《补充：无线通信网》课件

补充无线通信网本课程面向高等院校通信专业学生，系统性补充无线通信网络的核心知识我们将从基础概念出发，深入探讨无线通信技术的发展历程、关键技术原理、标准化进程，以及在各个领域的实际应用无线通信基础概述无线通信定义与有线通信对比利用电磁波在自由空间传播实具有移动性强、部署灵活、覆现信息传输的通信方式，无需盖范围广等优势，但面临信道物理连接介质衰落和干扰挑战日常应用场景手机通话、无线上网、蓝牙耳机、导航等已成为现代生活不可或GPS缺的部分无线通信发展历程1世纪末期19马可尼发明无线电报，开启无线通信时代，实现跨越大西洋的无线电通信2时代1G-2G从模拟蜂窝系统到数字网络，实现语音通信的数字化转换GSM3发展3G-4G支持多媒体业务和高速数据传输，移动互联网应用爆发式增长4新时代5G主要无线通信技术分类蜂窝移动通信卫星通信无线局域网与短距离通信采用蜂窝网络结构，支持大范围移动通利用卫星作为中继站实现远距离通信，包括、蓝牙、等技术，主Wi-Fi ZigBee信服务包括、、和特别适用于海洋、沙漠等地面网络无法要用于局域范围内的设备互联和数据传GSM UMTSLTE5G等技术标准，是公众移动通信的主要覆盖的区域输NR形式全球覆盖能力•成本相对较低••广域覆盖能力强不受地形限制•功耗控制灵活••支持高速移动•应急通信保障•标准化程度高频谱资源与分配低频段中频段，传播距离远，穿透，覆盖与容量平衡，是30MHz-300MHz300MHz-3GHz能力强，主要用于广播和专用通信蜂窝通信的主要频段毫米波高频段以上，带宽极大但传播特性受，容量大但传播损耗高，30GHz3GHz-30GHz限，是和未来的重要频段适用于高密度短距离通信5G6G无线信道特性多路径效应信号经不同路径到达接收端，产生时延扩散和频率选择性衰落在城市环境中，建筑物反射导致的多路径效应尤为明显，需要通过均衡技术进行补偿路径损耗信号功率随传播距离增加而衰减，遵循自由空间损耗模型在实际环境中，地形、建筑物等因素会进一步增加传播损耗，影响通信质量和覆盖范围阴影效应大型障碍物遮挡导致的慢衰落现象，具有对数正态分布特性城市峡谷效应和室内穿透损耗是典型的阴影衰落场景，需要通过功率控制进行补偿干扰与噪声基带与调制技术基带信号处理基础调制方式高阶调制数字信号的编码、成、、分、等ASK FSKPSK16QAM64QAM形和预处理，为调制别利用幅度、频率和同时调制幅度和相过程做准备包括信相位携带信息这些位，显著提高频谱效道编码、交织和扰码基本调制方式具有实率在信噪比较高的等步骤，提高传输可现简单、抗干扰能力场景下，可实现更高靠性强的特点的数据传输速率技术OFDM多址接入技术频分多址FDMA不同用户占用不同频率信道，结构简单但频谱利用率相对较低时分多址TDMA用户按时隙分享同一频率，提高了频谱效率，广泛应用于系统2G码分多址CDMA通过扩频码区分用户，具有软容量特性和良好的抗干扰能力正交频分多址OFDMA将与多址技术结合，是和的核心接入技术OFDM4G LTE5G NR蜂窝移动通信原理蜂窝结构设计频率复用将服务区域划分为六边形小区，每个小相同频率可在足够远的小区重复使用，区由一个基站覆盖，形成类似蜂巢的网大幅提高频谱利用效率，是蜂窝通信的络拓扑结构核心思想移动性管理切换管理网络实时跟踪用户位置，实现呼叫路由移动终端在小区间移动时自动切换连和资源分配，确保移动用户能够随时接接，保证通信连续性，包括硬切换和软入网络服务切换两种方式蜂窝网络架构宏蜂窝基站覆盖半径几公里到几十公里，提供广域覆盖天线架设在高塔或建筑物顶部，发射功率较大，是网络覆盖的主体小蜂窝基站包括微蜂窝、皮蜂窝和飞蜂窝，覆盖范围较小但容量密度高主要用于热点区域的容量补充和室内覆盖增强移动终端用户设备通过空中接口与基站建立连接，支持语音、数据和多媒体业务现代智能终端集成多种无线接入技术核心网络负责呼叫控制、移动性管理、认证计费等功能随着网络演进，核心网架构从电路交换向全化和云原生方向发展IP无线局域网（）基础WLAN

