无线网络知识收集

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2008-07-15 11:54

1. 无线信道
       无线信道即“频段（Channel）”，是以无线信号作为传输媒体的数据信号传送通道。
       信道是对无线通信中发送端和接收端之间的通路的一种形象比喻，对于无线电波而言，它从发送端传送到接收端，其间并没有一个有形的连接，它的传播路径也有可能不只一条，但是我们为了形象地描述发送端与接收端之间的工作，我们想象两者之间有一个看不见的道路衔接，把这条衔接通路称为信道。信道具有一定的频率带宽，正如公路有一定的宽度一样。
     与有线通信中良好的信道状况(一般可以用加性白色高斯噪声信道来仿真)完全不同，移动通信中的无线信道状况非常恶劣，信道是多径、时变的，是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各个路径来的反射波到达时间不同，也就是各信号的时延不同。当发送端发送一个极窄的脉冲信号时，移动台接收的信号由许多不同时延的脉冲组成，我们称为时延扩展。

　　同时由于各个路径来的反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端迭加，有时迭加而加强（方向相同），有时迭加而减弱（方向相反）。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了快衰落。这种衰落是由多种路径引起的，所以称为多径衰落。

　　此外，接收信号除瞬时值出现快衰落之外，场强中值（平均值）也会出现缓慢变化。主要是由地区位置的改变以及气象条件变化造成的，以致电波的折射传播随时间变化而变化，多径传播到达固定接收点的信号的时延随之变化。这种由阴影效应和气象原因引起的信号变化，称为慢衰落。

　　而且，由于移动通信中移动台的移动性，如前所说那样，无线信道中还会有多普勒效应。在移动通信中，当移动台移向基站时，频率变高，远离基站时，频率变低。我们在移动通信中要充分考虑“多普勒效应”。虽然，由于日常生活中，我们移动速度的局限，不可能会带来十分大的频率偏移，但是这不可否认地会给移动通信带来影响，为了避免这种影响造成我们通信中的问题，我们不得不在技术上加以各种考虑。也加大了移动通信的复杂性。

　　综上所述，无线信道包括了电波的多径传播，时延扩展，衰落特性以及多普勒效应。

2. 信道估计
   由于无线信道有着很大的随机性，导致接收信号的幅度、相位、频率产生失真，从而给接收机的设计带来了很大的挑战。同时，在无线通信系统中，分集、信道均衡、最佳匹配接收机设计、最大似然检测、相干解调及自适应链路技术等均需要良好的信道估计的支持。因此，信道估计器是接收机中一个很重要的组成部分，信道估计也成为无线通信领域中一个非常重要的课题。
     信道估计可以定义为根据一定的估计准则，尽可能准确地描述出信道对输入信号的影响。对于线形信道，信道估计就是对信道的冲击响应进行估计。无线通信中常用的信道估计准则有最小均方误差准则(MMSE)和最大似然准则(ML)。
     信道估计算法大致可以分为两种，一种是基于训练序列的估计算法，一种是盲估计算法。基于训练序列的信道估计是指接收机利用已知的信息来进行信道估计，发射机周期性地发出接收机已知的训练序列，训练序列可以是与数据信息分离呈连续块状的信号，也可以均匀地插在数据信息中。
     根据接收到的训练序列，接收机利用信道估计算法不断更新估计信道模型的参数，并利用它来接收发射机发送的数据信息。基于训练序列的信道估计的优点是可以用于所有的无线通信系统中，缺点是训练序列的存在降低了信道传输的有效性，浪费了带宽，从而导致频谱效率的下降。另外，由于要将整帧的信号接收后才能提取出训练序列进行信道估计，带来了不可避免的时延，因此对帧结构要有所限制，比如当信道的相关时间小于帧长时算法的应用会受到限制。盲信道估计不需要训练序列，完全利用传输数据内在的信息来实现信道估计。显然，盲信道估计节约了带宽，但它的算法运算量较大、灵活性较差，因此在实时系统中的应用会受到限制。

