清华大学移动通信教程第12讲-新技术及新应用(1)

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6月9日第十二讲无线通信的新技术及新应用（1）一、软件无线电工作原理什么叫软件无线电？将模块化、标准化的硬件单元通过标准接口构成基本平台，并借助软件加载实现各种无线通信功能的一种开放式体系结构。说明（1）软件无线电不是不要硬件，而是把硬件作为一个基本平台，并具有二个特点：a、模块化、标准化，b、通过标准接口连接。说明（2）软件无线电的通信功能是通过软件加载实现的。说明（3）软件无线电是一种开放的体系结构。软件无线电的体系结构1、有二种软件无线电的体系结构：以DSP为基础的软件无线电；以通用机为基础的软件无线电。2、以DSP为基础的软件无线电：硬件容易实现，但软件加载受到限制；3、以通用机为基础的软件无线电：软件加载容易，但硬件实现比较困难；4、目前有实用价值的是以DSP为基础的软件无线电。技术背景当前无线与个人通信系统存在的主要问题：多种标准、多种制式、多种协议、多种产品。困难：－互联互通难，－设备更新难，－研制开发难。将软件无线电当作实现新一代无线与个人通信的技术思路，体现三个开放性：－对研制的开放性，－对生产的开放性，－对使用的开放性。实现开放性的关键：无线通信平台的软件化软件无线电的优点对使用的开放性：随着无线技术的发展及使用的普及，用户将面临多种系统多种体制同时存在的局面。为此，用户将不得不同时携带多个无线终端。由于软件无线电产品对用户的开放性，用户就可以携带一个无线终端，通过软件加载来实现不同的功能。如：多频段、多模式移动电话手机软件无线电的优点（续）对生产的开放性：无线通信产品门类很多，同类产品也有许多不同的型号，这就给厂家的生产组织带来许多困难。由于软件无线电技术对生产的开放性，厂家在组织无线通信产品时，可以设计一种尽可能统一的硬件平台，不同的门类及型号通过软件加载实现。这样就有可能实现无线通信产品的规模效益，大大提高市场的竞争力。软件无线电的优点（续）对研制的开放性：随着现代通信网的发展，无线通信将作为未来全球个人通信的主要接入方式，越来越多的进入千家万户。在此背景下，为满足不同用途、不同场合的无线通信标准将不断推出、不断更新。以硬件为基础的无线通信系统研制开发方式很难跟上这种飞速发展的步伐；由于软件无线电对研制的开放性，就有可能通过软件更新的方法研制开发出新的系统，实现无线通信产品的更新换代。应用前景军用多功能无线网关多功能车载电台多功能空中平台通信的电子对抗民用多频段多模式通用手机多频段多模式通用基台无线局域网的通用网关GPS定位和卫星通信国外研究现状1992年5月，美国MITRE公司的JoeMitola首次提出软件无线电的概念。1995年8月，美军多频段多模式电台Speakeasy第一期工程现场演示。1995年10月，美国MIT的计算机科学家实施SpectrumWare计划.1996年3月，美国100多个商业及政府机构成立MMITSForum,其主要目的是制定软件无线电的协议标准，推动软件无线电商用化。1997年5月，JoeMitola在欧洲召开的软件无线电国际会议中提出软件化程度的一种度量方法。1997年以来，一些大公司（Motorola、NorthernTelecom等）开始在产品开发中采用软件无线电技术。国外研究现状（续）Speakeasy(易话通）计划用途：–提供一个三军通用的无线通信平台，是一种产品；–以DSP为基础的体系结构；–用软件实现不同调制、多址、组网、信令的现场可变；–工作频段2-2000MHz，能兼容美军15种电台。技术–双总线结构－VME总线－高速数据总线–多频段天线、RF功放、RF接收前端–通用可编程的DSP组－TMS320C40多芯片组Quad-C40MCM用途–这不是一个产品，而是一个实验平台；–以通用机为基础的体系结构，更接近理想的软件无线电；–着重研究提高软件无线电的软件化程度；–实例：采用一个由8－15个计算机组成的网络可以完全实现两个频道的GSM基站。技术–时间去耦技术–并行处理技术–编码调制新算法–高速计算技术–软件加载技术国外研究现状（续）Spectrumware(频谱件）计划关键技术综述开放式总线结构及实现宽频段/多频段天线及射频前端技术高速、高精度A/D、D/A技术射频及中频段的数字处理技术基带及零中频的数字处理技术高速DSP及ASIC的实现通信协议及软件的标准化、通用化、模块化二、第三代移动通信标准制定时间表1985~1994年明确概念和目标，提出FPLMTS1987~1994年确定基本原则1990~1998年制订框架和要求，1996年正式更名为IMT20001992~1998年确定评估方法和程序1998年6月30日前征集IMT2000-RTT技术方案1998年7月~1999年3月评选确定方案和基本参数1998年10月~1999年12月制订出最后的技术规范发展及由来系统目标多媒体能力个人化使用智能化功能多速率和高级业务(2Mb/s)固定网的质量更简单的蜂窝结构容易进行信道规划和管理大容量:60路话/