现代无线通信原理第一章

第一章现代无线通信原理概述1.1无线通信发展历史1.2电磁频谱和无线电频谱1.3无线电波传播效应1.4无线通信系统模型1.5无线信道特性1.6无线通信发展趋势分析1.1无线通信发展历史简介(1/10)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。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)，开启了无线通信发展的大门。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。1.1无线通信发展历史简介(2/10)1.1无线通信发展历史简介(3/10)1927年大西洋两岸同时进行了第一次电视广播。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。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。1977年美国贝尔实验室首先提出了800MHz蜂窝无线电话,并推出先进的移动电话服务系统(AMPS).80年代该系统在芝加哥、巴尔的摩和华盛顿正式投入商用。1979年第一个商用蜂窝电话市场在日本东京开业，它使用一种模拟FM调制来给用户发送语音信号。1.1无线通信发展历史简介(4/10)1.1无线通信发展历史简介(5/10)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。至20世纪80年代后期模拟移动通信（第一代移动通信系统）已成为商业上的成功。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400MHz,450MHz,800MHz和900MHz频段。1.1无线通信发展历史简介(6/10)1.1无线通信发展历史简介(7/10)1990年第一个基于数字移动通信技术的第二代蜂窝系统（GSM）投入商用。现已成为全球最重要的2G标准之一。1994年日本的PDC（个人数字蜂窝）于投入使用。1995年美国CDMA系统（IS-95)开通。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。截止到2009年2月全球移动用户数已达40亿。我国移动用户数量达到近7亿。1.1无线通信发展历史简介(8/10)1999年国际电信联盟（ITU）确定了下一代移动通信系统（3G)标准，称为国际移动通信2000标准（IMT-2000）。WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA。2001年WCDMA在日本开始商业服务。3G美国协会2008年底发布报告说，全球3G用户数接近4.15亿。1.1无线通信发展历史简介(9/10)卫星通信系统:地球同步轨道卫星系统、低轨道卫星系统、全球卫星定位系统（GPS）。无线自组织网络(Adhoc)：具有无线连接和临时插入连接特性的本地网络，只有当移动或便携式设备处在近距离时，它们才是网络的一部分。主要应用于战场、灾难定位等。传感器网络：是一种新类型的无线自组织网络，可以对没有被认知和没有测试的环境进行可靠的监视和分析。主要应用于战场、核化工厂、生物感知、环境监测、家用等。1.1无线通信发展历史简介(10/10)无线局域网(LAN))：自20世纪80年代晚期引入，它能够用低功率发射覆盖较小的区域，并且它对办公和家庭来说正变得日益重要。IEEE（电气和电子工程师学会）开发了无线局域网的标准802.11、蓝牙（Blutooth）工业联盟也在致力于提供一个无缝的无线网络技术。无线通信中的一些重要事件1.2电磁频谱和无线电频谱1.2.1电磁频谱(1/4)电磁波谱，从波长较长（频率低）到波长越来越短（频率高）的次序排列为：1、无线电波2、红外线3、紫外线4、可见光5、X射线6、伽马射线及宇宙射线1.2.1电磁频谱(2/4)1.2.1电磁频谱(3/4)1.2.1电磁频谱(4/4)1.2.2无线电频谱(1/4)无线电波是指频率低于3000GHz的电磁波，无线电电波频谱一般按波长来划分，可以分为极长波、超长波、中波、短波、超短波、微波、毫米波、和亚毫米波等。微波是指频率为300MHz至300GHz的电磁波。1.2.2无线电频谱(2/4)频段名缩写频带范围波段名波长特征极低频超低频特低频甚低频ELFSLFULFVLF30Hz以下30~300Hz300~3000Hz3~30kHz极长波超长波特长波甚长波104km以上103~104km100~1000km10~100km地波低频LF30~300kHz长波（LW)1~10km表面波、地面波中频MF300kHz~3MHz中波（MW)100~1000m高频HF3MHz~30MHz短波（SW)10~100m天波甚高频VHF30MHz~300MHz超短波1~10m空间波特高频UHF300MHz~3GHz分米波10~100cm超高频SHF3GHz~30GHz厘米波1~10cm极高频超极高频EHF30GHz~300GHz300~3000GHz毫米波丝米波（亚毫米波）1~10mm0.1~1mm卫星波1.2.2无线电频谱(3/4)微波频段划分1.2.2无线电频谱(4/4)各个波段常用的信号：音频：ELF、SLF、ULF、VLF视频：ELF到HF雷达：VHF、UHF、SHF、EHF移动通信：UHF微波通信：SHF卫星通信：SHF、EHF1.2.3电磁频谱特性1.频谱资源的有限性2.频谱资源的非消耗性3.频谱资源的三维性4.频谱资源的易受污染性5.频谱资源的共享性必须对电磁频谱进行统一规划、科学管理使用。