無線通信基礎(chǔ)課件

1、無線通信基礎(chǔ)課件需要掌握的n無線傳輸介質(zhì)n無線傳輸特性無線通信基礎(chǔ)無線通信基礎(chǔ)課件每學(xué)期需要技術(shù)更新的n有無新的無線傳輸技術(shù)出現(xiàn)n無線傳輸技術(shù)的新進(jìn)展和發(fā)展方向的變化無線通信基礎(chǔ)課件提綱n無線網(wǎng)絡(luò)概述n無線傳輸技術(shù)n無線網(wǎng)絡(luò)-應(yīng)用n無線網(wǎng)絡(luò)-發(fā)展n無線網(wǎng)絡(luò)-拓?fù)鋘無線蜂窩系統(tǒng)n蜂窩概念n蜂窩系統(tǒng)無線通信基礎(chǔ)課件無線網(wǎng)絡(luò)概述無線通信基礎(chǔ)課件無線傳輸技術(shù)n多路復(fù)用n無線傳輸無線通信基礎(chǔ)課件多路復(fù)用（multiplexing） 為了提高信道利用率，使多路信號(hào)沿同一信道傳輸而互不干擾的技術(shù)無線通信基礎(chǔ)課件多路復(fù)用技術(shù)n實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用的關(guān)鍵n把多路信號(hào)匯合到一條信道上之后，在接收端必須能正確地分割出各種信

2、號(hào)n分割信號(hào)的依據(jù)：信號(hào)之間的差別n信號(hào)頻率上的不同n信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間上的不同n信號(hào)碼型結(jié)構(gòu)上的不同頻分多路復(fù)用時(shí)分多路復(fù)用碼分多路復(fù)用無線通信基礎(chǔ)課件The total system bandwidth is divided into channels which are allocated to the different users.7C29822.030-Cimini-9/97頻分多路復(fù)用無線通信基礎(chǔ)課件Time is divided into slots which are allocated to the different users.7C29822.031-Cimini-9/97時(shí)

3、分多路復(fù)用無線通信基礎(chǔ)課件Time and bandwidth are used simultaneously by different users, modulated by orthogonal or semi- orthogonal codes (e.g. spread spectrum).7C29822.032-Cimini-9/97碼分多路復(fù)用無線通信基礎(chǔ)課件多路復(fù)用方法比較無線通信基礎(chǔ)課件多路復(fù)用技術(shù)n以上多路復(fù)用技術(shù)也稱為多址接入方法無線通信基礎(chǔ)課件n另一個(gè)與接入方法有關(guān)的重要參數(shù)是正向信道和反向信道的載波頻率差。n正向信道正向信道又叫下行鏈路，指從基站到移動(dòng)終端的通信；n反向信

4、道反向信道又叫上行鏈路，指從移動(dòng)終端到基站的通信。n如果正向信道和反向信道采用不同的載波頻率，而且間隔足夠大，這樣的雙工技術(shù)叫做FDD（Frequency Division Duplexing，頻分雙工）；n如果正向信道和反向信道采用相同的載波頻率，但采用交替的時(shí)隙，這樣的雙工技術(shù)叫做TDD（Time Division Duplexing，時(shí)分雙工）。無線信道接入方法無線通信基礎(chǔ)課件無線傳輸n電磁波可將信息從一個(gè)地方傳到另一個(gè)地方n電磁波的傳播不需要任何有型介質(zhì)n電磁波稱為傳輸?shù)妮d波載波（載體）n傳輸?shù)臄?shù)據(jù)疊加在載波上，接收端再過濾出信號(hào)n調(diào)制解調(diào)n傳輸數(shù)據(jù)的頻率范圍稱為頻帶頻帶n多個(gè)無線電載

