绪论
香农信道容量定理及其应用
功率可以无限止地换取带宽、带宽不能无限止地换取功率。
信道分类
- 多径扩散
- 相干带宽
- 多普勒扩散
- 相干时间
- 色散信道（信号带宽大于多径扩散）
- 非色散信道
- 变参信道(码元周期大于相干时间）
- 恒参信道
21世纪通信的二大平台
- 光纤通信平台
- 无线通信平台
系统组成
无线通信系统的组成
基带、中频、射频、天线单元的组成
传输容量表示法、传输质量表示法
传输容量指对用户有效的传输信息容量
误码门限和哪些因素有关？
误码门限和噪声系数、绝对温度、信道速率、信噪比有关。
为达到一定误码率所需要的最小接收电平，称为该 系统的误码门限。
双工方式、调制方式、解调方式、信道编码方式、信源编码方式举例
- 信道编码的目的：
- 消除由于信道不理想所带来的误码
- 在理想信道上取得一定的功率增益
考虑原则：
- 系统对信道编码的要求
- 系统能提供多少冗余度
常用信道编码：
- 分组码
- 卷积码
- Turbo码
无线通信系统的有效性和可靠性如何提高。
- 有效性：在给定的频率、功率和空间条件下实现最大的传输容量。
提高有效性的技术：
- 信源编码技术： 采用有效的信源编码技术，在保证原始消息质量的条件下，尽可能压缩传输所需的比特率。
- 调制技术： 采用高效率的调制技术（包括频谱成形技术），尽可能压缩传输给定比特率所需的带宽。
- 蜂窝技术：控制发射机的功率，在通信区域内划分出许多蜂窝状小区， 从而提高无线频谱的利用率。
- 智能天线技术：利用天线的自动定向或扇区划分，在通信区域内形成许多定向的小区，从而提高无线频谱利用率。
可靠性：在给定的信道衰落和干扰条件下实现最好的业务质量。
- 提高可靠性的技术：
- 冗余度技术
- 抵消技术（均衡、分集）
信道
无线传播信道的主要指标。
- 传播衰减
- 衰减的平均值
- 衰减的最大值
- 衰减的统计特性
- 传播延时
- 延时的平均值
- 延时的最大值
- 延时的统计特性
- 延时扩展
- 对信道色散效应的描述
- 多普勒扩展
- 对信道时变效应的描述
- 干扰
- 干扰的性质
- 干扰的强度
自由空间传播
自由空间传播含义。其损耗和距离、频率成什么关系。（注意：信道传输损耗，天线增益降低损耗）
自由空间是无任何衰减、无任何阻挡、无任何多径的传播空间。
无线电波在自由空间传播时， 其单位面积中的能量会因为扩散而减少。这种减少，称为自由空间的传播损耗。
视距传播含义。视距传播除考虑自由空间传播外，还要考虑什么效应？
- 地面微波通信属于视距传播。
- 视距传播的主要特点是收发天线都在视距范围内。
- 视距传播要考虑大气效应和地面效应。
地面视距传播的大气效应
- 吸收衰减
- 主要发生在高频段,水蒸汽的最大吸收峰 在23GHz(1.3cm)； 氧气的最大吸收峰在 60GHz(5mm)；
- 雨雾衰减
- 在10GHz以下频段，雨雾衰减并不严重，一般只有几dB。
- 在10GHz以上频段(厘米/毫米波)，雨雾衰减大大增加，达到几dB/km。
- 下雨衰减是限制高频段微波传播距离的主要因素。
- 大气折射
- 大气折射导致无线电波有效传输距离减小， 相当于地球有效半径减少
- 吸收衰减
地面视距传播的地面效应
- 根据波动光学的惠更斯－费涅尔原理，遇到障碍物时将产生附加损耗。
- 地面反射：产生电平衰落的主要原因。
- 地面反射的影响
平衰落、频率选择性衰落
平衰落-非色散信道
- 接收点的场强为随机变量，当衰落较严重时，场强接近瑞利分布
频率选择性衰落
移动传播的特点
移动无线传播面临的是随时变化的、复杂的环境。
- 首先，传播环境十分复杂，传播机理多种多样。 几乎包括了电波传播的所有过程，如：直射、 绕射、反射、散射。
- 其次，由于用户台的移动性，传播参数随时变化，引起接收场强的快速波动。
移动传播大尺度模型和小尺度模型的含义
- 大尺度路径损耗传播模型描述发射机和接收机之间长距离上平均场强的变化，用于预测平均场强并估计无线覆盖范围。
- 小尺度多径衰落传播模型描述移动台在极小范围内移动时，短距离或短时间上接收场强的快速变化(瞬时值)，用于确定移动通信系统应该采取的技术措施。
移动传播的对数路径衰减规律的含义, 路径衰减指数的含义
根据理论和测试结果，无论室内还是室外信道，平均接收信号功率随距离的对数衰减（用于大尺度模型）.
