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1无线通信系统主讲教师：马卓zma@mail.xidian.edu.cn2本课程使用的教材T.S.Rappaport著“WirelessCommunicationsPrinciplesandPractice,2e”《无线通信原理与应用（第二版）》3参考书（1）1.李建东等编著《移动通信（修订版）》已出至第4版2.K.Pahlavan等著“PrinciplesofWirelessNetworks：AUnifiedApproach”《无线网络通信原理与应用》（中译本书名）4本课程的基本要求（1）就所选教材而言，主要讲解以下各章：第1章（无线通信系统概述）、第3章（蜂窝的概念）、第4章（大尺度路径损耗）、第5章（小尺度衰落和多径效应）、第6章（移动无线电中的调制技术）、第7章（均衡、分集和信道编码）、第9章（无线通信多址接入技术）注：第6章中模拟调制不讲；第7章中编码和均衡简介。5本课程的基本要求（2）概括起来说，本课程主要要求大家通过学习掌握以蜂窝系统为主的无线移动通信系统的基础知识。可以分成以下几个方面的内容：1）蜂窝系统设计原理（Ch3）；2）无线移动信道（Ch4、Ch5）；3）用于移动通信的数字调制技术和抗多径、抗衰落技术（Ch6、Ch7）；4）多址技术（Ch9）。6从通信分层的观念看课程要求本课程主要关注基站（BS）和移动台（MS）之间空中接口（GSM中，这个接口称作Um接口）的物理层：第4、5章讨论物理层的传输媒质；第6、7章讨论传输技术。同时也从系统（或网络）的角度对其它层作必要的介绍：第3章讨论蜂窝网络原理、信道分配策略、切换等问题；第9章介绍多址技术。7蜂窝网络的构成（第2代）重要名词：MS（MobileStation）：移动台，如手机。BS（BaseStation）：基站。MSC（MobileSwitchingCenter）移动交换中心。8有基础设施的集中式无线网络蜂窝系统属于有基础设施（如基站）的网络。任意两个网内用户（或者网内用户和有线网用户）之间的通信都要通过基站（BS）“中转”，这一点和一般的点对点无线通信（如，无线对讲机）是不同的。9提纲一、无线通信的发展历史二、无线通信的特点三、无线电波频段的划分四、无线通信系统的分类五、常用无线通信系统六、不同无线通信应用的不同需求七、标准化蜂窝系统简介10无线通信的发展历史——起步无线通信始于1897年马可尼在英吉利海峡行驶的船只之间进行的无线电报通信的演示。1901年12月，在英国与纽芬兰之间(三千五百四十公里)，实现横过大西洋的无线电通讯，使无线电达到实用阶段。伽利尔摩·马可尼由于其在无线电方面的杰出贡献，于1909年获得了诺贝尔物理学奖。11无线通信的发展历史——探索20世纪40年代，首先在短波几个频段上开发出专用无线通信系统，其代表是美国底特律市警察实用的车载无线电系统，特点是专用系统，工作频率较低。20世纪40年代至60年代初期，公共无线移动通信系统开始问世。1946年，世界上第一个公共移动电话系统在美国的圣路易斯市投入使用。其特点是非蜂窝系统，只有六个信道.12发生了什么？发生了什么？13无线通信的发展历史——酝酿20世纪六十年代到七十年代，贝尔实验室提出了蜂窝的概念，即把整个覆盖范围划分成小的单元，每个单元复用整个频带的一部分以提高频率利用率。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）。后来美国也建立了AMPS系统。其特点是使用模拟调制，蜂窝网。14无线通信的发展历史——爆发数字蜂窝系统：开始于20世纪80年代，与20世纪90年代开始投入商用。代表系统有：GSM，USDC（IS-136）等。特点是用数字调制，语音编码和时分多址代替模拟调制和频分多址。地区西欧美国日本普及率（04年）80%50%70%截至2008年12月，中国手机用户数达6.41亿户，普及率接近50%，总量居世界第一位。