项目1无线传输与移动通信知识课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,城市轨道交通,无线集群系统与设备维护,城市轨道交通无线集群系统与设备维护,1,项目,一,无线传输与移动通信知识认知,项目一无线传输与移动通信知识认知,2,项目,描述,本项目主要讲述无线传输与移动通信基础知识的认知以及移动通信系统中公用移动通信认知和专业移动通信系统认知。,教学,目标,1.,知识目标,完成对无线传输与移动通信基础知识以及移动通信系统的认知与理解，并能运用这两个知识点解决相关问题。,2.,技能目标,能够利用一些简单无线通信技术比如,4G/WLAN,等技术，完成在不同设备之间对数据进行传输。,教学,安排,项目总学时,(14)=,理论学时,(12)+,实验学时,(2)+,实训学时,(0),项目描述,3,无线通信的特点：,1,）利用无线电磁波进行信息传输,2,）占用无线频谱资源,3,）电磁波信号强度随着距离增加而不断衰减,4,）无线移动通信引起多普勒效应,5,）在复杂的干扰环境中运行,6,）环境的干扰,7,）无线信号间的干扰,无线通信的特点：1）利用无线电磁波进行信息传输,4,2,无线通信系统模型,通信系统：通信中所需要的一切技术设备和传输媒质构成的总体。通信系统由发送端、接收端和传输媒介组成。无线通信机的发送端由信息源和发射机组成，接收端由接收机和终端设备组成，信号通过空间电磁波传送。发射机（,TX,）对原始信号进行转换，形成已调制射频信号（高频电磁波），通过发射天线送出。接收机（,RX,）接收信号，放大、变频后，将其进行解调，再送给终端设备。,2无线通信系统模型通信系统：通信中所需要的一切技术设备和传,5,图,1.1,无线通信系统模型,图1.1无线通信系统模型,6,图,1.2,无线通信系统组成原理图,图1.2 无线通信系统组成原理图,7,（,1,）发射机,数字通信系统的发射机主要由编码器、调制器和放大器等组成。发射机对原始电信号进行转换，形成射频,(RF),信号,。,（,2,）接收机,数字通信系统的接收机主要由放大器、调制器和解码器等组成。射频,(RF),信号经过处理后，输出音频信号或将数据送到终端设备。其过程与发射机流程相反。,（1）发射机,8,图,1.3,发射机功能流程示意图,图1.3 发射机功能流程示意图,9,二无线传输概念,无线,信号可以从一个发射器发出到许多接收器而不需要电缆。所有无线信号都是随电磁波通过空气传输的，电磁波是由电子部分和能量部分组成的能量波,。,在,无线通信,中频谱包括了,9khz,到,300000Ghz,之间的频率。每一种无线服务都与某一个无线频谱区域相关联。无线信号也是源于沿着导体传输的电流。电子信号从发射器到达天线，然后天线将信号作为一系列电磁波发射到空气中,。,简单讲，无线通信是仅利用电磁波而不通过线缆进行的通信方式。,二无线传输概念无线信号可以从一个发射器发出到许多接收器而不,10,图,1.4,无线通信,示意图,图1.4 无线通信示意图,11,1,无线频谱,所有无线信号都是随电磁波通过空气传输的，电磁波是由电子部分和能量部分组成的能量波。声音和光是电磁波的两个例子。无线频谱,(,也就是说，用于广播、蜂窝电话以及卫星传输的波,),中的波是不可见也不可听的,至少在接收器进行解码之前是这样的。,“无线频谱”,是用于远程通信的电磁波连续体，这些波具有不同的频率和波长。无线频谱包括了,9khz,到,300 000Ghz,之间的频率。每一种无线服务都与某一个无线频谱区域相关联。例如，,AM,广播涉及无线通信波谱的低端频率，使用,535,到,1605khz,之间的频率。,1无线频谱所有无线信号都是随电磁波通过空气传输的，电磁波是,12,图,1.5,无线电,电磁波谱,图1.5 无线电电磁波谱,13,2,无线传输的特征,虽然有线信号和无线信号具有许多相似之处,例如，包括协议和编码的使用,但是空气的本质使得无线传输与有线传输有很大的不同。当工程师门谈到无线传输时，他们是将空气作为“无制导的介质”。因为空气没有提供信号可以跟随的固定路径，所以信号的传输是无制导的。,正如,有线信号一样，无线信号也是源于沿着导体传输的电流。电子信号从发射器到达天线，然后天线将信号作为一系列电磁波发射到空气中。信号通过空气传播，直到它到达目标位置为止。在目标位置，另一个天线接收信号，一个接收器将它转换回电流。,2无线传输的特征虽然有线信号和无线信号具有许多相似之处,14,图,1.6,无线信号发送和接收,图1.6 无线信号发送和接收,15,3,信号传播,在理想情况下，无线信号直接在从发射器到预期接收器的一条直线中传播。这种传播被称为,“,视线,”(Line Of Sight,LOS),，它使用很少的能量，并且可以接收到非常清晰的信号。不过，因为空气是无制导介质，而发射器与接收器之间的路径并不是很清晰，所以无线信号通常不会沿着一条直线传播。当一个障碍物挡住了信号的路线时，信号可能会绕过该物体、被该物体吸收，也可能发生以下任何一种现象：发射、衍射或者散射。物体的几何形状决定了将发生这三种现象中的那一种。,3信号传播在理想情况下，无线信号直接在从发射器到预期接收器,16,(1),反射、衍射和散射,无线,信号传输中的,“,反射,”,与其他电磁波,(,如光或声音,),的反射没有什么不同。波遇到一个障碍物并反射,或者弹回,到其来源。对于尺寸大于信号平均波长的物体，无线信号将会弹回。例如，考虑一下微波炉。因为微波的平均波长小于,1,毫米，所以一旦发出微波，它们就会在微波炉的内壁,(,通常至少有,15cm,长,),上反射。究竟哪些物体会导致无线信号反射取决于信号的波长。在无线,LAN,中，可能使用波长在,110,米之间的信号，因此这些物体包括墙壁、地板天花板及地面。,(1)反射、衍射和散射 无线信号传输中的“反射”与,17,在,“,衍射,”,中，无线信号在遇到一个障碍物时将分解为次级波。次级波继续在它们分解的方向上传播。