无线通信 第1章-无线通信概述

1无线通信系统主讲教师：马卓[e-mail]2本课程使用的教材T.S.Rappaport著“WirelessCommunicationsPrinciplesandPractice,2e”《无线通信原理与应用（第二版）》3参考书（1）1.李建东等编著《移动通信（修订版）》已出至第4版2.K.Pahlavan等著“PrinciplesofWirelessNetworks：AUnifiedApproach”《无线网络通信原理与应用》（中译本书名）4本课程的基本要求（1）就所选教材而言，主要讲解以下各章：第1章（无线通信系统概述）、第3章（蜂窝的概念）、第4章（大尺度路径损耗）、第5章（小尺度衰落和多径效应）、第6章（移动无线电中的调制技术）、第7章（均衡、分集和信道编码）、第9章（无线通信多址接入技术）注：第6章中模拟调制不讲；第7章中编码不讲、均衡简介。5本课程的基本要求（2）概括起来说，本课程主要要求大家通过学习掌握以蜂窝系统为主的无线移动通信系统的基础知识。可以分成以下几个方面的内容：1）蜂窝系统设计原理（Ch3）；2）无线移动信道（Ch4、Ch5）；3）用于移动通信的数字调制技术和抗多径、抗衰落技术（Ch6、Ch7）；4）多址技术（Ch9）。6从通信分层的观念看课程要求本课程主要关注基站（BS）和移动台（MS）之间空中接口（GSM中，这个接口称作Um接口）的物理层：第4、5章讨论物理层的传输媒质；第6、7章讨论传输技术。同时也从系统（或网络）的角度对其它层作必要的介绍：第3章讨论蜂窝网络原理、信道分配策略、切换等问题；第9章介绍多址技术。7蜂窝网络的构成（第2代）重要名词：MS（MobileStation）：移动台，如手机。BS（BaseStation）：基站。MSC（MobileSwitchingCenter）移动交换中心。8有基础设施的集中式无线网络蜂窝系统属于有基础设施（如基站）的网络。任意两个网内用户（或者网内用户和有线网用户）之间的通信都要通过基站（BS）“中转”，这一点和一般的点对点无线通信（如，无线对讲机）是不同的。9提纲一、无线通信的发展历史二、无线通信的特点三、无线电波频段的划分四、无线通信系统的分类五、常用无线通信系统六、不同无线通信应用的不同需求七、标准化蜂窝系统简介八、无线通信中的基本技术10无线通信的发展历史（1）无线通信始于1897年马可尼在英吉利海峡行驶的船只之间进行的无线电报通信的演示。20世纪40年代，首先在短波几个频段上开发出专用无线通信系统，其代表是美国底特律市警察实用的车载无线电系统，特点是专用系统，工作频率较低。20世纪40年代至60年代初期，公共无线移动通信系统开始问世。1946年，世界上第一个公共移动电话系统在美国的圣路易斯市投入使用。其特点是非蜂窝系统，只有六个信道.1112无线通信的发展历史（2）20世纪六十年代到七十年代，贝尔实验室提出了蜂窝的概念，即把整个覆盖范围划分成小的单元，每个单元复用整个频带的一部分以提高频率利用率。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）。后来美国也建立了AMPS系统。其特点是使用模拟调制，蜂窝网。13无线通信的发展历史（3）数字蜂窝系统：开始于20世纪80年代，与20世纪90年代开始投入商用。代表系统有：GSM，USDC（IS-136）等。特点是用数字调制，语音编码和时分多址代替模拟调制和频分多址。地区西欧美国日本普及率（04年）80%50%70%截至2007年12月，中国手机用户数达5.47286亿户，普及率为41.6%，总量居世界第一位。14无线通信的发展历史（4）第三代移动通信：全球化标准。提供更大的系统容量和更高的数据传输速率。