无线通信基础课件.ppt

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1、第1页 共48页,张 炜 副教授电子科学与工程学院 军事通信工程系,无线通信基础,第2页 共50页,1 在偏远山区，手机信号往往很弱，接听电话时往往会掉线。2 在高速移动的过程中，手机通话会突然出现“无声”或信号中断。何谓“绿色手机”？春节除夕夜，为什么有时发短信都很难发出去？,为什么,5 我们的手机是占用相同的频率资源吗？如果是，成千上万台手机是怎样共享频谱资源的？6 手机与手机之间的信号是直接点对点传输的吗？7 漫游的收费一直很高，漫游是如何实现的？,军用无线通信,民用无线通信,第3页 共48页,【教学目标】讲授无线通信系统的基本概念、基本原理、基本分析设计方法和关键技术。【教学要求】掌握

2、无线通信的基本概念；掌握无线信道的基本特性；掌握无线信道基本的建模与分析方法；掌握典型带通信道数字调制方式；掌握无线多址技术；基本掌握蜂窝移动通信系统系统组成和组网技术；了解无线通信系统的最新技术和发展趋势。,无线通信基础,第4页 共48页,无线通信基础,第5页 共48页,无线通信基础,第6页 共48页,无线通信基础,2.1 多径传播环境；2.2 线性时变信道模型；2.3 信道相关函数；2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落；2.5 小尺度多径衰落；,1.1 无线通信的定义与工作频段；1.2 无线通信的发展历程；1.3 无线通信的分类；1.4 无线通信的实例；1.5 无线通信的发展与展望；,第7页

3、共48页,无线通信基础,3.1 引言；3.2 移动无线系统常用的数字调制方式；3.3 传输错误概率；3.4（补充）扩频通信系统；,5.1 概述；5.2 频率复用与移动性管理；5.3 区群的概念；5.4 同信道与邻信道干扰；5.5 基站处的呼叫阻塞与延迟；5.6 扩大系统容量的其他方法；5.7 信道分配策略；,第8页 共48页,无线通信基础,6.1 无线小区中的多址接入技术；6.3 无冲突多址接入技术；6.4 频谱效率；,第9页 共48页,重要的参考书：无线通信原理与应用（第二版）,美 Theodore S. Rappaport 著周文安 付秀花 王志辉 等译 宋俊德 审校,无线通信基础,第10

4、页 共48页,无线通信基础,其他参考书：,L.S.Gordon著，裴昌幸等译.移动通信原理（第二版）,电子工业出版社，2004年S.Haykin,M.Moher著，郑宝玉等译，现代无线通信，电子工业出版社，2006年蒋同泽著.现代移动通信系统，电子工业出版社，1998年,第11页 共48页,第一章 绪论,主讲人：张 炜,电子科学与工程学院 军事通信工程系,第12页 共50页,第13页 共50页,有线通信,无线通信,以“无线电波”做为媒体进行信息交换的通信称为无线通信。,1.1 无线通信的定义与工作频段,1、无线通信的定义,光缆传输的误比特率大约是10-12，在某些无线通信系统中采用的2FSK调

5、制的误比特率是 ， 为平均信噪比。要使无线信道的误比特率与光缆一样，计算所需的平均信噪比？,无线信道的误比特率要求通常远大于10-12,第14页 共50页,移动通信,至少有一方处于移动状态下进行信息交换的通信就叫做移动通信。,移动通信的基础为无线通信，但环境更复杂，对设备的要求更苛刻。,无线通信,以“无线电波”做为媒体进行信息交换的通信称为无线通信。,1.1 无线通信的定义与工作频段,1、无线通信的定义,第15页 共50页,针对大气层而言，那段频谱最适宜通信？,RF spectrum,30 GHz,30M,1.1 无线通信的定义与工作频段,第16页 共50页,无线通信的工作频段:,3KHz30

