國外電子與電氣工程技術叢書 點選檢視第二章
無線數字通信：信号處理的視角
Introduction to Wireless Digital Communication：
A Signal Processing Perspective
［美］ 羅伯特·W.希思（Robert W. Heath Jr.） 著
郭宇春 張立軍 李 磊 譯
機械工業出版社
China Machine Press
第1章 引言
1.1 無線通信簡介
在過去的100年裡，無線通信（wireless communication）已經進入我們生活的各個方面。無線通信比有線通信（wired communication）出現得更早，現在無線通信正在取代有線通信。語音就是一個無線系統的史前例子，盡管在語音之前還有手勢，比如拍打胸部以示權威（黑猩猩仍然常用這個手勢）。遺憾的是，語音能夠有效傳遞的距離有限，因為人類的語聲功率有限，而且功率的自然衰減随距離而增大。無線通信系統早期的工程嘗試包括煙火信号、火炬信号、信号彈和鼓聲信号。日光反照通信鏡是這類系統中比較成功的一種，它利用小鏡子反射太陽光來實作數字信号的傳遞。
現代意義的無線通信系統利用發送和接收電磁波實作通信。這個概念由Maxwell在理論上闡述，Hertz于1888年在實際中實作。早期對無線通信系統實作做出貢獻的其他學者還有Lodge、Bose和de Moura。
無線通信最早的例子用的是現在的數字通信（digital communication）。數字的英文digital一詞源于拉丁語的digitus，意思是手指或腳趾。數字通信是一種通過在一定時間内從一個集合中選擇一種符号來傳遞資訊的通信方式。例如，如果一次隻伸出一根手指，那一隻手一次可以傳遞5種符号中的一種。如果一次可以伸出兩根手指，一隻手一次可以傳遞5×4=20種符号中的一種。快速重複做出手勢，可以連續送出多種符号。這就是數字通信的本質。
變化時間連續信号（或模拟信号）的參數，數字通信可以利用電磁波傳輸一系列二進制資訊或比特。19世紀最常用的有線通信系統是電報系統，利用導線跨國甚至跨洋傳送用Morse碼表示的含有字母、數字、休止符和空格的數字封包消息（message）。Marconi在1896年取得無線電報專利，無線電報通常被視為最早的無線（電磁）數字通信系統。1901年Marconi發出第一封跨大西洋的Morse碼電報封包。無線數字通信的曆史與無線本身一樣悠久。
盡管人們對無線電報的興趣并未減少，但直到20世紀80年代，模拟通信一直占據着主導地位，是無線通信中的主要調制方式。利用模拟通信，傳遞的信号參數随輸入的連續時間信号而變化。早期模拟通信的例子是19世紀70年代發明的電話系統，語聲信号在送話器中轉換成電信号，并且可以放大并在導線上傳輸。無線模拟通信系統早期的例子至今仍在使用，包括AM(Amplitude Modulation，幅度調制，簡稱調幅)和FM(Frequency Modulation，頻率調制，簡稱調頻)廣播，還有老式的廣播電視(television)。無線通信系統中一直廣泛使用模拟通信，但是現在正在被數字通信取代。
數字通信現在能夠取代模拟通信的主要原因是數字化資料的優勢和半導體技術的發展。在計算機和計算機網絡出現之前，數字化資料不普及。現在計算機上存儲的或者通過網際網路交換的東西都是數字的，包括電子郵件、語音電話、音樂流媒體、視訊以及網頁浏覽等。內建電路的發展使得一定面積的半導體上能夠容納越來越多的半導體，提高了數字信号處理的能力。雖然在數字通信中不是必需的，但是利用數字信号處理技術能夠實作更好的發射機和接收機的算法。20世紀60年代，在有線電話骨幹網中數字通信電路開始完全取代模拟電路，部分原因是遠距離傳輸時數字信号的噪聲抵抗能力強(與放大器相比，中繼器對于噪聲的敏感度低)。但是，直到20世紀80年代早期無線通信才發生相似的變化。其原因似乎是因為這個時期內建電路技術才發展到能夠用于便攜無線器件的程度。差不多同一時期，CD光牒（Compact Disc，CD）才開始取代錄音帶和黑膠唱片（vinyl records）。
現在數字通信已經是無線通信的基本技術了。實際上，差不多所有當代以及下一代的無線通信系統（實際上也包括所有研發中的标準）都利用數字通信技術。現在隻要有用到有線媒體的情況，都有提案要用無線方式取代有線方式。大量商業、軍事和消費應用都采用無線數字通信。
1.2 無線系統
本節概述網絡通信的常見應用，介紹有助于讨論實際無線應用的關鍵術語。讨論的問題包括無線廣播、廣播電視、蜂窩通信、無線區域網路、個域通信、衛星通信、自組網絡、傳感器網絡以及水下通信。随着讨論的進展将介紹關鍵概念以及與數字通信的聯系。
1.2.1 無線廣播
音樂廣播是最早的無線通信應用之一。一種典型的無線廣播或電視的系統體系結構如圖1.1所示。直到最近，無線廣播仍然是模拟的，利用20世紀20年代和20世紀40年代分别發明的技術采用通用的AM和FM波段發送信号。調幅廣播是利用幅度調制技術實作無線廣播的技術，在20世紀前80年一直是主流無線廣播技術。由于這種技術容易受到大氣和電氣幹擾，調幅廣播現在主要用于談話和新聞節目的廣播。20世紀70年代，無線廣播，特别是音樂廣播和公共廣播，改為調頻（FM）廣播，采用頻率調制提供高保真聲音信号。
20世紀90年代，無線廣播從模拟技術轉向數字技術。1995年出現了數字音頻廣播（Digital Audio Broadcasting，DAB）标準，也稱為Eureka 147。歐洲和世界其他地區采用了DAB,在有些情況下與傳統的AM和FM技術一同使用。數字音頻廣播采用一種稱為編碼正交頻分複用(Coded Orthogonal Frequency-Division Multiplexing，COFDM)的數字調制技術，廣播多個數字廣播流。COFDM是OFDM的一個特例，本書将專門讨論OFDM。
