现代通信原理技术与仿真第13章现代通信新技术

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,92,第13章 现代通信新技术,第13章 现代通信新技术,13.1个人通信系统,13.2ATM技术,13.3卫星通信技术,13.4软件无线电技术,13.5光纤通信技术,13.6无线局域网,13.7超宽带通信UWB,13.83G/4G,13.9紫外光通信技术,习题,13.1个人通信系统21世纪通信的开展目标是实现个人通信系统(PCN)。所谓个人通信(PC)，是指任何人在任何时间、任何地点与另一个人以任何形式的通信，即无论任何人(Whoever)在任何时候(Whenever)在任何地方(Wherever)与另一个人(Whomever)进行任何类型(Whatever)(5 W)的通信。,个人通信系统(PCN)是通信领域的新的挑战，因为“任何时间要求支持移动中通信，无线通信是其实现的前提；“任何人要求系统支持巨大的用户量， 用户量受限的因素主要是无线频谱资源有限；“任何地点要求通信网络无缝覆盖， 传输能力有限；“任何形式要求支持多媒体， 而目前网络的处理能力有限。 21世纪电信网的开展趋势是以光纤为主干网、以无线移动通信为终端通信网的两大通信平台，其主要技术特点如表13.1所示。,面向21世纪通信的三大革命是：(1) 以干线(包括局部支线)传输光纤化为标志的光纤革命；(2) 以SDH、ATM和IP为标志的数字革命；(3) 以个人通信(PC)和无线接入为标志的无线革命。21世纪电信网的开展趋势是：无线通信将成为热点，主要包括个人通信系统、无线ATM、无线接入、扩频技术、软件无线电、第三代移动通信系统(3G)。,13.2ATM技术ATM技术的根本原理(1) ATM网中不进行逐段链路的过失控制和流量控制。由于光纤线路的可靠性很高，所以没有必要对逐段链路进行过失控制。ATM网络采用端到端的过失控制和流量控制。当ATM节点上流量太大时，应尽量减少信元的丧失率，可采取以下措施： 合理地进行资源分配并设计队列容量，使队列溢出的概率很低，信元的丧失率低于10-10； 在呼叫建立时，审查用户申请的带宽，网络有足够的资源时接受呼叫，假设网络资源缺乏或流入速率超过允许值那么拒绝用户接入。,(2) ATM以面向连接的方式工作。为了提高处理速度，ATM以面向连接的方式工作。通信开始时，先建立虚电路，包括虚通路(VC)和虚通道(VP)。用户将虚电路的标识写入信头VCIVPI中，网络根据虚电路标识将信息送往目的地。(3) 信息域的长度减小。长度小而固定的信元使网络传输和交换速度加快，从而减小交换节点内部缓冲器的容量，使信元的排队时延和时延抖动降低。其端到端的时延小于24毫秒，时延抖动小于几百微秒。所以，ATM可以很好地应用于话音、活动图像等实时性业务。,(4) ATM网络以语义透明和时间透明的传输方式工作。所谓语义透明，是要求网络在传送信息时不产生错误，或者错误概率非常低，使业务能够接受，不改变业务信息的语义。所谓时间透明，是要求网络以最短的时间将信息从发源地送到目的地。ATM兼具电路交换与高速分组交换技术的优点，而克服了它们的缺点。(5) ATM采用固定长度的信元，提供一个简化的网络结构。,ATM技术的根本要素ATM技术的根本要素为：ATM信元、ATM交换机、ATM虚连接。1. ATM信元ATM在本质上是一种高速分组传输模式。传输时，首先需将待传送的话音、数据、图像等各种数字化的信息统一分成定长的数据块，加上信头就构成了ATM网中传送的根本信息单位信元(Cel1)，其结构如图13.1所示。,图13.1ATM信元结构,2. ATM交换机,ATM交换机是ATM网络的核心，是一个多端口网络设备，它根据接收信元的VPIVGI信息将其切换输出到相应的端口。,3. ATM虚连接,ATM可以接纳变速率的、不变速率的、面向连接的和非面向连接的等多种业务，接收以后将这些业务数据都转化成特定的格式。由于采用了这些技术措施，使得通信网络与它所承载的业务独立开来，这就是综合业务网的概念。,ATM技术在军事通信中的应用ATM技术是现代通信系统常用的信息传输技术，是以高速光纤传输为根底，包含传输、组网、多路复用和交换等技术内容，并将X.25、帧中继、交换型多兆比特数据业务(SMDS)、IP和其他高层协议及业务综合到一个统一网络结构中的新型高速通信技术。它具有很大的灵活性，能够适应不同速率、不同突发度的实时和非实时业务的要求，可以实现多种业务在同一个网络中传输和交换。,13.3卫星通信技术卫星通信的特点卫星通信是个人通信网的组成局部，是地面通信网的补充。卫星通信是指地球站(也可能是手持终端)之间或地球站与航天器之间利用通信卫星转发器实现的无线电通信。卫星通信主要包括：卫星固定通信(FSS)、 卫星移动通信(MSS)、 卫星直接播送(BSS)、 卫星中继通信。,大气对不同频率电波传播的吸收损耗的差异很大，形成星-地传输的频率窗口。吸收损耗在22 GHz和60 GHz时有峰值。 目前常用的卫星通信频段有L、S、C、Ku、Ka。L频段：12 GHz，一般记为1.6/1.5 G(上行/下行) ，用于MSS、GEO卫星测控。S频段：24 GHz，用于MSS、GEO卫星测控。