无线通信工程32067.pptx

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1、无线通信工程无线通信工程姚彦教授姚彦教授清华大学微波与数字通信国家重点实验室清华大学微波与数字通信国家重点实验室20012001年年1111月月3 3日日u 课程简介课程名称：无线通信工程讲课教师：姚彦课内总学时：32u 课程目的以面向21世纪的无线通信为背景，介绍无线通信的系统组成、信道特性、调制与编码、接入技术、网络技术、抗衰落与抗干扰技术以及无线通信的新技术和新应用，为从事这一领域研究的学生提供最基本的入门知识。课程概况课程概况第一讲第一讲 绪论绪论第二讲第二讲 组成及规范组成及规范第三讲第三讲 信道信道第四讲第四讲 基带传输基带传输第五讲第五讲 载波传输载波传输第六讲第六讲 信源编码信

2、源编码第七讲第七讲 信道编码信道编码第八讲第八讲 多址多址1 1 课程大纲课程大纲第九讲第九讲 多址多址2 2第十讲第十讲 抗衰落抗衰落第十一讲第十一讲 抗干扰抗干扰第十二讲第十二讲 无线网络及系统无线网络及系统第十三讲第十三讲 新技术及新应用新技术及新应用1 1第十四讲第十四讲 新技术及新应用新技术及新应用2 2第十五讲第十五讲 总复习总复习第十六讲第十六讲 考试考试 说明 姚彦 可以通过Email答疑 考试要求：以掌握基本概念为主第一讲第一讲绪论绪论 历史历史 环境环境 应用应用 发展发展 历史（历史（1 1）通信发展历史的回顾）通信发展历史的回顾l l通信（通信（Communicatio

3、n)Communication)作为电信（作为电信（Telecommunication)Telecommunication)是从是从1919世纪世纪3030年度开始的。年度开始的。物理发现物理发现 通信技术发展通信技术发展 18311831年法拉第电磁感应年法拉第电磁感应 1837 1837年莫尔斯发明电报年莫尔斯发明电报 1873 1873年马克斯韦尔的电年马克斯韦尔的电 1876 1876年贝尔发明电话年贝尔发明电话磁场理论磁场理论 1895 1895年马可尼发明无线电年马可尼发明无线电l l开辟了电信（开辟了电信（Telecommunication)Telecommunication)的

4、新纪元的新纪元历史（历史（2 2）电话的发明者贝尔）电话的发明者贝尔 贝尔（贝尔（18xx18xx19221922）英国人）英国人 1868 1868年年 在伦敦工作在伦敦工作 1871 1871年年 去波士顿工作去波士顿工作 1873 1873年年 任波士顿大学教授任波士顿大学教授 1875 1875年年 发明多路电报发明多路电报 1876 1876年年 发明电话发明电话 一生曾获许多专利。一生曾获许多专利。妻子是一位聋人。妻子是一位聋人。历史（历史（3 3）无线电的发明者马可尼）无线电的发明者马可尼马可尼（18741937）意大利人 1894年 在父亲的庄园试验 1896年 去伦敦 189

5、7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曾获诺贝尔奖金曾参加法西斯党历史（历史（4 4）通信发展历史的回顾）通信发展历史的回顾l 物理发现 通信技术发展 1906年发明电子管 模拟通信得到发展l 开辟了模拟通信的新纪元 l 1928年奈奎斯特准则和取样定理 1948年山农定理l在理论上为数字通信准备了条件 历史（历史（5 5）通信发展历史的回顾）通信发展历史的回顾l 物理发现通信技术发展 20世纪50年代数字通信得到发展 发明半导体 20世纪60年代 发明集成电路 l 开辟了数字通信的新纪元历史（历史（6 6）通

6、信发展历史的回顾）通信发展历史的回顾l 物理发现通信技术发展 20世纪50年代20世纪40年代提出静止卫航天技术星概念，但无法实现1963年第一次实现同步卫星通信l 开辟了空间通信的新纪元历史（历史（7 7）通信发展历史的回顾）通信发展历史的回顾l物理发现通信技术发展 20世纪60年代企图用于通信，未成功发明激光 20世纪70年代光纤通信得到发展发明光导纤维 l 开辟了光纤通信的新纪元历史（历史（8 8）通信发展历史的启示）通信发展历史的启示l通信传输始终是最活跃的技术领域，物理上的新进展都可能在通信上找到新用途，从而形成新的通信产业。l通信传输的新要求又将推动物理和器件的进展，促使人们去研究

