移动通信-李建东-第四版

移动通信课程性质：本课程是电子科学与技术(本科)专业的专业选修课。课程目的：其目的是使学生通过本课程的学习，掌握蜂窝移动通信系统的基本工作原理；熟悉现有的GSM系统和CDMA系统，及2.5代的GPRS系统和CDMA1X系统；了解3G、4G和未来移动通信系统的技术发展趋势。通过本课程的学习，使学生具有一定的蜂窝移动通信系统的场强计算、系统设计和网络规划能力。课程任务：本课程任务是讲授现代移动通信系统的基本概念、基本技术和基本原理。教学重点是现代移动通信的基本概念（蜂窝小区与频率复用）、移动信道的电波传播、抗衰落技术、现代移动通信系统的多址技术和组网、GSM系统、窄带CDMA移动通信系统。教学目标：以现代移动通信系统为背景，主要讲述蜂窝移动通信的基本概念和典型移动通信系统的基本原理。教学重点：移动通信中的基本概念，蜂窝移动通信的组网原理，移动通信中的关键技术和移动通信系统结构。2、学时分配本课程学分为2学分，计划总课时36课时。3.参考书目教材：李建东等，移动通信（第四版），西安电子科技大学出版社。其他参考书目：祁玉生，《现代移动通信系统》，通信工程丛书，人民邮电出版社；赵荣黎，《数字蜂窝移动通信系统》，电子工业出版社；蔡涛等译，《无线通信原理与应用》，电子工业出版社；骆健霞等译，《CDMA系统工程手册》，人民邮电出版社；等第1章概论1.11.2移动通信系统的分类1.3常用移动通信系统1.4移动通信的基本技术1.51.6移动通信的标准化本章要求：掌握移动通信的主要特点了解移动通信的分类掌握移动通信的工作方式理解集群通信的原理理解数字通信的优点了解移动通信的发展了解常用的移动通信系统了解移动通信的相关基本技术及发展趋势移动通信的基本概念—“动中通”通信双方至少有一方在移动中进行信息传输和交换。终端的移动（手机，车载台）个人的移动性（ISM卡方式支持的业务）业务的移动性（200业务等）1.1.1移动通信的发展史简介1987年，马可尼在陆地和一只拖船上完成无线通信实验，标志无线通信的开始1928年，美国警用车辆的车载无线电系统，标志移动通信开始进入实用1946年，BELL实验室在圣路易斯建立第一个公用汽车电话网，标志着专用的移动通信系统应用到了公用系统上；1974年，BELL实验室提出蜂窝移动通信的概念1980s，第一代蜂窝移动通信系统，1983年美国的AMPS，1980年北欧的NMT，1979年日本的NAMTS，1985年英国的TACS。代表“大哥大”1990s，第二代移动通信GSM，（GlobalSystemforMobileCommunication的缩写。意思是全球移动通信系统）IS-95（是由高通公司(Qualcomm)发起的第一个基于CDMA的数字蜂窝标准。基于IS-95的第一个品牌是cdmaOne。）2000s，第三代移动通信，（TheThirdGeneration）第三代移动通信技术，相对第一代模拟制式手机（1G）和第二代GSM、TDMA等数字手机（2G），第三代手机一般是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。第三代手机能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说，在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2兆字节／每秒、384千字节／每秒以及144千字节／每秒的传输速度。2000s，第三代移动通信目前，3G发展最快的国家是日韩。国际上3G手机有3种制式标准：欧洲的WCDMA标准、美国的CDMA2000标准和由我国科学家提出的TD－SCDMA标准。无线移动通信与IP技术（因特网）是当今信息领域的两大支柱和热点无线IP接入技术是接入网的一种新的形式，处在用户终端和骨干网之间，基于TCP/IP协议，将Internet上的各种业务以无线通信的方式延伸到用户终端，无线IP接入系统一般采用点对多点的星形组网方式。