无线与移动网技术：二、无线网络的物理层

第2部分无线通信物理层技术无线传输媒体无线传播模型移动环境下的无线传输基带传输技术频带传输扩频技术问题回顾1、曼切斯特编码与差分曼切斯特编码的编码规则？2、曼切斯特编码与差分曼切斯特编码的同步如何解决？3、基本的调制方式有哪三种？控制参数各是什么？4、8进制的数字调制系统的传输速率是2进制数字调制系统的多少倍？5、你是如何理解OFDM的？6、CDMA的含义2.1无线传输媒体1、无线传输媒体导向性传输媒体(GuidedMedium)电磁波被导向沿着固定媒体路径进行传播，也被称为有线传输介质如双绞线、同轴电缆和光纤等都属于导向传输媒体利用有线网络进行通信存在一些客观上的不足或限制非导向性传输媒体(UnguidedMedium)以自由空间为传输电磁波的手段，又被称为无线传输介质无线传输所使用的工作频段很广。国际电信联盟的ITU-R将无线电的频率划分为若干个频段（又称波段）2.1无线传输媒体2、短波通信短波通信是指利用波长为10～100m（频率为3～30MHz）的电磁波所进行的无线通信，也被称为高频无线电通信。地波传播(Ground

WavePropagation)沿大地与空气的分界面传播的电波称为地表面波，简称地波。当短波通信以地波形式进行时，其工作频率范围在1.5MHz至5MHz陆地对地波衰减很大，且衰减程度随频率升高而增大，因而限制了地波方式的短波通信传播距离。天波传播(SkyWavePropagation)短波通信中，信号可以在地球表面与大气电离层之间被多次反射，从而实现短波长距离通话2.1无线传输媒体3、微波通信微波通信是指使用波长在1毫米至1米之间（频率300MHz至300GHz）的电磁波即微波所进行的通信。该频率范围的电磁波又被称为射频（RadioFrequency，简称RF）电波。任何直线距离内无障碍的两点间均可以使用微波进行信号传送。在远距离传输时，由于受地球曲面以及空间传输损耗的影响，每隔50公里左右，就需要设置中继站与其他波长较长的无线电通信相比较，微波通信有以下优点：工作频带宽、通信容量大；受外界干扰小；通信效果较好；灵活性较大2.1无线传输媒体3、微波通信微波通信存在的主要缺点是：中继站定点比较复杂易受地形、对流层和气候条件等自然环境与因素的影响通信保密性差2.1无线传输媒体4、红外线红外线的波长大于可见光线，波长为0.75～1000um。基于红外线的无线通信系统采用各种光二极管来进行站点与站点之间的数据交换。红外信号可以直接或经过墙面、天花板反射后，被视距范围内的接收装置所接收。红外线传输可以达到较高的传输速率，且安全性能高，抗干扰性强受视距影响，其传输距离短，只能实现近距离通信任何不透明的物体都会阻碍红外线信号传播，从而不适用于移动通信红外通信点对点的连接，使得其难以灵活地组成复杂的多点网络2.2无线传播模型1、无线传播机制直射波：指在自由空间中，电磁波沿直线传播而不被吸收，且不发生反射、折射和散射等现象而直接到达接收点的传播方式。反射波：指从其他物体反射后到达接收点的传播信号，反射波信号强度次于直射波。绕射波：指从障碍物绕射后到达接收点的传播信号。通常，绕射波的强度与反射波相当。散射波：当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内物体的个数非常巨大时，会发生散射，散射波信号强度相对较弱。2.2无线传播模型2、自由空间传播模型为了给通信系统的规划和设计提供依据，人们通过理论分析或实测等方法，对电磁波在某些特定环境下的传播特性进行统计分析，从而总结和建立了一些具有普遍性的数学模型。