第5章移动通信原理要点

第5章移动通信原理5.1移动通信概论5.2蜂窝网的基本概念5.3无线电波传播5.4抗衰落技术5.5多址技术5.6时分多址数字蜂窝网—GSM5.7码分多址蜂窝移动通信系统5.1移动通信概论5.1.1移动通信发展简述移动通信是指通信双方或一方处于运动中进行信息交换的通信方式。移动通信系统主要有无绳电话系统、无线寻呼系统、无线集群通信系统、地面蜂窝移动通信系统和卫星移动通信系统等。而地面蜂窝移动通信系统是当今移动通信的主流和热点。5.6蜂窝移动通信的发展与展望第一代蜂窝移动通信(1G)特点：制式：FDMA业务单一：模拟话音与传输频谱利用率低、保密性差、技术简单主要代表：美国AMPS(高级移动电话系统)系统英国TACS(全接入通信系统)系统我国已在2001年12月31日关闭模拟移动网5.6移动通信的发展与展望第二代蜂窝移动通信(2G)特点：主要业务：语音、低速率数据（＜9.6kb/s）短消息(SMS)、彩信（MMS）等频谱利用率较高、数字化制式：TDMA或CDMA代表系统：欧洲的GSM系统（大多数国家使用）：TDMA制式美国的D-AMPS系统（主要在美国使用）日本的JDC系统（仅在日本使用）：TDMA制式美国QUALCOMM公司开发的IS-95AN-CDMA系统（美、日、韩、中等国）：CDMA制式我国1992年开始使用GSM系统，2001年引进了IS-95ACDMA系统。2.5G移动通信技术与应用正在发展中,为2G向3G发展的过渡性产品。90年代中期，第三代移动通信系统进入到具体的设计、规划和实施阶段为保护2G的庞大投资，有必要发展2G向3G平稳过渡的所谓二代半（2.5G）技术数据速率最高可达171kbit/s主要产品有GPRS和CDMA20001X例：以TDMA和电路交换为基础的GSM网络不能直接与因特网互通，但可以通过一种通用分组无线业务（GPRS，GeneralPacketRadioServive）网的2.5G技术与因特网互连。第三代移动通信（3G)第三代移动通信称为：IMT-2000；简称3G它最早是国际电联（ITU－R）于1985年提出的，当时的命名为未来公众陆地移动通信系统（FPLMTS）。由于该系统预期在2000年使用，并工作在2000MHz频段，故于1996年正式改名为IMT--2000系统IMT-2000的名称为第三代移动通信系统制定了总目标：——工作在2000MHz频段——在2000年左右商用第三代移动通信的总目标3G设计目标是为了提供比第二代系统更大的系统容量、更好的通信质量，而且要能在全球范围内更好地实现无缝漫游及为用户提供包括话音、数据及多媒体等在内的多种业务，同时也要考虑与已有第二代系统的良好兼容性（即全球化、综合化、个人化）。3G传输速度2Mbps（静止）384kbps（步行、慢速）114kbps（高速移动环境）可提供丰富多彩的移动多媒体业务具有语音、文字、静态影像、动态影像等多媒体传输的特点与能力取实际资料传输量为收费标准于2003年至2005年间发展成熟3G的标准目前国际电联公开的3G标准有三个欧洲和日本共同提出的：WCDMA该标准提出了GSM(2G)-GPRS-EDGE-WCDMA(3G)的演进策略美国以高通公司为代表提出的：CDMA2000该标准提出了从CDMAIS95(2G)-CDMA20001x-CDMA20003x(3G)的演进策略中国以大唐集团为代表提出的：TD-SCDMA全称为TimeDivision——SynchronousCDMA(时分同步CDMA)，是由我国大唐电信公司提出的3G标准，该标准提出不经过2.5代的中间环节，直接向3G过渡，非常适用于GSM系统向3G升级3G标准在核心网中都采用分组交换方式，采用CDMA技术解决无线端口问题。