无线通信技术

1、哈工大软件学院哈工大软件学院主讲：郭主讲：郭 勇勇邮箱邮箱:电话电话0451-86417732- -2 2- -l 掌握无线系统的分类l 了解无线电、微波、红外线的特点及应用l 了解信号传播模式l 了解移动环境下的衰退l 陆地移动及卫星通信系统的组成学习完本课程，您应该能够：- -3 3- -9.1 无线系统的分类无线系统的分类9.2 无线频谱的分配无线频谱的分配9.3 移动环境下信号的衰退移动环境下信号的衰退9.4 扩频技术简介扩频技术简介 9.5 陆地移动及卫星通信系统陆地移动及卫星通信系统- -4 4- -9.1 无线系统的分类无线系统的分类l 无线系统的分

2、类无线系统的分类u 按照频段范围分：按照频段范围分：短波、超短波、微波、毫米波等。短波、超短波、微波、毫米波等。u 按照传播方式分：按照传播方式分：地面视距、地面超视距、对流层散射、地面视距、地面超视距、对流层散射、电离层反射、卫星等。电离层反射、卫星等。u 按照多址方式分按照多址方式分：点对点、点对多点等。：点对点、点对多点等。u 按照应用背景分：按照应用背景分：固定接入、移动接入、数据接入等。固定接入、移动接入、数据接入等。u 按照连接方式分按照连接方式分：电路连接、分组连接等。：电路连接、分组连接等。- -5 5- -9.1 无线系统的分类无线系统的分类(续续)l 地面无线系统的应用分类

3、地面无线系统的应用分类u 无线固定接入无线固定接入 无线本地环路无线本地环路 (WLL)，工业科学医学，工业科学医学(ISM)，本地多点分，本地多点分配业务配业务(LMDS)u 无线移动接入无线移动接入 第二代蜂窝及在第二代上增加的业务：第二代蜂窝及在第二代上增加的业务：WAP、GPRS等等 第三代蜂窝第三代蜂窝u 无线数据接入无线数据接入 WLAN 、802.11，Bluetooth- -6 6- -9.1 无线系统的分类无线系统的分类9.2 无线频谱的分配无线频谱的分配9.3 移动环境下信号的衰退移动环境下信号的衰退9.4 扩频技术简介扩频技术简介 9.5 陆地移动及卫星通信系统陆地移动及

4、卫星通信系统- -7 7- -l 频率统一分配（频率统一分配（FCC/ITU-R/各个国家）各个国家）:根据信息类型根据信息类型分配频谱分配频谱(AM/FM无线电台、无线电台、TV、蜂窝电话、蜂窝电话 )l 无线电特点无线电特点u 能穿透墙壁，也可到达普通网络线无法到达的地方。能穿透墙壁，也可到达普通网络线无法到达的地方。u 受雪、雨天气的干扰。受雪、雨天气的干扰。u 可全方向广播，也可定向广播。可全方向广播，也可定向广播。- -8 8- -无线电频谱和波段划分无线电频谱和波段划分段号频段名称频段范围波段名称波长范围1极低频(ELF)330赫（Hz）极长波10010兆米2超低频(SLF)303

5、00赫（Hz）超长波101兆米3特低频(ULF)3003000赫（Hz）特长波10010万米4甚低频（VLF）330千赫（KHz）甚长波101万米5低频（LF）30300千赫（KHz）长波101千米6中频（MF）3003000千赫（KHz）中波101百米7高频（HF）330兆赫（MHz）短波10010米8甚高频（VHF）30300兆赫（MHz）超短波101米9特高频（UHF） 3003000兆赫（MHz）分米波微波101分米10超高频（SHF）330吉赫（GHz）厘米波101厘米11极高频（EHF）30300吉赫（GHz）毫米波101毫米12至高频3003000吉赫（GHz）丝米波101丝米-

