第5章无线网络-1

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
频率分集
在多个不同频率的载波上传输相同的信息 要求相邻载波频率的间隔等于或者大于信道的相干带宽
时间分集
同一携带信息的信号在不同的时槽发送 相邻时槽的间隔等于或者大于信道的相干时间。 前面介绍的交织技术可以看作一种隐式的时间分集，
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空间分集
也被称为天线分集，是无线通信中使用最多 的一种分集方式
使用两个或多个天线，并且通过选择相邻天线 间的空间距离足够远以保证信号的多径分量可 能发生衰退时是相互独立的 根据多个天线安装在无线信道的哪一端：
接收分集：使用一个发射天线和多个接收天线 发送分集：使用多个发射天线和一个接收天线 收发分集：发射和接收端都使用多个天线 多输入 多输出（ 多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO） ， ）
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自适应均衡（ Equalization） 自适应均衡（Adaptive Equalization）
《计算机网络教程》电子教案
第五章 无线网络 无线通信基础与GSM
主要内容
5.1无线通信基础
无线信道 改善无线信道性能 多路访问机制
5.2 移动通信
移动通信概述 全球移动通信系统GSM
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无线通信基础：天线
天线：
全向天线： 全向天线：
天线辐射的电磁能的方向是全方位的，且各 个方向辐射出功率相等
定向天线
L p = 10 lg Pt 4πd = 20 lg ( dB ) Pr λ
λ =c/ f
d以km为单位,f以MHz为单位
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L p = 32.45 + 20 lg f + 20 lg d
噪声
噪声： 噪声：影响两个无线节点间信号的视线传播而导致衰减和失真的因素 热噪声： 热噪声
由于电子的热搅动而引起的可以看作是温度在绝对零度之上时物体的 一个基本特性 均匀分布在信道的整个频谱上，常称为白噪声 白噪声 与信道的带宽和温度相关，与频率无关 加性白高斯噪声AWGN（Additive White Gaussian Noise）信道 加性白高斯噪声 文献在讨论仅含有热噪声的信道时常这样假设 加性指噪声与信号之间的关系遵从叠加原理的线性关系 高斯是指噪声分布服从正态（高斯）分布。 多个不同频率或者相同频率的信号可能同时进行传播 互调噪声：系统本身允许的其他频率信号的传播而导致的两点间的信 互调噪声 号传播出现的非线性因素 串扰： 串扰：信号传输的路径上由于接收到本身并不希望的其他信号而产生 的干扰。 脉冲（突发）噪声：由于闪电、电锯等电磁干扰而导致短时期的信号出现 脉冲（突发）噪声 比较大的噪声干扰
慢衰退： 慢衰退：描述的是中等范围的特性
反映了在中等范围（数百波长数量级）内的接收信号电平平均 值起伏变化的趋势 指移动用户的信号在传播路径上受到地形地物及高大建筑物等 的阻挡产生传播半盲区即阴影效应（Shadow Effect）而产生的 损耗， 变化速率相对来说要慢一些，一般用对数正态（Log-normal） 分布来描述。
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扩频技术
通过数学函数把要传输的窄带信号（可能只有几千Hz）扩散到一个更 加大的频谱（上兆Hz），在接收方进行相反的操作来重构原来的窄带 信号。 通过一个伪噪声序列PN进行控制， 产生的信号具有伪随机和类似噪声的 特性
增加带宽来提高抗干扰能力
C = H log 2 (1 + S / N )
非常适合于多用户同时使用，并且不会产生明显的干扰： 由于PN一般近似正交，接收者知道正确的PN序列经相关运算后完 成解扩运算 来自其他用户的不相关信号只是在接收机的输出产生很小的宽带 噪声。 抗多径干扰：宽带信号是频率选择性的 任意时间只有一部分频谱受影响 针对码间干扰，那些延迟到来的信号与当前正在接收的信号是采 用不同的PN，两个多径信号的相关性很低
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无线信号的空间传播模型
无线信号本身的传输特性：距离越远，衰减越大 自由空间传播模型：在理想条件下即两点间直线传播且 没有任何地表或者障碍物的阻隔、没有损伤源存在时带 信号的波长 来的信号衰减 接收功率
接收天线增益
发送功率
距离
发送天线增益
自由空间路径损耗：不考虑天线增益情况下发送功率与接 收功率之比，常以分贝为单位：
编码增益指的是经过编码后的信息在信道上传输的误码 率相比不采用编码的信息获得的误码率的改善情况 卷积码相比分组码可以获得更大的编码增益。
（ ）
卷积码编码器
k*L比特的移位寄存器保存最近 的k*L个输入比特 最右端的k个移位寄存器的内容 被丢弃 新的k比特信息进入最左边的移 位寄存器 通过n个半加器将移位寄存器中 的某些比特加在一起作为输出。
交织：用于纠正比较长的突发差错
把突发差错转换为随机差错，然后可利用信道编码进行纠错。 将信息比特的顺序打乱，突发错分散到不同的位置
分组交织
把待编码的mХn个比特放入一个m行n列的矩阵中，m称为交织 器的深度 编码时数据以列方式写入，一旦矩阵填满，按照行的方式读出。 解码时采取相反的操作：数据以行方式填入，以列的方式读出。 交织深度越大，则纠正突发差错的能力越强，但带来一定的延 迟，无线系统采用的交织器延迟都不超过40ms。
随机交织：N个比特的分组根据伪随机序列来按照随机 方式输出 卷积交织则是利用输入和输出换向器和移位寄存器组来 实现的，经常用在卷积码中
