无线网络技术第2章 无线传输技术基础.ppt

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1、第2章 无线传输技术基础主要内容2.1 无线传输媒体2.2 天线2.3 传播方式2.4 直线传输系统中的损伤2.5 移动环境中的衰退2.6 多普勒效应2.7 信号编码技术2.8 扩频技术2.9 差错控制技术2.1 无线传输媒体 n传输媒体是数据传输系统中发送器和接收器之间的物理路径。n传输媒体可分为导向的(guided)和非导向的(unguided)两类。n对导向媒体而言，电磁波被引导沿某一固定媒体前进，例如双绞线、同轴电缆和光纤。n非导向媒体的例子是大气和外层空间，它们提供了传输电磁波信号的手段，但不引导它们的传播方向，这种传输形式通常称为无线传播(wireless transmission

2、)电信用的电磁波频谱 感兴趣的3个频段n微波：1GHz100GHz，可实现高方向性的波束，而且非常适用于点对点的传输，也可用于卫星通信。n无线电广播频段：30MHz1GHz，适用于全向应用。n红外线频谱段：31011Hz21014Hz，适于本地应用，在有限的区域(如一个房间)内对于局部的点对点及多点应用非常有用。2.1.1 地面微波 n地面微波系统主要用于长途电信服务，可代替同轴电缆和光纤，通过地面接力站中继。n用于建筑物之间的点对点线路。n常见的用于传输的频率范围为2GHz40GHz。频率越高，可能的带宽就越宽，因此可能的数据传输速率也就越高。典型的数字微波性能 波段/GHz带宽/MHz数据

3、率/Mb/s271263090114013518220274地面微波（续1）n微波传输的主要损耗来源于衰减。n微波(以及无线电广播频段)的损耗公式n微波的损耗随距离的平方而变化 n损伤的另一个原因是干扰，随着微波应用的不断增多，传输区域重叠，干扰始终是一个威胁。因此，频带的分配需要严格控制。地面微波（续2）n频率越高衰减越大，较高的微波频率对长途传输没有什么用处，但却非常适用于近距离传输。n频率越高，使用的天线就越小、越便宜。2.1.2 卫星微波n通信卫星实际上一个微波接力站，用于将两个或多个称为地球站或地面站的地面微波发送器/接收器连接起来。n卫星使用上下行两个频段：接收一个频段(上行)上的

4、传输信号，放大或再生信号后，再在另一个频段(下行)上将其发送出去。n卫星主要应用：电视广播、长途电话传输和个人用商业网络 卫星微波（续）n卫星传输的最佳频率范围为1GHz10GHz。n特点n卫星通信距离远，一个地面站发送到另一个地面站接收，约有1/4s传播延迟。在差控和流控方面，也带来一系列问题。n卫星微波是广播设施，许多站点可以向卫星发送信息，同时从卫星上传送下来的信息也会被众多站点接收。2.1.3 广播无线电波 n广播无线电波是全向性的，不要求使用碟形天线，天线也无需严格地安装到一个精确地校准位置上。n无线电波(Radio)是笼统术语，频率范围为3KHz300GHz。n非正式术语广播无线电

5、波(broadcast radio)包括VHF频段和部分的UHF频段：30MHz1GHz。n广播无线电波损伤的一个主要来源是多路径干扰。2.1.4 红外线 n红外线传输不能超过视线范围，距离短n红外线传输无法穿透墙体。微波系统中遇到的安全性和干扰问题在红外线传输中都不存在。n红外线不需要频率分配许可。2.1.5 光波 n频率更高的光波，主要指非导向光波，而非用于光纤的导向光波。n提供非常高的带宽，成本也很低，相对容易安装，而且与微波不同，不要求FCC许可。n激光的强度(非常窄的一束光)是它的弱点，不易瞄准。n激光束不能穿透雨或者浓雾，白天太阳的热量使气流上升也会激光束产生偏差。主要内容2.1

