通信（計網）中的一些基礎概念

本文轉載自查看原文 2022-01-27 11:21 1168 畢設

【參考：本科老師課件+網上資料】

信息、數據、信號

數據和信息的區別：數據是獨立的，是未組織起來的符號的集合；信息則是按照一定要求以一定格式組織起來的數據，凡經過加工處理或換算到人們想要得到的數據，即可稱為信息。

數據的傳輸表現形式稱為信號。
信號是信息傳輸的載體，它是由代表特定信息的數據經編碼產生，以便能夠在特定的傳輸介質上傳輸。
常見的信號形式有電信號、光信號、無線電信號等。

信源、信宿、信道

信源：通信過程中產生和發送信息的設備或計算機。
信宿：通信過程中接收和處理信息的設備或計算機。
信道：信源和信宿之間的通信線路。一般用來表示向某一個方向傳送信息的媒體。一條通信電路往往包含一條發送信道和一條接收信道。信道上傳送的信號有基帶信號和寬帶信號之分。

模擬信號、數字信號

基帶、基帶信號、基帶傳輸

基帶：信源發出的沒有經過調制（進行頻譜搬移和變換）的原始電信號所固有的頻帶（頻率帶寬），稱為基本頻帶，簡稱基帶。基帶和頻帶相對應。

基帶信號：信源發出的沒有經過調制（進行頻譜搬移和變換）的原始電信號，其特點是頻率較低，信號頻譜從零頻附近開始，具有低通形式。基帶信號可分為數字基帶信號和模擬基帶信號，由信源決定。

基帶傳輸：在信道中直接傳送基帶信號（數字信號）時，稱為基帶傳輸。進行基帶傳輸的系統稱為基帶傳輸系統。傳輸介質的整個信道被一個基帶信號占用.基帶傳輸不需要調制解調器。

頻帶、頻帶信號、頻帶傳輸

頻帶：對基帶信號調制后所占用的頻率帶寬（一個信號所占有的從最低的頻率到最高的頻率之差)。在被用來描述信道時，帶寬是指能夠有效通過該信道的信號的最大頻帶寬度。對於模擬信號而言，帶寬又稱為頻寬，以赫茲（Hz）為單位。

頻帶信號：在通信中，由於基帶信號具有頻率很低的頻譜分量,出於抗干擾和提高傳輸率考慮一般不宜直接傳輸,需要把基帶信號變換成其頻帶適合在信道中傳輸的信號，變換后的信號就是頻帶信號。（如果一個信號只包含了一種頻率的交流成份或者有限幾種頻率的交流成份，我們就稱這種信號叫做頻帶信號，其主要用於網絡電視和有線電視的視頻廣播。）

頻帶傳輸：在信道中直接傳送頻帶信號（模擬信號）時，稱為頻帶傳輸。可以遠距離傳輸.它的缺點是速率低,誤碼率高。（一般說的頻帶傳輸是數字基帶信號經調制變換，成為能在公用電話線上傳輸的模擬信號，模擬信號經模擬傳輸媒體傳送到接收端后，再還原成原來信號的傳輸。）

頻段：我們常見的無線頻段主要有兩個：2.4G和5G。之所以叫2.4G，是因為這個頻段的頻率范圍為：2.4GHZ~2.4835GHZ。5G頻率范圍是5.15-5.825GHz。所以頻段就是一定的頻率范圍的說法。

帶寬與網速

帶寬：指傳輸介質能夠傳輸信號的頻率范圍，通常用Hz度量。

網速：指在給定時間內傳輸介質能夠傳輸的數據量，通常使用bps進行度量。
通常帶寬越高，網速就越高。

通常帶寬越高，吞吐量就越高。

奈奎斯特 (Nyquist)定理推導出帶寬為B(Hz)的理想(無噪聲)信道的最大數據率為（帶寬為B的理想信道，其可承受的最大碼元速率是2*B）：Rmax = 2B*log₂V (bps) ，其中V為離散信號的個數或電壓值的個數。

