现代通信概论现代通信概论电子信息工程学院电子信息工程学院霍炎霍炎 第第8章章 无线通信系统无线通信系统8.1 无线通信概述无线通信概述8.2 无线信道的传播机制无线信道的传播机制8.3 无线信道的描述无线信道的描述8.4 分集与合并分集与合并8.5 扩频系统扩频系统28.1 无线通信概述无线通信概述无无线线通通信信是是利利用用电电磁磁波波信信号号可可以以在在空空中中传传播播的的特特性性进进行行信信息息交交换的一种换的一种通信通信方式。方式。利利用用无无线线通通信信方方式式把把信信息息从从一一地地传传送送到到另另一一地地所所用用的的所所有有设设备备的总和称为无线通信系统。的总和称为无线通信系统。38.1.1 无线通信的频谱无线通信的频谱48.1.2 无线通信的链路无线通信的链路58.1.3 无线通信发展历程无线通信发展历程1820年年，丹丹麦麦物物理理学学家家奥奥斯斯特特发发现现，金金属属导导线线中中有有电电流流通通过过时时，附附近近的的磁磁针针便便会会发发生生偏偏转转。学学徒徒出出身身的的英英国国物物理理学学家家法法拉拉第第指指出，奥斯特的实验证明了出，奥斯特的实验证明了“电能生磁电能生磁”。1864年，麦克斯韦预言电磁波存在，建立了麦克斯韦方程组。年，麦克斯韦预言电磁波存在，建立了麦克斯韦方程组。1887年年，德德国国人人赫赫兹兹透透过过闪闪炼炼的的水水花花，第第一一次次证证实实电电磁磁波波的的存存在，设计出了世界上第一副无线电天线。在，设计出了世界上第一副无线电天线。1895年年5月月7日日，波波波波夫夫发发明明的的无无线线电电接接收收机机。联联政政府府把把5月月7日日定为定为“ 无线电发明日无线电发明日”。1896年年6月月，21岁岁的的意意大大利利青青年年马马可可尼尼发发明明无无线线电电收收报报机机，并并在在英国取得专利。当时通信距离只有英国取得专利。当时通信距离只有30米。米。68.1.3 无线通信发展历程无线通信发展历程 (续续)1920年，调幅无线电广播年，调幅无线电广播1924年，移动无线电话年，移动无线电话1931年，世界上第一条微波线路年，世界上第一条微波线路1936年，调频无线电广播年，调频无线电广播1938年，电视广播年，电视广播1948年，香农提出信息论，建立了通信统计理论年，香农提出信息论，建立了通信统计理论1955年，世界第一条对流层散射通信线路，全长年，世界第一条对流层散射通信线路，全长2600公里公里1968年，年，150 兆赫移动通信频段上首先开通模拟寻呼系统兆赫移动通信频段上首先开通模拟寻呼系统1969年年，阿阿波波罗罗11号号登登月月，用用无无线线电电话话与与地地球球通通信信，并并成成功功地地实实现了月面电视中继现了月面电视中继78.1.3 无线通信发展历程无线通信发展历程 (续续)1971年，夏威夷大学，无线分组网络年，夏威夷大学，无线分组网络ALOHA NET1983年年，贝贝尔尔试试验验室室研研制制成成功功模模拟拟蜂蜂窝窝系系统统-先先进进移移动动电电话话系系统统(AMPS) 在芝加哥出现在芝加哥出现1989年，美国发射了第一颗全球定位系统年，美国发射了第一颗全球定位系统(GPS)工作卫星工作卫星1991年年7 月，泛欧数字移动通信网月，泛欧数字移动通信网(GSM)开始投入商用开始投入商用1995年年9 月，世界上第一个商用月，世界上第一个商用CDMA系统在香港投入使用系统在香港投入使用2001年年10月月，日日本本NTT、DoCoMo推推出出宽宽带带码码分分多多址址(WCDMA) 商用移动网络商用移动网络2008年年4 月月中中国国TD-SCDMA在在北北京京等等8个个城城市市，正正式式启启动动社社会会化化业务测试和试商用工作业务测试和试商用工作88.1.4 无线通信分类无线通信分类BluetoothS-UMTSSatelliteBroadbandSDHDVB-TDABGSMGPRS/EDGEDECTIRUMTSSatellite/HAPSBroadcastingCellular mobileIndoorDVB-SWireless Local LoopBody LANsPersonalArea NetworksUMTS +Local Area NetworksRFIDUWBMicrowaveDVB-HBroadbandW-LANCDMAGSM-RxMDSTETRAZigbee98.1.4 无线通信分类无线通信分类108.1.5 无线通信面临的挑战无线通信面临的挑战更高的传输速率更高的传输速率Internet网络发展迅速多媒体综合业务增加118.1.5 