ch01无线通信系统概述

无线通信的发展
IS-54/IS-136
• 从第一代系统中最直接发展的代表，与模拟AMPS系统有较强的 兼容性 • IS-54被称为数字式AMPS（D-AMPS） • IS-54控制信道是模拟，话音信道是数字的 • IS-136是IS-54的增强版，控制信道是数字的 • 两者是US-TDMA标准，目前通常指IS-136 • 与模拟AMPS系统使用相同的信道带宽：30kHz • TDMA多址接入方式 • FDD频分双工 • π/4-DQPSK调制 • 信道速率48.6Kbps
无线通信的主要特点
网络结构多种多样，网络管理复杂
• 用户注册和登记，鉴权和计费，安全和保密 • 可利用的频谱资源有限 • 信道的建立和分配 • 位置管理、更新、移动台寻呼
无线通信的主要特点
移动设备必须适合移动环境
• 电池 • 储存 • 体积
无线通信的主要问题
频谱受限：组网技术，无线资源管理技术（RRM） 无线传输技术（RTT） 无线链路波动：无线传输技术（RTT）
无线通信的发展
第二代移动通信系统的不足
• 没有形成全球统一的标准, 无法实现全球漫游 • 业务相对单一（话音和低速数据） • 数据率较低 • 通信容量不足
无线通信的发展
第2.5代主要无线通信系统
• 高速电路交换数据HSCSD • 通用分组无线电业务GPRS • GSM演进增强型数据率EDGE • IS-95B
无线通信 V.S. 移动通信
• 无线通信: 使用无线电波开放地传播信息，以 信道的时变性和随机性（信道动态）换取了开 放式传输的灵活性； • 移动通信: 在无线通信的基础上引入了用户的 移动性，即在一重信道动态的基础上加入了第 二重用户的动态性。
无线通信的分类
• 按工作方式分类 --- 单工、双工（TDD或FDD ）、半双工 • 按多址方式分类 --- FDMA、TDMA、CDMA 、SDMA • 按信号形式分类 --- 模拟网和数字网 • 按覆盖范围分类 --- 城域网（MAN）、局域网 （LAN）和个域网（PAN）、车域网（VAN ）
参考书目
《无线通信原理与应用》（第二版）（中文 版），电子工业出版社，周文安、付秀花、 王志辉等 无线通信与网络，Jon W. Mark著 无线通信基础，David Tse著 移动无线通信，MischaSchwartz著 无线网络通信原理与应用， Pahlavan著 无线通信， Goldsmith著
无线通信的发展
主要的第二代无线通信系统
• 全球移动通信系统GSM • IS-54/IS-136 • IS-95 (cdmaOne) • 太平洋数字蜂窝系统PDC • 蜂窝数字分组数据网CDPD
无线通信的发展
GSM（全球移动通信系统）
• 欧洲电信管理部门（CEPT）于1982年成立GSM（移动特别 小组），制定规范，1992年开始商业运营 • 取得全球性成功，目前被120多个国家250多运营商使用 • 不包括与模拟无线系统相兼容的特性 • 工作于900MHz，1800MHz和1900MHz频段 • TDMA多址接入方式 • FDD频分双工 • 高斯最小频移键控GMSK调制 • 200kHz载波间隔，8时隙 • 信道速率270.833Kbps
课程主要内容与章节安排 第一章 无线通信系统概述（约4学时） 第二章 移动无线电传播（约8学时） 第三章 移动无线电中的调制技术（约4学 时） 第四章 无线通信多址接入技术（约6学时） 第五章 蜂窝网络基本概念：系统设计基 础 （约16学时） 第六章 无线系统与标准（约16学时） 第七章 现代无线通信系统（约4学时）
无线通信原理与应用
主讲：刘满华 Email: mhliu@sjtu.edu.cn
课程目标
本课程以面向21世纪的无线通信为背景，主要介 绍现代无线通信技术的基本技术及相关系统，涉 及内容包括各类无线通信系统中出现的基础概念 、重要的无线通信标准、以及无线通信的新技术 和新应用。课程以概念介绍为主，结合实际系统 为例展开讨论，为从事这一领域研究的学生提供 最基本的入门知识。
