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1、第一章无线通信系统概述华北电力大学电子系赵建立2011年主要内容n通信技术的发展历程n无线通信的应用情况n电信网的发展趋势电信（Telecommunication)的新纪元l通信（Communication)作为电信（Telecommunication) 是从19世纪30年度开始的。l 物理发现 通信技术发展l 1831年法拉第电磁感应 1837年莫尔斯发明电报l 1873年麦克斯韦尔的电 1876年贝尔发明电话l 磁场理论 1895年马可尼发明无线电电话的发明者贝尔电话的发明者贝尔l贝尔（18xx1922）英国人 1868年 在伦敦工作 1871年 去波士顿工作 1873年 任波士顿大学教授
2、 1875年 发明多路电报 1876年 发明电话n一生曾获许多专利无线电的发明者马可尼无线电的发明者马可尼l马可尼（18741937）意大利人 1894年 在父亲的庄园试验 1896年 去伦敦 1897年 建立无线电报公司 1899年 首次实现英法无线通信 1916年 实现短波无线电通信 1929年 建立世界性无线通信网l曾获诺贝尔奖金l曾参加法西斯党数字通信的新纪元l1928年奈奎斯特准则和取样定理l1948年仙农（定理)l在理论上为数字通信准备了条件l 物理发现 通信技术发展 l 20世纪50年代数字通信得到发展l 发明半导体l 20世纪60年代l 发明集成电路 空间通信的新纪元l 物理发
3、现 通信技术发展 l20世纪50年代20世纪40年代提出静止卫航天技术星概念，但无法实现l1963年第一次实现同步卫星通信光纤通信的新纪元l 物理发现 通信技术发展 l 20世纪60年代企图用于通信，未成功发明激光l 20世纪70年代 光纤通信得到发展l 发明光导纤维通信发展历史的启示通信发展历史的启示l通信传输始终是最活跃的技术领域，物理上的新进展都可能在通信上找到新用途，从而形成新的通信产业。l通信传输的新要求又将推动物理和器件的进展，促使人们去研究发展新的物理机理来满足信息传输的需要。l一个优秀的通信工程师和研究人员，必须对物理学和器件技术的新进展十分感兴趣，并善于抓住新方向、新突破口迎
4、接通信技术的革命。通信的目标通信的目标n20世纪的概念： 五个W，“任何人（Whoever）在任何地方（Wherever）任何时间（Whenever）可以同任何人（Whomever）进行任何形式（Whatever）的通信”。n20世纪的目标是实现“任何地方、任何时候、任何人”（anywhere, anytime,anyone)的通信；21世纪的目标应该是实现“处处、时时、人人”（everywhere, all-the-time, everyone）的通信通信系统的基本矛盾通信系统的基本矛盾n可靠性与有效性 n可靠性发送消息在接受端的准确还原（矛盾的主要方面） n有效性信道资源的充分利用（时域、
5、空域、频域） n形成这种矛盾的根本原因：信道不理想 n 带宽、时间受限 n 噪声和干扰 研究通信系统的基本出发点n在一定可靠性要求下，如何尽可能去提高系统的有效性 n在一定的有效性要求下，如何最大限度的提高可靠性 n即在一定的代价下，使系统优化 n这种矛盾的相对统一，也是通信技术发展的基本动力 通信模型通信分类n通信的分类可有多种划分的形式，如从通信内容上、传输信号的性质上、信道上等进行划分。n从信道划分大致可有： 通信分类（2）n从通信内容上可有：从通信内容上可有： 语音通信语音通信( (电话电话) ) 、图象通信、图象通信、n 多媒体通信多媒体通信n从传输信号形式有：从传输信号形式有：n
6、模拟信号通信模拟信号通信n 数字信号通信数字信号通信n还还有有其其它它一一些些分分类类方方法法，如如窄窄带带通通信信和和宽宽带带通通信信之之分分。语语音音、低低速速数数据据属属窄窄带带通通信信，而而图图像像、多多媒媒体体、高速数据属宽带通信。高速数据属宽带通信。 无线通信n无线通信是依靠自由空间来传输电磁波的通信方式。 n无线通信的挑战：信道的随机时变和各种扩散（频率扩散、时间扩散、角扩散）造成的各种选择性衰落（时间选择性衰落、频率选择性衰落、空间选择性衰落）。n对抗上述衰落的有效手段是分集。无线通信的应用概况无线通信的应用概况l短波/超短波通信 天波（电离层）：数据/电话、单边带 地波：小型
7、接力机、单双工电台、对讲机l微波通信 微波接力（模拟、数字）、散射、点对多点微波 电视、电话、数据l卫星通信 高轨道（同步静止）、中轨道、低轨道 电视、电话、数据l移动通信 蜂窝电话、无绳电话、无线数据、集群系统、寻呼系统 、卫星移动系统短波电离层通信n特点：超远距离、灵活机动；容量小、质量差n用途：海外使馆远洋船队边防哨所应急通信 短波/超短波地面通信短波/超短波地面通信n特点：绕射能力、灵活机动、隐蔽性好；容量较小、质量较差n用途：陆军电台对空电台特种通信(武警、公安)无绳电话微波通信微波接力n特点：容量大、质量好、视距传播条件n用途：中小容量微波SDH大容量微波扩频微波高频段微波点对多点
