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1、无线通信无线通信通信工程教研室授课：魏崇毓时间：2016年3月课程要求与教材课程要求与教材课程要求：u熟悉无线信道传播特性、移动通信抗干扰技术。u认识GSM，CDMA，TD-SCDM，WCDMA, CDMA2000，LTE等移动通信系统的基本原理与网络结构，u熟悉移动通信网络的关键技术。教材：无线通信基础及应用（第2版）参考书：Wireless Communications Principle and Practice，Theodore S. Rappaport，2009。课程内容课程内容第第1章章 移动通信概述移动通信概述无线通信基本概念无线通信基本概念第第2章章 移动通信基础：移动通信基础
2、：信道传播、多址接入、组网信道传播、多址接入、组网第第3章章 均衡、分集与多天线技术均衡、分集与多天线技术 无线通信抗干扰技术无线通信抗干扰技术第第4章章 移动通信网络技术移动通信网络技术移动通信组网技术移动通信组网技术第第5 5章章 无线通信系统与网络无线通信系统与网络2G、3G及其演进及其演进第一章 移动通信概述无线通信基本概念无线通信基本概念第一章第一章 移动通信概述移动通信概述1.1 移动通信系统的构成移动通信系统的构成1.2 移动通信系统实例移动通信系统实例1.3 移动通信系统发展移动通信系统发展1.1 移动通信系统的构成移动通信系统的构成无线信道信源编码调制信道编码频率变换与功率放
3、大发射天线发射机信源接收放大与频率变换信道解码解调信源解码接收天线接收机信宿基带信号输入调制器中频放大器上变频器RF功率放大与滤波器双工器基带信号输出解调器中频率波放大器下变频器滤波与前置放大射频本振1.1 移动通信系统的构成移动通信系统的构成放大与频率变换放大与频率变换8上行链路上行链路, or 反向链路反向链路下行链路下行链路, or 前向链路前向链路天线天线有些无线设备发射机与接收机分别配有自己的天线有些无线设备发射机与接收机分别配有自己的天线，收收发设备之间的相互影响相对容易隔离。发设备之间的相互影响相对容易隔离。在小型设备中，特别是用户终端设备上，接收机与发射在小型设备中，特别是用户
4、终端设备上，接收机与发射机共用一副天线。为防止发射信号泄漏进入接收机，对机共用一副天线。为防止发射信号泄漏进入接收机，对接收机造成干扰或损坏，天线系统需经过一个双工器分接收机造成干扰或损坏，天线系统需经过一个双工器分别与发射机、接收机相连接。别与发射机、接收机相连接。双工器双工器的功能就是将发射机与接收机隔离，将来自发射的功能就是将发射机与接收机隔离，将来自发射机的发射信号送到天线发射出去，而不会进入接收机；机的发射信号送到天线发射出去，而不会进入接收机；同时将来自天线的接收信号送到接收机而不进入发射机。同时将来自天线的接收信号送到接收机而不进入发射机。1.1 移动通信系统的构成移动通信系统的
5、构成无线通信系统分类无线通信系统分类按工作方式，无线通信系统可分为按工作方式，无线通信系统可分为单工、半双工、全单工、半双工、全双工双工三种类型三种类型：单工系统单工系统：只提供单向通信的系统，如无线电广播系只提供单向通信的系统，如无线电广播系统统、2020世纪末广泛使用的无线寻呼系统。世纪末广泛使用的无线寻呼系统。半双工系统半双工系统：通信双方交替地进行收信和发信，收信通信双方交替地进行收信和发信，收信和发信不能同时进行。按下通话、放开收听的对讲系和发信不能同时进行。按下通话、放开收听的对讲系统是典型的半双工无线通信系统。半双工系统在指挥统是典型的半双工无线通信系统。半双工系统在指挥调度等专
6、业无线电中比较常用。调度等专业无线电中比较常用。全双工系统全双工系统：允许通信双方同时进行发信和收信的无允许通信双方同时进行发信和收信的无线通信系统。蜂窝电话是当前典型的全双工无线通信线通信系统。蜂窝电话是当前典型的全双工无线通信系统。系统。在蜂窝电话系统中，用户使用的设备称为移动台(MS)或移动终端，通信时移动台通过无线信道接入通信网络。为MS提供网络无线接入服务的设备叫做基站(BS)，一个基站提供服务的地域范围称为无线小区(cell)，BS和MS之间能够可靠通信的最大距离称为小区覆盖半径。用来从BS向MS传输信息的无线信道称为前向信道(也叫正向信道)或下行链路。用来从MS向BS传输信息的无
