无线通信原理论文

摘要：超宽带UWB(Ultra-Wide Bandwidth)脉冲通信(Impulse Radio)技术与其它通信技术有很大不同，它具有信号功率谱密度低、不易检测、系统复杂度低等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和军事通信。介绍了UWB系统的信号表示形式，分析了其特点，并介绍了超宽带通信当前的研究及应用情况。 关键词：UWB 脉冲通信 信号 应用 UWB技术是一种新型的无线通信技术。它通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制，使信号具有GHz量级的带宽。超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，它具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点。 1 超宽带信号及其特点 美联邦通信委员会(FCC)规定： 部分带宽号称为UWB信号。其中，部分带宽为信号功率谱密度在-10dB处测量的值。图1为UWB信号与窄宽信号功率谱密度的比较；UWB信号格式如图2所示。 一种典型的脉位调制(PPM)方式的UWB信号形式[1],[2]为： Str(k)(t)表示第k个用户的发射信号，它是大量的具有不同时移的单周期脉冲之和。w(t)表示传输的单周期脉冲波形，可以为单周期高斯脉冲或其一阶、二阶微分脉冲，从该发射机时钟的零时刻(t(k)=0)开始。第j个脉冲的起始时间为。仔细分析每个时移分量： （1）相同时移的脉冲序列：形式的脉冲表示时间步长为Tf的单周期脉冲，其占空比极低，帧长或脉冲重复时间Tf(Frame Time)的典型值为单周期脉冲宽度的一百到一千倍。类似于ALOHA系统，这样的脉冲序列极容易导致随机碰撞。 (2)伪随机跳时：为减少多址接人时的冲突，给每个用户分配一个特定的伪随机序列，称之为跳时码，其周期为Np。跳时码的每个码元都是整数，且满足。这样跳时码给每个脉冲附加了时移，第j个单周期脉冲的附加时移为秒。 由于读出单周期脉冲相关器的输出要占用一定的时间，NhTc/Tf应严格小于1。然而如果NhTc太小，那么多个用户接入时发生冲突的概率仍然会很大。相反，如果NhTc足够大且跳时码设计合理，就可以将多用户干扰近似为加性高斯白噪声AWGN(AdditiveWhite Gauss Noise)信号。 由于跳时码是周期为Np的周期序列，那也为Np周期序列，其周期为Tp=NpTf。跳时码的另外一个作用是使UWB信号的功率谱密度更为平坦。 (3)数据调制：第k个用户发送的数据序列｛di(k)｝为二进制数据流。每个码元传输Ns个单周期脉冲，这样增加了信号的处理增益。 在这种调制方式下，一个符号(或码元)的持续时间为Ts=NsTf。对于固定的脉冲重复时间Tf，二进制的符号速率Rs，为： 显然，采用上述信号的超宽带脉冲通信系统具有以下特点：信号持续时间极短，为纳秒、亚纳秒级脉冲，信号占空比极低(1％～0．1％)，故有很好的多径免疫力；频谱相当宽，达GHz量级，且功率谱密度低，故UWB信号对其他系统干扰小、抗截获能力强；UWB系统处理增益很高，其总处理增益PC为： 例如，当某二进制UWB通信系统Tf=1μs，Tc=1ns，Ns=100，比特速率Rs=10kbps时，该系统UWB信号的处理增益为50dB。与其他通信系统相比，其处理增益非常高。 另外，UWB信号为极窄脉冲的序列，故有非常强的穿透能力，可以辨别出隐藏的物体或墙体后运动着的物体，能实现雷达、定位、通信三种功能的结合，适合军用战术通信。 2 超宽带信号发射机、接收机基本结构 2．1 发射机和相关接收机模型 与传统的无线收发信机结构相比，UWB收发信机的结构相对简单。