美國采用一種不同的數字方法，稱為HD廣播（一個商标名）。這種方法2002年獲得聯邦通信委員會(Federal Communications Commission，FCC)的準許，作為AM和FM數字廣播系統，在發送現有模拟廣播信号的同時發送數字廣播信号。HD廣播采用一種專利傳輸技術，是一種能夠利用現有FM廣播電台信号之間的頻率空隙的OFDM技術。美國2007年開始應用HD廣播技術。采用數字編碼與調制技術，能夠通過衛星或地面站廣播CD品質的立體聲信号。除了能夠提高音頻信号品質之外，數字音頻廣播技術還有其他的業務優勢：附加資料業務、多種音頻信号源、點播音頻業務。與現在的模拟調幅、調頻廣播類似，HD廣播不要求服務費。現在大多數汽車出廠時就安裝了HD廣播接收機。是以，新車的車主可以馬上收聽HD音頻廣播，使用附加的資料服務。
1.2.2 廣播電視
無線廣播之後出現的另一種最有名的無線應用就是廣播電視。1936年英國和法國開始模拟電視廣播，1939年美國開始模拟電視廣播。直到最近廣播電視還在沿用20世紀50年代的幾種模拟标準：根據美國國家電視系統委員會（National Television System Committee，NTSC）命名的NTSC在美國、加拿大等國家使用；歐洲和南亞采用的逐行倒相(Phase Alternating Line，PAL);以及蘇聯和非洲部分國家采用的SECAM(SÉquentiel Couleur Á Mémoire)。除了基本的品質限制以外，模拟電視系統本質上是嚴格定義在很窄的性能範圍之内，沒有什麼可供選擇的。而數字電視技術，能夠提供更高信号品質（高清圖像和高品質環繞立體聲）以及多種業務形式。
20世紀90年代，數字視訊廣播（Digital Video Broadcasting，DVB）系列标準開始用于數字電視和高清數字電視。美國以外的世界上大多數國家采用DVB标準。類似于DAB,DVB技術也采用OFDM數字調制技術。還有幾種專為陸地、衛星、有線和手持應用設計的DVB改進技術。
美國采用了一種不同的高清數字廣播技術，産生的數字信号具有類似模拟NTSC信号的頻譜。先進電視系統委員會（Advanced Television Systems Committee，ATSC）數字标準采用8-VSB（殘餘邊帶）調制，并且用一種特殊的栅格（trellis）編碼器（栅格碼調制在無線通信中少有的幾種應用之一）。ATSC系統要求采用定向天線限制多徑程度，因為相比DVB标準中采用的OFDM調制，均衡相對困難。2009年模拟NTSC信号在美國使用了半個多世紀後被ATSC信号取代。
1.2.3 蜂窩通信網絡
蜂窩通信（Cellular Communication）利用基站（base station）網絡給大範圍分布的移動使用者提供通信。蜂窩（cell）這個術語指一個基站所覆寫的區域。基站選址需要保證這些蜂窩能夠互相重疊，進而保證使用者被網絡覆寫，如圖1.2所示。一個蜂窩簇（cell cluster）共享一組無線頻率，在不同地理範圍上重用，進而最大限度地利用無線頻譜。蜂窩系統支援切換，随着移動使用者的移動，通信鍊路從一個基站的區域轉移到另一個基站的區域。基站之間通常采用有線網絡，并由一些功能裝置提供漫遊和計費等服務。蜂窩網絡通常與公用電話網絡（用于電話業務的網絡）和網際網路絡相連接配接。
第一代蜂窩通信器件采用模拟通信技術，特别是FM調制，用于移動使用者與基站之間的無線鍊路。這些系統所用的技術是20世紀60年代設計的，在20世紀70年代後期和20世紀80年代早期部署使用。采用模拟技術沒有什麼安全性(采用合适的無線裝置可以監聽電話)，能支援的資料速率也有限。很多類似的但不相容的第一代系統差不多在同一時間投入使用，包括美國的先進行動電話系統（Advanced Mobile Phone System，AMPS）、斯堪的納維亞使用的北歐行動電話（Nordic Mobile Telephony，NMT）、歐洲一些國家使用的全接入通信系統(Total Access Communication System，TACS)、法國采用的Radiocom 2000、意大利的無線電電信移動內建（Radio Telefono Mobile Integrato，RTMI)，日本還有幾種模拟标準。不同國家采用标準的數量之多造成國際漫遊的困難。
第二代及之後的蜂窩标準采用數字通信。第二代系統是在20世紀80年代設計的，在20世紀90年代應用的。最常用的标準有全球移動通信系統(Global System for Mobile Communications，GSM),IS-95(Interim Standard 1995,1995暫行标準，也稱為TIA-EIA-95),還有組合标準IS-54/IS-136(稱為數字AMPS)。GSM是歐洲幾個公司合作制定的歐洲電信标準局(European Telecommunications Standards Institute，ETSI)标準。最終在世界範圍得到采納，成為第一個實作全球漫遊的标準。IS-95标準是由高通（Qualcomm）公司制定的，并且采用了當時的一種多址接入新技術，稱為碼分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)，是以IS-95也稱為CDMA-1。IS-95标準在美國、南韓和其他幾個國家應用。IS-54/IS-136标準的提出是為了提供向AMPS系統的數字化更新并且保持一定程度的向後相容性。進入21世紀，逐漸被GSM和第三代技術所取代。第二代系統主要的改進是引入了數字技術、安全性、文字消息和資料服務（特别在後續的改進中）。
