10第十章-无线通信与网络

第十章无线通信与网络无线通信是以自由空间作为介质，利用电磁波传播信号的通信系统。它是目前通信领域发展最为活跃的技术。无线通信的优点：不需架线挖沟，建设成本低，周期短；覆盖范围广；扩容灵活；维护简单。一、概述信号源用于将待传递信息变成基带电信号；发送设备主要解决电信号与信道的匹配；信号以电磁波形式在空间介质中传播；接收设备的功能与发送设备相反。无线通信系统包括信号源、发送设备、传输信道（即为空间介质）、接收设备和收信装置等。无线通信系统分类从通信方式来分，无线通信可分为移动通信和固定通信两种；从通信的信道来分，无线通信可分为卫星通信、红外通信、短波通信等。从接入网络的组网方式来分，无线通信网可分为无线广域网、无线局域网和无线个域网。根据是否存在固定的网络基础设施来分，无线系统可分为蜂窝系统和Adhoc系统。无线通信的发展前景多址技术：将有限的通信资源在多个用户之间进行有效的切割与分配，在保证多用户之间通信质量的同时尽可能地降低系统的复杂度并获得较高系统容量软件无线电：智能多模式终端的进一步发展，是无线系统从模拟到数字发展的新阶段自适应技术：实时检测信道，根据信道状况自动调整通信参数，包括自适应天线，自适应调制，自适应信道均衡等多用户检测：在接收端尽量消除信道之间的多址干扰。二、无线通信的基本原理1无线电波的传播特性（a）直射（b）折射（c）绕射（d）散射直射、反射、绕射和散射是无线通信系统中四种最基本的传播方式。电磁波在均匀空间中是以直线方式传播的；在直射过程中，如果电磁波入射到一个尺寸比波长大得多的物体时（如地球表面、建筑物和墙壁表面），将发生反射；如果电磁波被不规则的边缘阻挡时，由阻挡表面产生的二次波存在于整个空间，甚至于阻挡物的后面，也就是电磁波能够绕过障碍物传播，即为电磁波的绕射。当电磁波传播过程中遇到尺寸小于波长的目标物或者障碍物的数目很多时（如粗糙表面、小物体或其他不规则物体），电磁波将产生散射。无线电波是一种电磁波，当电磁波自波源（天线）发出后，要经过地波（表面波）传播，空间波传播和天波传播等各种可能的途径才能到达接收天线。地波传播又称表面波传播，是电磁波绕着地球的弯曲表面而进行的传播。空间波传播又称视距传播。在可视距离内，电磁波由天线发射出来，沿直线传播到接收天线。天波传播是利用电离层的折射和反射来传播的电磁波。决定传播方式和传播特点的关键因素是无线电信号的频率。长波和中波的传播都是借助地波的，并且比较稳定，多用作远距离通信与导航。短波通信可以借助天波传送。短波传播主要用于国际无线电广播，远距离无线电话和电报通信等。超短波和微波只能用空间直射波进行视距通信，传播距离大致上限制在视距范围之内。超短波和微波波段广泛用于卫星通信，宇宙飞船与地面站之间的通信，遥测等系统中。调制就是对信号源的编码信息进行处理，使其变为适合传输并适应信道复用的形式。解调则是将基带信号从载波中提取出来，使接收者理解或做进一步的处理。调制信号为模拟信号时，最基本的调制方式是：幅度调制（AM）、频率调制（FM）和相位调制（PM）。还可以有三种基本方式的组合调制方式。调制信号为数字信号时，通常称为键控（SK:ShiftKeying），三种基本的键控方式为振幅键控（ASK）、频率键控（FSK）和相位键控(PSK)。2调制解调技术调制方案的性能常用它的功率效率和带宽效率来衡量。功率效率：带宽效率：每比特信号能量R每秒数据率噪声功率谱密度B已调信号占用的带宽目前，扩频技术也得到广泛应用。扩展频谱的优点：很多用户可以在一个频带中同时使用，而不会相互产生明显的干扰。良好的抗多径干扰的特性。0bpNEbE0Nbps/HzBRB＝①固定分配接入固定分配方式固定地将信道划分为不同的子信道并分配给各个用户。常用的固定分配接入方法：FDMA频分多址TDMA时分多址CDMA码分多址即分别采用频率、时间或码字区分不同用户传输的多址方式。