第1章现代无线通信原理概述课件.ppt

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1、第一章,现代无线通信原理概述,1.1,无线通信发展历史,1.2,电磁频谱和无线电频谱,1.3,无线电波传播效应,1.4,无线通信系统模型,1.5,无线信道特性,1.6,无线通信发展趋势分析,1.1,无线通信发展历史简介,(1/10),?,1864,年麦克斯韦,(,Maxwell,),建立了光的电磁波理论,并预言了电磁波的存在。,?,1887,年赫兹,(,Hertz,),首次通过实验证明了无线电波,的存在。,这为现代的无线电通信提供了理论根据。,无线电波可以在大气媒质中传播这一理论的创,立大大推动了通信技术的发展。,1.1,无线通信发展历史简介,(2/10),?,1897,年马可尼（,Marco

2、ni,）第一次在无线传输中用,莫尔斯码从船上与岸边通信（,30km),，开启了无线通,信发展的大门。,?,1906,年之后的一段时间里，军用和商用船舶很快采,用了无线电技术。,1912,年泰坦尼克号游轮沉船事件中,拯救了,700,多个生命而备受称赞。,1.1,无线通信发展历史简介,(3/10),?,1927,年大西洋两岸同时进行了第一次电视广播。,?,1946,年第一个公共移动电话系统在美国的,5,个城市,建立。,?,1947,年第一个连接纽约和波斯顿的微波中继系统,开始运行。,?,1958,年美国宇航局,(NASA),发射第一颗通信卫星，,第一次通过卫星实现语音通信，无线通信进入了新,时代。

3、,1.1,无线通信发展历史简介,(4/10),?,1950-1960,年代期间，贝尔实验室和全世界其他的通,信公司一起发展了蜂窝无线电话的原理和技术。,1977,年美国贝尔实验室首先提出了,800MHz,蜂窝无,线电话,并推出先进的移动电话服务系统,(AMPS).,80,年代该系统在芝加哥、巴尔的摩和华盛顿正式投,入商用。,?,?,1979,年第一个商用蜂窝电话市场在日本东京开业，,它使用一种模拟,FM,调制来给用户发送语音信号。,1.1,无线通信发展历史简介,(5/10),进入,20,世纪,70,年代，一些经济发达国家对民用,移动电话的需求日益增加，而且伴随着微电子技术,以及计算机技术的迅速

4、发展，发展一种较大范围使,用的移动电话系统已经具备了理论上、技术上和经,济上的可行性。,而且新理论与新体制的不断发展和完善，为模,拟蜂窝移动通信系统的诞生奠定了坚实的经济和技,术基础。,1.1,无线通信发展历史简介,(6/10),至,20,世纪,80,年代后期模拟移动通信（第一代移动通,信系统）已成为商业上的成功。国内外使用的模拟蜂,窝移动通信系统主要有：,?,北美的,AMPS,?,日本的,HCMTS,?,英国与中国采用的,TACS,?,前西德的,C450,?,法国的,Radio Comm2000,这些系统分别采,400MHz,450MHz,800MHz,和,900MHz,频段。,1.1,无线

5、通信发展历史简介,(7/10),?,1990,年第一个基于数字移动通信技术的第二代蜂窝,系统（,GSM,）投入商用。现已成为全球最重要的,2G,标,准之一。,?,1994,年日本的,PDC,（个人数字蜂窝）于投入使用。,?,1995,年美国,CDMA,系统（,IS-95),开通。,第二代蜂窝系统最初主要提供语音业务，后来逐,步演变到可以提供电子邮件、互联网接入、短消息,等数据业务。截止到,2009,年,2,月全球移动用户数已达,40,亿,。我国移动用户数量达到近,7,亿。,1.1,无线通信发展历史简介,(8/10),?,1999,年国际电信联盟（,ITU,）确定了下一代移动,通信系统（,3G)

6、,标准，称为国际移动通信,2000,标,准,（,IMT-2000,）,。,WCDMA,TD-SCDMA,。,?,、,CDMA2000,、,2001,年,WCDMA,在日本开始商业服务,。,户数接近,4.15,亿,。,3G,美国协会,2008,年底发布报告说，全球,3G,用,1.1,无线通信发展历史简介,(9/10),?,卫星通信系统,:,地球同步轨道卫星系统、低轨道卫星,系统、全球卫星定位系统（,GPS,）。,?,无线自组织网络,(Ad hoc),：,具有无线连接和临时插入,连接特性的本地网络，只有当移动或便携式设备处在近,距离时，它们才是网络的一部分。主要应用于战场、灾,难定位等。,?,传感