例如移动QQ，飞信无线即时通讯(WirelessInstantMessaging,IM)国内主要无线IM产品包括中国移动的飞信、中国联通的超信、中国网通的灵信、腾讯的手机QQ、移动MSN和掌中无限公司的PICA。它们分属于两大阵营：互联网公司和中国电信天翼套餐运营商。前者依靠在互联网即时通信市场的先发优势，已经在无线IM市场占据了庞大的用户数量;而后者尽管进入市场较晚，但在无线产业链上具有相对的优势地位。第4代移动通信研究4G通信的最初目的就是提高蜂窝电话和其他移动装置无线访问Internet的速率，因此4G通信给人印象最深刻的特征莫过于它具有更快的无线通信速度。从移动通信系统数据传输速率作比较第一代模拟式仅提供语音服务；第二代数位式移动通信系统传输速率也只有9.6Kbps，最高可达32Kbps，如PHS；而第三代移动通信系统数据传输速率可达到2Mbps；专家则预估，第四代移动通信系统可以达到10Mbps至20Mbps，甚至最高可以达到每秒高达100Mbps速度传输无线信息，这种速度将相当于目前手机的传输速度的1万倍左右。4G是集3G与WLAN于一体，并能够传输高质量视频图像，它的图像传输质量与高清晰度电视不相上下。4G系统能够以100Mbps的速度下载，比目前的拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到20Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。而在用户最为关注的价格方面，4G与固定宽带网络在价格方面不相上下，而且计费方式更加灵活机动，用户完全可以根据自身的需求确定所需的服务。此外，4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。很明显，4G有着不可比拟的优越性。4G只是人们提出的一个构想，功能上要比3G更先进，频带利用率更高，速度更快。今年8月google收购摩托罗拉微软将收购诺基亚手机部2010年中国手机用户破8亿，手机上网用户数近3亿3G用户突破3000万1.1.1移动通信的发展史简介1.移动通信必须利用无线电波进行信息传输2.移动通信是在复杂的干扰环境中运行的3.移动通信可以利用的频谱资源非常有限，而移动通信业务量的需求却与日俱增4.移动通信系统的网络结构多种多样，网络管理和控制必须有效5.移动通信设备(主要是移动台)必须适于在移动环境中使用1.2移动通信系统的分类①按使用对象可分为民用设备和军用设备；②按使用环境可分为陆地通信、海上通信和空中通信；③按多址方式可分为频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)④按覆盖范围可分为宽域网和局域网；⑤按业务类型可分为电话网、数据网和综⑥按工作方式可分为同频单工、异频单工、异频双工和半双工；⑦⑧按信号形式可分为模拟网和数字网。1.2.1工作方式单向通信：无线寻呼机1.2.1工作方式1.单工通信所谓单工通信是指通信双方电台交替地进行收信和发信。根据收、发频率的异同，又可分为同频单工和异频单工。单工通信常用于点到点通信，参见图1-1。发射机接收机f1(f2)送受话器电台（甲）发射机接收机送受话器f1(f1)f1(f2)f1(f1)PTT电台（乙）PTT图1-1单工通信2.所谓双工通信，是指通信双方可同时进行传输消息的工作方式，有时亦称全双工通信，如图1-2所示。发射机接收机f1f2送话器受话器基站双工器发射机接收机f2f1f1送话器受话器移动台图1-2双工通信3.半双工通信的组成与图1-2相似，移动台采用单工的“按讲”方式，即按下按讲开关，发射机才工作，而接收机总是工作的。基站工作情况与双工方式完全相同。1.2.2模拟网和数字网人们把模拟通信系统(包括模拟蜂窝网、模拟无绳电话与模拟集群调度系统等)称作第一代通信产品，而把数字通信系统(包括数字蜂窝网、数字无绳电话、移动数据系统以及移动卫星通信系统等)称作第二代通信产品。