15无线通信的发展历史——演进第三代移动通信：全球化标准。提供更大的系统容量和更高的数据传输速率。三个第三代移动通信技术标准：欧洲的WCDMA，美国的CDMA2000，中国的TD-SCDMA，此外802.16e标准也被批准为3G标准之一，我国与2009年开始部署3G系统。无线局域网（WLAN）：802.11系列标准。LTE：长期演进。16无线通信的特点（1）1.无线通信利用无线电波进行信息传输，因而允许通信中的用户可以在一定范围内自由活动，其位置不受束缚，这是无线通信最大的优势。然而无线电波在传输过程中会受到多种传播因素的影响，造成接收信号的质量下降，这就需要在接收端对传播因素进行处理。17无线通信的特点（2）2.无线通信系统是一个开放的系统，容易受到外界的干扰，并且易于被恶意获取。这里的干扰除包括常见的外部干扰，如天电干扰、工业干扰和信道噪声外，系统本身和不同系统之间，还会产生这样或那样的干扰。因为在移动通信系统中，常常有多部用户电台在同一地区工作，基站还会有多部收发信机在同一地点上工作，这些电台之间会产生干扰。安全性对无线通信具有非常重要的意义，跳频、数据加密等技术可以用来提高无线通信的安全性。18无线通信的特点（3）3.无线通信可以利用的频谱资源非常有限，而移动通信业务量的需求却与日俱增——如何提高通信系统的通信容量，始终是移动通信发展中的焦点。开源节流开辟和启用新的频段，如60GHz短距离高速通信技术——802.15系列标准研究各种新技术和新措施，以压缩信号所占的频带宽度和提高频谱利用率，如MIMO技术，高效信源编码等19无线通信的特点（4）4.无线通信系统的网络结构多种多样，网络管理和控制必须有效根据通信地区的不同需要，移动通信网络可以组成带状(如铁路公路沿线)、面状(如覆盖一城市或地区)或立体状(如地面通信设施与中、低轨道卫星通信网络的综合系统)等，可以单网运行，也可以多网并行并实现互连互通。为此，移动通信网络必须具备很强的管理和控制功能，诸如用户的登记和定位，通信(呼叫)链路的建立和拆除，信道的分配和管理，通信的计费、鉴权、安全和保密管理以及用户过境切换和漫游的控制等。20无线通信的特点（5）5.移动通信设备(主要是移动台)必须适于在移动环境中使用对手机的主要要求是体积小、重量轻、省电、操作简单和携带方便。车载台和机载台除要求操作简单和维修方便外，还应保证在震动、冲击、高低温变化等恶劣环境中正常工作。21无线电波的频段的划分1.射频频段（波段）划分：λ＝c/f，c=300000000m/s22常用无线电波段的特点波段名称波长范围频率范围频段名称主要传播方式和用途长波（LW）103~104m30~300kHz低频（LF）地波；远距离通信中波（MW）102~103m30kHz~300MHz中频（MF）地波、天波；广播、通信、导航短波（SW）10~100m3~30MHz高频（HF）天波、地波；广播、通信超短波（VSW）1~10m30~300MHz甚高频（VHF）直线传播、对流层散射；通信、电视广播、调频广播、雷达微波分米波（USW）10~100cm300MHz~3GHz特高频（UHF）直线传播、散射传播；通信、中继与卫星通信、雷达、电视广播厘米波（SSW）1~10cm3~30GHz超高频（SHF）直线传播；中继与卫星通信、雷达毫米波（ESW）1~10mm30~300GHz极高频（EHF）直线传播；微波通信、雷达23无线通信常用频段2.绝大多数无线通信系统工作在30MHz～40GHz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］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］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。