5、波可共存于同一空間無線通信基礎(chǔ)課件傳輸介質(zhì)n傳輸介質(zhì)（通信介質(zhì)）：計(jì)算機(jī)用以收發(fā)電子/光子信號(hào)的物理路徑。分類如下：n引導(dǎo)性介質(zhì)（線纜介質(zhì)）n電磁波沿著一個(gè)固態(tài)介質(zhì)傳播。例如：金屬導(dǎo)體、玻璃。n非引導(dǎo)性介質(zhì)（無線介質(zhì)）n提供了傳輸電磁信號(hào)的手段，但不加以引導(dǎo)。例如：大氣層、外層空間。無線通信基礎(chǔ)課件無線傳輸?shù)碾姶蓬l譜無線通信基礎(chǔ)課件無線頻譜的分配n頻率統(tǒng)一分配（FCC/ITU_R/各個(gè)國(guó)家）n根據(jù)信息類型分配頻譜（AM/FM無線電臺(tái)、TV、蜂窩電話）n工業(yè)科學(xué)醫(yī)學(xué)頻段（ISM）n可自由使用但限制功率n專用于非許可的商業(yè)用途n救護(hù)車、出租車、無線遙控玩具、無線電家用設(shè)備等無線通信基礎(chǔ)課件工業(yè)科學(xué)

6、醫(yī)學(xué)頻段無線通信基礎(chǔ)課件全向傳播與定向傳播n全向傳播（Omnidirectional）n信號(hào)沿所有方向傳播n可被所有的天線接收n發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備不必在物理上對(duì)準(zhǔn)n定向傳播（directional）n天線把所有的能量集中于一小束電磁波無線通信基礎(chǔ)課件無線信號(hào)傳播n理想情況下，無線信號(hào)在從發(fā)射器到接收器間的一條直線上傳播，稱為“視線”（line of sight, LOS）n實(shí)際情況下，由于傳輸障礙物等傳輸環(huán)境的影響，無線信號(hào)的傳播將發(fā)生如下三種現(xiàn)象：反射、衍射和散射。其中物體的幾何形狀決定了將產(chǎn)生那種現(xiàn)象。無線通信基礎(chǔ)課件反射（reflection）n反射：當(dāng)信號(hào)遇到表面大于信號(hào)波長(zhǎng)的障礙物（

7、地球表面、高建筑物、大型墻面）導(dǎo)致信號(hào)的相位發(fā)生漂移無線通信基礎(chǔ)課件衍射（Diffraction）n衍射：當(dāng)信號(hào)遇到大于波長(zhǎng)的不可穿透物的邊緣（如無線電波中途遇到的尖銳不規(guī)則的邊緣物），即使沒有來自發(fā)送器的視線信號(hào)，也可接收到信號(hào)。無線通信基礎(chǔ)課件散射（Scattering）n散射：當(dāng)信號(hào)遇到波長(zhǎng)更小的物體（樹葉、街牌、燈柱）就發(fā)散成幾個(gè)弱的出境信號(hào)無線通信基礎(chǔ)課件散射（Scattering）n散射還與障礙物表面的粗糙度有關(guān)。表面越粗糙，越容易引起散射。n例如，n在戶外，樹木和路標(biāo)都會(huì)導(dǎo)致移動(dòng)電話信號(hào)的散射。n在室內(nèi)，椅子、書籍和計(jì)算機(jī)都會(huì)導(dǎo)致無線Lan信號(hào)的散射。無線通信基礎(chǔ)課件反射、衍射和

