{通信公司管理}第12章无线通信概述

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1、无线通信系统,主讲教师：马卓 ,1,本课程使用的教材,T. S. Rappaport 著 “Wireless Communications Principles and Practice , 2e” 无线通信原理与应用（第二版）,2,参考书（1）,1. 李建东 等编著 移动通信（修订版） 已出至第4版 2. K. Pahlavan 等著 “Principles of Wireless Networks： A Unified Approach” 无线网络通信原理与应用（中译本书名）,3,本课程的基本要求（1）,就所选教材而言，主要讲解以下各章：第1章（无线通信系统概述）、第3章（蜂窝的概念）、第

2、4章（大尺度路径损耗）、第5章（小尺度衰落和多径效应）、第6章（移动无线电中的调制技术）、第7章（均衡、分集和信道编码）、第9章（无线通信多址接入技术） 注：第6章中模拟调制不讲；第7章中编码和均衡简介。,4,本课程的基本要求（2）,概括起来说，本课程主要要求大家通过学 习掌握以蜂窝系统为主的无线移动通信系 统的基础知识。可以分成以下几个方面的内容： 1）蜂窝系统设计原理（Ch3）； 2）无线移动信道（Ch4、Ch5）； 3）用于移动通信的数字调制技术和抗多径、 抗衰落技术（Ch6、Ch7）； 4）多址技术（Ch9）。,5,从通信分层的观念看课程要求,本课程主要关注基站（BS）和移动台（MS

3、）之间空中接口（GSM中，这个接口称作Um接口）的物理层：第4、5章讨论物理层的传输媒质；第6、7章讨论传输技术。同时也从系统（或网络）的角度对其它层作必要的介绍：第3章讨论蜂窝网络原理、信道分配策略、切换等问题；第9章介绍多址技术。,6,蜂窝网络的构成（第2代）,重要名词： MS（Mobile Station）：移动台，如手机。 BS（Base Station）：基站。 MSC（Mobile Switching Center）移动交换中心。,7,有基础设施的集中式无线网络,蜂窝系统属于有基础设施（如基站）的网络。任意两个网内用户（或者网内用户和有线网用户）之间的通信都要通过基站（BS）“中转

4、”，这一点和一般的点对点无线通信（如，无线对讲机）是不同的。,8,提纲,一、无线通信的发展历史 二、无线通信的特点 三、无线电波频段的划分 四、无线通信系统的分类 五、常用无线通信系统 六、不同无线通信应用的不同需求 七、标准化蜂窝系统简介,9,无线通信的发展历史起步,无线通信始于1897年马可尼在英吉利海峡行驶的船只之间进行的无线电报通信的演示。1901年12月，在英国与纽芬兰之间(三千五百四十公里)，实现横过大西洋的无线电通讯，使无线电达到实用阶段。,伽利尔摩马可尼由于其在无线电方面的杰出贡献，于1909年获得了诺贝尔物理学奖。,10,无线通信的发展历史探索,20世纪40年代，首先在短波几

5、个频段上开发出专用无线通信系统，其代表是 美国底特律市警察实用的车载无线电系统，特点是专用系统，工作频率较低。 20世纪40年代至60年代初期，公共无线移动通信系统开始问世。1946年，世界上第一个公共移动电话系统在美国的圣路易斯市投入使用。其特点是非蜂窝系统，只有六个信道.,11,发生了什么？,发生了什么？,12,无线通信的发展历史酝酿,20世纪六十年代到七十年代，贝尔实验室提出了蜂窝的概念，即把整个覆盖范围划分成小的单元，每个单元复用整个频带的一部分以提高频率利用率。 模拟蜂窝系统：1979年，第一个具有大的覆盖范围和自动交换功能的系统由爱立信公司推出，并建立北欧移动电话系统（NMT）。后