6、00GHz,1.1 无线通信的定义与工作频段,第17页 共50页,无线通信的工作频段:,3KHz3000GHz,1.1 无线通信的定义与工作频段,第18页 共50页,各频段的主要信道模式及典型应用简述,甚低频（VLF）: 330kHz,低频（LF）: 30kHz300kHz,中频（MF）: 0.33MHz,1.1 无线通信的定义与工作频段,第19页 共50页,高频（HF）: 3MHz30MHz,甚高频（VHF）: 30300MHz,分米波（UHF）: 0.3GHz3GHz,各频段的主要信道模式及典型应用简述,1.1 无线通信的定义与工作频段,第20页 共50页,厘米波（SHF）: 330GHz

7、,毫米波（EHF）: 30GHz300GHz,亚毫米波: 3003000GHz,各频段的主要信道模式及典型应用简述,1.1 无线通信的定义与工作频段,第21页 共50页,物理发现 通信技术发展1831年法拉第电磁感应 1837年莫尔斯发明电报1873年麦克斯韦的电 1876年贝尔发明电话磁场理论 1895年马可尼发明无线电1906年发明电子管 开辟了模拟通信的新纪元1928年奈奎斯特采样定理1948年香农定理 理论上为数字通信准备了条件20世纪60年代发明半导体和 集成电路 开辟了数字通信的新纪元20世纪60年代的航天技术 1963年第一次实现同步卫星通信20世纪70年代发明光导纤维 光纤通信

8、得到发展20世纪7080年代，随着蜂窝网的出现，蜂窝无线通信系统迅猛发展，并迅速成为无线通信最耀眼的研究方向。,1.2 无线通信的发展历程,第22页 共50页,1976年美国人亚历山大格雷厄姆贝尔研制出了可以发送说话声音的装置（话筒、耳机），取名为“电话机”，并建立了贝尔电话公司。从此通信进入了电话通信时代。 莫尔斯电报和贝尔电话都是有线通信，当时人们认为电只能沿导线传输。可当时的英国科学家麦克斯韦尔不这样认为，早在1864年麦克斯韦尔就从理论上预言了电磁波的存在，他认为电能可以在空间移电磁波的形式存在，1864年麦克斯韦尔在英国皇家学院发表了他的第三篇著名论文电磁场力学的理论，在这篇论文中，

9、麦克斯韦尔严格推导出完善的电磁波方程（麦克斯韦尔方程）并得出电磁波的传播速度等于光速（30万公里/秒）的重要结论。1887年德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在证明了麦克斯韦尔预见的正确性。,1895年，意大利的马可尼和俄国的波波夫把电磁波应用到无线电报通信中，但当时电波的传送距离较近（20300公里），而且声音很微弱，只能用耳机收听，距离远了就听不见。直到1906年，26岁的美国青年，业余无线电爱好者德福雷斯特发明了具有放大能力的真空三极管后，通信技术有了突飞猛进的发展，先后出现了无线电广播，电视，无线电话，并发展到今天的计算机通信、卫星通信，光纤通信，网络通信，移动通信等。,第23页

10、共50页,马可尼（18741937）意大利人 1894年 在父亲的庄园试验 1896年 去伦敦 1897年 建立无线电报公司 1899年 首次实现英法无线通信 1916年 实现短波无线电通信 1929年 建立世界性无线通信网曾获诺贝尔奖金,无线电的发明者马可尼,1897年，马可尼在陆地和一艘拖船上完成莫尔斯电码无线通信实验，标志无线通信的开始。,1.2 无线通信的发展历程,第24页 共50页,器件的发展过程:,电子管,晶体管,集成电路,大规模可编程器件,1906年德弗雷斯特发明了具有放大能力的真空三极管,1.2 无线通信的发展历程,第25页 共50页,1928 年，美国底特律警察局率先使用装备

