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  • 信道指信号传输通道
    2021-07-20 01:11:04

    传输介质、信道.ppt

    计算机网络 第三章 通信子网 计算机网络通信基本原理 计算机网互联的硬件设备 网络拓扑结构与分类 网络的传输介质 网络互联设备产品 3.1 通信基本原理 计算机网络的两大基本功能: 数据通信 数据处理。 名词:数据通信 数据通信就是依照通信协议,利用数据传输技术在两个功能单元之间传递数据信息。 数据通信与传统电话电报比较 实现的计算机之间或计算机与人之间的通信,需要定义严格的通信协议或标准。 数据传输的准确性和可靠性高。误码率要求小于10-8,而语音和电视系统只有10-2。 传输速率高,通信持续时间差异较大。 数据通信具有灵活的接口功能以满足各式各样的计算机和终端 间的相互通信。例如:通信速率、编码格式、同步方式和通信规程等。 通信子网组成 在大多数广域网中,通信子网由两个不同部件组成:传输线和交换单元。 交换单元:一种特殊的计算机,用于连接两个或更多条传输线。(常被称为分组交换结点、中介系统、数据开关交换、路由器等。) 相关术语:传输介质、信道 传输介质是用来连接两个或多个网络结点的物理电路。 信道是建立在传输介质之上的,包括传输介质和设备,还有逻辑信道的含义。 在同一条物理传输介质上可以建立多条通信信道。 3.1.1 数据通信的基本概念 信息:数据的内容和解释。 数据:信息的表现形式。 信道:信号传输的通道。 信息和数据 信息是事物运动的状态与方式,是物质的一种属性。信息的载体可以是多媒体,包括语音、音乐、图形图像、文字和数据等。 被传输的二进制代码称为数据。 信道 信道即指通信中传递信息的通道。 信道分类 按传输介质分类 按传输信号类型分类 按使用方式分类 按传输介质分类 有线信道:有形的电路作为传输介质。如:双绞线、同轴电缆、光纤信道等。 无线信道:以电磁波在空间传输方式传送信息的信道。如微波、红外线、卫星信道等等。 按传输信号类型 模拟信道:传输模拟信号的信道。 数字信道:传输数字信号的信道。 按使用方式分类 专用信道:连接用户设备之间的固定电路,可以由用户自己架设或向电信部门租用。采用专用连接有两种:点对点连接、多点连接。一般用于短距离与传输量比较大的网络情况。 公共交换信道:通过交换机转换,为大量用户提供服务的信道。例如公共电话交换网。 信道带宽和信道容量(容易混淆) 信道带宽:信道的发送和接受两端传输比特信号的最大速率称为信道的带宽。单位为赫兹Hz。 信道容量:单位时间内信道上所传输的最大比特数。单位为每秒比特数b/s(bps)。 信道带宽与信道容量之间的关系满足香农定理。 香农定理 香农定理指出了信道带宽和信道容量之间的关系 C=Wlog2(1+S/N)(bps) C是信道容量 W是信道带宽 S是信号功率 N是噪声功率 3.1.2 数据信号表示方式 信号:经过编码后的数据。 计算机数据在传输过程中的数据编码类型主要取决于它采用的通信信道所支持的数据通信类型。 数据编码技术 模拟数据编码:振幅键控ASK,移频键控FSK,移项键控PSK。 数字数据编码:非归零码NRZ,曼彻斯特编码,差分曼彻斯特编码。 模拟数据编码方法 调制(modulation):将发送端数字数据信号变换成模拟数据信号的过程。产品:调制器。 解调(demodulation):将接收端模拟数据信号变换成数字数据信号的过程。设备:解调器。 同时具有调制和解调功能的设备成为调制解调器(Modem) 常见模拟数据编码方法比较 振幅键控ASK:用载波信号的振幅表示数字信号。实现容易,技术简单,抗干扰能力差。 移频键控FSK:通过改变载波信号角频率的方法表示数字信号。实现容易,技术简单,抗干扰能力强,最常用。 移相键控PSK:改变载波信号的相位值表示数字信号,分绝对调相、相对调相。抗干扰能力强,但是现技术复杂。 数字数据编码方法 宽带传输:在数据通信技术中,利用模拟通信信道,通过调制解调器传输模拟数据信号的方法称为宽带传输。 基带传输:利用数字通信信道直接传输数字信号的方法称为基带传输。 非归零码NRZ 用负电平表示逻辑0,用正电平表示逻辑1。 缺点: 收发双方不能同步。 必须在发送NRZ码的同时,用另一个信道同时传送同步时钟信号。 曼彻斯特编码 目前广泛使用的一种编码。 每一比特的周期T分为前T/2与后T/2两部分。 前T/2传送该比特的反码,后T/2传送该比特的原码。 曼彻斯特编码 优点:在每一个比特的中间有一次电平的跳变,可以提取这个跳变作为收发双方的同步信号。 不含直流分量。 缺点:编码效率较低。(50%) 差分曼彻斯特编码 与曼彻斯特编码的区别在于:每比特的中间跳变仅做同步之用。 每比特的值,根据其开始边界是否发生跳变来决定。每一比特的开始处出现电平跳变表示“0”,不发生跳变表示“1”。 几种编码图实例 A/D和D/A转换编

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  • 狭义信道,广义信道;有线信道;无线信道;噪声;信道容量,香农公式

    信号的传输通道就是信道。
    信道的特性将直接影响通信的质量。
    了解信道对了解信号的传输原理至关重要。


    初识信道

    信道是什么?