7、发展新的物理机理来满足信息传输的需要。l一个优秀的通信工程师和研究人员，必须对物理学和器件技术的新进展十分感兴趣，并善于抓住新方向、新突破口迎接通信技术的革命。环境（环境（1 1）：无线通信的频谱环境）：无线通信的频谱环境l长波30300 KHz10-1kml中波0.3-1.5 MHz1000-200ml短波1.5-30 MHz100-10ml超短波:米波30-300 MHz10-1ml微波：分米波0.33 GHz 100-10cm 厘米波3-30 GHz 10-1cm 毫米波30-300 GHz 10-1mm 亚毫米波300-3000 GHz1-0.1mml光波：红外光3103-3105 G

8、Hz 100-1m 可见光3105-3106 GHz 0.8-0.4m环境（环境（2 2）：无线通信的传播环境）：无线通信的传播环境 无线传播环境的复杂性：天波（电离层、对流层）、无线传播环境的复杂性：天波（电离层、对流层）、地波（直射、反射、绕射）地波（直射、反射、绕射）无线传播的分类无线传播的分类带宽受限信道和功率受限信道带宽受限信道和功率受限信道色散信道和非色散信道色散信道和非色散信道恒参信道和变参信道恒参信道和变参信道点对点信道和多址信道点对点信道和多址信道环境（环境（3 3）：无线通信的传播环境）：无线通信的传播环境带宽受限信道和功率受限信道带宽受限信道和功率受限信道加性高斯白噪声信

9、道上的山农定理加性高斯白噪声信道上的山农定理C CW logW log2 2(1+S/N)(1+S/N)b/sb/s令：令：S/N=ES/N=Eb b/N/N0 0 C/WC/W山农定理就可以写成：山农定理就可以写成：E Eb b/N/N0 0=(2=(2C/WC/W-1)/(C/W)-1)/(C/W)带宽受限信道带宽受限信道E Eb b/N/N0 0 C/W C/W W W 无限无限功率可以换取带宽功率可以换取带宽 功率受限信道功率受限信道W W C/W C/W E Eb b/N/N0 0 有限有限当当W W ，E Eb b/N/N0 0 -1.6dB-1.6dB，即为山农极限，带宽不能无限

10、制即为山农极限，带宽不能无限制地换取功率地换取功率山农信道容量曲线山农信道容量曲线Eb/N0dBC/Wb/sHz-1.6dB环境（环境（4 4）：无线通信的传播环境）：无线通信的传播环境色散与非色散信道、恒参与变参信道色散与非色散信道、恒参与变参信道 信道响应为信道响应为C(C(;t);t)，其中其中 代表响代表响应时间，应时间，t t 代表信号时刻。代表信号时刻。输入信号为时域冲击函数，检验是输入信号为时域冲击函数，检验是色散信道还是非色散信道。色散信道还是非色散信道。其中其中T Tmm为多径扩散，其倒数为多径扩散，其倒数 f fc c为相为相干带宽。干带宽。输入信号为频域冲击函数，检验是输

11、入信号为频域冲击函数，检验是恒参信道还是变参信道。恒参信道还是变参信道。其中其中B Bd d为多普勒展宽，其倒数为多普勒展宽，其倒数 t tc c为为相干时间。相干时间。信号带宽信号带宽B B f fc c ，色散信道色散信道信号带宽信号带宽B B f fc c，非色散信道非色散信道 码元周期码元周期T T t tc c ，变参信道变参信道码元周期码元周期T T t tc c ，恒参信道恒参信道C(;t)u(t)v(t)tt(t)v(t)Tmff(f)S(f)Bd环境（环境（5 5）：无线通信的传播环境）：无线通信的传播环境点对点信道和多址信道点对点信道和多址信道 点对点信道：和有线信道类似，

12、体点对点信道：和有线信道类似，体现不出无线的特点。现不出无线的特点。多址信道：无线传输的突出优点之多址信道：无线传输的突出优点之一是能实现多址接入。一是能实现多址接入。设：有设：有N N个用户地址，第个用户地址，第k k个地址发个地址发送的信号为：送的信号为：N N S Sk k(t)=(t)=a akj kj S Skj kj(t)(t)，a akj kj=1,0=1,0 j=1 j=1 j j k k第第k k个地址接收的信号为：个地址接收的信号为：N N N N R(t)=R(t)=L Likik a a ij ijS Sij ij(t)+n(t)+nk k(t)(t)I=1 j=1 I

