无线通信技术.doc

无线通信技术讲义1 无线通信技术的起源无线通信技术给人们带来的影响是无可争议的。如今每一天大约有15万人成为新的无线通信用户，全球范围内的无线通信用户数量目前已经超过2亿。这些人包括大学教授、仓库管理员、护士、商店负责人、办公室经理和卡车司机。他们使用无线技术的方式和他们自身的工作一样都在不断地更新。 从七十年代，人们就开始了无线网的研究。在整个八十年代，伴随着以太局域网的迅猛发展，以具有不用架线、灵活性强等优点的无线网以己之长补“有线”所短，也赢得了特定市场的认可，但也正是因为当时的无线网是作为有线以太网的一种补充，遵循了IEEE802.3标准，使直接架构于802.3上的无线网产品存在着易受其它微波噪声干扰，性能不稳定，传输速率低且不易升级等弱点，不同厂商的产品相互也不兼容，这一切都限制了无线网的进一步应用。 这样，制定一个有利于无线网自身发展的标准就提上了议事日程。到1997年6月，IEEE终于通过了802.11标准。 802.11标准是IEEE制定的无线局域网标准，主要是对网络的物理层（PH）和媒质访问控制层（MAC）进行了规定，其中对MAC层的规定是重点。各厂商的产品在同一物理层上可以互操作，逻辑链路控制层（LLC）是一致的，即MAC层以下对网络应用是透明的。这样就使得无线网的两种主要用途：“（同网段内）多点接入”和“多网段互连”，易于质优价廉地实现。对应用来说，更重要的是，某种程度上的“兼容”就意味着竞争开始出现；而在IT这个行业，“兼容”就意味着“十倍速度”降临了。 在MAC层以下，802.11规定了三种发送及接收技术：扩频（SpreadSpectrum）技术；红外（Infared）技术；窄带（NarrowBand）技术。而扩频又分为直接序列（DirectSequence，DS）扩频技术（简称直扩），和跳频（FrequencyHopping，FH）扩频技术。直序扩频技术，通常又会结合码分多址CDMA技术。根据预测，今后几年，无线网在全世界将有较大的发展，单只美国无线局域网销售额就将从1997年的2.1亿美元增加到2001年的8亿美元。2 无线通信技术的先驱克拉克：1917年出生英格兰的Minehead。在苏联（USSR）发射第一个人造地球卫星Sputnik-1前12年，克拉克于1945年在“无线世界”中发表文章建议利用静止卫星实现世界范围的无线电覆盖。从此，卫星通信成为世界通系统的非常重要的组成部分。克拉克的其它发明有地球观测的卫星平台的利用和操作灵活的低加速的星际间飞行的太阳帆。 巴登（Bardeen）、比拉特恩（Brattain）和邵克莱（Shockley）：晶体管是由在美国贝尔实验室工作的这三位物理学家于1947年发明的。晶体管可以检波，放大，整流并能将其打开和关闭。他们非常小，便宜，能耗非常小。 莫尔斯：1791年4月27日生于美国麻萨诸塞州查尔斯顿市。1872年4月日在纽约城去世。莫尔斯是电磁纪录电报的发明者，是点划电报码的开发者，即称为莫尔斯码。莫尔斯在其早年酷爱艺术，一直到1832年，在41岁的时候，莫尔斯完成了他的电报的设计，在1837年8月进行公开演示。莫尔斯提出专利申请，获得美国专利。但他向国会申请贷款建设实验性公众电报线路直到1843年才获得批准。最后在1844年5月24日莫尔斯从华盛顿向巴尔地摩（60公里）发送了他的第一次电报。虽然电报现在已在很大程度上被较多的现代通信业务代替，但莫尔斯的最初的概念仍在使用并且莫尔斯码仍然保持为发送信息的通用标准。 贝尔：于1847年4月3日生于苏格兰的爱丁堡。1922年8月2日在Baddeck去世。1876年3月10日贝尔在美国波斯顿宣布“瓦特森先生来了，我需要您”，组成第一个智能句子在电话线里传送。虽然有一些其它发明者在所建议的系统上将声音在一定的距离传送，但贝尔是第一个获得发明专利的。仅在两年后，1878年3月25日他做出了如下预测：“电话电缆可以铺在地下或架空，利用支线将私人住宅，乡村，商店，工厂等连接起来，通过主电缆和中心交换实现任何两个地方的直接通信是可能的。我相信，电话面向公众是必然的结果，不仅如此，我确信，在将来，电线将不同城市的电话公司的电话局连接起来，一个人能够与不同地方的人打电话”。贝尔不但在29岁时发明了电话，他在电信和航空方面有许多发明。他整个一生还努力帮助聋哑人。 马克尼：于1874年4月25日生于意大利的宝龙那（Bolongna）。1937年7月20日在罗马去世。