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无线电频谱知识(五)

作者:admin 日期:2017-03-31 16:31 来源:未知

1. 什么是认知无线电?
       2003年,美国联邦通信委员会(FCC)给出了认知无线电的狭义定义,即认知无线电是指能够通过与工作环境交互,改变发 射机参数的无线电设备,其主体可能是软件无线电,但既没有软件也没有现场可编程的要求。
       就广义而言,认知无线电以灵活、智能、可重配置为显著特 征,通过感知外界环境,并使用人工智能技术从环境中学习,有 目的地实时改变某些操作参数(比如传输功率、载波频率和调制 技术等),使其内部状态适应接收到的无线信号的统计变化,从而 实现任何时间、任何地点的高可靠通信,以及对异构网络环境下 有限的无线频谱资源进行高效地利用。
      随着无线通信需求的不断增长,对无线通信技术支持的数据 传输速率的要求越来越高、对无线频谱资源的需求也相应增长, 从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张,成为制约无线通信发展的瓶颈:另一方面,已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。因此,人们提出采用认知无线电(CR)技术,通过从时间和空间上充分利用这些空闲的频谱资源,从而有效解决上述难题。认知无线电的主要 出发点就是使无线用户之间实现频谱资源共享。
      认知无线电应该具备以下主要特征:
    (1)认知能力。认知能力使认知无线电能够从其工作的无线 环境中捕获或者感知信息,从而可以标识特定时间和空间的未使用频谱资源(也称为频谱空洞),并选择最适当的频谱和工作参数。
    (2 )重构能力。重构能力使得认知无线电设备可以跟据无线环境动态编程,从而允许认知无线电设备采用不同的无线传输技术收发数据。可以重构的参数包括:工作频率、调制方式、发射功率和通信协议等。重构的核心思想是在不对频谱授权用户产生有害干扰的前提下,利用授权系统的空闲频谱提供可靠的通信服务。一旦该频段被频谱授权用户使用,认知无线电有两种应对方式:一是切换到其他空闲频段通信;二是继续使用该频段,但改变发射频率或者调制方案避免对频谱授权用户的有害干扰。
2. 什么是跳频技术?
      无线电通信是战时通信的必备手段,但是,传统的无线电通信都是在某一固定频率下工作.很容易被敌方截获或施加电子干扰,从而使通信失灵。
      跳频技术就是针对上述传统无线电通信的弊端,使原先固定不变的无线电发信频率按一定的规律和速度来回跳变,而让约定对方也按此规律同步跟踪接收。由于敌方不了解我方无线电信号的跳变规律,很难将信息截获。跳频技术不仅是抵御外来于扰的能手,而且对于抑制远距离无线电通信本身所造成的多径干扰也十分有效。因为采用跳频技术后,由于在主波波束己被接收,而其他径向波束尚未到达接收机时,发送和接收在载频早已跳到别的频点上,因而避免了多径效应对通信质量的影响。
      跳频技术是在普通无线电短波通信基础上增加一个"码控跳频器",其主要作用是使跳频通信发射的载波按一定规则的随机跳变序列发生变化。实现跳频通信的关键是,收发双方受伪随机码控制,用来改变载频频率的本振频率必须严格同步。跳频通信是一种数字化通信,是扩频通信的一种,其信号传输所使用的射频带宽是原信号带宽的几十倍、几百倍甚至几千倍,但仅就某一瞬间而言,跳频通信只工作在某一个频率上。
      跳频通信在海湾战争中给人们留下了深刻的印象,可以预期,在未来的信息化战争中,它仍将扮演十分重要的角色。在民用通信中,跳频技术也可用来抗衰落、抗多径、抗网间干扰和提高频谱利用率。
3. 什么是智能天线技术?
