现代通信理论与新技术

绪论

概述

通信分类

• 按传输媒质分：有线通信、无线通信
• 按传输信号分：数字通信、模拟通信
• 按工作频段分：长波通信、中波通信、短波通信
• 按消息传送方向和时间分：单工通信、半双工通信、全双工通信
• 按应用场景分：卫星通信、光纤通信、移动通信

调制：将低频信号搬移到高频信号上去（载波信号）

解调：将有用信号从载波信号中分离出来

多路复用技术：频分多路复用（FDM）、时分多路复用（TDM）、统计时分多路复用（STDM）、波分多路复用（WDM）

频分多路复用FDM：

• 优点：多用户共享传输线路资源
• 缺点：线路传输能力不能充分利用

统计时分多路复用STDM ：根据用户实际需要动态地分配线路资源

• 优点：线路传输的利用率高，特别适合于计算机通信中突发性或断续性数据传输

波分复用WDM：在一根光纤中同时传输多个波长光信号

• 分类：粗波分复用（CWDM)、1550nm波段的密集波分复用(DWDM)
• 构成形式：双纤单向传输、单纤双向传输

通信的性能指标

• 有效性指标
  1. 码元传输速率
  2. 信息传输速率
  3. 频带利用率
• 可靠性指标
  1. 误码率
  2. 误比特率

噪声：信道中不需要的电信号的统称，是一种加性干扰。会使模拟信号失真，使数字信号错码，且限制传输速率。

加性噪声来源：人为噪声、自然噪声、热噪声

随机噪声的分类：单频噪声、脉冲噪声、起伏噪声

高斯白噪声：在很宽的频率范围内具有平坦的功率谱密度
$$P_n(\omega )=\frac{n_0}{2}w/Hz(-\infty <f<+\infty )$$

卫星通信简介

发射频率：一般4~6GHz，属于微波波段

根据轨道划分：同步轨道卫星通信系统、中轨道卫星通信系统MEO、低轨道卫星通信系统LEO

优点：

1. 应用范围广
2. 通信距离远
3. 覆盖面积大
4. 传输容量大
5. 传输质量高，通信线路稳定可靠

缺点：

1. 投资昂贵，技术含量高
2. 有星蚀和日凌中断现象

光纤通信简介

光的折射和反射

优点

1. 传输频带宽，通信容量大
2. 损耗低，中继距离远
3. 抗干扰能力强，无串话
4. 保密性强
5. 线径细，重量轻

缺点

1. 质地脆，机械强度低
2. 要求比较好的切断、连接技术
3. 分路、耦合比较麻烦

移动通信简介

蜂窝式公众移动电话系统

主要特点：

• 利用无线电波进行信息传输
  • 位置不受束缚
  • 易受路径损耗，阴影衰落，多径干扰的影响
  • 易受多普勒频移的影响
• 复杂的干扰环境
  • 外部干扰
  • 系统本身和不同系统之间的干扰
• 频谱资源和业务需求量的矛盾
• 网络结构多种多样，网络管理和控制必须有效
• 必须处于移动环境中使用

第一代移动通信系统：AMPS，ETSCS，TACS

第二代移动通信系统：GSM，DAMPS

第三代移动通信系统：WCDMA，CDMA2000，TD-SCDMA

第四代移动通信系统：TD-LTE(OFDM，MIMO)

5G核心技术至少包括：高密度异构网络，大规模MIMO，同时同频全双工通信，毫米波、可见光传输，传输波形设计，网络架构虚拟化，频谱效率和能量效率提升技术

TD-SCDMA关键技术：

• 智能天线技术
• 上行同步技术
• 多用户联合检测技术
• 动态信道分配技术
• 软件无线电技术

大规模MIMO：实现小区内空间复用、小区间干扰抑制，提高频谱效率和能量效率

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光纤传输网技术

基本概念

光纤通信：以光波为载体，以光导纤维为传输媒介的通信方式

光纤通信元年：1970年

电磁波谱

光波波谱：波谱在$1.67X10^{14}Hz$~$3.75X10^{14}Hz$ 之间，波长在0.8um~1.8um之间，是近红外波段

短波长波段：0.85um

长波长波段：1.31um和1.55um

光源器件：发光二极管LED、半导体激光器LD

光收器件：PIN光电二极管、APD雪崩光电二极管

基本原理(全反射)

折射率：n=光在真空中的速度/光在该媒质中的速度

调制方式：直接调制、外调制(产生和调制分开)

光纤的损耗特性：

• 弯曲损耗：宏弯、微弯
• 散射损耗：瑞利、结构缺陷
• 吸收损耗：本征、杂质

光纤损耗：dB/km。除杂质吸收峰外，损耗随波长的增加而减小

衰减系数：$\alpha =10lg(\frac{P_i}{P_o})/L$ ；$Loss{(}_{dB})=-10lg(\frac{P_o}{P_i})$

光纤的色散：不同波长的光在相同传输介质中的传播速度不同的现象，包括模式色散、材料色散、波导色散

光纤的模式：光纤中不同的传播光束被称为模式

模式数量：
$$V=\frac{\pi d}{\lambda }\sqrt{n_1^2-n_2^2}$$
​ $n_1$和$n_2$分别为纤芯和包层的折射率

模式色散：
$$\Delta t=\frac{L{n}_1}{c}(\frac{n_1-n_2}{n_2})\approx \frac{L{n}_1}{c}\Delta$$
减少模式色散的措施：

