第1章移动通信.ppt

第1章 概述,1.1 移动通信及其特点1.2 移动通信的工作方式1.3 移动通信系统的组成1.4 移动通信系统的频段使用1.5 多址方式1.6 其他常用技术1.7 移动通信系统的发展1.8 第四代移动通信(4G)标准及现状,1.1 移动通信及其特点,移动通信是指移动用户之间，或移动用户与固定用户之间进行的通信。终端的移动性（手持机、车载台）个人的移动性（SIM卡方式支持的业务）业务的移动性（200业务等）这里所说的通信，不仅指双方的通话，还包括数据、传真、图象等通信业务。,移动通信与其它通信方式相比，具有以下基本特点：电波传播条件恶劣（由多径传播造成的瑞利衰 落，电平幅度起伏达30dB以上。）,移动通信与其它通信方式相比，具有以下基本特点：电波传播条件恶劣（由多径传播造成的瑞利衰 落，电平幅度起伏达30dB以上。）,移动信道的传播路径,具有多普勒效应，多普勒频移导致附加调频噪声,假设基站发射的信号为,式中，0为载波角频率，0为载波初相。经反射(或散射)到达接收天线的第i个信号为Si(t)，其振幅为i，相移为i。假设Si(t)与移动台运动方向之间的夹角为i，其多普勒频移值为,式中，v为车速，为波长，fm为i=0时的最大多普勒频移，因此Si(t)可写成,干扰严重 有城市噪声（主要是车辆噪声）干扰，也有电台干扰（同频干扰、互调干扰），因此，抗干扰措施在移动通信系统设计中显得很为重要。,接收设备动态范围大 由于接收机的发射机之间的距离不断变化，导致接收机接收电平不断变化。需要采用位置登记、过境切换等移动性管理技术 综合了各种技术 包括交换技术、计算机技术、传输技术等。对设备要求苛刻,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；按用途和区域可分为陆地移动通信、海上移动通信和航空移动通信；按多址方式可分为频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)和空分多址（SDMA）等；按基站配置可分为单区制、多区制、蜂窝制等配置方式；按与地面固定网连接方式可分为人工、半自动、全自动等连接方式；按用户的通话状态和频率使用方法可分为单工制、双工制和半双工制；按经营方式或用户性质可分为专用移动通信网和公用移动通信网；按信号形式可分为模拟网和数字网。,1.2 移动通信的工作方式,1.单工通信,图 1-1 单工通信,根据收、发频率的异同，又可分为同频单工和异频单工。,图 1-2 双工通信,2.双工通信,3.半双工通信,图 1-3 半双工通信方式,1.3 移动通信系统的组成,移动通信系统根据经营方式或用户性质的不同可分为专用的移动通信系统和公共移动通信系统。专网的发展经历了一对一的对讲系统，单信道一呼百应系统，选呼系统，多信道多用户共享的专用调度系统，最后发展到专用无线调度系统的最高阶段集群移动通信。专用移动通信的网络结构与公共移动通信系统越来越相似。,集群(trunking)通信系统与公共通信系统的区别：,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。蜂窝通信系统都采用全双工工作方式。,公共移动通信系统的组成：,公共移动通信系统的组成：,一个交换区由一个移动交换中心MSC、一个或若干个归属位置寄存器HLR和访问者位置寄存器VLR(有时几个MSC合用一个VLR）、设备识别寄存器EIR、鉴权中心AUC、操作维护中心OMC、基站BS（简称基站）和移动台MS等功能实体组成。,图14 蜂窝移动通信系统的基本结构,OMC,常用术语的英文缩写:MSCMobile Service Switching Centre HLRHome Location Register VLRVisitor Location Register EIREquipment Identity Register AUCAuthentication Centre OMCOperation and Maintenance Centre BSBase Station MSMobile Station,OMC,MSC对位于其服务区内的MS进行交换和控制，同时提供移动网与固定公众电信网的接口。作为交换设备，MSC具有完成呼叫接续与控制的功能，这点与固定网交换中心相同。作为移动交换中心，MSC又具有无线资源管理和移动性管理等功能。为了建立从固定网至某个移动台的呼叫路由，固定网就近进入关口MSC（GMSC），由该GMSC查询有关的HLR，并建立至移动台当前所属的MSC的呼叫路由。,OMC,Mobile Service Switching Centre,HLR是用于移动用户管理的数据库。HLR所存储的用户信息分为两类：一类是有关用户参数的信息；另一类是有关用户当前位置的信息。VLR是存储用户位置信息的动态数据库。一个VLR可以负责一个或若干个MSC区域。