7、线信道称为反向信道或上行链路。实现全双工通信的技术有实现全双工通信的技术有时分双工时分双工(TDD)(TDD)和和频分双工频分双工(FDD)(FDD)两种。两种。FDDFDD将发射机和接收机设计在两个不同的无线频率上工将发射机和接收机设计在两个不同的无线频率上工作，从而实现收发隔离。作，从而实现收发隔离。FDDFDD发射机和接收机工作频率不同，使用合适的滤波器发射机和接收机工作频率不同，使用合适的滤波器设计双工器就可以实现发射与接收之间的隔离。设计双工器就可以实现发射与接收之间的隔离。大多数无线通信系统采用大多数无线通信系统采用FDDFDD，如，如GSMGSM、CDMACDMA、WCDMAWC
8、DMA、CDMA2000CDMA2000等。等。TDDTDD是在同一个无线频率信道上使通信系统的发射机和是在同一个无线频率信道上使通信系统的发射机和接收机分时工作，通过分时控制来避免发射机和接收接收机分时工作，通过分时控制来避免发射机和接收机之间可能产生的干扰。机之间可能产生的干扰。双工通信技术双工通信技术TDDTDD技术优点技术优点不需要成对频谱不需要成对频谱，这一特点为频谱资源的分配带来了这一特点为频谱资源的分配带来了很大方便。很大方便。特别适用于上下链路不对称、上下行链路具有不同数特别适用于上下链路不对称、上下行链路具有不同数据传输速率的业务。据传输速率的业务。可以根据业务需要动态地分配
9、前向信道和反向信道的可以根据业务需要动态地分配前向信道和反向信道的时间长度比例。时间长度比例。比如比如：访问互联网时往往要从网络上下载大量数访问互联网时往往要从网络上下载大量数据，而向网络上发送的数据量一般都非常小，这时可据，而向网络上发送的数据量一般都非常小，这时可以将反向信道的时间缩短，将更多的时间分配给前向以将反向信道的时间缩短，将更多的时间分配给前向信道。信道。我国的我国的3G3G移动通信系统移动通信系统TD-SCDMATD-SCDMA采用采用TDDTDD技术技术，4G4G技术技术有有TD-LTETD-LTE。多址接入技术多址接入技术u常用多址接入方式常用多址接入方式：FDMAFDMA
10、、TDMATDMA和和CDMACDMA。uFDMAFDMA：不同用户分配不同工作频率。不同用户分配不同工作频率。uTDMATDMA：用户可以工作在同一个频率上，但分配不同用户可以工作在同一个频率上，但分配不同的时隙，也同样避免了相互间的干扰。的时隙，也同样避免了相互间的干扰。uCDMACDMA：所有用户可以工作在同一频率上，不同用户所有用户可以工作在同一频率上，不同用户的信息使用不同伪随机码序列进行扩频调制，接收的信息使用不同伪随机码序列进行扩频调制，接收端采用与发端相同的伪随机码序列进行相关解调端采用与发端相同的伪随机码序列进行相关解调。u第一代无线通信系统采用第一代无线通信系统采用FDMA
11、FDMA技术，技术，2G2G系统系统有有TDMATDMA和和CDMACDMA方式。方式。按照无线小区覆盖半径大小，可以分为大区制、中区按照无线小区覆盖半径大小，可以分为大区制、中区制和小区制系统。制和小区制系统。早期无线通信系统采用大区制，一个基站的覆盖半径早期无线通信系统采用大区制，一个基站的覆盖半径约在约在303050km50km。大区制系统的优点是网络结构简单，。大区制系统的优点是网络结构简单，信道数目少，不需要移动交换机而直接与信道数目少，不需要移动交换机而直接与PSTNPSTN相连相连为了在有限的频谱资源条件下获得尽可能大的用户容为了在有限的频谱资源条件下获得尽可能大的用户容量，蜂窝
