无线通信基础-课件

张炜副教授电子科学与工程学院军事通信工程系无线通信基础无线通信基础1在偏远山区，手机信号往往很弱，接听电话时往往会掉线。2在高速移动的过程中，手机通话会突然出现“无声”或信号中断。何谓“绿色手机”？春节除夕夜，为什么有时发短信都很难发出去？为什么5我们的手机是占用相同的频率资源吗？如果是，成千上万台手机是怎样共享频谱资源的？6手机与手机之间的信号是直接点对点传输的吗？7漫游的收费一直很高，漫游是如何实现的？军用无线通信民用无线通信21在偏远山区，手机信号往往很弱，接听电话时往往会掉线。为【教学目标】讲授无线通信系统的基本概念、基本原理、基本分析设计方法和关键技术。【教学要求】掌握无线通信的基本概念；掌握无线信道的基本特性；掌握无线信道基本的建模与分析方法；掌握典型带通信道数字调制方式；掌握无线多址技术；基本掌握蜂窝移动通信系统系统组成和组网技术；了解无线通信系统的最新技术和发展趋势。无线通信基础【教学目标】讲授无线通信系统的基本概念、基本原理、基本分析设无线通信基础无线通信信道与传输、网络管理技术（教材1~3、5~6章）主要内容：信号与系统/信号处理通信原理电磁场与天线预修课程：

40学时教学安排：考核方式：笔试：80％实验:15%平时成绩：5％无线通信基础无线通信信道与传输、网络管理技术主要内容：信号无线通信基础教材《无线通信与网络》WirelessCommunicationsandNetworking[美]JonW.Mark,WeihuaZhuang著李锵郭继昌等译腾建辅审校无线通信信道与传输、网络管理技术（教材1~3、5~6章）主要内容：无线通信基础教材无线通信信道与传输、网络管理技术主要内容：无线通信基础第1章绪论第2章无线信道的特性2.1多径传播环境；2.2线性时变信道模型；2.3信道相关函数；2.4大尺度路径损耗与阴影衰落；2.5小尺度多径衰落；1.1无线通信的定义与工作频段；1.2无线通信的发展历程；1.3无线通信的分类；1.4无线通信的实例；1.5无线通信的发展与展望；无线通信基础第1章绪论第2章无线信道的特性2.1多径传无线通信基础第3章移动无线系统的带通传输技术第5章蜂窝通信基础3.1引言；3.2移动无线系统常用的数字调制方式；3.3传输错误概率；3.4（补充）扩频通信系统；5.1概述；5.2频率复用与移动性管理；5.3区群的概念；5.4同信道与邻信道干扰；5.5基站处的呼叫阻塞与延迟；5.6扩大系统容量的其他方法；5.7信道分配策略；无线通信基础第3章移动无线系统的带通传输技术第5章蜂窝通无线通信基础第6章多址接入技术6.1无线小区中的多址接入技术；6.3无冲突多址接入技术；6.4频谱效率；无线通信基础第6章多址接入技术6.1无线小区中的多址接入重要的参考书：《无线通信原理与应用》（第二版）

[美]TheodoreS.Rappaport著周文安付秀花王志辉等译宋俊德审校无线通信基础重要的参考书：《无线通信原理与应用》（第二版）[美]Th无线通信基础其他参考书：L.S.Gordon著，裴昌幸等译.《移动通信原理（第二版）》,电子工业出版社，2004年S.Haykin,M.Moher著，郑宝玉等译，《现代无线通信》，电子工业出版社，2006年蒋同泽著.《现代移动通信系统》，电子工业出版社，1998年无线通信基础其他参考书：L.S.Gordon著，裴昌幸等译.第一章绪论主讲人：张炜电子科学与工程学院军事通信工程系第一章绪论主讲人：张炜电子科学与工程学院军事通信工程系1.1

无线通信的定义与工作频段1.2

无线通信的发展历程1.3

无线通信的分类1.5

无线通信的发展与展望1.4

无线通信的实例1.1无线通信的定义与工作频段1.2无线通信的发展历有线通信无线通信以“无线电波”做为媒体进行信息交换的通信称为无线通信。1.1无线通信的定义与工作频段1、无线通信的定义光缆传输的误比特率大约是10-12，在某些无线通信系统中采用的2FSK调制的误比特率是，为平均信噪比。要使无线信道的误比特率与光缆一样，计算所需的平均信噪比？无线信道的误比特率要求通常远大于10-12

