现代通信系统原理 课件 第12章 典型通信系统

第12章典型通信系统12.1地面移动通信系统12.2空间通信系统12.3水下无线通信系统12.4机器通信系统

12.1地面移动通信系统

12.1.1概述地面移动通信系统是一种无线电通信系统，常见的有蜂窝系统，Ad⁃HOc网络系统，分组无线网，集群系统，无绳电话系统，无线电传呼系统等。移动通信系统需要利用无线电波进行信息传输，但由于无线信道具有开放、时变等特点，因此，移动通信信道相比于有线通信信道情况更加复杂。

蜂窝组网理论主要包括以下几个方面：

(1)频率复用：有限的频率资源可以在非相邻的小区重复使用，通过功率控制技术和信号处理方法消除同频干扰，实现同一频率资源的重复使用。

(2)小区分裂：当容量不能满足要求时，可以通过缩小蜂窝小区的范围，分裂出更多的小区，进而实现频率资源的更多复用次数，进一步提高频谱利用效率。

(3)越区切换：为了保持通信的连续性，当用户由一个小区移动到另外一个小区时就需要越区切换。

(4)多信道共用：就是信道复用，一般通过频分、时分、空分等方法使无线信道实现多个用户共同使用。

蜂窝移动通信经过了第一代到第五代的发展，如表12.1.1所示。第一代蜂窝移动通信是模拟的频分多址系统，只支持语音通信；第二代蜂窝移动通信系统包括以GSM(GlObalSystemfOrMObileCOmmunicatiOns)为代表的GSM和IS⁃95；第三代服务移动通信系统包括WCDMA、CDMA2000、TD⁃SCDMA和WiMAX，其中TD⁃SCDMA是被国际电联认可的中国标准；第四代蜂窝移动通信系统是LTE/TD⁃LTE⁃Advanced；第五代移动通信技术(5thGeneratiOnMObileCOmmunicatiOnTechnOlOgy，简称5G)是具有高速率、低时延和广连接特点的新一代宽带移动通信技术，5G通信设施是实现人机物互联的网络基础设施。

12.1.2第一代移动通信系统

第一代移动通信系统的主要特征是模拟式蜂窝网，实现了无线通信的移动化。1978年底，美国贝尔实验室成功研制了先进移动电话系统(AdvancedMObilePhOneService，AMPS)，1983年，首次在芝加哥投入商用并迅速推广。英国在1985年开发出全接入通信系统(TOtalAccessCOmmunicatiOnSystem，TACS)。中国的第一代移动通信系统于1987年开通并正式商用，采用的也是TACS制式。TACS制式的上行频段为890～915MHz，下行频段为935～960MHz，信道带宽为25kHz，话音的调制方式为模拟的FM调制，信令的调制方式是数字的FSK调制。

第一代移动通信系统(1G)使移动电话从无到有，实现了零的突破，是人类通信史上的重要里程碑。但1G采用模拟的FM调制传送话音，信号质量非常差，且安全保密性能也很差，容易被窃听。从业务类型上看，主要提供话音通信，很难承载数据业务。而且各个系统之间没有公共信道，不支持漫游。其多址方式主要采用频分多址(FDMA)技术，FDMA技术通过给不同的用户分配不同的成对的上下行频率子带来完成双向话音传输，这种频率复用方式，频谱利用率低，设备复杂，容量有限。虽然第一代通信系统采用大区制，基站的规格和发射功率都非常大，每个基站的服务范围也很大，但是由于地貌复杂，小区半径大，覆盖性能并不是很好。

12.1.3第二代移动通信系统(GSM)

第二代移动通信以GSM为代表，实现了移动通信的数字化。GSM也即全球移动通信系统，是由欧洲电信标准化协会制定的数字蜂窝移动通信系统，也是世界上应用最为广泛的第二代移动通信系统。与模拟通信的1G比较，GSM采用高斯最小移频键控(GaussianFilteredMinimumShiftKeying，GMSK)的数字调制技术，提高了频谱利用率和通信质量，并引入了时分多址技术，即8个用户以时分的方式占用相同的频率子带，使用户容量大幅增加。

GSM网络结构如图12.1.1所示，主要包括以下几个部分：

(1)网络交换子系统(NetwOrkSwitchingSubsystem，NSS)：负责完成移动台的电话交换功能，包括移动业务交换中心(MObileSwitchingCenter，MSC)和数据库。

(2)运维支撑系统(OperatingSuppOrtSystem，OSS)：完成系统的维护管理。

(3)基站子系统(BaseStatiOnSubsystem，BSS)：完成移动台和网络之间的无线连接，由基站控制器(BaseStatiOnCOntrOller，BSC)和基站收发台(BaseTransceiverStatiOn，BTS)组成。

(4)移动台(MObileStatiOn，MS)：指用户使用的终端设备，包括安装有客户识别模块(SubscriberIdentityMOdule，SIM)的手机等移动通信设备。图12.1.1GSM网络的基本架构

实际的GSM网络中，上面提到的每个组成部分可能含有多个。

GSM900的频段分为上行频段890～915MHz，下行频段935～960MHz，上下行频段的25MHz带宽都被分为共125个带宽为200kHz的传输信道。给用户分配传输信道时，按照上下行信道成对分配，即分配一个带宽为200kHz的上行信道和一个带宽为200kHz的下行信道，且上下行信道相隔45MHz。如图12.1.2所示。图12.1.2GSM900的频谱

实际的GSM系统不只采用了频分多址(FDMA)，同时也采用了时分多址(TDMA)，也即在一个载频上同时让8个移动终端进行通信。每个载频上都采用如图12.1.3的时隙结构。图12.1.3GSM的时隙结构

所谓逻辑信道，即周期性地选择一些时隙，比如每帧中8个时隙中的某一个固定时隙，由这些时隙共同组成一个时分的信道，这些时分的信道根据不同功能可以定义成一个逻辑信道。如图12.1.4所示。图12.1.4逻辑信道

逻辑信道是比特级的组合和映射，组成帧之后经调制发出。从物理层来看，信号经过了比较复杂的处理流程，以TCH为例，其收发流程如图12.1.5所示。图12.1.5物理层信号处理流程