802.11a/b第一代标准，工作在和频段，数据速率达到Wi-Fi

2.4GHz5GHz11-54Mbps

802.11g/n引入技术和信道绑定，速率提升至，向MIMO40MHz150-600Mbps后兼容性良好

802.11ac/ax支持更宽信道带宽和更多天线流，速率可达，满足Wi-Fi

69.6Gbps高清视频等应用需求技术经历了从低速到高速、从单天线到多天线的快速发展现代不仅WLAN Wi-Fi提供高速数据接入，还支持保障、网状网络和智能漫游等高级功能系QoS

802.11列标准的持续演进使成为家庭、办公室和公共场所最重要的无线接入技术Wi-Fi蓝牙与短距离通信蓝牙协议栈包括射频层、基带层、和应用层，支持多种应用场景经典蓝牙L2CAP主要用于音频传输，低功耗蓝牙（）则适用于物联网设备连接协BLE议栈设计注重低功耗和快速配对近场通信NFC工作距离仅几厘米，主要用于移动支付和身份认证基于

13.56MHz频率，具有天然的安全优势技术简化了设备配对过程，广泛应NFC用于智能手机和门禁系统协议ZigBee基于标准，专为低功耗、低成本的传感器网络设IEEE

802.

15.4计支持网状网络拓扑，具有自组织和自修复能力，在智能家居和工业监控领域应用广泛卫星通信地球同步轨道低地球轨道GEO LEO轨道高度公里，卫星相对地面静止，三颗卫星可覆盖全轨道高度公里，传输时延小但需要大量卫星组网36000300-2000球传输时延较大约毫秒，但覆盖范围广阔，适用于广播、星链和等巨型星座正在改变卫星通信格局，为540SpaceX OneWeb海事和偏远地区通信全球提供宽带互联网服务•全天候稳定覆盖•时延低至几十毫秒•地面设备简单•支持移动终端•适合广播业务•星座规模庞大卫星通信与地面无线网络形成互补关系，在海洋、山区、灾区等地面网络无法到达的地方发挥重要作用随着卫星制造成本降低和发射能力提升，天地一体化通信网络正在成为现实无线信号的传播环境视距传播模型发射天线和接收天线之间存在直接视线路径，信号按自由空间损耗模型衰减，适用于微波通信和卫星通信非视距传播信号经过反射、衍射和散射到达接收端，损耗比视距传播大，城市环境中的大部分移动通信属于此类室内传播环境墙壁、家具等障碍物导致额外的穿透损耗，信号衰落更加严重，需要专门的室内覆盖解决方案特殊环境影响隧道、地下室、电梯等封闭空间形成波导效应，雨雪天气对高频信号产生衰减，需要特殊的工程设计无线通信系统结构信源与编码将语音、图像或数据转换为数字信号，并进行源编码压缩，减少冗余信息信道编码添加冗余信息用于错误检测和纠正，提高传输可靠性，常用算法包括卷积码和码Turbo调制与射频将基带信号调制到载波频率，经过功率放大后通过天线发射到空中接收与解调天线接收射频信号，经过下变频、解调和信道解码，恢复原始信息调制与解调原理举例星座图调制流程自适应调制16QAM OFDM个信号点分布在平面上，每个符将高速数据流串并转换为多个低速子根据信道质量动态选择调制方式，信16I-Q号携带比特信息星座点间的欧氏距载波，通过实现调制循环前缀噪比高时使用高阶调制提高速率，信4IFFT离决定了系统的误码性能，需要在功的插入有效消除符号间干扰，子载波噪比低时使用低阶调制保证可靠性率效率和频谱效率之间权衡高阶正交性保证频谱利用率最大化这种技术显著提升了系统的频谱效率可进一步提高频谱效率是和的核心物理层技术和鲁棒性QAM OFDM4G5G信道编码与纠错码LDPC低密度奇偶校验码，接近香农极限的性能码Turbo两个卷积编码器并行级联，迭代译码性能优异卷积码连续编码方式，编码器有记忆，适用于突发错误纠正分组码将信息分组独立编码，实现简单但纠错能力有限信道编码技术的发展经历了从简单的分组码到接近理论极限的现代编码的演进过程码和码等新型编码技术在系统中得到应用，LDPC Polar5G为超可靠低时延通信提供了理论保障与空间分集MIMO空间复用分集增益波束赋形在相同频率上并行传输多个多个天线提供独立的信号路通过调整天线阵列的幅度和数据流，成倍提高数据速径，降低深衰落概率发射相位，将能量集中在特定方率通过不同天线发送独立分集和接收分集都能有效提向可以提高信号强度、减的数据，接收端利用信道差高系统可靠性，特别在移动少干扰，是毫米波通信5G异分离信号环境中效果显著的关键技术大规模MIMO基站配置数十甚至上百根天线，大幅提升频谱效率和能量效率通过精确的信道估计和预编码技术，实现多用户并发传输蜂窝移动通信系统架构演进模拟系统1G基于模拟技术的语音通信，频率复用距离大，容量有限数字化2G引入数字调制和，支持短信业务，提高频谱效率GSM TDMA多媒体3G支持视频通话和移动互联网，数据速率达到几WCDMA Mbps宽带数据4G实现全架构，峰值速率超过，移动互联网全面普及LTE IP100Mbps万物互联5G支持、和三大应用场景，实现真正的万物互联eMBB mMTCuRLLC系统关键技术比较1G-5G代数技术制式峰值速率核心技术主要应用模拟调频语音通话1G AMPS/TACS

