2G课件 第1章 移动通信的基本概念

第1章移动通信的基本概念【本章内容简介】本章主要介绍了移动通信的基本原理及其应用方面的基本概念，对移动通信的特点、分类、工作方式、网络的频率配置等作了详尽地说明，概述了移动通信的发展历程，同时展望了未来的发展趋势。【学习重点与要求】重点掌握移动通信的定义、特点、分类和工作方式，了解无线频谱的规划及移动通信的工作频段。1.1移动通信的定义在人类社会的发展进程中，通信始终与人类社会的各种活动密切相关。无论是古代的“烽火台”，还是现代的移动电话，都属于通信的范畴。1.1移动通信的定义现代通信系统是信息时代的生命线，以信息为主导地位的信息化社会又促进通信新技术的大力发展，传统的通信网已不能满足现代通信的要求，移动通信已成为现代通信中发展最为迅速的一种通信手段。随着人类社会对信息的需求，通信技术正在逐步走向智能化和网络化。人们对通信的理想要求是：任何人（Whoever）在任何时候（Whenever），无论在任何地方（Werever）能够同任何人（Whoever）进行任何方式（Watever）的交流。很明显，如果没有移动通信，上述愿望将永远无法实现。1.1移动通信的定义移动通信在现代通信领域中占有十分重要的地位。所谓移动通信，就是指通信双方至少有一方处于运动状态中进行信息交换。例如，运动着的车辆、船舶、飞机或行走着的人与固定点之间进行信息交换，或者移动物体之间的通信都属于移动通信。这里所说的信息交换，不仅指双方的通话，同时也包括数据、传真、图像等多媒体业务。1.1移动通信的定义移动通信是一门复杂的高新技术，尤其是蜂窝移动通信。要使通信的一方或双方在移动中实现通信，就必须采用无线通信方式。它不但集中了无线通信和有线通信的最新技术成就，而且集中了网络技术和计算机技术的许多成果。目前，蜂窝移动通信已从模拟通信发展到了数字通信阶段，并且正朝着第三代移动通信这一更高阶段发展。1.1移动通信的定义移动通信与其他通信方式相比，主要具有以下特点：1．无线电波传播环境复杂在移动通信中，基站至用户间靠无线电波来传送信息。当前，移动通信的频率范围在甚高频（VHF，30～300MHz）和特高频（UHF，300～3000MHz）内。这个频段的特点是：传播距离在视距范围内，通常为几十千米；天线短，抗干扰能力强；且以地表面波、电离层反射波、直射波和散射波等方式传播，受地形地物影响很大，如移动通信系统多建于市区内，城市中的高楼林立、高低不平、疏密不同、形状各异，这些都使移动通信传播路径进一步复杂化，并导致其传输特性变化十分剧烈，如图1-1所示。由于以上原因，使移动台接收到的电波一般是直射波和随时变化的绕射波、反射波、散射波的叠加，这样就造成所接收信号的电场强度起伏不定，最大可相差20～30dB。这种现象称为衰落。在衰落现象中，既有长期（慢）衰落，也有十分严重和频繁的短期（快）衰落。1.1移动通信的定义慢衰落是由于电波传播路径上遇到建筑物、树林等障碍物阻挡，在阻挡物的后面形成的电波阴影区。阴影区的信号电场强度较弱，当移动台在穿过阴影区时，就会造成接收信号电场强度中值的缓慢变化，发生阴影效应。阴影效应引起的衰落一般服从正态分布，这种衰落有时又称为正态（高斯）衰落。陆地移动信道的主要特征是多径传播。传播过程中同样会遇到很多建筑物、树木以及起伏的地形，引起能量的吸收和穿透以及电波的反射、散射及绕射等，这样，使移动信道充满了反射波的传播环境。图1-1电波的多径传播1.1移动通信的定义在移动传播环境中，到达移动台天线的信号不是单一路径来的，而是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各个路径来的反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，有时同相叠加而加强；有时反相叠加而减弱。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由多径引起的，所以称为多径衰落。