我们将这些模型称为无线传播模型(PropagationModel)(FreeSpacePropagationModel)是最简单、理想情况的无线电波传播模型。2.2无线传播模型2、自由空间传播模型自由空间路径损耗：描述信号衰减，定义为有效发射功率和接收功率之间的差值，不包括天线增益2.2无线传播模型2、自由空间传播模型2.2无线传播模型2、双线地面反射模型(Two-rayGroundReflectionPropagationModel)除了考虑直线传播路径外，还考了地面反射路径2.2无线传播模型2、双线地面反射模型(Two-rayGroundReflectionPropagationModel)双线地面反射模型在描述短距离情况时的效果并不准确。相比之下，自由空间模型在描述短距离时更加有效。因此，双线地面反射模型给了一个临界距离dc：关于dc的讨论2.3移动环境下的无线传播1、多径传播与多径衰落在无线通信系统中，由于无线信道中的反射、散射和折射，使得经过传播后的发射信号沿着多个不同的路径到达接收天线。接收天线最终接收到的信号是各路信号的叠加，这就是无线信号的多径传播多径传播中各路信号的传播路径各不相同，因此信号到达接收天线时的幅度、相位也各不相同，叠加后会出现快速起伏的短期效应，这种效应被称为多径衰落2.3移动环境下的无线传播1、多径传播与多径衰落以较简单的双径传播为例2.3移动环境下的无线传播1、多径传播与多径衰落两个相邻峰值的频率间隔为：相干带宽的讨论（频率选择性信道）2.3移动环境下的无线传播2、多普勒频谱扩展当无线电发射机与接收机处于相对运动的状态时，接收信号的频率将会发生偏移。当两者做相向运动时，接收信号的频率将高于发射信号的实际频率而当两者作反向运动时，接收信号的频率将低于发射频率这种现象被称为多普勒效应2.3移动环境下的无线传播2、多普勒频谱扩展最大多普勒频移为：该值常被用来描述无线信道的时变性所引起的接收信号的频谱展宽程度，亦称为多普勒扩展当发射机在无线信道上发送一个频率为f0的单频正弦波时，由于多普勒效应，接收信号的频谱被展宽，将包含频率f0-fmax至f0+fmax

的频谱称为多普勒频谱相干时间的讨论（时间选择性衰落）2.3移动环境下的无线传播3、快衰落与慢衰落在移动通信传播环境中，电波在传播路径上遇到起伏的山丘、建筑物、树林等障碍物阻挡，形成电波的阴影区，就会造成信号场强中值的缓慢变化，引起衰落。通常把这种慢衰落现象称为阴影效应。这种由于阴影效应导致接收场强中值随着地理位置改变而出现的缓慢变化称为慢衰落(SlowFading)移动的接收天线附近的散射体（地形，地物和移动体等）引起的多径传播信号在接收点相叠加，造成接收信号快速起伏的现象称为快衰落快衰落一般可以分为三类：频率选择性衰落、时间选择性衰落和空间选择性衰落2.3移动环境下的无线传播3、快衰落与慢衰落2.3移动环境下的无线传播3、快衰落与慢衰落在移动通信传播环境中，电波在传播路径上遇到起伏的山丘、建筑物、树林等障碍物阻挡，形成电波的阴影区，就会造成信号场强中值的缓慢变化，引起衰落。通常把这种慢衰落现象称为阴影效应。这种由于阴影效应导致接收场强中值随着地理位置改变而出现的缓慢变化称为慢衰落(SlowFading)移动的接收天线附近的散射体（地形，地物和移动体等）引起的多径传播信号在接收点相叠加，造成接收信号快速起伏的现象称为快衰落快衰落一般可以分为三类：频率选择性衰落、时间选择性衰落和空间选择性衰落2.3移动环境下的无线传播4、分集接收技术采用分集方法，即在若干个支路上接收相互间相关性很小的载有同一消息的信号，然后通过合并技术再将各个支路信号合并输出，那么便可在接收终端上大大降低深衰落的概率。