n*log(d)
n为路径衰减指数。
蜂窝
核心思想：频率复用
本章重点：
- 区群，区群大小，同频小区的确定，同频复用距离D。
- 切换，切换的策略，硬切换，软切换。
- 干扰的类型，同频干扰。
- 中继理论及其有关计算。
重要数量值
对于AMPS系统，接收机可以允许的有用信号和同频干扰信号的功率比一般要大于18dB。即， 有用信号功率≥63＊同频干扰功率。 因此，这就为AMPS系统（FDMA的蜂窝系统）的设计做出了基本的限定。
区群
区群（cluster，也译作簇）
- 对于蜂窝系统，系统所提供的全部频率资源将在若干个相互邻接的小区上予以分配，分配的基本原则是每个小区将获得彼此不同的一部分频率资源，一般可以考虑 平均分配。我们将上述这些相邻接的一组小区称作一个区群。换句话说，在一个区群内部是不进行频率复用的。
- 将蜂窝系统的组成由小区（系统的最小组成单位）放大到区群，即整个系统服务区域的覆盖也可以看作由一个个区群覆盖完成，在区群之间进行频率复用。
区群大小
一个区群中包含的小区数称作区群大小。
要满足以下两个条件：
- 各个区群实现整个面状服务区域的无缝无重叠覆盖；
- 使用相同频率的小区之间的最小距离在整个系统范围内为常数。 区群大小不是可以取任意值的。而应当服从$N=i^2+ij+j^2$
一般，系统可使用的全部频率资源在区群范围内进行平均分配。
同频小区
- 在蜂窝系统设计和规划时位于不同区群内，采用相同的频道组的小区称作同频小区。
- 要想对由于采用相同频率工作而引起的相互干扰进行有效的控制，同频小区的分布应当存在规律性。
- 具体地，就是要求在整个系统范围内，同频小区之间的最小距离为常数。这个最小距离，一般称之为同频复用距离，记作D。
同频小区的确定
- 沿某正六边形小区一条边的垂线方向行进i 个小区
- 逆时针旋转60°后再向前行进j个小区, 所到达的小区可以与原始小区使用相同的频道组。
(限定i≥j)
相邻小区的中心距
$d=\sqrt{3}R$
R为小区的半径
信道分配
信道分配指的是蜂窝系统如何将可用信道资源在区群范围内进行分配， 以减小干扰并保证足够的用户容量。
固定信道分配
系统拥有的信道资源（如载频或频道） 采用某种方式进行划分以后，各信道组被固定地分配到区群内各个小区上去。 一旦分配完毕，一般情况下，各小区只固定使用分配到本小区的那组信道。若小区内暂时没有空闲信道，呼叫将被阻塞（到达用户的呼叫无法接通或用户发起的呼叫无法拨出）。
可能造成频率资源的浪费。
如何划分信道组？
- 邻频干扰和远近效应
邻道干扰产生的原因
- 已调信号带外衰减不够快——采用带宽效率更高的调制技术
- 接收滤波器不够理想——改进接收滤波器性能
无线移动通信对约束邻频干扰的要求
- 发射频谱的主瓣 应比旁瓣高60-70dB
动态信道分配
信道不是固定地分配给每个小区，而是全部信道形成“信道池”，由MSC统一管理。 呼叫发生时由BS向MSC申请信道。
注意：MSC既是交换中心，又负责信道管理，更重要的是它还进行移动性管理（如切换管理）。
动态信道分配考虑的因素
- 同频道复用距离
- 不会对本小区已经使用的其他频率产生明显干扰
- 以后呼叫阻塞的可能性，候选频道使用的频次
优点
- 频率利用率高，可适应业务分布的动态变化。
- 降低了呼叫阻塞的概率，增加了系统的用户容量
- 缺点
- 控制复杂，开销较大（要求MSC 增加存储量和运算量）
切换
- 切换的依据
- 接收信号强度(RSS，Received Signal Strength)
- 信干比S/I或载干比C/I（C_Carrier)
- 传统的切换启动准则
- 相对信号强度准则
- 具有门限规定的相对信号强度准则
- 具有滞后余量的相对信号强度准则
- 具有滞后余量和门限规定的相对信号强度准则（GSM采用）
门限规定：设定接收信号强度门限，若当前小区的接收信号强度低于门限，并且移动台接收到了比当前小区信号更强的相邻小区信号则启动切换。
滞后余量：相邻小区的平均接收信号强度大于当前小区的平均接收信号强度，并且超过的数值大于一个滞后余量时才启动切换。避免来回切换的“乒乓效应”。
硬切换和软切换
硬切换和软切换类型的区分是基于具体实施切换时对新、旧链路的不同处理方式的。
- 硬切换采用“先断(旧), 后建(新)” 的方式。
- 1G的FDMA系统和2G的TDMA系统采用。