香農(Shannon)定理用信息論的理論推導出了帶寬為B，且有高斯白噪聲干擾，信噪比為S/N的信道的極限、無差錯的數據傳輸速率最大數據率Rmax 。Rmax= B*log₂ (1 + S/N) (bps)
其中信號功率與噪聲功率的比值稱為信噪比(Signal-to-Noise Ratio)；我們一般使用分貝（等於10log10S/N ）來表示信噪比

香農公式表明信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則數據的極限傳輸速率就越高。

SIN與SINR（參考：無線通信中SNR和SINR）

SIN：信噪比，信號功率與噪聲功率的比值（有用信號功率與無用信號功率的比值）。如果用分貝單位表示，信噪比可以是正值也可以是負值。

SINR：干擾信噪比，信號與干擾加噪聲比。

不同系統中，SINR的計算有不同的方法。大家可以看看相關的提案和文章。這里給大家介紹一個簡單的方法，雖不准確但便於理解和編成。假設有兩個發射天線1和2，接收端需要接收天線1的數據，天線2是干擾則SINR1=P1/(P2+2PN)，P1和P2分別代表發射天線1和2的功率，PN代表噪聲功率。【百度】

串行通信、並行通信

單工通信、半雙工通信、雙工通信

同步技術

位同步：通信雙方比特發送頻率與接收頻率的同步

字符同步：保證收發雙發正確傳輸字符的過程

同步傳輸
異步傳輸

數據編碼方式

比特率和波特率

比特率S：即數據傳輸速率，等於每秒鍾傳輸的二進制比特數，單位為比特/秒，記做bps；

波特率B：即調制速率,是描述通過模擬線路傳輸模擬數據信號傳輸過程中，從調制解調器輸出的調制信號每秒鍾載波調制狀態改變的數值，單位為波特（baud）。

波特率與比特率的關系：S=B·log₂k（其中k為多相調制的相數。log₂k值表示一次調制狀態的變化傳輸的二進制比特數）

衰落信道

什么是准靜態平坦瑞利衰落信道？_月半月半的博客-CSDN博客_准靜態衰落

復用技術

為了提高傳輸線路的利用率，把若干個彼此無關的信號合並為一個復合信號，並在一條共用的高速通信線路上進行傳輸，這就是所謂的多路復用。

所謂復用就是指區分在同一頻段下通信的不同終端的技術，系統必須能有效區別各終端才能完成通信。一般有以下幾種復用方式：

空分復用(SDM)

是從空間上將使用同一頻率的不同終端區別開來
在移動通信中，能實現空間分割的基本技術就是采用自適應陣列天線，在不同的用戶方向上形成不同的波束。
如果把空間的分割來區別不同的用戶，就叫做SDMA。每個波束可提供一個無其他用戶干擾的唯一信道。
如果把空間的分割來區別同一個用戶的不同數據，就叫做MIMO空分復用。如果把空間的分割來區別同一個用戶的相同數據，以求更高的增益，就叫做MIMO發射分集。【百度】

頻分復用(FDM)

是將一個頻段分為若干塊，不同的終端占用不同塊（所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源）
是指把傳輸線的總頻帶划分成若干個分頻帶，以提供多條數據傳輸通道，其中每條通道以某一固定頻率提供給一個固定設備使用，那么所有不同頻率的載波就可在同一時間通過同一電纜傳輸而不會相互干擾。
― 載波帶寬被划分為多種不同頻帶的子信道，每個子信道可以並行傳送一路信號。FDM 用於模擬傳輸過程（百度）

時分復用(TDM)

是從時間上將終端區別開，不同終端通過占用不同的時間來實現區分（分時不分頻）
利用多路復用器把一段時間（固定時間）分為若干個時間片，每個用戶都可以分得一個時間片，並在其占有的時間片內使用信道來傳輸數據，這樣多個用戶依次輪流占用一條信道的整個帶寬來傳輸數據。
有同步時分和異步時分

