《无线通信技术》教学教案Word格式.docx

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知识点1：

无线通信系统发展历程

无线通信技术为人与人的沟通、人与物的交流提供了一张无形的网络，而这样一张无形的网络也逐渐成为一种流行趋势。

20世纪70年代，电视开始走进千家万户；

20世纪80年代，家家户户开始安装有线电话；

20世纪90年代，互联网开始风靡世界。

这些都要通过敷设特定的有线网络来进行信息的传递。

而今天，看电视、打电话、上网都可以通过接入无线网络来完成，摆脱了有线的束缚。

无线接入为人们提供了更加灵活与便捷的通信方式。

知识点2（重点）：

无线通信系统的构成

结合书中图1-1讲述无线通信系统的构成，介绍每一部分的作用，并引导学生思考。

通信系统包含3个重要的组成部分，即信源、信道和信宿。

信源就是信号的发射端，信宿就是信号的接收端，信道就是从发射端到接收端的传输路径。

根据传输介质的不同，可以将通信系统分为无线和有线两种。

✧拓展性提问：

以某一个无线通信系统为例说出这些单元分别起到怎样的作用？

2.2无线通信系统的分类

我们使用蓝牙耳机，用手机打电话，接收电视的卫星信号，这些都是无线通信，那么这些通信方式有什么差别呢？

无线通信系统的分类

无线通信系统可以分为很多不同的类型，例如，根据其传输信号的形式不同，可以分为模拟通信系统与数字通信系统；

根据电磁波的波长不同，可以分为长波通信系统、中波通信系统、短波通信系统和微波通信系统等；

根据通信的方向性，可以分为单向传输系统和双向传输系统。

1）模拟通信利用模拟信号作为载波，并利用载波参数的改变达到通信的目的。

在实际系统中，通常使用正弦波或周期性脉冲序列作为载波，可以利用原信号改变正弦波的幅度、频率或相位；

也可以利用原信号改变脉冲的幅度、宽度或位置。

数字通信是指用数字信号作为载体来传输消息，或用数字信号对载波进行数字调制后再传输信息的通信方式。

数字通信与模拟通信相比具有明显的优点，如其抗干扰能力强，通信质量受噪声的影响较小，能适应各种通信业务的要求，便于采用大规模集成电路，便于实现保密通信和计算机管理。

2）长波通信是指利用波长长于1km，即频率低于300kHz的电磁波进行信息传输的无线电通信。

长波通信又可以细分为长波、甚长波、超长波和极长波波段的通信。

中波通信是指利用波长为0.1～1km，频率为300～3000kHz的电磁波进行信息传输的无线电通信。

短波通信是指利用波长为100～10m，频率为3～30MHz的电磁波进行信息传输的无线电通信。

微波通信是指使用波长为0.1mm～1m，频率为300MHz～3THz的电磁波进行信息传输的无线电通信。

微波通信又包括分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波通信，其可以提供较宽的通信频段。

3）人们收听广播依托的就是单向传输系统，手机通信依托的就是双向传输系统。

双向传输系统包括单工系统、半双工系统和双工系统3种类型。

知识点2：

无线通信技术的分类

根据通信服务范围的远近，可以将无线通信技术分为近距离无线通信技术与远距离无线通信技术。

近距离无线通信技术是指通信双方在较近的距离范围内利用无线电波传输数据，其应用范围非常广泛。

与近距离无线通信技术相对的是远距离无线通信技术。

常用的远距离无线通信系统包括移动通信系统、卫星通信系统等。

1）随着移动物联网技术的发展，很多近距离无线通信技术，如ZigBee、蓝牙、射频识别（RadioFrequencyIDentification，RFID）等技术都得到了进一步的发展。