,OMC,Home Location Register,Visitor Location Register,EIR是存储有关移动台设备参数的数据库。EIR实现对移动设备的识别、监视、闭锁等功能。AUC鉴权中心是认证移动用户的身份以及产生相应认证参数的功能实体。AUC对任何试图入网的用户进行身份认证，只有合法用户才能接入网中并得到服务。OMC操作维护中心是网络操作维护人员对全网进行监控和操作的功能实体。,OMC,Equipment Identity Register,Authentication Centre,Operation and Maintenance Centre,1.4 移动通信系统的频段使用,移动通信使用VHF（甚高频30MHz300MHz）和UHF（特高频300MHz3000MHz）频段，主要原因为：VHF/UHF频段较适合移动通信，其传播范围在视距范围内。天线较短便于携带和移动。150MHz（50cm），450MHz（17cm），900MHz（8cm）。抗干扰能力强。由于工业火花干扰及天电干扰等属于脉冲干扰，随着频率的增高，干扰幅度越小，从而使工作在VHF和UHF频段的设备可以用较小的发射功率获得较好的信噪比。,目前，大容量移动通信系统均使用800MHz频段(CDMA)，900MHz频段(AMPS、TACS、GSM)，1800MHz频段(GSM1800)，1900MHz频段(PHS)，用于微蜂窝(Microcell)系统中。第三代移动通信系统（3G）使用2000MHz频段。,1.5多址方式,1.5.1 移动通信系统中的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.频分多址(FDMA)代表：蜂窝系统有北美的AMPS和英国的TACS。,2.时分多址(TDMA)代表：蜂窝系统有北美的DAMPS和欧洲的GSM。,3.码分多址(CDMA)代表：蜂窝系统有北美的QCDMA（IS-95）。此外，第3代（3G）均采用CDMA多址技术。,4.空分多址(SDMA)应用于地面蜂窝移动(如TD-SCDMA)：核心技术是智能天线的应用 在同一时间、即使使用相同的频率进行工作，彼此之间也不会形成干扰；配合其他多址技术应用。,1.5.2移动通信系统中不同多址方式的频谱效率,1.FDMA系统：每个小区必须占用210KHz的频谱才有一条话路。,3.CDMA系统：通过试验和理论计算，QCDMA的容量可达到AMPS的8至10倍，即每个小区中只占用20kHz的频谱就有一条话路。,2.TDMA系统：对于DAMPS系统，每个小区必须占用70KHz才能有一条话路，也就是说其容量是AMPS系统的三倍。,1.6 其他常用技术,均衡技术分集技术信道编码技术,均衡技术,均衡技术是指各种用来处理码间干扰(ISI)的算法和实现方法。在移动环境中，由于信道的时变多径传播特性，引起了严重的码间干扰，这就需要采用均衡技术来克服码间干扰。线性均衡器的基本结构是线性横向滤波器型结构。由于无线信道的时变性，均衡器往往需要自适应的(均衡器的特性能够自动适应信道的变化而均衡)。,有限长横向滤波器及其输入、输出单脉冲均衡技术响应波形,为说明问题，给出了一种利用“选择式”合并法进行分集的示意图。选择式合并是指检测所有分集支路的信号，以选择其中信噪比最高的那一个支路的信号作为合并器的输出。,分集技术,所谓分集接收，是指接收端对它收到的多个衰落特性互相独立(携带同一信息)的信号进行特定的处理，以降低信号电平起伏的办法。,二重分集选择式合并,分集有两重含义：一是分散传输，使接收端能获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号；二是集中处理，即接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并(包括选择与组合)以降低衰落的影响。,二重分集选择式合并,空间分集：也称天线分集。即在任意两个不同的位置上接收同一个信号，只要两个位置的距离大到一定程度，则两处所收信号的衰落是不相关的。频率分集时间分集极化分集,常用的分集技术,信道编码技术,在传输数据中引入冗余度来纠错和检错，提高传输的可靠性。冗余比特的引入增加了原始信号的传输速率。纠错码和检错码有三种基本类型：分组码、卷积码和Turbo码。,1.7 移动通信系统的发展,1897年，马可尼在陆地和一艘拖船上完成无线通信实现，标志着无线通信的开始。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。,1974年，贝尔实验室提出蜂窝移动通信的概念。,早期的移动通信系统在其覆盖区域中心设置大功率的发射机，采用高架天线把信号发送到整个覆盖地区(半径可达几十千米)。,这种系统的主要矛盾是它同时能提供给用户使用的信道数极为有限，远远满足不了移动通信业务迅速增长的需要。