C频段：47 GHz，用于FSS和MSS的馈电链路。Ku频段：1218 GHz，用于FSS、BSS。Ka频段：2040 GHz， 用于FSS、MSS。,此外，VHF、UHF用于低轨小卫星通信。VHF频段：0.10.3 GHz，用于移动、导航业务；UHF频段：0.31.0 GHz,用于移动、导航业务的更高频段；Q频段：33.050.0 GHz；V频段：50.075.0 GHz。,卫星通信的特点如下： (1) 效劳范围宽：一颗GEO卫星覆盖全球外表的42 %，在稀业务区建地面网不经济。 (2) 可用频段宽：从150 MHz到30 GHz(Ka波段)，目前已开始开发Q、V波段(4050 GHz)。 (3) 网络路由简捷：旁路复杂的地面“网络云 。 (4) 网络建设速度快，本钱低：除建站外，无需地面施工，运行维护费用低。 (5) 系统均匀效劳，易引入新业务：统一的业务提供商，利于系统为各地区提供均匀的效劳。,卫星通信系统的工作原理静止卫星是指卫星的运行轨道在赤道平面内。其轨道离地面高度约为35 800 km。静止卫星通信系统的工作原理如图13.2所示。目前国际卫星通信组织负责建立的国际卫星通信系统(INTELSAT，简称IS)，就是利用静止卫星来实现全球通信的。三颗同步卫星分别位于太平洋、印度洋和大西洋上空，它们构成的全球通信网承担着大约80%的国际通信业务和全部国际电视转播业务，如图13.3所示。,图13.2静止卫星通信系统的工作原理,图13.3国际卫星通信系统,卫星通信系统的组成通常卫星通信系统是由地球站、通信卫星、跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统4大局部组成的，如图13.4所示。,图13.4卫星通信系统的组成,卫星通信系统可分为两大局部：监控中心和通信地球站分系统。监控管理分系统和跟踪遥测及指令分系统构成卫星通信系统的监控中心；两地球站通过通信卫星进行通信的卫星通信线路构成了卫星通信系统的地球站分系统。监控中心的作用是保证通信卫星正常运转，通信网络正常工作，对地球站的方向图、功率和频率进行监测。监控管理分系统对在轨卫星的通信性能及参数进行业务开通前的监测和业务开通后的例行监测及控制，以保证通信卫星的正常运行和工作；跟踪遥测及指令分系统对卫星进行跟踪测量，控制其准确进入静止轨道上的指定位置，并对在轨卫星的轨道、位置及姿态进行监视和校正。,地球站分系统可分为：用户段各种用户终端；空间段转发无线电信号，要求放大，且尽量无失真，无噪声；地面段放大、发射、接收信号等。两个地球站通过通信卫星进行通信的卫星通信线路的组成如图13.5所示。,图13.5卫星通信线路的组成,卫星的应用 卫星可以应用到通信、播送、中继、卫星导航、卫星遥感(对空和对地遥感)、气象观测、地球资源勘探、海洋监视、侦察(包括照相侦察和电子侦察)、预警、支持载人航天、远程教育、远程医疗等领域。下面介绍一些卫星应用实例。(1) 卫星视频播送业务。 (2) 数据通信和Internet业务。(3) 移动通信业务。(4) 舰船卫星通信。(5) 卫星转发蓝绿激光对潜艇通信。,13.4软件无线电技术,所谓软件无线电通信技术，是指具有用软件来实现具有各种功能的无线电通信设备，其无线电通信功能是由软件设计来完成的，是一种完全可编程能力的实现。软件无线电技术包括可变革信道接入方式、信道调制方式与纠错算法等，完全摆脱了传统的面向用途的设计思想。易通话多频段多模式无线电系统的工作频率范围为1.5200 MHz，是一种采用软件无线电技术的模块化硬件平台，在高技术现代战场环境下可以实现各军种之间的话音、数据、图像通信，也可以和现有的无线电设备兼容通信。,软件无线电技术作为一种新型的无线电通信技术，打破了传统的通信技术模式，通过强大的DSP数字信号处理功能，可以实现网络控制器、数据调制解调器、保密机等多种通信设备的一体化，以及甚低频/中频/高频/甚高频/特高频(VLF/MF/HF/VHF/UHF)多频段信道设备的一体化。因此，该技术在海军舰艇通信系统中的应用前景非常大。,13.5光纤通信技术,由于光纤传输相对普通导线传输而言具有传输频带宽、通信容量大、误码率低、抗电磁干扰能力和抗辐射能力强、重量轻、尺寸小以及可以较好地支持系统升级或改造的要求等显著优点，因此在舰艇通信系统中使用具有较多优势并得到了广泛应用。,光纤局域网可以实现舰内信息采集、交换、传输并支持信息传输处理的高度自动化。作为海军在舰艇上大规模使用光纤技术的开始，美国海军海洋司令部早在1981年开始研制AEGIS舰载光纤通信系统，其目的是在CC-47AEGIS巡洋舰上建立光纤通信系统。该系统包括三个局部，即舱室间光纤业务系统、综合话音通信系统数据总线以及光纤损伤控制管理系统。为了解决舰艇通信存在的严重电磁干扰、射频干扰和电磁泄漏等问题，使舰艇通信系统适合未来战争的需求，美国海军曾提出了一个“舰载高级光纤敷设网络(SAFENET)方案，拟在全部航空母舰、巡洋舰、驱逐舰和潜艇上普遍采用标准的SAFENET光纤通信网。,13.6无线局域网随着Internet的飞速开展，通信网络从传统的布线网络开展到了无线网络。