無線通信技術(shù)基礎(chǔ)知識

無線通信技術(shù)基礎(chǔ)知識無線通信技術(shù)1.傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)是連接通信設(shè)備，為通信設(shè)備之間提供信息傳輸?shù)奈锢硗ǖ?；是信息傳輸?shù)膶?shí)際載體。有線通信與無線通信中的信號傳輸，都是電磁波在不同介質(zhì)中的傳播過程，在這一過程中對電磁波頻譜的使用從根本上決定了通信過程的信息傳輸能力。傳輸介質(zhì)可以分為三大類：①有線通信，②無線通信，③光纖通信。對于不同的傳輸介質(zhì)，適宜使用不同的頻率。具體情況可見下表。頻率范圍波長表示符號傳輸介質(zhì)典型應(yīng)用3Hz-30Hz108-104mVLF長波電臺30Hz-300kHz104-103mLF有線電話通信長波電臺300kHz-3MHz103-102mMF調(diào)幅廣播電臺3MHz-30MHz102-104mHF有限電視網(wǎng)30MHz-300MHz10-1mVHF調(diào)頻廣播電臺300MHz-3GHz100-10cmUHF各類移動通信3GHz-30GHz10-1cmSHF無線局域網(wǎng)、微波中繼通信、衛(wèi)星通信30GHz-300GHz10-1umEHF衛(wèi)星通信、超寬帶通信105-107GHZ300-3um光纖通信、短距紅外通信不同傳輸媒介可提供不同的通信的帶寬。帶寬即是可供使用的頻譜寬度，高帶寬傳輸介質(zhì)可以承載較高的比特率。2無線信道簡介信道又指“通路”，兩點(diǎn)之間用于收發(fā)的單向或雙向通路?？煞譃橛芯€、無線兩大類。無線信道相對于有線信道通信質(zhì)量差很多。有限信道典型的信噪比約為46dB，(信號電平比噪聲電平高4萬倍)。無限信道信噪比波動通常不超過2dB,同時(shí)有多重因素會導(dǎo)致信號衰落（驟然降低）。引起衰落的因素有環(huán)境有關(guān)。2.1無線信道的傳播機(jī)制無線信道基本傳播機(jī)制如下：①直射：即無線信號在自由空間中的傳播；

②反射：當(dāng)電磁波遇到比波長大得多的物體時(shí)，發(fā)生反射，反射一般在地球表面，建筑物、墻壁表面發(fā)生；

③繞射：當(dāng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的無線路徑被尖銳的物體邊緣阻擋時(shí)發(fā)生繞射；

④散射：當(dāng)無線路徑中存在小于波長的物體并且單位體積內(nèi)這種障礙物體的數(shù)量較多的時(shí)候發(fā)生散射。散射發(fā)生在粗糙表面、小物體或其它不規(guī)則物體上，一般樹葉、燈柱等會引起散射。2.2無線信道的指標(biāo)(1)傳播損耗:包括以下三類。①路徑損耗：電波彌散特性造成，反映在公里量級空間距離內(nèi)，接收信號電平的衰減（也稱為大尺度衰落）；②陰影衰落：即慢衰落，是接收信號的場強(qiáng)在長時(shí)間內(nèi)的緩慢變化，一般由于電波在傳播路徑上遇到由于障礙物的電磁場陰影區(qū)所引起的；③多徑衰落：即快衰落，是接收信號場強(qiáng)在整個波長內(nèi)迅速的隨機(jī)變化，一般主要由于多徑效應(yīng)引起的。(2)傳播時(shí)延：包括傳播時(shí)延的平均值、傳播時(shí)延的最大值和傳播時(shí)延的統(tǒng)計(jì)特性等；(3)時(shí)延擴(kuò)展：信號通過不同的路徑沿不同的方向到達(dá)接收端會引起時(shí)延擴(kuò)展，時(shí)延擴(kuò)展是對信道色散效應(yīng)的描述；(4)多普勒擴(kuò)展：是一種由于多普勒頻移現(xiàn)象引起的衰落過程的頻率擴(kuò)散，又稱時(shí)間選擇性衰落，是對信道時(shí)變效應(yīng)的描述；(5)干擾：包括干擾的性質(zhì)以及干擾的強(qiáng)度。2.3無線信道模型無線信道模型一般可分為室內(nèi)傳播模型和室外傳播模型，后者又可以分為宏蜂窩模型和微蜂窩模型。（1）室內(nèi)傳播模型：室內(nèi)傳播模型的主要特點(diǎn)是覆蓋范圍小、環(huán)境變動較大、不受氣候影響，但受建筑材料影響大。