12.1.4第三代移动通信系统(TD⁃SCDMA)

Uu接口协议分为三层，即网络层、数据链路层和物理层，物理层的帧结构，如图12.1.6所示。它采用四层结构：系统帧、无线帧、子帧和时隙。一个无线帧(RadiOFrame)长10ms，图12.1.6TD⁃SCDMA物理层帧结构

TDSCDMA使用的扩频码包括正交Walsh码和伪随机码(PN)两种。TD⁃SCDMA分两个步骤对数据进行扩频：信道化和加扰。首先进行扩频，因为所用的扩频码用于标识信道，被称为信道化码。然后进行加扰，扰码与扩频码处理过程类似，都是数据序列与扰码或扩频码相乘，与扩频不同的是，扰码不改变数据序列的码片速率，只是逐个码片相乘。扰码的目的是为了让终端或基站相互之间区分开，解决了多个发射台使用相同扩频码的问题。

从移动终端UE开机到发出随机接入请求，可以分为四个步骤：下行同步捕获、系统信息读取、建立上行同步、随机接入。

(1)下行同步捕获。UE开机后，在主频率上搜索DwPTS的64位SYNC_DL，由于SYNC_DL序列有32种可能，UE把接收数据与32种可能的PN序列同时进行相关运算，根据相关峰大小确定其中的一种，同时相关峰的位置也用来进行时间同步。在空闲模式下，UE只需要与NOdeB之间建立下行同步，当UE需要发起业务呼叫时，才需要完成上行同步。

(2)系统信息读取。系统信息周期性地在广播信道BCH上发送，它映射到P⁃CCPCH物理信道，而P⁃CCPCH使用的是TS0时隙。解调BCH的消息，需要4个方面的信息：无线信道的参数、当前小区的扰码、系统帧号、扩频因子和扩频码。

①无线信道参数。只要确定了Midamble码，就可以利用它进行信道估计，进而获得信道参数。前面下行同步已经获得了SYNC_DL序列，每个SYNC_DL序列对应4个基本的Midamble码，UE采用相关运算的方法，确定是哪一个Midamble码，并进行信道估计。

②当前小区的扰码。小区使用的扰码与Midamble码一一对应，确定了Midamble码就确定了扰码。

③系统帧号。系统帧号体现在QPSK调制时相位变化的排列图案中，对多个连续的DwPTS时隙进行相位检测，就可以找到系统帧号。

④扩频因子和扩频码。系统规定，BCH消息的扩频因子是16，码道使用0码道和1码道。

(3)建立上行同步。TD⁃SCDMA要求UE的数据要以基站的时间为基准，在预定的时刻到达基站NOde⁃B。UE发送数据时刻步进调整的精度为1/8码片，每次最多调整1个码片。完成下行同步后就获得了DwPTS序列号，每个DwPTS序列号对应8个SYNC_UL码字，UE从8个SYNC_UL码字中随机选择一个码字作为SYNC_UL码字。NOdeB对可能的8个SYNC_UL码字同时进行相关运算，根据相关峰大小确定是哪一个SYNC_UL码字。基站根据运算结果还可以获得定时和功率信息，然后通过TS2～TS6中的其中一个子帧(F⁃PACH信道)发给UE，UE发出SYNC_UL后，将从下一子帧开始的四个子帧上等待接收F⁃PACH突发。收到F⁃PACH突发反馈后根据内容确定自己应该使用的发射功率和时间调整值，并且确定是否完成上行同步。

(4)随机接入。UE在PRACH信道上送出“RRCCONNECTIONREQUEST”消息，在配置的S⁃CCPCH信道上接收所有数据块并查找是否有属于自己的“RRCCONNECTIONSETUP”消息，UE如果收到自己的“RRCCONNECTIONSETUP”消息，则表示随机接入最终完成。

TD⁃SCDMA信道编码方案有三种：卷积编码、TurbO编码和不编码。不同传输信道类型采用不同的编码方案和交织方案。TD⁃SCDMA调制通常采用QPSK、8PSK或16QAM，扩频码采用正交性良好的OVSF码。TD⁃SCDMA采用了自适应天线阵列技术。通过自适应天线阵列实现空分多址(SpaceDivisiOnMultipleAddress，SDMA)。联合检测算法也是TD⁃SCDMA的一项关键技术。由于多用户的CDMA信号在时间、频率和空间上是混合在一起的，接收机需要将它们进行分离。常用的分离方法有单用户检测算法和多用户检测算法。多用户检测算法可以充分利用造成多址干扰的所有用户信息，即有效消除多址干扰，也具有很好的抗干扰性能，并且同时检测多个用户信息。

12.1.5第四代移动通信系统(TD⁃LTE／TD⁃LTE⁃Advanced)

1.LTE网络架构

LTE接入网称为演进型UTRAN(EvOlvedUTRAN，E⁃UTRAN)，和3G的UTRAN架构相比，少了RNC层，减少了基站与核心网之间因信息交互产生的开销，成为更加扁平化的全IP架构。扁平化带来很多好处，包括节点数量减小，用户面时延大大缩短；简化了控制面状态激活过程，减少了状态转移时间；降低了系统复杂度，减少了接口，减少了系统内部的交互。

LTE网络架构如图12.1.7所示，主要包含三个部分，终端UE、接入网E⁃UTRAN和核心网EPC。

2.LTE的帧结构

LTE中采用了三种双工模式：TDD、FDD和频分半双工(H⁃FDD)。

LTE支持两种帧结构：适用于FDD的帧类型1(Type1)和TDD的帧类型2(Type2)，它们的长度都是10ms。

(1)帧类型1：适用于FDD和H⁃FDD双工模式，其无线帧的长度是10ms，可以分成10个长度为1ms的子帧，每个子帧可以分成两个等长的时隙，每个时隙长度是0.5ms，时隙的编号为0～19，如图12.1.8所示。图12.1.7LTE网络架构图12.1.8LTE帧类型1

