移动通信原理与应用

移动通信原理与应用主讲教师：莫秀玲学时：16参考书1、移动通信原理与应用，啜钢、王文博等编著，北京邮电大学出版社，2002。2、移动通信原理与系统，啜钢、王文博等编著，北京邮电大学出版社，2005。2、移动通信原理与应用技术，啜钢、李卫东编著，人民邮电大学出版社第一章移动通信概述移动通信的概念移动通信的基本特点移动通信的发展工作频段分类及应用系统发展趋势1.1移动通信的概念移动通信系指通信双方或至少一方是处于移动中进行信息交换的通信方式。包括固定点与移动体（车辆、船舶、飞机）之间、移动体之间、移动的人之间的通信，都属于移动通信的范畴。移动通信涵义的关键点就在于“动中通”，它的突出特点是移动性，主要表现在终端的移动性、业务的移动性以及个人身份（如SIM卡）的移动性上。移动通信是有线、无线相结合的通信方式无线接入有线或无线传输计算机控制1.1移动通信的基本概念移动通信的范畴1.1移动通信的概念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。现代通信技术的进步和发展基于微电子学的发展，特别是微处理器、大规模和超大规模集成电路、数字信号处理器和专用集芯片等，为通信设备的数字化和小型通信服务的综合化奠定了基础。移动通信和卫星通信、光纤通信一起被列为现代通信领域的三大新兴的通信技术手段。1.1.1移动通信的特点移动通信与其他通信方式相比，主要有以下特点：1.无线电波传播复杂2.多普勒频移产生调制噪声3.移动台受噪声的骚扰并在强干扰情况下工作4.对移动台的要求高5.通道容量有限6.通信系统复杂1.1.1移动通信的特点无线电波传播复杂移动通信的频率范围：高频（VHF，30~300MHz）；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；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.电波传播条件恶劣，存在严重的多径衰落多径传播条件：地形、地物（建筑物）……多径衰落传播的途径不同，到达接收点时的幅度和相位都不一样，移动台在行进途中接收信号的电平起伏不定可能严重地影响通话质量要求：在移动通信系统设计时，必须具有一定的抗衰落能力和储备1.1.1移动通信的特点1.1.1移动通信的特点阴影效应类似于阳光受到建筑物的阻挡产生阴影一样，电磁波在传输过程中，受到建筑物的阻挡，信号只有少部分传送到接收地点，使接收信号的电平起伏变化，即产生阴影效应。1.1.1移动通信的特点具有多普勒效应由于移动台的不断运动，当达到一定速度时，如超音速飞机，固定点接收v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式中v移动速度λ波长α入射波与移动台移动方向之间的夹角MS运动方向面向地面站，fd为正值，反之为负。信号经过不同方向传播，其多径分量造成接收机信号的多普勒扩散，因而增加了信号带宽。工作频率越高，频移越大对信号传输的影响也越大。要求：为防止多普勒效应对通信系统的影响，对地面设备的接收机采用锁相技术（VCO）cosdvf1.1.1移动通信的特点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，从而构成干扰;要求：移动通信设备必须具有良好的选择性相邻或邻近的信道（或频道）之间，由于一个强信号串扰弱信号而造成的干扰;要求：移动设备中使用自动功率控制电路（APC）相同载频电台之间的干扰;要求：在组网时予以充分重视频率配置互调干扰邻道干扰同频干扰（蜂窝系统特有）1.1.1移动通信的特点通信系统复杂用户经常移动，与BS无固定联系要求：采用跟踪交换技术位置登记、越区切换、漫游…1.1.2移动通信的组网理论1.无线蜂窝式小区覆盖和小功率发射蜂窝式组网放弃了点对点传输和广播覆盖模式，将一个移动通信服务区划分成许多以正六边形为基本几何图形的覆盖区域，称为蜂窝小区。