移动通信技术

1、第一章: 概论1.1 移动通信的概念1.2 移动通信系统的分类1.3 移动通信系统的组成和工作原理1.4 移动通信的基本技术1.5 移动通信的发展第一章: 概论【本章重点难点】z掌握移动通信系统的基本分类、掌握移动通信系统的基本分类、基本组成和工作原理基本组成和工作原理z重点掌握移动通信的特点及主要重点掌握移动通信的特点及主要技术技术1.1 移动通信的概念1.1.1 什么是移动通信?z移动通信是指通信的双方,至少有一方是在移动中进行信息交换的。z例如,固定体与移动体(汽车、轮船、飞机)之间的通信; 或移动体之间的通信;z这里所说的信息交换,不仅指话音通信,随着移动通信的不断发展,还包括数据、传

2、真、图象等通信业务。1.1.2 移动通信的特点z必须利用无线电波进行信息传输z在复杂的干扰环境中运行的z可利用的频谱资源非常有限,而业务量却与日俱增z网络结构多种多样,网络管理与控制必须有效z移动通信设备必须始于在移动环境中使用1.2 移动通信系统的分类移动通信系统类型很多,可按不同方法进行划分:z 按使用对象分,可分为军用、民用;z 按用途和区域分,可分为陆上、海上、空间;z 按经营方式分,可分为公众网、专用网;z 按通信网的制式分,可分为大区制、小区制;z 按无线电频道工作方式分,可分为单工制、半双工制、双工制;z 按信号性质分,可分为模拟、数字;z 按调制方式分,可分为调频、调相、调幅等

3、;z 按多址复接方式分,可分为频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)。1.2.1 按无线电频道工作方式分可分为单工制、半双工制和双工制三种。z 半双工制是基站双工工作，移动台单工工作，信息双向传输使用两个频率。这种方式设备简单，功耗小，克服了通话断断续续的现象，但操作仍不大方便。半双工制主要用于专用移动通信系统。1.2.1 按无线电频道工作方式分可分为单工制、半双工制和双工制三种。z 单工制采用“按键”控制方武通常双方接收机均处于守候状态。此工作方式设备简单，功耗小，但操作不便，通话时易产生断断续续的现象。它一般应用于用户少的专用调度系统。1.2.1 按无线电频道工作

4、方式分可分为单工制、半双工制和双工制三种。z 双工制是指收发双方采用一对频率使基站，移动合同时工.这种方式操作方便，但电能消耗大。模拟或数字式的蜂窝电话系统都采用双工制。1.2.2 按多址复接方式分z多址方式有:y频分多址FDMA (Frequency Division Multiple Access)y时分多址TDMA (Time Division Multiple Access)y码分多址CDMA(Code Division Multiple Access)z模拟式蜂窝移动通信网采用频分多址方式,zGSM移动通信网采用时分多址方式yTDMA/FDMA混合多址方式z第三代采用CDMA多址方式

5、基本方式的yCDMA/FDMA混合多址方式1.2.2 按多址复接方式分2. 多址的基本原理多址的基本原理zFDMA：y是把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的频道(或称信道)1.2.2 按多址复接方式分2. 多址的基本原理多址的基本原理zTDMA：y是把时间分割成周期性的帧,每一帧再分割成若干个时隙(无论帧或时隙都是互不重叠的),1.2.2 按多址复接方式分2. 多址的基本原理多址的基本原理zCDMA：y是不同的移动台占用同一频率,y每一移动台被分配一个独特的随机的码序列,y每一移动台的码序列不同,也就是彼此是不相关的,或相关性很小,以便区分不同移动台,y在CDMA中,可容纳比TDMA还要多的

6、用户数。1.2.3 按通信网的制式分可分为大区制、小区制: z基站发射电波的覆盖范围称为无线小区。小区的划分可有效的利用有限的无线通信频率资源，小区的划分要考虑邻接小区使用不同频率最少无线频率数目。若不考虑覆盖范围，最有效的方法是小区的形状为正六边形，也就是蜂窝状结构，需要的最少频率数目为三对。z 一般来说，移动通信网的区域覆盖方式分为两类：一类是小容量的大区制；另一类是大容量的小区制。这两种制式的控制方式有明显的差别。小区制采用了空域的同信道再用,频率资源利用率高，可容纳用户量大，控制方式也就复杂。1.2.3 按通信网的制式分1. 大区制z大区制的移动通信系统一般设有一个基站，它负责服务区内