2000年開始，第三代合作夥伴項目（3rd Generation Partnership Project，3GPP）和第三代合作夥伴項目2(3rd Generation Partnership Project 2，3GPP2)提出了第三代（3G）蜂窩标準。3GPP提出了基于GSM标準的通用移動通信系統(Universal Mobile Telecommunications System，UMTS)3G标準。這個标準采用類似的網絡體系結構和高容量的數字傳輸技術。3GPP2則以cdmaOne為基礎演進出CDMA2000标準。顯然，UMTS和CDMA2000都采用了CDMA技術。第三代标準相對于第二代标準的主要改進是更高的話音品質（能夠支援更多的話音使用者）、網際網路寬帶接入和高速資料。
第四代蜂窩标準是很多研發項目的目标，也有很多争議（甚至關于“四代”的定義）。最後，兩種系統被官方認定為四代蜂窩系統。一個是3GPP長期演進進階版(Long Term Evolution-Advanced，LTE-Advanced)的版本10及後續版本。另一個是全球互通微波接入(Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX),IEEE 802.16 m标準的一個子集。盡管WiMAX更早出現，3GPP LTE成了事實上的4G标準。與三代系統主要差別是，四代系統是從零開始設計用以提供大範圍的無線網際網路接入能力的技術。3GPP LTE是3GPP的演進技術，支援寬帶信道和基于正交頻分多址接入(orthogonal frequency-division multiple access，OFDMA)的實體層技術，給不同使用者動态配置設定子載波。OFDMA是正交頻分複用(orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM)的多址接入版本,将在第5章讨論。3GPP LTE Advanced增加了其他新的能力,包括通過基站和手持終端設定多天線對多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)通信提供更多支援，是以也能提供更高的資料速率。WiMAX是基于IEEE 802.16标準的。本質上，WiMAX論壇(一個行業論壇)定義了一個用以實作的功能子集，包括證書和測試功能，能夠提供互通性。WiMAX也采用OFDMA,盡管早期的版本采用了一種基于OFDM的略有不同的接入技術。4代系統采用MIMO通信，更充分地利用多個天線，第6章将讨論這個技術。4代蜂窩系統承諾比以前的系統更高的資料速率，并且通過簡化回程體系結構改進網絡。
3GPP已經開始對第5代蜂窩标準的研究。本書寫作時，正在研究進一步提高吞吐量和品質，以及降低延遲和代價的各種技術。持續推進MIMO通信的極限也吸引了很多研究興趣。大規模MIMO系統在基站采用數百個天線，能夠同時支援更多的使用者,全向MIMO系統利用水準和垂直波束，支援更多使用者。利用30GHz以上的頻譜的毫米波MIMO系統也被考慮用于第5代蜂窩系統。這些課題的研究都在進行。
1.2.4 無線區域網路
無線區域網路（WLAN）是一種無線形式的以太網（Ethernet），它最初的目标是從一個計算機向另一個計算機發送資料。無線區域網路如圖1.3所示。所有WLAN利用數字通信。WLAN原始的目标是實作一個區域網路；現在的應用中，WLAN主要作為無線網際網路接入的主要方法。與利用昂貴的授權頻譜的蜂窩網絡相比，WLAN使用非授權頻段，如美國的工業、科學和醫學(Industrial,Scientific,and Medical，ISM)和非授權國家資訊基礎設施(Unlicensed National Information Infrastructure，U-NII)無線頻段。這就意味着任何人可以用授權裝置安裝，但不能提供有保證的服務。WLAN與蜂窩網絡本質上不同。盡管二者都是用于無線網際網路接入，但是WLAN主要用于有線網絡的擴充，而非像蜂窩網絡那樣用于提供無縫廣域覆寫。大多數WLAN如果實作了切換，也僅僅實作基礎形式的切換。
最常用的WLAN标準是由IEEE 802.11工作組制定的。IEEE 802工作組制定LAN和城域網(Metropolitan Area Network，MAN)标準，主要關注實體層(PHY)、媒體接入層（Media Access Control，MAC)和鍊路（link）層的無線鍊路協定，對應傳統網絡架構中的第一層和第二層。IEEE 802.11工作組負責WLAN标準。Wi-Fi聯盟（Wi-Fi Alliance）負責認證IEEE 802.11産品，保證其互通性(Wi-Fi和IEEE 802.11往往可互換使用，雖然它們并不完全相同)。IEEE 802.11不同的小組用不同的字母區分，例如IEEE 802.11b,IEEE 802.11a,IEEE 802.11g,和IEEE 802.11n。
最初的IEEE 802.11标準支援2.4GHz ISM頻段的0.5Mbps(每秒兆比特)資料速率，有兩種實體層接入技術可以選擇，一種是跳頻擴頻，另一種是直接序列擴頻。IEEE 802.11b利用互補碼鍵控調制技術擴充直接序列擴頻模式，能夠提供11Mbps（原文是11bps，有誤。——譯者注）資料速率。IEEE 802.11a和IEEE 802.11g分别在5.8GHz和2.4GHz頻段提供54Mbps資料速率,采用第5章将要讨論的OFDM調制技術。