    • 最直观的理解就是传输媒介。比如说电缆、光纤、天线、电磁波等,这些都是电信号传输的媒介。通常把传输媒介称为狭义信道
    • 除了这些传输媒介外,信号在传输过程中还会经过编码器、调制器、发送机、接收机、解调器和译码器等设备,这些设备也是信号传输过程中要经过的“道路”。把信号必须经过的各种通信设备统称为广义信道
      4-2

    实际上,通信质量的好坏,很大程度上将依赖于传输媒介的传输特性。


    有线信道

    对于大多数的有线信道,由于它们的传输参数恒定,不随时间而变化,所以幅度-频率特性相位-频率特性就是它们的主要特性。幅度、频率、相位都是信号的基本特征。
    我们希望,信号经过信道时最好什么都没改变,幅度、相位、频率不变,那么信号就不可能失真了,但这是不可能的。
    信号在传输过程肯定会有衰减,也肯定会有时延。

    通过傅里叶变换我们知道,一个信号是由不同频率分量的信号组成的。
    如果不同频率分量的信号衰减一致,时延也一致的话,是不会发生失真的。但如果衰减不一致,或者时延不一致,就会发生变形。
    4-3
    因为不同频率分量的信号衰减一致,频谱形状基本没变,所以没有频率失真。
    4-4
    如上图这种会使信号失真的信道,从其幅频特性或相频特性来看,是一条不平坦的曲线。
    4-5
    我们希望衰减或时延最好是与频率无关的,因此理想的幅频特性或相频特性应该是一条平坦的直线,否则信号通过时必定会失真。

    实际上几乎没有信道的特性是平坦的。
    对于像有线信道这样的有固定幅频特性或相频特性的信道,可以添加一个补偿电路,使总的信道特性趋于平坦,这种通过校正幅频特性或相频特性来补偿失真信号的处理方法,也称为频域均衡
    还有一种均衡是通过产生波形去补偿失真波形的,这种均衡则称为时域均衡

    图4-5中幅频特性上的 dB 即分贝,是一个计量信号增益或衰减的相对值的单位。
    dB 表示的是两个量的比值的大小,直观可理解为倍数越大,dB 也越大。
    对于电压、电流等振幅类物理量,通常将测量值与基准值相比后求常用对数再乘以 20 ( dB = 10 lg ⁡ ( A / B ) \text{dB} = 10 \lg (A/B) dB=10lg(A/B));对于电压、电流等的平方项,如能量或功率等,则取对数后再乘以 10 ( dB = 10 lg ⁡ ( A / B ) \text{dB} = 10 \lg (A/B) dB=10lg(A/B))。

    为什么使用分贝来计量信号的放大或衰减?

    • 书写和读数方便。比如说输出功率比输入功率大10万倍或100万倍,用分贝定义公式换算后,只是 50dB、60dB 而已,很简单。
    • 计算级联放大器的放大倍数时,如果不用分贝,那就要逐级相乘,而用来分贝后,只需将各级的分贝数相加就行了。
    • 还有一个好处,就是符合听感。
      表4-1

    无线信道

    有线信道的信道特性再怎么不平坦,所幸它还是固定的,不是随时间而变化的。这样在信号处理上就相对容易一些。
    而无线信道的特性是随时间而变的。由于电磁波在空间的传播方式很多,有直射、散射、反射、绕射等,这使得信号的传输路径可以很多,且不稳定。另外,无线空间很开放,易受噪声干扰。所以,信号在其间相当不稳定。

    无论怎么不稳定,我们的目的都很简单,只要信号能完整地到达接收机就行。而发送的信号能否被接收机所接收,就看它到达接收机时会衰减成什么样子。

    无线信号的衰减归纳起来有3种。

    • 第一种衰减是自然的衰减。电磁波即使在无遮挡的自由空间传播,功率也会随传输距离的增加而衰减,衰减量大约是传输距离的3~4次幂的倒数。这种衰减也称为路径损耗
      相比后两种衰减,这种衰减算是缓慢的,因此也被称为大尺度衰落
      4-6
    • 第二种衰减是遇到起伏的地形、建筑物或障碍物时,因为阻塞而发生了衰减,这种衰减也被称为阴影衰落
      阴影衰落比起下面第三种衰落算是慢的了,因此也被称为中尺度衰落
    • 第三种衰减是由电磁波的多径传输引起的,也叫瑞利衰落。无线信号从天线发出后,是通过不同的直射、反射、折射等路径到达接收机的。由于各路径的距离不同,因而从各条路径中到达接收机的时间或者说相位各不相同。
      这相当于不同相位的信号在接受点叠加。如果同相叠加,信号的幅度会加强,而反向叠加,信号幅度则会被减弱。这样,信号的强度会发生急剧的变化,如图4-8所示。
      信号强度在很短的距离内就发生了深度衰落,衰落程度达到 20~50dB,这就是说每隔几米,就会有 100~100000 倍的落差。
      因为它发生衰减的范围很小,也把这种衰减称为小尺度衰减
      4-8

