移动通信原理与系统

1课程特点讲授现代移动通信系统的基本概念、基本技术和基本原理。非理论基础，内容新、范围广。2教学重点和学习难点教学重点：现代移动通信的基本概念、移动信道的电波传播和信道分析、现代移动通信系统的基本技术和网络构成、GSM系统、窄带CDMA移动通信系统、宽带CDMA（第三代）移动通信系统。学习难点：蜂窝移动通信系统的概念和建模移动信道的基本概念和建模分析方法现代移动通信新技术:GSM、CDMA和OFDM等3学习方法自学为主教材、网络和参考书认真听课理解概念、领会难点勤于思考发现提出问题轻松活泼4基础知识要求现代通信原理，各种编码调制技术。信号与系统付氏和拉氏变换信号的时域和频域表示卷积自相关函数、互相关函数、功率谱等电路原理5参考书（一）《移动通信原理与应用》，啜钢等编著，北京邮电大学出版社。（主要参考书）《现代移动通信系统》，祁玉生等著，通信工程丛书，人民邮电出版社。《数字蜂窝移动通信系统》，赵荣黎编著，电子工业出版社。《无线通信原理与应用》，蔡涛等译，电子工业出版社。《GSM数字移动通信系统》，骆健霞等译，电子工业出版社。6参考书（二）《CDMA系统工程手册》，许希斌等著，人民邮电出版社。《移动蜂窝通信，模拟和数字系统》（第二版），[美]李建业著，人民邮电出版社《CDMA扩频通信原理》，[美]A.J.维特比著，李世鹤等译，人民邮电出版社《第三代移动通信系统原理与工程设计，IS-95CDMA和cdma2000》，[美]VijayK.Garg等，于鹏等译，电子工业出版社《数字移动通信》（修订本），郭梯云编，人民邮电出版社7参考书（三）《第三代移动通信技术》，孙立新等编，人民邮电出版社8考试问题54个学时只能初步了解移动通信原理，要求主动听课，认真完成作业，结业考试；作业：交手写的纸件,每月交一次,计入平时成绩.9移动通信第一章概述10主要内容移动通信的基本概念移动通信系统的基本概念蜂窝移动通信系统的特点移动通信的发展史、发展现状和发展方向第一代移动通信系统第二代移动通信系统第三代移动通信系统Beyond3G移动通信系统个人移动通信移动通信工作频段移动通信的分类及工作方式11移动通信的基本概念移动通信是指通信的双方，或至少有一方处于移动状态下进行信息交换的通信就叫做移动通信。换句话说，移动通信解决因为人的移动而产生的“动中通”问题。100m/9.69s=10.32m/s=37.15km/h未来移动通信系统可以支持250km/h以上的移动速度12移动通信的基本概念移动通信系统包括无绳电话，无线寻呼，陆地蜂窝移动通信，卫星移动通信等。移动体之间的通信联系的传输手段只能依靠无线电通信，因而无线通信是移动通信的基础。除依靠无线通信技术之外，还依赖有线通信网络的支持，如公众电话网PSTN，公众数据网PDN，综合业务数字网ISDN。13移动通信的特点1、无线电波传播特性复杂通信频段：甚高频VHF和特高频UHF地表面波、电离层反射波、直射波和散射波衰落现象阴影效应和多径传播14电波传输方式天波(电离层反射波):由天线向高空辐射的电磁波遇到大气电离层折射后返回地面的无线电波。电离层只对短波波段的电磁波产生反射作用，因此主要用于短波远距离通信。15电波传输方式地波(地表面波):沿大地与空气的分界面传播的电波叫地波。其传播途径主要取决于地面的电特性。地波在传播过程中，由于能量逐渐被大地吸收，很快减弱，因而传播距离不远。但地波不受气候影响，可靠性高。16电波传输方式直射波:是由发射点从空间直线传播到接收点的无线电波。直射波传播距离一般限于视距范围。在传播过程中，它的强度衰减较慢，超短波和微波通信就是利用直射波传播的。17电波传输方式散射波:由天线辐射出去的电磁波投射到低空大气层或电离层中不均匀介质时产生散射，其中一部份到达接收点。