3.均衡
     在带宽受限且时间扩散的无线移动信道中，由于多径影响而导致的码间干扰会使传输的信号产生变形，从而在接收时产生误码。所以码间干扰被认为是在移动无线通信信道中传输高速率数据时的主要障碍，而均衡正是解决码间干扰的一项技术。任何能够减小码间干扰的信号处理操作都可以认为是一种均衡，它可以在接收端的基带或者射频部分实现。
     均衡技术可以分为线形均衡和非线性均衡。如果接收信号经过均衡后，再经过判决器的输出被反馈给均衡器，并改变了均衡器的后续输出，那么均衡器就是非线性的，否则就是线性的。常用的非线性算法有判决反馈均衡(DFE)、最大似然符号检测及最大似然序列估值(MLSE)。显然，非线性均衡有着比线性均衡更好的性能，尤其是在信道中有深度衰落导致失真太严重的时候。均衡器一般可以用线性横向滤波器或格型滤波器实现。
     由于移动衰落信道具有随机性和时变性，这就要求均衡器必须能够实时地跟踪移动通信信道的时变特性，这种均衡器被称为自适应均衡器。自适应均衡器一般包含两种工作模式，即训练模式和跟踪模式。首先，发射机发射一个已知的、定长的训练序列，以便接收机的均衡器可以完成正确的设置。典型的训练序列是一个二进制伪随机信号或是一串预先指定的数据位，而紧跟在训练序列之后被传送的是用户数据。接收机的均衡器将通过递归算法来评估信道特性，并且修正均衡滤波器的参数以对信道进行补偿。在设计训练序列时，要求做到即使在最差的信道条件下，均衡器也能够通过这个序列得到正确的滤波器系数，从而在收到训练序列后，均衡器的滤波系数已经接近于最佳值。当接收用户数据时，均衡器通过均衡的自适应算法不断改变滤波特性，从而跟踪不断变化的信道。近年来，盲均衡在通信和信号处理领域受到了普遍关注，盲均衡是指均衡器能够不借助训练序列，而仅仅利用所接收到的信号序列即可对信道进行自适应均衡，从而节省带宽。

4.分集
   分集技术是通信中的一种用相对较低廉的投资就可以大幅度地改进无线链路性能的强有力的接收技术。与均衡不同，分集技术不需要训练码，从而节省了开销。分集技术通过查找和利用自然界无线传播环境中独立或者至少是高度不相关的多径信号来实现。在实际应用中，分集的各个方面的参数都由接收机决定，发射机并不知晓分集的情况。分集的概念可以简单地解释如下：如果一条无线传播路径中的信号经历了深度衰落，而另外一条相对独立的路径中可能仍包含着较强的信号，从而可以在多径信号中选择两个或者两个以上的信号。分集的好处是它对于接收端的瞬时信噪比和平均信噪比都有提高，通常可以提高20～30 dB。
     空间分集，又被称为天线分集，是无线通信中使用最多的分集形式，它既可以用于移动台，也可以用于基站，或者同时应用于两者。空间分集基于这样一个事实：在移动台端，如果天线间的相隔距离等于或者大于半个波长，或者在基站端分集天线间的相隔距离大于一定值(通常是几十个波长)，那么不同的分集天线上收到的信号包络将基本上是不相关的。空间分集按接收方法可以分为4类：反馈或扫描分集、选择分集、等增益分集及最大比率合并，分集增益依次增加。
     极化分集基于水平极化和垂直极化路径不相关这一特性。在传输信道的反射过程中，不同极化方向的反射系数不同，这使得信号的幅度和相位的变化产生差异，在经过足够多次的反射后，不同极化方向上的信号就变成相互独立或者接近相互独立。
频率分集是在多个载频上传送信号，它基于在信道相干带宽之外的频率上不会出现相同的衰落的原理，理论上，不相关信道产生同样衰落的概率是各自产生的衰落概率的乘积。频率分集的缺点是不仅需要备用带宽，而且需要有和频率分集中采用的频道数相等的若干个接收机，所以一般应用在特殊业务中。
     时间分集是指以超过信道相干时间的时间间隔重复发送信号，以便让再次收到的信号具有独立的衰落环境，从而产生分集效果。

5. 流量聚合
     流量聚合可以泛指将多个较低速率的业务流合并在一个高带宽的信道中传送，也可称为流量汇聚、流量疏导或业务量疏导。含义相近的英文词有Join, Merge, Aggregate, Bundle等。在光WDM网络中，流量聚合是指多个独立的低速率数据流在具有高带宽的光路中复用传送；对于GMPLS而言，就是将多个具有不同速率的标记交换通路(LSP)复用到光路中传送。实际上，在SDH/SONET网络和ATM、MPLS网络中都有流量聚合，例如ATM的虚通道连接(VPC)可容纳多个虚信道连接(VCC)，MPLS网络中多个高层IP业务流可聚合到LSP。
     在光WDM网络中，可有多种聚合方式，上述的波带交换也是一种聚合。流量聚合和波长聚合是光网络中两种典型的聚合。由于很多高层应用所要求的带宽往往低于一个波长的带宽，通过流量聚合可以提高光路的使用效率，或者说，当波长的带宽可以容纳较多的LSP时，每条光纤上的波长数就可以减少。在具体实现时要考虑将LSP聚合到波长的准则，即当某些波长已经分配了部分容量时，应该选择哪个波长来容纳新的LSP请求。可以有两种基本方式：填满(Packing)方式或铺开(Spreading)方式，前者是尽量选择已占有较多容量而又能容纳新的LSP的波长，后者是选择容量分配较少的波长，使得各个波长的负荷比较均匀。研究表明，填满方式的性能较好，阻塞率较低。
     波长聚合是将包含多个波长的光纤作为整体通过节点中的光纤交叉连接(FXC)进行交换，某些光纤可以通过分路器进入波长交叉连接(WXC)进行波长交换。波长聚合的得益是，由于只有一部分光纤需要分路，可以简化节点的交换结构。
     流量聚合的实现和选路与波长分配(RWA)有关，流量聚合也是RWA的研究方向之一。