软切换采用“先建(新), 综合利用(新\旧), 后断(旧)”的方式。
- 2G和3G的CDMA系统广泛采用。
之所以存在上述差别，是因为CDMA相邻基站可以采用相同载频，所以同时保持新旧链路是可以做到的。像FDMA这样的系统，相邻小区绝不能使用相同载频，而移动台一般不能够同时工作在两个不同载频上。
干扰和系统容量
- 干扰的类型
- 同频干扰
- 邻频干扰
- 互调干扰
- 其他的外界干扰和噪声
- 其中同频干扰，邻频干扰和互调干扰的影响最大，且无法根除
同频干扰
就蜂窝系统而言，最重要的干扰来自于系统本身，也就是同频干扰。同频干扰即由于频率的复用，系统中存在同频小区，它们相互之间存在着无法滤除的干扰。
同频干扰是不能简单地通过增加发射功率来克服的！
同频复用比例
$Q=\frac{D}{R}=\sqrt{3N}$
由对数距离路径损耗模型可知同频干扰随着同 频复用距离（或同频复用比例）的增大而减小， 反之亦然。
中继理论
服务等级GOS
- 服务等级用来表示在中继系统最忙的时间用户进入系统的能力。
- 在具有特定数量的可用信道的系统中，通过定义希望用户能够获得信道从而接入系统的概率，可以把服务等级作为某个中继无线系统的预定性能基准。
GOS通常定义为呼叫阻塞的概率，或是呼叫延迟大于某一特定排队时间的概率。
阻塞处理
- 清除
- 延时
中继效率
$\eta = \frac{A(1-GOS))}{C} (Erlangs/ch)$
大尺度路径损耗
本章重点：
自由空间传播
了解非视距传播的三种机制：反射、绕射和散射
对数路径损耗模型和对数阴影模型信号强度的度量
功率(dBm)=10lg(功率(mW)/1mW)
电平(dBμV)=20lg(电平(μV)／1 μV)
dB重要数值
- 3dB的概念
- 功率每增加一倍，其分贝值增大3dB
- 功率每减小一半，其分贝值减少3dB
- 1dB的概念
- 功率每增加25%，其分贝值增大约1dB
- 功率每减小20%, 其分贝值减少约1dB
天线概述
- 理想化各向同性天线(点源)
- 没有体积、不存在损耗的点源辐射器。方向图为球体，即在空间各个方向具有相同的辐射强度(无方向性)
- $S=\frac{P}{4\pi r^2}$ S是功率密度
- 方向性天线
工程应用上，常把$P_{t}G$称作等效各向同性辐射功率(Effective Isotropically Radiated Power), 简记作EIRP
此时, G(dB)=10lgG.
为明确起见，采用dBi标记这个分贝值。i：isotropical。
- 自由空间传播损耗
可以认为$P_R=P_T/PL$
PL(dB) = 32.44+20lg d(km)+20lg f(MHz)
LOS极限距离
$d=4.12(\sqrt{h_t}+\sqrt{h_r})$
非视距传播的三种基本传播机制
- 反射
- 当电波所投射到的表面尺寸远大于电波波长，并且该表面比较光滑，将发生电波的反射。
- 绕射
- 当电波传播过程中遇到与电波波长具有可比性的阻挡物时，电波会绕过阻挡物而传播到它的背面去。
- 散射
- 当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大，将发生散射。可以理解为“乱”反射。
反射
双线模型下：
$P_r=P_t\frac{G_tG_rh_t^2h_r^2}{d^4}$
由于直射波场强和反射波场强的共同作用下，随着距离(d)的延伸，接收功率按距离的四次方衰减。
菲涅尔带域
求得$\Delta=\frac{h^2}{2}\frac{d}{d_1d_2}$
第n菲涅尔区的半径是 $r_n=h=\sqrt{\frac{n\lambda d_1d_2}{d}}$
第一菲涅尔带域：n＝1时对应的圆面称作第一菲涅尔带域.
$r_1=\sqrt{\frac{\lambda d_1d_2}{d}}$
当d{1}=d{2}=\frac{d}{2}$
有
要在接收端Rx处达到自由空间的场强，不一定需要许多的菲涅尔区，也不一定需要全部的第一菲涅尔区，只要第一菲涅尔区截面积的1/3就可以获得自由空间场强。这样最小菲涅尔半径为$r_0=\frac{1}{\sqrt{3}}r_1=0.577r_1$
要保证电波的有效传播（获得与自由空间相当的接收场强），在这个最小菲涅尔椭球的范围内应该不存在阻挡物， 否则将造成严重衰减。这个衰减就是由阻挡引起的绕射衰减.
