信通导论11秋06-无线通信技术的未来.ppt

无线通信技术的未来,电信学院信通系雷斌,Soft+RadioSmartAntennaWSNUWB,新技术专题报告,2008_5_12,无线通信的未来,2,通信技术发展的趋势,网络业务数字化网络技术分组化接入技术无线化传输线路光纤化IP的世界（从网络服务层面看）光的世界（从传送层面看）无线的世界（从用户接入层面看）,2008_5_12,无线通信的未来,3,无线的优势及无线电技术的发展Thewirelessworld,无线通信无限商机,2008_5_12,无线通信的未来,4,Globalwirelesswirelinemarkettrend,2008_5_12,无线通信的未来,5,无线通信的用途UsesoftheRadioFrequencySpectrum,NavigationRadionavigationRadioLocationTerresrialorSatellite,ScientificUsesRadioAstromonyStandardTimeSignalsMeteorologicalbuteffectsincreaserapidlywithlongerdistancesAvoidlinksover/throughvents,hotroofs,A/Cducts,etcSpacediversity,散射Scintillation,Imagedancing,Amplitudefluctuation,Thevariationofrefractiveindexalongthepropagationpathcausedbyslighttemperaturevariationsamongdifferentairpockets,2008_5_12,无线通信的未来,38,FSOEquipment,PhotographcourtesyofMRVCommunications,LaserTransceiverwithMultipleBeams,RadioFrequencyBackupConnection,2008_5_12,无线通信的未来,39,光无线通信技术目前发展概况,2001年2月由美国的一些光无线设备制造商联合电信运营商，成立了空间光通信联盟(FSOAlliance)。Terabeam公司和Airriber公司已将光无线通信应用于商业服务。2000年悉尼奥运会上，Terabeam公司成功地使用光无线通信设备向客户提供100Mb/s的数据连接。2004年7月，华为公司和LightPointe公司宣布扩大双方的联合战略伙伴协定。LightPointe公司是基于光无线通信技术的光纤光线产品的设计者和制造商。,2008_5_12,无线通信的未来,40,容量从100Mb/s到2.5Gb/s,一般限于2公里以下,工作波长：850纳米1550纳米,2008_5_12,无线通信的未来,41,2008_5_12,无线通信的未来,42,Agenda议程,移动通信技术的现状及趋势固定接入技术的现状及趋势卫星通信技术的现状及趋势3.1卫星通信的分类3.2同步地球卫星通信个人区域通信WPAN技术的现状和趋势特定用途无线通信技术的现状和趋势无线通信中的新技术,2008_5_12,无线通信的未来,43,SatelliteCommunications,2008_5_12,无线通信的未来,44,卫星通信,2008_5_12,无线通信的未来,45,2008_5_12,无线通信的未来,46,Agenda议程,移动通信技术的现状及趋势固定接入技术的现状及趋势卫星通信技术的现状及趋势个人区域通信WPAN技术4.1IEEE802.154.2蓝牙WSNUWB特定用途无线通信技术的现状和趋势无线通信中的新技术,2008_5_12,无线通信的未来,47,2008_5_12,无线通信的未来,48,5BodyAreanetwork,2008_5_12,无线通信的未来,49,5WirelessPresonalAreaNetworksIEEE802.15,2008_5_12,无线通信的未来,50,WPANBluetooth藍芽,IEEE802.15.1CableReplacementdatarate:1MbpsLowPowerLowCostStandardfordifferentproductsVoiceandDatacommunicationSupportmobilitySized0.5squireinches,2008_5_12,无线通信的未来,51,WPANBluetooth蓝牙,Bluetooth网络内并没有基站的概念，依应用程序设计，只有Master和Slaver的功能互相转换。,2008_5_12,无线通信的未来,52,WPAN802.15.3a,由于Bluetooth的传输速率仅1Mbps，对于RealTime的影音资料不敷使用，故发展出802.15.3aStandard，采用UWB(Utra-Wideband)技术，最高传输可达480Mbps，其网络架构跟Bluetooth差异不大。