《无线通信网络原理》课件

无线通信网络原理本课程将全面深入地介绍无线通信网络的基础理论和核心技术从基本的通信原理到最新的5G技术，我们将系统性地学习无线通信系统的设计、实现和优化课程内容涵盖信号处理、信道特性、调制解调、编码理论、多址接入、网络架构等关键领域通过理论学习与实践相结合，学生将掌握现代无线通信网络的核心技术和发展趋势本课程为通信工程、电子信息等相关专业的重要基础课程，为学生未来从事无线通信相关工作奠定坚实的理论基础课程概述课程目标与学习成果1掌握无线通信系统的基本原理和核心技术，具备分析和设计无线通信网络的能力教材与参考资料2采用国内外权威教材，结合最新技术标准和行业案例进行教学评估方式与实验安排3理论考试结合实验操作，全面评估学生的理论水平和实践能力行业应用前景4无线通信技术在5G、物联网、智能制造等领域具有广阔的应用前景第一部分无线通信基础通信系统发展历史无线与有线系统对比关键技术指标与参数从马可尼的无线电报到现代5G网络，无无线通信具有移动性强、部署灵活的优包括频谱效率、功率效率、传输速率、线通信技术经历了革命性的发展每一势，但面临信道复杂、功耗限制等挑覆盖范围、时延、可靠性等核心指标，代技术都带来了传输速率、覆盖范围和战有线通信则提供稳定的传输性能，这些参数决定了无线通信系统的性能表服务质量的显著提升但缺乏移动性现通信系统分类按传输媒介分类有线通信通过物理介质传输信号，如光纤、同轴电缆等无线通信利用电磁波在自由空间传播，实现信息的远距离传输按传输信号分类模拟通信系统传输连续变化的信号，数字通信系统传输离散的数字信号数字通信具有抗噪声能力强、易于加密等优势按调制方式分类基带传输直接传输原始数字信号，频带传输通过调制将基带信号搬移到高频载波上，适应不同的传输环境和需求按复用方式分类频分复用、时分复用、码分复用和空分复用等技术实现多用户共享同一通信资源，大大提高了频谱利用效率无线通信系统组成发射端信源编码压缩信息，信道编码增强抗错能力，调制将数字信号转换为适合传输的模拟信号传输信道无线电波在自由空间传播，受到噪声、干扰、多径效应等因素影响接收端解调恢复基带信号，信道解码纠正传输错误，信源解码重建原始信息系统优化通过自适应技术和智能算法优化系统性能信息与信号信息的数学表示确定性与随机信号信息论提供了量化信息的数学工具，信息量确定性信号可用数学函数精确描述，随机信与概率成反比关系号需要统计方法分析离散与连续信号时域与频域分析数字信号处理中信号的离散化是实现数字通傅里叶变换连接时域和频域，提供信号分析信的基础的不同视角无线电波传播特性自由空间传播在理想的自由空间中，电磁波按球面波传播，功率密度与距离平方成反比这是最基本的传播模型反射与散射电磁波遇到大于波长的障碍物会发生反射，遇到粗糙表面会产生散射现象，影响信号传播路径衍射现象电磁波具有绕射能力，可以绕过障碍物边缘传播，这使得非视距通信成为可能路径损耗模型实际环境中的路径损耗包括自由空间损耗、阴影衰落和多径衰落等多种成分第二部分信道特性信道模型与分类根据传播环境和衰落特性，无线信道可分为AWGN信道、瑞利衰落信道、莱斯衰落信道等不同类型信道容量理论香农定理给出了在给定带宽和信噪比条件下信道的最大传输速率上限信道质量评估通过测量信噪比、误码率、时延扩展等参数来评估无线信道的质量无线信道特性多径效应与时延扩展发射信号通过多条路径到达接收端，造成符号间干扰时延扩展是衡量多径影响程度的重要参数，决定了符号持续时间的选择多普勒效应与频率扩展移动通信中发射机或接收机的运动导致频率偏移多普勒扩展反映了信道的时变特性，影响相干时间和信道估计精度阴影效应与路径损耗大尺度衰落由地形地貌引起，变化相对缓慢合理的功率控制和分集技术可以有效对抗阴影衰落的影响信道数学模型调制信道模型描述调制信号在信道中的传输特性编码信道模型用于分析信道编码的性能信道模型AWGN加性高斯白噪声信道瑞利衰落信道无直射径的多径衰落模型信道噪声分析热噪声与散粒噪声电子器件固有的噪声特性分析干扰类型与特性同频干扰、邻频干扰等外部干扰源信噪比与误码率系统性能的重要评价指标第三部分调制与解调技术调制基本概念模拟调制技术将基带信号搬移到载波频率的过程，实AM、FM、PM等传统模拟调制方式的原现频谱搬移和多路复用理和特点多载波调制数字调制技术OFDM技术实现高速数据传输和抗多径ASK、FSK、PSK、QAM等数字调制的能力性能分析数字调制技术2调制电平ASK幅移键控通过改变载波幅度传输数字信息4频率数量FSK频移键控使用不同频率表示不同数字符号8相位状态PSK相移键控通过载波相位变化传输数据64星座点QAM正交幅度调制结合幅度和相位调制提高频谱效率多载波调制技术基本原理OFDM正交频分复用将高速数据流分解为