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1、无线通信工程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日第十二讲第十二讲无线通信的新技术无线通信的新技术及新应用（及新应用（1）一、软件无线电一、软件无线电工作原理工作原理什么叫软件无线电？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。开放式体系结构。n说明（说明（1 1）软件无线电不是不要硬件，而是把硬件作为一个基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：本平台，并具
2、有二个特点：a a、模块化、标准化，模块化、标准化，b b、通过标准通过标准接口接口连接。连接。n说明（说明（2 2）软件无线电的通信功能是通过软件加载实现的。软件无线电的通信功能是通过软件加载实现的。n说明（说明（3 3）软件无线电是一种开放的体系结构。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软件无线电的体系结构1 1、有二种软件无线电的体系结构：以、有二种软件无线电的体系结构：以DSPDSP为基础的软件无线为基础的软件无线电；以通用机为基础的软件无线电。电；以通用机为基础的软件无线电。2 2、以、以DSPDSP为基础的软件无线电：硬件容易实现，但软件加载为基础的软件无线电：硬件
3、容易实现，但软件加载受到限制；受到限制；3 3、以通用机为基础的软件无线电：软件加载容易，但硬件、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；实现比较困难；4 4、目前有实用价值的是以、目前有实用价值的是以DSPDSP为基础的软件无线电。为基础的软件无线电。技术背景技术背景n当前无线与个人通信系当前无线与个人通信系统存在的主要问题：统存在的主要问题：多种标准、多种制式、多种标准、多种制式、多种协议、多种产品。多种协议、多种产品。n困难：困难：互联互通难，互联互通难，设备更新难，设备更新难，研制开发难。研制开发难。n将软件无线电当作实现将软件无线电当作实现新一代无线与个人通信新
4、一代无线与个人通信的技术思路，体现三个的技术思路，体现三个开放性：开放性：对研制的开放性，对研制的开放性，对生产的开放性，对生产的开放性，对使用的开放性。对使用的开放性。n实现开放性的关键：实现开放性的关键：无线通信平台的软件化无线通信平台的软件化软件无线电的优点软件无线电的优点对使用的开放性：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，用带多个无线终端。由于软件无线电产品对用户
5、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。能。如：多频段、多模式移动电话手机如：多频段、多模式移动电话手机软件无线电的优点（续）软件无线电的优点（续）对生产的开放性：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
6、型号通过软件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。大提高市场的竞争力。软件无线电的优点（续）软件无线电的优点（续）对研制的开放性：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。个人通信的主要接入方式，越来越多的进入千家万户。在在此背景下，为满足不同用途、不同场合的无线通信标此背景下，为满足不同用途、不同场合的无线通信标 准将准将不断推出、不断更新。以硬
7、件为基础的无线通信系不断推出、不断更新。以硬件为基础的无线通信系 统研制统研制开发方式很难跟上这种飞速发展的步伐；由于软开发方式很难跟上这种飞速发展的步伐；由于软 件无线电件无线电对研制的开放性，就有可能通过软件更新的方对研制的开放性，就有可能通过软件更新的方 法研制开发法研制开发出新的系统，实现无线通信产品的更新换代。出新的系统，实现无线通信产品的更新换代。应用前景应用前景n军用军用n多功能无线网关多功能无线网关n多功能车载电台多功能车载电台n多功能空中平台多功能空中平台n通信的电子对抗通信的电子对抗n民用民用n多频段多模式通用手机多频段多模式通用手机n多频段多模式通用基台多频段多模式通用基
8、台n无线局域网的通用网关无线局域网的通用网关nGPSGPS定位和卫星通信定位和卫星通信国外研究现状国外研究现状n1992年5月，美国MITRE公司的Joe Mitola首次提出软件无线电的概念。n1995年8月，美军多频段多模式电台Speakeasy第一期工程现场演示。n1995年10月，美国MIT的计算机科学家实施SpectrumWare计划.n1996年3月，美国 100多个商业及政府机构成立MMITS Forum,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。n1997年5月，Joe Mitola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。n1997年以来
