Broadband Wireless Communications(宽带无线通信)

盛敏msheng@mail.xidian.edu.cn

课程的基本信息

• 课程编号:

• 课程名称：宽带无线通信

• 硕/博士生：必须/选修课

• 课内学时数：48学时

• 上课时间：( 地点:J2-04)

• 授课方式：讲课、自学、研讨

• 考试方式：笔试(全体)＋专题报告(博士生）

• 先修课程：微积分、线性代数、概率、通信原理

教学目标

要求学生掌握宽带无线通信系统的基本原理、

主要的理论和技术，为设计和研究新型无线通信系

统打下良好的基础。通过本课程的学习，应当能就

本课程相关的专题写出有创新的研究报告。

Objectives

• 基于较为严格的数学基础,深入理解无线通信的理论和方法

• 了解无线通信理论常用的语言和工具,为从事相关的研究和论文写作打好基础

• 感受通信理论中建立理论框架的思维方法,培养一定的“学术审美观”

• 熟悉一些前沿研究中常见的模型假设和性能测度

教学内容

宽带无线通信系统是宽带信息网络的主要接入

手段和基础传输方式之一。通过宽带无线通信系统

随时随地接入Internet和享用多媒体业务是未来通

信领域的研究重点。

本课程重点介绍宽带无线通信的基本理论和主要技

术。包括宽带无线信道特征、高速和高效的传输技术、

各种先进的干扰管理技术等。

WHAT

• 学什么？– 通信理论基础部分

• 通信波形• 信号空间

– 无线信道• 信道衰落• 分集复用

– 多址技术• CDMA• OFDMA

与信息论课程的区别一:关注连续波形的传输

与信息论课程的区别二: 关注线性高斯信道的传输理论

HOW

HOW

Weekly Reading

• Goldsmith, Chap1• Gallager, Chap1• Tse，Appendix• Rappaport, T.S.; Annamalai, A.;Buehrer,

R.M.; Tranter, W.H. Wireless communications:past events and a future perspective, IEEE Communications Magazine, 50th Anniversary Commemorative Issue, May 2002, Page(s): 148 –161

1 概述

1 概述

• Why?宽带无线通信

– 无线通信系统的现状与愿景

• How？

– 无线通信系统的组成

– 无线通信的关键技术

无线通信的现状

n 2006年无线世界研究论坛（WWRF）预测：到2017年将有7万亿无线通信设备为70亿人服务

n 思科报告显示：2012年底移动终端就已超过了世界人口总数70亿

Life goes mobile!

Life goes mobile!

业务量总量逐年迅增新兴业务不断涌现

Global Mobile Data Traffic Forecast

Source: Cisco VNI Mobile Forecast, 2013Push to TalkStory TellerCredit Card

……

Ubiquitous Network Applications

• 在1990年全世界只有1000万无线通信用户，这些手机几乎全部采用第一代模拟

FM调制。

• 2002年5月全世界突破10亿的移动手机用户。

• 2008年年底，全球手机用户人数将达到40亿。

• 2011年，全球人口的手机普及率预计将超过70%。

•思科报告显示：2012年底移动终端就已超过了世界人口总数70亿

无线通信业的成长

•数据显示，截至2010年6月30日，我国固定电话用户合计为3.05亿户。我国移动

电话用户合计8.05亿，3G用户达2520万户，TD用户达1046万户。

•我国手机用户2010年前6个月共发送短信4054亿条，相对去年同期增长6.2%，按

照8.05亿用户计算，平均每个移动用户每天发送短信2.8条。平均每天通话的时长

14.2分钟。

2000 2010

语音业务

非语音业务(图象，数据)

2005

Challenging Mobile Multimedia 50%

50%

70～80%

30～20%

Mar

ket s

ize

语音与非语音业务的比例

固网上的应用在数年后会在移动网上出现

1991 1994 1997 2000 2003

Start of the World Wide Web

Functionality

Year

➨Functionality➨Speed

➨Cost

3 - 5 Years

➔Audio & Videobroadband (DSL, CATV, etc.)

