物體反射后到達(dá)接收點(diǎn)的傳播信號(hào)，反射波信號(hào)強(qiáng)度次于直射波。繞射波：指從障礙物繞射后到達(dá)接收點(diǎn)的傳播信號(hào)。通常，繞射波的強(qiáng)度與反射波相當(dāng)。散射波：當(dāng)波穿行的介質(zhì)中存在小于波長(zhǎng)的物體并且單位體積內(nèi)物體的個(gè)數(shù)非常巨大時(shí)，會(huì)發(fā)生散射，散射波信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)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(shè)計(jì)提供依據(jù)，人們通過理論分析或?qū)崪y(cè)等方法，對(duì)電磁波在某些特定環(huán)境下的傳播特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而總結(jié)和建立了一些具有普遍性的數(shù)學(xué)模型。我們將這些模型稱為無線傳播模型(PropagationModel)(FreeSpacePropagationModel)是最簡(jiǎn)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(hào)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(shí)的效果并不準(zhǔn)確。相比之下，自由空間模型在描述短距離時(shí)更加有效。因此，雙線地面反射模型給了一個(gè)臨界距離dc：關(guān)于dc的討論2.3移動(dòng)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(jīng)過傳播后的發(fā)射信號(hào)沿著多個(gè)不同的路徑到達(dá)接收天線。接收天線最終接收到的信號(hào)是各路信號(hào)的疊加，這就是無線信號(hào)的多徑傳播多徑傳播中各路信號(hào)的傳播路徑各不相同，因此信號(hào)到達(dá)接收天線時(shí)的幅度、相位也各不相同，疊加后會(huì)出現(xiàn)快速起伏的短期效應(yīng)，這種效應(yīng)被稱為多徑衰落2.3移動(dòng)環(huán)境下的無線傳播1、多徑傳播與多徑衰落以較簡(jiǎn)單的雙徑傳播為例2.3移動(dòng)環(huán)境下的無線傳播1、多徑傳播與多徑衰落兩個(gè)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(dòng)環(huán)境下的無線傳播2、多普勒頻譜擴(kuò)展當(dāng)無線電發(fā)射機(jī)與接收機(jī)處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)時(shí)，接收信號(hào)的頻率將會(huì)發(fā)生偏移。當(dāng)兩者做相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收信號(hào)的頻率將高于發(fā)射信號(hào)的實(shí)際頻率而當(dāng)兩者作反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收信號(hào)的頻率將低于發(fā)射頻率這種現(xiàn)象被稱為多普勒效應(yīng)2.3移動(dòng)環(huán)境下的無線傳播2、多普勒頻譜擴(kuò)展最大多普勒頻移為：該值常被用來描述無線信道的時(shí)變性所引起的接收信號(hào)的頻譜展寬程度，亦稱為多普勒擴(kuò)展當(dāng)發(fā)射機(jī)在無線信道上發(fā)送一個(gè)頻率為f0的單頻正弦波時(shí)，由于多普勒效應(yīng)，接收信號(hào)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(shí)間的討論（時(shí)間選擇性衰落）2.3移動(dòng)環(huán)境下的無線傳播3、快衰落與慢衰落在移動(dòng)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(huì)造成信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)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(yīng)。