无线通信的发展
数字无线通信的优点
• 再生——克服距离障碍 • 虽然付出了信号带宽增加的代价，但是通过语音编码，先进的调 制技术，使得传输带宽并没有增加，反而降低 • 数字调制技术抗干扰能力强，所需要的门限信噪比低，也进一步 提高了系统的容量，从而提高了频谱利用率
80 年代中期～90 年代末，欧洲、美国、日本等发达国家 和地区先后推出了数字移动通信系统——第二代移动通 信系统 目标是大容量、低功耗、全球漫游和切换
无线通信的发展
1949～1982：低功率发射机和蜂窝、频率复用、 蜂窝裂变提高容量、越区切换和中央控制
• • • • 在40 年代末，美国贝尔实验室提出蜂窝构想 60 年代出台研究计划 1974 年正式提出了蜂窝移动通信的概念 1978 年底，贝尔实验室研制成功模拟蜂窝移动通信 系统——先进移动电话系统（AMPS）
无线通信的发展
太平洋数字蜂窝系统PDC
• 1990年，日本无线系统研究发展中心（RCR）标准 化委员会组织了PDC标准化工作。 • 1993年，将800MHz的PDC系统投入商用。 • 1994年，1.5GHz频段的PDC投入商用 • PDC最初被称为JDC，只在日本运行，PDC的空中接 口类似于美国的IS-54/IS-136标准。
无线通信的分类
• 按业务类型分类---电话网、数据网、综合业务 网、多媒体 • 按服务特性分类---专用网、公用网 • 按使用环境分类---陆地通信、海上通信、空中 通信 • 按使用对象分类---民用系统、军用系统
无线通信应用
无线通信的主要特点
传播介质为无线电波，传播特性差
• 传播环境复杂：多径效应和阴影效应造成电波传播的 幅度衰落和时延扩展 • 用户高速移动：多普勒频移造成电波传播特性的快速 随机变化 • 工作环境复杂： • 外部干扰：机电和信道热噪声； • 系统内部和不同系统之间的干扰：邻道、同信道、 互调、多址和远近效应。
无线通信的发展
IS-95（cdmaOne）
• 80年代，美国高通公司验证了直接扩频CDMA空中接 口的概念，1989年11首次进行了现场实验。 • 1990年9月，高通发布了第一个CDMA空中接口规范 • 1993年，由电信工业协会（TIA）标准化为IS-95。 • 是一种与AMPS模拟制式相兼容的双模标准。 • IS-95已在美国、香港、新加坡和韩国投入商用，韩国 成为最大的市场。
无线通信的发展
第一代移动通信的特点
• 模拟移动通信系统（语音信号是模拟信号） • 采用小区制、蜂窝组网设计----频率复用 • 解决大容量需求与有限频谱资源的矛盾 • 多址接入技术：频分多址（FDMA） • FM调制
无线通信的发展
模拟无线通信系统的缺点
• 频谱利用率低、FM占用的带宽很大。 • 系统标准多且互不兼容 • 业务种类受限、无法与固定网向数字化推进相适应， 主要是无法承载数据业务 • 保密性差、防伪能力低 • 设备复杂、价格昂贵
• 在复杂的无线信道环境中保证可靠的传输，同时提高 频率利用率，需要先进的编码技术、调制技术以及天 线技术的支持
用户的接入点不确定：移动性管理 控制信令的处理，数字信号处理：计算技术 终端产品体积的要求：集成电路技术（VLSI）
无线通信的发展
无线通信一般认为是从19世纪后期开始的 1880 年，“光话机”-将反射光耦合到光电硒接收器，通话 距离700 英尺，后可长达15km 1897 年，马可尼在陆地和一艘拖船上完成莫尔斯电码无 线通信实验，标志无线电通信的开始，开创了海上通信 业。 1921－1945：主要使用短波频段，电子管设备，人工交 换和人工切换频率的控制和接续方式，受军事或半军事 （警察）应用限制。
无线通信的发展
第二代无线移动通信的特点
• 微蜂窝小区结构：更优的空分复用，提高用户容量。 • 数字化技术：语音信号数字化。 • 新的调制方式：GMSK、QPSK 等。 • 多址接入方式：TDMA、CDMA。 • 频谱利用率高、系统容量大。 • 能提供多种业务，提高通信系统的通用性。 • 采用均衡技术和RAKE 接收技术，抗噪声、抗干扰和抗多径衰落 能力强。 • 能实现更有效、灵活的网络管理和控制。 • 便于实现通信安全保密。 • 可降低设备成本和减小用户手机体积和重量。
