無線通信系統(tǒng)概述

第一章

無線通信系統(tǒng)概述

華北電力大學(xué)電子系趙建立hdzjl2306@2011年主要內(nèi)容通信技術(shù)的發(fā)展歷程無線通信的應(yīng)用情況電信網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)電信（Telecommunication)的新紀(jì)元通信（Communication)作為電信（Telecommunication)是從19世紀(jì)30年度開始的。

物理發(fā)現(xiàn) 通信技術(shù)發(fā)展

1831年法拉第電磁感應(yīng)1837年莫爾斯發(fā)明電報(bào)

1873年麥克斯韋爾的電1876年貝爾發(fā)明電話

磁場(chǎng)理論1895年馬可尼發(fā)明無線電電話的發(fā)明者－貝爾貝爾（18xx－1922）英國人

1868年在倫敦工作

1871年去波士頓工作

1873年任波士頓大學(xué)教授

1875年發(fā)明多路電報(bào)

1876年發(fā)明電話一生曾獲許多專利無線電的發(fā)明者－馬可尼馬可尼（1874－1937）意大利人

1894年在父親的莊園試驗(yàn)

1896年去倫敦

1897年建立無線電報(bào)公司

1899年首次實(shí)現(xiàn)英法無線通信

1916年實(shí)現(xiàn)短波無線電通信

1929年建立世界性無線通信網(wǎng)曾獲諾貝爾獎(jiǎng)金曾參加法西斯黨數(shù)字通信的新紀(jì)元1928年奈奎斯特準(zhǔn)則和取樣定理1948年仙農(nóng)（定理)在理論上為數(shù)字通信準(zhǔn)備了條件

物理發(fā)現(xiàn)

通信技術(shù)發(fā)展

20世紀(jì)50年代 數(shù)字通信得到發(fā)展 發(fā)明半導(dǎo)體 20世紀(jì)60年代 發(fā)明集成電路

空間通信的新紀(jì)元

物理發(fā)現(xiàn)

通信技術(shù)發(fā)展

20世紀(jì)50年代 20世紀(jì)40年代提出靜止衛(wèi) 航天技術(shù) 星概念，但無法實(shí)現(xiàn) 1963年第一次實(shí)現(xiàn)同步衛(wèi) 星通信 光纖通信的新紀(jì)元

物理發(fā)現(xiàn)

通信技術(shù)發(fā)展

20世紀(jì)60年代 企圖用于通信，未成功 發(fā)明激光 20世紀(jì)70年代

光纖通信得到發(fā)展

發(fā)明光導(dǎo)纖維 通信發(fā)展歷史的啟示通信傳輸始終是最活躍的技術(shù)領(lǐng)域，物理上的新進(jìn)展都可能在通信上找到新用途，從而形成新的通信產(chǎn)業(yè)。通信傳輸?shù)男乱笥謱⑼苿?dòng)物理和器件的進(jìn)展，促使人們?nèi)パ芯堪l(fā)展新的物理機(jī)理來滿足信息傳輸?shù)男枰Ｒ粋€(gè)優(yōu)秀的通信工程師和研究人員，必須對(duì)物理學(xué)和器件技術(shù)的新進(jìn)展十分感興趣，并善于抓住新方向、新突破口迎接通信技術(shù)的革命。通信的目標(biāo)20世紀(jì)的概念：五個(gè)W，“任何人（Whoever）在任何地方（Wherever）任何時(shí)間（Whenever）可以同任何人（Whomever）進(jìn)行任何形式（Whatever）的通信”。20世紀(jì)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“任何地方、任何時(shí)候、任何人”（anywhere,anytime,anyone)的通信；21世紀(jì)的目標(biāo)應(yīng)該是實(shí)現(xiàn)“處處、時(shí)時(shí)、人人”（everywhere,all-the-time,everyone）的通信通信系統(tǒng)的基本矛盾可靠性與有效性可靠性——發(fā)送消息在接受端的準(zhǔn)確還原（矛盾的主要方面）有效性——信道資源的充分利用（時(shí)域、空域、頻域）形成這種矛盾的根本原因：信道不理想

帶寬、時(shí)間受限

噪聲和干擾研究通信系統(tǒng)的基本出發(fā)點(diǎn)在一定可靠性要求下，如何盡可能去提高系統(tǒng)的有效性在一定的有效性要求下，如何最大限度的提高可靠性即在一定的代價(jià)下，使系統(tǒng)優(yōu)化這種矛盾的相對(duì)統(tǒng)一，也是通信技術(shù)發(fā)展的基本動(dòng)力通信模型通信分類通信的分類可有多種劃分的形式，如從通信內(nèi)容上、傳輸信號(hào)的性質(zhì)上、信道上等進(jìn)行劃分。從信道劃分大致可有：