7、移动通信的联络与控制。z大区制的移动通信系统，网络结构简单、所需频道数少、不需交换设备、投资少、见效快，适合用在用户数较少的区域。1.2.3 按通信网的制式分2. 小区制z 小区制就是把整个服务区域划分为若干个小区，每个小区分别设置一个基站，负责本小区移动通信的联络和控制。z 可在移动交换中心的统一控制下，实现小区之间移动用户通信的转接，以及移动用户与市话用户的联系。z 小区制提高了频率的利用率，而且由于基站功率减小，也使相互间的干扰减少了。BSBSBSBSBSBSBSMSC市话局MS1.2.3 按通信网的制式分2. 小区制z存在同频干扰。z无线小区的范围应根据实际用户数的多少灵活确定，所以这

8、种体制是公用移动电话通信发展的一个方向。 z基站数量的增加，建网的成本就提高了。z移动台需要经常地更换工作频道，这样对控制交换功能的要求就提高了1.2.4 按信号性质分z所有的通信系统都朝着数字化方向发展,模拟蜂窝网称作第一代移动通信系统,数字蜂窝网称作第二代移动通信系统.z数字移动通信系统的主要优点:y频谱利用率高,有利于提高系统容量y抗干扰的能力强y能实现更有效的、更灵活的网络管理和控制y便于实现通信的安全与保密y可降低设备成本y能提供多种业务服务,提高通信系统的通用性y能减小用户手机的体积和重量1.3 移动通信系统的组成和工作原理1.3.1 移动通信系统的组成:z移动通信系统一般由移动台

9、(MS)、基站(BS)、移动业务交换中心(MSC)组成,它与市话网(PSTN)通过中继线相连接。z基站和移动台设有收、发信机和天馈线等设备。z移动业务交换中心主要是提供路由进行信息处理和对整个系统的集中控制管理。z每个基站都有一个可靠通信的服务范围,称为无线小区。z无线小区的大小,主要由发射功率和基站天线的高度决定。z服务面积可分为大区制和小区制。大区制是指一个城市由一个无线区覆盖,此时基站发射功率很大,无线区覆盖半径可达25km以上。小区制一般是指覆盖半径为210km的区域,由多个无线区链合而成整个服务区的制式,此时,基站发射功率很小。z目前发展方向是将小区划小,成为微区、宏区和毫区,其覆盖

10、半径降至100m左右。1.3 移动通信系统的组成和工作原理1.3.2工作原理:z移动台是用户直接接触的设备z移动台和基站之间是无线传输z移动业务交换中心主要负责处理信息和整个系统的集中控制管理z服务区内任意两个移动用户之间的通信需经基站,移动业务交换中心和中继线转接传输;z移动业务交换中心通过中继线与市话网相连,可实现移动用户和固定用户之间的通信;z构成一个有线和无线相结合的移动通信网.1.4 移动通信的基本技术1.4.1调制技术z泛欧数字移动通信系统GSM-高斯滤波最小频移键控(GMSK)z美国和日本的数字移动通信系统-四相移相键控(QPSK)1.4.2多址技术zFDMAzTDMAzCDMA

11、1.4.3 话音编码技术z话音编码的类别:y波形编码y声源编码y混合编码zGSM话音编码:y带有长期预测的规则脉冲激励线性预测编码(RPE-LTP)1.4.4 抗衰落、抗干扰技术z基本概念y多径衰落y多普勒效应y阴影效应y互调干扰y同频干扰y邻频干扰z分集技术y时间分集y空间分集y频率分集1.4.5 信道编码和交织技术z信道编码为改善数字信息在传输过程中由于各种噪声和干扰造成的误差,提高系统的可靠性y分组码y循环冗余校验码(CRC)y卷积码z交织技术能分散误差z跳频技术1.4.6组网技术参考GSM移动通信系统网络结构框图分析1.5 移动通信的发展z移动无线电话在20世纪早期偶尔被海军和海洋部门

12、用于通信，在60年代，改进型移动电话系统开始安装，在80年代移动通信开始盛行。 z 移动通信的发展大致可分为:y第一代移动通信系统y第二代移动通信系统y第三代移动通信系统1.5.1 模拟时代- 第一代移动通信系统z模拟系统：如AMPS和TACS系统z主要采用频分多址技术FDMA（Frequency Division Multiple Access）z模拟系统的系统容量小，FDMA技术在信道之间必须有警界波段来使站点之间相互分开，这样在警界波段就会成很大的带宽浪费。z模拟系统的安全性能很差，任何有全波段无线电接收机的人都可以收听到一个单元里的所有通话。z模拟系统主要以语音业务为主，基本上很难开展

