第二章移动通信_Part1

1、通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University通信系统概论通信系统概论授课讲师：周晓天授课讲师：周晓天山东大学 信息科学与工程学院2016年3月10日第二章：移动通信系统第二章：移动通信系统通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 第二章的内容第二章的内容（Missions of the 2nd Chapter） 移动通信的概念 移动通信的方式（常见系统） 历代蜂窝移动通信系统的演进2通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 移动通信的概念

2、移动通信的概念-什么是移动通信？什么是移动通信？ 3移动通信：移动通信：通信双方或一方在移动状态下进行信通信双方或一方在移动状态下进行信息传输的过程息传输的过程问题：移动通信问题：移动通信=无线通信？无线通信？1. 移动通信是一种重要的无线通信方式移动通信是一种重要的无线通信方式2. 移动通信兼具移动通信兼具移动移动和和无线无线两个特点，因此在两个特点，因此在实现上挑战性更大实现上挑战性更大通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University4系统复杂频谱短缺严重噪声与干扰电波环境恶劣挑战挑战与与优势优势的的PK对话对话我可以我可以移动！移动！通信系统

3、概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 移动通信的方式移动通信的方式 按照通信环境区分5通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 移动通信的方式移动通信的方式 按照系统组成结构：6l 无线电寻呼系统无线电寻呼系统l 集群移动通信系统集群移动通信系统l 卫星移动通信系统卫星移动通信系统l 蜂窝移动通信系统（蜂窝移动通信系统（1G1G、2G2G、3G3G、4G4G、。）、。）通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 移动通信的方式移动通信的方式

4、7无线无线寻呼通信寻呼通信BPBP机（机（BeeperBeeper），），不用语音不用语音的的单单向选择向选择呼叫系统呼叫系统, ,通过显示数码通过显示数码或汉字，向用户传送信息。或汉字，向用户传送信息。由由寻呼中心、基站和寻呼接收机寻呼中心、基站和寻呼接收机三部分三部分构成。构成。19481948年发明与年发明与Bell Lab.Bell Lab.，称为，称为Bell BoyBell Boy19901990年代开始风靡于我国：年代开始风靡于我国：“有事有事callcall我！我！”通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 移动通信的方式移

5、动通信的方式8无线无线寻呼通信寻呼通信公共电话网PSTN自动寻呼终端寻呼数据处理中心发射塔通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 移动通信的方式移动通信的方式9集群移动通信集群移动通信集群集群( (Trunk) )的概念是把的概念是把有限的无线信道动态、自动、最佳有限的无线信道动态、自动、最佳的分的分配给系统内的所有用户。配给系统内的所有用户。集群移动通信是集群移动通信是大量用户自动分享数量相对较少的无线信道，并大量用户自动分享数量相对较少的无线信道，并动态使用这些信道动态使用这些信道的移动通信系统。用户可以是车载台，也可以的移动通信系统

6、。用户可以是车载台，也可以是手持台。是手持台。集群移动通信模式适合为有特殊移动通信需求的集群移动通信模式适合为有特殊移动通信需求的专业部门搭建专专业部门搭建专用网络。用网络。如：部队、公安、交通、消防、防汛、铁道等。如：部队、公安、交通、消防、防汛、铁道等。通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University10中央控制器基地台分调度台移动台总调度台公共电话网PSTN集群移动通信集群移动通信通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 移动通信的方式移动通信的方式11集群移动通信集群移动通信通信系统概论

7、通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 移动通信的方式移动通信的方式12集群移动通信集群移动通信我国的我国的集群集群通信系统频段：通信系统频段：1.1. 在在800MHz800MHz的频段分配为的频段分配为806-821MHz806-821MHz和和851-866MHz851-866MHz, ,共有共有600600个个信道信道( (信道间隔为信道间隔为25kHz) 25kHz) ，2.2. 350MHz350MHz频段专门频段专门供公、检、法、司法、安全、海关、军队和供公、检、法、司法、安全、海关、军队和武警等八个部门使用，共有武警等八个部门使用，共

8、有560560对频对频点（信道间隔为点（信道间隔为2525、12.5kHz12.5kHz）。）。通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 移动通信的方式移动通信的方式13卫星移动通信卫星移动通信利用利用卫星转发信号卫星转发信号也可实现移动通信，对于车载移动通也可实现移动通信，对于车载移动通信可采用赤道固定卫星，而对手持终端，采用中低轨道信可采用赤道固定卫星，而对手持终端，采用中低轨道的多颗星座卫星较为有利的多颗星座卫星较为有利。通信距离远，具有通信距离远，具有全球覆盖的能力全球覆盖的能力，实现真正的，实现真正的“全球全球通通”。常用场景：导

