1. 无线通信基础课程介绍

无线通信：蜂窝移动通信、无线局域网、短距离无线通信等
课程概要：介绍无线通信的基本概念、基本原理、关键技术和系统设计方法

2. 无线通信系统与频谱

无线通信是利用电磁波可以在空间中传播的特性，进行信息交换的一种通信方式，未来的无线通信可能会向量子通信，甚至引力波通信方向发展。

无线通信传输的是信息，而不是能量（与微波炉和无线充电不同），电磁波只是载体（相当于邮差）
信息可以加载在电磁波的幅度上，也可以加载在频率相位和极化方式上，还可以是上诉的组合。

电磁波：电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、y射线等
无线通信系统主要使用其中的微波频段，即300MHz-300GHz

毫米波通信：

• 一般将26.5GHz-300GHz称为毫米波频段
• 可用频谱宽（超过1GHz），可实现几十Gbps的传输速率
• 可实现射频器件小型化，有利于大规模天线阵列MassiveMIMO（天线数超过100）的实现
• 传播损耗快，传输距离短，器件成本高
• 24.75GHz-27.5GHz、37GHz-42.5GHz频段极有可能成为5G的工作频段

3. 无线通信系统发展史

1820年，奥斯特发现“电能生磁”，当金属导线中有电流通过时，附近的磁针便会发生偏转。
1831年，法拉第发现“磁能生电”和“电磁感应”，导线在磁场中运动时会有电流产生的现象。
1864年，麦克斯韦建立麦克斯韦方程组，预言了电磁波的存在。
1887年，赫兹通过实验证实了电磁能量可以通过空间进行传播，并设计出了世界上第一副无线电天线。
1895年，波波夫发明无线电接收机，探测60米外发送的无线电信号。
1896年，马可尼也发明了无线电收报机。
1901年，实现了跨大西洋3000公里的无线电报。
1906年，调幅无线电广播。
1924年，车载移动电话。
1933年，调频无线电广播。
1936年，电视广播（英国BBC）。
1947年，纽约和波士顿之间建成第一条模拟微波通信线路。
1948年，香农创立了信息论，奠定了数字通信基础。
        提出了熵的概念，实现了对信息的定义
        提出了香农三定理（可变长无失真信源编码定理、有噪信道编码定理、保失真准则下的有失真信源编码定理）
1955年，实现全长2600公里对流层散射通信线路
1968年，模拟寻呼系统开通（1983上海）
1969年，阿波罗11号载人登月，成功地实现了月地通话和月面电视中继
1971年，美国夏威夷大学提出无线分组网络ALOHAnet
1973年，数字寻呼系统（BP机）开通（1984年广州）

蜂窝移动通信系统：

• 蜂窝移动通信系统中，把通信服务区分为若干个小的无线覆盖区（小区），通常表示为六角蜂窝状
• 每个小区设置一个基站，负责小区内移动台通信和控制
• 基站间通过核心网相连，并与固化系统和互联网相连
• 一般相邻的小区不能使用相同频率，不相邻的小区可以复用频率，提高频率使用效率

蜂窝移动通信（5代）：AMPS(1G)、GSM\IS-95(2G)、WCDMA\CDMA2000\TD-SCDMA(3G)、LTE(3.9G)、LTE-A(4G)、IMT-2020(5G)

特点：
    双向通信，用户可以主叫，也可以被叫
    支持切换和漫游

第一代（1G）
1973年，摩托罗拉公司马丁·库帕团队研制世界上第一步手机。
蜂窝移动通信标准（AMPS、TACS）

特点：
    模拟通信
    仅能承载语音业务
    语音质量较差
    系统容量小，资费高
    移动终端价格高，体积大，不易于携带

第二代（2G）
全球移动通信系统（GSM）、窄带CDMA（IS-95）

特点：
    数字通信
    承载语音、短信、低速数据等多种业务
    系统容量大，资费较低
    移动终端价格低，体积小，易于携带
    

第三代（3G）
2G系统支持业务比较单一，特别是无法支持宽带数据业务，3G应运而生。
3G共有四个国际标准：WCDMA（中国联通）、CDMA2000（中国电信）、TD-SCDMA（中国移动）、WiMAX