    解决路径损耗和阴影衰落的基本思想是加中继放大器

    • 对于路径损耗,当信号衰减到一定程度时,可以加一个中继放大器来加强信号。
      有时候这种衰减还有很大的好处。正因为有了损耗,所以我们才可以每隔一定的距离,当某段频率的信号衰减为零后,再设一个基站,重复使用这一段频率,这样可以极大地提高频谱利用率。这也是移动通信系统普遍采用蜂窝结构组网的原因。
      4-9
    • 对于阴影衰落,如果衰落比较严重,可以在阴影部分加一些信号放大器,这些放大器有时也称为直放站 (室外叫直放站,室内叫室内分布系统)。目前,解决电梯、地下室、隧道、偏远山区等地的信号覆盖,多采用这种方法。

    加中继放大的方法对瑞利衰落并不适用。解决瑞利衰落的办法叫分集接收

    • 既然衰落距离很短,那我们就有条件可以多用几面天线来接收,当有一面处于深度衰落时,其他的几面不一定同时都处在衰落区 (这种情况发生的概率是很低的),这就提高了正确接收到信号的可能了。

    简单的方法并不能解决所有的问题。为提高通信性能,一些诸如语音编码、纠错编码、调制、适配均衡等数字处理技术,也是不可或缺的。这也是将广义信道纳入信道来研究的意义。

    有两种情况也许可以让无线信道变得比较简单,那就是相干带宽和相干时间。

    • 由于多径传播的原因,假如在发送端发送一个窄的脉冲信号,在接收端会收到多个脉冲,而这些脉冲的衰落和时延是不同的。本来正常的时延应是沿最短路径传输所耗的时间,现在因为多条路径长短不一,所以时延被扩展了。通常将最后一个到达的脉冲和最先到达的脉冲的时延差称为最大时延扩展 τ max ⁡ \tau_{\max} τmax
      如果这个时延扩展大于发送信号的两个脉冲之间的间隔,会对下一个脉冲造成干扰。如果把脉冲看成是符号,则可以把这种干扰称为符号间干扰 (ISI),也就是接收信号中一个符号的波形因扩展到其他符号中而造成了干扰。
      要避免这种干扰,应将符号的间隔拉大,就相当于将符号的周期扩大。至少,应大于最大时延扩展 τ max ⁡ \tau_{\max} τmax。而周期扩大了,就意味着速率降低了。速率降低,有意味着信号带宽也降低了。
      发送的符号的周期,必须大于最大时延扩展,才能避免符号间干扰。这相当于存在一个最小的周期,由于周期的倒数是频率,所以应该存在一个最大的频带宽度。当信道的带宽大于这个带宽时,就会发生干扰。这个带宽就称为相干带宽 Δ B c \Delta B_c ΔBc,通常用最大时延扩展的倒数来定义相干带宽。
      Δ B c = 1 τ max ⁡ (4-1) \Delta B_c = \frac{1}{\tau_{\max}} \tag{4-1} ΔBc=τmax1(4-1)
      如果信号的带宽大于这个相干带宽,那么就会发生频率选择性衰落。
      在时域中是符号间干扰,表现为信号波形会发生畸变;换到频域中来看,就是有些频率分量的信号强度会加强,有些会减弱,这种现象称为频率选择性衰落。这里,只是部分频率分量的信号会衰落。
      所有频率的分量一起衰落称为平衰落。平衰落是信号的正常衰落,不会引起变形或失真。
      这样,信号的传输速率就会受到限制。那高速通信该怎么实现呢?
      如果信号带宽大于相干带宽,比如一串高速的数字信号,可以通过串并转换,将它变成多路并行的低速数据,再分别由不同的载波发送,如图4-11所示。这样可使每路信号的带宽都小于相干带宽。正交频分复用 (OFDM) 技术,就采用的是这样的方法。
      4-11
      相干带宽是从频带的角度,说明要避免符号间干扰,信号的最大带宽不能大于相干带宽。
    • 相干带宽是因多径传输而引起的,相干时间则是由多普勒频移而引起的,两者并不说明同一问题。
      设想一下,一个发射机正在发送固定频率的信号,拿着手机站着不动时,接收信号的频率和发送信号的频率应该是一样的。现在假设我们收到发送信号的一个波峰后,立即朝发射机运动,这样发射信号的第二个波峰到达我们的距离变短了,因此两个波峰到达我们的时间间隔变小了。时间间隔相当于周期,周期变小了,相应的频率就变大了;如果移动方向相反,则频率会变小,这就是多普勒频移
      当在铁路附近,火车鸣笛向我们驶来,我们听到的汽笛声调会不断变高,这也是一种多普勒频移现象。
      多普勒频移的大小与载波频率和运动速度是成正比的。
      多普勒频移给信号的频谱带来了变化,因而会造成信号的失真。
      多普勒频移消除不了,这是任何波动过程都具有的特性,我们只能想办法来避免或减小其影响。
      假设最大多普勒频移可以用 f max ⁡ f_{\max} fmax来表示,那么 f max ⁡ f_{\max} fmax的倒数就被定义为相干时间 Δ T c \Delta T_c ΔTc
      Δ T c ≈ 1 f max ⁡ (4-2) \Delta T_c \approx \frac{1}{f_{\max}} \tag{4-2} ΔTcfmax1(4-2)
      当发送符号的周期小于相干时间时,多普勒频移对信号的影响就不大;当符号周期大于相干时间时,信号就会发生畸变。因为这种形变是和时间有关的,所以又叫时间选择性衰落,也叫快衰落
    • 相干时间和相干带宽很矛盾,一个要求符号的周期要长,另一个却要求符号的周期要短。
      这两个概念道出了移动无线信道中的两个理想情形。在这两种情形中,信道被认为是稳定的,既没有时间选择性衰落,也没有频率选择性衰落,无线信道的模型,就可以变得简单了。