无线局域网(WLAN，Wireless Local Area Network)是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。无线局域网WLAN可在不采用传统电缆线的同时，提供传统有线局域网的所有功能。无线局域网的根底还是传统的有线局域网，是有线局域网的扩展和替换。它只是在有线局域网的根底上通过无线HUB、无线访问节点(AP)、无线网桥、无线网卡等设备使无线通信得以实现。与有线网络一样，无线局域网同样也需要传送介质，传送介质是红外线(IR)或者无线电波(RF)。,WLAN 技术开展至今，主要分为两大协议体系：IEEE802.11 协议标准体系和欧洲CEPT 制定的HIPERLAN 协议标准体系。无线接入技术区别于有线接入的特点之一是标准不统一，不同的标准有不同的应用。由于WLAN基于计算机网络与无线通信技术，在计算机网络结构中，逻辑链路控制(LLC)层及其之上的应用层对不同物理层的要求可以是相同的，也可以是不同的，因此，WLAN标准主要针对物理层和媒质访问控制层(MAC)，涉及无线频率范围、空中接口通信协议等技术标准与技术标准。无线技术包括了无线局域网技术和以GPRS/3G为代表的无线上网技术，这些标准和技术开展到今天，已经出现了包括IEEE802.11连接技术、蓝牙无线接入技术和家庭网络的HomeRF等在内的多项标准和标准。,IEEE802.11协议标准1. IEEE802.11标准IEEE802.11是IEEE制定的第一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据访问，速率最高只能到达2 Mb/s。1990年, IEEE802标准化委员会成立IEEE802.11WLAN标准工作组。IEEE802.11(也称Wi-Fi(Wireless Fidelity)无线保真)是在1997年6月由大量的局域网以及计算机专家审定通过的标准。,该标准定义了物理层和媒体访问控制(MAC)标准。物理层定义了数据传输的信号特征和调制，定义了两个RF传输方法和一个红外线传输方法。RF传输标准是跳频扩频和直接序列扩频，工作在2.40002.4835GHz频段。由于它在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，所以IEEE802.11标准被IEEE802.11b所取代了。 因此，IEEE小组又相继推出了802.11b、802.11a、802.11g、802.11i和802.11e等新标准。,2. IEEE802.11b标准1999年9月IEEE802.11b被正式批准，该标准规定WLAN工作频段在2.42.4835 GHz，数据传输速率到达11 Mb/s，传输距离控制在50150英尺(1英尺=0.3048米)。该标准是对IEEE802.11的一个补充，采用补偿编码键控调制方式，采用点对点模式和根本模式两种运作模式，在数据传输速率方面可以根据实际情况在11 Mb/s、5.5 Mb/s、2 Mb/s、1 Mb/s等不同速率间自动切换，它改变了WLAN的设计状况，扩大了WLAN的应用领域。IEEE802.11b已成为当前主流的WLAN标准，被多数厂商所采用，所推出的产品广泛应用于办公室、家庭、宾馆、车站、机场等场合，但是由于许多WLAN的新标准的出现，IEEE802.11a和IEEE802.11g更是备受业界关注。,3. IEEE802.11a标准1999年，IEEE802.11a标准制定完成。该标准规定WLAN工作频段为5.158.825 GHz，数据传输速率到达54 Mb/s或72 Mb/s(Turbo)，传输距离控制在10100米。该标准也是IEEE802.11的一个补充，它扩充了标准的物理层，利用正交频分复用(OFDM)的独特扩频技术，采用QFSK调制方式，可提供25 Mb/s的无线ATM接口和10 Mb/s 的以太网无线帧结构接口，支持多种业务(如话音、数据和图像等)，一个扇区可以接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。,IEEE802.11a标准是IEEE802.11b的后续标准，其设计初衷是取代802.11b标准，然而，工作于2.4 GHz频带是不需要执照的，该频段属于工业、教育、医疗等专用频段，是公开的，工作于5.158.825 GHz频带需要执照。目前，一些公司仍没有表示对802.11a标准的支持，而另一些公司那么更加看好最新混合标准802.11g。一个无线局域网既可当作有线局域网的扩展来使用，也可以独立作为有线局域网的替代设施，因此无线局域网提供了很强的组网灵活性。,802.11g其实是一种混合标准，它既能适应传统的802.11b标准，在2.4 GHz频率下提供11 Mb/s的数据传输率，也符合802.11a标准，可在5 GHz频率下提供56 Mb/s的数据传输率。 为了进一步加强无线网络的平安性和保证不同厂家之间无线平安技术的兼容， IEEE802.11工作组目前正在开发作为新的平安标准的IEEE 802.11i，并且致力于从长远角度考虑解决IEEE 802.11无线局域网的平安问题。