9、航定位、应急通信、个人通信常用场景：导航定位、应急通信、个人通信 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 移动通信的方式移动通信的方式14卫星移动通信卫星移动通信卫星定位导航：卫星定位导航：利用利用卫星、地面控制和信号接收机卫星、地面控制和信号接收机对对象进行对对象进行动态动态定位。定位。美国：全球定位系统（美国：全球定位系统（GPSGPS）前前苏联：全球导航卫星系统（苏联：全球导航卫星系统（GLONASSGLONASS）欧盟：伽利略卫星导航定位系统（欧盟：伽利略卫星导航定位系统（GalileoGalileo）我国：北斗卫星导航系统（我国

10、：北斗卫星导航系统（BDSTARBDSTAR） 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 移动通信的方式移动通信的方式15卫星移动通信卫星移动通信个人卫星通信个人卫星通信利用利用低轨道卫星低轨道卫星向用户提供无缝覆盖的个人通信业务，向用户提供无缝覆盖的个人通信业务，实现实现“卫星通信终端手持化，个人通信全球化卫星通信终端手持化，个人通信全球化”铱星系统（已破产）：铱星系统（已破产）：MotorolaMotorola设计设计 1997-20001997-2000全球星系统：全球星系统：LoralLoral、QualcommQualcomm通信

11、系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University16 移动通信的方式移动通信的方式蜂窝蜂窝移动通信移动通信蜂窝移动通信，也称蜂窝移动通信，也称小区制移动通信小区制移动通信。基本基本构成：构成：移动台（移动台（MSMS）、基站（）、基站（BSBS）、移动业务交换中心）、移动业务交换中心(MSC)(MSC)组网结构：组网结构：把把整个大范围的服务区划分成许多小区整个大范围的服务区划分成许多小区，每个小区设每个小区设置一个基站置一个基站，负责本小区各个移动台的联络与控制，各个基站通，负责本小区各个移动台的联络与控制，各个基站通过过移动交换中心移动交换中心相互

12、联系，并相互联系，并与与骨干网骨干网连接。相邻小区使用不同连接。相邻小区使用不同频段。频段。通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University17一个大厅里面装一个一个大厅里面装一个200W200W的灯与装的灯与装8 8个个25W25W的灯，哪一个照的灯，哪一个照明效果好？明效果好？通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University18BSBSMSCPSTNMSCBS济南浙江Internet远距离远距离通信的实现通信的实现通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong Univer

13、sity19 移动通信的方式移动通信的方式蜂窝蜂窝移动通信移动通信特点：特点：1.1.基站只覆盖基站只覆盖有限面积，有限面积，由天线高度和发送功率决定（由天线高度和发送功率决定（2-10 km2-10 km）2.2.基站只提供信道，交换、控制等都集中在基站只提供信道，交换、控制等都集中在移动业务交换中心移动业务交换中心进进 行行3.3.具有具有小区切换（小区切换（HandoffHandoff）功能）功能。移动台在变换服务基站时，。移动台在变换服务基站时，不能影响通信不能影响通信4.4.具有频率再用功能。距离远的小区可以重复使用同一段频谱具有频率再用功能。距离远的小区可以重复使用同一段频谱5.5

14、.具有具有漫游（漫游（RoamingRoaming）功能）功能。电话号码不变。电话号码不变。BASESTATIONMSCBase 1Base 2Base 3通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术 组组网技术网技术u 蜂窝结构与频率复用蜂窝结构与频率复用 交换技术交换技术u移动用户位置移动用户位置登记与越区切换登记与越区切换 小区内技术小区内技术u 双工技术双工技术u 多址技术多址技术20通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 组网技术组网

15、技术- - 蜂窝结构蜂窝结构及频率复用及频率复用 21引言：第一，蜂窝移动网络属于引言：第一，蜂窝移动网络属于小区制小区制的移动通信系统的移动通信系统 第二第二，按照电磁波传播规律，按照电磁波传播规律，基站天线辐射区域为基站天线辐射区域为 圆形圆形有盲区，不可取有盲区，不可取无盲区，但有重合处无盲区，但有重合处通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 组网技术组网技术- - 蜂窝结构蜂窝结构及频率复用及频率复用22实际布网需要：1. 无缝隙：保证用户“anywhere”的通信2. 无重叠：明确责任，重叠部分由哪个基站管，怎么区分。显然，无缝