7、器网络：,是一种新类型的无线自组织网络，可以,对没有被认知和没有测试的环境进行可靠的监视和分析。,主要应用于战场、核化工厂、生物感知、环境监测、家,用等。,1.1,无线通信发展历史简介,(10/10),?,无线局域网,(LAN),：,自,20,世纪,80,年代晚期引入，,它能够用低功率发射覆盖较小的区域，并且它对,办公和家庭来说正变得日益重要。,IEEE,（电气和,电子工程师学会）开发了无线局域网的标准,802.11,、蓝牙（,Blutooth,）工业联盟也在致力于提,供一个无缝的无线网络技术。,无线通信中的一些重要事件,1.2,电磁频谱和无线电频谱,1.2.1,电磁频谱,(1/4),电磁波谱

8、，从波长较长（频率低）到波长,越来越短（频率高）的次序排列为：,1.,无线电波,2.,红外线,3.,紫外线,4.,可见光,5.X,射线,6.,伽马射线及宇宙射线,1.2.1,电磁频谱,(2/4),1.2.1,电磁频谱,(3/4),1.2.1,电磁频谱,(4/4),1.2.2,无线电频谱,(1/4),无线电波,是指频率低于,3000GHz,的电磁波，,无线电电波频谱一般按波长来划分，可以分为,极长波、超长波、中波、短波、超短波、微波、,毫米波、和亚毫米波等。,微波是指频率为,300MHz,至,300GHz,的电磁波。,1.2.2,无线电频谱,(2/4),频段名,缩写,极低频,超低频,特低频,甚低

9、频,低,频,ELF,SLF,ULF,VLF,LF,频带范围,30 Hz,以下,30 300Hz,300 3000Hz,330kHz,30300kHz,波段名,极长波,超长波,特长波,甚长波,波长,10,4,km,以上,10,3,10,4,km,1001000km,10100km,特征,地波,长,波（,LW),110km,中,频,高,频,甚高频,特高频,超高频,MF,HF,300kHz3MHz,3MHz30MHz,中,波（,MW),1001000m,短,波（,SW),10100m,110m,10100cm,110cm,110mm,0.1 1mm,分米波,厘米波,毫米波,丝米波（亚,毫米波）,表面

10、波、地,面波,天波,空间波,VHF,30MHz300MHz,超短波,UHF,300MHz3GHz,SHF,3GHz30GHz,极高频,EHF,30GHz300GHz,3003000GHz,超极高频,卫星波,1.2.2,无线电频谱,(3/4),微波频段划分,1.2.2,无线电频谱,(4/4),各个波段常用的信号：,音频：,ELF,、,SLF,、,ULF,、,视频：,ELF,到,HF,雷达：,VHF,、,UHF,、,SHF,、,移动通信：,UHF,微波通信：,SHF,卫星通信：,SHF,、,EHF,VLF,EHF,1.2.3,电磁频谱特性,1.,频谱资源的有限性,2.,频谱资源的非消耗性,3.,频

11、谱资源的三维性,4.,频谱资源的易受污染性,5.,频谱资源的共享性,必须对电磁频谱进行统一规划、科,学管理使用。,1.3,无线电波传播效应,在无线电频谱中，不同频段的无线电波具,有不同的传播方式。,长波和超长波：,主要是靠地波和电离层反射。,短波：,电离层反射。,超短波和微波：,视距、非视距、超视距。,1.3,无线电波传播效应,电波的直射、反射和绕射,（射线跟踪法）,绕射波,发射天线,入射波,直射波,反射波,障碍物,接收天线,一般情况下，相对于直射波，,反射波、绕射波、散射波都比较弱。,1.3,无线电波传播效应,（超短波与微波）,1.,晴空条件下的视距传播,2.,绕射传播,3.,地形、地物的反