,2008_5_12,无线通信的未来,53,无线传感器网络(WSN)WirelessSensorNetwork,無線感測網路主要功能是隨意散佈的感測節點(SensorNode)於一未知感測區域來收集資料並回報給控制中心(SinkNode)。感測器裝置以本身電池來提供能源以進行感測、初步資料處理以及透過無線電介面回報資料。感測資訊可為溫度溼度甚至影像等IEEE組織制定感測節點間無線傳輸的協定IEEE802.15.4無線感測節點特色耗電量低CPU慢記憶體小傳輸率低容錯性佳體積小,2008_5_12,无线通信的未来,54,WSNApplications,環境的監視生態環境監控互動式的電腦遊戲保全探勘未知環境,2008_5_12,无线通信的未来,55,WSNApplicationinBerkeley,2008_5_12,无线通信的未来,56,WSNApplicationinBerkeley,HabitatMonitoringonGreatDuckIslandSensornodes,2008_5_12,无线通信的未来,57,WSNApplicationinBerkeley,BerkeleyAeRobottestbedforpursuitevasiongame.(outdoor),2008_5_12,无线通信的未来,58,SmartIndoorSpaces,SensorsModules,High-speedWirelessLAN(WLAN),WLAN-PiconetBridge,Piconet,WLAN-PiconetBridge,WLANAccessPoint,Piconet,WiredNetwork,NetworkedToys,SensorBadge,Collaboration:Muntz(CS)Alwan(EE)Potkonjak(CS)Baker(Education),“FusingthePhysicalandtheCognitive”,2008_5_12,无线通信的未来,59,高速率WPAN：个域网,下一代便携式消费者电器和通信设备之间将产生许多高速率的多媒体应用。这些应用必须得到高速率无线网络的支持和服务，因此WPAN应运而生,第一类涉及大宗（多兆字节）数据文档传送：如照片文档和视像流的传送、音乐文档的传送等第二类涉及实时视像和高质量声音：如数字摄像机在电视机上进行无线播放、在笔记本电脑与投影仪之间提供无线连接、配有高质量声音和3维图象的交互式游戏等,2008_5_12,无线通信的未来,60,BluetoothconnectsdevicestoInternet,bothonthefixedandmobileinfrastructureworldwide,2008_5_12,无线通信的未来,61,Automaticsynchronizer,TheInternetbridge,Ultimateheadset,Source:,Bluetoothtechnologycanbeusedtoconnectthingswithoutcable,Yourapplication,UWB无线超宽带技术UltraWideBand,电信学院信通系雷ropemind,TheNextBigThing,数Hz到数GHz的超带宽微弱的脉冲信号三大明显优点高达数百Mbps的数据速率仅为现有无线技术1/100的耗电量极低的成本,2008_5_12,无线通信的未来,63,UWBSpectrum,FCCrulingpermitsUWBspectrumoverlay,1.6,1.9,2.4,Bluetooth,802.11bCordlessPhonesMicrowaveOvens,PCS,5,802.11a,-41dBm/Mhz,“Part15Limit”,UWBSpectrum,Frequency(Ghz),EmittedSignalPower,10.6,3.1,2008_5_12,无线通信的未来,64,TheabovegraphiscourtesyofTimeDomain,Inc.,2008_5_12,无线通信的未来,65,TheoreticalDataRatesoverRange,UWBshowssignificantthroughputpotentialatshortrange,2008_5_12,无线通信的未来,66,2008_5_12,无线通信的未来,67,UWBApplication,2008_5_12,无线通信的未来,68,Agenda议程,移动通信技术的现状及趋势固定接入技术的现状及趋势卫星通信技术的现状及趋势个人区域通信WPAN技术的现状和趋势特定用途无线通信技术5.1平流层通信HARPS无线通信中的新技术,2008_5_12,无线通信的未来,69,2008_5_12,无线通信的未来,70,平流层通信HAP,2030km,每站覆盖面积S100万k,目前存在的问题：能源电力问题、物理平台的稳定问题、Corona离子推进器的可靠性,2008_5_12,无线通信的未来,71,2008_5_12,无线通信的未来,72,HAPS,HAPSHighAltitudePlatformStation,HAPS是利用气球、飞艇或飞机提供无线通信、广播业务的一种技术。