移动通信原理PPT第1章 概论

1、第第1 1章章 概论概论 第第1章章 概论概论 1.1 移动通信发展简述移动通信发展简述1.2 移动通信的主要特点移动通信的主要特点 1.3 移动通信系统的分类移动通信系统的分类 1.4 常用移动通信系统常用移动通信系统 思考题与思考题与 习题习题 第第1 1章章 概论概论 1.1 移动通信发展简述移动通信发展简述第一代及第二代移动通信系统第一代及第二代移动通信系统 1G（模拟通信系统） FDMA频分多址接入方式 美国的AMPS方式、欧洲的TACS方式 2G（数字蜂窝移动通信系统） GSM系统：TDMA时分多址接入方式 CDMA系统：CDMA码分多址接入方式第第1 1章章 概论概论 注：2.5

2、G GPRS 及 CDMA20001X第第1 1章章 概论概论 第三代移动通信系统（第三代移动通信系统（3G） CDMA码分多址接入方式的独特之处： a. 系统区分地址时在频率、时间和空间上是重叠的 b. 使用相互准正交的地址码来完成对用户的识别第第1 1章章 概论概论 CDMA技术的优势： a.多种形式的分集 b.低发射功率 c.保密性 d.软切换 e.大容量 f.话音激活技术 g.频率再用及扇区化 h.低的信噪比或载干比 软容量第第1 1章章 概论概论 3G的目标主要有： （1）全球漫游，以低成本的多模手机来实现。 （2）适应多种环境，采用多层小区结构；与不同网络互通；提供无缝漫游和业务一

3、致性，网络终端具有多样性；与第二代系统共存和互通，开放结构，易于引入新技术。 （3）能提供高质量的多媒体业务。 （4）足够的系统容量，强大的多种用户管理能力，高保密性能和服务质量。 第第1 1章章 概论概论 为实现上述目标，对无线传输技术提出了以下要求：（1）高速传输以支持多媒体业务。（2）传输速率按需分配。（3）上下行链路能适应不对称业务的需求。（4）简单的小区结构和易于管理的信道结构。（5）灵活的频率和无线资源的管理、系统配置和服务设施。 当前，3G技术标准主要有3个：欧洲WCDMA系统，北美CDMA2000系统，我国的TD-SCDMA系统。第第1 1章章 概论概论 随着3G逐渐走向商用，

4、3G技术也在不断演进。从两大标准化组织3GPP和3GPP2的发展进程可以看出3G演进路线：第第1 1章章 概论概论 3. 下一代移动通信系统 移动通信的进一步演进方向是IMT-Advangced或称第四代移动通信系统4G. 具备宽带接入和具有分布式特征的网络，采用全IP的网络结构。第第1 1章章 概论概论 IP核 心 网网 关PSTN/ISDNINTERNET路 由 器4G RAN（ 4G无 线 接入 网 ）WLAN(无 线 局 域 网 ）4G RAN（ 4G无 线 接入 网 ）4G RAN（ 4G无 线 接入 网 ）网 关2G、 3G RAN（ 2G、 3G无 线 接入 网 ）MN(Mova

5、blenetwork)MN(Movablenetwork)MT(移 动 终 端 )MT(移 动 终 端 )MT(移 动 终 端 )MT(移 动 终 端 )第第1 1章章 概论概论 1.2 移动通信的主要特点移动通信的主要特点 1. 移动通信必须利用无线电波进行信息传输移动通信必须利用无线电波进行信息传输 这种传播媒质允许通信中的用户可以在一定范围内自由活动， 其位置不受束缚， 不过无线电波的传播特性一般都很差。 首先， 移动通信的运行环境十分复杂， 电波不仅会随着传播距离的增加而发生弥散损耗， 并且会受到地形、 地物的遮蔽而发生“阴影效应”， 而且信号经过多点反射， 第第1 1章章 概论概论

6、会从多条路径到达接收地点， 这种多径信号的幅度、 相位和到达时间都不一样， 它们相互叠加会产生电平衰落和时延扩展； 其次， 移动通信常常在快速移动中进行， 这不仅会引起多普勒（Doppler）频移， 产生随机调频， 而且会使得电波传播特性发生快速的随机起伏， 严重影响通信质量。 因此， 移动通信系统必须根据移动信道的特征， 进行合理的设计。 第第1 1章章 概论概论 2. 移动通信是在复杂的干扰环境中运行的移动通信是在复杂的干扰环境中运行的 除去一些常见的外部干扰， 如天电干扰、 工业干扰和信道噪声外， 系统本身和不同系统之间， 还会产生这样或那样的干扰。 因为在移动通信系统中， 常常有多部用

7、户电台在同一地区工作， 基站还会有多部收发信机在同一地点上工作， 这些电台之间会产生干扰。 第第1 1章章 概论概论 3. 移动通信可以利用的频谱资源非常有限，移动通信可以利用的频谱资源非常有限， 而移而移动通信业务量的需求却与日俱增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， 始终是移动通信发展中的焦点。 为了解决这一矛盾， 一方面要开辟和启用新的频段； 另一方面要研究各种新技术和新措施， 以压缩信号所占的频带宽度和提高频谱利用率。 第第1 1章章 概论概论 4. 移动通信系统的网络结构多种多样，移动通信系统的网络结构多种多样， 网络管理网络管理和控制必须有效和控制必须有效 根

