無(wú)線通信概述

需要掌握的無(wú)線傳輸介質(zhì)無(wú)線傳輸特性無(wú)線通信基礎(chǔ)每學(xué)期需要技術(shù)更新的有無(wú)新的無(wú)線傳輸技術(shù)出現(xiàn)無(wú)線傳輸技術(shù)的新進(jìn)展和發(fā)展方向的變化提綱無(wú)線網(wǎng)絡(luò)概述無(wú)線傳輸技術(shù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)-應(yīng)用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)-發(fā)展無(wú)線網(wǎng)絡(luò)-拓?fù)錈o(wú)線蜂窩系統(tǒng)蜂窩概念蜂窩系統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)概述無(wú)線傳輸技術(shù)多路復(fù)用無(wú)線傳輸多路復(fù)用（multiplexing）為了提高信道利用率，使多路信號(hào)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(shí)現(xiàn)多路復(fù)用的關(guān)鍵把多路信號(hào)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(hào)分割信號(hào)的依據(jù)：信號(hào)之間的差別信號(hào)頻率上的不同信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間上的不同信號(hào)碼型結(jié)構(gòu)上的不同頻分多路復(fù)用時(shí)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(shí)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(gè)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(dòng)終端的通信；反向信道又叫上行鏈路，指從移動(dòng)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(shí)隙，這樣的雙工技術(shù)叫做TDD（TimeDivisionDuplexing，時(shí)分雙工）。無(wú)線信道接入方法無(wú)線傳輸電磁波可將信息從一個(gè)地方傳到另一個(gè)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(guò)濾出信號(hào)調(diào)制解調(diào)傳輸數(shù)據(jù)的頻率范圍稱為頻帶多個(gè)無(wú)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(jì)算機(jī)用以收發(fā)電子/光子信號(hào)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(gè)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(wú)線介質(zhì)）提供了傳輸電磁信號(hào)的手段，但不加以引導(dǎo)。例如：大氣層、外層空間。無(wú)線傳輸?shù)碾姶蓬l譜無(wú)線頻譜的分配頻率統(tǒng)一分配（FCC/ITU_R/各個(gè)國(guó)家）根據(jù)信息類型分配頻譜（AM/FM無(wú)線電臺(tái)、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(hù)車、出租車、無(wú)線遙控玩具、無(wú)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(hào)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(duì)準(zhǔn)定向傳播（directional）天線把所有的能量集中于一小束電磁波無(wú)線信號(hào)傳播理想情況下，無(wú)線信號(hào)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(shí)際情況下，由于傳輸障礙物等傳輸環(huán)境的影響，無(wú)線信號(hào)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(dāng)信號(hào)遇到表面大于信號(hào)波長(zhǎng)的障礙物（地球表面、高建筑物、大型墻面）導(dǎo)致信號(hào)的相位發(fā)生漂移衍射（Diffraction）衍射：當(dāng)信號(hào)遇到大于波長(zhǎng)的不可穿透物的邊緣（如無(wú)線電波中途遇到的尖銳不規(guī)則的邊緣物），即使沒有來(lái)自發(fā)送器的視線信號(hào)，也可接收到信號(hào)。散射（Scattering）散射：當(dāng)信號(hào)遇到波長(zhǎng)更小的物體（樹葉、街牌、燈柱）就發(fā)散成幾個(gè)弱的出境信號(hào)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(biāo)都會(huì)導(dǎo)致移動(dòng)電話信號(hào)的散射。在室內(nèi)，椅子、書籍和計(jì)算機(jī)都會(huì)導(dǎo)致無(wú)線Lan信號(hào)的散射。反射、衍射和散射無(wú)線通信的衰減（fading）衰減（fading）：傳輸介質(zhì)或路徑使得接收信號(hào)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(qiáng)的穿透力，可以傳輸更遠(yuǎn)的距離頻率越高，衰減越嚴(yán)重，發(fā)射器需要更大的功率，傳輸范圍變短在移動(dòng)環(huán)境下：障礙物的相對(duì)位置隨時(shí)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(gè)信號(hào)的多個(gè)拷貝以不同的相位到達(dá)如果相位破壞性疊加，則相對(duì)噪聲來(lái)說(shuō)信號(hào)的強(qiáng)度就會(huì)下降（信噪比減小），導(dǎo)致接收端檢測(cè)困難信號(hào)串?dāng)_（intersymbolinterference）一個(gè)脈沖的一個(gè)或多個(gè)延遲的拷貝在一個(gè)比特時(shí)間內(nèi)到達(dá)多徑（Multipath）:障礙物反射信號(hào)，使得接收端接收到多個(gè)不同延遲的信號(hào)多徑傳播的影響假設(shè)：以給定頻率在固定天線和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的鏈路上發(fā)送一個(gè)窄脈沖無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用從邏輯上可以分成兩類：面向語(yǔ)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(gè)應(yīng)用場(chǎng)合，從而形成四個(gè)不同的應(yīng)用部分。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用面向語(yǔ)音的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用圍繞著連接PSTN的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，這些業(yè)務(wù)進(jìn)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用圍繞著Internet和計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)。這些業(yè)務(wù)進(jìn)一步分為寬帶局域與Ad-hoc（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）應(yīng)用和廣域無(wú)線數(shù)據(jù)應(yīng)用。