IEEE 802.11i标准草案中主要包含的加密技术有：TKIP、 AES以及认证协议IEEE 802.1x。IEEE 802.11i将为无线局域网的平安提供可信的标准支持。,蓝牙(Bluetooth),蓝牙(IEEE802.15)是一项最新标准，对于802.11来说，它的出现不是为了竞争，而是相互补充。蓝牙(BlueTooth)技术是由世界著名的5家大公司爱立信(Ericsson)、诺基亚(Nokia)、东芝(Toshiba)、国际商用机器公司(IBM)和英特尔(Intel)于1998年5月联合宣布的一种无线通信新技术。,蓝牙的目标是：最高数据传输速度为1 Mb/s(有效传输速率为721 kb/s)，最大传输距离为10厘米10米，通过增加发射功率可到达100米。蓝牙比802.11更具移动性，比方，802.11限制在办公室和校园内，而蓝牙却能把一个设备连接到LAN(局域网)和WAN(广域网)，甚至支持全球漫游。此外，蓝牙本钱低，体积小，可用于更多的设备。,其主要技术特点如下：(1) 蓝牙的指定范围是10 m，在参加额外的功率放大器后，可以将距离扩展到100 m。(2) 提供低价、大容量的话音和数据网络，最高数据传输速率为723.2 kbs。(3) 使用快速跳频(1600跳/s)来防止干扰，在干扰下，使用短数据帧来尽可能增大容量。(4) 支持单点和多点连接，可采用无线方式将假设干蓝牙设备连成一个或多个微波网，从而实现各类设备之间的快速通信。(5) 任一蓝牙设备都可根据IEEE 802标准得到一个唯一的48 bit的地址码，保证通信过程中的鉴权和保密平安。,家庭网络HomeRF与HiperLAN 协议1. 家庭网络的HomeRF由美国家用射频委员会推出的HomeRF主要为家庭网络设计，是IEEE802.11与DECT(数字无绳 标准)的结合，旨在降低话音数据本钱。HomeRF也采用了扩频技术，工作在2.4 GHz频带，能同步支持4条高质量话音信道。但目前HomeRF的传输速率只有12 Mb/s，FCC建议增大到10 Mb/s。,2. HiperLAN 协议标准体系,欧洲电信标准化协会(ETSI)的宽带无线电接入网络(BRAM)小组制定的HiperLAN分为HiperLAN1和 HiperLAN2。HiperLAN2标准详细定义了WLAN的检测功能和转换信令，用以支持许多无线网络，并支持动态频率选择(DFS)、无线信元转换、链路自适应、多束天线和功率控制等。HiperLAN1对应802.11b。HiperLAN2与802.11a 具有相同的物理层，它们可以采用相同的部件。另外，HiperLAN2强调与3G整合。HiperLAN2标准也是目前较完善的WLAN协议。,IrDAIrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，其相应的软件和硬件技术都已比较成熟。它在技术上的主要优点如下：(1) 无需专门申请特定频率的使用执照，这一点在当前频率资源匮乏、频道使用费用增加的背景下是非常重要的。(2) 具有移动通信设备所必需的体积小、功率低的特点。HP公司目前已推出结合模块应用的约从2.5 mm8.0 mm2.9 mm到5.3 mm13.0 mm3.8 mm的专用器件，与同类技术相比，耗电量也是最低的。,(3) 传输速率在适合于家庭和办公室使用的微微网(Piconet)中是最高的，由于采用点到点的连接，因此数据传输所受到的干扰较少，速率可达16 Mb/s。(4) 除了在技术上有自己的技术特点外，IrDA的市场优势也是十清楚显的。目前，全世界有5000万台设备采用IrDA技术，并且仍然以每年50%的速度增长。有95%的手提电脑安装了IrDA接口。在本钱上，红外线LED及接收器等组件远较一般RF组件廉价，IrDA端口的本钱在5美元以内，如果对速度要求不高甚至可以低到1.5美元以内，相当于日前蓝牙产品的十分之一。,IrDA的局限性如下：(1) IrDA是一种视距传输技术。也就是说，两个具有IrDA端口的设备之间如果传输数据，那么中间不能有阻挡物，这在两个设备之间是容易实现的，但在多个电子设备间就必须彼此调整位置和角度等。(2) IrDA设备中的核心部件红外线LED不是一种十分耐用的器件，对于不经常使用的扫描仪、数码相机等设备虽然游刃有余，但如果经常用装配IrDA端口的 上网，那么可能很快就不堪重负了。,IrDA除了传输速率由原来的FIR(Fast Infrared)的4 Mb/s提高到了最新VFIR的16 Mb/s 标准，接收角度也由传统的30度扩展到了120度。这样在台式电脑上采用低功耗、小体积、移动余度较大的含有IrDA接口的键盘、鼠标就有了根本的技术保障。同时，由于Internet开展迅猛和图形文件逐渐增多，IrDA的高速率传输优势在扫描仪和数码相机等图形处理设备中更可大显身手。,中国WLAN标准 2003年5月，中国首批公布了由中国宽带无线IP标准工作组负责起草的WLAN的两项国家标准：?信息技术系统间远程通信和信息交换局域网和城域网特定要求第11 局部：无线局域网媒体访问(MAC)和物理(PHY)层标准?、?信息技术系统间远程通信和信息交换局域网和城域网特定要求第11局部：无线局域网媒体访问(MAC)和物理(PHY)层标准：2.4 GHz频段较高速物理层扩展标准?。