典型模型包括：對數(shù)距離路徑損耗模型、Ericsson多重?cái)帱c(diǎn)模型等；（2）室外宏蜂窩模型：當(dāng)基站天線架設(shè)較高、覆蓋范圍較大時(shí)所使用的一類模型。實(shí)際使用中一般是幾種宏蜂窩模型結(jié)合使用來完成網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃；（3）室外微蜂窩模型：當(dāng)基站天線的架設(shè)高度在3~6m時(shí)，多使用室外微蜂窩模型；其描述的損耗可分為視距損耗與非視距損耗。3信道復(fù)用3.1基本概念信道復(fù)用是指多個用戶同時(shí)使用一條信道。為了區(qū)分多個用戶的信號，理論上采用正交劃分的方法。復(fù)用方法有以下三大類：第一類，多路復(fù)用：實(shí)現(xiàn)的方法有①頻分復(fù)用、②時(shí)分復(fù)用、③碼分復(fù)用、④空分復(fù)用、⑤極化復(fù)用、⑥波分復(fù)用。第二類，多路復(fù)接：充分利用頻帶和時(shí)間，預(yù)先分配給多個用戶資源，使得每條信道為多個用戶共享。第三類，多址接入：與多路復(fù)用方式不同，多址接入的用戶網(wǎng)絡(luò)資源可動態(tài)分配，可由用戶在遠(yuǎn)端隨時(shí)提出共享要求（例如衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)）。實(shí)現(xiàn)的方法包括①頻分多址、②時(shí)分多址、③碼分多址、④空分多址、⑤極化多址、⑥波分多址、⑦利用統(tǒng)計(jì)信號特性多址等。3.2無線通信的多址復(fù)用技術(shù)信道分割：賦予各個信號不同的特征，根據(jù)信號特征之間的差異來區(qū)分，實(shí)現(xiàn)互不干擾的通信。無線通信信號的有三個維度，如下圖。無線通信信號的三個維度：頻率、時(shí)間、碼型無線通信的信道復(fù)用方法有三種：頻分多址（FDMA）、時(shí)分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）。頻分多址方式如下圖，該技術(shù)較為成熟，在模擬蜂窩移動通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信、少部分移動通信中使用該種方式、一點(diǎn)多址微波通信中，均有此類技術(shù)應(yīng)用。頻分多址（FDMA）時(shí)分多址（FDMA）將傳遞時(shí)間分割成周期性的幀，每一幀在分隔成若干個間隙，各用戶在同一頻帶中，使用各自指定的時(shí)隙。此類通信方法由于實(shí)際信道中幅頻特性、相頻特性不理想，同時(shí)由于多徑效應(yīng)等因素影響，可能形成碼間串?dāng)_。時(shí)分多址（FDMA）只能傳送數(shù)字信號，按照收發(fā)方式的區(qū)別，可分為頻分雙工方式（FDD）和時(shí)分雙工（TDD）。FDD中上行鏈路與下行鏈路占用不同的頻段，幀結(jié)構(gòu)可相同也可不同；TDD占用同一個頻率，采用不同時(shí)隙發(fā)送和接收，無需使用雙工器。時(shí)分多址（TDMA）碼分多址（CDMA）：以相互正交的碼序列區(qū)分用戶?；陬l譜擴(kuò)展的通信方式，即擴(kuò)頻方式。不同用戶采用不同的碼序列對信號進(jìn)行解析。CDMA是今后無線通信中主要的多址手段。碼分多址（CDMA）空分多址（SDMA）：利用不同用戶的空間特征（即用戶的位置）區(qū)分用戶，采用窄波天線對準(zhǔn)用戶，每個用戶只能獲取到對準(zhǔn)的天線發(fā)送來的信號，最終實(shí)現(xiàn)分址。該方式主要應(yīng)用于衛(wèi)星通信，未來隨著智能天線的發(fā)展，在其他領(lǐng)域也將有一定發(fā)展空間。4擴(kuò)頻通信技術(shù)4.1擴(kuò)頻通信簡述擴(kuò)頻通信具有如下特征：①其信號所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必須的最小寬度；②頻帶的擴(kuò)展通過獨(dú)立的碼序列完成，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)。