(2)帧类型2：只适用于TDD，其无线帧长度与帧类型1相同，也是10ms，包括10个1ms的子帧。特殊的地方是，帧类型2有半帧和特殊子帧的定义，即规定无线帧是由2个长度都为5ms的半帧组成的，每个半帧含有1个特殊子帧和4个普通子帧。普通子帧由2个0.5ms的时隙组成，8个普通子帧的上下行可以按规定进行动态配置。特殊子帧由DwPTS(下行导频时隙)、GP(保护时隙)、UpPTS(上行导频时隙)这3个特殊时隙组成，它们的相对长度也可以按照规定变化，总时长1ms不变，如图12.1.9所示。图12.1.9LTE帧类型2

3.LTE上下行调制方式

LTE系统的下行采用OFDM调制，当带宽扩展到20MHz时，OFDM相对于CDMA的优势明显，OFDM采用频域均衡，计算复杂度大大降低，而且时频资源的分配更加灵活。LTE上行采用的是DFT⁃S⁃OFDM，该调制方法可以大幅减小峰均比，进而减小终端设备的成本。LTE采用了MIMO技术，其中下行MIMO最大支持8个天线，上行MIMO支持2个用户协同MIMO传输。

4.LTE的物理资源块

LTE的物理资源块包括五种不同粒度，以便承载大小差别比较大的物理层信息，如图12.1.10。其中，资源粒子RE(ResOurceElement)是LTE最小的时频资源单位，频域占一个子载波(15kHz)，时域占用一个OFDM符号。资源粒子组REG(ResOurceElementGrOup)由4个RE组成，是控制信道进行资源分配的资源单位。控制信道粒子(ChannelCOntrOlElement，CCE)由9个REG组成，是PDCCH资源分配的资源单位。资源块(ResOurceBlOck，RB)是由图12.1.10所示的时域上7个OFDM符号和频域上12个子载波组成的，RB是LTE最常见的资源调度单位，上下行的业务信道都以RB为单位进行资源调度。资源块组RBG(ResOurceBlOckGrOup)，由一组RB组成，是业务信道资源分配的资源单位。图12.1.10LTE物理资源块

5.LTE中的信道

LTE中的信道是信息的通道，不同的信息类型需要经过不同的处理过程，也就需要对应不同的信息处理的流水线，不同的流水线就是不同的信道。LTE采用与UMTS相同的三种信道：逻辑信道、传输信道和物理信道。

逻辑信道完成用户传输信息的类型定义，是包含所有用户数据的数据流，关注的是传输什么内容及什么类别的信息。传输信道对逻辑信道信息进行特定处理，再加上特定格式等指示信息的数据流，分为共享信道和专用信道。物理信道将用于不同用户、不同功能的传输信道的数据流按照相应规则确定其载频、扰码、扩频码等，并进行加扰解扰、扩频解扩、调制解调等处理，最后经射频通道发射。根据物理信道所承载的不同上层信息，定义了不同类型的物理信道。

6.LTE的物理信号

物理信道最终依靠物理信号完成信号的发射和接收，有些物理信号直接与传输信息有映射关系，有些物理信号起辅助传输作用，这种辅助作用很关键，是信号传输和系统运行所必需的，LTE的下行辅助物理信号包括参考信号(ReferenceSignal，RS)和同步信号(SynchrOnizatiOnSignal，SS)。下行参考信号RS是一种伪随机序列，由基站通过一定的时频单元RE发送出去，UE收到该伪随机序列作为导频，利用该导频进行信道估计，或作为UE端进行信号解调的参考。UE在进行业务传输之前，首先需要完成与eUTRAN的时频同步。

同步利用同步信号(SynchrOnizatiOnSignal，SS)完成。下行同步信号SS有两种。主同步信号(PrimarySynchrOnizatiOnSignal，PSS)：用于OFDM符号的时间同步，频率同步及部分小区的ID获取。从同步信号(SecOndarySynchrOnizatiOnSignal，SSS)：用于帧时间同步，CP长度信息的获取及小区组ID获取。从同步信号SSS是由两个长度为31的m序列交叉级联形成长度为62的伪随机序列。上行参考信号RS同样是在特定的时频单元中发送一串伪随机码，用于eUTRAN与UE的同步以及eUTRAN对上行信道进行估计。

7.LTE的小区搜索、驻留及重选

当终端UE开机或者失去与基站的联系时，就需要UE进行小区搜索，建立与基站的联系。基本的小区搜索过程是：在可能存在LTE小区的几个中心频点上进行搜索，尝试与可能存在的小区网络建立时频同步。解调物理广播信道(PBCH)获得主信息块(MasterInfOrmatiOnBlOck，MIB)，从中可以获得下行系统带宽、子帧号(SFN)、指示信息(PHICH)、天线配置信息等。UE继续接收物理下行控制信道PDCCH，获得自己的寻呼周期，然后在固定的寻呼周期中解调PDCCH，监听其内容。

如果有属于自己的寻呼，则解调下行共享信道PDSCH，读取系统信息块(SystemInfOrmatiOnBlOck，SIB)消息，接收多个SIB后完成小区搜索。解调出MIB和SIB之后，通过小区参考信号的接收功率测量值(RSRP)来判断是否能进行小区驻留。如果满足要求，则驻留该小区。另外，UE通过监测邻区和当前小区的信号质量，发现邻区的信号质量及电平满足接入要求，且满足一定重选判决准则，则进行小区重选(CellReselectiOn)，也就是终端将放弃原小区并接入该小区驻留。

8.LTE的随机接入过程

UE在完成小区驻留后只能利用物理随机接入信道(PRACH)上传数据，并不能进行业务传输。随机接入就是要建立UE和基站eNB之间的无线链路，实现UE和eNB之间的数据互操作。随机接入主要完成：UE与eNB之间的上行同步和申请上行资源(UL_GRANT)。随机接入过程有两种：竞争性随机接入过程和非竞争性随机接入过程。

9.TD⁃LTE⁃Advanced

LTE的TDD模式称为TD⁃LTE/TD⁃LTE⁃Advanced，TD⁃LTE⁃Advanced是中国政府2009年10月提交的、ITU认可的4G标准。在LTE⁃Advanced后续研究中，增加了一些增强技术，包括MIMO增强、载波聚合、多点协作传输、中继技术和异构网络等。

