無線網絡技術導論

主講教師：張亮老師

第二講無線傳輸技術基礎

1、傳輸媒體分類

引導性媒體(線纜媒體)，電磁波沿着一個固態媒體傳播。例如：金屬導體、玻璃或plastic 。
非引導性媒體(無線媒體)，提供了傳輸電磁信號的手段，但不加以引導。例如：大氣層、外層空間。

2、傳輸媒體的電磁頻譜

3、無線電波的傳播特性

4、無線電波屬性

（1）波長和頻率

波長(λ)，兩個相鄰的波峯之間的距離
波長和頻率的關係

光速(c)：電磁波在真空中的傳播速度(3*10⒏m/s)

頻率(f)：電磁波每秒震動的次數

5、無線電

頻率範圍在10kHz~1GHz之間,波長在幾百米至一釐米之間
射頻信號的能量可由天線和收發器決定。
能穿透牆壁，也可到達普遍網絡線無法到達的地方。
不受雪、雨天氣的干擾。
可全方向廣播，也可定向廣播

全向傳播

信號沿着所有的方向傳播
可被所有的天線接收
發射設備和接收設備不必在物理上對準

6、微波

頻率較高的無線電波(電磁頻譜較低GHz級頻率)
不能很好地穿透建築物
微波按照直線傳播
發射端和接收端的天線必須精確地對準

定向傳播（directional）

天線把所有的能量集中於一小束電磁波

7、紅外線

利用紅外光波傳送信號。採用電磁頻譜的THz範圍。發光二極管或激光二極管用於發射信號；光電管則能接收信號。
信號不能穿透牆壁等固體物體
易受強烈光源的影響
應用與優點：
短距離通信（TV、錄像機、DVD、音響等）
不同房間內的紅外系統互不干擾
防竊聽安全性比無線電系統好

（信號從天線出發通過三種路由發射）

地面波（ground wave）
天空波（sky wave）
直線傳播（line of sight）

1、地面波

沿着地球輪廓線
可以傳播很遠
頻率高達2MHz

例如
AM radio調幅無線電

2、天空波

信號從大氣電離層反射回地球
信號能傳播上幾個來回，在電離層和地球表面之間上下
比地面波範圍還要遠
反射效果由折射引發

例如
業餘無線電
民用波段無線電

3、視距傳播

傳輸和接收天線必須在視線內
視距傳播的距離一般爲20～50Km

1、衰退（fading）

傳輸媒體或者路徑使得接收信號的能量發生變化
在固定環境下：大氣層條件的變化（例如：下雨）
在移動環境下：障礙物的相對位置隨時間發生變化，造成複雜的傳輸效果— — 多徑傳播

2、反射（Reflection）

當信號遇到表面大於信號波長的障礙物（地球表面、高建築物、大型牆面）導致信號的相位發生漂移

3、衍射（Diffraction）

當信號遇到大於波長的不可穿透物的邊緣（例如無線電波中途遇到尖銳不規則的邊緣物）
即使沒有來自發送器的視線信號(LOS)也可接收到信號。

4、散射（Scattering）

當入境信號遇到波長小的物體（樹葉、街牌、燈柱）就發散成幾個弱的出境信號

5、多徑（Multipath）傳播

障礙物反射信號，使得接收端收到多個不同延遲的信號。
一個信號的多個拷貝以不同的相位到達：如果相位破壞性地疊加，則相對噪聲來說信號的強度就會下降（信噪比減小），導致接收端檢測困難。
信號串擾：一個脈衝的一個或多個延遲的拷貝在一個比特時間內到達

1、信號編碼技術——基本概念

數據（Data）傳遞（攜帶）信息的實體。
信息（Information）數據的內容或解釋。
信號（Signal）數據的物理量編碼（通常爲電編碼），數據以信號的形式在介質中傳播
模擬信號，時間上連續，包含無窮多個信號值
數字信號，時間上離散，僅包含有限數目的信號值。最常見的是二值信號
週期信號，信號由不斷重複的固定模式組成（如正弦波）
非週期信號，信號沒有固定的模式和波形循環（如語音的音波信號）。
信息編碼：將信息用二進制數表示的方法，例如：ASCII編碼、BCD編碼等
數據編碼：將數據用物理量表示的方法，例如：字符“A”的ASCII編碼爲01000001，其數據編碼可能爲