多径衰落信号的振幅服从瑞利分布，所以多径衰落又称为瑞利衰落。多径衰落使信号电平起伏不定，严重时将影响通话质量。1.1移动通信的定义衰落的现象很容易理解，但由于移动用户的移动具有随机性，所以要想解决这种现象却是非常复杂的，这就要求在设计移动通信系统时，必须具有抗衰落性能和一定的储备。1.1移动通信的定义2．多普勒频移产生调制噪声移动台经常处在运动之中，当达到一定速度时，如超音速飞机，固定点接收到的载波频率将随运动速度υ的不同，产生不同的频移，即产生多普勒效应，使接收点的信号场强振幅、相位随时间、地点而不断地变化，如图1-2所示。多普勒频移与移动物体的运动速度υ、接收信号载波的波长λ、电波到达的入射角θ有关，即fd=（υ/λ）cosθ1.1移动通信的定义运动方向面向地面接收站，fd为正值；反之，fd为负值。并且，工作频率越高，频移越大，对信号传输的影响越大。在高速移动电话系统中，多普勒频移可影响300Hz左右的语音，产生地面接收附加调频噪声，出现失真。为防止多普勒效应对通信系统的影响，通常在地面设备的接收机需要采用“锁相技术”，加入自动频率跟踪系统，即接收机在捕捉到高速移动物体发来的载频信号之后，当发来的载频信号随速度υ变化时，地面接收机本振信号频率跟着变，这样就可以不使信号丢失；另外，还可以利用其窄带性能，把淹没在噪声中的微弱信号提取出来，这也是一般接收机做不到的。所以移动通信设备都毫无例外地采用锁相技术。1.1移动通信的定义3．移动台工作时经常受到各种干扰移动台所受到的噪声影响主要来自于城市噪声、各种车辆发动机点火噪声、微波炉干扰噪声等；对于自然界中如风、雨、雪等自然噪声，由于频率较低，可忽略其影响。移动通信网是多频道、多电台同时工作的通信系统。当移动台工作时，往往受到来自其他电台的干扰，主要的干扰有互调干扰、邻道干扰及同频干扰等。因此，无论在系统设计中，还是在组网时，都必须对各种干扰问题予以充分的考虑。1.1移动通信的定义（1）互调干扰所谓互调干扰是指两个或多个信号作用在通信设备的“非线性器件”上，产生同有用信号频率相近的组合频率，从而对通信系统构成干扰的现象。产生互调干扰的原因是由于在接收机中使用“非线性器件”引起的。如接收机的混频，当输入回路的选择性不好时，就会使不少干扰信号随着有用信号一起进入混频级，最终形成对有用信号的干扰。1.1移动通信的定义（2）邻道干扰邻道干扰是指相邻或邻近的信道（或频道）之间的干扰，是由于一个强信号串扰弱信号而造成的干扰。如有两个用户距离基站位置差异较大，且这两个用户所占用的信道为相邻或邻近信道时，距离基站近的用户信号较强，而远的用户信号较弱，因此，距离基站近的用户有可能对距离远的用户造成干扰。为解决这个问题，在移动通信设备中，采用了自动功率控制电路，以调节发射功率。1.1移动通信的定义（3）同频干扰同频干扰是指相同载频电台之间的干扰。由于蜂窝式移动通信采用同频复用来规划小区，这就使系统中相同频率电台之间的同频干扰成为其特有的干扰。这种干扰主要与组网方式有关，在设计和规划移动通信网时必须予以充分的重视。1.1移动通信的定义4．对移动台的要求高移动台长期处于不固定位置状态，外界的影响很难预料，如尘土、振动、碰撞、日晒雨淋，这就要求移动台具有很强的适应能力；此外，还要求性能稳定可靠，携带方便，小型，低功耗及能耐高、低温等；同时，要尽量使用户操作方便，适应新业务、新技术的发展，以满足不同人群的使用，这就给移动台的设计和制造带来了很大困难。1.1移动通信的定义5．通道容量有限频率是一种有限的资源。由于适于移动通信的频段仅限于UHF和VHF，所以可用的通道容量也是极其有限的。为满足用户需求量的增加，只能在有限的已有频段中采取有效利用频率措施，如窄带化、缩小频带间隔、频道重复利用等方法来解决。目前常使用频道重复利用的方法来扩容，增加用户容量。但除此之外，每个城市在通信建设中要做出长期增容的规划，以利于今后发展需要。6．