这两项国家标准所采用的依据是ISO/IEC8802.11和ISO/IEC8802.11b，这两项国家标准的发布将标准WLAN产品在我国的应用。,WLAN特性1. WLAN技术的优势,WLAN是指以无线信道作传输媒介的计算机局域网络，是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，它以无线多址信道作为传输媒介，提供传统有线局域网的功能，能够使用户真正实现随时、随地、随意的宽带网络接入。WLAN技术使网上的计算机具有可移动性，能快速、方便地解决有线方式不易实现的网络信道的连通问题。WLAN利用电磁波在空气中发送和接收数据，而无需线缆介质。与有线网络相比，WLAN具有以下优点：,(1) 安装便捷。无线局域网的安装工作简单，无需施工许可证，不需要布线或开挖沟槽。它的安装时间只是安装有线网络时间的零头。(2) 覆盖范围广。在有线网络中，网络设备的安放位置受网络信息点位置的限制，而无线局域网的通信范围不受环境条件的限制，网络的传输范围大大拓宽了，最大传输范围可达几十公里。,(3) 经济节约。有线网络缺少灵活性，这就要求网络规划者尽可能地考虑未来开展的需要，所以往往导致预设大量利用率较低的信息点。一旦网络的开展超出了设计规划，又要花费较多费用进行网络改造。WLAN不受布线接点位置的限制，具有传统局域网无法比较的灵活性，可以防止或减少以上情况的发生。,(4) 易于扩展。WLAN有多种配置方式，能够根据需要灵活选择。这样，WLAN就能胜任从只有几个用户的小型网络到上千用户的大型网络，并且能够提供像“漫游(Roaming)等有线网络无法提供的特性。(5) 传输速率高。WLAN的数据传输速率现在已经能够到达11 Mb/s，传输距离可远至20 km以上。应用到正交频分复用(OFDM)技术的WLAN，甚至可以到达54 Mb/s。,2. WLAN的拓扑结构WLAN有两种主要的拓扑结构，即自组织网络(也就是对等网络，即人们常称的Ad-Hoc网络)和根底结构网络(Infrastructure Network)，如图13.6和图13.7所示。,图13.6自组织网络,图13.7根底结构网络,13.7超宽带通信UWB,1 关于UWB 的定义,美国联邦通信委员会(FCC)给出的UWB的定义是：信号的相对带宽大于0.2或绝对带宽大于500 MHz。这里相对带宽的定义为， 绝对带宽的定义为,f,H,f,L,。 其中，,f,H,和,f,L,分别为系统的高端频点和低端频点(按10 dB计算)。窄带信号与UWB信号如图13.8所示。,图13.8窄带信号与UWB信号,FCC对UWB的各种用途及所占用的频段划分如下： 探地雷达：960 MHz，3.110.6 GHz。 墙内成像系统： 960 MHz，3.110.6 GHz。 穿墙成像系统： 960 MHz，1.99 GHz10.6 GHz。 监视系统：1.9910.6 GHz。 医疗成像系统：3.110.6 GHz。 室内通信系统：3.110.6 GHz。 手持设备间通信：3.110.6 GHz。 车载雷达系统：2229 GHz。,2. 超宽带的技术特点与传统通信系统相比，超宽带系统的工作原理迥异，并具有如下传统通信系统无法比较的技术特点：(1) 抗干扰性能强。(2) 时域分辨率高，可用于精确定位。(3) 传输速率高，UWB的数据速率可以到达几十Mb/s到几百Mb/s，有望高于蓝牙的100倍，也可以高于IEEE 802.11a和IEEE 802.11b。(4) 带宽极宽，可达几个GHz。,UWB的缺乏之处主要是占用的带宽很高，可能会干扰现有其他窄带无线通信系统，因此，UWB系统的频率许可问题一直在争论之中。另外，还有学者认为，尽管UWB系统发射的平均功率很低，但是由于其脉冲持续时间很短，因此瞬时功率峰值可能会很大，这甚至会影响到民航等许多系统的正常工作。尽管如此，学术界的种种争论并不影响UWB的开发和应用。2002年2月美国通信协会(FCC)批准了UWB用于短距离无线通信的申请。FCC对发射功率的限制如图13.9所示。室内和室外通信系统的频率范围为3.110.6 GHz，在这一频率范围内，等效各向同性发射功率 EIRP不能超过41.3 dBm/MHz。,图13.9FCC对UWB信号发射功率的限制,3. UWB的应用范围和当前的国内外研究进展情况,由于UWB具有强大的数据传输速率优势，同时受发射功率的限制，因此在短距离范围内提供高速无线数据传输将是UWB的重要应用领域。在军用方面，主要应用于UWB雷达、UWBLPI/D无线内通系统(预警机、舰船等)、战术手持和网络的PLI/D电台、警戒雷达、UAV/UGV数据链、探测地雷、检测地下埋藏的军事目标或以叶簇伪装的物体。民用方面主要包括以下3个方面：地质勘探及可穿透障碍物的传感器、汽车防冲撞传感器、家电设备及便携设备之间的无线数据通信等。,13.83G/4G1 3G的概念及其标准3G是3rd Generation 的缩写， 即第三代移动通信技术。3G是将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。