移动通信教学课件第1章 概论

第1章概论第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1.1移动通信的主要特点1.移动通信必须利用无线电波进行信息传输这种传播媒质允许通信中的用户可以在一定范围内自由活动，其位置不受束缚，不过无线电波的传播特性一般都很差。首先，移动通信的运行环境十分复杂，电波不仅会随着传播距离的增加而发生弥散损耗，并且会受到地形、地物的遮蔽而发生“阴影效应”，而且信号经过多点反射，第1章概论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；其次，移动通信常常在快速移动中进行，这不仅会引起多普勒（Doppler）频移，产生随机调频，而且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。因此，移动通信系统必须根据移动信道的特征，进行合理的设计。第1章概论2.移动通信是在复杂的干扰环境中运行的除去一些常见的外部干扰，如天电干扰、工业干扰和信道噪声外，系统本身和不同系统之间，还会产生这样或那样的干扰。因为在移动通信系统中，常常有多部用户电台在同一地区工作，基站还会有多部收发信机在同一地点上工作，这些电台之间会产生干扰。第1章概论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根据通信地区的不同需要，移动通信网络可以组成带状(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。第1章概论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。第1章概论图1-1单工通信发射机f1(f1)接收机送受话器f1(f2)PTT发射机接收机送受话器PTTf1(f1)f1(f2)电台甲电台乙第1章概论同频单工是指通信双方(如图1-1中的电台甲和电台乙)使用相同的频率f1工作，发送时不接收，接收时不发送。平常各接收机均处于守候状态，即把天线接至接收机等候被呼。当电台甲要发话时，它就按下其送受话器的按讲开关(PTT)，一方面关掉接收机，另一方面将天线接至发射机的输出端，接通发射机开始工作。当确知电台乙接收到载频为f1的信号时，即可进行信息传输。第1章概论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。图中，基站的发射机和接收机分别使用一副天线，而移动台通过双工器共用一副天线。双工通信一般使用一对频道，以实施频分双工(FDD)工作方式。这种工作方式使用方便，同普通有线电话相似，接收和发射可同时进行。第1章概论图1-2双工通信发射机f1接收机受话器f2发射机接收机受话器基站移动台双工器f2f1送话器送话器f1f2第1章概论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。TARTBRf1f2f2f1天线共用器送话器受话器发射机接收机第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，因而用同一设备来传送任何类型的数字信息都是可能的。利用单一通信网络来提供综合业务服务正是未来通信系统的发展方向。第1章概论(3)抗噪声、抗干扰和抗多径衰落的能力强。这些优点有利于提高信息传输的可靠性，或者说保证通信质量。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，可以控制由任何干扰和不良环境产生的损害，使传输差错率低于规定的阈值。第1章概论(4)能实现更有效、灵活的网络管理和控制。数字系统可以设置专门的控制信道用来传输信令信息，也可以把控制指令插入业务信道的比特流中，进行控制信息的传输，因而便于实现多种可靠的控制功能。(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通信业务移动通信的传统业务是电话通信。最近10多年来，随着计算机的迅速发展和人们信息交往的日益频繁与多样化，对数据传输的需求也与日俱增。据估计，未来移动通信中的多媒体业务数据量将占总业务量的70%~80%。第1章概论在第二代移动通信系统中，尽管主要业务是话音业务，但也可以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，由于其传输速率的提高，在中等移动速度的情况下，可以达到384kb/s的传输速率，因而人们可以享用中等速率的多媒体业务，包括话音、图像和数据等。第1章概论任何工业的发展都与产生它的背景相适应，移动通信的发展也不例外，它既受技术发展的驱动，也受市场需求的驱动。若干年来，移动通信基本上围绕着两种主干网络在发展，这就是基于话音业务的通信网络和基于分组数据传输的通信网络。根据运行环境和市场需求的不同，前者又分为以蜂窝网为代表的高功率宽（广）域网和以无绳电话网为代表的低功率局域网；后者又可分为宽带LAN之类的高速局域网和移动数据网之类的低速宽（广）域网。