6、 -9 9- -l 工业、科学、医学工业、科学、医学(ISM)所使用的频段所使用的频段u 此频段此频段( 2.42.4835GHz)主要是开放给工业，科学、医学，主要是开放给工业，科学、医学，三个主要机构使用三个主要机构使用u 该频段是依据美国联邦通讯委员会该频段是依据美国联邦通讯委员会(FCC)所定义出来，属所定义出来，属于于Free License，并没有所谓使用授权的限制，并没有所谓使用授权的限制,但限制功率但限制功率u 专用于非许可的商业用途（救护车、警察、出租车、无专用于非许可的商业用途（救护车、警察、出租车、无线遥控玩具、无线电家用设备等）线遥控玩具、无线电家用设备等）u ISM频

7、段是对所有无线电系统都开放的频段，因此使用频段是对所有无线电系统都开放的频段，因此使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源。例如某些其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源。例如某些家电、无绳电话、汽车房开门器、微波炉等，都可能是家电、无绳电话、汽车房开门器、微波炉等，都可能是干扰。干扰。 - -1010- -1. 微波传输方式微波传输方式u 地面系统地面系统:利用定向天线在较低的利用定向天线在较低的GHz范围内收发信号。范围内收发信号。u 卫星微波系统卫星微波系统:在定向天线和卫星之间传输信号。在定向天线和卫星之间传输信号。- -1111- -2. 微波的中继方式微波的中继方式 由于地球曲面

8、的影响以及空间传输的损耗，每隔50公里左右，就需要设置中继站。 直接中继方式直接中继方式 将收到的射频信号将收到的射频信号直接直接移到其他射频上，无须经过微波移到其他射频上，无须经过微波-中频中频-微波的上下变频过程。微波的上下变频过程。- -1212- - 外差中继方式外差中继方式 将射频信号进行将射频信号进行中频解调中频解调，在中频进行，在中频进行放大放大，然后经过上，然后经过上变频调制到微波频率，发送到下一站。变频调制到微波频率，发送到下一站。- -1313- - 基带中继方式基带中继方式 不仅需要不仅需要上下变频上下变频，还要进行，还要进行调制解调电路调制解调电路，因此基带中，因此基带

9、中继可以上下话路。是微波通信的主要中继方式。继可以上下话路。是微波通信的主要中继方式。- -1414- -3. 红外线红外线 利用红外光波传送信号。采用电磁频谱的利用红外光波传送信号。采用电磁频谱的THz范围。范围。发发光二极管光二极管或或激光二极激光二极管用于发射信号；管用于发射信号；光电管光电管则能接收则能接收信号。信号。 信号不能穿透墙壁等固体物体信号不能穿透墙壁等固体物体 易受强烈光源的影响易受强烈光源的影响u 应用与优点应用与优点 短距离通信（短距离通信（TV、录像机、录像机、DVD、音响等）、音响等） 不同房间内的红外系统互不干扰不同房间内的红外系统互不干扰 防窃听安全性比无线电系

10、统好防窃听安全性比无线电系统好- -1515- -9.1 无线系统的分类无线系统的分类9.2 无线频谱的分配无线频谱的分配9.3 移动环境下信号的衰退移动环境下信号的衰退9.4 扩频技术简介扩频技术简介 9.5 陆地移动及卫星通信系统陆地移动及卫星通信系统- -1616- -l 衰退（衰退（fading）u 传输传输媒体媒体或者或者路径路径使得接收信号的使得接收信号的能量发生变化能量发生变化u 在固定环境下：大气层条件的变化（例如：下雨）在固定环境下：大气层条件的变化（例如：下雨） 低频具有更强的穿透力，可以传输更远的距离；低频具有更强的穿透力，可以传输更远的距离； 频率越高，衰减越严重，发射