通信分類（2）從通信內(nèi)容上可有：語音通信(電話)、圖象通信、多媒體通信從傳輸信號(hào)形式有：模擬信號(hào)通信數(shù)字信號(hào)通信

還有其它一些分類方法，如窄帶通信和寬帶通信之分。語音、低速數(shù)據(jù)屬窄帶通信，而圖像、多媒體、高速數(shù)據(jù)屬寬帶通信。

無線通信無線通信是依靠自由空間來傳輸電磁波的通信方式。

無線通信的挑戰(zhàn)：信道的隨機(jī)時(shí)變和各種擴(kuò)散（頻率擴(kuò)散、時(shí)間擴(kuò)散、角擴(kuò)散）造成的各種選擇性衰落（時(shí)間選擇性衰落、頻率選擇性衰落、空間選擇性衰落）。對(duì)抗上述衰落的有效手段是分集。無線通信的應(yīng)用概況短波/超短波通信天波（電離層）：數(shù)據(jù)/電話、單邊帶地波：小型接力機(jī)、單雙工電臺(tái)、對(duì)講機(jī)微波通信微波接力（模擬、數(shù)字）、散射、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)微波電視、電話、數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信高軌道（同步靜止）、中軌道、低軌道電視、電話、數(shù)據(jù)移動(dòng)通信蜂窩電話、無繩電話、無線數(shù)據(jù)、集群系統(tǒng)、尋呼系統(tǒng)、衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)短波電離層通信

特點(diǎn)：超遠(yuǎn)距離、靈活機(jī)動(dòng)；容量小、質(zhì)量差用途： －海外使館 －遠(yuǎn)洋船隊(duì) －邊防哨所 －應(yīng)急通信

短波/超短波地面通信

短波/超短波地面通信特點(diǎn)：繞射能力、靈活機(jī)動(dòng)、隱蔽性好；容量較小、質(zhì)量較差用途： －陸軍電臺(tái) －對(duì)空電臺(tái) －特種通信(武警、公安) －無繩電話微波通信微波接力特點(diǎn)：容量大、質(zhì)量好、視距傳播條件用途： －中小容量微波 －SDH大容量微波 －擴(kuò)頻微波 －高頻段微波點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)微波用途：－無線集中器 －無線用戶環(huán) 散射微波通信衰落時(shí)變信道，距離遠(yuǎn)，頻帶較窄，質(zhì)量較差用途－軍用 －民用衛(wèi)星通信高軌道衛(wèi)星通信特點(diǎn)：同步軌道、靜止衛(wèi)星、容量大、質(zhì)量好、功率受限信道用途： －國際長(zhǎng)途 －海事衛(wèi)星 －電視廣播 －軍事通信中低軌道衛(wèi)星通信特點(diǎn)：距離近、地面設(shè)備簡(jiǎn)單靈活，非靜止軌道，要求跟蹤用途： －非實(shí)時(shí)信息傳送 －遙感 －偵測(cè) －衛(wèi)星移動(dòng)通信移動(dòng)通信蜂窩系統(tǒng)無線通信最成功的應(yīng)用第一代：模擬 第二代：數(shù)字 第三代：多媒體

尋呼系統(tǒng)無線通信最大眾化的應(yīng)用其它無線移動(dòng)系統(tǒng)集群系統(tǒng)無繩電話系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)系統(tǒng)無線ATM系統(tǒng)無線IP系統(tǒng)21世紀(jì)電信網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)20世紀(jì) 21世紀(jì)業(yè)務(wù)方式 以音頻為主的單媒體以視頻為主的多媒體干線傳輸 微波 光纖用戶傳輸 有線 無線復(fù)接方式 PDH SDH交換模式 STM 分組交換、軟交換網(wǎng)絡(luò)方式 三網(wǎng)鼎立 三網(wǎng)合一面向21世紀(jì)通信的三大革命以干線（包括部分支線）傳輸光纖化為標(biāo)志的光纖革命以SDH、ATM和IP為標(biāo)志的數(shù)字革命以個(gè)人通信和無線接入為標(biāo)志的無線革命面向21世紀(jì)通信的兩大通信平臺(tái)光纖通信平臺(tái)： 無線通信平臺(tái)：超大容量、超長(zhǎng)距離 寬帶、移動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)：波分復(fù)用、 關(guān)鍵技術(shù)：CDMA、智光纖放大器 能天線、軟件無線電、MIMO、空時(shí)信號(hào)處理