9、，一些大公司（Motorola、Northern Telecom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）国外研究现状（续）Speakeasy(Speakeasy(易话通）计划易话通）计划n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。n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-C40MCMn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
10、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815个计算机组成的网络可以完全实现两个频道的GSM基站。n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）国外研究现状（续）Spectrum ware(Spectrum ware(频谱件）计划频谱件）计划关键技术综述关键技术综述n开放式总线结构及实现开放式总线结构及实现n宽频段宽频段/多频段天线及射频前端技术多频段天线及射频前端技术n高速、高精度高速、高精度A/DA/D、D/AD/A技术技术n射频及中频段的数字处理技术射频及中频段的数字处理技术n基带及零中频的数字处理技术基带及零中频的数字处理技
11、术n高速高速DSPDSP及及ASICASIC的实现的实现n通信协议及软件的标准化、通用化、模块化通信协议及软件的标准化、通用化、模块化二、第三代移动通信二、第三代移动通信标准制定时间表标准制定时间表19851994年 明确概念和目标，提出FPLMTS19871994年 确定基本原则19901998年 制订框架和要求，1996年正式更名 为IMT200019921998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发展及由来系统目标系统目标多媒体能
12、力多媒体能力个人化使用个人化使用智能化功能智能化功能多速率和高级业务多速率和高级业务(2Mb/s)固定网的质量固定网的质量更简单的蜂窝结构更简单的蜂窝结构容易进行信道规划和管理容易进行信道规划和管理大容量大容量:60路话路话/小区小区/MHz低的发射功率低的发射功率室外室外300mw,室内室内20mW应用业务应用业务消息业务消息业务有线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，遥测交互业务交互业务获取业务获取业务分发业务分发业务社区业务社区业务远端业务远端业务工作频
13、率和传输速率工作频率和传输速率n频率频率1890203018902030MHzMHz，21102250MHz21102250MHzn最高传输速率最高传输速率高速运动：高速运动：144144kb/skb/s步行速度：步行速度：384384kb/skb/s室内环境：室内环境：2 2Mb/sMb/s移动通信向第三代系统过渡移动通信向第三代系统过渡北美北美欧洲欧洲第二代第二代第二代第二代+第二代第二代+第三代第三代IMT2000IS-95AIS-95BIS-95CCDMA2000GSMTDMAGSM+GPRS,HSCSDGSM+EDGEWCDMA普通分组数据业务普通分组数据业务高速电路交换数据高速电路
14、交换数据GSM增强数据率增强数据率移动通信向第三代系统过渡移动通信向第三代系统过渡核心网络核心网络+无线接入网络无线接入网络第三代系统的技术介绍第三代系统的技术介绍n二种核心网络技术欧洲提出GSM核心网络北美提出IS-41n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RTTRTT技术介绍技术介绍CDMA2000CDMA2000n以IS-95为基础相同的码片速率、软切换技术、功率控制技术n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n基本参数码片速率：1.2288/3.686Mc/s,波道间隔：N1.25/5 M
15、Hz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Turbo Code RTTRTT技术介绍技术介绍WCDMAWCDMAn特点强调宽带技术，最小带宽5MHzBTS间不需要同步和GPS正反向信道相干解调n基本参数码片速率：4.096/8.192/16.3843Mc/s,波道间隔：5/10/20 MHz功率控制速率：1600b/s编码方式：卷积码 R=1/3,1/2,k=9和Turbo Code RTTRTT技术介绍技术介绍TD-SCDMATD-SCDMAn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
