無線通訊原理及其應(yīng)用課程簡介課程目標(biāo)掌握無線通信基礎(chǔ)原理主要內(nèi)容信號調(diào)制解調(diào)、多址接入、蜂窩網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)成果第一章：無線通信基礎(chǔ)電磁波傳播無線通信的物理基礎(chǔ)信號特性振幅、頻率、相位的基本概念無線信道信號傳輸?shù)拿浇榕c影響因素?zé)o線通信發(fā)展歷史11895年馬可尼發(fā)明無線電報21940年代雷達(dá)技術(shù)與移動電話概念31980年代1G模擬蜂窩網(wǎng)絡(luò)41990年代2G數(shù)字移動通信52000年后3G、4G、5G技術(shù)迭代無線通信系統(tǒng)組成發(fā)射端信源編碼信道編碼調(diào)制功率放大傳輸媒介無線信道大氣層空間接收端信號接收解調(diào)信道解碼信源解碼無線通信特點靈活性無需物理連接，移動性強(qiáng)開放性信號在空間傳播，覆蓋范圍廣易受干擾環(huán)境因素影響信號質(zhì)量安全性挑戰(zhàn)信號易被截獲，需加密保護(hù)無線電波傳播直射波視距傳播，衰減最小反射波遇障礙物反射，改變方向折射波穿過介質(zhì)，方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)散射波遇不規(guī)則表面分散傳播繞射波繞過障礙物繼續(xù)傳播電磁波基本性質(zhì)3×10?m/s傳播速度真空中的光速λ=c/f波長與頻率波長與頻率成反比E⊥H垂直場電場與磁場相互垂直無線信道特性噪聲熱噪聲、干擾噪聲衰減路徑損耗、陰影衰落多徑效應(yīng)信號通過多條路徑傳播多普勒效應(yīng)相對運動導(dǎo)致頻率偏移路徑損耗模型距離(km)自由空間城市環(huán)境室內(nèi)多徑效應(yīng)多徑傳播現(xiàn)象電磁波通過多條路徑同時到達(dá)接收端直射路徑反射路徑繞射路徑散射路徑多徑效應(yīng)影響不同路徑信號疊加，導(dǎo)致接收信號強(qiáng)度變化幅度衰落相位偏移時延擴(kuò)展符號間干擾多普勒效應(yīng)第二章：調(diào)制與解調(diào)技術(shù)調(diào)制目的提高傳輸效率適應(yīng)信道特性減少天線尺寸實現(xiàn)頻分復(fù)用調(diào)制分類模擬調(diào)制數(shù)字調(diào)制脈沖調(diào)制解調(diào)技術(shù)相干解調(diào)非相干解調(diào)差分解調(diào)模擬調(diào)制技術(shù)基帶信號原始信息信號載波信號高頻正弦波，傳輸媒介調(diào)制過程基帶信號調(diào)控載波參數(shù)解調(diào)過程從已調(diào)信號中提取原始信息調(diào)幅（AM）基本原理用基帶信號控制載波振幅S(t)=A[1+m·f(t)]cos(ωct)調(diào)制深度m影響調(diào)制效果過調(diào)制會導(dǎo)致嚴(yán)重失真特點分析實現(xiàn)簡單功率效率低抗干擾能力弱帶寬要求低廣泛應(yīng)用于廣播調(diào)頻（FM）基本原理基帶信號調(diào)控載波頻率主要應(yīng)用FM廣播、無線麥克風(fēng)優(yōu)點抗噪性能好，音質(zhì)高缺點帶寬要求高，系統(tǒng)復(fù)雜調(diào)相（PM）原理基帶信號調(diào)控載波相位表達(dá)式S(t)=Acos[ωct+kp·m(t)]與FM關(guān)系數(shù)學(xué)表達(dá)式相似，物理意義不同特點抗干擾能力強(qiáng)，實現(xiàn)較復(fù)雜應(yīng)用衛(wèi)星通信，專業(yè)無線電設(shè)備數(shù)字調(diào)制技術(shù)基帶編碼數(shù)字序列轉(zhuǎn)換為基帶信號數(shù)字調(diào)制基帶信號映射到載波帶寬效率比特/符號/赫茲功率效率抗噪聲能力幅移鍵控（ASK）2典型調(diào)制階數(shù)二進(jìn)制ASK最為常見1調(diào)制維度僅調(diào)制載波幅度低頻譜效率每符號僅傳輸1比特頻移鍵控（FSK）頻譜效率(bit/Hz)抗干擾能力相移鍵控（PSK）正交振幅調(diào)制（QAM）QAM基本原理同時調(diào)制載波的幅度和相位利用同相和正交載波將數(shù)字比特映射到星座點每個星座點表示多個比特常見QAM階數(shù)4QAM（等同于QPSK）16QAM（每符號4比特）64QAM（每符號6比特）256QAM（每符號8比特）1024QAM（每符號10比