信通導論11秋06 無線通信技術(shù)的未來

1、無線通信技術(shù)的未來,soft + radio smart antenna wsn uwb,新技術(shù)專題報告,2008_5_12,無線通信的未來,2,通信技術(shù)發(fā)展的趨勢,網(wǎng)絡業(yè)務數(shù)字化 網(wǎng)絡技術(shù)分組化 接入技術(shù)無線化 傳輸線路光纖化 ip的世界 （從網(wǎng)絡服務層面看） 光的世界 （從傳送層面看） 無線的世界（從用戶接入層面看）,2008_5_12,無線通信的未來,3,無線的優(yōu)勢及無線電技術(shù)的發(fā)展the wireless world,無線通信 無限商機,2008_5_12,無線通信的未來,4,global wireless wireline market trend,2008_5_12,無線通信的未來

2、,5,無線通信的用途uses of the radio frequency spectrum,navigation radionavigation radiolocation terresrial or satellite,scientific uses radio astromony standard time signals meteorological but effects increase rapidly with longer distances avoid links over/through vents, hot roofs, a/c ducts, etc space dive

3、rsity,散射scintillation,image dancing,amplitude fluctuation,the variation of refractive index along the propagation path caused by slight temperature variations among different air pockets,2008_5_12,無線通信的未來,38,fso equipment,photograph courtesy of mrv communications,lasertransceiverwithmultiple beams,r

4、adio frequency backup connection,2008_5_12,無線通信的未來,39,光無線通信技術(shù)目前發(fā)展概況,2001年2月由美國的一些光無線設備制造商聯(lián)合電信運營商，成立了空間光通信聯(lián)盟(fsoalliance)。 terabeam公司和airriber公司已將光無線通信應用于商業(yè)服務。 2000年悉尼奧運會上，terabeam公司成功地使用光無線通信設備向客戶提供100mb/s的數(shù)據(jù)連接。 2004年7月，華為公司和lightpointe公司宣布擴大雙方的聯(lián)合戰(zhàn)略伙伴協(xié)定。lightpointe公司是基于光無線通信技術(shù)的光纖光線產(chǎn)品的設計者和制造商。,2008_5

5、_12,無線通信的未來,40,容量從100mb/s到2.5gb/s,一般限于2公里以下,工作波長： 850納米 1550納米,2008_5_12,無線通信的未來,41,2008_5_12,無線通信的未來,42,agenda 議程,移動通信技術(shù)的現(xiàn)狀及趨勢 固定接入技術(shù)的現(xiàn)狀及趨勢 衛(wèi)星通信技術(shù)的現(xiàn)狀及趨勢 3.1 衛(wèi)星通信的分類 3.2 同步地球衛(wèi)星通信 個人區(qū)域通信wpan技術(shù)的現(xiàn)狀和趨勢 特定用途無線通信技術(shù)的現(xiàn)狀和趨勢 無線通信中的新技術(shù),2008_5_12,無線通信的未來,43,satellite communications,2008_5_12,無線通信的未來,44,衛(wèi)星通信,200

6、8_5_12,無線通信的未來,45,2008_5_12,無線通信的未來,46,agenda 議程,移動通信技術(shù)的現(xiàn)狀及趨勢 固定接入技術(shù)的現(xiàn)狀及趨勢 衛(wèi)星通信技術(shù)的現(xiàn)狀及趨勢 個人區(qū)域通信wpan技術(shù) 4.1 ieee802.15 4.2 藍牙 wsn uwb 特定用途無線通信技術(shù)的現(xiàn)狀和趨勢 無線通信中的新技術(shù),2008_5_12,無線通信的未來,47,2008_5_12,無線通信的未來,48,5 body area network,2008_5_12,無線通信的未來,49,5 wireless presonal area networks ieee 802.15,2008_5_12,無線通

7、信的未來,50,wpan bluetooth 藍芽,ieee 802.15.1 cable replacement data rate : 1 mbps low power low cost standard for different products voice and data communication support mobility sized 0.5 squire inches,2008_5_12,無線通信的未來,51,wpan bluetooth 藍牙,bluetooth 網(wǎng)絡內(nèi)并沒有基站的概念，依應用程序設計，只有 master 和 slaver 的功能互相轉(zhuǎn)換。,2008_