如果能够看到衍射的无线电信号，则会发现它们在障碍物周围弯曲。带有锐边的物体,包括墙壁和桌子的角,会导致衍射。,“,散射,”,就是信号在许多不同方向上扩散或反射。散射发生在一个无线信号遇到尺寸比信号的波长更小的物体时。散射还与无线信号遇到的表面的粗糙度有关。表面也粗糙，信号在遇到该表面是就越容易散射。在户外，树木会路标都会导致移动电话信号的散射。,在“衍射”中，无线信号在遇到一个障碍物时将分解为,18,(2),多路径信号,由于,反射、衍射和散射的影响，无线信号会沿着许多不同的路径到达其目的地。这样的信号被称为,“,多路径信号,”,。,多,路径信号的产生并不取决于信号是如何发出的。它们可能从来源开始在许多方向上以相同的辐射强度，也可能从来源开始主要在一个方向上辐射。不过，一旦发出了信号，由于反射、衍射和散射的影响，它们就将沿着许多路径传播。,(2)多路径信号 由于反射、衍射和散射的影响，无线,19,图,1.7,多路径延迟示意图,图1.7 多路径延迟示意图,20,无线,信号的多路径性质既是一个优点又是一个缺点。一方面，因为信号在障碍物上反射，所以它们更可能到达目的地。在办公楼这样的环境中，无线服务依赖于信号在墙壁、天花板、地板以及家具上的反射，这样最终才能到达目的地。,多路径信号传输的缺点是因为它的不同路径，多路径信号在发射器与接收器之间的不同距离上传播。因此，同一个信号的多个实例将在不同的时间到达接收器，导致衰落和延时。,无线信号的多路径性质既是一个优点又是一个缺点。,21,4,窄带、宽带及扩展频谱信号,传输,技术根据它们的信号使用了无线频谱的部分大小而有所不同。一个重要区别就是无线使用窄带还是宽带信号传输。在,“,窄带,”,，发射器在一个单独的频率或者非常小的频率范围上集中信号能量。与窄带相反，,“,宽带,”,是指一种使用无线频谱的相对较宽频带的信号传输方式。,使用多个频率来传输信号被称为扩展频谱技术，换句话说，在传输过程中，信号从来不会持续停留在一个频率范围内。在较宽的频带上分布信号的一个结果是它的每一个频率需要的功率比窄带信号传输更小。信号强度的这种分布使扩展频谱信号更不容易干扰在同一个频带上传输的窄带信号。,4窄带、宽带及扩展频谱信号 传输技术根据它们的信,22,扩展,频谱的一个特定实现是“跳频扩展频谱”,(Frequency Hopping Spread Spectrum ,FHSS),。在,FHSS,传输中，信号与信道的接收器和发射器知道的同一种同步模式在一个频带的几个不同频率之间跳跃。另一种扩展频谱信号被称为“直接序列扩展频谱”,(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS),。在,DSSS,中，信号的位同时分布在整个频带上。对每一位都进行了编码，这样接收器就可以在接收到这些位时重组原始信号。,扩展频谱的一个特定实现是“跳频扩展频谱”(Fre,23,5,固定和移动,每,一种无线通信都属于以下两个类别之一：固定或移动。在,“,固定,”,无线系统中，发射器和接收器的位置是不变的。传输天线将它的能量直接对准接收器天线，因此，就有更多的能量用于该信号。对于必须跨越很长的距离或者复杂地形的情况，固定的无线连接比铺设电缆更经济。,不过，并非所有通信都适用固定无线。例如，移动用户不能使用要求他们保留在一个位置来接收一个信号的服务。相反，移动电话、寻呼、无线,LAN,以及 其它许多服务都在使用,“,移动,”,无线系统。在移动无线系统中，接收器可以位于发射器特定范围内部的任何地方。这就允许接收器从一个位置移动到另一个位置，同时还继续接受信号。,5固定和移动 每一种无线通信都属于以下两个类别,24,6,单工与双工通信,单工,通信系统，通信只有一个方向，即从发射器到接收器。广播系统就是一个典型的单工通信系统，只不过他是每一个发射器可对应多个接收器。,通常,所说的通信系统多数是双向通信。其中，有些通信可以双向同时进行，叫做全双工通信。普通的电话即是双全工通信的例子，当两个人通话时，它们可以同时说话聆听对方说话，尽管这种情况并不经常发生。,6单工与双工通信 单工通信系统，通信只有一个方向,25,图,1.8,单工、半双工和全双工,图1.8 单工、半双工和全双工,26,有些,双工通信不要求在两个方向上同时进行通信，叫做半双工通信，通过无线电台交谈既是半双工通信的例子，操作员按下按钮开始说话，电台不能同时接收与发射，因此说和听 无法同时进行。半双工系统由于使用同一信道进行双向通信，因此节省了带宽。半双工系统 中将一些电路部件用在收发器中，既用于接收也用于发射，所以也比较廉价。不过，它牺牲了全双工通信所体现出的一些自然性。,有些双工通信不要求在两个方向上同时进行通信，叫做,27,图,1.9,半双工通信系统,图1.9 半双工通信系统,28,7,无线网络,以上,给出的全双工和半双工的通信系统仅用于两个用户之间的通信。当用户数增加时，两个用户之间不能直接通信时，就需要其他形式的网络。网络可以有多种形式，最常用和最基本的无线通信结构是经典的星型网络，如,图所,示。,7无线网络 以上给出的全双工和半双工的通信系统仅,29,图,1.10,星型网络,位于该网络中央的集线器类似于中继器,它由发射器和接收 器组成,它们在天线的位置选择上考虑了能够很好地将来自一个 移动无线设备的信号中继到另一个移动无线设备。集线器也可以连接到有线电话或数据网。,图1.10 星型网络 位于该网络中央的集线器类,30,三、无线通信系统主流技术,1,分类,无线通信主要包括微波通信和卫星通信。,微波是一种无线电波，它传送的距离一般只有几十千米。但微波的频带很宽，通信容量很大。,微波通信,每隔几十千米要建一个微波中继站,。,卫星通信,是利用通信卫星作为中继站在地面上两个或多个地球站之间或移动体之间建立微波通信联系。,三、无线通信系统主流技术1分类,31,2,热点技术,(1)4G,第四代移动电话行动通信标准，指的是第四代移动通信技术，外语缩写：,4G,。该技术包括,TD-LTE,和,FDD-LTE,两种,制式。