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带你读《无线数字通信:信号处理的视角》之一:引言

简介: 本书从数字信号处理的角度,建立了通信原理,包括关键的数学背景、发射机和接收机的信号处理算法、信道模型以及对多个天线的概括。描述了用于实现无线通信链路的特定接收机算法:包括同步、载波频率偏移估计、信道估计和均衡,并把这些概念扩展到当代MIMO系统。本书建立在信号处理基础之上,不需要模拟或数字通信的前期课程,可作为高年级本科和研究生的教材,亦可供工程师阅读参考。

国外电子与电气工程技术丛书
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无线数字通信:信号处理的视角
Introduction to Wireless Digital Communication:
A Signal Processing Perspective

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[美] 罗伯特·W.希思(Robert W. Heath Jr.) 著
郭宇春 张立军 李 磊 译
机械工业出版社
China Machine Press

第1章 引言

1.1 无线通信简介

在过去的100年里,无线通信(wireless communication)已经进入我们生活的各个方面。无线通信比有线通信(wired communication)出现得更早,现在无线通信正在取代有线通信。语音就是一个无线系统的史前例子,尽管在语音之前还有手势,比如拍打胸部以示权威(黑猩猩仍然常用这个手势)。遗憾的是,语音能够有效传递的距离有限,因为人类的语声功率有限,而且功率的自然衰减随距离而增大。无线通信系统早期的工程尝试包括烟火信号、火炬信号、信号弹和鼓声信号。日光反照通信镜是这类系统中比较成功的一种,它利用小镜子反射太阳光来实现数字信号的传递。
现代意义的无线通信系统利用发送和接收电磁波实现通信。这个概念由Maxwell在理论上阐述,Hertz于1888年在实际中实现。早期对无线通信系统实现做出贡献的其他学者还有Lodge、Bose和de Moura。
无线通信最早的例子用的是现在的数字通信(digital communication)。数字的英文digital一词源于拉丁语的digitus,意思是手指或脚趾。数字通信是一种通过在一定时间内从一个集合中选择一种符号来传递信息的通信方式。例如,如果一次只伸出一根手指,那一只手一次可以传递5种符号中的一种。如果一次可以伸出两根手指,一只手一次可以传递5×4=20种符号中的一种。快速重复做出手势,可以连续送出多种符号。这就是数字通信的本质。
变化时间连续信号(或模拟信号)的参数,数字通信可以利用电磁波传输一系列二元信息或比特。19世纪最常用的有线通信系统是电报系统,利用导线跨国甚至跨洋传送用Morse码表示的含有字母、数字、休止符和空格的数字报文消息(message)。Marconi在1896年取得无线电报专利,无线电报通常被视为最早的无线(电磁)数字通信系统。1901年Marconi发出第一封跨大西洋的Morse码电报报文。无线数字通信的历史与无线本身一样悠久。
尽管人们对无线电报的兴趣并未减少,但直到20世纪80年代,模拟通信一直占据着主导地位,是无线通信中的主要调制方式。利用模拟通信,传递的信号参数随输入的连续时间信号而变化。早期模拟通信的例子是19世纪70年代发明的电话系统,语声信号在送话器中转换成电信号,并且可以放大并在导线上传输。无线模拟通信系统早期的例子至今仍在使用,包括AM(Amplitude Modulation,幅度调制,简称调幅)和FM(Frequency Modulation,频率调制,简称调频)广播,还有老式的广播电视(television)。无线通信系统中一直广泛使用模拟通信,但是现在正在被数字通信取代。
数字通信现在能够取代模拟通信的主要原因是数字化数据的优势和半导体技术的发展。在计算机和计算机网络出现之前,数字化数据不普及。现在计算机上存储的或者通过互联网交换的东西都是数字的,包括电子邮件、语音电话、音乐流媒体、视频以及网页浏览等。集成电路的发展使得一定面积的半导体上能够容纳越来越多的晶体管,提高了数字信号处理的能力。虽然在数字通信中不是必需的,但是利用数字信号处理技术能够实现更好的发射机和接收机的算法。20世纪60年代,在有线电话骨干网中数字通信电路开始完全取代模拟电路,部分原因是远距离传输时数字信号的噪声抵抗能力强(与放大器相比,中继器对于噪声的敏感度低)。但是,直到20世纪80年代早期无线通信才发生相似的变化。其原因似乎是因为这个时期集成电路技术才发展到能够用于便携无线器件的程度。差不多同一时期,光盘(Compact Disc,CD)才开始取代磁带和黑胶唱片(vinyl records)。
现在数字通信已经是无线通信的基本技术了。实际上,差不多所有当代以及下一代的无线通信系统(实际上也包括所有研发中的标准)都利用数字通信技术。现在只要有用到有线介质的情况,都有提案要用无线方式取代有线方式。大量商业、军事和消费应用都采用无线数字通信。

1.2 无线系统

本节概述网络通信的常见应用,介绍有助于讨论实际无线应用的关键术语。讨论的问题包括无线广播、广播电视、蜂窝通信、无线局域网、个域通信、卫星通信、自组网络、传感器网络以及水下通信。随着讨论的进展将介绍关键概念以及与数字通信的联系。

1.2.1 无线广播

音乐广播是最早的无线通信应用之一。一种典型的无线广播或电视的系统体系结构如图1.1所示。直到最近,无线广播仍然是模拟的,利用20世纪20年代和20世纪40年代分别发明的技术采用通用的AM和FM波段发送信号。调幅广播是利用幅度调制技术实现无线广播的技术,在20世纪前80年一直是主流无线广播技术。由于这种技术容易受到大气和电气干扰,调幅广播现在主要用于谈话和新闻节目的广播。20世纪70年代,无线广播,特别是音乐广播和公共广播,改为调频(FM)广播,采用频率调制提供高保真声音信号。

