无线通信基础

无线通信基础 每学期需要技术更新的n有无新的无线传输技术出现n无线传输技术的新进展和发展方向的变化 提纲n无线网络概述n无线传输技术n无线网络-应用n无线网络-发展n无线网络-拓扑n无线蜂窝系统 n蜂窝概念n蜂窝系统 无线网络概述 无线传输技术n多路复用n无线传输 多路复用（multiplexing） 为了提高信道利用率，使多路信号沿同一信道传输而互不干扰的技术 多路复用技术n实现多路复用的关键n把多路信号汇合到一条信道上之后，在接收端必须能正确地分割出各种信号n分割信号的依据：信号之间的差别n信号频率上的不同n信号出现时间上的不同 n信号码型结构上的不同频分多路复用时分多路复用码分多路复用 The total system bandwidth is divided into channels which are allocated to the different users. 7C29822.030-Cimini-9/97 频分多路复用 Time is divided into slots which are allocated to the different users. 7C29822.031-Cimini-9/97 时分多路复用 Time and bandwidth are used simultaneously by different users, modulated by orthogonal or semi- orthogonal codes (e.g. spread spectrum). 7C29822.032-Cimini-9/97 码分多路复用 多路复用方法比较 多路复用技术n以上多路复用技术也称为多址接入方法 n另一个与接入方法有关的重要参数是正向信道和反向信道的载波频率差。n正向信道又叫下行链路，指从基站到移动终端的通信；n反向信道又叫上行链路，指从移动终端到基站的通信。n如果正向信道和反向信道采用不同的载波频率，而且间隔足够大，这样的双工技术叫做FDD（Frequency Division Duplexing，频分双工）；n如果正向信道和反向信道采用相同的载波频率，但采用交替的时隙，这样的双工技术叫做TDD（Time Division Duplexing，时分双工）。无线信道接入方法 无线传输n电磁波可将信息从一个地方传到另一个地方n电磁波的传播不需要任何有型介质n电磁波称为传输的载波（载体）n传输的数据叠加在载波上，接收端再过滤出信号n调制解调n传输数据的频率范围称为频带 n多个无线电载波可共存于同一空间 传输介质n传输介质（通信介质）：计算机用以收发电子/光子信号的物理路径。分类如下：n引导性介质（线缆介质）n电磁波沿着一个固态介质传播。例如：金属导体、玻璃。n非引导性介质（无线介质） n提供了传输电磁信号的手段，但不加以引导。例如：大气层、外层空间。 无线传输的电磁频谱 无线频谱的分配n频率统一分配（FCC/ITU_R/各个国家）n根据信息类型分配频谱（AM/FM无线电台、TV、蜂窝电话）n工业科学医学频段（ISM） n可自由使用但限制功率n专用于非许可的商业用途n救护车、出租车、无线遥控玩具、无线电家用设备等 工业科学医学频段 全向传播与定向传播 n全向传播（Omnidirectional）n信号沿所有方向传播n可被所有的天线接收n发射设备和接收设备不必在物理上对准n定向传播（directional）n天线把所有的能量集中于一小束电磁波 无线信号传播n理想情况下，无线信号在从发射器到接收器间的一条直线上传播，称为“视线”（line of sight, LOS）n实际情况下，由于传输障碍物等传输环境的影响，无线信号的传播将发生如下三种现象：反射、衍射和散射。其中物体的几何形状决定了将产生那种现象。 反射（reflection）n反射：当信号遇到表面大于信号波长的障碍物（地球表面、高建筑物、大型墙面）导致信号的相位发生漂移 衍射（Diffraction）n衍射：当信号遇到大于波长的不可穿透物的边缘（如无线电波中途遇到的尖锐不规则的边缘物），即使没有来自发送器的视线信号，也可接收到信号。 散射（Scattering）n散射：当信号遇到波长更小的物体（树叶、街牌、灯柱）就发散成几个弱的出境信号 散射（Scattering）n散射还与障碍物表面的粗糙度有关。表面越粗糙，越容易引起散射。n例如，n在户外，树木和路标都会导致移动电话信号的散射。