考核与课堂纪律
平时成绩 30%
• 考勤 、平时作业 • 大作业
期末考试 70% 手机请设置成静音或关闭
第一章 无线通信系统概述
主要内容： 无线通信的基本介绍及主要特点 无线通信的发展和演进 主要的无线体系介绍 未来无线通信发展的趋势
通信的基本概念
• 通信就是从一个地方向一个地方传递消息的过 程
无线通信的发展
1946－1968：移动电话需求强烈，专用移动无 线电话系统广泛应用于警察、出租车、新闻、调 度等方面，并开始出现公用汽车移动无线电话系 统
• 1946 年，Bell 实验室在圣路易斯建立第一个公用汽 车话网 • 40年代末，AT&T开始真正的商用公用移动通信系统 （公众系统） • 60 年代晶体管的出现，使移动台向小型化方向前进了 一大步
无线通信的发展
IS-95（cdmaOne）特点
• 码分多址CDMA • FDD频分双工 • 直接序列扩频DSSS • 载波间隔1.25MHz • 每载波信道数64 • 信道速率1.2288Mcps（9.6kbps）
Fra Baidu bibliotek
无线通信的发展
蜂窝数字分组数据网CDPD
• 使用自己空中接口的分组数据业务网络 • 绝大多数情况下用作短小、突发类型的数据传输，而 不是用作大文件传送 • 短信息应用由E-mail、遥测、信用卡验证、全球定位 等应用组成 • 为移动性设计的纯粹的数据业务
• 1921年，底特律警察局开始试验使用无线通信(单工，用于通知） • 30年代，第一个双向移动通信系统在新泽西的贝尼尔警察局投 入运行（半双工）。
无线通信的发展
1921－1945：主要使用短波频段，电子管设 备，人工交换和人工切换频率的控制和接续方 式，受军事或半军事（警察）应用限制。
• 1935 年，阿姆斯特朗发明了FM 方式无线电，是移动 通信中的第一个大分水岭。 • 大大提高灵敏度或动态范围 • 能更有效地对抗“快衰落”或波动性
蜂窝技术是一个划时代的技术 70年代末80年代初有商用系统，在20年内经历了 两代目前正在向第三代系统迅速演进 1 2 3代蜂窝移动通信系统
无线通信的发展
第一代蜂窝移动通信系统
• 模拟蜂窝移动通信系统（语音） • 典型系统：TACS、AMPS
第二代蜂窝移动通信系统（语音和数据）
• 数字蜂窝移动通信系统 • 典型系统：GSM、IS-95 CDMA
第三代蜂窝移动通信系统（3G，多媒体）
• 逐渐成熟的蜂窝移动通信系统 • 典型系统：WCDMA、CDMA-2000、TD－SCDMA
无线通信的发展
第一代移动通信系统
• 美国AMPS（Advanced Mobile Phone System），第一个蜂窝 系统，1983年投入商用 • 英国TACS（Total Access Communication System），1985年 投入商业 • 北欧NMT（Nordic Mobile Telephone），丹麦、芬兰、挪威、 瑞典使用，1981年投入使用，是世界上第一个具有漫游功能的 蜂窝电话，工作频段是450/900MHz • 日本HCMTS（High Capacity Telephone System），1980年开 通。 • 德国C网系统，由西门子公司于1983年开发出样机，1985年投 入使用。 • 中国采用TACS制式，于1987年开始使用
无线通信的发展
60 年代中期，开发出了“IMTS——改进的移动电话服 务”系统
• • • • 使模拟FM 技术达到了30 年发展的顶峰 大区制 使用150/450MHz 频段 实现无线频道自动选择，并与公用电话网自动拨号连接
大区制移动通信系统：
• 覆盖范围30~50km ，发射功率50~200W ，天线很高 （>30m）； • 具有网络结构简单，频道数目少，无需无线交换，直接与 PSTN 连接 • 局限性包括：服务的用户容量有限；服务性能较差；频谱利 用率低。