12、系统一般采用小区制，其覆盖半径一般在量，蜂窝系统一般采用小区制，其覆盖半径一般在1km1km20km20km，在城市高密度用户区域甚至达到，在城市高密度用户区域甚至达到1km1km以下。以下。无线通信系统分类无线通信系统分类要同时服务众多用户，需要使用大容量的多点通信网要同时服务众多用户，需要使用大容量的多点通信网络，络，多点之间的大容量双向通信需要通过信息网络基础结多点之间的大容量双向通信需要通过信息网络基础结构实现。构实现。公众无线通信建立在信息网络基础结构之上，公众无线通信建立在信息网络基础结构之上，无线通信设备通过信息网络基础结构相互联结起来，无线通信设备通过信息网络基础结构相互联结起
13、来，并且在相互促进的过程中不断发展。并且在相互促进的过程中不断发展。无线网络无线网络是是有线网络在功能上的延伸有线网络在功能上的延伸无线网络架构与有线网络架构关系无线网络架构与有线网络架构关系移动通信系统重要特性移动通信系统重要特性无线频率资源的有限性无线传播信道的复杂性和时变性无线信道的开放性：系统中所有用户独立的共享信道资源用户终端的移动性用户激活的随机性用户数据的突发性，数据激活期远小于静默期用户终端类型的多样性即不同系统的互联互通性。移动通信的基本特征移动通信的基本特征u移动通信以其通信终端的移动性为最基本特征。u对移动通信系统动态特性的追求和满足是最重要的技术发展方向。u移动通信动态
14、特性主要包括三个方面：信道的动态性。移动通信信道具有开放、复杂和时变的特点用户的动态性。移动通信用户可以处于移动、游牧或固定的状态业务的动态性。移动通信系统提供各种业务，并可以动态选择。1.2 移动通信系统实例移动通信系统实例家电遥控器、无绳电话、对讲机、蜂窝电话、无线电广播等都是熟知的无线通信系统的例子无线寻呼系统无线寻呼系统蜂窝电话蜂窝电话集群通信系统集群通信系统无绳电话无绳电话无线局域网无线局域网WLANWLAN个人域网个人域网PANPAN固定无线接入固定无线接入无线寻呼系统无线寻呼系统寻呼系统控制中心BS1BS2BS31PSTN寻呼机蜂窝电话蜂窝电话集群通信系统集群通信系统无绳电话无绳
15、电话BSPSTNPABXPSTN无线局域网无线局域网WLANWLAN无线局域网无线局域网(WLAN)(WLAN)是采用无线链路实现通信的计算机是采用无线链路实现通信的计算机局域网，局域网，局域网通过一个称为接入点局域网通过一个称为接入点APAP的具有相同标准的基站的具有相同标准的基站连接到公共陆上有线系统。连接到公共陆上有线系统。可以让笔记本电脑、可以让笔记本电脑、PDAPDA等移动终端设备摆脱布线的束等移动终端设备摆脱布线的束缚，解决布线困难场所的接入问题。缚，解决布线困难场所的接入问题。WLANWLAN可以在医院、商店、企业、学校等地区为集团用可以在医院、商店、企业、学校等地区为集团用户提
16、供服务，在机场、会议中心、展览中心、火车站、户提供服务，在机场、会议中心、展览中心、火车站、咖啡厅、酒店等地区为公众用户提供服务。咖啡厅、酒店等地区为公众用户提供服务。WLANWLAN网络的无线传输媒质可以是无线电波、红外线或网络的无线传输媒质可以是无线电波、红外线或激光。激光。个人域网个人域网PANPAN可以将个人域网可以将个人域网PANPAN看作是一种覆盖范围比看作是一种覆盖范围比WLANWLAN更小的更小的无线局域网。无线局域网。PANPAN的核心思想，是用无线电传输代替传统的有线电缆，的核心思想，是用无线电传输代替传统的有线电缆，实现个人信息终端的智能化互联，组建个人化的信息实现个人信
17、息终端的智能化互联，组建个人化的信息网络。网络。如家庭娱乐设备之间的无线连接、计算机与其外设之如家庭娱乐设备之间的无线连接、计算机与其外设之间的无线连接、蜂窝电话与头戴式蓝牙耳机之间的连间的无线连接、蜂窝电话与头戴式蓝牙耳机之间的连接等等。接等等。主要的个域网技术包括蓝牙（主要的个域网技术包括蓝牙（BluetoothBluetooth）和）和HomeRFHomeRF。固定无线接入固定无线接入1.3 移动通信系统发展移动通信系统发展移动通信的发展，开始于1897年马可尼所完成的无线通信试验，他实现了固定站与与航行于英吉利海峡船只之间的无线通信，距离为18海里。 现代移动通信技术的发展始于上世纪2
