移动通信原理 第1章 移动通信概论

清华大学出版社第1章移动通信概论清华大学出版社第1章移动通信概论1.1移动通信的历史、现状与发展趋势1.1.1移动通信的历史、现状现在，人们普遍认为1897年是人类移动通信的元年。这一年，意大利人M.G.马可尼在一个固定站和一艘拖船之间完成了一项无线电通信实验，也就是说，移动通信几乎伴随着无线通信的出现而诞生了，也由此揭开了移动通信辉煌发展的序幕。现代意义上的移动通信系统起源于上个世纪20年代，距今已有80余年的历史。大致算来，现代移动通信系统经历了如下4个发展阶段。清华大学出版社第1章移动通信概论第一阶段从20世纪20年代至40年代，为早期发展阶段。特点是专用系统开发，工作频率较低，工作方式为单工或半双工方式。第二阶段从20世纪40年代中期至60年代初期。这一阶段的特点是从专用移动网向公用移动网过渡，接续方式为人工，网络的容量较小。第三阶段从20世纪60年代中期至70年代中期。其特点是采用大区制、中小容量，使用450MHz频段，实现了自动选频与自动接续。第四阶段从20世纪70年代中后期至今。其特点是通信容量迅速增加，新业务不断出现，系统性能不断完善，技术的发展呈加快趋势。清华大学出版社第1章移动通信概论第四阶段的蜂窝移动通信系统又可以划分为几个发展阶段。如按多址方式来分，则模拟频分多址（FDMA）系统是第一代移动通信系统（1G）；使用电路交换的数字时分多址（TDMA）或码分多址（CDMA）系统是第二代移动通信系统（2G）；使用分组/电路交换的CDMA系统是第三代移动通信系统（3G）；将使用了不同的高级接入技术并采用全IP（互联网协议）网络结构的系统称为第四代移动通信系统（4G）。如按系统的典型技术来划分，则模拟系统是1G；数字话音系统是2G；数字话音/数据系统是超二代移动通信系统（B2G）；宽带数字系统是3G；而极高速数据速率系统是4G。清华大学出版社第1章移动通信概论现阶段，移动通信已在全球迅猛发展。国际电信联盟2013年度报告显示世界71亿人口中有68亿手机用户；据联合国有关调查机构预测至2014年底，世界上移动通信设备用户总数将会超过世界总人口数。目前，2G、3G和4G商用移动通信网络处于共存阶段，并将在相当一段时间内共存下去，为各类用户服务，以满足不同业务需求。与此同时，第五代移动通信系统（5G）作为面向2020年以后移动通信需求而发展的新一代移动通信系统，ITU将其晢命名为IMT-2020，其研发工作已在全球范围内展开。清华大学出版社第1章移动通信概论1.1.2移动通信在中国的发展概况回顾我国移动通信近30年的发展历程，我国移动通信市场的发展速度和规模令世人瞩目，可以说，中国的移动通信发展史是超常规、成倍数、跳跃式的发展史。早在2001年8月，中国的移动通信用户数达到1.2亿，超过美国跃居为世界第一位。截至2014年1月，中国移动通信用户总数已达到12.35亿，其中3G用户数超过4亿，4G用户数超过1400万。总体来说，我国移动通信发展经历了引进、吸收、改造、创新4个阶段。现阶段，我国的移动通信技术水平已同步于世界先进水平，并有望在下一阶段占领移动通信技术制高点，引领移动通信的发展方向。清华大学出版社第1章移动通信概论1.1.3移动通信的发展趋势通常，每10年将发展并更新一代移动通信系统。从市场需求来看，移动互联网和物联网是下一代移动通信系统发展的两大主要驱动力，其中移动互联网颠覆了传统移动通信业务模式，而物联网则扩展了移动通信的服务范围。和现有的4G系统相比，5G系统的性能将在3个方面提高1000倍：一是传输速度提高1000倍，平均传输速率将达到100Mbps~1Gbps；其次是总的数据流量提高1000倍；再就是频谱效率和能耗效率提高1000倍。