无线网络技术课件第2章无线通信和网络仿真基础20200531.ppt

1、本章内容简介本章内容简介无线电频谱无线传输介质和方式损耗与衰落调制扩频复用和多址天线MIMO认知无线电可见光和激光通信无线充电网络仿真技术简介 NS2/NS3基础知识用NS2/NS3仿真无线网络无线电频谱无线电频谱l无线电频谱特点有限性：频段有限排它性：一定时间/地区/频域内独占复用性：一定时间/地区/频域/编码条件下可复用 非耗尽性：重复利用不会耗尽传播性：不受国界和行政地域限制，但受自然环境影响 易干扰性：互相干扰无线电频谱划分无线电频谱划分l国际上将频谱划分为12个频段，通常的无线电通信只使用第412频段。lITU规定ISM(Industrial Scientific Medical，工

2、业科学医疗)频段，无需许可证，可免费使用。lISM频段各国规定不一：美国902-928MHz、2.4-2.4835GHz和5.725-5.850GHz，其中2.4GHz频段为各国通用。欧洲ISM低频段为868MHz和433MHz。使用需限制发射功率(上百ms，普通语音通信感受明显。差错检测和流量控制一系列问题。l优点：范围大、距离远、不受地面灾害影响、建设快、费用和距离无关、易广播和多址通信、同一信道可用于不同方向不同区域等。l不足：信号传输时延，有些频带受天气影响，天线受太阳噪声影响，安全保密性弱，卫星造价高红外线通信红外线通信 l红外线为载体进行数据传输的通信方式。l早期多标准，不同标准不

3、能通信。1993年红外数据协会成立，统一规定红外数据通信协议及规范。l收发器调制出互不相干的红外线，实现通信。无论直接传输，还是经由浅色表面(房间天花板)的发射，收发器间距离均不超过视线范围。l像可见光一样集中成窄光束发射，两个优点：不易发现和截获，保密性强；几乎不受电磁、人为干扰，抗干扰性强。l通信机小、轻、结构简单、价廉。须视距通信，传播易受天气影响。l不能架设有线线路、使用无线电又怕暴露的情况下，红外线通信是较好选择。损耗和衰落损耗和衰落 l通信损耗：衰减和衰减失真、自由空间损耗、噪声、大气吸收、多径、折射等。l衰落：传输介质或路径改变引起接收信号功率随时间变化。l固定环境中下雨等天气变

4、化会引发衰落，移动环境中一个天线相对另一个移动，各种障碍物相对位置随时间而变化，传输更为复杂。衰减和衰减失真衰减和衰减失真 l信号强度随所跨越任一传输介质距离而下降。l有线介质衰减常为指数值：每单位距离一个固定分贝数。l无线介质衰减是更复杂的距离函数。一般考虑3因素：接收信号应有足够强度，使接收方检测并解释信号。与噪声相比，信号须维持较高强度，以准确接收。高频下衰减更严重，会引起失真。前两个因素可用放大器或中继器。l衰减失真。由于衰减变化为频率的函数，接收信号失真会影响对信号理解。与传输信号频率成分相比，接收信号频率成分有不同相对强度。可考虑跨频带衰减均匀，或用放大器更多放大高频部分。自由空间

5、损耗自由空间损耗 l无线通信过程中离发射天线越远，接收信号功率就越低。l卫星通信中是主要的传播损耗。即使无其它衰减或损耗源，长距离信号传输也会衰减。l自由空间损耗，表示为发射功率与天线接收功率之比，或用该比率对数值乘以10，单位为分贝。噪声噪声 l热噪声：电子热扰动产生，存于电子设备和传输介质中，受温度影响。频谱均匀分布，称为白噪声。无法消除，有上限。卫星通信影响显著，地面站接收信号较弱。l互调噪声：不同频率信号共享介质产生。新产生信号某种频率是原来多频率累加和或差。如频率f1和f2混合可能得到f1+f2频率的能量，干扰原始信号。l串扰噪声：不同信号路径间融合，相邻双绞线间电子耦合产生。微波天

