無線通信基礎課件

1、無線通信基礎課件需要掌握的n無線傳輸介質n無線傳輸特性無線通信基礎無線通信基礎課件每學期需要技術更新的n有無新的無線傳輸技術出現(xiàn)n無線傳輸技術的新進展和發(fā)展方向的變化無線通信基礎課件提綱n無線網(wǎng)絡概述n無線傳輸技術n無線網(wǎng)絡-應用n無線網(wǎng)絡-發(fā)展n無線網(wǎng)絡-拓撲n無線蜂窩系統(tǒng)n蜂窩概念n蜂窩系統(tǒng)無線通信基礎課件無線網(wǎng)絡概述無線通信基礎課件無線傳輸技術n多路復用n無線傳輸無線通信基礎課件多路復用（multiplexing） 為了提高信道利用率，使多路信號沿同一信道傳輸而互不干擾的技術無線通信基礎課件多路復用技術n實現(xiàn)多路復用的關鍵n把多路信號匯合到一條信道上之后，在接收端必須能正確地分割出各種信

2、號n分割信號的依據(jù)：信號之間的差別n信號頻率上的不同n信號出現(xiàn)時間上的不同n信號碼型結構上的不同頻分多路復用時分多路復用碼分多路復用無線通信基礎課件The total system bandwidth is divided into channels which are allocated to the different users.7C29822.030-Cimini-9/97頻分多路復用無線通信基礎課件Time is divided into slots which are allocated to the different users.7C29822.031-Cimini-9/97時

3、分多路復用無線通信基礎課件Time and bandwidth are used simultaneously by different users, modulated by orthogonal or semi- orthogonal codes (e.g. spread spectrum).7C29822.032-Cimini-9/97碼分多路復用無線通信基礎課件多路復用方法比較無線通信基礎課件多路復用技術n以上多路復用技術也稱為多址接入方法無線通信基礎課件n另一個與接入方法有關的重要參數(shù)是正向信道和反向信道的載波頻率差。n正向信道正向信道又叫下行鏈路，指從基站到移動終端的通信；n反向信

4、道反向信道又叫上行鏈路，指從移動終端到基站的通信。n如果正向信道和反向信道采用不同的載波頻率，而且間隔足夠大，這樣的雙工技術叫做FDD（Frequency Division Duplexing，頻分雙工）；n如果正向信道和反向信道采用相同的載波頻率，但采用交替的時隙，這樣的雙工技術叫做TDD（Time Division Duplexing，時分雙工）。無線信道接入方法無線通信基礎課件無線傳輸n電磁波可將信息從一個地方傳到另一個地方n電磁波的傳播不需要任何有型介質n電磁波稱為傳輸?shù)妮d波載波（載體）n傳輸?shù)臄?shù)據(jù)疊加在載波上，接收端再過濾出信號n調制解調n傳輸數(shù)據(jù)的頻率范圍稱為頻帶頻帶n多個無線電載

5、波可共存于同一空間無線通信基礎課件傳輸介質n傳輸介質（通信介質）：計算機用以收發(fā)電子/光子信號的物理路徑。分類如下：n引導性介質（線纜介質）n電磁波沿著一個固態(tài)介質傳播。例如：金屬導體、玻璃。n非引導性介質（無線介質）n提供了傳輸電磁信號的手段，但不加以引導。例如：大氣層、外層空間。無線通信基礎課件無線傳輸?shù)碾姶蓬l譜無線通信基礎課件無線頻譜的分配n頻率統(tǒng)一分配（FCC/ITU_R/各個國家）n根據(jù)信息類型分配頻譜（AM/FM無線電臺、TV、蜂窩電話）n工業(yè)科學醫(yī)學頻段（ISM）n可自由使用但限制功率n專用于非許可的商業(yè)用途n救護車、出租車、無線遙控玩具、無線電家用設備等無線通信基礎課件工業(yè)科學