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20世纪90年代,无线广播从模拟技术转向数字技术。1995年出现了数字音频广播(Digital Audio Broadcasting,DAB)标准,也称为Eureka 147。欧洲和世界其他地区采用了DAB,在有些情况下与传统的AM和FM技术一同使用。数字音频广播采用一种称为编码正交频分复用(Coded Orthogonal Frequency-Division Multiplexing,COFDM)的数字调制技术,广播多个数字广播流。COFDM是OFDM的一个特例,本书将专门讨论OFDM。
美国采用一种不同的数字方法,称为HD广播(一个商标名)。这种方法2002年获得联邦通信委员会(Federal Communications Commission,FCC)的批准,作为AM和FM数字广播系统,在发送现有模拟广播信号的同时发送数字广播信号。HD广播采用一种专利传输技术,是一种能够利用现有FM广播电台信号之间的频率空隙的OFDM技术。美国2007年开始应用HD广播技术。采用数字编码与调制技术,能够通过卫星或地面站广播CD质量的立体声信号。除了能够提高音频信号质量之外,数字音频广播技术还有其他的业务优势:附加数据业务、多种音频信号源、点播音频业务。与现在的模拟调幅、调频广播类似,HD广播不要求服务费。现在大多数汽车出厂时就安装了HD广播接收机。因此,新车的车主可以马上收听HD音频广播,使用附加的数据服务。

1.2.2 广播电视

无线广播之后出现的另一种最有名的无线应用就是广播电视。1936年英国和法国开始模拟电视广播,1939年美国开始模拟电视广播。直到最近广播电视还在沿用20世纪50年代的几种模拟标准:根据美国国家电视系统委员会(National Television System Committee,NTSC)命名的NTSC在美国、加拿大等国家使用;欧洲和南亚采用的逐行倒相(Phase Alternating Line,PAL);以及苏联和非洲部分国家采用的SECAM(SÉquentiel Couleur Á Mémoire)。除了基本的质量限制以外,模拟电视系统本质上是严格定义在很窄的性能范围之内,没有什么可供选择的。而数字电视技术,能够提供更高信号质量(高清图像和高质量环绕立体声)以及多种业务形式。
20世纪90年代,数字视频广播(Digital Video Broadcasting,DVB)系列标准开始用于数字电视和高清数字电视。美国以外的世界上大多数国家采用DVB标准。类似于DAB,DVB技术也采用OFDM数字调制技术。还有几种专为陆地、卫星、有线和手持应用设计的DVB改进技术。
美国采用了一种不同的高清数字广播技术,产生的数字信号具有类似模拟NTSC信号的频谱。先进电视系统委员会(Advanced Television Systems Committee,ATSC)数字标准采用8-VSB(残余边带)调制,并且用一种特殊的栅格(trellis)编码器(栅格码调制在无线通信中少有的几种应用之一)。ATSC系统要求采用定向天线限制多径程度,因为相比DVB标准中采用的OFDM调制,均衡相对困难。2009年模拟NTSC信号在美国使用了半个多世纪后被ATSC信号取代。

1.2.3 蜂窝通信网络

蜂窝通信(Cellular Communication)利用基站(base station)网络给大范围分布的移动用户提供通信。蜂窝(cell)这个术语指一个基站所覆盖的区域。基站选址需要保证这些蜂窝能够相互重叠,从而保证用户被网络覆盖,如图1.2所示。一个蜂窝簇(cell cluster)共享一组无线频率,在不同地理范围上重用,从而最大限度地利用无线频谱。蜂窝系统支持切换,随着移动用户的移动,通信链路从一个基站的区域转移到另一个基站的区域。基站之间通常采用有线网络,并由一些功能设备提供漫游和计费等服务。蜂窝网络通常与公用电话网络(用于电话业务的网络)和互联网络相连接。
第一代蜂窝通信器件采用模拟通信技术,特别是FM调制,用于移动用户与基站之间的无线链路。这些系统所用的技术是20世纪60年代设计的,在20世纪70年代后期和20世纪80年代早期部署使用。采用模拟技术没有什么安全性(采用合适的无线装置可以监听电话),能支持的数据速率也有限。很多类似的但不兼容的第一代系统差不多在同一时间投入使用,包括美国的先进移动电话系统(Advanced Mobile Phone System,AMPS)、斯堪的纳维亚使用的北欧移动电话(Nordic Mobile Telephony,NMT)、欧洲一些国家使用的全接入通信系统(Total Access Communication System,TACS)、法国采用的Radiocom 2000、意大利的无线电电信移动集成(Radio Telefono Mobile Integrato,RTMI),日本还有几种模拟标准。不同国家采用标准的数量之多造成国际漫游的困难。