；③抗干擾能力強(qiáng)、誤碼率低、暴民性能強(qiáng)、功率譜密度低、易于實(shí)現(xiàn)大容量多址通信。4.2擴(kuò)頻通信實(shí)現(xiàn)方法擴(kuò)頻技術(shù)利用偽隨機(jī)編碼對將要傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后在傳輸；在接收端，采用相同的偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制及相關(guān)處理，恢復(fù)成原始信息數(shù)據(jù)。此過程有以下兩個特點(diǎn)：①信息的頻譜擴(kuò)展后形成寬帶傳輸；②相關(guān)處理后恢復(fù)成窄帶信息數(shù)據(jù)。擴(kuò)頻技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要以下三方面的機(jī)制：（1）信號扥頻譜被展寬。頻帶是指信息帶寬（如語音信息帶寬為300~3400Hz，圖像信息帶寬一般為6MHz）。擴(kuò)頻通信的信號帶寬（可理解為電磁波的頻率）要比信息帶寬（可理解為比特率）高100~1000倍。（2）采用擴(kuò)頻碼序列調(diào)制來擴(kuò)展信號頻譜。擴(kuò)頻碼序列（PN碼）是指一組序列很窄，碼速率很高，與所傳信息無關(guān)，用于擴(kuò)展信號頻譜作用的碼序列。（3）在接收端應(yīng)用相關(guān)解調(diào)來接擴(kuò)。接收端與發(fā)射端使用相同的擴(kuò)頻碼序列，與收到的擴(kuò)頻信號進(jìn)行相關(guān)解調(diào)，恢復(fù)所傳信息。4.3擴(kuò)頻通信的目的擴(kuò)頻通信能夠?qū)崿F(xiàn)的有益效果：提高通信的抗干擾能力。由于噪聲與干擾信號隨機(jī)，不能通過擴(kuò)頻碼序列被解調(diào)，原始信號中摻雜的噪聲和干擾，解調(diào)后即消失（由寬頻變?yōu)檎l）。（可理解為：通過使用比原信息大得多的信號頻譜，換取更強(qiáng)的抗干擾能力）4.4擴(kuò)頻通信的主要技術(shù)指標(biāo) 擴(kuò)頻的主要技術(shù)指標(biāo)：（1）處理增益、（2）干擾容限 處理增益（GP）:指擴(kuò)頻信號帶寬W與基帶數(shù)據(jù)信號帶寬B之比。該值的大小與系統(tǒng)的抗干擾能力成正比。 干擾容限：在系統(tǒng)能夠正常工作的前提下，能夠承擔(dān)的干擾信號分貝（dB）數(shù)。4.5擴(kuò)頻通信的幾種實(shí)現(xiàn)方式 擴(kuò)頻通信有兩種實(shí)現(xiàn)方式：直接序列擴(kuò)頻（DS）、跳變頻率擴(kuò)頻（FH）、跳變時(shí)間擴(kuò)頻（TH）、混合擴(kuò)頻。 直接序列擴(kuò)頻（DS）。發(fā)射端通過速率很高的編碼序列進(jìn)行調(diào)制，將頻譜展寬，接收端按照本地的編碼序列進(jìn)行反擴(kuò)展，獲得窄帶信號。解擴(kuò)后的信號經(jīng)普通信息解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)成原始的信息碼。（信號頻率一定，只改變信息基帶頻率） 跳變頻率擴(kuò)頻（FH）。在載波頻率在很寬的頻帶范圍內(nèi)，按照PN碼進(jìn)行某種序列的跳變。（直接改變信道的頻率），可通過躲避干擾頻率暗來躲避干擾。（一個電磁干擾源的頻率一般不發(fā)生改變）。 跳頻時(shí)間擴(kuò)頻（TH）。該方法簡稱跳時(shí)，在PN碼控制下，偽隨機(jī)的在一盞的不同時(shí)隙內(nèi)以突發(fā)信號型式發(fā)送。由于時(shí)隙中的突發(fā)信號速率比原信號高，從而達(dá)到擴(kuò)頻目的。 混合擴(kuò)頻：同時(shí)存在上述三種方式的擴(kuò)頻，即為混合擴(kuò)頻。 