這種由于陰影效應(yīng)導(dǎo)致接收?qǐng)鰪?qiáng)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(dòng)的接收天線附近的散射體（地形，地物和移動(dòng)體等）引起的多徑傳播信號(hào)在接收點(diǎn)相疊加，造成接收信號(hào)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(shí)間選擇性衰落和空間選擇性衰落2.3移動(dòng)環(huán)境下的無線傳播3、快衰落與慢衰落2.3移動(dòng)環(huán)境下的無線傳播3、快衰落與慢衰落在移動(dòng)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(huì)造成信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)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(yīng)。這種由于陰影效應(yīng)導(dǎo)致接收?qǐng)鰪?qiáng)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(dòng)的接收天線附近的散射體（地形，地物和移動(dòng)體等）引起的多徑傳播信號(hào)在接收點(diǎn)相疊加，造成接收信號(hào)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(shí)間選擇性衰落和空間選擇性衰落2.3移動(dòng)環(huán)境下的無線傳播4、分集接收技術(shù)采用分集方法，即在若干個(gè)支路上接收相互間相關(guān)性很小的載有同一消息的信號(hào)，然后通過合并技術(shù)再將各個(gè)支路信號(hào)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(diǎn)的多個(gè)不同接收機(jī)，利用不同地點(diǎn)接收到信號(hào)的衰落特性在統(tǒng)計(jì)上的不相關(guān)性，即衰落性質(zhì)的不一樣，實(shí)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(hào)經(jīng)衰落信道后在統(tǒng)計(jì)上的不相關(guān)性，以及不同頻段在衰落統(tǒng)計(jì)特性上的差異，來實(shí)現(xiàn)抗衰落的功能。時(shí)間分集：指利用時(shí)間衰落統(tǒng)計(jì)特性上的差異，來實(shí)現(xiàn)抗時(shí)間選擇性衰落的功能。對(duì)于一個(gè)隨機(jī)衰落信號(hào)，當(dāng)其采樣點(diǎn)的時(shí)間間隔足夠大時(shí)，兩個(gè)采樣點(diǎn)在衰落統(tǒng)計(jì)上將具有互不相關(guān)的特點(diǎn)。2.3移動(dòng)環(huán)境下的無線傳播4、分集接收技術(shù)通過分集技術(shù)，在接收端取得若干個(gè)相互獨(dú)立的支路信號(hào)以后，需要利用合并技術(shù)來得到分集增益。選擇式合并：檢測(cè)所有分集支路的信號(hào)，選擇其中信噪比最高的支路信號(hào)作為合并器的輸出這種方式方法簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。但由于未被選擇的支路信號(hào)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(hào)等增益相加其實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，性能接近于最大比值合并最大比值合并：各條支路信號(hào)進(jìn)行加權(quán)合并，加權(quán)系數(shù)與該支路信噪比成正比。信噪比越大，加權(quán)系數(shù)越大，對(duì)合并后信號(hào)貢獻(xiàn)也越大。最合理的合并方式2.4基帶傳輸技術(shù)1、基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型在采用無線基帶傳輸時(shí)，信號(hào)無需載波調(diào)制而直接被發(fā)射出去。送入信道的數(shù)字基帶信號(hào)的碼型應(yīng)該符合以下一些要求：傳輸碼型應(yīng)不合直流分量；可以從基帶信號(hào)中提取位同步信號(hào)；基帶編碼應(yīng)具有內(nèi)在檢錯(cuò)能力；碼型變換過程應(yīng)具有透明性，即與信源的統(tǒng)計(jì)特性無關(guān)；應(yīng)盡量減少基帶信號(hào)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?dāng)_。