6、醫(yī)學頻段無線通信基礎課件全向傳播與定向傳播n全向傳播（Omnidirectional）n信號沿所有方向傳播n可被所有的天線接收n發(fā)射設備和接收設備不必在物理上對準n定向傳播（directional）n天線把所有的能量集中于一小束電磁波無線通信基礎課件無線信號傳播n理想情況下，無線信號在從發(fā)射器到接收器間的一條直線上傳播，稱為“視線”（line of sight, LOS）n實際情況下，由于傳輸障礙物等傳輸環(huán)境的影響，無線信號的傳播將發(fā)生如下三種現(xiàn)象：反射、衍射和散射。其中物體的幾何形狀決定了將產(chǎn)生那種現(xiàn)象。無線通信基礎課件反射（reflection）n反射：當信號遇到表面大于信號波長的障礙物（

7、地球表面、高建筑物、大型墻面）導致信號的相位發(fā)生漂移無線通信基礎課件衍射（Diffraction）n衍射：當信號遇到大于波長的不可穿透物的邊緣（如無線電波中途遇到的尖銳不規(guī)則的邊緣物），即使沒有來自發(fā)送器的視線信號，也可接收到信號。無線通信基礎課件散射（Scattering）n散射：當信號遇到波長更小的物體（樹葉、街牌、燈柱）就發(fā)散成幾個弱的出境信號無線通信基礎課件散射（Scattering）n散射還與障礙物表面的粗糙度有關。表面越粗糙，越容易引起散射。n例如，n在戶外，樹木和路標都會導致移動電話信號的散射。n在室內(nèi)，椅子、書籍和計算機都會導致無線Lan信號的散射。無線通信基礎課件反射、衍射和

8、散射無線通信基礎課件無線通信的衰減（fading）n衰減（fading）：傳輸介質或路徑使得接收信號的能量發(fā)生變化n在固定環(huán)境下，大氣層條件的變化n低頻具有更強的穿透力，可以傳輸更遠的距離n頻率越高，衰減越嚴重，發(fā)射器需要更大的功率，傳輸范圍變短n在移動環(huán)境下：障礙物的相對位置隨時間發(fā)生變化，造成復雜的傳輸效果多徑傳播無線通信基礎課件多徑（multipath）傳播的影響n一個信號的多個拷貝以不同的相位到達n如果相位破壞性疊加，則相對噪聲來說信號的強度就會下降（信噪比減小），導致接收端檢測困難n信號串擾（intersymbol interference）n一個脈沖的一個或多個延遲的拷貝在一個比特

9、時間內(nèi)到達多徑（Multipath）:障礙物反射信號，使得接收端接收到多個不同延遲的信號無線通信基礎課件多徑傳播的影響n假設：以給定頻率在固定天線和移動節(jié)點之間的鏈路上發(fā)送一個窄脈沖無線通信基礎課件n無線網(wǎng)絡的應用從邏輯上可以分成兩類：n面向語音的應用 voice-orientedn面向數(shù)據(jù)的應用 data-oriented每一類都有局域和廣域兩個應用場合，從而形成四個不同的應用部分。無線網(wǎng)絡應用無線通信基礎課件n面向語音的無線網(wǎng)絡應用圍繞著連接PSTN的無線網(wǎng)絡，這些業(yè)務進一步形成局域網(wǎng)應用和廣域網(wǎng)應用。nPSTN（Public Switched Telephone Network），公共交

10、換電話網(wǎng)絡，一種常用舊式電話系統(tǒng)。 n面向數(shù)據(jù)的無線網(wǎng)絡應用圍繞著Internet和計算機通信網(wǎng)絡。這些業(yè)務進一步分為寬帶局域與Ad-hoc（點對點）應用和廣域無線數(shù)據(jù)應用。無線網(wǎng)絡應用無線通信基礎課件20世紀70年代早期貝爾實驗室研究第一代移動無線電20世紀70年代晚期第一代無繩電話面世1982年研究第二代數(shù)字無繩電話CT-21982年部署第一代北歐模擬NMT系統(tǒng)1983年部署美國AMPS系統(tǒng)1983年研究第二代數(shù)字蜂窩系統(tǒng)GSM1985年研究無線PBX，DECT1988年開始發(fā)展GSM1988年開始IS-54數(shù)字蜂窩1988年研究Qualcomm CDMA技術 （高通公司 ）1991年部署