特点：
    扩频、码分多址
    承载语音、数据、视频等多媒体业务
    系统容量大，资费较低

第四代（4G）
为满足快速增长的数据业务需求，3GPP提出了长期演进计划（LTE）。
LTE名为演进，实际采用了OFDM、MIMO等一批革命性的技术，大幅度提升了数据传输速率，也是当前应用最广的移动通信系统。
LTE包括LTE FDD和LTE TDD两大制式。

特点：
    峰值速率高，下行100Mbps，上行50Mbps
    网络架构扁平化，全IP组网
    系统部署灵活，支持1.4MHz-20MHz多种带宽
    网络时延小，业务质量有保证

第五代（5G）
5G峰值数据传输速率达到10Gbps，性能达到4G的10000倍，传输延迟不超过1毫秒。

三大应用场景：
    增强移动宽带（eMBB）：10Gbps峰值速率，支持3D/超高清视频
    海量机器类通信（mMTC）：一百万/平方千米连接，支持大规模物联网
    超高可靠低延迟通信（URLLC）：毫秒级延迟，支持无人驾驶、工业自动化、远程医疗、AR/VR等业务
    
2018年12月10日，工信部发放5G试验频率许可：
    中国移动：2515MHz-2675MHz和4800MHz-4900MHz
    中国电信：3400MHz-3500MHz
    中国联通：3500MHz-3600MHz

2019年6月6日，工信部给移动、电信、联通、广电发布5G商用牌照，进入5G时代

中国：1G空白、2G跟随、3G突破、4G并跑、5G引领

4. 常用的无线通信系统

无线通信系统：卫星通信、广播通信、微波通信、蜂窝移动通信、无线局域网、短距离无线通信。

卫星通信：
利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波实现两个或多个地球站之间的通信。

特点：
    通信距离远，覆盖范围大
    不受通信两点所处复杂地理条件的限制
    安全可靠，抗毁性好（应急通信）
    传输时延大，受日凌现象和太阳黑子影响大
    

微波通信：
利用微波作为载波，来进行信息传输的一种无线通信方式

特点：
    抗干扰能力好，线路噪声不累积
    保密性好
    组网灵活，建设周期短、成本低
    对于地面的远距离通信，需要采用“中继”传输
    （已逐渐被光纤通信取代，主要应用于特殊地区和特殊场景）
    

无线局域网（WLAN）：
无线局域网是计算机网络与无线通信技术结合的产物，用无线方式将计算机连接到网络

特点：
    传输速率高
    使用免授权（ISM）频段
    兼容性好
    小型化、低成本
    易于部署和维护
    

短距离无线通信系统：
IR（红外）、RFID（射频识别）、Bluetooth（蓝牙）、Zigbee、UWB（超宽带）、Ad hoc、NFC（近场通信）

无线广播/电视通信系统：
通过无线电波向广大地区播送声音、图像、视频等节目，统称为无线广播。

特点：
    成本低，覆盖范围大
    单向传输
        

5. 无线通信面临的挑战

更高的传输速率要求：

• 高清视频、虚拟现实/增强现实、人工智能等技术
• 用户对传输速率的需求是无止境的

频谱资源稀缺：

• 有线通信的带宽几乎是无限的，而无线通信的带宽极为有限
• 目前无线通信技术可以使用的频段不超过100GHz
• 无线通信是开放环境，系统和用户共享频率资源

恶劣的无线电波传输环境：

• 高楼林立，无线电波易被遮挡，导致覆盖盲区
• 无线干扰源日益增加

网络建设成本激增和业务收入增长缓慢：

• 移动通信向着高频段和大宽带发展
• 发射功率一定时，频率越高，带宽越大，信号覆盖范围越小
• 基站数激增，增大了网络建设和维护成本