    有害的信道噪声

    噪声在通信中也是一种电信号,但这种信号对于通信来说是无用的,甚至有害的,它能造成模拟信号失真、数字信号误码、系统性能降低等等。

    噪声是客观存在的,不管有没有信号输入,在信道的输出端都会有一定功率的噪声输出。

    噪声的来源很多,有人为噪声、自然噪声和内部噪声等。

    • 人为噪声主要来自电台、家用电器等电气设备所产生的干扰。
    • 自然噪声来源于自然界存在的雷电、磁暴、太阳黑子和宇宙噪声等。
      宇宙噪声主要是指天体辐射波对接收机形成的噪声。
    • 内部噪声来源于设备本身产生的各种噪声,如热噪声和散弹噪声等。
      热噪声是由电阻性元器件中自由电子的不规则运动引起的。
      散弹噪声是由电子管和半导体器件中电子发射不均匀而产生的。

    热噪声、散弹噪声和宇宙噪声,由于其波形变化不规则,所以又被统一称为起伏噪声

    起伏噪声是影响通信系统的主要噪声。其他的噪声可以忽略。
    起伏噪声其实是一种随机信号。随机信号是说它的波形虽然也是时间的函数,但是在任一时刻上的取值是不确定的。在随机信号中,即使时间确定了,幅值也不是唯一确定的。取值是随机分布的,这往往是用概率密度来表示。

    随机信号,更普遍一点叫随机过程,是功率信号。它的频谱没有实际意义,因此不能直接用傅里叶变换来分析它的频谱,但可以用功率谱来分析。
    随机过程的功率谱分析和确知信号的功率谱分析是一样的,也就是它的功率谱密度和自相关函数和确知信号是一样的,也是一对傅里叶变换。对于一些难以得到功率谱密度的地方,可以通过求自相关函数来得到。

    现在通过功率谱密度和自相关函数来了解一下噪声。一个理想的噪声的功率谱密度和自相关函数如图4-13所示。
    白噪声
    这种噪声的功率谱密度是个常数,均匀分布在整个频率范围内,这有点像光学中的白光。白光在全部可见光的频谱范围内也基本上是连续而均匀的,因此这种噪声被称为白噪声
    由于起伏噪声的功率谱密度在相当宽的频率范围内也是均匀分布的,而且概率密度是服从高斯分布的,所以也将起伏噪声称为高斯白噪声
    自相关函数横坐标表示的是时间差 τ \tau τ。当 τ = 0 \tau=0 τ=0时,自相关函数是一个强度为 n 0 / 2 n_0/2 n0/2的冲激;而 τ ≠ 0 \tau\ne 0 τ=0时,自相关函数都是0。这说明白噪声在任意两个不同时刻上,是毫不相关的。这是一种非常理想的自相关特性。

    设计CDMA系统的那些人就很羡慕白噪声。
    CDMA技术的关键是扩频通信,而扩频通信最初是为了解决战场上的保密通信和抗电子干扰而发展起来的。为了实现保密通信,需要将信号伪装在噪声中。
    这首先就要扩频,将窄带信号的功率分散在一个比较宽的频率范围内,以降低单位频带上的功率,使信号淹没在噪声中,达到保密的目的。
    其次,信号要伪装得像,扩频后的信号要具有接近白噪声的特点,这主要要求功率谱密度和自相关函数要相像。

    于是研究扩频通信的人寻找一种优良的码序列,以便使扩展出来的信号接近白噪声的特点。
    扩频原理见“信号”这一章节。当把两个信号相乘时,相乘后输出的信号的频谱,就相当于把它们的频谱卷积,卷积后的带宽相当于两个信号的带宽之和。
    这对于低速率的信号来说,它的频谱就被扩展到和高速率信号的频谱一样宽了。
    这就是说,扩频要找的这个扩频码序列,首先要具有一定的码速率,要比被扩展信号的码速率高好多倍,通常认为至少要高100倍。
    其次,这个码要是个随机码,白噪声是随机信号。
    再次,这个码的自相关函数和白噪声的自相关函数也要相像。

    有一种称为m 序列的,既有随机的特点,又好制造。于是,后来的很多扩频系统,都使用了这种 m 序列的“随机”码来扩频了。这种码不是真正的随机码,因为第一它可以被人为产生,是有规律的;第二它是有周期的,能重复再现。所以,把这种码叫做“伪随机码”。
    虽然是伪随机的,但在一个随机周期内,它的随机表现很接近白噪声。这从它的自相关函数图上可以直观地看出来。
    4-14
    在这个随机周期内,它的自相关函数很尖锐,已经很接近白噪声的冲激形状了。这么尖锐的自相关特性表明了现在的它跟过去的它以及跟将来的它都是割裂的,不相关的。这给CDMA研究人员解决地址码提供了另一个选择。

    地址码就是用来区分不同用户或者基站的号码。要互相访问,每个人总得有个可供别人访问的地址。所以,每个手机和基站都需要有不同的地址码来区分。

    m序列不适合作地址码,因为不同的m序列的互相关特性大于0,不正交,易混淆,而且也没那么多的m序列。

    不同的m序列之间的互相关不好,但同一个m序列的自相关却非常好。这就是说,只要将产生m序列的码发生器延迟不同的时间(相位)开启,那么所产生的随机码就会各自不相关,也就可以当作地址码来使用了。当然,最大的时延是不能超过它的随机周期的,而为了能确保各个发生器能在不同的时延上造码,需要有一个统一的时钟来供各个码发生器参考。


    信道容量

    CDMA的关键在于扩频,而扩频的关键在于什么呢?
    对于一个存在高斯白噪声干扰的信道,它每秒到底能无差错地传输多少信息?
    在20世纪40年代末,香农在《信息论》一书中,为这个问题给出了一个理想的答案,这就是香农公式
    C = B log ⁡ 2 ( 1 + S N ) (bit/s) (4-3) C=B\log_2(1+\frac{S}{N}) \quad \text{(bit/s)} \tag{4-3} C=Blog2(1+NS)(bit/s)(4-3)
    式4-3中, C C C代表信道的容量,也就是信道可以传输的最大信息速率。这个对数以2为底,所以信息量的单位是比特 (见“信息”章节),因此这里信道容量的单位是 bit/s。 B B B是信道的带宽, S S S是信号的平均功率, N N N为噪声功率 (设 n 0 n_0 n0为噪声的单边功率谱密度,则 N = n 0 B N=n_0 B N=n0B)。 S / N S/N S/N称为信噪比,表示信号功率和噪声功率的比值。

    这个公式说明了什么样的通信系统是理想的。

    首先是当给定信道带宽和信噪比时,信道的极限传输能力,或者说信道容量,就确定了。如果信道实际传输的信息速率小于或等于信道容量,那么可以做到无差错传输,或者差错率可以任意小。但如果传输速率大于信道容量,就不可能无差错地传输。

    其次,增加信道带宽,或者提高信噪比,都可以增加信道的容量。如果像保持信道容量恒定,那么带宽和信噪比之间是可以互换的。比如,对于CDMA和扩频通信,通过扩频使信号功率和噪声功率的比值得以降低,从而可以使信号淹没在噪声中。

    虽热通过增加带宽可以增加通信量,但实现超高速的通信不是这么简单。

    • 频带不是想增加就增加的。
    • 就算频带可以无限制地增加,信道容量也不能无限增大。因为这里存在高斯白噪声。随着带宽的增大,噪声的功率也会增大,那么信噪比同时也会降低,当信噪比低到一定程度时,再怎么增加带宽也不能无差错地传输信息了。

    理论上推算出来的结论是:当信道带宽很大时,或信噪比很小时,信道容量趋近于信号功率和噪声功率谱密度之比 ( S / n 0 S/n_0 S/n0) 的 1.44 倍。

    香农公式展示了带宽和信噪比一定时,理想通信系统信息传输速率的理论极限。通信系统的研究者和设计者所研究的,就是如何能达到这样的极限以及如何能提升信道的容量。

    3G标准所广泛采用的CDMA技术,是由香农公式而来的。

    根据ITU (国际电信联盟) 的定义,4G至少应符合一下两个特点:

    • 移动状态下数据传输速率达 100Mbit/s;
    • 室内静止状态下数据传输速率达 1Gbit/s。

    这比3G的标准速率至少提高了50倍。如何提高信道容量?香农公式指出了2条明路:

