无线通信原理与应用-第一章 概述

1.5本书内容安排1.4移动通信基本技术1.3常见的移动通信系统1.2移动通信系统的分类1.1移动通信的主要特点第一章概述第一章概述§1.0概述1.通信：信源和信宿间信息的传输和交换构成了通信2.分类固定通信通信移动通信3.移动通信通信双方至少有一方在移动中（或者临时停留在某一非预定的位置上）进行信息传输和交换2020/2/15这包括移动体（车辆、船舶、飞机和行人）和移动体之间的通信，移动体和固定点（固定无线电台或有线用户）之间的通信，如图1-1所示。图1-1移动通信的范畴移动通信属于无线通信的范畴第一章概述2020/2/15无线通信与移动通信相同之处：都是依靠无线电波进行通信的不同之处：（概念不同）无线通信包含移动通信，但侧重于无线，而移动通信更注重于移动性。第一章概述第一章概述§1.1移动通信的主要特点1.移动通信与固定通信固定通信（有线通信）:其终端位置固定，传输通过中继线路（包括光纤、铜缆、微波及卫星）进行。如目前广泛应用的公用交换电话网（PSTN）特点：其网络配置是静态的，信道是封闭的，从而传输特性是恒定、优质的。除非终端用户位置改变（如搬迁）或业务变更，网络需重新配置，否则网络无需改变配置。2020/2/15移动通信：移动通信的终端是移动的，网络配置是动态的，无线网络必须每隔很短的时间就为用户重新配置一次，保证用户在移动时能实现漫游和无缝切换。无线网络提供给用户的带宽会受到射频带宽的限制。无线通信是开放的，固有的多径传播和/或终端移动会导致信号衰落现象，同时存在各种干扰和噪声，所有的移动通信技术都是为了克服和消除这些影响，用以解决移动通信中信息传输的有效性、可靠性和安全性问题。第一章概述第一章概述2.移动通信的主要特点（1）必须使用无线电波进行信息传播无线电波允许通信中的用户在一定范围内自由活动不受位置束缚但无线电波的传播特性一般很差。原因：1.由于地形复杂，电波会产生弥散损耗，发生“阴影效应”，产生多径效应2.在快速移动中引起多普勒（Dopple）频移，产生随机调频，电波传播特性发生快速的随机起伏，严重影响通信质量。2020/2/15（2）在复杂的干扰环境中运行邻道干扰，互调干扰，共道干扰，多址干扰远近效应（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,如何提高通信系统的通信容量：开辟和启用新的频段压缩信号所占的频带宽度和提高频谱利用率有限频谱的合理分配和有效管理第一章概述2020/2/15（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高效根据通信地区的不同需要，移动通信网络可以组成带状（如铁路公路沿线）、面状（如覆盖一城市或地区）或立体状（如地面通信设施与中、低轨道卫星通信网络的综合系统）等，可以单网运行，也可以多网并行并实现互连互通。为此，移动通信网络必须具备很强的管理和控制功能，诸如用户的登记和定位，通信第一章概述2020/2/15（呼叫）链路的建立和拆除，信道的分配和管理，通信的计费、鉴权、安全和保密管理以及用户过境切换和漫游的控制等。第一章概述（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。手机：体积小、重量轻、省电、操作简单和携带方便。车载台和机载台：操作简单，维修方便，保证在震动、冲击、高低温变化等恶劣环境中正常工作。第一章概述§1.2移动通信系统的分类1.移动通信不同的划分标准（1）按使用对象：民用系统和军用系统民用系统：注重高的通信质量、高频谱效率、低价格等军用系统：更强调高抗毁性和连通度（2）按使用环境：陆地系统，海上通信和空中通信（3）按多址方式：频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）,不同的多址方式会影响到系统容量2020/2/15（4）按覆盖范围：广域网和局域网（5）按业务类型:电话网，数据网和多媒体网1G主要提供模拟语音业务，为电话网；2G提供数字语音及电路型低速数据业务，仍为电话网;2.5G开始提供分组数据业务;3G为多媒体网;（6）按工作方式;同频单工、异频单工、异频双工和半双工（7）按服务范围:专用网和公用网第一章概述2020/2/15专用网是根据某个部门或行业的特殊需求而建设的网络，供内部用户进行业务通信。