碼分復用(CDM)

是通過終端占用的不同的擴頻碼來區分
各用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。
每一個比特時間划分為 m 個短的間隔，稱為碼片(chip)。
每個站被指派一個唯一的 m bit 碼片序列。   如發送比特 1，則發送自己的 m bit 碼片序列。
   如發送比特 0，則發送該碼片序列的二進制反碼。
例如，S 站的 8 bit 碼片序列是 00011011。
   發送比特 1 時，就發送序列 00011011，
   發送比特 0 時，就發送序列 11100100。
每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，並且還必須互相正交(orthogonal)。
任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規格化內積都是1 。
一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規格化內積值是 –1。
CDMA工作原理

波分復用(WDM)

光的頻分復用。

接入技術

分集技術

【分集的基本原理是通過多個信道（時間、頻率或者空間）接收到承載相同信息的多個副本，由於多個信道的傳輸特性不同，信號多個副本的衰落就不會相同。接收機使用多個副本包含的信息能比較正確的恢復出原發送信號。如果不采用分集技術，在噪聲受限的條件下，發射機必須要發送較高的功率，才能保證信道情況較差時鏈路正常連接。在移動無線環境中，由於手持終端的電池容量非常有限，所以反向鏈路中所能獲得的功率也非常有限，而采用分集方法可以降低發射功率，這在移動通信中非常重要。】【分集技術是用來補償衰落信道損耗的，它通常通過兩個或更多的接收天線來實現。同均衡器一樣，它在不增加傳輸功率和帶寬的前提下，而改善無線通信信道的傳輸質量。在移動通信中，基站和移動台的接收機都可以采用分集技術。】。

常用分集技術有三種，即空間分集、時間分集、頻率分集。其都是為了應對無線變參信道而設計的一種干擾平均化的手段。

分集

　　是指分散傳輸和集中接收，分散傳輸是使接收端能獲得多個統計獨立的、攜帶同一信息的衰落信號。集中接收是接收機把收到的多個統計獨立的衰落信號進行合並(選擇與組合)以降低衰落的影響。

空間分集

　　為了克服某一條無線路徑的衰落帶來的失真，采用接收多條無線信道的方法，使得空間路徑帶來的干擾平均化。

頻率分集

　　為了克服某個頻率的干擾帶來的失真，采用調頻的方式來使得干擾在幾個載頻之間平均。

時間分集

　　將碼字的b個比特分散到n個幀中，以改變比特間的臨近關系，也被稱為交織技術，顯然，n值越大，傳輸特性越好，但傳輸時延也越大。

頻譜利用率

每小區每MHz支持的多少對用戶同時打電話；而對於數據業務來講，定義為每小區每MHz支持的最大傳輸速率。在這里，小區的頻率復用系數f非常重要：f越低，則意味着每小區可選的頻率自由度越大。在CDMA系統中，每個小區都可以重復使用同一頻帶(f=1)。在一個小區內對每個移動台的總干擾是同區內其他移動台干擾加上所有鄰區內移動台干擾之和。　

時分雙工（TDD）、頻分雙工（FDD）

TDD：TDD是一種通信系統的雙工方式，在移動通信系統中用於分離接收與傳送信道（或上下行鏈路）。

　　 TDD模式的移動通信系統中接收和傳送是在同一頻率信道即載波的不同時隙，用保證時間來分離接收與傳送信道；

　　　 TDD技術原理圖如下：（圖中，橫坐標表示時間；DL表示下行即基站向移動台發射；UL表示上行即移動台向基站發射。）

　　從圖中可知，基站和移動台之間的無線傳輸是在一個頻率信道F上，使用不同時隙進行雙向傳輸的。

FDD：頻分雙工是指上行鏈路和下行鏈路的傳輸分別在不同的頻率上進行。

　　 FDD模式的移動通信系統的接收和傳送是在分離的兩個對稱頻率信道上，用保證頻段來分離接收與傳送信道。

　　　FDD原理圖如下：

RE、RB

RE（Resource Element）資源元素，或資源粒子。是NR物理資源中最小的資源單位；在時域上占用1個OFDM Symbol，頻域上為1個子載波。平常所說的符號，即調制后的數據符號，是映射到RE上的，與OFDM 符號是兩個不同的概念。