,4G,是集,3G,与,WLAN,于一体，并能够快速传输数据、高质量、音频、视频和图像等。,4G,能够以,100Mbps,以上的速度下载，比目前的家用宽带,ADSL(4,兆,),快,25,倍，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。此外，,4G,可以在,DSL,和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。很明显，,4G,有着不可比拟的优越性。,2热点技术(1)4G,32,(2)ZigBee,技术,ZigBee,技术主要用于无线个域网,(WPAN),，是基于,IEE802.15.4,无线标准研制开发的，是一种介于,RFID,和蓝牙技术之间的技术提案，主要应用在短距离并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。,ZigBee,协议比蓝牙、高速率个域网或,802.11x,无线局域网更简单使用，可以认为是蓝牙的同族兄弟,。,(2)ZigBee技术 ZigBee技术主要用于,33,ZigBee,是基于,IEEE802.15.4,标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，,ZigBee,技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称（又称紫蜂协议）来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂,(bee),是靠飞翔和“嗡嗡”,(zig),地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，,ZigBee,就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。,ZigBee,是一种低速短距离传输的无线网络协议。,ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的,34,射频识别，,RFID,（,Radio Frequency Identification,）技术，又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。,射频的话，一般是微波，,1-100GHz,，适用于短距离识别通信,。,RFID,读写器也分移动式的和固定式的，目前,RFID,技术应用很广，如：图书馆，门禁系统，食品安全溯源等。,射频识别，RFID（Radio Frequency Iden,35,(3)WLAN,与,WiFi/WAPI,WLAN,(,无线局域网,),是一种借助无线技术取代以往有线布线方式构成局域网的新手段，可提供传统有线局域网的所有功能，是计算机网络与无线通信技术相结合的产物,。,目前,，原则上,WLAN,的速率尚较低，主要适用于手机、掌上电脑等小巧移动终端。,1997,年,6,月，,IEEE,推出了,802.11,标准，开创了,WLAN,先河，,WLAN,领域现在主要有,IEEE802.11x,系列与,HiperLAN/x,系列两种标准。,(3)WLAN与WiFi/WAPI WLAN(无,36,WiFi,俗称无线宽带，全称,Wireless Fideliry,。无线局域网又常被称作,WiFi,网络，这一名称来源于全球最大的无线局域网技术推广与产品认证组织,WiFi,联盟,(WiFi Alliance),。作为一种无线联网技术，,WiFi,早已得到了业界的关注。,WiFi,终端涉及手机、,PC(,笔记本电脑,),、平板电视、数码相机、投影机等众多产品。目前，,WiFi,网络已应用于家庭、企业以及公众热点区域，其中在家庭中的应用是较贴近人们生活的一种应用方式。由于,WiFi,网络能够很好地实现家庭范围内的网络覆盖，适合充当家庭中的主导网络，家里的其他具备,WiFi,功能的设备，如电视机、影碟机、数字音响、数码相框、照相机等，都可以通过,WiFi,网络这个传输媒介，与后台的媒体服务器、电脑等建立通信连接，实现整个家庭的数字化与无线化，使人们的生活变得更加方便与丰富。,WiFi俗称无线宽带，全称Wireless Fideliry,37,WAPI,是,WLAN Authentication and Privacy Infrastructure,的缩写。,WAPI,作为我国首个在计算机网络通信领域的自主创新安全技术标准，能有效阻止无线局域网不符合安全条件的设备进入网络，也能避免用户的终端设备访问不符合安全条件的网络，实现了“合法用户访问合法网络”。,WAPI,安全的无线网络本身所蕴含的“可运营、可管理”等优势，已被以中国移动、中国电信为代表的极具专业能力的运营商积极挖掘并推广、应用，运营市场对,WAPI,的应用进一步促进了其他行业市场和消费者关注并支持,WAPI,。,WAPI是WLAN Authentication and P,38,(4),短距离无线通信,(,蓝牙、,RFID,、,IrDA),蓝牙,(Bluetooth),技术，实际上是一种短距离无线电技术。利用蓝牙技术，能够有效地简化掌上电脑、笔试本电脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化以上这些设备与因特网之间的通信，从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效，进而为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的,2.4GHz ISM(,即工业、科学、医学,),频段，其数据速率为,1Mbps,，采用时分双工传输方案实现全双工传输。蓝牙技术为免费使用，全球通用规范，在现今社会中的应用范围相当广泛。