移动通信系统的基本原理与概念(北邮课件)

第一章-1移动通信系统的基本原理与概念一、移动通信的基本概念和主要特点二、移动通信系统分类与组成三、常用移动通信系统与工作方式四、移动通信的发展、现状与未来五、移动通信的标准化六、蜂窝移动通信的概念七、GSM数字蜂窝移动通信系统概述八、电波传播、大尺度场强估计与覆盖设计第一章-2教学参考书《移动通信原理与应用》啜刚、王文博、常永宇，北京邮电大学出版社《WCDMA技术与系统设计》HarriHolma,AnttiToskala著，付景兴、马敏等译，机械工业出版社《CDMA2000技术》杨大成等编著，北京邮电大学出版社《蜂窝移动通信网络规划与优化》张业容等编著，电子工业出版社《CDMA系统设计与优化》KyoungKim编著，刘晓宇、杜志敏译，人民邮电出版社第一章-3一、移动通信的基本概念和主要特点基本定义——“动中通信”通信双方至少有一方处在移动的情况下（或临时静止）的相互信息传输和交换的方式。移动性体现在：终端的移动性—手持机、车载台个人的移动性—SIM卡支持的业务，身份信息业务的移动性—200号业务，PORTALNUM通信网的智能化和无线化使移动通信成为可能传输技术的发展芯片制造技术的发展软件应用技术的发展第一章-4移动通信的主要特点无线电波传输环境恶劣复杂阴影效应，有地形结构引起，表现为慢衰落（高斯衰落）多径效应，由移动体周围的局部散射体引起的多径传播，表现为快衰落（瑞利衰落）。空间传播损耗多普勒频移产生调制噪声：多普勒效应，由于移动体的运动速度和方向引起，多径条件下，引起多普勒频谱展宽。第一章-5接收信号的统计分析第一章-6移动台受噪音干扰干扰复杂开放式环境，存在多种噪声（人为噪声，自然干扰）和干扰（互调，共频，邻道）频谱拥挤（窄带化，缩小频带间隔，复用）可利用的频谱资源有限，用户需求剧增对移动台要求高，用户终端成为个人消费品网络结构多种多样，网络管理技术复杂第一章-7二、移动通信系统分类与组成各种分类方法按工作方式分类——单工，双工，半双工按多址方式分类——FDMA,TDMA,CDMA按信号形式分类——模拟网，数字网按覆盖范围分类——局域网，广域网按业务类型分类——电话网，数据网，综合业务网，多媒体按服务范围分类——专用网，公用网按使用环境分类——陆地通信，海上通信，海上通信按使用对象分类——军用系统，民用系统第一章-8通信系统的分类第一章-9移动通信系统组成第一章-10三、常用移动通信系统与工作方式集群通信——警察、出租车调度蜂窝移动电话——车载、手持机无线寻呼——数字、汉字、双向无绳电话——家用、公共无线接入点（PHS）卫星移动通信——铱星系统宽带无线接入网——WLAN，蓝牙，802.11第一章-11移动通信工作方式移动通信的传输方式分单向传输（广播式）和双向传输（应答式）两种双向传输按无线信道的使用频率和信息传输方式，分为单工、双工和半双工等三种工作方式。发射机接收机发射机接收机f1（f1）f1（f2）f1（f2）f1（f1）送受话器送受话器电台甲电台乙1、单工通信——通信双方电台交替地进行收信和发信第一章-12移动通信工作方式发射机发射机接收机接收机双工器f1f2f1f1f2f2基站移动台2、双工通信——通信双方可同时进行信息传输3、半双工通信——移动台采用单工的“按讲”方式，其他与双工完全相同（集群通信，汽车调度）第一章-13四、移动通信的发展、现状与未来1946年AT&T推出了第一个移动电话系统，采用FM调制，120Hz带宽传输一路话音；60年代中期BellSystem推出了IMTS（ImprovedMobileTelecommunicationService），采用FM调制，25－30KHz带宽传输一路话音；60年代末，70年代初开始第一个蜂窝（Cellular）电话系统，Cellular的意思是将一个大区域划分为几个小区（Cell），相邻的Cell不使用相同的频率，以免干扰；第一章-14移动通信的发展、现状与未来70年代末，由于微处理器的出现，使系统的复杂度提高。