IEEE 802.11n是IEEE 802.11g和IEEE 802.11a的高吞吐量擴充版本，利用MIMO通信結合OFDM提供更高的資料速率。MIMO促使一些新調制技術（其中一些可以支援同時傳輸多個資料流，另一些保證更高可靠性）得以應用，第6章将予以讨論。IEEE 802.11更高吞吐量的擴充版本有IEEE 802.11ac和IEEE 802.11ad。由于标準擴充版本已經用完了采用1個字母的選擇，開始使用兩個字母。IEEE 802.11ac關注6GHz以下的方案,IEEE 802.11ad關注更高頻率,特别是60GHz未授權毫米波方案。相比IEEE 802.11n,IEEE 802.11ac支援更先進的MIMO 能力(最多8個天線)，以及幾個使用者同時與接入點通信的多使用者MIMO通信能力。IEEE 802.11ad是第一個毫米波WLAN方案,能夠提供每秒吉比特(Gbps)峰值吞吐量。IEEE 802.11ay是正在制定的下一代WLAN标準，支援多使用者通信，目标資料速率為100Gbps，目标傳輸距離為300~500m。
1.2.5 個域網
個域網(Personal Area Network,PAN)是用于短距離通信的數字網絡，主要指10m半徑範圍内替代有線技術的方案。圖1.4給出了一個PAN的例子。無線個域網(Wireless PAN,WPAN)最合适的應用之一是連接配接使用者個人空間中的裝置，也就是，一個人攜帶的裝置，比如鍵盤、耳機、顯示器、音頻/視訊播放器、平闆電腦或智能手機。根據标準，PAN可以視為圍繞一個人的“個人可通信氣泡”。所有PAN都采用數字通信。PAN與WLAN在體系結構上有一個差别——PAN采用即時自組織連接配接（ad hoc connection）的通信方式。這就意味着無須中心控制器（或接入點）的輔助，終端裝置就可以形成自組織的對等網絡。PAN也采用非授權頻段實作。
大多數PAN是IEEE 802.15工作組制定的。藍牙（Bluetooth）标準,也就是IEEE 802.15.1a以及後來的擴充版本,最常用于無線頭戴式耳機與蜂窩電話、無線鍵盤和無線計算機滑鼠的連接配接。另一個PAN标準是IEEE 802.15.4,稱為ZigBee,用于低功率嵌入式應用，例如傳感器網絡、家用監視和自動控制以及工業控制。IEEE 802.15.3c是802.15的一個高資料速率的擴充版本，工作在毫米波非授權頻段(57～64GHz),但是沒有WirelessHD成功，後者是由一個行業論壇開發的。這些系統提供超過2Gbps的高速連接配接和無線視訊顯示器連接配接，例如無線高清多媒體接口(High-Definition Multimedia Interface,HDMI)。随着IEEE 802.11ad取代了很多60GHz PAN的功能，WLAN與PAN的界限開始變得模糊。
1.2.6 衛星系統
衛星系統用空間收發機在遠高于地球表面的高度上進行很大範圍的遠距離傳輸，如圖1.5所示。可以作為陸地通信網絡的替代方案，後者的基礎設施位于地面上。通信衛星的思想源于科幻小說作家Arthur C.Clarke于1945年發表在《無線世界》(Wireless World)雜志上的一篇論文。論文提出了在35800km的靜止地球衛星軌道上部署3顆衛星的軌道配置方案，以提供洲際通信服務。其他軌道，比如500km和1700km高度的近地軌道(Low Earth Orbit，LEO)和5000km～10000km之間以及20000km以上的中地球軌道(Medium Earth Orbit，MEO)也已投入使用。軌道越高覆寫範圍越大，也就是說，可以使用更少的衛星，但是要承受更大的傳播延遲和自由空間衰耗的代價。直到20世紀60年代，衛星還用于觀察和探測，并未實際用于通信。1958年啟動的SCORE項目是世界上第一個通信衛星，提供了成功的空間通信中繼系統的實驗。此後發射的通信衛星數量不斷增長：1960—1970年間發射了150顆衛星，1970—1980年間發射了450顆衛星,1980—1990年間發射了650顆衛星，1990—2000年間發射750顆衛星。
在通信中，衛星作為中繼器，支援點到點和點到多點信号傳輸。通信衛星應用廣泛，包括電話、電視廣播、無線電廣播和資料通信業務。與其他系統相比，通信衛星系統的優勢在于覆寫範圍大，特别是能夠覆寫地理上偏僻區域或者困難地形。例如，移動衛星服務主要為陸地移動使用者、海事使用者以及航空使用者提供服務。
衛星提供遠端（特别是洲際）點到點或中繼電話以及行動電話服務。1965年,Intelsat發射了第一顆商用衛星，名為Early Bird(晨鳥)，提供洲際固定電話服務。衛星通信系統采用數字通信技術提供全球行動電話服務。第一個提高移動服務的GEO衛星Marisat(海事衛星),是在1976年發射進入軌道的。衛星系統的其他例子還包括Iridium(銥星),Inmarsat（海事衛星）和Globalstar（全星）。由于在軌道上放置衛星的高成本及其低容量，衛星電話很昂貴。衛星電話在偏遠區域和海事通信中很有用，在人口稠密地區其應用已經被蜂窩網絡取代。
衛星市場的通信服務中75%是電視。早期無線電視系統采用模拟調制并且需要大尺寸碟形接收天線。1989年發射了第一顆電視直播衛星TDF 1。現在大多數衛星電視節目是通過利用數字通信技術的直播衛星提供。用于電視廣播應用的通信衛星系統包括美國的Galaxy和EchoStar衛星，歐洲的Astra和Eutelsat Hot Bird，印度的INSAT，還有日本的JSAT衛星。
衛星廣播最新的一種應用是高保真無線電廣播。過去20年，很多地區已經開展衛星廣播。衛星無線電廣播提供高保真音頻廣播服務，使用者采用正常的AM或FM廣播收音機。現在已經廣泛用于向使用者的無線電收音機發送音頻信号。類似基于Sirius和XMI技術的SiriusXM，衛星無線電系統采用數字通信技術向訂購服務的使用者進行數字音樂多點傳播。在這些信号的衛星傳輸中還可以同時傳輸其他資訊，例如交通或天氣資訊。