3无线介质接入方案②随机接入方法③随机接入方法就是在通信时为了处理突发性数据而产生的。分成两类，第一类基于ALOHA接入方案，另一类是基于CSMA（载波侦听）的随机接入技术。冲突重发送终端1终端2终端3冲突重发送（a）（b）ALOHA协议原理图（a）纯ALOHA协议（b）时隙ALOHA协议终端1终端2终端3侦听终端1终端2终端3侦听延迟图10-5CSMA协议原理图ALOHA是最简单的随机接入技术，它以分组形式允许多用户在共用信道上发送消息。基于载波侦听的随机接入技术在发送前先监测信道，并采取相应措施减少工作站发送消息的盲目性，从而减少冲突概率。三、射频系统及应用目前在无线通信领域，射频多指300MHz至5.8GHz的频率范围。射频技术在当今各个领域得到了广泛应用。如:高速语音、数据、图文与图像传输；蜂窝式个人通信与基站；低轨道卫星移动通信；无线局域网；无线接入技术（包括Bluetooth）；全球卫星定位系统；卫星直播电视；多点多址分布系统。1无线通信射频系统概述无线射频系统一般由接收机和发射机两部分构成。发送信号时，从基带模块送出含有信息的模拟信号，经中频放大后，在混频器中的升频器中混频成为射频信号，送到射频功率放大器中进行功率放大，再通过天线发送出去。接收信号时，通过天线接收进来的射频信号经滤波和低噪声放大器放大后，与本地振荡器所产生的本地振荡信号再经降频器混频，产生固定的中频信号IF，放大后送到基带部分进行后续处理。2接收机射频接收系统可分为超外差升降频结构和直接升降频结构两种。①超外差升降频结构微弱射频信号首先通过射频（RF）段的带通滤波器（BPF），以衰减频带外的噪声和干扰，然后由低噪声放大器（LNA）进行多级放大，放大后的信号与可调谐本振进行混频，通过中频（IF）段的带通滤波器，频谱就被下变频到一个固定的中频。上述结构有两个主要的问题需要解决，即抑制镜像信号和相邻信道的干扰。通过二次变频超外差接收结构，能较好的解决上述矛盾。二次变频超外差接收结构②直接升降频结构直接升降频结构其本地振荡频率和射频频率相同。射频频率直接降到基频，没有镜像频率的问题，所以不需要在混频器前加镜像滤波器。没有中频，故不需要在混频器后加选择滤波器和中频放大器，而是直接使用一个低通滤波器和一个基频放大器。但存在上下边带重叠的问题。上下边带重叠可以采用两次下变频的方法来解决，第一次和正弦信号混频，第二次和余弦信号混频。直流失调本振信号与载波频率相同，对同频带工作的其它接收机带来干扰；正交通道幅度和相位不匹配会引起误码率上升；颤动噪声；电源上的不稳定抖动和50Hz的低频干扰；存在的问题发射机完成的主要功能是调制、上变频、功率放大和滤波。发射机的方案比较简单，大致可以分两种：一是将调制和上变频合二为一，在一个电路完成，称为直接变换法；二是将调制和上变频分开，先在较低的中频上进行调制，然后将已调信号上变频到发射的载频上，称为两步法。注入拉移现象3发射机直接变换法比较简单，基频信号只经过一次升频后，就经由功率放大器发射出去。存在注入拉移现象。要消除拉移现象，直接降频结构的本地振荡频率最好离射频频率足够远。使用两个不同频率的压控振荡器（VCO），经过混频器后，产生新的本振频率，以改善注入拉移现象。两次变换法可以改善直接变换法的不足。超外差发射机的二次升频结构利用二次升频的方式把基频信号发射出去。功率放大器的频率离振荡频率非常远，因此不会有注入拉移现象。而且由于调制是在较低的中频上进行，因此正交的两支路容易一致。4射频芯片nRF905及在无线影音监控系统中的应用nRF905内部结构图系统移动端MIC音频编解码芯片TLV320AIC23B射频收发芯片nRF905耳机存储器DSPTMS320DM642视频解码芯片TVP5150PBS摄像头无线数字影音监控系统采用的是点到点双工无线通信方式，在视距200～300米的变电站区域内，实现无线语音对讲、无线视频传输功能。整个系统分为移动端和固定端。