移动通信原理课件-第一章 绪论

北邮信息理论与技术教研中心BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter移动通信原理主讲人:牛凯BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter2第一章绪论•§1.1移动通信的主要特点•移动通信是通信领域中最具有活力，最具有发展前途的一种通信方式。它是当今信息社会中最具有个性化特征的通信手段。它的发展与普及改变了社会也改变了人类的生活方式，它让人们领悟到现代化与信息化的气息。•移动通信，顾名思义其最本质的特色是“移动”二字，就是说这类通信不是传统静态的固定式通信，而是动态的移动式通信。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter3•传统的固定式通信，又称为有线通信。它的最大特点是静态的，信道是封闭的，且是人造的，从而是优质的。它的最大缺点是缺乏动态性，不适应现代人快节奏的生活需求，特别是快速移动的需求。•无线通信针对上述静态的缺点，以开放式传播来传递信息，它的代价是牺牲了全封闭式的优质人造信道，换取了无需采用固体介质专用线路的开放式传输的灵活性，但是信道的开放性必然引起了信道的时变性和随机性，从而大大降低了通信容量和质量。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter4●移动通信则是在无线通信的基础上又进一步引入了用户的移动性,在无线通信的一重信道动态的基础上又加入了第二重用户的动态性，这实质是两重动态性。•这种二重动态性以及在第三代(3G)移动通信技术中进一步引入的第三重动态性——业务类型动态选择特性，第四代移动通信技术引入了第四重动态性——网络拓扑与网络运行的动态性，贯穿到本书的每一章节。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter5移动通信，确切地说蜂窝式移动通信，就正式商业运营而言，至今也不过只有20多年的历史，就其发展历程看，大约每十年更新一代。目前正处于第二代(2G)与第三代(3G)交接期。•自上世纪八十年代我国引入模拟式(TACS)移动通信网以来，经过短短二十多年的发展，截止2009年5月底，全国移动电话用户数已达到6.8亿，成为全球头号移动用户大国。我国的第一代移动通信TACS系统目前已完成其历史任务而被淘汰；第二代移动通信GSM系统是全球第一，规模最大、用户最多，CDMA系统目前也是数一数二；第三代移动通信，中国移动运营TD-SCDMA、中国电信运营cdma2000、中国联通运营WCDMA，我国已经进入3G移动通信的全面运营阶段。1.2移动通信的发BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter6•第一代以模拟式蜂窝网为主要特征，是上世纪七十年代末八十年代初开始商用化的。其中最具代表性的是北美的AMPS(AdvancedMobilePhoneSystem)、欧洲的TACS(TotalAccessCommunicationSystem)两大系统，另外还有北欧NMT以及日本的HCMTS等。•第一代(1G)从技术特色上看，它是以解决两个动态性中最基本的用户这一重动态性为核心并适当考虑到第二重信道动态性。主要措施是采用频分多址FDMA方式实现对用户的动态寻址功能，并以蜂窝式网络结构和频率规划实现载频再用方式，达到扩大覆盖、服务范围和满足用户数量增长的需求。在信道动态特性匹配上适当采用了性能优良的模拟调频方式，并利用基站二重空间分集方式抵抗空间选择性衰落。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter7•第二代(2G)以数字化为主要特征，构成数字式蜂窝移动通信系统，它是上世纪九十年代初正式走向商用。其中最具代表性的有欧洲的时分多址(TDMA)GSM(GSM原意为GroupSpecialMobile，89年以后改为GlobalSystemforMobileCommunications)、北美的码分多址(CDMA)的IS-95两大系统，另外还有日本的PDC系统等。•第二代(2G)从技术特色上看，它是以数字化为基础，较全面考虑信道与用户的二重动态特性及相应的匹配措施。主要实现措施有：采用TDMA(GSM)、CDMA(IS-95)方式实现对用户的动态寻址功能，并以数字式蜂窝网络结构和频率(相位)规划实现载频(相位)再用方式，从而扩大覆盖、服务范围和满足用户数量增长的需求。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter8•在对信道动态特性的匹配上采用了一系列措施：•(1)采用抗干扰性能优良的数字式调制：GMSK(GSM)、QPSK(IS-95)，性能优良的抗干扰纠错编码：卷积码(GSM、IS-95)、级联码(GSM)；•(2)采用功率控制技术抵抗慢衰落与远近效应，它对CDMA方式的IS-95尤为重要；•(3)采用自适应均衡(GSM)和Rake接收(IS-95)抗频率选择性衰落与多径干扰；•(4)采用信道交织编码，如采用帧间交织方式(GSM)和块交织方式(IS-95)抗时间选择性衰落。•(5)基站采用空间或极化分集方式抗空间选择性衰落。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter9•第三代(3G)以多媒体业务为主要特征，它是本世纪初刚刚投入商业化运营。其中最具有代表性的有北美的CDMA2000、欧洲与日本的WCDMA、以及我国提出的TD-SCDMA三大系统，另外还有欧洲DECT以及北美的UMC-136。