8、散射無線通信基礎(chǔ)課件無線通信的衰減（fading）n衰減（fading）：傳輸介質(zhì)或路徑使得接收信號(hào)的能量發(fā)生變化n在固定環(huán)境下，大氣層條件的變化n低頻具有更強(qiáng)的穿透力，可以傳輸更遠(yuǎn)的距離n頻率越高，衰減越嚴(yán)重，發(fā)射器需要更大的功率，傳輸范圍變短n在移動(dòng)環(huán)境下：障礙物的相對(duì)位置隨時(shí)間發(fā)生變化，造成復(fù)雜的傳輸效果多徑傳播無線通信基礎(chǔ)課件多徑（multipath）傳播的影響n一個(gè)信號(hào)的多個(gè)拷貝以不同的相位到達(dá)n如果相位破壞性疊加，則相對(duì)噪聲來說信號(hào)的強(qiáng)度就會(huì)下降（信噪比減?。?，導(dǎo)致接收端檢測(cè)困難n信號(hào)串?dāng)_（intersymbol interference）n一個(gè)脈沖的一個(gè)或多個(gè)延遲的拷貝在一個(gè)比特

9、時(shí)間內(nèi)到達(dá)多徑（Multipath）:障礙物反射信號(hào)，使得接收端接收到多個(gè)不同延遲的信號(hào)無線通信基礎(chǔ)課件多徑傳播的影響n假設(shè)：以給定頻率在固定天線和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的鏈路上發(fā)送一個(gè)窄脈沖無線通信基礎(chǔ)課件n無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用從邏輯上可以分成兩類：n面向語音的應(yīng)用 voice-orientedn面向數(shù)據(jù)的應(yīng)用 data-oriented每一類都有局域和廣域兩個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合，從而形成四個(gè)不同的應(yīng)用部分。無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用無線通信基礎(chǔ)課件n面向語音的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用圍繞著連接PSTN的無線網(wǎng)絡(luò)，這些業(yè)務(wù)進(jìn)一步形成局域網(wǎng)應(yīng)用和廣域網(wǎng)應(yīng)用。nPSTN（Public Switched Telephone Network），公共交

10、換電話網(wǎng)絡(luò)，一種常用舊式電話系統(tǒng)。 n面向數(shù)據(jù)的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用圍繞著Internet和計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)。這些業(yè)務(wù)進(jìn)一步分為寬帶局域與Ad-hoc（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）應(yīng)用和廣域無線數(shù)據(jù)應(yīng)用。無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用無線通信基礎(chǔ)課件20世紀(jì)70年代早期貝爾實(shí)驗(yàn)室研究第一代移動(dòng)無線電20世紀(jì)70年代晚期第一代無繩電話面世1982年研究第二代數(shù)字無繩電話CT-21982年部署第一代北歐模擬NMT系統(tǒng)1983年部署美國(guó)AMPS系統(tǒng)1983年研究第二代數(shù)字蜂窩系統(tǒng)GSM1985年研究無線PBX，DECT1988年開始發(fā)展GSM1988年開始IS-54數(shù)字蜂窩1988年研究Qualcomm CDMA技術(shù) （高通公司 ）1991年部署

11、GSM系統(tǒng)1993年部署PHS/PHP和DCS-18001995年FCC拍賣PCS頻段1995年完成PACS1998年開始3G標(biāo)準(zhǔn)化面向語音無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重大事件無線通信基礎(chǔ)課件n貝爾實(shí)驗(yàn)室的 FDMA（Frequency Division Multiple Access，頻分多址）模擬蜂窩系統(tǒng)技術(shù)n歐洲的NMT（Nordic Mobile Telephony，北歐移動(dòng)電話）n美國(guó)的AMPS（Advanced Mobile Phone System，高級(jí)移動(dòng)電話系統(tǒng)）n北歐的TDMA（Time Division Multiple Access，時(shí)分多址）數(shù)字蜂窩系統(tǒng)技術(shù)nGSM（Global

12、System for Mobile communication，全球移動(dòng)通信系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱“全球通”）n北美的CDMA（Code Division Multiple Access，碼分多址）數(shù)字蜂窩系統(tǒng)技術(shù)n3G（第三代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)）技術(shù)面向語音的廣域無線應(yīng)用無線通信基礎(chǔ)課件n無繩電話n英國(guó)的CT-2 n歐洲的DECT（Digital European Cordless Telephone，數(shù)字歐洲無繩電話）nPCS服務(wù)n日本的PHP（Personal Handy Phone，個(gè)人手持電話），后來成為PHS（Personal Handyphone System個(gè)人手持系統(tǒng)，即“小靈通”）n英國(guó)

