移动通信李建东第四版.ppt

移 动 通 信,课程性质：本课程是电子科学与技术(本科)专业的专业选修课。课程目的：其目的是使学生通过本课程的学习，掌握蜂窝移动通信系统的基本工作原 理；熟悉现有的GSM系统和CDMA系统，及2.5代的GPRS系统和CDMA 1X系统；了解3G、4G和未来移动通信系统的技术发展趋势。通过本课程的学习，使学生具有一定的蜂窝移动通信系统的场强计算、系统设计和网络规划能力。,课程任务：本课程任务是讲授现代移动通信系统的基本概念、基本技术和基本原理。教学重点是现代移动通信的基本概念（蜂窝小区与频率复用）、移动信道的电波传播、抗衰落技术、现代移动通信系统的多址技术和组网、GSM系统、窄带CDMA移动通信系统。,教学目标：以现代移动通信系统为背景，主要讲述蜂窝移动通信的基本概念和典型移动通信系统的基本原理。教学重点：移动通信中的基本概念，蜂窝移动通信的组网原理，移动通信中的关键技术和移动通信系统结构。,2、学时分配本课程学分为2学分，计划总课时36课时。,3.参考书目教材：李建东等，移动通信（第四版），西安电子科技大学出版社。其他参考书目：祁玉生，现代移动通信系统，通信工程丛书，人民邮电出版社；赵荣黎，数字蜂窝移动通信系统，电子工业出版社；蔡涛等译，无线通信原理与应用，电子工业出版社；骆健霞等译，CDMA系统工程手册，人民邮电出版社；等,第1章 概 论,1.1 移动通信的主要特点1.2 移动通信系统的分类 1.3 常用移动通信系统 1.4 移动通信的基本技术 1.5 移动通信的发展历程和发展方向1.6 移动通信的标准化,本章要求：掌握移动通信的主要特点了解移动通信的分类掌握移动通信的工作方式理解集群通信的原理理解数字通信的优点了解移动通信的发展了解常用的移动通信系统了解移动通信的相关基本技术及发展趋势,移动通信的基本概念“动中通”通信双方至少有一方在移动中进行信息传输和交换。终端的移动（手机，车载台）个人的移动性（ISM卡方式支持的业务）业务的移动性（200业务等）,1.1.1 移动通信的发展史简介 1987年，马可尼在陆地和一只拖船上完成无线通信实验，标志无线通信的开始1928年，美国警用车辆的车载无线电系统，标志移动通信开始进入实用1946年，BELL实验室在圣路易斯建立第一个公用汽车电话网，标志着专用的移动通信系统应用到了公用系统上；1974年，BELL实验室提出蜂窝移动通信的概念,1980s，第一代蜂窝移动通信系统，1983年美国的AMPS，1980年北欧的NMT，1979年日本的NAMTS，1985年英国的TACS。代表“大哥大”1990s，第二代移动通信GSM，（Global System for Mobile Communication 的缩写。意思是全球移动通信系统）IS-95（是由高通公司(Qualcomm)发起的第一个基于CDMA的数字蜂窝标准。基于 IS-95的第一个品牌是cdmaOne。）,2000s，第三代移动通信，（The Third Generation）第三代移动通信技术，相对第一代模拟制式手机（1G）和第二代GSM、TDMA等数字手机（2G），第三代手机一般是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。第三代手机能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说，在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2兆字节每秒、384千字节每秒以及144千字节每秒的传输速度。,2000s，第三代移动通信 目前，3G发展最快的国家是日韩。国际上3G手机有3种制式标准：欧洲的WCDMA标准、美国的CDMA2000标准和由我国科学家提出的TDSCDMA标准。