小区/MHz低的发射功率室外300mw,室内20mW应用业务消息业务有线业务电子邮件，语音邮件，视频邮件Internet，ISDN，信用卡鉴权可视电话，会议电视VOD，IOD，家中购物天气预报，交通信息，体育新闻紧急呼叫，汽车管理保安，遥测交互业务获取业务分发业务社区业务远端业务工作频率和传输速率频率–1890~2030MHz，2110~2250MHz最高传输速率–高速运动：144kb/s–步行速度：384kb/s–室内环境：2Mb/s移动通信向第三代系统过渡北美欧洲第二代第二代+第二代++第三代IMT2000IS-95AIS-95BIS-95CCDMA2000GSMTDMAGSM+GPRS,HSCSDGSM++EDGEWCDMA普通分组数据业务高速电路交换数据GSM增强数据率移动通信向第三代系统过渡核心网络+无线接入网络无线接入网络移动台移动台移动台基台基台基台无线网络控制器无线网络控制器核心网络宽带（移动）综合业务交换中心和VLR归属位置寄存器(HLR)其它网络：PSTN，ISDN，B-ISDN，IP-Net.IUIUR第三代系统的技术介绍二种核心网络技术欧洲提出GSM核心网络北美提出IS-41三种代表性的RTT技术方案欧洲和日本的WCDMA方案北美的CDMA2000方案中国CATT提出的TD-SCDMA方案RTT技术介绍——CDMA2000以IS-95为基础–相同的码片速率、软切换技术、功率控制技术技术改进–反向信道连续导频和相干解调–多载波方式提高传输速率基本参数–码片速率：1.2288/3.686Mc/s,–波道间隔：N1.25/5MHz–功率控制速率：800b/s–编码方式：卷积码R=1/4,1/3,1/2,k=9和TurboCodeRTT技术介绍——WCDMA特点–强调宽带技术，最小带宽5MHz–BTS间不需要同步和GPS–正反向信道相干解调基本参数–码片速率：4.096/8.192/16.3843Mc/s,–波道间隔：5/10/20MHz–功率控制速率：1600b/s–编码方式：卷积码R=1/3,1/2,k=9和TurboCodeRTT技术介绍——TD-SCDMA时分复用、时分双工，软件化、智能天线、同步CDMA技术–8个时隙，正、反向信道各4个时隙–每个时隙16个地址码–可变的双工信道速率–采用16QAM和非对称传输支持2Mb/s速率语音传输：8kb/s扩频切普率：1.1136Mc/s信道编码：语音为3/4卷积码背景总结IMT2000是新一代移动通信系统标准IMT2000以支持移动多媒体通信为目标IMT2000的标准目前正在制定中，多个标准之间的融合比较困难，会出现所谓IMT2000家族的概念IMT2000将在2001年后提供商用三、平流层气球通信空间的无线通信。如：卫星通信、短波通信–作为干线传输：容量小；–作为用户传输：成本高；–有传播延时，轨道资源无法控制。地面的无线通信。如：移动通信、微波通信–作为干线传输：距离近；–作为用户传输：基台多；–有多径效应，受地形地貌影响严重。当前无线通信存在的问题1994年，美国加州大学AlfredWong发明离子推进器1995年，美国成立SkyStationInternational公司1996年3月，FCC同意该公司在大气层建立电信平台1996年11月，该公司和印度签署合作协议1997年1月，在国际电联（ITU－RSG9）会议上正式提出平流层通信业务的概念平流层电信业务的提出工作原理和系统组成（一）关于平流层对流层：10km以下；平流层：10－50km；电离层：50km以上。–高度：23km；–气球尺寸：直径50m，长度150m；–气球自重：5.6吨，气球载重：4.9吨；–通信工作频率：47.2－47.5GHz(上行)；47.9－48.2GHz（下行)；–通信覆盖范围：40km(仰角300)；125km(仰角100)；546km(仰角00)。平流层气球通信的基本概念–充氦的气球；–太阳能电池及燃料电池；–离子推进器；–位置及姿态保持系统；–发射及回收装置；–通信平台及其它信息平台。空中平台的组成空中部分：相控阵天线；无线收发系统；复接系统；交换系统。地面部分：用户接入系统；交换与控制系统；空中平台的遥控与遥测系统。通信系统的组成数字电话、传真和电子邮件,传送速率：64Kb/s；活动型可视电话业务,传送速率：256Kb/s；高速Internet网和文件传送，传送速率：512Kb/s－1.5Mb/s；局域网、城域网和广域网，传送速率：2.048Mb/s－155Mb/s。平流层通信能支持的业务民用通信：有线电话、移动电话、可视业务、高速Internet军用通信：野战通信、海上通信、边境通信、战区通信地域广播：广播与电视的覆盖、远程教育地域遥感：山林防火、灾情监视、地质普查、城市规划远程探测：警戒雷达、气象雷达国家安全：空中监视、突发事件的通信平流层通信的应用领域发展展望有没有可能真正实现？有没有可能这麽便宜？在民用方面的应用前途如何？在军用方面的应用前途如何？结论：这是一项充满风险、也是充满机遇的全新技术，如果成功，将是继卫星通信、光纤通信以后通信网的又一次重大突破。