《无线通信介绍》PPT课件.ppt

Wireless Communication 无线通信技术,无线通信技术大纲,无线通信概况,无线通信基本概念,无线通信发展史,无线通信使用的频段和波段,无线 通信概况,无线通信基本概念,无线通信：利用电磁波的辐射和传播，经过空间传送信息的通信方式称之为无线电通信，也称之为无线通信。它包括zigbee、蓝牙、红外线、卫星、微波、Wimax等无线方式的通信 利用无线通信可以传送电报、电话、传真、数据、图像以及广播和电视节目等通信业务。 移动通信是移动中的无线通信。 无线通信主要包括微波通信、卫星通信、移动通信等。,无线通信基本概念,微波通信，是使用微波进行的通信。微波是一种无线电波，由于微波的频率极高，波长又很短，其在空中的传播特性与光波相近，也就是直线前进，遇到阻挡就被反射或被阻断，因此微波通信的主要方式是视距通信。它传送的距离一般只有几十千米。微波通信每隔几十千米需建一个微波中继站，这种通信方式，也称为微波中继通信或称微波接力通信。 但微波的频带很宽，通信容量大等优点，可以用于各种电信业务的传送，如电话、电报、数据、传真以及彩色电视等均可通过微波电路传输。,无线通信基本概念,卫星通信，利用通信卫星作为中继站在地面上两个或多个地球站之间或移动体之间建立微波通信联系，因此也属于微波通信的一种。 其主要特点是：通信距离远；通信容量大；不受大气层骚动的影响，通信可靠。 全球覆盖的固定卫星通信业务静止地球轨道(GEO)卫星，轨道高度大约为36 000km，成圆形轨道，只要三颗相隔120的均匀分布卫星，就可以覆盖全球。 如下图所示：,无线通信基本概念,无线通信的发展史,古代的烽火到近代的旗语都是人们寻求快速远距离通信的手段。 贝尔发明了电话，能够直接将语言信号变为电能沿导线传送。 德国科学家赫兹（Hertz）用一个振荡偶子产生了电磁波，在历史上第一次直接验证了电磁波的存在； 意大利科学家马可尼（Marconi）在赫兹实验的基础上，实现了远距离无线电信号的传送，但一年后他就实现了船只与海岸的通信。 ,无线通信的发展史,从802.3到802.11： 八十年代，以太局域网迅猛发展，作为有线以太网的一种补充，它遵循了IEEE802.3标准，使直接架构于802.3上的无线网产品易受其他微波噪声干扰,性能不稳定,传输速率低且不易升级等。 针对以上问题，IEEE制作了专门的无线局域网标准802.11。 802.11各标准的区别请见下表：,无线通信的发展史,无线通信使用的频段和波段,无线通信初创时期使用的频率较低，波段主要限于长波和中波，频率范围较窄。 目前无线通信使用的频率从超长波波段到亚毫米波段（包括亚毫米波以下），以至光波。无线通信使用的频率范围和波段见下表：,无线通信使用的频段和波段,无线通信使用的频率范围和波段,无线通信使用的频段和波段,无线通信使用的频率范围和波段（续）,无线通信使用的频段和波段,无线通信中的电磁波按照其波长的不同具有不同的传播特点，下面按波长分述如下： 极长波是指波长为110万公里（频率为330Hz）的电磁波。理论研究表明，这一波段的电磁波沿陆地表面和海水中传播的衰耗极小。 超长波是指波长1千公里至1万公里（频率为30300Hz）的电磁波。这一波段的电磁波传播十分稳定，在海水中衰耗很小（频率为75Hz时衰耗系数为0.3dB/m）对海水穿透能力很强，可深达100m以上。 甚长波是指波长10公里100公里（频率为330kHz）的电磁波。无线通信中使用的甚长波的频率为1030kHz，该波段的电磁波可在大地与低层的电离层间形成的波导中进行传播，距离可达数千公里乃至覆盖全球。,无线通信使用的频段和波段,长波是指波长1公里10公里（频率为30300kHz）的电磁波。其可沿地表面传播（地波）和靠电离层反射传播（天波）。 中波是指波长100米1000米（频率为3003000kHz）的电磁波。中波可沿地表面传播（地波）和靠电离层反射传播（天波）。中波沿地表面传播时，受地表面的吸收较长波严重。中波的天波传播与昼夜变化有关。,无线通信使用的频段和波段,短波是指波长为10米100米（频率为330MHz）的电磁波。