作为一个学生的马克尼对电磁和赫兹波的应用特别感兴趣。1896年6月2日他申请了他的第一个关于无线电的专利。马克尼是高度实践和企业化的人，他很快将他的发明商业化，并于1897年7月在伦敦建立他的第一个无线电报公司。在1899年，他操纵发送跨英吉利海峡的无线电信号。1901年发送了跨大西洋（从英格兰的康沃尔到荷兰的信号山）的信号。1907年，开通了大西洋彼岸的无线电业务，1909年他获得了诺贝尔物理奖。1920年在改进的马克尼公司演播室开始声音广播。在1924年，他发明了能提供世界范围通信业务的天波传输。马克尼的一生都贡献给无线电通信的发展并由他自己或其领导的公司共获得近800项专利。 波波夫：1859年3月16日生于乌克兰。1906年1月13日在圣彼得堡去世。波波夫是圣彼得堡附近的Kronstadt的诺罗斯皇家海军学校的物理讲师。在赫兹演示他的电磁波的存在之后，波波夫进行了利用接收机监测电磁波存在的实验。在1895年5月7日向诺罗斯物理和化学学会演示了他的实验，几天后，在喀琅施塔德斯基提出报告。该报告的结论是试验的目的，“是为了显示在一定距离不用导线传送信号在理论上是可行的，换句话说，发送无线电报，必须借助电磁发射”。 斯戳格（Strowger）：1838年生于Rochester附近。1902年去世。在1889年他发明了自动电话交换机，他觉察到由于设计或差错，本地电话操作者将其业务电话接到他的竞争对手的电话局。因此，他有了自动电话交换机的设想，根据这个思想终于在美国的La Port（ Indiana）安装了世界第一个商用自动交换机。 考劳罗夫（Korolev）：1906年12月30日生于苏联的Zhitomir。1966年1月14日在莫斯科去世。从1947年开始，考劳罗夫指导苏联火箭设计，在1957年10月4日发射了第一颗人造地球卫星。他负责指导更多的现代火箭的开发工作。火箭技术对人造地球卫星的发射是非常重要的。他还指导包括Molniya-1通信卫星系列在内的很多卫星的开发工作。 赫兹：1857年2月22日生于德国的汉堡，1894年1月1日在波恩去世。赫兹在于18871888年在Karisruhe大学发现电磁波。1887年赫兹验证了电磁波的存在。证明了麦克斯威尔的电磁场的理论。赫兹的发现是无线电技术的基础，也是后来广播和电视的发展的基础。 伏特：1745年2月18日生于意大利的科摩（Como），1827年3月5日在科摩去世。伏特研究利用化学反应产生电。他发现第一个电荷，他是开发通信用电池的先驱。 特斯拉：1856年7月10日生于塞尔维亚的斯密廉（Smilian）。1943年1月7日在纽约城去世。特斯拉研究交流电和高频无线电波。在1899年他演示了不用导线传送电能的实验，并在美国克罗里达州建设一座发射台，它可以清楚的接收到一千里外的信号。他发明了两个电路间感应耦合系统。他得到了一百多项专利，例如电容器的制造，电导体的绝缘，频率表等。 波特：1845年9月11日生于法国的Magneux。1943年3月28日在法国的Sceaux去世。他用终生来开发一种快速印字电报。当他成功的改进了各种装置后，在国际电器展览会上演示了能同时发送六种信息的设备。波特系统在全世界的地面和水上通信链路使用70多年。 李德福利特（Lee de Forest）：1906年他在夫莱名的二极管上又加上一个电极，他的三级管改善了接收并可以进行放大。3 通信电台基本构造4 无线通信发展趋势目前，下一代无线通信系统关键技术的研究也成为了国内外通信界关注的热点。下一代无线通信的主流是随时随地的无线通信系统和无缝的高质量无线业务，其关键技术主要包括软件无线电、智能天线与MIMO技术、OFDM技术以及IPv6技术。到目前为止，第三代移动通信系统已进入商用阶段，但是第三代移动通信系统的技术规格仍将无法满足个人通信越来越高的要求。IMT-2000可以支持高质量的无线话音业务，以及最高达2Mb/s的数据通信，满足当前要求。但是随着移动用户数的剧增和互联网的迅速普及，人们希望能随时随地接入不同的无线网络，获得各种各样的服务，而不受时间地点的限制，且要求的数据传输速率更高。与此同时，随着社会的发展，人们对各种业务如移动Web浏览、视频会议、移动商务、文件传输、Email、远程教育、远程医疗、公司和数据库访问等的移动Internet接入提出了更多的需求，未来高速多媒体数据传输将取代语音业务成为新一代无线通信系统的主流业务。下一代无线通信技术主要考虑的因素：（1）无缝融合。