第2章 无线通信及网络仿真技术基础

1、第2章 无线通信和网络仿真技术基础Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 2本章内容简介无线电频谱无线传输介质和方式扩频技术复用和多址技术调制技术天线技术损伤和衰落MIMO网络仿真技术简介 NS2基础知识用NS2进行无线网络仿真Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 3无线电频谱l无线电频谱特点有限性排它性复用性非耗尽性传播性易干扰性（详细内容见教材第28页）复用Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、

2、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 4复用距离Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 5Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 6l无线电管理部门联邦通信委员会(FCC)FCC是美国专门负责管理其国内及对外有线、无线和电视通信业务的行政决策机构，管理无线电广播、电视、电信、卫星和电缆等业务，协调国内和国际通信，涉及美国各州及所属地区。中国无线电管理局我国的专业无线电管理部门，依据中华人民

3、共和国无线电管理条例等法律法规，负责无线电管理。Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 8l无线电频谱的划分根据无线电波传播及使用的特点，国际上将无线电波频谱划分为12个频段，通常的无线电通信只使用其中的第412频段。值得一提的是ISM (Industrial Scientific Medical，工业科学医疗)频段，即2.42.4835GHz主要开放给这三类机构使用，该频段是依据FCC的定义，无需许可证授权，属于免费使用。只需要遵守一定的发射功率(一般低于1W)，并且不要对其它频段造成干扰即可。（详细的无

4、线电频谱和波段划分见教材表2.1）Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 9无线传输介质和方式l无线传输介质传输介质指数据传输系统中发送方和接收方之间的物理路径传输介质可分导向和非导向两类导向传输介质用于有线通信，包括双绞线、同轴电缆(粗缆和细缆)、光纤等。无线通信和无线网络则使用非导向传输介质，包括无线电、微波、红外线、毫米波、光波等。Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 10l无线通信的主要方式包括无线电波、微波、

5、红外线无线电波指在自由空间传播的射频频段的电磁波，其基本原理是导体中电流强度的改变会产生无线电波。微波一般频率在300M300GHz之间，波长在1米到1毫米之间的电波。红外线它是太阳光线中众多不可见光中的一种，存在于太阳光谱中红光的外侧，也可作为传输介质。Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 11l微波通信微波频率高，波长很短，在空中的传播特性与光波相近，即直线前进，遇到阻挡会被反射或阻断。微波通信的主要方式是视距通信，超过视距则需中继转发。普遍适用于各种专用通信网微波通信的特点包括：容量大、质量好、可传

6、至很远的距离Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 12和其它传输系统一样，微波传输的主要损耗源于衰减。对于微波以及无线电广播频段，其损耗可表示如下：2410lgdLdB其中d是距离，是波长，二者单位相同Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 13l微波通信主要分为两大类：地面微波通信和卫星微波通信地面微波通信通常在视距范围内进行，收发双方一般为两个互相对准方向的抛物面天线。 Jin & Jiang, 无线网络技

7、术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 14地面微波通信的优点容量大：频率高、频带宽、信道容量大质量高：工业干扰和电干扰的频率低，干扰小成本低地面微波通信的缺点易失真：不能穿透建筑物，存在多径衰减易受环境影响安全保密性差维护成本：中继站的使用和维护（详细内容见教材第32页）Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 15卫星微波通信由卫星和地球站两部分组成。卫星在空中起中继作用，连接两个或多个地球站的地面微波发射器或接收器。卫星微波通信的优点：范围大、距离远；不易受地

8、面灾害影响；建设快，通信费用和距离无关；易实现广播和多址通信。卫星微波通信的不足：信号传输有时延，天线受太阳噪声影响，安全保密性较差，卫星本身造价高，等等。Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 16l红外线通信红外线通信是以红外线为载体进行数据传输的通信方式；红外线通信使用收发器调制出互不相干的红外线，就可实现通信；红外线通信不易被发现和截获，保密性强；红外线通信几乎不受电磁、人为干扰，抗干扰性强；红外线通信机体积小、重量轻、结构简单、价格低廉。Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应

9、用与仿真实验, Tsinghua University Press 17笔记本电脑进行红外线通信 Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 18扩频技术l扩频(Spread Spectrum，SS)是一种重要的通信技术，可用于传输模拟和数字信息。l扩频方法的优点包括： 对各种类型噪声如多径失真具有免疫性。可用于隐藏和加密信号。接收方必须知道扩展代码，才可恢复原始信息。多个用户可独立使用同样的较高带宽，且几乎无干扰。Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua U

10、niversity Press 19扩频系统的一般模型 Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 20l扩频技术最早多用于军事和情报部门，通过将携带信息的信号扩展到较宽带宽中，以加大干扰和窃听的难度。目前占主流的两个扩频技术分别是跳频和直接序列，均在无线通信标准和产品中得到应用。Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 21l跳频扩频跳频扩频(Frequency Hopping SS，FHSS)是用一定的扩频码序列进行选择的

