1、移动通信概论

1、武汉工程大学邮电与信息工程学院武汉工程大学邮电与信息工程学院2课程总体情况 课程性质：专业主干课 学时数：54 前导课程：通信原理、通信网概论 考核方式：闭卷3教材及参考书 教材：啜钢, 王文博, 常永宇. 移动通信原理与应用. 北京：北京邮电大学出版社 参考书：李建东、郭梯云等. 移动通信（第四版）. 西安：西安电子科技大学出版社 另：移动通信工程类参考书46 掌握移动通信的概念、特点掌握移动通信的概念、特点 掌握移动通信组网理论的基本内容掌握移动通信组网理论的基本内容 了解移动通信的发展历程及发展趋势了解移动通信的发展历程及发展趋势学习完本课程，您需要：学习完本课程，您需要：71.1 1.

2、1 移动通信概述移动通信概述1.2 1.2 常用移动通信系统常用移动通信系统1.3 1.3 移动通信发展概述及发展方向移动通信发展概述及发展方向8 1.1.1 基本概念 1.1.2 移动通信系统的组成 1.1.3 移动通信的特点 1.1.4 移动通信的分类 1.1.5 移动通信的工作频段 1.1.6 移动通信的工作方式 1.1.7 移动通信的组网9 移动通信，是指通信双方或至少有一方处于运动中进行信息传输和交换的通信方式。 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。 移动体之间通信联系的传输手段只能依靠无线电通信，因此，无线通信是移动通信的基础，而无线通信技术的发展

3、将推动移动通信的发展。10 移动通信既有海上移动通信、空中移动通信，也有陆上移动通信；本课程主要研究公用陆地移动通信系统（PLMTS: Public Land Mobile Telecommunications System ）。 移动通信是无线电通信，但不完全是研究点对点无线电通信，而是着重研究多用户多信道共用无线电通信。 移动通信系统有多种，本课程主要研究蜂窝移动通信系统。11 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。 移动通信包括无线传输、有线传输，信息的收集、处理和存储等，使用的主要设备有无线收发信机、移动交换设备和移

4、动终端设备。12图图1-1 1-1 移动通信系统的组成移动通信系统的组成13 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、ISDN、公众数据网PDN ）互联。 移动通信系统包括移动交换子系统（SS）(MSC)、操作维护管理子系统（OMS）、基站子系统（BSS） 和移动台（MS），是一个完整的信息传输实体。14 移动通信中建立一个呼叫是由BSS和SS(MSC)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。15 移动通信必须利用无线电波进行信息传输 移动通信

5、是在复杂的干扰环境中运行 随着移动通信业务量的需求与日俱增，移动通信可以利用的频谱资源非常有限 对移动台的要求高 通道容量有限 通信系统复杂16 按使用对象使用对象可分为民用设备和军用设备； 按使用环境使用环境可分为陆地通信、海上通信和空中通信； 按多址接入方式多址接入方式可分为频分多址接入接入（FDMA）、时分多址接入接入（TDMA）和码分多址接入接入（CDMA）等； 按覆盖范围覆盖范围可分为广域网和局域网； 按业务类型业务类型可分为电话网、数据网和综合业务网； 按工作方式工作方式可分为同频单工、异频单工、异频双工和半双工； 按服务范围服务范围可分为专用网和公用网 按信号形式信号形式可分为模

6、拟网和数字网。 17 移动通信主要使用VHF(甚高频)和UHF (特高频)频段。 目前，大容量移动通信系统均使用800MHz频段（CDMA），900MHz频段（AMPS、TACS、GSM），并开始使用1 800MHz频段（GSM1800/DCS1800），该频段用于微蜂窝（Microcell）系统。第三代移动通信使用2GHz左右的频段。18频段名称频率范围波段名称波长范围极低频（ELF）330Hz极长波10010Mm（108107m）超低频（SLF）30300Hz超长波101Mm（107106m）特低频（ULF）3003000Hz特长波1000100km（106105m）甚低频（VLF）330