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分集（Diversity） 分集（Diversity）
为改进链路抗衰退性能，接收端寻找多条独立多径信号路径： 传输相同信息、且具有大致相等的平均信号强度和相对独立的衰 退特性 考虑到所有信号分量同时衰退的可能性比较小，可通过把这些信 号按照适当的方式合并来获得传输的信号 选择合并：通过检测这些独立多径分量的信噪比，然后选择具有 最大信噪比的信号 最大比、等增益和平方律合并等。
数字调制：
根据每个信号符号携带的比特数分为二进制调制和多进制调制 线性调制：传输信号s(t)的幅度和/或相位随着要调制的数字信 号m(t)的变化而线性变化 非线性调制：传输信号幅度是恒定的 自适应调制：通过检测信道的SNR或者误码率，动态地改变调制方 案和调制速率 11
信道编码
信道编码：发送的信息添加冗余
反射
路灯
衍射
散射
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衰退（fading） 衰退
衰退表示由于传输媒体或者传输路径的因素而引起的接收方接收到的 衰退 信号随时间而变化的情况 接收者的信号可能是视线传播或者反射、散射和衍射传输而混合在一 起的，在无线通信文献中，经常假设信号服从如下分布：
假设发送者和接收者之间不存在一条LOS路径，则幅度服从瑞利 瑞利 （Rayleigh）分布 ）分布，而相位服从[0, π]区间的均匀分布。 如果存在一条相当稳定的LOS路径，则幅度服从瑞森（Rician）分布，参 瑞森（ 瑞森 ）分布， 数K=LOS路径功率/多径功率 K=0时，退化为瑞利分布 k=∞时，信道退化为LOS路径，相当于AWGN信道 纳卡伽米（ 纳卡伽米（Nakagami-m）分布 ）分布是从实际测量中检测出来的，可用于描述 地面移动、室内环境下或者电离层反射的无线信号，主要参数m m=1时退化为瑞利分布 m趋近于无穷大时相当于一个AWGN信道 m大于等于1时，可以近似为瑞森分布。
多普勒（Doppler）效应：接收者处于高速移动过程（如车载通信） 多普勒 中导致传播频率的扩散而引起，其程度与用户的运动速度成正比
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快衰退和慢衰退
快衰退（Fast Fading）和慢衰退 慢衰退（Slow Fading） 快衰退 慢衰退
快衰退： 快衰退：描述的是小范围（小尺度）的特性
大致反映了移动用户在数十个波长范围内接收信号的电平平均 值的相对来说比较快速的变化趋势。 瑞利衰退、瑞森衰退和纳卡伽米衰退模型属于快衰退
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多径干扰
信号传播过程由于各种障碍物和其他因素的影响出现出现 多径传输，接收方可能会接收到具有不同延迟的信号的多 多径传输 个副本而造成的干扰 反射：遇到一个相对于该 信号波长更大的障碍物 （大多数建筑物、悬崖、 大的玻璃窗等）的表面 散射：遇到一个比较大的 物体的不规则的边缘处 衍射:遇到一个相对于该 信号的波长而言要更小些 的障碍物（如电线杆和交 通标志）
跟踪：实时跟踪信道的时变特性而改变其滤波特性 均衡器的抗码间干扰的能力受到均衡计算复杂度的制约
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多载波：正交频分复用OFDM 多载波：正交频分复用OFDM
一个高速的数据流分解成许多低速率的子数据流， 然后以并行方式在多个子信道上传输
传统频分复用系统：独立地产生多个窄带信号，然后搬 移到不同的频带上传输，在接收端采用滤波器加以分离。 正交频分复用： 正交频分复用： 通过快速傅里叶变换FFT联合产生多个子信号，每个 子信道上的频谱是相互正交的 在频率选择性信道上OFDM子载波的正交性仍然被保 留，使得信道干扰的影响为在每个子载波上乘以一 个信道因子 码元间隔是采用全部带宽且与OFDM传输速率相同的 单载波系统的N倍，通过选取足够大的N，使得其比 信道的时延扩展大，这样码间干扰可以忽略不计
天线只沿着一个给定的方向进行辐射 天线增益指的是在特定方向上的输出功率的 天线增益 增加
一个3dB的天线增益表示在特定方向上的输出功 率是理想情况下的全向天线的功率的一倍。 与采用的无线信号的频率、天线的有效面积相关
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影响无线信道的因素
衰减指信号的强度随着其传输的距离增加而降低 衰减 的现象 噪声： 噪声：影响两个无线节点间信号的视线传播而导 致衰减和失真的因素 多径干扰： 多径干扰：信号在无线媒体传播过程中由于各种 障碍物和其他因素的影响还可能会出现反射、散 射和衍射等多径传播而导致的干扰
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窄带和宽带无线信道
多径（时延）扩展： 多径（时延）扩展： 多径传输中接收方收到的第一个和最后一个到达的多径分量间的 时间间隔 码间干扰： 码间干扰：时延扩展超过一个比特的传输时间而导致前一比特的 延迟到达的多径分量对当前比特的传输造成的干扰 相干带宽=多径扩展的倒数 相干带宽 传输信号的带宽位于信道的相干带宽之内 窄带信道 平坦衰退（ 平坦衰退（flat fading）信道：传输信号的所有频率分量都会受到 ）信道： 信道类似的影响 传输信号的带宽超过相干带宽的范围 宽带信道 频率选择性信道： 频率选择性信道：传输信号中某些频率分量会大量衰退，但另外 一些频率分量的衰退要弱得多 深度衰退： 深度衰退：信道上接收者接收到的信号功率下降到太低以至于无法满 足原先系统设计的最低要求 平坦衰退的信道：简单的提升发送功率的方法效率比较低 频率选择性信道：增加发送功率同时会放大符号间自干扰的程度 10