8、微波n用途：无线集中器 无线用户环散射微波通信n衰落时变信道，距离远，频带较窄，质量较差n用途 军用 民用卫星通信高轨道卫星通信n特点：同步轨道、静止卫星、容量大、质量好、功率受限信道n用途：国际长途海事卫星电视广播军事通信中低轨道卫星通信n特点：距离近、地面设备简单灵活，非静止轨道，要求跟踪n用途：非实时信息传送遥感侦测卫星移动通信移动通信蜂窝系统n无线通信最成功的应用n第一代：模拟第二代：数字第三代：多媒体 寻呼系统n无线通信最大众化的应用其它无线移动系统n集群系统n无绳电话系统n无线数据系统n无线ATM系统n无线IP系统2121世纪电信网的发展趋势世纪电信网的发展趋势 20世纪 21世纪
9、n业务方式以音频为主的单媒体 以视频为主的多媒体n干线传输微波光纤n用户传输有线无线n复接方式PDHSDHn交换模式STM分组交换、软交换n网络方式三网鼎立三网合一面向21世纪通信的三大革命l以干线（包括部分支线）传输光纤化为标志的光纤革命l以SDH、ATM和IP为标志的数字革命l以个人通信和无线接入为标志的无线革命面向21世纪通信的两大通信平台光纤通信平台：无线通信平台： 超大容量、超长距离 宽带、移动 关键技术：波分复用、 关键技术：CDMA、智 光纤放大器 能天线、软件无线电、 MIMO、空时信号处理 无线通信面临的挑战及发展机遇l光纤通信对无线通信的巨大冲击 巨大带宽 超低损耗 较低成
10、本 未来信息高速公路的主干道l无线通信的发展机遇 灵活性 抗灾性 移动性第二章 现代无线通信系统n2G蜂窝网络n3G无线网络n本地用户环路WLLn常见的无线通信标准2.1 2G蜂窝网络nGSM:欧洲，TDMA/FDDn临时标准136：美国，n临时标准95，美国，CDMA/FDD，2001年末蜂窝技术的用户数不同2G标准的关键技术规范2.5G移动无线网络的演进nIS95B:允许一个用户可以同时使用8个Walsh码，用户速率115.2Kbps(8*14.4).nHSCSD:高速电路交换数据，单个用户可以使用多个时隙，最高4个。414.4Kbps=57.6Kbps.nGPRS:通用无线分组业务。非实
11、时，突发方式，每个信道的峰值速率21.4Kbps，最高821.4=171.2Kbps.nEDGE:增强的GPRS，将调制方式GMSK改为8-PSK，支持多种调制编码方案。峰值速率547.2Kbps。2.5G系统简介2.2 3G无线网络nW-CDMA（通用移动通信系统UMTS）nCDMA2000nTD-SCDMAW-CDMAn欧洲电信标准协会ETSI支持.n保证对GSM、IS-136、PDC TDMA技术及多种2.5G TDMA技术的后向兼容。n信道带宽5MHz，速率8K-2Mbps。n每个信道可以支持100-350个话音信道。n调制方式：直接序列扩频n频谱利用率是GSM系统的6倍。CDMA20
12、00n由通信工业协会TIA发起。nCDMA2000 1X支持307Kbps的用户速率。n信道带宽1.25MHz。nCDMA2000 3X支持2Mbps的用户速率。n特点：系统容量大，功耗低，廉价的演进方案。TD-SCDMAn由中国电信技术研究院（CATT）与西门子公司合作，提交IMT-2000的3G标准。nTDMA+TDD技术。不对称信道方式。n采用了智能天线、空间滤波、联合检测技术。n信道带宽1.6MHz。n数据速率可达384Kbps。2.3 无线本地环路WLL与LMDSn工作频段：28GHz的微波频段。n视距传播。解决“最后一里”的本地环路。nLMDS:本地多点分配业务。n带宽几个GHz，
13、数据速率可达几百兆。2.4 常见无线通信标准nWLANn无线个人区域WPANnUWBn蓝牙nHome RFnHiperLANnWMAN无线局域网WLANn1997年6月26日，IEEE正式通过了无线局域网的802.11标准;n802.11b工作在2.4G ISM(工业、科研、医疗)频段内14个中心频道。n 802.11a是对在北美使用的WLAN中802.11b的升级，工作于5.7255.825GHz ISM频段的100MHz频带内，提供25Mbit/s54Mbit/s的带宽，可以支持以太网功能，用户主要面向企业。n802.11g标准于2003年6月12日由IEEE正式定案，在很大的程度上是对现