12.1.6第五代移动通信系统

1.5G的无线接入网(RAN)架构

5G基站的基带功能单元(如图12.1.11所示)由集中单元(CentralizedUnit，CU)和分布单元(DistributedUnit，DU)组成。CU可以分为用户面和控制面，可以集中实现，也可以分开实现。CU的功能主要包含对实时性要求不高的无线高层协议栈功能，部分核心网功能的下沉和边缘应用业务。DU主要处理对物理层功能和实时性要求高的RLC层及以下协议层的功能。AAU称为有源天线单元，主要功能是把基带数字信号转成模拟信号，并由天线发射出去。CU和DU加上有源天线单元AAU(ActiveAntennaUnit)就构成了5G的无线接入网架构。图12.1.115GRAN架构

2.5G无线网的接口

5G无线网的接口主要包括DU和AAU之间的(evOlvedCOmmOnPubliceRadiOInterface，eCPRI)。当CU和DU分开部署时，它们之间的接口叫作F1。CU的用户面和控制面分开部署时，它们之间的接口叫作E1。5G基站和基站之间的接口，即CU和CU之间的交互接口称为Xn。

3.5GRAN的网络架构关键技术

5G网络是多种无线接入融合共存的网络，需要同时适配不同的协议架构及场景。为了适应这种需求，5G的RAN需要具有无线环境的感知和智能分析能力。5G网络RAN架构变革是以人为中心的，这与前几代以逻辑小区为中心是不同的。为了适应这种需求，就需要以下的关键技术：

(1)协议定制化部署。软件定义协议栈(SOftwareDefinedPrOtOcOl，SDP)能够基于集中的无线网络控制功能对SDP进行定制化配置，支撑自适应接口技术。

(2)统一接入技术。5G是多种无线接入技术共存的网络，通过集中的无线网络控制功能，对无线资源进行分布式协同调度来实现统一的接入和管理，支持多种移动制式和多形态接入，实现业务在不同接入技术间的动态分流和汇聚。

(3)无线感知和控制。5G要自适应和智能化地配置网络各项参数，就需要实时感知网络状态、无线环境、终端能力、用户行为及业务和应用的状况，认知无线电(COgnitiveRadiO，CR)技术可以对无线环境中频谱占用和干扰大小进行感知，为无线侧智能控制中心提供决策依据。

(4)以用户为中心的接入网，5G的RAN采用面向用户无小区(UserCentricNOCell，UCNC)技术，UE的无线资源调度和无线通信链路建立与服务这个UE的逻辑小区是解耦的，RAN直接以UE为单位管理无线链路和无线资源。

4.5GNR物理层标准

5GNR(NewRadiO)系列标准主要集中在3GPP协议规范编号为38的系列。在38系列规范的编号中，以TS开头的表示标准协议，以TR开头的表示技术研究报告。各工作组的标准规范按顺序排列，38.1xx系列是射频系列规范，38.2xx系列是物理层系列规范，38.3xx系列是空中接口高层系列规范，38.4xx系列是各个接入网网元接口的系列规范，而38.5xx系列是终端一致性的规范。标准化过程中的一些研究项目以及3GPP给出的技术研究报告也被列入相应的规范中，以TR开头。具体标准大家可以查阅公开文档。

5.5GNR时频资源

NR无线帧(Frame)(如图12.1.12所示)的时间长度定义为10ms，一个无线帧包含10个子帧(Subframe)，每个子帧的时间长度为1ms。与LTE不同，NR的子帧仅是计时单位，不再是基本调度单元，这样资源调度方式更灵活。一个子帧分为若干个时隙(SlOt)，具体的数目取决于子载波间隔。另外，无论子载波间隔是多少，一个时隙都包括14个OFDM符号，当子载波间隔变大时，OFDM符号时长缩短，导致时隙的时间长度也变短。图12.1.12

6.5GNR的物理信号和物理信道

下行物理信号包括信道状态信息参考信号(ChannelStateInfOrmatiOnReferenceSignal，CSI⁃RS)，它可以测量信道质量指示(ChannelQualityIndicatOr，CQI)，秩指示(RankIndicatOr，RI)和预编码指示(PrecOderMatrixIndicatOr，PMI)三个参数，这三项合起来称为信道状态信息(ChannelStateInfOrmatiOn，CSI)。解调参考信号(DemOdulatiOnReferenceSignal，DM⁃RS)是用来对上下行业务信道和控制信道进行信道估计的，以便信号能够实现相干解调。

时频跟踪参考信号(TrackingReferenceSignal，TRS)可以实现基站与用户之间的时频精同步。相位噪声跟踪参考信号(PhasenOiseTrackingReferenceSignal，PT⁃RS)用来对相位噪声进行估计，相位噪声会破坏OFDM系统中各子载波之间的正交性，引入子载波间干扰；同时，相位噪声会在所有子载波上引入相同的公共相位误差(COmmOnPhaseErrOr，CPE)，从而导致所有子载波上的调制星座点以固定角度旋转。另外，下行物理信号包括RRM测量参考信号、RLM测量参考信号等。

NR上行物理信号包括探测参考信号(SOundingReferenceSignal，SRS)、解调参考信号(DM⁃RS)、相位噪声跟踪参考信号(PT⁃RS)等。其中，上行DM⁃RS和PT⁃RS与下行的设计基本相同。

物理下行共享信道(PhysicalDOwnlinkSharedChannel，PDSCH)主要用于下行单播数据传输，也可用来进行寻呼消息和系统消息的传输。物理广播信道(PhysicalBrOadcastChannel，PBCH)承载的是UE接入网络时所需的最小系统信息的一部分。物理下行控制信道(PDCCH)承载下行控制信息(DOwnlinkCOntrOlInfOrmatiOn，DCI)，主要用于传输UE接收PDSCH和传输物理上行共享信道(PhysicalUplinkSharedChannel，PUSCH)所需的调度信息，也可以传输时隙格式指示(SlOtFOrmatIndicatOr，SFI)和抢占指示(PreemptiOnIndicatiOn，PI)等。

