无线数据通信技术.pdf

高等学校电子信息类教材 无线数据通信技术 Radio Technology of Data Traffic 杜思深 主编 甘忠辉 副主编 郭建新 薛凤凤 林宝勤 蒋 磊 等参编 葛建华 主审 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 内 容 简 介 本书以无线数据通信系统为主线，以军事战术通信为焦点，介绍正在应用和发展的信源与信源压缩编码技术、抗干扰扩频调制通信技术、无线通信多址技术、无线通信组网技术以及无线数据通信协议、通信加密与解密、差错控制与信道编码等新技术，以使读者对无线数据通信领域的新技术、发展趋势有一个基本的了解。在编写过程中力求简明扼要、深入浅出，注重对内容的提炼，避免了抽象的理论表述和复杂的公式推导。本书可作为现代无线数据通信技术参考书，也可作为一本现代军事战术通信技术的参考书，适合于通信及相关专业的科研人员、教学人员、研究生、高年级本科生以及科研管理人员、装备检验人员、通信技术干部和指挥人员使用。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 无线数据通信技术/杜思深主编.北京：电子工业出版社，2011.1 高等学校电子信息类教材 ISBN 978-7-121-12357-3.无.杜.无线电通信：数据通信高等学校教材.TN919.72 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2010）第 227352 号 责任编辑：张来盛（）印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871 092 1/16 印张：19.75 字数：500 千字 印 次：2011 年 1 月第 1 次印刷 印 数：3 000 册 定价：35.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。北京季蜂印刷有限公司 前 言 在过去的几十年间，无线数据通信按照自己的规则蓬勃发展。从蜂窝电话网到无线接入Internet 和无线家庭网络等，无线数据通信给我们的生活带来了深刻影响，在经过呈指数增长后，今天的无线数据通信产业已经成为世界上最大的产业之一。信息时代的到来使我们越来越依赖于无线通信，虽然便携式电话系统和个人通信系统使无线通信得到了广泛的应用，但最依赖无线通信的无疑还是军事领域，军事通信技术的发展始终走在民用技术的前面，并带动和促进民用通信。当今的社会是一个高度信息化的社会。在信息社会中，信息的存储与处理离不开计算机，而信息的传递则离不开通信与计算机网络。无线数据通信正是建立在计算机网络基础之上，为实现移动终端与移动终端、移动终端与固定终端之间的数据信息传递而产生的的通信方式。无线数据通信与网络正在改变着我们的商务活动和生活方式，如电子商务、电子邮件、语音信箱、远程教育、视频聊天等，都是无线数据通信与网络技术的应用实例。无线数据通信与网络的发展目标是能够在世界的任何地点传输和交换诸如文本、音频和图像之类的数据。“5W”（Who、Whenever、Wherever、Whomever、Whatever）是无线数据通信发展的最终目标，是人们无拘束地获取和交互信息的一种内在需求，现代通信技术的发展事实上就是围绕“5W”这一目标逐步向前推进的过程。无线和数据的融合，就是个人化的通信模式和宽带的通信能力以及丰富的通信内容的融合，是通信迈向“5W”发展的必然途径，也是当前通信发展朝着宽带化、智能化和个人化发展的主要潮流和必然趋势。本书可作为现代无线数据通信技术参考书，也可作为一本现代军事战术通信技术的参考书，适合通信及相关专业的科研人员、教学人员、研究生、高年级本科生以及科研管理人员、装备检验人员、通信技术干部和指挥人员阅读使用。全书共分 14 章。