無線通信面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展機(jī)遇

光纖通信對(duì)無線通信的巨大沖擊－－巨大帶寬－－超低損耗－－較低成本－－未來信息高速公路的主干道無線通信的發(fā)展機(jī)遇－－靈活性－－抗災(zāi)性－－移動(dòng)性第二章現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)2G蜂窩網(wǎng)絡(luò)3G無線網(wǎng)絡(luò)本地用戶環(huán)路WLL常見的無線通信標(biāo)準(zhǔn)2.12G蜂窩網(wǎng)絡(luò)GSM:歐洲，TDMA/FDD臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)136：美國，臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)95，美國，CDMA/FDD，2001年末蜂窩技術(shù)的用戶數(shù)不同2G標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)規(guī)范2.5G移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)IS95B:允許一個(gè)用戶可以同時(shí)使用8個(gè)Walsh碼，用戶速率115.2Kbps(8*14.4).HSCSD:高速電路交換數(shù)據(jù)，單個(gè)用戶可以使用多個(gè)時(shí)隙，最高4個(gè)。4×14.4Kbps=57.6Kbps.GPRS:通用無線分組業(yè)務(wù)。非實(shí)時(shí)，突發(fā)方式，每個(gè)信道的峰值速率21.4Kbps，最高8×21.4=171.2Kbps.EDGE:增強(qiáng)的GPRS，將調(diào)制方式GMSK改為8-PSK，支持多種調(diào)制編碼方案。峰值速率547.2Kbps。2.5G系統(tǒng)簡(jiǎn)介2.23G無線網(wǎng)絡(luò)W-CDMA（通用移動(dòng)通信系統(tǒng)UMTS）CDMA2000TD-SCDMAW-CDMA歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)ETSI支持.保證對(duì)GSM、IS-136、PDCTDMA技術(shù)及多種2.5GTDMA技術(shù)的后向兼容。信道帶寬5MHz，速率8K-2Mbps。每個(gè)信道可以支持100-350個(gè)話音信道。調(diào)制方式：直接序列擴(kuò)頻頻譜利用率是GSM系統(tǒng)的6倍。CDMA2000由通信工業(yè)協(xié)會(huì)TIA發(fā)起。CDMA20001X支持307Kbps的用戶速率。信道帶寬1.25MHz。CDMA20003X支持2Mbps的用戶速率。特點(diǎn)：系統(tǒng)容量大，功耗低，廉價(jià)的演進(jìn)方案。TD-SCDMA由中國電信技術(shù)研究院（CATT）與西門子公司合作，提交IMT-2000的3G標(biāo)準(zhǔn)。TDMA+TDD技術(shù)。不對(duì)稱信道方式。采用了智能天線、空間濾波、聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)。信道帶寬1.6MHz。數(shù)據(jù)速率可達(dá)384Kbps。2.3無線本地環(huán)路WLL與LMDS工作頻段：28GHz的微波頻段。視距傳播。解決“最后一里”的本地環(huán)路。LMDS:本地多點(diǎn)分配業(yè)務(wù)。帶寬幾個(gè)GHz，數(shù)據(jù)速率可達(dá)幾百兆。2.4常見無線通信標(biāo)準(zhǔn)WLAN無線個(gè)人區(qū)域WPANUWB藍(lán)牙HomeRFHiperLANWMAN無線局域網(wǎng)WLAN1997年6月26日，IEEE正式通過了無線局域網(wǎng)的802.11標(biāo)準(zhǔn);802.11b工作在2.4GISM(工業(yè)、科研、醫(yī)療)頻段內(nèi)14個(gè)中心頻道。802.11a是對(duì)在北美使用的WLAN中802.11b的升級(jí)，工作于5.725—5.825GHzISM頻段的100MHz頻帶內(nèi)，提供25Mbit/s—54Mbit/s的帶寬，可以支持以太網(wǎng)功能，用戶主要面向企業(yè)。802.11g標(biāo)準(zhǔn)于2003年6月12日由IEEE正式定案，在很大的程度上是對(duì)現(xiàn)有WLAN標(biāo)準(zhǔn)的一種提升。無線以太網(wǎng)兼容聯(lián)盟WECA將IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)命名為Wi-Fi。無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)概述WLAN設(shè)備圖無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（Wirelesspersonalareanetwork，WPAN）指占用個(gè)體或設(shè)備周圍10米被稱為個(gè)人運(yùn)行空間（POS）的網(wǎng)絡(luò)，WPAN內(nèi)的設(shè)備能相互發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行通信，基本屬于一種無中心（ad－h(huán)oc）系統(tǒng)適用范圍：智能化家用設(shè)備、近距離工作者和小辦公室／家庭辦公（SOHO）主要標(biāo)準(zhǔn)：藍(lán)牙（Bluetooth）