2）宽带无线通信是指从用户终端到业务交换点之间的通信链路采用无线宽带接入技术，它实际上是核心网络的无线延伸。

3）窄带无线通信技术在近几年也得到了迅猛发展，其最典型的应用之一就是窄带物联网（NarrowBandInternetofThings，NB-IoT）。

结合实际的物联网系统探讨其使用了哪些无线通信技术？

2.3无线信道

大家使用手机经常有这样的体验：

信号不好，通信质量不佳。

什么影响了传输中的信号质量？

电磁波的衰减

信号在无线信道中传输时，随着传输距离的增加，其传输电磁波功率会逐渐减小。

根据电磁场理论知道，随着距离r增大，电场按照

的规律减小，所以自由空间每平方米的电磁波功率按

的规律减小，这就是自由空间损耗。

1）传输衰减：

无线信道对信号的衰减主要由传输路径的长度及传输路径中的障碍情况决定，任何阻挡在发射机和接收机之间的障碍都会引起信号功率的衰减。

无线信道的传输衰减主要体现在路径损耗、多径衰落、阴影衰落等方面。

2）根据信道随着时间和频率变化的差异，可以将信道衰落分为频率选择性衰落和时间选择性衰落。

信道的建模

信道输入/输出模型的建立和统计模型的建立。

1）平衰落信道、频率选择性信道环境下信道抽头模型的建立。

2）信道模型的统计描述：

在抽头模型中，原本连续的信道被建模成离散时间信道，从而方便用离散信号的处理方法进行分析讨论。

输入/输出模型中，信道每一径的等效抽头系数决定了发射信号与接收信号之间的映射关系，可以通过统计特性加以描述。

在通信仿真实验中，经常需要模拟产生抽头系数，用来在实验平台上搭建完整的通信系统。

✧拓展实践环节：

利用输入输出模型仿真点对点信道，并分析其统计特性。

移动通信系统的发展与应用（4学时）

3.学习任务

了解移动通信系统标准化研究过程，了解标准化组织及标准化工作进展。

掌握5G系统的新需求及标准化工作。

重点掌握5G系统的新场景、新技术和新应用。

4.教学过程设计：

2.1移动通信标准化研究机构

针对移动通信系统，有专门的标准化组织致力于移动通信的标准化工作，你可以说出一些熟悉的组织名称嘛？

标准化组织介绍

包含欧洲电信标准化协会、中国通信标准化协会、美国电信工业协会、日本无线工业及商贸联合会、移动通信技术协会和韩国的电信技术协会等；

移动通信接口标准的定义规范，国际电信联盟的职责和任务。

移动通信接口标准化进程

3G系统、4G系统以及5G系统的定义及演进过程；

5G的研究进展及三大应用场景。

2.2第五代移动通信系统

5G标准化进展

5G系统是一个端到端的、全移动的、全连接的生态系统，提供全覆盖的一致性体验，提供可持续的商业模型，通过现有的和即将涌现的创新，为用户和合作伙伴创造价值。

5G标准化的研究分几个阶段展开，形成了Release15、Release16和Release17等几个演进版本的标准。

5G应用场景及性能指标

IMT-2020确定了5G系统的几个重要性能指标：

峰值速率最高达到10Gbit/s，频谱效率是现有IMT-Advanced系统的3倍以上，支持500km/h移动速度下的用户通信，系统延时不超过1ms，支持高密度、高能效的连接，并保证每平方米范围内的区域流量等。

对比4G系统的性能指标，可以看出对于5G系统，除了传输容量增加的用户需求之外，随着物联网、工业自动化技术的发展，能量的消耗、接入的延时及接入密度等都是5G系统需要考虑的因素。