13有线通信无线通信以“无线电波”做为媒体进行信息交换的通信称为移动通信至少有一方处于移动状态下进行信息交换的通信就叫做移动通信。移动通信的基础为无线通信，但环境更复杂，对设备的要求更苛刻。无线移动通信无线通信以“无线电波”做为媒体进行信息交换的通信称为无线通信。1.1无线通信的定义与工作频段1、无线通信的定义14移动通信至少有一方处于移动状态下进行信息交换的通信就叫做移动针对大气层而言，那段频谱最适宜通信？RFspectrum30GHz30M1.1无线通信的定义与工作频段15针对大气层而言，那段频谱最适宜通信？RFspectrum3极低频ELF甚低频VLF低频LF中频MF高频HF甚高频VHF特高频UHF超高频SHF极高频EHF红外线可见光紫外线无线通信的工作频段:3KHz－3000GHz1.1无线通信的定义与工作频段16极低频甚低频低频中频高频甚高频特高频超高频极高频红外线无线通频段名称HFVHFUHFLSCXKuKKaFEV频段(GHz)0.003~0.030.03~0.30.3~1.01.0~2.02.0~4.04.0~8.08.0~12.512.5~18.018.0~26.526.5~40.040.0~60.060.0~90.090.0~140.无线通信的工作频段:3KHz－3000GHz1.1无线通信的定义与工作频段17频段名称HFVHFUHFLSCXKuKKaFEV频段0.00各频段的主要信道模式及典型应用简述Loran-C(美)及我国长河二号远程脉冲相位差导航系统；时频标准传递；远程通信广播。地表面波；地-电离层波导。Omega(美)、α(俄)超远程及水下相位差导航系统；全球电报通信及对潜指挥通信；时间频率标准传递；地质探测。地下与海水传播；地-电离层波导。甚低频（VLF）:3～30kHz低频（LF）:30kHz～300kHz广播，通信，导航。地表面波；空中波。中频（MF）:0.3～3MHz1.1无线通信的定义与工作频段18各频段的主要信道模式及典型应用简述Loran-C(美)及我国远距离通信广播，超视距天波及地波雷达，超视距地空通信。地表面波；空中波；电离层反射。高频（HF）:3MHz～30MHz语音广播，移动通信，接力通信，航空导航信标。直线传播；对流层散射。甚高频（VHF）:30～300MHz电视广播，飞机导航，警戒雷达；卫星导航；卫星跟踪、数传及指令网，蜂窝无线电。直线传播；散射传播。分米波（UHF）:0.3GHz～3GHz各频段的主要信道模式及典型应用简述1.1无线通信的定义与工作频段19远距离通信广播，超视距天波及地波雷达，超视距地空通信。地表面多路语音与电视，雷达，卫星遥感，固定及移动卫星信道。直线传播。厘米波（SHF）:3～30GHz短路径通信，雷达，卫星遥感。直线传播。毫米波（EHF）:30GHz～300GHz短路径通信。直线传播。亚毫米波:300～3000GHz各频段的主要信道模式及典型应用简述1.1无线通信的定义与工作频段20多路语音与电视，雷达，卫星遥感，固定及移动卫星信道。直线传播

物理发现

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年麦克斯韦的电

1876年贝尔发明电话磁场理论

1895年马可尼发明无线电1906年发明电子管

开辟了模拟通信的新纪元1928年奈奎斯特采样定理1948年香农定理

理论上为数字通信准备了条件20世纪60年代发明半导体和

集成电路

开辟了数字通信的新纪元20世纪60年代的航天技术

1963年第一次实现同步卫星通信20世纪70年代发明光导纤维

光纤通信得到发展20世纪70－80年代，随着蜂窝网的出现，蜂窝无线通信系统迅猛发展，并迅速成为无线通信最耀眼的研究方向。1.2无线通信的发展历程1837年莫尔斯电报发报收报传输线21物理发现 通信技术发展1.2无线