n在室内，椅子、书籍和计算机都会导致无线Lan信号的散射。 反射、衍射和散射 无线通信的衰减（fading）n衰减（fading）：传输介质或路径使得接收信号的能量发生变化n在固定环境下，大气层条件的变化n低频具有更强的穿透力，可以传输更远的距离n频率越高，衰减越严重，发射器需要更大的功率，传输范围变短n在移动环境下：障碍物的相对位置随时间发生变化，造成复杂的传输效果多径传播 多径（multipath）传播的影响n一个信号的多个拷贝以不同的相位到达n如果相位破坏性叠加，则相对噪声来说信号的强度就会下降（信噪比减小），导致接收端检测困难n信号串扰（intersymbol interference） n一个脉冲的一个或多个延迟的拷贝在一个比特时间内到达多径（Multipath）:障碍物反射信号，使得接收端接收到多个不同延迟的信号 多径传播的影响n假设：以给定频率在固定天线和移动节点之间的链路上发送一个窄脉冲 n无线网络的应用从逻辑上可以分成两类：n面向语音的应用 voice-orientedn面向数据的应用 data-oriented每一类都有局域和广域两个应用场合，从而形成四个不同的应用部分。无线网络应用 n面向语音的无线网络应用围绕着连接PSTN的无线网络，这些业务进一步形成局域网应用和广域网应用。n PSTN（Public Switched Telephone Network），公共交换电话网络，一种常用旧式电话系统。 n面向数据的无线网络应用围绕着Internet和计算机通信网络。这些业务进一步分为宽带局域与Ad-hoc（点对点）应用和广域无线数据应用。无线网络应用 面向语音无线网络发展的重大事件 n贝尔实验室的 FDMA（Frequency Division Multiple Access，频分多址）模拟蜂窝系统技术n欧洲的NMT（Nordic Mobile Telephony，北欧移动电话）n美国的AMPS（Advanced Mobile Phone System，高级移动电话系统）n北欧的TDMA（Time Division Multiple Access，时分多址）数字蜂窝系统技术n GSM（Global System for Mobile munication，全球移动通信系统，简称“全球通”）n北美的CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）数字蜂窝系统技术 n 3G（第三代蜂窝移动通信系统）技术面向语音的广域无线应用 n无绳电话n英国的CT-2 n欧洲的DECT（Digital European Cordless Telephone，数字欧洲无绳电话）n PCS服务n日本的PHP（Personal Handy Phone，个人手持电话），后来成为PHS（Personal Handyphone System个人手持系统，即“小灵通”） n英国的DCS-1800（GSM技术）n美国的PACS（Person Access Communications System，个人接入通信系统）面向语音的局域无线应用 面向数据无线网络发展的重大事件 面向数据无线网络发展的重大事件（续） n Motorola和IBM的ARDISn Ericsson的Mobitexn美国的CDPD（Cellular Digital Packet Data，蜂窝数字分组数据）n GSM上的GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线业务）n 3G技术面向数据的广域无线应用 n宽带无线局域网和Ad-hoc网络的一个主要特点是工作在ISM免许可证频段。n宽带局域无线应用n WLAN（无线局域网）n IEEE的802.11n欧洲的HiperLANn WATM（无线ATM）n Ad-hoc应用（WPAN） n蓝牙（Bluetooth）面向数据的宽带局域无线与Ad-hoc应用 n第一代（1G）无线系统是面向语音的模拟无线系统，使用FDMA技术实现。典型的1G标准：美国的AMPS、欧洲的TACS。n第二代（2G）无线系统是面向语音的数字无线系统，使用TDMA或窄带CDMA技术实现。典型的2G数字蜂窝移动标准：欧洲的GSM、北美的IS-54（IS-136）和IS-95以及日本的JDC，2G PCS标准：欧洲的CT-2和DECT、美国的PACS、日本的PHS，2G移动数据业务标准：CDPD、GPRS，2G WLAN标准：IEEE 802.11、HiperLAN。