通信（计网）中的一些基础概念

【参考：本科老师课件+网上资料】

信息、数据、信号

数据和信息的区别：数据是独立的，是未组织起来的符号的集合；信息则是按照一定要求以一定格式组织起来的数据，凡经过加工处理或换算到人们想要得到的数据，即可称为信息。

数据的传输表现形式称为信号。
信号是信息传输的载体，它是由代表特定信息的数据经编码产生，以便能够在特定的传输介质上传输。
常见的信号形式有电信号、光信号、无线电信号等。

 

 

信源、信宿、信道

信源：通信过程中产生和发送信息的设备或计算机。
信宿：通信过程中接收和处理信息的设备或计算机。
信道：信源和信宿之间的通信线路。一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。信道上传送的信号有基带信号和宽带信号之分。

模拟信号、数字信号

基带、基带信号、基带传输

基带：信源发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号所固有的频带（频率带宽），称为基本频带，简称基带。基带和频带相对应。

基带信号：信源发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号，其特点是频率较低，信号频谱从零频附近开始，具有低通形式。    基带信号可分为数字基带信号和模拟基带信号，由信源决定。

基带传输：在信道中直接传送基带信号（数字信号）时，称为基带传输。进行基带传输的系统称为基带传输系统。传输介质的整个信道被一个基带信号占用.基带传输不需要调制解调器。

频带、频带信号、频带传输

频带：对基带信号调制后所占用的频率带宽（一个信号所占有的从最低的频率到最高的频率之差)。在被用来描述信道时，带宽是指能够有效通过该信道的信号的最大频带宽度。对于模拟信号而言，带宽又称为频宽，以赫兹（Hz）为单位。

频带信号：在通信中，由于基带信号具有频率很低的频谱分量,出于抗干扰和提高传输率考虑一般不宜直接传输,需要把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的信号，变换后的信号就是频带信号。      （如果一个信号只包含了一种频率的交流成份或者有限几种频率的交流成份，我们就称这种信号叫做频带信号，其主要用于网络电视和有线电视的视频广播。）

频带传输：在信道中直接传送频带信号（模拟信号）时，称为频带传输。可以远距离传输.它的缺点是速率低,误码率高。（一般说的频带传输是数字基带信号经调制变换，成为能在公用电话线上传输的模拟信号，模拟信号经模拟传输媒体传送到接收端后，再还原成原来信号的传输。）

频段：我们常见的无线频段主要有两个：2.4G和5G。之所以叫2.4G，是因为这个频段的频率范围为：2.4GHZ~2.4835GHZ。5G频率范围是5.15-5.825GHz。所以频段就是一定的频率范围的说法。

带宽与网速

带宽：指传输介质能够传输信号的频率范围，通常用Hz度量。

网速：指在给定时间内传输介质能够传输的数据量，通常使用bps进行度量。
通常带宽越高，网速就越高。

通常带宽越高，吞吐量就越高。

奈奎斯特 (Nyquist)定理推导出带宽为B(Hz)的理想(无噪声)信道的最大数据率为（带宽为B的理想信道，其可承受的最大码元速率是2*B）：Rmax = 2B*log₂V (bps)  ，其中V为离散信号的个数或电压值的个数。

香农(Shannon)定理用信息论的理论推导出了带宽为B，且有高斯白噪声干扰，信噪比为S/N的信道的极限、无差错的数据传输速率最大数据率Rmax 。Rmax= B*log₂ (1 + S/N)   (bps)
其中信号功率与噪声功率的比值称为信噪比(Signal-to-Noise Ratio)；我们一般使用分贝（等于10log10S/N ）来表示信噪比