1976年美国人亚历山大

格雷厄姆

贝尔研制出了可以发送说话声音的装置（话筒、耳机），取名为“电话机”，并建立了贝尔电话公司。从此通信进入了电话通信时代。莫尔斯电报和贝尔电话都是有线通信，当时人们认为电只能沿导线传输。可当时的英国科学家麦克斯韦尔不这样认为，早在1864年麦克斯韦尔就从理论上预言了电磁波的存在，他认为电能可以在空间移电磁波的形式存在，1864年麦克斯韦尔在英国皇家学院发表了他的第三篇著名论文——《电磁场力学的理论》，在这篇论文中，麦克斯韦尔严格推导出完善的电磁波方程（麦克斯韦尔方程）并得出电磁波的传播速度等于光速（30万公里/秒）的重要结论。1887年德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在证明了麦克斯韦尔预见的正确性。1895年，意大利的马可尼和俄国的波波夫把电磁波应用到无线电报通信中，但当时电波的传送距离较近（20~300公里），而且声音很微弱，只能用耳机收听，距离远了就听不见。直到1906年，26岁的美国青年，业余无线电爱好者德福雷斯特发明了具有放大能力的真空三极管后，通信技术有了突飞猛进的发展，先后出现了无线电广播，电视，无线电话，并发展到今天的计算机通信、卫星通信，光纤通信，网络通信，移动通信等。221976年美国人亚历山大格雷厄姆贝尔研制马可尼（1874－1937）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金无线电的发明者－马可尼1897年，马可尼在陆地和一艘拖船上完成莫尔斯电码无线通信实验，标志无线通信的开始。1.2无线通信的发展历程23马可尼（1874－1937）意大利人无线电的发明者－马可尼1器件的发展过程:电子管晶体管集成电路大规模可编程器件1906年德弗雷斯特发明了具有放大能力的真空三极管1.2无线通信的发展历程24器件的发展过程:电子管晶体管集成电路大规模可1906年德弗雷1928年，美国底特律警察局率先使用装备能适应移动车辆震动影响的无线电收发信机――超外差AM接收机的警用车辆无线电移动系统（单向），载波频率约为2MHz，标志移动通信开始。30年代初，第一个双向移动通信系统在新泽西的贝尼尔警察局投入运行（半双工）。1946年，第一个公共移动电话系统在美国的5个城市建立。60年代中期，开发出了“IMTS－－改进的移动电话服务系统”（模拟FM，大区制），使模拟FM技术达到了30年发展的顶峰。1978年底，贝尔实验室研制成功模拟蜂窝移动通信系统―(AMPS)；同时期开通的第一代移动通信系统有：1980北欧的NMT，1979日本东京、神户、大阪的HAMTS、1985英国伦敦的TACS等。1988年，第一个数字蜂窝系统在欧洲建立，称为全球移动通信系统（GSM）。移动通信的历史发展历程1.2无线通信的发展历程251928年，美国底特律警察局率先使用装备能适应移动车辆震动移动通信的技术发展历程26移动通信的技术发展历程26FirstGenerationAnalogueCircuitswitchedBasicvoicetelephonyLowcapacityLimitedlocalandregionalcoverageSecondGenerationDigitalCircuitswitchedVoiceplusbasicdataapplicationsLowdataspeedEnhancementstowardspacketswitchinghigherdataratesTrans-nationalandglobalroamingDigitalPacketandcircuitswitchedAdvanceddata(multimedia)applicationsFastdataaccessGlobalcoverageGlobalroamingThirdGenerationBeyondThirdGenerationDigitalPacketswitchedAllIPbased(IPv6)MoreadvancedmultimediaapplicationsUserincontrolFlexibleplatformofcomplementaryaccesssystemsHighspeeddataImprovedQoSGlobalcoverageGlobalroaming1.2无线通信的发展历程移动通信的技术发展历程27FirstGenerationSecondGenerat按工作方式划分：单工、半双工、双工1.3无线通信的分类单工通信系统例如？28按工作方式划分：单工、半双工、双工1.3无线通信的分类单工按工作方式划分：单工、半双工、双工1.3无线通信的分类半双工通信系统例如？29按工作方式划分：单工、半双工、双工1.3无线通信的分类半双按工作方式划分：单工、半双工、双工1.3无线通信的分类双工通信系统例如？30按工作方式划分：单工、半双工、双工1.3无线通信的分类双工频分双工（FDD）发送接收收发保护频段时分双工（TDD）发送接收收发保护时间间隔发送接收……按工作方式划分：单工、半双工、双工双工通信系统特点：模拟/数字系统均可占用的较宽的频带特点：只能用于数字系统较复杂：需要对切换时间、延时、同步等问题进行处理等31频分双工（FDD）发送接收收发保护频段时分双工（TDD）发送按多址方式划分：FDMA、TDMA、CDMA、SDMA等1.3无线通信的分类多个用户共享有限的无线频谱codecodecode32按多址方式划分：FDMA、TDMA、CDMA、SDMA等1.例：蜂窝移动通信系统技术规范模拟蜂窝ETACS

频率900MHz

间隔25KHz

调制话音FM，信令FSK

多址FDMA

双工FDD数字蜂窝CDMA(IS-95)

频率824-894MHz/1.8-2.0GHz

间隔1.25MHz

调制扩频+QPSK/BPSK

多址CDMA

双工FDD1.3无线通信的分类数字蜂窝GSM

频率890－960MHz

间隔200KHz

调制GMSK

多址TDMA

双工FDD数字蜂窝D-AMPS(IS-54)