24受管制频谱和不受管制的频谱例如，800－1000MHz：几个蜂窝系统使用此频段（模拟系统和第二代蜂窝）。也有一些应急通信系统（集群无线电）使用此频段。1.8－2.0GHz：这是蜂窝通信的主要频段。目前的（第二代）蜂窝系统工作于此频段，大多数第三代系统也将工作于此频段。许多无绳系统也工作于此频段。2.4－2.5GHz：工业、科学和医疗（ISM）频段。无绳电话、无线局域网（WLAN）和无线个域网（WPAN）工作于此频段；它们与其它的许多设备（包括微波炉）分享这一频段。25频谱——一种自然资源有限性：由于较高频率上的无线电波的传播特性，无线电业务的不能无限地使用较高频段的无线电频率，目前人类对于3000GHz以上的频率还无法开发和利用，尽管使用无线电频谱可以根据时间、空间、频率和编码四种方式进行频率的复用，但就某一频段和频率来讲，在一定的区域、一定的时间和一定的条件下使用频率是有限的。排他性：无线电频谱资源与其他资源具有共同的属性，即排他性，在一定的时间、地区和频域内，一旦被使用，其他设备是不能再用的。复用性：虽然无线电频谱具有排他性，但在一定的时间、地区、频域和编码条件下，无线电频率是可以重复使用和利用的，即不同无线电业务和设备可以频率复用和共用。非耗竭性：无线电频谱资源不同于矿产、森林等资源，它是可以被人类利用，但不会被消耗掉，不使用它是一种浪费，使用不当更是一种浪费，甚至由于使用不当产生干扰而造成危害。传播特性固有性：无线电波是按照一定规律传播，是不受行政地域的限制，是无国界的。易污染性：如果无线电频率使用不当，就会受到其他无线电台、自然噪声和人为噪声的干扰而无法正常工作，或者干扰其他无线电台站，使其不能正常工作，使之无法准确、有效和迅速地传送信息。26无线通信系统的分类(1)按使用对象可分为民用设备和军用设备；按使用环境可分为陆地通信、海上通信和空中通信；按多址方式可分为频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)等；按覆盖范围可分为广域网和局域网；27无线通信系统的分类(2)按业务类型可分为电话网、数据网和多媒体网；按射频工作方式可分为单工、半双工、全双工；按服务范围可分为专用网和公用网；按信号形式可分为模拟网和数字网。28无线通信的射频工作方式单工（Simplex）：消息只能单方向传输的工作方式，典型的应用为寻呼系统。半双工（HalfDuplex）：通信双方都能收发信息，但不能同时进行收发的工作方式，多采用按讲方式（PTT）。如对讲机。全双工（FullDuplex），通信双方可同时进行收发信息的工作方式。商用的移动通信系统都是全双工的。全双工（简记作Duplex）又分为：频分双工（FDD）和时分双工（TDD）。29FDD什么是频分双工（FDD，FrequencyDivisionDuplex）：Tx：Transmitter；Rx：Receiver；收发信机：transceiver。30TDD什么是TDD：TDD是一种准全双工。31FFD与TDD的对比频率分配射频滤波器非对称业务适应性闭环控制的实时性同步的要求覆盖范围上下行链路信道特性系统鲁棒性网络设计规划FDD成对两个弱高低无限制，30-40km不相关高成熟TDD一个一个灵活低高受保护时间间隔限制相关低经验欠缺32系统实例“小灵通”采用了日本PHS＊系统的空中接口规范，它属于TDD系统。GSM系统属于FDD系统；联通的CDMA系统也是FDD系统。3G系统中，欧洲提出的WCDMA系统和美国提出的CDMA2000系统都是以FDD为主的系统，中国的TD-SCDMA属TDD系统，WiMAX也属于TDD系统。LTE有FDD和TDD两个版本，前者对应于WCDMA的演进，后者对应于TD-SCDMA的演进。＊注：PHS，PersonalHandySystem33常用无线通信系统寻呼系统(Paging)无绳电话(cordlesstelephony)蜂窝系统(cellularsystem)集群通信系统（TrunkingRa