,无线移动通信与IP技术（因特网）是当今信息领域的两大支柱和热点,无线IP接入技术是接入网的一种新的形式，处在用户终端和骨干网之间，基于TCP/IP协议，将Internet上的各种业务以无线通信的方式延伸到用户终端，无线IP接入系统一般采用点对多点的星形组网方式。例如移动QQ，飞信,无线即时通讯(Wireless Instant Messaging,IM)国内主要无线IM产品包括中国移动的飞信、中国联通的超信、中国网通的灵 信、腾讯的手机QQ、移动MSN和掌中无限公司的PICA。它们分属于两大阵营：互联网公司和中国电信天翼套餐运营商。前者依靠在互联网即时通信市场 的先发优势，已经在无线IM市场占据了庞大的用户数量;而后者尽管进入市场较晚，但在无线产业链上具有相对的优势地位。,第4代移动通信研究4G通信的最初目的就是提高蜂窝电话和其他移动装置无线访问Internet的速率，因此4G通信给人印象最深刻的特征莫过于它具有更快的无线通信速 度。从移动通信系统数据传输速率作比较,第一代模拟式仅提供语音服务；第二代数位式移动通信系统传输速率也只有9.6Kbps，最高可达32Kbps，如 PHS；而第三代移动通信系统数据传输速率可达到2Mbps；专家则预估，第四代移动通信系统可以达到10Mbps至20Mbps，甚至最高可以达到每秒 高达100Mbps速度传输无线信息，这种速度将相当于目前手机的传输速度的1万倍左右。,4G是集3G与WLAN于一体，并能够传输高质量视频图像，它的图像传输质量与高清晰度电视不 相上下。4G系统能够以100Mbps的速度下载，比目前的拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到20Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务 的要求。而在用户最为关注的价格方面，4G与固定宽带网络在价格方面不相上下，而且计费方式更加灵活机动，用户完全可以根据自身的需求确定所需的服务。此 外，4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。很明显，4G有着不可比拟的优越性。4G只是人们提出的一个构想，功能上要比3G更先进，频带利用率更高，速度更快。,今年8月google收购摩托罗拉微软将收购诺基亚手机部,2010年中国手机用户破8亿，手机上网用户数近3亿 3G用户突破3000万,1.1.1 移动通信的发展史简介,1.移动通信必须利用无线电波进行信息传输2.移动通信是在复杂的干扰环境中运行的 3.移动通信可以利用的频谱资源非常有限，而移动通信业务量的需求却与日俱增 4.移动通信系统的网络结构多种多样，网络管理和控制必须有效 5.移动通信设备(主要是移动台)必须适于在移动环境中使用,1.2 移动通信系统的分类,按使用对象可分为民用设备和军用设备；按使用环境可分为陆地通信、海上通信和空中通信；按多址方式可分为频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)等；按覆盖范围可分为宽域网和局域网；,按业务类型可分为电话网、数据网和综合业务网；按工作方式可分为同频单工、异频单工、异频双工和半双工；按服务范围可分为专用网和公用网；按信号形式可分为模拟网和数字网。,1.2.1 工作方式,单向通信：无线寻呼机,1.2.1 工作方式,1.单工通信,所谓单工通信是指通信双方电台交替地进行收信和发信。根据收、发频率的异同，又可分为同频单工和异频单工。单工通信常用于点到点通信，参见图 1-1。,图 1-1 单工通信,2.双工通信 所谓双工通信，是指通信双方可同时进行传输消息的工作方式，有时亦称全双工通信，如图 1-2 所示。