三个第三代移动通信技术标准：欧洲的WCDMA，美国的CDMA2000，中国的TD-SCDMA。无线局域网（WLAN）：802.11系列标准。15无线通信的特点（1）1.无线通信必须利用无线电波进行信息传输这种传播媒质允许通信中的用户可以在一定范围内自由活动，其位置不受束缚，不过无线电波的传播特性一般都很差。首先，移动通信的运行环境十分复杂，电波不仅会随着传播距离的增加而发生弥散损耗，并且会受到地形、地物的遮蔽而发生“阴影效应”，而且信号经过多点反射，会从多条路径到达接收地点，这种多径信号的幅度、相位和到达时间都不一样，它们相互叠加会产生电平衰落和时延扩展；其次，移动通信常常在快速移动中进行，这不仅会引起多普勒（Doppler）频移，产生随机调频，而且会使得电波传播特性发生快速的随机起伏，严重影响通信质量。16无线通信的特点（2）2.无线通信是在复杂的干扰环境中运行的除去一些常见的外部干扰，如天电干扰、工业干扰和信道噪声外，系统本身和不同系统之间，还会产生这样或那样的干扰。因为在移动通信系统中，常常有多部用户电台在同一地区工作，基站还会有多部收发信机在同一地点上工作，这些电台之间会产生干扰。173.无线通信可以利用的频谱资源非常有限，而移动通信业务量的需求却与日俱增如何提高通信系统的通信容量，始终是移动通信发展中的焦点。为了解决这一矛盾，一方面要开辟和启用新的频段；另一方面要研究各种新技术和新措施，以压缩信号所占的频带宽度和提高频谱利用率。无线通信的特点（3）18无线通信的特点（4）4.无线通信系统的网络结构多种多样，网络管理和控制必须有效根据通信地区的不同需要，移动通信网络可以组成带状(如铁路公路沿线)、面状(如覆盖一城市或地区)或立体状(如地面通信设施与中、低轨道卫星通信网络的综合系统)等，可以单网运行，也可以多网并行并实现互连互通。为此，移动通信网络必须具备很强的管理和控制功能，诸如用户的登记和定位，通信(呼叫)链路的建立和拆除，信道的分配和管理，通信的计费、鉴权、安全和保密管理以及用户过境切换和漫游的控制等。19无线通信的特点（5）5.移动通信设备(主要是移动台)必须适于在移动环境中使用对手机的主要要求是体积小、重量轻、省电、操作简单和携带方便。车载台和机载台除要求操作简单和维修方便外，还应保证在震动、冲击、高低温变化等恶劣环境中正常工作。20无线电波的频段的划分1.射频频段（波段）划分：λ＝c/f，c=300000000m/s21常用无线电波段的特点22无线通信常用频段2.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。23受管制频谱和不受管制的频谱例如，800－1000MHz：几个蜂窝系统使用此频段（模拟系统和第二代蜂窝）。也有一些应急通信系统（集群无线电）使用此频段。1.8－2.0GHz：这是蜂窝通信的主要频段。目前的（第二代）蜂窝系统工作于此频段，大多数第三代系统也将工作于此频段。许多无绳系统也工作于此频段。2.4－2.5GHz：工业、科学和医疗（ISM）频段。无绳电话、无线局域网（WLAN）和无线个域网（WPAN）工作于此频段；它们与其它的许多设备（包括微波炉）分享这一频段。24无线通信系统的分类(1)按使用对象可分为民用设备和军用设备；按使用环境可分为陆地通信、海上通信和空中通信；按多址方式可分为频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)等；按覆盖范围可分为广域网和局域网；25无线通信系统的分类(2)按业务类型可分为电话网、数据网和多媒体网；按射频工作方式可分为单工、半双工、全双工；按服务范围可分为专用网和公用网；按信号形式可分为模拟网和数字网。26无线通信的射频工作方式单工（Simplex）：消息只能单方向传输的工作方式，典型的应用为寻呼系统。