2、信息通過數據通信系統進行傳輸的過程

把攜帶信息的數據用物理信號形式通過信道傳送到目的地（信息和數據（二進制位）不能直接在信道上傳輸）

編碼：數據→適合傳輸的數字信號——便於同步、識別、糾錯
調製：數字信號→適合傳輸的形式——按頻率、幅度、相位
解調：接收波形→數字信號
解碼：數字信號→原始數據

不同類型的信號在不同類型的信道上傳輸有4種情況：

模擬傳輸和數字傳輸所使用的技術

模擬的和數字的數據、信號

編碼與調製的區別

編碼：用數字信號承載數字或模擬數據
調製：用模擬信號承載數字或模擬數據

編碼與解碼

調製與解調

3、信道複用技術

頻分複用、時分複用和統計時分複用

頻分複用：所有用戶在同樣的時間佔用不同的帶寬資源。
時分複用：所有用戶在不同的時間佔用同樣的頻帶寬度。

4、波分複用 WDM

波分複用就是光的頻分複用。

5、碼分複用 CDM

常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。
各用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。
這種系統發送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似於白噪聲，不易被敵人發現。

（1）、碼片序列(chip sequence)

每一個比特時間劃分爲 m 個短的間隔，稱爲碼片(chip)。

每個站被指派一個惟一的 m bit 碼片序列。

如發送比特 1，則發送自己的 m bit 碼片序列。
如發送比特 0，則發送該碼片序列的二進制反碼。

例如，S 站的 8 bit 碼片序列是 00011011。

發送比特 1 時，就發送序列 00011011，
發送比特 0 時，就發送序列 11100100。

S 站的碼片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)

（2）、重要特點

每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，並且還必須互相正交(orthogonal)。
在實用的系統中是使用僞隨機碼序列。

（3）、碼片序列的正交關係

令向量 S 表示站 S 的碼片向量，令 T 表示其他任何站的碼片向量。
兩個不同站的碼片序列正交，就是向量 S 和T 的規格化內積(inner product)都是 0：

（4）、正交關係的另一個重要特性

任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規格化內積都是1 。
一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規格化內積值是 –1。

（5）、CDMA 的工作原理

1、通信系統的兩個指標

通信系統中兩個基本問題：有效性和可靠性

有效性：是指通信系統傳輸信息效率的高低
可靠性：是指通信系統可靠地傳輸信息的能力

2、擴頻通信的理論依據

香農公式

式中C爲信道容量，它是信道可能傳輸的最大信息速率，W爲信道帶
寬，S爲有用信號的平均功率，N爲白噪聲的平均功率，S/N就是信噪比。

3、擴展頻譜的原理

擴頻通信的含義：擴頻通信技術是一種信息傳輸方式，其信號所佔有的頻帶寬度遠大於所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成，用編碼及調製的方法來實現的，與所傳信息數據無關；在接收端則用同樣的碼進行相關同步接收、解擴及恢復所傳信息數據。

頻道內將幾十個或者幾百個電路和發射機互相堆積
擴頻不去試圖消除干擾，相反歡迎它並將其設計到系統中。
使用非常寬的頻道
系統自動平衡、自我調節

4、擴頻技術的出現——反通信

直接序列擴頻（DSSS）直接序列擴展頻譜是爲實現保密話音通信而提出
跳頻擴頻（FHSS）跳頻擴展作爲反干擾策略提出

5、擴展頻譜基礎

模擬或者數字數據
採用模擬信號
將數據擴展到一個大的帶寬上
使干擾和竊聽非常困難
特點：傳輸信息所用的帶寬遠大於信息本身帶寬

6、擴頻系統的一般描述

7、噪聲調製

將類噪聲型信號加入到擬傳輸的信號之中

8、擴頻使用的兩種信號構建技術

直接序列擴頻（DSSS）使用調幅技術合併數據信號和載波信號的波形
跳頻擴頻（FHSS）不斷的在頻道之間切換載波信號來發射信號

9、直接序列擴展頻譜

基本原理

將兩個數字信號加到一起得到第三個實際傳輸比特流；

第一個信號是信息信號；
第二個信號是由隨機序列產生器產生的隨機比特流；
第三個比特流的速率與第二個信號相同；

具體方法

每個比特由擴展碼的多個比特表示
擴展碼信號佔更寬的頻率（擴展與所用的比特成比例，10比特擴展碼將信號擴展到10倍寬的頻道）
一種如下方法

將輸入信號與擴展碼進行XOR
輸入比特1反轉擴展碼
數據比特0不改變擴展碼
數據率與原始的擴展碼速率相同

優點：直接序列擴頻技術爲共享頻譜提供了可能。使用擴頻技術能夠實現碼分多址，即在多用戶通信系統中所有用戶共享同一頻段，但是通過給每個用戶分配不同的擴頻碼實現多址通信。

10、跳頻擴展頻譜