13、=1 j=1 无线用户1无线用户2无线用户k空间环境无线用户1点对点信道多址信道空间环境Sk(t)Rk(t)应用（应用（1 1）：无线通信的应用概况）：无线通信的应用概况 短波短波/超短波通信超短波通信 天波（电离层）：数据天波（电离层）：数据/电话、单边带电话、单边带 地波：小型接力机、单双工电台、对讲机地波：小型接力机、单双工电台、对讲机 微波通信微波通信 微波接力（模拟、数字）、散射、点对多点微波微波接力（模拟、数字）、散射、点对多点微波 电视、电话、数据电视、电话、数据 卫星通信卫星通信 高轨道（同步静止）、中轨道、低轨道高轨道（同步静止）、中轨道、低轨道 电视、电话、数据电视、电话、

14、数据 移动通信移动通信 蜂窝电话、无绳电话、无线数据、集群系统、寻呼系统蜂窝电话、无绳电话、无线数据、集群系统、寻呼系统 卫星移动系统卫星移动系统 短波电离层通信短波电离层通信 特点：超远距离、灵活特点：超远距离、灵活机动；容量小、质量差机动；容量小、质量差 用途：用途：海外使馆海外使馆远洋船队远洋船队边防哨所边防哨所应急通信应急通信 短波短波/超短波地面通信超短波地面通信 特点：绕射能力、灵活机特点：绕射能力、灵活机动、隐蔽性好；容量较小、动、隐蔽性好；容量较小、质量较差质量较差 用途：用途：陆军电台陆军电台对空电台对空电台特种通信特种通信(武警、公安武警、公安)无绳电话无绳电话应用（应用（

15、2 2）：无线通信的应用说明）：无线通信的应用说明短波、超短波通信短波、超短波通信应用（应用（3 3）：无线通信的应用说明）：无线通信的应用说明微波通信微波通信 微波接力微波接力 特点：容量大、质量好、特点：容量大、质量好、视距传播条件视距传播条件 用途：用途：中小容量微波中小容量微波SDHSDH大容量微波大容量微波扩频微波扩频微波高频段微波高频段微波点对多点微波点对多点微波 用途：无线集中器用途：无线集中器 无线用户环无线用户环散射微波通信散射微波通信 衰落时变信道，距离远，衰落时变信道，距离远，频带较窄，质量较差频带较窄，质量较差 用途用途 军用军用 民用民用应用（应用（4 4）：无线通信

16、的应用说明）：无线通信的应用说明卫星通信卫星通信 高轨道卫星通信高轨道卫星通信 特点：同步轨道、静止特点：同步轨道、静止卫星、容量大、质量好、卫星、容量大、质量好、功率受限信道功率受限信道 用途：用途：国际长途国际长途海事卫星海事卫星电视广播电视广播军事通信军事通信 中低轨道卫星通信中低轨道卫星通信 特点：距离近、地面设特点：距离近、地面设备简单灵活，非静止轨备简单灵活，非静止轨道，要求跟踪道，要求跟踪 用途：用途：非实时信息传送非实时信息传送遥感遥感侦测侦测卫星移动通信卫星移动通信应用（应用（5 5）：无线通信的应用说明）：无线通信的应用说明移动通信移动通信蜂窝系统蜂窝系统 无线通信最成功的

17、应用无线通信最成功的应用 第一代：模拟第一代：模拟第二代：数字第二代：数字第三代：多媒体第三代：多媒体 寻呼系统寻呼系统 无线通信最大众化的应无线通信最大众化的应用用 其它无线移动系统其它无线移动系统 集群系统集群系统 无绳电话系统无绳电话系统 无线数据系统无线数据系统 无线无线ATMATM系统系统 无线无线IPIP系统系统发展（发展（1 1）：）：2121世纪电信网的发展趋势世纪电信网的发展趋势 20 20世纪世纪 21 21世纪世纪 业务方式业务方式以音频为主的单媒体以音频为主的单媒体以视频为主的多媒体以视频为主的多媒体 干线传输干线传输微波微波光纤光纤 用户传输用户传输有线有线无线无线