➔Audio & Videonarrowband

➔ Pictures➔Graphics➔ WWW

➔ Text➔ SMS

➔ Pictures➔ Graphics➔ HSCSD➔ WAP

➔Audio & Videonarrowband(GPRS)

➔Audio & Videobroadband(UMTS)

Fixed networks are leading

ISDN

VDSL

CATVxDSL

1990

100K

1M

10M

100M

1G

1995 2010

Data speed

1K

10K Voice bandmodem

20052000

●W-CDMA TD-SCDMA cdma200

● cdma2000 EV-DO (2.4M)

●W-CDMA/TD-SCDMA HSDPA (14M)

● LTE (50M/100M)

Why do we need broadband Wireless Communication

Rich mobile services drive demand for bandwidth

无线通信愿景及发展历程

Future Wireless NetworksUbiquitous Communication Among People and Devices

Next-generation CellularWireless Internet AccessWireless MultimediaSensor Networks Smart Homes/SpacesAutomated HighwaysIn-Body NetworksAll this and more …

无线通信的愿景

• 无线通信的愿景是随时（Anytime）随地

（Anywhere）的通信（Any information）。

有两家公司2002年前曾致力于实现这一通信目标，但由于他们过于超前了当时的时代需求，迫使这两家公司宣布破产。

Iridium 公司(和一些类似的公司)在空中使用蜂窝电话系统的概念，力图建立基于卫星的全球无线通信系统；同时，Metricom公司却力图，通过一个巨大的工作在不需要许可的

频段上的低功耗设备构成的无线网络，采用互联协议（IP）的方式，在全国范围内大城市内提供一个始终在线的数据服务。

铱星价格：3美元/分钟

Space-based handoffs,Spot-beam antenna,Power-efficient Eng.,

Handset Eng.,网络管理

6个轨道*11颗星/每轨道

“铱”星系统

Metricom公司开创了始终在线（ always-on ）的无线网络接入的先河，并且让人们第一次看到了为移动用户提供的无处不在（Ubiquitous）的 Internet接入。

64－128kbps峰值数据吞吐量。

Metricom公司过分超前于它的时代，它建立并试运营了第一个无线Ad hoc网，采用数据包交换的无线通信方式，它建立的时间超前于2.5G蜂窝/PCS（个人通信系统）技术的时间多年。所以最终，Metricon公司在2001年被迫宣告破产。

Metricom

另外一个同样拥有一个令人兴奋的公共无线Internet网远景的公司Mobilestar公司。

Mobilestar 公司在全球的星巴克（Starbucks）咖啡店中都配置了公共无线局域网，公司也因此闻名于世。2002年前，Voicestream Wireless公司收购了Mobilestar公司，希望能拓展WLAN服务，以增加该公司传统的PCS（个人无线通信业务）业务。

公共无线局域网（Public WLAN）

70 80 90 00 10

R/D

1G (FDMA)2G(TDMA)

3G(CDMA)

4GStandard

Widely application

Product Development

移动通信系统的演变

每十年换一代

移动通信系统的演变

无线通信系统的演变

3G

IMT-Advanced4G

1G2G

低

中

高

AMPSTACS

GSMcdmaOne

WCDMA R99/R4cdma2000 1X

TD-SCDMA R4

E3G（3G演进型）

LTEDO Rev C

WLAN 数据速率

<200kbps 300kbps-10Mbps<10kbps 100M-1Gbps

802.11/WiFi

MBWA

802.16e/WiMAX

3G增强型

HSDPAHSUPA

1xEV-DO

移动性

201520102005200019951985

MBWA+

FBWA

DSL FTTx

宽带无线接入802.16m/WiMAX II

802.11a/g/n

演进型3G

3G 增强型3G

无线移动技术演进路径

2001-2005 2006-2007

WCDMA无线技术演进路线CDMA2000无线技术演进路线

LTE

HSDPA (P1)