n第三代（3G）无线系统把蜂窝电话、PCS语音业务以及移动数据业务用各种分组交换数据业务综合在一个高语音质量、高容量、高速率的网络系统中。典型的3G标准： CDMA2000 、TD-SCDMA。无线网络发展 n无线网络中使用了两种基本拓扑类型n基础结构集中式（或称中心辐射式）拓扑n Ad-hoc（或称分布式）拓扑n基础结构网络n固定（有线）基础结构用来支持移动终端（MT，或称移动台MS）之间和移动终端与固定终端之间的通信。n通常设计用于大的覆盖区域和使用多个BS（Base Station，基站）或AP（Access Point，接入点）的情况。 无线网络拓扑 n基础结构网络拓扑图例 n无线蜂窝产品、IEEE802.11和大部分无线LAN产品都支持基础结构的使用。 无线网络拓扑 n Ad-hoc网络n Ad-hoc或分布式网络拓扑用于重组网络，它不需要固定的基础结构就能工作。n适于在移动或固定情况下快速部署无线网络。 n有2种Ad-hoc网络拓扑n单跳Ad-hoc网络。如：IEEE 802.11、PHS等。 n多跳Ad-hoc网络。如：HiperLAN。无线网络拓扑 n Ad-hoc网络拓扑图例（a） 单跳对等拓扑 （b） 多跳拓扑 无线网络拓扑 无线蜂窝系统 蜂窝概念n 1946年，美国AT&T贝尔实验室提出了蜂窝（cellular）通信的概念。n蜂窝通信是一种使用频率复用的智能方法，以使有限的带宽可以容纳巨大数量的用户。 蜂窝概念n基本原理：将覆盖区域分为大量相连的小区域，每个小区使用自己的、低功率的无线基站。由于同样的频谱在分散的区域内可以被多次复用，这样，每次建立一个新的基站（一个小区域）时，容量就会增加。n小区域被称为小区或单元（cell），一组小区组成区群（cluster）。 n一个区群中小区的数量称为区群大小或频率复用因子。n需要对这些小区域以智能的方式分配信道，以避免两种干扰：n同频道干扰（cochannel interference）n邻道干扰（adjacent channel interference） 蜂窝形状 频率复用N=4频率复用模型12 34576 12 3457612 3457612 34243 43 2131221 43134 N=7频率复用模型 n以FDMA为例，K为分配给系统的频率总数，N为频率复用模型蜂窝数，假定每个蜂窝区分配相同数量的频率，则每个蜂窝区有K/N个频率 频率复用n设参数n D 使用相同频段的蜂窝区最小中心间距n R 蜂窝区半径n d 相邻蜂窝区的中心距离n N 重用因子，重用模型中蜂窝区个数n在六边形蜂窝区模型中 n可能的N值为1、3、4、7、9、12、13等n存在下列关系3d R2 2 ( )N I J I J , 0,1,2,3,.I J 3D NR 增加容量n增加新信道（adding new channels）n频率借用（frequency borrowing）n蜂窝区分割（cell splitting）n蜂窝区扇形化（cell sectoring）n微蜂窝区（microcells） 蜂窝式系统的运行n蜂窝区中心设置基站BSn基站连接到移动电话交换局MTSOn MTSO和公共电话或电信网络连接n MTSO管理基站，执行越区切换，计费公共电信交换网移动电话交换局基站基站 基站固定电话 n移动单元和基站之间存在两种类型信道n控制信道n交换信息，建立和维持呼叫，同最近基站建立联系（短消息）n业务信道n在用户之间传递语音或连接数据 n当移动设备从一个蜂窝区移动到另一个时，网络将移动设备由一个基站分配给另一个基站n网络控制切换：通过对所接收到移动设备传来的信号进行计量，网络单独作出决策。n辅助越区切换：根据移动设备接收到的信号向网络提供反馈，使移动设备加入到越区切换的决策中。（移动台发起）越区切换（handoff） n切换方式n硬切换：先断开，再切换n软切换：先切换，后断开n越区切换决策的主要参数n信号强度n信噪比n距离 接入网与核心网n蜂窝无线网络可分为两个部分：接入网与核心网（AN and CN）n接入网定义了终端用户通过射频信道与网络中第一个服务实体之间的通信方式n多址方式、调制技术、信道编码、无线信道检错和纠错方案n核心网在不同接入网之间建立通信 n信令与控制、路由、业务和移动管理、MS数据库存储以及越区切换 一次典型呼叫过程n移动设备初始化n移动设备发起呼叫n寻呼n接收呼叫n继续呼叫n越区切换 n结束呼叫