8、5_12,無線通信的未來,52,wpan 802.15.3a,由于 bluetooth 的傳輸速率僅 1m bps，對于 real time 的影音資料不敷使用，故發(fā)展出 802.15.3a standard，采用uwb ( utra-wideband )技術(shù)，最高傳輸可達 480m bps，其網(wǎng)絡架構(gòu)跟 bluetooth 差異不大。,2008_5_12,無線通信的未來,53,無線傳感器網(wǎng)絡(wsn) wireless sensor network,無線感測網(wǎng)路主要功能是隨意散佈的感測節(jié)點 ( sensor node ) 於一未知感測區(qū)域來收集資料並回報給控制中心 ( sink node )

9、。 感測器裝置以本身電池來提供能源以進行感測、初步資料處理以及透過無線電介面回報資料。 感測資訊可為溫度溼度甚至影像等 ieee組織制定感測節(jié)點間無線傳輸?shù)膮f(xié)定ieee802.15.4 無線感測節(jié)點特色 耗電量低 cpu慢 記憶體小 傳輸率低 容錯性佳 體積小,2008_5_12,無線通信的未來,54,wsn applications,環(huán)境的監(jiān)視 生態(tài)環(huán)境監(jiān)控 互動式的電腦遊戲 保全 探勘未知環(huán)境,2008_5_12,無線通信的未來,55,wsn application in berkeley,2008_5_12,無線通信的未來,56,wsn application in berkeley,h

10、abitat monitoring on great duck island sensor nodes,2008_5_12,無線通信的未來,57,wsn application in berkeley,berkeley aerobot test bed for pursuitevasion game. (outdoor),2008_5_12,無線通信的未來,58,smart indoor spaces,sensorsmodules,high-speed wireless lan (wlan),wlan-piconet bridge,piconet,wlan-piconet bridge,wla

11、n access point,piconet,wired network,networked toys,sensor badge,collaboration: muntz (cs) alwan (ee) potkonjak (cs) baker (education),“fusing the physical and the cognitive”,2008_5_12,無線通信的未來,59,高速率wpan：個域網(wǎng),下一代便攜式消費者電器和通信設備之間將產(chǎn)生許多高速率的多媒體應用。這些應用必須得到高速率無線網(wǎng)絡的支持和服務，因此wpan應運而生,第一類涉及大宗（多兆字節(jié)）數(shù)據(jù)文檔傳送：如照片文檔和

12、視像流的傳送、音樂文檔的傳送等 第二類涉及實時視像和高質(zhì)量聲音：如數(shù)字攝像機在電視機上進行無線播放、在筆記本電腦與投影儀之間提供無線連接、配有高質(zhì)量聲音和3維圖象的交互式游戲等,2008_5_12,無線通信的未來,60,bluetooth connects devices to internet,both on the fixed and mobile infrastructure world wide,2008_5_12,無線通信的未來,61,automatic synchronizer,the internet bridge,ultimate headset,source: ,blueto

13、oth technology can be used to connect things without cable,your application,uwb 無線超寬帶技術(shù) ultra wide band,電信學院 信通系 雷斌,the next big thing,數(shù)hz到數(shù)ghz的超帶寬 微弱的脈沖信號 三大明顯優(yōu)點 高達數(shù)百mbps的數(shù)據(jù)速率 僅為現(xiàn)有無線技術(shù)1/100的耗電量 極低的成本,2008_5_12,無線通信的未來,63,uwb spectrum,fcc ruling permits uwb spectrum overlay,1.6,1.9,2.4,

14、bluetooth, 802.11b cordless phones microwave ovens,pcs,5,802.11a,-41 dbm/mhz,“part 15 limit”,uwb spectrum,frequency (ghz),emitted signal power,10.6,3.1,2008_5_12,無線通信的未來,64,the above graph is courtesy of time domain, inc.,2008_5_12,無線通信的未來,65,theoretical data rates over range,uwb shows significant t

