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。3何谓“绿色手机”？4春节除夕夜，为什么有时发短信都很难发出去？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？第3页 共48页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。掌握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
2、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。第4页 共48页 无线通信信道与传输、网络管理技术（教材13、56章）主要内容： 信号与系统/信号处理 通信原理 电磁场与天线预修课程： 40学时教学安排：考核方式： 笔试：80 实验: 15% 平时成绩：5第5页 共48页无线通信与网络Wireless Communications and Networking美 Jon W. Mark, Weihua Zhuang著李锵 郭继昌 等译腾建辅 审校 无线通信信道与传输、网络管理技术（教材13、56章）主要内容：第6页
3、共48页第1章 绪论第2章 无线信道的特性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 共48页第3章 移动无线系统的带通传输技术第5章 蜂窝通信基础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
4、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页第6章 多址接入技术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 美美 Theodore S. Rappaport 著著周文安周文安 付秀花付秀花 王志辉王志辉 等译等译 宋俊德宋俊德 审校审校第10页 共48页1.L.S.Gordon著，裴昌幸等译著，裴昌幸等译.移动通信原理（移动通信原理（第二版）第二版）,电子工业出版社，电子工业出版社，2004年年2.S.Haykin,M.Moher著，郑宝玉等译，著，郑宝玉等译，现代无现代无线通信线通信，电子工业出版社，电子
5、工业出版社，2006年年3.蒋同泽著蒋同泽著.现代移动通信系统现代移动通信系统，电子工业出，电子工业出版社，版社，1998年年第11页 共48页电子科学与工程学院 军事通信工程系第12页 共50页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1.5 无线通信的发展与展望1.4 无线通信的实例第13页 共50页有线通信无线通信以以“无线电波无线电波”做为做为媒体进行信息交换的媒体进行信息交换的通信称为无线通信。通信称为无线通信。1.1 无线通信的定义与工作频段 光缆传输的误比特率大约是光缆传输的误比特率大约是10-12，在某些无线通信，在某些无线通信系统中采用的
6、系统中采用的2FSK调制的误比特率是调制的误比特率是 ， 为平均为平均信噪比。要使无线信道的误比特率与光缆一样，计算信噪比。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？所需的平均信噪比？/1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至少有一方处于移动状态下进行信息交换状态下进行信息交换的通信就叫做移动通的通信就叫做移动通信。信。移动通信的基础为无线通信，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。但环境更复杂，对设备的要求更苛刻。无线通信以以“无线电波无线电波”做为做为媒体进行信息交换的媒体进行信息交换的通信称为无线通信
7、。通信称为无线通信。1.1 无线通信的定义与工作频段第15页 共50页针对大气层而言，那段频谱最适宜通信？RF spectrum30 GHz30M1.1 无线通信的定义与工作频段第16页 共50页cf极低频极低频ELF甚低频甚低频VLF低频低频LF中频中频MF高频高频HF甚高频甚高频VHF特高频特高频UHF超高频超高频SHF极高频极高频EHF红外线红外线可见光可见光紫外线紫外线无线通信的工作频段无线通信的工作频段: : 3KHz3KHz3000GHz3000GHz1.1 无线通信的定义与工作频段第17页 共50页频段频段名称名称HFVHFUHFLSCXKuKKaFEV频段频段(GHz)0.00
8、30.030.030.30.31.01.02.02.04.04.08.08.012.512.518.018.026.526.540.040.060.060.090.090.0140.无线通信的工作频段无线通信的工作频段: : 3KHz3KHz3000GHz3000GHz1.1 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Loran-C(Loran-C(美美) )及我国长河二号远程脉冲相位差导航系统；时频标及我国长河二号远程脉冲相位差导航系统；时频标准传递；远程通信广播。准传递；远程通信广播。地表面波；地地表面波；地- -电离层波导。电离层波导。Omega(美美)
9、、(俄俄)超远程及水下相位差导航系统；全球电报通超远程及水下相位差导航系统；全球电报通信及对潜指挥通信；时间频率标准传递；地质探测。信及对潜指挥通信；时间频率标准传递；地质探测。地下与海水传播；地地下与海水传播；地-电离层波导。电离层波导。甚低频（VLF）: 330kHz低频（LF）: 30kHz300kHz广播，通信，导航。广播，通信，导航。地表面波；空中波。地表面波；空中波。中频（MF）: 0.33MHz1.1 无线通信的定义与工作频段第19页 共50页远距离通信广播，超视距天波及地波雷达，超视距地空通信。远距离通信广播，超视距天波及地波雷达，超视距地空通信。地表面波；空中波；电离层反射。
10、地表面波；空中波；电离层反射。高频（HF）: 3MHz30MHz语音广播，移动通信，接力通信，航空导航信标。语音广播，移动通信，接力通信，航空导航信标。直线传播；对流层散射。直线传播；对流层散射。甚高频（VHF）: 30300MHz电视广播，飞机导航，警戒雷达；卫星导航；卫星跟踪、数传电视广播，飞机导航，警戒雷达；卫星导航；卫星跟踪、数传及指令网，蜂窝无线电。及指令网，蜂窝无线电。直线传播；散射传播。直线传播；散射传播。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页多路语音与电视，雷达，卫星遥感，固定及移动卫星信道。
11、多路语音与电视，雷达，卫星遥感，固定及移动卫星信道。直线传播。直线传播。厘米波（SHF）: 330GHz短路径通信，雷达，卫星遥感。短路径通信，雷达，卫星遥感。直线传播。直线传播。毫米波（EHF）: 30GHz300GHz短路径通信。短路径通信。直线传播。直线传播。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 物理发现物理发现 通信技术发展通信技术发展18311831年法拉第电磁感应年法拉第电磁感应 18371837年莫尔斯发明电报年莫尔斯发明电报18731873年年麦麦克斯韦的电克斯韦的电 18761876年贝尔发明电话