7.5GNR同步

时频同步是UE和基站通信的前提。通常UE通过检测基站发送的同步信号，实现时间和频率的同步。

下行同步信号包括主同步信号(PSS)、辅同步信号(SSS)、小区参考信号(CRS)和物理广播信道(PBCH)。在5GNR中，把这四部分信息与小区同步相关的信号和信道所对应的时频资源组织在一起，形成一个新的资源块，称为同步信号块(SSB)。5GNR与LTE产生PSS、SSS信号的方式不同，LTE采用Z_C序列产生PSS和SSS信号，而5GNR采用m序列生成两种信号。PSS和SSS信号用于小区同步，3GPPR16规定，PSS和SSS信号的长度均为127，所以单个PSS或单个SSS信号都无法全部表示出物理小区ID，这也是使用两个小区同步信号的原因。

12.1.7第六代移动通信系统

推进组研究认为，6G将以可持续发展的方式延伸移动通信能力边界，创新构建“超级无线宽带、极其可靠通信、超大规模连接、普惠智能服务、通信感知融合”五大典型应用场景。面向2030年及未来的6G将在5G原有的三大典型场景基础上拓展深化，全面支持以人为中心的沉浸式交互体验和高效可靠的物联网场景，服务范围扩展至全球立体覆盖。另外，推进组认为，6G将具备“泛在互联、普惠智能、多维感知、全域覆盖、绿色低碳、安全可信”等突出技术特征。6G无线性能指标将实现十至百倍提升，创新引入智能服务效率、感知精度、全域覆盖等关键性能指标，有效融合通信、计算、感知等能力支持各类智能化服务。同时，6G网络也将在安全可信的基础上实现能效的大幅提升，最终实现“万物智联、数字孪生”的6G美好世界。

12.2空间通信系统

空间通信是以航天器或天体为对象的无线电通信。航天器是指位于地球大气层以外宇宙空间的空间飞行器或宇宙飞行器。空间通信的基本形式有地球站和航天器之间的通信，航天器相互之间的通信，通过航天器转发或反射电磁波进行的地球站之间的通信。航天器有人造地球卫星、空间探测器、载人飞船、航天站和航天飞机。地球站是指设在地球表面的通信站点。

空间通信的特点包括：

(1)通信距离远，信号弱，地球站必须有灵敏度极高的接收设备才能保证有效地通信；

(2)空间目标是运动的，因而在必要时接收天线应对目标进行定向连续跟踪；

(3)航天器的发射机输出功率受到限制，地球站须使用大口径天线和低噪声放大器；

(4)深空通信中地面使用高增益的、具有指向跟踪的抛物面天线，最常用的天线口径为18米和27米；

(5)航天器的通信设备必须重量轻、体积小、抗辐射、寿命长，能经受冲击和振动，而且可靠性高；

(6)空间通信使用的频段很宽，从超长波段到毫米波段，乃至激光。卫星通信常用的频段是1～15GHz，并现已开始使用更高频段。

空间通信的形式有很多种，包括航天器、天体与地球站之间的通信；航天器之间的通信；通过航天器、天体实现的地球站之间的通信；通过多个航天器实现地球站之间的通信等。

空间通信系统往往是以上通信形式的结合，空间通信的业务主要有：

(1)通信：地面人员与宇航员间，或通过航天器实现地球站间通信；

(2)跟踪定位：跟踪测量运动目标(航天器或移动地球站)以确定其轨道或位置；

(3)遥测：监测航天器、空间环境、航天员的生理和活动情况；

(4)遥控：发送指令，使航天器设备完成规定的动作；

(5)电视：监视航天器工作和宇航员活动，观察地球和探测深空。

空间通信系统包括卫星通信系统、卫星导航系统、卫星测控系统、深空通信系统等，下面详细介绍卫星通信、卫星测控和深空通信三种通信系统。

12.2.1卫星通信

卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电信号的一种空间通信手段。卫星通信由人造地球卫星、测控分系统和地球站分系统组成，又可称为空间段、地面段和测控段，如图12.2.1所示。地球站定向发射无线通信信号给太空的卫星，卫星在进行频率变换、放大滤波等处理后将信号重新发送回远方的另外一个地球站，从而完成远距离的中继传输。卫星通信是微波中继的一种特殊形式，具有覆盖区域广、生存能力强、建设速度快、业务种类多等优点。图12.2.1卫星通信系统

1.卫星的轨道

人造地球卫星的轨道有圆形和椭圆形两种，圆形轨道的圆心是地球中心，椭圆形轨道的一个焦点是地球中心。按照卫星轨道平面与赤道平面的夹角可以把卫星轨道分为：倾斜轨道、极轨道和赤道轨道。通过南北极的轨道称为极轨道，与赤道平面夹角为0度的轨道是赤道轨道，其它的是倾斜轨道。赤道轨道的一种特殊情况是地球静止轨道，地球静止轨道位于地球赤道上空35786.6km，在这个高度的卫星与地面的相对位置不变，通信覆盖范围大，信号频率稳定，与地球站的瞄准稳定，只需要3颗就可以覆盖大部分的地球表面。

2.卫星的分类

按照轨道距离地面的高度可以把卫星轨道分为：高轨道(HighEarthOrbit，HEO)，轨道高度大于20000km；中轨道(MediumEarthOrbit，MEO)，轨道高度为8000km～20000km；低轨道(LOwEarthOrbit，LEO)，轨道高度500km～1500km。其中高轨道常见的是地球同步轨道(GeOsynchrOnOusEarthOrbit，GEO)。

按照业务类型，分为固定卫星业务(FixedSatelliteService，FSS)、广播卫星业务(BrOadcastingSatelliteService，BSS)、移动卫星业务(MObileSatelliteService，MSS)三大类型。