,(4)短距离无线通信(蓝牙、RFID、IrDA)蓝牙(Blu,39,RFID,是,Radio Frequency Identification,的缩写，即射频识别，俗称电子标签。射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合,(,交变磁场或电磁场,),实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。目前,RFID,产品的工作频率有低频,(125kHz,134kHz),、高频,(13.56MHz),和超高频,(860MHz,960MHz),，不同频段的,RFID,产品有不同的特性。射频识别技术被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理、防伪等众多领域，例如,WalMart,、,Tesco,、美国国防部和麦德龙超市都在它们的供应链上应用,RFID,技术。在将来，超高频的产品会得到大量的应用。,RFID是Radio Frequency Identific,40,IrDA,是一种利用红外线进行点对点通信的技术，也许是第一个实现无线个人局域网,(PAN),的技术。目前其软硬件技术都很成熟，在小型移动设备，如,PDA,、手机上广泛使用。事实上，当今每一个出厂的,PDA,及许多手机、笔记本电脑、打印机等产品都支持,IrDA,。,IrDA,的主要优点是无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。它还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点,;,且由于数据传输率较高，适于传输大容量的文件和多媒体数据。此外，红外线发射角度较小，传输安全性高。,IrDA,的不足在于它是一种视距传输，,2,个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其他物体阻隔，因而该技术只能用于,2,台,(,非多台,),设备之间的连接,(,而蓝牙就没有此限制，且不受墙壁的阻隔,),。,IrDA,目前的研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率。,IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，也许是第一个实,41,(5)WiMAX,WiMAX,全称为,World Interoperability for Microwave Access,，即全球微波接入互操作系统，可以替代现有的有线和,DSL,连接方式，来提供最后一英里的无线宽带接入，其技术标准为,IEEE 802.16,，其目标是促进,IEEE 802.16,的应用。相比其他无线通信系统，,WiMAX,的主要优势体现在具有较高的频谱利用率和传输速率上，因而它的主要应用是宽带上网和移动数据业务。,(5)WiMAXWiMAX全称为World Inter,42,(6),超宽带无线接入技术,UWB,UWB(Ultra Wideband),是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，,UWB,能在,10,米左右的范围内实现数百,Mb/s,至数,Gb/s,的数据传输速率。,UWB,具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势，主要应用于室内通信、高速无线,LAN,、家庭网络、无绳电话、安全检测、位置测定、雷达等领域。,(6)超宽带无线接入技术UWBUWB(Ultra Wideb,43,(7)EnOcean,EnOcean,无线通信标准被采纳为国际标准,“ISO/IEC 14543-3-10”,，这也是世界上唯一使用能量采集技术的无线国际标准。,EnOcean,能量采集模块能够采集周围环境产生的能量，从光、热、电波、振 动、人体动作等获得微弱电力。这些能量经过处理以后，用来供给,EnOcean,超低功耗的无线通讯模块，实现真正的无数据线，无电源线，无电池的通讯系统。,EnOcean,无线标准,ISO/IEC14543-3-10,使用,868MHz,，,902MHz,，,928MHz,和,315MHz,频段，传输距离在室外是,300,米，室内为,30,米。,(7)EnOceanEnOcean无线通信标准被采纳为国际标,44,(8)Z-Wave,Z-Wave,是一种新兴的基于射频的、低成本、低功耗、高可靠、适于网络的短距离无线通信技术。工作频带为,908.42MHz,，,868.42MHz,信号的有效覆盖范围在室内是,30m,，室外可超过,100m,，适合于窄带宽应用场合。,Z-Wave,技术也是低功耗和低成本的技术，有力地推动着低速率无线个人区域网。,(8)Z-WaveZ-Wave是一种新兴的基于射频的、低成本,45,表,1,部分主流无线通信技术比较,表1 部分主流无线通信技术比较,46,表,2 EnOcean,、,Zigbee,和,Z-Wave,无线通信技术情况对比,表2 EnOcean、Zigbee和Z-Wave无线通信技,47,1.1.2,移动通信基础知识认知,一、电磁场和电磁波,1.,电磁场的概念,静电场,/,静磁场,：电场磁场不随时间变化，但在不同空间位置可以有不同的值。,时,谐电磁场,：电场随时间的变化的正弦函数，但在不同的空间位置可以有不同的幅度和相位。,时变电磁场,：在空间某点的电磁场随时间的变化时普通的时间函数，如果变换到频域，其频谱包涵各种频率分量。,1.1.2移动通信基础知识认知一、电磁场和电磁波,48,2.,电磁波,的,概念,电磁波,：,磁场的变化要产生电场，而且电场的变化也要产生磁场。时变电磁场在这种相互作用下，产生电磁辐射，即为“电磁波”。,电磁波的传输：,电磁波不需要依靠介质传送，各种电磁波在真空中的传输速度是固定的（光速，,3108,米,/,秒）。