无线通信技术基础知识

无线通信技术

1.传输介质

传输介质是连接通信设备，为通信设备之间提供信息传输的物理通道；是信息传输的实际载体。有线通信与无线通信中的信号传输，都是电磁波在不同介质中的传播过程，在这一过程中对电磁波频谱的使用从根本上决定了通信过程的信息传输能力。

传输介质可以分为三大类：①有线通信，②无线通信，③光纤通信。

对于不同的传输介质，适宜使用不同的频率。具体情况可见下表。

不同传输媒介可提供不同的通信的带宽。带宽即是可供使用的频谱宽度，高带宽传输介质可以承载较高的比特率。

2无线信道简介

信道又指“通路”，两点之间用于收发的单向或双向通路。可分为有线、无线两大类。

无线信道相对于有线信道通信质量差很多。有限信道典型的信噪比约为46dB，(信号电平比噪声电平高4万倍)。无限信道信噪比波动通常不超过2dB,同时有多重因素会导致信号衰落（骤然降低）。引起衰落的因素有环境有关。

2.1无线信道的传播机制

无线信道基本传播机制如下：

①直射：即无线信号在自由空间中的传播；

②反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发生反射，反射一般在地球表面，建筑物、墙壁表面发生；

③绕射：当接收机和发射机之间的无线路径被尖锐的物体边缘阻挡时发生绕射；

④散射：当无线路径中存在小于波长的物体并且单位体积内这种障碍物体的数量较多的时候发生散射。散射发生在粗糙表面、小物体或其它不规则物体上，一般树叶、灯柱等会引起散射。

2.2无线信道的指标

(1)传播损耗:包括以下三类。

①路径损耗：电波弥散特性造成，反映在公里量级空间距离内，接收信号电平的衰减（也称为大尺度衰落）；

②阴影衰落：即慢衰落，是接收信号的场强在长时间内的缓慢变化，一般由于电波在传播路径上遇到由于障碍物的电磁场阴影区所引起的；

③多径衰落：即快衰落，是接收信号场强在整个波长内迅速的随机变化，一般主要由于多径效应引起的。

(2)传播时延：包括传播时延的平均值、传播时延的最大值和传播时延的统计特性等；

(3)时延扩展：信号通过不同的路径沿不同的方向到达接收端会引起时延扩展，时延扩展是对信道色散效应的描述；

(4)多普勒扩展：是一种由于多普勒频移现象引起的衰落过程的频率扩散，又称时间选择性衰落，是对信道时变效应的描述；

(5)干扰：包括干扰的性质以及干扰的强度。

2.3无线信道模型

无线信道模型一般可分为室内传播模型和室外传播模型，后者又可以分为宏蜂窝模型和微蜂窝模型。

（1）室内传播模型：室内传播模型的主要特点是覆盖范围小、环境变动较大、不受气候影响，但受建筑材料影响大。典型模型包括：对数距离路径损耗模型、Ericsson多重断点模型等；

（2）室外宏蜂窝模型：当基站天线架设较高、覆盖范围较大时所使用的一类模型。实际使用中一般是几种宏蜂窝模型结合使用来完成网络规划；

（3）室外微蜂窝模型：当基站天线的架设高度在3~6m时，多使用室外微蜂窝模型；其描述的损耗可分为视距损耗与非视距损耗。

3信道复用

3.1基本概念

信道复用是指多个用户同时使用一条信道。为了区分多个用户的信号，理论上采用正交划分的方法。复用方法有以下三大类：

第一类，多路复用：实现的方法有①频分复用、②时分复用、③码分复用、④空分复用、⑤极化复用、⑥波分复用。

第二类，多路复接：充分利用频带和时间，预先分配给多个用户资源，使得每条信道为多个用户共享。

第三类，多址接入：与多路复用方式不同，多址接入的用户网络资源可动态分配，可由用户在远端随时提出共享要求（例如卫星网络、以太网）。实现的方法包括①频分多址、②时分多址、③码分多址、④空分多址、⑤极化多址、⑥波分多址、⑦利用统计信号特性多址等。

3.2无线通信的多址复用技术

信道分割：赋予各个信号不同的特征，根据信号特征之间的差异来区分，实现互不干扰的通信。

无线通信信号的有三个维度，如下图。

无线通信信号的三个维度：频率、时间、码型

无线通信的信道复用方法有三种：频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）。

频分多址方式如下图，该技术较为成熟，在模拟蜂窝移动通信系统、卫星通信、少部分移动通信中使用该种方式、一点多址微波通信中，均有此类技术应用。

频分多址（FDMA）

时分多址（FDMA）将传递时间分割成周期性的帧，每一帧在分隔成若干个间隙，各用户在同一频带中，使用各自指定的时隙。

此类通信方法由于实际信道中幅频特性、相频特性不理想，同时由于多径效应等因素影响，可能形成码间串扰。

时分多址（FDMA）只能传送数字信号，按照收发方式的区别，可分为频分双工方式（FDD）和时分双工（TDD）。FDD中上行链路与下行链路占用不同的频段，帧结构可相同也可不同；TDD占用同一个频率，采用不同时隙发送和接收，无需使用双工器。

时分多址（TDMA）

码分多址（CDMA）：以相互正交的码序列区分用户。基于频谱扩展的通信方式，即扩频方式。不同用户采用不同的码序列对信号进行解析。CDMA是今后无线通信中主要的多址手段。

码分多址（CDMA）

空分多址（SDMA）：利用不同用户的空间特征（即用户的位置）区分用户，采用窄波天线对准用户，每个用户只能获取到对准的天线发送来的信号，最终实现分址。该方式主要应用于卫星通信，未来随着智能天线的发展，在其他领域也将有一定发展空间。