未来无线通信要形成一个以IP为中心的网络体系结构，让不同标准的通信网络成为一个融合体，形成全IP网络。它要求在不同层面上有多种需求，能够去除网络和业务提供者之间的接入障碍，所有的这些需要一种将多网的功能进行融合的技术。（2）高性能的物理层。未来无线通信对数据速率的要求是很高的，要求能提供50-100Mb/s甚至高达1Gb/s的数据率，这需要以高性能的物理层作为支持。高数据率使信道成为真正的宽带，这就需要更复杂的多径技术来处理大量随机路径。当带宽和数据率增大时，正交频分复用（OFDM）类技术愈发具有吸引力。也可以采用更有效的调制和编码方案，使得信道容量更接近香农极限。（3）灵活和自适应的接入。新的更为有效的物理层技术将需要更多的适配性。基本原则就是使可行的调制、编码方案和链路质量相匹配。为了在可变信道条件下获得更高数据率，需要在每一层对每种资源进行可能的快速适配。（4）业务和应用适配。无线通信中，对用户和业务需求的适配也是需要的。适配性在频谱利用（智能频谱）、物理层、MAC （媒体接人控制）和链路层、网络层和传输层、应用和业务各层都有用武之地。4.1 软件无线电技术软件无线电（Software Defined Radio）是以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以微电子技术为支持的通信技术，它为满足未来个人通信需要提供了一条新的思路，是通向未来无线通信的桥梁。软件无线电突破了传统的无线电台以功能单一、可扩展性差的硬件为核心的设计局限性，强调以开放性的最简硬件为通用平台，尽可能地用可升级、可重配置不同的应用软件来实现各种无线电功能。其中心思想是：构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、编码方式、加密模式、通信协议等用软件来完成，并使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。随着3G技术不断地成熟并最终进入市场进行运营，国际电信联盟（ITU）已经开始研究制订第四代移动通信标准，并已达成共识：把移动通信系统同其他系统（例如无限局域网、WLAN 等）结合起来，产生4G技术，在2010年使数据传输数率达到100Mb/s，以提供更有效的多种业务，最终实现商业无线网络、局域网、蓝牙、广播、电视卫星通信的无缝衔接并相互兼容。由于各种技术的交迭有利于减少开发的风险，所以未来的4G技术需要适应不同种类的产品的要求。而软件无线电技术则是未来无线通信适应产品多样性的基础。它不仅能减少开发风险，还更易于开发系列型产品。此外，它还减少了硅芯片的容量，从而削减了运算器件的价格，其开放的结构也会允许多方运营的介入。同时，由于DSP的使用，也弥补了廉价RF（Radio Frequency）所造成的不足。在实际应用中， RF部分是昂贵而缺乏灵活性的，通过使用SDR技术可弥补其在灵活性上的不足。在4G众多关键技术之中，软件无线电技术是通向未来4G的桥梁，由于多种移动通信标准的加入，使得现存的移动通信标准族变得十分繁杂。从近期发展上看。软件无线电技术可以解决不同标准的兼容性，为实现全球漫游提供方便； 从长远发展上看，软件无线电发展的目标是实现具有可以根据无线电环境变化而自适应地配置收/发信机的数据速率、调制、解调方式、信道编码、译码方式，甚至调整信道频率、带宽以及无线接入方式的智能化无线通信系统，从而更加充分地利用频谱资源，在满足用户QoS（Quality of Service）要求的基础上使系统容量最大。相信随着SDR 技术的不断成熟与发展，其在未来无线通信中的作用会越来越突出，这必将加快未来无线通信系统的完善。4.2 OFDM技术用软件无线电技术解决了未来无线通信多标准无缝兼容和产品多样化适应的问题，而高性能高传输速率的物理层技术需要依靠OFDM技术来解决。OFDM技术已广泛应用于DAB、DVB - T/H、IEEE 802. 11a、IEEE 802. 16d、ISDB-T、DMB-T等无线通信系统中。OFDM思想起源于FDM。在FDM中，所有低速率用户信号被独立的载波调制并进行并行传输。因此用户之间在频域是独立的。为了防止各用户载波的相互干扰和更容易地解调出每个用户信号，子载波之间保留了足够的保护间隔，频谱利用率是很低的。OFDM核心思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰（ICI）。