特）第三章：多址接入技術(shù)多址接入多用戶共享有限無線資源頻譜資源頻率、時間、空間、碼片接入方法FDMA、TDMA、CDMA、SDMA、OFDMA頻分多址（FDMA）工作原理將頻譜分為多個頻段每用戶獨占一個頻段用戶間不會相互干擾技術(shù)特點實現(xiàn)簡單無需嚴(yán)格同步頻譜利用率較低難以適應(yīng)突發(fā)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)模擬蜂窩系統(tǒng)(1G)衛(wèi)星通信有線電視系統(tǒng)時分多址（TDMA）時間分割劃分時隙，輪流使用全部帶寬嚴(yán)格同步需精確時間同步避免沖突幀結(jié)構(gòu)包含多個時隙與控制信息應(yīng)用系統(tǒng)GSM、DECT、TETRA碼分多址（CDMA）擴(kuò)頻技術(shù)基礎(chǔ)利用偽隨機(jī)碼序列擴(kuò)展信號帶寬直接序列擴(kuò)頻(DS-SS)跳頻擴(kuò)頻(FH-SS)大幅增加信號帶寬CDMA特點頻譜利用率高抗干擾能力強(qiáng)保密性好近遠(yuǎn)效應(yīng)問題軟容量特性空分多址（SDMA）波束形成形成定向輻射波束智能天線自適應(yīng)調(diào)整波束方向MIMO技術(shù)多天線收發(fā)增強(qiáng)性能正交頻分多址（OFDMA）OFDM基礎(chǔ)正交子載波高效傳輸資源塊時頻資源靈活分配子載波分配按用戶需求動態(tài)分配系統(tǒng)應(yīng)用4G/5G、WiFi、WiMAX第四章：天線技術(shù)天線作用電磁波與電信號轉(zhuǎn)換橋梁性能指標(biāo)增益、方向性、阻抗、帶寬輻射特性輻射方向圖決定覆蓋范圍先進(jìn)技術(shù)天線陣列、智能天線、大規(guī)模MIMO天線基本參數(shù)增益(dBi)波束寬度(°)常見天線類型智能天線技術(shù)切換波束天線預(yù)設(shè)多個固定波束方向結(jié)構(gòu)簡單效果有限適用于低復(fù)雜度場景自適應(yīng)天線陣列根據(jù)信號特性動態(tài)調(diào)整波束跟蹤用戶移動自動抑制干擾提高信噪比增加系統(tǒng)容量MIMO技術(shù)空間復(fù)用多數(shù)據(jù)流并行傳輸空時編碼增加傳輸可靠性波束成形提高信號定向性大規(guī)模MIMO數(shù)十至數(shù)百天線協(xié)同第五章：蜂窩移動通信系統(tǒng)×100頻率復(fù)用系統(tǒng)容量顯著提升1978首個蜂窩系統(tǒng)AMPS在美國芝加哥建立1G→5G技術(shù)演進(jìn)約10年一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無線接入網(wǎng)基站、控制器、天線系統(tǒng)核心網(wǎng)交換、路由、用戶數(shù)據(jù)管理網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)運維、優(yōu)化、計費管理用戶終端手機(jī)、數(shù)據(jù)卡、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備頻率復(fù)用復(fù)用簇N個小區(qū)使用全部頻段一次復(fù)用因子典型值：3、4、7、12干擾控制同頻小區(qū)間距離最大化容量與質(zhì)量復(fù)用因子小容量大，干擾增加切換技術(shù)測量階段終端測量周圍小區(qū)信號強(qiáng)度切換決策網(wǎng)絡(luò)確定最佳目標(biāo)小區(qū)切換執(zhí)行資源分配與連接切換切換完成釋放原小區(qū)資源移動性管理位置更新周期性更新越區(qū)更新基于距離更新尋呼尋呼區(qū)域規(guī)劃廣播尋呼消息終端響應(yīng)路由選擇歸屬網(wǎng)絡(luò)訪問網(wǎng)絡(luò)路由優(yōu)化第六章：無線局域網(wǎng)技術(shù)11997年IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)21999年802.11a/b高速WLAN32003年802.11g普及54Mbps速率42009年802.11nMIMO技術(shù)52013年802.11ac千兆WiFi62019年802.11ax（WiFi6）Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基本服務(wù)集(BSS)單一AP與多個站點基礎(chǔ)架構(gòu