15、hroughput potential at short range,2008_5_12,無線通信的未來,66,2008_5_12,無線通信的未來,67,uwb application,2008_5_12,無線通信的未來,68,agenda 議程,移動通信技術(shù)的現(xiàn)狀及趨勢 固定接入技術(shù)的現(xiàn)狀及趨勢 衛(wèi)星通信技術(shù)的現(xiàn)狀及趨勢 個人區(qū)域通信wpan技術(shù)的現(xiàn)狀和趨勢 特定用途無線通信技術(shù) 5.1 平流層通信 harps 無線通信中的新技術(shù),2008_5_12,無線通信的未來,69,2008_5_12,無線通信的未來,70,平流層通信 hap,2030km,每站覆蓋面積 s100萬 k,目前存在的問題

16、：能源電力問題、物理平臺的穩(wěn)定問題、corona離子推進器的可靠性,2008_5_12,無線通信的未來,71,2008_5_12,無線通信的未來,72,haps,haps high altitude platform station,haps是利用氣球、飛艇或飛機 提供無線通信、廣播業(yè)務的一種技術(shù)。,haps的覆蓋范圍直徑達1501,000 km， 決定于地面用戶可用的最小仰角。,haps的工作高度可在3至22 km間。 （多在平流層1722km工作）,2008_5_12,無線通信的未來,73,haps示意圖,2008_5_12,無線通信的未來,74,高空平臺站(haps) 平流層通信網(wǎng),與各

17、種衛(wèi)星系統(tǒng)相比，平流層空中平臺因距地面近，地面終端所需電力小，終端易小型化。 平流層是距地面850km的高空區(qū)域。這一區(qū)域的溫度基本上是常數(shù)，存在臭氧層。在這一區(qū)域的低帶，有時有一些軍用飛行物但遠高于商用飛機。haps通?？蛇x20-23 km的高度。 每站覆蓋面積 s100萬 k, 可同時容納幾十萬人窄帶、寬帶通信接入。 目前存在的問題：能源電力問題、物理平臺的穩(wěn)定問題、corona離子推進器的可靠性問題等,2008_5_12,無線通信的未來,75,haps系統(tǒng)的優(yōu)點,能覆蓋范圍大,成本低,容量大,延遲小,建設快、靈活,電波傳播主要在自由空間傳播,2008_5_12,無線通信的未來,76,ha

18、ps的技術(shù)關(guān)鍵,容量大、點波束,保持平臺穩(wěn)定 （最大風速55m/s）,能源：太陽能,2008_5_12,無線通信的未來,77,飛艇和飛機的比較,飛艇（無人） 飛機（無人） 飛機（有人） 尺寸 長150200m翼展3570m 長30m 總重量 30噸 1噸 2.5噸 能源太陽燃料電池 太陽燃料電池 燃料 飛行時間 5年 6個月 8小時 定位（半徑） 1 km 3 km 10 km 任務載荷 12噸 50300 kg 1噸 任務功率 10 kw 3 kw 20 kw 例 日本、韓國 helios, heliplat halo 中國、atg pathfinder plus lockheed mart

19、in skystation, esa,2008_5_12,無線通信的未來,78,三種無線通信系統(tǒng)的比較,2008_5_12,無線通信的未來,79,haps存在的問題,所有材料必須重量輕、耐輻射。,飛艇防止氦泄漏。,動力必須能在55m/s風速下保持飛艇穩(wěn)定,飛艇外殼必須有足夠面積采集太陽能， 且需儲存部分能力供夜間使用。,必須產(chǎn)生和儲存足夠的能量供通信設備用,2008_5_12,無線通信的未來,80,研發(fā)中的haps之一,sky station 美國sky station international公司 250個覆蓋全球 覆蓋太陽能電池提供動力 系統(tǒng)造價：25億美元 數(shù)據(jù)率： 固定業(yè)務：上行2

20、mb/s，下行10 mb/s 移動業(yè)務：語音9.616 kb/s, 數(shù)據(jù)384 kb/s,2008_5_12,無線通信的未來,81,研發(fā)中的haps之二,stratsat 英國advanced technology group公司 軍民兩用 位于平流層，不影響航空 通話費比衛(wèi)星通信降低1數(shù)量級 太陽能電池： 外殼上部1/4，朝向太陽 可保持在1km3范圍內(nèi),2008_5_12,無線通信的未來,82,研發(fā)中的haps之三,stratospheric platform system 日本：郵電部、科技廳和yokosuka 無線電研究中心 飛艇長200米，半剛性，充氦氣 太陽能電池和可再生燃料電池