14、有WLAN标准的一种提升。n无线以太网兼容联盟WECA将IEEE802.11b标准命名为Wi-Fi。无线局域网标准概述WLAN设备图无线个人区域网络无线个人区域网络n无线个人区域网络（Wirelesspersonalareanetwork，WPAN）指占用个体或设备周围10米被称为个人运行空间（POS）的网络，WPAN内的设备能相互发现并进行通信，基本属于一种无中心（adhoc）系统n适用范围：智能化家用设备、近距离工作者和小办公室家庭办公（SOHO） n主要标准：n 蓝牙（Bluetooth）n Home RF n 高性能无线电LAN（HighPerformanceRadioLan，Hipe
15、rLAN）n UWB UWB(Ultra Wide Band) n美国FCC规定，民用UWB的工作频段范围从3.1GHz到10.6GHz ,要求其发射功率低于美国放射噪音规定值41.3dBm/MHz n广义的UWB(Ultra WideBand，超宽带)概念指以极窄脉冲方式进行无线发射和接收的特种技术。 n在于完全摆脱了一般无线收发中必须采用载波调制的传统手段，成为在时域中直接操作的无线技术 n能够同时获得宽带高速、低成本、低功耗的好处，这在传统无线技术中一直是只能折衷取舍的两难问题。 UWB(续)nIEEE协会中负责制订短距离宽带无线标准的802.15.3a工作组自2002年UWB解禁以来就
16、确定了将它用于802.15.3标准的基础。 n英特尔和TI为首的多频带OFDM联盟(MBOA)提出的多频带OFDM技术 nFreescale(前摩托罗拉半导体部门)为首的集团提出的直接序列码分多址技术(DS-CDMA) UWB(续2)n速度： UWB的脉冲宽度用于军事雷达系统时，最短在皮秒级水平，但在民用上，一般在纳秒级。目前，厂家演示的实验速度在100Mbps至480Mbps之间，但理论上有达到1Gbps以上的潜力。 n距离：UWB在10米以下的短距离应用，发射距离过短并不是UWB本身的技术缺陷，而是FCC规定的低功率指标(1mW以下)所限制的，其目的是避免对其它设备的干扰。 n功耗： UW
17、B无线链路的功耗可低至普通无线链路的1/100，采用芯片实现后的整体电路能耗目前在300mW左右。英特尔公司称短期内要将这一指标降至100mW以下。 n成本：由于UWB不需要对载波信号的调制和解调，所以不需要混频器、过滤器、RF/IF转换器及本地振荡器等复杂元件，同时更容易集成到CMOS电路中。 UWB(续3)n电磁兼容性：理论上，由于UWB脉冲极窄，频带极宽，其带宽相当于1000个电视频道或3万个FM广播频道，因此单位频宽内的功率密度相当低，其功率密度甚至低于一般的噪声水平，比如低于一部笔记本电脑的辐射。因此UWB对其它设备的影响微乎其微，实际上，标准的制订者们反过来担心的是其它设备对UWB
18、设备以及多部UWB设备同时工作时相互间的干扰，这也是选择标准的重要指标之一。n应用： UWB可用于智能交通方面、智能家电领域，例如数字电视、投影机、摄录一体机、PC机、机顶盒之间传输可视文件和数据流，或者笔记本电脑和外围设备之间实现局部连接构成个人局域网。 蓝牙（蓝牙（BluetoothBluetooth）n“蓝牙”的英文名称为“Bluetooth”，是一种开放性短距离无线通信技术标准,其本质可以说它是一种代替线缆的技术, 由于蓝牙标准支持点到点也支持点到多点的连接，因此一旦需要，就可以建立若干个微网（piconet），最多十个微网能组合成所谓的“散射网”（Scatternet）的拓扑结构。n
19、蓝牙技术的主要性能指标有以下几个：工作频段：ISM频段，2.4GHz和5.8GHz速率：1Mb/s（2.4GHz），2Mb/s（5.8GHz）输出功率：1mW（0dBm）通信距离为10m，100mW为100m具有跳频功能：1600h/s标准：IEEE802.15.1蓝牙标准（开放标准）芯片价格：要求5美元蓝牙设备应用HomeRFn HomeRF无线标准是由HomeRF工作组开发的，旨在家庭范围内，使计算机与其他电子设备之间实现无线通信的开放性工业标准。 n主要技术指标：n使用开放的2.4GHz频段 ；n采用跳频扩频（FHSS）技术，跳频速率为50跳/秒,共有75个带宽为1MHz的跳频信道； n
20、室内覆盖范围为45米； n调制方式为恒定包络的FSK调制，分为2FSK与4FSK两种，采用调频调制可以有效地抑制无线环境下的干扰和衰落； nHomeRF 2.x标准中，采用了WBFH（Wide Band Frequency Hopping，宽带调频）技术来增加跳频带宽，数据峰值达到10Mbps。 HighPerformanceRadioLan，HiperLANnHiperLAN是802.11标准的欧洲等价物，HiperLAN1发布于1996年，它工作于5GHz频带，采用的调制方式为高斯滤波最小移频键控(GMSK);HiperLAN1提供的数据速率最高可达25Mbps。整体上HiperLAN1与
