第2章无线通信和网络仿真技术基础

第2章无线通信和网络仿真技术基础2无线网络教学平台eelab.nbu.edu.cn/wirelessJin&Jiang,无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验,TsinghuaUniversityPress本章内容简介☆无线电频谱☆无线传输介质和方式☆扩频技术☆复用和多址技术☆调制技术☆天线技术☆损伤和衰落☆MIMO☆网络仿真技术简介☆NS2基础知识☆用NS2进行无线网络仿真3无线网络教学平台eelab.nbu.edu.cn/wirelessJin&Jiang,无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验,TsinghuaUniversityPress无线电频谱无线电频谱特点☆有限性☆排它性☆复用性☆非耗尽性☆传播性☆易干扰性详细内容见教材第28页4无线网络教学平台eelab.nbu.edu.cn/wirelessJin&Jiang,无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验,TsinghuaUniversityPress无线电管理部门☆联邦通信委员会(FCC)FCC是美国专门负责管理其国内及对外有线、无线和电视通信业务的行政决策机构，管理无线电广播、电视、电信、卫星和电缆等业务，协调国内和国际通信，涉及美国各州及所属地区。☆中国无线电管理局我国的专业无线电管理部门，依据《中华人民共和国无线电管理条例》等法律法规，负责无线电管理。5无线网络教学平台eelab.nbu.edu.cn/wirelessJin&Jiang,无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验,TsinghuaUniversityPress无线电频谱的划分根据无线电波传播及使用的特点，国际上将无线电波频谱划分为12个频段，通常的无线电通信只使用其中的第4~12频段。值得一提的是ISM(IndustrialScientificMedical，工业科学医疗)频段，即2.4~2.4835GHz主要开放给这三类机构使用，该频段是依据FCC的定义，无需许可证授权，属于免费使用。只需要遵守一定的发射功率(一般低于1W)，并且不要对其它频段造成干扰即可。详细的无线电频谱和波段划分见教材表2.16无线网络教学平台eelab.nbu.edu.cn/wirelessJin&Jiang,无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验,TsinghuaUniversityPress无线传输介质和方式无线传输介质☆传输介质指数据传输系统中发送方和接收方之间的物理路径☆传输介质可分导向和非导向两类⑴导向传输介质用于有线通信，包括双绞线、同轴电缆(粗缆和细缆)、光纤等。⑵无线通信和无线网络则使用非导向传输介质，包括无线电、微波、红外线、毫米波、光波等。7无线网络教学平台eelab.nbu.edu.cn/wirelessJin&Jiang,无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验,TsinghuaUniversityPress无线通信的主要方式包括无线电波、微波、红外线☆无线电波指在自由空间传播的射频频段的电磁波，其基本原理是导体中电流强度的改变会产生无线电波。☆微波一般频率在300M~300GHz之间，波长在1米到1毫米之间的电波。☆红外线它是太阳光线中众多不可见光中的一种，存在于太阳光谱中红光的外侧，也可作为传输介质。8无线网络教学平台eelab.nbu.edu.cn/wirelessJin&Jiang,无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验,TsinghuaUniversityPress微波通信☆微波频率高，波长很短，在空中的传播特性与光波相近，即直线前进，遇到阻挡会被反射或阻断。☆微波通信的主要方式是视距通信，超过视距则需中继转发。☆普遍适用于各种专用通信网☆微波通信的特点包括：容量大、质量好、可传至很远的距离9无线网络教学平台eelab.nbu.edu.cn/wirelessJin&Jiang,无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验,TsinghuaUniversityPress和其它传输系统一样，微波传输的主要损耗源于衰减。对于微波以及无线电广播频段，其损耗可表示如下：2410lgdLdB其中d是距离，λ是波长，二者单位相同10无线网络教学平台eelab.nbu.edu.cn/wirelessJin&Jiang,无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验,TsinghuaUniversityPress微波通信主要分为两大类：地面微波通信和卫星微波通信☆地面微波通信通常在视距范围内进行，收发双方一般为两个互相对准方向的抛物面天线。11无线网络教学平台eelab.nbu.edu.cn/wirelessJin&Jiang,无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验,TsinghuaUniversityPress☆地面微波通信的优点⑴容量大⑵质量高⑶成本低☆地面微波通信的缺点⑴易失真⑵易受环境影响⑶安全保密性差⑷维护成本详细内容见教材第32页☆卫星微波通信由卫星和地球站两部分组成。中继作用，连接两个或多个地球站的地面微波发射器或接收器。☆卫星微波通信的优点：范围大、距离远；不易受地面灾害影响；建设快，通信费用和距离无关；易实现广播和多址通信。☆卫星微波通信的不足：信号传输有时延，天线受太阳噪声影响，安全保密性较差，卫星本身造价高，等等13无线网络教学平台eelab.nbu.edu.cn/wirelessJin&Jiang,无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验,TsinghuaUniversityPress☆卫星微波通信由卫星和地球站两部分组成。卫星在空中起中继作用，连接两个或多个地球站的地面微波发射器或接收器。☆卫星微波通信的优点：范围大、距离远；不易受地面灾害影响；建设快，通信费用和距离无关；易实现广播和多址通信。☆卫星微波通信的不足：信号传输有时延，天线受太阳噪声影响，安全保密性较差，卫星本身造价高，等等。