多个低速并行子流，每个子流调制一个子载波子载波间保持正交性，避免相互干扰子载波正交性证明通过数学分析证明子载波间的正交性条件，确保在接收端能够无干扰地分离各个子载波信号实现方法FFT/IFFT快速傅里叶变换和逆变换提供了OFDM调制解调的高效实现方案，大大降低了计算复杂度循环前缀与同步循环前缀技术有效对抗多径干扰，同时简化了时间和频率同步的实现第四部分编码理论信源编码基础通过去除信息冗余来提高传输效率，包括霍夫曼编码、算术编码等无损压缩技术信道编码基础通过增加受控冗余来提高传输可靠性，实现错误检测和纠正功能现代编码技术Turbo码、LDPC码等接近香农极限的先进编码技术编码效率权衡在编码增益、复杂度和时延之间寻找最优平衡点信道编码技术信道编码是提高无线通信系统可靠性的关键技术线性分组码通过系统的代数结构实现错误检测和纠正卷积码采用移位寄存器结构，维特比算法提供最优解码性能第五部分多址接入技术码分多址技术CDMA扩频通信原理直接序列扩频将窄带信号扩展到宽带传输，提供处理增益和抗干扰能用高速PN码直接与数据相乘实现扩频，接收端用相同力扩频比决定了系统的抗干扰性能PN码解扩恢复原始数据序列特性跳频扩频PN伪随机序列具有良好的自相关和互相关特性，是实现码载波频率按PN序列规律跳变，具有强抗干扰和抗截获分多址的关键m序列是最常用的PN序列能力，广泛应用于军用通信第六部分蜂窝网络原理蜂窝概念与频率复用蜂窝网络将服务区域划分为六边形小区，通过频率复用技术在不相邻小区重复使用相同频率，大幅提高频谱利用效率小区结构设计基站天线的方向性设计和扇区化部署，优化覆盖范围和容量分布，减少同频干扰的影响覆盖与容量规划通过精确的链路预算和容量分析，确定基站位置和发射功率，实现覆盖和容量的最优平衡蜂窝网络结构频率复用因子同频干扰比容量效率应用场景N=3较低高城市密集区N=4中等中等城郊地区N=7较高中等农村地区N=12高低特殊环境频率复用因子的选择需要在同频干扰控制和频谱效率之间取得平衡较小的复用因子能提高频谱效率，但会增加同频干扰天线方向性和扇区化技术可以有效改善这一矛盾移动性管理位置区管理切换决策算法通过位置区的划分和位置更新机基于信号强度、信号质量、负载制，网络能够追踪移动用户的大均衡等多种因素的切换判决算致位置，在呼叫到达时快速定位法，确保移动用户在小区间移动用户位置区大小的选择影响信时保持通信连续性令开销软切换与硬切换软切换允许用户同时与多个基站通信，提供更好的可靠性硬切换先断后连，实现简单但可能出现通话中断干扰管理同频干扰邻频干扰使用相同频率的小区产生的干扰，是限制系相邻频道间的泄漏干扰，通过滤波器设计可统容量的主要因素以有效抑制智能天线技术干扰评估方法通过波束成形和空间分集抑制干扰，提高系载干比C/I是评估干扰影响的关键指标统性能第七部分移动通信技术演进系统特点1G模拟移动通信系统，仅支持语音业务数字化2G数字移动通信，引入数据业务和短信功能宽带化3G宽带移动通信，支持多媒体和互联网业务高速化4G/5G全IP网络，超高速移动宽带和物联网应用移动通信系统2G系统架构帧结构GSM TDMA全球移动通信系统采用分层网络架构，包括移动台、基站子系统时分多址技术将时间划分为帧和时隙，每个用户占用特定时隙进和网络子系统标准化的接口确保了全球漫游的实现行通信GSM采用8时隙TDMA结构•移动台MS•超帧1326个TDMA帧•基站控制器BSC•多帧26个TDMA帧•移动交换中心MSC•TDMA帧8个时隙移动通信系统3G系统架构WCDMA宽带码分多址提供高速数据传输能力关键技术TD-SCDMA中国主导的时分同步码分多址标准演进CDMA2000基于IS-95的演进路线系统互操作性不同3G标准间的兼容性设计技术原理4G LTE与技术网络架OFDMA MIMOEPC应用构SC-FDMA下行链路采用多输入多输出演进分组核心正交频分多天线技术显著网实现全IP扁平址，上行链路提高频谱效率化架构，降低采用单载波频和传输可靠性时延提高效率分多址，优化功耗和覆盖性能语音VoLTE解决方案基于IP多媒体子系统的语音overLTE技术关键技术5G NR毫米波通信技术利用24GHz以上高频段提供超大带宽，支持Gbps级传输速率毫米波的高频特性带来了新的传播特点和技术挑战技术Massive MIMO大规模天线阵列技术通过空间复用和波束成形显著提高频谱效率128个或更多天线单元的协同工作实现精确的空间信号处理新型多址接入技术非正交多址接入NOMA允许多个用户在同一时频资源上传输，通过功率域或码域的区分实现用户分离网络切片与边缘计算网络切片技术为不同应用场景提供定制化的网络服务，边缘计算将计算能力下沉到网络边缘，满足低时延应用需求第八部分技术Wi-Fi标准族IEEE