      智能天线是一种安装在基站现场的双向天线,通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性,并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性智能天线的原理是将无线电的信号导向具体的方向,产生空间定向波束,使天线主波束对准用户信号到达方向,旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向,达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。同时,智能天线技术利用各个移动用户间信号空间特征的差异,通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰,使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。在不增加系统复杂度的情况下,使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。
      智能天线分为两大类,一类是多波束天线阵列,另一类是自适应天线阵列。多波束天线阵列利用多个并行波束覆盖整个用户区,每个波束的指向是固定的,波束宽度也随天线元数目而确定。
      当用户在小区中移动时,基站在不同的相应波束中进行选择,使接收信号最强。因为用户信号并不一定在波束中心,当用户位于波束边缘及干扰信号位于波束中央时,接收效果最差,所以多波束天线不能实现信号最佳接收,一般只用作接收天线。但是,多波束天线具有结构简单、无须判定用户信号到达方向的优点。自适应天线阵列是智能天线的主要类型,一般采用4~16天线阵元结构,阵元间距为半个波长,天线阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。自适应天线阵列系统采用数字信号处理技术识别用户信号到达方向,并在此方向形成天线主波束。
      智能天线的作用体现在下列方面。
    (1)提高频谱利用率。采用智能天线代替普通天线,提高小区内频谱复用率,可以在不新建或尽量少建基站的基础上增加系统容量,降低运营成本。
    (2)迅速解决稠密市区容量瓶颈。未来的智能天线能允许任一无线信道与任一波束配对,这样就可按需分配信道,保证呼叫阻塞严重的地区获得较多信道资源,等效于增加了此类地区的无线网络容量。
    (3)抑制干扰信号。智能天线对来自各个方向的波束进行空间滤波。它通过对各天线元的激励进行调整,优化天线阵列方向图,将零点对准干扰方向,大大提高阵列的输出信干比,改善了系统质量,提高了系统可靠性。
    (4)抗衰落。采用智能天线控制接收方向,自适应地构成波束的方向性,可以使得延迟波方向的增益最小,降低信号衰落的影响。智能天线还可用于分集,减少衰落。
    (5)实现移动台定位。采用智能天线的基站可以获得接收信号的空间特征矩阵,由此获得信号的功率估值和到达方向。通过此方法,用两个基站就可将用户终端定位到一个较小区域。
4. 什么是近空通信与深空通信?
      宇宙通信是以宇宙飞行体为对象的无线电通信,国际电信联盟(ITU)规定的正式名称为"宇宙无线电通信",简称为"宇宙通信"。宇宙无线电通信有时也称为"空间通信",并分为"近空通信"和"深空通信"。
      近空通信是指地球上的通信实体与在离地球的距离小于2000000km的空间中的飞行器之间的通信。这些飞行器包括各种人造卫星、载人飞船、航天飞机等,飞行器飞行的高度从几百公里到几万公里不等。
      深空通信是指地球上的通信实体与处于深空(离地球的距离等于或大于2000000km的空间)的飞行器之间的通信。深空通信最突出的特点就是信号传输的距离极其遥远。例如,探测木星的旅行者1号航天探测器,从1977年发射,1979年到达木星,飞行航程达680000000km。航天器要将采集到的信息发回地球,由于路途遥远,地球上收到的信号极其微弱。如此远距离传送信号的另一个问题是信号传输的时延很长,从木星向地球发射信号,需要经过37.8分钟后才能到达地球。这就要求发射的信号波形具有长时期的稳定性和健壮性。另外,航天器上的通信器出了故障不好检修,因而必须有极高的可靠性。为了保证无线电信号的可靠传输,深空通信地球站必须采用非常成熟可靠的信道编码和差错控制技术,必须要有灵敏度极高的接收系统。
      为了与在极远处飞行的航天器保持通信联系,地球上的深空通信地球站还必须采用非常准确的跟踪和控制技术。为了实现对航天器的准确跟踪和控制,美国国家航空和航天局建立了一个世界上最大的深空通信网(DSN),分别在美国加州的"金石"、西班牙马德里郊外、澳大利亚堪培拉郊外建立了三个基地,这三个地方正好是地球上相隔120°的地方。每个基地都安装了四座或更多的深空发射、接收站,配置了超灵敏度的接收机和大口径的抛物面反射器,最大的口径有70m;采用了多种跟踪技术,使之在地球自转的条件下能不断地跟踪和观察航天器,从而不间断地实现地面与处于极其遥远距离的航天器之间的通信和控制。
5. 移动通信是怎样发展的?