6.多输入多输出天线
　多输入多输出(MIMO)天线是一种能够有效提高衰落信道容量的新技术。它在发送方和接收方都有多副天线，因此可以看成是双天线分集的扩展。不同之处在于MIMO有效使用了编码重用(CR)技术，可用相同的信道编码和扰码调制多个不同的数据流。若基站使用M副天线、N个扩频码，则一个数据流可以被分成M×N个子数据流。每个扩频码对M个子数据流进行扩频，然后数据流将被加上相互正交的导频并被同一扰码加扰，最后分别被送入M副天线。这样，发送端发送的各路子数据流所使用的扩频码、发射天线将各不相同，减少了干扰。接收端也使用多副天线，天线数为M′(满足M′大于M)，在接收端使用不同扩频码的子数据流可以利用扩频码的正交性分离出来，对于采用相同扩频码的子数据流，需要根据它们的空间信道信息，利用V-BLAST算法来区分。为了保证相同扩频码的各个子数据流能够有效分离，各个天线之间必须保持较大的距离，以防止信号的相关干扰。根据原理，这种使用编码重用的系统峰值吞吐量应当是单天线系统的M倍。在实际应用中，某些媒体数据率能够通过联合使用编码重用与低阶调制来实现(如用16QAM代替64QAM)，这样，相对于使用高阶调制来达到同一数据速率的单天线系统，编码重用不仅能降低系统信噪比的要求，而且能够提高系统的性能。

7.自适应调制与编码
自适应调制与编码(AMC)是一种根据信道情况自适应改变调制及编码方式的技术。信道情况可以通过基于接收机反馈的方法进行估计。在一个利用AMC的系统中，处于小区中心的用户通常被分配更高阶的调制或编码速率(如64QAM、3/4码率Turbo码)；而处于小区边缘的用户被分配较低阶的调制或编码速率(如QPSK、1/2码率Turbo码)。

　　使用AMC有以下优点：

　　(1)处于信道情况好的用户可以分配更高的调制方式及编码速率，这样能够提高整个小区的平均数据吞吐量。

　　(2)基于调制编码方式改变的链路级AMC相对于发送功率控制的方法能够减小干扰的变化。

　　(3)将AMC与时域调度相结合，

　　利用用户终端的快速衰落特点可以使终端处于低衰落状态。

　　在3GPP R5中，AMC技术被用来提供多用户高速下行数据业务。

8. 多径衰落
　多径衰落(Multipath fading)即由多径效应引起的衰落。通常，电波在移动环境中传播时，会遇到各种物体阻挡，经反射、散射、折射和绕射等不同路径到达接收天线，成为通过各个路径到达的合成波。由于各路径分量的幅度和相位各不相同，因此合成波信号起伏很大，称为多径衰落。多路径场分量间的干涉形成接收场的衰落。各路径场分量的相位与频率有关，因而它们相互干涉后的接收场的幅度也与频率有关，这种特性称频率选择性。频率选择性衰落可以产生明显的交调和误码，克服方法是分集接收。电离层短波传播、对流层微波视线和散射传播、移动无线电信号传播均可出现明显的多径衰落。多径传播形式主要有：直射波、漫反射、镜面反射和有阴影遮蔽的直射波。

　抗多径衰落除了在系统设计时留有必要的多径衰落储备余量外，还可以采取如下几种措施：

采用交织编码与卷积编码相结合技术
采用极化成形技术
采用差分调制方式

9. 空分多址
　对于移动通信系统的多址接入问题，目前已经提出并实现了3种多址方式如FDMA、TDMA、CDMA，空分多址(SDMA)依靠阵列天线来实现多址，将是非常有前途的第4种多址方式。空分多址基于智能天线技术，用波束赋形来分隔不同方向的用户，使同一组资源可以在不同方向上复用，可成倍提高系统容量。使用SDMA技术要求天线波束赋形技术更完善，不同波束之间的干扰应大大降低。在存在多址干扰的环境下和使用有限天线阵列尺寸的条件下，以目前技术水平(包括算法复杂度和微电子处理能力)达到理想的赋形波束还相当困难。

