无线通信工程

无线通信工程姚彦教授清华大学微波与数字通信国家重点实验室2001年11月3日课程简介课程名称：无线通信工程讲课教师：姚彦课内总学时：32课程目的以面向21世纪的无线通信为背景，介绍无线通信的系统组成、信道特性、调制与编码、接入技术、网络技术、抗衰落与抗干扰技术以及无线通信的新技术和新应用，为从事这一领域研究的学生提供最基本的入门知识。课程概况第一讲绪论第二讲组成及规范第三讲信道第四讲基带传输第五讲载波传输第六讲信源编码第七讲信道编码第八讲多址1课程大纲第九讲多址2第十讲抗衰落第十一讲抗干扰第十二讲无线网络及系统第十三讲新技术及新应用1第十四讲新技术及新应用2第十五讲总复习第十六讲考试说明姚彦[e-mail]可以通过Email答疑考试要求：以掌握基本概念为主第一讲绪论历史环境应用发展历史（1）通信发展历史的回顾通信（Communication)作为电信（Telecommunication)是从19世纪30年度开始的。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开辟了电信（Telecommunication)的新纪元历史（2）电话的发明者－贝尔贝尔（18xx－1922）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。妻子是一位聋人。历史（3）无线电的发明者－马可尼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曾参加法西斯党历史（4）通信发展历史的回顾物理发现通信技术发展1906年发明电子管模拟通信得到发展开辟了模拟通信的新纪元－1928年奈奎斯特准则和取样定理－1948年山农定理在理论上为数字通信准备了条件历史（5）通信发展历史的回顾物理发现通信技术发展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开辟了数字通信的新纪元历史（6）通信发展历史的回顾物理发现通信技术发展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开辟了空间通信的新纪元历史（7）通信发展历史的回顾物理发现通信技术发展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开辟了光纤通信的新纪元历史（8）通信发展历史的启示通信传输始终是最活跃的技术领域，物理上的新进展都可能在通信上找到新用途，从而形成新的通信产业。通信传输的新要求又将推动物理和器件的进展，促使人们去研究发展新的物理机理来满足信息传输的需要。一个优秀的通信工程师和研究人员，必须对物理学和器件技术的新进展十分感兴趣，并善于抓住新方向、新突破口迎接通信技术的革命。环境（1）：无线通信的频谱环境长波30－300KHz10-1km中波0.3-1.5MHz1000-200m短波1.5-30MHz100-10m超短波:米波30-300MHz10-1m微波：分米波0.3－3GHz100-10cm厘米波3-30GHz10-1cm毫米波30-300GHz10-1mm亚毫米波300-3000GHz1-0.1mm光波：红外光3103-3105GHz100-1m可见光3105-3106GHz0.8-0.4m环境（2）：无线通信的传播环境无线传播环境的复杂性：天波（电离层、对流层）、地波（直射、反射、绕射）无线传播的分类－带宽受限信道和功率受限信道－色散信道和非色散信道－恒参信道和变参信道－点对点信道和多址信道环境（3）：无线通信的传播环境带宽受限信道和功率受限信道加性高斯白噪声信道上的山农定理C＝Wlog2(1+S/N)b/s令：S/N=Eb/N0C/W山农定理就可以写成：Eb/N0=(2C/W-1)/(C/W)带宽受限信道Eb/N0C/WW无限功率可以换取带宽功率受限信道WC/WEb/N0有限当W，Eb/N0-1.6dB，即为山农极限，带宽不能无限制地换取功率山农信道容量曲线Eb/N0dBC/Wb/sHz-1.6dB环境（4）：无线通信的传播环境色散与非色散信道、恒参与变参信道信道响应为C(;t)，其中代表响应时间，t代表信号时刻。输入信号为时域冲击函数，检验是色散信道还是非色散信道。其中Tm为多径扩散，其倒数fc为相干带宽。输入信号为频域冲击函数，检验是恒参信道还是变参信道。其中Bd为多普勒展宽，其倒数tc为相干时间。信号带宽Bfc，色散信道信号带宽Bfc，非色散信道码元周期Ttc，变参信道码元周期Ttc，恒参信道C(;t)u(t)v(t)tt(t)v(t)Tmff(f)S(f)Bd环境（5）：无线通信的传播环境点对点信道和多址信道点对点信道：和有线信道类似，体现不出无线的特点。多址信道：无线传输的突出优点之一是能实现多址接入。