,HAPS的覆盖范围直径达1501,000km，决定于地面用户可用的最小仰角。,HAPS的工作高度可在3至22km间。（多在平流层1722km工作）,2008_5_12,无线通信的未来,73,HAPS示意图,2008_5_12,无线通信的未来,74,高空平台站(HAPS)平流层通信网,与各种卫星系统相比，平流层空中平台因距地面近，地面终端所需电力小，终端易小型化。平流层是距地面850km的高空区域。这一区域的温度基本上是常数，存在臭氧层。在这一区域的低带，有时有一些军用飞行物但远高于商用飞机。HAPS通常可选20-23km的高度。每站覆盖面积S100万k,可同时容纳几十万人窄带、宽带通信接入。目前存在的问题：能源电力问题、物理平台的稳定问题、Corona离子推进器的可靠性问题等,2008_5_12,无线通信的未来,75,HAPS系统的优点,能覆盖范围大,成本低,容量大,延迟小,建设快、灵活,电波传播主要在自由空间传播,2008_5_12,无线通信的未来,76,HAPS的技术关键,容量大、点波束,保持平台稳定（最大风速55m/s）,能源：太阳能,2008_5_12,无线通信的未来,77,飞艇和飞机的比较,飞艇（无人）飞机（无人）飞机（有人）尺寸长150200m翼展3570m长30m总重量30吨1吨2.5吨能源太阳燃料电池太阳燃料电池燃料飞行时间5年6个月8小时定位（半径）1km3km10km任务载荷12吨50300kg1吨任务功率10kw3kw20kw例日本、韩国Helios,HeliPlatHALO中国、ATGPathfinderPlusLockheedMartinSkystation,ESA,2008_5_12,无线通信的未来,78,三种无线通信系统的比较,2008_5_12,无线通信的未来,79,HAPS存在的问题,所有材料必须重量轻、耐辐射。,飞艇防止氦泄漏。,动力必须能在55m/s风速下保持飞艇稳定,飞艇外壳必须有足够面积采集太阳能，且需储存部分能力供夜间使用。,必须产生和储存足够的能量供通信设备用,2008_5_12,无线通信的未来,80,研发中的HAPS之一,SkyStation美国SkyStationInternational公司250个覆盖全球覆盖太阳能电池提供动力系统造价：25亿美元数据率：固定业务：上行2Mb/s，下行10Mb/s移动业务：语音9.616kb/s,数据384kb/s,2008_5_12,无线通信的未来,81,研发中的HAPS之二,StratSat英国AdvancedTechnologyGroup公司军民两用位于平流层，不影响航空通话费比卫星通信降低1数量级太阳能电池：外壳上部1/4，朝向太阳可保持在1km3范围内,2008_5_12,无线通信的未来,82,研发中的HAPS之三,StratosphericPlatformSystem日本：邮电部、科技厅和Yokosuka无线电研究中心飞艇长200米，半刚性，充氦气太阳能电池和可再生燃料电池计划用15个飞艇组网为日本提供宽带广播业务,2008_5_12,无线通信的未来,83,研发中的HAPS之四,ARCSystem美国PlatformsWirelessInternational公司设计在低高度：310.5km覆盖范围：55225km直径150万用户,2008_5_12,无线通信的未来,84,研发中的HAPS之五,HALO-Proteus美国AngelTechnology公司有人驾驶飞机高空长期工作飞机:8hr轮班(HighAltitudeLongOperation)宽带无线大城市网，供T1接入、ISDN、高质量视频会议、大文件传输、以太网网桥。数据率：15Mb/s成熟的技术,2008_5_12,无线通信的未来,85,研发中的HAPS之六,SkyTowerNASA支持AeroVironment公司研制了一种太阳能无人飞机，称为Helios。Helios能在18km高空（平流层）连续飞行6个月以上在Helios上设一通信平台，称为SkyTower。平台和地面用户与网关相联。平台总吞吐率:1020Gb/s。用户传输速率：1.5Mb/s。2000，10成立SkyTower公司，寻求商业应用。,2008_5_12,无线通信的未来,86,研发中的HAPS之六,2008_5_12,无线通信的未来,87,研发中的HAPS之七,PathfinderPlusAeroVironment制造，无人太阳能飞机与SkyTower,NASA和Yokosuka研究中心合作，于2002年6月成功地试验了世界上第一个数字高清晰度电视（HDTV）广播。符合IMT-2000移动视频电话要求,2008_5_12,无线通信的未来,88,研发中的HAPS之八,AVCSAVCSAerialVehicleCommunicationsSystem美国GeneralAtomics公司（SanDiego）制造。