• 采用渐变折射率光纤的结构
• 采用单模光纤

材料色散：
$$\Delta t=D(\lambda )\cdot L\cdot \Delta \lambda$$

SDH光传输网

准同步数字系列（PDH）

同步数字系列（SDH）：将复接、线路传输、交换功能融为一体的、由统一网管系统操作的综合信息传送网络

SDH等级与速率 ：

SDH设备：终端复用器TM、分插复用器ADM、再生器REG

SDH复用特点：

1. 字节间插复用
2. 净负荷指针技术

同步复用设备的特点：

1. 一步复用
2. 较强的交叉连接能力
3. 强大的OAM能力
4. 灵活的组网能力
5. 网络具有很强的生存性

交叉连接方式：

1. 单向连接
2. 双向交叉连接
3. 广播方式
4. 环回方式
5. 分离接入方式

SDH自愈网的实现手段：

1. 线路保护倒换
2. 环状网保护：单向、双向
3. DXC保护及混合保护

SDH网络管理系统：

1. 故障管理功能：实时告警监视、告警显示、告警的过滤与屏蔽、告警日志管理、故障定位
2. 性能管理功能：性能数据收集、性能报告
3. 配置管理功能：指配功能、网元管理、网元状态监控、网元安装功能
4. 安全管理功能：操作者的级别与权限、登录管理、访问控制、操作日志管理、数据安全管理
5. 计费管理功能：计费信息提供、计费信息输出

大容量光传输技术

光纤放大器：对光信号直接进行放大的光放大器件

光复用技术分类：

• 波分复用WDM
• 光时分复用OTDM
• 光码分复用OCDM

波分复用WDM

WDM系统光纤带宽：$|\Delta f|=|-\Delta \lambda c/{\lambda }^2|$

WDM工作原理

WDM系统基本结构：光发送机、光中继放大、光接收机、波分复用器、光监控通道、网络管理系统

光时分复用OTDM

多个电信道信号调制具有同一个光频的不同光信道，经复用后在一根光纤中传输的扩容技术，使用宽带光电器件代替高速电子器件

OTDM关键器件和技术：

• 超短脉冲光源
• 光时分复用/解复用技术
• 光定时提取技术
• 高速信号传输技术

光码分复用OCDM

光交换技术

不经过任何光电转换，在光域直接将输入光信号交换到不同的数据端

分类：

• 光电路交换OCS：采用光器件设置光通路，空分、时分、波分、码分
• 光分组交换OPS：分组、突发、标记

基本器件：半导体放大器、耦合波导开关

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数字微波通信技术

现代通信手段：光纤通信、微波通信、卫星通信

微波：一种电磁波，射频为300MHz~300GHz，波长在1mm至1m

微波通信的理论基础：电磁场理论

数字微波通信系统

分类：

• 微波接力通信
• 对流层散射通信
• 卫星通信
• 空间通信

微波传输容量：

1. PDH：16E1、32E1、48E1
2. SDH：1或2个STM-1(155Mb/s)，单独的一个IDU最大支持400Mbps
3. 机架式SDH：SDH5000S可支持8个STM-1

数字微波设备分类：分体式微波、全室内型微波、全是外型微波

**影响电波传播的因素：**菲涅尔半径、余隙、K因子，地形、大气

微博传播的各种衰落：

1. 自由空间损耗、大气吸收衰落
2. .雨雾衰减、K形
3. 多径、波导、闪烁

数字微波抗衰落技术：频率分集、空间分集

微波通信的特点：

• 具有类似广播的特性
• 微波波段的频带宽，通信容量大
• 适用于传送宽频带信号
• 采用中继传输方式
• 抗干扰能力强

第一菲涅尔区半径：
$$F_1=17.32\sqrt{\frac{d_1(km)\times d_2(km)}{f(GHz)\times d(km)}}$$

K因子：
$$K=\frac{R_e}{R_0}=\frac{1}{1-R_0\frac{dn}{dh}}$$
标准大气条件下K=4/3，真实地球半径$R_0=6370Km$

K值分类：

• 无折射，dn/dh=0，此时k=1或R0=Re
• 负折射，dn/dh>0，此时k<1或R0>Re，射线弯曲方向与地球弯曲方向相反
• 正折射，dn/dh<0，此时k>1或R0<Re，射线弯曲方向与地球弯曲方向相同
• 标准等效地球半径：$R_e=\frac{4R_0}{3}$

我国选用K标准：4/3、2/3、考虑越站干扰时∞

数字微波系统抗衰落技术

微波网络组网方式：链型、星型、树型、环型

微波保护模式：

• 1+0 无保护方式：1个ODU+1个合路器+1个IDU+1面天线
• 1+1 HSB 热备份：2个ODU+1个合路器+1面天线，室内设备双备份，1个频点
• 1+1 SD 空分：2个ODU+2面天线，，室内设备双备份，1个频点（多于平坦地势或跨水面链路）
• 1+1 FD 频分：2个ODU+1个合路器+1面天线，室内设备双备份，2个频点（不常见）
• PDH全是1+0，SDH全是1+1