光波本身就是电磁波，无线电波也具有和光波同样的特性，比如当它通过不同介质时，也会发生折射、反射、绕射、散射和吸收等现象。电磁波为横波，电磁波的磁场、电场及其传输方向三者互相垂直。电磁波的传播有沿地面传播的地面波，还有从空中传播的空间波。波长越长的地面波，其衰减也越少。电磁波的波长越长也越容易绕过障碍物继续传播。中波或短波等空中电波则是靠围绕地球的电离层与地面的反复反射而传播（电离层在距离地面,50 400,公里之间）。,2.电磁波的概念电磁波：磁场的变化要产生电场，而且电场的变化,49,趋肤效应：,射频信号不是存在于导体中就是以波的形式存在于自由空间中。当射频信号存在于导体中时，它只是存在于导体的表面。如果将射频信号放在一个球形的实心导体上，那么它只出现在该导体的表面，不会进入导体内部，如果可以将一个检测仪器放在球里面，它将检测不到射频信号的存在。射频信号所呈现的这种现象称为“趋肤效应”。,发射机：,把要传送的信号对载波进行调制，经功放放大，再送到天馈线。,接收机：,把收下来的射频载波信号先进行低噪声放大，经变频、中放、解调出原始信号。,趋肤效应：射频信号不是存在于导体中就是以波的形式存在于自由空,50,自由空间传播损耗：,电磁波在视距的空间传输的过程中，接收机接收的信号功率仅仅是发射机辐射功率的其中一部分，大部分能量都向其它方向扩散了，在自由空间中电波得扩散衰耗称之为自由空间传播损耗。其计算公式如下：,其中：,f,为频率，单位为,MHz,；,d,为距离，单位为米,自由空间传播损耗：电磁波在视距的空间传输的过程中，接收机接收,51,无线电磁波的传播形式：,a,直射波,b,微波,c,地面反射波,d,天空反射波,e,散射波,无线电磁波的传播形式：,52,多普勒频移：当发射源与接收体之间存在相对运动时，接收体接收的发射源发射信息的频率与发射源发射信息频率不相同，这种现象称为多普勒效应，接收频率与发射频率之差称为多普勒频移。,快衰落：大量传播路径的存在就产生了所谓的多径现象，合成波的幅度和相位随移动台的运动产生很大的起伏变化，通常把这种现象称为多径衰落或快衰落，多径衰落在性质上属于一种快速变化。,慢衰落：移动台接收的信号除瞬时值会出现快衰落外，其场强中值随着地区位置改变还会出现较慢的变化，这种变化称为慢衰落。,多普勒频移：当发射源与接收体之间存在相对运动时，接收体接收的,53,分集技术：是一种主要的抗衰落技术。要解决的问题是如何利用多径信号来改善系统的性能，提高多径衰落信道下传输的可靠性。通过两条或两条以上途径传输同一信息。含义：一是分散传输；二是集中合并处理；分为发送分集和接收分集，或者宏分集和微分集。,发送分集：指在不同的天线上发射包含同样信息的信号（信号可能并不相同），从而达到空间分集的效果。,接收分集：用于接收端，通过两个或多个接收天线来实现。,分集技术：是一种主要的抗衰落技术。要解决的问题是如何利用多径,54,宏分集：也称为多基站分集，这是一种减少慢衰落影响的分集技术，把多个基站设置在不同的地理位置上和不同方向上，同时和小区的一个移动台通信，移动台可以选用其中信号最好的一个基站进行通信。在各个方向上的信号传播不是同时受到阴影效应或地形的影响而出现严重的慢衰落，这种方法就能保证通信不会中断。,微分集：是一种减少快衰落影响的分集技术，在一个基站实现分集。微分集有五种：空间分集、极化分集、频率分集、时间分集、隐分集（,RAKE,接收）。,宏分集：也称为多基站分集，这是一种减少慢衰落影响的分集技术，,55,空间分集：空间分集接收是在空间不同的垂直高度上设置几副天线，同时接收一个发射天线的信号，然后合成或选择其中一个强信号。空间分集接收是利用多副接收天线来实现的。接收端天线之间的距离,d/2,。,极化分集：实际是空间分集的特殊情况，它是用同一频率携带两种不同极化方式的信号来获取增益。目前移动使用的双极化天线就是极化分集天线，是把采用,45,正交极化阵子的两副天线合成一副天线。优点：节省安装空间。,空间分集：空间分集接收是在空间不同的垂直高度上设置几副天线，,56,频率分集：采用两个或两个以上具有一定间隔的频率同时发送和接收同一信息，然后进行合成或选择，以减轻衰落影响的工作方式。两信号的频率间隔,f=f2-f1,越大，信号之间衰落的相关性越小。,时间分集,：将给定的信号在时间上相差一定的间隔重复传输,N,次，只要时间间隔满足要求，就可以得到,N,条独立的分集支路。,隐分集（,RAKE,接收）：将幅度明显大于噪声背景的多径分量取出，通过延时和相位校准，使它们在某一时刻对齐，并按一定的规则进行合并，变矢量合为代数求和，能够有效地利用多径分量，提高多径分集的效果。把原来是多径干扰的信号变成有用信号组合在一起，达到变害为利的目的。,频率分集：采用两个或两个以上具有一定间隔的频率同时发送和接收,57,所有器件可归为有源器件和无源器件。需要供电装置才能正常工作的叫有源器件，反之叫无源器件。一般情况下，信号能量经过无源器件都会产生相应的衰减，信号能量经过有源器件会产生相应的增益。,分贝的使用：,dBm + dB = dBm,dBm - dB = dBm,dBm - dBm = dB,dBm + dBm,不能直接数值计算，需先进行单位换算,所有器件可归为有源器件和无源器件。需要供电装置才能正常工作的,58,二、移动通信系统的,组成,二、移动通信系统的组成,59,移动通信系统由三个子系统构成：交换子系统（,SS,）、基站子系统（,BSS,）、移动台子系统（,MS,）。,移动通信系统由三个子系统构成：交换子系统（SS）、基站子系统,60,三、 无线蜂窝技术,1.,移动通信网覆盖方式,大区制,：一个基站覆盖整个服务区（如一个城市），并由它来负责本服务区移动通信的联络和控制。大区制组网的优点是网络结构简单，投资少、见效快；缺点是不能频率复用，频率利用率低，系统容量小。,小区制,：将整个服务区划分为若干个小无线区，每个小无线区设置一个基站，这个基站负责本区的移动通信的联络和控制，同时在,MSC,的统一控制下，实现小区间移动通信的转接及与公众电话网的联系。