2.4基帶傳輸技術(shù)1、基帶傳輸?shù)某Ｓ么a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(shí)，交替的用“+1”和“-1”表示。評(píng)價(jià)2.4基帶傳輸技術(shù)1、基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型HDB3(HighDensityBipolaroforder3code)碼先檢查消息代碼的連0個(gè)數(shù)，當(dāng)連0個(gè)數(shù)少于4個(gè)時(shí)，仍按AMI碼規(guī)則進(jìn)行編碼消息代碼的連0個(gè)數(shù)達(dá)到或超過4個(gè)時(shí)，則將每個(gè)4連0小段的第4個(gè)0變換成非0符號(hào)（+1或-1），這個(gè)符號(hào)稱為破壞符號(hào)，用V符號(hào)表示，記作“+V”或“-V”V碼的極性應(yīng)與其前一個(gè)非0符號(hào)極性相同，同時(shí)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(gè)0變換成“B”或“-B”，稱為恢復(fù)碼或平衡碼。B符號(hào)的極性應(yīng)與其前一個(gè)非0符號(hào)極性相反2.4基帶傳輸技術(shù)1、基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型HDB3(HighDensityBipolaroforder3code)碼評(píng)價(jià)：由HDB3碼確定的基帶信號(hào)無直流分量，且只有很小的低頻分量。HDB3碼中連0串的數(shù)目至多為3個(gè)，易于提取定時(shí)信號(hào)。因此，HDB3是比較理想的基帶碼型。2.4基帶傳輸技術(shù)1、基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型曼切斯特編碼與差分曼切斯特編碼2.4基帶傳輸技術(shù)2、基帶脈沖調(diào)制和超寬帶脈沖傳輸無線應(yīng)用（傳輸）中很少采用PAM：由于無線信道受到衰落和效應(yīng)的影響，導(dǎo)致脈沖幅度起伏很大，因此無法利用脈沖幅度基帶信號(hào)更多采用的是脈沖相位調(diào)制(PPM)和脈沖寬度調(diào)制(PDM)PPM：脈沖相位隨信號(hào)變化的調(diào)制PDM：脈沖寬度隨信號(hào)變化的調(diào)制2.4基帶傳輸技術(shù)2、基帶脈沖調(diào)制和超寬帶脈沖傳輸2.4基帶傳輸技術(shù)2、基帶脈沖調(diào)制和超寬帶脈沖傳輸脈沖無線電利用了納秒至微微秒級(jí)的窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，具有超高帶寬，因此又被稱為超寬帶（UltraWideBand，簡(jiǎn)稱UWB）無線傳輸技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單功耗低高速的數(shù)據(jù)傳輸安全性高多徑分辨能力強(qiáng)定位精確2.5頻帶傳輸1、基本的調(diào)制解調(diào)方法2.5頻帶傳輸1、基本的調(diào)制解調(diào)方法-ASK2.5頻帶傳輸1、基本的調(diào)制解調(diào)方法-ASK2.5頻帶傳輸1、基本的調(diào)制解調(diào)方法-FSK2.5頻帶傳輸1、基本的調(diào)制解調(diào)方法-FSK2.5頻帶傳輸1、基本的調(diào)制解調(diào)方法-FSK2.5頻帶傳輸1、基本的調(diào)制解調(diào)方法-PSK絕對(duì)調(diào)相2.5頻帶傳輸1、基本的調(diào)制解調(diào)方法-PSK相對(duì)調(diào)相2.5頻帶傳輸1、基本的調(diào)制解調(diào)方法-PSK2.5頻帶傳輸1、基本的調(diào)制解調(diào)方法-PSK2.5頻帶傳輸1、基本的調(diào)制解調(diào)方法-PSK為了描述與理解2DPSK信號(hào)的調(diào)制過程，需引入相對(duì)碼序列與絕對(duì)碼序列的概念絕對(duì)碼序列是指原始的數(shù)字信息序列，暫記為an假設(shè)有另一個(gè)二進(jìn)制序列dn，將此二進(jìn)制序列進(jìn)行絕對(duì)調(diào)相所得到的已調(diào)信號(hào)的相位，與將an進(jìn)行相對(duì)調(diào)相所得到的已調(diào)信號(hào)的相位一致，則我們將序列dn稱為相對(duì)碼序列2.5頻帶傳輸1、基本的調(diào)制解調(diào)方法-PSK2.5頻帶傳輸1、基本的調(diào)制解調(diào)方法-PSK2.5頻帶傳輸1、基本的調(diào)制解調(diào)方法-PSK2.5頻帶傳輸2、多進(jìn)制調(diào)制原理為了提高通信系統(tǒng)的有效性能，可以采用多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制的方式多進(jìn)制幅度鍵控(MASK)、多進(jìn)制頻移鍵控(MFSK)和多進(jìn)制相移鍵控(MPSK)2.5頻帶傳輸2、多進(jìn)制調(diào)制原理-MASK將二進(jìn)制基帶序列進(jìn)行M進(jìn)制的電平序列轉(zhuǎn)換，然后用這些M進(jìn)制的電平去調(diào)制載波，以得到多電平的幅度調(diào)信號(hào)。