1.3无线电波传播效应在无线电频谱中，不同频段的无线电波具有不同的传播方式。长波和超长波：主要是靠地波和电离层反射。短波：电离层反射。超短波和微波：视距、非视距、超视距。1.3无线电波传播效应（超短波与微波）1.晴空条件下的视距传播2.绕射传播3.地形、地物的反射和散射4.雨、水凝体和沙尘对电波的散射和衰减5.多径传播和聚焦效应6.大气折射7.大气波导传播8.对流层散射1.3无线电波传播效应传播途径直射波及地面反射波（最一般的传播形式）山体绕射波（阴影区域信号来源）电离层反射波（超视距通讯途径）1.4无线通信系统模型信源信源编码信道编码射频与天线消息的估计接收信号已调发射信号无线信道复用调制多址天线与射频多址解调解复用信道解码信源解码信宿发送器接收器1.4无线通信系统模型•信源编码：利用信源统计特性消除其内在的相关性，达到压缩信源码率；提高传输的有效性；•信道编码：分为检错码和纠错码，前者一般与ARQ结合使用；按照一定的算法插入冗余码，提高传输的可靠性。•数字调制：键控、多进制调制•数字加密：比模拟信号容易•模拟传输：收发均为RF信号（模拟），无线传播频带有限，使用严格频率特性的滤波器，在发端降低带外杂散频率，收端减少由天线带来的带外干扰。1.5无线信道特性1.5.1信道的定义信道是指以传输媒质为基础的信号通路。具体地说，信道是指由有线或无线电线路提供的信号通路。信道的作用是传输信号，它提供一段频带让信号通过，同时又给信号加以限制和损害。1.5.2信道的分类有记忆信道无记忆信道编码信道变参信道恒参信道调制信道广义信道无线信道有线信道狭义信道信道1.5.2信道的分类信道可大体分成：狭义信道和广义信道。1.狭义信道狭义信道是指在发端设备和收端设备中间的传输媒介，它包括有线信道和无线信道。2.广义信道广义信道通常也可分成两种，调制信道和编码信道。指信源变换器输入到信宿变换器输出的传输路径。1.5.2信道的分类1.5.2信道的分类(1/6)一、广义信道的数学模型1.调制信道模型调制信道的范围是从调制器输出端到解调器输入端。通常它具有如下性质：（1）有一对(或多对)输入端和一对(或多对)输出端；（2）绝大部分信道都是线性的，即满足叠加原理；有一定的功率输出（噪声）。1.5.2信道的分类(2/6)（3）信号通过信道会出现迟延时间；（4）信道对信号有损耗(固定损耗或时变损耗)；（5）即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定的功率输出（噪声）。时变线性网络时变线性网络ei(t)e0(t)ei1(t)e01(t)ei2(t)e02(t)eim(t)e0m(t)....(a)(b)图2-2调制信道模型调制信道模型1.5.2信道的分类(3/6)对于二对端的信道模型来说，其输出与输入之间的关系式可表示成：将上式进一步简化可以写成：这样信道对信号的影响可归纳为两点：一是乘性干扰k(t)，二是加性干扰n(t)。不同特性的信道，仅反映信道模型有不同的k(t)及n(t)。)()]([)(0tnteftei)()()()(0tntetktei1.5.3信道的分类(4/6)根据信道中k(t)的特性不同，可以将信道分为：恒参信道和变参信道。2、编码信道模型从编码器输出端到译码器输入端的所有转换器及传输媒质可用一个完成数字序列变换的方框加以概括，此方框称为编码信道。编码信道的模型可用数字信号的转移概率来描述。1.5.3信道的分类(5/6)模型中，把P(0/1)、P(0/0)、P(0/1)、P(1/1)称为信道转移概率。以P(1/0)为例，其含义是“经信道传输，把0转移为1的概率”。1.5.3信道的分类(6/6)转移概率由编码信道的特性决定，一个特定的编码信道就会有相应确定的转移概率。编码信道可进一步分为无记忆编码信道和有记忆编码信道。1.5.4无线信道的特点1.传播的开放性2.接收地理环境的复杂性和多样性3.某些通信用户具有随机的移动性无线信道的多样性和时变性。1.5.5无线信道的复杂性1、频率，1个变量2、时间，1个变量3、接收机移位，3维空间，3个变量4、发射机移位，3维空间，3个变量5、接收机指向，3维空间，3个变量6、发射指向，3维空间，3个变量7、多天线接收机，增加1个变量8、多天线发射机，增加1个变量1.5.6信道容量(1/4)1、信道容量的定义在信息论中，称信道无差错传输信息的最大信息速率为信道容量，记之为C。信道可以分为：离散信道（编码信道）和连续信道（调制信道）。1.5.6信道容量(2/4)2、仙农公式假设连续信道的加性高斯白噪声功率为N（W），信道的带宽为B（Hz），信号功率为S（W），则该信道的信道容量为:当信道特性（B、S和n0）给定以后，上式表示理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值。单位bit/s)1(log)1(log)1(log02022BNREBBNSBNSBCb1.5.6信道容量(3/4)3、关于仙农公式的几点讨论（1）在给定B、S/B的情况下，信道的极限传输能力为C，而且此时能够做到无差错传输（即差错率为零）。（2）提高信噪比，可提高信道容量。（3）增加信道带宽，也可有限的增加信道的容量。（4）信道容量可以通过系统带宽与信噪比的互换而保持不变200limlog1.44BSSCeNN1.5.6信道容量(4/4)4、带宽受限信道和功率受限信道令R=C，仙农定理就可以写成：Eb/N0=(2C/B-1)/(C/B)带宽受限信道Eb/N0C/BB无限功率可以换取带宽功率受限信道BC/BEb/N0有限当B，Eb/N0-1.6dB，即为仙农极限，带宽不能无限制地换取功率。