HomeRF

高性能無線電LAN（HighPerformanceRadioLan，HiperLAN）

UWB

UWB(UltraWideBand)

美國FCC規(guī)定，民用UWB的工作頻段范圍從3.1GHz到10.6GHz,要求其發(fā)射功率低于美國放射噪音規(guī)定值－41.3dBm/MHz

廣義的UWB(UltraWideBand，超寬帶)概念指以極窄脈沖方式進(jìn)行無線發(fā)射和接收的特種技術(shù)。

在于完全擺脫了一般無線收發(fā)中必須采用載波調(diào)制的傳統(tǒng)手段，成為在時(shí)域中直接操作的無線技術(shù)

能夠同時(shí)獲得寬帶高速、低成本、低功耗的好處，這在傳統(tǒng)無線技術(shù)中一直是只能折衷取舍的兩難問題。

UWB(續(xù))IEEE協(xié)會(huì)中負(fù)責(zé)制訂短距離寬帶無線標(biāo)準(zhǔn)的802.15.3a工作組自2002年UWB解禁以來就確定了將它用于802.15.3標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。

英特爾和TI為首的多頻帶OFDM聯(lián)盟(MBOA)提出的多頻帶OFDM技術(shù)

Freescale(前摩托羅拉半導(dǎo)體部門)為首的集團(tuán)提出的直接序列碼分多址技術(shù)(DS-CDMA)

UWB(續(xù)2)速度：UWB的脈沖寬度用于軍事雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)，最短在皮秒級(jí)水平，但在民用上，一般在納秒級(jí)。目前，廠家演示的實(shí)驗(yàn)速度在100Mbps至480Mbps之間，但理論上有達(dá)到1Gbps以上的潛力。

距離：UWB在10米以下的短距離應(yīng)用，發(fā)射距離過短并不是UWB本身的技術(shù)缺陷，而是FCC規(guī)定的低功率指標(biāo)(1mW以下)所限制的，其目的是避免對(duì)其它設(shè)備的干擾。

功耗：

UWB無線鏈路的功耗可低至普通無線鏈路的1/100，采用芯片實(shí)現(xiàn)后的整體電路能耗目前在300mW左右。英特爾公司稱短期內(nèi)要將這一指標(biāo)降至100mW以下。

成本：由于UWB不需要對(duì)載波信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)，所以不需要混頻器、過濾器、RF/IF轉(zhuǎn)換器及本地振蕩器等復(fù)雜元件，同時(shí)更容易集成到CMOS電路中。

UWB(續(xù)3)電磁兼容性：理論上，由于UWB脈沖極窄，頻帶極寬，其帶寬相當(dāng)于1000個(gè)電視頻道或3萬個(gè)FM廣播頻道，因此單位頻寬內(nèi)的功率密度相當(dāng)?shù)?，其功率密度甚至低于一般的噪聲水平，比如低于一部筆記本電腦的輻射。因此UWB對(duì)其它設(shè)備的影響微乎其微，實(shí)際上，標(biāo)準(zhǔn)的制訂者們反過來擔(dān)心的是其它設(shè)備對(duì)UWB設(shè)備以及多部UWB設(shè)備同時(shí)工作時(shí)相互間的干擾，這也是選擇標(biāo)準(zhǔn)的重要指標(biāo)之一。應(yīng)用：UWB可用于智能交通方面、智能家電領(lǐng)域，例如數(shù)字電視、投影機(jī)、攝錄一體機(jī)、PC機(jī)、機(jī)頂盒之間傳輸可視文件和數(shù)據(jù)流，或者筆記本電腦和外圍設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)局部連接構(gòu)成個(gè)人局域網(wǎng)。藍(lán)牙（Bluetooth）“藍(lán)牙”的英文名稱為“Bluetooth”，是一種開放性短距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),其本質(zhì)可以說它是一種代替線纜的技術(shù),由于藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)支持點(diǎn)到點(diǎn)也支持點(diǎn)到多點(diǎn)的連接，因此一旦需要，就可以建立若干個(gè)微網(wǎng)（piconet），最多十個(gè)微網(wǎng)能組合成所謂的“散射網(wǎng)”（Scatternet）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。藍(lán)牙技術(shù)的主要性能指標(biāo)有以下幾個(gè)：

●

工作頻段：ISM頻段，2.4GHz和5.8GHz

●

速率：1Mb/s（2.4GHz），2Mb/s（5.8GHz）

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輸出功率：1mW（0dBm）通信距離為10m，100mW為100m