它能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式， 提供包括网页浏览、 会议、电子商务等多种信息效劳。W-CDMA、CDMA2000 和TD-SCDMA 在2005 年国际电信联盟(ITU)的3G 技术指导性文件?2000 年国际移动通讯方案?中已被确定为3G的三大主流无线接口标准。,W-CDMA 即Wideband CDMA， 也称为CDMA Direct Spread， 意为宽频分码多重存取。这套系统能够架设在现有的GSM网络上，其支持者主要是欧美的爱立信、阿尔卡特、诺基亚、朗讯、北电， 以及日本的NTT、富士通、夏普等厂商。CDMA2000 也称为CDMA Multi-Carrier， 这套系统是由窄频CDMA One 数字标准衍生出来的， 从原有的CDMA One 结构直接升级到3 G，由美国高通北美公司为主导提出， 摩托罗拉、Lucent 和后来参加的韩国三星都有参与， 韩国现在成为该标准的主导者。TD-SCDMA是由中国大陆单独制定的3G 标准， 该标准将智能天线、同步CDMA 和软件无线电等当今国际领先技术融于其中， 在频谱利用率、对业务支持的灵活性、频率灵活性及本钱等方面具有独特优势。,2 三种技术标准的比较在三种技术标准中，W-CDMA的扩频码速率为3.84 Mchip/s，载波带宽为5 MHz；CDMA2000的扩频码速率为1.2288 Mchip/s，载波带宽为1.25 MHz。另外，W-CDMA的基站间同步是可选的，而CDMA200的基站间同步是必需的，因此需要全球定位系统(GPS)。以上两点是W-CDMA和CDMA2000的最主要区别。TD-WDMA的扩频码速率为1.28 Mchip/s，载波带宽为1.6 MHz，基站间必须同步，与其他两种技术相比采用了智能天线、联合检测、上行同步及动态信道分配、接力切换等技术，具有频谱使用灵活、频谱利用率高等特点，适于非对称数据业务。,此外，W-CDMA和CDMA2000都采用FDD模式，只有TD-WDMA采用TDD模式。FDD模式的特点是: 在别离的两个对称频率信道上，系统进行接收和发送，用频段来别离接收和传送信道；采用包交换等技术可突破第二代开展的瓶颈，实现高速数据业务，并可提高频谱利用率，增加系统容量。但FDD必须采用成对的频率，即在每25 MHz的带宽内提供第三代业务。该方式在支持对称业务时，能充分利用上下行的频谱，但在非对称的分组交换(互联网)工作时，频谱利用率那么大大降低。在这一点上，TDD模式有着FDD无法比较的优势。,3. 4 G的概念及其通信技术特点,目前，业界专业人士对4G移动通信系统的共识主要有以下几点：(1) 用户可以在任何地点、任何时间以任何方式不受限地接入到网络中来。(2) 移动终端可以是任何类型的。(3) 用户可以自由地选择业务、应用和网络。(4) 可以实现非常先进的移动电子商务。(5) 新的技术可以非常容易地被引入到系统和业务中来。,根据以上描述，未来的4G系统应具备以下根本条件：(1) 具有很高的数据传输速率。对于大范围高速移动用户(250km/h)，数据速率为2 Mb/s；对于中速移动用户(60km/h)，数据速率为20 Mb/s；对于低速移动用户(室内或步行者)，数据速率为100 Mb/s。(2) 实现真正的无缝漫游。4G 移动通信系统实现全球统一的标准，能使各类媒体、通信主机及网络之间进行“无缝连接，真正实现一部 在全球的任何地点都能进行通信。,(3) 高度智能化的网络。采用智能技术的4G 通信系统将是一个高度自治、自适应的网络。采用智能信号处理技术对各种复杂通信环境进行综合处理，有很强的智能性、适应性和灵活性。(4) 良好的覆盖性能。4G 通信系统应具有良好的覆盖性能，并能提供高速可变速率传输。对于室内环境，由于要提供高速传输，因此小区的半径会更小。,(5) 基于IP 的网络。4G通信系统将会采用IPv6，IPv6将能在IP 网络上实现话音和多媒体业务。(6) 实现不同QoS的业务。4G 通信系统通过动态带宽分配和调节发射功率来提供不同质量的业务。,4. 4G的关键技术,4G网络系统的关键技术如下：(1) OFDMA技术。未来无线多媒体业务既要求数据传输速率高，又要保证传输质量，这就要求所采用的调制解调技术有较高的信元速率及较长的码元周期。OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 技术正好满足这一需求。,OFDMA 是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，其主要思想就是在频域内将给定通道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各子载波并行传输，这样尽管总的通道是非平坦的，但每个子通道是相对平坦的，且在各子通道上进行的是窄带传输， 信号带宽小于信道带宽， 大大消除了信号波形间的干扰。OFDMA技术的最大优点是能对抗频率选择性衰落和窄带干扰，从而减小各子载波间的相互干扰，提高频谱利用率。,(2) 软件无线电。