短波可沿地表面传播（地波），沿空间以直接或绕射方式传播（空间波）和靠电离层反射传播（天波）。 超短波是指波长为1米10米（频率为30300MHz）的电磁波。超短波难以靠地波和天波传播，而主要以直射方式（即所谓的“视距”方式）传播。,无线通信使用的频段和波段,微波是指波长小于1米（频率高于300MHz）的电磁波。目前又按其波长的不同，分为分米波（特高频UHF）、厘米波（超高频SHF）、毫米波（极高频EHF）和亚毫米波（至高频THF）。 微波的传播类似于光波的传播，是一种视距传播。其主要在对流层内进行。总的说来，这种传播方式比较稳定，但其传播也受到大气折射和地面反射的影响。另外，对流层中的大气湍流气团对微波有散射作用。利用这种散射作用可实现微波的超视距传播。,无线通信使用的频段和波段,GSM系统工作频段分为GSM900 和DCS1800两大系统。 GSM系统是双工系统，根据GSM协议规定，GSM900的上行工作频段（MS到BTS）为890MHz-915MHz），下行工作频段（BTS-MS）为935MHz-960MHz），双工距离为45MHz；DCS1800的上行工作频段为1710MHz-1785MHz，下行工作频段为1805MHz-1880MHz，双工距离为95MHz。在不同的国家，这些规定的频率资源被分配给不同的运营商使用，每个运营商只占有整个频段的一部分资源。,无线通信使用的频段和波段,无线通信技术大纲,无线通信概况,无线通信系统组成,无线信道简介,无线信号传输,无线信号传输衰减和损耗,无线 通信传输系统,无线通信系统的组成,无线通信系统一般由发信机、收信机及与其相连接的天线（含馈线）构成。如下图所示： 发信机主要作用是将所要传送的信号首先对载波信号进行调制，形成已调载波；已调载波经过变频（有的发射机不经过这一步骤）成为射频载波信号，送至功率放大器，经放大后送至天（馈）线。 请看下面一种短波发信机的组成框图：,无线通信系统的组成,天线主要作用是把射频载波信号变成电磁波或者把电磁波变成射频载波信号。馈线的主要作用是把发射机输出的射频载波信号高效地送至天线。这一方面要求馈线的衰耗要小；另一方面其阻抗应尽可能与发射机的输出阻抗和天线的输入阻抗相匹配。,无线通信系统的组成,收信机的主要作用是把天线接收下来的射频载波信号首先进行低噪声放大，然后经过变频（一次、两次甚至三次变频）、中频放大和解调后还原出原始信号，最后经低频放大器放大后输出。 请看下面一种短波收信机的组成框图：,无线信道简介,信道：通信信道是界于发射机和接收机之间信号传播的物理媒质。在无线通信领域中，信道是指大气（或称自由空间）。而一般地讲，电话通信使用各种各样物理信道，如：双绞线、同轴电缆线、光纤或磁盘等。无论使用哪种信道，信号在传输过程中都会被衰变。它是由于各种随机的加性噪声所致。 无线信道：即无线的“频段”（channel），是以无线信号作为传输媒体的数据信号传送通道。 地球地貌和大气层对不同频率电磁波的传播具有不同的影响。,无线信道简介,无线网络设备如何设置信道？ 一般无线网络设备通过自带的管理工具可以设置无线网络参数，如网络模式（集中式或对等式无线网络）、SSID、信道（Channel）和传输速率等。 常用的IEEE802.11b/g/n工作在2.4GHz频段，此频段被分为11或13个信道，中国只允许使用11个信道，欧美等地区默认为13个信道。当在无线AP无线信号覆盖范围内有两个以上的AP时，需要为每个AP设定不同的频段，以免共用信道发生冲突。,无线信道简介,信道编码：在信息码中增加一定数量的多余码元(称为监督码元)，使它们满足一定的约束关系，这样，由信息码元和监督码元共同组成一个由信道传输的码字。 信道容量：是信道的一个参数，反映了信道所能传输的最大信息量，有时也表示为单位时间内可传输的二进制位的位数（称信道的数据传输速率，位速率），以位/秒（b/s）形式予以表示，简记为bps 信道带宽：是限定允许通过该信道的信号下限频率和上限频率，也就是限定了一个频率通带。,无线信号传输,可以在自由空间利用电磁波发送和接收信号进行通信就是无线传输。无线通信方法一般有无线电波、微波、蓝牙及红外线等。 