有源中继站：

• 射频直放站：直接在射频上将信号放大
• 再生中继站

无源中继站：

• 双抛物面无源中继站：两面天线背对背
• 反射板式无源中继站

微波通信的主要应用：

• 干线光纤传输的备份及补充
• 边远地区和专用通信网中为用户提供基本业务
• 城市内的短距离支线连接
• 无线宽带业务接入

主要发展：

• 提高QAM调制阶数及严格限带
• 网格编码调制及维特比检测技术
• 自适应时域均衡技术
• 多载波并行传输
• 其他技术

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移动通信网络

基本概念

网络结构：

• 空中网络
  • 多址接入
  • 切换和位置更新
  • 频率复用和蜂窝小区
• 地面网络
  • 服务区内各基站的相互连接
  • 基站与固定网络

蜂窝式组网理论：无线蜂窝式小区覆盖(正六边形)、小功率发射、频率复用(同频干扰)、多信道共用、越区切换

移动通信网基本组成

• PSTN公众通信网
• BSS基站子系统
• MSS移动交换子系统
  • MSC移动业务交换中心
  • VRL访问用户位置寄存器
• MS用户移动台
• OMS操作维护管理子系统

各子系统功能：

• 移动台MS：由移动终端设备和用户数据两部分组成
• 基站子系统BSS和移动交换子系统MSS共同建立呼叫
• 操作维护管理子系统OMS负责管理控制整个移动网

多址接入技术

定义：是解决在网络中多个用户如何高效共享一个物理链路的技术，设计多址信道的分割、接入方式、分配策略、控制机制等多方面内容

核心问题：对于一个共享信道，当信道的使用产生竞争时，如何采用有效的协调机制或服务准则来分配信道的使用权

方法：频分多址FDMA、时分多址TDMA、码分多只CDMA、空分多址SDMA(定向波束天线)、极化多址以及其他利用信号统计特性复用的多址技术

自适应式阵列天线：

• 无穷小波束宽度
• 无穷大快速搜索能力
• 提供在本小区内不受其他用户干扰的唯一信道
• 克服多径干扰和同信道干扰

智能天线的性能改进：

• 减少了干扰
• 基于每一用户的信噪比得以增加
• 降低发射功率
• 提高接收灵敏度
• 增加了容量及小区覆盖半径

TD-SCDMA系统更适合采用智能天线

TD-SCDMA信道单元：

• 一个信道就是载波/时隙/扩频码的组合，也叫一个资源单位
• 一个16位扩频码划分的信道是最基本的资源单位BRU
• 下行信道固定（扩频因子，SF）=1，16
• 上行依据业务不同，SF可取1,2,4,8,16

**接力切换：**TD-SCDMA移动通信系统的核心技术之一

OFDM技术的基本原理

OFDM技术：各子载波之间满足正交性

OFDM技术优越性：

• 可变带宽的OFDMA能够平衡抗多径能力和多普勒的影响
• 可扩展的结构，支持可变带宽从1.25到20MHz
• 灵活的子信道分配，伪随机子信道可增加分集，连续排列子信道可增加多用户选择性
• 多用户接入保证正交，可减少干扰增加容量
• 精确的带宽分配

OFDM原理：将高速的数据流分解为N个并行的低速数据流，在N个子载波上同时进行传输(频率间隔$\Delta f$)。这些同时传输的数据符号，构成一个OFDM符号

OFDM优点：

• 利用多载波传送方式，可在有限频带内有效提高传输速率，且可提高对ISI的抵抗能力
• 正交特性可比传统FDM有较高频谱效率
• 加入了GI来修正ISI，使得信号不收ISI影响
• 在GI内加入循环前缀的观念，使得信号在DFT时，是与信道的冲激响应在频域直接相乘，降低了信道均衡的复杂度
• 信号从宽频信号转为多个窄频信号，对于频率选择性衰落有很好的抵抗能力

OFDM的ISI：

• 由于信道多径效应带来的码间串扰，子载波之间不再保持良好的正交状态
• 发送前需要在码元间插入保护间隔。保护间隔大于最大时延扩展，则所有时延小于保护间隔的多径信号不会延伸到下一个码元期间

循环前缀CP：将信号后面部分复制到前面当GI用。原本信号与信道做线性卷积，现在是循环卷积，利于信号均衡的设计

OFDM信道估计：信道均衡简化为预测每个子载波的信道衰落因子。在发射信号中插入导频符号，接收机通过插值技术得到每个子载波的信道衰落

• 导频插入方式
  • TDM插入
  • FDM插入
  • 离散插入

FFT比DFT快204.8倍

OFDM技术缺点：高峰均比、频偏敏感、相位敏感

OFDM系统的接收可以采用相干检测（需进行信道估计）和非相干检测

多载波系统具有时频二维结构，采用导频符号辅助信道估计更灵活

OFDM同步问题：

• 载波同步
• 符号同步
• 采样时钟同步

OFDM中的同步：定时偏移和载波频偏都会严重影响OFDM系统的检测性能，频率同步和时间同步对OFDM系统来说是必须的

• 找出符号边界和最优定时，以使载波间干扰ICI和符号间干扰ISI最小
• 纠正接收信号的载波频偏，因为任何频偏都会导致ICI

OFDM时间同步需要估计：

1. 块的起始位置
2. 采样频率同步
3. 帧的起始时刻

OFDM的时频同步处理分为捕获和跟踪两个阶段：

• 捕获阶段：使用比较复杂的同步算法，对较长时段的同步信息进行处理，获得初步的系统同步
• 跟踪阶段：使用比较简单的同步算法，对于小尺度的变化进行校正

同步算法分类：

1. 基于同步导频的同步算法
2. 基于循环前缀CP的同步算法
3. 其他不需要导频的盲同步算法

频偏主要由发射机和接收机的本地振荡器的不稳定性造成

OFDM的链路自适应技术：

• 由于可以在频域划分空口资源，AMC自适应调制和编码和功率控制技术在OFDM系统中更容易使用
• 可以根据信道的频率响应进行频域调度，选用信道质量较高的子载波（组）进行传输