如图3所示，在发射端，数据直接对射频脉冲调制，再通过可编程延时器件对脉冲进一步时延控制，最后通过超宽带天线发射出去。在接收端，信号通过相关器与本地模板波形相乘，积分后通过抽样保持电路送到基带信号处理电路中，由捕获跟踪部分、时钟振荡器和(跳时)码产生器控制可编程延时器，根据相应的时延产生本地模板波形，与接收信号相乘。整个收发信机几乎全部由数字电路构成，便于降低成本和小型化。 2．2 Rake接收机模型 由于UWB信号需要用时域的方法进行分析，多用于户内密集多径(多径可达到30条)的条件下，而且每条路径的信号能量都很小，难以对每条信道做出估计，所以使UWB信号的Rake接收成为可能。Rake接收机使原来能量很小的多径信号经过能量合并后提高的信噪比提高系统性能。 3 UWB与其他几种无线个人局域网技术的比较 由于UWB技术的种种优点，使其成为无线个人局域网络WPAN (Wireless Personal Area Network)的主要技术之一。WPAN的目标是用无线电或红外线代替传统的有线电缆，以低价格和低功耗在10m范围内实现个人信息终端的智能化互联，组建个人化信息网络。其最普遍的应用是连接电脑、打印机、无绳电话、PDA以及信息家电等设备。目前实现WPAN的主要技术有：IEEE802．11b(Win)、Home RF、IrDA、蓝牙(Bluetooth)以及超宽带等五种。可以看出UWB技术的优势较为明显，主要不足是发射功率过小限制了其传输距离.也就是说，10m以内，UWB可以发挥出高达数百Mbps的传输性能，对于远距离应用IEEE802．11b或Home RF无线PAN的性能将强于UWB。UWB和同为热门的IEEE802．11b以及Home RF不会进行直接竞争，因为UWB更多地是应用于10m左右距离的室内。事实上，把UWB看作蓝牙技术的替代者可能更为适合，因后者传输速率远不及前者，另外蓝牙技术的协议也较为复杂。 4 国内外研究及发展情况 4．1 国外研究现状 军用方面：早在1965年，美国就确立了UWB的技术基础。在后来的二十年内，UWB技术主要用于美国的军事应用，其研究机构仅限于与军事相关联的企业以及研究机关、团体。目前，美国国防部正开发几十种UWB系统，包括战场防窃听网络等。 民用方面：由于超宽带技术的种种优点使其在无线通信方面具有很大的潜力，近几年来国外对UWB信号应用的研究比较热门，主要用于通信(如家庭和个人网络，公路信息服务系统和无线音频、数据和视频分发等)、雷达(如车辆及航空器碰撞／故障避免，入侵检测和探地雷达等)以及精确定位(如资产跟踪、人员定位等)。索尼、时域、摩托罗拉、英特尔、戴姆勒—克莱斯勒等高技术公司都已涉足UWB技术的开发，将各种消费类电子设备以很高的数据传输率相连，以满足消费者对短距离无线通信小型化、低成本、低功率、高速数据传输等要求。 国际学术界对超宽带无线通信的研究也越来越深入。2002年5月20～23日，IEEE举办了一期会议，专门讨论UWB技术及其应用。2002年2月14日，美国联邦通信委员会(FCC)正式通过了将UWB技术应用于民用的议案，定义了三种UWB系统：成像系统、通信与测量系统、车载雷达系统，并对三种系统的EIRP(全向有效辐射功率)分别做了规定。但是，UWB技术的协议与标准尚未确定，目前，只有美国允许民用UWB器件的使用；而欧洲正在讨论UWB的进一步使用情况，并观望美国的UWB标准。 4．2 国内研究现状 2001年9月初发布的“十五”863计划通信技术主题研究项目中，把超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术作为无线通信共性技术与创新技术的研究内容，鼓励国内学者加强这方面的研发工作。但是国内目前关于UWB技术的深入研究仅限于雷达方面，关于UWB通信系统的研究还没有形成规模。 参考文献:<无线超宽带（UWB）通信原理与应用——21世纪信息与通信技术教程> 王金龙、王呈贵、阚春荣、徐以涛 2005-11第1版

