1、现代通信概论,电子信息工程学院 霍炎 ,2,第8章 无线通信系统,8.1 无线通信概述 8.2 无线信道的传播机制 8.3 无线信道的描述 8.4 分集与合并 8.5 扩频系统,3,8.1 无线通信概述,无线通信是利用电磁波信号可以在空中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。 利用无线通信方式把信息从一地传送到另一地所用的所有设备的总和称为无线通信系统。,8.1.1 无线通信的频谱,4,5,8.1.2 无线通信的链路,6,8.1.3 无线通信发展历程,1820年，丹麦物理学家奥斯特发现，金属导线中有电流通过时，附近的磁针便会发生偏转。学徒出身的英国物理学家法拉第指出，奥斯特的实验证明了“电能生
2、磁”。 1864年，麦克斯韦预言电磁波存在，建立了麦克斯韦方程组。 1887年，德国人赫兹透过闪炼的水花，第一次证实电磁波的存在，设计出了世界上第一副无线电天线。 1895年5月7日，波波夫发明的无线电接收机。联政府把5月7日定为“ 无线电发明日”。 1896年6月，21岁的意大利青年马可尼发明无线电收报机，并在英国取得专利。当时通信距离只有30米。,7,8.1.3 无线通信发展历程 (续),1920年，调幅无线电广播 1924年，移动无线电话 1931年，世界上第一条微波线路 1936年，调频无线电广播 1938年，电视广播 1948年，香农提出信息论，建立了通信统计理论 1955年，世界第
3、一条对流层散射通信线路，全长2600公里 1968年，150 兆赫移动通信频段上首先开通模拟寻呼系统 1969年，阿波罗11号登月，用无线电话与地球通信，并成功地实现了月面电视中继,8,8.1.3 无线通信发展历程 (续),1971年，夏威夷大学，无线分组网络ALOHA NET 1983年，贝尔试验室研制成功模拟蜂窝系统-先进移动电话系统(AMPS) 在芝加哥出现 1989年，美国发射了第一颗全球定位系统(GPS)工作卫星 1991年7 月，泛欧数字移动通信网(GSM)开始投入商用 1995年9 月，世界上第一个商用CDMA系统在香港投入使用 2001年10月，日本NTT、DoCoMo推出宽带
4、码分多址(WCDMA) 商用移动网络 2008年4 月中国TD-SCDMA在北京等8个城市，正式启动社会化业务测试和试商用工作,9,8.1.4 无线通信分类,Bluetooth,S-UMTS,Satellite Broadband,SDH,DVB-T,DAB,GSM,GPRS/EDGE,DECT IR,UMTS,Satellite/HAPS,Broadcasting,Cellular mobile,Indoor,DVB-S,Wireless Local Loop,Body LANs,Personal Area Networks,UMTS +,Local Area Networks,RFID,U
5、WB,Microwave,DVB-H,Broadband W-LAN,CDMA,GSM-R,xMDS,TETRA,Zigbee,10,8.1.4 无线通信分类,11,8.1.5 无线通信面临的挑战,更高的传输速率 Internet网络发展迅速 多媒体综合业务增加,12,8.1.5 无线通信面临的挑战 (续),恶劣的传输环境,13,8.1.5 无线通信面临的挑战 (续),有限的频谱资源 光纤通信的带宽几乎是无限的：每根光纤达几十Tbps 可供无线通信的频带宽度有限：全部带宽小于1THz 无线作为接入手段与有线网有很大的差距,14,8.1.5 无线通信面临的挑战 (续),覆盖和频率的关系自由空间损
6、耗,15,8.1.5 无线通信面临的挑战 (续),低发射功率 下一代无线通信系统的要求 信息速率高达100Mbps1Gbps 工作频率提高到5GHz 或更高 传统传输方式无法满足 2GHz 、2Mbps GSM 基站43dbm(19-20w)，手机2w CDMA 基站38dbm(6-7w) ，手机0.2w 5GHz 、100Mbps基站30W？,16,8.2 无线信道的传播机制,直射 反射 透射 绕射 散射,17,直射,定义：电磁波的直射传播( 又称视距传播) 是指发射机发射的电磁波直接传播到无线通信接收机。 自由空间传播损耗 应用 卫星通信 微波通信 移动通信,18,反射与透射,定义 反射：