图1-3是移动通信网络分类的示意图。第1章概论图1-3移动通信网络的分类无绳(低功率局域网)蜂窝(高功率宽域网)基于话音的网络宽带LAN(高速局域网)移动数据(低速宽域网)基于数据的网络移动通信系统第1章概论第一代模拟网第三代系统提供高速多媒体业务2Mbps业务功能时间1989199419951996199719981999200020012002200320042005电路数据业务9.6kbps第二代GSM系统智能网业务GPRS115kbps基于IP的分组数据业务2.5代移动通信技术发展迅速第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”，这是由于它的振铃声近似于“B…B…”声音之故。图1-4示出了无线电寻呼系统的组成。第1章概论图1-4无线电寻呼系统示意图公用电话网无线电寻呼控制中心及主发射台用户回路发射台发射台第1章概论1.3.2蜂窝移动通信系统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(ImprovedMobileTelephoneService)系统(如图1-5(a)所示)，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。第1章概论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1-5(b)所示。第1章概论图1-5大区覆盖与小区覆盖(a)大区覆盖；(b)小区覆盖IMTS系统：单个大功率发射机覆盖整个市区蜂窝系统：位于各个小区的许多小功率发射机覆盖相同的地区(a)(b)第1章概论通常，相邻小区不允许使用相同的频道，否则会发生相互干扰(称同道干扰)。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，也不会产生显著的同道干扰(保证信干比高于某一门限)。为此，把若干相邻的小区按一定的数目划分成区群(Cluster),并把可供使用的无线频道分成若干个(等于区群中的小区数)频率组，区群内各小区均使用不同的频率组，而任一小区所使用的频率组，在其它区群相应的小区中还可以再用，这就是频率再用，如图1-6所示。第1章概论图1-6蜂窝系统的频率再用BGA小区8FBCEDBGDAGFE再用距离七小区群相同字母小区使用相同频率组小区1第1章概论图1-7是蜂窝移动通信系统的示意图。图中七个小区构成一个区群。小区编号代表不同的频率组。小区移动交换中心(MSC)相连。MSC在网中起控制和管理作用，对所在地区已注册登记的用户实施频道分配，建立呼叫，进行频道切换，提供系统维护和性能测试，并存储计费信息等。MSC是移动通信网和公共电话交换网的接口单元，既保证网中移动用户之间的通信，又保证移动用户和有线用户之间的通信。第1章概论图1-7蜂窝移动通信系统的示意图124MSC3675基站至公用电话网第1章概论当移动用户在蜂窝服务区中快速运动时，用户之间的通话常常不会在一个小区中结束。快速行驶的汽车在一次通话的时间内可能跨越多个小区。当移动台从一个小区进入另一相邻的小区时，其工作频率及基站与移动交换中心所用的接续链路必须从它离开的小区转换到正在进入的小区，这一过程称为越区切换。第1章概论其控制机理如下：当通信中的移动台到达小区边界时，该小区的基站能检测出此移动台的信号正在逐渐变弱，而邻近小区的基站能检测出这个移动台的信号正在逐渐变强，系统收集来自这些有关基站的检测信息，进行判决，当需要实施越区切换时，就发出相应的指令，使正在越过边界的移动台将其工作频率和通信链路从离开的小区切换到进入的小区。整个过程自动进行，用户并不知道，也不会中断行进中的通话。越区切换的示意图见图1-8。第1章概论图1-8越区切换示意图移动交换中心蜂窝A时间1时间2时间3蜂窝B当移动单元从蜂窝B越区到蜂窝A时，切换在移动交换中心的控制下进行第1章概论表1-1给出了几种模拟蜂窝移动通信系统的性能参数。这些系统包括：AMPS、TACS、NMT、C-450、NTT等。我们将在第6章和第7章中对第二代数字蜂窝移动通信系统进行讨论，它们包括GSM、IS-54、IS-95、JDC(后改名为PDC)等，其性能参数可参见表7-4。在第8章和第9章中还将对第三代数字蜂窝移动通信系统进行讨论，它们主要包括WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA等，其性能参数可参见表9-4。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无绳电话系统简单的无绳电话机把普通的电话单机分成座机和手机两部分，座机与有线电话网连接，手机与座机之间用无线电连接，这样，允许携带手机的用户可以在一定范围内自由活动时进行通话，见图1-9。因为手机与座机之间不需要用电线连接，故称之为“无绳”电话机。第1章概论图1-9无绳电