基本的小区类型有：超小区：小区半径r20km宏小区：小区半径r＝1～20km，适于高速公路和人口稠密的地区。微小区：小区半径r＝0.1～1km微微小区：小区半径r0.1km，适于办公室、家庭等移动应用环境。1.1.2移动通信的组网理论2.频率覆盖蜂窝系统的基站工作频率，由于传播损耗提供足够的隔离度，在相隔一定距离的另一个基站可以重复使用同一组工作频率，称为频率复用。3.多信道共用和越区切换多信道共用技术利用信道占用的间断性，使许多用户能够任意地、合理地选择信道，以提高信道的使用效率，这与市话用户共同享有中继线相类似。4.无线通信优势与有线网络优势的理想互联移动信息通过基站和移动业务交换中心进入公众电信网或其他移动网，实现移动用户与市话用户、移动用户与移动用户，以及移动用户与长途用户之间的通信。1.1.3移动通信系统的组成移动通信系统是移动体之间、移动体和固定用户之间，以及固定用户与移动体之间，能够建立许多信息传输通道的通信系统。基站基站SS7MSC2（访问MSC）用户变成漫游者BSSBSSSSOMSPSTNMSC1（归属移动交换中心）SS图1-4典型的蜂窝移动通信系统1.1.3移动通信系统的组成图1-4示出了典型的蜂窝移动通信系统。移动通信无线服务区由许多正六边形小区覆盖而成，呈蜂窝状，通过接口与公众通信网（PSTN、PSDN）互联。移动通信系统包括移动交换子系统（SS）、操作维护管理子系（OMS）和基站子系统BSS(通常包括移动台(MS))，是一个完整的信息传输实体。移动通信中建立一个呼叫是由BSS和SS共同完成的；BSS提供并管理MS和SS之间的无线传输通道，SS负责呼叫控制功能，所有的呼叫都是经由SS建立连接的；OMS负责管理控制整个移动网。MS也是一个子系统。它实际上是由移动终端设备和用户数据两部分组成的，移动终端设备称为移动设备；用户数据存放在一个与移动设备可分离的数据模块中，此数据模块称为用户识别卡（SIM）。1.2移动通信的发展和比较1.2.1移动通信的发展历程先驱者：1946年第一个推出移动电话AT&TA/D接入方式典型代表第一代（1G）模拟蜂窝系统FDMA美国AMPS系统，欧洲TACS系统第二代（2G）数字蜂窝系统TDMAGSM系统CDMAN-CDMA系统目标典型代表过渡代（2.5G）高速传输GPRS,CDMA20001X系统第三代（3G）全球漫游，高质量多媒体业务，系统容量、管理能力、保密性和服务质量均有很大改善欧洲WCDMA系统，北美CDMA2000系统，中国TD-SCDMA系统第四代（4G）高速率，各种数据话音业务，全IP，多协议，新技术目前还没有一个4G网络的标准结构技术驱动AMPSTACSNMT其它第一代80年代模拟模拟调频频分多址业务驱动GSMCDMAIS95TDMAIS-136PDC第二代90年代数字数字调制时分/码分多址第三代IMT-2000UMTSWCDMAcdma2000TD-SCDMA宽带数字码分/时分多址1.2.1移动通信发展历程第四代2015LTEOFDM/MIMO第一代——模拟蜂窝通信系统123121312313213123232频分复用1.2.1移动通信发展历程1.2.1移动通信发展历程1G代表系统：北美的AMPS（高级移动电话业务）英国TACS(全接入通信系统)北欧NMT（北欧移动电话）缺点：各系统间没有公共接口。数字承载业务难于开展。频率利用率低，无法适应大容量的要求。安全利用率低，易于被窃听。优点：采用蜂窝技术，同频复用提高系统容量，组网方便。1G第二代－－数字系统2G90年代登上舞台GSMCDMAIS-95TDMAIS-136PDC2G1.2.1移动通信发展历程1.2.1移动通信发展历程2G代表系统：TDMA泛欧GSM（GroupSpecialMobile/GlobalSystemforMobileCommunications）美国D-AMPS日本PDCCDMA高通公司为首的基于IS-95的N-CDMA1.2.1移动通信发展历程优点：频谱利用率高,话音质量高容量大:比TACS高3~5倍提供窄带ISDN业务标准化程度高,开放接口:安全性高:TMSI,鉴权,加密可以与ISDN,PSTN互联可以在SIM卡基础上实现漫游缺点：数据功能差，不能支持多媒体业务。