,图 1-2 双工通信,3.半双工通信 半双工通信的组成与图 1-2 相似，移动台采用单工的“按讲”方式，即按下按讲开关，发射机才工作，而接收机总是工作的。基站工作情况与双工方式完全相同。,1.2.2 模拟网和数字网,人们把模拟通信系统(包括模拟蜂窝网、模拟无绳电话与模拟集群调度系统等)称作第一代通信产品，而把数字通信系统(包括数字蜂窝网、数字无绳电话、移动数据系统以及移动卫星通信系统等)称作第二代通信产品。,数字通信系统的主要优点可归纳如下：频谱利用率高，有利于提高系统容量。(2)能提供多种业务服务，提高通信系统的通用性。(3)抗噪声、抗干扰和抗多径衰落的能力强。(4)能实现更有效、灵活的网络管理和控制。(5)便于实现通信的安全保密。(6)可降低设备成本和减小用户手机的体积和重量。,1.2.3 话音通信和数据通信,图 1-3 移动通信网络的分类,1.3 常用移动通信系统,1.3.1 无线电寻呼系统,图 1-4 无线电寻呼系统示意图,1.3.2 蜂窝移动通信系统 本节要掌握的知识点：什么是蜂窝小区？什么是同道干扰？什么是频率再用？什么是小区分裂？小区分裂的原理是怎样的？移动通信系统由哪些部分组成？什么是越区交换？越区交换的控制原理是怎样的？,图 1-5 大区覆盖与小区覆盖(a)大区覆盖；(b)小区覆盖,什么是蜂窝小区？,蜂窝移动电话将移动电话服务区划分为若干个彼此相邻的小区，每个小区设立一个基站的网络结构。由于每个小区呈正六边形，又彼此邻接，从整体上看，形状酷似蜂窝，所以人们称它为“蜂窝”网，这种小区称为“蜂窝”小区。用若干蜂窝状小区覆盖整个服务区的大、中容量移动电话系统就叫做蜂窝移动电话系统，简称蜂窝移动电话。,图 1-6 蜂窝系统的频率再用,什么是同道干扰？,所谓同道干扰即同频干扰，即指无用信号的载频与有用信号的载频相同，并对接收同频有用信号的接收机造成的干扰。,现在一般采用频率复用的 技术以提高频谱效率。当小区不断分裂使基站服务区不断缩小，同频复用系数增加时，大量的同频干扰将取代人为噪声和其它干扰，成为对小区制的主要约束。这时移动无线电环境将由噪声受限环境变为干扰受限环境。当同频干扰的载波干扰比CI小于某个特定值时，就会直接影响到手机的通话质量，严重的就会产生掉话或 使手机用户无法建立正常的呼叫。,什么是频率再用？,频率再用是指在不同的地理区域上用相同的载波频率进行覆盖。这些区域必须隔开足够的距离，以致所产生的同频率及邻频率干扰的影响可忽略不计。频率再用是蜂窝移动无线电系统的核心概念，频率再用系统可以极大地提高频谱效率。但是，如果系统设计得不好，将产生严重的同频和邻频干扰。这种干扰是由于 相同和相邻信道公共使用造成的，是在频率规划中必须考虑的重要问题。,小区分裂,小区分裂是，当业务量密度开始增加时，每个小区Ci内的信道Fi已不能提供足够的移动台呼叫时，便可将最初的小区分裂成更小的小区。通常，分裂出的新小区半径只有原小区的一半。,小区分裂的原理,小区分裂是将小区划分成更小小区的方法。每个小区都拥有自己的基站，并相应的降低天线高度和减小发射功率。GSM建网初期，主要是解决覆盖问题。在频谱资 源宽裕的地区时期，随着用户的增加，可将原来的小区分裂成更多的覆盖面积较小的小区或者增加原有小区的载频数，从而达到扩容的目的。,通过小区分裂或新增 载频，全网基站数增加，全网载频数、信道数、话务量、用户数等均大幅度增加。小区分裂提高频谱利用率的关键在于减小了单位小区的面积。,全向天线,定向天线,中心激励 定点激励,1:4分裂法：在原定点激励的基础之上展开，在两个原基站连线的中心点上加设新的基站。,六角形中心分裂法,划分扇区,越区交换,图 1-7 蜂窝移动通信系统的示意图,图 1-8 越区切换示意图,表 1-1 几种模拟蜂窝移动通信系统,蜂窝移动通信系统,宏蜂窝：小区覆盖半径一般500m；天线高度30m以上。