16、隙、无重叠覆盖需要采用圆的内切内切多边形多边形实现，且相邻多边形采用不同频不同频段（频道）段（频道）问题：如何利用最少的基站（频道）覆盖相同的面积？通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 组网技术组网技术- - 蜂窝结构蜂窝结构及频率复用及频率复用 23可供选择的多边形：三角形、四边形、六边形可供选择的多边形：三角形、四边形、六边形3个圆，个圆，4个三角形个三角形交交叠面积：叠面积：4个圆，个圆，4个矩形个矩形交叠交叠面积：面积：3个圆，个圆，3个矩形个矩形交叠交叠面积：面积：六边形结构覆盖面积最大、重叠面积最小，六边形结构覆盖面积最大、

17、重叠面积最小，即即对于同样大小的服务区对于同样大小的服务区域，域，采用六边形所采用六边形所需的小区数最少，因此所需的频率组需的小区数最少，因此所需的频率组数最少。数最少。通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 组网技术组网技术- - 蜂窝结构及蜂窝结构及频率频率复用复用24问题回顾：1.无缝隙：保证用户“anywhere”的通信 2.无重叠：明确责任，重叠部分由哪个基站管3.细分工：不同的小区如何进行区分？利用蜂窝结构使整个服务区域无缝无重叠，且高效的“小区化”每个小区设置一个基站，负责向本小区各个移动台提供无线覆盖服务为避免各相邻基站的

18、相互干扰，各相邻基站必须使用不同的频谱资源ADCEFGBADCEFGB通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 组网技术组网技术- - 蜂窝结构及蜂窝结构及频率复用频率复用25已知已知：蜂窝系统采用邻小区频分信道避免小区间干扰：蜂窝系统采用邻小区频分信道避免小区间干扰问题：频谱资源有限，当系统覆盖面积扩大、小区数目增加时，问题：频谱资源有限，当系统覆盖面积扩大、小区数目增加时， 频道资源还够用吗？频道资源还够用吗？无线电磁波传播的特性无线电磁波传播的特性发送信号功率随着传播距离产发送信号功率随着传播距离产生衰减：生衰减：当两个小区的物理空间

19、距离足够远时，当两个小区的物理空间距离足够远时，可以可以重复利用同一段频谱资源，重复利用同一段频谱资源，而产而产生的同频干扰可以忽略不计。这一技生的同频干扰可以忽略不计。这一技术称为术称为频率复用频率复用(Frequency Reuse)通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 组网技术组网技术- - 蜂窝结构及蜂窝结构及频率复用频率复用26因此，我们可以发现在蜂窝结构中，频谱资源利用因此，我们可以发现在蜂窝结构中，频谱资源利用的的两个特点：两个特点：相邻小区采用不同不同频谱资源区分，以避免区间干扰 (Inter-Cell Interfer

20、ence)相隔距离较远的小区可以采用相同相同的频道，以提高频谱利用效率（Spectrum Efficiency）ADCEFGBADCEFGB这样相邻的、采用不同频率的一组小区，组成了区群区群、或叫做簇、或叫做簇（Cluster）的结构群区内不同小区使用不同频率，在一定空间距离外一定空间距离外，设置另一区群，对应的小区可重复使用与当前区群相同的频率当两同频小区间距离足够大时，同同频干扰将不影响正常频干扰将不影响正常的通信质量的通信质量通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 组网技术组网技术- - 蜂窝结构及蜂窝结构及频率复用频率复用27构成

21、单元区群的基本条件：1.区群之间彼此邻接且无空隙无重叠地覆盖整个面积2.相邻单元中，同频道同频道小区之间的距离保持相等距离保持相等，且为最大最大A2DCEFGBA1DCEFGBA3DCEFGB区群2区群1区群3以区群1中采用频段A的小区为例：a.需要到达与其紧相邻的所有区群中、采用A频道小区的距离相等（”A1-A2”=“A1-A3”）b.A-A之间的距离应与B-B、C-C。之间的距离相等；c.最后，还要保证上述距离在所有满足条件的拓扑中是最大的通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 组网技术组网技术- - 蜂窝结构及蜂窝结构及频率复用频率