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第二代及之后的蜂窝标准采用数字通信。第二代系统是在20世纪80年代设计的,在20世纪90年代应用的。最常用的标准有全球移动通信系统(Global System for Mobile Communications,GSM),IS-95(Interim Standard 1995,1995暂行标准,也称为TIA-EIA-95),还有组合标准IS-54/IS-136(称为数字AMPS)。GSM是欧洲几个公司合作制定的欧洲电信标准局(European Telecommunications Standards Institute,ETSI)标准。最终在世界范围得到采纳,成为第一个实现全球漫游的标准。IS-95标准是由高通(Qualcomm)公司制定的,并且采用了当时的一种多址接入新技术,称为码分多址(Code Division Multiple Access,CDMA),因此IS-95也称为CDMA-1。IS-95标准在美国、韩国和其他几个国家应用。IS-54/IS-136标准的提出是为了提供向AMPS系统的数字化升级并且保持一定程度的向后兼容性。进入21世纪,逐渐被GSM和第三代技术所取代。第二代系统主要的改进是引入了数字技术、安全性、文字消息和数据服务(特别在后续的改进中)。
2000年开始,第三代合作伙伴项目(3rd Generation Partnership Project,3GPP)和第三代合作伙伴项目2(3rd Generation Partnership Project 2,3GPP2)提出了第三代(3G)蜂窝标准。3GPP提出了基于GSM标准的通用移动通信系统(Universal Mobile Telecommunications System,UMTS)3G标准。这个标准采用类似的网络体系结构和高容量的数字传输技术。3GPP2则以cdmaOne为基础演进出CDMA2000标准。显然,UMTS和CDMA2000都采用了CDMA技术。第三代标准相对于第二代标准的主要改进是更高的话音质量(能够支持更多的话音用户)、互联网宽带接入和高速数据。
第四代蜂窝标准是很多研发项目的目标,也有很多争议(甚至关于“四代”的定义)。最后,两种系统被官方认定为四代蜂窝系统。一个是3GPP长期演进高级版(Long Term Evolution-Advanced,LTE-Advanced)的版本10及后续版本。另一个是全球互通微波接入(Worldwide Interoperability for Microwave Access,WiMAX),IEEE 802.16 m标准的一个子集。尽管WiMAX更早出现,3GPP LTE成了事实上的4G标准。与三代系统主要区别是,四代系统是从零开始设计用以提供大范围的无线互联网接入能力的技术。3GPP LTE是3GPP的演进技术,支持宽带信道和基于正交频分多址接入(orthogonal frequency-division multiple access,OFDMA)的物理层技术,给不同用户动态分配子载波。OFDMA是正交频分复用(orthogonal frequency-division multiplexing,OFDM)的多址接入版本,将在第5章讨论。3GPP LTE Advanced增加了其他新的能力,包括通过基站和手持终端设置多天线对多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)通信提供更多支持,因此也能提供更高的数据速率。WiMAX是基于IEEE 802.16标准的。本质上,WiMAX论坛(一个行业论坛)定义了一个用以实现的功能子集,包括证书和测试功能,能够提供互通性。WiMAX也采用OFDMA,尽管早期的版本采用了一种基于OFDM的略有不同的接入技术。4代系统采用MIMO通信,更充分地利用多个天线,第6章将讨论这个技术。4代蜂窝系统承诺比以前的系统更高的数据速率,并且通过简化回程体系结构改进网络。
3GPP已经开始对第5代蜂窝标准的研究。本书写作时,正在研究进一步提高吞吐量和质量,以及降低延迟和代价的各种技术。持续推进MIMO通信的极限也吸引了很多研究兴趣。大规模MIMO系统在基站采用数百个天线,能够同时支持更多的用户,全向MIMO系统利用水平和垂直波束,支持更多用户。利用30GHz以上的频谱的毫米波MIMO系统也被考虑用于第5代蜂窝系统。这些课题的研究都在进行。

1.2.4 无线局域网

无线局域网(WLAN)是一种无线形式的以太网(Ethernet),它最初的目标是从一个计算机向另一个计算机发送数据。无线局域网如图1.3所示。所有WLAN利用数字通信。WLAN原始的目标是实现一个局域网;现在的应用中,WLAN主要作为无线互联网接入的主要方法。与利用昂贵的授权频谱的蜂窝网络相比,WLAN使用非授权频段,如美国的工业、科学和医学(Industrial,Scientific,and Medical,ISM)和非授权国家信息基础设施(Unlicensed National Information Infrastructure,U-NII)无线频段。这就意味着任何人可以用授权设备安装,但不能提供有保证的服务。WLAN与蜂窝网络本质上不同。尽管二者都是用于无线互联网接入,但是WLAN主要用于有线网络的扩展,而非像蜂窝网络那样用于提供无缝广域覆盖。大多数WLAN如果实现了切换,也仅仅实现基础形式的切换。

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最常用的WLAN标准是由IEEE 802.11工作组制定的。IEEE 802工作组制定LAN和城域网(Metropolitan Area Network,MAN)标准,主要关注物理层(PHY)、媒体接入层(Media Access Control,MAC)和链路(link)层的无线链路协议,对应传统网络架构中的第一层和第二层。IEEE 802.11工作组负责WLAN标准。Wi-Fi联盟(Wi-Fi Alliance)负责认证IEEE 802.11产品,保证其互通性(Wi-Fi和IEEE 802.11往往可互换使用,虽然它们并不完全相同)。IEEE 802.11不同的小组用不同的字母区分,例如IEEE 802.11b,IEEE 802.11a,IEEE 802.11g,和IEEE 802.11n。
最初的IEEE 802.11标准支持2.4GHz ISM频段的0.5Mbps(每秒兆比特)数据速率,有两种物理层接入技术可以选择,一种是跳频扩频,另一种是直接序列扩频。IEEE 802.11b利用互补码键控调制技术扩展直接序列扩频模式,能够提供11Mbps(原文是11bps,有误。——译者注)数据速率。IEEE 802.11a和IEEE 802.11g分别在5.8GHz和2.4GHz频段提供54Mbps数据速率,采用第5章将要讨论的OFDM调制技术。
IEEE 802.11n是IEEE 802.11g和IEEE 802.11a的高吞吐量扩展版本,利用MIMO通信结合OFDM提供更高的数据速率。MIMO促使一些新调制技术(其中一些可以支持同时传输多个数据流,另一些保证更高可靠性)得以应用,第6章将予以讨论。IEEE 802.11更高吞吐量的扩展版本有IEEE 802.11ac和IEEE 802.11ad。由于标准扩展版本已经用完了采用1个字母的选择,开始使用两个字母。IEEE 802.11ac关注6GHz以下的方案,IEEE 802.11ad关注更高频率,特别是60GHz未授权毫米波方案。相比IEEE 802.11n,IEEE 802.11ac支持更先进的MIMO 能力(最多8个天线),以及几个用户同时与接入点通信的多用户MIMO通信能力。IEEE 802.11ad是第一个毫米波WLAN方案,能够提供每秒吉比特(Gbps)峰值吞吐量。IEEE 802.11ay是正在制定的下一代WLAN标准,支持多用户通信,目标数据速率为100Gbps,目标传输距离为300~500m。

