第2章 宽带无线通信技术基础

1第2章宽带无线通信技术基础主要内容:2.1数字通信系统主要性能指标2.2传输信道概述2.3通信协议和协议分层结构2.4宽带无线通信物理层关键技术2.4.1扩频技术2.4.2OFDM技术22.1数字通信系统主要性能指标一般一个数字通信系统有如下技术指标：有效性可靠性适应性标准性维护性工艺性经济性3有效性和可靠性是数字通信系统最主要的两方面性能指标。有效性：传输速率（RB、Rb、码组速率、帧速率等）、频带利用率ηB。可靠性：差错率（Pe、Pb、Pg）、可靠度。42.1.1传输速率1．码元传输速率（RB）通常也叫码元速率、数码率、传码率、码率、波形速率或调制速率。指单位时间内传送码元的数目。RB=1/TbTb单位为秒（s）,RB单位为波特（B或Baud）。52．数据信息速率（Rb）通常也叫信息速率、传信率、比特率等。指单位时间内传送数据的信息量,单位为比特/秒（bit/s、b/s或bps）。对于M进制，每个符号等概出现的消息，则每个符号的信息量I为：I=log2M(bit)63．RB与Rb的关系Rb=RB·log2MM为多进制，M=2时二者相等。72.1.2频带利用率频带利用率（传输效率）用来描述系统传输速率与系统传输带宽之间的关系。表示单位频带内所能传输的信息速率。BRRbB）（系统频带宽度系统传输速率Β单位是波特／赫（B／Hz）或比特·秒-1／赫（bit·s-1／Hz）。82.1.3差错率表示在单位时间内系统传送数据时出现错误的概率。系统传输码元的总数出错的码元数eP1．误码率（码元差错率）9比特数）系统传输的总信息量（）出错的信息量（比特数bP2．误信率（误比特率）系统传输的总码组数出错的码组数gP3．误组率10例：某数字通信系统采用4电平调制，码元传输速率为1200波特，在半小时内共收到54bit错误信息，请计算系统的误信率。解：比特数）系统传输的总信息量（）出错的信息量（比特数bP=54/(1200×log24×30×60)=1.25e-5112.1.4可靠度是一个比较综合的可靠性指标，它反映了系统的总体性能。影响因素如MTBF、信道质量、操作维护水平等。%100系统工作总时间系统正常工作时间可靠度122.2传输信道概述发送设备信道信源发送端信宿接收设备接收端噪声图2-1通信系统的模型2.2.1信道的概念13信道是组成通信系统的三大部分之一，信道的特性直接影响着通信的质量。信道是指以传输媒介为基础的信号通路，它是传输数据的物理基础。信道的作用就是为了传输信号。（通信的目的是为了传输数据）142.2.2信道的分类1．按范围分类（1）狭义信道通常指具体的传输媒介，能够传输信号的任何抽象的或具体的通路，如：电话线、同轴电缆、光纤、微波、短波等。15（2）广义信道包含传输媒介和完成各种形式的信号变换功能的设备。如：调制信道、编码信道、数据链路、数据电路等。162．按传输的信号类型分类（1）模拟信道传输的是在幅度和时间上都连续变化的模拟信号。（2）数字信道是指在信道上只能传输数字信号的信道。利用模拟通道也可以构成数字信道。173．按信道的使用方式分类（1）专用信道指两点或多点之间的线路（信号通路）是固定不变的，通常是用户自己架设或专门租用的专用线路或固定路由的专用通路，如租用的光纤链路等。（2）公用信道是指通过公用交换网络，为广大用户（任何用户）提供服务的信道，如公用电话网、数字数据网等。184．按传输媒质分类（1）有线信道是指能够看得见、摸得着的信号线路。有线信道常见介质：双绞线、同轴电缆、光纤。（2）无线信道是指以自由空间为传输媒介的信道，也就是看不见、摸不着的那类信道。无线信道常见介质：中波信道、短波信道、微波信道、卫星信道。195．根据传输序列出错的关系分类（1）记忆信道指每个码元发生错误是与其前后码元之间有一定的关系。（2）无记忆信道是指当前码元的差错与其他码元无关系。理想的数字信道是无记忆信道。