第七章無線通信及網(wǎng)絡(luò)課件

大家好1第七章無線通信技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)27.1概述無線通信是以自由空間作為介質(zhì)，利用電磁波傳播信號(hào)的通信系統(tǒng)。它是目前通信領(lǐng)域發(fā)展最為活躍的技術(shù)。無線通信的優(yōu)點(diǎn)：不需架線挖溝，建設(shè)成本低，周期短；覆蓋范圍廣；擴(kuò)容靈活；維護(hù)簡(jiǎn)單。3信號(hào)源用于將待傳遞信息變成基帶電信號(hào)；發(fā)送設(shè)備主要解決電信號(hào)與信道的匹配；信號(hào)以電磁波形式在空間介質(zhì)中傳播；接收設(shè)備的功能與發(fā)送設(shè)備相反。無線通信系統(tǒng)包括信號(hào)源、發(fā)送設(shè)備、傳輸信道（即為空間介質(zhì)）、接收設(shè)備和收信裝置等。47.1.1無線通信系統(tǒng)分類從通信方式來分，無線通信可分為移動(dòng)通信和固定通信兩種；從通信的信道來分，無線通信可分為衛(wèi)星通信、紅外通信、短波通信等；

從接入網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式來分，無線通信網(wǎng)可分為無線廣域網(wǎng)、無線局域網(wǎng)和無線個(gè)域網(wǎng)；根據(jù)是否存在固定的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施來分，無線系統(tǒng)可分為蜂窩系統(tǒng)和Adhoc系統(tǒng)。

57.1.2無線通信的發(fā)展前景多址技術(shù)：將有限的通信資源在多個(gè)用戶之間進(jìn)行有效的切割與分配，在保證多用戶之間通信質(zhì)量的同時(shí)盡可能地降低系統(tǒng)的復(fù)雜度并獲得較高系統(tǒng)容量。軟件無線電：智能多模式終端的進(jìn)一步發(fā)展，是無線系統(tǒng)從模擬到數(shù)字發(fā)展的新階段。自適應(yīng)技術(shù)：實(shí)時(shí)檢測(cè)信道，根據(jù)信道狀況自動(dòng)調(diào)整通信參數(shù)，包括自適應(yīng)天線，自適應(yīng)調(diào)制，自適應(yīng)信道均衡等多用戶檢測(cè)：在接收端盡量消除信道之間的多址干擾。

67.2無線通信的基本原理77.2.1無線電波的傳播特性（a）直射（b）折射（c）繞射（d）散射直射、反射、繞射和散射是無線通信系統(tǒng)中四種最基本的傳播方式。8電磁波在均勻空間中是以直線方式傳播的；在直射過程中，如果電磁波入射到一個(gè)尺寸比波長(zhǎng)大得多的物體時(shí)（如地球表面、建筑物和墻壁表面），將發(fā)生反射；如果電磁波被不規(guī)則的邊緣阻擋時(shí)，由阻擋表面產(chǎn)生的二次波存在于整個(gè)空間，甚至于阻擋物的后面，也就是電磁波能夠繞過障礙物傳播，即為電磁波的繞射；當(dāng)電磁波傳播過程中遇到尺寸小于波長(zhǎng)的目標(biāo)物或者障礙物的數(shù)目很多時(shí)（如粗糙表面、小物體或其他不規(guī)則物體），電磁波將產(chǎn)生散射。9無線電波是一種電磁波，當(dāng)電磁波自波源（天線）發(fā)出后，要經(jīng)過地波（表面波）傳播，空間波傳播和天波傳播等各種可能的途徑才能到達(dá)接收天線。

地波傳播又稱表面波傳播，是電磁波繞著地球的彎曲表面而進(jìn)行的傳播。空間波傳播又稱視距傳播。在可視距離內(nèi)，電磁波由天線發(fā)射出來，沿直線傳播到接收天線。天波傳播是利用電離層的折射和反射來傳播的電磁波。10決定傳播方式和傳播特點(diǎn)的關(guān)鍵因素是無線電信號(hào)的頻率。長(zhǎng)波和中波的傳播都是借助地波的，并且比較穩(wěn)定，多用作遠(yuǎn)距離通信與導(dǎo)航。短波通信可以借助天波傳送。短波傳播主要用于國(guó)際無線電廣播，遠(yuǎn)距離無線電話和電報(bào)通信等。超短波和微波只能用空間直射波進(jìn)行視距通信，傳播距離大致上限制在視距范圍之內(nèi)。超短波和微波波段廣泛用于衛(wèi)星通信，宇宙飛船與地面站之間的通信，遙測(cè)等系統(tǒng)中。117.2.2調(diào)制解調(diào)技術(shù)調(diào)制就是對(duì)信號(hào)源的編碼信息進(jìn)行處理，使其變?yōu)檫m合傳輸并適應(yīng)信道復(fù)用的形式。解調(diào)則是將基帶信號(hào)從載波中提取出來，使接收者理解或做進(jìn)一步的處理。調(diào)制信號(hào)為模擬信號(hào)時(shí)，最基本的調(diào)制方式是：幅度調(diào)制（AM）、頻率調(diào)制（FM）和相位調(diào)制（PM）。還可以有三種基本方式的組合調(diào)制方式。調(diào)制信號(hào)為數(shù)字信號(hào)時(shí)，通常稱為鍵控（SK:ShiftKeying），三種基本的鍵控方式為振幅鍵控（ASK）、頻率鍵控（FSK）和相位鍵控(PSK)。12調(diào)制方案的性能常用它的功率效率和帶寬效率來衡量。