11、GSM系統(tǒng)1993年部署PHS/PHP和DCS-18001995年FCC拍賣PCS頻段1995年完成PACS1998年開始3G標準化面向語音無線網(wǎng)絡發(fā)展的重大事件無線通信基礎課件n貝爾實驗室的 FDMA（Frequency Division Multiple Access，頻分多址）模擬蜂窩系統(tǒng)技術n歐洲的NMT（Nordic Mobile Telephony，北歐移動電話）n美國的AMPS（Advanced Mobile Phone System，高級移動電話系統(tǒng)）n北歐的TDMA（Time Division Multiple Access，時分多址）數(shù)字蜂窩系統(tǒng)技術nGSM（Global

12、System for Mobile communication，全球移動通信系統(tǒng)，簡稱“全球通”）n北美的CDMA（Code Division Multiple Access，碼分多址）數(shù)字蜂窩系統(tǒng)技術n3G（第三代蜂窩移動通信系統(tǒng)）技術面向語音的廣域無線應用無線通信基礎課件n無繩電話n英國的CT-2 n歐洲的DECT（Digital European Cordless Telephone，數(shù)字歐洲無繩電話）nPCS服務n日本的PHP（Personal Handy Phone，個人手持電話），后來成為PHS（Personal Handyphone System個人手持系統(tǒng)，即“小靈通”）n英國

13、的DCS-1800（GSM技術）n美國的PACS（Person Access Communications System，個人接入通信系統(tǒng)）面向語音的局域無線應用無線通信基礎課件1979年普及紅外線（瑞士IBM實驗室）1980年使用SAW設備擴展頻譜（美國加州HP實驗室）20世紀80年代初期無線調制解調器（數(shù)據(jù)無線通信）1983年ARDIS（Motorola/IBM）1985年ISM頻段用于商業(yè)擴頻應用1986年Mobitex（瑞典電信和Ericsson）1990年無線局域網(wǎng)標準IEEE802.111990年RAM移動產(chǎn)品發(fā)布1991年RAM移動（Mobitex）1992年組成WINForum

14、1992年歐洲的ETSI和HiperLAN1993年歐洲發(fā)布2.4、5.2和17.117.3頻段1993年CDPD（IBM和9家運營公司）1994年PCS的需要許可證頻段和免許可證頻段面向數(shù)據(jù)無線網(wǎng)絡發(fā)展的重大事件無線通信基礎課件1996年無線ATM論壇創(chuàng)立1997年發(fā)布U-NII頻段、IEEE802.11完成、GPRS出現(xiàn)1998年推出IEEE802.11b和藍牙技術1999年IEEE802.11g/HiperLAN-2出現(xiàn)面向數(shù)據(jù)無線網(wǎng)絡發(fā)展的重大事件（續(xù)）無線通信基礎課件nMotorola和IBM的ARDISnEricsson的Mobitexn美國的CDPD（Cellular Digit

15、al Packet Data，蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)）nGSM上的GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無線業(yè)務）n3G技術面向數(shù)據(jù)的廣域無線應用無線通信基礎課件n寬帶無線局域網(wǎng)和Ad-hoc網(wǎng)絡的一個主要特點是工作在ISM免許可證頻段。n寬帶局域無線應用nWLAN（無線局域網(wǎng)）nIEEE的802.11n歐洲的HiperLANnWATM（無線ATM）nAd-hoc應用（WPAN）n藍牙（Bluetooth）面向數(shù)據(jù)的寬帶局域無線與Ad-hoc應用無線通信基礎課件n第一代（1G）無線系統(tǒng)是面向語音的模擬語音的模擬無線系統(tǒng)，使用FDMA技術實現(xiàn)。典型的1G標準：美國

16、的AMPS、歐洲的TACS。n第二代（2G）無線系統(tǒng)是面向語音的數(shù)字語音的數(shù)字無線系統(tǒng)，使用TDMA或窄帶CDMA技術實現(xiàn)。典型的2G數(shù)字蜂窩移動標準：歐洲的GSM、北美的IS-54（IS-136）和IS-95以及日本的JDC，2G PCS標準：歐洲的CT-2和DECT、美國的PACS、日本的PHS，2G移動數(shù)據(jù)業(yè)務標準：CDPD、GPRS，2G WLAN標準：IEEE 802.11、HiperLAN。n第三代（3G）無線系統(tǒng)把蜂窩電話、PCS語音業(yè)務以及移動數(shù)據(jù)業(yè)務數(shù)據(jù)業(yè)務用各種分組交換數(shù)據(jù)業(yè)務綜合在一個高語音質量、高容量、高速率的網(wǎng)絡系統(tǒng)中。典型的3G標準： CDMA2000 、TD-SC

