无线通信工程第01讲-绪论.ppt

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1、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11月3日,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：32 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,第一讲 绪论第二讲 组成及规范第三讲 信道第四讲 基带传输第五讲 载波传输第六讲 信源编码第七讲 信道编码第八讲 多址1,课程大纲,第九讲 多址2第十讲 抗衰落第十一讲 抗干扰第十二讲 无线网络及系统第十三讲 新技术及新应用1第十四讲 新技术及新

2、应用2第十五讲 总复习第十六讲 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,绪论历史环境应用发展,历史（1）通信发展历史的回顾,通信（Communication)作为电信（Telecommunication)是从19世纪30年度开始的。物理发现 通信技术发展 1831年法拉第电磁感应 1837年莫尔斯发明电报 1873年马克斯韦尔的电 1876年贝尔发明电话磁场理论 1895年马可尼发明无线电开辟了电信（Telecommunication)的新纪元,历史（2）电话的发明者贝尔,贝尔（18xx1922）英国人 1868年 在伦敦工作 1871年 去波士顿工作 1

3、873年 任波士顿大学教授 1875年 发明多路电报 1876年 发明电话一生曾获许多专利。妻子是一位聋人。,历史（3）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 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曾获诺贝尔奖金曾参加法西斯党,历史（4）通信发展历史的回顾,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 开辟了模拟通信的新纪元 1928年奈奎斯特准则和取样定理 1948年山农定理在理论上为数字通信准备了条件,历史（5）通信

4、发展历史的回顾,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 开辟了数字通信的新纪元,历史（6）通信发展历史的回顾,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 开辟了空间通信的新纪元,历史（7）通信发展历史的回顾,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 开辟了光纤通信的新纪元,历史（8）通信发展历史的启示,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

5、通信产业。通信传输的新要求又将推动物理和器件的进展，促使人们去研究发展新的物理机理来满足信息传输的需要。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（1）：无线通信的频谱环境,长波30300 KHz10-1km中波0.3-1.5 MHz1000-200m短波1.5-30 MHz100-10m超短波:米波30-300 MHz10-1m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 GHz1-0.1mm光波：红外

6、光3103-3105 GHz 100-1m 可见光3105-3106 GHz m,环境（2）：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）、地波（直射、反射、绕射）无线传播的分类带宽受限信道和功率受限信道色散信道和非色散信道恒参信道和变参信道点对点信道和多址信道,环境（3）：无线通信的传播环境带宽受限信道和功率受限信道,加性高斯白噪声信道上的山农定理CW log2(1+S/N)b/s令：S/N=Eb/N0C/W山农定理就可以写成：Eb/N0=(2C/W-1)/(C/W)带宽受限信道Eb/N0 C/W W 无限功率可以换取带宽功率受限信道W C/W Eb/N0 有限当W，Eb

7、/N0-1.6dB，即为山农极限，带宽不能无限制地换取功率,山农信道容量曲线,Eb/N0dB,C/Wb/sHz,-1.6dB,环境（4）：无线通信的传播环境色散与非色散信道、恒参与变参信道,信道响应为C(;t)，其中代表响应时间，t 代表信号时刻。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。其中Tm为多径扩散，其倒数fc为相干带宽。输入信号为频域冲击函数，检验是恒参信道还是变参信道。其中Bd为多普勒展宽，其倒数tc为相干时间。信号带宽B fc，色散信道信号带宽B fc，非色散信道码元周期T tc，变参信道码元周期T tc，恒参信道,C(;t),u(t),v(t),t,t,(t),v(

8、t),Tm,f,f,(f),S(f),Bd,环境（5）：无线通信的传播环境点对点信道和多址信道,点对点信道：和有线信道类似，体现不出无线的特点。多址信道：无线传输的突出优点之一是能实现多址接入。设：有N个用户地址，第k个地址发送的信号为：N Sk(t)=akj Skj(t)，akj=1,0 j=1 j k第k个地址接收的信号为：N N R(t)=Lik a ijSij(t)+nk(t)I=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（1）：无线通信的应用概况,短波/超短波通信 天波（电离层）：数据/电话、单边

9、带 地波：小型接力机、单双工电台、对讲机微波通信 微波接力（模拟、数字）、散射、点对多点微波 电视、电话、数据卫星通信 高轨道（同步静止）、中轨道、低轨道 电视、电话、数据移动通信 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,短波电离层通信特点：超远距离、灵活机动；容量小、质量差用途：海外使馆远洋船队边防哨所应急通信,短波/超短波地面通信特点：绕射能力、灵活机动、隐蔽性好；容量较小、质量较差用途：陆军电台对空电台特种通信(武警、公安)无绳电话,应用（2）：无线通信的应用说明短波、超短波通信,应用（3）：无线通信的应用说明微波通信,微波接力特点：容量大、质量好、视距传播条件用