,2008_5_12,无线通信的未来,89,研发中的HAPS之九,HeliPlat欧盟HeliNet计划平流层太阳能无人飞机平台飞机翼展70m，在1720km高低速盘旋由意大利航天局（PolitecnicodiTorino）牵头宽带通信负荷的任务主要由英国York大学承担有效载荷：100kg可用功率：数百瓦用途：蜂窝/个人通信、定位、监视处于开发前期,2008_5_12,无线通信的未来,90,研发中的HAPS之九,HeliPlat,2008_5_12,无线通信的未来,91,研发中的HAPS之十,清华大学电子工程系平流层课题组：1997年开始跟踪研究2002年月成功进行了平流层通信的概念性演示，实现了地面实时观测、图像实时下载、移动多媒体电视会议及移动因特网接入等。,2008_5_12,无线通信的未来,92,Agenda议程,移动通信技术的现状及趋势固定接入技术的现状及趋势卫星通信技术的现状及趋势个人区域通信WPAN技术的现状和趋势特定用途无线通信技术的现状和趋势无线通信中的新技术6.1软件无线电技术：SDR6.2智能天线与MIMO6.3协作通信系统,6.1软件无线电技术：SDR,电信学院信通系雷斌,Soft+Radio,新技术专题报告,2008_5_12,无线通信的未来,94,TheRacefortherooftop,WirelessLoop(PCS,WCS),AnalogCordlessDigitalCordlessFamilyRadioServiceCellularPCSEnhancedSMRMobileSatelliteService,DirectBroadcastSatellite(12GHz),WirelessCableMMDS/MDS(2.5GHz),BroadcastTV(HDTV/SDTV),CellularizedCable(28GHz),C-BandBroadcastSatellite(4-6GHz),BroadcastAMandFMRadio(DigitalAM/FM),WirelessTVSales/Polling(IVDS),One-wayandTwo-wayMessaging(Paging,N-PCS,220SMR),WirelessData(CDPD,N-PCS,UnlicensedPCS,PCS,ISM,GPS,SMR),WirelessMonitoringandControlofUtilitiesandSecurityDevices(ISM,N-PCS),Heybuddy,canyouspareaMHz?,WirelessFiber(38GHz),WCS(2.3GHz),2008_5_12,无线通信的未来,95,Radioinacar,2008_5_12,无线通信的未来,96,电子产品设计方法的选择DesignAlternatives,Microprocessors如果够快，绝对理想Ideal,iffastenoughGates,MSI,PALs过时、低效、不灵活Outdated,inefficientinflexibleDedicatedStandardChipSets专用标准芯片便宜CheapASICs功能固定且大量生产Onlyforrock-stable,high-volumedesignsProgrammableLogic适应性强，性能较高Forflexibilityandperformance,2008_5_12,无线通信的未来,97,无线设备中的软件？,数字、网络化应用：逼生设备软件成分提高无线网络设备的协议分层软件处理的深入：无线信号的处理SmartRadiosSoftwareDefinedRadios,2008_5_12,无线通信的未来,98,TheIdealInformationCompanion,ONEphoneformanyStandards,ONEPDAformanyStandards,ONEWLANformanyStandards,ONEInformationAppliance,Soft+Radio软件无线电技术无线通信技术的第三次变革,2008_5_12,无线通信的未来,99,TheUMTSVision,Seamlessend-to-endService,InternetworkRoaming,Satellite,Global,Suburban,Urban,In-Building,Pico-Cell,Micro-Cell,Macro-Cell,Home-Cell,Source:ITU,2008_5_12,无线通信的未来,100,Soft+Radio软件无线电技术：无线通信技术的第三次变革,2008_5_12,无线通信的未来,101,ApplicationsRollout,Java,3G,1Q1999,4Q1999,4Q2000,4Q2001,WAPlaunch,MobileOfficeScheduleManagementWorkflowManagementElectronicConferenceFileSharing,Multi-playerGames,Music,m-banking,InformationServices,Radio,SMS,Pictureclips,Routeplanning,ChatRoom,email,GPRS,Videoclips,m-stocktrading,m-cash,Video,Webcam,TVConference,InteractiveTV,Visual,HighSpeed,Intranet,Webaccess,PortalLink,2008_5_12,无线通信的未来,102,彩信关键技术：JPEGImageCompressionSystem,DCT/IDCT,Color-SpaceConverter,RastertoBlockConverter,CompressedImage,ImageSamples,Quantization,HuffmanEncoder,Alsousedindecompressionsystem,(*alsoNewLogiCores*),2008_5_12,无线通信的未来,103,软件无线电SDRSoftwareDefinedRadio,VariableFrequencyOscillator,LocalOscillator(fixed),Antenna,BandpassFilter,RF,IF,Baseband,ADC/DACDSP,2008_5_12,无线通信的未来,104,BlockDiagramSoftwareDefinedRadio,LocalOscillator(fixed),Antenna,RF,IF,Baseband,DSP,ADC/DAC,2008_5_12,无线通信的未来,105,BlockDiagramSoftwareRadio,Antenna,RF,IF,Baseband,DSP,ADC/DAC,2008_5_12,无线通信的未来,106,TheUniversalRadio通用无线电的构成方法,数字无线电PDR可编程数字电台软件（重新）定义：软件定义无线电SDR软件处理的无线电：软件无线电SWR,Multi-ModeInformationReceiver,2008_5_12,无线通信的未来,107,WhatisSoftwareDefinedRadio?,TechnologytocreateMulti-ModeradioMulti-BandradioformobilemultimediaplatformsRadiosthatareflexibleeasilyconfigurablebysoftwareRadiosbasedonvirtualcomponents(ie.system-on-a-chip),2008_5_12,无线通信的未来,108,FeatureofSDRReceivers,AdaptiveModulation自适应的调制解调FSK,GMSK,QPSK,QPSK,16QAM,etcAdaptiveDataRate自适应数据速率32kbps,42kbps,64kbps,270kbps,384kbps,2Mbps,etcAdaptiveAccessScheme自适应接入方式TDMA,FDMA,CDMA,SDMA,TDD,FDD,etcWhatisabenefitandkillerapplication?WorldWideTerminal世界通用的终端设备USA,EU,Aus,Japan,Taiwan,China,India,etc,2008_5_12,无线通信的未来,109,软件无线电的关键技术TechnicalIssuesinSDR,电调谐AntennaRFAdaptationtoEnvironmentDOA,SpatialProcessingBroadBand,MultiBandCharacteristicsAD和DASampling数字下变频高速数字信号处理SignalProcessing,2008_5_12,无线通信的未来,110,ProgrammableDevice,DSP(DigitalSignalProcessor)RISCTypeArchitectureASSP(ApplicationSpecificStandardProducts)FFTProcessorASIC(ApplicationSpecificIC)UserDesignFPGA(FieldProgrammableGateArray)ReconfigurablePLD(ProgrammableLogicDevice)DifferentInternalStructureMP(MicroProcessor)GeneralPurposeProcessor,2008_5_12,无线通信的未来,111,SoftwareAntenna,2008_5_12,无线通信的未来,112,DSPTrend,2008_5_12,无线通信的未来,113,常用的高速A/D变换器水平,2008_5_12,无线通信的未来,114,感知无线电CognitiveRadio,2008_5_12