8、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。 第第1 1章章 概论概论 5. 移动通信设备移动通信设备(主要是移动台主要是移动台)必须适于在移动必须适于在移动环境中使用环境中使用 对手机的主要要求是体积小、 重量轻、 省电、 操作简单和携带方便。 车载台和机载台除要求操作简单和维修方便外， 还应保证在震动、 冲击、 高低温变化等恶劣环境中正常工作。第第1 1章章 概论概论 1.3 移动通信系统的分类移动通信系统的分类 移动通信有以

9、下多种分类方法：移动通信有以下多种分类方法： 按使用对象可分为民用设备和军用设备；按使用对象可分为民用设备和军用设备； 按使用环境可分为陆地通信、按使用环境可分为陆地通信、 海上通信和空中海上通信和空中通信；通信； 按多址方式可分为频分多址按多址方式可分为频分多址(FDMA)、 时分多时分多址址(TDMA)和码分多址和码分多址(CDMA)等；等； 第第1 1章章 概论概论 按覆盖范围可分为广域网和局域网；按覆盖范围可分为广域网和局域网； 按业务类型可分为电话网、按业务类型可分为电话网、 数据网和多媒体网；数据网和多媒体网； 按工作方式可分为同频单工、按工作方式可分为同频单工、 异频单工、异频单

10、工、 异频异频双工和半双工；双工和半双工； 按服务范围可分为专用网和公用网；按服务范围可分为专用网和公用网； 按信号形式可分为模拟网和数字网。按信号形式可分为模拟网和数字网。 第第1 1章章 概论概论 1.3.1工作方式工作方式 1. 单工通信 所谓单工通信， 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。 单工通信常用于点到点通信。第第1 1章章 概论概论 图 单工通信 发射机f1(f1)接收机送受话器f1(f2)PTT发射机接收机送受话器PTTf1(f1)f1(f2)电台甲电台乙第第1 1章章 概论概论 同频单工是指通信双方(如上图的电台甲和

11、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。 平常各接收机均处于守候状态， 即把天线接至接收机等候被呼。 当电台甲要发话时， 它就按下其送话器的按讲开关(PTT)， 一方面关掉接收机， 另一方面将天线接至发射机的输出端， 接通发射机开始工作。 当确知电台乙接收到载频为f1的信号时， 即可进行信息传输。 第第1 1章章 概论概论 2. 双工通信双工通信 所谓双工通信， 是指通信双方可同时进行传输消息的工作方式， 有时亦称全双工通信， 如图所示。 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。 双工通信一般使用一对频道， 以实施频分双工(FDD

12、)工作方式。 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。 第第1 1章章 概论概论 发射机f1接收机受话器f2发射机接收机受话器基站移动台双工器f2f1送话器送话器f1f2图 双工通信 第第1 1章章 概论概论 3. 半双工通信半双工通信 半双工通信， 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。 基站工作情况与半双工方式完全相同。 第第1 1章章 概论概论 1.3.2 模拟网和数字网 数字通信系统的主要优点可归纳如下： (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

13、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多系统同时通信的用户数。 第第1 1章章 概论概论 (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。 话音、 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。 第第1 1章章 概论概论 (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

14、。 采用纠错编码、 交织编码、 自适应均衡、 分集接收以及扩跳频技术等， 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。 第第1 1章章 概论概论 (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用来传输信令信息， 也可以把控制指令插入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。 第第1 1章章 概论概论 1.4 常用移动通信系统常用移动通信系统 1.4.1 无线电寻呼系统 无线电寻呼系统是一种单向通信系统。 无线电寻呼系

15、统的用户设备是袖珍式接收机， 称作袖珍铃， 俗称“BB机”， 这是由于它的振铃声近似于“BB”声音之故。 无线电寻呼系统的组成如下图所示。 第第1 1章章 概论概论 图 无线电寻呼系统示意图 公用电话网无线电寻呼控制中心及主发射台用户回路发射台发射台第第1 1章章 概论概论 1.4.2 蜂窝移动通信系统 早期的移动通信系统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。 例如， 在20世纪70年代于美国纽约开通的IMTS(Improved Mo

16、bile Telephone Service)系统(如下图(a)所示)， 仅能提供12对信道。 也就是说， 网中只允许12对用户同时通话， 倘若同时出现第13对用户要求通话， 就会发生阻塞。第第1 1章章 概论概论 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， 如下图 (b)所示。第第1 1章章 概论概论 图 大区覆盖与小区覆盖(a) 大区覆盖； (b) 小区覆盖第第1 1章章 概论概论 通常， 相邻小区不允许使用相同的频道， 否则会发生相互干扰

