无线通信概述

无线通信技术主讲人：刘花香felicia@TelQ：724796375教材&参考书籍教材—潘焱，无线通信系统与技术参考书籍：美国出版的经典教材—Wirelesscommunicationsprinciplesandpractice,作者：TheodoreS.Rappaport《无线通信原理与应用》（第二版），高文安等译，电子工业出版社2几点要求与说明出勤：不得迟到,旷课(有事请事先请假,要请假条)，缺勤三次取消考试资格听课：手机关机或调成静音考查成绩：平时成绩（30%）+考试成绩（70%）闭卷考试3教学目标&教学重点目标：将以现代无线通信系统为背景，主要讲述无线通信的基本概念和关键技术以及典型无线通信系统，让同学对无线通信技术有较全面的了解，对典型无线通信系统有所了解。重点：无线通信的基本概念，无线通信中的相关关键技术和典型无线通信系统相关知识。4第一章无线通信概述1.1

无线通信发展历史1.2无线通信应用

1.3

无线频谱划分1.4无线信道与电波传播特性1.5无线通信发展趋势1.6

本章小结5可以想像，有线电报就像一只很大的猫，它的尾巴在纽约，而它的脑袋在洛杉矶并喵喵地叫。大家明白这个道理吗？无线通信的操作方式与此完全相同：这边发射信号，那边接收它，唯一不同的是两者之间没有猫。

---爱因斯坦（1879-1955）6无线通信定义定义无线通信是利用无线电波传播信息的通信方式。无线电波是指在自由空间（包括空气和真空)传播的电磁波。引申：通过“无形”的媒体进行信息交换的通信称为无线通信。例如：无线电波、红外线、紫外线、激光等。无线通信优点与有线通信相比，不需要架设传输线路，不受通信距离限制，机动性能好，建立迅速。

灵活性抗灾性移动性71.1历史（1/11）1837年莫尔斯（1791-1872）发明了电报，1844年5月24日，他用激动得发抖的手，从华盛顿向40英里外的巴尔的摩城拍发了世界上第一份长途有线电报，电文是《圣经》上的一句话：“上帝创造了何等奇迹！”。人类社会电通信的时代，便从此开始了。81.1历史（2/11）1876年美国人贝尔发明了电话，过了40年美国建成第一条横贯国土东西的长途电话线。这条线路的修建，足足耗费了2960吨铜和13万根电线杆。贝尔（1847－1922）

1868年在伦敦工作

1871年去波士顿工作

1873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。91.1历史（3/11）1864年麦克斯韦(Maxwell)建立了光的电磁波理论并预言了电磁波的存在。1887年赫兹(Hertz)首次通过实验证明了无线电波的存在。