10、途：中小容量微波SDH大容量微波扩频微波高频段微波,点对多点微波用途：无线集中器 无线用户环散射微波通信衰落时变信道，距离远，频带较窄，质量较差用途 军用 民用,应用（4）：无线通信的应用说明卫星通信,高轨道卫星通信特点：同步轨道、静止卫星、容量大、质量好、功率受限信道用途：国际长途海事卫星电视广播军事通信,中低轨道卫星通信特点：距离近、地面设备简单灵活，非静止轨道，要求跟踪用途：非实时信息传送遥感侦测卫星移动通信,应用（5）：无线通信的应用说明移动通信,蜂窝系统无线通信最成功的应用第一代：模拟第二代：数字第三代：多媒体 寻呼系统无线通信最大众化的应用,其它无线移动系统集群系统无绳电话系统无线

11、数据系统无线ATM系统无线IP系统,发展（1）：21世纪电信网的发展趋势,20世纪 21世纪业务方式以音频为主的单媒体以视频为主的多媒体干线传输微波光纤用户传输有线无线复接方式PDHSDH交换模式STMATM网络方式三网鼎立三网合一,发展（2）：21世纪电信网的发展趋势,面向21世纪通信的三大革命以干线（包括部分支线）传输光纤化为标志的光纤革命以SDH、ATM和IP为标志的数字革命以个人通信和无线接入为标志的无线革命,发展（3）：21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

12、放大器能天线、软件无线电,IP over?,发展（4）：21世纪电信网的发展趋势,无线通信面临的挑战及发展机遇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 的趋势无线通信的发展机遇 灵活性 抗灾性 移动性,发展（5）：21世纪电信网的发展趋势,什么叫无线革命20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）21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）用户线无线为主 天上 包括部分有线,发展（6）：21世纪电信网

13、的发展趋势无线通信热点之一：个人通信,1986年 CCIR制订 FPLMTS，以个人全球通信为目标，首次提出个人通信概念1986年 CCITT讨论 UPT（全球通用个人通信）1989年 英国政府发放许可证建立双向个人通信网，首次出现 PCN名词90年代以来，美国提出个人通信业务（PCS），或个人通信系统（PCS）但是，到底什么是个人通信？,CCITT个人的移动性和终端移动性分开着重于个人的移动性，用户号码可以在任何终端上使用无线接入不是必要的条件CCIR、欧洲 PCN、美国 PCS 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网络结构 无线接入是必要的条件以无线接入为基础的个

14、人通信叫做无线个人通信 Wireless Personal Communications,发展（7）：21世纪电信网的发展趋势无线通信热点之二：无线接入,技术关键 多址有效性与可靠性 组网 蜂窝信令与空间接口高层无线接入 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 低速语音编码低层无线接入 特点：蜂窝范围小 简单的信道处理 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（8）：21世纪电信网的发展趋势无线通信热点之三：无线ATM,无线 ATM 的发展背景 ATM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

15、与普及 无线频谱资源的更加合理利用无线 ATM 的技术关键 窄带化技术（低到几 Mb/s）抗误码技术 按信源的信息量动态地分配带宽无线 ATM 的应用前景 军事通信、多媒体通信,发展（9）：21世纪电信网的发展趋势无线通信热点之四：扩频技术,扩频多址技术的缺点：非正交性(Non-orthogonality)优点：坚韧性(Robustness)坚韧性体现在：抗多径 抗干扰 蜂窝分割的频率再用 扇区分割的频率再用 前沿技术：时空联合处理、智能天线、多用户检测,发展（10）：21世纪电信网的发展趋势无线通信热点之五：软件无线电,当前无线系统在硬件及软件上存在的问题：多种标准、多种制式、多种协议、多种

16、方案 困难:互连互通难 设备更新难 研制开发难能否搞成一个通用的无线系统：硬件是公用的，除了天线和 RF 前端外，其它都是 DSP 所有无线通信过程都用软件实现，而软件环境是开放的 无线协议都遵循一个公共的 Wireless OSI 分层结构,软件无线电的关键技术 多频段天线及 RF前端技术 直接式数字上、下变频技术 高速 DSP 技术 标准化无线协议及协议转换技术软件无线电的应用前景多模手机 通用无线平台 通用抗干扰军用电台,发展（11）：21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（1）,第一代模拟话音NMT，AMPS，TACS第二代数字话音低速数据（小于64Kbps)GSM,

17、PDC，IS-95，IS-136（D-AMPS）第三代多媒体业务（小于2Mbps）第二代业务UMTS/IMT-2000,IMT2000简介 1985年国际电联就开始研究FPLMTS，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（12）：21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（2）,RTT标准的主要建议WCDMA欧洲把二个标准溶合成TDD/FDD，得到日本、美国、韩 国支持，将会成为主流cdma2000美国提出，和IS-95兼容TD-SCDMA中国提出,几点看法关于市场定向电话？多媒体？视频业务？Internet？关于体制标准全球一个标准？还是一个标准族？关于上下兼容要和第二代兼容。关于知识产权各国都希望国际标准中涉及的技术必须是开放的。,