教学课件学习课件无线通信概述

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1、 无线通信系统主讲教师：马卓主讲教师：马卓1本课程使用的教材T. S. T. S. RappaportRappaport 著 “Wireless Communications Principles and Practice , 2e”无线通信原理与应用无线通信原理与应用 （第二版）（第二版）2参考书（1）1. 李建东李建东 等编著移动通信移动通信（修订版） 已出至第4版 2. K. K. PahlavanPahlavan 等著 “Principles of Wireless Networks： A Unified Approach”无线网络通信原理与应无线网络通信原理与应 用用（中译本书名）3

2、本课程的基本要求（1）n n就所选教材而言就所选教材而言，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 码不讲、均衡简介。4本课程的基本要求（2）n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

3、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n本课程主要关注基站（BS）和移动台（ MS ）之间空中接口空中接口（GSM中，这个接 口称作Um接口）的物理层的物理层：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）n重要名词：MS（Mobile Station ）：移动台，如手机 。BS（Base Station）： 基站。MSC（Mobile Switching Center）移 动

4、交换中心。7有基础设施的集中式无线网络n n蜂窝系统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”， 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n一、无线通信的发展历史n二、无线通信的特点n三、无线电波频段的划分n四、无线通信系统的分类n五、常用无线通信系统n六、不同无线通信应用的不同需求n七、标准化蜂窝系统简介n八、无线通信中的基本技术9无线通信的发展历史（1）n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。n20世纪40年代，首先在短波几个频段上

5、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。n20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.1011无线通信的发展历史（2）n20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。n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）。后来美 国也建立了A

6、MPS系统。其特点是使用模拟调 制，蜂窝网。12无线通信的发展历史（3）n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2007年12月，中国手机用户数达5.47286 亿户，普及率为41.6% ，总量居世界第一位。13无线通信的发展历史（4）n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

7、-SCDMA。n无线局域网（WLAN）：802.11系列标准 。14无线通信的特点（1）n1. 无线通信必须利用无线电波进行信息传输 这种传播媒质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，不过无线电波的传播 特性一般都很差。 首先，移动通信的运行环境十分复 杂，电波不仅会随着传播距离的增加而发生弥散损耗 ，并且会受到地形、地物的遮蔽而发生“阴影效应”， 而且信号经过多点反射，会从多条路径到达接收地点 ，这种多径信号的幅度、相位和到达时间都不一样， 它们相互叠加会产生电平衰落和时延扩展；其次，移 动通信常常在快速移动中进行，这不仅会引起多普勒 （Doppler）频移，产生随机调

8、频，而且会使得电波传 播特性发生快速的随机起伏，严重影响通信质量。15无线通信的特点（2）n2. 无线通信是在复杂的干扰环境中运行的除去一些常见的外部干扰， 如天电干扰、 工业干扰和信道噪声外，系统本身和不同系统 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。 16n3. 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。为了解决这一矛盾，一 方面要开辟和启用新的频段；另一方面要研究 各种新技术和新措施，

9、 以压缩信号所占的频带 宽度和提高频谱利用率。 无线通信的特点（3）17无线通信的特点（4）n4. 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。 18无线通信的特点（5）n5. 移

10、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。 19无线电波的频段的划分1.射频频段（波段）划分： c/fc/f ，c=300000000 m/s20常用无线电波段的特点21无线通信常用频段2. 绝大多数无线通信系统工作在30MHz30MHz40GHz40GHz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

11、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比。所以频率越高，实 现大范围覆盖的难度越高。22受管制频谱和不受管制的频谱例如，n n8008001000MHz1000MHz：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。n n1.81.82.0GHz2.0GHz：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。n n2.42.42.5GHz2.5GHz：工业、科学和医疗（ISM）频段。无绳电 话、无线局域网（

12、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。23无线通信系统的分类(1)n按使用对象可分为民用设备和军用设备 ； n按使用环境可分为陆地通信、 海上通信 和空中通信； n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；n按覆盖范围可分为广域网和局域网； 24无线通信系统的分类(2)n按业务类型可分为电话网、 数据网和多 媒体网； n按射频工作方式可分为单工、半双工、 全双工； n按服务范围可分为专用网和公用网； n按信号形式可分为模拟网和数字网。25无线通信的射频工作方式单工单工（Simplex）：

13、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。全双工全双工（简记作D Duplex）又分为：频分双工（FDD D）和 时分双工（TDD D）。 26FDDn什么是频分双工（FDD，Frequency Division Duplex）：TxTx：TransmitterTransmitter；RxRx：ReceiverReceiver；收发信机

14、收发信机：transtransceiverceiver。27FDD的主要优点n覆盖距离没有限制，一般可以达到3040km ；n控制的实时性好，上、下行链路基本上可 以同时对异向链路的测量信息及时反应；n功率控制速度快；n网络设计经验成熟，规划相对简单；n同步要求较低。28FDD的主要缺点n对业务需求非对称性的适配能力弱；n需要成对的频率分配；n需要两个滤波器；n上、下行链路的信道特性不相关；n需要频率保护间隔，一般大约为载波频 率的5%10%。29TDDn什么是TDD：TDD是一种准准全双工。30TDD技术的主要优点n适应非对称传输，上、下行链路时隙的数 目可变；n上、下行链路的信道特性具有互

15、易性。n上、下行链路共用一个频率点，无需成对 频率。31TDD技术的主要缺点n同步要求高；n切换开关的拖尾问题；n需设置保护时间间隔；n保护时间间隔限制了小区的覆盖；n交叉时隙干扰（CDMA系统）；n系统的整体鲁棒性下降；n网络运行维护经验欠缺。32系统实例nGSM系统属于FDD系统；联通的CDMA系 统也是FDD系统。n“小灵通”采用了日本PHS系统的空中接 口规范，它属于TDD系统。n3G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。注：PHS，Personal Handy System33常用无线通信系统n

16、寻呼系统(Paging)n无绳电话(cordless telephony)n蜂窝系统(cellular system)n集群通信系统（ Trunking Radio ）n卫星移动通信n无线局域网(WLAN，W：Wireless)n其他无线通信系统34寻呼系统n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 。35寻呼系统的特点n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。n信息的发送目标和接收方都只限于一个单独的用户。n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”。然后用户必须打一个电话到寻呼中心，在 那里由一个寻呼人员重复之前保留的信息内容。后来 ，寻呼系统变得更