衛星系統最新的應用是資料通信。衛星系統提供各種資料通信服務，包括廣播、多點傳播和點到點單向或雙向資料業務。具體業務包括消息、尋呼、傳真、從傳感器網絡收集資料，當然還有無線網際網路接入。單向或雙向通信業務通常由采用GEO衛星的甚小孔徑衛星終端(Very Small Aperture Terminal,VSAT)網絡提供。VSAT網絡适于由中心主機和大量地理散布系統構成的集中式網絡。典型的例子包括具有中心總部和不同地點的分支機構的小型和中型企業。VSAT網絡也可以用于在農村地區提供無線網際網路接入。
高空平台（High-Altitude Platform，HAP)站是結合陸地和衛星通信系統的混合技術。HAP的應用包括無人飛艇和有人/無人飛機，在對流層之上大約17km或更高的平流層飛行。衛星通信系統與衛星距離遠、昂貴，對使用者終端要求高，地面發射機覆寫範圍有限，HAP站可以填補這些通信系統之間的鴻溝。在缺少蜂窩網絡設施的地方，HAP系統也可以作為蜂窩系統的替代方案，提供電話和無線網際網路接入。
1.2.7 無線自組織網絡
自組織網絡的特點是沒有基礎設施。蜂窩網絡的使用者通常與固定的基站通信，而自組織網絡的使用者互相通信，所有使用者發送、接收并轉發資料。自組織網絡一個很重要的應用場景是應急通信（警務、搜尋和救援）。例如飓風Katrina,海地地震或者菲律賓台風這樣的災難，會毀壞蜂窩網絡基礎設施。救援隊的合作、與親人的通信及協調救援物資運輸都會受到設施毀壞的影響。移動自組織網絡可以将一個智能手機變成既是發射塔也是手機。這樣，就可以在災難地區發送資料。在高度移動性、沒有固定裝置可用的軍事環境中，自組織網絡也很重要。未來的士兵可以使用可靠的、容易部署的、非中心的高速通信網絡，發送高品質視訊、圖像、聲音和位置資料，保證戰鬥中的資訊優勢。自組織網絡有很多實際的應用。
自組織組網能力是大多數PAN的核心部分。例如，采用藍牙技術，用一個裝置作為主裝置，其他裝置作為主裝置的從裝置，可以把裝置組成一個微微網絡。主裝置協調不同裝置之間的通信。WLAN也支援裝置之間通信的自組織能力，IEEE 802.11s标準中還有一個更為正式的網狀（mesh）組網能力。蜂窩網絡開始支援裝置之間（device-to-device)通信，裝置可以直接交換資料，不需要通過基站。盡管這不是完全的自組織即時通信，因為終端裝置可能需要通過基站協調關鍵的網絡功能，例如發現終端裝置。
移動自組織網絡一個最新的應用是車輛自組織網絡（Vehicle Ad hoc NETwork，VANET）。如圖1.6所示，VANET涉及車輛到車輛通信和車輛到基礎設施通信，是車輛互連和自動控制車輛的關鍵因素。VANET與其他自組織網絡的差别是頂層應用。安全性是VANET最重要的應用。例如，專用短程通信協定允許車輛在前部碰撞警告等應用中交換位置和車輛資訊。下一代聯網車輛能夠互相交換更多的資訊。例如,在相鄰車輛之間共享感覺資料可以将一輛車的感覺範圍擴充到超過其視線範圍。這種資料可以融合起來形成對周邊交通流量的鳥瞰圖,能夠幫助困難駕駛任務（例如超車和變換車道）中的自動駕駛車輛和人類司機。VANET,特别是毫米波頻段的,一直是一個活躍的研究領域。
1.2.8 無線傳感器網絡
無線傳感器網絡是一種自組織形式的無線網絡，無線連接配接傳感器在适當的時間向某些特定節點轉發資訊。無線通信、信号處理和電子學的發展使得小尺寸的具有感覺、資料處理和通信功能的低成本、低功率、多功能的傳感器節點得以實作。無線傳感器網絡設計中最重要的因素是有限容量電池導緻的短網絡生命周期。
能源網絡能夠以傳感器網絡的方式提供另一種潛在的無線通信應用。電力網絡采用有百年曆史的技術，即電網用電表測量電量消耗量，但很少能及時讀取。采用傳感器能夠實作智能電網，支援基于用量定價和分布式能源生産。智能電網的很多屬性能夠通過無線電表實作。智能電網可以用不同的有線或無線通信技術實作。智能電網技術存在的挑戰包括控制、學習和系統級問題。
射頻識别(Radio Frequency IDdentification,RFID)是一種特殊的通信方式，用于制造、供應鍊管理、庫存控制、個人财産追蹤和遠端醫療等應用。RFID系統包括用于辨別物品和目标的RFID标簽，以及RFID讀取器。為了資訊控制，讀取器在射頻範圍内廣播對标簽的查詢,标簽應答存儲的資訊,一般采用廣播查詢為RFID電路和發射機供電。由于不涉及主動發送信号，通信的耗電很低。RFID可以在傳感器網絡中作為傳感器使用，也可以作為通信方法檢測，比如一個地點是否存在某個RFID标簽(或者貼了這個标簽的物品)。RFID已經由EPCglobal和國際标準化組織(International Organization for Standardization，ISO)标準化。典型RFID标簽的無源設計使得它不同于其他正常通信系統。
1.2.9 水下通信
水下通信是無線通信的另一種小衆應用。圖1.7給出一些水下通信的應用。本章讨論的水下通信與其他通信方式的一個重要差異是水下通信往往涉及聲波傳播，而射頻無線系統則通過電磁波傳播。海水的含鹽量導緻其具有高導電性，導緻電磁輻射的很大衰耗，因而電磁波在水中不能長距離傳輸。聲波方法的局限主要是帶寬很窄。一般來說，聲波方法用于低速率長距離傳輸，而電磁波方法用于高速率短距離傳輸。
現代水下通信系統采用數字傳輸。從信号處理的角度而言，水下通信需要複雜的自适應的接收機技術。原因是，相對而言，水下傳播信道是變化的，并且呈現大量的多徑。大多數射頻無線系統的設計都具有一種塊不變性，其中時間變化可以在短的處理間隔内被忽略。
由于信道的快速變化，這種假設可能不适用于水下通信。盡管在石油工業中有商業應用，例如水下無人駕駛艦船，但水下通信的主要應用可以在軍事領域，例如船到船、船到岸和船到潛艇。水下通信是美國海軍的增長型行業。潛艇和巴哈馬的大西洋海底測試和評估中心（Atlantic Undersea Test and Evaluation Center，AUTEC）航程控制站之間的雙向水下數字通信已經成功展示。傳感器網絡也用于水下，進行海洋學資料采集、環境監測、探測以及戰術監測。本書要讨論的很多概念都可以用于水下通信系統，考慮傳播信道可用性進行某些修正即可。