OFDM系统的多小区多址和干扰抑制：可能的解决方案包括跳频OFDMA、加扰、小区间频域协调、干扰消除等

多输入多输出MIMO技术的基本原理

MIMO优势：提高频谱效率

技术特点：采用空时处理技术进行信号处理，在不增加带宽的情况下成倍的提高通信系统的容量和频谱利用率；但对频率选择性衰落无能为力；有效利用了随机衰落和多径传播的力量，在同样的带宽条件下为无线通信的性能带来改善

MIMO信道容量：

SISO信道容量：

MIMO系统的增益类型：

• 阵列增益：对接收信号平均信噪比的改善
• 分集增益：减少衰落信道下接收信号信噪比的波动
• 空间复用增益：传输信道可以等效成多个并行的传输通道
• 干扰对消增益

MIMO技术领域的研究热点之一：空时编码

空时编码技术：

• 空间传输信号和时间传输信号的结合
• 空间上：采用多发多收天线的空间分集来提高无线通信系统的容量和信息率
• 时间上：把不同信号在不同时隙内使用同一个天线发射，使接收端可以分集接收
• 空时块编码STBC：良好的分集增益，但不适用信道变化快的场合；相同子载波，不同t时刻
• 空频块编码SFBC：良好的分集增益，但不适用频率选择性信道；不同子载波，相同t时刻；对移动性支持更好
• 空时格码STTC：优良的分集增益和编码增益
• 分层空时码LST：可获得较高的复用增益

高速移动的信道的时变特征更明显

LET选用了对移动性支持更好的SFBC编码

MIMO-OFDM结合：

• 有效对抗MIMO中的频率选择性衰落
• 提高OFDM中的系统容量和频谱利用率

无线网络的媒体接入控制层MAC协议

TDMA的两种协调机制：

• 完全自由方式：各个用户只要有新数据就立即发送
• 完全排序方式：确定传输顺序、时间长短、分配策略和方式等规则是最重要的问题

MAC层作用：

• 定义以一定的顺序和有效的方式分配节点访问媒体的规则
• 为用户分配无线信道资源，实现用户的接入
• 实现宽带接入与QoS保证
• 解决安全问题
• 对物理层的支持

MAC协议分类：

• 固定分配：固定将信道划分为不同的子信道，并在通信过程中按照预定的规则将子信道分配
• 随机分配：站点竞争接入信道。站点根据冲突分解算法CRA定义的规则有序解决冲突
• 按需分配：按某种循环顺序询问每个终端是否有数据发送。包括集中式控制和分布式控制

面临的主要问题：

1. 资源有限
2. 信道为时变信道
3. 半双工操作
4. 突发信道错误

指标与要求：

• 延迟
• 吞吐量
• 公平性
• 稳定性
• 支持多媒体

吞吐量指标：单位时间内在信道上成功传送的信息量，单位是bit/s、Kbit/s、Mbit/s。若在1秒内成功传送的帧数为n，每帧长度为L比特，则吞吐量为nL(bit/s)。归一化S=nL/R=nT，R为信道传输速率，单位是bit/s

总业务量G：网络信道上所有站在单位时间内要求传送的帧的信息量的总和；归一化G=λL/R=λT，λ为按泊松分布帧的到达率

ALOHA协议

纯ALOHA原理：在时间上不划分时间片的ALOHA协议。不管信道忙与闲，立即发送出去，若碰撞则延迟后再发；碰撞窗口为2T

分时隙ALOHA原理：将信道传输时间按一帧时长T划分成时间片；碰撞窗口为T

CSMA协议

载波监听多址接入协议。以减小碰撞率和提高吞吐能力为目的

类型：

• 1-坚持：若空闲，则发出；若忙碌，则继续监测
• P-坚持：若空闲，以概率P发出，以概率1-P延迟后再检测信道
• 非坚持：若空闲，则发出；若忙碌，则随机延迟后再继续监测
• CSMA/CD：IEEE802.3建议的总线以太网使用协议，在1-坚持式CSMA的基础上增加了碰撞检测功能
• CSMA/CA：IEEE802.11建议的无线局域网基本协议

性能比较：

• 时隙非坚持式CSMA具有最大的吞吐量S
• 总业务量G较小时，1-坚持式和P-坚持式CSMA的吞吐量最大
• 选择合适的P值，可使P-坚持式CSMA的平均传输延迟D较小
• 吞吐量S较小时，1-坚持式CSMA的平均传输延迟D最小
• 各种CSMA协议的性能都比ALOHA系统要好

宽带无线移动网络中的自组织网络

移动无线网络的分类：

• 有固定的基础设施的网络：通过中心节点来传输信息，典型的应用是无线局域网、蜂窝无线网络
• 无线自组织网络：没有任何中心实体、自组织、自愈的网络，又称Ad-hoc网络

自组织网络的显著特点：

• 网络拓扑结构动态变化
• 采用分布式控制方式
• 具有自组织性
• 多跳通信
• 节点的处理能力李和能源受限
• 信道质量较差
• 安全性面临挑战

自组织网络的节点结构：

• 主机功能：完成普通移动终端的功能
• 路由器功能：负责维护网络的拓扑结构和路由信息，完成报文转发功能
• 电台：为信息传输提供无线信道支持

拓扑结构：

• 中心式控制结构
• 分层中心式控制结构
• 完全分布式控制结构
• 分层分布式控制结构

无线Mesh网络与蜂窝网络的主要区别：

• 可靠性提高，自愈性强
• 传输速率大大提高
• 投资成本降低
• 网络配置和维护简便快捷

无线Mesh网络主要优点：

• 可靠性大大增加
• 具有冲突保护机制
• 简化链路设计
• 网络的覆盖范围增大
• 组网灵活、维护方便
• 投资成本低、风险小

路由算法的概念：

• 定义：网络层软件的一部分，负责确定一个进来的分组应该被传送到哪条输出线路上
• 特性：正确性、简单性、健壮性、稳定性、公平性、最优性

路由算法的分类：

• 非自适应路由：静态路由
• 自适应路由：动态路由，根据当前测量或估计的流量拓扑结构来改变它们的路由决策，以反映出拓扑结构的变化，通常也会反映出流量的变化情况

自组织路由技术：

• 设计能自适应网络拓扑动态变化的分布式路由协议
• 避免产生路由环路，尽可能减小路由开销，具有一定的可扩展性，使网络节点能根据网络情况的变化，具备分布式管理的路由功能
• 通过多跳数据转发机制进行数据交换，需要按路由协议进行分组转发决策

无线Mesh网络路由的特点：

• 移动性：很小的移动性
• 能量约束：通常不以电池为动力，一般不需要考虑能量约束
• 业务模式：节点间的主要业务是来往于Internet网关的业务

无线Mesh网络路由协议分类：

• 多判决路由
• 多信道路由：包括单收发器多信道、多收发器多信道等方式
• 多径路由：在源节点和目的节点之间选择多条路径进行数据传输
• 分级路由：确定特殊的自组织分簇算法；通过分级技术，在簇内核簇间使用不同的路由
• 跨层路由：使路由协议收集到节点底层的实际数据传输情况，从而做出正确的路径选择
• QoS路由：选择满足用户各种QoS要求的到达目的节点的路径，若不满足则寻找新的路由
• 基于地理位置信息的路由

多判决路由：

• 常用判据：跳数HOP，期望传输次数ETX，往返时间RTT，数据对延迟时间PktPair
• 性能对比：
  • 当节点完全静止时，ETX性能最好，RTT和PktPair由于冲突的影响性能稍差。在网络节点移动时，HOP优于其他判据
  • 单一的路由判据很难反映出链路质量给各个性能指标带来的影响，应使用多路由准则解决此矛盾

动态源路由DSR协议：包括路由发现和路由维护两大部分，允许节点动态地发现到目的地的多跳路由

DSR协议优缺点：

• 优点：中间节点不用维护去往全网所有节点的路由信息，而且可以避免出现路由环路
• 缺点：每个数据分组都携带了路径信息，协议开销大，不适合网络直径大的自组网，网络可扩展性不强

无线传感网络

综述

传感网络：

• 解释：由一组传感器以特定方式构成的无线网络，目的是协作地感知、采集、处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者
• 三个基本要素：传感器、感知对象、观察者
• 基本功能：协作地感知、采集、处理、发布感知信息

传感器网络的实体：

• 传感器节点：传感器模块、处理器模块、无线通讯模块、能量供应模块
  • 功能：采集、处理、控制、通信等
  • 网络功能：兼顾节点和路由器
  • 资源受限：存储、计算、通信、能量
• sink节点
  • 功能：连接传感器网络与Internet等外部网络；实现两种协议栈之间的通信协议转换；发布管理节点的检测任务；转发收集到的数据
  • 特点：连续供电、功能强、数量少等

传感器网络的特点：

• 大规模网络：地理区域大，部署密集，提高信噪比，提高监测精度，增强容错性，减少盲区
• 自组织网络：不确定性，拓扑结构变化
• 资源受限：计算、存储、通讯、能量
• 动态拓扑：节点故障，通讯故障，移动性，节点加入
• 可靠网络：适应环境条件，鲁棒性，容错性
• 应用相关：没有统一的通信协议平台
• 以数据为中心

传感器节点的限制：

• 电源能量有限
• 通信能力有限
• 计算和存储能力有限

挑战性问题：

• 通信能力有限：节点带宽窄且常变；通信覆盖范围只有几十到几百米且常变
• 多源、多跳是主要通信方式：如何优化通信路径
• 节点移动、断接频繁：通信路径重构；路由算法必须具有自适应性
• 传感器数量大、分布范围广：如何使传感器网络的软硬件具有高强壮型和容错性
• 信号的协作处理
• 时钟同步问题
• 传感器定位问题
• 传感器的投放或撒播理论与技术
• …

传感器网络的协议栈：

• 能源管理平台
• 移动管理平台
• 任务管理平台

传感器网络物理层：

• 传输媒体
  1. ISM频段：短距离的无线低功率通信最适合传感器网络
  2. 红外
  3. 光
• 频率选择、载波发生、信号检测、调制、数据加密
• 信号传播：采用多跳通信，最小发送功率和传输距离d的n次方成正比，2<=n<=4

传感器网络MAC协议的功能：

• 功能：
  • 无线信道的使用
  • 建立传感器网络的基础结构
• 考虑因素
  • 节省能量
  • 可扩展性
  • 链路带宽分配的公平性、带宽利用率、延时性能等

MAC协议的能量浪费因素：

• 空闲侦听：无效能耗的主要来源
• 冲突：同时向同一节点发送多个数据帧
• 串扰：接收和处理发往其他节点的数据，属于无效功耗
• 控制开销：控制报文不传送有效数据，对用户来说是无效功耗

MAC协议的节能策略：

• 尽量让传感器节点处于睡眠状态
• 减少传感器节点之间的碰撞
• 减少接收到自己不需要接收的数据分组
• 减少控制消息的开销

WSN路由协议：

• 已有网络：Ad hoc、蜂窝
  • 主要目标：通信服务质量、带宽利用率
• 传感器网络
  • 主要目标：高效使用能源、延长网络系统的生存期
• 特点
  • 基于局部拓扑信息
  • 数据为中心
• 要求
  • 能量高效（协议简单、开销小、节省能量、均衡消耗）
  • 可扩展性（网络范围、节点密度）
  • 鲁棒性（节点变化、拓扑变化）
  • 快速收敛性
• 能量感知路由：能量路由/能量多径路由
• 查询路由：定向扩散路由DD/谣传路由
• 地理路由：GPRS/GEAR/GEM/边界定位路由
• 可靠路由：ReInform/SPEED/多径路由

WSN应用层：

• 传感器管理协议SMP
• 任务分配和数据通告协议TADAP
• 传感器询问和数据分发协议SQDDP

WSN时间同步：

• 时间同步是传感器网络的基本功能：MAC/跟踪/检测
• 时间同步的性能参数
  • 最大误差
  • 同步期限
  • 同步范围
  • 效率
  • 代价和体积

WSN定位机制：

• 定位是传感器网络的基本功能
  • 报告事件发生的地点
  • 目标跟踪和定位
  • 协助路由
  • 进行网络管理
• 特殊性
  • 体积、成本（GPS不能普遍适用）
  • 能耗有限、可靠性差
  • 节点的规模大、随机布放
  • 无线模块通信距离有限
  • 环境要求（室内、室外）
• 基于距离的定位机制
  • 到达时间定位算法TOA
  • 不同到达时间定位算法TDOA
  • 到达角度定位算法AOA
  • 接收信号强度定位算法RSSI
• 距离无关的定位机制
  • 质心定位算法Centroid
  • 距离向量-跳段定位算法DV-HOP
  • 自组织定位算法Amorphous Positioning
  • 近似的点在三角形中定位算法APIT

WSN关键技术：

• 关键技术
  • 拓扑控制
  • 网络协议
  • 网络安全
  • 时间同步
  • 定位技术
  • 数据融合
  • 数据管理
  • 无线通信技术
  • 嵌入式系统
  • 应用层技术
• 核心问题
  • 能源
  • 传感器
  • 封装
  • 部署
  • 资源受限下的网络机制
  • 大规模下的网络机制

WSN的路由协议

功能：

1. 寻找源节点和目的节点的优化路径
2. 将数据分组沿着优化路径正确转发

WSN特点及对路由设计的影响：

• 网络业务的方向性
• 传感器节点的低能量和不可靠性
• 形式多样的信息报告模式
  • 事件触发
  • 周期触发
  • 基于查询
  • 混合模式
• 多对一和一对多为主的业务模式：WSN中很多路由协议需要建立树状结构的路由
• 数据为中心的设计理念
  • 该理念对网络层的一个重要影响是节点的地址分配
  • 该理念还影响分组转发的过程
• 动态变化的网络拓扑
• 密集布设的大规模网络：协议的可扩展性变得十分重要

路由协议的关键问题分析：

• 能量有效性
  • 节能：减少路由建立和维护的控制开销，提高路由可靠性
  • 能耗均衡：从空间上调度能量资源，使网络中节点能量均衡消耗
• 可扩展性：指网络的性能不随着网络中节点的数量增加而又明显的下降
  • 分层路由：网络分成若干层，低一层的群首构成高一层的网络，群首为局部控制中心
  • 地理路由：体现节点间相对拓扑关系，要求节点能获得自己和目的节点的地理位置信息
• 数据传输可靠性
  • 影响的原因
    1. 无线信道上的碰撞导致分组无法正确接收
    2. 节点故障使路由不可用，导致分组丢失
    3. 链路不可靠，导致分组传输出错或丢失
  • 解决方法
    1. 建立多径路由
    2. 选择可靠链路

路由协议的分类：

• 基于聚簇的路由协议：LEACH，PEGASIS，TEEN等
• 基于地理位置的路由协议：GEM，MAP，LCR等
• 以数据为中心的路由协议：DD，Rumor-routing，TTDD等
• 能量感知路由协议：GEAR等
• 容错路由协议：MORE等

洪泛路由：

• 优点
  • 实现简单
  • 不需要为保持网络拓扑信息和实现复杂的路由发现算法而消耗计算资源
  • 适用于健壮性要求高的场合
• 缺点
  • 存在信息爆炸问题
  • 出现部分重叠现象
  • 盲目使用资源
• 应用情况
  • 网络资源过于浪费，实际很少直接采用
  • 具有极好的健壮性，可用于军事应用
  • 作为衡量标准评价其他路由算法

DD定向扩散路由协议是以数据为中心的路由协议，突出特点是引入了梯度来描述网络中间节点对该方向继续搜索获得匹配数据的可能性

LEACH路由协议是一种基于聚类路由协议，分为类准备阶段和就绪阶段。为了使能耗最小化，就绪阶段持续时间比类准备阶段长。在类准备阶段，随机选择一个传感器阶段作为类头节点。一旦处于就绪阶段，类头节点开始接收类内个节点采集的数据，然后采用数据融合和数据压缩等技术进行汇聚，并传输给Sink节点