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用面向語(yǔ)音無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重大事件貝爾實(shí)驗(yàn)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(dòng)電話）美國(guó)的AMPS（AdvancedMobilePhoneSystem，高級(jí)移動(dòng)電話系統(tǒng)）北歐的TDMA（TimeDivisionMultipleAccess，時(shí)分多址）數(shù)字蜂窩系統(tǒng)技術(shù)GSM（GlobalSystemforMobilecommunication，全球移動(dòng)通信系統(tǒng)，簡(jiǎn)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(dòng)通信系統(tǒng)）技術(shù)面向語(yǔ)音的廣域無(wú)線應(yīng)用無(wú)繩電話英國(guó)的CT-2歐洲的DECT（DigitalEuropeanCordlessTelephone，數(shù)字歐洲無(wú)繩電話）PCS服務(wù)日本的PHP（PersonalHandyPhone，個(gè)人手持電話），后來(lái)成為PHS（PersonalHandyphoneSystem個(gè)人手持系統(tǒng)，即“小靈通”）英國(guó)的DCS-1800（GSM技術(shù)）美國(guó)的PACS（PersonAccessCommunicationsSystem，個(gè)人接入通信系統(tǒng)）面向語(yǔ)音的局域無(wú)線應(yīng)用面向數(shù)據(jù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重大事件面向數(shù)據(jù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重大事件（續(xù)）Motorola和IBM的ARDISEricsson的Mobitex美國(guó)的CDPD（CellularDigitalPacketData，蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)）GSM上的GPRS（GeneralPacketRadioService，通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)）3G技術(shù)面向數(shù)據(jù)的廣域無(wú)線應(yīng)用寬帶無(wú)線局域網(wǎng)和Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)主要特點(diǎn)是工作在ISM免許可證頻段。寬帶局域無(wú)線應(yīng)用WLAN（無(wú)線局域網(wǎng)）IEEE的802.11歐洲的HiperLANWATM（無(wú)線ATM）Ad-hoc應(yīng)用（WPAN）藍(lán)牙（Bluetooth）面向數(shù)據(jù)的寬帶局域無(wú)線與Ad-hoc應(yīng)用第一代（1G）無(wú)線系統(tǒng)是面向語(yǔ)音的模擬無(wú)線系統(tǒng)，使用FDMA技術(shù)實(shí)現(xiàn)。典型的1G標(biāo)準(zhǔn)：美國(guó)的AMPS、歐洲的TACS。第二代（2G）無(wú)線系統(tǒng)是面向語(yǔ)音的數(shù)字無(wú)線系統(tǒng)，使用TDMA或窄帶CDMA技術(shù)實(shí)現(xiàn)。典型的2G數(shù)字蜂窩移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)：歐洲的GSM、北美的IS-54（IS-136）和IS-95以及日本的JDC，2GPCS標(biāo)準(zhǔn)：歐洲的CT-2和DECT、美國(guó)的PACS、日本的PHS，2G移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)：CDPD、GPRS，2GWLAN標(biāo)準(zhǔn)：IEEE802.11、HiperLAN。第三代（3G）無(wú)線系統(tǒng)把蜂窩電話、PCS語(yǔ)音業(yè)務(wù)以及移動(dòng)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(gè)高語(yǔ)音質(zhì)量、高容量、高速率的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。典型的3G標(biāo)準(zhǔn)：CDMA2000、TD-SCDMA。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中使用了兩種基本拓?fù)漕愋突A(chǔ)結(jié)構(gòu)集中式（或稱中心輻射式）拓?fù)銩d-hoc（或稱分布式）拓?fù)浠A(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)固定（有線）基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)用來(lái)支持移動(dòng)終端（MT，或稱移動(dòng)臺(tái)MS）之間和移動(dòng)終端與固定終端之間的通信。通常設(shè)計(jì)用于大的覆蓋區(qū)域和使用多個(gè)BS（BaseStation，基站）或AP（AccessPoint，接入點(diǎn)）的情況。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浠A(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瓐D例無(wú)線蜂窩產(chǎn)品、IEEE802.11和大部分無(wú)線LAN產(chǎn)品都支持基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的使用。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銩d-hoc網(wǎng)絡(luò)Ad-hoc或分布式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆糜谥亟M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(dòng)或固定情況下快速部署無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。有2種Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋯翁鳤d-hoc網(wǎng)絡(luò)。如：IEEE802.11、PHS等。多跳Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)。如：HiperLAN。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銩d-hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瓐D例（a）單跳對(duì)等拓?fù)洌╞）多跳拓?fù)錈o(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錈o(wú)線蜂窩系統(tǒng)蜂窩概念1946年，美國(guó)AT&T貝爾實(shí)驗(yàn)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(gè)小區(qū)使用自己的、低功率的無(wú)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(gè)新的基站（一個(gè)小區(qū)域）時(shí)，容量就會(huì)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(gè)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(duì)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(gè)蜂窩區(qū)分配相同數(shù)量的頻率，則每個(gè)蜂窩區(qū)有K/N個(gè)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(gè)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(yùn)行蜂窩區(qū)中心設(shè)置基站BS基站連接到移動(dòng)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(jì)費(fèi)公共電信交換網(wǎng)移動(dòng)電話交換局基站基站基站固定電話移動(dòng)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(yǔ)音或連接數(shù)據(jù)當(dāng)移動(dòng)設(shè)備從一個(gè)蜂窩區(qū)移動(dòng)到另一個(gè)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)將移動(dòng)設(shè)備由一個(gè)基站分配給另一個(gè)基站網(wǎng)絡(luò)控制切換：通過(guò)對(duì)所接收到移動(dòng)設(shè)備傳來(lái)的信號(hào)進(jìn)行計(jì)量，網(wǎng)絡(luò)單獨(dú)作出決策。輔助越區(qū)切換：根據(jù)移動(dòng)設(shè)備接收到的信號(hào)向網(wǎng)絡(luò)提供反饋，使移動(dòng)設(shè)備加入到