•第三代(3G)从技术上看，它是在2G系统适配信道与用户二重动态特性的基础上又引入了业务的动态性，即在3G系统中，用户业务既可是单一的话音、数据、图像，也可以是多媒体业务，且用户选择业务是随的,这个第三重动态性的引入使系统大大复杂化。所以第三代是在二代数字化基础上的以业务多媒体化为主要目标，全面考虑并完善对信道、用户二重动态特性匹配特性，并适当考虑到业务的动态性能，尽力采用相应措施予以实现。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter10•其主要实现措施有：•（1）继续采用第二代(2G)中所采用的所有行之有效的措施；•（2）对CDMA扩频方式应一分为二，一方面扩频提高了抗干扰性，提高了通信容量；另一方面由于扩频码互相关性能的不理想，使多址干扰、远近效应影响增大，并且对功率控制提出了更高要求等；•（3）为了克服CDMA中的多址干扰，3G系统中，上行链路建议采用多用户检测与智能天线技术；下行链路采用发端分集、空时编码技术；•（4）为了实现与业务动态特性的匹配，3G中采用了可实现对不同速率业务(不同扩频比)间仍具有正交性能的OVSF(可变扩频比正交码)多址码；•（5）针对数据业务要求误码率低且实时性要求不高的特点，3G中对数据业务采用了性能更优良的Turbo码。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter11•第四代(4G)以宽带高速数据传输为主要特征，目前正在IMT-Advanced框架下进行标准化。其中3GPP组织提出的LTE/LTE-Advanced、IEEE组织提出的WiMax802.16m以及3GPP2组织提出的UMB是代表性的标准草案。•第四代(4G)从技术上看，它在3G系统支持信道和用户动态性的基础上，全面增强了对业务动态性的支持，并引入了网络动态性，网络扁平化与全IP化、多个无线接入网的互操作和网络跨层优化得到的强调与重视，并打破了蜂窝网结构，引入了分布式网络作为补充。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter12•所以第四代是在三代业务多媒体化的基础上，以无缝灵活支持高速无线互联网业务为主要目标，全面考虑并完善对信道、用户和业务的三重动态特性匹配，并适当考虑网络的动态性能，尽力采用相应措施实现多个无线接入网融合、固网与移动网融合。其主要实现措施有：•继续采用第三代(3G)中所采用的所有行之有效的措施；•为了支持高速数据传输，采用了OFDMA/SC-FDMA高效多址接入技术，可以灵活动态地支持从低速VoIP业务到超高速的视频业务；•全面引入了MIMO技术，通过与OFDMA技术结合，进一步提高了系统频谱效率；•广泛采用了自适应编码调制(AMC)与混合自动重传(HARQ)技术，更好地动态适配信道变化；•采用小区间干扰协调技术，有效克服同频干扰。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter13•在前四代移动通信中，除了上述物理层关键技术的不断发展外，在网络层其功能也在逐步完善。它主要体现有：•1)网络协议逐步走向规范化，到了第四代(4G)已全面形成了横向三层：物理层、链路层、网络高层；纵向两个平面：用户业务平面与控制平面的规范结构。•2)逐步增强并完善网络层辅助物理层实现对四重动态性的匹配功能，尤其突出跨层优化技术，完善对无线资源管理、移动性管理、移动信息安全以及接入分配、调度算法的实现。•3)第二代(2G)开始逐步引入智能网，实现交换与控制的分离，演进到3G中的IP多媒体子系统(IMS)与LTE的EPC核心网结构，并通过开放业务架构(OSA)快速生成与部署新业务。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter14•另外，从第一代发展到第三代服务的业务类型、完成的功能也在不断的发展。就业务而言:•1)第一代是在单一模拟电路交换平台上，完成了单一模拟话音业务。•2)第二代是在单一数字电路交换平台上，完成数字式话音或相同速率电路交换的数据业务。•3)第二代半在建立的两个平行的电路(CS)与分组(PS)交换平台上，完成数字化话音和小于64kbps的电路交换、小于171.2kbps的分组交换的各类数据业务服务。•4)第三代首先在第二代半基础上进行增强与改善，并在其基础上逐步改造成单一分组交换的IP平台，提供小于2Mbps的各类多媒体业务服务。•(5)第四代基于全IP的IMS/EPC平台，提供静止情况1Gbps、运动情况100Mbps(峰值速率)的各类无线互联网业务。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter15•就功能而言，主要指业务服务功能，它有:•1)第一代与第二代的通话功能。•2)第二代半增加了因特网业务和定位业务。•3)第三、四代发展成具有会话型、数据流型、互动型与后台类型的综合服务多媒体业务功能。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter161.3移动通信的发展趋势与展望•就未来通信而言，发展方向是个人通信。即在全球范围内逐步实现全球一网(统一的网络结构)，每人一号(一个身份号码)，在任何时间、任何地点(海、陆、空)以任何通信方式与任何对象(人或机器)进行任何业务(话音、数据、图象等)的无缝隙、不间断通信。•实现它主要包含两大部分。一个是全球性骨干核心网络平台，另一个是无时无处不在的灵活接入手段，对移动通信发展而言重点是探讨后者。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter17•就接入网而言，客观上看可分为有线接入与无线接入，这里仅讨论无线接入，再细致一些无线接入又可分为室内无线接入比如红外、蓝牙等；小范围的无线局域网接入比如IEEE802.11系列等；中等及大范围的蜂窝移动接入和覆盖全