11、机需要更大的功率，传输范频率越高，衰减越严重，发射机需要更大的功率，传输范围更短；围更短；u 在移动环境下：障碍物的相对位置随时间发生变化，造在移动环境下：障碍物的相对位置随时间发生变化，造成复杂的传输效果成复杂的传输效果 多径传播多径传播- -1717- -l 多径（多径（multipath）传播的影响）传播的影响u 多径（多径（Multipath） 障碍物反射信号，使得接收端收到多个不同延迟的信障碍物反射信号，使得接收端收到多个不同延迟的信号。号。u 一个信号的多个拷贝以不同的相位到达一个信号的多个拷贝以不同的相位到达 如果相位破坏性地叠加，则相对噪声来说信号的强度如果相位破坏性地叠加，则

12、相对噪声来说信号的强度就会下降（信噪比减小），导致接收端检测困难。就会下降（信噪比减小），导致接收端检测困难。u 信号串扰（信号串扰（Intersymbol interference ） 一个脉冲的一个或多个延迟的拷贝在一个比特时间内一个脉冲的一个或多个延迟的拷贝在一个比特时间内到达到达- -1818- -l 多径（多径（multipath）传播的影响）传播的影响(续续)u 假设以给定频率在固定天线和移动节点之间的链路上发假设以给定频率在固定天线和移动节点之间的链路上发送一个窄脉冲送一个窄脉冲- -1919- -9.1 无线系统的分类无线系统的分类9.2 无线频谱的分配无线频谱的分配9.3 移

13、动环境下信号的衰退移动环境下信号的衰退9.4 扩频技术简介扩频技术简介 9.5 陆地移动及卫星通信系统陆地移动及卫星通信系统- -2020- -1. 扩频通信扩频通信:u 它是一种信息传输方式，其它是一种信息传输方式，其信号信号所占有的所占有的频带宽度远大频带宽度远大于于所传所传信息必需的最小带宽信息必需的最小带宽；u 频带的展宽是通过频带的展宽是通过编码及调制的编码及调制的方法实现的，与所传信方法实现的，与所传信息数据无关；息数据无关；u 在接收端则用在接收端则用相同的扩频码相同的扩频码进行相关解调来进行相关解调来解扩解扩及及恢复恢复所传信息数据。所传信息数据。- -2121- -l 1.

14、很强的抗干扰能力很强的抗干扰能力 干扰信号被干扰信号被扩展扩展到一到一 很宽的频带很宽的频带上，使进入信号上，使进入信号通频带内的干扰功率大大降低。其抗干扰能力与其频带通频带内的干扰功率大大降低。其抗干扰能力与其频带的扩展倍的扩展倍 数成正比，频谱扩展得越宽，抗干扰的能力数成正比，频谱扩展得越宽，抗干扰的能力越强。越强。l 2. 可进行多址通信可进行多址通信扩频通信本身就是一种多址通信方式，称为扩频多扩频通信本身就是一种多址通信方式，称为扩频多址（址（SSMASpread Spectrum Multipe Access），实际），实际上是码分多址（上是码分多址（CDMA）的一种，）的一种，CD

15、MA是未来全球是未来全球个人通信的一种主要的多址通信方式。个人通信的一种主要的多址通信方式。- -2222- -l 3. 安全保密安全保密 由于扩频系统将传送的信息扩展到很宽的频带上去，由于扩频系统将传送的信息扩展到很宽的频带上去，其功率密度随频谱的展宽而降低，甚至可以将信号淹没其功率密度随频谱的展宽而降低，甚至可以将信号淹没在噪声中。因此，其保密性很强在噪声中。因此，其保密性很强l 4. 抗多径干扰抗多径干扰 扩频所用的扩频码的扩频所用的扩频码的相关特性相关特性能起到抗多径干扰的能起到抗多径干扰的作用，甚至可利用多径能量来提高系统的性能。作用，甚至可利用多径能量来提高系统的性能。- -232