21、計劃用15個飛艇組網(wǎng) 為日本提供寬帶廣播業(yè)務,2008_5_12,無線通信的未來,83,研發(fā)中的haps之四,arc system 美國platforms wireless international公司 設計在低高度：3 10.5 km 覆蓋范圍：55 225 km直徑 150萬用戶,2008_5_12,無線通信的未來,84,研發(fā)中的haps之五,halo-proteus 美國angel technology 公司 有人駕駛飛機 高空長期工作飛機: 8 hr輪班 (high altitude long operation) 寬帶無線大城市網(wǎng)，供t1接入、isdn、高質(zhì)量視頻會議、大文件傳輸、

22、以太網(wǎng)網(wǎng)橋。 數(shù)據(jù)率：1 5 mb/s 成熟的技術(shù),2008_5_12,無線通信的未來,85,研發(fā)中的haps之六,skytower nasa支持aero vironment公司研制了一種太陽能無人飛機，稱為helios。 helios能在18km高空（平流層）連續(xù)飛行6個月以上 在helios上設一通信平臺，稱為skytower。 平臺和地面用戶與網(wǎng)關(guān)相聯(lián)。 平臺總吞吐率: 10 20gb/s。 用戶傳輸速率： 1.5 mb/s。 2000，10成立skytower公司， 尋求商業(yè)應用。,2008_5_12,無線通信的未來,86,研發(fā)中的haps之六,2008_5_12,無線通信的未來,87

23、,研發(fā)中的haps之七,pathfinder plus aero vironment制造，無人太陽能飛機 與skytower, nasa和yokosuka研究中心合作，于2002年6月成功地試驗了世界上第一個數(shù)字高清晰度電視（hdtv）廣播。 符合imt-2000移動視頻電話要求,2008_5_12,無線通信的未來,88,研發(fā)中的haps之八,avcs avcs aerial vehicle communications system 美國general atomics公司（san diego）制造。,2008_5_12,無線通信的未來,89,研發(fā)中的haps之九,heliplat 歐盟hel

24、inet計劃 平流層太陽能無人飛機平臺 飛機翼展70 m，在17 20 km高低速盤旋 由意大利航天局（politecnico di torino）牽頭 寬帶通信負荷的任務主要由英國york大學承擔 有效載荷：100 kg 可用功率：數(shù)百瓦 用途：蜂窩/個人通信、定位、監(jiān)視 處于開發(fā)前期,2008_5_12,無線通信的未來,90,研發(fā)中的haps之九,heliplat,2008_5_12,無線通信的未來,91,研發(fā)中的haps之十,清華大學電子工程系平流層課題組： 1997年開始跟蹤研究 2002年月成功進行了平流層通信的概念性演示，實現(xiàn)了地面 實時觀測、圖像實時 下載、移動多媒體電 視會議及

25、移動因特網(wǎng) 接入等。,2008_5_12,無線通信的未來,92,agenda 議程,移動通信技術(shù)的現(xiàn)狀及趨勢 固定接入技術(shù)的現(xiàn)狀及趨勢 衛(wèi)星通信技術(shù)的現(xiàn)狀及趨勢 個人區(qū)域通信wpan技術(shù)的現(xiàn)狀和趨勢 特定用途無線通信技術(shù)的現(xiàn)狀和趨勢 無線通信中的新技術(shù) 6.1 軟件無線電技術(shù)：sdr 6.2 智能天線與mimo 6.3 協(xié)作通信系統(tǒng),6.1 軟件無線電技術(shù)：sdr,電信學院 信通系 雷斌,soft + radio,新技術(shù)專題報告,2008_5_12,無線通信的未來,94,the race for the roof top,wireless loop (pcs, wcs),analog cord

26、less digital cordless family radio service cellular pcs enhanced smr mobile satellite service,direct broadcast satellite (12 ghz),wireless cable mmds/mds (2.5 ghz),broadcast tv (hdtv/sdtv),cellularized cable (28 ghz),c-band broadcast satellite (4-6 ghz),broadcast am and fm radio (digital am/fm),wire

