第2讲 移动通信概述.

1、1 1 第第1章章 概论概论 1.1 移动通信的主要特点移动通信的主要特点 1.2 移动通信系统的分类移动通信系统的分类 1.3 常用的移动通信系统常用的移动通信系统 1.4 移动通信的基本技术移动通信的基本技术2 2 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，围内自由活动， 其位置不受束缚，其位置不受束缚， 不过无线电波的传不过无线电波的传播特性一般都很差。播特性一般都很差。 首先，首先， 移动通信的运行环境十分移动通信的运行环境十分复杂，复杂， 电波不仅会随着

2、传播距离的增加而发生弥散损电波不仅会随着传播距离的增加而发生弥散损耗，耗， 并且会受到地形、并且会受到地形、 地物的遮蔽而发生地物的遮蔽而发生“阴影效应阴影效应”， 而且信号经过多点反射，而且信号经过多点反射， 3 3 会从多条路径到达接收地点，会从多条路径到达接收地点， 这种多径信号的幅度这种多径信号的幅度、 相位和到达时间都不一样，相位和到达时间都不一样， 它们相互叠加会产生电它们相互叠加会产生电平衰落和时延扩展；平衰落和时延扩展； 其次，其次， 移动通信常常在快速移动移动通信常常在快速移动中进行，中进行， 这不仅会引起多普勒（这不仅会引起多普勒（Doppler）频移，）频移， 产产生随机

3、调频，生随机调频， 而且会使得电波传播特性发生快速的随而且会使得电波传播特性发生快速的随机起伏，机起伏， 严重影响通信质量。严重影响通信质量。 因此，因此， 移动通信系统必移动通信系统必须根据移动信道的特征，须根据移动信道的特征， 进行合理的设计。进行合理的设计。 4 4 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城市噪声城市噪声,车辆发动机点火噪声车辆发动机点火噪声,微波炉干扰噪声等微波炉干扰噪声等自然界中如风、雨、雪等自然噪声自然界中如风、雨、雪等自然噪声一般可忽略一般可忽略移动通信网络中其他电台的干扰移动通信网络中其他电台的干扰主要的干扰源主要的干扰源 互

4、调干扰 邻道干扰 同频干扰5 5 4. 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， 网络管理和控制网络管理和控制必须有效必须有效 移动台在通信区域内随时运动移动台在通信区域内随时运动随机选用无线信道进行频率和功率控制随机选用无线信道进行频率和功率控制地址登记、越区切换及漫游跟踪等技术地址登记、越区切换及漫游跟踪等技术入网和计费方式有特殊的要求入网和计费方式有特殊的要求6 6 移动通信有以下多种分类方法：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

5、和空中通信；海上通信和空中通信； 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)、 时分多址时分多址(TDMA)和码分多址和码分多址(CDMA)等；等； 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、异频单工、 异频双工和异频双工和半双工；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7 7 无线寻呼无线寻呼- -数显，汉

6、显，双向数显，汉显，双向无绳电话无绳电话- -家用，公共无线接入家用，公共无线接入集群移动通信系统集群移动通信系统- -警察，出租车调度警察，出租车调度移动卫星系统移动卫星系统- -铱，全球星铱，全球星蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统- -车载，手持机车载，手持机分组无线网分组无线网-LMDS-LMDS，802.11802.11，蓝牙，蓝牙8 8 蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统蜂窝的概念：把移动电话的服务区别分为一个个正六边形蜂窝的概念：把移动电话的服务区别分为一个个正六边形的子区，每个小区设一个基站。形成了形状酷似的子区，每个小区设一个基站。形成了形状酷似“蜂窝蜂窝”的结构的结构蜂窝网络被

7、广泛采用的原因是源于一个数学猜想，正六边蜂窝网络被广泛采用的原因是源于一个数学猜想，正六边形被认为是使用最少个结点可以覆盖最大面积的图形，出形被认为是使用最少个结点可以覆盖最大面积的图形，出于节约设备构建成本的考虑，正六边形是最好的选择。于节约设备构建成本的考虑，正六边形是最好的选择。 为什么正六边形而不是圆？为什么正六边形而不是圆？顶点到几何中心等距的多边形中，能够完整顶点到几何中心等距的多边形中，能够完整(无重叠无重叠)地覆盖地覆盖某一区域可能的几何形状有：正方形、等边三角形和正六某一区域可能的几何形状有：正方形、等边三角形和正六边形三种形状。在正方形、等边三角形和正六边形中，正边形三种形