甚小天线地球站(VSAT)卫星通信系统使网络通达千家万户。随着卫星转发器性能和终端电子技术的发展，使得VSAT天线和用户终端设备逐渐实现小型化。特别是VAST成本低，安装容易，操作简单，在公用网络骨干传输和用户接入及各类专网互联等领域得到广泛应用。在我国VSAT发展过程中，无线寻呼联网、证券信息广播、村村通电话、地面光纤电路备份、村村通和户户通电视等工程最具代表性。我国户户通电视是世界上最大的直播到户平台(DHT)，DHT是VSAT最大的应用领域。

3.卫星互联网

国内外很多企业参与了卫星互联网的开发建设。最为典型的是美国太空探索技术公司(SpaceX)的星链计划，该计划总共部署近12000颗卫星，以后可能扩展到42000颗。计划最初的12000颗卫星在三个轨道运行，在550千米的卫星数量达到1440，2825颗Ku和Ka波段卫星部署在1110千米的轨道，7500颗V波段卫星部署于340千米的轨道。“星链”通过低轨道通信卫星提供高速互联网服务。截至2022年3月，SpaceX已累计发射2400多颗“星链”卫星。

4.卫星通信的技术标准

1)数字卫星广播标准DVB⁃S2

DVB⁃S2是新一代DVB系统，服务于宽带卫星应用，范围包括广播(BS)、数字新闻采集(DSNG)、数据分配／中继，以及Internet接入等交互式业务。DVB⁃S2纠错编码使用LDPC(内码)与BCH码(外码)级联，支持1/4，1/3，2/5，1/2，3/5，2/3，3/4，4/5，5／6，8/9，9/10等多种内码码型。其中编码调制方案8PSK＋LDPC已经十分接近香农极限，在距离理论上的香农极限0.7～1dB的情况下可得到QEF(准无误码)的接收。DVB⁃S2调制方式有QPSK、8PSK、16APSK、32APSK，远多于DVB⁃S的单一QPSK。对于广播业务，标准配置为QPSK和8PSK，16APSK和32APSK是可选配置；对于交互式业务、数字新闻采集及其它专业服务，四种调制方式均为标准配置。

DVB⁃S2的另一个显著改进是采用了可变编码调制(VariableCOdingandMOdulatiOn，VCM)与自适应编码调制(AdaptiveCOdingandMOdulatiOn，ACM)。在交互式的点对点应用中，可变编码调制(VCM)允许选择不同的调制和纠错方案，并且可以逐帧改变。由于采用VCM技术，不同的业务类型(如SDTV、HDTV、音频、多媒体等)就可以选择不同的错误保护级别实现分级传输，这就大大提高了传输效率。VCM结合回传信道，还可以实现自适应编码调制ACM，即针对每一个用户的信道条件选择调制和编码方案，使传输参数得以优化。

2)卫星移动通信标准

3GPP中卫星通信标准是从R14开始的，提出了天地融合的概念。在新一代服务和市场的服务要求标准(TS22.261)中提出5G需要支持卫星接入，并给出了5G中卫星通信的基础功能和性能需求。在标准TR38.811中定义了卫星网络的部署场景及结构、高度、轨道等系统参数，提出了传播模型、移动性管理等卫星通信网络的关键技术。在标准TR38.821中重点关注的是5G中如何进行卫星接入。ITU也对卫星业务给出了技术建议书，其中ITU⁃RM.［NGAT_SAT］是卫星接入的标准，将成为下一代天地融合的移动通信的标准，该标准定义了视频业务传输，导航、天气、交通、传感器、机器通信、自动驾驶等数据传输，移动平台宽带服务等的相关参数要求。

12.2.2深空通信

深空通信的特点及难点包括：

(1)信号极其微弱，信噪比极低，可靠接收难度很大，比如火星到地球的信号衰减达240多分贝，经过超大口径天线接收的信号电平水平通常为-120～-170dBm。

(2)除了热噪声，频繁的宇宙电磁活动会对深空信道造成很大干扰，这就使得深空信道极其复杂。

(3)传输时延长且不断变化，给通信协议和传输机制带来挑战。

(4)由于探测器运动、行星自转和遮挡，通信链路的可视弧段比较有限，通信链路间断可通，这就需要通信协议具有很好的鲁棒性。

地面深空站有测控站和数据单收站两类。深空测控站(如图12.2.2所示)的上行部分有测距终端、遥控信号调制器，下行部分有测距终端、测速终端、测角终端、遥测信号解调器。射频部分包括低噪放、上变频器、下变频器、高功放等。图12.2.2深空测控站系统组成

星载测控通信系统(如图12.2.3所示)包括测距信号接收设备、测距信号转发设备、遥控终端、遥测终端和测控应答机，测控应答机包括了收发射频、载波或副载波调制解调等设备。图12.2.3

12.3水下无线通信系统

12.3.1水声通信水声通信(如图12.3.1所示)是水下无线通信中最成熟的技术，已经广泛应用于水下通信、探测、传感、定位、导航等领域。声波是水中信息的主要载体，它属于机械波(纵波)。声波在水下传输的信号衰减小，衰减率为电磁波的千分之一，水下传输距离远，应用范围可从几百米延伸至几十千米，更适合温度稳定的深水通信。图12.3.1水声通信

1.水声信道特性

在海面附近，声波的典型传播速率为1520m/s，比电磁波低5个数量级。相较于电磁波和光波，声波在海水中的衰减小得多。

复杂的水声信道是影响水声通信系统性能的主要因素。水声信道就是由海洋及其边界构成的一个非常复杂的介质空间，它具有一定的内部结构和独特的上下表面，各个部分对声波产生许多不同的影响。

水声信道的特点有：

(1)严重的多径效应。当传输距离大于水深时，声波经过不同路径到达接收端，会导致接收端收到的叠加信号在时域上展宽，从而出现码间干扰。

(2)环境噪声影响大。影响水声通信的噪声主要包括波涛拍岸、海面波浪、暴风雨、气泡带来的自然噪声，以及沿岸工业、水面作业、水下动力、水生生物产生的活动噪声。

(3)通信速率低。由于水声信道的随机变化特性，水下通信带宽十分有限，短距离、无多径效应下的带宽很难超过50kHz。即使采用16QAM等多载波调制技术，通信速率也只有1～20kb/s。当工作于复杂的环境中时，通信速率可能会低于1kb/s。