微蜂窝：小区覆盖半径一般100200m；天线高度15m左右；无线电波在街区范围内，可采用高频率复用模式。微微蜂窝：小区覆盖半径一般100m；天线安装在建筑物内部，主要解决重点场所室内覆盖；无线电波仅在建筑物内部，可采用高频率复用模式。,1.3.3 无绳电话系统,图 1-9 无绳电话系统示意图,表 1-2 几种无绳电话系统的主要参数,1.3.4 集群移动通信系统,1.集群的概念 把一些由各部门分散建立的专用通信网集中起来，统一建网和管理，并动态地利用分配给它们的有限个频道，以容纳数目更多的用户；,改进频道共用的方式，即移动用户在通信的过程中，不是固定地占用某一个频道，而是在按下其“按讲开关”(PTT)时，才能占用一个频道；一旦松开PTT，频道将被释放，变成空闲频道，并允许其它用户占用该频道。,令基站共有5个频道，分别用A、B、C、D和E表示。假若各个频道的平均忙闲的时间都是各占50%，因而当某一用户要单独占用其中任一个频道时，发生阻塞的概率也是50%。倘若这个用户能利用这5个频道的空闲时间传输其信息，则只有当5个频道一起处于全忙状态时，才会出现呼叫阻塞。,显然，这时的阻塞概率会显著减小。设单独占用各个频道的阻塞概率分别为P(A)=P(B)=P(C)=P(D)=P(E)=50%，则采用上述办法后的阻塞概率为=P(A)P(B)P(C)P(D)P(E)=3.125%。,2.集群系统的用途和特点,集群通信系统属于专用移动通信网，适用于在各个行业(或几个行业合用)中间进行调度和指挥，对网中的不同用户常常赋予不同的优先等级。蜂窝通信系统属于公众移动通信网，适用于各阶层和各行业中个人之间通信，一般不分优先等级。,集群通信系统根据调度业务的特征，通常具有一定的限时功能，一次通话的限定时间大约为1560秒(可根据业务情况调整)。蜂窝通信系统对通信时间一般不进行限制。,集群通信系统的主要服务业务是无线用户和无线用户之间的通信。蜂窝通信系统却有大量的无线用户与有线用户之间的通话业务。在集群通信系统中也允许有一定的无线用户与有线用户之间的通话业务，但一般只允许这种话务量占总业务量的5%10%。,集群通信系统一般采用半双工(现在已有全双工产品)工作方式，因而，一对移动用户之间进行通信只需占用一对频道。蜂窝通信系统都采用全双工工作方式，因而，一对移动用户之间进行通信，必须占用两对频道。,在蜂窝通信系统中，可以采用频道再用技术来提高系统的频率利用率；而在集群系统中，主要是以改进频道共用技术来提高系统的频率利用率。,3.集群系统的组成 集群系统均以基本系统为模块，并用这些模块扩展为区域网。根据覆盖的范围及地形条件，基本系统可由单基站或多基站组成。集群系统的控制方式有两种：即专用控制信道的集中控制方式和随路信令的分布控制方式，分别如图 1-10(a)和(b)所示。,图 1-10 集群网络的基本结构(a)集中控制方式；(b)分布控制方式,图 1-10 集群网络的基本结构(a)集中控制方式；(b)分布控制方式,集群系统的基本设备如下：转发器。天线共用设备。系统控制中心(系统控制器)。调度台。操作台、天线和电源等。移动台。,4.集群方式,(1)消息集群(Message Trunking)。,图 1-11 消息集群的典型呼叫格式,(2)传输集群(Transmission Trunking)。,图 1-12 传输集群的典型呼叫格式,(3)准传输集群(Quasi Transmission Trunking)。,图 1-13 准传输集群的典型呼叫格式,表 1-3 部分集群移动通信系统的主要参数,1.3.5 移动卫星通信系统,表 1-4 低轨道移动卫星通信系统的部分参数,图 1-14 铱系统卫星轨道示意图,1.3.6 分组无线网,分组无线网是一种利用无线信道进行分组交换的通信网络，即网络中传送的信息要以分组或称信包(有时简称“包”)为基本单元。