计算绕射损耗
不会……
假装考试不考
路径损耗指数n
对数距离路径损耗模型
阴影衰落
信号在无线信道传播过程中遇到的障碍物会使信号发生随机变化，从而造成给定距离处接收信号功率的随机变化，反射面和散射体的变化也会造成接收功率的随机变化。因此，需要建立一个模型来描述这些因素造成的信号随机衰减。我们将主要由障碍物的阻挡（如建筑物会形成电波传播的阴影）所造成的这种信号的随机变化称为阴影衰落(Shadowing)。
对数正态阴影模型
X是均值为0dB的正态随机变量。
小尺度路径损耗
本章重点：
- 多径信道冲激响应模型
- 多径信道的参数及小尺度衰落的类型
- 基于多径时延的小尺度衰落的分类
- 基于多普勒扩展的小尺度衰落的分类
- 熟悉本章的习题
小尺度衰落效应
在小尺度（几倍波长）上，移动无线信道主要对传播信号存在以下几种效应：
- 由多径传播造成的信号强度在短距离（短时间）上的急剧变化 -> 接收信号幅度变化
- 多普勒频移 -> 接收信号载频变化
- 多径时延引起信号的时间色散 -> 基带解调信号波形失真
我们将这些效应统称为多径效应或小尺度衰落效应。
多径传播的每个多径波到达的接收机的路径不同，因此他们到达的时间也不同， 每个多径波在接收机处并不是完全对齐的，这样一个基带信号的符号所占用的 时间将会超过其本来符号周期。从而对其它的符号产生串扰，即码间串扰，这 样就会引起信号模糊。
多普勒频移
匀速原理时的频移：$f_d=-\frac{v}{\lambda}$
匀速靠近时的频移：$f_d=\frac{v}{\lambda}$
影响小尺度衰落的因素
- 多径传播
- 移动台的运动速度
- 环境物体的运动速度
- 信号的传输带宽
- 信号的基本参数
- 码元周期/信号频率
- 信号的基本参数
- 延迟扩展
- 多普勒频移
无线调制技术
本章重点：
- 数字调制的概念。
- 带宽效率，功率效率。
- 基带信号的编码。
- 脉冲成形的概念。
- 数字调制：ASK，PSK，FSK，QPSK，MSK，根据数字信号绘制调制波形。
调制的定义
将要传输的信号(一般为数字脉冲)变换为适合信道特性的形式(一般为波形信号)的过程。
要传输的信号——调制信号。 转换后的信号——已调信号。
在接收端需将已调信号还原成要传输的原始信号，该过程称为解调。
两大类适用的数字调制技术
- 线性调制：特点是调制过程表现为对基带信号谱的简单搬移，因此具有较窄的主瓣，但不能保证已调信号的相位连续变化。
- 连续相位的频率调制：特点为已调信号相位连续变化, 已调信号包络恒定(恒包络调制). 但属于非线性调制, 即射频谱并不是基带谱的简单搬移, 因此往往具有较宽的主瓣.
功率效率和带宽效率
恒包络调制：信息调制在频率和相位上。
线路码型
可分为两大类，即归零(Return to Zero，RZ) 码和不归零(Non- Return to Zero，NRZ)码。
RZ意味着每比特周期脉冲要回到零值，这会使频谱展宽，但便于同步定时。而NRZ码在每个比特 周期不回到零值，即信号在每个比特周期内保 持定值，NRZ码比RZ码频谱效率高，但是同步能力差。
就二进制基带数据而言，又分为单极性(Unipolar)和双极性(Bipolar)的。
脉冲成形
为什么要进行脉冲成形？
- 前面介绍的线路码都采用矩形脉冲进行数据的脉冲成形，如双极性NRZ码中， 用正矩形脉冲代表二进制的“1”，用负的矩形脉冲代表二进制的“0”。直接将这种脉冲用于调制会使已调信号频谱具有较高的旁瓣，无法满足无线移动通信的要求。
对基带信号进行低通滤波（称作脉冲成形）可以降低射频旁瓣。
- 常用的滤波器有两种。一种是升余弦滤波器，一般用于线性调制；另一种是高斯滤波器，常用于恒包络调制
脉冲成形带来的影响
- 脉冲成形滤波器都是低通滤波器，因此这些滤波器的冲激响应不可能是时间有限的。 低通滤波器会造成信号在时域上的扩展，一个符号的脉冲将会延伸到相邻符号的之间间隔内，因此，进行脉冲成形就意味着“人为地”引入码间干扰。
- 所以，要么我们选择可以消除码间干扰影响的滤波器作为脉冲成形滤波器，要么就应该将人为引入的码间干扰控制在对系统性能影响较小的程度以内。升余弦滤波器属于前一种情形；高斯滤波器则属于后一种情形
数字调制的原理
数字调制器的作用就是针对不同的输入比特（或以多个比特代表的输入符号）来选择不同的调制波形并加以输出。