6、无线传输媒体2.2 天线2.3 传播方式2.4 直线传输系统中的损伤2.5 移动环境中的衰退2.6 多普勒效应2.7 信号编码技术2.8 扩频技术2.9 差错控制技术2.2 天线 天线是实现无线传输最基本的设备。天线可看作一条电子导线或导线系统，该导线系统或用于将电磁能辐射到太空或用于将太空中的电磁能收集起来。2.2 天线2.2.1 辐射模式 2.2.2 天线类型2.2.3 天线增益 2.2.1 辐射模式 一个天线辐射出去的功率是全方位的，然而并非在所有方向上辐射出的功率都是相等的。描述天线性能特性的常用方法是辐射模式，它是作为空间协同函数的天线的辐射属性的图形化表示。理想的辐射模式 2.2.

7、2 天线类型n偶级天线n抛物反射天线简单（偶级）天线 偶级天线散射模式 抛物线反射天线 2.2.3 天线增益 天线增益(antenna gain)是天线定向性的度量。与由理论的全向天线(各向同性天线)在各个方向所产生的输出相比，天线增益定义为在一特定方向上的功率输出。天线增益与有效面积的关系：主要内容2.1 无线传输媒体2.2 天线2.3 传播方式2.4 直线传输系统中的损伤2.5 移动环境中的衰退2.6 多普勒效应2.7 信号编码技术2.8 扩频技术2.9 差错控制技术2.3 传播方式n由天线辐射出去的信号以三种方式传播：n地波(ground wave)：地波传播或多或少要沿着地球的轮廓前行

8、，且可传播相当远的距离，较好地跨越可视 的地平线 n天波(sky wave)：天波信号可以通过多个跳跃，在电离层和地球表面之间前后反弹地穿行 n直线LOS(line of sight)：当要传播的信号频率在30MHz以上时，天波与地波的传播方式均无法工作，通信必须用直线方式。无线传播类型频带频带频率范围频率范围自由空间中的波长自由空间中的波长范围范围传播特性传播特性典型的应用典型的应用ELF(极低频)30Hz300Hz10000km1000km地波功率线频率；用于某些家庭控制系统中VF(音频)300Hz3000Hz1000km100km地波用于电话系统中使用的模拟用户线路VLF(甚低频)3KH

9、z30KHz100km10km地波；白天夜晚低衰减；高大气噪声级长距离导航；航海通信LF(低频)30KHz300KHz1000km1km地波；比VLF的可靠性略差；白天会被吸收长距离导航；航海通信中的无线电信号MF(中频)300KHz3MHz1km100m地波和晚上的天波；晚上的衰减低，白天的衰减高；有大气噪声海事无线电；定向查找HF(高频)3MHz30MHz100m10m天波；质量随一天的时间、季节和频率而变化无线电业余爱好者；国际广播，军事通信；长距离飞机和轮船通信VHF(高频)30MHz300MHz10m1m直线；由于温度倒置出现散射；宇宙噪声VHF电视；调频广播和双向无线电，调幅飞机通

10、信；飞机导航UHF(特高频)300MHz3GHz100cm10cm直线：宇宙噪声UHF电视；蜂窝电话；雷达；微波链路；个人通信系统SHF(超高频)3GHz30GHz10cm1cm直线：100Hz以上，下雨会带来衰减；由于氧气和水蒸气带来人气衰减卫星通信；雷达；陆地微波链路；无线本地环EHF(极高频)30GHz300Gz10mm1mm直线；由于氧气和水蒸气带来大气衰减实验；无线本地环红外线300GHz400THz1mm770nm直线红外局域网；客户电子应用可见光400THz900THz770nm330nm直线光通信主要内容2.1 无线传输媒体2.2 天线2.3 传播方式2.4 直线传输系统中的损

11、伤2.5 移动环境中的衰退2.6 多普勒效应2.7 信号编码技术2.8 扩频技术2.9 差错控制技术2.4 直线传输系统中的损伤n衰减和衰减失真(attenuation and attenuation distortion)n自由空间损耗(free space loss)n噪声(noise)n大气吸收(atmospheric absorption)n多径(multi path)n折射(refraction)主要内容2.1 无线传输媒体2.2 天线2.3 传播方式2.4 直线传输系统中的损伤2.5 移动环境中的衰退2.6 多普勒效应2.7 信号编码技术2.8 扩频技术2.9 差错控制技术2.4.