散射传播距离远，但是效率低，不易操作，使用并不广泛。18移动通信信号的衰落19移动通信环境的时变性衰落(Fading)分为慢衰落和快衰落。慢衰落：由阴影效应产生，一般服从正态分布。快衰落：由多径效应产生，一般服从瑞利分布。因而要求移动通信系统必须具有抗衰落性能。20移动通信的特点2、多普勒频移导致调制噪声是运动速度，是波长，是夹角运动方向面向接受站，为正值。反之为负值。多普勒频移产生频率扩展。采用“锁相技术”以抵抗多谱勒效应。cosdvfv21移动通信的特点3、移动台受噪声影响，并在强干扰下工作1）互调干扰2）邻道干扰3）同频干扰22移动通信的特点4、对移动台的要求高。要求移动台具有很强的适应能力；要求性能可靠、携带方便，小型，低功耗，及耐高、低温；要求操作使用方便，可适应不同人群使用23移动通信的特点5、通道容量有限。频率资源紧张在频率资源一定，信噪比一定的前提下，通信容量有限.增加用户容量是移动通信的重要研究课题。24移动通信网络管理复杂6、通信系统复杂移动性使得系统需要对无线信道进行频率和功率的控制。提供相邻基站之间的越区切换网络提供归属位置寄存器（HLR）和访问位置寄存器（VLR）纪录用户的行踪提供不同地区和不同运营者之间的漫游用户安全与网络安全鉴权25移动通信-将复杂进行到底26主要内容移动通信的基本概念移动通信系统的基本概念蜂窝移动通信系统的特点移动通信的发展史、发展现状和发展方向第一代移动通信系统第二代移动通信系统第三代移动通信系统Beyond3G移动通信系统个人移动通信移动通信工作频段移动通信的分类及工作方式27移动通信的发展史---萌芽阶段1880年，贝尔发明了最初的无线传输设备“光话机”——将反射光耦合到光电硒接收器.通话距离700英尺，比无线电方式早25年。后经过改进，通话距离长达15km。缺点：光线易受雨、雾、建筑物等障碍物的阻挡。19世纪末，赫兹发现电磁波辐射。28移动通信的发展史---萌芽阶段1897年，马可尼在陆地和一艘拖船上完成莫尔斯电码无线通信实验，标志无线电通信的开始，开创了海上通信业。1909年马可尼获得诺贝尔物理学奖，后来享有“无线电之父”的美誉。29TITANIC&MobileCommunication30TITANICTragedySpawnsWirelessAdvancementsRadioroom&RadioOfficersJackPhillipsHaroldBride31移动通信的发展史---萌芽阶段1906年圣诞夜晚，费森堡从实验室用无线电波进行了首次广播，他从实验播送的一些圣经、朗诵节目被行使在大西洋上的轮船报务员接受到，一般认为这是广播的第一次发射成功，标志着人类利用无线电直接传诵语言和音乐的开端。32移动通信的发展史---开拓阶段1928年，美国底特律警察局率先装备AM接收机的警用车辆无线电移动系统（单向），标志移动通信开始。20世纪30年代初，第一个双向移动通信系统在新泽西的贝尼尔警察局投入运行。1935年，阿姆斯特朗发明了FM方式无线电，是移动通信中地第一个大分水岭。大大提高灵敏度或动态范围（3倍）具有“捕获效应”能更有效地对抗“快衰落”或波动性33移动通信的发展史---商业阶段1946年，Bell实验室在圣路易斯建立第一个公用汽车话网，用于汽车移动电话。60年代中期，贝尔系统开发出了“IMTS——改进的移动电话服务”系统，使模拟FM技术达到了30年发展的顶峰。34移动通信的发展——蜂窝思想1978年底，贝尔实验室研制成功模拟蜂窝第一代移动通信系统——先进移动电话系统（AMPS）。该系统于1983年正式投入商用。这是移动通信发展史上的重大发明。