8、状。在正方形、等边三角形和正六边形中，正六边形的面积最大。六边形的面积最大。9 9 小区、区群与频率复用小区、区群与频率复用小区形状的确定小区形状的确定小区的实际覆盖小区的实际覆盖确定小区形状的准则： 无空隙覆盖全部服务区。 在服务区总面积相同时，小区（BS）数最少，系统最经济。因为正六边形最接近圆形(BS辐射区)，重叠小，中心间的间距最大，在服务区总面积相同时，用正六边形小区覆盖所需数目最少。1010 早期移动通信系统都采用大区制场强覆盖区，一个基站覆盖很大的服早期移动通信系统都采用大区制场强覆盖区，一个基站覆盖很大的服务区，这使得基站、手机的发射功率都要很大。基站的发射功率高达务区，这使得

9、基站、手机的发射功率都要很大。基站的发射功率高达几十到几百瓦，且要很高的天线塔。几十到几百瓦，且要很高的天线塔。它的特点是，基站只有一个天线它的特点是，基站只有一个天线，架设高、功率大，覆盖半径也大；，架设高、功率大，覆盖半径也大；缺点是：整体覆盖范围小、频道缺点是：整体覆盖范围小、频道数目少数目少(容量小容量小)、移动台体积大，特别是用户密度高，业务量大时，整、移动台体积大，特别是用户密度高，业务量大时，整个系统根本无法满足用户要求个系统根本无法满足用户要求。30200mTX:50100WTRXBSTRXTX:1025WMS覆盖半径 2030km1111 v 蜂窝系统蜂窝系统-“-“小区制小

10、区制”系统系统 - - 将所要覆盖的地区划分为若干个小区，每个小区的半径可将所要覆盖的地区划分为若干个小区，每个小区的半径可视用户的分布密度在视用户的分布密度在1-10km1-10km左右左右, ,在每个小区设立一个在每个小区设立一个基站基站为为本小区范围内的用户服务，负责本小区范围内的用户服务，负责本区本区移动通信的联络和控制。移动通信的联络和控制。 同时，又可在同时，又可在移动交换局移动交换局(MSC(MSC，Mobile Switching Mobile Switching Center)Center)的统一控制下，实现的统一控制下，实现小区之间小区之间移动用户通信的转接，移动用户通信的

11、转接，以及移动用户以及移动用户与市话用户与市话用户的联系。的联系。基站发射功率一般为基站发射功率一般为520W，每个小区半径为，每个小区半径为220km（小的也有的（小的也有的为为13km) - - 特点特点：用户容量大，服务性能较好，频谱利用率较高，：用户容量大，服务性能较好，频谱利用率较高，用户终端小巧且电池使用时间长，辐射小等用户终端小巧且电池使用时间长，辐射小等 - - 问题问题：系统复杂，越区切换，漫游，位置登记；更新和：系统复杂，越区切换，漫游，位置登记；更新和管理以及系统鉴权等管理以及系统鉴权等1212 常见的蜂窝移动通信网按照功能的不同可以分为四类，它们分别是宏蜂窝宏蜂窝、微蜂

12、窝微蜂窝、微微蜂窝微微蜂窝以及智能蜂窝智能蜂窝。(1)宏蜂窝：每小区覆盖半径大多为1km25km，基站的发射功率较强，一般在10W以上，基站天线尽可能做得很高。在实际的宏蜂窝小区，通常存在着两种特殊的微小区域：“盲点”：由于电波在传播过程中遇到障碍物而造成的阴影区域，该区域通信质量严重低劣； “热点”(忙点）：由于空间业务负荷的不均匀分布而形成的业务繁忙区域，它支持宏蜂窝中的大部分业务。解决方法：直放站、分裂小区等办法。1313 (2）微蜂窝：l与宏蜂窝技术相比，微蜂窝技术具有覆盖范围小、传输功率低以及安装方便灵活等，覆盖半径为30m300m，发射功率较小,一般在1W以下；基站天线置于相对低的

13、地方（一般高于地面5m-10m），传播主要沿着街道的视线进行，信号在楼顶的泄露小。l微蜂窝可以作为宏蜂窝的补充和延伸，微蜂窝的应用主要有两方面：l一是提高覆盖率提高覆盖率-盲点地区，如地铁、地下室； l二是提高容量提高容量-高话务量地区，如繁华的商业街、购物中心、体育场等。(3)微微蜂窝：l覆盖半径更小，一般只有10m30m；基站发射功率更小，大约在几十毫瓦左右；其天线一般装于建筑物内业务集中地点。l网络覆盖的一种补充形式，用来解决室内“热点”的通信问题。1414 在目前的蜂窝式移动通信系统中，形成分级蜂窝结构，往往是由一个上层宏蜂窝网络和数个下层微蜂窝网络组成的多元多元蜂窝系统蜂窝系统。 三