香农公式表明信道的带宽或信道中的信噪比越大，则数据的极限传输速率就越高。

SIN与SINR（参考：无线通信中SNR和SINR）

SIN：信噪比，信号功率与噪声功率的比值（有用信号功率与无用信号功率的比值）。如果用分贝单位表示，信噪比可以是正值也可以是负值。

SINR：干扰信噪比，信号与干扰加噪声比。

不同系统中，SINR的计算有不同的方法。大家可以看看相关的提案和文章。这里给大家介绍一个简单的方法，虽不准确但便于理解和编成。假设有两个发射天线1和2，接收端需要接收天线1的数据，天线2是干扰则SINR1=P1/(P2+2PN)，P1和P2分别代表发射天线1和2的功率，PN代表噪声功率。【百度】

串行通信、并行通信

单工通信、半双工通信、双工通信

同步技术

位同步：通信双方比特发送频率与接收频率的同步

字符同步：保证收发双发正确传输字符的过程

• 同步传输
• 异步传输

数据编码方式

 

比特率和波特率

比特率S：即数据传输速率，等于每秒钟传输的二进制比特数，单位为比特/秒，记做bps；

波特率B：即调制速率,是描述通过模拟线路传输模拟数据信号传输过程中，从调制解调器输出的调制信号每秒钟载波调制状态改变的数值，单位为波特（baud）。

波特率与比特率的关系：S=B·log₂k（其中k为多相调制的相数。log₂k值表示一次调制状态的变化传输的二进制比特数）

 

衰落信道

什么是准静态平坦瑞利衰落信道？_月半 月半的博客-CSDN博客_准静态衰落

复用技术

为了提高传输线路的利用率，把若干个彼此无关的信号合并为一个复合信号，并在一条共用的高速通信线路上进行传输，这就是所谓的多路复用。

所谓复用就是指区分在同一频段下通信的不同终端的技术，系统必须能有效区别各终端才能完成通信。一般有以下几种复用方式：

空分复用(SDM)

• 是从空间上将使用同一频率的不同终端区别开来
• 在移动通信中，能实现空间分割的基本技术就是采用自适应阵列天线，在不同的用户方向上形成不同的波束。
• 如果把空间的分割来区别不同的用户，就叫做SDMA。每个波束可提供一个无其他用户干扰的唯一信道。
• 如果把空间的分割来区别同一个用户的不同数据，就叫做MIMO空分复用。如果把空间的分割来区别同一个用户的相同数据，以求更高的增益，就叫做MIMO发射分集。【百度】

频分复用(FDM)

• 是将一个频段分为若干块，不同的终端占用不同块（所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源）
• 是指把传输线的总频带划分成若干个分频带，以提供多条数据传输通道，其中每条通道以某一固定频率提供给一个固定设备使用，那么所有不同频率的载波就可在同一时间通过同一电缆传输而不会相互干扰。
•  ― 载波带宽被划分为多种不同频带的子信道，每个子信道可以并行传送一路信号。FDM 用于模拟传输过程（百度）

　　

时分复用(TDM)

• 是从时间上将终端区别开，不同终端通过占用不同的时间来实现区分（分时不分频）
• 利用多路复用器把一段时间（固定时间）分为若干个时间片，每个用户都可以分得一个时间片，并在其占有的时间片内使用信道来传输数据，这样多个用户依次轮流占用一条信道的整个带宽来传输数据。
• 
• 有同步时分和异步时分

码分复用(CDM)

• 是通过终端占用的不同的扩频码来区分
• 各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。
• 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。
• 每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。    如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。
      如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。
  例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。
      发送比特 1 时，就发送序列 00011011，
      发送比特 0 时，就发送序列 11100100。
• 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。
• 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。
• 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1。
• CDMA工作原理

　　

波分复用(WDM)

光的频分复用。

接入技术

 

