無線通信關鍵技術介紹

一、從有線通信到無線通信

1.莫爾斯電碼（通、斷、長斷）1844年5月24日，華盛頓-巴爾的摩，64.4km，“上帝創(chuàng)造了何等奇跡！”

2.1876年3月7日，貝爾獲得發(fā)明電話專利，專利證號碼NO:174655。

“沃森特先生，快來幫我?。　?/p>

3.電磁波的發(fā)現：1820年，丹麥物理學家奧斯特發(fā)現變化的電流通過導線會引起磁針的偏轉，英國物理學家法拉第指出該實驗證明了“電能生磁”，即“電磁感應現象”；1864年，麥氏發(fā)表了電磁場理論，成為人類歷史上預言電磁波存在的第一人。1887年，亨利?！數婪颉ず掌澩ㄟ^實驗證明了電磁波的存在。2023/4/161第一頁，共55頁。第一頁，共55頁。4.無線電報的發(fā)明-“要是我能指揮電磁波，就可飛越整個世界”1896年，俄國的波波夫成功地用無線電進行莫爾斯電碼的傳送，距離為250米，電文內容為——“海因里斯·赫茲”；在1897年5月18日，意大利的馬可尼，通過改進了的無線電傳送和接收設備，在英國的布里斯托爾海峽進行無線電通信取得成功，把信息傳播了12公里；于1909年獲得諾貝爾物理學獎。

2023/4/162第二頁，共55頁。第二頁，共55頁。5.無線電通信的發(fā)明

—載著聲音飛翔的電波無線電廣播之父——美國人巴納特·史特波斐德，他于1886年便開始研究無線電廣播，在1902年，他在肯塔基州穆雷市進行了第一次無線電廣播。他們在穆雷廣場放好話筒，由巴納特·史特波斐德的兒子在話筒前說話、吹奏口琴，他在附近的樹林里放置了5臺礦石收音機，均能清晰地聽到說話和口琴聲，試驗獲得了成功。之后又在費城進行了廣播，并獲得了專利權。

2023/4/163第三頁，共55頁。第三頁，共55頁。與此同時，無線電通信逐漸被用于戰(zhàn)爭。在第一次和第二次世界大戰(zhàn)中，它都發(fā)揮了很大的威力，以致有人把第二次世界大戰(zhàn)稱之為“無線電戰(zhàn)爭”。第四頁，共55頁。第四頁，共55頁。二、無線通信的特點1.傳輸環(huán)境的復雜性2.電磁波的傳播不需要任何有形介質3.接收信號的時變多徑4.多個無線電載波同存于同一空間5.頻率資源有限，需統一劃分2023/4/165第五頁，共55頁。第五頁，共55頁。無線傳輸的電磁頻譜2023/4/166第六頁，共55頁。第六頁，共55頁。無線頻譜的分配頻率統一分配（FCC/ITU_R/各個國家）根據信息類型分配頻譜（AM/FM無線電臺、TV、蜂窩電話…）工業(yè)科學醫(yī)學頻段（ISM）可自由使用但限制功率專用于非許可的商業(yè)用途救護車、出租車、無線遙控玩具、無線電家用設備等2023/4/167第七頁，共55頁。第七頁，共55頁。無線信號傳播理想情況下，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”（lineofsight,LOS）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)生如下三種現象：反射、衍射和散射。其中物體的幾何形狀決定了將產生哪種現象。2023/4/168第八頁，共55頁。第八頁，共55頁。反射（reflection）反射：當信號遇到表面大于信號波長的障礙物（地球表面、高建筑物、大型墻面）導致信號的相位發(fā)生漂移2023/4/169第九頁，共55頁。第九頁，共55頁。衍射（Diffraction）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。2023/4/1610第十頁，共55頁。第十頁，共55頁。散射（Scattering）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2023/4/1611第十一頁，共55頁。第十一頁，共55頁。散射（Scattering）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。例如，在戶外，樹木和路標都會導致移動電話信號的散射。在室內，椅子、書籍和計算機都會導致無線Lan信號的散射。2023/4/1612第十二頁，共55頁。第十二頁，共55頁。電波的多徑傳播和衰落電波傳播的長期慢衰落由傳播路徑上固定障礙物的陰影引起，也稱為陰影衰落。2023/4/1613第十三頁，共55頁。第十三頁，共55頁。無線傳輸技術調制技術抗衰落及抗干擾技術多天線與空時編碼技術多址技術2023/4/1614第十四頁，共55頁。第十四頁，共55頁。調制技術信源電信號調制接收機解調發(fā)射機電信號信宿無線信道噪聲和干擾消息模擬或數字信號無線通信系統框圖2023/4/1615第十五頁，共55頁。第十五頁，共55頁。調制技術調制的目的是把要傳輸的模擬信號或數字信號變換成適合信道傳輸的信號。該信號稱為已調信號。調制過程用于通信系統的發(fā)端。在接收端需將已調信號還原成要傳輸的原始信號，該過程稱為解調。

