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1、无线通信技术主讲人：刘花香主讲人：刘花香Tel:135 7606 8692Tel:135 7606 8692QQQQ：724796375724796375教材&参考书籍n教材潘焱，无线通信系统与技术参考书籍：n美国出版的经典教材 Wireless communications principles and practice,作者：Theodore S.Rappaportn无线通信原理与应用（第二版），高文安等译，电子工业出版社 2几点要求与说明n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n听课：手机关机或调成静音n考查成绩：平时成绩（30%）+考试成绩（70%）n闭
2、卷考试3教学目标&教学重点n目标目标：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。n重点重点：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。4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5n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
3、同的是两者之间没有猫。-爱因斯坦（1879-1955）6无线通信定义n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。例如例如：无线电波、红外线、紫外线、激光等。n无线通信优点无线通信优点 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71.1 历史（1/11）n1837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
4、经上的一句话：“上帝创造了何等奇迹！”。n人类社会电通信的时代，便从此开始了。81.1 历史（2/11）n1876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。l贝尔（18471922）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l一生曾获许多专利。91.1 历史（3/11）n1864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。n1887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
5、电通信提供了理论根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这一理论的创立大大推动了通信技术的发展。的发展。101.1 历史（4/11）n1897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。l马可尼（18741937）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l曾获诺贝尔物理奖111.1 历史（5/11）
6、n1906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。121.1 历史（6/11）n1928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。n1946年第一个公共移动电话系统在美国的5个城市建立。n1947年第一个连接纽约和波斯顿的微波中继系统开始运行。131.1 历史（7/11）n1958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。n1950-1960年代期间，贝尔
7、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。141.1 历史（8/11）n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。151.1 历史（9/11）n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
8、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Radio Comm2000 这些系统分别采用400MHz,450MHz,800MHz和900MHz频段。161.1 历史（10/11）n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。171.1
9、 历史（11/11）n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年后年后,谁还能笑傲江湖？谁还能笑傲江湖？181.2 无线通信应用无线通信主要应用于哪些领域？191.2 无线通信应用n无线电广播n电视n移动通信蜂窝电话 卫星电话n数据传输wifi bluetooth zigbee WiMAXn紧急服务无线电紧急定位信标n辨识RFID（Radio Frequency Identification）卡n其它业余无线电 雷达 导航201.3 无线频谱划分c/f ，c=300000000 m/s21
10、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30MHz40GHz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。221.4 无线信道与电波传播特性n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。23
11、 无线电波的极化无线电波的极化 无无线线电电波波在在空空间间传传播播时时，其其电电场场方方向向是是按按一一定定的的规规律律而而变变化化的的，这这种种现现象象称称为为无无线线电电波波的的极极化化。无无线线电电波波的的电电场场方方向向称称为为电电波波的的极极化化方方向向。如如果果电电波波的的电电场场方方向向垂垂直直于于地地面面，我我们们就就称称它它为为垂垂直直极极化化波波。如如果果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波。24 无无线线电电波波和和光光波波一一样样，它它的的传传播播速速度度和和传传播播媒媒质质有有关关。无无线线电电波波在在真真空空中中
12、的的传传播播速速度度等等于于光光速速。在在媒媒质质中中的的传传播播速速度度为为：p p/r r，式式中中r r为为传传播播媒媒质质的的相相对对介介电电常常数数。空空气气的的相相对对介介电电常常数数与与真真空空的的相相对对介介电电常常数数很很接近，略大于。接近，略大于。因此，无线电波在空因此，无线电波在空 气中的传播速度略小于光气中的传播速度略小于光 速，通常我们就认为它等速，通常我们就认为它等 于光速。于光速。25四种传播机制四种传播机制n直射直射：自由空间传播：自由空间传播n反射反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，：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
13、发生反射。反射发生在地球表面、建筑物和墙壁表面。墙壁表面。n绕射绕射：当发射机和接收机之间的传播路由被：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。尖锐的边缘阻挡时，发生绕射。n散射散射：当电磁波的传播路由上存在小于波长：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、表面、小物体或其它不规则物体，如：树叶、街道标志和灯柱等。街道标志和灯柱等。26无线信道的物理过程无线信道的物理过程天线天线天线天线无线发
14、无线发无线收无线收直射直射反射反射散射散射绕射绕射地面地面散射体散射体移动移动障碍物障碍物干扰干扰热热噪声噪声27自由空间传播n什么是自由空间什么是自由空间？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.n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：n球面上的功率流球面上的功率流Ptr28n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：291.4.2 地面传播n无线电波传播方式1、在低频或中频段（30MHz时电波
15、传播的主要形式是视距传播30n无线电视距无线电视距：指收发天线间的指收发天线间的电波传播路径完电波传播路径完全没有任何阻挡，全没有任何阻挡，电波射线可以直电波射线可以直达的距离。达的距离。TxTxRxRx直射波直射波R R31n视距通信的最大传播距离跟发射天线以及接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收天线的高度有关系，并受到地球曲率半径的影响。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。n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）BAO接收天线高hr发射天线高ht32图图1-3 视距传播示意图视距传播示意
16、图331.5 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343G商用进程加快3G是3rd Generation的缩写，指第三代移动通信技术。n四种标准有：WCDMA，CDMA 2000，TD-SCDMA，WiMAX。nWCDMA：采用国家为欧洲和日本，继承基础为GSM；nCDMA2000：采用国家为美国和日本，继承基础为窄带CDMA；nTD-SCDMA：采用国家为中国，继承基础为GSM；nWiMAX：应用前景不乐观？35nTD-SCDMA：该标准是由中国大陆独自制定的3G标准，1999年6月29日，
17、中国原邮电部电信科学技术研究院（大唐电信）向ITU提出。nWCDMA由中国联通公司于2009年10月1日正式商用nCdma2000由中国电信于2009年起开始运营nTD-SCDMA由中国移动于2009年6月建成并投入商业化运营36宽带化、移动化趋势nWiMAX提出和推进-宽带业务的移动化 n2004年初IEEE802.16系列标准（WiMAX）提出 IEEE802.16标准工作于266GHz，覆盖范围可高达50km，主要应用于城域网。WiMAX论坛：http:/www.wimaxforum.org/nE3G标准化启动和加速移动业务的宽带化n第三代合作伙伴计划（3GPP）和第三代合作伙伴计划2（
18、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37多种无线技术在演进中走向融合n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。38移动、宽带业务融合时机成熟n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n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。391.6 本章小结n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。n最后展望了无线通信的未来发展。40 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4r2，因此，在球面单位面积上的功率应为Pt/4r2。若接收天线所能接收的有效面积取为 A=2/4，则接收功率为41n通常，定义发射功率与接收功率的比值为传播损耗。所以，自由空间传播损耗Lp为 若以dB表示，则有 所以在距离一定的情况下：频率越高，损耗越大 42