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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。

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  1. 移动通信原理与应用 主讲教师：莫秀玲　　　　　　　　　　　　　　　　学时：16

  2. 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

  3. 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

  4. 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

  5. 1.1移动通信的基本概念 移动通信的范畴

  6. 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。

  7. 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

  8. 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.

  9. 1.1.1移动通信的特点 • 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

  10. 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。

  11. 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，固定点接收到的载波频率将随运动速度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）

  12. 1.1.1 移动通信的特点 • 互调干扰 • 邻道干扰 • 同频干扰（蜂窝系统特有）

  13. 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…

  14. 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r>20km，适于人口稀少的农村地区。 • 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，适于城市繁华区段。 • 微微小区：小区半径r<0.1km，适于办公室、家庭等移动应用环境。

  15. 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。

  16. BSS BSS 基站 基站 用户变成 漫游者 MSC2 SS7 SS （访问MSC） MSC1 PSTN （归属移动交换中心） SS OMS 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 • 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。

  17. 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）。

  18. 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&T

  19. 第二代 90年代 数字 GSM CDMA IS95 业务驱动 TDMA IS-136 PDC 数字调制 时分/码分多址 1.2.1移动通信发展历程 第三代 第一代 80年代 第四代2015 模拟 IMT-2000 UMTS AMPS WCDMA TACS 技术驱动 cdma LTE 2000 NMT TD- SCDMA 其它 OFDM/MIMO 模拟调频 频分多址 宽带数字 码分 / 时分多址

  20. 频分复用 2 2 Pre-cellular 3 3 1 1 2 2 2 3 3 3 1 1 1 2 2 3 3 1 1 1.2.1移动通信发展历程 • 第一代——模拟蜂窝通信系统

  21. 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。

  22. CDMA TDMA PDC IS-136 IS-95 GSM Pre-cellular 1G 2G 1.2.1移动通信发展历程 第二代－－数字系统2G90年代登上舞台 01110001010001100111100000001011 011100010100011001 011100010100011001 011100010100011001 011100010100011001

  23. 1.2.1移动通信发展历程 2G代表系统： • TDMA • 泛欧GSM（Group Special Mobile/Global System for Mobile Communications ） • 美国D-AMPS • 日本PDC • CDMA • 高通公司为首的基于IS-95的N-CDMA

  24. 1.2.1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。

  25. 9.6Kbit/s 115Kbit/s Internet PSTN ISDN 2G 2G 2.5G 1.2.1移动通信发展历程 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/s

  26. UMTS 1.2.1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。

  27. 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（International Mobile Telecom System），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。

  28. 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。

  29. 多址方式 标准名称 对应提案 CDMA IMT-2000 CDMA DS 欧洲的 WCDMA IMT-2000 CDMA MC 美国的cdma2000 IMT-2000 CDMA TDD 中国的TD-SCDMA和欧洲的UTRA-TDD TDMA IMT-2000 TDMA SC 美国的UWC-136 IMT-2000 TDMA MC 欧洲的DECT IMT-2000地面无线接口标准(5种)

  30. IMT-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

  31. IMT-2000的三种主流标准 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。

  32. 1.2.1移动通信发展历程

  33. 1.2.1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。

  34. 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，整个的无线接口也要采用IP技术。 • 4G网络要采用许多新的技术和新的方法来支撑，包括: AMC (Adaptive Mdulationand Coding，自适应调制和编码)技术、自适应混合重传技术、MIMO(多输入多输出)和OFDM(正交频分复用)技术、智能天线技术、软件无线电技术以及网络优化和安全性等。另外，为了使4G与各种通信网融合，4G网络必须支持多种协议。 • 目前还没有一个4G网络的标准结构，不过根据人们的不懈研究已经对4G网络有了一个初步的勾画。

  35. 1.2.1移动通信发展历程 图1-6 4G网络结构

  36. 1.2.1移动通信发展历程 • IP核心网，通常称为CN（Core Network）:它不是专门用作移动通信，而是作为一种统一的网络，支持有线和无线接入。其主要功能是完成位置管理和控制、呼叫控制和业务控制。 • 4G RAN(无线接入网):主要完成无线传输、无线资源控制和移动性管理，它们是通过RAN和 CN共同完成的。 • MN(MovableNetwork，移动的网络):当一个处于移动的LAN需要接入4G网络时，就需要通过MN进行接入，因此MN就像一个网关，为小型的网络提供接入。 • 在4G系统中，网元间的协议是基于IP的，每一个MT (移动终端)都有各自的IP地址。当4G网与其他网(如PSTN/ISDN)连接时，则需要网关进行连接。另外，与传统的2G、3G接入网连接时也需要相应的网关。