12、1 衰减n一个信号的强度会随所跨越的任一传输媒介的距离而降低。n对于导向媒介，这种强度上的降低或称衰减，通常是一个指数值，因而常表示为每单位距离一个固定的分贝数。n对于非导向媒介，衰减是一个更为复杂的距离函数，且充满整个大气层。衰减带来的三个影响 n(1)接收的信号必须有足够的强度，以使接收端的电子线路能够检测并解释信号。n(2)与噪声相比，信号必须维持一种足够高的水平以便被无误差地接收。n(3)高频下的衰减更为严重，会引起失真。2.4.2 自由空间损耗n任一种无线通信中，信号都会随距离发散，因此，具有固定面积的天线离发射天线越远，接收的信号功率就越低。n在卫星通信中这是一种主要的信号损耗方式

13、。2.4.3 噪声n任一接收信号都是由传输信号构成，这些传输信号可能会被传输系统所产生的各种失真修改，还包括了在传输端和接收端之间的某些地方插入的不希望有的额外信号，这些不希望有的信号就是噪声。n噪声是对通信系统性能带来影响的主要限制因素。n噪声可以分为如下四类：n热噪声(thermal noise)n互调噪声(intermodulation noise)n串扰(crosstalk)n脉冲噪声(impulse noise)2.4.4 大气吸收n水蒸气和氧气是产生这种衰减的主要因素n水蒸气所产生的衰减的峰值在22GHz附近，在低于15GHz的频率处，衰减会减少。n氧气的存在会导致在60GHz附近

14、的吸收峰值，而在低于30GHz的频率处，这种影响会减少。n雨和雾(有悬挂的小水滴)会引起无线电波的散射，从而导致衰减，这有可能是引起信号损耗的主要原因。要减少这种损耗，在有较大降水量的地区，或者是将路径的长度变短，或者是使用低频带。2.4.5 多经2.4.6 折射n当通过大气传播时，无线电波会被折射(或弯曲)。n由于信号高度的变化而引起的信号速度的改变或大气条件下其他空间的改变都会引起折射。导致只有一小部分直线波或没有直线波抵达接收天线。2.5 移动环境中的衰退 通信系统所面临的最具挑战性的技术问题是移动环境中的衰退现象。在移动环境中，两个天线中的一个相对于另一个在移动，各种障碍物的相对位置会

15、随时间而改变，由此会产生比较复杂的传输结果。反射(R)、散射(S)和衍射(D)存在随时间变化的多径脉冲中的两个脉冲 衰退类型 n移动环境中的衰退效果可以分为快速或慢速 n衰退效果也可以分为平面的或选择性的。n平面衰退(flat fading)或称非选择性的衰退，接收到的信号的所有频率成分同时按相同的比例波动。n选择性衰退(selective fading)无线电信号的不同光谱成分的影响是不相等的。差错补偿机制 1前向纠错2自适应均衡3分集技术主要内容2.1 无线传输媒体2.2 天线2.3 传播方式2.4 直线传输系统中的损伤2.5 移动环境中的衰退2.6 多普勒效应2.7 信号编码技术2.8

16、扩频技术2.9 差错控制技术2.6 多普勒效应n多普勒效应是为纪念Christian Doppler而命名的。n多普勒效应指出，波在波源移向观察者时频率变高，而在波源远离观察者时频率变低。当观察者移动时也能得到同样的结论。n假设原有波源的波长为，波速为c，观察者移动速度为v，当观察者走近波源时观察到的波源频率为(v+c)/，如果观察者远离波源，则观察到的波源频率为(v-c)/。多普勒效应（续）n多普勒效应不仅仅适用于声波，也适用于所有类型的波，包括光波、电磁波。n在无线移动通信中，当移动台移向基站时，频率变高，远离基站时，频率变低，所以在移动通信中要充分考虑多普勒效应。n尤其是高速移动宽带接入

