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

第2章無(wú)線通信和網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)基礎(chǔ)金光,江先亮2本章內(nèi)容簡(jiǎn)介☆無(wú)線電頻譜☆無(wú)線傳輸介質(zhì)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)利用不會(huì)耗盡 ☆傳播性：不受國(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4無(wú)線電頻譜劃分國(guó)際上將無(wú)線電波頻譜劃分為12個(gè)頻段，通常的無(wú)線電通信只使用其中第4~12頻段。ITU規(guī)定ISM(IndustrialScientificMedical，工業(yè)科學(xué)醫(yī)療)頻段，開(kāi)放給三類機(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。歐洲的ISM低頻段為868MHz和433MHz。使用需遵守一定發(fā)射功率(<1W)，不要干擾其它頻段。許多無(wú)線網(wǎng)絡(luò)工作于ISM頻段。詳細(xì)的無(wú)線電頻譜和波段劃分見(jiàn)表2.1無(wú)線電頻譜和波段劃分表56無(wú)線電管理部門(mén)美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FederalCommunicationsCommission，F(xiàn)CC)。

專門(mén)負(fù)責(zé)管理美國(guó)內(nèi)外無(wú)線電廣播、電視、電信、衛(wèi)星和電纜等業(yè)務(wù)，涉及各州及所屬地區(qū)。各種無(wú)線通信和數(shù)字產(chǎn)品進(jìn)入美國(guó)市場(chǎng)，都需FCC認(rèn)可。中國(guó)無(wú)線電管理局

專業(yè)無(wú)線電管理部門(mén)，依據(jù)《中華人民共和國(guó)無(wú)線電管理?xiàng)l例》等法律法規(guī)負(fù)責(zé)管理。