1980北欧的NMT1979日本东京、神户、大阪的NAMTS1985英国伦敦的TACS(我国的模拟系统)35第一代移动通信系统世界各国36第一代移动通信的特点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缺点：频谱利用率低、容量有限、制式相互不兼容、不利于漫游、覆盖受限、业务受限、易被窃听、不能于ISDN兼容37移动通信的发展——数字化模拟移动通信系统频谱利用率低、设备复杂、价格昂贵、业务种类受限、保密性差80年代中期～90年代末，欧洲、美国、日本等发达国家和地区先后推出了数字移动通信系统——第二代移动通信系统：1992年欧洲推出商用的GSM1991美提出的IS-541993日本提出的PDC1993美国提出的IS-95(N-CDMA)38第二代移动通信系统数字移动通信系统39第二代移动通信的特点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小用户手机的体积和重量40移动通信的发展——宽带、多媒体90年代初～今：宽带（Wideband，最大数据传输速率2Mbps）、多媒体业务、频谱利用率高1G→2G：模拟→数字，单一业务（话音）→多种业务（话音、数据）2G→3G：单媒体业务→多媒体业务，人与人通信→人与机器之间和机器与机器之间通信，容量提高2～5倍ITU通过的第三代移动通信系统主流标准：WCDMA、cdma2000、TDSCDMA、DECT41第三代移动通信系统CDMA移动通信系统42第三代移动通信的特点微蜂窝结构（分层小区）宽带CDMA技术调制方式QPSK/自适应调制FDMA/TDMA/CDMA电路交换→分组交换从媒体（media）→多媒体（Multimedia）43第三代移动通信的局限性采用DS-CDMA技术难以向更高速业务领域扩展难以寻找更高速业务所需的正交扩频码集难以满足更高的传输带宽需求因而造成业务之间的干扰大。难以提供具有不同QoS和性能需求的全范围多媒体业务。这是IMT-2000空中接口标准强加给核心网的在2GHz频段分配给IMT-2000的带宽很快就会饱和，而标准中制定的频分与时分双工相结合的模式也约束了其在不同环境有效地服务。44传输距离与速率的互相制约45移动通信的发展—广带IP多媒体今～：广带（Broadband，最大数据传输速率达100Mbps）、多媒体业务、频谱利用率更高3G→：各种系统互联互通，IP多媒体业务，容量提高5～10倍46BeyondIMT-2000的定义和研究框架BeyondIMT-2000是指广泛用于各种电信环境的无线系统的总和，能力将涵盖并远远超出3G系统及与其进行互连的无线系统的能力，涵盖了目前的IMT-2000、无线接入、数字广播等系统的能力，并将新增两个部分：能为高速移动的用户提供广带（Broadband）多媒体业务的BeyondIMT-2000蜂窝移动通信系统，支持约100Mbps，是未来研究的核心所在。支持高达几百Mbps以上速率的游牧/本地无线接入系统。47IMT-2000以及BeyondIMT-2000系统的通信能力48未来一代移动通信系统示意49蜂窝移动通信的发展过程发展时间和系统50移动通信用户增长预期年51未来移动通信业务需求移动业务也正从话音业务向以IP接入和多媒体业务为主的方向发展，预计手持移动终端将逐步成为上网的主要设备之一52蜂窝移动通信的发展趋势53移动通信的发展目标---5W目标是无论任何人(Whoever)在任何时候(Whenever)在任何地方(Wherever)与另一个人(Whomever)进行任何类型(Whatever)的个人通信。2020/2/10共71页54移动通信的巨大挑战任何时间：要求支持动中通－无线通信是前提，传输环境恶劣任何地点：要求无缝覆盖－传输能力有限，覆盖范围与发射功率和干扰的矛盾