1.8M/3.6Mbps

HSDPA(P2) 7.2/14.4Mb/s

HSUPA6-8Mbps

WCDMA R99/R4

384kb/s

GSM/GPRS/EDGE

171kbps/384kb/s

LTE

HSDPA 单载波

2.8Mbps

MC-HSDPA

8.4Mb/sHSUPA

R4

384kb/s

GSM/GPRS/EDGE

171kb/s/384kbps

LTE

TD-SCDMA无线技术演进路线

DL:100MbpsUL:50Mbps

DL:100MbpsUL:50Mbps

HSPA+>10Mbps

HSPA+DL:>40MbpsUL>10Mbps

802.16d

20Mbps

802.16e

20Mbps802.16m

WiMAX演进路线

2008-2010

1xEV-DO Rev. 0

DL: 2.4MbpsUL:153.6kbps

cdma2000 1x(Rev. 0)

153.6kbps

1xEV-D0 Rev. A

DL: 3.1MbpsUL: 1.8Mbps

1xEV-DV

3.1Mbps

DO Rev. B（多载波 DO）DL：46.5Mbps

UL: 27Mbps

LBC DL: 100Mbps-1Gbps

UL: 50-100Mbps

SBCDL: 100Mbps-1Gbps

UL: 50-100Mbps

DO Rev. C (UMB)

TD-SCDMA的历史

TD-SCDMA的南湖会议邮电部批准中国提交标准

1998.1

TD－SCDMA成为国际第三代移动通信标准之一

2000.5

西山会议

TD-SCDMA打响第一枪正式向ITU提交标准建议

1998.6

TD-SCDMA的遵义会议成为ITU／3G候选方案

1998.11

赫尔辛基ITU会议

伊斯坦布尔无线电大会

TD－SCDMA成为3GPP标准R4

2001.3

加洲棕榈泉3GPP全会

3GPP LTE3GPP LTE（Long Term Evolution），又称之为UTRAN LTE。LTE的目

标峰值速率为下行100 Mbps，上行50 Mbps。

LTE的主要系统特征如下：

适用于不同的带宽：1.25~20 MHz

支持“paired”和“unpaired”的频谱分配

以分组域业务为主要目标

降低无线网络时延：U-plan < 10 ms, C-plan < 100ms

频谱效率：下行5 bps/Hz (3 to 4 times Release 6 HSDPA)；上行

2.5 bps/Hz (2 to 3 times Release 6 HSUPA)

强调后向兼容，同时也考虑与系统性能的折衷

LTE-A

• 3GPP提出的LTE-A的需求：下行峰值速率1Gbps

，上行峰值速率500Mbps，上下行峰值频谱利用

率分别达到15bps/Hz和30bps/Hz。

5G

频谱效率 5-15X

能效 100X

与4G相比

成本效率 100X

33

为什么要学习通信理论?

• 通信理论在过去的半个多世纪中指导了系统设计,深刻影响了通信技术的发展– 纠错编码:LDPC,Turbo,TCM– 多天线技术:MIMO– 多址技术:CDMA,OFDMA,SDMA

• 作为一个从实际系统中抽象出的模型,通信理论尽管只使用相对简单数学工具,但是需要深入的理解

通信理论之美

• A good theory (and information theory is one of the best) allows for simple analysis of simplified models. It also provides structural principles that allow insights from these simple models to be applied to more complex and realistic models.

Robert G. Gallager

无线通信系统的组成

通信系统最简单的模型

现代通信系统的基本模型

信源编码 加密 信道编码 复用

基带调制脉冲成型

载波调制载波解调

基带解调采样判决

解复用 信道解码 解密 信源解码

信道

无线通信系统的基本组成：

无线信道

+

n(t)

+h(t)

n(t)+i(t)

放大器 解调器

S/N

Eb/N0

Pe调制器 功率放大

R Ps(t)

BW)(

21 rerfcPe =

BPSK

无线传输系统

容量

P与S/N的平衡

信息传输的基本问题

• 有效性– 信息传输的基本问题– 用最少的bit表示信源给定资源(功率,带宽),传输尽可能多的信息

• 可靠性– 传输中产生的差错尽可能小

• 时效性– 传输的延时尽可能小

数字通信基本模型

• Shannon,1948,Bell Lab,Math Center

• 任意信源输出可以通过二进制比特流(近似)表示• 任意信道可以传递二进制比特流

高斯信道的容量

• Channel capacity: The maximum data rate at which the error-free communication over the channel is performed.