17、DMA。無線網(wǎng)絡發(fā)展無線通信基礎課件n無線網(wǎng)絡中使用了兩種基本拓撲類型n基礎結構集中式（或稱中心輻射式）拓撲nAd-hoc（或稱分布式）拓撲n基礎結構網(wǎng)絡n固定（有線）基礎結構用來支持移動終端（MT，或稱移動臺MS）之間和移動終端與固定終端之間的通信。n通常設計用于大的覆蓋區(qū)域和使用多個BS（Base Station，基站）或AP（Access Point，接入點）的情況。 無線網(wǎng)絡拓撲無線通信基礎課件n基礎結構網(wǎng)絡拓撲圖例n無線蜂窩產(chǎn)品、IEEE802.11和大部分無線LAN產(chǎn)品都支持基礎結構的使用。 無線網(wǎng)絡拓撲無線通信基礎課件nAd-hoc網(wǎng)絡nAd-hoc或分布式網(wǎng)絡拓撲用于重組網(wǎng)絡，

18、它不需要固定的基礎結構就能工作。n適于在移動或固定情況下快速部署無線網(wǎng)絡。 n有2種Ad-hoc網(wǎng)絡拓撲n單跳Ad-hoc網(wǎng)絡。如：IEEE 802.11、PHS等。n多跳Ad-hoc網(wǎng)絡。如：HiperLAN。無線網(wǎng)絡拓撲無線通信基礎課件nAd-hoc網(wǎng)絡拓撲圖例（a） 單跳對等拓撲 （b） 多跳拓撲 無線網(wǎng)絡拓撲無線通信基礎課件無線蜂窩系統(tǒng)無線通信基礎課件蜂窩概念n1946年，美國AT&T貝爾實驗室提出了蜂窩（cellular）通信的概念。n蜂窩通信是一種使用頻率復用的智能方法，以使有限的帶寬可以容納巨大數(shù)量的用戶。無線通信基礎課件蜂窩概念n基本原理：將覆蓋區(qū)域分為大量相連的小區(qū)域，每個小

19、區(qū)使用自己的、低功率的無線基站。由于同樣的頻譜在分散的區(qū)域內(nèi)可以被多次復用，這樣，每次建立一個新的基站（一個小區(qū)域）時，容量就會增加。n小區(qū)域被稱為小區(qū)或單元（cell），一組小區(qū)組成區(qū)群（cluster）。n一個區(qū)群中小區(qū)的數(shù)量稱為區(qū)群大小或頻率復用因子。n需要對這些小區(qū)域以智能的方式分配信道，以避免兩種干擾：n同頻道干擾（cochannel interference）n鄰道干擾（adjacent channel interference） 無線通信基礎課件蜂窩形狀無線通信基礎課件頻率復用N=4頻率復用模型123457612345761234576123424343213122143134N=7頻率復用模型n以FDMA為例，K為分配給系統(tǒng)的頻率總數(shù)，N為頻率復用模型蜂窩數(shù)，假定每個蜂窩區(qū)分配相同數(shù)量的頻率，則每個蜂窩區(qū)有K/N個頻率無線通信基礎課件頻率復用n設參數(shù)nD 使用相同頻段的蜂窩區(qū)最小中心間距nR 蜂窩區(qū)半徑nd 相鄰蜂窩區(qū)的中心距離nN 重用因子，重用模型中蜂窩區(qū)個數(shù)n在六邊形蜂窩區(qū)模型中n可能的N值為1、3、4、7、9、12、13等n存在下列關系3dR22()NIJIJ,0,1,2,3,.I J 3DNR無線通信基礎課件增加容量n增加新信道（adding new channels）n頻率借用（frequency borrowing）n蜂窩區(qū)分割（cell s