17、网络(如IEEE802.20)必须考虑多普勒效应。主要内容2.1 无线传输媒体2.2 天线2.3 传播方式2.4 直线传输系统中的损伤2.5 移动环境中的衰退2.6 多普勒效应2.7 信号编码技术2.8 扩频技术2.9 差错控制技术2.7 信号编码技术2.7.1 数据、信号和传输的模拟与数字之分n模拟(analog)和数字(digital)大致分别与连续(continuous)和离散(discrete)相对应。数据、信号和传输经常使用这两个术语。n数据(data)定义为传达某种意义或信息的实体n信号(signal)是数据的电气或电磁表示 n传输(transmission)是通过信号的传播和处理

18、进行数据通信的过程模拟数据和数字数据n模拟数据在一段时间内具有连续的值，例如，声音和视频是连续变化的强度样本。n数字数据的值是离散的，例如文本和整数。话音和音乐的声音频谱 模拟信号和数字信号n数据以电磁信号的方式从一点传播至另一点n模拟信号(analog signal)就是一个连续变化的电磁波，根据它的频率可以在多种类型的媒体上传播。如铜线媒体、光纤、无线空间n数字信号(digital signal)是一个电压脉冲序列，这些电压脉冲可以在铜线媒体上传输，不适宜直接在无线媒介中传播。数字信号的优缺点 n优点：通常比使用模拟信号便宜，且较少受噪声的干扰。n缺点：比模拟信号的衰减要严重 模拟数据和数

19、字数据的模拟信号和数字信号 数据的信号表示n数字数据，数字信号：比起将数字数据编码为模拟信号的设备来，将数字数据编码为数字信号的设备不那么复杂且不昂贵。n模拟数据，数字信号：将模拟数据转换为数字形式允许对模拟数据使用现代数字传输和交换设备。n数字数据，模拟信号：有些传输媒体，例如光纤和卫星只传输模拟信号。n模拟数据，模拟信号：模拟数据很容易被转换为模拟信号。数据和信号模拟信号数字信号模拟数据(1)信号占据跟模拟数据相同的频谱；(2)模拟数据被编码以占据不同的频谱段。使用编解码器对模拟数据编码以产生数字位流。数字数据数字数据通过调制解调器编码以产生模拟信号。(1)信号由两个电压电平组成以代表两个

20、二进制的值：(2)数字数据被编码以产生具有所要求的属性的数字信号。模拟传输和数字传输 n模拟信号和数字信号都可以在适宜的传输媒体上传输，处理这些信号的方法是传输系统的功能n模拟传输(analog transmission)是传输模拟信号的方法，它不考虑信号的内容。n数字传输(digital transmission)与信号的内容有关 信号的处理 模拟传输 数字传输模拟信号 通过放大器来传播。不论信号是用来表示 模拟数据还是数字数据，处理方式相同。假设模拟信号表示的是数字数据。信号通过中继器传播。在每个中继器上，从入口信号恢复数字数据，并用它来生成一个新的外出模拟信号。数字信号 不使用。数字信号

21、表示的是1和0的位流，它代表了数字数据，或者是经过编码的模拟数据。信号通过中继器传播。在每个中继器上，从入口信号恢复1和0的位流，并用它来生成一个新的外出数字信号。2.7.2 信号编码准则n对任一给定的通信任务来说，选择一种特定的组合的理由是不同的，而后3种技术与无线通信密切相关，因为无线传输系统主要是采用模拟载波信号进行传输。n数字到模拟：数字数据和数字信号必须转换成模拟信号进行无线传输。n模拟到模拟：基带模拟信号，诸如话音或视频，通常都必须调制到高频的载波上进行传输。n模拟到数字：先于传输之前，通常将话音数字化后再在导向的或非导向的媒体上传输，这样可以改进传输质量并可利用TDM方式。对于无