7、kHz甚长波10010km（105104m）低频（LF）30300kHz长波101km（104103m）中频（MF）3003000kHz中波1000100m（103102m）高频（HF）330MHz短波10010m（10210m）甚高频（甚高频（VHF）30300MHz超短波（米波）超短波（米波）101m特高频（特高频（UHF）3003000MHz微波微波分米波分米波10.1m（110-1m）超高频（SHF）330GHz厘米波101cm（10-110-2m）极高频（EHF）30300GHz毫米波101mm（10-210-3m）至高频（THF）3003000GHz亚毫米波10.1mm（10-31

8、0-4m）光波310-3310-5mm（310-6310-8m）19 从传输方式的角度来看，无线通信分为单向传输（广播式）和双向传输（应答式）。 单向传输只用于无线电寻呼系统。双向传输有单工、双工和半双工三种工作方式。 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。20图图1-2 1-2 单工通信单工通信21图图1-3 1-3 双工通信双工通信22 半双工通信的组成与图1-3相似，移动台采用类似单工的“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。 一方使用双工方式，而另一方则采用双频单工方式，收

9、发信机交替工作。23重点介绍：蜂窝式组网方式 蜂窝式组网的目的是解决常规移动通信系统的频谱匮乏，容量小，服务质量差，频谱利用率低等问题。 蜂窝式组网理论为移动通信技术的发展和新一代多功能设备的产生奠定了基础 24 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。 一个较低功率的发射机服务一个蜂窝小区，在较小的区域内设置相当数量的用户。 根据不同制式系统和不同用户密度挑选不同类型的小区。25 基本的小区类型如下： 超小区：超小区：小区半径r 20km，适于人口稀少的农村地区。 宏小区：宏小区：小区半径r = 1km20km

10、，适于高速公路和人口稠密的地区。 微小区：微小区：小区半径r = 0.1km1km，适于城市繁华区段。 微微小区：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。 当蜂窝小区用户数增大到一定程度而使准用频道数不够用时，采用小区分裂将原蜂窝小区分裂为更小的蜂窝小区，低功率发射和大容量覆盖的优势十分明显。26 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，称为频率复用频率复用。 采用频率复用大大地缓解了频率资源紧缺的矛盾，增加了用户数目或系统容量。 频率复用所带来的问题是同频干扰。 同频干扰的影响并不与蜂窝之间的绝对距

11、离有关，而是和蜂窝间距离与小区半径比值有关。27 由若干无线信道组成的移动通信系统，为大量的用户共同使用仍能满足服务质量的信道利用技术，称为多信道共用技术。 为了保证通话的连续性，当正在通话的移动台进入相邻无线小区时，移动通信系统必须具备业务信道自动切换到相邻小区基站的越区切换功能，即切换到新的信道上，从而不中断通信过程。28 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。 互联使移动无线网适应公众网的质量标准，突破业务区域限制，也使公众网的服务范围得到扩大和延伸。291.2.1 蜂窝移动通信系统1.

12、2.2 无绳电话系统1.2.3 集群移动通信系统1.2.4 移动卫星通信系统1.2.5 分组无线网PRN30 早期的移动通信系统是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（半径可达几十公里）。 这种系统的主要矛盾是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。31图图1-4 1-4 大区覆盖与小区覆盖大区覆盖与小区覆盖32 蜂窝通信网络把整个服务区域划分成若干个较小的区域（cell，在蜂窝系统中称为小区），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能布满 （即覆盖）任意形状的服务地区，如图1-4（b）所示

13、。33 相邻小区不允许使用相同的频道，否则会发生相互干扰，称同道（频）干扰。 蜂窝通信既能满足大的无线覆盖区和高速移动用户的要求，又能满足高密度、低速移动用户的要求，同时还可满足室内用户的要求，从而使蜂窝通信向个人通信发展。3435 无绳电话是一种以有线电话网为依托的通信方式，是有线电话网的无线延伸。 无绳电话具有发射功率小、省电、设备简单、价格低廉、使用方便等优点，因而发展十分迅速，目前已经形成了多种数字式无绳电话系统。 36图图l-5 l-5 无绳电话系统示意图无绳电话系统示意图37 欧洲数字无绳电话系统（DECT） 个人手持电话系统（PHS） 个人接入通信系统（PACS） 在我国应用比较