22、复用28构成单元区群的基本条件：1.区群之间彼此邻接且无空隙无重叠地覆盖整个面积2.相邻单元中，同频道同频道小区之间的距离保持相等距离保持相等，且为最大最大满足上述条件的区群形状和区群内的小区数不是任意的可以证明，区群内的小区小区数数与同频小同频小区间的二维距离区间的二维距离应满足下式：其中， 分别为（不同区群内）相邻同频小区的二维距离二维距离，取值为0或正整数，但不能同时为0A2DCEFGBA1DCEFBA3DCFGB区群2区群1区群3ij通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 组网技术组网技术- - 蜂窝结构及蜂窝结构及频率复用频率复

23、用29二维距离到实际距离：设一坐标系，则蜂窝小区扩展方向必然被固定在6个方向，如右图，则按照这6个方向为基准去寻找第1步：沿6个方向任一跨过j个小区；第2步：逆时针方向旋转60，跨过i个小区另外，若设小区辐射半径为r,则实际距离（同频复用）又可计算为：小区内N越大，同频小区越远，抗同频干扰越好。A2DCEFGBA1DCEFBA3DCFGB区群2区群1区群3ij通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 组网技术组网技术- - 蜂窝结构及蜂窝结构及频率复用频率复用30同样，利用这种二维距离方法，结合上述公式，也可以确定群区的小区数目N，以及具体

24、结构通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University31通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 组网技术组网技术- - 小区的分类小区的分类32根根据据覆覆盖面积的差异，小区可分为盖面积的差异，小区可分为宏蜂窝、微蜂窝、宏蜂窝、微蜂窝、微微蜂微微蜂窝窝、飞蜂窝飞蜂窝p 宏蜂窝小区（Macrocell）u 覆盖半径在1-30km，采用发射功率超过10W以上的基站，天线一般设置在较高的建筑物之上，以获得较好的覆盖视野；u 宏蜂窝常设立在郊区或高速公路等区域（Why？）p 微蜂窝小区（Microce

25、ll）u 覆盖半径小于2km，采用发射功率1W左右的基站，天线高度可在10m左右u 微蜂窝小区通常设立在商场、运动场、车站等流量密集小区，作为宏站的容量补充。由于天线高度与建筑物拓扑，通常会有视距和非视距两类场景通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 组网技术组网技术- - 小区的分类小区的分类33根根据据覆覆盖面积的差异，小区可分为盖面积的差异，小区可分为宏蜂窝、微蜂窝、宏蜂窝、微蜂窝、微微蜂微微蜂窝窝、飞蜂窝飞蜂窝p 微微蜂窝小区（Picocell）u 覆盖半径通常在200m以下，采用更低功率、更低成本的基站u 通常为办公室、车站等超

26、密集环境提供服务，也有可能架设在宏区边缘，扩展宏区的服务覆盖范围p 毫微微蜂窝小区（Femtocell）u 最初称为接入点基站(Access Point BS)，或家庭基站（Home eNode B in LTE）。一般覆盖半径为12m左右，发射功率为10mW-100mW，主要为家庭、办公室等室内环境提供移动无线接入服务u 采用IP协议，利用光纤、DSL接入骨干网；在用户端，可适配CDMA、LTE等多数移动通信空口制式u 在提供蜂窝移动通信服务的同时，也可集成提供Wi-Fi服务u 是下一代移动通信的热点技术，但也有跨层干扰等问题通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shand

27、ong University 蜂窝移动通信的关键技术蜂窝移动通信的关键技术 组组网技术网技术u 蜂窝结构与频率复用蜂窝结构与频率复用 交换技术交换技术u移动用户位置移动用户位置登记与越区切换登记与越区切换 小区内技术小区内技术u 双工技术双工技术u 多址技术多址技术34通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 交换交换技术技术- - 位置登记与越区切换位置登记与越区切换35一个呼叫建立的简化过程：一个呼叫建立的简化过程：主叫接入阶段主叫用户通过RACH发起通信请求移动业务交换中心（MSC）分配信道、标示主叫用户并回复许可（ACK）呼叫建立阶

