通信與網絡
陳巍、周世東、王勁濤、李勇、鐘曉峰、周盛
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CONTENTS
目 錄
第1 章緒論........................................................................................ 1
1.1 通信與網絡的核心知識構架........................................................... 1
1.2 通信與網絡的發展簡史與思維特徵.................................................. 3
第2 章模擬信源的數字化....................................................................... 6
2.1 抽樣與量化............................................................................... 6
2.1.1 量化的基本概念和符號....................................................... 6
2.1.2 均勻量化......................................................................... 8
2.1.3 最優量化......................................................................... 10
2.1.4 非線性壓擴...................................................................... 10
2.1.5 工程中常用的非線性壓擴..................................................... 12
2.1.6 連續時間信源的離散化....................................................... 13
2.2 無損壓縮及其極限——信源編碼與熵............................................... 14
2.2.1 信息的表示...................................................................... 15
2.2.2 前綴碼與Kraft 不等式........................................................ 16
2.2.3 最小化平均碼長................................................................ 17
2.2.4 熵.................................................................................. 18
2.2.5 無損壓縮......................................................................... 20
第3 章電平通道.................................................................................. 24
3.1 實電平通道............................................................................... 24
3.1.1 通道模型......................................................................... 24
3.1.2 電平集合及其映射............................................................. 25
通信與網絡
3.1.3 二元輸入及其最佳判決....................................................... 25
3.1.4 二元輸入的最大似然判決和最小距離判決................................ 27
3.1.5 二元電平通道的判決差錯概率............................................... 28
3.1.6 單極性二元電平集合.......................................................... 30
3.1.7 多元電平通道（一維） ....................................................... 31
3.2 復電平通道與矢量電平通道........................................................... 35
3.2.1 加性復高斯噪聲通道與復電平通道的判決準則.......................... 35
3.2.2 正方形格點上的復電平集合.................................................. 36
3.2.3 均勻分佈於圓上的復電平集合............................................... 38
3.2.4 高維空間上的電平通道....................................................... 43
第4 章波形通道I——傳輸單個符號......................................................... 46
4.1 實電平傳輸對應的波形通道........................................................... 46
4.1.1 最簡單的二元波形............................................................. 46
4.1.2 加性白高斯噪聲通道.......................................................... 47
4.1.3 對疊加白高斯噪聲的二元波形直接抽樣................................... 48
4.1.4 面向加性白高斯噪聲通道的接收方案改進................................ 48
4.1.5 直接積分方法的局限及其改進............................................... 50
4.1.6 針對一般波形的直觀改進..................................................... 51
4.1.7 上述直觀思路的嚴格化....................................................... 52
4.1.8 二元波形通道的標準形式..................................................... 53
4.1.9 內積處理的幾何直觀.......................................................... 54
4.1.10 對標準二元波形通道的推廣................................................ 55
4.1.11 波形通道的另一種實現——匹配濾波..................................... 55
4.1.12 從變換域看成形脈沖p(t) 的選擇........................................... 57
4.2 復電平傳輸對應的波形通道........................................................... 58
4.2.1 復電平傳輸的波形實現....................................................... 58
4.2.2 恢復xI 和xQ ..................................................................... 59
4.2.3 與復電平通道的相互等效..................................................... 60
4.2.4 更一般的表示復電平的波形.................................................. 61
4.2.5 一般波形的xI 和xQ 恢復...................................................... 62
4.2.6 一般波形通道與復電平通道等效............................................ 64
IV
目錄
4.2.7 向量電平通道的波形實現..................................................... 65
4.2.8 正交波形與向量電平的對應.................................................. 66
4.2.9 在頻域構造標準正交基....................................................... 66
4.2.10 一般波形通道.................................................................. 67
第5 章波形通道II——傳送符號序列........................................................ 69
5.1 碼間串擾及其消除....................................................................... 69
5.1.1 一種無ISI 的傳輸示例......................................................... 70
5.1.2 對物理實現的詳細討論....................................................... 70
5.1.3 討論抽樣點無失真的模型等效準備......................................... 71
5.1.4 抽樣點無失真的時域約束..................................................... 72
5.1.5 抽樣點無失真的頻域特徵..................................................... 72
5.1.6 奈奎斯特準則的幾何直觀..................................................... 73
5.1.7 對符號速率和信號功率的進一步討論...................................... 74
5.1.8 考慮噪聲的因素................................................................ 74