1）在IMT-2020的定义中，5G系统将达到10Gbit/s的峰值速率，在增强移动宽带的通信场景下，5G系统可以支持不同场景下的差异性用户接入；

在广覆盖的通信环境下，普通的城市或郊区用户可以达到100Mbit/s的平均速率；

在某些热点覆盖区域，用户可以实现更高的数据传输。

2）5G系统中，在增强移动宽带的通信场景下，频谱的接入效率将是现有4G网络频谱接入效率的3倍或者更高。

3）提供不到1ms的系统延时，从而支撑某些低延时业务的需求。

4）5G系统要求最高可以支持500km/h移动场景下的用户通信。

5）5G系统将支持106个设备/平方千米的连接密度，从而为海量的移动物联网接入业务提供通信基础。

2.35G新技术及新应用

是什么让5G网络具有如此卓越的能力呢？

5G中的新技术

5G系统采用了一系列新的关键技术，主要包括大规模天线技术、异构超密集组网技术、新型多址技术、全频谱接入技术和新型网络架构等。

1）大规模天线技术是多天线技术的增强应用，其通过在发射端和接收端配备多根天线达到提升系统频谱效率的目的。

2）异构超密集无线网络系统可以有效提升系统的能量效率，增加网络覆盖和吞吐量，大大提升网络用户的通信体验。

3）在5G系统的接入方案中出现了一系列非正交多址接入。

非正交多址接入技术通过发射信号的叠加传输提升系统的接入能力，可有效支撑5G系统每平方千米兆数量级设备的连接需求。

4）全频谱接入技术通过有效利用各类频谱资源，缓解5G系统对频谱资源的巨大需求。

除了为5G寻找新的频谱资源以外，未来还可能使用对2G/3G频谱进行重耕、使用未授权频段等方法为5G系统提供更多的频谱资源。

5）5G系统中将采用端到端的网络切片技术，将网络分割成多个切片，每个切片在逻辑上相互独立，可以实现某个特定类型业务的最佳体验。

5G的应用场景

国际标准化组织3GPP定义了5G系统的增强型移动宽带（enhancedMobileBroadBand，eMBB）业务、海量机器类通信（massiveMachineTypeCommunication，mMTC）业务和高可靠低延时连接（uRLLC）业务三大应用场景，并从吞吐率、延时、连接密度和频谱效率提升等8个维度定义了对5G系统的能力要求。

1）增强型移动宽带业务在现有宽带通信网络的基础上，为用户提供高速率的数据传输和大流量的移动业务。

这也就意味着，在5G系统的覆盖下，用户将获得更高速的上行、下行数据传输。

2）5G系统不仅需要为人与人之间提供通信服务，还将面对众多物物相连的场景。

以车联网为例，信息的发射端、接收端及中继站，消息传递过程必须保证私密性、安全性、可靠性及实时性。

除此之外，工业自动化也需要高可靠低延时的无线通信。

3）大规模物联网业务也是5G网络面向的主要应用场景之一。

海量机器类通信为大量低成本、低能耗的设备提供了有效的连接方式。

✧拓展性问题：

请结合实际应用例举你身边的5G应用

信道编码技术（6-8学时）

5.学习任务

了解信道编码的概念，掌握编码的准则及编码性能的衡量标准。

了解基本的编码方案，掌握卷积码、Turbo码的编码原理及解码方案。

了解5G系统中新的编码方案，了解LDPC编码及极化码编码的原理，掌握LDPC编码及极化码在5G系统中的应用。

6.教学过程设计：

2.1信道编码

数字信号在无线信道中传输时会受到信道噪声、信道畸变及干扰信号的影响，可能导致接收端判决出错。

有什么办法可以降低或减少出错的概率嘛？

信道编码的概念

信道编码是数字通信系统中的重要组成部分，它可以提高信道传输的可靠性，降低系统的错误率。

信道编码技术通过在待发射的信息码元中加入必要且尽量少的监督码元来引入一定的信息冗余，使数据对传输信道上存在的干扰更加稳健；

在接收端可以利用这些冗余发现和纠正错误，以提高码元传输的可靠性。

编码原理

经过信道编码后一般会多传输一些信息，这些多出的比特中将包含冗余信息，即重复的信息，重复的信息越多，编码信号的可靠性就会越高，但效率也会随之降低。

这些多出的信息位称为监督位，信道编码通过在新产生的编码信号中引入监督位，