简报就是简要的调查报告，简要的情况报告，简要的工作报告，简要的消息报道等。它具有简、精、快、新、实、活和连续性等特点。以下是我为大家整理的有关于移动通信技术的内容，欢迎阅读，希望大家能够喜欢。 无线通信发展经历了一百多年的历史，在这过程中，产生了不少新的技术的同时，又在不断地与其他技术进行综合，从而不断地涌现出一系列的通信方式，在适应不断提高的社会需求同时，自身也得到完善和发展。 从无线电通信发展全过程来看，不难看出，无线通信大致可分为3个重要发展阶段：20年代~30年代的短波通信，50年代~70年代的微波接力通信(含卫星通信)，80年代~现在的移动通信。 现仅就当今发展最为迅速，系统最为复杂，而又是热门话题的移动通信技术的发展趋势进行叙述。 截止20xx年7月，全世界的移动用户数量已经突破50亿户，预计今年该数字将突破60亿。 移动通信之所以得到快速发展主要是其不受任何时间、地点限制地实现了对象之间的通信。 从设备组网的角度看，移动通信网络可以看成是有线通信网的延伸，它由无线和有线两部分组成。 无线部分提供移动用户终端的接入，其包括数据交换、用户管理、漫游、鉴权等大部分网络功能的实现还是通过固定网络来实现的。 1.移动通信发展史 70年代中期至80年代中期。 这是移动通信蓬勃发展时期。 1978年底，美国贝尔试验室研制成功移动电话系统(AMPS)，建成了蜂窝状移动通信网。 根据移动通信的发展史，其发展历程和发展方向，可以划分为3个阶段： 1)第一代——模拟蜂窝通信系统 70年代末至80年代中期是移动通信技术得到了较快发展。 1978年底，美国贝尔试验室研制成功高级移动电话系统(AMPS)并建成了蜂窝状移动通信网，也即是第一代移动电话网，采用的是蜂窝组网技术。 美国第一个蜂窝系统AMPS(高级移动电话业务)在1979年成为现实。 因为传输技术条件的等的限制，第一代可移动电话用户不能实现长途漫游，也就是说移动电话用户只能在一定区域范围内实现移动通信，除此之外，该系统还存在着诸如系统容量不足、系统间互不兼容、通信质量不好、保密性不强、不能提供数据传送业务等致命的弱点，因此，第一代模拟蜂窝移动通信最终被第二代的数字蜂窝移动通信所替代。 但在该组网技术仍在下一代系统中得以应用。 2)第二代——数字蜂窝移动通信系统 为了克服第一代模拟蜂窝通信系统的各种缺点，20世纪80年代中期到21世纪初，数字蜂窝移动通信系统得到了大规模的应用，其代表技术是欧洲的GSM和美国的CDMA，也就是通常所说的2G(即第二代数字蜂窝移动通信系统)。 第二代数字蜂窝移动通信系统主要采用的是时分多址技术TDMA(TimeDivisionMultipleAccess)或者是窄带码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)技术。 TDMA系列最有代表的是泛欧GSM、美国D-AMPS和日本PDC;窄带码分多址(N-CDMA)系列主要是以高通公司为首研制的基于IS-95的N-CDMA(窄带CDMA)，是目前广泛应用的技术，它的应用技术标准叫做IS-95，是美国在1993年发布的N-CDMA标准，现在已成为常用的国际标准。 2.移动通信的特点 移动通信是基于终端用户处于移动状态的通信方式。 它具有如下有别于有线通信的特点： 1)由于用户位置的不确定性，它跟通信中的基站必须使用无线电波来传输信息。 由于电波是沿直线传播的，受移动台不断移动、障碍物遮挡、地形和地物的影响会使电波多径传播而造成多径衰落和阴影效应等影响，严重干扰了移动通信的质量。 2)移动通信是在强干扰的环境下工作的，主要干扰包括互调干扰，邻道干扰和同频干扰等; 3)通信容量有限。 