202.2.3信道容量信道容量（ChannelCapacity）是指通信系统的最大传输速率，也就是指信道的极限传输能力。信道容量可通过Shannon公式（模拟信道）和Nyquist准则（数字信道）来获得。211．模拟信道的信道容量模拟信道的信道容量可通过香农（Shannon）公式来获得。在加性高斯白噪声信道中，传输功率受限的信号，信道极限传输速率（信道容量）C为：C=Blog2(1+S/N)（bit/s）式中，B为信道带宽,单位为Hz；S/N是平均信号噪声功率比（信噪比），通常使用dB作为单位：10lg(S/N)。22得出的几个结论：①给定B、S/N，高斯白躁声信道能够保证无差错传输的极限传输速率为C；②R＞C，则不可能实现无差错传输；③通过B、S/N互换，可以保持C不变；④N=n0B，S、n0一定时，B→∞≠》C→∞。0/020022)/1(log)/1(log)/1(lognSBBBnSnSBnSNSBC020/020/44.1log])/1(lim[loglim0nSenSBnSnSCnSBBB23香农公式是利用信息论得出的，具有普遍意义；与信号电平级数、采样速度无关；此式仅是上限，难以达到。信道容量的意义：当传输速率不大于信道容量时，总可以找到一种方法，实现无差错的传输。但如果想要达到的传输速率大于信道容量，则无论用什么方法，都不可能实现无差错传输。241948年6月到10月，香农在《贝尔系统技术杂志》上连载发表了《通信的数学原理》。1949年，香农又在该杂志上发表了《噪声下的通信》。这两篇论文为信息论奠定了基础。人们通常将香农于1948年10月发表的论文《通信的数学原理》作为现代信息论研究的开端。由于在信息科学领域的卓越贡献，香农被称为“信息论之父”。克劳德.艾尔伍德.香农(ClaudeElwoodShannon1916—2001）25例：已知数据传输信道，信噪比为30dB，带宽为3kHz，求信道的最大数据传输速率。解：∵10lg(S/N)=30∴S/N=1030/10=1000∴C=Blog2(1+S/N)=3klog2(1+1000)≈30kbps。262．数字信道的信道容量1924年，奈奎斯特（H.Nyquist）推导出无噪声、对称无记忆、有限带宽数字信道（理想信道）的最高传输率（信道容量）公式（奈奎斯特准则）：C=2Blog2L（bit/s）式中，B为信道带宽,单位为Hz；L为传输采用的进制数。奈奎斯特准则是理想的最大值，实际系统无法超越。。27例：普通电话线路带宽约3kHz，请计算其传输二进制码元速率极限值；若码元采用16QAM调制，计算其最大信息传输速率。解：C1=2Blog2L=2×3klog22=6k(bps)。C2=2Blog2L=2×3klog216=24k(bps)。28对于带宽为3KHz的信道，若有8种不同的物理状态来表示数据（例如8QPSK调制方式），信噪比为20dB，问：结合Nyquist定理和Shannon定理计算最大限制的数据速率是多少？作业292.3通信协议和协议分层结构1．协议的概念2.3.1通信协议的一般概念协议是网络内使用的“语言”，用来协调网络的运行，以达到互通、互控和互换的目的，是通信网络中不可缺少的重要组成部分。我们把通信双方必须遵守的规则和约定的集合称为通信协议或通信规程。302．通信协议的三大要素（1）语法（Syntax）规定通信的双方以什么方式交流数据信息，即确定数据与控制信息的结构或格式，也即“如何讲”。Dataformats：数据格式Signallevels：信号电平31（2）语义（Semantics）规定通信的双方要交流哪些数据信息，即确定需要发出何种控制信息、完成何种动作、返回什么应答等，也即“讲什么”。Controlinformation：控制信息Errorhandling：差错控制32（3）定时关系（Timing）规定事件执行的顺序，即确定通信过程中通信的状态变化，也即“何时讲”和“何时答”。