1.3 無線通信的信号處理
信号是描述實體或非實體變量随時間或空間變化的函數。信号通常由傳感器采集并由轉換器轉換為适當的形式進行存儲、處理或傳輸。例如，傳聲器包含一個振動膜來捕捉音頻信号，還有一個傳感器将該信号轉換為電壓信号。在無線通信系統中，典型的信号是用于通過無線信道将資料從發射機傳輸到接收機的電流和電磁場。除音頻和通信信号之外，還有許多其他類型的信号：語音、圖像、視訊、醫療信号（如心電圖）或測量股票價格演變的金融信号。信号處理是一個相對較新的工程學科，它研究如何處理信号來提取資訊或根據特定目的改變信号特征。
雖然信号處理包括數字和模拟技術，但數字信号處理(DSP)主導了大多數應用場景。是以，要處理的模拟信号在操作之前被離散化和量化。例如，無線通信系統中，接收機必須對接收到的信号進行處理以去除噪聲、消除幹擾或消除由于通過無線信道傳播造成的失真;在發送端，需要采用信号處理産生要發送的波形，将機關時間發送的資訊範圍或資訊量最大化。目前的趨勢是以數字方式執行所有這些操作，将模數轉換器（ADC）或數模轉換器（DAC）分别放置在盡可能靠近接收或發射天線的位置。圖1.8顯示了一個使用模拟和數字信号處理方法的基本通信系統的例子。
信号處理在其他領域有很多應用，例如：
- 語音和音頻，用于說話人識别、文本到語音轉換、語音識别、語音或音頻壓縮、噪聲消除或室内均衡。
- 圖像和視訊，用于圖像和視訊壓縮、降噪、圖像增強、特征提取、運動補償或目标跟蹤。
- 醫學，用于監測和分析生物信号。
- 基因組學，用于解釋基因組資訊。
- 财務，以預測為目的财務變量分析。
- 雷達，用于檢測目标并估計它們的位置和速度。
信号處理是信号處理和應用數學交叉的一門學科。直到20世紀中葉它才成為一個獨立的研究領域。那時，諾伯特·維納（Norbert Wiener）提出了一個資訊源的随機過程模型。他還發明了維納濾波器，該濾波器從觀察到的噪聲過程中提供未知過程的統計估計。克勞德·香農（Claude Shannon）于1948年撰寫的标志性論文“通信的數學理論”，通過從信号處理的角度分析基本的數字通信系統，使用維納的思想模組化資訊信号，進而建立了通信理論的基礎。哈裡·奈奎斯特（Harry Nyquist）于1928年提出的采樣定理,由香農于1949年在他的論文“噪聲存在下的通信”中得到證明，它解決了連續信号的采樣和重構問題，這是DSP的一個裡程碑。然而，随後的幾年中，模拟信号處理繼續主導從雷達信号處理到音頻工程的信号處理應用。庫利（Cooley）和杜克（Tukey）在1965年發表了一種用于快速實作傅裡葉變換（現在稱為FFT）的算法，使卷積計算能夠更有效地實作，導緻DSP的爆炸式增長。當時，電話傳輸的語音編碼是一個非常活躍的信号處理領域，這項研究開始受益于自适應算法，并促成了DSP的成功。從那時起，DSP算法不斷發展，性能越來越好，從中受益的應用範圍越來越大。無線通信也不例外，通過增加DSP技術的複雜性，使得近年來許多通信系統的性能和資料速率的驚人增加成為可能。
信号處理方法從系統角度解決問題，包括系統中每個子產品的輸入和輸出信号模型。不同的子產品表示不同的處理階段，可以用模拟裝置或數字處理器中實作的數字算法來實作，如圖1.8所示。在用于信号和系統的模拟元件的模型的複雜性和性能之間存在折中：更精确的模型為系統的仿真和實際評估提供了極好的工具，但它們增加了複雜性和仿真時間，并使問題的理論分析變得困難。使用随機過程理論和機率對信号進行統計表征，為攜帶資訊的信号以及無線通信系統中出現的噪聲和幹擾信号提供了有用的模型。
信号處理理論還提供了使用微積分、線性代數和統計學概念的數學工具，将系統中的不同信号聯系起來。第3章詳細介紹了可用于無線通信系統設計和分析的基本信号處理成果。線性時不變系統廣泛用于無線通信，對系統中的不同裝置進行模組化，例如濾波器或均衡器。通信系統的許多功能在頻域中更好了解，是以傅裡葉分析也是無線工程師的基本工具。數字通信系統也利用多速率理論成果，因為多速率濾波器可以有效實作數字發射機或接收機中執行的許多操作。最後，線性代數的基本成果是許多用于接收機不同任務的信号處理算法（例如信道均衡）的基礎。
數字信号處理方法，對于無線通信，即所謂的軟體定義無線電（Software-Defined Radio，SDR）概念，是有意義的，例如易于重新配置（軟體下載下傳）或同時接收不同通道和标準，如圖1.9所示。然而，由于技術（非常高的采樣頻率）或成本（ADC上功耗過高）的原因，将接收天線輸出端的通信信号數字化可能并不可行。是以，在實際的通信系統中通常進行模拟信号處理與DSP之間的平衡，通常包含一個模拟級，用于對信号進行下變頻，然後是數字級，如圖1.9所示。本書後面的章節提供了幾個使用這種方法的目前通信系統的功能框圖示例。
1.4 本書貢獻
本書從信号處理角度介紹無線數字通信的基本原理。首先，它提供了了解無線數字通信所需的數學工具的基礎。其次，它從信号處理的角度介紹數字通信的基本原理，重點介紹了最常見的調制方式，而不是通信系統的最一般的描述。第三，它描述了特定的接收機算法，包括同步、載波頻率偏移估計、信道估計和均衡。本書可以與同時開發的實驗室課程一起使用，也可以獨立使用。
目前已經有不少關于無線通信和數字通信相關主題的教科書。大多數其他的無線通信教科書都是針對通信的研究所學生的，建立在随機過程和數字通信的研究所學生課程基礎上。不幸的是，大學生、其他領域的研究所學生和工程師可能沒有學過這些教科書要求的典型的研究所學生先修課。有關數字通信的其他教科書針對的是一個或兩個學期的研究所學生課程，試圖以最常用的形式呈現數字通信。然而，本書關注的是數字通信的一個子集，稱為複脈沖幅度調制，該調制在大多數商用無線系統中使用。此外，本書較長的描述了重要的接收機信号處理算法，這是實作無線通信鍊路所需要的。雖然大多數概念是針對具有單個發射天線和單個接收天線的通信系統而提出的，但在本書最後将其擴充到MIMO通信系統，現在這些系統在實踐中已廣泛部署。