清华大学出版社第1章移动通信概论下一代移动通信技术新特点：(1)5G研究在推进技术变革的同时将更加注重用户体验，网络平均吞吐速率、传输时延以及对虚拟现实、3D（3维）体验、交互式游戏等新兴移动业务的支撑能力等将成为衡量5G系统性能的关键指标；(2)与传统的移动通信系统理念不同，5G系统研究将不仅仅把点到点的物理层传输与信道编译码等经典技术作为核心目标，而是从更为广泛的多点、多用户、多天线、多小区协作组网作为突破的重点，力求在体系构架上寻求系统性能的大幅度提高；(3)室内移动通信业务已占据应用的主导地位，5G室内无线覆盖性能及业务支撑能力将作为系统优先设计目标，从而改变传统移动通信系统“以大范围覆盖为主、兼顾室内”的设计理念；(4)高频段频谱资源将更多地应用于5G移动通信系统，但由于受到高频段无线电波穿透能力的限制，无线与有线的融合、光载无线组网等技术将被更为普遍地应用；(5)可“软”配置的5G无线网络将成为未来的重要研究方向，运营商可根据业务流量的动态变化实时调整网络资源,有效地降低网络运营的成本和能源的消耗。。清华大学出版社第1章移动通信概论1.2蜂窝移动通信系统而作为移动通信的应用系统，虽然全球范围内标准很多，但典型的系统可分为以下几类：蜂窝移动通信系统、无线寻呼系统、无绳电话系统、集群移动通信系统、移动卫星通信系统以及分组无线网。清华大学出版社第1章移动通信概论1.2.1蜂窝小区的概念将整个大的地理覆盖区域划分成许多连续的小区域，并在各个小区域内采用低天线低功率发射机的方案称为蜂窝通信。在这里，小区连接的几何形状象蜂窝，所以叫蜂窝通信。清华大学出版社第1章移动通信概论1.2.2频率复用的几何模型ABCDGEFABCDGEFABCDGEFABCDGEFABCDGEFABCDGEFABCDGEF图1-1频率复用的几何模型，N=7清华大学出版社第1章移动通信概论小区几何形状必须符合的两个条件①能在整个覆盖区域内完成无缝连接而没有重叠。②每一个小区能进行分裂，以扩展系统容量，也就是能用更小的相同几何形状的小区完成区域覆盖，而不影响系统的结构。清华大学出版社第1章移动通信概论为什么选用六边形作为小区的几何形状？符合条件的小区几何形状有几种可能：正方形、等边三角形和六边形，而六边形最接近小区基站通常的辐射模式——圆形，并且其小区覆盖面积最大。当然，这只是理论分析，实际的小区形状要根据地理情况和电波传播情况来定，最终的小区形状可能是不规则的。清华大学出版社第1章移动通信概论区群的概念图1-1的几何模型表示的是一个区群大小N为7的系统，A、B、C、D、E、F以及G表示一个区群中7个小区使用的7个频率组。通常将使用了系统全部可用频率数S的N个小区称为区群，或者叫一簇，而将N称为区群的大小。观察一下系统几何模型，可以看到，区群在复制了M次后，完成了对整个区域的覆盖，这样，整个系统的容量C=MS。直观地理解，N的值越小，区群复制的次数越多，同频复用的能力越强，系统的容量则越大。当然，N的取值大小取决于系统承受同频干扰的能力。清华大学出版社第1章移动通信概论定位同频小区方法AAAAAAAij60°方法：①沿着任意一条六边形链移动i个小区；②逆时针旋转60度再移动j个小区。图1-2在蜂窝小区中定位同频小区的方法清华大学出版社第1章移动通信概论1723456123456712345671123456711345623452347ij族的大小——N，是一些特定的值，必须符合以下条件：N=i2+ij+j2清华大学出版社第1章移动通信概论证明：设相邻同频小区间的距离为D，小区半径为R，则由上图示绿色三角形，根据余弦定理有：120cos)3)(3(2)3()3(222jRiRjRiRD)(32222ijjiRD则大六边形包含的小区数为：)1.....().........(32222argijjiRDAAsmallel另一方面从几何图中可以看出，一般大六边形通常包围由N个小区组成的中心簇及周围其他六边形小区数目的1/3，因此大六边形所包围的小区总数为N+6(N/3)=3N⑵,比较⑴⑵两式有N=i2+ij+j2，证毕。清华大学出版社第1章移动通信概论从公式1-1来看，N可能的值为1、3、4、7、9、12……。