11、多频率频移键控调制，使载波频率不断跳变。发送方用看似随机的无线电频率序列广播信息，并在固定间隔里从一频率跳至另一频率。接收方接收消息时，也同步跳转频率。Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 22跳频扩频系统框图 Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 23l一个跳频信号示例，8个信道分配了跳频信号。跳频扩频示例 Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua Univers

12、ity Press 24l直接序列扩频直接序列扩频(Direct Sequence SS，DSSS)用具有高码率的扩频码序列在发送方直接扩展信号频谱，而接收方则用相同扩频码序列进行解扩，即把拓宽的扩频信号还原成原始信息。DSSS中，原始信号中的每一位在传输信号中以多位表示，即使用扩展编码。这种扩展编码能将信号扩展至更宽的频带范围上，该频带范围与使用位数成正比。Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 25直接序列扩频系统框图 Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsin

13、ghua University Press 26一种使用异或运算将数字信号流与扩展编码流相结合的DSSS技术实例Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 27Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 28复用和多址技术通信技术中的一个关键是传输效率，即尽量充分利用信道(有线或无线)。实际上就是同时传输多个信号，在两点间的信道中同时传输互不干扰的多个信号称“信道复用”，而在多点间实现互不干扰的多边通信称“多址接入”。本质是信号

14、分割，即赋予各信号不同特征或地址。然后根据各特征间的差异来区分，按不同地址分发，以实现互不干扰的通信。Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 29复用或多址技术的关键是设计正交信号集合，使各信号彼此无关。实际工作中，实现完全正交和不相关较难，一般采用准正交，互相关很小。常见的复用方式有频分复用(FDM)、时分复用(TDM)、码分复用(CDM)、空分复用(SDM)等。多址通信的方式有频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)、空分多址(SDMA)等。n 最常用的多址技术可用的频段被分割成

15、若干个相同带宽的信道每个用户可以采用不同的频率进行通信用于所有第一代移动通信网络Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 31lFDMAFDMA将传输频带划分为若干较窄且互不重叠的子频带，每个用户分配一个固定子频带。FDMA常用于卫星通信、移动通信、微波通信。FDMA分模拟调制和数字调制，也可由一组模拟信号用频分复用方式或一组数字信号用时分复用方式占用一个较宽的频带，调制到相应子频带后传送到同一地址。n 实现成本高需要发射机和接收机之间实现精确的时间同步用于数字移动通信整个频带通过FDMA技术分成若干个子频带

16、每个子频带又利用TDMA技术实现时分多址Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 33lTDMA给定频带的最高数据传送速率，将传递时间划分为若干时隙，每个用户站使用某一指定时隙，以突发脉冲序列方式接收和发送信号。TDMA时隙分配示意图 Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 34lCDMA发送方用一个带宽远高于信号带宽的伪随机编码信号或其它扩频码，调制所需传输的信号，即拓宽原信号的带宽，再经载波调制后发送。接收方使用完全相

17、同的扩频码序列，同步后与接收到的宽带信号作相关处理，把宽带信号解扩为原始数据信息。由于是以正交的不同码片序列区分用户，故称“码分多址”，也称“扩频多址(SSMA)”。n 采用了扩频技术每个用户都使用整个系统的带宽CDMA系统的所有用户在一个小区中都使用相同的频段，为了区分出每一个用户的信号，每个用户都被分配到一个正交码，也被称为码片(chip)。Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 36Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Pr

18、ess 37lOFDMAOFDMA将信道分为若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制至每个子信道上传输。接收方采用相关技术可区分正交信号，有效减少子信道间的相互干扰。与OFDM不同，OFDMA的每个用户可选择信道条件较好的子信道传输数据。Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 38lSDMASDMA利用不同用户的空间特征区分用户，从而实现多址通信。蜂窝移动通信充分运用了SDMA方式，用有限频谱构成大容量通信系统，称为频率再用，是蜂窝通信的一项关键技术。卫星通信中采用窄波束天线实现空分多址

19、以提高频谱利用率。Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 39调制技术调制指将输入信息变换为适于信道传输的形式。信号源信息通常包含直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。调制过程改变了高频载波即信息载体信号的幅度、相位或频率，使其随基带信号幅度的变化而变化。解调过程则将基带信号从载波中提取出来，使接收方能正确处理。Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 40l常用的调制方式模拟调制用连续变化的信号调制一个高频正弦波幅

20、度调制，包括调幅(AM)、双边带、单边带、残留边带、独立边带调制等角度调制，包括调频(FM)、调相(PM)数字调制用数字信号对正弦或余弦高频振荡进行调制振幅键控(ASK)，用数字调制信号控制载波通断。Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 41频率键控(FSK)，用数字调制信号的正负控制载波频率移相键控(PSK)，用数字调制信号的正负控制载波相位脉冲调制用脉冲序列作为载波 脉幅调制(PAM)，用调制信号控制脉冲序列的幅度，使其在均值上下随调制信号的瞬值变化Jin & Jiang, 无线网络技术教程：