因此，这三种标准无一例外的都采用了CDMA这一核心技术未来移动通信的发展趋向VoiceWidebandBroadbandAnalogDigitalIntegratedDataNarrowband4G3G2GMulti-function1GMultimediaSmartPointfrequency5.1.2移动通信的特点(识记）移动通信与其他通信方式相比具有如下特点1.移动通信利用无线电波进行信息传输（弥散损耗，阴影效应，多普勒频移）2.通信在复杂的电磁环境下工作（系统内部干扰更复杂：邻道干扰、互调干扰、多址干扰以及远近效应）3.移动通信业务量有限（1、开辟启用新频段；2、信道窄带化；3、对有限频谱合理分配和严格管理）4.移动通信系统建网技术复杂5.移动台必须适用于移动环境5.1.3移动通信的工作方式1、单工方式2、半双工方式3、全双工方式5.1.4移动通信的分类及常用系统1、移动通信的分类方法2、常用移动通信系统（领会）（1）无线寻呼系统（2）无绳电话系统（3）集群移动通信系统（4）蜂窝移动通信系统5.2蜂窝网的基本概念5.2.1概述蜂窝概念是解决频率不足和用户容量问题的一个重大突破。其基本思想是用许多小功率的发射机（小覆盖区）来代替单个的大功率发射机（大覆盖区）。每个基站（小覆盖区）分配整个系统可用信道的一部分，相邻基站则分配不同的信道。无线小区的模型（蜂窝的概念）：由许多正六边形小区作为基本几何图形覆盖整个服务区，从而构成形状类似蜂窝的移动通信网，称为小区制蜂窝移动通信网。如果给相邻的基站分配不同的信道组，那么基站之间（以及在它们控制下的移动用户之间）的干扰就可做到最少。相隔一定距离的基站可用相同的频率，只要基站间同频干扰低于可接收的电平即可。小覆盖区的范围减少，基站数目增加，容量增加，但不增加额外频率，这一基本原理是现代无线通信系统的基础。5.2.2频率再用（识记）蜂窝移动通信系统中每个蜂窝基站都分配一组无线信道，这组信道用于称为蜂窝小区的一个小地理范围内。该组无线信道所包含的信道不能在其相邻小区中适用。设计基站天线时要做到能覆盖某一特定小区，并将覆盖范围限制在小区边界以内，这样相同信道组就可用于覆盖不同的小区。要求使用相同信道组的小区两两之间的距离足够远，从而使其相互间的干扰在可接受的范围内。这种为蜂窝系统中的所有基站选择和分配信道组的设计过程称为频率再用。5.2.3信道分配策略（识记）信道分配策略是指一种能实现既增加用户容量又以减少干扰为目标的频率再用方案。信道分配策略可以分为两类：固定的和动态的。选择哪一种信道分配策略将会影响系统的性能，特别是在移动用户从一个小区切换到另一个小区时的呼叫处理方面。固定的信道分配策略是指给每一个小区分配一组事先确定好的语音信道。小区中的任何呼叫都只能使用该小区中的空闲信道。如果该小区中的所有信道都已被占用，则呼叫阻塞，用户得不到服务。固定分配策略也有许多变种。其中一种方案称为借用策略，如果它自己的所有信道都已被占用，那么允许该小区从相邻小区中借用信道。由移动交换中心（MSC)来管理这样的借用过程，并保证一个信道的借用不会中断或干扰被借用小区的任何一个正在进行的呼叫。动态的信道分配策略是指语音信道不是固定的分配给每个小区，而是在每次呼叫请求到来时，为它服务的基站就向MSC请求一个信道。交换机则根据一种算法分配给请求的小区一个信道。这种算法考虑了该小区以后呼叫阻塞的可能性、候选信道使用的频率、信道的再用距离以及其他的开销。因此，MSC分配某一频率时必须满足两个条件:一是这个小区没有使用该频率；二是任何为了避免同频干扰而限定的最小频率再用距离内的小区也都没有使用该频率。动态的信道分配策略要求MSC连续实时地收集关于信道占用情况、话务量分布情况、所有信道的无线信号强度指示等数据。这增加了系统的存储和计算量，但有利于提高信道的利用效率和减少呼叫阻塞的概率。5.2.4切换策略和位置管理（识记）当一个移动用户（MS)在通话过程中从一个小区移动到另一个小区时，MSC将该MS的连接控制也从一个小区转移到另一个小区。这种将正在通话状态的MS转移到新的业务信道上（新的小区）的过程称为“切换”。