功率效率：

帶寬效率：

：每比特信號(hào)能量R：每秒數(shù)據(jù)率

：噪聲功率譜密度B：已調(diào)信號(hào)占用的帶寬

目前，擴(kuò)頻技術(shù)也得到廣泛應(yīng)用。擴(kuò)展頻譜的優(yōu)點(diǎn)：很多用戶可以在一個(gè)頻帶中同時(shí)使用，而不會(huì)相互產(chǎn)生明顯的干擾。良好的抗多徑干擾的特性。137.3射頻系統(tǒng)及應(yīng)用147.3.1無線通信射頻系統(tǒng)概述目前在無線通信領(lǐng)域，射頻多指300MHz至5.8GHz的頻率范圍。射頻技術(shù)在當(dāng)今各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。高速語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖文與圖像傳輸；蜂窩式個(gè)人通信與基站；低軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信；無線局域網(wǎng)；無線接入技術(shù)（包括Bluetooth）；全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)；衛(wèi)星直播電視；多點(diǎn)多址分布系統(tǒng)。

15無線射頻系統(tǒng)一般由接收機(jī)和發(fā)射機(jī)兩部分構(gòu)成。發(fā)送信號(hào)時(shí)，從基帶模塊送出含有信息的模擬信號(hào)，經(jīng)中頻放大后，在混頻器中的升頻器中混頻成為射頻信號(hào)，送到射頻功率放大器中進(jìn)行功率放大，再通過天線發(fā)送出去。接收信號(hào)時(shí)，通過天線接收進(jìn)來的射頻信號(hào)經(jīng)濾波和低噪聲放大器放大后，與本地振蕩器所產(chǎn)生的本地振蕩信號(hào)再經(jīng)降頻器混頻，產(chǎn)生固定的中頻信號(hào)IF，放大后送到基帶部分進(jìn)行后續(xù)處理。167.3.2射頻芯片nRF905及在無線影音監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用nRF905內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖17系統(tǒng)移動(dòng)端MIC音頻編解碼芯片TLV320AIC23B射頻收發(fā)芯片nRF905耳機(jī)存儲(chǔ)器DSPTMS320DM642視頻解碼芯片TVP5150PBS攝像頭無線數(shù)字影音監(jiān)控系統(tǒng)采用的是點(diǎn)到點(diǎn)雙工無線通信方式，在視距200～300米的變電站區(qū)域內(nèi)，實(shí)現(xiàn)無線語(yǔ)音對(duì)講、無線視頻傳輸功能。整個(gè)系統(tǒng)分為移動(dòng)端和固定端。視頻數(shù)據(jù)是單向傳輸?shù)模梢苿?dòng)端向固定端發(fā)射。音頻則是雙向傳輸。18射頻收發(fā)芯片nRF905DSPTMS320DM642顯示器音頻編解碼芯片TLV320AIC23BMIC耳機(jī)視頻編碼芯片SAA712H系統(tǒng)固定端系統(tǒng)移動(dòng)端由數(shù)字視頻輸入模塊，音頻輸入輸出模塊，DSP處理器與存儲(chǔ)器，無線發(fā)射模塊構(gòu)成。系統(tǒng)固定端由數(shù)字視頻編碼模塊，音頻編解碼模塊，DSP處理器與存儲(chǔ)器，無線收發(fā)模塊構(gòu)成。