这为现代的无线电通信提供了理论根据。无线电波可以在大气媒质中传播这一理论的创立大大推动了通信技术的发展。101.1历历史史（（4/11））1897年马马可可尼尼（（Marconi））第一一次次在在无无线线传传输输中中用用莫莫尔尔斯斯码码从从船船上上与与岸岸边边通通信信（（30km)，标标志志无线线电电通通信信的的开开始始。马可可尼尼（（1874－1937）意意大大利利人人1894年在在父父亲亲的的庄庄园园试试验验1896年去去伦伦敦敦1897年建建立立无无线线电电报报公公司司1899年首首次次实实现现英英法法无无线线通通信信1916年实实现现短短波波无无线线电电通通信信1929年建建立立世世界界性性无无线线通通信信网网曾获获诺诺贝贝尔尔物物理理奖奖111.1历历史史（（5/11））1906年年之之后后的的一一段段时时间间里里，，军军用用和和商商用用船船舶舶很很快快采采用用了了无无线线电电技技术术，，1912年年在在泰泰坦坦尼尼克克号号邮邮轮轮沉沉船船事事件件中中拯拯救救了了700多多个个生生命命而而备备受受称称赞赞。。121.1历历史史（（6/11））1928年，，美美国国底底特特律律警警察察局局率率先先使使用用装装备备贝贝茨茨发发明明的的能能适适应应移移动动车车辆辆震震动动影影响响的的无无线线电电收收发发信信机机—超外外差差AM接收收机机的的警警用用车车辆辆无无线线电电移移动动系系统统（（单单向向）），，标志志移移动动通通信信开开始始。1946年第第一一个个公公共共移移动动电电话话系系统统在在美美国国的的5个城城市市建建立立。。1947年第第一一个个连连接接纽纽约约和和波波斯斯顿顿的的微微波波中中继继系系统统开开始始运运行行。。131.1历历史史（（7/11））1958年美美国国宇宇航航局局(NASA)发射射第第一一颗颗通通信信卫卫星星，，第第一一次次通通过过卫卫星星实实现现语语音音通通信信，，无无线线通通信信进进入入了了新新时时代代。。1950-1960年年代代期期间间，，贝贝尔尔实实验验室室和和全全世世界界其其他他的的通通信信公公司司一一起起发发展展了了蜂蜂窝窝无无线线电电话话的的原原理理和和技技术术。。141.1历历史史（（8/11））进入入20世世纪纪70年年代代，，一一些些经经济济发发达达国国家家对对民民用用移移动动电电话话的的需需求求日日益益增增加加，，而而且且伴伴随随着着微微电电子子技技术术以以及及计计算算机机技技术术的的迅迅速速发发展展，，发发展展一一种种较较大大范范围围使使用用的的移移动动电电话话系系统统已已经经具具备备了了理理论论上上、、技技术术上上和和经经济济上上的的可可行行性性。。而而且且新新理理论论与与新新体体制制的的不不断断发发展展和和完完善善，，为为模模拟拟蜂蜂窝窝移移动动通通信信系系统统的的诞诞生生奠奠定定了了坚坚实实的的经经济济和和技技术术基基础础。。151.1历历史（（9/11）模拟蜂窝窝系统：：1979年，第一一个具有有大的覆覆盖范围围和自动动交换功功能的系系统由爱爱立信公公司推出出，并建建立北欧欧移动电电话系统统（NMT）。不久久，高级级移动电电话服务务（AMPS）于1983年在北美美建立。。国内外使使用的模模拟蜂窝窝移动通通信系统统主要有有：北美的AMPS日本的HCMTS英国与中中国采用用的TACS前西德的的C450法国的RadioComm2000这些系统统分别采采用400MHz,450MHz,800MHz和900MHz频段。161.1历历史（（10/11））数字蜂窝窝系统：：1988年，第一一个数字字蜂窝系系统在欧欧洲建立立，称为为全球移移动通信信系统（（GSM）。最初初打算提提供一个个泛欧标标准来取取代当时时大量运运行的不不兼容模模拟系统统，GSM之后很快快就出现现了北美美IS-54数字标准准。第二代蜂蜂窝系统统最初主主要提供供语音业业务，后后来逐步步演变到到可以提提供电子子邮件、、互联网网接入、、短消息息等数据据业务。。截至2013年3月底，中中国共有有11.46亿移动通通信服务务用户。。171.1历历史（（11/11））无线通信信发展史史上的10个里程碑碑电话的发发明电报的发发明电磁波的的发现无线电报报的发明明无线电通通信发明明寻呼机诞诞生蜂窝式移移动电话话GSM手机铱星系统统新一代手手机10年后,谁还能笑笑傲江湖湖？181.2无无线通通信应用用无线通信信主要应应用于哪哪些领域域？191.2无无线通通信应用用无线电广广播电视移动通信信—蜂窝电话话卫星星电话数据传输输—wifibluetoothzigbeeWiMAX紧急服务务—无线电紧紧急定位位信标辨识—RFID（RadioFrequencyIdentification）卡其它—业余无线线电雷雷达导导航…201.3无无线频频谱划分分λ＝c/f，c=300000000m/s21无线通信信常用频频段当前用于于无线通通信的频频率范围围从3kHz扩展到约约100GHz，绝大多多数无线线通信系系统工作作在30MHz～40GHz的频率范范围内。。这是无线线通信较较为理想想的频段段，它不不受地球球表面曲曲率影响响，天线线尺寸适适度，还还可以穿穿透电离离层。［天线尺尺寸与射射频频率率的关系系］良好接收收所需的的天线尺尺寸与发发射频率率成反比比。