18、复接方式复接方式PDHPDHSDHSDH 交换模式交换模式STMSTMATMATM 网络方式网络方式三网鼎立三网鼎立三网合一三网合一发展（发展（2 2）：）：2121世纪电信网的发展趋势世纪电信网的发展趋势 面向21世纪通信的三大革命l以干线（包括部分支线）传输光纤化为标志的光纤革命l以SDH、ATM和IP为标志的数字革命l以个人通信和无线接入为标志的无线革命发展（发展（3 3）：）：2121世纪电信网的发展趋势世纪电信网的发展趋势 面向21世纪通信的两大通信平台 光纤通信平台：无线通信平台：超大容量、超长距离 宽带、移动 关键技术：波分复用、关键技术：CDMA、智 光纤放大器能天线、软件无线

19、电IP over?发展（发展（4 4）：）：2121世纪电信网的发展趋势世纪电信网的发展趋势 无线通信面临的挑战及发展机遇l光纤通信对无线通信的巨大冲击 巨大带宽 超低损耗 较低成本 未来信息高速公路的主干道，还有 Fiber to home 的趋势l无线通信的发展机遇 灵活性 抗灾性 移动性 发展（发展（5 5）：）：2121世纪电信网的发展趋势世纪电信网的发展趋势 什么叫无线革命l20世纪通信网的基本框架中继线 无线为主（微波、卫星）天上包括部分有线（电缆）用户线 有线为主（市话电缆）地下包括部分无线（无线电话）l21世纪通信网的基本框架中继线 有线为主（光缆）地下包括部分无线（微波、卫星

20、）用户线 无线为主 天上 包括部分有线发展（发展（6 6）：）：2121世纪电信网的发展趋势世纪电信网的发展趋势无线通信热点之一：个人通信无线通信热点之一：个人通信 19861986年年 CCIR CCIR制订制订 FPLMTS FPLMTS，以，以个人全球通信为目标，首次提出个人全球通信为目标，首次提出个人通信概念个人通信概念 19861986年年 CCITT CCITT讨论讨论 UPT UPT（全球（全球通用个人通信）通用个人通信）19891989年年 英国政府发放许可证建英国政府发放许可证建立双向个人通信网，首次出现立双向个人通信网，首次出现 PCNPCN名词名词 9090年代以来，美国

21、提出个人通信年代以来，美国提出个人通信业务（业务（PCS PCS），或个人通信系统），或个人通信系统 （PCSPCS）但是，到底什么是个人通信？但是，到底什么是个人通信？CCITTCCITT个人的移动性和终端移动性分开个人的移动性和终端移动性分开着重于个人的移动性，用户号码可着重于个人的移动性，用户号码可以在任何终端上使用以在任何终端上使用无线接入不是必要的条件无线接入不是必要的条件 CCIRCCIR、欧洲、欧洲 PCN PCN、美国、美国 PCS PCS 个人的移动性靠终端的移动性实现个人的移动性靠终端的移动性实现 移动通信网作为个人通信网的底层移动通信网作为个人通信网的底层网络结构网络结构

22、 无线接入是必要的条件无线接入是必要的条件 以无线接入为基础的个人通信叫做无以无线接入为基础的个人通信叫做无线个人通信线个人通信 Wireless Personal Communications Wireless Personal Communications发展（发展（7 7）：）：2121世纪电信网的发展趋势世纪电信网的发展趋势无线通信热点之二：无线接入无线通信热点之二：无线接入l技术关键 多址有效性与可靠性 组网 蜂窝信令与空间接口l高层无线接入 特点：蜂窝范围大 复杂的信道处理（纠错、均衡、分集）快速移动 无线交换 功率大 成本高 低速语音编码l低层无线接入 特点：蜂窝范围小 简单的信

23、道处理 慢速移动 有线交换 功率小 成本低 中速语音编码（32Kb/s ADPCM）发展（发展（8 8）：）：2121世纪电信网的发展趋势世纪电信网的发展趋势无线通信热点之三：无线无线通信热点之三：无线ATMATM 无线无线 ATM ATM 的发展背景的发展背景 ATMATM方式是未来通信网发展的必然趋势方式是未来通信网发展的必然趋势 可移动多媒体业务的发展与普及可移动多媒体业务的发展与普及 无线频谱资源的更加合理利用无线频谱资源的更加合理利用 无线无线 ATM ATM 的技术关键的技术关键 窄带化技术（低到几窄带化技术（低到几 Mb/s Mb/s）抗误码技术抗误码技术 按信源的信息量动态地分

