無線通信系統(tǒng)概述

1、第一章無線通信系統(tǒng)概述華北電力大學(xué)電子系趙建立2011年主要內(nèi)容n通信技術(shù)的發(fā)展歷程n無線通信的應(yīng)用情況n電信網(wǎng)的發(fā)展趨勢電信（Telecommunication)的新紀元l通信（Communication)作為電信（Telecommunication) 是從19世紀30年度開始的。l 物理發(fā)現(xiàn) 通信技術(shù)發(fā)展l 1831年法拉第電磁感應(yīng) 1837年莫爾斯發(fā)明電報l 1873年麥克斯韋爾的電 1876年貝爾發(fā)明電話l 磁場理論 1895年馬可尼發(fā)明無線電電話的發(fā)明者貝爾電話的發(fā)明者貝爾l貝爾（18xx1922）英國人 1868年 在倫敦工作 1871年 去波士頓工作 1873年 任波士頓大學(xué)教授

2、 1875年 發(fā)明多路電報 1876年 發(fā)明電話n一生曾獲許多專利無線電的發(fā)明者馬可尼無線電的發(fā)明者馬可尼l馬可尼（18741937）意大利人 1894年 在父親的莊園試驗 1896年 去倫敦 1897年 建立無線電報公司 1899年 首次實現(xiàn)英法無線通信 1916年 實現(xiàn)短波無線電通信 1929年 建立世界性無線通信網(wǎng)l曾獲諾貝爾獎金l曾參加法西斯黨數(shù)字通信的新紀元l1928年奈奎斯特準則和取樣定理l1948年仙農(nóng)（定理)l在理論上為數(shù)字通信準備了條件l 物理發(fā)現(xiàn) 通信技術(shù)發(fā)展 l 20世紀50年代數(shù)字通信得到發(fā)展l 發(fā)明半導(dǎo)體l 20世紀60年代l 發(fā)明集成電路 空間通信的新紀元l 物理發(fā)

3、現(xiàn) 通信技術(shù)發(fā)展 l20世紀50年代20世紀40年代提出靜止衛(wèi)航天技術(shù)星概念，但無法實現(xiàn)l1963年第一次實現(xiàn)同步衛(wèi)星通信光纖通信的新紀元l 物理發(fā)現(xiàn) 通信技術(shù)發(fā)展 l 20世紀60年代企圖用于通信，未成功發(fā)明激光l 20世紀70年代 光纖通信得到發(fā)展l 發(fā)明光導(dǎo)纖維通信發(fā)展歷史的啟示通信發(fā)展歷史的啟示l通信傳輸始終是最活躍的技術(shù)領(lǐng)域，物理上的新進展都可能在通信上找到新用途，從而形成新的通信產(chǎn)業(yè)。l通信傳輸?shù)男乱笥謱⑼苿游锢砗推骷倪M展，促使人們?nèi)パ芯堪l(fā)展新的物理機理來滿足信息傳輸?shù)男枰?。l一個優(yōu)秀的通信工程師和研究人員，必須對物理學(xué)和器件技術(shù)的新進展十分感興趣，并善于抓住新方向、新突破口迎

4、接通信技術(shù)的革命。通信的目標通信的目標n20世紀的概念： 五個W，“任何人（Whoever）在任何地方（Wherever）任何時間（Whenever）可以同任何人（Whomever）進行任何形式（Whatever）的通信”。n20世紀的目標是實現(xiàn)“任何地方、任何時候、任何人”（anywhere, anytime,anyone)的通信；21世紀的目標應(yīng)該是實現(xiàn)“處處、時時、人人”（everywhere, all-the-time, everyone）的通信通信系統(tǒng)的基本矛盾通信系統(tǒng)的基本矛盾n可靠性與有效性 n可靠性發(fā)送消息在接受端的準確還原（矛盾的主要方面） n有效性信道資源的充分利用（時域、

5、空域、頻域） n形成這種矛盾的根本原因：信道不理想 n 帶寬、時間受限 n 噪聲和干擾 研究通信系統(tǒng)的基本出發(fā)點n在一定可靠性要求下，如何盡可能去提高系統(tǒng)的有效性 n在一定的有效性要求下，如何最大限度的提高可靠性 n即在一定的代價下，使系統(tǒng)優(yōu)化 n這種矛盾的相對統(tǒng)一，也是通信技術(shù)發(fā)展的基本動力 信 源發(fā)送設(shè)備信 道接收設(shè)備信 宿噪聲源同步同步g(t) s(t) r(t) g(t) n(t) n通信的分類可有多種劃分的形式，如從通信內(nèi)容上、傳輸信號的性質(zhì)上、信道上等進行劃分。n從信道劃分大致可有： 有線通信有線電通信光纖通信雙絞線同軸電纜短波通信微波通信衛(wèi)星通信紅外線通信同步衛(wèi)星中、低軌道衛(wèi)星無

6、線通信n從通信內(nèi)容上可有：從通信內(nèi)容上可有： 語音通信語音通信( (電話電話) ) 、圖象通信、圖象通信、n 多媒體通信多媒體通信n從傳輸信號形式有：從傳輸信號形式有：n 模擬信號通信模擬信號通信n 數(shù)字信號通信數(shù)字信號通信n還有其它一些分類方法，如窄帶通信和寬帶通信之還有其它一些分類方法，如窄帶通信和寬帶通信之分。語音、低速數(shù)據(jù)屬窄帶通信，而圖像、多媒體、分。語音、低速數(shù)據(jù)屬窄帶通信，而圖像、多媒體、高速數(shù)據(jù)屬寬帶通信。高速數(shù)據(jù)屬寬帶通信。 無線通信n無線通信是依靠自由空間來傳輸電磁波的通信方式。 n無線通信的挑戰(zhàn)：信道的隨機時變和各種擴散（頻率擴散、時間擴散、角擴散）造成的各種選擇性衰落（

7、時間選擇性衰落、頻率選擇性衰落、空間選擇性衰落）。n對抗上述衰落的有效手段是分集。無線通信的應(yīng)用概況無線通信的應(yīng)用概況l短波/超短波通信 天波（電離層）：數(shù)據(jù)/電話、單邊帶 地波：小型接力機、單雙工電臺、對講機l微波通信 微波接力（模擬、數(shù)字）、散射、點對多點微波 電視、電話、數(shù)據(jù)l衛(wèi)星通信 高軌道（同步靜止）、中軌道、低軌道 電視、電話、數(shù)據(jù)l移動通信 蜂窩電話、無繩電話、無線數(shù)據(jù)、集群系統(tǒng)、尋呼系統(tǒng) 、衛(wèi)星移動系統(tǒng)短波電離層通信n特點：超遠距離、靈活機動；容量小、質(zhì)量差n用途：海外使館遠洋船隊邊防哨所應(yīng)急通信短波/超短波地面通信短波/超短波地面通信n特點：繞射能力、靈活機動、隱蔽性好；容量

8、較小、質(zhì)量較差n用途：陸軍電臺對空電臺特種通信(武警、公安)無繩電話微波通信微波接力n特點：容量大、質(zhì)量好、視距傳播條件n用途：中小容量微波SDH大容量微波擴頻微波高頻段微波點對多點微波n用途：無線集中器 無線用戶環(huán)散射微波通信n衰落時變信道，距離遠，頻帶較窄，質(zhì)量較差n用途 軍用 民用衛(wèi)星通信高軌道衛(wèi)星通信n特點：同步軌道、靜止衛(wèi)星、容量大、質(zhì)量好、功率受限信道n用途：國際長途海事衛(wèi)星電視廣播軍事通信中低軌道衛(wèi)星通信n特點：距離近、地面設(shè)備簡單靈活，非靜止軌道，要求跟蹤n用途：非實時信息傳送遙感偵測衛(wèi)星移動通信移動通信蜂窩系統(tǒng)n無線通信最成功的應(yīng)用n第一代：模擬第二代：數(shù)字第三代：多媒體 尋

9、呼系統(tǒng)n無線通信最大眾化的應(yīng)用其它無線移動系統(tǒng)n集群系統(tǒng)n無繩電話系統(tǒng)n無線數(shù)據(jù)系統(tǒng)n無線ATM系統(tǒng)n無線IP系統(tǒng)2121世紀電信網(wǎng)的發(fā)展趨勢世紀電信網(wǎng)的發(fā)展趨勢 20世紀 21世紀n業(yè)務(wù)方式以音頻為主的單媒體 以視頻為主的多媒體n干線傳輸微波光纖n用戶傳輸有線無線n復(fù)接方式PDHSDHn交換模式STM分組交換、軟交換n網(wǎng)絡(luò)方式三網(wǎng)鼎立三網(wǎng)合一面向21世紀通信的三大革命l 以干線（包括部分支線）傳輸光纖化為標志的光纖革命l 以SDH、ATM和IP為標志的數(shù)字革命l 以個人通信和無線接入為標志的無線革命面向21世紀通信的兩大通信平臺光纖通信平臺：無線通信平臺： 超大容量、超長距離 寬帶、移動 關(guān)

10、鍵技術(shù)：波分復(fù)用、 關(guān)鍵技術(shù)：CDMA、智 光纖放大器 能天線、軟件無線電、 MIMO、空時信號處理 無線通信面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展機遇l 光纖通信對無線通信的巨大沖擊 巨大帶寬 超低損耗 較低成本 未來信息高速公路的主干道l 無線通信的發(fā)展機遇 靈活性 抗災(zāi)性 移動性第二章 現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)n2G蜂窩網(wǎng)絡(luò)n3G無線網(wǎng)絡(luò)n本地用戶環(huán)路WLLn常見的無線通信標準2.1 2G蜂窩網(wǎng)絡(luò)nGSM:歐洲，TDMA/FDDn臨時標準136：美國，n臨時標準95，美國，CDMA/FDD，2001年末蜂窩技術(shù)的用戶數(shù)不同2G標準的關(guān)鍵技術(shù)規(guī)范2.5G移動無線網(wǎng)絡(luò)的演進nIS95B:允許一個用戶可以同時使用8個Wal

11、sh碼，用戶速率115.2Kbps(8*14.4).nHSCSD:高速電路交換數(shù)據(jù)，單個用戶可以使用多個時隙，最高4個。414.4Kbps=57.6Kbps.nGPRS:通用無線分組業(yè)務(wù)。非實時，突發(fā)方式，每個信道的峰值速率21.4Kbps，最高821.4=171.2Kbps.nEDGE:增強的GPRS，將調(diào)制方式GMSK改為8-PSK，支持多種調(diào)制編碼方案。峰值速率547.2Kbps。2.5G系統(tǒng)簡介2.2 3G無線網(wǎng)絡(luò)nW-CDMA（通用移動通信系統(tǒng)UMTS）nCDMA2000nTD-SCDMAW-CDMAn歐洲電信標準協(xié)會ETSI支持.n保證對GSM、IS-136、PDC TDMA技術(shù)及

12、多種2.5G TDMA技術(shù)的后向兼容。n信道帶寬5MHz，速率8K-2Mbps。n每個信道可以支持100-350個話音信道。n調(diào)制方式：直接序列擴頻n頻譜利用率是GSM系統(tǒng)的6倍。CDMA2000n由通信工業(yè)協(xié)會TIA發(fā)起。nCDMA2000 1X支持307Kbps的用戶速率。n信道帶寬1.25MHz。nCDMA2000 3X支持2Mbps的用戶速率。n特點：系統(tǒng)容量大，功耗低，廉價的演進方案。TD-SCDMAn由中國電信技術(shù)研究院（CATT）與西門子公司合作，提交IMT-2000的3G標準。nTDMA+TDD技術(shù)。不對稱信道方式。n采用了智能天線、空間濾波、聯(lián)合檢測技術(shù)。n信道帶寬1.6MH

13、z。n數(shù)據(jù)速率可達384Kbps。2.3 無線本地環(huán)路WLL與LMDSn工作頻段：28GHz的微波頻段。n視距傳播。解決“最后一里”的本地環(huán)路。nLMDS:本地多點分配業(yè)務(wù)。n帶寬幾個GHz，數(shù)據(jù)速率可達幾百兆。2.4 常見無線通信標準nWLANn無線個人區(qū)域WPANnUWBn藍牙nHome RFnHiperLANnWMAN無線局域網(wǎng)WLANn1997年6月26日，IEEE正式通過了無線局域網(wǎng)的802.11標準;n802.11b工作在2.4G ISM(工業(yè)、科研、醫(yī)療)頻段內(nèi)14個中心頻道。n 802.11a是對在北美使用的WLAN中802.11b的升級，工作于5.7255.825GHz IS

14、M頻段的100MHz頻帶內(nèi)，提供25Mbit/s54Mbit/s的帶寬，可以支持以太網(wǎng)功能，用戶主要面向企業(yè)。n802.11g標準于2003年6月12日由IEEE正式定案，在很大的程度上是對現(xiàn)有WLAN標準的一種提升。n無線以太網(wǎng)兼容聯(lián)盟WECA將IEEE802.11b標準命名為Wi-Fi。無線局域網(wǎng)標準概述WLAN設(shè)備圖無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)n無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（Wirelesspersonalareanetwork，WPAN）指占用個體或設(shè)備周圍10米被稱為個人運行空間（POS）的網(wǎng)絡(luò)，WPAN內(nèi)的設(shè)備能相互發(fā)現(xiàn)并進行通信，基本屬于一種無中心（adhoc）系統(tǒng)n適用范圍：智能化家用

15、設(shè)備、近距離工作者和小辦公室家庭辦公（SOHO） n主要標準：n 藍牙（Bluetooth）n Home RF n 高性能無線電LAN（HighPerformanceRadioLan，HiperLAN）n UWB UWB(Ultra Wide Band) n美國FCC規(guī)定，民用UWB的工作頻段范圍從3.1GHz到10.6GHz ,要求其發(fā)射功率低于美國放射噪音規(guī)定值41.3dBm/MHz n廣義的UWB(Ultra WideBand，超寬帶)概念指以極窄脈沖方式進行無線發(fā)射和接收的特種技術(shù)。 n在于完全擺脫了一般無線收發(fā)中必須采用載波調(diào)制的傳統(tǒng)手段，成為在時域中直接操作的無線技術(shù) n能夠同時獲

16、得寬帶高速、低成本、低功耗的好處，這在傳統(tǒng)無線技術(shù)中一直是只能折衷取舍的兩難問題。 UWB(續(xù))nIEEE協(xié)會中負責(zé)制訂短距離寬帶無線標準的802.15.3a工作組自2002年UWB解禁以來就確定了將它用于802.15.3標準的基礎(chǔ)。 n英特爾和TI為首的多頻帶OFDM聯(lián)盟(MBOA)提出的多頻帶OFDM技術(shù) nFreescale(前摩托羅拉半導(dǎo)體部門)為首的集團提出的直接序列碼分多址技術(shù)(DS-CDMA) UWB(續(xù)2)n速度： UWB的脈沖寬度用于軍事雷達系統(tǒng)時，最短在皮秒級水平，但在民用上，一般在納秒級。目前，廠家演示的實驗速度在100Mbps至480Mbps之間，但理論上有達到1Gbp

17、s以上的潛力。 n距離：UWB在10米以下的短距離應(yīng)用，發(fā)射距離過短并不是UWB本身的技術(shù)缺陷，而是FCC規(guī)定的低功率指標(1mW以下)所限制的，其目的是避免對其它設(shè)備的干擾。 n功耗： UWB無線鏈路的功耗可低至普通無線鏈路的1/100，采用芯片實現(xiàn)后的整體電路能耗目前在300mW左右。英特爾公司稱短期內(nèi)要將這一指標降至100mW以下。 n成本：由于UWB不需要對載波信號的調(diào)制和解調(diào)，所以不需要混頻器、過濾器、RF/IF轉(zhuǎn)換器及本地振蕩器等復(fù)雜元件，同時更容易集成到CMOS電路中。 UWB(續(xù)3)n電磁兼容性：理論上，由于UWB脈沖極窄，頻帶極寬，其帶寬相當于1000個電視頻道或3萬個FM廣

18、播頻道，因此單位頻寬內(nèi)的功率密度相當?shù)?，其功率密度甚至低于一般的噪聲水平，比如低于一部筆記本電腦的輻射。因此UWB對其它設(shè)備的影響微乎其微，實際上，標準的制訂者們反過來擔心的是其它設(shè)備對UWB設(shè)備以及多部UWB設(shè)備同時工作時相互間的干擾，這也是選擇標準的重要指標之一。n應(yīng)用： UWB可用于智能交通方面、智能家電領(lǐng)域，例如數(shù)字電視、投影機、攝錄一體機、PC機、機頂盒之間傳輸可視文件和數(shù)據(jù)流，或者筆記本電腦和外圍設(shè)備之間實現(xiàn)局部連接構(gòu)成個人局域網(wǎng)。 藍牙（藍牙（BluetoothBluetooth）n“藍牙”的英文名稱為“Bluetooth”，是一種開放性短距離無線通信技術(shù)標準,其本質(zhì)可以說它是一

19、種代替線纜的技術(shù), 由于藍牙標準支持點到點也支持點到多點的連接，因此一旦需要，就可以建立若干個微網(wǎng)（piconet），最多十個微網(wǎng)能組合成所謂的“散射網(wǎng)”（Scatternet）的拓撲結(jié)構(gòu)。n藍牙技術(shù)的主要性能指標有以下幾個：工作頻段：ISM頻段，2.4GHz和5.8GHz速率：1Mb/s（2.4GHz），2Mb/s（5.8GHz）輸出功率：1mW（0dBm）通信距離為10m，100mW為100m具有跳頻功能：1600h/s標準：IEEE802.15.1藍牙標準（開放標準）芯片價格：要求5美元藍牙設(shè)備應(yīng)用HomeRFn HomeRF無線標準是由HomeRF工作組開發(fā)的，旨在家庭范圍內(nèi)，使計算機

20、與其他電子設(shè)備之間實現(xiàn)無線通信的開放性工業(yè)標準。 n主要技術(shù)指標：n使用開放的2.4GHz頻段 ；n采用跳頻擴頻（FHSS）技術(shù)，跳頻速率為50跳/秒,共有75個帶寬為1MHz的跳頻信道； n室內(nèi)覆蓋范圍為45米； n調(diào)制方式為恒定包絡(luò)的FSK調(diào)制，分為2FSK與4FSK兩種，采用調(diào)頻調(diào)制可以有效地抑制無線環(huán)境下的干擾和衰落； nHomeRF 2.x標準中，采用了WBFH（Wide Band Frequency Hopping，寬帶調(diào)頻）技術(shù)來增加跳頻帶寬，數(shù)據(jù)峰值達到10Mbps。 HighPerformanceRadioLan，HiperLANnHiperLAN是802.11標準的歐洲等價

21、物，HiperLAN1發(fā)布于1996年，它工作于5GHz頻帶，采用的調(diào)制方式為高斯濾波最小移頻鍵控(GMSK);HiperLAN1提供的數(shù)據(jù)速率最高可達25Mbps。整體上HiperLAN1與802.11b是相當?shù)? nHiperLAN2是HiperLAN1的第二代版本，于2000年底通過ETSI批準成為標準。它對應(yīng)于IEEE的802.11a，工作在5GHz頻帶，采用OFDM技術(shù)，并且具備動態(tài)頻率選擇(DFS)、發(fā)送功率控制(TPC)功能，支持最高數(shù)據(jù)速率為54Mbps。在MAC層，HiperLAN2采用預(yù)留TDMA多址方式，動態(tài)TDD雙工方式。并且能夠在高吞吐率下支持QoS，從而為視頻流、話

22、音等實時應(yīng)用提供支持。 HiperLAN2也是一種面向連接的技術(shù)，這一點結(jié)合其QoS和帶寬使其可應(yīng)用在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，也提供了面向公共網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。無線城域網(wǎng) WMANnIEEE802.16 WMAN標準可支持1 GHz到2 GHz、10 GHz，以及12 GHz到66 GHz等多個需要許可和無須許可的無線頻段，可提供高達70Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率和多達50公里的覆蓋范圍，每一部不足2萬美元的WMAN基站可在為60家企業(yè)用戶提供T-1服務(wù)的同時，為家庭和小型商業(yè)用戶256kbit/s或者384kbit/s的低端DSL服務(wù)。無線通信系統(tǒng)演進n is95GSMTDMA PDC 2G 9.6 - 14

23、.4 kbpscdma1xGPRS 2.5G 64144 kbpsWLAN WPANB 3G?384 kbps - 20 MbpsAlways Best Connected EDGEWCDMAcdma20003G384 kbps - 2 Mbps4G100 Mbps?New air-interface?Ad hoc networksWMANVirtual RealityAlways Best Connected Optical NetworkingGlobal Wireless StandardsIEEE 802.15 BluetoothIEEE802.15.3aUWBWMAN20 kmWLA

24、N100 mWPAN10 mETSI HiperPANIEEE 802.11 Wireless LANETSI HiperLANIEEE 802.16 WirelessMANETSI HiperMAN HIPERACCESSIEEE 802.20(proposed)3GPP, GSM/EDGEWCDMATD-SCDMA3GPP2CDMA20001xEV/DO/DVIEEE 802.11 Specs. (WiFi)802.11b802.11g802.11aMax. Speed11 Mbps54 Mbps54 MbpsModulation CCKOFDM & CCKOFDMFrequencies2.4 2.497 GHz2.4 2.497 GHz5 GHz bandApprovalJuly 1999June 2003July 1999802.11 V.S. 802.16IEEE 802.11IEEE 802.16aMax Speed11 Mbps (11b)54 Mbps (11a & g)70 MbpsRange100 m300 m40 kmQoSNoneYesCoverageIndoor Opt.Outdoor Opt.UsersHundredsThousandsService LevelsNoneYesCompar