【无线网络技术】——无线传输技术基础（学习笔记）

🕒 1. 无线传输媒体

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。
传输媒体可分为导向的(guided)和非导向的(unguided)两类。

• 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。
• 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)

电信用的电磁波频谱：

感兴趣的3个频段：

• 无线电广播频段：30MHz～1GHz，适用于全向应用。
• 微波：1GHz~100GHz，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。
• 红外线频谱段：3×10¹¹Hz～2×10¹⁴Hz，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。

🕘 1.1 地面微波

• 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。
• 用于建筑物之间的点对点线路。
• 常见的用于传输的频率范围为2GHz～40GHz。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。
• 微波传输的主要损耗来源于衰减。
• 微波（以及无线电广播频段）的损耗公式：$$L=10\lg {\left(\frac{4\pi d}{\lambda }\right)}^2$$
• 微波的损耗随距离的平方而变化
• 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。
• 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。
• 频率越高，使用的天线就越小、越便宜。

🕘 1.2 卫星微波

• 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。
• 卫星使用上下行两个频段：接收一个频段(上行)上的传输信号，放大或再生信号后，再在另一个频段(下行)上将其发送出去。
• 卫星主要应用：电视广播、长途电话传输和个人用商业网络
• 卫星传输的最佳频率范围为1GHz～10GHz。
• 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。
• 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。

🕘 1.3 广播无线电波

• 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。
• 无线电波(Radio) 是笼统术语，频率范围为3KHz~300GHz。
• 非正式术语广播无线电波(broadcast radio) 包括VHF频段和部分的UHF频段：30MHz～1GHz。
• 广播无线电波损伤的一个主要来源是多路径干扰。

🕘 1.4 红外线

• 红外线传输不能超过视线范围，距离短
• 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。
• 红外线不需要频率分配许可。

🕘 1.5 光波

• 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。
• 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。
• 激光的强度(非常窄的一束光)是它的弱点，不易瞄准。
• 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。

🕒 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，该导线系统用于将电磁能辐射到空间或用于将空间中的电磁能收集起来。

🕘 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 天线类型

🕤 2.2.1 偶极天线

散射模式：

🕤 2.2.2 抛物反射天线

🕘 2.3 天线增益

• 天线增益(antenna gain)是天线定向性的度量。与理论的全向天线(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：$$G=\frac{4\pi A_e}{{\lambda }^2}=\frac{4\pi f^2{A}_e}{c^2}$$

注：式中$G$（天线增益）、$A_e$（有效面积）、$f$（载波频率）、$c$（光速 3×10⁸m/s）、$\lambda$（载波波长）

🕒 3. 传播方式

由天线辐射出去的信号以三种方式传播：

• 地波(ground wave)：地波传播或多或少要沿着地球的轮廓前行，且可传播相当远的距离，较好地跨越可视的地平线
• 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
• 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：

🕒 4. 直线传输系统中的损伤

🕘 4.1 衰减和衰减失真(attenuation and attenuation distortion)

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。

• 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。
• 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：

• 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。
• 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。
• 高频下的衰减更为严重，会引起失真。

🕘 4.2 自由空间损耗(free space loss)

• 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。
• 在卫星通信中这是一种主要的信号损耗方式。
• 一个理想的全向天线，自由空间损耗是：$$\frac{P_t}{P_r}=\frac{(4\pi d{)}^2}{{\lambda }^2}=\frac{(4\pi fd{)}^2}{c^2}$$

注：式中$P_t$（传输天线的信号功率）、$P_r$（接收天线的信号功率）、$\lambda$（载波波长）、$d$（天线之间的传播距离）、$c$（光速 3×10⁸m/s）
这里的d和入具有同样的单位（都是m）。

以上的式子也可表示为下列形式：
$$\begin{gathered} L_{\mathrm{dB}}=10\lg \frac{P_t}{P_r}=20\lg \left(\frac{4\pi d}{\lambda }\right)=-20\lg \lambda +20\lg d+21.98（\mathrm{dB}） \\ =20\lg \left(\frac{4\pi d}{\lambda }\right)=20\lg f+20\lg d-147.56（\mathrm{dB}） \end{gathered}$$

对有些天线，还必须考虑天线的增益，这时所遵循的自由空间损耗等式为：
$$\frac{P_t}{P_r}=\frac{(4\pi {)}^2{d}^2}{G_r{G}_t{\lambda }^2}=\frac{(\lambda d{)}^2}{A_r{A}_t}=\frac{c{d}^2}{f^2{A}_r{A}_t}$$

注：式中$G_t$（传输天线的增益）、$G_r$（接收天线的增益）、$A_t$（传输天线的有效面积）、$A_r$（接收天线的有效面积）。

等式中的第三部分是由第二部分导出的，它利用了理想的全向天线自由空间损耗式子中定义的天线增益和有效面积之间的关系。我们也可把这一等式表示为如下形式：

$$\begin{gathered} L_{\mathrm{dB}}=20\lg \lambda +20\lg d-10\lg \left(A_t{A}_r\right) \\ =-20\lg f+20\lg d-10\lg \left(A_t{A}_r\right)+169.54（\mathrm{dB}） \end{gathered}$$

🕘 4.3 噪声(noise)