6、线定向性较高，但微波能量在传播期间仍会扩散。串扰与热噪声具同等(或较少)干扰作用，串扰在ISM频带中一般占主要成分。l脉冲噪声：不规则脉冲或短时噪声尖峰，振幅较高。缘于外部电磁干扰(如雷电)、通信系统错误和缺陷。对模拟数据影响不大，短时下降通话质量。可能导致数字通信严重错误，可检测和重传。大气吸收大气吸收 l一般源于水蒸气和氧气。l水蒸气产生衰减峰值约22GHz，频率低于15GHz，衰减会减少。l氧气产生衰减峰值约60GHz，低于30GHz时衰减会减少。l雨雾会散射无线电波，导致衰减。针对大气吸收的损耗，降水量充沛地区，可多用短路径，或使用低频带。多径多径 l无线环境中障碍物会反射信号，接收方

7、收到不同时延的同一信号多路副本。极端情况可能未直接收到信号。l依赖直接或反射波路径长度不同，合成信号强度会不同于直接收到信号。l针对多路径信号，固定且位置较好天线间，或在卫星和固定地面站间通信中可有效控制。但如路径穿越水面，风会使水反射表面处于运动态。在移动通信和天线位置不佳的环境中，多径因素影响较明显。l教材图2.3为固定微波和移动通信典型多径干扰类型。移动通信中建筑物和地形特征决定反射表面不同。折射折射 l大气层折射传播无线电波。l信号高度变化会引起速率改变，大气条件下空间改变会引起折射。通常信号速率随高度增加，无线电波向下弯曲，而气条件偶尔也会导致这种变化与典型变化不同。l折射可使极少或

8、没有直线波到达接收天线。移动环境中的衰落移动环境中的衰落 l多径传播：反射、散射和衍射。l电磁波遇相对该信号波长更大表面时会反射。假设靠近移动单元的一个地面发射波被接收，由于地面反射波在反射后有一个180相移，地面波和直线波可能趋于抵消，产生较大损耗。如移动天线高度低于建筑物，会发生多径干扰，反射波可能干扰接收方。l无线电波到达尖锐物体边缘时会发生衍射，波会沿着边缘弯曲并绕过障碍物。此时即使没有来自发送方的无障碍直线波，信号仍可被接收。l散射发生在传输路径中存在尺寸小于波长的障碍物且数量较多时，一个输入信号会被散射为几路弱输出信号。蜂窝通信中，路灯柱、交通标志等障碍物都会引起散射。快衰落和慢衰

9、落快衰落和慢衰落l衰落类型：移动通信衰落效果分为快衰落或慢衰落。l城市中移动节点沿一条街道移动时，超过大约波长一半距离时，信号强度急剧变化。以使用900MHz接收的信号振幅空间变化为例，振幅变化在一个短距离上高达2030dB，即为快衰落。l移动用户覆盖超出一个波长距离，即用户穿过不同高度的建筑物、空地、十字路口等。跨越这样的长距离时，接收到发生快速波动的平均功率值会改变。教材图2.4描述了这种缓慢改变的波形，即为慢衰落。l衰落效果可分为平面或选择性。调制调制 l调制指将输入信息变换为适于信道传输形式。l信号源信息通常包含直流分量和频率较低频率分量，称为基带信号。基带信号一般不能直接传输，需变换

10、为一个远高于基带频率的信号，即已调信号。l调制过程改变高频载波即信息载体信号的幅度、相位或频率，使其随基带信号幅度而变化。解调过程则将基带信号提取出来，接收方正确处理。l常用调制方式：模拟、数字、脉冲。常用调制方式常用调制方式 l模拟调制：连续变化的信号调制一个高频正弦波。调幅(AM)、调频(FM)、调相(PM)。l数字调制：用数字信号对正弦或余弦高频振荡进行调制。振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)。l脉冲调制：用脉冲序列作为载波。脉幅调制(PAM)脉宽调制(PDM)脉位调制(PPM)脉码调制(PCM)脉频调制(PFM)详细介绍见教材2.4节典型数字调制技术典型数字调制

11、技术 l相移键控PSK：根据数字基带信号，相位在不同数值间切换，载波相位随调制信号状态不同而改变。传输数字信号时，用1码控制发0相位，0码控制发180相位。高速数字传输应用广泛。其抗干扰性强，衰减信道中效果亦佳。分二相、四相、八相、十六相等。l正交调幅QAM：同时以载波信号幅度和相位来代表不同的比特编码，多进制与正交载波相结合，进一步提高频带利用率。信号有两个相同频率载波，相位相差90(1/4周期)，分别称I和Q信号，表示成正弦和余弦。两种被调制载波发射时被混和。到达接收方后，载波分离，数据被分别提取，然后和原始调制信息相混和。具体包括二进制(4QAM)、四进制(16QAM)、八进制QAM(6