公用通信网是为满足一般公众通信需求而建设的网络，由各运营商经营，公众只要付费就可接入使用。（8）按信号形式:模拟网和数字网模拟网传输处理的是模拟信号数字网传输处理的为数字信号第一章概述第一章概述2.通信工作方式类别（1）单工通信:是指通信双方电台仅能交替地进行收信和发信同频单工异频单工单工通信（点到点通信）2020/2/15同频单工:是指通信双方（见图1-2中的电台甲和电台乙）使用相同的频率（f1）工作，发送时不接收，接收时不发送。优点:电台设备简单、省电，只占用一个频道就可实现双向语音传输。缺点:是一方发送时另一方只能进行接收，图1-2单工通信第一章概述2020/2/15异频单工:收发信机使用两个不同的频率分别进行发送和接收。例如，电台甲的发射频率及电台乙的接收频率为f1，电台乙的发射频率及电台甲的接收频率为f2。与同频单工相比：相同点：同一部电台的发射机与接收机依然是轮换进行工作的，这一点是与同频单工相同的。不同点：收发频率的异同。第一章概述2020/2/15（2）双工通信（全双工通信）：是指通信双方可同时进行消息传输的工作方式①频分双工（FrequencyDivisionDuplex，FDD）FDD中，电台甲到电台乙和电台乙到电台甲的传输分别发生在由双工频率分离的不同频段上，图1-3所示为基于FDD的移动通信系统，图中，基站的发射机和接收机分别使用一副天线，而移动台通过双工器共用一副天线。这种工作方式使用方便，同普通有线电话相似，接收和发射可同时进行。但是，在电台的运行过程中，不管是否发送，发射机总是工作的，故电源消耗较大，这一点对用电池作电源第一章概述2020/2/15的移动台而言是不利的。为缓解这个问题，在一些简易通信设备中可以采用半双工通信方式。图1-3双工通（FDD）②时分双工（TimeDivisionDuplex，TDD）TDD中，电台甲到电台乙和电台乙到电台甲的传输时分复用在同一载波上，轮流发送。此时，时间轴被分割为首尾相连的连续帧，而每一帧分为两部分，前一部分用于电台甲（或移动台）发送，后一部分第一章概述2020/2/15用于电台乙（或基站）发送，进而实现电台甲和乙（移动台和基站）的双向通信。FDD和TDD的比较：如图1-4所示，其中，基站向移动台传输的方向称为下行（Downlink），而移动台到基站的传输方向为上行（Uplink）。图1-4FDD和TDD的比较第一章概述2020/2/15（3）半双工通信半双工通信的组成与图1-3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。基站的工作情况与双工方式完全相同。第一章概述2020/2/153.数字通信系统的主要优点（1）频谱利用率高，有利于提高系统容量采用高效的信源编码技术、高频谱效率的数字调制解调技术、先进的信号处理技术和多址方式以及高效动态资源分配技术等，可以在不增加系统带宽的条件下增加系统同时通信的用户数。（2）能提供多种业务服务，提高通信系统的通用性数字系统传输的是“1”、“0”形式的数字信号。语音、图像、音乐或数据等数字信息在传输和交换设备中的表现形式都是相同的，信号的处理和控制第一章概述2020/2/15方法也是相似的，因而用同一设备来传送任何类型的数字信息都是可能的。利用单一通信网络来提供综合业务服务正是未来通信系统的发展方向。（3）抗噪声、抗干扰和抗多径衰落的能力强这些优点有利于提高信息传输的可靠性，或者说保证通信质量。采用纠错编码、交织编码、自适应均衡、分集接收以及扩频技术等，可以控制由任何干扰和不良环境产生的损害，使传输差错率低于规定的阈值。