每个子信道上的信号带宽小于信道的相干带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦衰落信道，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡也变得相对容易。OFDM相对于非正交的多载波的不同是它允许子载波频谱部分重叠，只要满足子载波间互相正交，就可以从混叠的子载波上分离出数据信息。由于OFDM允许子载波频谱混叠，其频谱效率大大提高，因此是一种高效的调制方式，是未来无线通信技术的候选方案。图示：OFDM接收机系统的结构如图所示4.3 智能天线与MIMO技术在移动通信系统中，多径及多径时延扩展是移动通信中存在的主要问题。多径传播将导致信号严重衰落，时延扩展导致符号间干扰，这将会严重地影响通信链路的质量。同时，共信道干扰是移动通信系统容量的主要限制因素，它将影响用户对有效网络资源（频率、时间）的复用。这些问题需要通过多天线技术来解决，其主要包括智能天线与MIMO技术。AAS（Adaptive Antenna System）即智能天线系统，或称AAA（Adaptive Antenna Array）自适应天线阵列，最初应用于雷达、声纳、军事方面，主要用来完成空间滤波和定位，大家熟悉的相控雷达就是一种较简单的自适应天线阵。智能天线技术的主要任务就是研究如何获取和利用接收信号中包含的空间方向信息，并通过阵列信号处理技术改善接收信号的质量，从而提高系统的性能。多输入多输出（MIMO）技术通过空间复用，使频谱效率得以成倍提高。空时编码技术正是在此基础上发展起来的一种新的编码和信号处理技术，它将信道编码技术与阵列处理技术相结合，大幅度地提高无线通信中的系统容量和传输速率。MIMO技术可以视为智能天线技术的一种扩展。但是传统的智能天线的智能体现在天线加权选择算法上，而MIMO系统强调的是信号的编解码处理。MIMO系统与智能天线的不同在于它能够同时获得发送和接收分集增益。当MIMO 系统发送端有S根天线，接收端有R根天线，相对单入单出（SISO， Single Input Single Output）单用户系统，容量增益是MIN（S，R）。在蜂窝系统中，在基站端可以很容易配置多天线来得这个增益。下一代无线通信系统中，主要物理层关键技术是在三重动态环境与条件的限制下满足用户在数量上不断增长、在质量上不断提高的要求，同时要保证用户通信的安全保密性能。这其中一个研究的重点就是加强空间域与传统的时、频域相结合的研究，开发空间域在移动通信中的巨大潜力。也就是使用多天线技术充分利用空域信息以改善通信质量增大系统容量。具体实现的技术路线有两条：（1）从目前的小区天线智能式小区天线切换式智能天线自适应式智能天线。它是以抑制滤除干扰、集中信号能量，跟踪用户来改善性能，提高抗干扰性并增大容量。这一思路是受雷达技术中自适应阵列理论与技术的启发与引导，但是应注意两个领域中的相同点与相异点，不能生搬硬套。（2）从目前的接收端空间分集技术发送端分集技术空时码与发送分集的相结合MIMO与空时码的结合。它是基于无线通信中传统的分集机制，提高发送与接收的综合效应来改善性能、提高抗干扰性，并起到增大容量、改善质量的目的。但是应特别注意的是，这一思路原来仅适合于单用户信道，而移动通信是属于多用户信道，所以使用时应考虑先决条件，并应做进一步分析与研究。4.4 IPv6与异构无线网络融合目前，无线通信系统已形成了多个相对独立的网络，包括各种制式的蜂窝移动网无线局域网、无线数字家庭网、车载无线通信系统等。这些网络的格局是纵向独立的，每种网络都具有特定的网络资源组成方式，并基于这些网络资源提供特定的功能和应用。然而“一种应用，一种网络”的格局已逐渐暴露其固有的弊端： 多种复杂的协议、复杂的无线网络共存；无线网络管理和维护成本很高； 不利于无线网络资源，尤其是传输资源的共享； 不便于提供跨网络多功能综合业务。从业务需求角度看，无线语音业务逐渐萎缩，无线移动和数据业务快速增长，用户对个性化、多样化业务的需求不断增强。从未来发展角度看，用户需要能通过任一无线终端（移动台、PDA 等） 、任一方式（WLAN、GPRS、WMAN等）接入网络，而且号码、账单等要非常方便灵活；对于无线网络运营商或业务提供商来说，业务与服务转型和融合的关键是努力探索出如何走移动和宽带无线融合之路，通过与移动、无线互联网及各类增值业务等组合后销售，为客户提供差异化的融合无线通信服务。因此，未来