无线通信课件

第1讲无线通信系统概述,浙江大学信电系余官定yuguanding,主要内容,无线通信发展的历史无线通信系统的案例现代无线通信系统未来无线通信发展趋势,电信（Telecommunication)的新纪元,通信（Communication)作为电信（Telecommunication)是从19世纪30年度开始的。电磁波发现通信技术发展1831年法拉第电磁感应1837年莫尔斯发明电报1873年马克斯韦尔的电1876年贝尔发明电话磁场理论1895年马可尼发明无线电,电话的发明者贝尔,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1875年发明多路电报1876年发明电话一生曾获许多专利贝尔实验室,无线电的发明者马可尼,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曾获诺贝尔奖曾参加法西斯党,模拟通信的新纪元,科学发现和技术发明推动了通信的急速发展电磁波的发现通信技术发展1906年发明电子管模拟通信得到发展,数字通信的新纪元,1928年奈奎斯特准则和取样定理1948年香农：通信中的数学基础在理论上为数字通信准备了条件科学发现通信技术发展20世纪50年代数字通信得到发展发明半导体20世纪60年代发明集成电路,空间通信的新纪元,科学发现通信技术发展20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1963年第一次实现同步卫星通信,光纤通信的新纪元,科学发现通信技术发展20世纪60年代企图用于通信，未成功发明激光20世纪70年代光纤通信得到发展发明光导纤维中国人，高锟，2009年诺贝尔奖,通信系统模型,通信分类,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。从信道划分大致可有：,通信分类（2）,从通信内容上可有：语音通信(电话)图象通信多媒体通信从传输信号形式有：模拟信号通信数字信号通信还有其它一些分类方法，如窄带通信和宽带通信之分。语音、低速数据属窄带通信，而图像、多媒体、高速数据属宽带通信。,无线通信,无线通信是依靠自由空间来传输电磁波的通信方式。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）。对抗上述衰落是无线通信系统的关键。,无线通信的应用概况,短波/超短波通信天波（电离层）：数据/电话、单边带地波：小型接力机、单双工电台、对讲机微波通信微波接力（模拟、数字）、散射、点对多点微波电视、电话、数据卫星通信高轨道（同步静止）、中轨道、低轨道电视、电话、数据移动通信蜂窝电话、无绳电话、无线数据、集群系统、寻呼系统、卫星移动系统,通信频率的分段,Whynotused?,短波电离层通信,特点：超远距离、灵活机动；容量小、质量差用途：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/超短波地面通信特点：绕射能力、灵活机动、隐蔽性好；容量较小、质量较差用途：陆军电台对空电台特种通信(武警、公安)无绳电话,微波通信,微波接力特点：容量大、质量好、视距传播条件用途：中小容量微波SDH大容量微波扩频微波高频段微波,点对多点微波用途：无线集中器无线用户环散射微波通信衰落时变信道，距离远，频带较窄，质量较差用途军用民用,卫星通信,高轨道卫星通信特点：同步轨道、静止卫星、容量大、质量好、功率受限信道用途：国际长途海事卫星电视广播军事通信,中低轨道卫星通信特点：距离近、地面设备简单灵活，非静止轨道，要求跟踪用途：非实时信息传送遥感侦测卫星移动通信,卫星通信,移动通信,蜂窝系统无线通信最成功的应用第一代：模拟第二代：数字第三代：多媒体寻呼系统无线通信最大众化的应用,其它无线移动系统集群系统无绳电话系统无线数据系统无线ATM系统无线IP系统,21世纪电信网的发展趋势,20世纪21世纪业务方式以音频为主的单媒体以视频为主的多媒体干线传输双绞线，同轴线光纤用户传输有线无线复接方式PDHSDH交换模式STM分组交换、软交换网络方式三网鼎立三网合一,面向21世纪通信的三大革命,以干线（包括部分支线）传输光纤化为标志的光纤革命以SDH、ATM和IP为标志的数字革命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、OFDM、MIMO、空时信号处理,无线通信面临的挑战及发展机遇,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本未来信息高速公路的主干道无线通信的发展机遇灵活性抗灾性移动性,扩频技术(CDMA),扩频多址技术的缺点：非正交性(Non-orthogonality)优点：坚韧性(Robustness)坚韧性体现在：抗多径抗干扰蜂窝分割的频率再用扇区分割的频率再用前沿技术：时空联合处理、智能天线、多用户检测,第三代移动通信（1）,第一代模拟话音NMT(北欧)，AMPS(美国)，TACS(英国)第二代数字话音低速数据（小于64Kbps)GSM,PDC，IS-95，IS-136（D-AMPS）第三代多媒体业务（小于2Mbps）第二代业务,第三代移动通信（2）,IMT2000简介1985年国际电联就开始研究FPLMTS(FuturePublicLandMobileTelecommunicationSystems)，1996年正式更名为IMT2000国际移动通信系统，工作频段2000MHz，使用日期2000年IMT2000特点全球性综合性兼容性灵活性,第三代移动通信（3）,RTT标准的主要建议WCDMA欧洲把二个标准溶合成TDD/FDD，得到日本、美国、韩国支持cdma2000美国提出，和IS-95兼容TD-SCDMA中国提出,第三代移动通信（4）,主要技术指标静止最高传信速率2Mbit/s慢速移动最高传信速率384Kbit/s高速移动最高传信速率144Kbit/s,无线局域网WLAN,1997年6月26日，IEEE正式通过了无线局域网的802.11标准;802.11b工作在2.4GISM(工业、科研、医疗)频段内14个中心频道里的任何一个进行通信。802.11a是对在北美使用的WLNA中802.11b的升级，工作于5.7255.825GHzISM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。802.11g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有WLAN标准的一种提升。802.11n,etc,无线局域网WLAN,WiFi:WirelessFidelity,合乎IEEE802.11b的设备，可交WirelessEthernetCompatibilityAlliance（WECA）鉴定产品的兼容性。达到（WirelessFidelity，Wi-Fi）指标的产品在IEEE802.11b网絡使用时应具有百分之百互通兼容性。IEEE802.11(b,g&a)WiFi,无线个人区域网络,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）主要标准：蓝牙（Bluetooth）HomeRF高性能无线电LAN（HighPerformanceRadioLAN，HiperLAN）UWB,蓝牙（Bluetooth）,“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。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,无线城域网WMAN,IEEE802.16无线MAN标准可支持1GHz到2GHz、10GHz，以及12GHz到66GHz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。ADSL，VDSL的无线替换,WiMAX,WiMAX（WorldwideinteroperabilityForMicrowaveAccess）全球微波接入互操作性联盟主要成员的Airspan网络、Alvarion网络、Aperto网络、Ensemble通信、富士通微电子、英特尔、诺基亚、Proxim和Wi-LAN公司等众多无线设备制造商，召开新闻发布会称，将共同支持基于IEEE802.16无线标准的WMAN产品的研制与开发，并期望借此是WMAN服务接入成本降至与基于802.11b标准的WLAN接入相近的水平，进而推动WMAN技术市场的快速发展。,WiMAX,WiMAX的应用主要有蜂窝集成、802.11热点回程等，可以实现热点地区、小区的全无线覆盖，可以作为DSL、CableModem的补充部署社区宽带，在边远地区和山区等比较广域的地方，以及在跨越铁路、跨越桥梁的地方，WiMAX也可以得到充分应用。WiMAX目前的应用以固定为主，今后WiMAX也可应用到终端领域，实现终端设备在城域网中的漫游。IEEE802.16d/e/j/m,B3G/4G,标准：ITU开始研究和制定下一代蜂窝数字移动通信系统（4G）的国际标准IMT-Advanced系统为具有超过IMT-2000能力的新能力的移动系统。主要技术指标：数据传输速率(低速移动)达到100Mbit/s数据传输速率(静止)达到1000Mbit/s,B3G/4G,LTE是英文LongTermEvolution的缩写。