无线通信面临的挑战无线通信面临的挑战 (续续)恶劣的传输环境恶劣的传输环境128.1.5 无线通信面临的挑战无线通信面临的挑战 (续续)有限的频谱资源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无线作为接入手段与有线网有很大的差距138.1.5 无线通信面临的挑战无线通信面临的挑战 (续续)覆盖和频率的关系覆盖和频率的关系自由空间损耗自由空间损耗148.1.5 无线通信面临的挑战无线通信面临的挑战 (续续)p低发射功率低发射功率n下一代无线通信系统的要求下一代无线通信系统的要求p信息速率高达信息速率高达100Mbps1Gbpsp工作频率提高到工作频率提高到5GHz 或更高或更高n传统传输方式无法满足传统传输方式无法满足p2GHz 、2MbpsGSM 基站基站43dbm(19-20w)，手机手机2wCDMA 基站基站38dbm(6-7w) ，手机手机0.2wp5GHz 、100Mbps基站基站30W？158.2 无线信道的传播机制无线信道的传播机制直射直射 反射反射 透射透射 绕射绕射 散射散射16直射直射定定义义：电电磁磁波波的的直直射射传传播播( 又又称称视视距距传传播播) 是是指指发发射射机机发发射射的的电电磁波直接传播到无线通信接收机。磁波直接传播到无线通信接收机。自由空间传播损耗自由空间传播损耗 应用应用 卫星通信卫星通信卫星通信卫星通信 微波通信微波通信微波通信微波通信 移动通信移动通信移动通信移动通信17反射与透射反射与透射定义定义 反射：发射机发射的电磁波，入射到比载波波长大的平面上，反射反射：发射机发射的电磁波，入射到比载波波长大的平面上，反射反射：发射机发射的电磁波，入射到比载波波长大的平面上，反射反射：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。出来的电磁波再被无线通信接收机的天线接收。出来的电磁波再被无线通信接收机的天线接收。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。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。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。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。地面反射模型地面反射模型 (多径的接收叠加场强多径的接收叠加场强)应用应用 短波通信短波通信短波通信短波通信 流星余际远距离传输流星余际远距离传输流星余际远距离传输流星余际远距离传输 室内接收室内接收室内接收室内接收18绕射绕射定定义义：无无线线通通信信发发射射机机发发射射的的电电磁磁波波，照照射射到到物物体体的的不不规规则则突突出出表表面面的的边边缘缘 (如如：房房顶顶的的边边缘缘、窗窗户户的的四四角角等等)，再传播到无线通信接收机的天线处。再传播到无线通信接收机的天线处。单屏绕射与多屏绕射单屏绕射与多屏绕射菲涅尔环带与布林顿方法菲涅尔环带与布林顿方法应用应用 广播广播广播广播 通信通信通信通信19散射散射定定义义：发发射射机机发发射射的的电电磁磁波波，照照射射到到比比载载波波波波长长小小的的物物体体上上(如如：路路灯灯、树树叶叶、交交通通标标志志等等)，反反射射出出多多路路不不同同的的较较弱弱的的电电磁波，再传播到无线通信接收机的天线处。磁波，再传播到无线通信接收机的天线处。Kirchhoff理论理论 与与 微扰理论微扰理论应用应用 散射通信散射通信散射通信散射通信208.3 无线信道的描述无线信道的描述大尺度衰落与小尺度衰落大尺度衰落与小尺度衰落慢衰落与快衰落慢衰落与快衰落平衰落与选择性衰落平衰落与选择性衰落无线电波的传播损耗无线电波的传播损耗传播失真传播失真多径传播与多径效应多径传播与多径效应多普勒谱多普勒谱21大尺度衰落与小尺度衰落大尺度衰落与小尺度衰落信信号号传传播播可可能能经经历历反反射射、衍衍射射和和散散射射等等，接接收收信信号号通通常常是是多多径径信信号号。随随着着发发射射机机和和接接收收机机距距离离的的增增大大，接接收收信信号号的的损损耗耗是是十十分分明明显显的的。这这种种信信号号损损失失表表现现为为在在某一小区域内接收信号平均值的下降。某一小区域内接收信号平均值的下降。预预测测这这种种信信号号平平均均值值下下降降的的模模型型叫叫做做Large-Scale 模模型型(大尺度衰落大尺度衰落)。