美国推出了AMPS（AdvancedMobilePhoneSystem），英国推出了TACS（TotalAccessCommunicationSystem）等。80年代初开始了运营实验，实验真正意义上的蜂窝移动通信；90年代初，相继推出了第二代数字移动通信系统DAMPS、GSM、CDMA系统；90年代中期以后，开始研究第三代移动通信系统。第一章-15蜂窝移动通信的发展历程第一章-16第一代移动通信系统第一章-17第一代移动通信系统的特点蜂窝小区系统设计——频率复用解决大容量需求与有限频谱资源的矛盾模拟系统——语音信号FM传输FDMA第一章-18第二代移动通信系统第一章-19第二代移动通信系统的特点微蜂窝小区结构更优的空分复用，提高用户数量数字化技术——语音信号数字化新的调制方式，GMSK，QPSK等TDMA，CDMA频谱利用率高，系统容量大能提供多种业务服务，提高通信系统的通用性抗噪声、抗干扰和抗多径衰落能力强能实现更有效、灵活的网络管理和控制便于实现通信安全保密可降低设备成本和减少用户手机的体积和重量第一章-20第三代移动通信系统第一章-21第三代移动通信系统的特点微蜂窝结构宽带CDMA技术调制技术，QPSK/自适应调制FDMA/TDMA/CDMA电路交换变为分组交换从媒体（media）到多媒体（Multi-media）第一章-22中国移动通信发展状况1.791.452.142.072.642.672.663.162.833.593.124.16012345678移动用户（亿）1.452.072.673.163.594.16固定用户（亿）1.792.142.642.662.833.122001年2002年2003年2004年2005年2006年亿元到2006年，中国固定电话用户数达到3.12亿，用户占世界总数的20%，居世界第一。移动通信用户数达到4.16亿，用户约占世界总数的四分之一，居世界首位，普及率提高到21%，超过当时世界平均水平（15%）。业务增长的重点从话音业务需求转向多媒体业务需求，从单一业务转向综合业务，从窄带业务向宽带业务，从低速业务向高速业务。第一章-23最近移动通信发展的方向传输容量（bps）移动性第一章-24传输距离与传输速率的相互制约第一章-25移动通信系统的演进GSM（ETSI）GPRSEDGE（UWC-136）W-CDMA（UTRA-FDD）TDMA（ANSI-136）CDMA（ANSI-95）PDC（Japan）TD-SCDMA（UTRA-TDD）IS-136+PDC-PHSCSDCDPD3XRTT（cdma2000）1XEV-DO（HDR）1XEV-DV（EVPhase2）1XRTT（cdma2000）IS-95B（cdmaOne）IMT-200028.8Kbps64Kbps19.2Kbps57.6Kbps64Kbps14.4Kbps9.6Kbps9.6Kbps9.6Kbps128Kbps144Kbps384Kbps384Kbps2Mbps2-5Mbps2Mbps2MbpsDECT25-512KbpsSource：StratecastPartnersGSM（ETSI）GPRSEDGE（UWC-136）W-CDMA（UTRA-FDD）TDMA（ANSI-136）CDMA（ANSI-95）PDC（Japan）TD-SCDMA（UTRA-TDD）IS-136+PDC-PHSCSDCDPD3XRTT（cdma2000）1XEV-DO（HDR）1XEV-DV（EVPhase2）1XRTT（cdma2000）IS-95B（cdmaOne）IMT-200028.8Kbps64Kbps19.2Kbps57.6Kbps64Kbps14.4Kbps9.6Kbps9.6Kbps9.6Kbps128Kbps144Kbps384Kbps384Kbps2Mbps2-5Mbps2Mbps2MbpsDECT25-512Kbps2G2．