2.5頻帶傳輸2、多進(jìn)制調(diào)制原理-MFSK2.5頻帶傳輸2、多進(jìn)制調(diào)制原理-QPSK2.5頻帶傳輸2、多進(jìn)制調(diào)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(hào)可用始于坐標(biāo)原點(diǎn)的矢量表示，將信號(hào)點(diǎn)在信號(hào)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(dāng)兩個(gè)信號(hào)點(diǎn)的距離越近時(shí)，其信號(hào)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(hào)點(diǎn)之間的距離可以增加抗干擾能力增加信號(hào)發(fā)射功率，即增加信號(hào)點(diǎn)圓周半徑安排信號(hào)點(diǎn)在星座圖中的位置，來增大兩個(gè)信號(hào)點(diǎn)之間的距離2.5頻帶傳輸4、正交調(diào)幅(QAM)正交振幅調(diào)制是將幅度調(diào)制和相位調(diào)制結(jié)合起來構(gòu)建的一種新的調(diào)制方式用兩個(gè)獨(dú)立的基帶波形對(duì)兩個(gè)相互正交的同頻載波進(jìn)行振幅調(diào)制，利用這種已調(diào)信號(hào)在同一頻帶內(nèi)頻譜正交的性能來實(shí)現(xiàn)兩路并行數(shù)字信息的傳輸。2.5頻帶傳輸4、正交調(diào)幅(QAM)2.5頻帶傳輸5、正交頻分多路復(fù)用(OFDM)正交頻分復(fù)用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)是一種多載波并行調(diào)制技術(shù)。OFDM調(diào)制的基本原理是把數(shù)據(jù)流串并轉(zhuǎn)換為N路速率較低的子數(shù)據(jù)流，用它們分別去調(diào)制N路子載波(sub-carrier)后再進(jìn)行傳輸。因?yàn)樽訑?shù)據(jù)流的傳輸速率是原來的1／N，即符號(hào)周期擴(kuò)大為原來的N倍，可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信道的最大延遲擴(kuò)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(shù)據(jù)傳輸。2.5頻帶傳輸5、正交頻分多路復(fù)用(OFDM)2.5頻帶傳輸5、正交頻分多路復(fù)用(OFDM)多徑傳播會(huì)使信號(hào)出現(xiàn)多徑時(shí)延，這種多徑時(shí)延如果擴(kuò)展到下一個(gè)符號(hào)，就會(huì)造成符號(hào)間串?dāng)_。為了消除符號(hào)間干擾，可以在每個(gè)OFDM符號(hào)之間插入保護(hù)間隔(GuardInterval，GI），其保護(hù)間隔的長(zhǎng)度一般大于無線信道的最大延遲擴(kuò)展。循環(huán)擴(kuò)展2.5頻帶傳輸5、正交頻分多路復(fù)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(shù)(Windowing)，即通過使用各種窗函數(shù)以使信號(hào)的幅度在符號(hào)邊界更平滑的過渡到0。所謂窗函數(shù)，是一種除在給定區(qū)間之外取值均為0的實(shí)函數(shù)。常用的窗函數(shù)有升余弦滾降窗，定義如下：2.6擴(kuò)頻技術(shù)1、擴(kuò)頻的概念擴(kuò)頻通信是指將系統(tǒng)所傳輸?shù)男盘?hào)擴(kuò)展至一個(gè)很寬的頻帶進(jìn)行通信擴(kuò)頻通信具有不少優(yōu)良的通信特性：抗干擾能力強(qiáng)?？呻S機(jī)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(kuò)頻技術(shù)1、擴(kuò)頻的概念2.6擴(kuò)頻技術(shù)2、擴(kuò)頻序