频率824-894MHz

间隔30KHz

调制/4-DQPSK

多址TDMA/FDMA

双工FDD？33例：蜂窝移动通信系统技术规范模拟蜂窝ETACS按信号形式：模拟网、数字网按组网形式：大区制、小区制1.3无线通信的分类按业务类型：电话网、数据网、综合业务网、多媒体按服务特性：专用网、公共网按使用环境：陆地、海上、空中按使用对象：民用、军用按系统应用：无线寻呼、无绳电话、公用电话/数字、调度（集群）等等按覆盖范围：城域网（MAN）、局域网（LAN）、车域网（VAN）等34按信号形式：模拟网、数字网按组网形式：大区制、小区制1.31.4无线通信的实例集群通信系统无绳电话无线寻呼无线局域网卫星通信网蓝牙Bluetooth/紫蜂ZigBee超宽带无线通信UWB数据链各种军用/民用无线电台、无线通信系统蜂窝移动通信系统

广播与电视351.4无线通信的实例集群通信系统无绳电话无线寻呼无无绳电话AtelephonewithawirelesshandsetthatcommunicatedwithabasestationconnectedtoPSTNViaRFsignal,operateincloserange(<100m).Designedforlow-cost,low-mobility,toreplacephonecordStartedaroundlate1970sMid1990s:digitalcordlessphoneCT-2standard1.4无线通信的实例36无绳电话Atelephonewithawirel无绳电话欧洲数字无绳电话系统（DECT）个人手持电话系统（PHS）个人接入通信系统（PACS）在我国应用比较广泛的“小灵通”采用了PHS协议，是属于无绳电话衍生的通信手段。1.4无线通信的实例37无绳电话欧洲数字无绳电话系统（DECT）1.4无线通信WirelesslocalareanetworksSupporthigh-speeddatatransmissioninsmallregion,supportmovingatpedestrianspeedsISMorU-NIIbands:licensefree,lowpower900MHz(902-928),2.4GHz(2.4-2.4835),5.8(5.725-5.825)GHzHistoryEarly1990s:1stGeneration,e.g.MotorolaAltair2ndGeneration:IEEE802.11b无线局域网1.4无线通信的实例38Wirelesslocalareanetworks无线Standards:IEEE802.11b(11Mbps),1999.IEEE802.11a/g(54Mbps),2001.HomeRF2.0:FH/SS,10Mbps,2001HIPER-LAN:European5.2GHzand17.1GHzbandHiperLAN2:54Mbps.SupportQoS.无线局域网1.4无线通信的实例39Standards:无线局域网1.4无线通信的实例39GeosynchronoussystemsInmarsat:analogvoice,newdigitaltechnologyenablesmall,lessexpensivemobiles(briefcasesize)Difficultfortwo-wayvoice/networking:largeround-tripdelay；largedevices；lowdatarate(<10kbps)卫星通信网1.4无线通信的实例40Geosynchronoussystems卫星通信网1.LEOsystemsLoworbitsatellites,butneed30-80satellitesforglobalcoverage.Activeinlate1990s(Iridium,Globalstar)Globalstar:providevoice/dataservice(under10kbps)BestapplicationofsatellitesVideo/Audiobroadcast卫星通信网1.4无线通信的实例41LEOsystems卫星通信网1.4无线通信的实例41Bluetooth,ZigBeeGoodforembeddingintoelectronicdevices,sensors,etcBluetooth:Short-rangeconnectionsbetweenwirelessdevices,withbasicnetworkingcapabilityTransmissiondistance:10m~100m2.4GHz,1Mbps.FH/TDD.ZigBee(IEEE802.15.4)Evenlowercostandpower.Objective:workformonthsoryearswithoutrechargingbattery,forsensornetsandRFID.250kbps,upto30m,

低成本、低功率通信系统（蓝牙Bluetooth/紫蜂ZigBee）1.4无线通信的实例42Bluetooth,ZigBee低成本、低功率通信系统（蓝UWBExtremelywidebandradios(GHz)withveryhighpotentialdatarates(upto540Mbps)Canuse3.1~10.6GHzband,butwithextremelylowpowertoavoidinterferencetootherapplicationsSupportonlyshort-distancetransmissionAdvantage:preciseranging,highdatarates,lowpower,smalldevicesChallenges:interference,multipath,synchronization超宽带无线通信UWB1.4无线通信的实例43UWB超宽带无线通信UWB1.4无线通信的实例431.5无线通信的发展与展望未来，无线通信新的发展在哪里？个人通信（PersonalCommunications，简称PCS）全球范围内实现在任何时间（whenever）、任何地点（wherever）以任何通信方式（whichever）与任何对象（whomever）进行任何业务（whatever）的无缝隙、不间断通信。实现它主要包含两大部分