如使用GSM手机上网，理论上只能达到9.6k的上网速度。全球不同的第二代移动通信系统彼此间不能兼容，使用的频率也不一样，全球漫游比较困难。引入GPRS后,全面提升分组数据通信的速率,达到115Kbit/s,最高可达171Kbit/sPSTNISDN9.6Kbit/s2G2G115Kbit/s2.5GInternet1.2.1移动通信发展历程用户密度急剧增长数据业务需求不断提高2G系统受空中接口及网络能力的限制，难以满足市场的需求。UMTS1.2.1移动通信发展历程1.2.1移动通信发展历程IMT-2000的主要目标和要求IMT-2000–意指工作在2000MHz频段并在2000年左右投入商用的国际移动通信系统（InternationalMobileTelecomSystem），它既包括地面通信系统也包括卫星通信系统。基于IMT-2000的宽带移动通信系统称为第三代移动通信系统，简称为3G，它将支持速率高达2Mbps的业务，而且业务种类将涉及话音、数据、图像以及多媒体等业务。1.2.1移动通信发展历程第三代IMT-2000的三大特点：无缝的全球漫游。高速传输。无缝业务传递，即在固定网、移动网和卫星网上均能互通。IMT-2000地面无线接口标准(5种)多址方式标准名称对应提案CDMAIMT-2000CDMADS欧洲的WCDMAIMT-2000CDMAMC美国的cdma2000IMT-2000CDMATDD中国的TD-SCDMA和欧洲的UTRA-TDDTDMAIMT-2000TDMASC美国的UWC-136IMT-2000TDMAMC欧洲的DECTIMT-2000的发展2000年5月，国际电信联盟-无线标准部（ITU-R）最终通过IMT-2000无线接口规范（M.1457），包括：美国电信工业协会（TIA）提交的cdma2000；欧洲电信标准化协会（ETSI）提交的WCDMA；中国电信科学技术研究院（CATT）提交的TD-SCDMA•最终形成最具代表性的IMT-2000的三种主流标准：•WCDMA，cdma2000和TD-SCDMA。••这三种标准均采用CDMA技术。IMT-2000的三种主流标准1.2.1移动通信发展历程2000年3月2001年3月2002年6月2005年3月标准化进行中标准化进行中R99•WCDMAR4•TD-SCDMA•软交换R5•HSDPA•IMS•端到端的IP多媒体业务R6•HSUPA•IMS性能增强•MBMS•MIMOR7•技术进一步改进•业务能力进一步增强,类型进一步丰富LTE•未来10年或更长时间内网络演进•标准化中冻结时间CDMA2000-1XCDMA2000EV-DOCDMA2000EV-DORev-ACDMA2000EV-DORev-BCDMA2000EV-DORev-CUMB1.2.1移动通信发展历程虽然3G移动通信系统能基本满足人们对快速传输数据业务的需求，但许多专家学者已把目光投入到了4G移动通信系统的研究。严格地说，目前对4G还没有一个权威的定义，它还处于研发阶段。然而通过近些年来的不断研究，人们已对4G的基本需求、技术支撑、网络体系等有了一些明确的概念。1.2.1移动通信发展历程4G是一个可称为宽带接入和分布式网络，在车速环境下，提供大于2M的比特传输速率，在室内或静止状况下提供20Mbps的比特速率，甚至可以提供100-15OMbps的下载速率。在这样的传输速率下，4G所能提供的业务包括了高质量的影像多媒体业务在内的各种数据业务话音业务。4G的网络结构将是一个采用全IP的网络结构。也就是说，它不仅核心网采用IP网结构