1.2.5 个域网

个域网(Personal Area Network,PAN)是用于短距离通信的数字网络,主要指10m半径范围内替代有线技术的方案。图1.4给出了一个PAN的例子。无线个域网(Wireless PAN,WPAN)最合适的应用之一是连接用户个人空间中的设备,也就是,一个人携带的设备,比如键盘、耳机、显示器、音频/视频播放器、平板电脑或智能手机。根据标准,PAN可以视为围绕一个人的“个人可通信气泡”。所有PAN都采用数字通信。PAN与WLAN在体系结构上有一个差别——PAN采用即时自组织连接(ad hoc connection)的通信方式。这就意味着无须中心控制器(或接入点)的辅助,终端设备就可以形成自组织的对等网络。PAN也采用非授权频段实现。

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大多数PAN是IEEE 802.15工作组制定的。蓝牙(Bluetooth)标准,也就是IEEE 802.15.1a以及后来的扩展版本,最常用于无线头戴式耳机与蜂窝电话、无线键盘和无线计算机鼠标的连接。另一个PAN标准是IEEE 802.15.4,称为ZigBee,用于低功率嵌入式应用,例如传感器网络、家用监视和自动控制以及工业控制。IEEE 802.15.3c是802.15的一个高数据速率的扩展版本,工作在毫米波非授权频段(57~64GHz),但是没有WirelessHD成功,后者是由一个行业论坛开发的。这些系统提供超过2Gbps的高速连接和无线视频显示器连接,例如无线高清多媒体接口(High-Definition Multimedia Interface,HDMI)。随着IEEE 802.11ad取代了很多60GHz PAN的功能,WLAN与PAN的界限开始变得模糊。

1.2.6 卫星系统

卫星系统用空间收发机在远高于地球表面的高度上进行很大范围的远距离传输,如图1.5所示。可以作为陆地通信网络的替代方案,后者的基础设施位于地面上。通信卫星的思想源于科幻小说作家Arthur C.Clarke于1945年发表在《无线世界》(Wireless World)杂志上的一篇论文。论文提出了在35800km的静止地球卫星轨道上部署3颗卫星的轨道配置方案,以提供洲际通信服务。其他轨道,比如500km和1700km高度的近地轨道(Low Earth Orbit,LEO)和5000km~10000km之间以及20000km以上的中地球轨道(Medium Earth Orbit,MEO)也已投入使用。轨道越高覆盖范围越大,也就是说,可以使用更少的卫星,但是要承受更大的传播延迟和自由空间衰耗的代价。直到20世纪60年代,卫星还用于观察和探测,并未实际用于通信。1958年启动的SCORE项目是世界上第一个通信卫星,提供了成功的空间通信中继系统的实验。此后发射的通信卫星数量不断增长:1960—1970年间发射了150颗卫星,1970—1980年间发射了450颗卫星,1980—1990年间发射了650颗卫星,1990—2000年间发射750颗卫星。

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在通信中,卫星作为中继器,支持点到点和点到多点信号传输。通信卫星应用广泛,包括电话、电视广播、无线电广播和数据通信业务。与其他系统相比,通信卫星系统的优势在于覆盖范围大,特别是能够覆盖地理上偏僻区域或者困难地形。例如,移动卫星服务主要为陆地移动用户、海事用户以及航空用户提供服务。
卫星提供远程(特别是洲际)点到点或中继电话以及移动电话服务。1965年,Intelsat发射了第一颗商用卫星,名为Early Bird(晨鸟),提供洲际固定电话服务。卫星通信系统采用数字通信技术提供全球移动电话服务。第一个提高移动服务的GEO卫星Marisat(海事卫星),是在1976年发射进入轨道的。卫星系统的其他例子还包括Iridium(铱星),Inmarsat(海事卫星)和Globalstar(全星)。由于在轨道上放置卫星的高成本及其低容量,卫星电话很昂贵。卫星电话在偏远区域和海事通信中很有用,在人口稠密地区其应用已经被蜂窝网络取代。
卫星市场的通信服务中75%是电视。早期无线电视系统采用模拟调制并且需要大尺寸碟形接收天线。1989年发射了第一颗电视直播卫星TDF 1。现在大多数卫星电视节目是通过利用数字通信技术的直播卫星提供。用于电视广播应用的通信卫星系统包括美国的Galaxy和EchoStar卫星,欧洲的Astra和Eutelsat Hot Bird,印度的INSAT,还有日本的JSAT卫星。
卫星广播最新的一种应用是高保真无线电广播。过去20年,很多地区已经开展卫星广播。卫星无线电广播提供高保真音频广播服务,用户采用常规的AM或FM广播收音机。现在已经广泛用于向用户的无线电收音机发送音频信号。类似基于Sirius和XMI技术的SiriusXM,卫星无线电系统采用数字通信技术向订购服务的用户进行数字音乐多播。在这些信号的卫星传输中还可以同时传输其他信息,例如交通或天气信息。
卫星系统最新的应用是数据通信。卫星系统提供各种数据通信服务,包括广播、多播和点到点单向或双向数据业务。具体业务包括消息、寻呼、传真、从传感器网络收集数据,当然还有无线互联网接入。单向或双向通信业务通常由采用GEO卫星的甚小孔径卫星终端(Very Small Aperture Terminal,VSAT)网络提供。VSAT网络适于由中心主机和大量地理散布系统构成的集中式网络。典型的例子包括具有中心总部和不同地点的分支机构的小型和中型企业。VSAT网络也可以用于在农村地区提供无线互联网接入。
高空平台(High-Altitude Platform,HAP)站是结合陆地和卫星通信系统的混合技术。HAP的应用包括无人飞艇和有人/无人飞机,在对流层之上大约17km或更高的平流层飞行。卫星通信系统与卫星距离远、昂贵,对用户终端要求高,地面发射机覆盖范围有限,HAP站可以填补这些通信系统之间的鸿沟。在缺少蜂窝网络设施的地方,HAP系统也可以作为蜂窝系统的替代方案,提供电话和无线互联网接入。