空间分集：指利用位于不同接收地点的多个不同接收机，利用不同地点接收到信号的衰落特性在统计上的不相关性，即衰落性质的不一样，实现抗衰落的性能频率分集：指利用位于不同频率的多路信号经衰落信道后在统计上的不相关性，以及不同频段在衰落统计特性上的差异，来实现抗衰落的功能。时间分集：指利用时间衰落统计特性上的差异，来实现抗时间选择性衰落的功能。对于一个随机衰落信号，当其采样点的时间间隔足够大时，两个采样点在衰落统计上将具有互不相关的特点。2.3移动环境下的无线传播4、分集接收技术通过分集技术，在接收端取得若干个相互独立的支路信号以后，需要利用合并技术来得到分集增益。选择式合并：检测所有分集支路的信号，选择其中信噪比最高的支路信号作为合并器的输出这种方式方法简单，容易实现。但由于未被选择的支路信号弃之不用，因此抗衰落效果不如后两种方式等增益合并：各支路的信号等增益相加其实现比较简单，性能接近于最大比值合并最大比值合并：各条支路信号进行加权合并，加权系数与该支路信噪比成正比。信噪比越大，加权系数越大，对合并后信号贡献也越大。最合理的合并方式2.4基带传输技术1、基带传输的常用码型在采用无线基带传输时，信号无需载波调制而直接被发射出去。送入信道的数字基带信号的码型应该符合以下一些要求：传输码型应不合直流分量；可以从基带信号中提取位同步信号；基带编码应具有内在检错能力；码型变换过程应具有透明性，即与信源的统计特性无关；应尽量减少基带信号频谱中的高频分量，以节省传输频带，提高信道的频谱利用率，并减少串扰。2.4基带传输技术1、基带传输的常用码型AMI(AlternativeMarkInversion)码原信息码的“0”编为传输码的“0”；原信息码的“1”，在编为传输码时，交替的用“+1”和“-1”表示。评价2.4基带传输技术1、基带传输的常用码型HDB3(HighDensityBipolaroforder3code)码先检查消息代码的连0个数，当连0个数少于4个时，仍按AMI码规则进行编码消息代码的连0个数达到或超过4个时，则将每个4连0小段的第4个0变换成非0符号（+1或-1），这个符号称为破坏符号，用V符号表示，记作“+V”或“-V”V码的极性应与其前一个非0符号极性相同，同时满足V码的极性必须交替出现。否则，将4连0小段的第1个0变换成“B”或“-B”，称为恢复码或平衡码。B符号的极性应与其前一个非0符号极性相反2.4基带传输技术1、基带传输的常用码型HDB3(HighDensityBipolaroforder3code)码评价：由HDB3码确定的基带信号无直流分量，且只有很小的低频分量。HDB3码中连0串的数目至多为3个，易于提取定时信号。因此，HDB3是比较理想的基带码型。2.4基带传输技术1、基带传输的常用码型曼切斯特编码与差分曼切斯特编码2.4基带传输技术2、基带脉冲调制和超宽带脉冲传输无线应用（传输）中很少采用PAM：由于无线信道受到衰落和效应的影响，导致脉冲幅度起伏很大，因此无法利用脉冲幅度基带信号更多采用的是脉冲相位调制(PPM)和脉冲宽度调制(PDM)PPM：脉冲相位随信号变化的调制PDM：脉冲宽度随信号变化的调制2.4基带传输技术2、基带脉冲调制和超宽带脉冲传输2.4基带传输技术2、基带脉冲调制和超宽带脉冲传输脉冲无线电利用了纳秒至微微秒级的窄脉冲来传输数据，具有超高带宽，因此又被称为超宽带（UltraWideBand，简称UWB）无线传输技术系统结构的实现较为简单功耗低高速的数据传输安全性高多径分辨能力强定位精确2.5频带传输1、基本的调制解调方法2.5频带传输1、基本的调制解调方法-ASK2.5频带传输1、基本的调制解调方法-ASK2.5频带传输1、基本的调制解调方法-FSK2.5频带传输1、基本的调制解调方法-FSK2.5频带传输1