2023/4/1616第十六頁，共55頁。第十六頁，共55頁。

按照調制器輸入信號(該信號稱為調制信號)的形式，調制可分為模擬調制(或連續(xù)調制)和數字調制。模擬調制是利用輸入的模擬信號直接調制(或改變)載波(正弦波)的振幅、頻率或相位，從而得到調幅(AM)、調頻(FM)或調相(PM)信號。數字調制是利用數字信號來控制載波的振幅、頻率或相位。常用的數字調制有：ASK、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)等。2023/4/1617第十七頁，共55頁。第十七頁，共55頁。對已調信號的要求針對無線通信信道的特點，已調信號應具有高的頻譜利用率和較強的抗干擾、抗衰落的能力。即：已調信號所占的帶寬要窄。經調制解調后的輸出信噪比(S/N)較大或誤碼率較低。2023/4/1618第十八頁，共55頁。第十八頁，共55頁。

抗衰落及抗干擾技術1.分集技術陸地移動信道、短波電離層反射信道等隨參信道引起的多徑時散、多徑衰落、頻率選擇性衰落、頻率彌散等，會嚴重影響接收信號質量，使通信系統性能大大降低。為了提高隨參信道中信號傳輸質量，必須采用抗衰落的有效措施。常采用的技術措施有抗衰落性能好的調制解調技術、擴頻技術、功率控制技術、與交織結合的差錯控制技術、分集接收技術等。其中分集接收技術是一種有效的抗衰落技術，已在短波通信、移動通信系統中得到廣泛應用。

2023/4/1619第十九頁，共55頁。第十九頁，共55頁。分集接收技術是分別接收若干個獨立地攜帶同一信息的信號，并將它們合并在一起，這些信號同時被衰減掉的概率很小，因而可改善隨參信道的傳輸特性。2023/4/1620第二十頁，共55頁。第二十頁，共55頁。分集原理所謂分集接收，是指接收端按照某種方式使它收到的攜帶同一信息的多個信號衰落特性相互獨立，并對多個信號進行特定的處理，以降低合成信號電平起伏，減小各種衰落對接收信號的影響。從廣義信道的角度來看，分集接收可看作是隨參信道中的一個組成部分，通過分集接收使包括分集接收在內的隨參信道衰落特性得到改善。分集接收包含有兩重含義：一是分散接收，使接收端能得到多個攜帶同一信息的、統計獨立的衰落信號；二是集中處理，即接收端把收到的多個統計獨立的衰落信號進行適當的合并，從而降低衰落的影響，改善系統性能。2023/4/1621第二十一頁，共55頁。第二十一頁，共55頁。分集方式空間分集： 使用多個天線頻率分集： 用多個頻率傳同一信息,各頻率之差大于相關帶寬角度分集： 天線指向不同極化分集： 接收水平、垂直極化波2023/4/1622第二十二頁，共55頁。第二十二頁，共55頁。信道編碼和交織技術信道編碼：通過在發(fā)送信息時加入冗余的數據位來改善通信鏈路的性能交織編碼：目的是把一個由衰落造成的較長的突發(fā)差錯離散成隨機差錯，再用糾正隨機差錯的編碼(FEC)技術消除隨機差錯。2023/4/1623第二十三頁，共55頁。第二十三頁，共55頁。3.跳頻技術2023/4/1624第二十四頁，共55頁。第二十四頁，共55頁。2023/4/1625第二十五頁，共55頁。第二十五頁，共55頁。2023/4/1626第二十六頁，共55頁。第二十六頁，共55頁。2023/4/1627第二十七頁，共55頁。第二十七頁，共55頁。跳頻通信的優(yōu)點跳頻抗多徑要求跳頻信號駐留時間小于多徑延遲時間差跳頻抗同頻干擾采用跳頻圖案的正交性組成正交跳頻網，從而避免頻率重用引起的同頻干擾跳頻抗頻率選擇性衰落當跳頻的頻率間隔大于信道相關帶寬時，可使各個調頻駐留時間內的信號相互獨立。2023/4/1628第二十八頁，共55頁。第二十八頁，共55頁。直接序列擴頻技術擴頻是通過注入一個更高頻率的信號將基帶信號擴展到一個更寬的頻帶內的射頻通信系統，即發(fā)射信號的能量被擴展到一個更寬的頻帶內使其看起來如同噪聲一樣。既把序列（也稱為碼）加入到通信信道，插入序列的方式正好定義了所討論的擴頻技術（直接序列擴頻或跳頻擴頻技術）。術語“擴頻”指將信號帶寬擴展幾個數量級，在信道中加入序列即可實現擴頻。2023/4/1629第二十九頁，共55頁。第二十九頁，共55頁。直接序列擴頻系統2023/4/1630第三十頁，共55頁。第三十頁，共55頁。直接序列擴展頻譜2023/4/1631第三十一頁，共55頁。第三十一頁，共55頁。直接擴頻的基本原理每個比特由擴展碼的多個比特表示擴展碼信號占有更寬的頻率擴展后的頻率與所用的擴展碼比特數成比例10比特的擴展碼將信號擴展到10倍寬的頻道2023/4/1632第三十二頁，共55頁。第三十二頁，共55頁。均衡技術指對信道特性的均衡，補償時分信道中由于多徑效應而產生的碼間干擾。時域均衡頻域均衡