1.2.7 无线自组织网络

自组织网络的特点是没有基础设施。蜂窝网络的用户通常与固定的基站通信,而自组织网络的用户相互通信,所有用户发送、接收并转发数据。自组织网络一个很重要的应用场景是应急通信(警务、搜索和救援)。例如飓风Katrina,海地地震或者菲律宾台风这样的灾难,会毁坏蜂窝网络基础设施。救援队的合作、与亲人的通信及协调救援物资运输都会受到设施毁坏的影响。移动自组织网络可以将一个智能手机变成既是发射塔也是手机。这样,就可以在灾难地区发送数据。在高度移动性、没有固定设备可用的军事环境中,自组织网络也很重要。未来的士兵可以使用可靠的、容易部署的、非中心的高速通信网络,发送高质量视频、图像、声音和位置数据,保证战斗中的信息优势。自组织网络有很多实际的应用。
自组织组网能力是大多数PAN的核心部分。例如,采用蓝牙技术,用一个设备作为主设备,其他设备作为主设备的从设备,可以把设备组成一个微微网络。主设备协调不同设备之间的通信。WLAN也支持设备之间通信的自组织能力,IEEE 802.11s标准中还有一个更为正式的网状(mesh)组网能力。蜂窝网络开始支持设备之间(device-to-device)通信,设备可以直接交换数据,不需要通过基站。尽管这不是完全的自组织即时通信,因为终端设备可能需要通过基站协调关键的网络功能,例如发现终端设备。
移动自组织网络一个最新的应用是车辆自组织网络(Vehicle Ad hoc NETwork,VANET)。如图1.6所示,VANET涉及车辆到车辆通信和车辆到基础设施通信,是车辆互连和自动控制车辆的关键因素。VANET与其他自组织网络的差别是顶层应用。安全性是VANET最重要的应用。例如,专用短程通信协议允许车辆在前部碰撞警告等应用中交换位置和车辆信息。下一代联网车辆能够互相交换更多的信息。例如,在相邻车辆之间共享感知数据可以将一辆车的感知范围扩展到超过其视线范围。这种数据可以融合起来形成对周边交通流量的鸟瞰图,能够帮助困难驾驶任务(例如超车和变换车道)中的自动驾驶车辆和人类司机。VANET,特别是毫米波频段的,一直是一个活跃的研究领域。

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1.2.8 无线传感器网络

无线传感器网络是一种自组织形式的无线网络,无线连接传感器在适当的时间向某些特定节点转发信息。无线通信、信号处理和电子学的发展使得小尺寸的具有感知、数据处理和通信功能的低成本、低功率、多功能的传感器节点得以实现。无线传感器网络设计中最重要的因素是有限容量电池导致的短网络生命周期。
能源网络能够以传感器网络的方式提供另一种潜在的无线通信应用。电力网络采用有百年历史的技术,即电网用电表测量电量消耗量,但很少能及时读取。采用传感器能够实现智能电网,支持基于用量定价和分布式能源生产。智能电网的很多属性能够通过无线电表实现。智能电网可以用不同的有线或无线通信技术实现。智能电网技术存在的挑战包括控制、学习和系统级问题。
射频识别(Radio Frequency IDdentification,RFID)是一种特殊的通信方式,用于制造、供应链管理、库存控制、个人财产追踪和远程医疗等应用。RFID系统包括用于标识物品和目标的RFID标签,以及RFID读取器。为了信息控制,读取器在射频范围内广播对标签的查询,标签应答存储的信息,一般采用广播查询为RFID电路和发射机供电。由于不涉及主动发送信号,通信的耗电很低。RFID可以在传感器网络中作为传感器使用,也可以作为通信方法检测,比如一个地点是否存在某个RFID标签(或者贴了这个标签的物品)。RFID已经由EPCglobal和国际标准化组织(International Organization for Standardization,ISO)标准化。典型RFID标签的无源设计使得它不同于其他常规通信系统。

1.2.9 水下通信

水下通信是无线通信的另一种小众应用。图1.7给出一些水下通信的应用。本章讨论的水下通信与其他通信方式的一个重要差异是水下通信往往涉及声波传播,而射频无线系统则通过电磁波传播。海水的含盐量导致其具有高导电性,导致电磁辐射的很大衰耗,因而电磁波在水中不能长距离传输。声波方法的局限主要是带宽很窄。一般来说,声波方法用于低速率长距离传输,而电磁波方法用于高速率短距离传输。