分集技术

【分集的基本原理是通过多个信道（时间、频率或者空间）接收到承载相同信息的多个副本，由于多个信道的传输特性不同，信号多个副本的衰落就不会相同。接收机使用多个副本包含的信息能比较正确的恢复出原发送信号。如果不采用分集技术，在噪声受限的条件下，发射机必须要发送较高的功率，才能保证信道情况较差时链路正常连接。在移动无线环境中，由于手持终端的电池容量非常有限，所以反向链路中所能获得的功率也非常有限，而采用分集方法可以降低发射功率，这在移动通信中非常重要。】【分集技术是用来补偿衰落信道损耗的，它通常通过两个或更多的接收天线来实现。同均衡器一样，它在不增加传输功率和带宽的前提下，而改善无线通信信道的传输质量。在移动通信中，基站和移动台的接收机都可以采用分集技术。】。  

常用分集技术有三种，即空间分集、时间分集、频率分集。其都是为了应对无线变参信道而设计的一种干扰平均化的手段。

分集

　　是指分散传输和集中接收，分散传输是使接收端能获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号。集中接收是接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并(选择与组合)以降低衰落的影响。

空间分集

　　为了克服某一条无线路径的衰落带来的失真，采用接收多条无线信道的方法，使得空间路径带来的干扰平均化。

频率分集

　　为了克服某个频率的干扰带来的失真，采用调频的方式来使得干扰在几个载频之间平均。

时间分集

　　将码字的b个比特分散到n个帧中，以改变比特间的临近关系，也被称为交织技术，显然，n值越大，传输特性越好，但传输时延也越大。

频谱利用率

每小区每MHz支持的多少对用户同时打电话；而对于数据业务来讲，定义为每小区每MHz支持的最大传输速率。在这里，小区的频率复用系数f非常重要：f越低，则意味着每小区可选的频率自由度越大。在CDMA系统中，每个小区都可以重复使用同一频带(f=1)。在一个小区内对每个移动台的总干扰是同区内其他移动台干扰加上所有邻区内移动台干扰之和。　

时分双工（TDD）、频分双工（FDD）

TDD：TDD是一种通信系统的双工方式，在移动通信系统中用于分离接收与传送信道（或上下行链路）。

　　    TDD模式的移动通信系统中接收和传送是在同一频率信道即载波的不同时隙，用保证时间来分离接收与传送信道；

　　　 TDD技术原理图如下：（图中，横坐标表示时间；DL表示下行即基站向移动台发射；UL表示上行即移动台向基站发射。）

　　                   

　　      从图中可知，基站和移动台之间的无线传输是在一个频率信道F上，使用不同时隙进行双向传输的。

FDD：频分双工是指上行链路和下行链路的传输分别在不同的频率上进行。

　　    FDD模式的移动通信系统的接收和传送是在分离的两个对称频率信道上，用保证频段来分离接收与传送信道。

　　　FDD原理图如下：

　　　

RE、RB

RE（Resource Element）资源元素，或资源粒子。是NR物理资源中最小的资源单位；在时域上占用1个OFDM Symbol，频域上为1个子载波。平常所说的符号，即调制后的数据符号，是映射到RE上的，与OFDM 符号是两个不同的概念。

RB（Resource Block），资源块。在频域上为12个子载波。RB有两个概念PRB（物理资源块）和VRB（虚拟资源块）。(注意NR中RB并没有强调时域的概念，只是说明了在频域占用12个子载波)

 

 网课笔记

MU-MIMO

Multi-User Multiple-Input Multiple-Output，即多用户MIMO，允许1个AP同时和多个终端通信，充分利用空间资源，提升无线吞吐量，是无线通信领域的一种重要的多用户技术。MU-MIMO主要用于蜂窝网络和Wi-Fi（WiFi）网络。  MU-MIMO是指在无线通信系统里，一个基站同时服务于多个移动终端，基站之间充分利用天线的空域资源与多个用户同时进行通信。在多小区多用户MIMO的情形下，小区内可以采用时分、频分、码分等技术来消除干扰，而小区间干扰的消除采用的是一些较为复杂的技术

　　上行MU-MIMO

　　不同用户使用相同的时频资源进行上行发送（单天线发送），从接收端来看，这些数据流可以看作来自一个用户终端的不同天线，从而构成了一个虚拟的MIMO系统，即上行MU-MIMO

