移动通信1

第1章概论教学目标与教学重点无线移动通信与IP技术（因特网）是近年来信息技术领域的两大热点。教学目标：主要讲述蜂窝移动通信的基本概念和典型移动通信系统（GSM，IS-95)的基本原理。教学重点：移动通信基本概念，蜂窝移动通信组网原理，移动通信中的关键相关技术和移动通信系统结构第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思考题与习题第1章概论第1章概论移动通信的概念通信双方至少有一方处在移动情况下（或临时静止）的相互信息传输与交换。1.1移动通信的主要特点第1章概论一.必须利用无线电波进行信息传输1.运行环境十分复杂(1)电波会随着传播距离的增加而发生弥散损耗，(2)会受到地形、地物的遮蔽而发生“阴影效应”，(3)信号经过多点反射，会从多条路径到达接收地点，这种多径信号的幅度、相位和到达时间都不一样，它们相互叠加会产生电平衰落和时延扩展。1.1移动通信的主要特点2.用户常在快速移动中进行通信会引起多普勒（Doppler）频移，会使得电波传播特性发生快速的随机起伏，严重影响通信质量。第1章概论多径传播示意图衰落特性第1章概论二、在复杂的干扰环境中运行的受到多种干扰：如天电干扰、工业干扰、系统本身和不同系统之间干扰。三、可利用的频谱资源非常有限，而通信业务量的需求却与日俱增如何提高通信系统的通信容量，始终是移动通信发展中的焦点。为了解决这一矛盾，一方面要开辟和启用新的频段；另一方面要研究各种新技术和新措施，以压缩信号所占的频带宽度和提高频谱利用率。第1章概论四、网络结构多种多样，网络管理和控制复杂带状(如铁路公路沿线)、面状(如覆盖一城市或地区)或立体状(如地面通信设施与中、低轨道卫星通信网络的综合系统)等，可以单网运行，也可以多网并行并实现互连互通。移动通信网络必须具备很强的管理和控制功能，诸如用户的登记和定位，通信(呼叫)链路的建立和拆除，信道的分配和管理，通信的计费、鉴权、安全和保密管理以及用户过境切换和漫游的控制等。第1章概论五、必须适于在移动环境中使用对手机的主要要求是体积小、重量轻、省电、操作简单和携带方便。车载台和机载台除要求操作简单和维修方便外，还应保证在震动、冲击、高低温变化等恶劣环境中正常工作。第1章概论1.2移动通信系统的分类移动通信有以下多种分类方法：①按使用对象可分为民用设备和军用设备；②按使用环境可分为陆地通信、海上通信和空中通信；③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；第1章概论④按覆盖范围可分为广域网和局域网；⑤按业务类型可分为电话网、数据网和多媒体网；⑥按工作方式可分为同频单工、异频单工、异频双工和半双工；⑦按服务范围可分为专用网和公用网；⑧按信号形式可分为模拟网和数字网。第1章概论1.2.1工作方式无线通信传输方式：单向传输双向传输单向传输：一方只能接受信号，另一方只能发送信号，不能互逆。双向传输：通信双方都可以接受信号，又能发送信号。第1章概论图1-1单工通信1.单工通信（对讲机）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，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。第1章概论2.双工通信指通信双方可同时进行传输消息的工作方式，亦称全双工通信，如图1-2所示。图1-2双工通信双工通信一般使用一对频道，以实施频分双工(FDD)工作方式。第1章概论3.半双工通信（常用于调度系统）移动台采用单工的“按讲”方式，基站工作采用双工方式。图1-3半双工通信第1章概论1.2.2模拟网和数字网1.第一代移动通信系统（1G）●以模拟蜂窝为主要特征●20世纪70年代至80年代，美国和日本等国家纷纷研制出陆地移动电话系统。●使用的频段为800／900MHz（早期曾使用450MHz），●用户的接入方式采用频分多址(FDMA)技术。