5正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)5.1OFDM概述 OFDM屬于一種無線環(huán)境下的多載波調(diào)制技術(shù)，其特征如下：通過在DSP或其他高速處理器上實(shí)現(xiàn)離散福利葉變換或快速傅里葉變換，在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進(jìn)行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸。由于頻譜之間相互重疊且正交，可在提高頻譜利用率的同時(shí)，避免子載波之間的干擾。5.2OFDM技術(shù)特點(diǎn) 優(yōu)勢：①增強(qiáng)了抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾的能力。 ②每個載波所使用的調(diào)制方法可以不同。 ③采用功率控制和自使用調(diào)制向協(xié)調(diào)工作方式，可隨意對發(fā)射功率、調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)整，在功率控制與自適應(yīng)調(diào)制之間取得平衡。 劣勢： ①對頻偏和相位噪聲較敏感。 ②峰值功率很大； ③自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)會導(dǎo)致系統(tǒng)過于復(fù)雜。6重要概念同步：發(fā)送器和接收器必須達(dá)成同步。接收器須能夠判斷信號的開始到達(dá)時(shí)間、結(jié)束時(shí)間和每個信號的持續(xù)時(shí)間。 差錯控制：對通信中可能出現(xiàn)的錯誤進(jìn)行檢測和糾正。 恢復(fù)：若信息交換中發(fā)生中斷，需要使用恢復(fù)技術(shù)，（繼續(xù)從終端處開始繼續(xù)工作？還是恢復(fù)到數(shù)據(jù)發(fā)送前的狀態(tài)？） 帶寬：可分為信道帶寬和信號帶寬兩部分。信道帶寬為傳送電磁波的有效頻率范圍；信號帶寬為信號所占據(jù)的頻率范圍。 利用率：吞吐量和最大數(shù)據(jù)傳輸速率之比。其中吞吐量時(shí)信道在單位時(shí)間內(nèi)成功傳輸?shù)男畔⒘俊?延遲：發(fā)送者發(fā)送第一位數(shù)據(jù)開始，到接收者成功收到最后一位數(shù)據(jù)為止所經(jīng)歷的時(shí)間。該延遲分為傳輸延遲和傳播延遲。傳輸延遲與數(shù)據(jù)傳輸速率、發(fā)送機(jī)/接收機(jī)/中繼/交換設(shè)備的處理速度有關(guān)；傳播延遲與傳播距離有關(guān)。 抖動：延遲的實(shí)時(shí)變化為抖動。與設(shè)備處理能力和信道擁擠程度有關(guān)。 差錯率：分為比特差錯率、碼元差錯率、分組差錯率。 數(shù)據(jù)通信數(shù)字調(diào)制技術(shù)：由于無線通信的傳輸媒介為電磁波，電磁波必須為正弦波的型式，通信信息需要調(diào)制到正弦波上，具體實(shí)現(xiàn)方法如下圖。2ASK振幅鍵控調(diào)制（s(t)為信號波形，e0(t)為調(diào)制后的信號）2FSK頻移鍵控調(diào)制（s(t)為信號波形，e0(t)為調(diào)制后的信號）2PSK相移鍵控調(diào)制（s(t)為信號波形，e0(t)為調(diào)制后的信號）

7我國無線電業(yè)務(wù)頻率劃分無線電頻率劃分，其中中國大陸地區(qū)ISM頻段（保證發(fā)射功率不大于1W，不需要授權(quán)的無線頻段）。頻段用途頻段用途6.765-6.795MHz中國大陸地區(qū)ISM頻段（發(fā)射功率不大于1W時(shí)不需要授權(quán)）450-470MHz農(nóng)村無線接入13.553-13.567MHz470-806MHz數(shù)字電視26.957-27.283MHz806-821MHz數(shù)字集群通信40.66-40.70MHz825-840MHz中國電信CDMA上行433.05-434.79MHz840-845MHzRFID專用915-917MHz870-885MHz中國電信CDMA下行2.420-2.4835GHz885-915MHz鐵路/移動/聯(lián)通GSM61-61.5GHz917-925MHz立體聲廣播122-123GHz925-930MHzRFID專用244-