无线通信概述

无线通信技术主讲人：刘花香[e-mail]:13576068692QQ：7247963752教材&参考书籍教材—潘焱，无线通信系统与技术参考书籍：美国出版的经典教材—Wirelesscommunicationsprinciplesandpractice,作者：TheodoreS.Rappaport《无线通信原理与应用》（第二版），高文安等译，电子工业出版社3几点要求与说明出勤：不得迟到,旷课(有事请事先请假,要请假条)，缺勤三次取消考试资格听课：手机关机或调成静音考查成绩：平时成绩（30%）+考试成绩（70%）闭卷考试4教学目标&教学重点目标：将以现代无线通信系统为背景，主要讲述无线通信的基本概念和关键技术以及典型无线通信系统，让同学对无线通信技术有较全面的了解，对典型无线通信系统有所了解。重点：无线通信的基本概念，无线通信中的相关关键技术和典型无线通信系统相关知识。5第一章无线通信概述1.1无线通信发展历史1.2无线通信应用1.3无线频谱划分1.4无线信道与电波传播特性1.5无线通信发展趋势1.6本章小结6可以想像，有线电报就像一只很大的猫，它的尾巴在纽约，而它的脑袋在洛杉矶并喵喵地叫。大家明白这个道理吗？无线通信的操作方式与此完全相同：这边发射信号，那边接收它，唯一不同的是两者之间没有猫。---爱因斯坦（1879-1955）7无线通信定义定义无线通信是利用无线电波传播信息的通信方式。无线电波是指在自由空间（包括空气和真空)传播的电磁波。引申：通过“无形”的媒体进行信息交换的通信称为无线通信。例如：无线电波、红外线、紫外线、激光等。无线通信优点与有线通信相比，不需要架设传输线路，不受通信距离限制，机动性能好，建立迅速。灵活性抗灾性移动性81.1历史（1/11）1837年莫尔斯（1791-1872）发明了电报，1844年5月24日，他用激动得发抖的手，从华盛顿向40英里外的巴尔的摩城拍发了世界上第一份长途有线电报，电文是《圣经》上的一句话：“上帝创造了何等奇迹！”。人类社会电通信的时代，便从此开始了。91.1历史（2/11）1876年美国人贝尔发明了电话，过了40年美国建成第一条横贯国土东西的长途电话线。这条线路的修建，足足耗费了2960吨铜和13万根电线杆。贝尔（1847－1922）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。101.1历史（3/11）1864年麦克斯韦(Maxwell)建立了光的电磁波理论并预言了电磁波的存在。1887年赫兹(Hertz)首次通过实验证明了无线电波的存在。这为现代的无线电通信提供了理论根据。无线电波可以在大气媒质中传播这一理论的创立大大推动了通信技术的发展。111.1历史（4/11）1897年马可尼（Marconi）第一次在无线传输中用莫尔斯码从船上与岸边通信（30km)，标志无线电通信的开始。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曾获诺贝尔物理奖121.1历史（5/11）1906年之后的一段时间里，军用和商用船舶很快采用了无线电技术，1912年在泰坦尼克号邮轮沉船事件中拯救了700多个生命而备受称赞。131.1历史（6/11）1928年，美国底特律警察局率先使用装备贝茨发明的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），标志移动通信开始。1946年第一个公共移动电话系统在美国的5个城市建立。1947年第一个连接纽约和波斯顿的微波中继系统开始运行。141.1历史（7/11）1958年美国宇航局(NASA)发射第一颗通信卫星，第一次通过卫星实现语音通信，无线通信进入了新时代。1950-1960年代期间，贝尔实验室和全世界其他的通信公司一起发展了蜂窝无线电话的原理和技术。151.1历史（8/11）进入20世纪70年代，一些经济发达国家对民用移动电话的需求日益增加，而且伴随着微电子技术以及计算机技术的迅速发展，发展一种较大范围使用的移动电话系统已经具备了理论上、技术上和经济上的可行性。而且新理论与新体制的不断发展和完善，为模拟蜂窝移动通信系统的诞生奠定了坚实的经济和技术基础。161.1历史（9/11）模拟蜂窝系统：1979年，第一个具有大的覆盖范围和自动交换功能的系统由爱立信公司推出，并建立北欧移动电话系统（NMT）。不久，高级移动电话服务（AMPS）于1983年在北美建立。国内外使用的模拟蜂窝移动通信系统主要有：北美的AMPS日本的HCMTS英国与中国采用的TACS前西德的C450法国的RadioComm2000这些系统分别采用400MHz,450MHz,800MHz和900MHz频段。171.1历史（10/11）数字蜂窝系统：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）。最初打算提供一个泛欧标准来取代当时大量运行的不兼容模拟系统，GSM之后很快就出现了北美IS-54数字标准。•第二代蜂窝系统最初主要提供语音业务，后来逐步演变到可以提供电子邮件、互联网接入、短消息等数据业务。截至2013年3月底，中国共有11.46亿移动通信服务用户。181.1历史（11/11）无线通信发展史上的10个里程碑电话的发明电报的发明电磁波的发现无线电报的发明无线电通信发明寻呼机诞生蜂窝式移动电话GSM手机铱星系统新一代手机10年后,谁还能笑傲江湖？191.2无线通信应用无线通信主要应用于哪些领域？201.2无线通信应用无线电广播电视移动通信—蜂窝电话卫星电话数据传输—wifibluetoothzigbeeWiMAX紧急服务—无线电紧急定位信标辨识—RFID（RadioFrequencyIdentification）卡其它—业余无线电雷达导航…211.3无线频谱划分λ＝c/f，c=300000000m/s22无线通信常用频段当前用于无线通信的频率范围从3kHz扩展到约100GHz，绝大多数无线通信系统工作在30MHz～40GHz的频率范围内。