18、0年代，大致经历了五个发展阶段。 第一阶段上世纪20年代至40年代，为早期发展阶段。在这期间，首先在短波几个频段上开发出专用移动通信系统，其代表是美国底特律市警察使用的车载无线电系统。该系统工作频率为2MHz，到40年代提高到3040MHz，可以认为这个阶段是移动通信的起步阶段，特点是专用系统开发，工作频率较低。 第二阶段从上世纪40年代中期至60年代初期。公众移动通信业务问世。1946年，根据美国联邦通信委员会(FCC)的计划，贝尔系统在圣路易斯城建立了世界上第一个公用汽车电话网，称为“城市系统”。当时使用三个频道，间隔为120kHz，采用半双工模式。随后，西德(1950年)、法国(1956
19、年)、英国(1959年)等国相继研制了公众移动电话系统。美国贝尔实验室完成了人工交换系统的接续问题。这一阶段的特点是从专用移动网向公众移动网过渡，接续方式为人工，网的容量较小。 第三阶段从上世纪60年代中期至70年代中期，美国推出了改进型移动电话系统，使用150MHz和450MHz频段，采用大区制、中小容量，实现了无线频道自动选择，并能够自动接续到有线电话网。德国也推出了具有相同技术水平的移动通信网。可以说，这一阶段是早期移动通信系统改进与完善的阶段，其特点是采用大区制、中小容量，使用450MHz频段，实现了自动选频与自动接续。 第四阶段上世纪70年代中期至80年代中期是移动通信蓬勃发展时期。
20、集成电路技术、计算机技术、微处理器技术、蜂窝概念的理论与应用研究，使欧、美、日等发达国家纷纷推出模拟蜂窝系统。第五阶段从上世纪80年代中期开始，数字移动通信系统发展，并快速成熟起来。 第五阶段进入90年代中期，世界主要移动通信设备制造商进入第三代系统规划、设计和实施阶段。3G发展的推动力主要是通信、信息领域对数字化、宽带化、综合化的发展要求。在开发3G的进程中，形成了北美、欧洲和中国三大区域性集团。分别推出了CDMA、WCDMA和TD-SCDMA三种技术方案。目前， CDMA、WCDMA和TD-SCDMA已发展成为三种主流的3G移动通信标准。3G的特点的特点3G的主要特征是可提供丰富多彩的移动
21、多媒体业务，其传输速率在高速移动环境中支持144kbps，步行慢速移动环境中支持384kbps，静止状态下支持2Mbps。设计目标是提供比2G系统更大的系统容量、更好的通信质量，而且要能在全球范围内更好地实现无缝漫游及为用户提供包括话音、数据及多媒体等在内的多种业务，同时也要考虑与2G的良好兼容性。 3G主流标准主流标准WCDMA全称为Wideband CDMA，是基于GSM发展的3G技术规范。CDMA2000是由窄带CDMA(IS95)技术发展而来的，该标准提出了从IS95-CDMA20001x-CDMA20003x(3G)的演进策略。CDMA20001x被称为2.5代技术。CDMA2000
22、3x与CDMA20001x的主要区别在于应用了多路载波技术，通过采用三载波使带宽提高。TD-SCDMA全称为Time DivisionSynchronous CDMA，是由大唐电信公司提出的3G标准，该标准提出不经过2.5代的中间环节，直接向3G过渡，非常适用于GSM系统向3G升级。 3G的演进为了适应多媒体服务对高速数据传输日益增长为了适应多媒体服务对高速数据传输日益增长的需要，的需要，第三代移动通信第三代移动通信合作项目组（合作项目组（3GPP）已经公布了一种新的高速数据传输技术，叫做已经公布了一种新的高速数据传输技术，叫做高速下行分组接入技术（高速下行分组接入技术（HSDPA）。）。该技
23、术是该技术是WCDMA R99（也就是（也就是WCDMA）的）的强化版本，大大加强了下行链路传输的功能。强化版本，大大加强了下行链路传输的功能。 3G长期演进LTE与与3G相比，相比，LTE更具技术优势，具体体现更具技术优势，具体体现在：高数据速率、分组传送、延迟降低、在：高数据速率、分组传送、延迟降低、广域覆盖和向下兼容。广域覆盖和向下兼容。 LTE的主要技术特征的主要技术特征通信速率提高，下行峰值速率为100Mbps、上行为50Mbps。频谱效率提高，下行链路5bit/s/Hz，3-4倍于R6HSDPA；上行2.5bit/s/Hz，是R6HSUPA2-3倍。系统在整体架构上将基于分组交换。通过严格的QoS机制，保证实时业务(如VoIP)的服务质量。