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具有跳頻功能：1600h/s

●

標(biāo)準(zhǔn)：IEEE802.15.1藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)（開放標(biāo)準(zhǔn)）

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芯片價(jià)格：要求≤5美元

藍(lán)牙設(shè)備應(yīng)用HomeRF

HomeRF無線標(biāo)準(zhǔn)是由HomeRF工作組開發(fā)的，旨在家庭范圍內(nèi)，使計(jì)算機(jī)與其他電子設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)無線通信的開放性工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

主要技術(shù)指標(biāo)：使用開放的2.4GHz頻段；采用跳頻擴(kuò)頻（FHSS）技術(shù)，跳頻速率為50跳/秒,共有75個(gè)帶寬為1MHz的跳頻信道；

室內(nèi)覆蓋范圍為45米；

調(diào)制方式為恒定包絡(luò)的FSK調(diào)制，分為2FSK與4FSK兩種，采用調(diào)頻調(diào)制可以有效地抑制無線環(huán)境下的干擾和衰落；

HomeRF2.x標(biāo)準(zhǔn)中，采用了WBFH（WideBandFrequencyHopping，寬帶調(diào)頻）技術(shù)來增加跳頻帶寬，數(shù)據(jù)峰值達(dá)到10Mbps。

HighPerformanceRadioLan，HiperLANHiperLAN是802.11標(biāo)準(zhǔn)的歐洲等價(jià)物，

HiperLAN1發(fā)布于1996年，它工作于5GHz頻帶，采用的調(diào)制方式為高斯濾波最小移頻鍵控(GMSK);HiperLAN1提供的數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)25Mbps。整體上HiperLAN1與802.11b是相當(dāng)?shù)?

HiperLAN2是HiperLAN1的第二代版本，于2000年底通過ETSI批準(zhǔn)成為標(biāo)準(zhǔn)。它對(duì)應(yīng)于IEEE的802.11a，工作在5GHz頻帶，采用OFDM技術(shù)，并且具備動(dòng)態(tài)頻率選擇(DFS)、發(fā)送功率控制(TPC)功能，支持最高數(shù)據(jù)速率為54Mbps。在MAC層，HiperLAN2采用預(yù)留TDMA多址方式，動(dòng)態(tài)TDD雙工方式。并且能夠在高吞吐率下支持QoS，從而為視頻流、話音等實(shí)時(shí)應(yīng)用提供支持。HiperLAN2也是一種面向連接的技術(shù)，這一點(diǎn)結(jié)合其QoS和帶寬使其可應(yīng)用在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，也提供了面向公共網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。無線城域網(wǎng)WMANIEEE802.16WMAN標(biāo)準(zhǔn)可支持1GHz到2GHz、10GHz，以及12GHz到66GHz等多個(gè)需要許可和無須許可的無線頻段，可提供高達(dá)70Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率和多達(dá)50公里的覆蓋范圍，每一部不足2萬美元的WMAN基站可在為60家企業(yè)用戶提供T-1服務(wù)的同時(shí)，為家庭和小型商業(yè)用戶256kbit/s或者384kbit/s的低端DSL服務(wù)。無線通信系統(tǒng)演進(jìn)

is95GSMTDMAPDC2G9.6-14.4kbpscdma1xGPRS2.5G64–144kbpsWLANWPANB3G?384kbps-20MbpsAlwaysBest

ConnectedEDGEWCDMAcdma20003G384kbps-2Mbps4G100Mbps?Newair-

interface?Adhoc

networksWMANVirtual

RealityAlwaysBest

ConnectedOptical

NetworkingGlobalWirelessStandardsIEEE802.15BluetoothIEEE802.15.3aUWBWMAN<20kmWLAN<100mWPAN<10mETSIHiperPANIEEE802.11WirelessLANETSIHiperLANIEEE802.16WirelessMANETSIHiperMANHIPERACCESSIEEE802.20(proposed)3GPP,GSM/EDGEWCDMATD-SCDMA3GPP2CDMA20001xEV/DO/DVIEEE802.11Specs.(WiFi)802.11b802.11g802.11aMax.Speed11Mbps54Mbps54MbpsModulationCCKOFDM&CCKOFDMFrequencies2.4–2.497GHz2.4–2.497GHz5GHzbandApprovalJuly1999June2003July1999802.11V.S.802.16IEEE802.11IEEE802.16aMaxSpeed11Mbps(11b)54Mbps(11a&g)70MbpsRange100m~300m40kmQoSNoneYesCoverageIndoorOpt.OutdoorOpt.UsersHundredsThousandsServiceLevelsNone