频率作为一种资源必须合理安排和分配，为缓和用户数量大和资源有限的矛盾，除开发新频段之外，还采取了有效利用频率的各种措施，加压缩频带、缩小波道间隔、多波道共享等，即采用频谱和无线频道有效利用技术; 4)通信系统比固定网复杂得多。 因为用户随时移动位置等原因，通信系统需要具备根据信号的强弱来进行通信信道的切换、频率和功率控制、地址登记、越区切换及漫游存取等跟踪技术。 这就使得移动通信系统的信令的设计要比固定网要复杂得多。 在入网和计费方式上也有特殊的要求; 5)对移动台的要求高。 移动台长期处于不固定位置，外界的影响很难预料，这要求移动台具有很强的适应能力。 此外，还要求性能稳定可靠、携带方便、小型、低功耗及能耐高、低温等。 同时，要尽量使用户操作方便，适应新业务、新技术的发展，以满足不同人群的使用。 这给移动台的设计和制造带来很大的困难。 3移动通信的发展趋势 技术的创新从本质上来说就是为了不断满足人们日益增长的需求。 在过去的几十年中，移动通信无论是技术上还是业务上都得到了长足的'发展，这些变化也正极大地改变着人们的生活和工作方式。 随着全球一体化进程的加速和人们生活水平的不断提高，如物联网等新技术的发展等等，人们对未来移动通信技术将提出更多更高的需求。 尽管数字蜂窝移动通信技术也在不断的得到完善，但随着用户数量和网络规模的不断扩大，可以预见的是，在这快速增长的市场需求下，频率资源已经成为瓶颈，通话质量不尽人意，传输速率不高，达不到真正意义上满足移动多媒体和物联网的需求。 综上所述，我们大致可以预见未来的移动通信技术将沿着以下几个大的方向改善：1)随着网络业务数据化、分组化程度的提高，移动互联网逐步形成; 2)为了解决频率枯竭的问题，移动通信将应用于更高的频段，频率利用率也将得到很大程度的提高; 3)随着人们个性化需求的不断提高，提供个性化服务将成为业务发展的一个趋势，为此，网络设备的智能化和小型化也将成为必然; 4)在目前信息通信技术大融合的背景下，移动网和固定网、移动网和互联网的融合已成必然，网络和业务的融合将成为趋势，移动互联网的普及也将成必然; 5)随着全球化进程的进一步提高，视频移动业务将越来越普及，高速率、高质量和低费用是下一步市场对移动业务提出的更高要求。 目前世界上大多还在沿用着第二代数字蜂窝移动通信技术，第三代移动通信技术(3G)也在逐步推广当中，但源于更多的需求，人们早已提出了第四代移动通信技术(4G)的设想。 4G标准比要比上一代具有更强的功能。 第三代数字移动通信系统 第三代移动数字通信系统(3G)是在第二代的基础上进一步演变的以宽带CDMA技术为主移动通信技术，能同时提供语音数据综合服务和移动多媒体服务的移动通信系统，是一代有能力彻底解决第一、二代移动通信系统主要弊端的先进的移动通信系统。 为了在移动通信领域适应高速数据和图像电信业务的发展，并企望在第三代系统中统一标准，国际电联(ITU)进行了多方面努力。 于2000年5月确定W-CDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三大3G标准，并写入3G技术指导性文件《2000年国际移动电信计划》(简称IMT-2000)，2007年10月19日，在国际电信联盟在日内瓦举行的无线通信全体会议上，经过多数国家投票通过，WiMAX正式被批准成为继WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA之后的第四个全球3G标准[2]。 与前两代移动通信相比，第三代数字移动通信是一种能够覆盖全球的多媒体移动通信。 它具有别于上两代移动通信的两个主要特点是： 1)可实现全球漫游，使任意时间、任意地点、任意人之间的交流成为可能。 