第 1 章绪论，介绍数据通信与网络的基本概念，包括数据通信系统的组成与特点，网络的拓扑结构，协议与标准，数据传输模式，多路复用，数据通信系统的性能指标等，为学好后述各章做好准备。第 2 章无线通信信道，首先介绍无线信道的概念与分类，电波传播方式与无线信道特点，广义信道的数学模型，然后分析恒参信道、变参信道及其对所传信号的影响。最后说明信道带宽、系统带宽与信号带宽以及信道容量。总之，任何一个通信系统与网络，从大的方面均可视为由发送端、信道和接收端三大部分组成。因此，无线信道是无线数据通信系统与网络必不可少的组成部分，无线信道特性的好坏直接影响到系统与网络的总特性。第 3 章信源与信源压缩编码技术，现代通信系统中信源可以分为三类：计算机产生的数据流、语音产生的数据流和图像产生的数据流，而数据信号的带宽要大于模拟信号的带宽，这将占用较大的信道资源。为了提高信道（特别是无线信道）的利用率和传输效率，在有限的带宽资源条件下，进行信源压缩编码是最有效的方法，信源压缩可以显著地减少传输所需的带宽，也就可以降低费用和发送时间。本章重点讨论了语音波形压缩编码技术、语音参量压缩编码技术、图像压缩编码技术与数据信号的压缩编码技术，并进一步介绍了语音、图像及数据压缩编码标准。第 4 章数据基带传输系统与技术，数字和数据基带传输系统类似，所以本章不区别数字和数据的概念。在数据基带传输系统中，其传输对象通常是二元数字信息，它可能来自计算机、电传打字机或其他数字设备的各种数据代码，也可能来自数字电话终端的 PCM 脉冲编码信号等。由于未经调制的电脉冲数字信号所占据的频带通常从直流或低频开始，我们常称为基带信号。在某些有线信道中，特别是传输距离不太远的情况下，基带信号可以直接传送，我们称之为数据信号的基带传输。在另外一些信道，特别是无线信道和光信道中，数据基带信号则必须经过调制，将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输，我们把这种传输称为数据信号的调制传输（或载波传输、频带传输）。如果把无线调制与解调过程看作是广义信道的一部分，则任何数据传输系统均可等效为基带传输系统，因此分析掌握数据信号的基带传输原理是十分重要的。第 5 章高性能数据调制技术，信号调制即对信号的调和整治，使信号匹配信道特性以适合信道传输。调制可实现频率分配、多路复用、减少噪声干扰以及方便辐射等。在信号调制系统中，通常把待传输消息对应的基带信号称为调制信号，调制系统输出的信号称为已调制信号，简称已调信号，用于承载基带信号传输的光波或电波称为载波。解调是调制的逆过程，就是从已调信号中提取消息信号的过程，这样可方便接收者（信宿）处理或解释。本章主要讨论最小频移键控（MSK）、正交振幅调制（QAM）、正交频分复用（OFDM）等高性能调制技术。第 6 章抗干扰通信与通信干扰技术，无线抗干扰通信与通信干扰是一项涉及基础理论、技术体制、关键技术、性能评估、组织运用和战场管理控制等多方面的复杂系统工程，也是一门随着信息作战需求和通信电子进攻的挑战而发展起来的新兴工程学科，是当今武器装备发展的前沿研究领域。从哲学上讲，既没有无坚不摧的矛，也没有牢不可破的盾，抗干扰通信与通信干扰作为一对“矛”与“盾”的双方，是现代国防建设永恒的课题，通信抗干扰能力（尤其是复杂电磁环境下的通信抗干扰能力）是军队战斗力的重要标志。本章主要讨论抗干扰通信与通信干扰的基本理论、无线抗干扰通信技术、通信干扰技术。第 7 章无线信道接入方法和多址技术，无线通信系统是以信道来区分对象的，一个信道只能容纳一个用户进行通话，许多同时通话的用户互相以信道来区分，这就是多址。无线通信是一个多信道同时工作的系统，具有广播和大面积覆盖的特点。在电波覆盖区内，如何建立用户之间的无线信道的连接是多址接入方式的问题，解决多址接入问题的方法即为多址技术。多址接入技术在无线通信中占有重要的地位，它关系到系统的构成、容量、频谱和信道利用率以及系统复杂性。