　　下行MU-MIMO

　　将多个数据流传输给不同的用户终端，多个用户终端以及eNB构成下行MU-MIMO系统； 下行MU-MIMO可以在接收端通过消除/零陷的方法，分离传输给不同用户的数据流；下行MU-MIMO还可以通过在发送端采用波束赋形的方法，提前分离不同用户的数据流，从而简化接收端的操作。

　　MU-MINO的价值/优点

        ○ MU-MIMO主要用于用户分布密集、多用户大流量并发、终端位置相对固定的场景，例如办公场景、会议中心、电子教学等，能为无线网络带来较大的收益。实现物理空间上的多路并发，适用于大数据包的并行传输（如视频、下载等应用）， 提升多空间流的利用率与系统容量，提高单用户的速率，同样能降低时延。但运行状态不够稳定，很容易受终端影响。
        ○ 提升网络吞吐量和频谱利用率：MU-MIMO可有效提升无线网络的吞吐量。使用MU-MIMO的无线网络吞吐量通常比SU-MIMO增加2-3倍，AP的天线数越多，空间资源越多，提升的吞吐量也越多。
        ○ 满足视频等应用的大流量需求：MU-MIMO允许多个终端并发传输数据，让无线网络中数据传输的效率更高，降低了终端在时序上的等待时间，因此可以更好地满足视频、音频和其它大流量、低时延应用的需求。
        ○ 传统Wi-Fi终端也能收益：由于MU-MIMO带来的整体传输效率的提升，使得无线网络有更多的空闲时间或容量来服务传统的Wi-Fi终端（仅支持SU-MIMO），也就是说，传统Wi-Fi终端的应用体验也能随之提升。

　　SU-MIMO预编码

　　为了让接收端直接收到要发送的原始数据，则只要将原始数据代入Y，根据已知的h反向计算就能知道应该发送的数据X是什么，这就是预编码的过程。

　　MU-MIMO预编码

　　MU-MIMO而言，接收端包含多个终端，终端只知道自己收到的Y，不知道其他终端收到的Y，也就无法在接收端计算出h，所以只能由发送端进行计算。发送端需要通过信道测量完成h的计算，过程是将数据X发送给各终端，各终端收到后回复Y给发送端，发送端已知X和Y，计算出h。发送端再根据h对发送给多个终端的数据进行预编码，实现一次发送多个终端的数据。

一些名词及英文缩写

　　上行链路UL ：通常被称作多址接入信道（MAC）

　　下行链路：则为广播信道（BC）

　　时分双工系统（TDD）

　　频分双工（FDD）

　　波束成形：（Beamforming：是通用信号处理技术，用于控制传播的方向和射频信号的接收）

　　WLAN ( 无线局域网 )

　　嗅探（sounding）    

　　QoE：体验质量

　　多天线高斯信道（multi-antenna gaussian channels）

　　发射天线（Tx）---接收天线（Rx）

　　LTE：是长期演进技术。是由3GPP（The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）组织制定的UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移动通信系统）技术标准的长期演进

　　信道状态信息：CSI

　　加性高斯白噪声：AWGN

　　广播信道：BC

　　块对角化：BD

　　共信道干扰：CCI

　　脏纸编码：DPC

　　多址信道：MAC

　　正交频分复用：OFDM

　　空分多址：SDMA

　　信噪比：SNR

　　信号干扰噪声比：SINR

　　奇异值分解：SVD

　　破零：ZF

 

 

信道分配：

MIMO系统模型： y=Hx+n

在3GPP LTE与LTE-A的标准中，用eNB来代表基站，与用户UE对应。

 

 

参考：

基带、频带、宽带、带宽_xingsongyu的博客-CSDN博客_基带信号带宽

分集技术

什么叫基带什么叫宽带，带宽又是什么鬼 - 申请方 (applysquare.com)

通信原理_国防科技大学_中国大学MOOC(慕课) (icourse163.org)

【计算机网络】信道复用技术