(1)频谱利用率高，有利于提高系统容量。(2)能提供多种业务服务，提高通信系统的通用性。(3)抗噪声、抗干扰和抗多径衰落的能力强。(4)能实现更有效、灵活的网络管理和控制。(5)便于实现通信的安全保密。(6)可降低设备成本和减小用户手机的体积和重量。1.2.3话音通信和数据通信图1-3移动通信网络的分类移动通信系统基于话音的网络基于数据的网络无绳(低功率局域网)蜂窝(高功率宽域网)宽带LAN(高速局域网)移动数据(低速宽域网)1.3常用移动通信系统1.3.1无线电寻呼系统图1-4无线电寻呼系统示意图发射台无线电寻呼控制中心及主发射台发射台公用电话网用户回路1.3.2蜂窝移动通信系统本节要掌握的知识点：什么是蜂窝小区？什么是同道干扰？什么是频率再用？什么是小区分裂？小区分裂的原理是怎样的？移动通信系统由哪些部分组成？什么是越区交换？越区交换的控制原理是怎样的？图1-5(a)大区覆盖；(b)小区覆盖什么是蜂窝小区？蜂窝移动电话将移动电话服务区划分为若干个彼此相邻的小区，每个小区设立一个基站的网络结构。由于每个小区呈正六边形，又彼此邻接，从整体上看，形状酷似蜂窝，所以人们称它为“蜂窝”网，这种小区称为“蜂窝”小区。用若干蜂窝状小区覆盖整个服务区的大、中容量移动电话系统就叫做蜂窝移动电话系统，简称蜂窝移动电话。图1-6蜂窝系统的频率再用FE小区1DGBDECAGBFAGB小区8七小区群再用距离相同字母小区使用相同频率组什么是同道干扰？所谓同道干扰即同频干扰，即指无用信号的载频与有用信号的载频相同，并对接收同频有用信号的接收机造成的干扰。现在一般采用频率复用的技术以提高频谱效率。当小区不断分裂使基站服务区不断缩小，同频复用系数增加时，大量的同频干扰将取代人为噪声和其它干扰，成为对小区制的主要约束。这时移动无线电环境将由噪声受限环境变为干扰受限环境。当同频干扰的载波干扰比C／I小于某个特定值时，就会直接影响到手机的通话质量，严重的就会产生掉话或使手机用户无法建立正常的呼叫。什么是频率再用？频率再用是指在不同的地理区域上用相同的载波频率进行覆盖。这些区域必须隔开足够的距离，以致所产生的同频率及邻频率干扰的影响可忽略不计。频率再用是蜂窝移动无线电系统的核心概念，频率再用系统可以极大地提高频谱效率。但是，如果系统设计得不好，将产生严重的同频和邻频干扰。这种干扰是由于相同和相邻信道公共使用造成的，是在频率规划中必须考虑的重要问题。小区分裂小区分裂是，当业务量密度开始增加时，每个小区Ci内的信道Fi已不能提供足够的移动台呼叫时，便可将最初的小区分裂成更小的小区。通常，分裂出的新小区半径只有原小区的一半。小区分裂的原理小区分裂是将小区划分成更小小区的方法。每个小区都拥有自己的基站，并相应的降低天线高度和减小发射功率。GSM建网初期，主要是解决覆盖问题。在频谱资源宽裕的地区／时期，随着用户的增加，可将原来的小区分裂成更多的覆盖面积较小的小区或者增加原有小区的载频数，从而达到扩容的目的。通过小区分裂或新增载频，全网基站数增加，全网载频数、信道数、话务量、用户数等均大幅度增加。小区分裂提高频谱利用率的关键在于减小了单位小区的面积。全向天线定向天线中心激励定点激励1:4分裂法：在原定点激励的基础之上展开，在两个原基站连线的中心点上加设新的基站。六角形中心分裂法划分扇区越区交换图1-7蜂窝移动通信系统的示意图MTSO1243567基站至公用电话网图1-8越区切换示意图移动交换中心蜂窝A时间3时间2时间1蜂窝B当移动单元从蜂窝B越区到蜂窝A时，切换在移动交换中心的控制下进行表1-1几种模拟蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统宏蜂窝：小区覆盖半径一般500m；天线高度30m以上。微蜂窝：小区覆盖半径一般100～200m；天线高度15m左右；无线电波在街区范围内，可采用高频率复用模式。微微蜂窝：小区覆盖半径一般100m；天线安装在建筑物内部，主要解决重点场所室内覆盖；无线电波仅在建筑物内部，可采用高频率复用模式。1.3