6、来美国也建立了AMPS系统。其特点是使用模拟调制，蜂窝网。,13,无线通信的发展历史爆发,数字蜂窝系统：开始于20世纪80年代，与20世纪90年代开始投入商用。代表系统有：GSM，USDC（IS-136）等。特点是用数字调制，语音编码和时分多址代替模拟调制和频分多址。 地区西欧美国日本 普及率（04年）80%50%70% 截至2008年12月，中国手机用户数达6.41亿户，普及率接近50%，总量居世界第一位。,14,无线通信的发展历史演进,第三代移动通信：全球化标准。提供更大的系统容量和更高的数据传输速率。三个第三代移动通信技术标准：欧洲的WCDMA，美国的CDMA2000，中国的TD-SCD

7、MA，此外802.16e标准也被批准为3G标准之一，我国与2009年开始部署3G系统。 无线局域网（WLAN）：802.11系列标准。 LTE：长期演进。,15,无线通信的特点（1）,1. 无线通信利用无线电波进行信息传输，因而允许通信中的用户可以在一定范围内自由活动，其位置不受束缚，这是无线通信最大的优势。然而无线电波在传输过程中会受到多种传播因素的影响，造成接收信号的质量下降，这就需要在接收端对传播因素进行处理。,16,无线通信的特点（2）,2. 无线通信系统是一个开放的系统，容易受到外界的干扰，并且易于被恶意获取。 这里的干扰除包括常见的外部干扰， 如天电干扰、工业干扰和信道噪声外，系统

8、本身和不同系统之间，还会产生这样或那样的干扰。因为在移动通信系统中，常常有多部用户电台在同一地区工作，基站还会有多部收发信机在同一地点上工作，这些电台之间会产生干扰。 安全性对无线通信具有非常重要的意义，跳频、数据加密等技术可以用来提高无线通信的安全性。,17,无线通信的特点（3）,3. 无线通信可以利用的频谱资源非常有限， 而移动通信业务量的需求却与日俱增如何提高通信系统的通信容量，始终是移动通信发展中的焦点。,开源,节流,开辟和启用新的频段，如60GHz短距离高速通信技术802.15系列标准,研究各种新技术和新措施， 以压缩信号所占的频带宽度和提高频谱利用率，如MIMO技术，高效信源编码等

9、,18,无线通信的特点（4）,4. 无线通信系统的网络结构多种多样， 网络管理和控制必须有效 根据通信地区的不同需要， 移动通信网络可以组成带状(如铁路公路沿线)、面状(如覆盖一城市或地区)或立体状(如地面通信设施与中、低轨道卫星通信网络的综合系统)等，可以单网运行，也可以多网并行并实现互连互通。为此，移动通信网络必须具备很强的管理和控制功能，诸如用户的登记和定位，通信(呼叫)链路的建立和拆除，信道的分配和管理， 通信的计费、鉴权、安全和保密管理以及用户过境切换和漫游的控制等。,19,无线通信的特点（5）,5. 移动通信设备(主要是移动台)必须适于在移动环境中使用 对手机的主要要求是体积小、重

10、量轻、省电、操作简单和携带方便。 车载台和机载台除要求操作简单和维修方便外， 还应保证在震动、冲击、高低温变化等恶劣环境中正常工作。,20,无线电波的频段的划分,1.射频频段（波段）划分： c/f ，c=300000000 m/s,21,常用无线电波段的特点,22,无线通信常用频段,2. 绝大多数无线通信系统工作在30MHz40GHz的频率范围内。 这是无线通信较为理想的频段，它不受地球表面曲率影响，天线尺寸适度，还可以穿透电离层。 天线尺寸与射频频率的关系 良好接收所需的天线尺寸与发射频率成反比。 覆盖范围与射频频率的关系 发射频率越高，传播损耗越大（全向辐射时）接收信号功率与频率的平方成反

11、比。所以频率越高，实现大范围覆盖的难度越高。,23,受管制频谱和不受管制的频谱,例如， 8001000MHz：几个蜂窝系统使用此频段（模拟系统和第二代蜂窝）。也有一些应急通信系统（集群无线电）使用此频段。 1.82.0GHz：这是蜂窝通信的主要频段。目前的（第二代）蜂窝系统工作于此频段，大多数第三代系统也将工作于此频段。许多无绳系统也工作于此频段。 2.42.5GHz：工业、科学和医疗（ISM）频段。无绳电话、无线局域网（WLAN）和无线个域网（WPAN）工作于此频段；它们与其它的许多设备（包括微波炉）分享这一频段。,24,频谱一种自然资源,有限性：由于较高频率上的无线电波的传播特性，无线电业