21、原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 42脉宽调制(PDM)，用调制信号控制脉冲序列中各脉冲宽度，使单脉冲持续时间与该瞬时调制信号值成比例脉位调制(PPM)，调制信号控制脉冲序列中各脉冲的相对位置(即相位)，使各脉冲的相对位置随调制信号变化脉码调制(PCM)，首先对信号采样，再对采样值予以量化，最后对信号进行编码脉频调制(PFM)，用调制信号控制脉冲重复频率，使该频率随调制信号变化Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 43天线技术天线是无线通信系统中的外界传播介质接口

22、发送方先将信号通过馈线(电缆)输送到天线，再以电磁波形式辐射出去接收方在电磁波到达后，由天线吸收下来(仅接收极小一部分功率)，通过馈线送至无线电接收机。天线的型号、增益、方向图、驱动功率、极化等都是影响通信系统性能的因素之一Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 44l天线的分类按用途分通信天线、电视天线、雷达天线等。按工作频段分短波天线、超短波天线、微波天线等按方向性分全向天线、定向天线等按外形分线状天线、面状天线等Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghu

23、a University Press 45l天线的主要指标天线增益方向图极化其它技术指标电压驻波比、端口隔离度、回波损耗、无源互调等详细内容见教材第40-42页Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 46l天线的关键技术天线分集技术空间分集、时间分集、频率分集、极化分集等赋形波束技术智能天线技术多天线技术详细内容见教材第42-44页Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 47损伤和衰落l传输过程中的损伤主要的损伤包括衰减

24、和衰减失真、自由空间损耗、噪声、大气吸收、多径、折射等衰减和衰减失真衰减和衰减失真指信号强度随所跨越的任一传输介质的距离而下降，无线介质中的衰减是一个更复杂的距离函数自由空间损耗信号随距离增加会在越来越大的面积范围内散布，该衰减称自由空间损耗，可表示为发射功率与天线的接收功率之比Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 48l噪声热噪声由电子热扰动产生，存在于所有电子设备和传输介质中，是温度的一个函数互调噪声不同频率的信号共享相同介质时，会产生互调噪声串扰噪声不同信号路径间的融合脉冲噪声外部电磁干扰、通信系统

25、中的错误和缺陷等Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 49l移动环境中的衰落衰落指因传输介质或路径改变引起的接收信号功率随时间变化多径传播机制分为3种：反射、散射和衍射移动通信中的衰落效果可分为快速或慢速衰落效果也可分为平面或选择性详细内容见教材第46页Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 50MIMOlMIMO指利用多发射、多接收天线进行空间和时间分集的技术，利用多天线来抑制信道衰落。MIMO系统原理图 Jin &

26、amp; Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 51lMIMO的关键技术信道估计信道估计有两类：一类是训练序列或导频，一类是采用盲方法进行信道辨别空时信号处理从时间和空间同时进行信号处理，分为空时编码和空间复用同步包括载波同步、符号同步和帧同步等分集MIMO利用了时间、频率和空间三种分集技术详细内容见教材第47-48页Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 52网络仿真技术简介l网络仿真是利用数学建模、统计分析方法，依赖计算机软件来模拟网

27、络行为的技术。l网络仿真技术具有以下特点：在高度复杂的网络环境下能得到高可信度的结果；预测功能是其它传统方法无法比拟的； 使用范围广，既可用于现有网络的优化和改进，也可用于设计新方案；初期成本不高，建好的网络模型可延续使用，后期投入会不断下降。Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 53lOPNET主要面向专业研发人员，分4个系列，包括：Service Provider Guru：面向网络服务提供商的智能化网管软件；OPNET Modeler：网络技术和产品开发平台，帮助设计和分析网络、设备和通信协议；IT

28、 Guru：帮助预测和分析网络和网络应用的性能，诊断问题，查找影响系统性能的瓶颈，提出并验证解决方案；WDM Guru，用于波分复用光纤网络的分析评测；Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 54lOPNET能满足大型复杂网络的仿真需要，主要特点包括：提供三层建模机制提供了较齐全的基本模型库采用离散事件驱动的仿真机理采用混合建模机制统计收集和分析功能提供了网管系统、流量监测系统的接口Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press

29、 55lNS2网络仿真NS2是由加州大学伯克利分校开发的适于多种网络的仿真软件NS2遵循GPL（ General Public License ），源代码开放NS2采用了分裂对象模型的开发机制(C+/Otcl)有关NS2详细的内容见2.10节Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 56lMATLAB仿真平台MATLAB是用于数值计算和图形处理的科学计算系统软件MATLAB由5个主要部分组成语言体系、工作环境、图形图像系统、数学函数库、应用程序接口MATLAB有很强的扩展功能，可配备各种工具箱，完成不同领域的

30、各种特定任务。Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 57NS2基础知识lNS2的获取和安装官方主页为：/nsnam/ns/知识库主页为：/nsnam/index.php/Main_Page NS2的安装可在Windows下的Cygwin中进行，也可以直接在linux平台下进行，本书采用了前者，有关安装事项请参考教材2.10.1节。Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press 58lNS2的基本框架NS2中的C+和