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。

噪声是对通信系统性能带来影响的主要限制因素。

噪声可以分为如下四类：

• 热噪声(thermal noise)：电子热扰动产生，存在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。
• 互调噪声(intermodulation noise)：不同频率信号共享介质产生。
• 串扰(crosstalk)：不同信号路径间融合，相邻双绞线间电子耦合产生。对射频及微波通信影响较大。
• 脉冲噪声(impulse noise) ：不规则脉冲或短时噪声尖峰，振幅较高。可能导致数字通信严重错误，可检测发现重传。

🕘 4.4 大气吸收(atmospheric absorption)

水蒸气和氧气是产生这种衰减的主要因素

• 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。
• 氧气的存在会导致在60GHz附近的吸收峰值，而在低于30GHz的频率处，这种影响会减少。

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。

🕘 4.5 多径(multi path)

🕘 4.6 折射(refraction)

• 当通过大气传播时，无线电波会被折射(或弯曲)。
• 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。

🕒 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随时间而改变，由此会产生比较复杂的传输结果。

🕘 5.1 多径传播

3种重要传播机制的示意图：反射®、散射(S)和衍射(D)

• 由于信号在传输过程中是通过多条路径实现的，但是在不同路径中都有衰落现象，这中衰落称为多径衰落。
• 多径效应引起的接收信号中脉冲宽度扩展的现象，称为时延扩展 。

存在随时间变化的多径脉冲中的两个脉冲：

🕘 5.2 衰退类型

• 移动环境中的衰退效果可以分为快速或慢速
• 衰退效果也可以分为平面的或选择性的。
  • 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。
  • 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。

信号衰落示意图：

🕘 5.3 差错补偿机制

• 前向纠错
• 自适应均衡
• 分集技术

🕒 6. 多普勒效应

• 多普勒效应是为纪念Christian Doppler而命名的。
• 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。
• 假设原有波源的波长为λ，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)/λ，如果观察者远离波源，则观察到的波源频率为(v-c)/λ。
• 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。
• 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。
• 尤其是高速移动宽带接入网络必须考虑多普勒效应。

🕒 7. 信号编码技术

🕘 7.1 数据﹑信号和传输的模拟与数字之分

• 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。
• 数据(data)定义为传达某种意义或信息的实体
• 信号(signal)是数据的电气或电磁表示
• 传输(transmission)是通过信号的传播和处理进行数据通信的过程

🕤 7.1.1 模拟数据和数字数据

• 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。
• 数字数据的值是离散的，例如文本和整数。

🕤 7.1.2 模拟信号和数字信号

• 数据以电磁信号的方式从一点传播至另一点
• 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
• 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。
  • 优点：通常比使用模拟信号便宜，且较少受噪声的干扰。
  • 缺点：比模拟信号的衰减要严重

• 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。
• 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。
• 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。
• 模拟数据，模拟信号：模拟数据很容易被转换为模拟信号。

🕤 7.1.3 模拟传输和数字传输

• 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
• 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。
• 数字传输(digital transmission)与信号的内容有关

🕘 7.2 信号编码准则

• 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，以下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。
  • 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。
  • 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。
  • 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。
• 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。
• 编码机制也可以用来改进传输性能
• 编码机制是一种简单的从数据位到信号元素的映射关系。

🕘 7.3 数字数据与模拟信号

• 最常用的应用是通过公用电话网传输数字数据。
• 电话网并不适用于处理来自用户端的数字信号。
• 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。
• 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：

🕘 7.4 模拟数据与模拟信号

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。
模拟数据的调制技术：调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)。

• 调制信号：$m(t)$
• 载波信号：$S(t)=A\cos (2\pi ft+\phi )$
• 调幅 A是调制信号的函数
• 调幅：$S_{AM}(t)=\left(A_c+m(t)\right)\cos \left(2\pi f_{c}t\right)$
• FM调频：f 是调制信号m(t)的函数
• PM调相：φ是调制信号m(t)的函数

🕘 7.5 模拟数据与数字信号

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)。

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。

🕒 8. 扩频技术

扩频技术最初是针对军事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：

🕘 8.1 直接序列扩频DSSS

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。

扩频通信中信号与噪声关系：

• 通过扩展带宽，根据香农定理，可以在更小的信噪比下获得同样的带宽和性能；
• 噪声与扩频码不相关，解扩后功率下降。

🕘 8.2 跳频扩频FHSS

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。

🕘 8.3 复用和多址

• 信道复用：两点间信道中同时传输互不干扰多个信号
• 多址接入：多点间实现互不干扰多边通信称：
• 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。
• 关键是设计正交信号集合，各信号彼此无关。实际较难实现完全正交和不相关，一般准正交，互相关很小。允许各信号间存在一定干扰。

频分复用(FDM)、时分复用(TDM)、码分复用(CDM)、空分复用(SDM)等。

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。详见下面链接的6.2节

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🕒 9. 差错控制技术

• 差错检测码(error detection code)
• 差错纠错码(error correction code)，也称为前向纠错FEC(forward error correction)码
• 自动重发请求ARQ(automatic repeat request)协议

🕘 9.1 奇偶校验

在待发送的数据后面添加1位奇偶校验位，使整个数据（包括所添加的校验位在内）中“1”的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。

• 如果有奇数个位发生误码，则奇偶性发生变化，可以检查出误码；
• 如果有偶数个位发生误码，则奇偶性不发生变化，不能检查出误码（漏检）

🕘 9.2 海明码

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作者：HinsCoder
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