,三、 无线蜂窝技术1.移动通信网覆盖方式,61,小区制的优点是：可进行频率复用，频率利用率提高；小区范围可根据用户数灵活确定，容量增大。缺点是：移动台切换概率增加，控制交换功能复杂，要求提高；基站数增加，建网成本提高。,小区制的优点是：可进行频率复用，频率利用率提高；小区范围可根,62,蜂窝技术：,为了提高有限的频率资源的利用率，将整个服务区划分为若干个无线小区进行网络覆盖，这些无线小区可以间隔一定距离进行频率的重复利用。这些无线小区采用正六边形的形状进行网络覆盖，因正六边形酷似蜂窝，故将这种小区称为蜂窝小区，称这种采用蜂窝小区组建移动通信网的技术为蜂窝技术。,蜂窝技术：为了提高有限的频率资源的利用率，将整个服务区划分为,63,频率复用技术,：是指同一组频率用于覆盖不同的小区,这些小区彼此之间通过设定有效的距离来避免相互干扰。频率复用技术是蜂窝移动通信的核心概念。,复用度,：共同使用全部可用频率的,N,个小区为一个基本复用簇。复用度大小就是每个基本复用簇中小区的数量。,频率复用技术：是指同一组频率用于覆盖不同的小区,这些小区彼此,64,项目1无线传输与移动通信知识课件,65,同频干扰保护比,(C/I),：不同小区使用相同频率时，服务小区载频功率与另外的同频小区对服务小区产生的干扰功率之比。,GSM,规范中一般要求,C/I9dB,；工程中一般加,3dB,的余量，即要求大于,12dB,。,邻道干扰保护比,(C/A),：在同频复用时，服务小区载频功率与相邻频率对服务小区产生的干扰功率之比。,GSM,规范中一般要求,C/A-9dB,；工程中一般加,3dB,的余量，即要求大于,-6dB,。,提高蜂窝系统容量的方法：,小区分裂 裂向 微小区,同频干扰保护比(C/I)：不同小区使用相同频率时，服务小区载,66,中继理论的基本术语如下：,建立时间,：给正在请求的用户分配一个中继无线信道所需的时间。,阻塞呼叫,：由于拥塞无法在请求时间完成的呼叫，又叫损失呼叫。,保持时间,：通话的平均保持时间，以秒为单位。,话务量强度,：表征信道的时间利用率，为信道的平均占用率以,Erlang,为单位，是一个无量纲的值，可用来表征单个或多个信道的时间利用率。,中继理论的基本术语如下：建立时间：给正在请求的用户分配一个中,67,负载,：整个系统的话务量强度，以,Erlang,为单位。,服务等级（,GOS,）,：表征拥塞的量，定义为呼叫阻塞概率，或是延迟时间大于某一特定时间的概率。,请求速率：,单位时间内平均的呼叫请求次数。表示为次,/,秒。,负载：整个系统的话务量强度，以Erlang为单位。,68,四、 无线多址技术,多址接入技术,：为了实现多用户无线通信，使众多用户高效共享给定频谱资源的技术。多址接入技术要研究的问题是：在移动通信环境的电波覆盖区内，如何建立用户之间的无线信道的连接；以及如何从接收的信号中识别出送给指定通信对象的信号。,频分双工（,FDD,）：系统为每一个用户提供两个去顶的频率波段，前向波段提供基站向移动台的服务，而反向波段提供移动台到基站的传输。,时分双工（,TDD,）：数据的传输和接收在时间上是间歇性的，采用不同的时间来提供前反向链路，时间间隔小，用户察觉不到。,四、 无线多址技术多址接入技术：为了实现多用户无线通信，使众,69,FDMA,：,是指将给定的总频段划分成若干个小频道（或称信道），不重叠，不共享，供不同的用户使用。,TDMA,：,以传输信号存在的时间不同来区分信道建立多址接入的方式。,CDMA,：,以传输信号的码型不同来区分信道（用户），建立多址接入的方式。,SDMA,：,通过空间的分割来区别不同用户。,FDMA：是指将给定的总频段划分成若干个小频道（或称信道），,70,五、多径衰落,1.,多径衰落的特点,无线信道的多径传播特性导致了多径衰落，多径衰落的特点如下：,1,）无线信号经过短时间或短距离传播后，信号强度发生急速变化。,2,）在不同的多径信号上，存在着时交的多普勒频移引起的随机频率调制。,3,）多径传播时延引起的扩展（表现为回音）。,五、多径衰落1.多径衰落的特点,71,2.,多径衰落的原因,在无线信道中，造成多径衰落的主要原因：,1,）多径传播：,发射机发射的电磁波到达接收机时形成了在时间、空间上相互不同的多个无线电波。不同多径成分具有的随机的幅度和相位特性引起合成信号强度的剧烈波动，导致了衰落。,2,）移动台的运动速度：,基站与移动台之间的相对运动会引起随机频率调制，这是由于多径分量存在的多普勒频移现象。多普勒频移的大小取决于基站与移动台之间的相对速度和无线信号的频率（波长）。,3,）环境物体的运动速度：,如果无线信道中的环境物体处于运动状态，也会引起时交的多普勒频移。,4,）信号的传输带宽：,信号的强度和短距传输后信号失真的可能性与多径信道的特定幅度、时延及传输信号的带宽有关。,2.多径衰落的原因在无线信道中，造成多径衰落的主要原因：,72,六、 噪声与干扰,1.,噪声,无线信道中加性噪声（简称噪声）的来源是多方面的，一般可分为：,内部噪声,、,外部噪声,。无线信道中，,外部噪声,的影响较大。,内部噪声是系统设备本身产生的各种噪声。,外部噪声包括,自然噪声,和,人为噪声,，也称环境噪声，它们也属于,随机噪声,。,噪声对通信质量的影响主要表现在恶化接收信号的,信噪比（,S/N,）,，在移动通信系统中，一般根据主观评定的方法开衡量它对通话质量的影响。 话音质量通常采用主观评定方法（,MOS,定级,），它分为,5,级。一般城镇要求语音质量测试过程中,MOS,值在,3.0,以上。,六、 噪声与干扰1.噪声,73,2.,干扰,无线通信中的干扰主要包括,同频干扰、邻频干扰、交调干扰,和,远,-,近效应干扰,等。,同频干扰,：是指使用相同工作频率的发射台之间的干扰，是无线通信系统在组网中经常出现的一种干扰，也称为同信道干扰或同载频干扰。