［覆盖范范围与射射频频率率的关系系］发射频率率越高，，传播损损耗越大大（全向向辐射时时）——接收信号号功率与与频率的的平方成成反比。。所以频频率越高高，实现现大范围围覆盖的的难度越越高。221.4无无线信信道与电电波传播播特性无线电波波以“横横向电磁磁波”的的形式在在空间中中传播。。--电场、磁磁场和无无线电波波的传播播方向都都相互垂垂直的。。23无线电波波的极化化无线电波波在空间间传播时时，其电电场方向向是按一一定的规规律而变变化的，，这种现现象称为为无线电电波的极极化。无无线电波波的电场场方向称称为电波波的极化化方向。。如果电电波的电电场方向向垂直于于地面，，我们就就称它为为垂直极极化波。。如果电电波的电电场方向向与地面面平行，，则称它它为水平平极化波波。24无线电波波和光波波一样，，它的传传播速度度和传播播媒质有有关。无无线电波波在真空空中的传传播速度度等于光光速。在在媒质中中的传播播速度为为：Ｖp＝Ｃ/√εr，式中εr为传播媒媒质的相相对介电电常数。。空气的的相对介介电常数数与真空空的相对对介电常常数很接接近，略略大于１１。因此，无无线电波波在空气中的传传播速度度略小于于光速，通常常我们就就认为它它等于光速。。25四种传播播机制直射：自由空空间传播播反射：当电磁磁波遇到到比波长长大得多多的物体体时，发发生反射射。反射射发生在在地球表表面、建建筑物和和墙壁表表面。绕射射：当当发发射射机机和和接接收收机机之之间间的的传传播播路路由由被被尖尖锐锐的的边边缘缘阻阻挡挡时时，，发发生生绕绕射射。。散射射：当当电电磁磁波波的的传传播播路路由由上上存存在在小小于于波波长长的的物物体体、、并并且且单单位位体体积积内内这这种种障障碍碍物物体体的的数数目目非非常常巨巨大大时时，，发发生生散散射射。。散散射射发发生生在在粗粗糙糙表表面面、、小小物物体体或或其其它它不不规规则则物物体体，，如如：：树树叶叶、、街街道道标标志志和和灯灯柱柱等等。。26无线线信信道道的的物物理理过过程程天线天线无线发无线收直射反射散射绕射地面散射体移动障碍物干扰热噪声27自由由空空间间传传播播什么么是是自自由由空空间间？是是一一个个理理想想的的空空间间，，在在自自由由空空间间中中，，电电波波沿沿直直线线传传播播，，不不发发生生反反射射、、折折射射、、绕绕射射、、散散射射和和吸吸收收等等现现象象.如图图所所示示，，辐辐射射功功率率为为Pt，发发射射天天线线增增益益为为Gt,则以以发发射射源源为为中中心心，，r为半半径径的的球球面面上上单单位位面面积积的的功功率率为为：：球面面上上的的功功率率流流Ptr28自由由空空间间的的传传播播损损耗耗：无无线线电电波波在在自自由由空空间间传传播播时时，，其其单单位位面面积积中中的的能能量量会会因因为为扩扩散散而而减减少少。。它它仅仅与与传传输输距距离离r和电电波波频频率率f有关关，，可可用用下下式式来来表表示示：：291.4.2地地面面传传播播无线线电电波波传传播播方方式式1、在在低低频频或或中中频频段段（（<=3MHz）时时无线线电电波波能能够够沿沿着着地地球球表表面面弯弯曲曲地地进进行行传传播播，，这这种种现现象象称称为为““地波波传传播播”2、在在高高频频范范围围（（约约3-30MHz）内内无线线电电波波将将被被大大气气中中的的电电离离层层反反射射到到地地球球，，这这种种现现象象称称为为““天波波传传播播”3、当当频频率率>30MHz时电波波传传播播的的主主要要形形式式是是视距距传传播播30无线线电电视视距距：指收收发发天天线线间间的的电波波传传播播路路径径完完全没没有有任任何何阻阻挡挡，，电波射线可以以直达的距离。TxRx直射波R31视距通信的最最大传播距离离跟发射天线线以及接收天天线的高度有有关系，并受受到地球曲率率半径的影响响。图1-3显示出了天线线高度的增加加对于最大传传播距离的影影响。在位于一定高高度处的发射射机与接收机机之间的最大大距离近似值值计算公式：：（1-8）BAO'接收天线高hr发射天线高ht32图1-3视距传播示意意图331.5无线线通信的发展展趋势1．全球第三代代移动通信（（3G）商用进程加快2．宽带化、移移动化趋势3．多种无线技技术在演进中中走向融合4．移动、宽带带业务融合时时机成熟343G商用进程程加快3G是3rdGeneration的缩写，指第第三代移动通通信技术。四种标准有：：WCDMA，CDMA2000，TD-SCDMA，WiMAX。WCDMA：采用国家为为欧洲和日本本，继承基础础为GSM；CDMA2000：采用国家为为美国和日本本，继承基础础为窄带CDMA；TD-SCDMA：采用国家为为中国，继承承基础为GSM；WiMAX：应用前景不不乐观？35TD-SCDMA：该标准是由由中国大陆独独自制定的3G标准，1999年6月29日，中国原邮邮电部电信科科学技术研究究院（大唐电电信）向ITU提出。WCDMA由中国联通公公司于2009年10月1日正式商用Cdma2000由中国电信于于2009年起开始运营营TD-SCDMA由中国移动于于2009年6月建成并投入入商业化运营营36宽带化、移动动化趋势37多种无线技术术在演进中走走向融合无线通信领域域各