無線通信概述

需要掌握的無線傳輸介質(zhì)無線傳輸特性無線通信基礎(chǔ)每學(xué)期需要技術(shù)更新的有無新的無線傳輸技術(shù)出現(xiàn)無線傳輸技術(shù)的新進展和發(fā)展方向的變化提綱無線網(wǎng)絡(luò)概述無線傳輸技術(shù)無線網(wǎng)絡(luò)-應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)-發(fā)展無線網(wǎng)絡(luò)-拓撲無線蜂窩系統(tǒng)蜂窩概念蜂窩系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)概述無線傳輸技術(shù)多路復(fù)用無線傳輸多路復(fù)用（multiplexing）為了提高信道利用率，使多路信號沿同一信道傳輸而互不干擾的技術(shù)多路復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)多路復(fù)用的關(guān)鍵把多路信號匯合到一條信道上之后，在接收端必須能正確地分割出各種信號分割信號的依據(jù)：信號之間的差別信號頻率上的不同信號出現(xiàn)時間上的不同信號碼型結(jié)構(gòu)上的不同頻分多路復(fù)用時分多路復(fù)用碼分多路復(fù)用Thetotalsystembandwidthisdividedintochannelswhichareallocatedtothedifferentusers.7C29822.030-Cimini-9/97頻分多路復(fù)用Timeisdividedintoslotswhichareallocatedtothedifferentusers.7C29822.031-Cimini-9/97時分多路復(fù)用Timeandbandwidthareusedsimultaneouslybydifferentusers,modulatedbyorthogonalorsemi-orthogonalcodes(e.g.spreadspectrum).7C29822.032-Cimini-9/97碼分多路復(fù)用多路復(fù)用方法比較多路復(fù)用技術(shù)以上多路復(fù)用技術(shù)也稱為多址接入方法另一個與接入方法有關(guān)的重要參數(shù)是正向信道和反向信道的載波頻率差。正向信道又叫下行鏈路，指從基站到移動終端的通信；反向信道又叫上行鏈路，指從移動終端到基站的通信。如果正向信道和反向信道采用不同的載波頻率，而且間隔足夠大，這樣的雙工技術(shù)叫做FDD（FrequencyDivisionDuplexing，頻分雙工）；如果正向信道和反向信道采用相同的載波頻率，但采用交替的時隙，這樣的雙工技術(shù)叫做TDD（TimeDivisionDuplexing，時分雙工）。無線信道接入方法無線傳輸電磁波可將信息從一個地方傳到另一個地方電磁波的傳播不需要任何有型介質(zhì)電磁波稱為傳輸?shù)妮d波（載體）傳輸?shù)臄?shù)據(jù)疊加在載波上，接收端再過濾出信號調(diào)制解調(diào)傳輸數(shù)據(jù)的頻率范圍稱為頻帶多個無線電載波可共存于同一空間傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)（通信介質(zhì)）：計算機用以收發(fā)電子/光子信號的物理路徑。分類如下：引導(dǎo)性介質(zhì)（線纜介質(zhì)）電磁波沿著一個固態(tài)介質(zhì)傳播。例如：金屬導(dǎo)體、玻璃。非引導(dǎo)性介質(zhì)（無線介質(zhì)）提供了傳輸電磁信號的手段，但不加以引導(dǎo)。例如：大氣層、外層空間。無線傳輸?shù)碾姶蓬l譜無線頻譜的分配頻率統(tǒng)一分配（FCC/ITU_R/各個國家）根據(jù)信息類型分配頻譜（AM/FM無線電臺、TV、蜂窩電話…）工業(yè)科學(xué)醫(yī)學(xué)頻段（ISM）可自由使用但限制功率專用于非許可的商業(yè)用途救護車、出租車、無線遙控玩具、無線電家用設(shè)備等工業(yè)科學(xué)醫(yī)學(xué)頻段全向傳播與定向傳播全向傳播（Omnidirectional）信號沿所有方向傳播可被所有的天線接收發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備不必在物理上對準定向傳播（directional）天線把所有的能量集中于一小束電磁波無線信號傳播理想情況下，無線信號在從發(fā)射器到接收器間的一條直線上傳播，稱為“視線”（lineofsight,LOS）實際情況下，由于傳輸障礙物等傳輸環(huán)境的影響，無線信號的傳播將發(fā)生如下三種現(xiàn)象：反射、衍射和散射。其中物體的幾何形狀決定了將產(chǎn)生那種現(xiàn)象。反射（reflection）反射：當信號遇到表面大于信號波長的障礙物（地球表面、高建筑物、大型墻面）導(dǎo)致信號的相位發(fā)生漂移衍射（Diffraction）衍射：當信號遇到大于波長的不可穿透物的邊緣（如無線電波中途遇到的尖銳不規(guī)則的邊緣物），即使沒有來自發(fā)送器的視線信號，也可接收到信號。散射（Scattering）散射：當信號遇到波長更小的物體（樹葉、街牌、燈柱）就發(fā)散成幾個弱的出境信號散射（Scattering）散射還與障礙物表面的粗糙度有關(guān)。表面越粗糙，越容易引起散射。例如，在戶外，樹木和路標都會導(dǎo)致移動電話信號的散射。在室內(nèi)，椅子、書籍和計算機都會導(dǎo)致無線Lan信號的散射。反射、衍射和散射無線通信的衰減（fading）衰減（fading）：傳輸介質(zhì)或路徑使得接收信號的能量發(fā)生變化在固定環(huán)境下，大氣層條件的變化低頻具有更強的穿透力，可以傳輸更遠的距離頻率越高，衰減越嚴重，發(fā)射器需要更大的功率，傳輸范圍變短在移動環(huán)境下：障礙物的相對位置隨時間發(fā)生變化，造成復(fù)雜的傳輸效果——多徑傳播多徑（multipath）傳播的影響一個信號的多個拷貝以不同的相位到達如果相位破壞性疊加，則相對噪聲來說信號的強度就會下降（信噪比減?。?