这是无线通信较为理想的频段，它不受地球表面曲率影响，天线尺寸适度，还可以穿透电离层。［天线尺寸与射频频率的关系］良好接收所需的天线尺寸与发射频率成反比。［覆盖范围与射频频率的关系］发射频率越高，传播损耗越大（全向辐射时）——接收信号功率与频率的平方成反比。所以频率越高，实现大范围覆盖的难度越高。231.4无线信道与电波传播特性无线电波以“横向电磁波”的形式在空间中传播。--电场、磁场和无线电波的传播方向都相互垂直的。24无线电波的极化无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波。25无线电波和光波一样，它的传播速度和传播媒质有关。无线电波在真空中的传播速度等于光速。在媒质中的传播速度为：Ｖp＝Ｃ/√εr，式中εr为传播媒质的相对介电常数。空气的相对介电常数与真空的相对介电常数很接近，略大于１。因此，无线电波在空气中的传播速度略小于光速，通常我们就认为它等于光速。26四种传播机制直射：自由空间传播反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发生反射。反射发生在地球表面、建筑物和墙壁表面。绕射：当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时，发生绕射。散射：当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体、并且单位体积内这种障碍物体的数目非常巨大时，发生散射。散射发生在粗糙表面、小物体或其它不规则物体，如：树叶、街道标志和灯柱等。27无线信道的物理过程天线天线无线发无线收直射反射散射绕射地面散射体移动障碍物干扰热噪声28自由空间传播2ttπ4rGPPD什么是自由空间？是一个理想的空间，在自由空间中，电波沿直线传播，不发生反射、折射、绕射、散射和吸收等现象.如图所示，辐射功率为Pt，发射天线增益为Gt,则以发射源为中心，r为半径的球面上单位面积的功率为：球面上的功率流Ptr29自由空间的传播损耗：无线电波在自由空间传播时，其单位面积中的能量会因为扩散而减少。它仅与传输距离r和电波频率f有关，可用下式来表示：)(lg20lg2044.32dBfrLp301.4.2地面传播无线电波传播方式1、在低频或中频段（=3MHz）时无线电波能够沿着地球表面弯曲地进行传播，这种现象称为“地波传播”2、在高频范围（约3-30MHz）内无线电波将被大气中的电离层反射到地球，这种现象称为“天波传播”3、当频率30MHz时电波传播的主要形式是视距传播31无线电视距：指收发天线间的电波传播路径完全没有任何阻挡，电波射线可以直达的距离。TxRx直射波R32视距通信的最大传播距离跟发射天线以及接收天线的高度有关系，并受到地球曲率半径的影响。图1-3显示出了天线高度的增加对于最大传播距离的影响。在位于一定高度处的发射机与接收机之间的最大距离近似值计算公式：（1-8）(km)1717rthhdBAO'接收天线高hr发射天线高ht33图1-3视距传播示意图341.5无线通信的发展趋势1．全球第三代移动通信（3G）商用进程加快2．宽带化、移动化趋势3．多种无线技术在演进中走向融合4．移动、宽带业务融合时机成熟353G商用进程加快3G是3rdGeneration的缩写，指第三代移动通信技术。四种标准有：WCDMA，CDMA2000，TD-SCDMA，WiMAX。WCDMA：采用国家为欧洲和日本，继承基础为GSM；CDMA2000：采用国家为美国和日本，继承基础为窄带CDMA；TD-SCDMA：采用国家为中国，继承基础为GSM；WiMAX：应用前景不乐观？36TD-SCDMA：该标准是由中国大陆独自制定的3G标准，1999年6月29日，中国原邮电部电信科学技术研究院（大唐电信）向ITU提出。WCDMA由中国联通公司于2009年10月1日正式商用Cdma2000由中国电信于2009年起开始运营TD-SCDMA由中国移动于2009年6月建成并投入商业化运营37宽带化、移动化趋势WiMAX提出和推进--宽带业务的移动化2004年初IEEE802.16系列标准（WiMAX）提出IEEE802.16标准工作于2～66GHz，覆盖范围可高达50km，主要应用于城域网。WiMAX论坛：E3G标准化启动和加速—移动业务的宽带化第三代合作伙伴计划（3GPP）和第三代合作伙伴计划2（3GPP2）分别在2004年底和2005年初开始3G演进技术（E3G）的标准化工作38多种无线技术在演进中走向融合无线通信领域各种技术的互补性日趋鲜明。这主要因为现在不同的接入技术具有不同的覆盖范围、不同的适用区域、不同的技术特点和不同的接入速率。未来的无线通信网络将是一个综合的、一体化的解决方案。39移动、宽带业务融合时机成熟通信网络和业务正发生着根本性的变化主要体现：1.提供的业务将从传统的语音业务为主向提供综合信息服务的方向发展2.通信的主体将由人与人之间的通信扩展到人与物、物与物之间的通信融合将是全方位多层次的，包括网络融合、业务融合和终端融合。为了实现上述目标需采用多种无线接入技术和固定接入技术。401.6本章小结本章在介绍了无线通信的概念和定义后，对无线通信的发展简史进行了回顾，介绍了无线通信的基本应用模式，对无线通信所涉及的频谱范围和电波传播的特点进行了描述。最后展望了无线通信的未来发展。41经辐射后，能量均匀地分布在以O点为球心，r为半径的球面上。已知球面的表面积为4πr2，因此，在球面单位面积上的功率应为