  37. 1.2.1移动通信发展历程 • 由上述结构可以看出，4G的网络应该是一个无缝连接的网络，也就是说各种无线和有线网都能以IP协议为基础连接到IP核心网。 • 当然，为了与传统的网络互联则需要用网关建立网络的互联，所以将来的4G网络将是一个复杂的多协议的网络。

  38. 1.2.1移动通信发展历程 • 军用→ 民用；低频→ 高频；窄带→宽带；单一业务→多业务 • 1G→ 2G→(2.5G)→3G→ 4G

  39. 1.3 .1 我国移动通信工作频段 • 原邮电部规定 • IS-95CDMA

  40. 1.3.2第三代移动通信工作频段 第三代移动通信系统主要工作在2000 MHz频段上，世界各国和地区频率分配的方式各不相同。

  41. 1.3.2第三代移动通信的工作频段 1.国际电联的频率规划 • 1992年，世界行政无线电大会（WARC）划分给未来公共陆地移动通信系统（FPLMTS）的频率范围是1885～2025MHz和2110～2200MHz，共230MHz。其中，1980～2010MHz（地对空）和2170～2200MHz（空对地），共60MHz频率用于卫星移动业务（MSS）。 • 在世界无线电会议（WRC95）上，又确定了2005年以后的MSS划分范围是1980～2025MHz和2160～2200MHz。 • 2000年国际电联代表在土耳其的伊斯坦布尔召开的世界无线电会议（WRC）上，规定了3个新的全球频段，标志着建立全球无线系统新时代的到来。这些频段是805～960MHz，1710～1885MHz和2500～2690MHz。

  42. 1880～1920 , 2010～2025 频率范围（MHz） 工作模式 TDD （时分双工） 业务类型 陆地移动业务 备注 主要工作频段 上行1920～1980 下行 2110～2170 FDD （频分双工） 陆地移动业务 主要工作频段 2300～2400 TDD 陆地移动业务 补充工作频段，无线电定位业务共用 上行 1755～1785 下行 1850～1880 FDD 陆地移动业务 补充工作频段 上行 825～845,下行870～890 上行885～915,下行930～960 上行1710～1755,下行1805～1850 FDD 陆地移动业务 之前规划给中国移动和中国联通的频段，上下行频率不变 1980～2010／2170～2200 卫星移动业务 1.3.2第三代移动通信的工作频段 2.我国第三代移动通信系统的频率规划

  43. 1.3.2第三代移动通信的工作频段 2.我国第三代移动通信系统的频率规划 • 1700～2300MHz用于移动业务、固定业务和空间业务。1990～2010MHz用于航空无线电导航业务；2090～2120MHz用于空间科学业务（气象辅助和地球探测业务，地对空方向）。在不干扰固定业务的情况下，2085～2120MHz可用于无线电定位业务。 • 1996年12月，国家无线电委员会为了满足发展蜂窝移动通信和无线接入的需要，对2000MHz的部分地面无线电业务频率进行了重新规划，其分配方案如下：分配给无线用户环路（WLL）（FDD）的频率为1800～1900MHz和1960～1980MHz，该频率只用于公众通信网。 • 分配给WLL（TDD）的频率为1900～1920MHz。 • 分配给公众蜂窝移动通信1（1800MHz频段）的频率为1710～1755MHz和1805～1850MHz.分配给公众蜂窝移动通信2（1900MHz 频段）的频率为1865～1880MHz和1945～1960MHz。

  44. 1.4 移动通信的分类

  45. 1.4.1 移动通信的工作方式 • 按照通话的状态和频率的使用方法，可将移动通信的工作方式分成单向通信方式和双向通信方式两大类别。 • 双向通信方式分为：单工通信方式、双工通信方式和半双工通信方式三种。

  46. 1.4.1移动通信的工作方式 单工通信 双工通信 半双工 通信 移动中继方式

  47. 单 工 通 信 • 单工通信 通信双方电台交替地进行收信和发信。常用的对讲机就采用这种通信方式 • 方式 • 同频单工 • 双频单工 Play

  48. 双 工 通 信 • 双工通信 通信双方均同时进行收发工作。 即任一方讲话时，可以听到对方的话音 。 play

  49. 半 双 工 通 信 • 半双工通信 通信双方中，一方使用双频双工方式，即收发信机同时 工作；另一方使用双频单工方式，即收发信机交替工作。 Play

  50. 移动中继方式 • 目的 加设中继站,增加通信距离。 两个移动台之间直接通信距 离只有几千米，经中继站转 接后通信距离可加大到几十 千米。 • 基本方式 • 单工中继 • 双工中继

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