16、3- -l 扩频系统的一般描述扩频系统的一般描述- -2424- -9.1 无线系统的分类无线系统的分类9.2 无线频谱的分配无线频谱的分配9.3 移动环境下信号的衰退移动环境下信号的衰退9.4 扩频技术简介扩频技术简介 9.5 陆地移动及卫星通信系统陆地移动及卫星通信系统- -2525- -1. 什么是陆地移动通信系统：什么是陆地移动通信系统：u 是指通信双方至少一方是在运动中通过陆地通信网络进是指通信双方至少一方是在运动中通过陆地通信网络进行通信的系统。行通信的系统。2. 陆地移动通信系统的分类陆地移动通信系统的分类u 蜂窝公用陆地移动通信系统蜂窝公用陆地移动通信系统u 集群调度移动通信系

17、统集群调度移动通信系统u 无绳电话系统无绳电话系统u 无线寻呼系统无线寻呼系统- -2626- -基地站移动台网络3. 陆地移动通信系统组成陆地移动通信系统组成l 3G移动通信技术的相关知识移动通信技术的相关知识 3G是英文3rd Generation的缩写，指第三代移动通信技术。 相对第一代模拟制式手机(1G)和第二代GSM、TDMA等数字手机(2G)，第三代手机一般地讲，是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。 它能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务 为提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就

18、是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps(兆字节每秒)、384kbps(千字节每秒)以及144kbps的传输速度。 简单地说，3G实际上就是一个宽带的无线网络。而启动这个无线宽带网络的意义在于它可以为用户实施各种新的应用，提供更为宽广的平台- -2727- -l 3G移动通信技术的相关知识移动通信技术的相关知识(续）续）1.1. 通信类业务通信类业务基础话音业务基础话音业务 3G时代的基本话音业务比起时代的基本话音业务比起2G来更有价格优势，其通话质量显著提高，失真来更有价格优势，其通话质量显著提高，失真率降低，有望接近于固定电话的音质。率降低，有望接近于固定电话的音质。视视像

19、业务：像业务： 视像业务是视像业务是3G时代的最引人关注的业务之一。通过时代的最引人关注的业务之一。通过3G终端的摄像装置以及终端的摄像装置以及3G网络高速的数据传输，电话两端的用户可以看见彼此的影像，从而实现对话双网络高速的数据传输，电话两端的用户可以看见彼此的影像，从而实现对话双方的方的“面对面面对面”实时交流。实时交流。2.2. 娱乐类业务娱乐类业务u提供提供“声色俱佳声色俱佳”的娱乐业务的娱乐业务:音乐、影视的点播业务音乐、影视的点播业务体育新闻的点播与体育赛事的精彩预告、回顾体育新闻的点播与体育赛事的精彩预告、回顾图片、铃声下载图片、铃声下载- -2828- -l 3G移动通信技术的

20、相关知识移动通信技术的相关知识(续）续）3.3. 资讯类业务资讯类业务u 由于由于3G网络的大容量与高速率，网络的大容量与高速率，3G运营商所提供的资讯类业务大多摆运营商所提供的资讯类业务大多摆脱了脱了2G时代的纯文字内容，更多地是通过视频、音频来实现资讯内容时代的纯文字内容，更多地是通过视频、音频来实现资讯内容的实时交互性传达。的实时交互性传达。 新闻类资讯新闻类资讯 财经类资讯财经类资讯 便民类资讯便民类资讯4.4. 互联网业务互联网业务 电子邮件业务电子邮件业务 利用互联网监控家居利用互联网监控家居- -2929- -l 4G通信通信u 基本概念基本概念-4G的直观描述图的直观描述图 是

21、在是在1G、2G、和和 3G基础上发展起来的基础上发展起来的 是与是与2G 和和3G共存的共存的 （目前：（目前：2.5G 代表：代表：GPRS、Edge） 传输速率较传输速率较3G提高提高10倍、成本降低倍、成本降低10倍（倍（2001年）年）- -3030- -速率覆盖面积 移动性宏小区高的移动性微小区有限的移动性固定接入64kbps2Mbps200MbpsP-MP (LMDS)Milli-wave LANWLANl 4G系统技术目标和特点系统技术目标和特点u 4G系统应具有系统应具有更高的数据率更高的数据率、更好的业务质量（更好的业务质量（QoS）、更高的频谱利用率、更高的安全性、更高的