802.11从

802.11a/b/g到最新的

802.11axWi-Fi6，无线局域网技术不断演进，传输速率从2Mbps提升到数Gbps层协议设计MAC媒体访问控制层定义了信道接入机制，包括载波侦听多址接入和碰撞避免算法，确保多用户公平接入层演进发展PHY物理层从DSSS、OFDM发展到OFDMA，调制方式从BPSK/QPSK演进到1024-QAM，不断提高传输效率技术Wi-Fi6/6E/7最新Wi-Fi技术引入OFDMA、MU-MIMO、BSS着色等创新技术，显著改善高密度环境下的性能表现网络架构Wi-Fi基本服务集扩展服务集BSS ESS由一个接入点和多个工作站组成的基本多个BSS通过分布式系统互连形成扩展网络单元，提供本地无线覆盖网络，实现漫游功能组网模式无线分布式系统Wi-Fi基础设施模式、Ad-hoc模式和Wi-Fi接入点间的互连网络，可以是有线或无Direct等不同组网方式线链路协议Wi-Fi MAC分布式与点协调功能机制RTS/CTSDCF提供基于竞争的信道接入，PCF提供工作原理CSMA/CA请求发送/清除发送握手机制解决隐藏终端无竞争的轮询接入现代Wi-Fi系统主要使载波侦听多址接入/碰撞避免机制通过侦听问题发送方先发送RTS帧，接收方回复用增强的分布式信道接入EDCA机制支持信道状态和随机退避算法来避免碰撞相CTS帧，周围节点收到后在指定时间内保QoS比有线网络的碰撞检测，无线环境采用碰持静默撞避免策略安全机制Wi-Fi第九部分物联网无线技术10+年电池寿命低功耗广域网技术设计目标15km最大传输距离LoRa技术在理想条件下的覆盖范围100K单基站连接数NB-IoT基站的设备连接能力1Mbps传输速率BLE蓝牙低功耗的典型数据传输率与LoRa LoRaWAN物理层特性网络架构LoRa LoRaWAN基于线性调频扩频CSS技术的星型网络拓扑结构，终端设备通物理层实现通过扩频因子的调过网关连接到网络服务器支持整，可以在传输距离、数据速率三种设备类型A类最低功耗、和功耗之间灵活权衡B类信标同步、C类持续接收调制与覆盖范围CSS线性调频扩频技术提供优异的抗干扰能力和接收灵敏度在郊区环境下可实现5-15公里的通信距离，城市环境下约2-5公里技术NB-IoT窄带物联网技术支持三种部署模式独立部署利用重耕GSM频段，保护带部署利用LTE载波边缘，带内部署共享LTE载波资源灵活的部署方式降低了运营商的投资成本第十部分天线与电波传播天线基础理论天线是实现导行波与自由空间电磁波相互转换的器件，遵循互易性原理天线增益与方向图增益表征天线集中辐射能量的能力，方向图描述空间辐射特性智能天线技术通过阵列信号处理实现空间滤波和波束成形功能电波传播模型描述不同环境下电磁波传播特性的数学模型智能天线技术切换波束天线使用多个固定波束，根据信号质量切换到最佳波束方向相控阵天线原理通过控制各阵元的相位和幅度实现波束指向的电子扫描自适应天线系统根据信道环境自动调整天线参数以优化系统性能实现Massive MIMO大规模天线阵列通过空间复用大幅提升系统容量第十一部分网络规划与优化无线网络规划流程从需求分析、站点勘测到参数配置的系统化规划过程包括业务预测、覆盖分析、容量评估和干扰分析等关键步骤覆盖规划与容量规划覆盖规划确保服务区域内的信号质量，容量规划满足业务量需求两者需要综合考虑，避免过度规划造成资源浪费无线参数优化通过调整发射功率、天线倾角、切换门限等参数优化网络性能需要平衡覆盖、容量、质量和干扰等多个目标性能监测与分析建立完善的性能监测体系，实时收集网络运行数据，为优化决策提供科学依据网络规划方法业务需求分析站点规划与选址分析用户分布、业务类型和流量需求，为网考虑覆盖需求、地理环境和建设成本确定基络规划提供基础数据站位置传输规划与回传频率规划与分配设计基站到核心网的传输链路，确保足够的合理分配频率资源，最小化同频干扰和邻频回传容量干扰网络优化技术驻波测试与分析路测数据采集指标与自动化优化KPI驻波比VSWR测量反映天线系统的匹配通过专业路测设备收集覆盖、质量、切建立完整的关键性能指标体系，包括可程度，是评估射频系统性能的重要指换等数据，为网络优化提供客观依据接入性、保持性、移动性和完整性指标良好的匹配可以最大化功率传输效现代路测支持多制式同时测量和实时数标自动化优化算法基于KPI反馈调整网率并保护设备据分析络参数•VSWR