无线电波是指在自由空间（包括空气和真空）传播的射频频段的电磁波。无线电技术是通过无线电波传播声音或其他信号的技术。 红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种；红外线通信不易被人发现和截获，保密性强；且几乎不受电气、天电、人为干扰，抗干扰性强。,无线信号传输,电磁波传输特点： 1，传播环境复杂 在视距传输中，电波以直射方式传播，由于低层大气是均匀介质，会产生折射和吸收现象，且在传输路径上遇到各种障碍物还可能发生反射、绕射和散射等。 2，传播环境不断变化 引起电波传播环境变化的因素主要有移动台处于移动状态，城市建设的不断变化等。 3，环境被电磁噪声污染,无线信号传输,无线信号传输衰减和损耗,一，自由空间传输损耗 自由空间又称为理想介质空间，它相当于真空状态的理想空间。在自由空间传播的电磁波不产生反射、折射、吸收和散射等现象，即总能量未被损耗。但电波在自由空间传播时，会因能量向空间扩散而衰耗。 二，衰落 无线传输中，接收点接收到的信号是有大量的建筑物或树木、山丘反射来的电波与直射空间波叠加而成的。当时间（季节、昼夜等）和气象（雨、雾、雪待）条件发生变化时，大气的温度、温率、压力和地面反射点的位置、反射系数等也将发生变化。这必然引起接收点场强的高低起伏变化。 这种现象，叫做电波传播的衰落现象。,无线信号传输衰减和损耗,衰落的种类： 快衰落Rapid fading和慢衰落Slow fading(按持续时间划分): 慢衰落：持续时间长的叫慢衰落，其持续时间一般长达数分种到几小时。 快衰落：持续时间短的叫快衰落，一般发生在几秒到几分钟之间。 上衰落Up fading和下衰落Down fading(按接收点场强的高低划分): 上衰落：高于自由空间电平值的叫上衰落 下衰落：低于自由空间的电平值的叫下衰落 多径衰落Multipath fading和闪烁衰落(按衰落发生的物理成因划分): 闪烁衰落：主要是因为大气局部微小扰动引起电波射束散射所造成，各散射波的振幅小，相位随着大气变化而随机变化。结果它们在接收点的合成振幅变化很小，对主波影响不大，因此，这种衰落对视距微波接力电路的稳定性影响不大。 多径衰落：主要是由于多径传播造成的，它是视距传播信道深衰落的主要原因。所谓多径传播，就是电波离开发射天线后，通过两条以上的不同路径到达接收天线的传播现象。,无线信号传输衰减和损耗,衰落现象规律: 波长短，距离长，衰落严重 跨水面，平原，衰落严重 夏秋季衰落频繁 昼夜交替时，午夜容易出现深衰落 雨过天晴及雾散容易出现快衰落,无线信号传输衰减和损耗,三，大气吸收衰减 由于气体分子的谐振引起对电波的吸收。 这种作用对15GHZ（即2CM）以上的微波才有明显作用，低于此频率的可不考虑。 四，雨雾衰减 由于雨、雾、雪能对电波能量的吸收，微小水滴产生导电电流和定向辐射能量的散射。这种作用对5CM（即6GHZ）以下的微波才有明显作用，长于此波长的可不考虑。 一般情况10GHz 以下频段，雨雾衰落还不太严重，通常在两站间的这种衰落仅有几个dB。 但10GHZ以上频段，中继段间的距离将受到降雨衰耗的限制，不能过长。,无线信号传输衰减和损耗,如对13GHZ以上频段，100mm/小时的降雨会引起5dB/km的损耗，所以在13GHZ，15GHZ频段，一般最大中继距离在10km左右 在20GHZ以上频段，由于降雨损耗影响，中继间距只能有几公里 五，对流层对信号传输的影响 微波信号的K型衰落: 对流层结构的不均匀产生的折射和反射。我们知道介电常数决定电磁波的传播速度。而空气的介电常数取决于大气压力，温度，湿度。介电常数的空间梯度变化导致电波传输射线弯曲。使得到达接收天线的信号能量降低。这就是所谓的K型衰落。气象条件变化通常比较是缓慢的，因此受其影响产生的衰落是慢衰落。,无线信号传输衰减和损耗,大气折射 因为大气折射的影响，波在传播过程中，实际上是弯曲的。大气折射的最后效果可看成电磁波在一个等效半径为 的地球上空沿直线传播。 即： =KR R为实际地球半径。 K值的实际测量平均值为4/3左右。