14、广泛的“小灵通”采用了PHS协议，是属于无绳电话衍生的通信手段。38 集群移动通信系统属于调度系统的专用通信网。 它是传统的专用无线电调度网的高级发展阶段 集群移动通信系统采用的基本技术是频率公用技术。 集群移动通信系统采用半双工工作方式。 集群移动通信系统主要以无线用户为主，即以调度台与移动台之间的通话为主。 集群移动通信系统属于专用移动通信网，适用于在各个行业（或几个行业合用）中间进行调度和指挥，对网中的不同用户常常赋予不同的优先等级。39 卫星通信具有全球范围的覆盖区，信道稳定、可靠及系统容量大等优点，从诞生至今，得到了迅猛发展。 通过卫星为移动台及手机提供移动通信服务而构成移动卫星通信

15、系统 （MSS）。 MSS是以甚小口径卫星通信终端 VAST（Very Small Aperture Terminal ）和地面蜂窝移动通信为基础，结合空间卫星多波束技术及星上处理、计算机等高新技术而构成的超越时空的全球个人通信网。40 分组无线网是一种利用无线信道进行分组交换的通信网络，即网络中传送的信息要以“分组”或称“信包”（有时简称“包”）为基本单元。 分组是由若干比特组成的信息段，通常包含“包头”和“正文”两部分。 包头中含有该分组的源地址（起始地址）、宿地址（目的地址）和有关的路由信息，正文是真正需要传送的信息。41 分组传输方式是存储转发方式的种，用户终端必须先把要传送的信息存储

16、、分段、加上包头以构成分组，才能送上无线信道进行传输。 这一过程必然要产生额外的时间延迟，因此，分组无线网特别适用于实时性要求不严和短消息比较多的数据通信。 分组传输能适应不同网络结构的应用。常见的网络结构有星状结构和分布式结构。42（1）ARDIS系统（先进的无线电数据信息设备）。（2）Mobitex系统（全国性互联的集群无线电网络）。（3）CDPD系统（蜂窝数字分组数据）。（4）TETRA系统（全欧集群无线电）。（5）第二代北美数字蜂窝IS-54和IS-95系统 43441.3.1 移动通信发展概况1.3.2 第三代移动通信1.3.3 移动通信的发展方向1.3.4 移动通信最终发展趋势45

17、 移动通信，确切地说蜂窝式移动通信，就正式商业运营而言，至今也不过只有20多年的历史，就其发展历程看，大约每十年更新一代。目前正处于第二代(2G)与第三代(3G)交接期。 自上世纪八十年代我国引入模拟式(TACS)移动通信网以来，经过短短二十多年的发展，截止2002年底，我国已拥有2亿以上的移动通信用户，成为全球头号移动用户大国。我国的第一代移动通信TACS系统目前已完成其历史任务而被淘汰；第二代移动通信GSM系统是全球第一，规模最大、用户最多，CDMA系统目前也是数一数二，并即将成为全球第一；第三代移动通信，我国目前还处于即将投入运营的阶段。46 第一代以模拟式蜂窝网为主要特征，是上世纪七十

18、年代末八十年代初开始商用化的。其中最具代表性的是北美的AMPS(Advanced Mobile Phone System)、欧洲的TACS(Total Access Communication System)两大系统，另外还有北欧NMT以及日本的HCMTS等。 第二代(2G)以数字化为主要特征，构成数字式蜂窝移动通信系统，它是上世纪九十年代初正式走向商用。其中最具代表性的有欧洲的时分多址(TDMA)GSM(GSM原意为Group Special Mobile，89年以后改为Global System for Mobile Communications)、北美的码分多址(CDMA)的IS-95两

19、大系统，另外还有日本的PDC系统等。47相比第一代移动通信系统，第二代移动通信系统相比第一代移动通信系统，第二代移动通信系统 (1)采用抗干扰性能优良的数字式调制：GMSK(GSM)、QPSK(IS-95)，性能优良的抗干扰纠错编码：卷积码(GSM、IS-95)、级联码(GSM)； (2)采用功率控制技术抵抗慢衰落与远近效应，它对CDMA方式的IS-95尤为重要； (3)采用自适应均衡(GSM)和Rake接收(IS-95)抗频率选择性衰落与多径干扰； (4)采用信道交织编码，如采用帧间交织方式(GSM)和块交织方式(IS-95)抗时间选择性衰落。 (5)基站采用空间或极化分集方式抗空间选择性衰