22、智能性、更高的频谱利用率、更高的安全性、更高的智能性、更高的传输质量、更高的灵活性更高的传输质量、更高的灵活性；u 4G系统应能支持非对称性业务，并能支持多种业务；系统应能支持非对称性业务，并能支持多种业务；u 4G系统应体现移动与无线接入网和系统应体现移动与无线接入网和IP网络不断融合的发网络不断融合的发展趋势，因此展趋势，因此4G系统应当是一个全系统应当是一个全IP的网络。的网络。 - -3131- -l 4G系统技术目标和特点系统技术目标和特点-4G系统的容量系统的容量u 4G系统的容量至少为系统的容量至少为3G系统的系统的10倍倍u 4G系统的频谱效率应当为系统的频谱效率应当为3G系统

23、的系统的5到到10倍倍u 4 4G G系统目标速率为：系统目标速率为： 高速移动用户（高速移动用户（250250km/hkm/h），），数据速率为数据速率为2 2Mbps;Mbps; 中速移动用户（中速移动用户（6060km/hkm/h），），数据速率为数据速率为2020Mbps;Mbps; 低速移动用户（室内或步行者），数据速率为低速移动用户（室内或步行者），数据速率为100100MbpsMbps 具有不同速率间的自动切换能力具有不同速率间的自动切换能力, ,以保证通信质量以保证通信质量. .- -3232- -l 4G系统技术目标和特点系统技术目标和特点-基于基于IP的网络的网络u 4G应

24、当是一个基于应当是一个基于IP的移动网络，可以采用多种无线接的移动网络，可以采用多种无线接入方式，比如入方式，比如IEEE 802.11, WCDMA, Bluetooth, 等。等。u 全全IP的核心网可以与无线接入方式独立地发展。的核心网可以与无线接入方式独立地发展。4G系统系统将会采用将会采用Ipv6。Ipv6将能在将能在IP网络上实现话音和多媒体网络上实现话音和多媒体业务。业务。u 4G系统将能实现不同系统将能实现不同QoS的业务的业务u 4G系统通过动态带宽分配和调节发射功率来提供不同质系统通过动态带宽分配和调节发射功率来提供不同质量的业务。能提供用户定义的个性化服务量的业务。能提供

25、用户定义的个性化服务,按服务级别收按服务级别收费费. - -3333- -l 4G系统的关键技术系统的关键技术u 4G系统是一个远比系统是一个远比3G更加复杂的通信系统，它的实现需要依更加复杂的通信系统，它的实现需要依托于很多新兴技术。托于很多新兴技术。u 在在4G系统中可能采用的关键技术主要包括系统中可能采用的关键技术主要包括: 正交频分复用正交频分复用(OFDM)技术技术 软件无线电技术软件无线电技术 智能天线技术智能天线技术 移动移动IPv6技术技术- -3434- -l 4G系统的关键技术系统的关键技术-正交频分复用正交频分复用(OFDM)技术技术u OFDM技术将需要传输的串行数据流

26、分解为若干个较低技术将需要传输的串行数据流分解为若干个较低速率的并行子数据流，速率的并行子数据流，u 将它们各自调制到相互正交的子载波上将它们各自调制到相互正交的子载波上u 最后合成输出，输出的数据速率与串行数据流分解前的最后合成输出，输出的数据速率与串行数据流分解前的速率相同。速率相同。u 优点：优点： 频谱可以重叠-提高了频谱利用率 采用跳频的方法有很好的抗窄带干扰能力。 系统可以在频谱利用率和误码率之间取得最佳平衡- -3535- -l 4G系统的关键技术系统的关键技术-软件无线电软件无线电u 基本思想: 将硬件作为其通用的基本平台，把尽可能多的无线及个人通信的功能通过可编程软件来实现，