视频数据是单向传输的，由移动端向固定端发射。音频则是双向传输。射频收发芯片nRF905DSPTMS320DM642显示器音频编解码芯片TLV320AIC23BMIC耳机视频编码芯片SAA712H系统固定端系统移动端由数字视频输入模块，音频输入输出模块，DSP处理器与存储器，无线发射模块构成。系统固定端由数字视频编码模块，音频编解码模块，DSP处理器与存储器，无线收发模块构成。四、无线通信网络无线通信网络按通信覆盖的范围大致可以分为:无线广域网（WWAN，十几公里）无线城域网（WMAN，几公里）无线局域网（WLAN，100米左右）无线个域网（WPAN，10米左右）1无线广域网•无线广域网络是移动电话及数据服务所使用的通讯网络，覆盖范围可以达到十几公里乃至上百公里。•无线广域网主要有2G、2.5G及3G等，主要采用GSM，GPRS，CDMA等技术•（1）2G•2G即第二代蜂窝通信系统规范，主要应用于GSM（GlobalSystemforMobile）即全球移动系统。•它的工作频段在890MHz到915MHz之间（用于用户到基站的传输）和935MHz到960MHz之间（用于基站到用户的传输），提供了9.6kbps的数据传输率。GSM的基本结构数据网PSTNMSC操作维护中心（OMC）BTSBTSBTS设备标识寄存器（EIR）设备标识寄存器（EIR）设备标识寄存器（EIR）设备标识寄存器（EIR）PSTNBSC•（2）2.5G•2.5G即第二代半蜂窝通信系统规范，主要采用GPRS（GeneralPacketRadioService）技术，即通用分组无线业务。•GPRS是一种工作于20kHz信道的基于FDMA/TDMA的分级交换无线技术，支持从144kbps~384kbps的速率。GPRS是分组交换，在每个帧分配给用户多个时隙。•（3）3G•3G即第三代蜂窝通信系统规范。3G的主要特征是可提供丰富多彩的移动多媒体业务，传输速率在高速移动环境中支持144kbps，慢速移动环境中支持384kbps，静止状态下支持2Mbps。3G系统的技术基础是CDMA。延伸的技术标准有：(1)．WCDMA(2)．CDMA2000(3)．TD-SCDMA(4)．HSDPA2无线城域网•无线城域网络覆盖范围可以达到十公里。•宽带无线接入（BWA，BroadbandWirelessAccess）技术与系统是无线移动通信的一个重要技术与应用领域，具有经济便捷、容量高、覆盖面广、可快速提供宽带业务等优点.•无线宽带城域网技术是以IEEE802.16系列标准为代表的宽带无线接入热点技术。1999年IEEE成立了IEEE802.16工作组专门研究宽带固定无线接入规范，目标是要建立一个全球统一的宽带无线接入标准。最早的IEEE802.16标准于2001年12月正式发布，之后该标准不断丰富，先后推出了802.16a、802.16c、802.16d以及802.16e标准等。3无线局域网•无线局域网（WLAN，WirelessLocalAreaNetwork）是在有线局域网络的基础上发展起来的，使局域网上的计算机具有可移动性，能快速、方便的解决有线方式不易实现的连通问题，它是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。（1）WLAN的特点灵活移动性安装便捷经济节约可扩展性强便于维护和管理（2）WLAN的标准1）802.112）802.11b/Wi-Fi（WirelessFidelity，无线保真）3）802.11a4）802.11g5）其他802.11标准：IEEE802.11e、IEEE802.11f、IEEE802.11h、IEEE802.11i6）HomeRF7）HiperLAN/1和HiperLAN/24无线个域网•无线个域网（WPAN，WirelessPersonalAreaNetwork）是指对个人操作空间（POS，Perso