(4)多普勒效应、起伏效应等。因发射节点与接收节点间的相对位移而产生的多普勒效应会导致载波偏移及输出信号幅度的降低，最终可能影响信息解码。另外水媒质内部是一个随机不均匀体，会使声信号产生随机的起伏，严重影响通信系统性能。

(5)其它特点。比如温度、盐度等海洋参数对声波影响很大；声波几乎无法跨越水与空气的界面传播；声波的隐蔽性差；声波也会影响水下生物，导致生态破坏。

2.水声通信技术

水声信道是很复杂的多径传播信道，适用的载波频率低，可用带宽窄，环境噪声高，以及传播时延大。为了克服以上这些不利因素，尽可能地提高频带利用率，已经出现多种水声通信技术。美国海军水声实验室于1945年研制的水下电话是世界上第一个单边带调制(SSB)水声通信系统，主要用于潜艇间通信。该模拟通信系统使用SSB调制技术，载波频段为8～15kHz，使用距离达几千米。从20世纪70年代后期开始出现的FSK的通信系统直到目前还在应用。FSK需要较宽的频带宽度，频带利用率低，对信噪比要求高。20世纪80年代初，水声通信中开始使用PSK调制方式。

实际过程中大多使用了DPSK调制方式。近年来，水声通信在多载波调制技术和多输入多输出技术方面取得了很大的进步。水声通信的技术难度很大，主要是由于水声信道的时变性和空变性，需采用有效的多普勒和信道补偿措施，降低误码率，进而达到提高传输速率和通信距离的目的。用于军事时还要考虑信息的安全传输和多址接入等问题。

水声通信(特别是大于200米)的可用带宽在20kHz以内，这种低频限制了数据传输率，只能达到几十kb/s的速度。

12.3.2水下电磁波通信

1.水下电磁波传播特性

无线电波在海水中有很严重的衰减，而且频率越高衰减越大。实验表明：无线电波在水下仅能传播50～120cm，低频长波无线电波水下实验可以达到6～8m的通信距离，30～300Hz的超低频电磁波在海水中的传输距离可达100多米，但需很长的接收天线，这在体积较小的水下设备上实现较为困难。海水的运动对水下电磁波通信有很大的影响。海浪运动的随机导致了接收机端的电场相移分量的标准差是呈对数指数分布的。

因此，无线电波只能实现短距离的高速通信，不能满足远距离水下组网的要求。

2.传统的水下电磁波通信

电磁波作为最常用的信息载体和探知手段，广泛应用于陆上通信、电视、雷达、导航等领域。20世纪上半叶，人们致力于将模拟通信移至水中。第一次世界大战期间，法国最先使用电磁波进行了潜艇通信实验。第二次世界大战期间，美国科学研究发展局曾对潜水员间的短距离无线电磁通信进行了研究，但由于水中电磁波的衰减严重，实用的水下电磁通信一度被认为无法实现。直至20世纪60年代，甚低频(VLF)和超低频(SLF)通信才开始被各国海军大量研究。甚低频的频率范围为3～30kHz，可覆盖几千米的范围，但仅能为水下10～15m深度的潜艇提供通信。

由于反侦察及潜航深度的要求，超低频(SLF)通信系统投

入研制。SLF系统的频率范围为30～300Hz，美国和俄罗斯等国采用76Hz和82Hz附近的典型频率，可实现对水下超过80米的潜艇进行指挥通信，因此超低频通信具有重要的战略意义。SLF系统的地基天线达几十千米甚至上百千米，接收端的拖曳天线长度也超过千米，发射功率为兆瓦级，通信速率低于1b/s，仅能下达简单指令。

3.水下无线射频通信

水下射频(RF)通信是利用频率高于10kHz高频电磁波在水中进行通信的技术。使用数字通信技术可将-120dBm以下的弱信号从存在严重噪声的调制信号中解调出来，在衰减允许的情况下，能够采用更高的工作频率，因此射频技术应用于浅水近距离通信成为可能。这对于满足快速增长的近距离高速信息交换需求，具有重大的意义。对比其他近距离水下通信技术，射频技术具有多项优势，具体如下。

(1)通信速率高。可以实现水下近距离、高速率的无线双工通信。近距离无线射频通信可采用远高于水声通信(50kHz以下)和甚低频通信(30kHz以下)的载波频率。若利用500kHz以上的工作频率，配合正交幅度调制(QAM)或多载波调制技术，将使100kb/s以上的高速数据传输成为可能。

(2)抗噪声能力强。不受近水水域海浪噪声、工业噪声以及自然光辐射等干扰，在浑浊、低可见度的恶劣水下环境中，水下高速电磁通信的优势尤其明显。

(3)水下电磁波的传播速度快，传输延迟低。频率高于10kHz的电磁波，其传播速度比声波高100倍以上，且随着频率的增加，水下电磁波的传播速度迅速增加。由此可知，电磁通信将具有较低的延迟，受多径效应和多普勒展宽的影响远远小于水声通信。

(4)界面及障碍物影响小。可轻易穿透水与空气分界面，甚至油层与浮冰层，实现水下与岸上通信。对于随机的自然与人为遮挡，采用电磁技术都可与阴影区内单元顺利建立通信连接。

(5)无须精确对准，系统结构简单。与激光通信相比，电磁通信的对准要求明显降低，无须精确的对准与跟踪环节，省去复杂的机械调节与转动单元，因此电磁系统体积小，利于安装与维护。

(6)功耗低，供电方便。电磁通信的高比特率使传输时间缩短，功耗降低。同时，若采用磁耦合天线，可实现无硬连接的高效电磁能量传输，大大增加了水下封闭单元的工作时间，有利于分布式传感网络的应用。

(7)安全性高，对军事上已广泛采用的水声对抗干扰免疫。除此之外，电磁波较高的水下衰减，能够提高水下通信的安全性。

(8)对水生生物无影响，更加有利于生态保护。

4.水下电磁波通信的进展

水下低频射频通信虽然能实现长距离通信，但其发信台站十分庞大，天线极长，抗毁能力差。1000km波长的超长波电台，一般都用1/8波长天线，天线长度达到125km。例如，美国1986年建成并投入使用的超长波电台天线横亘135km。