24、配带宽按信源的信息量动态地分配带宽 无线无线 ATM ATM 的应用前景的应用前景 军事通信、多媒体通信军事通信、多媒体通信发展（发展（9 9）：）：2121世纪电信网的发展趋势世纪电信网的发展趋势无线通信热点之四：扩频技术无线通信热点之四：扩频技术 扩频多址技术的缺点：非正交性扩频多址技术的缺点：非正交性(Non-orthogonality)(Non-orthogonality)优点：坚韧性优点：坚韧性(Robustness)(Robustness)坚韧性体现在：抗多径坚韧性体现在：抗多径 抗干扰抗干扰 蜂窝分割的频率再用蜂窝分割的频率再用 扇区分割的频率再用扇区分割的频率再用 前沿技术：时

25、空联合处理、智能天线、多用户检测前沿技术：时空联合处理、智能天线、多用户检测 发展（发展（1010）：）：2121世纪电信网的发展趋势世纪电信网的发展趋势无线通信热点之五：软件无线电无线通信热点之五：软件无线电 当前无线系统在硬件及软件上存在的当前无线系统在硬件及软件上存在的问题：问题：多种标准、多种制式、多种协议、多种标准、多种制式、多种协议、多种方案多种方案 困难困难:互连互通难互连互通难 设备更新难设备更新难 研制开发难研制开发难 能否搞成一个通用的无线系统：能否搞成一个通用的无线系统：硬件是公用的，除了天线和硬件是公用的，除了天线和 RF RF 前端外，其它都是前端外，其它都是 DSP

26、 DSP 所有无线通信过程都用软件实现，所有无线通信过程都用软件实现，而软件环境是开放的而软件环境是开放的 无线协议都遵循一个公共的无线协议都遵循一个公共的 Wireless OSI Wireless OSI 分层结构分层结构 软件无线电的关键技术软件无线电的关键技术 多频段天线及多频段天线及 RF RF前端技术前端技术 直接式数字上、下变频技术直接式数字上、下变频技术 高速高速 DSP DSP 技术技术 标准化无线协议及协议转换技标准化无线协议及协议转换技术术 软件无线电的应用前景软件无线电的应用前景多模手机多模手机 通用无线平台通用无线平台 通用抗干扰军用电台通用抗干扰军用电台发展（发展（

27、1111）：）：2121世纪电信网的发展趋势世纪电信网的发展趋势无线通信热点之六：第三代移动通信（无线通信热点之六：第三代移动通信（1 1）第一代第一代模拟话音模拟话音NMTNMT，AMPSAMPS，TACSTACS 第二代第二代数字话音低速数据（小于数字话音低速数据（小于64Kbps)64Kbps)GSM,PDCGSM,PDC，IS-95IS-95，IS-IS-136136（D-AMPSD-AMPS）第三代第三代多媒体业务（小于多媒体业务（小于2Mbps2Mbps）第二代业务第二代业务UMTS/IMT-2000UMTS/IMT-2000 IMT2000简介 1985年国际电联就开始研究FPL

28、MTS，1996年正式更名为IMT2000 国际移动通信系统，工作频段2000MHz，使用日期2000年 IMT2000特点 全球性 综合性 兼容性 灵活性 发展（发展（1212）：）：2121世纪电信网的发展趋势世纪电信网的发展趋势无线通信热点之六：第三代移动通信（无线通信热点之六：第三代移动通信（2 2）RTTRTT标准的主要建议标准的主要建议 WCDMAWCDMA欧洲把二个标准溶合成欧洲把二个标准溶合成TDDTDD /FDD /FDD，得到日本、美国、韩，得到日本、美国、韩 国支持，将会成为主流国支持，将会成为主流 cdma2000cdma2000美国提出，和美国提出，和IS-95IS-

29、95兼容兼容 TD-SCDMATD-SCDMA中国提出中国提出几点看法几点看法 关于市场定向关于市场定向电话？多媒体？视频业务？电话？多媒体？视频业务？Internet Internet？关于体制标准关于体制标准全球一个标准？还是一个标准族全球一个标准？还是一个标准族？关于上下兼容关于上下兼容要和第二代兼容。要和第二代兼容。关于知识产权关于知识产权各国都希望国际标准中涉及的技各国都希望国际标准中涉及的技术必须是开放的。术必须是开放的。谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH