无线通信工程

无线通信工程姚彦教授清华大学微波与数字通信国家重点实验室2001年11月3日课程简介课程名称：无线通信工程讲课教师：姚彦课内总学时：32课程目的以面向21世纪的无线通信为背景，介绍无线通信的系统组成、信道特性、调制与编码、接入技术、网络技术、抗衰落与抗干扰技术以及无线通信的新技术和新应用，为从事这一领域研究的学生提供最基本的入门知识。课程概况 第一讲绪论 第二讲组成及规范 第三讲信道 第四讲基带传输 第五讲载波传输 第六讲信源编码 第七讲信道编码 第八讲多址1

课程大纲 第九讲多址2 第十讲抗衰落 第十一讲抗干扰 第十二讲无线网络及系统 第十三讲新技术及新应用1 第十四讲新技术及新应用2 第十五讲总复习 第十六讲考试

说明姚彦yaoy@可以通过Email答疑考试要求：以掌握基本概念为主第一讲绪论历史环境应用发展历史（1）通信发展历史的回顾通信（Communication)作为电信（Telecommunication)是从19世纪30年度开始的。物理发现 通信技术发展 1831年法拉第电磁感应1837年莫尔斯发明电报 1873年马克斯韦尔的电1876年贝尔发明电话 磁场理论1895年马可尼发明无线电开辟了电信（Telecommunication)的新纪元

历史（2）电话的发明者－贝尔贝尔（18xx－1922）英国人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。妻子是一位聋人。历史（3）无线电的发明者－马可尼马可尼（1874－1937）意大利人1894年在父亲的庄园试验1896年去伦敦1897年建立无线电报公司1899年首次实现英法无线通信1916年实现短波无线电通信1929年建立世界性无线通信网曾获诺贝尔奖金曾参加法西斯党历史（4）通信发展历史的回顾 物理发现 通信技术发展 1906年发明电子管 模拟通信得到发展开辟了模拟通信的新纪元

－1928年奈奎斯特准则和取样定理－1948年山农定理 在理论上为数字通信准备了条件

历史（5）通信发展历史的回顾 物理发现 通信技术发展

20世纪50年代 数字通信得到发展 发明半导体 20世纪60年代 发明集成电路

开辟了数字通信的新纪元

历史（6））通信发展展历史的回回顾物理发现通通信技技术发展20世纪50年代20世世纪40年年代提出静静止卫航航天技术术 星概概念，但无无法实现1963年年第一次实实现同步卫卫星星通信信开辟了空间间通信的新新纪元历史（7））通信发展展历史的回回顾物理发现通通信技技术发展20世纪60年代企企图用用于通信，，未成功发发明明激光20世纪70年代光光纤通通信得到发发展发明光导纤纤维开辟了光纤纤通信的新新纪元历史（8））通信发展展历史的启启示通信传输始始终是最活活跃的技术术领域，物物理上的新新进展都可可能在通信信上找到新新用途，从从而形成新新的通信产产业。通信传输的的新要求又又将推动物物理和器件件的进展，，促使人们们去研究发发展新的物物理机理来来满足信息息传输的需需要。一个优秀的的通信工程程师和研究究人员，必必须对物理理学和器件件技术的新新进展十分分感兴趣，，并善于抓抓住新方向向、新突破破口迎接通通信技术的的革命。环境（1））：无线通通信的频谱谱环境长波30－300KHz10-1km中波0.3-1.5MHz1000-200m短波1.5-30MHz100-10m超短波:米米波30-300MHz10-1m微波：分分米波0.3－－3GHz100-10cm厘米波3-30GHz10-1cm毫米波30-300GHz10-1mm亚毫米波300-3000GHz 1-0.1mm光波：红红外光3103-3105GHz100-1m可见光3105-3106GHz0.8-0.4m环境（2））：无线通通信的传播播环境无线传播环环境的复杂杂性：天波波（电离层层、对流层层）、地波波（直射、、反射、绕绕射）无线传播的的分类－带宽受限限信道和功功率受限信信道－色散信道道和非色散散信道－恒参信道道和变参信信道－点对点信信道和多址址信道环境（3））：无线通通信的传播播环境带宽受限信信道和功率率受限信道道加性高斯白白噪声信道道上的山农农定理C＝Wlog2(1+S/N)b/s令：S/N=Eb/N0C/W山农定理理就可以以写成：：Eb/N0=(2C/W-1)/(C/W)带宽受限限信道Eb/N0C/WW无限功率可以以换取带带宽功率受限限信道WC/WEb/N0有限当W，Eb/N0-1.6dB，即为山农农极限，，带宽不不能无限限制地换换取功率率山农信道道容量曲曲线Eb/N0dBC/Wb/sHz-1.6dB环境（4）：无无线通信信的传播播环境色散与非非色散信信道、恒恒参与变变参信道道信道响应应为C(;t)，其中代代表响应应时间，，t代代表信号号时刻。。输入信号号为时域域冲击函函数，检检验是色色散信道道还是非非色散信信道。其中Tm为多径扩扩散，其其倒数fc为相干带带宽。输入信号号为频域域冲击函函数，检检验是恒恒参信道道还是变变参信道道。其中Bd为多普勒勒展宽，，其倒数数tc为相干时时间。信号带宽宽Bfc，色散信道道信号带宽宽Bfc，非色散信信道码元周期期Ttc，变参信道道码元周期期Ttc，恒参信道道C(;t)u(t)v(t)tt(t)v(t)Tmff(f)S(f)Bd环境（5）：无无线通信信的传播播环境点对点信信道和多多址信道道点对点信信道：和和有线信信道类似似，体现现不出无无线的特特点。多址信道道：无线线传输的的突出优优点之一一是能实实现多址址接入。。设：有N个用户户地址，，第k个个地址发发送的信信号为：：NSk(t)=akjSkj(t)，，akj=1,0j=1jk第k个地地址接收收的信号号为：NNR(t)=LikaijSij(t)+nk(t)I=1j=1无线用户户1无线用户户2无线用户户k空间环境境无线用户户1点对点信信道多址信道道空间环境Sk(t)Rk(t)应用（1）：无无线通信信的应用用概况短波/超超短波通通信天波（电电离层））：数据据/电话话、单边边带地波：小小型接力力机、单单双工电电台、对对讲机微波通信信微波接力力（模拟拟、数字字）、散散射、点点对多点点微波电视、电电话、数数据卫星通信信高轨道（（同步静静止）、、中轨道道、低轨轨道电视、电电话、数数据移动通信信蜂窝电话话、无绳绳电话、、无线数数据、集集群系统统、寻呼呼系统卫星移动动系统短波电离离层通信信特点：超超远距离离、灵活活机动；；容量小小、质量量差用途：－海外使使馆－远洋船船队－边防哨哨所－应急通通信短波/超超短波地地面通信信特点：绕绕射能力力、灵活活机动、、隐蔽性性好；容容量较小小、质量量较差用途：－陆军电电台－对空电电台－特种通通信(武武警、公公安)－无绳电电话应用（2）：无无线通信信的应用用说明短波、超超短波通通信应用（3）：无无线通信信的应用用说明微波通信信微波接力力特点：容容量大、、质量好好、视距距传播条条件用途：－中小容容量微波波－SDH大容量微微波－扩频微微波－高频段段微波点对多点点微波用途：－－无线集集中器－无线用用户环散射微波波通信衰落时变变信道，，距离远远，频带带较窄，，质量较较差用途－－军用用－民用应用（4）：无无线通信信的应用用说明卫星通信信高轨道卫卫星通信信特点：同同步轨道道、静止止卫星、、容量大大、质量量好、功功率受限限信道用途：－国际长长途－海事卫卫星－电视广广播－军事通通信中低轨道道卫星通通信特点：距距离近、、地面设设备简单单灵活，，非静止止轨道，，要求跟跟踪用途：－非实时时信息传传送－遥感－侦测－卫星移移动通信信应用（5）：无无线通信信的应用用说明移动通信信蜂窝系统统无线通信信最成功功的应用用第一代：：模拟第二代：：数字第三代：：多媒体体寻呼系统统无线通信信最大众众化的应应用其它无线线移动系系统集群系统统无绳电话话系统无线数据据系统无线ATM系统无线IP系统发展（1）：21世纪纪电信网网的发展展趋势20世纪纪21世世纪业务方式式以音频为为主的单单媒体以以视频频为主的的多媒体体干线传输输微波光光纤纤用户传输输有线无无线线复接方式式PDHSDH交换模式式STMATM网络方式式三网鼎立立三三网合一一发展（2）：21世纪纪电信网网的发展展趋势面向21世纪通通信的三三大革命命以干线（（包括部部分支线线）传输输光纤化化为标志志的光纤纤革命以SDH、ATM和IP为为标志的的数字革革命以个人通通信和无无线接入入为标志志的无线线革命发展展（（3））：：21世世纪纪电电信信网网的的发发展展趋趋势势面向向21世世纪纪通通信信的的两两大大通通信信平平台台光纤纤通通信信平平台台：：无无线线通通信信平平台台：：超大大容容量量、、超超长长距距离离宽宽带带、、移移动动关键键技技术术：：波波分分复复用用、、关关键键技技术术：：CDMA、、智光纤纤放放大大器器能能天天线线、、软软件件无无线线电电IPover?发展展（（4））：：21世世纪纪电电信信网网的的发发展展趋趋势势无线线通通信信面面临临的的挑挑战战及及发发展展机机遇遇光纤纤通通信信对对无无线线通通信信的的巨巨大大冲冲击击－－－巨巨大大带带宽宽－－－超超低低损损耗耗－－－较较低低成成本本未来来信信息息高高速速公公路路的的主主干干道道，，还还有有Fibertohome的的趋趋势势无线线通通信信的的发发展展机机遇遇－－－灵灵活活性性－－－抗抗灾灾性性－－－移移动动性性发展展（（5））：：21世世纪纪电电信信网网的的发发展展趋趋势势什么么叫叫无无线线革革命命20世世纪纪通通信信网网的的基基本本框框架架中继继线线无无线线为为主主（（微微波波、、卫卫星星））天天上上包括括部部分分有有线线（（电电缆缆））用户户线线有有线线为为主主（（市市话话电电缆缆））地地下下包括括部部分分无无线线（（无无线线电电话话））21世世纪纪通通信信网网的的基基本本框框架架中继继线线有有线线为为主主（（光光缆缆））地地下下包括括部部分分无无线线（（微微波波、、卫卫星星））用户户线线无无线线为为主主天天上上包括括部部分分有有线线发展展（（6））：：21世世纪纪电电信信网网的的发发展展趋趋势势无线线通通信信热热点点之之一一：：个个人人通通信信1986年年CCIR制制订订FPLMTS，，以以个个人人全全球球通通信信为为目目标标，，首首次次提提出出个个人人通通信信概概念念1986年年CCITT讨讨论论UPT（（全全球球通通用用个个人人通通信信））1989年年英英国国政政府府发发放放许许可可证证建建立立双双向向个个人人通通信信网网，，首首次次出出现现PCN名名词词90年年代代以以来来，，美美国国提提出出个个人人通通信信业业务务（（PCS）），，或或个个人人通通信信系系统统（（PCS））但是是，，到到底底什什么么是是个个人人通通信信？？CCITT－个个人人的的移移动动性性和和终终端端移移动动性性分分开开－着着重重于于个个人人的的移移动动性性，，用用户户号号码码可可以以在在任任何何终终端端上上使使用用－无无线线接接入入不不是是必必要要的的条条件件CCIR、、欧欧洲洲PCN、、美美国国PCS－个个人人的的移移动动性性靠靠终终端端的的移移动动性性实实现现－移移动动通通信信网网作作为为个个人人通通信信网网的的底底层层网网络络结结构构－无无线线接接入入是是必必要要的的条条件件以无无线线接接入入为为基基础础的的个个人人通通信信叫叫做做无无线线个个人人通通信信WirelessPersonalCommunications发展展（（7））：：21世世纪纪电电信信网网的的发发展展趋趋势势无线线通通信信热热点点之之二二：：无无线线接接入入技术术关关键键－多多址址－－有有效效性性与与可可靠靠性性－－组组网网－蜂蜂窝窝－－信信令令与与空空间间接接口口高层层无无线线接接入入特点点：：－－蜂蜂窝窝范范围围大大－－复复杂杂的的信信道道处处理理（（纠纠错错、、均均衡衡、、分分集集））－快快速速移移动动－－无无线线交交换换－功功率率大大－－成成本本高高－－低低速速语语音音编编码码低层层无无线线接接入入特点点：：－－蜂蜂窝窝范范围围小小－－简简单单的的信信道道处处理理－慢慢速速移移动动－－有有线线交交换换－功功率率小小－－成成本本低低－中中速速语语音音编编码码（（32Kb/sADPCM））发展展（（8））：：21世世纪纪电电信信网网的的发发展展趋趋势势无线线通通信信热热点点之之三三：：无无线线ATM无线线ATM的的发发展展背背景景－－－ATM方方式式是是未未来来通通信信网网发发展展的的必必然然趋趋势势－－－可可移移动动多多媒媒体体业业务务的的发发展展与与普普及及－－－无无线线频频谱谱资资源源的的更更加加合合理理利利用用无线线ATM的的技技术术关关键键－－－窄窄带带化化技技术术（（低低到到几几Mb/s））－－抗误码码技术－－按信源源的信息量量动态地分分配带宽无线ATM的应应用前景－－军事事通信、多多媒体通信信发展（9））：21世世纪电信网网的发展趋趋势无线通信热热点之四：：扩频技术术扩频多址技技术的缺点点：非正交交性(Non-orthogonality)优点：坚韧韧性(Robustness)坚韧性体现现在：－－－抗多径－－抗干扰扰－－蜂窝分分割的频率率再用－－扇区分分割的频率率再用前沿技术：：时空联合合处理、智智能天线、、多用户检检测发展（10）：21世纪电信信网的发展展趋势无线通信热热点之五：：软件无线线电当前无线系系统在硬件件及软件上上存在的问问题：－多种标准准、多种制制式、多种种协议、多多种方案－困难:－－－－互连互通通难－－设备更更新难－－研制开开发难能否搞成一一个通用的的无线系统统：－－硬件是是公用的，，除了天线线和RF前端外外，其它都都是DSP－－所有无无线通信过过程都用软软件实现，，而软件环环境是开放放的－－无线协协议都遵循循一个公共共的WirelessOSI分分层结构软件无线电电的关键技技术－－多频段段天线及RF前端端技术－－直接式式数字上、、下变频技技术－－高速DSP技技术－－标准化化无线协议议及协议转转换技术软件无无线电电的应应用前前景－－多多模手手机－－通通用无无线平平台－－通通用抗抗干扰扰军用用电台台发展（（11）：：21世纪纪电信