4扩频通信技术

4.1扩频通信简述

扩频通信具有如下特征：

①其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必须的最小宽度；

②频带的扩展通过独立的码序列完成，与所传信息数据无关。；

③抗干扰能力强、误码率低、暴民性能强、功率谱密度低、易于实现大容量多址通信。

4.2扩频通信实现方法

扩频技术利用伪随机编码对将要传输的信息数据进行调制，实现频谱扩展后在传输；在接收端，采用相同的伪随机码进行调制及相关处理，恢复成原始信息数据。此过程有以下两个特点：

①信息的频谱扩展后形成宽带传输；

②相关处理后恢复成窄带信息数据。

扩频技术的实现需要以下三方面的机制：

（1）信号扥频谱被展宽。频带是指信息带宽（如语音信息带宽为300~3400Hz，图像信息带宽一般为6MHz）。扩频通信的信号带宽（可理解为电磁波的频率）要比信息带宽（可

理解为比特率）高100~1000倍。

（2）采用扩频码序列调制来扩展信号频谱。扩频码序列（PN码）是指一组序列很窄，码速率很高，与所传信息无关，用于扩展信号频谱作用的码序列。

（3）在接收端应用相关解调来接扩。接收端与发射端使用相同的扩频码序列，与收到的扩频信号进行相关解调，恢复所传信息。

4.3扩频通信的目的

扩频通信能够实现的有益效果：提高通信的抗干扰能力。

由于噪声与干扰信号随机，不能通过扩频码序列被解调，原始信号中掺杂的噪声和干扰，解调后即消失（由宽频变为窄频）。

（可理解为：通过使用比原信息大得多的信号频谱，换取更强的抗干扰能力）

4.4扩频通信的主要技术指标

扩频的主要技术指标：（1）处理增益、（2）干扰容限

处理增益（G P）:指扩频信号带宽W与基带数据信号带宽B之比。该值的大小与系统的抗干扰能力成正比。

干扰容限：在系统能够正常工作的前提下，能够承担的干扰信号分贝（dB）数。

4.5扩频通信的几种实现方式

扩频通信有两种实现方式：直接序列扩频（DS）、跳变频率扩频（FH）、跳变时间扩频（TH）、混合扩频。

直接序列扩频（DS）。发射端通过速率很高的编码序列进行调制，将频谱展宽，接收端按照本地的编码序列进行反扩展，获得窄带信号。解扩后的信号经普通信息解调器进行解调，恢复成原始的信息码。（信号频率一定，只改变信息基带频率）

跳变频率扩频（FH）。在载波频率在很宽的频带范围内，按照PN码进行某种序列的跳变。（直接改变信道的频率），可通过躲避干扰频率暗来躲避干扰。（一个电磁干扰源的频率一般不发生改变）。

跳频时间扩频（TH）。该方法简称跳时，在PN码控制下，伪随机的在一盏的不同时隙内以突发信号型式发送。由于时隙中的突发信号速率比原信号高，从而达到扩频目的。

混合扩频：同时存在上述三种方式的扩频，即为混合扩频。

5正交频分复用（OFDM）技术

5.1 OFDM概述

OFDM属于一种无线环境下的多载波调制技术，其特征如下：通过在DSP或其他高速处

理器上实现离散福利叶变换或快速傅里叶变换，在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。由于频谱之间相互重叠且正交，可在提高频谱利用率的同时，避免子载波之间的干扰。

5.2 OFDM技术特点

优势：

①增强了抗频率选择性衰落和抗窄带干扰的能力。

②每个载波所使用的调制方法可以不同。

③采用功率控制和自使用调制向协调工作方式，可随意对发射功率、调制方式进行调整，在功率控制与自适应调制之间取得平衡。

劣势：

①对频偏和相位噪声较敏感。

②峰值功率很大；

③自适应调制技术会导致系统过于复杂。

6重要概念

同步：发送器和接收器必须达成同步。接收器须能够判断信号的开始到达时间、结束时间和每个信号的持续时间。

差错控制：对通信中可能出现的错误进行检测和纠正。

恢复：若信息交换中发生中断，需要使用恢复技术，（继续从终端处开始继续工作？还是恢复到数据发送前的状态？）

带宽：可分为信道带宽和信号带宽两部分。信道带宽为传送电磁波的有效频率范围；信号带宽为信号所占据的频率范围。

利用率：吞吐量和最大数据传输速率之比。其中吞吐量时信道在单位时间内成功传输的信息量。

延迟：发送者发送第一位数据开始，到接收者成功收到最后一位数据为止所经历的时间。该延迟分为传输延迟和传播延迟。传输延迟与数据传输速率、发送机/接收机/中继/交换设备的处理速度有关；传播延迟与传播距离有关。

抖动：延迟的实时变化为抖动。与设备处理能力和信道拥挤程度有关。

差错率：分为比特差错率、码元差错率、分组差错率。

数据通信

数字调制技术：由于无线通信的传输媒介为电磁波，电磁波必须为正弦波的型式，通信信息需要调制到正弦波上，具体实现方法如下图。

2ASK振幅键控调制（s(t)为信号波形，e0(t)为调制后的信号）

2FSK频移键控调制（s(t)为信号波形，e0(t)为调制后的信号）

2PSK相移键控调制（s(t)为信号波形，e0(t)为调制后的信号）

7我国无线电业务频率划分

无线电频率划分，其中中国大陆地区ISM频段（保证发射功率不大于1W，不需要授权的无线频段）。