21、802.11b是相当的; nHiperLAN2是HiperLAN1的第二代版本，于2000年底通过ETSI批准成为标准。它对应于IEEE的802.11a，工作在5GHz频带，采用OFDM技术，并且具备动态频率选择(DFS)、发送功率控制(TPC)功能，支持最高数据速率为54Mbps。在MAC层，HiperLAN2采用预留TDMA多址方式，动态TDD双工方式。并且能够在高吞吐率下支持QoS，从而为视频流、话音等实时应用提供支持。 HiperLAN2也是一种面向连接的技术，这一点结合其QoS和带宽使其可应用在企业网络内，也提供了面向公共网络的应用。无线城域网 WMANnIEEE802.16 WMA
22、N标准可支持1 GHz到2 GHz、10 GHz，以及12 GHz到66 GHz等多个需要许可和无须许可的无线频段，可提供高达70Mbit/s的数据传输速率和多达50公里的覆盖范围，每一部不足2万美元的WMAN基站可在为60家企业用户提供T-1服务的同时，为家庭和小型商业用户256kbit/s或者384kbit/s的低端DSL服务。无线通信系统演进n is95GSMTDMA PDC 2G 9.6 - 14.4 kbpscdma1xGPRS 2.5G 64144 kbpsWLAN WPANB 3G?384 kbps - 20 MbpsAlways Best Connected EDGEWCDMA
23、cdma20003G384 kbps - 2 Mbps4G100 Mbps?New air-interface?Ad hoc networksWMANVirtual RealityAlways Best Connected Optical NetworkingGlobal Wireless StandardsIEEE 802.15 BluetoothIEEE802.15.3aUWBWMAN20 kmWLAN100 mWPAN10 mETSI HiperPANIEEE 802.11 Wireless LANETSI HiperLANIEEE 802.16 WirelessMANETSI Hipe
24、rMAN 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
25、.11IEEE 802.16aMax Speed11 Mbps (11b)54 Mbps (11a & g)70 MbpsRange100 m300 m40 kmQoSNoneYesCoverageIndoor Opt.Outdoor Opt.UsersHundredsThousandsService LevelsNoneYesComparisons: 3G vs. WiFi3GWiFiStandardWCDMA,CDMA2000IEEE 802.11Max Speed2 Mbps54 MbpsOperationsCell phone companiesIndividuals, WISPLic
26、enseYesNoCoverage AreaSeveral km100m300 mAdvantagesRange, mobilitySpeed, cheapDisadvantages RelativelyExpensiveShort rangeComparisons: 3G vs. Wi-Max3GWi-Max (Wider-Fi)StandardWCDMA,CDMA2000 IEEE 802.16Max Speed2 Mbps10 to 100 MbpsOperationsCell phone companiesIndividuals, WISPLicenseYesYes/NoCoverag
27、e AreaSeveral kmSeveral kmAdvantagesRange, mobilitySpeed, long rangeDisadvantagesRelativelyExpensiveInterference issues?Comparisons: 3G vs. Mobile-Fi3GMobile-FiStandardWCDMA,CDMA2000IEEE 802.20Max Speed2 Mbps16 MbpsOperationsCell phone companiesWISPsLicenseYesYesCoverage AreaSeveral kmSeveral kmAdvantagesRange, mobilitySpeed, mobilityDisadvantagesRelativelyExpensiveCost?Thank You See you next week!