例如，在20世纪70年代于美国纽约开通的IMTS(Improved Mobile Telephone Service)系统，仅能提供12对信道。也就是说，网中只允许12对用户同时通话，倘若同时出现第13对用户要求通话，就会发生阻塞。,蜂窝通信网络把整个服务区域划分成若干个较小的区域(Cell，在蜂窝系统中称为小区)，各小区均用小功率的发射机(即基站发射机)进行覆盖，许多小区像蜂窝一样能布满(即覆盖)任意形状的服务地区，如图所示。,通常，相邻小区不允许使用相同的频道，否则会发生相互干扰。但由于各小区在通信时所使用的功率较小，因而任意两个小区只要相互之间的空间距离大于某一数值，即使使用相同的频道，也不会产生显著的干扰(保证信干比高于某一门限)。,蜂窝系统的频率再用,数字蜂窝系统的主要参数,在使用的150 MHz、450 MHz、900 MHz三个频段的具体收发频率间隔分别为:150 MHz的收发频率间隔为5.7 MHz；450 MHz 的收发频率间隔为10 MHz；900 MHz的收发频率间隔为45 MHz。,我国移动通信发展状况,我国移动通信是从军事移动通信即战术通信起步的。民用移动通信发展较晚，大致分为早期、74系列、80系列三个阶段。上世纪50年代末到70年代中主要用于公安、邮电、交通、渔业等少数部门作专网用，1974年才开放了四个民用波段，制定了通用技术条件，开始研制频道间隔为50kHz和100kHz的74系列产品。1980年制定了频道间隔为25kHz的性能指标、测试方法和环境要求等部颁标准，开展了80系列设备的研制。,我国公众移动通信起步于上世纪80年代，1987年在广州、上海率先采用900 MHz TACS标准的模拟蜂窝移动通信系统，开通了蜂窝移动通信业务。至1996年已基本建成一个覆盖全国(除台湾省以外)31个省、直辖市、自治区大部分地市县和部分重要县镇的全国移动通信网。该网采用的设备主要由摩托罗拉系统(称A网)和爱立信系统(称B网)组成。1995年元月1日实现了A网和B网两系统内的分别联网自动漫游。1996年元月1日实现了A网、B网两系统的互联自动漫游。模拟蜂窝移动通信系统于2000年起开始封网，并逐步退出中国电信发展的历史舞台。将频段让给数字蜂窝移动通信系统。,1994年4月中国联通的成立，打破了邮电“一统天下”的局面。联通决定采用技术先进、设备成熟、具有国际自动漫游功能的GSM数字移动通信技术，组建全国第二个公众移动通信网。1994年9月中国电信也采用GSM数字移动通信技术，组建中国电信全国公众数字移动通信网。从1994年9月至1995年底短短一年多，中国电信就有15个省、直辖市、自治区开通了GSM数字移动电话业务，并采用中国七号信令完成联网自动漫游。1999年4月，信息产业部确定由中国联通在全国范围经营CDMA数字蜂窝系统。2000年4月20日，从中国电信分离的移动业务由新成立的中国移动通信集团公司（简称“中国移动”）运行。,我国积极制定具有我国自己知识产权的3G标准，在1998年6月30日，共有10个组织向国际电信联盟（ITU）提交无线传输技术（RTT）建议，我国信息产业部电信科学技术研究院（CATT)代表中国也提交了自己的候选方案（TD-SCDMA)。1999年11月在芬兰召开的ITU第18次会议上，TD-SCDMA技术正式成为IMT-2000的三种主流标志之一。2001年4月，ITU正式确立欧洲WCDMA、美国CDMA2000和中国TD-SCDMA为世界三大3G标准。,2008年5月，电信重组。原6大电信运营商（移动、联通、电信、铁通、网通、卫通）整合成3大电信运营商(中国移动、中国联通、中国电信)。中国电信收购联通C网业务；新的3大电信运营商均可开展移动业务。发放三张3G牌照，支持形成三家拥有全国性网络资源、实力与规模相对接近、具有全业务经营能力和较强竞争力的市场竞争主体，电信资源配置进一步优化，竞争架构得到完善。,3G频段（TD-SCDMA）,中国移动TD-SCDMA新获得的频谱为1880MHz-1900MHz，共20M，但之前TD-SCDMA试验网还曾获得2010MHz-2025MHz的频谱，两者加起来，TD-SCDMA共获得35MHz。,3G频段（cdma 2000、WCDMA）,中国电信CDMA2000获批的是1920MHz-1935MHz(上行)、2110MHz-2125MHz(下行);中国联通WCDMA获得的是1940MHz-1955MHz(上行)、2130MHz-2145MHz(下行)。这两家运营分别获得30M。无论上行还是下行，中间都相隔了5MHz，以免相互干扰。,TD-SCDMA得到倾斜,TD-SCDMA比WCDMA和CDMA2000的频谱资源均只多5MHz。TD-SCDMA获批的频段比其它两个制式更低，频段越低，终端的功耗越小。