20、落。48 第三代(3G)以多媒体业务为主要特征，它是本世纪初刚刚投入商业化运营。其中最具有代表性的有北美的CDMA2000、欧洲与日本的WCDMA、以及我国提出的TD-SCDMA三大系统，另外还有2007年ITU会议通过的WiMAX 16e标准。49 IMT-2000 CDMA-DS，即WCDMA。 IMT-2000 CDMA-MC，即CDMA2000。 IMT-2000 CDMA TDD，目前包括中国提出的TD-SCDMA和UTRA TDD（TD-CDMA）。 5051 就未来通信而言，发展方向是个人通信。即在全球范围内逐步实现全球一网(统一的网络结构)，每人一号(一个身份号码)，在任何时间

21、、任何地点(海、陆、空)以任何通信方式与任何对象(人或机器)进行任何业务(话音、数据、图象等)的无缝隙、不间断通信。 实现它主要包含两大部分。一个是全球性骨干核心网络平台，另一个是无时无处不在的灵活接入手段，对移动通信发展而言重点是探讨后者。 52 就接入网而言，客观上看可分为有线接入与无线接入，这里仅讨论无线接入，再细致一些无线接入又可分为室内无线接入比如红外、蓝牙等；小范围的无线局域网接入比如IEEE802.11系列等；中等及大范围的蜂窝移动接入和覆盖全球的卫星接入。 我们讨论内容仅限于陆地系统的蜂窝移动网，它是实现宏伟的个人通信蓝图的第一步，仅这一步目前已经历了第一代(1G)、第二代(2

22、G)系统，正在向第三代(3G)系统过渡。 53 展望未来移动通信的发展必须遵循这两方面的因素：第一是用户的需求，第二是实现时所受的环境和条件的限制。 1) 从用户需求看，移动通信应当从第一代(1G)、第二代(2G)以话音为主逐步转移到以数据为主，特别是以分组交换IP数据为主的综合业务和多媒体业务。在这个转移过程中，以IPv6为基础的移动因特网业务将是未来的主流业务。 2) 基于移动因特网业务上、下行严重的不对称性，一般下行的下载业务量远远大于上行的业务量。因此在基本通信体制方面，可能要打破传统的上下行遵循同一通信体制的桎梏。目前在第三代(3G)中，3GPP2已运营的HDR在下行采用了时隙码分多

23、址方式，以适应高速数据传送，它与上行的码分多址是不完全对称的。3GPP所采用的HSDPA (高速下行数据传送)也与HDR基本类似。54 3) 在原有移动通信传统的用户和信道二重动态性的基础上又迭加上一个用户业务类型的第三重动态性。这个第三重动态性的引入不仅在上述物理层上引起很大的变化，而且在网络层与网络规划层也提出了很多新要求，带来新问题。 首先选定全IP方向，因为它更适合于今后的主流业务移动因特网以及数据和多媒体业务。 这里的IP指的是建立在IPv6基础上。 下一代移动通信网络的主要努力方向应是网络智能化。55 4) 下一代移动通信中主要物理层关键技术是在三重动态环境与条件的限制下满足用户在数量上不断增长、在质量上不断提高的要求，同时要保证用户通信的安全保密性能。 首先是对现有物理层关键技术进一步改进、完善与实用化。 重点突出适应高速数据业务的正交多载波调制OFDM技术，作为下一代物理层关键技术。 下一代移动通信物理层的关键技术的另一个研究重点是突出对物理层的自适应传输技术的研究。 56 加强对信道、用户、业务动态性的监测与估计，为实现与三重动态匹配提供基础。 加强空间域与传统的时、频域相结合的研究，开发空域在移动通信中的巨大潜力。 在下一代移动通信系统的优化中，一个值得注意的方向是，在传统的单一部件