13、的DCS-1800（GSM技術(shù)）n美國(guó)的PACS（Person Access Communications System，個(gè)人接入通信系統(tǒng)）面向語音的局域無線應(yīng)用無線通信基礎(chǔ)課件1979年普及紅外線（瑞士IBM實(shí)驗(yàn)室）1980年使用SAW設(shè)備擴(kuò)展頻譜（美國(guó)加州HP實(shí)驗(yàn)室）20世紀(jì)80年代初期無線調(diào)制解調(diào)器（數(shù)據(jù)無線通信）1983年ARDIS（Motorola/IBM）1985年ISM頻段用于商業(yè)擴(kuò)頻應(yīng)用1986年Mobitex（瑞典電信和Ericsson）1990年無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.111990年RAM移動(dòng)產(chǎn)品發(fā)布1991年RAM移動(dòng)（Mobitex）1992年組成WINForum

14、1992年歐洲的ETSI和HiperLAN1993年歐洲發(fā)布2.4、5.2和17.117.3頻段1993年CDPD（IBM和9家運(yùn)營(yíng)公司）1994年P(guān)CS的需要許可證頻段和免許可證頻段面向數(shù)據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重大事件無線通信基礎(chǔ)課件1996年無線ATM論壇創(chuàng)立1997年發(fā)布U-NII頻段、IEEE802.11完成、GPRS出現(xiàn)1998年推出IEEE802.11b和藍(lán)牙技術(shù)1999年IEEE802.11g/HiperLAN-2出現(xiàn)面向數(shù)據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重大事件（續(xù)）無線通信基礎(chǔ)課件nMotorola和IBM的ARDISnEricsson的Mobitexn美國(guó)的CDPD（Cellular Digit

15、al Packet Data，蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)）nGSM上的GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無線業(yè)務(wù)）n3G技術(shù)面向數(shù)據(jù)的廣域無線應(yīng)用無線通信基礎(chǔ)課件n寬帶無線局域網(wǎng)和Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)主要特點(diǎn)是工作在ISM免許可證頻段。n寬帶局域無線應(yīng)用nWLAN（無線局域網(wǎng)）nIEEE的802.11n歐洲的HiperLANnWATM（無線ATM）nAd-hoc應(yīng)用（WPAN）n藍(lán)牙（Bluetooth）面向數(shù)據(jù)的寬帶局域無線與Ad-hoc應(yīng)用無線通信基礎(chǔ)課件n第一代（1G）無線系統(tǒng)是面向語音的模擬語音的模擬無線系統(tǒng)，使用FDMA技術(shù)實(shí)現(xiàn)。典型的1G標(biāo)準(zhǔn)：美國(guó)

16、的AMPS、歐洲的TACS。n第二代（2G）無線系統(tǒng)是面向語音的數(shù)字語音的數(shù)字無線系統(tǒng)，使用TDMA或窄帶CDMA技術(shù)實(shí)現(xiàn)。典型的2G數(shù)字蜂窩移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)：歐洲的GSM、北美的IS-54（IS-136）和IS-95以及日本的JDC，2G PCS標(biāo)準(zhǔn)：歐洲的CT-2和DECT、美國(guó)的PACS、日本的PHS，2G移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)：CDPD、GPRS，2G WLAN標(biāo)準(zhǔn)：IEEE 802.11、HiperLAN。n第三代（3G）無線系統(tǒng)把蜂窩電話、PCS語音業(yè)務(wù)以及移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)用各種分組交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)綜合在一個(gè)高語音質(zhì)量、高容量、高速率的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。典型的3G標(biāo)準(zhǔn)： CDMA2000 、TD-SC