●业务种类单一，主要是话音业务●话音调制方式是模拟调频（FM）●频谱利用率低，系统容量有限，抗干扰能力差●制式多且不兼容，限制长途漫游第1章概论表1-1几种模拟蜂窝移动通信系统第1章概论2.第二代移动通信系统（2G）●以数字化为特征的数字蜂窝移动通信系统。●20世纪80年代至90年代●用户接入方式采用时分多址和码分多址为主体技术，●主要业务包括电话和数据等窄带综合数字业务●采用了新的调制技术,如:GMSK,QPSK●主要缺点是系统带宽有限，限制了数据业务的发展，无法实现移动多媒体业务，●由于各国的标准不统一，无法实现各种体制之间的全球漫游。第1章概论3、从2G向3G发展（1）移动用户数发展的必然趋势频谱资源是有限的，随着移动用户数量的急剧增加，在世界一些发达地区已经出现了频率资源紧张、系统容量饱和的局面。３Ｇ由于采用了CDMA技术，相对于２Ｇ来说可以提供更大的系统容量，有效缓解急剧增长的用户数量和有限的频率资源之间的矛盾。第1章概论（2）移动业务发展的必然趋势★人类已经逐渐步入信息化社会，用户的多样化、个性化需求要求移动通信系统提供更丰富、更个性化的业务，如图像、话音与数据相结合的多媒体业务和高速数据业务★分组交换、ATM、IP等各种技术的融合已成为移动通信的发展趋势移动通信和互联网络的结合也越来越紧密★2G系统主要为用户提供话音业务和低速数据业务，无法满足用户多媒体、电子商务、移动上网等多种新兴通信的要求。★3G能够达到高速车载环境下384kb/s、低速或静止状态下2Mb/s及以上的速率，因此可提供多样化、个性化业务，并向多媒体化、智能化、分组化方向发展。第1章概论4.第三代移动通信系统（3G）第三代移动通信系统（3G）以多媒体业务为主要特征。国际电联（ITU）提出第三代移动通信系统IMT2000的目的是克服第二代系统因技术局限而无法提供宽带移动通信业务的缺陷。IMT-2000的目标是全球统一频段，统一标准，全球无缝覆盖；实现高服务质量、高保密性能、高频谱效率；提供从低速率的语音到高达2Mb/s的多媒体业务。第1章概论5.我国移动通信的发展★1987年，在上海首次开通了900MHz频段、TACS制式的模拟蜂窝移动通信系统，到1995年，TACS网实现全国联网。★1994年广东省首先建成GSM数字移动通信网，到2002年年底我国GSM网已成为世界第一大移动通信网。★1996年12月在广州建起第一个CDMA试验网，至2002年，我国CDMA网已覆盖全国各大、中城市，用户数超过5000万。★我国的移动通信网已成为世界第一大移动通信网，是拥有移动通信用户数最多的国家。第1章概论1.2.2模拟网和数字网数字通信系统的主要优点可归纳如下：(1)频谱利用率高，有利于提高系统容量。采用高效的信源编码技术、高频谱效率的数字调制解调技术、先进的信号处理技术和多址方式以及高效动态资源分配技术等，可以在不增加系统带宽的条件下增多系统同时通信的用户数。第1章概论(2)能提供多种业务服务，提高通信系统的通用性。数字系统传输的是“1”、“0”形式的数字信号。话音、图像、音乐或数据等数字信息在传输和交换设备中的表现形式都是相同的，信号的处理和控制方法也是相似的。(3)抗噪声、抗干扰和抗多径衰落的能力强。采用纠错编码、交织编码、自适应均衡、分集接收以及扩跳频技术等。(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)可降低设备成本以及减小用户手机的体积和重量第1章概论1.2.3通信业务在第二代移动通信系统中，主要业务是话音业务，也提供丰富的数据业务，如短消息、低速率的Internet接入等业务。在第三代移动通信系统中，中等速率的多媒体业务，包括话音、图像和数据等。图1-3移动通信网络的分类第1章概论1.3常用移动通信系统1.无线电寻呼系统2.蜂窝移动通信系统3.无绳电话系统4.集群移动通信系统5.移动卫星通信系统6.分组无线网第1章概论1.3常用移动通信系统1.3.1无线电寻呼系统无线电寻呼系统是一种单向通信系统。无线电寻呼系统的用户设备是袖珍式接收机，称作袖珍铃，俗称“BB机”。