Wireless Communications by Andrea Goldsmith的读书笔记。
无线通信概述
无线通信的历史
- 最原始的无线通信系统利用烟、光等信号在视线范围内传输信息,并产生了原始的中继和编码。
- 1880s Marconi发明无线电(Radio)通信
- 早期的无线电系统采用模拟信号(analog signal),目前绝大多数无线系统采用数字信号(digital signal)。WW2及其后产生了一系列为军事用途设计的无线电系统,支持了ad hoc networks, packet radio等方面的研究
-
蜂窝网络(cellular)是目前最成功的无线通信应用。
- 商用卫星通信系统。卫星通信系统一般按轨道高度分为低地球轨道(low-earth orbit, LEO)、中地球轨道(medium-earth orbit, MEO)和地球静止轨道(geosynchronous orbit, GEO)。1963年首次实现了同步卫星通信。新的卫星通信系统则常采用LEO以降低对设备能量的要求。
无线通信的技术挑战与对策
有线系统的冲击
- 无线通信系统无法和有线通信系统(如光纤通信)在带宽、可靠性和成本上进行竞争。
- 发挥无线通信的灵活性、抗灾性和移动性。
- 设计无线通信系统和有线基础设施间协作的协议仍是一大挑战。
无线衰落信道
- 当通信双方或一方在移动时,无线信道的衰落和延迟等性质会随着时间随机的变化,并且难以进行预测,这使得设计可靠系统具有挑战。
-
电磁波传播
- 直射(line-of-sight, LOS)
- 反射(reflection):在相对波长而言大尺度的物体表面发生,如地表、路面、建筑物墙壁。
- 绕射(diffraction):在尖锐的边缘发生,电磁波“绕过”该障碍物传播。
- 散射(scattering):在粗糙表面、小物体、不规则表面(物体尺度小于波长)发生。
- 大尺度路径损耗(large-scale propagation effects or local mean attenuation)。无线信号随距离的衰落可以归于两种主要效应:路径衰落(path loss)和阴影衰落(shadowing)。Path loss由发射能量在空间中耗散引起。Shadowing由传播路径上的障碍物吸收能量引起。Path loss和Shadowing引起的衰落发生在相对较长的距离上,所以它们也被称为大尺度衰落。
-
小尺度多径传播(small-scale propagation effects or multipath fading)。当同一信号沿多个路径传播(multipath)时,接受的信号由多个子径信号合成。这些子径信号具有不同的传播时延。在信号频率与时延差值的积较大(>>1)时,时间上的不同会导致明显的相位差距,从而使得合成的接受信号强度在经过短距离\短时延的传播后急速变化。
- 多普勒效应。对于不同子径信号,用户高速移动带来的时变的多普勒频移不同,从而使发射信号的频率范围被拓展。
- 对抗无线衰落的技术有:
- 物理层:
- Rake接收,OFDM,信道编码,交织,MIMO
- 信道估计,均衡
- 自适应调制和编码
- 数据链路层:
- 功率控制
- ARQ
- 物理层:
匮乏的频率资源
- 通常的无线通信系统的频率选择在30MHz至30GHz之间,因为这些频率不受地球曲率的影响、需要的天线尺寸比较合理以及能穿透电离层。申请频率的牌照需要高额的成本,给开发新的无线通信系统设置了很高的门槛。同时,热门的无线通信技术也需要面对高速增长的数据量带来的干扰问题。
- 解决方案:
- 新频率资源:6-11GHz,50GHz
- 提供频率利用效率:OFDM,MIMO
- 频率重用:cellular
安全问题
- 无线信道天然的容易被窃听和干扰。设计一个用于有较高安全需求的无线系统时,需要考虑对抗窃听者以及具有一定的抗干扰能力。
终端面临的挑战
- 能耗、尺寸和成本
- 性能
- 多天线
- 多通讯系统的共存
- 解决方案:
- 软件定义无线电(SDR):目前仍不是一个经济的优化方案
现有无线通信系统
3/4/5G cellular
-
蜂窝系统将地理区域划分为一个个正六边形(最接近圆的可以无重复堆叠的图形)的小区,并在不相邻的小区间复用频率、时隙(timeslot)、码字。
- 关键技术:
- 3G:码分多址技术(CDMA)
- 4G:正交频分复用技术(OFDM)
- 5G:多输入多输出天线技术(MIMO)
WiFi
- 为短距离(<100m)、静止或低速移动终端提供高速的无线接入。采用CSMA-CD(Carrier Sense Multiple Access - Collision Detection)。
- WiFi标准:
- 802.11b
- 2.4GHz ISM
- Direct sequence spread spectrum (DSSS)
- 11 Mbps
- 802.11a/g
- 5GHz/2.4 GHz
- OFDM in 20 MHz
- 54 Mbps
- 802.11n/ac/ax
- 5GHz/2.4 GHz
- Adaptive OFDM/MIMO in 20/40/80/160 MHz
- 天线: 2-4, 最多8
- 1 Gbps (10 Gbps for ax)
- 802.11b
卫星通信系统
- 单向通信(广播)
- GPS
蓝牙
- 短距离(<10m)、低成本的无线连接技术,工作在2.4GHz ISM频段。常用于取代数据线。受到个人电脑、电讯和消费电子厂商的广泛支持。蓝牙4.0标准开始引入的蓝牙低功耗(Bluetooth Low Energy, BLE)技术也常用于有严格功耗、成本限制、速率要求不高的应用如传感器和IoT设备。
Zigbee
- 短距离(10-100m line-of-sight)、低速率、低功耗、低成本的无线连接技术。工作频率有:784, 868, 915 MHz, 2.4 GHz。支持mesh组网。
下一代无线通信技术
新的蜂窝系统架构
- MIMO/多用户检测技术消除了干扰的影响,减少了对蜂窝设计的限制
- 中继改变了蜂窝的形状和边界
- 分布式天线
- small cell
mmWave massive MIMO
- 毫米波需要的天线尺寸很小(理想天线尺寸和频率成反比),适合大规模多天线。
- 路径损失(path loss)很大,且受雨和氧气条件的影响。
软件定义网络(Software-Defined Network)
Ad-Hoc网络
- peer-to-peer,没有基础设施或者中心化的控制
- 多跳路由
- 动态拓扑
认知无线电(Cognitive Radios)
- 非授权用户机会式的共享授权用户的频谱,而不会造成授权用户的性能下降。从而提高对频谱空间的利用率。
- 频谱侦听:寻找可用的频段
- 能量检测
- 匹配滤波
- 频谱共享:
- (MIMO)Underlay: 认知节点和授权用户同时使用频谱,认知节点控制传输功率,使得对授权用户的干扰在阈值内
- Overlay: 认知节点选择频谱空洞接入,对授权用户不产生影响。
无线传感器网络
- 节点能量严格受限
- 数据流向汇聚节点
- 单节点速率低,节点数目庞大
- 智能源自网络而不是单个节点
分布式无线控制网络
- 控制要求快速、准确和可靠的反馈
- 无线网络容易带来延迟和丢包
- 需要更可靠的网络设计和更健壮的控制器设计
- 很多问题有待解决
化学通信
- 可以设计大尺度(>cm)或者小尺度(<mm)通信
- 很多研究机会:调制方案、信道不匹配的对策、多址接入等
在医学、生物医药以及神经科学中应用
-
Body-Area Networks
- 神经损伤治疗
- 神经网络配置
- EEG/ECoG信号处理
- 深度大脑模拟
网友评论