具體職責(zé)：頻率使用和管理、固定臺(tái)站布局規(guī)劃、臺(tái)站設(shè)置認(rèn)可、頻率分配、電臺(tái)執(zhí)照管理、公用移動(dòng)通信基站的共建共享、監(jiān)督無(wú)線電發(fā)射設(shè)備研制生產(chǎn)銷售、無(wú)線電波輻射和電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)等。67無(wú)線傳輸介質(zhì)和方式無(wú)線傳輸空間：地球大氣層和外層空間無(wú)線傳輸介質(zhì) ☆傳輸介質(zhì)指數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中發(fā)送方和接收方之間物理路徑 ☆傳輸介質(zhì)可分導(dǎo)向和非導(dǎo)向兩類 ⑴導(dǎo)向傳輸介質(zhì)用于有線通信，包括雙絞線、同軸電纜(粗纜和細(xì)纜)、光纖、電力線等。 ⑵無(wú)線通信和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)則使用非導(dǎo)向傳輸介質(zhì)，如無(wú)線電波。8非導(dǎo)向傳輸介質(zhì)無(wú)線電波：自由空間傳播的射頻頻段電磁波，基本原理是導(dǎo)體中電流強(qiáng)度改變會(huì)產(chǎn)生無(wú)線電波。可通過(guò)調(diào)制將信息加載于無(wú)線電波中。電波通過(guò)空間傳播到達(dá)接收方時(shí)，電波引起電磁場(chǎng)變化又會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生電流。再通過(guò)解調(diào)將信息提取出來(lái)，即實(shí)現(xiàn)信息傳遞。微波：一般頻率300M~300GHz之間，波長(zhǎng)1m~1mm之間，分米波、厘米波、毫米波。紅外線，太陽(yáng)光線中眾多不可見(jiàn)光中一種，存在于太陽(yáng)光譜中紅光外側(cè)，也作為傳輸介質(zhì)。9微波通信微波頻率高，波長(zhǎng)短，空中傳播特性與光波相似，直線前進(jìn)，遇阻擋會(huì)反射或阻斷。微波通信主要是視距(LOS)通信，超過(guò)視距則需中繼轉(zhuǎn)發(fā)。普遍適用于各種專用通信網(wǎng)，常用傳輸頻率范圍為2~40GHz。微波通信的特點(diǎn)：容量大、質(zhì)量好、可傳至很遠(yuǎn)距離微波傳輸主要損耗源于衰減。對(duì)于微波以及無(wú)線電廣播頻段，其損耗如下，d是距離，λ是波長(zhǎng)：微波損耗隨距離平方而變化。而雙絞線和同軸電纜損耗隨距離呈指數(shù)變化。微波系統(tǒng)中繼器或放大器可彼此相距很遠(yuǎn)，如10~100km。下雨時(shí)衰減增大，雨水對(duì)高于10GHz頻段的影響明顯。頻帶寬、容量大，微波通信可用于各種電信業(yè)務(wù)傳輸。有良好抗災(zāi)性能，一般不受水災(zāi)、風(fēng)災(zāi)、地震等自然災(zāi)害影響。但經(jīng)空中傳輸，易受電磁干擾，同一電路同一方向上不能使用相同頻率，因此微波電路分配須受無(wú)線電管理部門(mén)嚴(yán)格管理。微波視距直線傳播，城市規(guī)劃要充分考慮，避免因高樓阻隔而影響通信質(zhì)量。10地面微波通信通常視距范圍進(jìn)行，收發(fā)雙方一般為兩個(gè)互相對(duì)準(zhǔn)方向的拋物面天線。地面微波中繼站和中繼鏈路可互連多個(gè)局域網(wǎng)，以擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)范圍。兩個(gè)視距內(nèi)但相距較遠(yuǎn)的大樓LAN可通過(guò)地面微波通信互連，其成本低于有線鏈路互連。11地面微波天線形狀一般為拋物面鍋形，直徑多為幾米。天線大多固定，發(fā)送方天線將電磁波聚集成波束，向接收方天線進(jìn)行視距傳輸。天線常安裝在距地較高處，避開(kāi)地面障礙物和擴(kuò)展視距范圍。更長(zhǎng)距離傳輸需使用多個(gè)中繼站，微波鏈路兩兩串聯(lián)。12地面微波通信優(yōu)點(diǎn)和不足容量大。波段頻率高，頻段范圍寬，信道容量大。質(zhì)量高。一般工業(yè)干擾和電干擾對(duì)微波通信影響較小。成本低。與有線電纜通信相比，微波通信投資少、見(jiàn)效快。易失真。微波不能有效穿越建筑物，多徑衰減失真。易受環(huán)境影響。惡劣天氣如雨水會(huì)吸收微波。安全保密性差。隱蔽性和保密性弱于有線網(wǎng)絡(luò)通信。維護(hù)成本。耗費(fèi)一定人力物力用于中繼站維護(hù)。13衛(wèi)星微波通信衛(wèi)星和地球站兩部分組成。衛(wèi)星空中起中繼作用，連接兩個(gè)或多個(gè)地球站收發(fā)器。接收一個(gè)頻段上行信號(hào)，放大后在另一頻段下行發(fā)送。一個(gè)衛(wèi)星可操作多個(gè)頻段。地球站是衛(wèi)星通信中地面網(wǎng)絡(luò)接口，地面用戶通過(guò)地球站連入衛(wèi)星鏈路。頻率1~10GHz，大多數(shù)使用4GHz/6GHz頻段。已趨于飽和，加上干擾存在，開(kāi)始使用更高頻率。距離遠(yuǎn)，兩地球站間傳播時(shí)延可能>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)、易廣播和多址通信、同一信道可用于不同方向不同區(qū)域等。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紅外線通信紅外線為載體進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健Ｔ缙诙鄠€(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，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損耗和衰落通信損耗：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衰減和衰減失真信號(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)雜的距離函數(shù)。一般應(yīng)考慮3因素影響：①接收信號(hào)應(yīng)有足夠強(qiáng)度，使接收方檢測(cè)并解釋信號(hào)。②與噪聲相比，信號(hào)須維持較高強(qiáng)度，以便準(zhǔn)確接收。③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。可考慮跨頻帶衰減均勻，或用放大器更多放大高頻部分。17自由空間損耗無(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噪聲熱噪聲：電子熱擾動(dòng)產(chǎn)生，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(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?；フ{(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大氣吸收一般源于水蒸氣和氧氣。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)。依賴直接或反射波路徑長(zhǎng)度不同，合成信號(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折射大氣層折射傳播無(wú)線電波。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移動(dòng)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)。蜂窩通信中，路燈柱、交通標(biāo)志等引起散射。23衰落類型：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)20~30dB，即為快衰落。移動(dòng)用戶覆蓋超出一個(gè)波長(zhǎng)的距離，即用戶穿過(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調(diào)制調(diào)制指將輸入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常用調(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。

①脈幅調(diào)制(PAM)

②脈寬調(diào)制(PDM)

③脈位調(diào)制(PPM)

④脈碼調(diào)制(PCM)

⑤脈頻調(diào)制(PFM)