半双工（HalfDuplex）：通信双方都能收发信息，但不能同时进行收发的工作方式，多采用按讲方式（PTT）。如对讲机。全双工（FullDuplex），通信双方可同时进行收发信息的工作方式。商用的移动通信系统都是全双工的。全双工（简记作Duplex）又分为：频分双工（FDD）和时分双工（TDD）。27FDD什么是频分双工（FDD，FrequencyDivisionDuplex）：Tx：Transmitter；Rx：Receiver；收发信机：transceiver。28FDD的主要优点覆盖距离没有限制，一般可以达到30~40km；控制的实时性好，上、下行链路基本上可以同时对异向链路的测量信息及时反应；功率控制速度快；网络设计经验成熟，规划相对简单；同步要求较低。29FDD的主要缺点对业务需求非对称性的适配能力弱；需要成对的频率分配；需要两个滤波器；上、下行链路的信道特性不相关；需要频率保护间隔，一般大约为载波频率的5%~10%。30TDD什么是TDD：TDD是一种准全双工。31TDD技术的主要优点适应非对称传输，上、下行链路时隙的数目可变；上、下行链路的信道特性具有互易性。上、下行链路共用一个频率点，无需成对频率。32TDD技术的主要缺点同步要求高；切换开关的拖尾问题；需设置保护时间间隔；保护时间间隔限制了小区的覆盖；交叉时隙干扰（CDMA系统）；系统的整体鲁棒性下降；网络运行维护经验欠缺。33系统实例GSM系统属于FDD系统；联通的CDMA系统也是FDD系统。“小灵通”采用了日本PHS＊系统的空中接口规范，它属于TDD系统。3G系统中，欧洲提出的WCDMA系统和美国提出的CDMA2000系统都是以FDD为主的系统，中国的TD-SCDMA属TDD系统。＊注：PHS，PersonalHandySystem34常用无线通信系统寻呼系统(Paging)无绳电话(cordlesstelephony)蜂窝系统(cellularsystem)集群通信系统（TrunkingRadio）卫星移动通信无线局域网(WLAN，W：Wireless)其他无线通信系统35寻呼系统无线电寻呼系统是一种单向通信系统。无线电寻呼系统的用户设备是袖珍式接收机，称作袖珍铃，俗称“BB机”，这是由于它的振铃声近似于“B…B…”声音之故。36寻呼系统的特点单工系统，用户只能接受信息，不能发送信息。所以一个寻呼信息只能由寻呼中心发起，而不能由用户发起。信息的发送目标和接收方都只限于一个单独的用户。发送信息的数量非常小。最初的寻呼系统，接收信息由单个比特信息构成，向用户指示，“有人发送了一条信息给你”。然后用户必须打一个电话到寻呼中心，在那里由一个寻呼人员重复之前保留的信息内容。后来，寻呼系统变得更加复杂，允许了短消息的传送，但是信息的数量是有限的。由于通信的单向性和信息数量少，寻呼业务所需的带宽也较小，容易到达较大的系统容量。由于寻呼系统所需的带宽较小，一次可以使用较低的载频，而低载频又容易实现大范围的覆盖。37寻呼系统38简单的无绳电话机把普通的电话单机分成座机和手机两部分，座机与有线电话网连接，手机与座机之间用无线电连接，这样，允许携带手机的用户可以在一定范围内自由活动时进行通话，因为手机与座机之间不需要用电线连接，故称之为“无绳”电话机。这种无绳电话称为家庭型无绳电话。随着通信技术的发展，无绳电话也朝着网络化的方向发展，即网络型无绳电话，其座机发展成了具有交换功能的专用自动小交换机。无绳电话的手机、座机与电信点所发射的功率均在10mW以下，无线覆盖半径约在100m左右。数字无绳电话系统包括CT-2、DECT、PHS、PACS等。无绳电话系统（1）39无绳电话系统（2）无绳电话特点：提供灵活的无线接入手段，全双工工作；依附于有线网络（PSTN）。40无绳电话系统（3）无绳电话是一种以有线电话网