12、年贝尔发明电话磁场理论磁场理论 18951895年马可尼发明无线电年马可尼发明无线电19061906年发明电子管年发明电子管 开辟了模拟通信的新纪元开辟了模拟通信的新纪元19281928年奈奎斯特采样定理年奈奎斯特采样定理19481948年香农定理年香农定理 理论上为数字通信准备了条件理论上为数字通信准备了条件2020世纪世纪6060年代发明半导体和年代发明半导体和 集成电路集成电路 开辟了数字通信的新纪元开辟了数字通信的新纪元2020世纪世纪6060年代的航天技术年代的航天技术 19631963年第一次实现同步卫星通年第一次实现同步卫星通信信2020世纪世纪7070年代发明光导纤维年代发明光
13、导纤维 光纤通信得到发展光纤通信得到发展2020世纪世纪70708080年代，随着蜂窝网的出现，蜂窝无线通信系统迅猛发展年代，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。，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18371837年莫尔斯电报年莫尔斯电报发报收报传输线第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，
14、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，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
15、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 共50页l 马可尼（马可尼（1874187419371937）意大利人）意大利人 18941894年年 在父亲的庄园试验在父亲的庄园试验 18961896年年 去伦敦去伦敦 18971897年年 建立无线电报公司建立无线电报公司 18991899年年 首次实现英法无线通信首次实现英法无线通信 19161916年年 实现短波无线电通信实现短波无线电通信 19291929年年 建立世界性无线通信网建立世界性无线通信网l
16、 曾获诺贝尔奖金曾获诺贝尔奖金无线电的发明者马可尼无线电的发明者马可尼l1897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l1928 年，美国底特律警察局率先使用装备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。l30 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
17、运行（半双工）。l1946年，第一个公共移动电话系统在美国的5个城市建立。l60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。 l1978 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。l1988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AMPSVoiceServiceTrac
18、kCDMAIS-95CDMA20004GETACSGSMWCDMA1st GenerationAnalog2nd GenerationDigital3rd GenerationWidebandFixedComputerNetworkWLANPDMANorthAmericaEuropeDataServiceTrackVoice & DataServiceTrack4th GenerationWideband All-IPNotes:IP: Internet ProtocolTCP: Transmission Control ProtocolAMPS: Advanced Mobile Phone
19、ServicesETACS: European Total Access Communication SystemPDMA: Packet Division Multiple Access (Hanwang, China)Circuit SwitchingPacket SwitchingCircuit and Packet Switchingevolving to Packet SwitchingTD-SCDMAChina移动通信的技术发展历程移动通信的技术发展历程第27页 共50页First Generation Analogue Circuit switched Basic voice t
20、elephony Low capacity Limited local and regional coverageSecond GenerationDigitalCircuit switchedVoice plus basic data applicationsLow data speedEnhancements towardspacket switchinghigher data ratesTrans-national and global roaming Digital Packet and circuit switched Advanced data (multimedia) appli
21、cations Fast data access Global coverage Global roamingThird GenerationBeyond ThirdGeneration Digital Packet switched All IP based (IPv6) More advanced multimedia applications User in control Flexible platform of complementary access systems High speed data Improved QoS Global coverage Global roamin
22、g1.2 无线通信的发展历程移动通信的技术发展历程移动通信的技术发展历程第28页 共50页1.3 无线通信的分类单工通信系统第29页 共50页1.3 无线通信的分类半双工通信系统第30页 共50页1.3 无线通信的分类双工通信系统第31页 共50页频分双工（频分双工（FDD）f发送接收收发保护频段收发保护频段时分双工（时分双工（TDD）t发送接收收发保护时间收发保护时间间隔间隔发送接收双工通信系统特点： 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1.3 无线通信的分类多个用户共享有限的无线频谱codecod
23、ecodecodecodecode第33页 共50页例：蜂窝移动通信系统技术规范 模拟蜂窝模拟蜂窝ETACS频率频率 900MHz间隔间隔 25KHz调制调制 话音话音FM，信令信令FSK多址多址 FDMA双工双工 FDD 数字蜂窝数字蜂窝CDMA(IS-95) 频率频率 824-894MHz/1.8-2.0GHz 间隔间隔 1.25MHz 调制调制 扩频扩频+QPSK/BPSK 多址多址 CDMA 双工双工 FDD1.3 无线通信的分类数字蜂窝数字蜂窝GSM 频率频率 890960MHz 间隔间隔 200KHz 调制调制 GMSK 多址多址 TDMA 双工双工 FDD数字蜂窝数字蜂窝D-AM