      现代移动通信的发展始于20世纪20年代,基本经历了五个发展阶段。
      第一阶段从20世纪20年代至40年代,为早期发展阶段。在这期间,首先在短波频段上开发出专用移动通信系统,其代表是美国底特律市警察使用的车载无线电系统。该系统工作频率为 2MHz,到20世纪40年代提高到30~40 MHz ,特点是专用系统 开发。工作频率较低。
      第二阶段从20世纪40年代中期至60年代初期。在此期间内, 公用移动通信业务开始问世。1946年,美国建立了世界上第一个 公用汽车电话网,称为“城市系统”。当时使用三个频道,通信方 式为单工。随后,前西德(1950年)、法国(1956年)、英国(1959年) 等国相继研制了公用移动电话系统。特点是从专用移动网向公用 移动网过渡,人工接续方式,网络容量小。
      第三阶段从20世纪60年代中期至70年代中期。在此期间, 美国推出了改进型移动电话系统,使用150 MHz 和450 MHz频段, 采用大区制、中小容量,实现了无线频道自动选择并能够自动接 续到公用电话网。这一阶段是移动通信系统改进与完善的阶段, 其特点是采用大区制、中小容量,使用450 MHz频段,实现了自 动选频与自动接续。
      第四阶段从20世纪70年代中期至80年代中期。这是移动通 信蓬勃发展时期。1978年年底,美国研制成功模拟蜂窝移动电话 系统(AMPS), 1983年首次在芝加哥投入商用。随后,其他发达 国家也相继开发出蜂窝式公用移动通信系统。
      这一阶段的特点是蜂窝状移动通信网成为实用系统,井在世 界各地迅速发展。特别是微电子技术的长足发展,使得移动通信 设备的小型化、微型化有了实现的基础。其次,提出并形成了蜂 窝移动通信新体制,实现了频率复用,大大提高了系统容量,解 决了公用移动通信系统大容量与有限频率资源的矛盾。再次,随 着大规模集成电路的发展而出现的微处理器技术日趋成熟,以及 计算机技术的迅猛发展,为大型通信网的管理与控制提供了技术手段。
      第五阶段从20世纪80年代中期开始至今,是数字蜂窝移动 通信系统高速发展时期。第一代模拟蜂窝移动通信系统在应用中, 暴露出频谱利用率低,移动设备复杂、费用较贵、业务种类受限 制以及通话保密性差等问题,特别是其容量已不能满足日益增长 的移动用户需求。因此,新一代数字蜂窝移动通信系统应运而生。
      20世纪90年代初,与模拟式蜂窝移动电话相比较无线电频 谱利用率高、系统容量大、无线传输质量好的数字式蜂窝移动通 信系统(称为第二代移动通信)问世,1991年泛欧数字式蜂窝移 动通信网(GSM)最先投入商用,随后美国的数字式蜂窝移动通 信网(CDMA)也成功商用。我国在1994年建成了第一个GSM 数字移动通信网并发展成全球网络规模和用户规模第一的大网, 2001年又建成了世界最大的CDMA数字移动通信网。如今,第 二代移动通信(简称2G)从GSM网络升级到GPRS(通用分组 无线业务),CDMA网络升级到CDMA lx.,从单频到双频,从英 文菜单到中文输入,从语音业务到短信业务、彩铃、彩信业务以 及手机无线上网业务等,异彩纷呈。到2006年6月底,全世界 22亿移动用户中使用GSM和CDMA的用户比重达到95﹪,成为 全球陆地公众移动通信的主要移动通信系统。从20世纪90年代 末开始,无线电频谱利用率更高、传输速度更快、能提供更多无 线数据业务的第三代移动通信系统(简称3G)逐渐成熟。
      第三代移动通信系统在国际上有三大技术标准,.即WCDMA、 cdma2000和TD–CDMA。其中,TD–CDMA是我国自主创新 的移动通信标准,开创了世界百年通信史上中国人进入国际标准 领域的历史,也成为我国自主创新的一面旗帜。2007年10月, 国际电信联盟(ITU)批准WiMAX以“OFDMA TDD WMAN” 名义成为全球第四个3G国际标准。
      第三代移动通信系统具有高速和多种速率传输能力,支持从 话音、分组数据到多媒体业务。其最低传输速率要求在高速运动时为144kbi/s,在步行时为384kbi/s,在室内环境为2Mbit/s;可实现全球覆盖及全球无缝漫游。同时,第三代移动通信系统具有较高的频谱利用效率。在全球,第三代移动通信系统正进入蓬勃发展时期。
 

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