27、less tv sales/polling (ivds),one-way and two-way messaging (paging, n-pcs, 220 smr),wireless data (cdpd, n-pcs, unlicensed pcs, pcs, ism, gps, smr),wireless monitoring and control of utilities and security devices (ism, n-pcs),hey buddy, can you spare a mhz?,wireless fiber (38 ghz),wcs (2.3 ghz),200

28、8_5_12,無線通信的未來,95,radio in a car,2008_5_12,無線通信的未來,96,電子產(chǎn)品設計方法的選擇 design alternatives,microprocessors 如果夠快，絕對理想 ideal, if fast enough gates, msi, pals 過時、低效、不靈活outdated, inefficient inflexible dedicated standard chip sets 專用標準芯片 便宜 cheap asics 功能固定且大量生產(chǎn) only for rock-stable, high-volume designs prog

29、rammable logic 適應性強，性能較高 for flexibility and performance,2008_5_12,無線通信的未來,97,無線設備中的軟件？,數(shù)字、網(wǎng)絡化應用：逼生設備軟件成分提高 無線網(wǎng)絡設備的協(xié)議分層 軟件處理的深入：無線信號的處理 smart radios software defined radios,2008_5_12,無線通信的未來,98,the ideal information companion,one phone for many standards,one pda for many standards,one wlan for many

30、standards,one information appliance,soft + radio 軟件無線電技術(shù)無線通信技術(shù)的第三次變革,2008_5_12,無線通信的未來,99,the umts vision,seamless end-to-end service,internetwork roaming,satellite,global,suburban,urban,in- building,pico-cell,micro-cell,macro-cell,home-cell,source:itu,2008_5_12,無線通信的未來,100,soft + radio 軟件無線電技術(shù)：無線通信

31、技術(shù)的第三次變革,2008_5_12,無線通信的未來,101,applications rollout,java,3g,1q1999,4q1999,4q2000,4q2001,wap launch,mobile office schedule management work flow management electronic conference file sharing,multi-player games,music,m-banking,information services,radio,sms,picture clips,route planning,chat room,email,

32、gprs,video clips,m-stock trading,m-cash,video,web cam,tv conference,interactive tv,visual, high speed,intranet,web access,portal link,2008_5_12,無線通信的未來,102,彩信關(guān)鍵技術(shù)：jpeg image compression system,dct/idct,color-space converter,raster to block converter,compressed image,image samples,quantization,huffma

33、n encoder,also used in decompression system,(*also new logicores*),2008_5_12,無線通信的未來,103,軟件無線電sdrsoftware defined radio,variablefrequencyoscillator,localoscillator(fixed),antenna,bandpassfilter,rf,if,baseband,adc/dacdsp,2008_5_12,無線通信的未來,104,block diagramsoftware defined radio,localoscillator(fixed)

34、,antenna,rf,if,baseband,dsp,adc/dac,2008_5_12,無線通信的未來,105,block diagramsoftware radio,antenna,rf,if,baseband,dsp,adc/dac,2008_5_12,無線通信的未來,106,the universal radio通用無線電的構(gòu)成方法,數(shù)字無線電 pdr 可編程數(shù)字電臺 軟件（重新）定義：軟件定義無線電sdr 軟件處理的無線電：軟件無線電swr,multi-mode information receiver,2008_5_12,無線通信的未來,107,what is software

35、defined radio?,technology to createmulti-mode radiomulti-band radiofor mobile multimedia platforms radios that areflexibleeasily configurable by software radios based onvirtual components (ie. system-on-a-chip),2008_5_12,無線通信的未來,108,feature of sdr receivers,adaptive modulation 自適應的調(diào)制解調(diào) fsk, gmsk, qp

36、sk, qpsk, 16qam, etc adaptive data rate 自適應數(shù)據(jù)速率 32kbps, 42kbps, 64kbps, 270kbps, 384kbps, 2mbps, etc adaptive access scheme 自適應接入方式 tdma, fdma, cdma, sdma, tdd, fdd, etc what is a benefit and killer application ? world wide terminal 世界通用的終端設備 usa, eu, aus, japan, taiwan, china, india, etc,2008_5_12,