通信系统复杂由于移动台在通信区域内随时运动，需要随机选用无线信道进行频率和功率控制，以及选用地址登记、越区切换及漫游存取等跟踪技术，这就使其信令种类比固定网要复杂得多。此外，在入网和计费方式上也有特殊的要求，所以移动通信系统是比较复杂的。1.2移动通信的发展概况移动通信的历史较早，可以追溯到20世纪初，自1896年G．马可尼成功地发明了无线电报后，从此莫尔斯电报就用于船舶通信。随着电子管、晶体管的发明和应用，实现了把微弱的电信号进行放大，能把电报、电话传送到更为遥远的地方。1921年美国底特律和密执安警察厅开始使用工作在2MHz频段的采用调幅方式的车载无线电。在20世纪40年代中期到60年代中期，美国、加拿大、荷兰、原西德、法国等国家陆续开设了公用汽车电话业务。但是，此时的通话接续主要是通过话务员人工完成的，采用大区制，可用频道很少，设备使用电子管，较为笨重，使用不方便，不保密，发展缓慢，用户总数也只有几百个。1.2移动通信的发展概况现代移动通信技术始于20世纪20年代，发展到现在，大约经历了六个发展阶段。第一阶段的标志是早期专用移动通信系统的应用，从20世纪20～40年代，是移动通信的早期发展阶段。从20世纪40年代中期到60年代初期，早期的公用移动通信系统开始应用，这是现代移动通信技术的第二阶段。这个阶段移动通信技术逐渐应用到大众通信，系统采用人工接续方式，网络容量较小。1.2移动通信的发展概况第三阶段从20世纪60年代中期到70年代中期。在此期间，美国推出了改进型移动电话系统（IMTS），德国推出了B网。这个阶段的系统采用大区制，容量有较大的提高。由于出现了自动交换式的三级结构及频率合成技术，可用频道数目增加，又使用了大、中区制，使频谱利用率有较大的增加，用户使用方便多了，保密性也有所增强，因此，用户日益增多。但由于这种系统的频谱利用率仍不高，许多用户的装机申请难以得到满足。第四阶段从20世纪70年代中期到80年代中期，这个阶段小区制的蜂窝移动通信系统得到了大规模应用，采用的是模拟技术，其代表是美国的AMPS系统和欧洲的TACS系统。1.2移动通信的发展概况第五阶段从20世纪80年代中期到21世纪初，这个阶段的特点是数字移动通信系统得到了大规模应用，其代表技术是欧洲的GSM和美国的CDMA，也就是通常所说的第二代移动通信技术（2G）。数字蜂窝网络相对于模拟蜂窝网，其频谱利用率和系统容量得到了很大的提高。这个阶段的移动通信系统已经可以提供数据业务，业务类型大大丰富。1.2移动通信的发展概况第六个阶段从20世纪90年代末开始，其标志是第三代移动通信系统技术的发展和应用。1999年11月5日在芬兰赫尔辛基召开的ITUTG8/1第18次会议上，最终确定了3类（TDMA、CDMA-FDD、CDMA-TDD）共5种技术作为第三代移动通信的基础，其中WCDMA、cdma2000和TD-SCDMA是3G的3个主流标准。目前，WCDMA和cdma2000在部分地区已经正式商用。这个阶段的特征是系统容量和载频利用率得到了较大的提高。第三代移动通信系统可以提供高速数据业务，承载的业务类型得到了极大的丰富。1.2.1GSM发展历程自20世纪70年代中期开始到现在，人们主要是研究解决在频道有限的情况下，如何进一步提高频谱利用率以增大系统容量。由此而提出了小区制大容量系统，这种系统是美国贝尔实验室最早提出来的。它是一种蜂窝状移动通信系统，是一种全新的更有效的信道频率复用系统。其结构特点是：减少基站的覆盖区，同时用大量的无线基站小区来覆盖原来一个基站所覆盖的区域。在蜂窝移动电话系统中，每一个无线基站小区称为小区。不同的小区使用不同的信道组。例如，A、B、C、D、E、F、G7个小区为一簇的频率复用结构，每一个这样的7个小区使用全部可用信道。这样，频率的复用与单基站系统相比，容量可以大大增加。频率复用是指在不同的地理区域上用相同的载波频率进行覆盖，是蜂窝移动通信系统的核心概念，可以极大地提高频谱效率。1.2.1GSM发展历程从20世纪70年代后期第一代蜂窝网（1G）在美国、日本和欧洲国家为公众开放使用