    • 一是增加信道带宽。由于频带资源有限,增加50倍的带宽不现实,因此技术研究的落脚点是在提高频谱的利用率上,这点OFDM可以提高最佳的频谱利用率。
    • 二是提高信噪比。不能指望通过提高信号的发射功率来提高信道的容量,因为加大信号的发射功率,对人体健康的影响是最大的问题。
      前面在抵御多径衰落的影响时,提到了空间分集,也就是使用多面天线来接收或发送信号。
      使用空间分集后,接收端合并接收多路信号,或者选择其中最强的一路接收,其信号功率当然会比只接收一路的强,二噪声功率又基本没变,所以信噪比自然就提高了。
      空间分集
      空间分集只在一边使用了多面天线,或者是在发射端,或者是在接收端,就已提高了信道的信噪比。如果两边都同时使用多面天线 (多输入多输出),会提高多少呢?
      多输入多输出
      通过理论推算,得到了一个近似的容量公式,见式 4-4。
      C ≈ M B log ⁡ 2 ( 1 + S N ) (4-4) C \approx MB \log_2 (1 + \frac{S}{N}) \tag{4-4} CMBlog2(1+NS)(4-4)
      这个 S / N S/N S/N是每根接收天线上的信噪比。 M M M是发送端或接收端的天线数较少的那一端的天线数。
      这个 M M M意味着,增加信道的容量,除了增加带宽,提高信道比外,还可以通过增加天线,向空间索要。
      这个用多面天线发送、多面天线接收的情形,也称为 MIMO。

    习题

    1. 假设一帧黑白电视图像的信息量是 996000 bit,若每秒发送 25 帧图像,要求图像信噪比达到 30dB,试求所需传输带宽。
      :根据 dB 的定义,30dB 换算成比值是 1 0 30 / 10 = 1000 10^{30/10} = 1000 1030/10=1000,即 S / N = 1000 S/N = 1000 S/N=1000
      每秒的信息传输速率为 996000 × 25 = 24.9 × 106 (bit/s),即要求信道容量 C C C 不小于 24.9 × 106 (bit/s),代入香农公式 4-3,得
      B = 24.9 × 106 / 9.96 = 2.5 (MHz)。

    【对话通信原理】目录

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  • 3. 物理信道传输信道、逻辑信道的关系图 3.1 映射关系图1 3.2 映射关系图2 3.3 映射关系图3 3.4 映射关系图4 备注: 第1章 物理层信道定义 1.1 物理信道的本质 (1)物理层子载波资源 ..

    目录

    第1章 物理层信道定义

    1.1 物理信道的本质

    1.2 为什么要对时频资源RE进行分类与规划(划分信道)

    1.3 信道的定义

    1.4 信道的方向

    1.5 物理层信道的位置

    第2章 物理信道概览

    2.1 物理信道和信号概览

    2.2 物理层参考信号设计全貌

    2.3 物理信道和信号的相互关系

    2.4 物理层协议导读

    3. 物理信道与传输信道、逻辑信道的关系图

    3.1 映射关系图1

    3.2 映射关系图2

    3.3 映射关系图3

    3.4 映射关系图4

    4. LTE物理信道 VS NR物理信道

    备注:




    第1章 物理层信道定义

    1.1 物理信道的本质

    (1)物理层子载波资源

    (2)物理层时频资源

    image.png

    (3)物理层10ms帧

    ac3d4c1fbccfa54e11f64d5a3a2f57c8.png

    (4)物理信道

    对10ms帧内所有的二维的无线时频资源PRB的功能进行分类就得到了各种物理信道

    简单的说,物理信道,就是对一群人(频域上的子载波)和他们的时间(时域上的时隙、符号)进行分类,每个部门,就相当于一个信道,一个信道完成特定目标的任务。

    有些部门,有些部门只负责财务、有些部门只负责生产、有些部门负责技术、有些部门负责战略,有些负责后勤,有些负责人力资源管理。

    而有些部门,可以负责多件任务,还能为多个部门共享,不同完成各自不同的任务。

    由于各个部门的任务不同,因此,完成任务所需要技能与方法也就不完全相同,这是物理信道的技术实现不同。

    广播信道:公司对外的市场宣传部门,负责对外发布公司的信息。

    同步信号:公司对外的广告,通过该广告,客户(终端)就能够获取公司的名称和市场部门的联系电话(MIB)

    业务信道:公司能够给客户提供业务服务的业务部门。

    1.2 为什么要对时频资源RE进行分类与规划(划分信道)

    为什么要对时频资源要按照功能进行分类呢?来划分成一个个信道呢?