10. 信道编码
数字信号在传输中往往由于各种原因，使得在传送的数据流中产生误码，从而使接收端产生图象跳跃、不连续、出现马赛克等现象。信道编码的本质是增加通信的可靠性。通过信道编码这一环节，对数码流进行相应的处理，使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力，可极大地避免码流传送中误码的发生。误码的处理技术有纠错、交织、线性内插等。

11. 多普勒效应
多普勒效应是为纪念Christian Doppler而命名的,他于1842年首先提出了这一理论.

　　他认为声波频率在声源移向观察者时变高,而在声源远离观察者时变低.一个常被使用的例子是火车,当火车接近观察者时,其汽鸣声会比平常更刺耳.你可以在火车经过时听出刺耳声的变化.同样的情况还有:警车的警报声和赛车的发动机声.

　　把声波视为有规律间隔发射的脉冲,可以想象若你每走一步,便发射了一个脉冲,那么在你之前的每一个脉冲都比你站立不动是更接近你自己.而在你后面的声源则比原来不动时远了一步.或者说,在你之前的脉冲频率比平常变高,而在你之后的脉冲频率比平常变低了.

　　多普勒效应不仅仅适用于声波,它也适用于所有类型的波形,包括光波.科学家Edwin Hubble使用多普勒效应得出宇宙正在膨胀的结论.他发现远处银河系的光线频率在变高,即移向光谱的红端.这就是红色多普勒频移,或称红移.若银河系正移向他,光线就成为蓝移.

在移动通信中，当移动台移向基站时，频率变高，远离基站时，频率变低，所以我们在移动通信中要充分考虑“多普勒效应”。当然，由于日常生活中，我们移动速度的局限，不可能会带来十分大的频率偏移，但是这不可否认地会给移动通信带来影响，为了避免这种影响造成我们通信中的问题，我们不得不在技术上加以各种考虑，也加大了移动通信的复杂性。

12. 无线Mesh网络？

     无线Mesh网络（无线网状网络）也称为“多跳（multi-hop）”网络，它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。
     在传统的无线局域网(WLAN)中，每个客户端均通过一条与AP相连的无线链路来访问网络，用户如果要进行相互通信的话，必须首先访问一个固定的接入点(AP)，这种网络结构被称为单跳网络。而在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。
这种结构的最大好处在于：如果最近的AP由于流量过大而导致拥塞的话，那么数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。依此类推，数据包还可以根据网络的情况，继续路由到与之最近的下一个节点进行传输，直到到达最终目的地为止。这样的访问方式就是多跳访问。
     其实人们熟知的Internet就是一个Mesh网络的典型例子。例如，当我们发送一份E-mail时，电子邮件并不是直接到达收件人的信箱中，而是通过路由器从一个服务器转发到另外一个服务器，最后经过多次路由转发才到达用户的信箱。在转发的过程中，路由器一般会选择效率最高的传输路径，以便使电子邮件能够尽快到达用户的信箱。
     与传统的交换式网络相比，无线Mesh网络去掉了节点之间的布线需求，但仍具有分布式网络所提供的冗余机制和重新路由功能。在无线Mesh网络里，如果要添加新的设备，只需要简单地接上电源就可以了，它可以自动进行自我配置，并确定最佳的多跳传输路径。添加或移动设备时，网络能够自动发现拓扑变化，并自动调整通信路由，以获取最有效的传输路径。

13.信道捆绑

信道捆绑也称增强模式，是将2个信道结合，以达到更高的数据吞吐能力。绑定后的双信道看上去象在一个单独的信道里接收和发送信号。比如802.11b+和802.11a+，可以达到22Mbps和108Mbps的速率，实际增加的速率约在20%~50%，该模式是消耗多个信道来进行传输的，对于家庭用户，或许只用一个AP就足够了，选择增强式产品无疑是个不错的选择。

需要指出的是，信道捆绑使邻道干扰问题更加突出。对于企业或大规模应用，信道捆绑得不偿失，要获得少量的增量带宽时，必定以更少的布点和连接数为付出代价，。

14.空中接口（Air Interface）

空中接口（Air Interface）是指用户终端（UT）和无线接入网络（RAN）之间的接口，它是任何一种移动通信系统的关键模块之一，也是其“移动性”的集中体现。

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