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

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)

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