2.4kbps数字调制语音短信2G GSM/CDMA64kbps/TDMA+码视频通话3G WCDMA/CDMA20002Mbps CDMA/Turbo移动宽带4G LTE/LTE-A1Gbps OFDMA/MIMO毫米波大规模万物互联5G5G NR20Gbps/MIMO从表格可以看出，移动通信技术经历了从语音到数据的根本性转变每一代技术的峰值速率都有数十倍甚至百倍的提升，核心技术也从简单的模拟调制发展到复杂的数字信号处理核心技术5G网络切片毫米波通信在统一物理基础设施上创超低时延建多个逻辑网络，满足差利用以上频段提供端到端时延降至毫秒级别，24GHz1异化业务需求超大带宽，实现级传支持自动驾驶和工业控制Gbps输速率等关键应用新无线接口边缘计算NR支持更灵活的帧结构和参将计算能力下沉到网络边数集，适应不同应用场景缘，减少传输时延并提高需求用户体验物联网与无线网络融合应用层智能家居、智慧城市、工业等垂直行业应用

4.0网络层蜂窝网络、、卫星通信等提供连接服务Wi-Fi感知层传感器、、摄像头等设备采集环境信息RFID物联网的快速发展对无线网络提出了新的挑战和需求技术如、等专为低功耗、广覆盖的物联网应用设计，能够LPWAN NB-IoT LoRa支持数年的电池寿命和数公里的传输距离这些技术与传统蜂窝网络形成互补，共同构建完整的物联网生态系统无线接入协议IoTZigBee NB-IoT LoRaWi-Fi基于标准，工窄带物联网技术，基于蜂窝长距离低功耗技术，使用扩高速数据传输，适用于需要IEEE

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15.4作在频段支持网状网络部署覆盖范围广，穿频调制传输距离可达数公大带宽的物联网应用