24、PS(IS-54) 频率频率 824-894MHz 间隔间隔 30KHz 调制调制 /4-DQPSK 多址多址 TDMA/FDMA 双工双工 FDD第34页 共50页1.3 无线通信的分类第35页 共50页1.4 无线通信的实例l集群通信系统 l无绳电话 l无线寻呼 l无线局域网 l卫星通信网 l蓝牙Bluetooth/紫蜂ZigBee l超宽带无线通信UWB l数据链 l各种军用/民用无线电台、无线通信系统 l蜂窝移动通信系统 l广播与电视 第36页 共50页 A telephone with a wireless handset that communicated with a base
25、station connected to PSTN Via RF signal, operate in close range (100 m). Designed for low-cost, low-mobility, to replace phone cord Started around late 1970s Mid 1990s: digital cordless phone CT-2 standard1.4 无线通信的实例第37页 共50页p欧洲数字无绳电话系统（DECT）p个人手持电话系统（PHS）p个人接入通信系统（PACS）p在我国应用比较广泛的“小灵通”采用了PHS协议，是属于无
26、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 networks Support high-speed data transmission in small region, support moving at pedestrian speeds ISM or U-NII bands: license free, low power 900 MHz(902-928), 2.4GHz(2.4-2.4835), 5.8(5.725-5.825) GHz History Early 1990s: 1st Generation, e.g. Moto
27、rola Altair 2nd Generation: IEEE 802.11b1.4 无线通信的实例第39页 共50页 Standards: IEEE 802.11 b (11 Mbps), 1999. IEEE 802.11 a/g (54 Mbps), 2001. HomeRF 2.0: FH/SS, 10 Mbps, 2001 HIPER-LAN: European 5.2 GHz and 17.1 GHz band HiperLAN2: 54 Mbps. Support QoS.1.4 无线通信的实例第40页 共50页 Geosynchronous systems Inmarsat:
28、 analog voice, new digital technology enable small, less expensive mobiles (briefcase size) Difficult for two-way voice/networking: large round-trip delay； large devices； low data rate (10 kbps)1.4 无线通信的实例第41页 共50页 LEO systems Low orbit satellites, but need 30-80 satellites for global coverage. Acti
29、ve in late 1990s (Iridium, Globalstar) Globalstar: provide voice/data service (under 10 kbps) Best application of satellites Video/Audio broadcast1.4 无线通信的实例第42页 共50页 Bluetooth, ZigBee Good for embedding into electronic devices, sensors, etc Bluetooth: Short-range connections between wireless device
30、s, with basic networking capability Transmission distance: 10 m 100 m 2.4 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, 1.4 无线通信的实例第43页 共50页 UWB Extremely wideband
31、 radios (GHz) with very high 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 applications Support only short-distance transmission Advantage: precise ranging, high data rates, low power, small devices Challenges: interferen
32、ce, multipath, synchronization1.4 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？（ Personal Communications ，简称PCS） 全球范围内实现在任何时间（whenever）、任何地点（wherever）以任何通信方式（whichever）与任何对象（whomever）进行任何业务（whatever）的无缝隙、不间断通信。 实现它主要包含两大部分。一个是全球性骨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
33、通信发展而言重点是探讨后者。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.1.5 无线通信的发展与展望第46页 共50页【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VoiceVideoDataDelayPacket Los
34、sBERData RateTraffic100ms-100ms1%01%10-310-610-68-32 Kbps1-100 Mbps1-20 MbpsContinuousBurstyContinuousRateMobility2G3G4G802.11b WLAN2G Cellular1.5 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 1992年年5月，月，Joe.Mitola首次给出了软件无线电的定义，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他认为：软件无线电的组成架构的中心点是将宽带模/数数(A/D)和数和数/模模(D/A)转换器尽可能地靠近天线，将尽可能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。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