2023/4/1633第三十三頁，共55頁。第三十三頁，共55頁。多載波和OFDM技術多載波傳輸把數據流分成若干個低速率的子比特流，用低速率、多狀態(tài)符號的子比特流再去調制相應的子載波，從而構成多個低速率符號并行發(fā)送的傳輸系統。正交頻分復用OFDM系統是一種特殊的多載波傳輸技術。其特點是各子載波相互正交，減小了子載波間的相互干擾，提高了頻譜利用率。該系統能夠抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。2023/4/1634第三十四頁，共55頁。第三十四頁，共55頁。2023/4/1635第三十五頁，共55頁。第三十五頁，共55頁。OFDM的優(yōu)點OFDM有較高的帶寬效率系統因時延所產生的碼間干擾不那么嚴重當信道在某個頻率出現較大幅度衰減或較強的窄帶干擾時，只是影響個別的子信道由于可以采用DFT實現OFDM信號，極大簡化了系統的硬件結構2023/4/1636第三十六頁，共55頁。第三十六頁，共55頁。

多天線與空時編碼技術多天線技術：估計無線電信號的來波方位角；提高無線通信中的鏈路性能多天線系統的分類：

多發(fā)單收MISO

單發(fā)多收SIMO

多發(fā)多收MIMO空時編碼技術：空間分組碼、空間格形碼2023/4/1637第三十七頁，共55頁。第三十七頁，共55頁。智能天線技術智能天線利用數字信號處理技術，產生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到充分高效利用用戶信號，并刪除或抑制干擾信號的目的。

多波束智能天線

利用多個并行波束覆蓋整個用戶區(qū)，每個波束的指向是固定的，波束的寬度也隨陣元數目的確定而確定。自適應陣智能天線

一般采用4~6天線陣元結構，陣元間距1/2波長。2023/4/1638第三十八頁，共55頁。第三十八頁，共55頁。開關多波束天線的波束模式頂視圖2023/4/1639第三十九頁，共55頁。第三十九頁，共55頁。

多址技術1.多址的基本原理2.FDMA技術3.TDMA技術4.CDMA技術5.SDMA技術6.隨機接入多址技術7.雙工技術2023/4/1640第四十頁，共55頁。第四十頁，共55頁。1.多址的基本原理用于多信道共用。多信道共用是指在網內的大量用戶共享若干無限信道。多址技術：指區(qū)分不同用戶的技術。主要解決多用戶如何高效共享給定頻譜資源問題。常規(guī)的多址方式有三種：頻分多址(FDMA)時分多址(TDMA)碼分多址(CDMA)2023/4/1641第四十一頁，共55頁。第四十一頁，共55頁。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2023/4/1642第四十二頁，共55頁。第四十二頁，共55頁。多路復用技術實現多路復用的關鍵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號分割信號的依據：信號之間的差別信號頻率上的不同信號出現時間上的不同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2023/4/1643第四十三頁，共55頁。第四十三頁，共55頁。2023/4/1644第四十四頁，共55頁。第四十四頁，共55頁。Thetotalsystembandwidthisdividedintochannelswhichareallocatedtothedifferentusers.7C29822.030-Cimini-9/972.頻分多路復用

(FrequencyDivisionMultiplexing)第四十五頁，共55頁。第四十五頁，共55頁。FDMA系統的特點每信道占用一個載頻符號時間較大，即碼速率較低基站設備復雜越區(qū)切換較為復雜和困難2023/4/1646第四十六頁，共55頁。第四十六頁，共55頁。4.時分多路復用時分多址：是把時間分割成周期性的幀，每一個幀再分割成若干個時隙。幀和時隙都是不重疊的。在頻分雙工(FDD)方式中，上行鏈路（移動臺到基站）和下行鏈路（基站到移動臺）的幀分別在不同的頻率上。在時分雙工(TDD)方式中，上下行幀在相同的頻率上，各移動臺在上下行幀內只能按指定的時隙向基站發(fā)送信號。2023/4/1647第四十七頁，共55頁。第四十七頁，共55頁。Timeisdividedintoslotswhichareallocatedtothedifferentusers.7C29822.031-Cimini-9/97第四十八頁，共55頁。第四十八頁，共55頁。TDMA系統的特點突發(fā)傳輸速率高基站復雜性較小相比FDMA，抗干擾能力強，頻率利用率高，系統容量大越區(qū)切換簡單2023/4/1649第四十九頁，共5