17、(称同道干扰)。 但由于各小区在通信时所使用的功率较小， 因而任意两个小区只要相互之间的空间距离大于某一数值， 即使使用相同的频道， 也不会产生显著的同道干扰(保证信干比高于某一门限)。为此， 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， 在其它区群相应的小区中还可以再用， 这就是频率再用， 如下图所示。 第第1 1章章 概论概论 图 蜂窝系统的频率再用 BGA小区8FBCEDBGDAGFE再用距离七小区群相同字母小区使用相同频率组小区1第第1 1章章

18、概论概论 下图所示是蜂窝移动通信系统。 图中七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， 进行频道切换， 提供系统维护和性能测试， 并存储计费信息等。 MTSO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。第第1 1章章 概论概论 图 蜂窝移动通信系统的示意图124MSC3675基站至公用电话网第第1 1章章 概论概论 当移动用户在蜂窝服务区中快速运动时， 用户之间的通话常常不会在一个小区中结束。 快速行

19、驶的汽车在一次通话的时间内可能跨越多个小区。 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 。 第第1 1章章 概论概论 其控制机理如下： 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， 而邻近小区的基站能检测出这个移动台的信号正在逐渐变强， 系统收集来自这些有关基站的检测信息， 进行判决， 当需要实施越区切换时， 就发出相应的指令， 使正在越过边界的移动台将其工作频率和通信链路从离开的小区切换到进入的小区。 整个过程自动进行， 用户并不知道， 也不会中

20、断行进中的通话。 越区切换的示意图见下图。第第1 1章章 概论概论 图 越区切换示意图 移动交换中心蜂窝A时间1时间2时间3蜂窝B当移动单元从蜂窝B越区到蜂窝A时，切换在移动交换中心的控制下进行第第1 1章章 概论概论 表1 几种模拟蜂窝移动通信系统 第第1 1章章 概论概论 1.4.3 无绳电话系统 简单的无绳电话机把普通的电话单机分成座机和手机两部分， 座机与有线电话网连接， 手机与座机之间用无线电连接， 这样， 允许携带手机的用户可以在一定范围内自由活动时进行通话， 如下图。 因为手机与座机之间不需要用电线连接， 故称之为“无绳”电话机。第第1 1章章 概论概论 图 无绳电话系统示意图

21、市话局用户线座机普通话机第第1 1章章 概论概论 无绳电话的手机、 座机与电信点所发射的功率均在10 mW以下， 无线覆盖半径约在100 m左右。 表2给出了几种模拟无绳电话系统的主要参数。 表中给出了日本、 美国和欧洲的标准。 我国模拟无绳电话系统采用45 MHz/48 MHz的频段。第第1 1章章 概论概论 表2 几种无绳电话系统的主要参数 第第1 1章章 概论概论 无绳电话是一种以有线电话网为依托的通信方式， 也可以说它是有线电话网的无线延伸， 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， 目前数字式无绳电话系统(低功率无线系统)在我国得到了广泛

22、的应用(我国使用的标准是PHS)。第第1 1章章 概论概论 1.4.4 集群移动通信系统 1. 集群的概念 集群移动通信系统采用的基本技术是频率共用技术。 其主要做法是： 把一些由各部门分散建立的专用通信网集中起来， 统一建网和管理， 并动态地利用分配给它们的有限个频道， 以容纳数目更多的用户； 第第1 1章章 概论概论 改进频道共用的方式， 即移动用户在通信的过程中， 不是固定地占用某一个频道， 而是在按下其“按讲开关”(PTT)时， 才能占用一个频道； 一旦松开PTT， 频道将被释放， 变成空闲频道， 并允许其它用户占用该频道。第第1 1章章 概论概论 2. 集群系统的用途和特点 集群系统

23、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。 集群系统与蜂窝式通信系统在技术上有很多相似之处， 但在主要用途、 网络组成和工作方式上有很多差异。第第1 1章章 概论概论 集群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。 蜂窝通信系统属于公众移动通信网， 适用于各阶层和各行业中个人之间的通信， 一般不分优先等级。第第1 1章章 概论概论 集群通信系统根据调度业务的特征， 通常具有一定的限时功能， 一次通话的限定时间大约为1560 s(可根据业务情况调整)。 蜂窝通信系统对通信时间一般不进行限制。 集群通信系统的主要服务业务是无线用户和无线用户之间的通信, 蜂窝通信系统却有大量的无线用户与有线用户之间的通话业务。 第第1 1章章 概论概论 集群通信系统一般采用半双工(现在已有全双工产品)工作方式， 因而， 一对移动用户之间进行通信只需占用一对频道。 蜂窝通信系统都采用全双工工作方式， 因而一对移动用户之间进行通信， 必须占用两对频道。 在蜂窝通信系统中， 可以采用频道再用技术来提高系统的频率利用率； 而在集群系统中， 主要是以改进频道共用技术来提高系统的频率利用率的。 集群调度移动通信系统一般由控制中心、总调度台、分调度台、基地台及移动台组成。第第1 1章章 概论概论 表表3 部分集群