1.5:优秀•信号强度测量•呼叫建立成功率•VSWR

2.0:良好•通话质量评估•掉话率•VSWR

3.0:需要改善•数据业务测试•切换成功率第十二部分新兴技术与应用毫米波通信技术1超高频段通信的机遇与挑战全双工通信系统同时收发技术突破频谱效率极限可见光通信利用LED照明实现高速数据传输量子通信前景4量子纠缠和量子密钥分发技术可见光通信技术调制解调原理LED利用LED的快速开关特性进行数据调制，调制频率远超人眼感知范围，既实现照明功能又完成数据传输OOK、PPM等调制方式适用于VLC系统信道特性与室内定位VLC可见光信道具有无射频干扰、安全性高的特点基于LED阵列的室内定位系统可实现厘米级精度，为智能建筑和导航应用提供新的解决方案与系统融合部署RFVLC与传统无线通信系统形成互补，在机场、医院等RF受限环境发挥重要作用混合Li-Fi/Wi-Fi网络为用户提供无缝的通信体验车联网通信技术通信架构与对低延迟高可靠通信V2X DSRCC-V2X比车与万物互联包括安全关键应用要求毫秒V2V、V2I、V2P、V2N专用短程通信与蜂窝车级时延和

99.999%的可等多种通信模式，构建联网技术在性能、成本靠性保障智能交通生态系统和生态方面的差异分析自动驾驶通信需求L4/L5级自动驾驶对通信系统提出极高的性能要求第十三部分无线网络安全应用层安全端到端加密和应用认证网络层安全IPSec和VPN技术保护层安全机制MAC访问控制和帧级加密物理层安全威胁窃听、干扰和欺骗攻击无线安全威胁分析安全防护方案认证机制设计密钥管理系统零信任网络架构多因素认证结合生物特征、数字证书安全的密钥生成、分发、更新和撤销永不信任，始终验证的安全理念，对和动态密码，确保用户身份的真实机制是保障通信安全的核心分层密网络中的每个访问请求都进行身份验性基于椭圆曲线密码学的轻量级认钥架构和前向安全性设计防止密钥泄证和授权微分段和最小权限原则限证适用于资源受限的物联网设备露的连锁反应制潜在攻击的影响范围第十四部分网络检测与故障诊断现代无线网络检测需要专业的测试设备和分析工具频谱分析仪用于射频信号分析，网络分析仪测量器件特性，路测设备评估网络覆盖，协议分析仪解析通信过程。