TD-SCDMA未来还有望获得2300-2400MHz，按照2007年世界无线电通信大会决定，将该频段划为第三代通信3G扩展频段，这为TD-SCDMA进一步发展留下了频谱基础。,从2G向3G发展,技术发展的必然趋势（一些新技术成熟）移动用户数发展的必然趋势（用户数量与频率资源之间的矛盾日益突出！）移动业务发展的必然趋势（新的业务需求，特别是Internet普及发展！）运营商发展的必然趋势（竞争日益激烈！如何提高ARPU每用户平均收入）,IMT-2000的系统特性如下：采用1.82.2 GHz频带的数字系统；在多种无线环境下工作（蜂窝系统、无绳系统、卫星系统和固定的无线系统环境）；使用多模式终端，提供漫游能力；提供广泛的电信业务；具有与固定网络业务可比的高质量和完整性；具有国际漫游和系统内部越区切换的能力；使用智能网（IN）技术进行移动性管理和业务控制；具有高水平的安全和保密能力；具有灵活开放的网络结构。,2G向3G演进,IS95 cdma2000 GSM WCDMA or TD-SCDMALAN，WAN，MAN WiMAX WiMAX是一项新兴的宽带无线接入技术，能提供面向互联网的高速连接，数据传输距离最远可达50km。,2007年10月，无线宽带技术WiMAX正式成为3G标准之一。WiMAX也是唯一先商用，后被ITU接受的3G标准。,1.8 第四代移动通信(4G)标准及现状,在3G逐步进入商用后，第四代移动通信（4G）标准也初显端倪。第四代移动通信（4G）标准比第三代标准具有更多的功能。第四代移动通信可以在不同的固定、无线平台和不同频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方宽带接入互联网（包括卫星通信），能够提供信息通信之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。同时，第四代移动通信系统还应该是多功能集成的宽带移动通信系统或多媒体移动通信系统，是宽带接入IP系统。,4G关键技术,第四代移动通信的要求数据速率从2Mbit/s提高到100Mb/s，对全速移动用户能够提供150Mbit/s的高质量的影像服务。在无线信道下，要如此大幅度地提高传输速率如何突破频率选择性衰落的影响是关键。被4G看好的高速调制技术为多载波正交频分复用（OFDM）调制技术。OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。,（1）新的调制技术,（2）软件无线电技术,3G中也采用了该技术。通过3G的开发，软件无线电技术将进一步向前发展，技术也将更为成熟。它可使移动终端和基站从3G到4G发展速度大大加快，系统升级变得十分便捷。,（3）智能天线技术,3G也采用了该技术。智能天线具有抑制干扰、信号自动跟踪以及数字波束形成等智能功能，用于移动通信，既可改善信号质量又能增加传输容量。,（4）网络技术,4G系统要满足3G不能达到的高速数据和高分辨率多媒体服务的需要。应能与宽带IP网络、宽带综合业务数据网（B-ISDN）和异步传送模式（ATM）兼容，实现宽带多媒体通信，形成综合宽带通信网。在处理多媒体业务时，智能无线资源管理和路由选择技术是关键技术，无线资源管理需根据用户的应用类别以及QoS要求，安排与分配可用资源、前/后向链路的传输速率，并完成选路、全程质量管理、无缝切换等。,目前第四代移动通信的研发状况,2008年，ITU将开始向全世界征求“后3G”候选标准。目前，已经有许多公司宣布自己的技术是4G。目前世界范围内面向4G的说法大部分还是在速度上的提升，还是通过各种技术提高传输的速度，诺基亚、西门子、爱立信在2007年3GSM大会上分别展示了LTE技术，提供速度分别高达143Mbps和144Mbps。应该说，传统通信阵营对于LTE寄托了极大的期望，也会将此作为4G的发展方向。,按照国家“十一五”规划，我国4G研究项目FUTURE计划已经并入国家宽带无线电重大专项中。从2007年年初开始，在2001年2006年的关键技术攻关、系统及应用演示之后，我国4G研究项目已经进入第三阶段。在我国上海已建成全世界最大的B3G/4G实验系统，包括6个节点，3个信道，6个终端，并引入了如Ipv6核心网络、高清晰度IPTV与移动通信切换等技术。在诸如分布式无线网络，高速宽带传输等4G关键技术方面具备了中国自己的创新特征。,2007年3月20日，信息产业部副部长娄勤俭在电信发展与政策通报会上表示，我国即将征集4G标准提案。目前，为了TD-SCDMA的长远发展，我国政府联合产业链各方正在积极研究制定TD-SCDMA向IMT-Advanced 4G方向演进的标准。,移动通信展望,全球一网，每人一号，实现人类通信理想目标,5W(无论任何人(Whoever)在任何时候(Whenever)和任何地点(Wherever)都能和另一个人(Whomever)进行任何方式(Whatever)的通信),