12、射和散射,4.,雨、水凝体和沙尘对电波的散射和衰减,5.,多径传播和聚焦效应,6.,大气折射,7.,大气波导传播,8.,对流层散射,1.3,无线电波传播效应,传播途径,直射波及地面反射波,（最一般的传播形式）,山体绕射波,（阴影区域信号来源）,电离层反射波,（超视距通讯途径）,无线电波的基本特点,?,?,?,无线电波是一种电磁波，其传播速度与光速相,同，且有,=c/,f,。,无线电波具有直射、绕射、反射与折射等现象。,无线电波的三种传播途径（如图）：,1.4,无线通信系统模型,信源,信源,编码,信道,编码,复用,调制,多址,射频与,天线,无线,信道,发送器,已调发射信号,接收器,信宿,信源,解

13、码,信道,解码,解复,用,解调,接收信号,多址,天线与,射频,消息的估计,1.4,无线通信系统模型,?,信源编码：利用信源统计特性消除其内在的相关性，,达到压缩信源码率；提高传输的有效性；,?,信道编码：分为检错码和纠错码，前者一般与,ARQ,结,合使用；按照一定的算法插入冗余码，提高传输的可,靠性。,?,数字调制：键控、多进制调制,?,数字加密：比模拟信号容易,?,模拟传输：收发均为,RF,信号（模拟），无线传播频,带有限，使用严格频率特性的滤波器，在发端降低带,外杂散频率，收端减少由天线带来的带外干扰,。,?,典型发送设备的组成框图,?,典型接收设备的组成框图,1.5,无线信道特性,1.5

14、.1,信道的定义,信道是指以传输媒质为基础的信号通路。,具体地说，信道是指由有线或无线电线路,提供的信号通路。,信道的作用是传输信号，它提供一段频带,让信号通过，同时又给信号加以限制和损害。,1.5.2,信道的分类,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,狭义信道,?,?,有线信道,?,无线信道,?,?,?,调制信道,?,?,恒参信道,?,?,变参信道,?,?,无记忆信道,?,编码信道,?,?,?,有记忆信道,信道,广义信道,1.5.2,信道的分类,信道可大体分成：狭义信道和广义信道。,1.,狭义信道,狭义信道是指在发端设备和收端设备中间的,传输媒介，它包括有线信道和无线信道。,2.,广义

15、信道,广义信道通常也可分成两种，调制信道和编,码信道。指信源变换器输入到信宿变换器输出的,传输路径。,1.5.2,信道的分类,1.5.2,信道的分类,(1/6),一、,广义,信道的数学模型,1.,调制信道模型,调制信道的范围是从调制器输出端到解调器,输入端。通常它具有如下性质：,（,1,）有一对,(,或多对,),输入端和一对,(,或多对,),输,出端；,（,2,）绝大部分信道都是线性的，即满足叠加原,理；有一定的功率输出（噪声）。,1.5.2,信道的分类,(2/6),（,3,）信号通过信道会出现迟延时间；,（,4,）信道对信号有损耗,(,固定损耗或时变损耗,),；,（,5,）即使没有信号输入，

16、在信道的输出端仍可能,有一定的功率输出（噪声）。,e,i1,(t)e,01,(t),时变线,e,i,(t)e,0,(t),性网络,时变,e,i2,(t)e,02,(t),线性,.,网络,.,e,im,(t)e,0m,(t),(a)(b),调制信道模型,1.5.2,信道的分类,(3/6),对于二对端的信道模型来说，其输出与输入之间,的关系式可表示成：,根据信道中,k,(,t,),e,0,(,t,),?,f,e,i,(,t,),?,n,(,t,),的特性不同，可,将上式进一步简化可以写成：,以将信道分为：,e,0,(,t,),?,k,(,t,),?,e,i,(,t,),?,n,(,t,),恒参信道

17、和变参,信道,。,这样信道对信号的影响可归纳为两点：一是,乘性干扰,k,(,t,),，二是加性干扰,n,(,t,),。,不同特性的信道，仅反映信道模型有不同的,k,(,t,),及,n,(,t,),。,1.5.3,信道的分类,(4/6),2,、,编码信道模型,从编码器输出端到译码器输入端的所有转换器及,传输媒质可用一个完成数字序列变换的方框加以概括，,此方框称为编码信道。,编码信道的模型可用数字信号的转移概率来描述。,1.5.3,信道的分类,(5/6),模型中，把,P(0/1),、,P(0/0),、,P(0/1),、,P(1/1),称为信道转移概率。以,P(1/0),为例，其含义是,“经信道传输