再结合不同系统承受同频干扰的能力，模拟系统的N典型值为7、12；数字系统的N典型值为3、4。清华大学出版社第1章移动通信概论问题：那么N值与S/I具体关系是什么呢？nrddpp)/(0001iiiISIS01)(iininDRIS..)3()/(00iNiRDISnn清华大学出版社第1章移动通信概论提高容量方法在进行了频率规划的蜂窝系统中，随着无线服务需求的提高，要求给单位覆盖区域提供更多的信道，此时，通常采用①小区分裂、②裂向（扇区化）和③覆盖区分区域（分区微小区化）的方法来增大蜂窝系统的容量。清华大学出版社第1章移动通信概论1.2.3蜂窝系统的组成MSCPSTNMSBS图1-3基本蜂窝系统的组成一个基本的或者说最简单的蜂窝系统由移动台（MS）、基站（BS）和移动交换中心（MSC）3部分组成。清华大学出版社第1章移动通信概论蜂窝网络结构演化随着移动技术的进步和系统功能的增强，蜂窝系统的组网技术也越来越复杂，系统中的功能实体也越来越多。在2G系统中，MSC的功能发生了分离，增加了新的功能实体和智能节点，并逐步构建移动智能网；从2.5G系统起，除原有的电路域组件外，还增加了分组域组件；自3G系统的高级阶段起，要求最终实现全IP化网络。。清华大学出版社第1章移动通信概论1.2.4蜂窝系统中的信道在蜂窝系统中，由系统采用的多址技术所获得的无线信道称为物理信道（PCH），通常，在具体的物理信道上安排相应的逻辑信道。逻辑信道按其逻辑功能可分为业务信道（TCH）和控制信道（CCH）。业务信道可分为话音业务信道和数据业务信道；控制信道的种类很多，而且不同体制的蜂窝系统设置的控制信道不同，它们分配完成信令等各种控制信息的传送。蜂窝系统的信道还可以按信息的传送方向来分类，用于从基站向移动台传送信息的信道称为前向信道（FCH），或者叫下行信道、正向信道；用于从移动台向基站传送信息的信道称为反向信道（RCH），或者叫上行信道。清华大学出版社第1章移动通信概论1.2.5信道分配策略1．固定信道分配策略（FCA）在FCA方案中，为各小区分配一组预先确定的话音信道，小区中的任何呼叫请求只能被该特定小区中的未占用信道提供服务。为了提高信道利用率，可以考虑选择信道借用，选择借用时，如果小区内的所有信道均已被占用，并且相邻小区存在空闲信道，那么，就允许该小区从相邻小区借用信道。信道借用通常由MSC负责监管。清华大学出版社第1章移动通信概论2．动态信道分配策略（DCA）在DCA方案中，话音信道并不是永久分配给不同的小区，每当有呼叫请求时，提供服务的基站就会向MSC请求信道，MSC动态地确定可用信道并相应地执行分配过程，为了避免同信道干扰，如果一个频率在当前小区或任何落入频率复用最小限制距离内的小区没有被使用，MSC则将该频率分配给呼叫请求。动态信道分配降低了呼叫阻塞的可能性，提高了系统的中继容量，但要求MSC连续地收集所有信道占用、话务量分布以及无线信号强度指示（RSSI）等数据。清华大学出版社第1章移动通信概论1.2.6越区切换与位置管理当处在通话过程中的移动台从一个小区进入另一个相邻小区时，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”。越区分为两大类：一类是硬切换，另一类是软切换。硬切换是指在新的连接建立以前，先中断旧的连接。而软切换是指既维持旧的连接，又同时建立新的连接，并利用新旧链路的分集合并来改善通信质量，与新基站建立可靠连接之后再中断旧链路。软切换和硬切换相比，可以大大减少掉话的可能性，是一种无缝切换。清华大学出版社第1章移动通信概论位置管理包括位置登记和呼叫传递两个主要任务。在2G中，位置管理采用两层数据库，即归属位置寄存器（HLR）和访问位置寄存器（VLR），分别记录移动台注册位置信息和实时位置信息。正是有了这些位置信息，才能实现对移动台的快速有效的寻呼，并实现正确的计费。清华大学出版社第1