12、4QAM)等。扩频扩频(SPREAD SPECTRUM，SS)l对各类噪声如多径失真具有免疫性。l可隐藏/加密信号。接收方须知扩频码才可恢复原始信息。l多个用户可独立使用同样较高带宽，几乎无干扰。l主流技术：跳频扩频和直接序列扩频。跳频扩跳频扩频频lFrequency Hopping SS，FHSSl一定扩频码序列进行选择的多频率频移键控调制，载波频率不断跳变。l发送方看似随机的无线电频率序列广播信息，并以固定间隔从一频率跳至另一频率。l接收方接收时也同步跳转频率。l窃听者只能听到无法识别的杂音，即使试图在某一频率干扰，也只能影响有限几位信号。FHSS系统框图系统框图直接序列扩直接序列扩频频l

13、Direct Sequence SS，DSSSl高码率扩频码序列在发送方直接扩展信号频谱，接收方用相同扩频码序列解扩，把频谱拓宽的扩频信号还原成原始信息。l原始信号中每一位在传输中以多个码片表示，即使用扩展编码。l扩展编码能将信号扩展至更宽的频带范围上，该频带范围与使用码片位数成正比。DSSS系统框图系统框图复用和多址复用和多址 l两点间信道中同时传输互不干扰多个信号称“信道复用”，而多点间实现互不干扰多边通信称“多址接入”。l本质是信号分割，赋予各信号不同特征或地址。根据特征差异来区分，按不同地址分发，实现互不干扰通信。l多点间通信和点对点通信技术上不同，难点在于消除和避免冲突。关键是设计正

14、交信号集合，各信号彼此无关。实际较难完全正交和不相关，一般准正交，互相关很小。允许各信号间存在一定干扰。l频分复用(FDM)、时分复用(TDM)、码分复用(CDM)、空分复用(SDM)等。l频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)、空分多址(SDMA)等。还有极化复用和波分复用。TDMA(TIME DIVISION MULTIPLEXING ADDRESS)l给定频带最高数据传输速率，传递时间分为若干时隙，各用户使用某一时隙，突发脉冲序列方式接收和发送信号。l用户按序占用不同时隙，一个宽带载波上以较高速率传递信息。接收方接收解调，各用户分别按次序提取相应时隙信息。总码元

15、速率为各路之和，少量位帧同步等额外开销。FDMA(FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING ADDRESS)l传输频带划分为若干较窄且互不重叠子频带，各用户分配一个固定子频带。信号调制到该子频带内，各用户信号同时传输，接收时分别按频带提取。l实际应用中滤波器往往达不到理想条件，各信号间存在一定相关和干扰。所以各频带间留一定间隔减少串扰。l分模拟调制和数字调制，可由一组模拟信号用频分复用方式或一组数字信号用时分复用方式占用一个较宽频带，调制到相应子频带后传输到同一地址。l模拟信号数字化后占带宽较大，可考虑压缩编码技术和数字调制技术。OFDMA(ORTHOGONAL FREQ

16、UENCY DIVISION MULTIPLEX ADDRESS)l正交频分复用(OFDM)将信道分为若干正交子信道，将高速数据信号转换成低速子数据流，调制至每个子信道上并行传输。接收方采用相关技术区分正交信号，减少子信道间相互干扰。l每个子信道上信号带宽小于信道相关带宽，每个子信道可看成平坦性衰落，从而消除符号间干扰。各子信道带宽仅是原信道带宽一小部分，信道均衡相对容易。lOFDMA与OFDM相比，每个用户选择信道条件较好的子信道传输数据，不像OFDM在整个频带内发送，保证各个子载波都被对应信道条件较好的用户使用，获得频率上的多用户分集增益。CDMA(CODE DIVISION MULTIPLEXING ADDRESS)l发送方用一个带宽远高于信号带宽的伪随机编码信号或其它扩频码，调制需传输的信号，即拓宽原信号的带宽，再经载波调制后发送。l接收方使用相同扩频码序列，同步后对接收信号作相关处理，解扩为原始数据。l不同用户使用互相正交的码片序列，占用相同频带，实现互不干扰的多址通信。l以正交的不同码片序列区分用户，称“码分多址”，也称“扩频多址(SSMA)”。SDMA(SPACE DIV