7、发射机发射的电磁波，入射到比载波波长大的平面上，反射出来的电磁波再被无线通信接收机的天线接收。 透射：电磁波入射到某一物体时，一部分能量的信号经反射、绕射或散射后在空气中传播，另一部分能量的信号进入该物体中传播。 地面反射模型 (多径的接收叠加场强) 应用 短波通信 流星余际远距离传输 室内接收,19,绕射,定义：无线通信发射机发射的电磁波，照射到物体的不规则突出表面的边缘 (如：房顶的边缘、窗户的四角等)，再传播到无线通信接收机的天线处。 单屏绕射与多屏绕射 菲涅尔环带与布林顿方法 应用 广播 通信,20,散射,定义：发射机发射的电磁波，照射到比载波波长小的物体上(如：路灯、树叶、交通标志等
8、)，反射出多路不同的较弱的电磁波，再传播到无线通信接收机的天线处。 Kirchhoff理论 与 微扰理论 应用 散射通信,21,8.3 无线信道的描述,大尺度衰落与小尺度衰落 慢衰落与快衰落 平衰落与选择性衰落 无线电波的传播损耗 传播失真 多径传播与多径效应 多普勒谱,22,大尺度衰落与小尺度衰落,信号传播可能经历反射、衍射和散射等，接收信号通常是多径信号。随着发射机和接收机距离的增大，接收信号的损耗是十分明显的。这种信号损失表现为在某一小区域内接收信号平均值的下降。 预测这种信号平均值下降的模型叫做Large-Scale 模型(大尺度衰落)。 由于多径信号相干叠加引起的衰落称为小尺度衰落，
9、预测模型称为Small-Scale模型。,23,大尺度衰落与小尺度衰落 (续),24,影响小尺度衰落的因素,多径传播：MS收到的信号是来自很多途径信号的叠加。多径信号具有随机分布的幅度、相位和入射角度。多径信号在接收天线处合并，相位抵消会产生衰落。 移动台的运动速度：MS高速移动情况下或多径环境迅速变化时， 产生Doppler效应。 环境物体的运动速度：环境物体以大于移动台的速度运动，该运动对小尺度衰落起决定性作用。 信号的传输带宽：无线信号的传输带宽大于多径信道带宽时，接收信号失真，但是接收信号的强度不会衰落很多。,25,慢衰落与快衰落,慢衰落是指接收信号的场强局部中值在长时间内缓慢变化。
10、快衰落是指接收信号电平快速随机变化，其变化范围可达到数十dB。 实际上，信号的快衰落与慢衰落兼而有之，快衰落往往叠加在慢衰落之上。 在短时间内观测时，慢衰落不易被察觉，而快衰落则表现明显。,26,平衰落与选择性衰落,平衰落是指发射信号的频谱特性在接收机内仍能保持不变的衰落。 选择性衰落是指发射信号的频谱特性在接收机内发生了畸变的衰落,27,无线电波的传播损耗,无线信道发射天线输入功率为pt，接收天线输出功率为pr，在满足匹配条件下，二者之比即为该电路的传播损耗L。 传播损耗反映了在公里量级的空间距离内，信号电平的衰减。若用dB表示为其中：d为传播距离(m)，为自由空间内电波的波长(m)，A为电
11、磁场的衰减因子，Gt为发射天线增益，Gr为接收天线增益。,28,传播失真,传输信号的无线电波的各个不同的频率分量，以不同的相速度和不同的衰减常数传播，会使其各不同频率分量的幅、相关系随传播距离的增加而连续变化 这种变化对模拟信号而言是信号波形的畸变，对数字信号而言是误码率的上升。,29,多径传播与多径效应,到达移动台的信号来自不同传播路径的信号之和，不同相位的多个信号在接收端迭加，有时迭加而加强(相位相同)，有时迭加而减弱(相位相反)。接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由多径传播引起的，所以称为多径衰落。,30,多径传播的影响,短距离或短时间内信号强度的快速变换； 多径传播造成时延扩展； 各多径信号具有不同的多普勒频移，造成随机调频；,31,多普勒谱,多普勒频移：接收机以速度V同电波传播方向(频率为fc)呈 角移动接收信号的频率 其中多普勒频移最大多普勒频移,32,多普勒谱 (续),来自不同角度的波,假定强度相同,若发信号频率为f0时 接收机收到的频率,