也就是说，每个用户都有一个个人通信号码，无论该用户走到世界任何一个国家，人们都可以找到你，而反过来，你走到世界任何一个地方，都可以很方便地与国内用户或他国用户通信，与在国内通信时毫无分别; 2)能够实现高速数据传输和宽带多媒体服务。 也就是说，用第三代手机除了可以进行普通的寻呼和通话外，还可以上网读报纸，查信息、下载文件和图片;由于带宽的提高，第三代移动通信系统还可以传输图像，提供可视电话业务。 从这两年的情况来看，随着终端手机设备的智能化发展，使得3G业务越来越多的在人们的生活中体现，如WAP业务，多媒体消息业务，定位服务业务，OTA下载业务等新兴业务得到了长足的发展。 中国3G牌照已经花落三家，分别是：TD—SCDMA中国移动(中国技术)、WCDMA中国联通(欧洲技术)、CDMA2000中国电信(美国技术)。 随着运营商竞争压力的加剧，可以预见的是我们消费者将享受到更好的新兴3G业务服务和更多的资费优惠。 第四代移动通信技术 尽管历经多年的研究开发，第三代移动通信在实际应用中还是碰到了很多问题，因此人们又开始把希望寄托到了提前出现的第四代的研究。 到目前为止，第四代移动通信技术(4G)技术还只是较多地停留于概念性的设想上，人们可以称之为广带(Broadband)接入和分布网络，也可无线互联网技术或后3G技术，在4G的定义上，人们还无法就其技术参数、国际标准、网络结构、乃至业务内容给出一个标准。 但其大致的轮廓已经得到了业界的共识。 展望未来，我们可以大致看到4G通信将具有如下的特征： 1)信息传输速率更快 人们研究4G的初衷是为了解决移动终端快速访问互联网的问题，变为现实的4G在应用上应具备更快的无线通信速度。 从目前已经公布的数据来看，4G最大的数据传输速率超过100Mbps，而3G网络只有2Mbps。 2)网络频谱更宽 要想提高信息的传输速度，4G网络中所需要带宽要比3G网络高出许多，估计达每个信道的带宽会达100MHz，是3G20倍。 3)容量更大 据估计，10年后，人们每天所获取的信息量要比今天至少高3-4个数量级，而3G的容量将远无法满足这种增长的业务量需求，所以，在4G里将采用新的网络技术来极大地提高系统的容量，如SDMA(空分多址)技术等，来满足未来大信息量的需求。 4)兼容性强 要使4G通信尽快地被人们接受，4G应考虑在投资最少的情况下轻易地过渡到。 因此4G将采用大区域覆盖、多种网络相互兼容、终端及网络升级过渡容易等特点。 实现真正意义的全球漫游。 5)智能性更高 4G系统的智能化程度更高。 在网络系统功能方面，能够做到自适应地进行资源分配、处理变化的业务流和适应不同的信道环境;在其用户终端的设计和操作也将更具智能化，它已经不是传统意义上的手机，它可以被当成手提电视，能够综合各方面因素来提醒它的主人此刻该做什么或者不该做什么。 它将能够实现许多现在人们无法想象的功能。 6)能实现更高质量的多媒体通信 4G通信将能在很大程度上改善现有3G多媒体通信存在的品质不良，数据传输速率不高的不足，为各种多媒体流的高速高质量传送提供可行的解决方案。 7)通信资费更加便宜 由于兼容性问题的解决和平滑性过渡的实现，4G的通信部署相比其他技术将显得容易和迅速得多。 这样就能够有效地降低运营成本，竞争的白日化将让人们享受到更加便宜通信资费。 对于现在的人来说，未来的4G通信的确显得很神秘，但技术的发展将使4G通信变成现实。 实现3G未能实现的功能，实现真正意义上的个人通信。 4结论 随着信息时代的到来，人们越来越依靠移动通信带来的便利。 可以设想不需要多少年,我们将会迎来一个真正的综合性的、宽带域、多功能、可以随时随地满足人们多角度、全方位需求的通信方式。 参考文献 [1]王文博.移动通信原理与应用[M].北京邮电大学出版社，2004. [2]常永宏.第三代移动通信系统与技术[M].北京：人民邮电出版社，2004. [3]谢显忠，等.基于TDD的第四代移动通信技术[M].电子工业出版社，2005.