软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一通用硬件平台，利用软件加载方式来实现各类无线电通信的一种具有开放式结构的技术。该技术通过不同的软件程序，在硬件平台上实现在不同系统中利用单一终端漫游。其核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带A/D和D/A变换器，尽可能多地用软件来定义无线功能。其软件系统包括各类无线信令规那么与处理软件、信号流变换软件、调制解调算法软件、信道纠错编码软件、信源编码软件等。软件无线电技术主要涉及数字信号处理硬件(DSPH)、现场可编程器件(FPGA)、数字信号处理(DSP)等。,(3) 智能天线(SA)。智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪及数字波束调节等功能，被认为是未来移动通信的关键技术。智能天线成形波束可在空间域内抑制交互干扰，增强特殊范围内想要的信号，既能改善信号质量，又能增加传输容量。其根本原理是在无线基站端使用天线阵和相干无线收发信机来实现射频信号的收发，同时，通过基带数字信号处理器，对各天线链路上接收到的信号按一定算法进行合并，实现上行波束赋形。,目前，智能天线的工作方式主要有全自适应方式和基于预多波束的波束切换方式。全自适应智能天线虽然从理论上讲可以到达最优，但相对而言各种算法均存在所需数据量，计算量大，信道模型简单，收敛速度较慢，在某些情况下甚至可能出现错误收敛，实际通道条件下，当干扰较多、多径严重，特别是通道快速时变时，很难对某一用户进行实时跟踪。在基于预多波束的切换波束工作方式下，全空域被一些预先计算好的波束分割覆盖，各组权值对应的波束有不同的主瓣指向，相邻波束的主瓣间通常会有一些重叠，接收时的主要任务是挑选一个作为工作模式。与自适应方式相比，基于预多波束的波束切换方式显然更容易实现，是未来智能天线技术开展的方向。,(4) MIMO技术。MIMO是指在基站和移动终端都有多个天线。MIMO技术为系统提供空间复用增益和空间分集增益。空间复用是在接收端和发射端使用多副天线，充分利用空间传播中的多径分量，在同一频带上使用多个子信道发射信号，使容量随天线数量的增加而线性增加。空间分集有发射分集和接收分集两类。基于分集技术与信道编码技术的空时码可获得高的编码增益和分集增益，目前已成为该领域的研究热点。MIMO技术可提供很高的频谱利用率，且其空间分集可显著改善无线信道的性能，提高无线系统的容量及覆盖范围。,5. 4G网络系统的技术标准目前，4G系统以LTE(Long Term Evolution)、WiMAX及UMB三大标准为主。其中WiMAX(IEEE802.16)近年来在Intel的大力推广下颇受重视，尤其在ITU宣布批准WiMAX成为ITU移动无线标准后，更是成为了4G的主要标准；LTE在获得GSM协会的宣布支持下，加上美国电信业者AT&T及Verizon相继宣布4G采用此技术后，未来前景后势看涨；UMB(Ultra Mobile Broadband)那么由高通(Qualcomm)主推，本来认为在以CDMA为主的美国市场可望居于领先地位，但在Verizon宣布以LTE为主后，开展落于WiMAX及LTE之后。,13.9紫外光通信技术非直视紫外光通信基于大气散射，采用日盲区中紫外波段(200280 nm)光波进行通信传输，主要应用于短距离的、保密的通信，是常规通信的一种重要补充。紫外光技术很早就得到了开发和应用，如紫外光火灾侦测、紫外光制导、紫外光消毒技术等都被广泛应用于军事和民用领域，而利用紫外光进行通信那么是近些年来才开始应用的新技术。,紫外光波(UV，Ultraviolet)是一种电磁波，它的波长为10400 nm。紫外段光谱按照不同的划分方法可以分成多个区域，图13.10给出了按照三种不同分类方式的具体划分。由于紫外光随着波长的变化有不同的特征，因此通常被分为：近紫外NUV，400315 nm；中紫外MUV，315200 nm；远紫外FUV，200100 nm；超紫外EUV，10010 nm。波长小于200nm的紫外辐射由于强烈地被大气中的臭氧所吸收，因此只适用于真空条件下的研究与应用，被称为真空紫外(或称为VUV)；波长高于280 nm的波段由于有强的背景辐射，因此多数光学系统性能受到限制；波长低于200 nm的波段有氧气分子的强吸收作用，会导致传输严重受限，在大气中无法进行通信。因此，紫外光通信通常指利用中紫外波段(200280 nm)进行通信。,图13.10紫外段光谱分布图,对于波长位于200280 nm波段，太阳辐射被大气平流层的臭氧层强烈吸收，因此在这个波段对流层(尤其是近地) 内太阳背景低于1013 W/m2 ，远远低于可见光和近紫外段，通常被称做“日盲区；对于波长超过280nm的波段，太阳背景辐射很强，通信系统工作时存在背景光的干扰；对于波长短于200 nm的波段，吸收作用显著增强，在大气中的传输距离非常有限，仅适合在真空中工作。对流层内“日盲区的低背景使得利用“日盲区工作的接收机只要接收到较少的紫外光子就可以获得较高信噪比的接收信号。此外，较短波长的紫外光在大气传输过程中散射作用很强，可以有效地实现“非直视(NLOS) 通信，因而具有“低的位置探测率和“全方位性和地形适应性等工作特点。