197.4無線通信網(wǎng)絡(luò)無線通信網(wǎng)絡(luò)按通信覆蓋的范圍大致可以分為:無線廣域網(wǎng)（WWAN，十幾公里）無線城域網(wǎng)（WMAN，幾公里）無線局域網(wǎng)（WLAN，100米左右）無線個(gè)域網(wǎng)（WPAN，10米左右）207.4.1無線廣域網(wǎng)無線廣域網(wǎng)絡(luò)是移動(dòng)電話及數(shù)據(jù)服務(wù)所使用的通訊網(wǎng)絡(luò)，覆蓋范圍可以達(dá)到十幾公里乃至上百公里。無線廣域網(wǎng)主要有2G、2.5G及3G等，主要采用GSM，GPRS，CDMA等技術(shù)。（1）2G2G即第二代蜂窩通信系統(tǒng)規(guī)范，主要應(yīng)用于GSM（GlobalSystemforMobile）即全球移動(dòng)系統(tǒng)。它的工作頻段在890MHz到915MHz之間（用于用戶到基站的傳輸）和935MHz到960MHz之間（用于基站到用戶的傳輸），提供了9.6kbps的數(shù)據(jù)傳輸率。21（2）2.5G2.5G即第二代半蜂窩通信系統(tǒng)規(guī)范，主要采用GPRS（GeneralPacketRadioService）技術(shù)，即通用分組無線業(yè)務(wù)。GPRS是一種工作于20kHz信道的基于FDMA/TDMA的分級(jí)交換無線技術(shù)，支持從144kbps~384kbps的速率。GPRS是分組交換，在每個(gè)幀分配給用戶多個(gè)時(shí)隙。（3）3G

3G即第三代蜂窩通信系統(tǒng)規(guī)范。3G的主要特征是可提供豐富多彩的移動(dòng)多媒體業(yè)務(wù)，傳輸速率在高速移動(dòng)環(huán)境中支持144kbps，慢速移動(dòng)環(huán)境中支持384kbps，靜止?fàn)顟B(tài)下支持2Mbps。227.4.2無線城域網(wǎng)無線城域網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍可以達(dá)到十公里。寬帶無線接入（BWA，BroadbandWirelessAccess）技術(shù)與系統(tǒng)是無線移動(dòng)通信的一個(gè)重要技術(shù)與應(yīng)用領(lǐng)域，具有經(jīng)濟(jì)便捷、容量高、覆蓋面廣、可快速提供寬帶業(yè)務(wù)等優(yōu)點(diǎn).無線寬帶城域網(wǎng)技術(shù)是以IEEE802.16系列標(biāo)準(zhǔn)為代表的寬帶無線接入熱點(diǎn)技術(shù)。1999年IEEE成立了IEEE802.16工作組專門研究寬帶固定無線接入規(guī)范，目標(biāo)是要建立一個(gè)全球統(tǒng)一的寬帶無線接入標(biāo)準(zhǔn)。最早的IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)于2001年12月正式發(fā)布，之后該標(biāo)準(zhǔn)不斷豐富，先后推出了802.16a、802.16c、802.16d以及802.16e標(biāo)準(zhǔn)等。237.4.3無線局域網(wǎng)無線局域網(wǎng)（WLAN，WirelessLocalAreaNetwork）是在有線局域網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，使局域網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)具有可移動(dòng)性，能快速、方便的解決有線方式不易實(shí)現(xiàn)的連通問題，它是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。241）WLAN的特點(diǎn)

靈活移動(dòng)性安裝便捷經(jīng)濟(jì)節(jié)約可擴(kuò)展性強(qiáng)便于維護(hù)和管理252）WLAN的標(biāo)準(zhǔn)（1）802.11（2）802.11b/Wi-Fi（WirelessFidelity，無線保真）（3）802.11a（4）802.11g（5）其他802.11標(biāo)準(zhǔn)：