5G2．75G3G第一章-26移动通信的发展目标—个人通信一些专家总结为五个W：任何人（Whoever）在任何地方（Wherever）任何时间（Whenever）可以同任何人（Whomever）进行任何形式（Whatever）的通信目标是实现个人通信系统（PCS）个人通信发展的前提：•大容量，频谱资源•全覆盖，无缝•移动性•低费用•智能化，处理能力第一章-27个人通信系统的发展基础近二十年来几项技术革命使PCS成为可能。这主要表现在以下几个方面：•低功耗、超大规模集成电路VLSI的发展；•工作在1―10GHz频段固态RF电路的发展；•可充电电池在体积和容量方面的不断改善；•扩频通信技术的发展；•电话网向数据网的转化，即通信网络智能化的发展；•光传输技术•应用软件技术第一章-28五、移动通信的标准化标准化工作的重要性通信技术的多样性（看似繁荣实际阻碍技术发展）网络缺乏互联设备缺乏互通无法大规模生产价格昂贵移动通信的标准化内容技术体制标准化网络设备标准化测试方法标准化第一章-29国际标准化组织（ITU）国际无线电标准化工作由国际电信联盟（ITU）负责ITU原由综合秘书处国际频率登记局（IFRB）国际无线电咨询委员会（CCIR）研究国际电话电报咨询委员会（CCITT）四个常设机构组成1993年3月ITU组织调整为：无线通信组（CCIR+IFRB）ITU-R工作组电信标准化组（CCITT）ITU-T工作组电信开发组（BDT）第一章-30其它标准化组织欧洲的标准化组织欧洲邮电管理协会（CEPT）曾是欧洲通信设施的主要标准化组织现逐渐被其它组织替代欧洲电信标准协会（ETSI）成立于1988年GSMDECTHiperLAN等北美地区的标准化组织电子工业协会（EIA）电信工业协会（TIA）蜂窝电信工业协会（CTIA）美国国家标准协会（ANSI）IEEELAN等第一章-31六、蜂窝移动通信的概念大区制移动通信系统信号传输损耗通信距离有限大区制系统覆盖范围30~50km发射功率50~200W天线很高（30m）具有网络结构简单频道数目少无需无线交换直接与PSTN相连大区系统的局限性覆盖范围有限服务的用户容量有限服务性能较差频谱利用率低1974Bell实验室提出蜂窝概念第一章-32蜂窝的概念和分类蜂窝系统---“小区制”系统将所要覆盖的地区划分为若干个小区每个小区的半径可视用户的分布密度在1~10km左右在每个小区设立一个基站为本小区范围内的用户服务“频率复用”的概念特点用户容量大服务性能较好频谱利用率较高用户终端小巧且电池使用时间长辐射小等新的问题系统复杂越区切换漫游位置登记更新和管理以及系统鉴权等第一章-33蜂窝的概念和分类蜂窝分类宏蜂窝（Macro-cell）2~20km微蜂窝（Micro-cell）0.4~2km皮蜂窝（Pico-cell）400m分层蜂窝（由多种蜂窝组成）第一章-34各类蜂窝的比较蜂房类型巨区宏区微区蜂房半径（km）100－500351终端速度（km/h）1500500100安装地点LEO/HEO/GEO建筑物/塔的顶部灯杆/建筑物运行环境所有乡村郊区市区业务量密度低低到中中到高适用系统卫星蜂窝蜂窝/无绳第一章-35蜂窝小区的形状第一章-36蜂窝通信的频率复用第一章-37小区分裂与扇区化扇区化小区用户密度不同的小区结构第一章-38七、GSM数字蜂窝移动通信系统概述GSM是完全依据欧洲通信标准化委员会（ETSI）制定的GSM技术规范研制而成的，任何一家厂商提供的GSM数字蜂窝移动通信系统都必须符合GSM技术规范。小区结构和载频复用。第一章-39GSM系统中的小区GSM系统中的小区也有大小之分。大者，基站（BS）与移动台（MS）间的距离可达到35公里，适用