)模式覆蓋范圍有限典型家庭/小型辦公室擴(kuò)展服務(wù)集(ESS)多個BSS通過分布式系統(tǒng)連接實現(xiàn)無縫漫游擴(kuò)大覆蓋范圍適用于企業(yè)/校園Wi-Fi安全機(jī)制WPA3最新安全標(biāo)準(zhǔn)WPA2AES加密WPATKIP動態(tài)密鑰WEP早期安全機(jī)制第七章：藍(lán)牙技術(shù)1994年愛立信公司開始開發(fā)1998年藍(lán)牙特別興趣小組成立2002年藍(lán)牙1.1版本廣泛應(yīng)用2010年藍(lán)牙4.0引入低功耗技術(shù)52016年藍(lán)牙5.0提升速率和范圍藍(lán)牙協(xié)議棧應(yīng)用層用戶接口與應(yīng)用協(xié)議中間層L2CAP、SDP、RFCOMM基帶層鏈路控制、包處理4射頻層收發(fā)模塊、2.4GHzISM頻段藍(lán)牙組網(wǎng)單主設(shè)備一個主設(shè)備多個從設(shè)備微微網(wǎng)最多8個活躍設(shè)備散射網(wǎng)多個微微網(wǎng)互聯(lián)3網(wǎng)狀網(wǎng)BLE5.0新特性低功耗藍(lán)牙（BLE）超低功耗紐扣電池可工作數(shù)月至數(shù)年快速連接毫秒級連接建立時間小數(shù)據(jù)包優(yōu)化短數(shù)據(jù)傳輸效率廣泛應(yīng)用穿戴設(shè)備、智能家居、健康監(jiān)測第八章：物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)短距離技術(shù)藍(lán)牙、ZigBee、Wi-Fi中距離技術(shù)LoRa、SigFox廣域網(wǎng)技術(shù)NB-IoT、eMTC、5GZigBee技術(shù)ZigBee特點低功耗低成本低復(fù)雜度低速率(250kbps)自組織網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫切途W(wǎng)絡(luò)樹狀網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)混合拓?fù)銵oRa技術(shù)10km+覆蓋范圍典型市區(qū)覆蓋半徑10年電池壽命超低功耗設(shè)計0.3-50kbps數(shù)據(jù)速率根據(jù)距離和應(yīng)用調(diào)整NB-IoT技術(shù)蜂窩技術(shù)基于現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)部署部署模式獨立、保護(hù)帶、帶內(nèi)三種數(shù)據(jù)速率上行約25kbps，下行約50kbps應(yīng)用場景水表、燃?xì)獗怼⑼＼噦鞲衅鞯诰耪拢?G移動通信技術(shù)4G5G5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)服務(wù)化架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)功能靈活組合1控制與用戶分離控制平面與用戶平面獨立網(wǎng)絡(luò)切片邏輯獨立的端到端網(wǎng)絡(luò)3邊緣計算網(wǎng)絡(luò)邊緣提供計算能力5G關(guān)鍵技術(shù)毫米波高頻段大帶寬大規(guī)模MIMO百級天線陣列超密集組網(wǎng)小基站密集部署新型多址接入NOMA、SCMA等5G應(yīng)用場景增強(qiáng)移動寬帶高清視頻、AR/VR、云游戲超可靠低時延自動駕駛、工業(yè)控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)智慧城市、環(huán)境監(jiān)測、能源管理第十章：無線通信未來發(fā)展更高頻段太赫茲通信空天一體網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星、無人機(jī)、地面協(xié)同覆蓋先進(jìn)編碼調(diào)制接近香農(nóng)極限智能無線網(wǎng)絡(luò)AI驅(qū)動自優(yōu)化6G愿景1Tbps峰值速率比5G高出100倍微秒級時延觸覺互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)三維全息通信沉浸式體驗無線供能通信與能量傳輸融合太赫茲通信頻段特點0.1-10THz頻段超寬帶寬高速率高方向性安全性好技術(shù)挑戰(zhàn)高衰減