37、無線通信的未來,109,軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)technical issues in sdr,電調(diào)諧antennarf adaptation to environment doa, spatial processing broad band, multi band characteristics ad和da sampling 數(shù)字下變頻 高速數(shù)字信號處理signal processing,2008_5_12,無線通信的未來,110,programmable device,dsp (digital signal processor) risc type architecture assp (app

38、lication specific standard products) fft processor asic (application specific ic) user design fpga (field programmable gate array) reconfigurable pld (programmable logic device) different internal structure mp (micro processor) general purpose processor,2008_5_12,無線通信的未來,111,software antenna,2008_5_

39、12,無線通信的未來,112,dsp trend,2008_5_12,無線通信的未來,113,常用的高速a/d變換器水平,2008_5_12,無線通信的未來,114,感知無線電cognitive radio,2008_5_12,無線通信的未來,115,cognitive radio overview,j. mitola: “software radio: technology and prognosis” proc., ieee national telesystems conference 1992 “software radio architecture” ieee communicati

40、ons magazine, may 1995 cognitive radio, licentiate thesis, kth (royal institute of technology), stockholm,2008_5_12,無線通信的未來,116,sdr與可重構(gòu)系統(tǒng),gap,dsp design flow,fpga design flow,2008_5_12,無線通信的未來,117,the next step:hw/sw co-design,system architect,fpga designer,2008_5_12,無線通信的未來,118,2008_5_12,無線通信的未來,11

41、9,sdr與智能天線 smart antennas,switch beam array,tracking beam array,three sector array,2008_5_12,無線通信的未來,120,智能天線 smart antenna,macro-diversity,switched-beam ant.,adaptive bf,sectorization,spatial processing approaches 用基帶數(shù)字信號處理為每一信道提供一條賦形的天線發(fā)射波束。 實現(xiàn)空分多址以增加系統(tǒng)的容量和頻譜效率。 降低發(fā)射功率，波束賦形時可以克服多徑傳播問題。,2008_5_12,無

42、線通信的未來,121,smart antenna array,coherent-combining array receiver for a cdma system,antenna 0,walsh chip matched filter,crc det,comp.,x,s,0,3,2,.,m,z,metrics,spatial combining,despreading,long code,antenna 1,antenna 2,antenna m,2008_5_12,無線通信的未來,122,軟件無線電的應用,個人通信 軍事通信 電子戰(zhàn) 雷達,2008_5_12,無線通信的未來,123,com

43、mercial sdr examplecommunications research laboratory, japan,software defined functions phs, gps, etc (electronic toll) simultaneous phs+etc, gps+etc built 1999,designed for in-vehicle operation gps, phs, etc + am/fm radio built 2001,source: “r&d on regulatory issue of sdr”, h. harada, sdr forum sep

44、 2003,2008_5_12,無線通信的未來,124,軍用電臺：干擾和抗干擾,固定頻點通信 柵格干擾 跳頻通信,2008_5_12,無線通信的未來,125,6.3 mimo,2008_5_12,無線通信的未來,126,協(xié)作通信技術(shù),2008_5_12,無線通信的未來,127,2008_5_12,無線通信的未來,128,heterogeneous networks不同種類的網(wǎng)絡,seamless mobility across diverse overlay networks “vertical” hand-offs software “agents” for heterogeneity ma

45、nagement ip as the common denominator,2008_5_12,無線通信的未來,129,wlan,2008_5_12,無線通信的未來,130,無線自組織網(wǎng) ad hoc networks,2008_5_12,無線通信的未來,131,mobile ad hoc network (manet),a cluster of mobile hosts each install with wireless transceiver distributed environment (no base station) wireless multi-hop communication battery power mobility,2008_5_12,無線通信的未來,132,multi hop,distributed and large-scale like the current internet. but, physical instead of virtual resource constrained real-time control loops instead of interactive human loops,gateway,2008_5_12,無線通信的未來,133,6.5 量子通信論簡介,用電作為信息載體開始于1837年莫爾斯電碼。 還有什么可以作