18、，把,0,转移为,1,的概率”。,1.5.3,信道的分类,(6/6),转移概率由编码信道的特性决定，一个特,定的编码信道就会有相应确定的转移概率。,编码信道可进一步分为无记忆编码信道和,有记忆编码信道。,1.5.4,无线信道的特点,1.,传播的开放性,2.,接收地理环境的复杂性和多样性,3.,某些通信用户具有随机的移动性,无线信道的多样性和时变性。,1.5.5,无线信道的复杂性,1,、频率，,1,个变量,2,、时间，,1,个变量,3,、接收机移位，,3,维空间，,3,个变量,4,、发射机移位，,3,维空间，,3,个变量,5,、接收机指向，,3,维空间，,3,个变量,6,、发射指向，,3,维空间

19、，,3,个变量,7,、多天线接收机，增加,1,个变量,8,、多天线发射机，增加,1,个变量,1.5.6,信道容量,(1/4),1,、,信道容量的定义,在信息论中，称信道无差错传输信息的最大,信息速率为信道容量，记之为,C,。,信道可以分为：离散信道（编码信道）和,连续信道（调制信道）。,1.5.6,信道容量,(2/4),2,、,仙农公式,假设连续信道的加性高斯白噪声功率为,N,（,W,），信道的带宽为,B,（,Hz,），信号功率为,S,（,W,），则该信道的信道容量为,:,单位,bit/s,S,S,E,b,R,C,?,B,log,2,(,1,?,),?,B,log,2,(,1,?,),?,B,

20、log,2,(,1,?,),N,N,0,B,N,0,B,当信道特性（,B,、,S,和,n,0,）给定以后，上式表,示理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数,值。,1.5.6,信道容量,(3/4),3,、,关于仙农公式的几点讨论,（,1,）在给定,B,、,S/B,的情况下，信道的极限传输,能力为,C,，而且此时能够做到无差错传输（即差错,率为零）。,（,2,）提高信噪比，可提高信道容量。,（,3,）增加信道带宽，也可有限的增加信道的容,量。,（,4,）信道容量可以通过系统带宽与信噪比的互,换而保持不变,S,S,lim,C,?,log,2,e,?,1.44,B,?,N,0,N,0,1.5.6,信

21、道容量,(4/4),4,、带宽受限信道和功率受限信道,令,R=C,，仙农定理就可以写成：,E,b,/N,0,=(2,C/B,-1)/(C/B),?,带宽受限信道,E,b,/N,0,dB,E,b,/N,0,?,?,C/B,?,?,B,?,无限,功率可以换取带宽,?,功率受限信道,B,?,?,C/B,?,?,E,b,/N,0,?,有限,-1.6dB,当,B,?,?,，,E,b,/N,0,?,-1.6dB,，即为仙农极限，带,宽不能无限制地换取功率。,C/B,b/s,?,Hz,1.6,无线通信发展趋势分析,1.6.1,日益提高的数据速率,当前无线系统的数据传输能力与有线通信,相比还是很小的。,更高的

22、数据速率将导至工作于更大带宽的,无线系统。未来的无线系统将工作在远超过传,统信道模型的带宽，新的系统将要求新的信道,模型和测量方法。,1.6.2,无线电装置无处不在,无线个人通信已遍布到地球上的几乎每一,个环境。,例如：可以在城市里、汽车上、家里、办,未来的无线系统会工作在几乎每一个能想,公楼,利用无线终端实现信息的传递。,象到的环境中，将存在多得无法想象的不同种,类的需要表征的信道。,1.6.3,更快、更小、更廉价的硬件,随着数字信号处理、射频集成电路等技,术的发展，发射机和接收机的元部件的制造,正在迅速地变得越来越廉价，结果将是许多,今天无法实现的算法和技术，明天将会变得,可行。,1.6.