11、能适应移动车辆震动影响的无线电收发信机超外差 AM 接收机的警用车辆无线电移动系统（单向），载波频率约为2MHz，标志移动通信开始。,30 年代初，第一个双向移动通信系统在新泽西的贝尼尔警察局投入运行（半双工）。,1946年，第一个公共移动电话系统在美国的5个城市建立。,60年代中期，开发出了“IMTS改进的移动电话服务系统”（模拟FM，大区制），使模拟FM技术达到了30年发展的顶峰。,1978 年底，贝尔实验室研制成功模拟蜂窝移动通信系统 (AMPS)；同时期开通的第一代移动通信系统有：1980北欧的NMT，1979 日本东京、神户、大阪的HAMTS、1985英国伦敦的TACS等。,1988

12、年，第一个数字蜂窝系统在欧洲建立，称为全球移动通信系统（GSM）。,移动通信的历史发展历程,1.2 无线通信的发展历程,第26页 共50页,移动通信的技术发展历程,第27页 共50页,1.2 无线通信的发展历程,移动通信的技术发展历程,第28页 共50页,按工作方式划分：单工、半双工、双工,1.3 无线通信的分类,单工通信系统,例如？,第29页 共50页,按工作方式划分：单工、半双工、双工,1.3 无线通信的分类,半双工通信系统,例如？,第30页 共50页,按工作方式划分：单工、半双工、双工,1.3 无线通信的分类,双工通信系统,例如？,第31页 共50页,频分双工（FDD）,时分双工（TDD

13、）,按工作方式划分：单工、半双工、双工,双工通信系统,特点： 模拟/数字系统均可 占用的较宽的频带,特点： 只能用于数字系统 较复杂：需要对切换时间、延时、同步等问题进行处理等,第32页 共50页,按多址方式划分：FDMA、TDMA、CDMA、SDMA等,1.3 无线通信的分类,第33页 共50页,例：蜂窝移动通信系统技术规范,模拟蜂窝ETACS频率 900MHz间隔 25KHz调制 话音FM，信令FSK多址 FDMA双工 FDD,数字蜂窝CDMA(IS-95) 频率 824-894MHz/1.8-2.0GHz 间隔 1.25MHz 调制 扩频+QPSK/BPSK 多址 CDMA 双工 FDD

14、,1.3 无线通信的分类,数字蜂窝GSM 频率 890960MHz 间隔 200KHz 调制 GMSK 多址 TDMA 双工 FDD,数字蜂窝D-AMPS(IS-54) 频率 824-894MHz 间隔 30KHz 调制 /4-DQPSK 多址 TDMA/FDMA 双工 FDD,？,第34页 共50页,按信号形式：模拟网、数字网,按组网形式：大区制、小区制,1.3 无线通信的分类,按业务类型：电话网、数据网、综合业务网、多媒体,按服务特性：专用网、公共网,按使用环境：陆地、海上、空中,按使用对象：民用、军用,按系统应用：无线寻呼、无绳电话、公用电话/数字、调度（集群）等等,按覆盖范围：城域网（

15、MAN）、局域网（LAN）、车域网（VAN）等,第35页 共50页,1.4 无线通信的实例,集群通信系统,无绳电话,无线寻呼,无线局域网,卫星通信网,蓝牙Bluetooth/紫蜂ZigBee,超宽带无线通信UWB,数据链,各种军用/民用无线电台、无线通信系统,蜂窝移动通信系统,广播与电视,第36页 共50页,无绳电话,A telephone with a wireless handset that communicated with a base station connected to PSTNVia RF signal, operate in close range (100 m).Des

16、igned for low-cost, low-mobility, to replace phone cordStarted around late 1970sMid 1990s: digital cordless phone CT-2 standard,1.4 无线通信的实例,第37页 共50页,无绳电话,欧洲数字无绳电话系统（DECT）个人手持电话系统（PHS）个人接入通信系统（PACS）在我国应用比较广泛的“小灵通”采用了PHS协议，是属于无绳电话衍生的通信手段。,1.4 无线通信的实例,第38页 共50页,Wireless local area networksSupport high

17、-speed data transmission in small region, support moving at pedestrian speedsISM or U-NII bands: license free, low power900 MHz(902-928), 2.4GHz(2.4-2.4835), 5.8(5.725-5.825) GHzHistoryEarly 1990s: 1st Generation, e.g. Motorola Altair 2nd Generation: IEEE 802.11b,无线局域网,1.4 无线通信的实例,第39页 共50页,Standard