22、线传输来说，结果得到的数字信号必须调制到一个模拟载波上。数据传输术语 术 语 单 位 定 义数据元素位一个单个的二进制1或0数据率位/秒(b/s)数据元素传输的速率信号元素数字：一个固定振幅的电压脉冲模拟：一个具有固定频率、相位和振幅的脉冲在一个信号传输的代码中占据最小间隔的那部分信号信号传输速率或调制速率信号元素/秒(baud)信号元素传输的速率信号编码准则（续）n决定接收器能够成功解释所收到信号的因素主要有：信噪比、数据率和带宽。n编码机制也可以用来改进传输性能n编码机制是一种简单的从数据位到信号元素的映射关系。2.7.3 数字数据与模拟信号n最常用的应用是通过公用电话网传输数字数据。n电

23、话网并不适用于处理来自用户端的数字信号。n数字设备通过调制解调器与网络相连，调制解调器将数字数据转换成模拟信号，或将模拟信号转换成数字数据。n调制技术涉及对载波信号的3个特性(振幅、频率和相位)中的一个或多个特性的操作:幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)数字数据调制为模拟信号 2.7.4 模拟数据与模拟信号n当数据已经是模拟形式时，调制的主要原因有两个：(1)为了实现有效的传输，可能需要较高的频率。对于无导向传输，实际上是不可能直接传输基带信号的,需要使用的天线直径为几千米。(2)调制允许使用频分复用技术，可以提高信道的利用率。n模拟数据的调制技术：调幅(AM)、调频(

24、FM)和调相(PM)。2.7.5 模拟数据与数字信号n准确的说法是把模拟数据转变为数字数据的过程，称之为数字化(digitalization)。n一旦模拟数据转变成数字数据后，就可以进行很多的工作:(1)数字数据可以使用NRZ-L(不归零电平)。(2)可以通过NRZ-L以外的其他编码技术将数字数据变成数字信号。(3)通过调制技术，数字数据也可以转换成模拟信号。模拟数据数字化 主要内容2.1 无线传输媒体2.2 天线2.3 传播方式2.4 直线传输系统中的损伤2.5 移动环境中的衰退2.6 多普勒效应2.7 信号编码技术2.8 扩频技术2.9 差错控制技术2.8 扩频技术 扩频技术最初是针对军事

25、和情报部门的需求而开发的。基本思想是将携带信息的信号扩展到较宽的带宽中，以加大干扰和窃听的难度。扩频数字通信系统的一般模型 扩频技术的分类n直接序列扩频DSSSn跳频扩频FHSSn跳时扩频THSSn脉冲调频系统n混合系统直接序列扩频DSSSn扩频函数是一个码字，称为片码，与输入比特流进行异或运算产生的速率更高的“码片流”，用来对射频载波进行调制。跳频扩频FHSSn直接用输入数据流调制射频载波，扩频函数用来在一定的频隙范围内控制载波的特定频隙，从而扩展传输频带的宽度。跳时扩频THSSn另一种直接用输入数据流调制射频载波的技术，载波通过脉冲传输，扩频函数控制每个数据脉冲的传输时间。脉冲调频系统n输

26、入数据流直接调制射频载波，采用调频脉冲进行传输，扩频函数控制调频模式，例如频率扫描下降或上升的线性扫频（chirp）信号。混合系统n将几种扩频技术相组合，在设计中充分发挥每个单一系统的特点优势。n如调频扩频FHSS和跳时扩频THSS相组合，形成混合频分/时分多址接入（FDMA/TDMA）技术。主要内容2.1 无线传输媒体2.2 天线2.3 传播方式2.4 直线传输系统中的损伤2.5 移动环境中的衰退2.6 多普勒效应2.7 信号编码技术2.8 扩频技术2.9 差错控制技术2.9 差错控制技术 无论传输系统如何设计，差错总会存在，它可能会导致传输的帧中有一个或多个位被改变，对于无线传输系统更是如此，为了保障可靠的数据传输，必须进行差错控制。三种差错控制技术n差错检测码(error detection code)n差错纠错码(error correction code)，也称为前向纠错FEC(forward error correction)码n自动重发请求ARQ(automatic repeat request)协议。The end