    如果说,把基站的一个小区Cell比成一个公司,把每个能够承载二进制的子载波RE看成是公司的员工的话?上述的问题有了一个定性的、可以理解的答案了:

    (1)有利于机构化的组织和管理公司大量的、零散的员工RE,防止资源的混乱。

    (2)有利于按照公司运营的需求对各种任务进行专业化分工与合作,有些部门的员工负责销售、有些部门的员工负责财务、有些部门的员工负责生产等等。

    (3)各个部门各司其职,独立运营,相互配合。

    (4)有利于公司(基站)向客户(手机)提供服务,客户(终端)先通过管理部门(控制信道)获得业务部门(数据信道)的信息,然后通过业务部门(业务信道)获取数据传输的服务。

    信道:就是组织各种RE时频资源(频域+时域)的“业务部门”。

    1.3 信道的定义

    信道:就是传输信息的通道。

    物理信道:一般是指依托物理媒介传输信息的通道。承载高层(在物理层之上的各层)信息的时频资源被称为物理信道。

    而这里是指物理信道:是指在10ms帧内所有的二维的无线时频资源的基础之上,构建的能够传输特定类型信息的传输通道。

    也就是说,是完成特定类型信息传输的一组时频资源PRB的统称。

    不同类型的信息标识了不同类型的物理信道。

    1.4 信道的方向

    根据信道传输信息的方向,分为下行信道与上行信道。

    1.5 物理层信道的位置

    物理信道是物理层与MAC层的接口,物理层以物理信道的方式向MAC层提供服务,有点类似TCP/IP提供个不同类型的应用层端口类似。

    第2章 物理信道概览

    2.1 物理信道信号概览

    信道:用于基站与终端的物理层之上的L2, L3, App层进行通信。

    信号:用于基站与终端的物理层之间进行通信,终结物理层内部

    2.2 物理层参考信号设计全貌

    2.3 物理信道和信号的相互关系

    2.4 物理层协议导读

    3. 物理信道与传输信道、逻辑信道的关系图

    下面几张张图,从不同侧面,从宏观上展现了

    (1)物理信道与传输信道、逻辑信道之间的关系。

    (2)不同信道在无线空口协议栈中的位置

    3.1 映射关系图1 *****

    (1)下行

    • 物理广播信道PBCH: 广而告之的信道,针对所有终端用户,合法和非法用户。
    • 物理下行公共控制PDCCH:通过该信道,基站对终端实现集中式、远程调度。
    • 同步信道PSS/SSS:通过该信道,基站宣告该小区在整个频谱中的位置,终端需要与之步调一致。
    • 物理下行共享信道PDSCH:小区能够提供给终端的公共共享资源,真正的共产主义,按需分配的下行资源,终端用完后,还要归还给基站,以便为其他用户服务。
    • 解调参考信号DMRS:通过参考该信号,终端对上述下行信道进行解调。

    (2)上行

    • 随机接入信道PRACH:通过该信道,终端向基站进行挂号,只有挂号成功,基站才给终端分配上行调度控制信息。没有经过随机接入的终端,都是黑户。
    • 物理上行控制信道PUCCH:通过该信道,终端可以有资格、有途径、有渠道向基站申请资源,进行数据传输。
    • 上行物理共享信道PUSCH:与PUCCH一样,小区能够提供给终端的公共共享资源,真正的共产主义,按需分配的上行资源,终端用完后,还要归还给基站,以便为其他用户服务。
    • 解调参考信号DMRS:通过参考该信号,终端对上述上行信道进行解调。

    3.2 映射关系图2

    3.3 映射关系图3

    3.4 映射关系图4

    4. LTE物理信道 VS NR物理信道

    (1)下行

    • 5G NR取消了LTE的物理层控制格式指示信道PCFICH和物理层混合重传指示信道PHICH, 其功能被合并到了物理层控制信道PDCCH中 ,并通过DCI体现。
    • 5G NR把LTE的PSS/SSS和PBCH信道绑定到了一起,称为同步信号块。这里是绑定,不是合并。
    • 5R NR取消了LTE的整个小区级的小区参考信号CRS,取而代之的是,为每个信道单独增加了一个参考信号DMRS,之所以做这一个的变化,主要原因是5G的带宽很大,小区级别的参考信号已经无法体现整个带宽的信道状况,另一个原因是5G需要支持大规模天线阵列,支持波束赋形,不同的波束方向上,其信道质量是不同的。

    (2)上行

    • 5G NR增加了上行信道参考信号DMRS

    第5章 关于后续信道的讨论框架 *****

    所谓物理层的讨论框架,就是物理层信道到底关系什么?

    (1)信道的作用与职责:是一个信道存在的意义和价值所在!就像“部门职责,岗位职责一样!

    (2)信道所传送的内容与格式:该信道是如何完成分配给信道的职责的,有哪些具体的内容。

    (3)信道是如何组织的?该部门是如何组织的,有哪些时频资源?