分组是由若干比特组成的信息段，通常包含包头和正文两部分。包头中含有该分组的源地址(起始地址)、宿地址(目的地址)和有关的路由信息等；正文是真正需要传送的信息。,图 1-15 ALOHA系统简图,世界上各国都在致力于发展移动数据通信网络，其中大都以分组传输技术为基础。例如：,ARDIS系统(先进的无线电数据信息设备)。(2)Mobitex系统(全国性互连的集群无线电网络)。(3)CDPD系统(蜂窝数字分组数据)。(4)TETRA系统(全欧集群无线电)。(5)第二代北美数字蜂窝IS-54和IS-95系统。,表 1-5 几种移动数据设备的特性和参数,1.4 移动通信的基本技术,1.4.1 调制技术,在实际应用中有两类用得最多的数字调制方式：线性调制技术。(2)恒定包络(连续相位)调制技术。数字调制技术是振幅和相位联合调制(QAM)技术。码分多址(CDMA)是最具有竞争力的多址方式,1.4.2 移动信道中电波传播特性的研究,研究移动信道的传播特性，首先要弄清移动信道的传播规律和各种物理现象的机理以及这些现象对信号传输所产生的不良影响，进而研究消除各种不良影响的对策。,1.4.2 移动信道中电波传播特性的研究,为了给通信系统的规划和设计提供依据，人们通常通过理论分析或根据实测数据进行统计分析(或二者结合)，来总结和建立有普遍性的数学模型，利用这些模型，可以估算一些传播环境中的传播损耗和其它有关的传播参数。,1.4.3 多址方式,多址方式的基本类型有频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)。实际中也常用到三种基本多址方式的混合多址方式，比如，频分多址/时分多址(FDMA/TDMA)、频分多址/码分多址(FDMA/CDMA)、时分多址/码分多址(TDMA/CDMA)等等。,1.4.3 多址方式,此外，随着数据业务的需求日益增长，另一类称为随机多址方式的如ALOHA和载波检测多址(CSMA)等也日益得到广泛应用，其中也包括固定多址和随机多址的综合应用。,1.4.4 抗干扰措施,利用信道编码进行检错和纠错(包括前向纠错FEC和自动请求重传ARQ)是降低通信传输的差错率，保证通信质量和可靠性的有效手段；,1.4.4 抗干扰措施,为克服由多径干扰所引起的多径衰落，广泛采用分集技术(包括空间分集、频率分集、时间分集以及RAKE接收技术等)、自适应均衡技术和选用具有抗码间干扰和时延扩展能力的调制技术(如多电平调制、多载波调制等)；,为提高通信系统的综合抗干扰能力而采用扩频和跳频技术；为减少蜂窝网络中的共道干扰而采用扇区天线、多波束天线和自适应天线阵列等；在CDMA通信系统中，为了减少多址干扰而使用干扰抵消和多用户信号检测器技术。,1.4.5 组网技术,1.网络结构,图 1-16 数字蜂窝通信系统的网络结构,2.网络接口,图 1-17 蜂窝系统所用的接口,图 1-18 Um接口协议模型举例,3.网络的控制与管理,无论何时，当某一移动用户在接入信道上向另一移动用户或有线用户发起呼叫，或者某一有线用户呼叫移动用户时，移动通信网络就要按照预定的程序开始运转，这一过程会涉及到网络的各个功能部件，包括基站、移动台、移动交换中心、各种数据库以及网络的各个接口等；,3.网络的控制与管理,网络要为用户呼叫配置所需的控制信道和业务信道，指定和控制发射机的功率，进行设备和用户的识别和鉴权，完成无线链路和地面线路的连接和交换，最终在主呼用户和被呼用户之间建立起通信链路，提供通信服务。这一过程称为呼叫接续过程，是移动通信系统的连接控制(或管理)功能。