但实际地段的K值和该地段的气象有关，可以在较大范围内变化，影响视距传播。 依据波在大气中折射原理,无线波束是弯曲的,通常是向下弯曲。K=4/3是标准大气,无线信号传输衰减和损耗,k 1正折射,k = 1无折射,k 1负折射,无线信号传输衰减和损耗,传播路径受大气分层的影响,无线信号传输衰减和损耗,波导性衰落： 由于各种气象条件的影响，如早上地面被太阳晒热、晚上地面的冷却，以及高气压地区都会在大气层中形成不均因匀体，当电波通过这些不均匀体时，将产生超折射相现，形成大气波导。如在无风的气候，在平原和水网地区，容易形成接近地面的波导层，使波束发生汇聚或发散而导致衰减性衰落。这种衰落的时间较长，有时可达几十分钟,无线信号传输衰减和损耗,抗衰落技术：主要有分集接收、均衡技术及信道编码技术。 分集接收：接收端对它收到的多个衰落特性互相独立 (携带同一信息)的信号进行特定的处理，以降低信号电平起伏的办法。核心思想是分散传输，集中处理。 均衡技术：当传输的信号带宽大于无线信道的相关带宽时，信号产生频率选择性衰落；时域表现为接收信号的码间干扰。 均衡器的参数必须能跟踪信道特性的变换而自适应调整。,无线信号传输衰减和损耗,均衡目的：消除码间干扰 码间干扰产生的原因：无线通信系统中，多径传输效应是引起码间干扰的一个主要因素，体现为频域上频率选择性衰落；接收时的抽样时刻不能完全对准发送间隔是产生码间干扰的原因之二，体现为时域上接收信号间产生的干扰。 信道编码：通过引入可控制的冗余比特，使信息序列的各码元和添加的冗余码元之间存在相关性。在接收端信道译码器根据这种相关性对接收到的序列进行检查，从中发现错误或进行纠错。作用是尽量减小信道噪声或干扰的影响，是用来 改善通信链路性能的技术。,无线通信技术大纲,无线通信技术,一，多址技术 在蜂窝式移动通信系统中，多用户台要同时通过一个基站与其他用户台通信，因此必须对不同用户台和基站发出的信号赋予不同的特征，使基站能从众多用户台信号中区分出哪一个用户台发出的信号，而各用户台又能识别出基站发出的信号中哪个是发给自己的信号，多址技术可以解决这个问题。 多址系统设计主要有两个问题：一是多路复用，就是将一条通路变成多个物理信道；二是信道分配，即将单个用户分配到某一个具体信道上去。,无线通信技术,在移动通信系统中，常用的多只方式有：频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）以及它们的混合应用方式等。 频分多址FDMA是按照频率的不同给每个用户分配单独的物理信道，在全双工的情形下，分配给用户的物理信道是一对信道（占用两个频段），一段频段为前向信道，另一段频段用户反向信道。如下图所示：,无线通信技术,由下图可见，系统的基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号。任意两个移动用户之间进行通信时都必须经过基站中转，因而要占用两个信道（四个频道）才能实现双工通信。 频分模拟移动通信系统中使用了频分多址技术，其优点是技术比较成熟，设备简单，容易实现。 但缺点是抗干扰性差， 保密性差。需要使用高性能 的射频带通滤波器来 减少邻道干扰。,无线通信技术,时分多址TDMA是发送端对所发信号的时间参量进行正交分割，形成许多互不重叠的时隙。在接收端利用时间的正交性，通过时间选择（选通门）从混合信号中选出相应的信号。 TDMA是把时间分割成周期性帧，每一帧再分割成若干个时隙（无论帧或时隙都是互相不重叠的），然后根据一定的时隙分配原则，使移动台在每帧中按指定的时隙向基站发送信号，基站可以分别在各时隙中接受到移动台的信号而不混扰。同时，基站发向多个移动台的信号都按规定在预定的时隙中发射，各移动台在指定的时隙中接收，从合路的信号中提取发给它的信号。如下图所示：,无线通信技术,TDMA移动通信系统是数字移动通信系统，较模拟移动通信系统有抗干扰能力强，频率利用率高等优点。缺点是时分多址移动通信系统需要全网同步，技术比较复杂。,无线通信技术,在码分多址CDMA系统中，所有移动台使用相同载频，并可以同时发射。码分多址是发送端用各不相同的、相互（准）正交的地址码调制