    • 信道所在的频域资源的位置
    • 信道所在的时域资源的位置

    备注:

    本文并没有对各种信道和信号做深入的解读,因此,本文的主要意义体现在提纲挈领的作用。

    具体信号和信号的内涵,还需要查询相关的章节。

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  • 5G NR 逻辑信道传输信道和物理信道

    万次阅读 多人点赞 2019-09-02 17:06:00
    L1:主要用于为高层业务提供传输的无线物理通道。 L2:包括四个子层 MAC(Medium Access Control)媒体接入控制 RLC(Radio Link Control)无线链路控制 PDCP(Packet Data Convergence Protocol)分组数据汇聚协议...

    无线接口可分为三个协议层:物理层(L1)、数据链路层(L2)和网络层(L3)。
    L1:主要用于为高层业务提供传输的无线物理通道。
    L2:包括四个子层

    • MAC(Medium Access Control)媒体接入控制
    • RLC(Radio Link Control)无线链路控制
    • PDCP(Packet Data Convergence Protocol)分组数据汇聚协议
    • SDAP(Service Data Adaptation Protocol)服务数据适配协议

    L3:只有RRC子层在接入层

    所以广义的讲,发射端信源信息经过层三、层二、物理层处理,通过无线环境到接收端,再经过物理层、层二、层三的整个处理过程就是信道。但这样描述太过笼统,所以按照不同的层之间的环节,信道又分为逻辑信道传输信道物理信道。物理信道是物理层实际传输信息的信道,传输信道是物理层与MAC子层之间的信道,逻辑信道是MAC子层和RLC子层之间的信道。按照协议38321中的原话来描述就是:

    “transport channels are SAPs between MAC and Layer 1, logical channels are SAPs between MAC and RLC.”也就是说传输信道是MAC层和物理层之间的业务接入点,逻辑信道是MAC层和RLC层的业务接入点。

    一 逻辑信道

    引用协议中的原文:
    The MAC sublayer provides data transfer services on logical channels. To accommodate different kinds of data transfer services, multiple types of logical channels are defined i.e. each supporting transfer of a particular type of information.
    Each logical channel type is defined by what type of information is transferred.
    The MAC sublayer provides the control and traffic channels listed in Table 4.5.3-1 below.
    Logical channel name Acronym Control channel Traffic channel
    在这里插入图片描述

    也就是说逻辑信道只关注传输的信息是什么,根据传输的是控制信息还是业务信息,逻辑信道分为:

    • 控制信道
    • 业务信道

    控制信道用于传输控制面信息:
    1.广播控制信道(BCCH, Broadcast Control Channel):用于广播系统控制信息的下行信道。
    2.寻呼控制信道(PCCH,Paging Control Channel):用于传输寻呼信息和系统信息变化通知的下行信道。
    3.公共控制信道(CCCH,Common Control Channel):用于在UE和网络之间还没有建立RRC连接时,发送控制信息。
    4.专用控制信道(DCCH,Dedicated Control Channel):用于在RRC连接建立之后,UE和网络之间发送一对一的专用控制信息。
    业务信道仅用于传输用户面信息:
    1.专用业务信道(DTCH,Dedicated Traffic Channel):专用于一个UE的点对点用户信息传输的信道,上下行链路中都有。

    二 传输信道

    Broadcast Channel	BCH	X	
Downlink Shared Channel	DL-SCH	X	
Paging Channel	PCH	X	
Uplink Shared Channel	UL-SCH		X
Random Access Channel	RACH		X

    下行:
    1.广播信道(BCH,Broadcast Channel):通过广播的方式传输下行控制信息。
    2.下行共享信道(DL-SCH,Downlink Shared Channel):用于传输下行控制或者用户信息。
    3.寻呼信道(PCH,Paging Channel):用于传输寻呼信息。
    上行:
    4.上行共享信道(UL-SCH,Uplink Shared Channel):用于传输上行控制或者用户信息。
    5.随机接入信道(RACH,Random Access Channel):用于传输随机接入前导码。

    传输信道和逻辑信道之间会建立对应关系,上下行分别为:
    在这里插入图片描述

    三 物理信道
    物理信道就是信号实际传输的通道:
    上行:
    1.PUCCH,Physical uplink control channel
    2.PUSCH,Physical uplink shared channel
    3.PRACH,Physical random-access channel
    下行:
    4.PDCCH,Physical downlink control channel
    5.PDSCH,Physical downlink shared channel
    6.PBCH,Physical broadcast channel

    传输信道和物理信道的映射关系如下:
    在这里插入图片描述

    • MIB是永远只承载在传输信道BCH里的,在物理层就是只承载在PBCH里;
    • Paging message是永远只承载在传输信道PCH里的,在物理层就是承载在PDSCH里;
    • 承载在传输信道DL-SCH里的消息和数据,在物理层也承载在PDSCH里。

    而之所以没有任何传输信道和物理信道PDCCH映射,是因为PDCCH里只承载下行控制信息DCI,而DCI并不是来自高层的一条消息,而是来自基站的一条消息,而这条消息的作用只是为了UE能正确接收PDSCH,所以DCI只在物理层有意义,所以DCI直接在PDCCH里承载,不会出现在任何传输信道中。换句话说,也就是DCI并不是一条“message”

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