2.4GHz Wi-Fi网络拓扑，具有自组织和自透能力强，支持海量连接里，电池寿命长达数年适引入的和技术6OFDMA TWT修复能力功耗极低，适用运营商级网络保证服务质用于农业监测、环境感知等改善了物联网设备的连接效于智能家居设备量应用率•低功耗设计广域覆盖能力•超长传输距离高数据速率•••网状网络支持深度室内穿透•极低功耗•成熟生态系统••成本相对较低•运营商网络支持部署成本低•广泛设备支持•无线通信标准化组织国际电信联盟第三代合作伙伴计划ITU3GPP联合国专门机构，负责全球电信标准制定蜂窝移动通信技术标准的国际组制定和频谱管理制定无线通织，成员包括中国、美国、欧洲、日ITU-R信标准，制定电信网络标准本等地区的标准化组织负责、ITU-T GSM的愿景和需求由定义，为全、和等技术标准的5G ITU-R UMTSLTE5G NR球统一标准奠定基础制定和演进电气电子工程师学会IEEE制定、蓝牙等局域网和个域网标准系列是技术的基础，Wi-Fi IEEE

802.11Wi-Fi系列涵盖了蓝牙、等短距离通信技术IEEE

802.15ZigBee标准化组织的协调合作确保了全球无线通信技术的互操作性和兼容性中国在标准5G制定中发挥了重要作用，华为、中兴等企业贡献了大量技术专利，提升了我国在国际标准化领域的话语权无线通信网络安全物理层安全利用无线信道的随机特性实现安全传输信道互易性和空间相关性为密钥生成提供了天然的安全保障，但实现复杂度较高认证与加密通过预共享密钥或公钥基础设施实现身份认证、等加密算AES3DES法保护数据传输安全，防止窃听和篡改攻击网络层防护部署防火墙、入侵检测系统等安全设备技术为远程接入提供安全VPN隧道，保护企业网络不受外部攻击威胁检测监控网络流量异常、恶意攻击和设备入侵行为人工智能和机器学习技术提高了威胁检测的准确性和实时性干扰管理与网络优化1干扰识别通过频谱分析和信号检测技术识别同频干扰、邻频干扰和互调干扰等不同类型的干扰源2功率控制动态调整发射功率，在保证通信质量的前提下最小化对其他用户的干扰，提高系统整体容量3频率规划合理分配频率资源，通过频率复用间距优化和动态频率分配技术减少小区间干扰4协调优化多小区协调传输技术，通过基站间信息交换和联合处理，实现干扰抑制和性能提升通信协议栈示例应用层、、等应用协议，为用户提供具体的网络服务HTTP FTPSMTP网络层协议负责数据包路由和转发，实现端到端的数据传输IP数据链路层层提供多址接入控制，层实现逻辑链路控制和错误恢复MAC LLC物理层负责调制解调、信道编码和射频处理，是无线通信的基础在无线网络中，物理层和层的设计尤为重要物理层需要处理无线信道的时变特性和衰落问题，层需要解决多用户接入和碰撞避免问题MAC MAC现代无线系统采用跨层优化设计，各层协议协同工作以提高整体性能多业务融合与保障QoS视频业务数据业务需要高带宽和稳定传输，对时延敏对可靠性要求高，可容忍较大时感使用流量整形和缓存管理技术延采用重传机制和拥塞控制算法语音业务实时交互要求低时延和抖动，容忍少量丢包采用优先级调度和专用信道保游戏和应用要求超低时延，AR/VR障通话质量采用边缘计算和网络切片技术保障保障机制通过流量分类、队列管理、调度算法和准入控制等技术，为不同业务提供差异化服务网络切片技术进一步细化了保障，为每种应QoS5G QoS用场景提供定制化的网络服务典型无线网应用领域移动互联网智能家居工业自动化社交媒体、在线购、蓝牙、、和时间Wi-Fi5G Wi-Fi6物、视频流媒体等应等技术连接各敏感网络（）支ZigBee TSN用推动了移动数据流种智能设备语音助持工业应用机器