14无线网络教学平台eelab.nbu.edu.cn/wirelessJin&Jiang,无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验,TsinghuaUniversityPress红外线通信☆红外线通信是以红外线为载体进行数据传输的通信方式；☆红外线通信使用收发器调制出互不相干的红外线，就可实现通信；☆红外线通信不易被发现和截获，保密性强；☆红外线通信几乎不受电磁、人为干扰，抗干扰性强；☆红外线通信机体积小、重量轻、结构简单、价格低廉。15无线网络教学平台eelab.nbu.edu.cn/wirelessJin&Jiang,无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验,TsinghuaUniversityPress红外通信笔记本电脑进行红外线通信16无线网络教学平台eelab.nbu.edu.cn/wirelessJin&Jiang,无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验,TsinghuaUniversityPress扩频技术扩频(SpreadSpectrum，SS)是一种重要的通信技术，可用于传输模拟和数字信息。扩频方法的优点包括：⑴对各种类型噪声如多径失真具有免疫性。⑵可用于隐藏和加密信号。接收方必须知道扩展代码，才可恢复原始信息。⑶多个用户可独立使用同样的较高带宽，且几乎无干扰。17无线网络教学平台eelab.nbu.edu.cn/wirelessJin&Jiang,无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验,TsinghuaUniversityPress输出数据输入数据信道编码器调制器信道解调器信道解码器伪随机序列生成器扩展码伪随机序列生成器扩展码扩频系统的一般模型18无线网络教学平台eelab.nbu.edu.cn/wirelessJin&Jiang,无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验,TsinghuaUniversityPress扩频技术最早多用于军事和情报部门，通过将携带信息的信号扩展到较宽带宽中，以加大干扰和窃听的难度。目前占主流的两个扩频技术分别是跳频和直接序列，均在无线通信标准和产品中得到应用。19无线网络教学平台eelab.nbu.edu.cn/wirelessJin&Jiang,无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验,TsinghuaUniversityPress跳频扩频☆跳频扩频(FrequencyHoppingSS，FHSS)是用一定的扩频码序列进行选择的多频率频移键控调制，使载波频率不断跳变。☆发送方用看似随机的无线电频率序列广播信息，并在固定间隔里从一频率跳至另一频率。☆接收方接收消息时，也同步跳转频率。20无线网络教学平台eelab.nbu.edu.cn/wirelessJin&Jiang,无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验,TsinghuaUniversityPress扩频信号调制器(FSK/BPSK)二进制数据sd(t)带通滤波器(约为频率之和)频率合成器信道表伪随机数生成源c(t)FH扩频器s(t)(a)发送器扩频信号解调器(FSK/BPSK)二进制数据sd(t)带通滤波器(约为频率之差)频率合成器信道表伪随机数生成源c(t)FH解扩频器s(t)(b)接收器跳频扩频系统框图21无线网络教学平台eelab.nbu.edu.cn/wirelessJin&Jiang,无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验,TsinghuaUniversityPress一个跳频信号示例，8个信道分配了跳频信号。2f1f3f4f5f6f7f8f58371462能量频率1f2f3f4f5f6f7f8f频率时间跳频扩频示例22无线网络教学平台eelab.nbu.edu.cn/wirelessJin&Jiang,无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验,TsinghuaUniversityPress直接序列扩频☆直接序列扩频(DirectSequenceSS，DSSS)用具有高码率的扩频码序列在发送方直接扩展信号频谱，而接收方则用相同扩频码序列进行解扩，即把拓宽的扩频信号还原成原始信息。☆DSSS中，原始信号中的每一位在传输信号中以多位表示，即使用扩展编码。这种扩展编码能将信号扩展至更宽的频带范围上，该频带范围与使用位数成正比。23无线网络教学平台eelab.nbu.edu.cn/wirelessJin&Jiang,无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验,TsinghuaUniversityPress调制器(BPSK)伪随机数生成源sd(t)c(t)二进制数据s(t)扩频信号DS扩频器(a)发送器解调器(BPSK)伪随机数生成源sd(t)c(t)二进制数据s(t)扩频信号DS解扩频器(b)接收器直接序列扩频系统框图24无线网络教学平台eelab.nbu.edu.cn/wirelessJin&Jiang,无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验,TsinghuaUniversityPress●一种使用异或运算将数字信号流与扩展编码流相结合的DSSS技术实例输入数据A本地产生的伪随机位流B传送信号：CAB本地产生与上面相同的伪随机位流B接收信号CACB输出数据发送方接收方25无线网络教学平台eelab.nbu.edu.cn/wirelessJin&Jiang,无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验,TsinghuaUniversityPress复用和多址技术●通信技术中的一个关键是传输效率，即尽量充分利用信道(有线或无线)。实际上就是同时传输多个信号，在两点间的信道中同时传输互不干扰的多个信号称“信道复用”，而在多点间实现互不干扰的多边通信称“多址接入”。●本质是信号分割，即赋予各信号不同特征或地址。然后根据各特征间的差异来区分，按不同地址分发，以实现互不干扰的通信。26无线网络教学平台eelab.nbu.edu.cn/wirelessJin&Jiang,无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验,TsinghuaUniversityPress●复用或多址技术的关键是设计正交信号集合，使各信号彼此无关。实际工作中，实现完全正交和不相关较难，一般采用准正交，互相关很小。●常见的复用方式有频分复用(FDM)、时分复用(TDM)、码分复用(CDM)、空分复用