凡是能进入接收机通带内的其它发射机的载频信号都能形成接收机的同频干扰，形成同频干扰的频率范围为：,fo Bi /2,，,fo,为接收机工作信道的载频中心频率，,Bi,为接收机中频滤波器的带宽。,2.干扰,74,同频复用距离只与以下因素有关：,1,）无线信号的传播特性。,2,）调制方式。为保证规定的接收质量，使用的调制方式不同，所需的射频防卫比也不同。对于窄带调相或调频来说，射频防卫比大约为,83dB,，调幅为,17dB,。,3,）要求的通信可靠性。,4,）无线小区的半径。,5,）工作方式：同频单工、同频双工等。,同频复用距离只与以下因素有关：1）无线信号的传播特性。,75,邻频干扰,：指干扰发射机的邻信道功率落入接收邻信道接收机的通带内造成的干扰。在蜂窝移动通信系统中，由于频率规划造成邻近小区中存在与本小区工作信道相邻的信道或由于某种原因使基站小区的覆盖范围比设计的范围增大，均会引起邻频干扰。当邻频的载波干扰比,C/I,小于某个特定值时，就会直接影响到移动台的通话质量，严重时就会产生掉话或使手机用户无法正常建立呼叫。,邻频干扰主要有两个方面：一是由于工作频带相邻的若干信道的寄生边带功率、宽带噪声、杂散辐射等产生的干扰；二是移动通信网内一组空间离散的邻近工作信道引入的干扰,。,邻频干扰：指干扰发射机的邻信道功率落入接收邻信道接收机的通带,76,远近效应,：近端对远端比干扰是指传输距离之差而造成对移动通信的伤害。当基站同时接收两个不同距离的移动台的信号时，如果两个移动台发信机以相同的频率工作，具有相等的发射功率，则基站接收远端来的移动台的有用信号有可能会被近端移动台的发射信号淹没。,噪声和干扰的程度直接影响到无线通信的,质量,和,容量,。,远近效应：近端对远端比干扰是指传输距离之差而造成对移动通信的,77,七、抗衰落技术,在移动通信系统中，普遍采用均衡、分集和信道编码这三种技术，用来改善无线信道中接收信号的质量，它们既可单独使用，也可组合使用。,1.,均衡技术：,是指对信道特性的均衡，接收端的均衡器产生与信道特性相反的特性，以此来减小或消除因信道的时变多径传播特性引起的码间干扰。由于无线信道具有未知性和多变性，均衡器是自适应的。,2.,分集技术：,是用来补偿衰落信道损耗的，它通常利用无线传播环境中同一信号的独立样本之间不相关的特点，使用一定的信号合并技术改善接收信号，来抵抗衰落引起的不良影响。它通常要通过两个或更多的接收天线来实现。,七、抗衰落技术在移动通信系统中，普遍采用均衡、分集和信道编码,78,3.,信道编码技术：,是通过在发送信息时加入冗余的数据位来改善通信链路的性能，信道编码就是在信源编码的基础上，按一定规律加入一些新的监督码元，以实现纠错的编码。,4.,交织编码技术,：是一种时间隐分集技术。交织技术可以在不附加任何比特开销的情况下，使数字通信系统获得时间分集。在以往的模拟通信系统中，模拟信号必须连续传送，但数字通信系统则完全不同，数字信息本来就是离散发送的。,5.,信道编码技术,：是通过在被传输的数据中加入冗余数据来避免数据信息在传送过程中出现误码。只用于检测错误的信道编码称作检错编码，通信系统中一般采用既可以检错又可以纠错的信道编码，称作纠错编码,。,3.信道编码技术：是通过在发送信息时加入冗余的数据位来改善通,79,6.,香农的信道容量公式如下：,C,为信道容量（,bit/s,），,B,为传输带宽（,Hz,），,P,为接收信号的功率（,W,），,N0,为单边带噪声功率谱密度（,W/Hz,）。由香农公式可以得出以下结论：,提高信噪比（,S/N,）可以增加信道容量。,当噪声功率,N00,时，信道容量,C,趋于,，这意味着理论上一个无干扰信道的容量为无穷大。,增加信道带宽,B,并不能无限制地增加信道容量。当噪声为白色高斯噪声时，随着,B,的增大，噪声功率也会增大，即使信道带宽无限增大，信道容量仍然是有限的。,信道容量一定时，带宽效率与功率效率之间可以彼此互换。,6.香农的信道容量公式如下：,80,八、调制解调技术,调制：,就是对信源的编码信息进行处理，使其变成适合于信道传输的形式的过程。主要的模拟调制方式包括：,幅度调制（,AM,）和频率调制（,FM,）相位调制（,PM,）,八、调制解调技术调制：就是对信源的编码信息进行处理，使其变成,81,图,1- 15,模拟调制方式波形,图1- 15 模拟调制方式波形,82,数字调制技术,可以大致分为,线性调制技术,和,非线性调制技术,。,线性调制技术中,，传输信号的幅度,S(t),随着数字调制信号,m(t),的变化而线性变化。线性调制技术带宽效率高。,非线性调制技术,：这时不管调制信号如何改变，载波的幅度是恒定的，因此也称为“恒包络调制”。,数字调制技术可以大致分为线性调制技术和非线性调制技术。,83,扩频调制：,扩频技术使用的传输带宽比要求的最小信号带宽要大几个数量级。扩频波形由伪随机序列（,PN,）或所谓伪噪声码控制。,PN,序列是二进制序列，表现出某种随机特性，但可以在指定的接收机以确定的方式重新产生。正确的,PN,序列经互相关运算后扩频信号压缩，恢复为窄带的原始调制信号，而其它用户的信号只在接收机产生很小的宽带噪声。,扩频调制：扩频技术使用的传输带宽比要求的最小信号带宽要大几个,84,九、 话音编码技术,1.,波形编码：,是直接将时域的模拟话音的电压波形信号经过取样、量化、编码而变成数字话音信号。,2.,参量编码：,是根据人类语言的发声机理，找出表征话音特征的参量，只对特征参量进行编码的一种方法。,3.,混合编码：,是近年来发展的一类新的高性能话音编码技术，具有参量编码的低速率又能提供波形编码的高质量。,九、 话音编码技术1.波形编码：是直接将时域的模拟话音的电压,85,移动通信系统在选择各种不同的数字话音编码方案时，需要考虑以下基本要求,：,编码速率低，话音质量高。,有较强的扰噪声干扰和抗误码性能。,编译码时延小，应在几十毫秒以内。,编译码器的复杂度要低，便于大规模集成化生产。,体积小、重量轻、功耗低，适应手持型的移动台。