5.1.9 符號序列下的匹配濾波....................................................... 75
5.1.10 符號序列的等效電平通道................................................... 76
5.1.11 根號奈奎斯特準則與信號帶寬............................................. 76
5.1.12 幾何解釋與平移正交基...................................................... 77
5.1.13 符號序列的波形通道與一個符號的波形通道............................ 78
5.1.14 實用的脈沖成型濾波器——升餘弦(滾降) 濾波器...................... 78
5.2 數字基帶傳輸的頻譜效率和功率譜.................................................. 80
5.2.1 從整體頻率響應到發收端各自的頻率響應................................ 81
5.2.2 升餘弦濾波器系統對應的收發端設計...................................... 81
5.2.3 數字基帶傳輸................................................................... 82
5.2.4 升餘弦濾波的匹配增益....................................................... 82
5.2.5 數字傳輸的頻譜效率.......................................................... 83
5.2.6 一種典型題的解法............................................................. 83
5.2.7 眼圖............................................................................... 85
5.2.8 基帶通信波形的功率譜....................................................... 86
5.2.9 線性調制的功率譜............................................................. 86
5.2.10 任意波形二元調制的功率譜................................................ 89
V
通信與網絡
第6 章帶通通道的載波傳輸.................................................................... 92
6.1 單路載波傳輸............................................................................ 92
6.1.1 二進制相移鍵控................................................................ 92
6.1.2 非帶限M 元脈沖幅度調制................................................... 93
6.1.3 帶限M 元脈沖幅度調制——信號形式與符號能量...................... 94
6.1.4 帶限M 元脈沖幅度調制——最佳接受與性能分析...................... 96
6.1.5 帶限M 元脈沖幅度調制——標準正交基觀點............................ 98
6.1.6 帶限M 元脈沖幅度調制——匹配濾波器觀點............................ 99
6.1.7 載波PAM 的功率譜密度和頻譜效率....................................... 100
6.1.8 載波通信噪聲的進一步討論.................................................. 101
6.2 I、Q 路正交載波傳輸................................................................... 103
6.2.1 從隱藏正交基談起............................................................. 103
6.2.2 I、Q 路正交載波傳輸的解調................................................. 105
6.2.3 等效電平通道................................................................... 106
6.2.4 I、Q 路載波傳輸的頻譜搬移觀點........................................... 107
6.2.5 復基帶模型...................................................................... 108
6.2.6 復基帶視角下的噪聲.......................................................... 110
6.2.7 典型載波傳輸——正交幅度調制、相移鍵控和頻移鍵控............... 112
第7 章差錯控制編碼............................................................................. 114
7.1 差錯控制的基本概念.................................................................... 114
7.1.1 有錯通道的建模................................................................ 114
7.1.2 差錯控制的基本機制.......................................................... 120
7.1.3 通道編碼的本質................................................................ 121
7.1.4 可靠性的度量................................................................... 123
7.1.5 離散通道的檢錯與糾錯....................................................... 124
7.2 線性分組碼............................................................................... 130
7.2.1 線性分組碼的引出............................................................. 130
7.2.2 線性分組碼的最小碼距....................................................... 133
7.2.3 生成矩陣......................................................................... 134
7.2.4 系統碼............................................................................ 136
7.2.5 線性分組碼的陪集解碼或標準陣列解碼................................... 138
VI
目錄
7.2.6 校驗矩陣......................................................................... 142
7.2.7 用校驗矩陣進行解碼.......................................................... 144
7.3 循環碼..................................................................................... 149
7.3.1 循環碼的定義................................................................... 149
7.3.2 生成多項式與生成矩陣....................................................... 149
7.3.3 循環碼的檢錯與糾錯解碼..................................................... 151
7.3.4 循環冗餘校驗................................................................... 154
7.4 捲積碼..................................................................................... 155
7.4.1 面向比特流的編碼............................................................. 155
7.4.2 捲積碼的表示方式............................................................. 158
7.4.3 維特比解碼...................................................................... 160
7.5 差錯控制編碼知識總結和擴展........................................................ 174
7.5.1 差錯控制編碼在通信系統中的定位......................................... 174
7.5.2 差錯控制編碼相關概念梳理.................................................. 177
7.5.3 逼近通道容量的分組碼簡介.................................................. 179
第8 章差錯控制II ............................................................................... 181
8.1 停止-等待ARQ .......................................................................... 182
8.2 後退N 幀ARQ ........................................................................... 184