由由于于多多径径信信号号相相干干叠叠加加引引起起的的衰衰落落称称为为小小尺尺度度衰衰落落，预测模型称为预测模型称为Small-Scale模型。模型。22大尺度衰落与小尺度衰落大尺度衰落与小尺度衰落 (续续)23影响小尺度衰落的因素影响小尺度衰落的因素多多径径传传播播：MS收收到到的的信信号号是是来来自自很很多多途途径径信信号号的的叠叠加加。多多径径信信号号具具有有随随机机分分布布的的幅幅度度、相相位位和和入入射射角角度度。多多径径信信号号在接收天线处合并，相位抵消会产生衰落。在接收天线处合并，相位抵消会产生衰落。移移动动台台的的运运动动速速度度：MS高高速速移移动动情情况况下下或或多多径径环环境境迅迅速速变变化时，化时， 产生产生Doppler效应。效应。环环境境物物体体的的运运动动速速度度：环环境境物物体体以以大大于于移移动动台台的的速速度度运运动动，该运动对小尺度衰落起决定性作用。该运动对小尺度衰落起决定性作用。信信号号的的传传输输带带宽宽：无无线线信信号号的的传传输输带带宽宽大大于于多多径径信信道道带带宽宽时，接收信号失真，但是接收信号的强度不会衰落很多。时，接收信号失真，但是接收信号的强度不会衰落很多。24慢衰落与快衰落慢衰落与快衰落慢慢衰衰落落是是指指接接收收信信号号的的场场强强局局部部中中值值在在长长时时间间内内缓缓慢慢变化。变化。快快衰衰落落是是指指接接收收信信号号电电平平快快速速随随机机变变化化，其其变变化化范范围围可达到数十可达到数十dB。实实际际上上，信信号号的的快快衰衰落落与与慢慢衰衰落落兼兼而而有有之之，快快衰衰落落往往往叠加在慢衰落之上。往叠加在慢衰落之上。在在短短时时间间内内观观测测时时，慢慢衰衰落落不不易易被被察察觉觉，而而快快衰衰落落则则表现明显。表现明显。25平衰落与选择性衰落平衰落与选择性衰落平平衰衰落落是是指指发发射射信信号号的的频频谱谱特特性性在在接接收收机机内内仍仍能能保保持持不不变的衰落。变的衰落。选选择择性性衰衰落落是是指指发发射射信信号号的的频频谱谱特特性性在在接接收收机机内内发发生生了了畸变的衰落畸变的衰落26无线电波的传播损耗无线电波的传播损耗无无线线信信道道发发射射天天线线输输入入功功率率为为pt，接接收收天天线线输输出出功功率率为为pr，在满足匹配条件下，二者之比即为该电路的传播损耗，在满足匹配条件下，二者之比即为该电路的传播损耗L。传传播播损损耗耗反反映映了了在在公公里里量量级级的的空空间间距距离离内内，信信号号电电平平的的衰减。若用衰减。若用dB表示为表示为其其中中：d为为传传播播距距离离(m)，为为自自由由空空间间内内电电波波的的波波长长(m)，A为为电电磁磁场场的的衰衰减减因因子子，Gt为为发发射射天天线线增增益益，Gr为为接接收收天天线线增益。增益。27传播失真传播失真传传输输信信号号的的无无线线电电波波的的各各个个不不同同的的频频率率分分量量，以以不不同同的的相相速速度度和和不不同同的的衰衰减减常常数数传传播播，会会使使其其各各不不同同频频率率分分量量的幅、相关系随传播距离的增加而连续变化的幅、相关系随传播距离的增加而连续变化这这种种变变化化对对模模拟拟信信号号而而言言是是信信号号波波形形的的畸畸变变，对对数数字字信信号而言是误码率的上升。号而言是误码率的上升。28多径传播与多径效应多径传播与多径效应到到达达移移动动台台的的信信号号来来自自不不同同传传播播路路径径的的信信号号之之和和，不不同同相相位位的的多多个个信信号号在在接接收收端端迭迭加加，有有时时迭迭加加而而加加强强(相相位位相相同同)，有有时时迭迭加加而而减减弱弱(相相位位相相反反)。接接收收信信号号的的幅幅度度将将急急剧剧变变化化，即即产产生生了了衰衰落落。这种衰落是由多径传播引起的，所以称为多径衰落。这种衰落是由多径传播引起的，所以称为多径衰落。29多径传播的影响多径传播的影响短距离或短时间内信号强度的快速变换；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；多径传播造成时延扩展；各各多多径径信信号号具具有有不不同同的的多多普普勒勒频频移移，造造成成随随机机调频；调频；30多普勒谱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 31多普勒谱多普勒谱 (续续)来自不同角度的波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32