第一章概述2020/2/15（4）能实现更有效、灵活的网络管理和控制数字系统可以设置专门的控制信道来传输信令信息，也可以把控制指令插入到业务信道的比特流中，进行控制信息的传输，因而便于实现多种可靠的控制功能。（5）便于实现通信的安全保密。（6）可降低设备成本以及减小用户手机的体积和重量。第一章概述第一章概述4.传输承载业务类别语音通信：对传输时延比较敏感,但对分组丢失率具有宽松的容忍度,通话前需要花时间建立连接数据通信：与语音通信要求相反移动通信网络分类的示意图第一章概述§1.3常见移动通信系统1.无线电寻呼系统：是一种单向通信系统。无线电寻呼系统的用户设备是袖珍式接收机，俗称“BB机”。图l-6所示为无线电寻呼系统的组成。其中，寻呼控制中心与市话网相连，市话用户要呼叫某一寻呼用户时，可拨寻呼中心的专用号码，寻呼中心的话务员记录所要寻找的用户号码及要代传的消息，并自动地在无线信道上发出呼叫。这时，被呼用户的袖珍接收机会发出呼叫声，井能在液晶屏上显示主呼用户的电话号码及简要消息。如有必要，被呼用户利用邻近市话电话机与主呼用户通话。第一章概述无线电寻呼系统虽然是单向传输系统，通话双方不能直接利用它对话，但由于袖珍接收机小巧玲珑、价格低廉、携带方便，倍受用户欢迎，开创了基于终端个人通信的基础。目前，无线寻呼业务已被蜂窝短信业务所取代。2020/2/15图1-6无线电寻呼系统示意图第一章概述2020/2/152.蜂窝移动通信系统早期-大区制：在其覆盖区域中心设置大功率的发射机，采用高架天线把信号发送到整个覆盖地区（半径可达几十千米）。这种系统的主要矛盾是它同时能提供给用户使用的信道数极为有限，远远满足不了移动通信业务迅速增长的需要。现代-小区制：把整个服务区域划分成若干个较小的区域，各小区均用小功率的发射机（即基站发射机）进行覆盖，许多小区像蜂窝一样布满任意形状的服务地区，如图1-7（b）所示。像纽约这样大的第一章概述2020/2/15城市不再只用一个发射机，而是将城市划分为许多小的覆盖区域—蜂窝。第一章概述图1-7大区制覆盖与小区制覆盖2020/2/15同道干扰：当相邻小区使用相同的频道时，会发生相互干扰。频率空间再用：把若干相邻的小区按一定的数目划分成区群（Cluster），并把可供使用的无线频道分成若干个（等于区群中的小区数）频率组，区群内各小区均使用不同的频率组，而任一小区所使用的频率组，在其他区群相应的小区中还可以再用。如图l-8所示。频率空间再用是蜂窝通信网络解决用户增多而被有限频谱制约的重大突破。第一章概述2020/2/15图l-8蜂窝系统的频率空间再用第一章概述2020/2/15干扰的强弱与蜂窝间的距离与蜂窝半径的比值有关,蜂窝的半径决定于发射机的功率，它是由系统工程师控制的。一般来说，小区越小（频率组不变），单位面积可容纳的用户数越多，即系统的频率利用率越高，但相邻区群中使用相同频率的小区之间的同道干扰越强。小区分裂：当小区所支持的用户数达到饱和时，可以将这些小区进一步分裂，以适应持续增长的业务需求2020/2/15蜂窝结构是为解决所有未来的频谱分配的匮乏而提出的一种强有力的系统概念。其核心思想是:通过频率空间再用来突破频率限制，借助复用和小区分裂，制造无线频谱的一种“反应堆”，允许通过适当的频谱分配产生真正无限的容量。图l-9所示为蜂窝移动通信系统的示意图。图中7个小区构成一个区群，小区编号代表不同的频率组。小区与移动交换中心（MSC）相连。MSC在网中起控制和管理作用，对所在地区已注册登记的用户实施频道分配、建立呼叫、频道切换、提供系统维护和性能测试，并存储计费信息等。2020/2/15MSC是移动通信网和公共电话交换网的接口单元，既保证网中移动用户之间的通信，又保证移动用户和有线用户之间的通信。图1-9蜂窝移动通信系统的示意图2020/2/15越区切换:当移动台从一个小区进入另一相邻的小区时，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。控制机理如下：当通信中的移动台到达小区边界时，该小区的基站能检测出此移动台的信号正在逐渐变弱，而邻近