28、段主叫用户发送被叫用户号码等信息MSC识别被呼叫用户身份、确定位置并链接被叫所在MSC被叫所在MSC确认被叫用户状态，反馈可否通信等信息若双方科通信，则建立专用业务信道呼叫终止阶段任一方发送结束通信消息，断开链接MSC释放信道通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 交换技术交换技术- - 位置登记位置登记与越区切换与越区切换36l 位置登记是指移动台向控制中心发送报文时，表明它本身工作位置登记是指移动台向控制中心发送报文时，表明它本身工作时所处的位置信息，并被移动网登记存储的时所处的位置信息，并被移动网登记存储的过程过程l 在在构造复杂的

29、小区制移动通信服务区内，一般将一个构造复杂的小区制移动通信服务区内，一般将一个MSCMSC的控的控制区作为一个位置区或划分成若干个位置区。移动台将所处位制区作为一个位置区或划分成若干个位置区。移动台将所处位置的位置信息进行位置登记，可以提高寻呼一个移动台的效率置的位置信息进行位置登记，可以提高寻呼一个移动台的效率，移动台的位置登记信息被存储于，移动台的位置登记信息被存储于MSCMSC内。不同的蜂窝移动通内。不同的蜂窝移动通信系统可以使用不同的位置登记信系统可以使用不同的位置登记方式方式l 位置登记是为移动台移动（漫游）所准备的位置登记是为移动台移动（漫游）所准备的通信系统概论通信系统概论 Xi

30、aotian Zhou, Shandong University 交换技术交换技术- - 位置登记位置登记与越区切换与越区切换37l 位置登记的管理：l 归属位置寄存器（HLR）在网络内注册的所有用户的信息及当前位置位于移动台注册的归属区移动业务交换中心l 拜访位置寄存器（VLR）管理网络中若干个位置区内的移动用户，为负责的MSC 提供移动用户的位置数据信息位于移动台漫游访问的摆放区业务交换中心通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 交换技术交换技术- - 位置登记位置登记与越区切换与越区切换38l 归属归属位置寄存器（位置寄存器（HLR

31、HLR） 国际国际移动台标识移动台标识(IMSI)(IMSI)；国际国际移动台号移动台号(MSISDN)(MSISDN)；移动台移动台漫游号漫游号(MSRN)(MSRN)；VLRVLR地址地址( (如果收到的话如果收到的话) )；移动台移动台状态数据；状态数据；其他其他需要的用户需要的用户数据数据l 拜访位置寄存器（拜访位置寄存器（VLRVLR） 国际国际移动台标识移动台标识(IMSI)(IMSI)；国际移动台号国际移动台号(MSISDN)(MSISDN)；移动台漫游号移动台漫游号(MSRN)(MSRN)；临时移动台标识临时移动台标识(TMSI)(TMSI) 位置位置区识别区识别其他需要的用户

32、数据其他需要的用户数据通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 交换技术交换技术- - 位置登记位置登记与越区切换与越区切换39通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 交换技术交换技术- - 位置登记与位置登记与越区越区切换切换 定义：定义：越区越区切换（切换（HandoffHandoff）是）是指将当前正在进行的移动台与基站之指将当前正在进行的移动台与基站之间的通信链路从当前基站转移到另一个基站的间的通信链路从当前基站转移到另一个基站的过程。也称为自过程。也称为自动链路转移（动链路转

33、移（Automatic Link Transfer, ALTAutomatic Link Transfer, ALT） 目的目的：维持移动用户通话的持续性维持移动用户通话的持续性 分类：分类：u 越区切换（小区间）和漫游切换（业务辖区）越区切换（小区间）和漫游切换（业务辖区）u 软切换和硬切换软切换和硬切换40通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 交换技术交换技术- - 位置登记与位置登记与越区越区切换切换41l 软切换软切换在越区过程中，移动台既维持旧的连接，同时又建立与新基站的新连接，并利用新、旧链路的分集合并改善通信质量，移动台与

34、新的无线端口建立了可靠连接之后，再中断旧的连接。软切换在空中接口过程中是先通后先通后断断。软切换过程中，移动台可以同时和一个以上的无线端口通信l 硬硬切换切换越区过程中，移动台的通信准备连到相邻小区新基站的无线端口时，先中断旧的连接，然后再进行新的连接，新的连接将具有不同的频率分配或不同的空中接口特性，硬切换在空中接口过程中是先断后通先断后通，硬切换过程中，移动台只能同一个无线端口通信通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 交换技术交换技术- - 位置登记与位置登记与越区越区切换切换42越区切换的实现包括三个方面的问题：越区切换的实现包括三个方面的问题： 越区切换的准则（何时需要进行越