18、s:IEEE 802.11 b (11 Mbps), 1999. IEEE 802.11 a/g (54 Mbps), 2001.HomeRF 2.0: FH/SS, 10 Mbps, 2001HIPER-LAN: European5.2 GHz and 17.1 GHz bandHiperLAN2: 54 Mbps. Support QoS.,无线局域网,1.4 无线通信的实例,第40页 共50页,Geosynchronous systemsInmarsat: analog voice, new digital technology enable small, less expensive

19、mobiles (briefcase size)Difficult for two-way voice/networking: large round-trip delay； large devices； low data rate (10 kbps),卫星通信网,1.4 无线通信的实例,第41页 共50页,LEO systemsLow orbit satellites, but need 30-80 satellites for global coverage. Active in late 1990s (Iridium, Globalstar)Globalstar: provide voi

20、ce/data service (under 10 kbps)Best application of satellitesVideo/Audio broadcast,卫星通信网,1.4 无线通信的实例,第42页 共50页,Bluetooth, ZigBeeGood for embedding into electronic devices, sensors, etcBluetooth: Short-range connections between wireless devices, with basic networking capabilityTransmission distance:

21、10 m 100 m2.4 GHz, 1 Mbps. FH/TDD. ZigBee (IEEE 802.15.4)Even lower cost and power. Objective: work for months or years without recharging battery, for sensor nets and RFID.250 kbps, up to 30 m,低成本、低功率通信系统（蓝牙Bluetooth/紫蜂ZigBee ）,1.4 无线通信的实例,第43页 共50页,UWBExtremely wideband radios (GHz) with very high

22、 potential data rates (up to 540 M bps)Can use 3.110.6 GHz band, but with extremely low power to avoid interference to other applicationsSupport only short-distance transmissionAdvantage: precise ranging, high data rates, low power, small devicesChallenges: interference, multipath, synchronization,超

23、宽带无线通信UWB,1.4 无线通信的实例,第44页 共50页,1.5 无线通信的发展与展望,未来，无线通信新的发展在哪里？,个人通信（ Personal Communications ，简称PCS）,实现它主要包含两大部分。一个是全球性骨干核心网络平台，另一个是无时无处不在的灵活接入手段，对移动通信发展而言重点是探讨后者。,第45页 共50页,无线网络接入RFID微微蜂窝无线 Ad Hoc 网络智能家庭卫星移动通信系统紧急导航和紧急呼叫以及更多.,距离我们期望的这一目标，我们需解决,1.5 无线通信的发展与展望,第46页 共50页,从网络规划层的网络拓扑结构看，就长远发展而言，有如下发展倾向

24、：,【倾向一】电信网、计算机网与有线电视网将逐步实 现三网融合并最终走向三网合一；,【倾向二】就电信网而言，将逐步从目前的有线（固 网）无线（移动网）两个基本上的平行发 展的网络，逐步走向无线侧重于接入网， 有线侧重于核心骨干网的分工、协作的统 一网络的发展方向。,1.5 无线通信的发展与展望,第47页 共50页,目前无线网络着重发展多媒体数据传输,1.5 无线通信的发展与展望,第48页 共50页,当前无线系统在硬件及软件上存在的问题： 多种标准、多种制式、多种协议、多种方案 困难: 互连互通难；设备更新难；研制开发难,【软件无线电】,1992年5月，Joe.Mitola首次给出了软件无线电的定义，他认为：软件无线电的组成架构的中心点是将宽带模/数(A/D)和数/模(D/A)转换器尽可能地靠近天线，将尽可能多的电台功能以软件的形式定义。,软件无线电的基本概念是把硬件作为无线通信的基本平台,而把尽可能多的无线及个人通信功能用软件实现。,软件无线电的应用前景 多模手机；通用无线平台；通用抗干扰军用电台,1.5 无线通信的发展与展望,