LTE也被通俗的称为3.9G，具有100Mbps的数据下载能力，被视作从3G向4G演进的主流技术。LTE-Advanced是LTE的演进，2008年3月开始，2008年5月确定需求。它满足ITU-R的IMT-Advanced技术征集的需求。主要技术指标：带宽100M,峰值速率：下行1Gbps，上行500Mbps峰值频谱效率：下行30bps/Hz，上行15bps/Hz,无线传感器网络(WSN),无线传感器网络(WSN)是由大量无处不在的，具有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布网络系统，是能根据环境自主完成指定任务的“智能”系统，是构建物联网的重要技术,典型的WSN体系结构,三大技术支撑,微机电系统,传感技术,无线通信技术,无线传感器网络,广泛的应用领域,军事应用(MilitaryApplications)环境应用(EnvironmentalApplications)工业应用(IndustrialApplications)医疗保健(HealthApplications)家居应用(HomeApplications)商业应用(CommercialApplications)航空航天(AerospaceApplications,军事应用,C4ISRT系统的不可或缺的一部分我方火力、装备、军火弹药的监控生物、化学、核武器攻击的探测敌方地形和布防的侦察战争损伤估计战场监控目标跟踪,环境应用,森林火灾监控生态环境监测动物习性研究污染监控精细农业监测海洋、大气和土壤成分跟踪鸟、动物的移动、迁徙,森林监测例子,精细农业例子,工业应用,库存管理机器人控制工业自动化设备故障诊断工厂自动化生产线恶劣环境生产过程监控传统布线难以实现的设备联网,建筑结构的抗震性能,医疗与家居应用,医疗应用人体生理数据的远程监测(无线体域网wirelessbodynetwork)跟踪和监视医院内的病人药品识别管理家居应用家庭自动化（嵌入到智能吸尘器，智能微波炉，电冰箱等，实现遥控、自动操作和基于Internet，手机网络等的远程监控）智能家居环境（如根据亮度需求自动调节灯光，根据家具脏的程度自动进行除尘等）,商业应用,大厦的环境监控智能交互式博物馆交通监控和车辆跟踪足球裁判辅助系统商店商品管理智能玩具,智能车载网络,传感器节点附在每辆车上监测车辆位置、大小、速度、车辆密度、道路状况道路拥挤控制、更改路径、估计行驶时间,无线系统和标准,蜂窝移动通信系统2G，3G，3G-LTE，4G，5G无线局域网WiFi，IEEE802.11系列标准无线城域网WiMAX，IEEE802.16系列标准个人无线区域网络无线传感器网络,IEEE802.11Specs.(WiFi),802.11V.S.802.16,Comparisons:3Gvs.WiFi,Comparisons:3Gvs.Wi-Max,无线通信系统演进,is95,GSM,TDMA,PDC,100Mbps?,Newair-interface?,Adhocnetworks,WMAN,VirtualReality,AlwaysBestConnected,OpticalNetworking,GlobalWirelessStandards,IEEE802.15BluetoothIEEE802.15.3aUWB,WMAN20km,WLAN100m,WPAN10m,ETSIHiperPAN,IEEE802.11WirelessLAN,ETSIHiperLAN,IEEE802.16WirelessMAN,ETSIHiperMANHIPERACCESS,IEEE802.20(proposed),3GPP,GSM/EDGEWCDMATD-SCDMA,3GPP2CDMA20001xEV/DO/DV,未来移动通信的趋势,数据网络无线化、宽域化、移动化IEEE802.3；IEEE802.11；IEEE802.16；IEEE802.20电信网络数据化，宽带化1G,2G,3G,4G最终的目标是：高带宽，高速率，高速度的数据传输系统网络融合：WiMAX被接纳为3G的标准。,未来移动通信的趋势,异构网络(混合网络)多无线电共存：3GPP,3GPP2,Wi-Fi,WiMAX,etc.各种模式可以由同样的运营商管理，也可以由不同的运营商管理。多模终端双模双待双模单待用户透明的切换：水平切换，垂直切换。,未来移动通信的趋势,WirelessPersonalAreaNetwork,WirelessLocalAreaNetwork,Hand-over,WirelessWideAreaNetwork,频谱规范,美国的频谱分配由联邦通信委员会(FCC)管理，军方的频谱由OSM管理世界范围