27、使其成为一种多工作频段、多工作模式、多信号传输与处理的无线电系统 它是一种用软件来实现物理层连接的无线通信方式。u 主要目的 解决通信装备不同而引起的通信不畅的问题 它的出现是无线通信继从模拟到数字、从固定到移动后，从硬件到软件的第三次变革u 核心技术l 是用宽频带的无线接收机来代替原来的窄带接收机，并将宽带的模拟/数字、数字/模拟变换器尽可能的靠近天线，从而使通信电台的功能尽可能多的采用可编程软件来实现。- -3636- -l 4G系统的关键技术系统的关键技术-智能天线智能天线 u 智能天线采用了空分多址智能天线采用了空分多址(SDMA)的技术的技术u 利用信号在传输方向上的差别，将同频率或

28、同时隙、同利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同码道的信号进行区分，动态改变信号的覆盖区域，使主码道的信号进行区分，动态改变信号的覆盖区域，使主波束对准用户方向波束对准用户方向l 4G系统的关键技术系统的关键技术-IPv6协议协议u 优点：优点： 有足够的地址空间有足够的地址空间 支持移动性管理支持移动性管理 - -3737- -l 4G网络通信面临的挑战网络通信面临的挑战(1)标准难以统一标准难以统一u 由于没有统一的国际标准，各种移动通信系统彼此互不兼容，由于没有统一的国际标准，各种移动通信系统彼此互不兼容，给手机用户带来诸多不便。给手机用户带来诸多不便。u 因此，开发第四代移动

29、通信系统必须首先解决通信制式等需要因此，开发第四代移动通信系统必须首先解决通信制式等需要全球统一的标准化问题，而世界各大通信厂商将会对此一直在全球统一的标准化问题，而世界各大通信厂商将会对此一直在争论不休。争论不休。(2)容量受到限制容量受到限制u 从从理论上说其所谓的每秒理论上说其所谓的每秒100MB的宽带速度，比目前手机信息的宽带速度，比目前手机信息传输速度每秒传输速度每秒10KB要快要快1万多倍万多倍，如，如系统容量有限，手机用户系统容量有限，手机用户越多，速度就越慢越多，速度就越慢。- -3838- -(3)市场市场难以难以消化消化u 有专家预测在有专家预测在10年以后，年以后，3G的

30、多媒体服务会进入第三个发展阶的多媒体服务会进入第三个发展阶段，全球段，全球25%以上人口使用以上人口使用3G移动通信系统，第三代技术仍然移动通信系统，第三代技术仍然在缓慢地进入市场，到那时整个行业正在消化吸收第三代技术在缓慢地进入市场，到那时整个行业正在消化吸收第三代技术，对于，对于4G通信系统的接受还需要一个逐步过渡的过程。通信系统的接受还需要一个逐步过渡的过程。u 另外，在过渡过程中，如果另外，在过渡过程中，如果4G通信因为系统或终端的短缺而导通信因为系统或终端的短缺而导致延迟的话，那么号称致延迟的话，那么号称5G的技术随时都有可能威胁到的技术随时都有可能威胁到4G的赢的赢利计划利计划u (4)设施设施难以更新难以更新u 在部署在部署4G通信网络系统之前，覆盖全球的大部分无线基础设施通信网络系统之前，覆盖全球的大部分无线基础设施都是基于第三代移动通信系统建立的，如果要向都是基于第三代移动通信系统建立的，如果要向4G转移，那么转移，那么全球的许多无线基础设施都需要经历着大量的变化和更新全球的许多无线基础设施都需要经历着大量的变化和更新- -3939- -l 4G系统国内相关情况系统国内相关情况u 2013年年12月月18日，中国移动在广州宣布，将建成全球最日，中国移动在广州宣布，将建成全