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现代水下通信系统采用数字传输。从信号处理的角度而言,水下通信需要复杂的自适应的接收机技术。原因是,相对而言,水下传播信道是变化的,并且呈现大量的多径。大多数射频无线系统的设计都具有一种块不变性,其中时间变化可以在短的处理间隔内被忽略。
由于信道的快速变化,这种假设可能不适用于水下通信。尽管在石油工业中有商业应用,例如水下无人驾驶舰船,但水下通信的主要应用可以在军事领域,例如船到船、船到岸和船到潜艇。水下通信是美国海军的增长型行业。潜艇和巴哈马的大西洋海底测试和评估中心(Atlantic Undersea Test and Evaluation Center,AUTEC)航程控制站之间的双向水下数字通信已经成功展示。传感器网络也用于水下,进行海洋学数据采集、环境监测、探测以及战术监测。本书要讨论的很多概念都可以用于水下通信系统,考虑传播信道可用性进行某些修正即可。

1.3 无线通信的信号处理

信号是描述物理或非物理变量随时间或空间变化的函数。信号通常由传感器采集并由转换器转换为适当的形式进行存储、处理或传输。例如,传声器包含一个振动膜来捕捉音频信号,还有一个传感器将该信号转换为电压信号。在无线通信系统中,典型的信号是用于通过无线信道将数据从发射机传输到接收机的电流和电磁场。除音频和通信信号之外,还有许多其他类型的信号:语音、图像、视频、医疗信号(如心电图)或测量股票价格演变的金融信号。信号处理是一个相对较新的工程学科,它研究如何处理信号来提取信息或根据特定目的改变信号特征。
虽然信号处理包括数字和模拟技术,但数字信号处理(DSP)主导了大多数应用场景。因此,要处理的模拟信号在操作之前被离散化和量化。例如,无线通信系统中,接收机必须对接收到的信号进行处理以去除噪声、消除干扰或消除由于通过无线信道传播造成的失真;在发送端,需要采用信号处理产生要发送的波形,将单位时间发送的信息范围或信息量最大化。目前的趋势是以数字方式执行所有这些操作,将模数转换器(ADC)或数模转换器(DAC)分别放置在尽可能靠近接收或发射天线的位置。图1.8显示了一个使用模拟和数字信号处理方法的基本通信系统的例子。

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信号处理在其他领域有很多应用,例如:

  • 语音和音频,用于说话人识别、文本到语音转换、语音识别、语音或音频压缩、噪声消除或室内均衡。
  • 图像和视频,用于图像和视频压缩、降噪、图像增强、特征提取、运动补偿或目标跟踪。
  • 医学,用于监测和分析生物信号。
  • 基因组学,用于解释基因组信息。
  • 财务,以预测为目的财务变量分析。
  • 雷达,用于检测目标并估计它们的位置和速度。

信号处理是信号处理和应用数学交叉的一门学科。直到20世纪中叶它才成为一个独立的研究领域。那时,诺伯特·维纳(Norbert Wiener)提出了一个信息源的随机过程模型。他还发明了维纳滤波器,该滤波器从观察到的噪声过程中提供未知过程的统计估计。克劳德·香农(Claude Shannon)于1948年撰写的标志性论文“通信的数学理论”,通过从信号处理的角度分析基本的数字通信系统,使用维纳的思想建模信息信号,从而建立了通信理论的基础。哈里·奈奎斯特(Harry Nyquist)于1928年提出的采样定理,由香农于1949年在他的论文“噪声存在下的通信”中得到证明,它解决了连续信号的采样和重构问题,这是DSP的一个里程碑。然而,随后的几年中,模拟信号处理继续主导从雷达信号处理到音频工程的信号处理应用。库利(Cooley)和杜克(Tukey)在1965年发表了一种用于快速实现傅里叶变换(现在称为FFT)的算法,使卷积计算能够更有效地实现,导致DSP的爆炸式增长。当时,电话传输的语音编码是一个非常活跃的信号处理领域,这项研究开始受益于自适应算法,并促成了DSP的成功。从那时起,DSP算法不断发展,性能越来越好,从中受益的应用范围越来越大。无线通信也不例外,通过增加DSP技术的复杂性,使得近年来许多通信系统的性能和数据速率的惊人增加成为可能。
信号处理方法从系统角度解决问题,包括系统中每个模块的输入和输出信号模型。不同的模块表示不同的处理阶段,可以用模拟设备或数字处理器中实现的数字算法来实现,如图1.8所示。在用于信号和系统的模拟组件的模型的复杂性和性能之间存在折中:更精确的模型为系统的仿真和实际评估提供了极好的工具,但它们增加了复杂性和仿真时间,并使问题的理论分析变得困难。使用随机过程理论和概率对信号进行统计表征,为携带信息的信号以及无线通信系统中出现的噪声和干扰信号提供了有用的模型。
信号处理理论还提供了使用微积分、线性代数和统计学概念的数学工具,将系统中的不同信号联系起来。第3章详细介绍了可用于无线通信系统设计和分析的基本信号处理成果。线性时不变系统广泛用于无线通信,对系统中的不同设备进行建模,例如滤波器或均衡器。通信系统的许多功能在频域中更好理解,因此傅里叶分析也是无线工程师的基本工具。数字通信系统也利用多速率理论成果,因为多速率滤波器可以有效实现数字发射机或接收机中执行的许多操作。最后,线性代数的基本成果是许多用于接收机不同任务的信号处理算法(例如信道均衡)的基础。
数字信号处理方法,对于无线通信,即所谓的软件定义无线电(Software-Defined Radio,SDR)概念,是有意义的,例如易于重新配置(软件下载)或同时接收不同通道和标准,如图1.9所示。然而,由于技术(非常高的采样频率)或成本(ADC上功耗过高)的原因,将接收天线输出端的通信信号数字化可能并不可行。因此,在实际的通信系统中通常进行模拟信号处理与DSP之间的平衡,通常包含一个模拟级,用于对信号进行下变频,然后是数字级,如图1.9所示。本书后面的章节提供了几个使用这种方法的当前通信系统的功能框图示例。