詳細(xì)介紹見(jiàn)教材2.4.1節(jié)26典型數(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，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擴(kuò)頻(SpreadSpectrum，SS)對(duì)各類噪聲如多徑失真具有免疫性?？呻[藏和加密信號(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跳頻擴(kuò)頻(FrequencyHoppingSS，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，即使試圖在某一頻率干擾，也只能影響有限幾位信號(hào)。29FHSS系統(tǒng)框圖30直接序列擴(kuò)頻(DirectSequenceSS，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。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。31DSSS系統(tǒng)框圖32復(fù)用和多址兩點(diǎn)間信道中同時(shí)傳輸互不干擾多個(gè)信號(hào)稱“信道復(fù)用”，而多點(diǎn)間實(shí)現(xiàn)互不干擾多邊通信稱“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。33TDMA(TimeDivisionMultiplexingAddress)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，各用戶使用某一時(shí)隙，突發(fā)脈沖序列方式接收和發(fā)送信號(hào)。用戶按序占用不同時(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，各用戶分別按次序提取相應(yīng)時(shí)隙信息?？偞a元速率為各路之和，還有少量位幀同步等額外開(kāi)銷。34FDMA(FrequencyDivisionMultiplexingAddress)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，可考慮壓縮編碼技術(shù)和數(shù)字調(diào)制技術(shù)。35OFDMA(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexAddress)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)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，每個(gè)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(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使用，獲得頻率上的多用戶分集增益。36CDMA(CodeDivisionMultiplexingAddress)發(fā)送方用一個(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。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，稱“碼分多址”，也稱“擴(kuò)頻多址(SSMA)”。37SDMA(SpaceDivisionMultiplexingAddress)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。配合電磁波傳播特征，可使不同地域用戶同時(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)僅一個(gè)用戶，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天線無(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)、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天線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。按外形分為線狀天線、面狀天線等。40天線的主要指標(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，稱為場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)矢量空間指向的一個(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直線極化波。電場(chǎng)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(chǎng)矢量和傳播方向構(gòu)成平面稱極化平面。天線可能會(huì)在非預(yù)定的極化上輻射不需要能量，稱交叉極化輻射分量。41其它技術(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。回波損耗。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天線分集技術(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賦形波束技術(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、性能分析及仿真都依賴無(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的空域。44智能天線技術(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方向性，獲取基站和移動(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)用戶區(qū)，各波束指向固定，寬度由天線孔徑?jīng)Q定。用戶移動(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)須判定用戶信號(hào)到達(dá)方向。自適應(yīng)天線陣列，采用4~16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45MIMO(MultipleInputMultipleOutput，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)46MIMO的關(guān)鍵技術(shù)信道估計(jì)。采用空時(shí)編碼時(shí)，接收方需準(zhǔn)確知道信道特性才能有效解碼，因此信道估計(jì)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(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認(rèn)知無(wú)線電(CognitiveRadio,CR)智能無(wú)線電，對(duì)環(huán)境極度敏感的軟件無(wú)線電。CR可感知周圍環(huán)境特征，實(shí)時(shí)調(diào)整自身內(nèi)部狀態(tài)和收發(fā)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認(rèn)知無(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)、用戶需求、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)?；竟δ埽悍治鰺o(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。次級(jí)用戶利用主用戶未使用頻段，不要過(guò)于頻繁切換頻段。49認(rèn)知無(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)行頻譜管理和功率控制。頻譜空洞指分配給某用戶但一定時(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。50可見(jiàn)光通信(VisibleLightCommunication，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。512000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11.67~266.6kbps，II為1.25~96Mbps，III為12~96Mbps。物理層I和II為單一光源。物理層III采用不同頻率(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。可見(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激光通信2013年9月，NASA進(jìn)行月球激光通信演示(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網(wǎng)絡(luò)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)。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，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、MATLAB54OPNET仿真平臺(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：

ServiceProviderGuru：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

ITGuru：預(yù)測(cè)分析網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用性能，診斷，查找瓶頸，提出驗(yàn)證方案

WDMGuru，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。55NS2(NetworkSimulator2)仿真平臺(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，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。56NS3仿真平臺(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：

①Node：可添加應(yīng)用、協(xié)議、外部接口等；

②NetDevice：網(wǎng)卡及驅(qū)動(dòng)，如CsmaNetDevice、WifiNetDevice；

③Channel：通道，如CsmaChannel、WifiChannel；

④Application：應(yīng)用程序，如UdpEchoClientApplication、UdpServerApplication。TopologyHelper模塊，對(duì)應(yīng)每種拓?fù)溥B接，如CsmaNetHelper。57MATLAB仿真平臺(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)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：

(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)