23、4,频率拥挤,带宽是一个有限的资源。,随着带宽越来越宽的无线系统的不断建设，,频率拥挤成了一个问题。,一个解决的办法是走出公用频段，进入更高,的、不拥挤的超微波和毫米波段。,要在这些更高频率上传播，就出现了一系列,完全不同的问题。,1.6.5,无线通信的关键技术,1.,无线接口方面：多址技术、多用户接收、,智能天线、多维编码、自适应调制编码、,软件无线电、保密技术、定位技术、仿,真技术等。,2.,高层管理方面：接入控制、交换技术、,网络管理、安全技术、防病毒技术等。,1.6.5.1,软件无线电,(1/2),?,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

24、：互连互通难,设备更新难,研制开发难,?,能否搞成一个通用的无线系统：,硬件是公用的，除了天线和,RF,前端外，其它都是,DSP,所有无线通信过程都用软件实现，而软件环境是开放的,无线协议都遵循一个公共的,Wireless OSI,分层结构。,1.6.5.1,软件无线电,(2/2),?,软件无线电的关键技术,多频段天线及,RF,前端技术,直接式数字上、下变频技术,高速,DSP,技术,标准化无线协议及协议转换技术,?,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,1.6.5.2,多址技术,?,扩频多址技术,缺点：非正交性,(Non-orthogonality,）,优点：坚韧性

25、,(Robustness),坚韧性体现在：抗多径,抗干扰,蜂窝分割的频率再用,扇区分割的频率再用,?,前沿技术：时空联合处理、智能天线、多用,户检测,1.6.5.3,智能技术和自适应技术,自适应编码技术,智能天线,自适应变速,?,?,?,1.6.5.4,多输入多输出系统（,MIMO,）,?,发送和接收分集,时空编码,码，可以进一步提高系统的综合性能。,分集技术可以提高链路的可靠性。,?,将分集与编码调制等结合，构成了时空编,几点看法,关于市场定向：,电话？多媒体？视频业务？,Internet,？,?,关于体制标准：,全球一个标准？还是一个标准族？,?,关于上下兼容：,要和第二代兼容。,?,关于

26、知识产权：,各国都希望国际标准中涉及的技术必须是开放的。,?,本章结束！,后面有个实用技术！,?,组建无线共享网络的报告,实际上就是现在手机的热点功能,如何组建共享无线网络？,应该来说，组建局域网并不难。,要求：,1.,两台装有支持,802.11b/g,无线网卡的笔记本,电脑,2.,其中一台能连接到,Internet,的笔记本作为,发射端，另外一台作为接收端,3.,操作人员需懂得一点点电脑常识,Part one,：,发射端,笔记本,设置,点击开始菜单中的控,制面板，进入网络和,共享中心,进入网络和共享中,心后，点击进入更,改适配器设置,右键点击本地连接,-,属性,-,共享,然后把图中显示的两栏

27、的钩打上,右键点击无线网络连接,-,属性,选择,Internet,协议版本,4(TCP/IPv4)-,-,属性,设置,IP,地址,192.168.1.1,子网掩码默认,其它不用设置,回到网络和共享中心，选择,设置无线临时,（计算机到计算机）网络，点击下一步,下一步,然后就进入了下面窗口，自己设置一个网络名,-,设置安全类型,（最好选,WEP,）,-,设置安全密钥,-,把保存这个网络勾上,-,下一步,出现该窗口说明设置已成功,单击桌面右下角如图的,图标,-,在弹出窗口中找,到已设置的网络名,-,单,击连接,连接后会显示等待用户,至此，发射端笔记本设置完毕,Part two:,接收端,笔记本,设置

28、,进入网络和共享中心,-,更改适配器设置,-,右键点击无线网络连接,-,选择协议版本,4,（,TCP/IPv4,）,-,属性,-,更改各项设置如下,（,192-168-1-12,和,255-255-255-0,和,192-168-1-1,和,192-168-1-1,）,IPV4,设置里面设置好,IP,、,子网、网关和,DNS,地址,IP,当然要和笔记本的网段一样，,不要和别的电脑重复了,-,然后点击确定,-,点击确定,接下来就只剩下,connect,的工作了,重新打开如下的窗口,-,找到之前发射端笔记本设置的网络名,-,连接,点击连接后,-,电脑弹出如下窗口,-,输入之前设置的安全密钥,-,点击确定,等待发射端笔记本的网络识别成功后,就可两台笔记本同时上网了,至此，笔记本共享无线上网的报告完毕,实际上就是我们手机、平板电脑、,笔记本上的热点功能！,