，導(dǎo)致接收端檢測困難信號串擾（intersymbolinterference）一個脈沖的一個或多個延遲的拷貝在一個比特時間內(nèi)到達多徑（Multipath）:障礙物反射信號，使得接收端接收到多個不同延遲的信號多徑傳播的影響假設(shè)：以給定頻率在固定天線和移動節(jié)點之間的鏈路上發(fā)送一個窄脈沖無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用從邏輯上可以分成兩類：面向語音的應(yīng)用voice-oriented面向數(shù)據(jù)的應(yīng)用data-oriented 每一類都有局域和廣域兩個應(yīng)用場合，從而形成四個不同的應(yīng)用部分。無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用面向語音的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用圍繞著連接PSTN的無線網(wǎng)絡(luò)，這些業(yè)務(wù)進一步形成局域網(wǎng)應(yīng)用和廣域網(wǎng)應(yīng)用。PSTN（PublicSwitchedTelephoneNetwork），公共交換電話網(wǎng)絡(luò)，一種常用舊式電話系統(tǒng)。面向數(shù)據(jù)的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用圍繞著Internet和計算機通信網(wǎng)絡(luò)。這些業(yè)務(wù)進一步分為寬帶局域與Ad-hoc（點對點）應(yīng)用和廣域無線數(shù)據(jù)應(yīng)用。無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用面向語音無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重大事件貝爾實驗室的FDMA（FrequencyDivisionMultipleAccess，頻分多址）模擬蜂窩系統(tǒng)技術(shù)歐洲的NMT（NordicMobileTelephony，北歐移動電話）美國的AMPS（AdvancedMobilePhoneSystem，高級移動電話系統(tǒng)）北歐的TDMA（TimeDivisionMultipleAccess，時分多址）數(shù)字蜂窩系統(tǒng)技術(shù)GSM（GlobalSystemforMobilecommunication，全球移動通信系統(tǒng)，簡稱“全球通”）北美的CDMA（CodeDivisionMultipleAccess，碼分多址）數(shù)字蜂窩系統(tǒng)技術(shù)3G（第三代蜂窩移動通信系統(tǒng)）技術(shù)面向語音的廣域無線應(yīng)用無繩電話英國的CT-2歐洲的DECT（DigitalEuropeanCordlessTelephone，數(shù)字歐洲無繩電話）PCS服務(wù)日本的PHP（PersonalHandyPhone，個人手持電話），后來成為PHS（PersonalHandyphoneSystem個人手持系統(tǒng)，即“小靈通”）英國的DCS-1800（GSM技術(shù)）美國的PACS（PersonAccessCommunicationsSystem，個人接入通信系統(tǒng)）面向語音的局域無線應(yīng)用面向數(shù)據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重大事件面向數(shù)據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重大事件（續(xù)）Motorola和IBM的ARDISEricsson的Mobitex美國的CDPD（CellularDigitalPacketData，蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)）GSM上的GPRS（GeneralPacketRadioService，通用分組無線業(yè)務(wù)）3G技術(shù)面向數(shù)據(jù)的廣域無線應(yīng)用寬帶無線局域網(wǎng)和Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的一個主要特點是工作在ISM免許可證頻段。寬帶局域無線應(yīng)用WLAN（無線局域網(wǎng)）IEEE的802.11歐洲的HiperLANWATM（無線ATM）Ad-hoc應(yīng)用（WPAN）藍牙（Bluetooth）面向數(shù)據(jù)的寬帶局域無線與Ad-hoc應(yīng)用第一代（1G）無線系統(tǒng)是面向語音的模擬無線系統(tǒng)，使用FDMA技術(shù)實現(xiàn)。典型的1G標準：美國的AMPS、歐洲的TACS。第二代（2G）無線系統(tǒng)是面向語音的數(shù)字無線系統(tǒng)，使用TDMA或窄帶CDMA技術(shù)實現(xiàn)。典型的2G數(shù)字蜂窩移動標準：歐洲的GSM、北美的IS-54（IS-136）和IS-95以及日本的JDC，2GPCS標準：歐洲的CT-2和DECT、美國的PACS、日本的PHS，2G移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)標準：CDPD、GPRS，2GWLAN標準：IEEE802.11、HiperLAN。