12、务的不能无限地使用较高频段的无线电频率，目前人类对于3000GHz以上的频率还无法开发和利用，尽管使用无线电频谱可以根据时间、空间、频率和编码四种方式进行频率的复用，但就某一频段和频率来讲，在一定的区域、一定的时间和一定的条件下使用频率是有限的。 排他性：无线电频谱资源与其他资源具有共同的属性，即排他性，在一定的时间、地区和频域内，一旦被使用，其他设备是不能再用的。 复用性：虽然无线电频谱具有排他性，但在一定的时间、地区、频域和编码条件下，无线电频率是可以重复使用和利用的，即不同无线电业务和设备可以频率复用和共用。 非耗竭性：无线电频谱资源不同于矿产、森林等资源，它是可以被人类利用，但不会被消

13、耗掉，不使用它是一种浪费，使用不当更是一种浪费，甚至由于使用不当产生干扰而造成危害。 传播特性固有性：无线电波是按照一定规律传播，是不受行政地域的限制，是无国界的。 易污染性：如果无线电频率使用不当，就会受到其他无线电台、自然噪声和人为噪声的干扰而无法正常工作，或者干扰其他无线电台站，使其不能正常工作，使之无法准确、有效和迅速地传送信息。,25,无线通信系统的分类(1),按使用对象可分为民用设备和军用设备； 按使用环境可分为陆地通信、 海上通信和空中通信； 按多址方式可分为频分多址(FDMA)、 时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)等； 按覆盖范围可分为广域网和局域网；,26,无线通信系

14、统的分类(2),按业务类型可分为电话网、 数据网和多媒体网； 按射频工作方式可分为单工、半双工、全双工； 按服务范围可分为专用网和公用网； 按信号形式可分为模拟网和数字网。,27,无线通信的射频工作方式,单工（Simplex）：消息只能单方向传输的工作方式，典型的应用为寻呼系统。 半双工（Half Duplex）：通信双方都能收发信息，但不能同时进行收发的工作方式 ，多采用按讲方式（PTT）。如对讲机。 全双工（Full Duplex），通信双方可同时进行收发信息的工作方式 。商用的移动通信系统都是全双工的。 全双工（简记作Duplex）又分为：频分双工（FDD）和时分双工（TDD）。,28,

15、FDD,什么是频分双工（FDD，Frequency Division Duplex）：,Tx：Transmitter；Rx：Receiver； 收发信机：transceiver。,29,TDD,什么是TDD：TDD是一种准全双工。,30,FFD与TDD的对比,31,系统实例,“小灵通”采用了日本PHS系统的空中接口规范，它属于TDD系统。 GSM系统属于FDD系统；联通的CDMA系统也是FDD系统。 3G系统中，欧洲提出的WCDMA系统和美国提出的CDMA2000系统都是以FDD为主的系统，中国的TD-SCDMA属TDD系统，WiMAX也属于TDD系统。 LTE有FDD和TDD两个版本，前者对

16、应于WCDMA的演进，后者对应于TD-SCDMA的演进。 注：PHS，Personal Handy System,32,常用无线通信系统,寻呼系统(Paging) 无绳电话(cordless telephony) 蜂窝系统(cellular system) 集群通信系统（ Trunking Radio ） 卫星移动通信 无线局域网(WLAN，W：Wireless) 个域网 固定无线接入,33,寻呼系统,无线电寻呼系统是一种单向通信系统。无线电寻呼系统的用户设备是袖珍式接收机，称作袖珍铃，俗称“BB机”，这是由于它的振铃声近似于“BB”声音之故。,34,寻呼系统的特点,单工系统，用户只能接受信息，不能发送信息。所以一个寻呼信息只能由寻呼中心发起，而不能由用户发起。 信息的发送目标和接收方都只限于一个单独的用户。 发送信息的数量非常小。最初的寻呼系统，接收信息由单个比特信息构成，向用户指示，“有人发送了一条信息给你”