**LEACH协议的优点：**随机选择簇头，平均分担路由业务，减小了能耗

TD-LTE移动通信网络

LTE：长期演进LTE(Long Term Evolution)是3GPP主导的无线通信技术的演进

LTE设计目标：

• 带宽灵活配置：1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz，20MHz（FDD和TDD）
• 峰值速率(20MHz带宽)：下行100Mbps，上行50Mbps（OFDM和MIMO技术）
• 控制面延时小于100ms，用户面延时小于5ms（扁平、全IP网络架构）
• 能为速度>350km/h的用户提供100kbps的接入服务
• 取消CS域，CS域业务在PS域实现，如VOIP
• 系统结构简单化，低成本建网

无线技术演进路径：

LET网络结构：

LTE各网元功能：

上下行资源单位：

LTE多址方式概述：

OFDM特点：同相位的子载波的波形在时域上直接叠加。因子载波数量多，造成峰均比PAPR较高，调制信号的动态范围大，提高了对功放的要求

下行多址方式OFDMA：将传输带宽划分成一系列正教的子载波资源，将不同的子载波资源分配给不同的用户实现多址。因为子载波相互正交，所以小区内用户之间没有干扰

上行多址方式SC-FDMA：和OFDMA相同，将传输带宽划分成一系列正教的子载波资源，将不同的子载波资源分配给不同的用户实现多址。不同的是，任一终端使用的子载波必须连续

SC-FDMA特点：

• 考虑到多载波带来的高PAPR会影响终端的射频成本和电池寿命，LTE上行采用SC-FDMA以改善峰均比
• SC-FDMA在采用IFFT将子载波转换为时域信号之前，先对信号进行了FFT转换，从而引入部分单载波特性，降低了峰均比

多天线技术：

多天线技术分类：MIMO，SISO，SIMO，MISO

多码字传输：

• 多码字传输即复用到多根天线的数据流可以独立进行信道编码和调制
• 单码字传输即一个数据流进行信道编码和调制之后再复用到多根天线上
• LTE支持最大的码字数目为2

波束赋形技术：

• 要求使用小间距的天线阵列，且天线单元数目要足够多
• 实现方式是将一个单一的数据流通过加权形成一个指向用户方向的波束，从而使得更多的功率可以集中在用户的方向上
• 可以充分地利用TDD系统的信道对称性

传输模式：

• 传输模式是针对单个终端的，同小区不同终端可以有不同的传输模式
• 模式3~模式8均含有发射分集

HARQ技术：

• ARQ自动请求重传即当前一次尝试传输失败时，就要求重传数据分组
• HARQ即ARQ和FEC相结合的方案
• 关键词是存储、请求重传、合并解调

HARQ定时关系：

• 重传与初传的定时关系：同步HARQ、异步HARQ
• LTE上行为同步HARQ协议：重传在预先定义好的时间进行，接收机不需要显示告知进程号
• LTE下行为异步HARQ协议：重传在上一次传输之后的任何可用时间上进行，需要显示告知进程号

自适应HARQ：重传时可以改变初传的一部分或全部属性，如调制方式、资源分配等，这些属性的改变需要信令额外通知

非自适应HARQ：重传时改变的属性是发射机与接收机事先协商好的，不需要额外信令通知

LTE下行采用自适应HARQ，LTE上行同时支持自适应HARQ和非自适应HARQ

AMC自适应调制编码：基于信道质量，选择最合适的调制方式（好的信道条件=》减少冗余，高阶调制；坏的信道条件=》增加冗余，低阶调制）。在发送功率恒定的情况下，通过调整无线链路传输的调制方式与编码速率，确保链路的传输质量

ICIC小区间干扰协调：降低邻区干扰；提升小区边缘数据吞吐量，改善小区边缘用户体验；可以改善小区边缘用户吞吐率达到40%以上

ICIC实现：

LTE支持频段：

• 支持两种双工模式：FDD、TDD
• 支持多种频段：从700MHz到2.6GHz
• 支持多种带宽配置，协议规定以下贷款配置：1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz，20MHz

LTE帧结构：

TD-LTE帧结构特点：

• 帧长度均为1ms。FDD子帧长度也是1ms
• 一个无线帧分为两个5ms半帧，帧长10ms。和FDD LTE的帧长一样
• 特殊子帧DwPTS+GP+UpPTS=1ms

TD-LTE帧结构和TD-SCDMA帧结构对比：

• 时隙长度不同：TD-LTE的子帧长度和FDD-LTE保持一致，有利于产品实现以及借助FDD的产业链
• TD-LET的特殊时隙有多种配置方式，DwPTS，GP，UpPTS可以改变长度，以适应覆盖、容量、干扰等不同场景的需要
• 在某些配置下，TD-LET的DwPTS可以传输数据，能够进一步增大小区容量
• TD-LTE的调度周期为1ms，即每1ms都可以指示终端接收或发送数据，保证更短的时延。而TD-SCDMA为5ms