4.0量的爆炸式增长手、智能照明、安防人控制、预测性维护网络为移动互监控等应用提升了居和数字孪生等技术提4G/5G联网提供了高速稳定住体验和生活便利高生产效率的连接基础性医疗健康远程医疗、可穿戴设备和医疗物联网改变了传统医疗模式实时健康监测和远程手术等应用对网络可靠性要求极高智能终端与无线接入多模终端设计现代智能终端集成了蜂窝、、蓝牙、等多种无线技术射频前Wi-Fi GPS端的复杂性不断增加，需要处理多频段、多标准的信号收发天线设计面临小型化和性能优化的双重挑战智能接入选择终端根据网络质量、业务需求和用户偏好自动选择最优接入网络卸载技术减轻了蜂窝网络负担，多路径传输技术同时利用多个Wi-Fi网络接口提高性能连接密度挑战目标支持每平方公里万个连接，远超现有网络能力大规5G100模、网络切片和边缘计算等技术是解决连接密度瓶颈的关MIMO键方案物联网设备的电池寿命和成本也是重要考虑因素蜂窝车联网（）C-V2X车与车通信（）V2V车辆间直接通信共享位置、速度、行驶方向等信息，实现碰撞预警和协同驾驶功能车与基础设施通信（）V2I车辆与交通信号灯、路标等基础设施通信，获取道路状况和交通管制信息车与行人通信（）V2P检测并警告周围的行人和骑行者，提高道路安全性，特别是在视线受阻的情况下车与网络通信（）V2N通过蜂窝网络接入云端服务，获取实时交通信息、地图更新和远程诊断服务技术要求毫秒级的通信时延和的可靠性，这对网络的超可靠低时延通C-V2X

99.999%5G信（）能力提出了严格要求自动驾驶的实现将依赖于车联网技术的成熟和大规模uRLLC部署室内外无线覆盖挑战穿透损耗影响小区分裂技术波束赋形技术建筑物的墙体、玻璃和金属结构对无线将大覆盖小区分解为多个小覆盖小区，通过智能天线阵列将信号能量集中在特信号产生显著衰减毫米波信号的穿提高频率复用效率和系统容量微蜂定方向，提高信号强度和空间复用效5G透能力更弱，需要密集部署小基站解决窝、皮蜂窝和飞蜂窝形成异构网络架率大规模技术使波束赋形更加MIMO覆盖问题构精确•混凝土墙体损耗•宏微协同覆盖•模拟波束赋形15-20dB•玻璃幕墙损耗•载波聚合技术•数字波束赋形2-6dB•金属材料几乎完全阻挡•干扰协调优化•混合波束赋形绿色无线通信智能节能驱动的网络优化和动态关断技术AI新能源利用太阳能和风能为基站提供清洁电力低功耗设计芯片和设备级的能效优化技术资源回收设备生命周期管理和材料循环利用绿色无线通信已成为行业发展的重要方向基站的功耗是的倍，迫切需要创新的节能技术人工智能算法优化网络配置，可动态调整5G4G3-4基站功率和关闭空闲设备可再生能源的使用不仅减少碳排放，还能降低运营成本无线网络中的大数据与AI流量预测分析利用机器学习算法分析历史流量数据，预测未来网络负载变化基于预测结果提前调整网络资源配置，避免拥塞和服务质量下降时间序列分析和深度学习模型显著提高了预测准确性智能资源分配算法实时优化频谱分配、功率控制和用户调度策略强化学习技术使网络能够自主学习最优策AI略，适应动态变化的网络环境多目标优化平衡吞吐量、时延和能耗等多个性能指标异常检测与故障诊断通过异常检测算法识别网络故障和安全威胁无监督学习方法能够发现未知的异常模式，提高网络的安全性和可靠性自动化故障定位和修复减少了人工运维成本网络自优化技术实现网络参数的自动配置和优化驱动的网络编排能够根据业务需求动态调整网络拓SON AI扑和资源分配数字孪生技术为网络优化提供虚拟测试环境无线通信产业链芯片设计基带芯片、射频芯片和天线芯片是无线设备的核心高通、联发科、华为海思等厂商在芯片设计领域竞争激烈设备制造华为、爱立信、诺基亚、中兴等主要设备商提供基站、核心网和传输设备设备的技术复杂度和制造成本显著提升5G网络运营移动运营商负责网络建设、运营和维护中国移动、、沃达丰Verizon等运营商投资数千亿建设网络5G应用服务互联网公司和应用开发者基于无线网络提供各种服务移动互联网、物联网和垂直行业应用推动产业发展。