• Channel capacity on AWGV channel with bandwidthW (Shannon capacity theorem):

][b its/s1log 2 +=NSWC

power noise Average :[Watt]power signal received Average :]Watt[

Bandwidth :]Hz[

0WNNCES

W

b

==

带限高斯信道的容量

• Nyquist minimum bandwidth requirement : The theoretical minimum bandwidth needed for baseband transmission of Rssymbols per second is Rs/2 hertz ?（无噪声）

t

)/sinc()( Ttth =1

0 T T2TT2

T21

T21

T

)( fH

f0

无线传输系统

Nyquist–Shannon sampling theorem

• If a function x(t) contains no frequencieshigher than B hertz, it is completelydetermined by giving its ordinates at a series ofpoints spaced 1/(2B) seconds apart. Asufficient sample-rate is therefore2B samples/second, or anything larger.

• The number of independent pulses that couldbe put through a telegraph channel per unittime is limited to twice the bandwidth of thechannel

• Shannon theorem puts a limit on transmission datarate, not on error probability:

– Theoretically possible to transmit information at any rate Rb , where Rb £ C with an arbitrary small error probability by using a sufficiently complicated coding scheme.

– For an information rate Rb > C , it is not possible to find a code

that can achieve an arbitrary small error probability.

无线传输系统

C/W

[bits

/s/H

z]

SNR [dB]

Practical region

Unattainableregion

无线传输系统

Shannon limit …

– When the SNR is small, the capacity is linear in power but insensitive to bandwidth. This is called the power-limited regime.

无线传输系统

对于低信噪比情况

对于高信噪比情况

– When the SNR is small, the capacity is logarithmic in power and approximately linear in bandwidth. This is called the bandwidth-limited regime.

20

log (1 ) /SC W bit sWN

= +

无线传输系统

S

6

0

10SN

=

– There exists a limiting value of below which there can be no error-free communication at any information rate.

– By increasing the bandwidth alone, the capacity cannot be increased to any desired value.

+=WC

NE

WC b

02 1log

==

+=

WNNCES

NSWC

b

0

2 1log

[dB] 6.1693.0log

1

:get we,0or As

20

=eN

EWCW

b

0/ NEb

Shannon limit

无线传输系统

[dB] / 0NEb

W/C [Hz/bits/s] Practical region

Unattainableregion

-1.6 [dB]

无线传输系统

R<CPractical region

R>CUnattainable region

R/W

[bits

/s/H

z]

Bandwidth limited

Power limited

R=C

Shannon limit510=BP

MPSKMQAMMFSK

M=2

M=4

M=8

M=16

M=64

M=256

M=2M=4

M=8

M=16

[dB] / 0NEbIdeal band-limited AWGN channels may be classified as bandwidth-limited or power-limited according to whether they permit transmission at high spectral efficiencies or not. If SNR is small (the power-limited regime), the capacity (achievable spectral efficiency) increases linearly with SNR. On the other hand, if SNR is large (the bandwidth-limited regime), the capacity increases logarithmically with SNR, which is dramatically different from the linear behavior in the power-limited regime. In the power-limited regime, every doubling of SNR doubles the achievable rate, whereas in the bandwidth-limited regime, every additional 3 dB in SNR yields an increase in achievable spectral efficiency of only 1 (b/s)/Hz.

4GWCDMAGSM

20

log (1 ) /SC W bit sWN

= +

无线传输系统

Where are we?

S

6

0

10SN

=