14、层分级蜂窝结构,它包括宏蜂窝、微蜂窝和微微蜂窝。每种蜂窝执行早已定义好的不同功能，即：宏蜂窝用于处理快速移动车辆的业务；微蜂窝处理慢速移动，集中于步行或交通阻塞车辆的业务；微微蜂窝用于覆盖商场和办公区等室内区域。将负载按这种方式分层的原因与切换功能有关当用户接入时，系统根据所测得的信号强度和各蜂窝的容量为某一呼叫选择最恰当的蜂窝(宏蜂窝、微蜂窝或微微蜂窝)。1515 （4）智能蜂窝 ：是指基站采用具有高分辨阵列信号处理能力的自适应天线系统，智能地监测移动台所处的位置，并以一定的方式将确定的信号功率传递给移动台的蜂窝小区。 对于上行链路而言，采用自适应天线阵接收技术，可以极大地降低多址干扰，增加

15、系统容量；对于下行链路而言，则可以将信号的有效区域控制在移动台附近半径为100200 波长的范围内，使同道干扰大小为减小。智能蜂窝小区既可以是宏蜂窝，也可以是微蜂窝。利用智能蜂窝小区的概念进行组网设计，能够显著地提高系统容量，改善系统性能。1616 使网络容量吸收最佳使网络容量吸收最佳1717 蜂窝移动三大特点：频率再用，小区分裂，越区切换蜂窝移动三大特点：频率再用，小区分裂，越区切换把若干相邻的小区按一定的数目划分成区群把若干相邻的小区按一定的数目划分成区群 (Cluster), 并并把可供使用的无线频道分成若干个把可供使用的无线频道分成若干个(等于区群中的小区数等于区群中的小区数)频频率组

16、，率组， 区群内各小区均使用不同的频率组，区群内各小区均使用不同的频率组， 而任一小区所而任一小区所使用的频率组，使用的频率组， 在其它区群相应的小区中还可以再用，在其它区群相应的小区中还可以再用， 这这就是就是频率再用频率再用但用户数增多并达到小区能服务的最大限度时，把这些小但用户数增多并达到小区能服务的最大限度时，把这些小区分割成更小蜂窝状的区域，并相应减小先小区的发射功区分割成更小蜂窝状的区域，并相应减小先小区的发射功率和采用相同的频率再用模式，提高系统单位面积可服务率和采用相同的频率再用模式，提高系统单位面积可服务的用户数以适应持续增长的业务需求的用户数以适应持续增长的业务需求-小区分

17、裂小区分裂移动台从一个小区进入另一相邻的小区时，移动台从一个小区进入另一相邻的小区时， 其工作频率及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，转换到正在进入的小区， 这一过程称为这一过程称为越区切换越区切换蜂窝移动通信的特点1818 好处：好处：可以极大地提高频谱利用率可以极大地提高频谱利用率条件条件：如果两个蜂窝相隔足够远，则可以使用同一组频道：如果两个蜂窝相隔足够远，则可以使用同一组频道 带来的问题：带来的问题：如果系统设计得不好，将产生严重的干扰如果系统设计得不好，将产生严重的干扰C1C1f1P0

18、f1P0RRD(D/R)2=3kD频率复用距离频率复用距离R小区半径小区半径K频率复用模式频率复用模式代表频率复用的效率1919 例如，我们将一个城市分成例如，我们将一个城市分成72个小区，每个小区，每12个小区组成一个小区组成一个小区群。让他们共同使用个小区群。让他们共同使用300个频道。那么，我们就可以个频道。那么，我们就可以将将300个频道分成个频道分成12个频道组，每个组个频道组，每个组25个频道，第一个个频道，第一个小区群使用第小区群使用第1组频道，第二个小区群使用第组频道，第二个小区群使用第2组频道，以组频道，以此类推。经过适当安排，不同小区群的相同编号小区的频此类推。经过适当安排

19、，不同小区群的相同编号小区的频道组是可以重复使用的。尽管这些小区基站所使用的无线道组是可以重复使用的。尽管这些小区基站所使用的无线电频率相同，但由于他们彼此相隔较远，而电波作用范围电频率相同，但由于他们彼此相隔较远，而电波作用范围有限，彼此不会造成干扰。这样，一组频率就可重复使用有限，彼此不会造成干扰。这样，一组频率就可重复使用6次，原本次，原本300个频道只能供个频道只能供300个用户同时通话，现在却可个用户同时通话，现在却可同时供同时供1800个用户同时通话了。个用户同时通话了。 2020 但用户数增多并达到小区能服务的最大限度时，把这些小但用户数增多并达到小区能服务的最大限度时，把这些小区分割成更小蜂窝状的区域，并相应减小先小区的发射功区分割成更小蜂窝状的区域，并相应减小先小区的发射功率和采用相同的频率再用模式，提高系统单位面积可服务率和采用相同的频率再用模式，提高系统单位面积可服务的用户数以适应持续增长的业务需求的用户数以适应持续增长的业务需求-小区分裂小区分裂 在在 整个服务区中每个小区的大小可以是相同的，但这只能整个服务区中每个小区的大小可以是相同的，但这只能适应用户密度均匀的情况。事实上，服务区内的用户密度适应用户密度均匀的