8.3 選擇重傳ARQ ........................................................................... 186
8.4 混合ARQ 機制........................................................................... 188
第9 章交換原理.................................................................................. 190
9.1 交換的概念............................................................................... 190
9.2 交換結構.................................................................................. 193
9.2.1 空分交換單元................................................................... 193
9.2.2 時分交換單元................................................................... 198
9.3 交換設備的部署......................................................................... 200
第10 章多址接入.................................................................................. 203
10.1 固定分配.................................................................................. 203
10.1.1 頻分多址........................................................................ 203
VII
通信與網絡
10.1.2 時分多址........................................................................ 203
10.1.3 頻分多址和時分多址系統的容量分析.................................... 205
10.1.4 碼分多址........................................................................ 206
10.1.5 碼分多址系統的容量分析................................................... 210
10.2 隨機接入.................................................................................. 211
10.2.1 ALOHA 協議.................................................................. 212
10.2.2 時隙ALOHA 協議............................................................ 214
10.2.3 CSMA 協議.................................................................... 216
10.2.4 CSMA/CD 協議............................................................... 217
10.2.5 CSMA/CA 協議............................................................... 219
10.2.6 案例：IEEE 802.11 DCF 的飽和性能分析.............................. 221
10.3 受控接入.................................................................................. 227
10.3.1 輪詢............................................................................. 227
10.3.2 令牌傳遞........................................................................ 227
第11 章網絡路由.................................................................................. 229
11.1 網絡模型.................................................................................. 229
11.2 路由算法.................................................................................. 230
11.2.1 鏈路狀態路由算法............................................................ 230
11.2.2 距離向量路由算法............................................................ 233
11.2.3 兩種路由算法比較............................................................ 235
11.3 路由協議.................................................................................. 235
11.3.1 網絡自治域..................................................................... 236
11.3.2 域內路由........................................................................ 237
11.3.3 域間路由........................................................................ 239
11.3.4 域內和域間路由比較......................................................... 240
第12 章擁塞控制.................................................................................. 242
12.1 網絡擁塞.................................................................................. 242
12.2 擁塞控制方法............................................................................ 243
12.2.1 以路由器為中心和以主機為中心的控制方法............................ 243
12.2.2 基於預定方式和基於反饋方式的控制方法............................... 243
VIII
目錄
12.2.3 基於窗口方式和基於速率方式的控制方法............................... 244
12.2.4 擁塞控制方法分類小結...................................................... 245
12.3 TCP 擁塞控制............................................................................ 245
12.3.1 傳輸層協議..................................................................... 245
12.3.2 TCP 連接管理機制........................................................... 246
12.3.3 TCP 的報文段結構........................................................... 249
12.3.4 TCP 的滑窗協議.............................................................. 251
第13 章通信與網絡的前沿案例................................................................. 255
13.1 低時延通信與網絡....................................................................... 255
13.2 礦區無人機械協同中的通信網........................................................ 257
13.3 車聯網通信............................................................................... 257
13.4 可見光通信............................................................................... 258
13.4.1 概述............................................................................. 258
13.4.2 光通信技術中的調制......................................................... 261
13.4.3 多輸入多輸出技術............................................................ 262
13.4.4 光通信應用..................................................................... 263
13.5 智能通信與網絡前沿介紹.............................................................. 264
附錄A 互信息與通道容量...................................................................... 266
參考文獻................................................................................................ 269