,移动通信系统在选择各种不同的数字话音编码方案时，需要考虑以下,86,话音信号最基本的特性是语音波形是带限的，有限的带宽意味着它可以以一定的速率抽样，当抽样频率大于,2,倍的低通信号频率时，就可以从抽样值中完全恢复话音波形。语音信号的带限特性使抽样成为可能，同时利用前面提及的各种特性也使量化操作能以很高的效率实现。,话音信号最基本的特性是语音波形是带限的，有限的带宽意味着它可,87,脉冲编码调制（,PulseCodeModulation,）：,简称,PCM,。,PCM,数字信号是通过对连续变化的模拟话音信号进行抽样、量化和编码产生。,PCM,的优点就是话音质量好，缺点是编码速率高、体积大。,PCM,可以提供用户话音业务，也可以提供从,2M,到,155M,速率的数字数据专线业务、图像传送业务和远程教学等其他业务。,参量编码：,对反映话音信号特征的参量而不是对话音信号的时域波形本身进行编码和传输，可以得到更好的效果。参量编码领域中的一项突破性技术是矢量编码技术。矢量编码所传送的不是话音参数本身，而是话音参数的码本号。,脉冲编码调制（PulseCodeModulation）：简称,88,质量指标,分数,听力指标,很好,5,不需要努力,好,4,不需要很大努力,一般,3,需要中等程度努力,差,2,需要相当大的努力,很差,1,需要以很大的努力，但不能理解意思,MOS,质量评估,质量指标 分数 听力指标 很好 5 不需要努力 好 4 不需,89,十、 移动通信无线网络,1.,移动通信的信令,信令：,是通信网中各种设备之间交流的一种规定语言。,随路信令,：信令信号随话音信号一起传送。传送速度较慢，信息容量有限。,公共信道信令：,信令信号与话音信号分开传送，通过专用的公共通道传送，来适应数字程控交换机的发展。,7,号信令：,是局间公共信道信令，应用于数字通信网络。由信令点（,SP,）、信令转接点（,STP,）、信令链路组成。,十、 移动通信无线网络1.移动通信的信令,90,信令点（,SP,）,:,处理控制信息的节点。起源点、目的地节点。,信令转接点（,STP),：,将信令消息从一条信令链路转送到另一条信令链路的信令节点。,信令链路：,信令网各信令间传递信令消息的物理信道。,信令点（SP）:处理控制信息的节点。起源点、目的地节点。,91,任务二,移动通信系统认知,1.2.1,公用移动通信系统认知,一、 无线通信系统和标准,1.,移动通信的工作频段,（,1,）,GSM900,频段为,：,上行,信道：,890,915MHz(,移动台发，基站收,),下行,信道：,935,960MHz(,基站发，移动台收,),。,总带宽（单向）：,25 MHz,双工间隔：,45 MHz,任务二 移动通信系统认知1.2.1 公用移动通信系统认知,92,（,2,）,DCS 1800,频段为,：,上行,信道：,1710,1785MHz,；,下行,信道：,1805,1880MHz,。,总带宽（单向）：,75 MHz,双工间隔：,95 MHz,（,3,）,IS-95(CDMA,),工作,频段：上行信道：,825 MHz,835MHz,；,下行信道：,870MHz,880MHz,。,总带宽（单向）：,10 MHz,双工间隔：,45 MHz,（2） DCS 1800 频段为：,93,（,4,）,TD-SCDMA,（中国移动）的频带为,：,1880MHz,-1920MHz,；,2010MHz-2025MHz,；,2300MHz-2400MHz,；共,155MHz,。,（,5,）,WCDMA,（中国联通）的频带是,：,1940MHz-1955MHz,(,上行信道,),2130MHz,-2145MHz(,下行信道,),。,总带宽（单向）：,15 MHz,双工间隔：,190 MHz,（,6,）,CDMA2000,（中国电信）的频带是,：,1920MHz,-1935MHz(,上行信道,),2110MHz,-2125MHz(,下行信道,),；,总带宽（单向）：,15 MHz,双工间隔：,190 MHz,（4）TD-SCDMA（中国移动）的频带为：,94,频点：,频道序号，信道（或载频）宽度的中心频率,（,1,）,GSM900,频点序号：,1,124,系统频点序号与频道标称中心频率的关系,基站发：,f2,（,n,）,935.2,（,n-1,）,0.2 MHz,f1,（,n,）,45 MHz,基站收：,f1,（,n,）,890.2,（,n-1,）,0.2 MHz,n = 1,124,（,2,）,DCS1800,频点序号：,512,885,系统频点序号与频道标称中心频率的关系,基站发：,f2,（,n,）,1805.2,（,n,512,）,0.2 MHz,f1,（,n,）,95 MHz,n = 512,885,频点：频道序号，信道（或载频）宽度的中心频率,95,（,3,）,CDMA,共有,7,个频点：,37,、,78,、,119,、,160,、,201,、,242,、,283,系统频点序号与频道标称中心频率的关系,上行：,825+0.03,n,下行：,870+0.03,n,基站收：,f1,（,n,）,1710.2,（,n,512,）,0.2 MHz,（3）CDMA共有7个频点：37、78、119、160、20,96,2.GSM,的系统结构,GSM,通信系统包括移动台子系统、基站子系统、网络子系统、操作子系统四个子系统：,2.GSM的系统结构,97,图,1-16 GSM,移动通信系统接口框图,图1-16 GSM移动通信系统接口框图,98,图,1-17 GSM,移动通信系统接口协议,图1-17 GSM移动通信系统接口协议,99,3,）,GSM,系统的主要号码,ISDN,：,移动用户号码（移动台号码），是指主叫用户为呼叫数字公用陆地蜂窝移动通信网中的用户所需拨的号码，是移动用户对外公开的电话号码,IMSI,：,国际移动用户识别码是数字,PLMN,网中唯一地识别一个移动用户的号码，为一个,15,位数字的号码。,IMSI,永久地属于一个注册用户，在包括漫游区域在