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1.4 本书贡献

本书从信号处理角度介绍无线数字通信的基本原理。首先,它提供了理解无线数字通信所需的数学工具的基础。其次,它从信号处理的角度介绍数字通信的基本原理,重点介绍了最常见的调制方式,而不是通信系统的最一般的描述。第三,它描述了特定的接收机算法,包括同步、载波频率偏移估计、信道估计和均衡。本书可以与同时开发的实验室课程一起使用,也可以独立使用。
目前已经有不少关于无线通信和数字通信相关主题的教科书。大多数其他的无线通信教科书都是针对通信的研究生的,建立在随机过程和数字通信的研究生课程基础上。不幸的是,本科生、其他领域的研究生和工程师可能没有学过这些教科书要求的典型的研究生先修课。有关数字通信的其他教科书针对的是一个或两个学期的研究生课程,试图以最常用的形式呈现数字通信。然而,本书关注的是数字通信的一个子集,称为复脉冲幅度调制,该调制在大多数商用无线系统中使用。此外,本书详细描述了重要的接收机信号处理算法,这是实现无线通信链路所需要的。虽然大多数概念是针对具有单个发射天线和单个接收天线的通信系统而提出的,但在本书最后将其扩展到MIMO通信系统,现在这些系统在实践中已广泛部署。
对于通信工程师来说,本书不仅提供了有关接收机算法的背景信息,如信道估计和同步(这在其他教科书中通常没有详细解释),还提供了有关MIMO通信原理的易于理解的介绍。对于信号处理工程师来说,本书解释了如何从信号处理的角度理解通信链路。特别是,在数字信号处理基本原理的基础上建立输入输出关系,因此整个系统可以用离散时间信号表示。本书提供了关于通信系统损伤及其模型的关键背景,以及对无线信道建模原理的易于理解的介绍。对于模拟信号、混合信号和电路设计人员,本书介绍了无线数字通信的数学原理。相比其他教科书,这些公式得以简化,并且本书给出的公式是可以直接实际应用的,并可用于无线通信链路的原型设计。
本书内容是有意缩小范围的。本书并不试图提出一个包含每种可能的数字通信的框架。而是重点讨论复脉冲幅度调制系统。本书也不试图为所有不同的信道损伤提供最佳的接收机信号处理算法,而是重点讨论如何使用更简单的估计器,如实际中有效的线性最小二乘法。本书提供的基础是进一步在无线通信领域工作的绝佳平台。

1.5 本书框架

本书旨在让学生、研究人员和工程师在关键的物理层信号处理概念方面奠定坚实的基础。每章开始有一个引言,预先介绍各节内容,并以条目形式总结要点作为结束。为了帮助读者测试知识掌握程度,提供了很多示例和大量的作业习题。
本章作为无线通信的引言,不仅提供了大量应用的概述,还提供了关于信号处理的一些历史背景,并给出了使用信号处理来理解无线通信的例子。
第2章概述了数字通信。这个概述是围绕数字通信系统的典型框图建立的,为后续章节的展开提供背景知识。然后更详细地讨论该章的组成部分。首先概述无线信道引入的失真类型,包括加性噪声、干扰、路径损耗和多路径。无线信道的存在给接收机信号处理引入了许多挑战。然后简要概述信源编码和译码,并举例说明无损和有损编码。信源编码压缩数据,减少需要发送的比特数。接下来,对私有密钥和公开密钥加密提供了一些背景知识,用于保护无线链路免受窃听者的攻击。然后概述信道编码和译码。信道编码插入结构化冗余,译码器可以利用这种冗余纠正错误。该章最后介绍了调制和解调,包括基带和频带概念,并预览了不同信道损伤的影响。本书后续章节着重于调制和解调、纠正信道损伤、对信道进行建模以及扩展系统对多个天线的可见性。
第3章介绍在本书的后续部分中将要利用的信号处理基础知识。首先介绍相关的连续时间和离散时间信号的表示符号,以及线性时不变系统的背景知识、冲激响应和卷积。线性时不变系统用于建立多径无线信道。该章继续回顾了几个与概率和随机过程有关的重要概念,包括稳态性、遍历性和高斯随机过程。接下来,提供了连续时间和离散时间的傅里叶变换以及信号功率和带宽的知识,因为在时域和频域中考虑通信信号都是有用的。该章接着推导出复基带信号表示和复基带等效信道,这两个信号用于抽象出通信信号的载波频率。然后介绍了多速率信号处理概念,这些概念可以用于脉冲整形的数字实现。该章最后介绍线性代数关键概念的背景,特别是线性方程的最小二乘解。
第4章介绍复脉冲幅度调制的主要原理。首先介绍调制的主要特征,包括符号映射、星座图和已调信号带宽。然后介绍最基本的加性高斯白噪声损伤。为了最小化加性噪声的影响,定义了最佳脉冲整形设计问题,并采用奈奎斯特脉冲形式解决这个问题。假定使用这种脉冲形状,可以推导出最大似然符号检测器并分析符号错误的概率。本章的主题是对使用脉冲幅度调制进行数字通信的基本介绍,其中使用了完美的同步,并且只考虑最基本的加性噪声损伤。
第5章介绍了无线通信中引入的其他损伤。首先概述平坦衰落信道的符号同步和帧同步。涉及确定何时进行采样以及数据帧的开始位置。然后提出一个多传播路径的频率选择性影响的线性时不变模型。描述了几种缓解策略,包括线性均衡。由于频率选择性信道引入的失真随时间而变化,本章还介绍信道估计的方法。信道估计用于计算均衡器的系数。然后引入有利于均衡的几种调制策略:单载波频域均衡(Single-Carrier Frequency-Domain Equalization,SC-FDE)和OFDM。然后针对单载波和OFDM系统讨论了特定信道估计和载波频率偏移校正算法。本章的大多数算法的设计思想都是先设计线性系统再确定最小二乘解。本章最后介绍了传播和衰落信道模型。这些统计模型广泛用于无线系统的设计和分析。提供了捕获数百倍波长范围的信道变化的大尺度模型,以及纳入了波长几分之一倍范围信道变化的小尺度模型。介绍了量化频率选择性和时间选择性的方法。本章最后描述了平坦和频率选择性信道的常用小尺度衰落信道模型。
第6章总结了本书,简要介绍了MIMO通信。在多个发射或接收天线的假设下,重新审视了本书讨论的关键概念。大部分结论都是围绕平坦衰落信道建立的,最终通过MIMO-OFDM扩展了频率选择性。该章首先介绍SIMO(单输入多输出)、MISO(多输入单输出)和MIMO配置中多种天线的不同配置。然后介绍SIMO系统接收机分集的基础知识,包括天线选择和最大比组合,及其对矢量符号误差概率的影响。接下来,解释了一些在MISO通信系统中提取分集的方法,包括波束形成、有限反馈和空时编码。随后介绍了被称为空间复用的重要MIMO技术。还描述了其在预编码、有限反馈和信道估计上的扩展。最后概述了MIMO-OFDM,将MIMO空间复用技术与OFDM系统易于均衡化的特征相结合。针对具有频率选择性信道的MIMO这一具有挑战性的情境,重新讨论了诸如均衡、预编码、信道估计和同步等重要概念。很多商业无线系统中采用了MIMO和MIMO-OFDM.
本书中讨论的概念非常适合软件定义无线电的实际部署实现。作者同时开发了一个实验室手册,该手册是作为NI公司通用软件无线电外设的一部分出售的。该实验手册包含了7个实验,涵盖了第4章和第5章的主要主题,以及一个探索差错控制编码优点的奖励实验。当然,这些概念可以用其他方式在实践中演示,甚至使用扬声器作为发射天线和麦克风作为接收天线。鼓励读者在可能的情况下进行算法、例题和习题的仿真实现。