、基本的调制解调方法-FSK2.5频带传输1、基本的调制解调方法-PSK绝对调相2.5频带传输1、基本的调制解调方法-PSK相对调相2.5频带传输1、基本的调制解调方法-PSK2.5频带传输1、基本的调制解调方法-PSK2.5频带传输1、基本的调制解调方法-PSK为了描述与理解2DPSK信号的调制过程，需引入相对码序列与绝对码序列的概念绝对码序列是指原始的数字信息序列，暂记为an假设有另一个二进制序列dn，将此二进制序列进行绝对调相所得到的已调信号的相位，与将an进行相对调相所得到的已调信号的相位一致，则我们将序列dn称为相对码序列2.5频带传输1、基本的调制解调方法-PSK2.5频带传输1、基本的调制解调方法-PSK2.5频带传输1、基本的调制解调方法-PSK2.5频带传输2、多进制调制原理为了提高通信系统的有效性能，可以采用多进制数字调制的方式多进制幅度键控(MASK)、多进制频移键控(MFSK)和多进制相移键控(MPSK)2.5频带传输2、多进制调制原理-MASK将二进制基带序列进行M进制的电平序列转换，然后用这些M进制的电平去调制载波，以得到多电平的幅度调信号。2.5频带传输2、多进制调制原理-MFSK2.5频带传输2、多进制调制原理-QPSK2.5频带传输2、多进制调制原理-QPSK在PSK系统中，相位的取值通常有两种方式，即方式A和方式B2.5频带传输-星座图正弦信号可用始于坐标原点的矢量表示，将信号点在信号平面上的分布图就称作星座图2.5频带传输-星座图星座图中，当两个信号点的距离越近时，其信号波形就越接近，从而也就越容易受到噪声的干扰而造成误判。增加两信号点之间的距离可以增加抗干扰能力增加信号发射功率，即增加信号点圆周半径安排信号点在星座图中的位置，来增大两个信号点之间的距离2.5频带传输4、正交调幅(QAM)正交振幅调制是将幅度调制和相位调制结合起来构建的一种新的调制方式用两个独立的基带波形对两个相互正交的同频载波进行振幅调制，利用这种已调信号在同一频带内频谱正交的性能来实现两路并行数字信息的传输。2.5频带传输4、正交调幅(QAM)2.5频带传输5、正交频分多路复用(OFDM)正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)是一种多载波并行调制技术。OFDM调制的基本原理是把数据流串并转换为N路速率较低的子数据流，用它们分别去调制N路子载波(sub-carrier)后再进行传输。因为子数据流的传输速率是原来的1／N，即符号周期扩大为原来的N倍，可以远远大于信道的最大延迟扩展，从而大大提高了抗多径衰落和抗脉冲干扰能力。因此，OFDM特别适合高速无线数据传输。2.5频带传输5、正交频分多路复用(OFDM)2.5频带传输5、正交频分多路复用(OFDM)多径传播会使信号出现多径时延，这种多径时延如果扩展到下一个符号，就会造成符号间串扰。为了消除符号间干扰，可以在每个OFDM符号之间插入保护间隔(GuardInterval，GI），其保护间隔的长度一般大于无线信道的最大延迟扩展。循环扩展2.5频带传输5、正交频分多路复用(OFDM)为了让带宽之外的功率谱密度下降得更快，引入了“加窗”技术(Windowing)，即通过使用各种窗函数以使信号的幅度在符号边界更平滑的过渡到0。所谓窗函数，是一种除在给定区间之外取值均为0的实函数。常用的窗函数有升余弦滚降窗，定义如下：2.6扩频技术1、扩频的概念扩频通信是指将系统所传输的信号扩展至一个很宽的频带进行通信扩频通信具有不少优良的通信特性：抗干扰能力强。可随机接入、任意选址。频带利用率高。通信安全性高。距离分辨率高。2.6扩频技术1、扩频的概念2.6扩频技术2、扩频序