對于通信工程師來說，本書不僅提供了有關接收機算法的背景資訊，如信道估計和同步（這在其他教科書中通常沒有詳細解釋），還提供了有關MIMO通信原理的易于了解的介紹。對于信号處理工程師來說，本書解釋了如何從信号處理的角度了解通信鍊路。特别是，在數字信号處理基本原理的基礎上建立輸入輸出關系，是以整個系統可以用離散時間信号表示。本書提供了關于通信系統損傷及其模型的關鍵背景，以及對無線信道模組化原理的易于了解的介紹。對于模拟信号、混合信号和電路設計人員，本書介紹了無線數字通信的數學原理。相比其他教科書，這些公式得以簡化，并且本書給出的公式是可以直接實際應用的，并可用于無線通信鍊路的原型設計。
本書内容是有意縮小範圍的。本書并不試圖提出一個包含每種可能的數字通信的架構。而是重點讨論複脈沖幅度調制系統。本書也不試圖為所有不同的信道損傷提供最佳的接收機信号處理算法，而是重點讨論如何使用更簡單的估計器，如實際中有效的線性最小二乘法。本書提供的基礎是進一步在無線通信領域工作的絕佳平台。
1.5 本書架構
本書旨在讓學生、研究人員和工程師在關鍵的實體層信号處理概念方面奠定堅實的基礎。每章開始有一個引言，預先介紹各節内容，并以條目形式總結要點作為結束。為了幫助讀者測試知識掌握程度，提供了很多示例和大量的作業習題。
本章作為無線通信的引言，不僅提供了大量應用的概述，還提供了關于信号處理的一些曆史背景，并給出了使用信号處理來了解無線通信的例子。
第2章概述了數字通信。這個概述是圍繞數字通信系統的典型框圖建立的，為後續章節的展開提供背景知識。然後更詳細地讨論該章的組成部分。首先概述無線信道引入的失真類型，包括加性噪聲、幹擾、路徑損耗和多路徑。無線信道的存在給接收機信号處理引入了許多挑戰。然後簡要概述信源編碼和譯碼，并舉例說明無損和有損編碼。信源編碼壓縮資料，減少需要發送的比特數。接下來，對私有密鑰和公開密鑰加密提供了一些背景知識，用于保護無線鍊路免受竊聽者的攻擊。然後概述信道編碼和譯碼。信道編碼插入結構化備援，譯碼器可以利用這種備援糾正錯誤。該章最後介紹了調制和解調，包括基帶和頻帶概念，并預覽了不同信道損傷的影響。本書後續章節着重于調制和解調、糾正信道損傷、對信道進行模組化以及擴充系統對多個天線的可見性。
第3章介紹在本書的後續部分中将要利用的信号處理基礎知識。首先介紹相關的連續時間和離散時間信号的表示符号，以及線性時不變系統的背景知識、沖激響應和卷積。線性時不變系統用于建立多徑無線信道。該章繼續回顧了幾個與機率和随機過程有關的重要概念，包括穩态性、周遊性和高斯随機過程。接下來，提供了連續時間和離散時間的傅裡葉變換以及信号功率和帶寬的知識，因為在時域和頻域中考慮通信信号都是有用的。該章接着推導出複基帶信号表示和複基帶等效信道，這兩個信号用于抽象出通信信号的載波頻率。然後介紹了多速率信号處理概念，這些概念可以用于脈沖整形的數字實作。該章最後介紹線性代數關鍵概念的背景，特别是線性方程的最小二乘解。
第4章介紹複脈沖幅度調制的主要原理。首先介紹調制的主要特征，包括符号映射、星座圖和已調信号帶寬。然後介紹最基本的加性高斯白噪聲損傷。為了最小化加性噪聲的影響，定義了最佳脈沖整形設計問題，并采用奈奎斯特脈沖形式解決這個問題。假定使用這種脈沖形狀，可以推導出最大似然符号檢測器并分析符号錯誤的機率。本章的主題是對使用脈沖幅度調制進行數字通信的基本介紹，其中使用了完美的同步，并且隻考慮最基本的加性噪聲損傷。
第5章介紹了無線通信中引入的其他損傷。首先概述平坦衰落信道的符号同步和幀同步。涉及确定何時進行采樣以及資料幀的開始位置。然後提出一個多傳播路徑的頻率選擇性影響的線性時不變模型。描述了幾種緩解政策，包括線性均衡。由于頻率選擇性信道引入的失真随時間而變化，本章還介紹信道估計的方法。信道估計用于計算均衡器的系數。然後引入有利于均衡的幾種調制政策：單載波頻域均衡（Single-Carrier Frequency-Domain Equalization，SC-FDE）和OFDM。然後針對單載波和OFDM系統讨論了特定信道估計和載波頻率偏移校正算法。本章的大多數算法的設計思想都是先設計線性系統再确定最小二乘解。本章最後介紹了傳播和衰落信道模型。這些統計模型廣泛用于無線系統的設計和分析。提供了捕獲數百倍波長範圍的信道變化的大尺度模型，以及納入了波長幾分之一倍範圍信道變化的小尺度模型。介紹了量化頻率選擇性和時間選擇性的方法。本章最後描述了平坦和頻率選擇性信道的常用小尺度衰落信道模型。
第6章總結了本書，簡要介紹了MIMO通信。在多個發射或接收天線的假設下，重新審視了本書讨論的關鍵概念。大部分結論都是圍繞平坦衰落信道建立的，最終通過MIMO-OFDM擴充了頻率選擇性。該章首先介紹SIMO（單輸入多輸出）、MISO（多輸入單輸出）和MIMO配置中多種天線的不同配置。然後介紹SIMO系統接收機分集的基礎知識，包括天線選擇和最大比組合，及其對矢量符号誤差機率的影響。接下來，解釋了一些在MISO通信系統中提取分集的方法，包括波束形成、有限回報和空時編碼。随後介紹了被稱為空間複用的重要MIMO技術。還描述了其在預編碼、有限回報和信道估計上的擴充。最後概述了MIMO-OFDM，将MIMO空間複用技術與OFDM系統易于均衡化的特征相結合。針對具有頻率選擇性信道的MIMO這一具有挑戰性的情境，重新讨論了諸如均衡、預編碼、信道估計和同步等重要概念。很多商業無線系統中采用了MIMO和MIMO-OFDM.