17、DMA。無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展無線通信基礎(chǔ)課件n無線網(wǎng)絡(luò)中使用了兩種基本拓?fù)漕愋蚽基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)集中式（或稱中心輻射式）拓?fù)鋘Ad-hoc（或稱分布式）拓?fù)鋘基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)n固定（有線）基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)用來支持移動(dòng)終端（MT，或稱移動(dòng)臺(tái)MS）之間和移動(dòng)終端與固定終端之間的通信。n通常設(shè)計(jì)用于大的覆蓋區(qū)域和使用多個(gè)BS（Base Station，基站）或AP（Access Point，接入點(diǎn)）的情況。 無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錈o線通信基礎(chǔ)課件n基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D例n無線蜂窩產(chǎn)品、IEEE802.11和大部分無線LAN產(chǎn)品都支持基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的使用。 無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錈o線通信基礎(chǔ)課件nAd-hoc網(wǎng)絡(luò)nAd-hoc或分布式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆糜谥亟M網(wǎng)絡(luò)，

18、它不需要固定的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)就能工作。n適于在移動(dòng)或固定情況下快速部署無線網(wǎng)絡(luò)。 n有2種Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋘單跳Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)。如：IEEE 802.11、PHS等。n多跳Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)。如：HiperLAN。無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錈o線通信基礎(chǔ)課件nAd-hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D例（a） 單跳對(duì)等拓?fù)?（b） 多跳拓?fù)?無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錈o線通信基礎(chǔ)課件無線蜂窩系統(tǒng)無線通信基礎(chǔ)課件蜂窩概念n1946年，美國(guó)AT&T貝爾實(shí)驗(yàn)室提出了蜂窩（cellular）通信的概念。n蜂窩通信是一種使用頻率復(fù)用的智能方法，以使有限的帶寬可以容納巨大數(shù)量的用戶。無線通信基礎(chǔ)課件蜂窩概念n基本原理：將覆蓋區(qū)域分為大量相連的小區(qū)域，每個(gè)小

19、區(qū)使用自己的、低功率的無線基站。由于同樣的頻譜在分散的區(qū)域內(nèi)可以被多次復(fù)用，這樣，每次建立一個(gè)新的基站（一個(gè)小區(qū)域）時(shí)，容量就會(huì)增加。n小區(qū)域被稱為小區(qū)或單元（cell），一組小區(qū)組成區(qū)群（cluster）。n一個(gè)區(qū)群中小區(qū)的數(shù)量稱為區(qū)群大小或頻率復(fù)用因子。n需要對(duì)這些小區(qū)域以智能的方式分配信道，以避免兩種干擾：n同頻道干擾（cochannel interference）n鄰道干擾（adjacent channel interference） 無線通信基礎(chǔ)課件蜂窩形狀無線通信基礎(chǔ)課件頻率復(fù)用N=4頻率復(fù)用模型123457612345761234576123424343213122143134N=7頻率復(fù)用模型n以FDMA為例，K為分配給系統(tǒng)的頻率總數(shù)，N為頻率復(fù)用模型蜂窩數(shù)，假定每個(gè)蜂窩區(qū)分配相同數(shù)量的頻率，則每個(gè)蜂窩區(qū)有K/N個(gè)頻率無線通信基礎(chǔ)課件頻率復(fù)用n設(shè)參數(shù)nD 使用相同頻段的蜂窩區(qū)最小中心間距nR 蜂窩區(qū)半徑nd 相鄰蜂窩區(qū)的中心距離nN 重用因子，重用模型中蜂窩區(qū)個(gè)數(shù)n在六邊形蜂窩區(qū)模型中n可能的N值為1、3、4、7、9、12、13等n存在下列關(guān)系3dR22()NIJIJ,0,1,2,3,.I J 3DNR無線通信基礎(chǔ)課件增加容量n增加新信道（adding new channels）n頻率借用（frequency borrowing）n蜂窩區(qū)分割（cell s