16、可变的双工信道速率采用16QAM和非对称传输支持2Mb/s速率n语音传输：8kb/sn扩频切普率：1.1136Mc/sn信道编码：语音为3/4卷积码背景总结背景总结nIMT2000IMT2000是新一代移动通信系统标准是新一代移动通信系统标准nIMT2000IMT2000以支持移动多媒体通信为目标以支持移动多媒体通信为目标nIMT2000IMT2000的标准目前正在制定中，多个标的标准目前正在制定中，多个标准之间的融合比较困难，会出现所谓准之间的融合比较困难，会出现所谓IMT2000IMT2000家族的概念家族的概念nIMT2000IMT2000将在将在20012001年后提供商用年后提供商用
17、三、平流层气球通信三、平流层气球通信n空间的无线通信。如：卫星通信、短波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；作为干线传输：容量小；作为用户传输：成本高；作为用户传输：成本高；有传播延时，轨道资源无法控制。有传播延时，轨道资源无法控制。n地面的无线通信。如：移动通信、微波通信地面的无线通信。如：移动通信、微波通信作为干线传输：距离近；作为干线传输：距离近；作为用户传输：基台多；作为用户传输：基台多；有多径效应，受地形地貌影响严重。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当前无线通信存在的问题n19941994年，美国加州大学年，美国加州大学Alfred
18、WongAlfred Wong发明离子发明离子推进器推进器n19951995年，美国成立年，美国成立Sky Station Sky Station InternationalInternational公司公司n19961996年年3 3月，月，FCCFCC同意该公司在大气层建立电同意该公司在大气层建立电信平台信平台n19961996年年1111月，该公司和印度签署合作协议月，该公司和印度签署合作协议n19971997年年1 1月，在国际电联（月，在国际电联（ITUITURSG9RSG9）会议会议上正式提出平流层通信业务的概念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平流层电信业务的提出
19、工作原理和系统组成（一）工作原理和系统组成（一）关于平流层关于平流层对流层：对流层：1010kmkm以下；以下；平流层：平流层：10105050kmkm；电离层：电离层：5050kmkm以上。以上。高度：高度：2323kmkm；气球尺寸：直径气球尺寸：直径5050m m，长度长度150150m m；气球自重：气球自重：5.65.6吨，气球载重：吨，气球载重：4.94.9吨；吨；通信工作频率：通信工作频率：47.247.247.5 47.5 GHz(GHz(上行上行)；47.947.948.2 48.2 GHzGHz（下行下行)；通信覆盖范围：通信覆盖范围：4040km(km(仰角仰角30300
20、 0)；125125km(km(仰角仰角10100 0)；546546km(km(仰角仰角0 00 0)。平流层气球通信的基本概念平流层气球通信的基本概念充氦的气球；充氦的气球；太阳能电池及燃料电池；太阳能电池及燃料电池；离子推进器；离子推进器；位置及姿态保持系统；位置及姿态保持系统；发射及回收装置；发射及回收装置；通信平台及其它信息平台。通信平台及其它信息平台。空中平台的组成空中平台的组成n空中部分：空中部分：相控阵天线；相控阵天线；无线收发系统；无线收发系统；复接系统；复接系统；交换系统。交换系统。n地面部分：地面部分：用户接入系统；用户接入系统；交换与控制系统；交换与控制系统；空中平台的
21、遥控与遥测系统。空中平台的遥控与遥测系统。通信系统的组成通信系统的组成n数字电话、传真和电子邮件数字电话、传真和电子邮件,传送速率：传送速率：6464Kb/sKb/s；n活动型可视电话业务活动型可视电话业务,传送速率：传送速率：256256Kb/sKb/s；n高速高速InternetInternet网和文件传送，网和文件传送，传送速率：传送速率：512512Kb/sKb/s1.5Mb/s1.5Mb/s；n局域网、城域网和广域网，局域网、城域网和广域网，传送速率：传送速率：2.0482.048Mb/sMb/s155Mb/s155Mb/s。平流层通信能支持的业务平流层通信能支持的业务n民用通信：有
22、线电话、移动电话、可视业务、高速民用通信：有线电话、移动电话、可视业务、高速InternetInternetn军用通信：野战通信、海上通信、边境通信、战区通军用通信：野战通信、海上通信、边境通信、战区通信信n地域广播：广播与电视的覆盖、远程教育地域广播：广播与电视的覆盖、远程教育n地域遥感：山林防火、灾情监视、地质普查、城市规地域遥感：山林防火、灾情监视、地质普查、城市规划划 n远程探测：警戒雷达、气象雷达远程探测：警戒雷达、气象雷达n国家安全：空中监视、突发事件的通信国家安全：空中监视、突发事件的通信平流层通信的应用领域平流层通信的应用领域发展展望发展展望n有没有可能真正实现？有没有可能真正实现？n有没有可能这麽便宜？有没有可能这麽便宜？n在民用方面的应用前途如何？在民用方面的应用前途如何？n在军用方面的应用前途如何？在军用方面的应用前途如何？n结论：这是一项充满风险、也是充满机结论：这是一项充满风险、也是充满机遇的遇的 全新技术，如果成功，将是继卫全新技术，如果成功，将是继卫星通信、光星通信、光 纤通信以后通信网的又一纤通信以后通信网的又一次重大突破。次重大突破。