本章主要讨论无线多址理论基础、频分多址技术、时分多址技术、码分多址技术、扩频及混合多址技术、正交频分复用（OFDM）多址接入、空间与极化多址方式。第 8 章超宽带（UWB）通信技术，超宽带（UWB：UltraWide Band）技术是利用超宽频带的电波进行高速无线通信的技术。从时域上讲，超宽带系统有别于传统的通信系统。一般的通信系统是通过发送射频载波进行信号调制，而 UWB 是利用起、落点的时域脉冲（几十 ns）直接实现调制。超宽带的传输把调制信息过程放在一个非常宽的频带上进行，而且以这一过程中所持续的时间来决定带宽所占据的频率范围。本章主要讨论超宽带基本概念、超宽带信号的基本调制方式、UWB 关键技术介绍、UWB 应用介绍。第 9 章差错控制与信道编码技术，信道编码，又称差错控制编码、可靠性编码、抗干扰编码或纠错码，它是提高数字信号传输可靠性的有效方法之一。在无线数据传输过程中，引起数字传输差错的根本原因在于信道内存在的噪声，以及信道传输特性不理想所造成的码间串扰，为了提高数字传输系统的可靠性，降低信息传输的差错率，我们可以利用均衡技术消 除码间串扰，利用增大发射功率、降低接收设备本身的噪声、选择好的调制制度和解调方法、加强天线的方向性等措施，提高数字传输系统的抗噪性能，但上述措施受到各种条件制约，只能将传输差错减小到一定程度。若希望进一步提高数字传输系统的可靠性，就可以采用差错控制编码，对可能或已经出现的差错进行控制。本章主要讨论差错控制编码的基本概念、分组码、卷积码、TCM 网格编码调制、Turbo 码。第 11 章无线数据通信协议，数据通信协议是网络内使用的“语言”，用来协调网络的运行，以达到互通、互控和互换的目的，通信的双方要共同遵守这些约定。在现代通信网中，一般用户通过应用软件使用数据信息，应用软件使用网络进行通信时并不直接同网络硬件打交道，而是同给定的协议规则打交道，通信网络协议是通信网络中不可缺少的重要组成部分。在无线数据通信网中，信道特性的非对称性、长时延、数据包丢失及比特差错的严重性等，使其有别于有线通信环境，其协议或规程不能直接照搬，因此编写本章内容。本章主要讨论开放系统互连参考模型、数据链路传输控制规程、无线数据通信网中的信道接入协议、无线局域网协议、无线宽带数据通信协议。第 12 章无线数据通信组网技术，无线数据通信组网主要内容包括网络体系结构的设计和网络协议的设计，前者需要解决网络拓扑结构、网络控制管理、协议体系结构顶层设计问题，后者主要针对所设计的网络体系结构进行有效拓扑控制算法、管理协议、通信协议等底层技术的实现。本章主要讨论无线数据网络体系结构、蜂窝网络拓扑、移动 Ad Hoc 网络技术、无线MESH 网络技术。第 13 章战术数据链系统，战术数据链是连接数字化战场上的指挥中心、作战部队、武器平台的一种信息处理、交换和分发系统。“数据链”一词，最早起源于 20 世纪 50 年代末，当时即为北大西洋公约组织（NATO）及美国海军所使用。它主要是采用无线网络通信技术和应用协议，实现机载、陆基、舰载的指挥和控制时的战术数据信息交换。本章主要讨论数据链系统组成与数据传输流程、数据链组网协议、数据链的时隙分配。第 14 章自由空间激光通信技术，自由空间激光通信又称无线光通信或自由空间光通信（Free Space Optical Communication，FSO），是光纤通信和无线通信相结合的产物，它是指以105 GHz 以上的激光作为信息载体，不使用光纤等有线信道的传输介质，在宇宙或大气中传递信息的一种通信技术。本章主要讨论自由空间光通信系统基本组成、最新国内外研发进展与应用情况等。本书是编者多年从事无线通信科研与教学的资料、经验和体会。为了适应教学需求，本书在编写过程中力求循序渐进，尽量保持叙述内容的完整性、实用性。全书由杜思深主编，甘忠辉任副主编，西安电子科技大学葛建华教授主审，郭建新、薛凤凤、林宝勤、蒋磊等参编，吴静、李战军、姚昭琼、夏小梅、符鸿峰、杜菁、强小娟、夏智高等制作了插图和电子课件。在编写过程中，