因此，切换的目的是实现蜂窝移动通信的“无缝隙”覆盖，即当MS从一个小区移动到另一个小区时，保证通信的连续性。在移动通信系统中，用户可以在系统覆盖范围内任意移动，为了能把一个呼叫传送到随机移动的用户，必须有一个高效的位置管理系统来跟踪用户位置变化。位置管理包括位置登记和位置传递。所谓位置登记，是通信网为了跟踪移动台的位置变化，而对其位置进行登记、删除和更新的过程。位置传递指在有呼叫给移动台时，根据原籍位置寄存器（HLR)和访问位置寄存器（VLR)中的位置信息来确定移动台。5.2.5干扰与系统容量（识记）干扰是影响蜂窝无线系统性能的主要因素。（干扰来源包括同小区中的另一个移动台、相邻小区中正在进行的通话、使用相同频率的其他基站或者无意中渗入蜂窝系统频带范围内的任何非蜂窝系统。）蜂窝系统的两种主要干扰是同频干扰和邻频干扰。1、同频干扰和系统容量频率再用意味着在一个给定的覆盖区域内，存在着许多使用同一组频率的小区。这些小区称为同频小区，这些小区之间的干扰称为同频干扰。不像热噪声那样可以通过增大信噪比来克服，同频干扰不能简单通过增大发射机的发射功率来克服。这是因为增大发射功率会增大对相邻同频小区的干扰。为了减少同频干扰，同频小区必须在物理上隔开一个最小的距离，为传播提供充分的空间。如果每个小区的大小相同，基站的发射功率相同，那么同频干扰与发射功率无关，而变为小区半径R与相距最近的同频小区的中心之间的距离D的函数。增加D/R值，同频小区间的空间距离和小区的覆盖距离之比就会增加，因此来自同频小区的射频能量就会减小而使干扰降低。参数Q（称为同频再用比例）与区群的大小有关。对于六边形系统来说：Q=D/R2.邻频干扰所谓邻频干扰是指来自使用信号频率的相邻频率的信号干扰。邻频干扰是由于接收滤波器不理想，使得相邻频率的信号泄露到传输带宽内而引起的。邻频干扰可以通过精确的滤波和信道分配而减到最小。因为每个小区只分配给可用信道中的一部分，给小区分配的信道就没有必要在频率上相邻。通过使小区中的信道间隔尽可能大，就可以大大减少邻频干扰。因此，不是给每个特定的小区分配在频谱上连续的信道，而是使在给定小区内分配的信道有最大的频率间隔。通过顺序的将连续的信道分配给不同小区，许多分配方案可以使一个小区内的邻频信道间隔为N个信道带宽，其中N是区群的大小。其中一些信道分配方案还通过避免在相邻小区中使用邻频信道来阻止一些次要的邻频干扰。5.2.6功率控制减小干扰保证每个用户所发射的动率都是所需的最小功率可以保持反向信道链路的良好质量，显著减少系统中反向信道的信干比。5.3无线电波传播移动通信信道：基站天线、移动用户天线和两幅天线之间的传播路径，具有极度随机性。5.3.1无线电波传播特性（领会）无线电波在空间中传播的方式也有多种：直射波、多径反射波、绕射波和散射波。它们分别具有如下特点：1)直射波：指在视距覆盖内无遮挡的传播，其信号最强。2）多径反射波：指从不同建筑物或其他物体反射后到达接收点的传播信号，其信号强度次之。3）绕射波：从较大的山区或建筑物绕射后到达接收点的传播信号，其强度与反射波相当。4）散射波：是空气中离子受激后电波产生二次发射，经过由二次发射所引起的慢反射后到达接收点的传播信号，其信号强度最弱。5.3.2自由空间传输特性自由空间是指在理想的、均匀的、各向同性介质中传播，电波传播不发生反射、折射、绕射、散射和吸收现象，仅存在电磁波能量扩散引起的传播损耗。5.3.33种基本的无线电波传播机制（领会）（1）反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射，反射发生在地球表面、建筑物和墙壁表面。当无线电波入射到两个具有不同介电常数介质的交界处时，一部分电波被反射，另一部分则通过。如果平面波入射到理想电介质的表面，则一部分能量进入第二个介质，一部分能量反射回第一个介质，没有能量损耗。如果第二个介质是理想