图1-4无线电寻呼系统示意图第1章概论1.3.2蜂窝移动通信系统一、大区制区域覆盖1.一个基站覆盖一个较大的服务区。2.天线架设得较高,发射功率很大(一般为50～200W),覆盖半径为30～50km。3.网络结构简单，成本低。4.频道数目少，用户容量有限，频谱利用率低。5.适用于小容量的通信网，可用于中小城市、工矿以及专业部门。1974年，Bell实验室提出蜂窝概念。第1章概论二、小区制区域覆盖1.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基站进行覆盖，负责本小区各个移动台的联络与控制。2.频率复用技术，频谱利用率高，适用于大容量系统。3.用户终端发射功率小，电池使用时间长，辐射小。4.系统复杂，越区切换，位置登记、更新和管理以及系统鉴权等问题。图1-5大区覆盖与小区覆盖(a)大区覆盖；(b)小区覆盖第1章概论图1-6蜂窝系统的频率再用第1章概论图1-8越区切换示意图移动台的速度越快、小区半径约小，通信中的越区切换就越频繁。越区切换过于频繁不仅会增加切换控制的难度，也会导致系统附加开销的增大。第1章概论三、小区分裂：事实上，服务区的用户密度是不均匀的，用户密度高的市中心小区面积小一点，郊区面积大一些。图5-15用户密度不等时的小区结构第1章概论图5-16小区分裂三、小区分裂：对于已经建设好的蜂窝移动通信网，随着城市的发展，原来低用户密度去可能变成高密度区，这时相应在该地区设置新的基站，将小区面积划小。基站的天线高度要相应降低，发射机功率也要减小。第1章概论表1-1几种模拟蜂窝移动通信系统第1章概论1.3.3无绳电话系统无绳电话机由座机和手机两部分组成●座机与有线电话网用电话线连接，●手机与座机之间用无线电连接，●无绳电话的手机、座机发射的功率均在10mW以下，无线覆盖半径约在100m左右。图1-9无绳电话系统示意图第1章概论无绳电话第1章概论表1-2几种无绳电话系统的主要参数第1章概论1.3.4集群移动通信系统1.集群的概念集群移动通信系统采用的基本技术是频率共用技术。其主要做法是：①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；第1章概论②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，允许其它用户占用该频道。第1章概论2.集群系统的用途和特点集群系统主要以调度台与移动台之间的通话为主。（1）集群通信系统属于专用移动通信网，适合于各个专业部门，如部队、公安、消防、交通、防汛、电力、铁道、金融等部门作调度使用。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的通信，一般不分优先等级。第1章概论②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15～60s(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。③集群通信系统的主要业务是无线用户和无线用户之间的通信,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%。蜂窝通信系统有大量的无线用户与有线用户之间的通话业务。第1章概论④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，一对移动用户之间进行通信需占用一对频道。蜂窝通信系统都采用全双工工作方式，一对移动用户之间进行通信，必须占用两对频道。⑤蜂窝通信系统采用频率再用技术来提高系统的频率利用率；集群系统以改进频道共用技术来提高系统的频率利用率。第1章概论3.集群系统的组成图1-10集群网络的基本结构(a)集中控制方式；(b)分布控制方式第1章概论集群系统的基本设备：转发器由收、发信机和电源组成。每个频道均配一个转发器。分布式控制的集群系统，每个转发器均有一个逻辑控制单元。天线共用设备它包