设：有N个用户地址，第k个地址发送的信号为：NSk(t)=akjSkj(t)，akj=1,0j=1jk第k个地址接收的信号为：NNR(t)=LikaijSij(t)+nk(t)I=1j=1无线用户1无线用户2无线用户k空间环境无线用户1点对点信道多址信道空间环境Sk(t)Rk(t)应用（1）：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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)－无绳电话应用（2）：无线通信的应用说明短波、超短波通信应用（3）：无线通信的应用说明微波通信微波接力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－民用应用（4）：无线通信的应用说明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－卫星移动通信应用（5）：无线通信的应用说明移动通信蜂窝系统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系统发展（1）：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干线传输微波光纤用户传输有线无线复接方式PDHSDH交换模式STMATM网络方式三网鼎立三网合一发展（2）：21世纪电信网的发展趋势面向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发展（3）：21世纪电信网的发展趋势面向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、软件无线电IPover?发展（4）：21世纪电信网的发展趋势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，还有Fibertohome的趋势无线通信的发展机遇－－灵活性－－抗灾性－－移动性发展（5）：21世纪电信网的发展趋势什么叫无线革命20世纪通信网的基本框架中继线无线为主（微波、卫星）天上包括部分有线（电缆）用户线有线为主（市话电缆）地下包括部分无线（无线电话）21世纪通信网的基本框架中继线有线为主（光缆）地下包括部分无线（微波、卫星）用户线无线为主天上包括部分有线发展（6）：21世纪电信网的发展趋势无线通信热点之一：个人通信1986年CCIR制订FPLMTS，以个人全球通信为目标，首次提出个人通信概念1986年CCITT讨论UPT（全球通用个人通信）1989年英国政府发放许可证建立双向个人通信网，首次出现PCN名词90年代以来，美国提出个人通信业务（PCS），或个人通信系统（PCS）但是，到底什么是个人通信？CCITT－个人的移动性和终端移动性分开－着重于个人的移动性，用户号码可以在任何终端上使用－无线接入不是必要的条件CCIR、欧洲PCN、美国PCS－个人的移动性靠终端的移动性实现－移动通信网作为个人通信网的底层网络结构－无线接入是必要的条件以无线接入为基础的个人通信叫做无线个人通信WirelessPersonalCommunications发展（7）：21世纪电信网的发展趋势无线通信热点之二：无线接入技术关键－多址－有效性与可靠性－组网－蜂窝－信令与空间接口高层无线接入特点：－蜂窝范围大－复杂的信道处理（纠错、均衡、分集）－快速移动－无线交换－功率大－成本高－低速语音编码低层无线接入特点：－蜂窝范围小－简单的信道处理－慢速移动－有线交换－功率小－成本低－中速语音编码（32Kb/sADPCM）发展（8）：21世纪电信网的发展趋势无线通信热点之三：无线ATM无线ATM的发展背景－－ATM方式是未来通信网发展的必然趋势－－可移动多媒体业务的发展与普及－－无线频谱资源的更加合理利用无线ATM的技术关键－－窄带化技术（低到几Mb/s）－－抗误码技术－－按信源的信息量动态地分配带宽无线ATM的应用前景－－军事通信、多媒体通信发展（9）：21世纪电信网的发展趋势无线通信热点之四：扩频技术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、多用户检测发展（10）：21世纪电信网的发展趋势无线通信热点之五：软件无线电当前无线系统在硬件及软件上存在的问题：－多种标准、多种制式、多种协议、多种方案－困难:－－互连互通难－－设备更新难－－研制开发难能否搞成一个通用的无线系统：－－硬件是公用的，除了天线和RF前端外，其它都是DSP－－所有无线通信过程都用软件实现，而软件环境是开放的－－无线协议都遵循一个公共的WirelessOSI分层结构软件无线电的关键技术－－多频段天线及RF前端技术－－直接式数字上、下变频技术－－高速DSP技术－－标准化无线协议及协议转换技术软件无线电的应用前景－－多模手机－－通用无线平台－－通用抗干扰军用电台发展（11）：21世纪电信网的发展趋势无线通信热点之六：第三代移动通信（1）第一代－模拟话音－NMT，AMPS，TACS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－UMTS/IMT-2000IMT－2000简介1985年国际电联就开始研究FPLMTS，1996年正式更名为IMT－2000国际移动通信系统，工作频段2000MHz，使用日期2000年IMT－2000特点全球性综合性兼容性灵活性发展（12）：21世纪电信网的发展趋势无线通信热点之六：第三代移动通