物理信道简介：

LTE终端测量量：

• LTE终端需要报告以下标准化测量量
  • RSRP：信号强度，-70dBm到-120dBm，类比于TD-SCDMA的RSCP
  • RSRQ：信号质量，TD-SCDMA里没有对应测量量
• 使用场景
  • 小区选择：基于RSRP值（Release9中也可基于RSRQ）
  • 小区重选：基于RSRP值（Release9中也可基于RSRQ）
  • 切换：基于RSRP或RSRQ(避免TD-SCDMA中只能基于RSCP带来的信道质量未知的问题)

RS-CINR：真正的RS信号质量。因为RS在所有RE资源中均匀分布，所以RS-CINR一定程度上可以表征业务信道PDSCH的信号质量

物理层过程——小区搜索：是UE实现与E-UTRSN下行时频同步并获取服务小区ID的过程

• 过程
  • UE解调主同步信号实现符号同步，并获取小区组内ID
  • UE解调次同步信号实现帧同步，并获取CP长度和小区组ID

物理层过程——下行同步：是UE进入小区后要完成的第一步，只有完成下行同步，才能开始接收其他信道并进行其他活动

物理层过程——随机接入：在UE收取了小区广播信息之后，当需要接入系统时，UE即在PRACH信道发送Preamble码，开始出发随机接入流程

LTE功率控制：

• 目的：降低小区间干扰；补偿路径损耗和阴影衰落，适应信道变化
• 信道：PUSCH/PUCCH/SRS/PRACH
• 方案：
  • 开环功控（补偿路径损耗和阴影衰落）：确定UE发射功率的一个起始发射功率，作为闭环功控调整的基础
  • 闭环功控（适应信道变化）：eNodeB通过测量PUCCH/PUSCH/SRS信号的SINR，和目标值SINRtarget比较，调整相应子帧的上行发送信号的发射功率
  • 外环功控：根据BLER的统计值动态调整闭环功控中使用的目标值SINRtarget
• 流程：
  • UE发射PUSCH和PUCCH信息
  • eNB收到链路质量反馈，通过X2接口考虑临近小区的负载
  • eNB发送发射信号控制指令TPC，将此作为PDCCH下行控制信息DCI的一部分
  • UE调整PUCCH或PUSCH的发射功率水平，之后重复流程

下行功率控制：

• 功率分配信道：PDSCH
• 功率控制信道：PBCH/PDCCH/PCFICH/PHICH
• 功率分配方式：静态（对于公共控制信息）、半静态（分配RS和PDSCH的功率比值）

LTE网络干扰来源：

小区间干扰抑制技术：

• 小区间干扰随机化：通过小区特定加扰、小区特定交织、小区特定跳频等手段随机化干扰信号进行干扰抑制的一类技术。干扰的特性近似“白噪声”。在LTE通信系统中，使用504个小区扰码和504个小区ID绑定方案进行干扰随机化处理
• 小区间干扰消除：通信节点在收到小区干扰信号后，在接收端利用处理增益来消除干扰进行干扰抑制。一般只能消除一些比较强的干扰。主流的ICIC有：基于多天线的空间干扰消除技术 或叫 干扰抑制合并接收技术IRC、基于干扰重构的干扰消除技术
• 小区间干扰协调/避免：对系统资源使用设置一定的限制，以协调多个小区的动作，从而达到避免或降低小区间干扰的目的。主要体现在对频域资源调度的限制。是小区间干扰抑制的主流技术

三种干扰抑制技术对比：

LTE-Advanced关键技术：

• 载波聚合技术CA

  • 通过联合调度和使用多个成员载波上的资源，使得LTE-Advanced系统可以支持最大100MHz的带宽，从而实现更高的系统峰值速率
  • 连续和非连续载波聚合
  • 成员载波指可配置的LTE系统载波，每个成员载波的带宽都不大于LTE系统的上限20MHz

• 协作多点传输技术

  • 协调的多点发射/接收技术，多点指地理上分离的多个天线接入点
  • 通过网络中多节点（基站、用户、中继节点等）协作传输
  • 意义
    1. 突破了单点传输对频谱效率的限制
    2. 降低小区间干扰
    3. 提升小区边缘吞吐量
    4. 提高系统吞吐量
  • 核心想法：当终端位于小区边界区域时，它能同时接收到来自多个小区的信号，同时它自己的传输也能被多个小区同时接收
  • 按照进行协调的节点间关系分类
    1. Intra-site CoMP协作：发生在一个站点内
    2. Inter-site CoMP协作：发生在多个站点间
  • 按照基站端是否共享用户数据分类
    1. 联合传输：联合传输技术（用户一次接收多个基站发送的PDSCH信息）、动态小区选择技术（用户每次只能接收一个基站发送的PDSCH信息）
    2. 协作调度/波束成型：用户只由单个基站提供服务，通过对系统资源有效分配，减小相邻小区边缘区域使用的资源在时间、频率、空间上的冲突
  • 反馈机制
    1. 显示反馈：用户观测到信道情况后，不对信息处理，直接反馈给基站
    2. 隐式反馈：将信息处理转化为特定的量化数值反馈给基站
    3. 基于SRS的反馈：利用信道互易性，在eNB端通过UE发送的SR估计上行CSI，进而获得下行CSI

• 中继技术

  • 分类

  

  • 中继在LTE中的应用

    

• 异构网络技术

  • Femto/Home eNodeB
    1. 为室内用户提供很高的吞吐量
    2. 扩展室内覆盖
    3. 增加室内和室外的容量
  • Femto：毫微微小区，是解决是被覆盖的有效手段之一，也是固定和移动融合的一种方式；设备发射功率小，最大功率20mW

最后

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