IEEE802.11e、IEEE802.11f、IEEE802.11h、IEEE802.11i（6）HomeRF（7）HiperLAN/1和HiperLAN/2267.4.4無線個(gè)域網(wǎng)無線個(gè)域網(wǎng)（WPAN，WirelessPersonalAreaNetwork）是指對(duì)個(gè)人操作空間（POS，PersonalOperationSpace）中的電子設(shè)備進(jìn)行無線互聯(lián)而形成的無線網(wǎng)絡(luò)，它的核心思想是用新的無線傳輸技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)個(gè)人信息終端的智能化互連，組建個(gè)人化的辦公或者家用信息網(wǎng)絡(luò)。使用動(dòng)態(tài)拓?fù)湟赃m應(yīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性。其優(yōu)點(diǎn)是:按需建網(wǎng)、容錯(cuò)、連接不受限制;一種裝置用做主控，其他裝置作為從屬裝置。WPAN特點(diǎn):小范圍通信（一般通信范圍在10m左右）、低功耗、低成本、低復(fù)雜性、低數(shù)據(jù)速率等。277.5藍(lán)牙技術(shù)287.5.1藍(lán)牙技術(shù)的概念藍(lán)牙技術(shù)是由愛立信、諾基亞、東芝、IBM和英特爾等5家大公司于1998年5月聯(lián)合推出的一種無線通信新技術(shù)。通信主要用紅外線鏈路來完成。其實(shí)質(zhì)內(nèi)容是要建立通用的無線電空中接口及其控制軟件的公開標(biāo)準(zhǔn)，使通信和計(jì)算機(jī)進(jìn)一步結(jié)合，是不同廠家生產(chǎn)的便攜式設(shè)備在沒有電線或電纜相互連接的情況下，能在近距離范圍內(nèi)具有互用、相互操作的性能。藍(lán)牙技術(shù)的無線電收發(fā)器的鏈接距離可達(dá)10m，最多可鏈接7個(gè)設(shè)備，形成一個(gè)無線個(gè)域網(wǎng)絡(luò)。29藍(lán)牙采用低能耗無線電通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和視頻傳輸。采用跳頻技術(shù)能夠抗信號(hào)衰落，采用快跳頻和短分組技術(shù)能減少同頻干擾，提高通信的安全性。采用前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)能減少隨機(jī)噪聲的干擾。藍(lán)牙基帶協(xié)議是電路交換和包交換的一種組合形式，時(shí)隙做同步數(shù)據(jù)分組專用。藍(lán)牙技術(shù)支持一個(gè)異步數(shù)據(jù)通道，或3個(gè)并發(fā)的同步語(yǔ)音通道，或一個(gè)同時(shí)傳輸異步數(shù)據(jù)和同步語(yǔ)音的通道。每一個(gè)話音通道支持64Kbps的同步話音。異步通道支持的最大速率為721Kbps，反向應(yīng)速率為57.6Kbps的非對(duì)稱連接，或者是432.6Kbps的對(duì)稱連接。藍(lán)牙工作在2.4GHzISM(industrysciencemedicine)全球自由頻段307.5.2藍(lán)牙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)藍(lán)牙系統(tǒng)一般由4個(gè)功能單元組成：天線單元鏈路控制（固件）單元鏈路管理（軟件）單元藍(lán)牙軟件（協(xié)議）單元311）天線單元

藍(lán)牙天線屬于微帶天線，體積小，重量輕。藍(lán)牙空中接口遵循美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)FCC有關(guān)電平為0dBm的ISM頻段的標(biāo)準(zhǔn)。藍(lán)牙的數(shù)據(jù)速率為1Mbps。ISM頻帶是對(duì)所有無線電系統(tǒng)都開放的頻帶，因此使用其中的任何一個(gè)頻段都會(huì)遇到不可預(yù)測(cè)的干擾源。藍(lán)牙特別設(shè)計(jì)了快速確認(rèn)和跳頻方案以確保鏈路穩(wěn)定。跳頻的瞬時(shí)帶寬是很窄的，但通過擴(kuò)展頻譜技術(shù)使這個(gè)窄帶成百倍的擴(kuò)展成寬頻帶，使干擾可能造成的影響變得很小。

322）鏈路控制（固件）單元在目前的藍(lán)牙產(chǎn)品中，人們使用了3個(gè)IC分別作為連接控制器、基帶處理器以及射頻傳輸/接收器，此外還使用了30~50個(gè)單獨(dú)調(diào)諧元件。鏈路管理（LM）軟件模塊攜帶了鏈路的數(shù)據(jù)設(shè)置、鑒權(quán)、鏈路硬件配置和其他一些協(xié)議。

LM模塊提供如下服務(wù)：發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，請(qǐng)求名稱，鏈路地址查詢，鏈路模式協(xié)商和建立，決定幀的類別等。3）鏈路控制（固件）單元334）軟件（協(xié)議）單元藍(lán)牙基帶協(xié)議結(jié)合電路開關(guān)和分組交換機(jī)，適用于語(yǔ)音和數(shù)據(jù)傳輸。藍(lán)牙設(shè)備需要支持一些基本互操作特性要求。對(duì)某些設(shè)備，這種要求涉及無線模塊、空中協(xié)議以及應(yīng)用層協(xié)議和對(duì)象交換格式。藍(lán)牙對(duì)不同級(jí)別的設(shè)備（如PC、手持機(jī)、移動(dòng)電話、耳機(jī)等）有不同的要求。軟件（協(xié)議）結(jié)構(gòu)需有如下功能：設(shè)置及故障診斷工作、能自動(dòng)識(shí)別其他設(shè)備、取代電纜連接、與外設(shè)通信、音頻通信與呼叫控制、商用卡的交易與號(hào)碼簿網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。藍(lán)牙的軟件單元是一個(gè)獨(dú)立的操作系統(tǒng)，不與任何其他的操作系統(tǒng)進(jìn)行捆綁。347.6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)357.6.1基本概念

通過將大量具有