本書中讨論的概念非常适合軟體定義無線電的實際部署實作。作者同時開發了一個實驗室手冊，該手冊是作為NI公司通用軟體無線電外設的一部分出售的。該實驗手冊包含了7個實驗，涵蓋了第4章和第5章的主要主題，以及一個探索差錯控制編碼優點的獎勵實驗。當然，這些概念可以用其他方式在實踐中示範，甚至使用揚聲器作為發射天線和麥克風作為接收天線。鼓勵讀者在可能的情況下進行算法、例題和習題的仿真實作。
1.6 符号和常用定義
在本書中，我們使用表1.1中的表示法，并為特定的定義配置設定表1.2中的變量符号。
1.7 小結
- 無線通信有大量的應用，在傳播環境、傳輸範圍和基礎技術上各不相同。
- 大多數主要的無線通信系統都使用數字通信。數字技術相對于模拟技術的優勢包括适用于數字資料、對噪聲的魯棒性、更容易支援多種資料速率、多使用者的能力以及更容易實作安全性。
- 數字信号處理與數字通信非常比對。數字信号處理使用高品質可重制的數字元件。它還利用摩爾定律，進而導緻更多計算并降低功耗和成本。
- 本書從信号處理角度介紹無線數字通信的基本原理。側重于複脈沖幅度調制以及實作無線接收機時面臨的最常見的挑戰：加性噪聲、頻率選擇性信道、符号同步、幀同步和載波頻率偏移同步。
習題
1.實際中的無線裝置/網絡 這個問題需要對無線網絡或無線裝置的技術規範進行一些研究。
(a) 從以下制造商中選三家制造商：諾基亞、三星、蘋果、LG、華為、索尼、黑莓、摩托羅拉或你選擇的其他廠家，對這三家制造商各選一款手機，描述每種手機支援的無線和蜂窩技術以及頻段。
(b) 至少說出你所在國家的三個移動服務提供商。它們的網絡目前分别支援哪些蜂窩技術？
(c) 這三家移動服務提供商中的哪一家收取資料費？其典型的使用者（非企業）資費計劃的收費是多少？你為什麼認為一些提供商已經停止提供無限的資料計劃？
2.無線裝置比較 請填寫下表中的三家公司生産的三種蜂窩裝置：
3.可見光通信(Visible Light Communication，VLC) 對VLC進行一些研究，VLC可以作為使用RF（射頻）信号的無線通信的替代方案。本書未涉及這個主題，但是本書内容可用來了解其基本原理。請務必在答案中給出引用來源。注意：你應該尋找可靠的參考來源（例如，維基百科文章中可能存在錯誤，或者可能不完整）。
(a) IEEE 802 LAN/MAN标準委員會的哪一部分涉及VLC？
(b) VLC的概念是什麼？
(c) 典型的VLC應用程式的帶寬是多少？
(d) 解釋如何使用VLC進行安全的點對點通信。
(e) 解釋VLC如何用于室内基于位置的服務。
(f) 解釋為什麼在飛機上VLC可能是首選的多媒體傳送技術。
(g) 解釋VLC如何用于智能交通系統。
4.傳感器網絡 無線傳感器網絡等多種無線網絡在制造業中有着重要的應用。通常歸類為低速無線個人區域網絡。本書未涉及這個主題，但是本書内容可用來了解其基本原理。請務必在答案中給出引用來源。注意：你應該尋找可靠的參考來源（例如，維基百科文章中可能存在錯誤，或者可能不完整）。
(a) 什麼是無線傳感器網絡？
(b) 什麼是IEEE 802.15.4？
(c) 什麼是ZigBee？
(d) IEEE 802.15.4和ZigBee如何相關？
(e) 在美國IEEE 802.15.4支援哪些通信頻段？
(f) IEEE 802.15.4規定的通信信道的帶寬是多少？注意：這是以赫茲為機關的帶寬，而不是資料速率。
(g) IEEE 802.15.4裝置的典型範圍是什麼？
(h) 在IEEE 802.15.4裝置中電池應該使用多長時間？
(i) 如何用傳感器網絡監測公路橋梁？
5.無線和知識産權 無線通信行業一直飽受知識産權訴訟的困擾。确定一個最近感興趣的案例并描述各方及其立場。對知識産權在無線通信中的作用，至少用半頁篇幅描述你的看法。