,无线通信的未来,115,CognitiveRadioOverview,J.Mitola:“SoftwareRadio:TechnologyandPrognosis”Proc.,IEEENationalTelesystemsConference1992“SoftwareRadioArchitecture”IEEECommunicationsMagazine,May1995CognitiveRadio,LicentiateThesis,KTH(RoyalInstituteofTechnology),Stockholm,2008_5_12,无线通信的未来,116,SDR与可重构系统,GAP,DSPDesignFlow,FPGADesignFlow,2008_5_12,无线通信的未来,117,TheNextStep:HW/SWCo-Design,SystemArchitect,FPGADesigner,2008_5_12,无线通信的未来,118,2008_5_12,无线通信的未来,119,SDR与智能天线SmartAntennas,Switchbeamarray,Trackingbeamarray,Threesectorarray,2008_5_12,无线通信的未来,120,智能天线SmartAntenna,Macro-diversity,Switched-beamant.,AdaptiveBF,Sectorization,SpatialProcessingApproaches用基带数字信号处理为每一信道提供一条赋形的天线发射波束。实现空分多址以增加系统的容量和频谱效率。降低发射功率，波束赋形时可以克服多径传播问题。,2008_5_12,无线通信的未来,121,SmartAntennaArray,Coherent-combiningarrayreceiverforaCDMAsystem,antenna0,WALSHCHIPMATCHEDFILTER,CRCDET,COMP.,x,s,0,3,2,.,m,z,metrics,Spatialcombining,despreading,longcode,antenna1,antenna2,antennaM,2008_5_12,无线通信的未来,122,软件无线电的应用,个人通信军事通信电子战雷达,2008_5_12,无线通信的未来,123,CommercialSDRExampleCommunicationsResearchLaboratory,Japan,SoftwareDefinedfunctionsPHS,GPS,ETC(ElectronicToll)SimultaneousPHS+ETC,GPS+ETCBuilt1999,Designedforin-vehicleoperationGPS,PHS,ETC+AM/FMradioBuilt2001,Source:“R&DonRegulatoryIssueofSDR”,H.Harada,SDRForumSep2003,2008_5_12,无线通信的未来,124,军用电台：干扰和抗干扰,固定频点通信栅格干扰跳频通信,2008_5_12,无线通信的未来,125,6.3MIMO,2008_5_12,无线通信的未来,126,协作通信技术,2008_5_12,无线通信的未来,127,2008_5_12,无线通信的未来,128,HeterogeneousNetworks不同种类的网络,Seamlessmobilityacrossdiverseoverlaynetworks“vertical”hand-offssoftware“agents”forheterogeneitymanagementIPasthecommondenominator,2008_5_12,无线通信的未来,129,WLAN,2008_5_12,无线通信的未来,130,无线自组织网AdHocNetworks,2008_5_12,无线通信的未来,131,MobileAdHocNetwork(MANET),aclusterofmobilehostseachinstallwithwirelesstransceiverdistributedenvironment(nobasestation)wirelessmulti-hopcommunicationbatterypowermobility,2008_5_12,无线通信的未来,132,MultiHop,Distributedandlarge-scalelikethecurrentInternet.But,physicalinsteadofvirtualresourceconstrainedreal-timecontrolloopsinsteadofinteractivehumanloops,Gateway,2008_5_12,无线通信的未来,133,6.5量子通信论简介,用电作为信息载体开始于1837年莫尔斯电码。还有什么可以作为信息载体？量子态,2008_5_12,无线通信的未来,135,什么是量子通