,1. 紫外光通信的特点紫外光通信是以大气散射和吸收为根底，利用中紫外波段的紫外光进行的通信。与常规通信方式相比，紫外光通信有其独有的优点：(1) 数据传输的保密性高。由于大气的强吸收作用，系统辐射的紫外光通信信号的强度按指数规律衰减，这种强度衰减是距离的函数。因此，可根据通信距离的要求来调整系统的辐射功率，使其在通信范围之外的辐射功率减至最小，提高传输保密性。(2) 系统抗干扰能力强。紫外光传输的优点之一是系统的辐射功率可根据通信距离要求而减至最小，因此，常规的无线电设备很难干扰远方站台的紫外光通信信号。,(3) 可用于非直视通信。由于大气中存在大量粒子，因此紫外辐射在传输过程中存在较大的散射现象，这种散射特性使紫外光通信系统能以非直视方式(NLOS，Non-Line Of Sight)传输信号，从而能适应复杂的地形环境，克服了其他自由空间光通信系统必须工作在可视距方式(LOS，Line Of Sight)的弱点。(4) 无需ATP(Acquisition Tracking and Pointing)跟踪。采用紫外光通信既克服了有线通信需要铺设电缆的缺点，节省了收放电缆所需的时间，又克服了无线通信易被监听的弱点，还大大减少了通信设备和线路开设及撤除的时间。,紫外光通信属于非视距通信。因为紫外光散射在大气层中，所以可用于12 km的非视距通信。如果采用聚光方式，那么定向视距通信距离可达510 km。目前，紫外光大气信道模型的研究主要采用1990年Luegtten等人提出的非直视单散射信道模型，如图13.11所示。,图13.11NLOS紫外光通信系统示意图,2. 紫外光通信原理紫外光通信是基于大气散射和吸收的无线光通信技术。分子(颗粒)的强吸收作用使得在近地面太阳光没有紫外光波段，属于日盲区，从而减少了对紫外发射光源的干扰。大气分子和悬浮颗粒的强散射作用又为紫外光通信奠定了根底。紫外光通信的根本原理是：以紫外光日盲区的光谱为载波，信息电信号调制加载在该紫外光上，通信系统的发射端和接收端通过初定位和调整，然后以自由空间和大气为信道来传输信息。,紫外光通信与其他传统的通信方式相比更加隐秘，需要的发射功率大大降低，在通信范围以外很难被截获，非常适用于距离短、带宽窄、能量受限的无人监管的小型地对地传感系统。通常在这种小型传感系统中，蜂窝及其他商用通信受限，无法完成可靠传输或根本无法实现传输。,3. 紫外光通信系统的应用紫外光通信系统可用于现代战争的海陆空作战中，其主要应用有以下几个方面。(1) 用于一个按编队超低空飞行的直升飞机小队。 他们可以不受昼夜限制地用紫外光进行内部通信。直升机驾驶员知道他们的通信不会被敌人探测，故可向他们的地勤人员直接传送话音和数据。使用紫外光通信系统的每架飞机都装备有一套收发信机，发射机以水平方向辐射光信号，收信机那么面朝天安装，以收集散射到它的视野区内的紫外光信号。假设采用这种系统方案，那么全小队的飞机都可收到相同的通信信号。此外，还有一种方案是在这种方案的根底上引申出来的，可用于与地面部队通信。,(2) 用于地形复杂地区巡逻的小分队。在地形复杂地区巡逻的小分队，如果视距通信实现不了，那么也可以用紫外光通信系统传递秘密信息，以协调地面行动。,(3) 用于常规作战。在常规战术中，紫外光通信系统也可用于通信方舱之间的近距离数据通信支援(现在都采用电缆通信)，这种新的紫外光通信将减轻后勤部的电缆负担和节省收放电缆需要的时间，方舱到方舱的紫外光通信线路将大大减少通信设备和线路的开设及撤除时间。方舱之间采用紫外光通信方案类似于直升飞机的应用方案。发射系统按水平方向从每个方舱辐射紫外光，接收机那么朝天收集紫外光信号。另一种方案是在每个方舱配两套收发信机进行定向通信，但每条数据线路仍然以非视距方式通信，以克服方舱之间树木等障碍物的影响。与散射相比，定向辐射能大大增强通信对方接收机处的信号强度，用这种空间隔离法可建立两个方舱之间的通信信道，多信道通信那么要通过空间分集来实现。,(4) 用于航母飞行甲板通信系统。 像其他紫外光通信方式一样，航母飞行甲板通信系统将同时沟通航母通信系统与所有飞机之间的通信，其光发射机安装在航母的舰桥上，以水平方式向甲板辐射紫外光信号，每架飞机上装有一台小型轻便接收机，面朝天安装，以收集散射在大气层中的脉冲编码惯性导航数据。光发射机发出的紫外光具有散射和同播特性，能照射整个飞行甲板，这样飞机可以自由移动，并能同时接收数据。此外，紫外光技术还可用于改进舰载飞机的惯性导航系统。当舰队必须保持无线电静默时，可用紫外光通信系统来提供舰船之间的近距离通信。,习题13-1什么是个人通信系统PCN？PCN的特点是什么？13-2简述ATM的交换原理。“异步传输模式的名称由来是什么？13-3简述卫星通信及其特点。13-4什么是软件无线电技术？13-5无线局域网WLAN的主要协议有哪些？简述这些协议的特点及其应用。,13-6什么是蓝牙？与WLAN有何区别？13-7什么是超宽带通信UWB？超宽带的带宽定义是什么？13-8什么是3G? 其主要标准有哪些？简述这些标准的特点。13-9什么是4G? 为什么要提出4G？4G的关键技术有哪些？13-10简述紫外光通信技术的特点及应用。,