12.3.3水下量子通信

1.水下激光通信

水下激光通信技术利用激光载波进行信息传输。由于波长450～530nm的蓝绿激光在水下的衰减较其他光波段小得多，因此蓝绿激光作为窗口波段应用于水下通信。蓝绿激光通信的优势是在几种方式中拥有最高的传输速率。在超近距离下，其速率可到达100Mb/s。蓝绿激光通信方向性好，接收天线较小。蓝绿激光水下通信具有海水穿透能力强、数据传输速率快、方向性好、设备轻巧且抗截获和抗核辐射影响能力好等优点，得到快速发展，业界和军事部门一直在对其进行持续研究。20世纪70年代初，水下激光通信技术的军事研究开始受到重视。90年代初，美军完成了初级阶段的蓝绿激光通信系统实验。目前激光通信主要应用于卫星对潜通信，而水下收发系统的研究却滞后。

蓝绿激光应用于浅水近距离通信存在以下几种难点。

(1)散射影响。水中悬浮颗粒及浮游生物会对光产生明显的散射作用，对于浑浊的浅水近距离传输，水下粒子造成的散射比空气中要强三个数量级，透过率明显降低。

(2)光信号在水中的吸收效应严重。包括水媒质的吸收、溶解物的吸收及悬浮物的吸收等。

(3)背景辐射的干扰。在接收信号的同时，来自水面外的强烈自然光，以及水下生物的辐射光也会对接收信噪比形成干扰。

(4)高精度瞄准与实时跟踪困难。浅水区域活动繁多，移动的收发通信单元，在水下保持实时对准十分困难。并且由于激光只能进行视距通信，两个通信点间随机的遮挡都会影响通信性能。

2.水下中微子通信

中微子是一种穿透能力很强的粒子，静止质量几乎为零，且不带电荷，它大量存在于阳光、宇宙射线、地球大气层的撞击以及岩石中，20世纪50年代中期，人们在实验室中也发现了它。通过实验证明，中微子聚集运动的粒子束具有两个特点：

(1)它只参与原子核衰变时的弱相互作用力，却不参与重力、电磁力以及质子和中子结合的强相互作用力，因此，它可以直线高速运动，方向性极强。

(2)中微子束在水中穿越时，会产生光电效应，发出微弱的蓝色闪光，且衰减极小。采用中微子束通信，可以确保点对点的通信，它方向性好，保密性极强，不受电磁波的干扰，衰减极小。据测定，用高能加速器产生高能中微子束，穿透整个地球后，衰减不足千分之一，也就是说，从南美洲发出的中微子束，可以直接穿透地球到达北京，而中间不需卫星和中继站。另外，中微子束通信也可以应用到对潜等水下通信，发展前景极其广阔，但由于技术比较复杂，目前还停留在实验室阶段。

3.水下量子通信的新发展

量子通信技术是以单光子为信息载体，结合量子叠加和量子不可克隆等量子力学基本物理原理，和通信与系统、计算机科学，以及光科学与工程等学科交叉融合发展起来的新一代信息技术。量子通信有望帮助人类实现真正意义的无条件安全的保密通信，在未来的金融、军事、公共信息安全等方面展现出极广阔的发展前景，已成为未来信息技术发展的重要战略性方向之一。基于光纤和自由空间大气信道的量子通信已经被证明是可行的，近年来得到了长足的发展。然而覆盖了地球70％的海洋是否可以被用作量子信道，仍然是未知的。缺少了海洋，全球化的量子通信网是不完整的。

水下无线通信有三大类：水下电磁波通信、水声通信和水下量子通信，它们具有不同的特性及应用场合。虽然电磁波在水中的衰减较大，但受水文条件影响的程度甚微，使得水下电磁波通信相当稳定。水下电磁波通信的发展趋势为，既要提高发射天线辐射效率，又要增加发射天线的等效带宽，使之在增加辐射场强的同时提高传输速率。同时应用微弱信号放大和检测技术抑制和处理内部和外部的噪声干扰，优选调制解调技术和编译码技术来提高接收机的灵敏度和可靠性。

由于声波在水中的衰减最小，水声通信适用于中长距离的水下无线通信。在目前及将来的一段时间内，水声通信是水下传感器网络当中主要的水下无线通信方式。但是水声通信技术的数据传输率较低，因此通过克服多径效应等不利因素的手段，达到提高带宽利用效率的目的将是未来水声通信技术的发展方向。水下光通信具有数据传输率高的优点，但是水下光通信受环境的影响较大，克服环境的影响是将来水下光通信技术的发展方向。

12.4机器通信系统

12.4.1概述机器通信，又称为M2M(MachinetOMachine)通信，是指通信的双方或一方是机器，而且机器能够自动完成整个通信过程的通信形式。机器通信的通信业务包含机器到人、人到机器和机器到机器三种类型。机器通信可以实现机器和机器之间的信息交互，可将采集到的信息传送给人或后端系统，机器还可以响应来自人或后端系统(也是一种机器)的控制指令。

机器通信业务主要指借助电信运营商的通信网络(以下简称“通信网络”)进行广域互连的机器通信业务。一般意义上，机器通信是机器通过通信网络与商业应用软件进行通信，可以有三种类型，如图12.4.1所示：一种是单个机器设备通过通信网络与商业应用软件进行通信；一种是机器设备组成的一个群与商业应用软件进行通信；还有就是机器设备组成的群通过网关等设备连接到通信网络与商业应用软件进行通信。图12.4.1

12.4.2机器通信特点

1)反向流量是机器通信的主要流量

当前的大多数机器通信业务，处于机器通信发展的第一个阶段，特点是以信息采集为主。如智能测量中的抄表应用、水文监测应用、环境监测应用等。信息的流向是从采集点的机器终端通过通信网络传送到客户的后端应用系统。借用移动蜂窝网的术语，当前的机器通信业务以反向流量为主。随着机器通信发展第二个阶段的出现，远程控制功