RB（Resource Block），資源塊。在頻域上為12個子載波。RB有兩個概念PRB（物理資源塊）和VRB（虛擬資源塊）。(注意NR中RB並沒有強調時域的概念，只是說明了在頻域占用12個子載波)

網課筆記

MU-MIMO

Multi-User Multiple-Input Multiple-Output，即多用戶MIMO，允許1個AP同時和多個終端通信，充分利用空間資源，提升無線吞吐量，是無線通信領域的一種重要的多用戶技術。MU-MIMO主要用於蜂窩網絡和Wi-Fi（WiFi）網絡。 MU-MIMO是指在無線通信系統里，一個基站同時服務於多個移動終端，基站之間充分利用天線的空域資源與多個用戶同時進行通信。在多小區多用戶MIMO的情形下，小區內可以采用時分、頻分、碼分等技術來消除干擾，而小區間干擾的消除采用的是一些較為復雜的技術

　　上行MU-MIMO

　　不同用戶使用相同的時頻資源進行上行發送（單天線發送），從接收端來看，這些數據流可以看作來自一個用戶終端的不同天線，從而構成了一個虛擬的MIMO系統，即上行MU-MIMO

　　下行MU-MIMO

　　將多個數據流傳輸給不同的用戶終端，多個用戶終端以及eNB構成下行MU-MIMO系統；下行MU-MIMO可以在接收端通過消除/零陷的方法，分離傳輸給不同用戶的數據流；下行MU-MIMO還可以通過在發送端采用波束賦形的方法，提前分離不同用戶的數據流，從而簡化接收端的操作。

　　MU-MINO的價值/優點

        ○ MU-MIMO主要用於用戶分布密集、多用戶大流量並發、終端位置相對固定的場景，例如辦公場景、會議中心、電子教學等，能為無線網絡帶來較大的收益。實現物理空間上的多路並發，適用於大數據包的並行傳輸（如視頻、下載等應用），提升多空間流的利用率與系統容量，提高單用戶的速率，同樣能降低時延。但運行狀態不夠穩定，很容易受終端影響。
       ○ 提升網絡吞吐量和頻譜利用率：MU-MIMO可有效提升無線網絡的吞吐量。使用MU-MIMO的無線網絡吞吐量通常比SU-MIMO增加2-3倍，AP的天線數越多，空間資源越多，提升的吞吐量也越多。
       ○ 滿足視頻等應用的大流量需求：MU-MIMO允許多個終端並發傳輸數據，讓無線網絡中數據傳輸的效率更高，降低了終端在時序上的等待時間，因此可以更好地滿足視頻、音頻和其它大流量、低時延應用的需求。
       ○ 傳統Wi-Fi終端也能收益：由於MU-MIMO帶來的整體傳輸效率的提升，使得無線網絡有更多的空閑時間或容量來服務傳統的Wi-Fi終端（僅支持SU-MIMO），也就是說，傳統Wi-Fi終端的應用體驗也能隨之提升。

　　SU-MIMO預編碼

　　為了讓接收端直接收到要發送的原始數據，則只要將原始數據代入Y，根據已知的h反向計算就能知道應該發送的數據X是什么，這就是預編碼的過程。

　　MU-MIMO預編碼

　　MU-MIMO而言，接收端包含多個終端，終端只知道自己收到的Y，不知道其他終端收到的Y，也就無法在接收端計算出h，所以只能由發送端進行計算。發送端需要通過信道測量完成h的計算，過程是將數據X發送給各終端，各終端收到后回復Y給發送端，發送端已知X和Y，計算出h。發送端再根據h對發送給多個終端的數據進行預編碼，實現一次發送多個終端的數據。