第三代（3G）無線系統(tǒng)把蜂窩電話、PCS語音業(yè)務(wù)以及移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)用各種分組交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)綜合在一個高語音質(zhì)量、高容量、高速率的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。典型的3G標準：CDMA2000、TD-SCDMA。無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展無線網(wǎng)絡(luò)中使用了兩種基本拓撲類型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)集中式（或稱中心輻射式）拓撲Ad-hoc（或稱分布式）拓撲基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)固定（有線）基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)用來支持移動終端（MT，或稱移動臺MS）之間和移動終端與固定終端之間的通信。通常設(shè)計用于大的覆蓋區(qū)域和使用多個BS（BaseStation，基站）或AP（AccessPoint，接入點）的情況。無線網(wǎng)絡(luò)拓撲基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓撲－圖例無線蜂窩產(chǎn)品、IEEE802.11和大部分無線LAN產(chǎn)品都支持基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的使用。無線網(wǎng)絡(luò)拓撲Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)Ad-hoc或分布式網(wǎng)絡(luò)拓撲用于重組網(wǎng)絡(luò)，它不需要固定的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)就能工作。適于在移動或固定情況下快速部署無線網(wǎng)絡(luò)。有2種Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)拓撲單跳Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)。如：IEEE802.11、PHS等。多跳Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)。如：HiperLAN。無線網(wǎng)絡(luò)拓撲Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)拓撲－圖例（a）單跳對等拓撲（b）多跳拓撲無線網(wǎng)絡(luò)拓撲無線蜂窩系統(tǒng)蜂窩概念1946年，美國AT&T貝爾實驗室提出了蜂窩（cellular）通信的概念。蜂窩通信是一種使用頻率復(fù)用的智能方法，以使有限的帶寬可以容納巨大數(shù)量的用戶。蜂窩概念基本原理：將覆蓋區(qū)域分為大量相連的小區(qū)域，每個小區(qū)使用自己的、低功率的無線基站。由于同樣的頻譜在分散的區(qū)域內(nèi)可以被多次復(fù)用，這樣，每次建立一個新的基站（一個小區(qū)域）時，容量就會增加。小區(qū)域被稱為小區(qū)或單元（cell），一組小區(qū)組成區(qū)群（cluster）。一個區(qū)群中小區(qū)的數(shù)量稱為區(qū)群大小或頻率復(fù)用因子。需要對這些小區(qū)域以智能的方式分配信道，以避免兩種干擾：同頻道干擾（cochannelinterference）鄰道干擾（adjacentchannelinterference）蜂窩形狀頻率復(fù)用N=4頻率復(fù)用模型123457612345761234576123424343213122143134N=7頻率復(fù)用模型以FDMA為例，K為分配給系統(tǒng)的頻率總數(shù)，N為頻率復(fù)用模型蜂窩數(shù)，假定每個蜂窩區(qū)分配相同數(shù)量的頻率，則每個蜂窩區(qū)有K/N個頻率頻率復(fù)用設(shè)參數(shù)D使用相同頻段的蜂窩區(qū)最小中心間距R蜂窩區(qū)半徑d相鄰蜂窩區(qū)的中心距離N重用因子，重用模型中蜂窩區(qū)個數(shù)在六邊形蜂窩區(qū)模型中可能的N值為1、3、4、7、9、12、13等存在下列關(guān)系增加容量增加新信道（addingnewchannels）頻率借用（frequencyborrowing）蜂窩區(qū)分割（cellsplitting）蜂窩區(qū)扇形化（cellsectoring）微蜂窩區(qū)（microcells）蜂窩式系統(tǒng)的運行蜂窩區(qū)中心設(shè)置基站BS基站連接到移動電話交換局MTSOMTSO和公共電話或電信網(wǎng)絡(luò)連接MTSO管理基站，執(zhí)行越區(qū)切換，計費公共電信交換網(wǎng)移動電話交換局基站基站基站固定電話移動單元和基站之間存在兩種類型信道控制信道交換信息，建立和維持呼叫，同最近基站建立聯(lián)系（短消息）業(yè)務(wù)信道在用戶之間傳遞語音或連接數(shù)據(jù)當移動設(shè)備從一個蜂窩區(qū)移動到另一個時，網(wǎng)絡(luò)將移動設(shè)備由一個基站分配給另一個基站網(wǎng)絡(luò)控制切換：通過對所接收到移動設(shè)備傳來的信號進行計量，網(wǎng)絡(luò)單獨作出決策。輔助越區(qū)切換：根據(jù)移動設(shè)備接收到的信號向網(wǎng)絡(luò)提供反饋，使移動設(shè)備加入到