Speedmatching：速度匹配Sequencing：逻辑顺序33!@#$%^&*请讲国语？？？语言不通无法沟通!@#$%^&*因为缺乏语法定义没有统一数据格式无法通信通信失败!@#$%^&*请讲国语您好！不能切入正题您好！因为缺乏语义定义不知道要通什么内容，无法通信通信失败您好！无聊！！！!@#$%^&*请讲国语等待超时人怎么走了？莫名其妙因为缺乏定时关系可能导致超时或者进入死循环通信失败图2-2通信协议示意图34DispatcherMS2TSC环境侦听服务MS1超时失败11alt111alt11MSCAmbient_Listening_ServiceALS_Connected(Saddr=DISP,Taddr=MS2)ALS_REQ(Saddr=DISP,Taddr=MS2)P_PendingP_PendingP_PendingP_PendingC_ACKU(Reason=MessageAccepted)C_AHOY(ALS)(Saddr=DISP,Taddr=MS2)C_AHOY(ALS)(Saddr=MS1,Taddr=MS2)TV_GRANT(Saddr=DISP,Taddr=MS2)TV_GRANT(Saddr=MS1,Taddr=MS2)TV_GRANT(Saddr=MS1,Taddr=MS2)C_RAND(ALS)(Saddr=MS1,Taddr=MS2)图2-3通信协议示例35通信协议是一个复杂而庞大的通信规则的集合，它主要完成以下功能。（1）信号的发送与接收应规定的内容包括信息传送的格式、接口标准以及启动控制、超时控制等功能。（2）差错控制应使终端输出的数据具有一定的差错控制功能，目的终端根据收到的数据可进行相应的检错或纠错操作。3．协议的功能36（3）顺序控制对发送的信息进行编号，以免重复接收或者丢失。（4）透明性对传输的信息无限制，也即应采取必要的措施，保证所传送的数据信息为随机的比特序列。（5）链路控制与管理控制链路的建立和拆除，显示设备的工作状态等。37（6）流量控制为了避免链路阻塞，应能调节数据链路的信息流量，能够决定暂停或继续接受信息。（7）路径选择确定信息报文通过多个节点和链路到达目的节点的传播路径和最优的路径选择策略。（8）对话控制包括信息的处理、信息安全和保密、应用服务等内容。382.3.2通信协议的分层分层带来的好处：各层相互独立，所需知道的仅是层间接口所提供的服务；灵活性好，当任何一层发生变化时，只要接口关系保持不变，则相邻的层均不受影响，且层内提供的服务可修改，如提供的服务不再需要时，可将该层取消；结构上独立，各层都可以选择最适合的技术来实现；便于实现和维护；促进标准化工作。391．通信协议的分层原则（1）层次有序各层协议之间有一定的主从顺序，较低层为较高层提供服务。（2）按功能分层每层应实现定义明确的功能，即应根据功能进行分层。40（3）利于标准化各层功能的选择应有助于国际标准化协议。（4）层间信息量尽量少层次界面的选择应尽量减少跨过接口的信息量，主要目的是提高通信效率。41（5）各层彼此独立层次之间的独立性，有利于开发工作的规范化和严谨性。（6）层次的数量应适当层次过少会使每层协议变得复杂，层次过多会增加通信处理的开销，降低通信效率。422．OSI参考模型及各层功能OSI（OpenSystemInterconnection）是ISO(InternationalStandardOrganization)提出的的开放系统互连参考模型。所谓开放性，是强调只要遵循对OSI标准的系统就可以实现互相通信。OSI模型采用了层次化结构的构造技术，自下而上分成7层，每层都由较低层提供有意义的服务，同时又为较高层提供所定义的服务，高层依靠低层交换数据。43图2-4OSI参考模型44（1）物理层（PhysicalLayer）物理层是OSI参考模型的最低层，它利用传输介质为数据链路层提供物理连接。为此，该层定义了物理链路的建立、维护和拆除有关的机