,当移动用户从一个位置区漫游到另一个位置区时，网络中的有关位置寄存器要随之对移动台的位置信息进行登记、修改或删除。如果移动台是在通信过程中越区，网络要在不影响用户通信的情况下，控制该移动台进行越区切换，其中包括判定新的服务基台、指配新的频率或信道以及更换原有地面线路等程序。这种功能是移动通信系统的移动管理功能。,在移动通信网络中，重要的管理功能还有无线资源管理。无线资源管理的目标是在保证通信质量的条件下，尽可能提高通信系统的频谱利用率和通信容量。为了适应传播环境、网络结构和通信路由的变化，有效的办法是采用动态信道分配(DCA)法，即根据当前用户周围的业务分布和干扰状态，选择最佳的(无冲突或干扰最小)信道，分配给通信用户使用。显然，这一过程既要在用户的常规呼叫时完成，也要在用户过区切换的通信过程中迅速完成。,*1.5 移动通信的发展历程和发展方向,移动通信的发展过程及趋势可概括如下：工作频段由短波、超短波、微波到毫米波、红外和超长波；频道间隔由100 kHz、50 kHz、25 kHz到12.5 kHz和宽带扩频信道；调制方式由振幅压扩单边带、模拟调频到数字调制；,多址方式由频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)到混合多址，以及固定多址和随机多址的结合；网络覆盖由蜂窝到微蜂窝、微微蜂窝和混合蜂窝；网络服务范围由局部地区、大中城市到全国、全世界，并由陆地、水上、空中发展到陆海空一体化；业务类型由通话为主，到传送数据、传真、静止图像，直到传送综合业务。,新一代移动通信是个人通信HT，也叫作第三代移动通信。实现个人通信的网络称为个人通信网，或称为个人通信系统(在美国还称作个人通信服务)。,其目标是实现：无论任何人(Whoever)在任何时候(Whenever)在任何地方(Wherever)都能够和另一个人(Whomever)进行任何类型(Whatever)的信息交换。,*1.6 移动通信的标准化,1.6.1 国际无线电标准化组织,国际无线电标准化工作主要由国际电信联盟(ITU)负责，它是设于日内瓦的联合国组织，下设四个永久性机构：综合秘书处、国际频率登记局(IFRB)、国际无线电咨询委员会(CCIR)以及国际电话电报咨询委员会(CCITT)。,国际频率登记局(IFRB)的职责有二：一是管理带国际性的频率分配；二是组织世界管理无线电会议(WARCs)。WARCs是为了修正无线电规程和审查频率注册工作而举行的。最近分别于1987年、1992年和1997年举行，会上曾作出涉及无线通信发展的有关决定。国际电话电报咨询委员会(CCITT)开发设备建议，如在有线电信网络中工作的数据Modem,还通过其不同的研究小组开发了许多与移动通信有关的建议，如编号规划、位置登记程序和信令协议等。,国际无线电咨询委员会(CCIR)为ITU提供无线电标准的建议，研究的内容着重于无线电频谱利用技术和网间兼容的性能标准和系统特性。调整后的ITU分为三个组：无线通信组(以前的CCIR和IFRB)；电信标准化组(以前的CCITT)；电信开发组(BDT)。,1.6.2 欧洲共同体(EC)的通信标准化组织,欧洲邮电管理协会(CEPT)曾经是欧洲通信设施的主要标准化组织。其任务是协调欧洲的电信管理和支持CCITT和CCIR的标准化活动。隶属于欧洲共同体的标准化组织主要是欧洲电信标准协会(ETSI)。它成立于1988年，已经取得许多以往由CEPT领导的标准化职责。,1.6.3 北美地区的通信标准化组织 在美国负责移动通信标准化的组织是电子工业协会(EIA)和电信工业协会(TIA)(后者是前者的一个分支)。此外，还有一个蜂窝电信工业协会(CTIA)。1988年末，TIA应CTIA的请求组建了数字蜂窝标准的委员会TR45，来自美国、加拿大、欧洲和日本的制造商参加了这个组织。,