1.6 符号和常用定义

在本书中,我们使用表1.1中的表示法,并为特定的定义分配表1.2中的变量符号。

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1.7 小结

  • 无线通信有大量的应用,在传播环境、传输范围和基础技术上各不相同。
  • 大多数主要的无线通信系统都使用数字通信。数字技术相对于模拟技术的优势包括适用于数字数据、对噪声的鲁棒性、更容易支持多种数据速率、多用户的能力以及更容易实现安全性。
  • 数字信号处理与数字通信非常匹配。数字信号处理使用高质量可重现的数字组件。它还利用摩尔定律,从而导致更多计算并降低功耗和成本。
  • 本书从信号处理角度介绍无线数字通信的基本原理。侧重于复脉冲幅度调制以及实现无线接收机时面临的最常见的挑战:加性噪声、频率选择性信道、符号同步、帧同步和载波频率偏移同步。

习题

1.实际中的无线设备/网络 这个问题需要对无线网络或无线设备的技术规范进行一些研究。
(a) 从以下制造商中选三家制造商:诺基亚、三星、苹果、LG、华为、索尼、黑莓、摩托罗拉或你选择的其他厂家,对这三家制造商各选一款手机,描述每种手机支持的无线和蜂窝技术以及频段。
(b) 至少说出你所在国家的三个移动服务提供商。它们的网络目前分别支持哪些蜂窝技术?
(c) 这三家移动服务提供商中的哪一家收取数据费?其典型的用户(非企业)资费计划的收费是多少?你为什么认为一些提供商已经停止提供无限的数据计划?

2.无线设备比较 请填写下表中的三家公司生产的三种蜂窝设备:

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3.可见光通信(Visible Light Communication,VLC) 对VLC进行一些研究,VLC可以作为使用RF(射频)信号的无线通信的替代方案。本书未涉及这个主题,但是本书内容可用来理解其基本原理。请务必在答案中给出引用来源。注意:你应该寻找可靠的参考来源(例如,维基百科文章中可能存在错误,或者可能不完整)。
(a) IEEE 802 LAN/MAN标准委员会的哪一部分涉及VLC?
(b) VLC的概念是什么?
(c) 典型的VLC应用程序的带宽是多少?
(d) 解释如何使用VLC进行安全的点对点通信。
(e) 解释VLC如何用于室内基于位置的服务。
(f) 解释为什么在飞机上VLC可能是首选的多媒体传送技术。
(g) 解释VLC如何用于智能交通系统。

4.传感器网络 无线传感器网络等多种无线网络在制造业中有着重要的应用。通常归类为低速无线个人区域网络。本书未涉及这个主题,但是本书内容可用来理解其基本原理。请务必在答案中给出引用来源。注意:你应该寻找可靠的参考来源(例如,维基百科文章中可能存在错误,或者可能不完整)。
(a) 什么是无线传感器网络?
(b) 什么是IEEE 802.15.4?
(c) 什么是ZigBee?
(d) IEEE 802.15.4和ZigBee如何相关?
(e) 在美国IEEE 802.15.4支持哪些通信频段?
(f) IEEE 802.15.4规定的通信信道的带宽是多少?注意:这是以赫兹为单位的带宽,而不是数据速率。
(g) IEEE 802.15.4设备的典型范围是什么?
(h) 在IEEE 802.15.4设备中电池应该使用多长时间?
(i) 如何用传感器网络监测公路桥梁?

5.无线和知识产权 无线通信行业一直饱受知识产权诉讼的困扰。确定一个最近感兴趣的案例并描述各方及其立场。对知识产权在无线通信中的作用,至少用半页篇幅描述你的看法。

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