13、数据业务。1.5.2 数字时代-第二代移动通信系统z主要采用时分多址TDMA技术 或者是窄带码分多址CDMA技术，如中国移动的GSM系统和中国联通正在大规模铺设的窄带CDMA网络。zGSM系统是由欧洲提出的二代通信标准，经过十余年的发展，GSM取得了空前的成功，目前，其市场份额已超过全球移动用户的60%以上zCDMA移动通信技术是由美国提出的二代移动通信系统标准，CDMA技术最早是被军用设备所采用，直接扩频和抗干扰性是其突出的特点1.5.2 数字时代-第二代移动通信系统z 二代通信系统的核心网仍然以电路交换为基础，因此，语音业务仍然是其主要承载的业务z 随着各种增值业务的不断增长，二代系统也可

14、以传输低速的数据业务。z 对移动通信来说，数字传输比模拟传输有几个优点，y声音、数据和传真可集成在一个系统中；y信号压缩算法的提高，每信道所需的带宽会越来越窄；y可采用纠错码技术提高通信质量；y可对数字信号进行加密以确保安全。z 目前第二代移动通信系统正在得到广泛的使用。 1.5.3 3G时代 -第三代移动通信系统z虽然第二代移动通信系统解决了模拟系统的系统容量小、频谱利用率低等一些方面的不足至处，但是，随着对通信业务种类和数量需求的剧增，业务类型主要限于语音和低速数据的第二代移动通信系统也已经不能满足未来发展的需要，因此，ITU提出了大容量、高速率、全方位的第三代移动通信的概念.z由于3G的

15、提出除了要进一步提高话音质量外，最主要的目的是为了满足日益增长的数据通信、视频传输、个性化服务等等，因此，最关键的的环节也就是提高移动通信的传输速率。1.5.3 3G时代 -第三代移动通信系统z目前国际电联公开的3G标准有三个：欧洲和日本共同提出的WCDMA、美国以高通公司为代表提出的CDMA2000以及中国以大唐集团为代表提出的TD-SCDMA，y这些标准在核心网中都采用分组交换方式，采用CDMA技术解决无线端口问题。z目前，3G系统还处于试验期，还没有开始大规模的建设和应用。3G的主要特点有： y 世界范围内高度共同性的设计。 y 具有高速和多种速率传输能力,在广域覆盖下的最高速率达384

16、Kbps，本地覆盖下的最高速率为2048Kbps。 y 多媒体应用能力，多种业务能力和多种终端。 y 实现全球覆盖和全球无缝漫游。 y 具有较高的频谱利用率。 y 具有较高的QOS。 y 具有很高的兼容性、灵活性和安全性。 y 具有突出的个性化服务。 1.6 无线电波的频段划分无线电波的频段划分无线通信系统的频段划分无线通信系统的频段划分电波传播的常见类型电波传播的常见类型1.7 不同的无线通信系统不同的无线通信系统1、广播、广播2、寻呼系统、寻呼系统3、蜂窝系统、蜂窝系统4、无绳电话、无绳电话5、WLAN6、卫星通信、卫星通信不同无线通信应用的不同需求不同无线通信应用的不同需求1、数据速率的

17、不同需求、数据速率的不同需求2、覆盖范围和用户数目、覆盖范围和用户数目数据速率和覆盖范围的关系数据速率和覆盖范围的关系3、移动性、移动性数据速率与移动性的关系数据速率与移动性的关系4、能量关系、能量关系5、频谱的使用、频谱的使用6、传输的方向、传输的方向7、服务质量、服务质量1.8 标准化蜂窝系统的简介标准化蜂窝系统的简介什么是蜂窝系统？什么是蜂窝系统？蜂窝概念的由来蜂窝概念的由来大区制与小区制的区别大区制与小区制的区别什么是频率复用？什么是频率复用？频率复用的例子频率复用的例子标准化的蜂窝系统经历了哪些阶段？各代系统及其标准化示意图各代系统及其标准化示意图1G模拟通信系统的特点2G数字蜂窝系

18、统数字蜂窝系统3G通信系统通信系统4G4G网络的发展里程网络的发展里程1G语音语音2G语言、短信语言、短信2.5G通讯、娱乐通讯、娱乐3G通讯、娱乐、商务通讯、娱乐、商务4G4G9.6K9.6K100M100M模拟模拟115K115K2M2M物理网络层物理网络层中间环境层中间环境层应用网络层应用网络层中间环境层的功能有QoS映射、地址变换和完全性管理等。 物理网络层提供接入和路由选择功能，它们由无线和核心网的结合格式完成。 物理网络层与中间环境层及其应用环境之间的接口是开放的，它使发展和提供新的应用及服务变得更为容易，提供无缝高数据率的无线服务，并运行于多个频带。这一服务能自适应多个无线标准及

19、多模终端能力，跨越多个运营者和服务，提供大范围服务。 z1、实现了控制与承载的分离，MME负责移动性管理、信令处理等功能，S-GW负责媒体流处理及转发等功能;z2、核心网取消了CS(电路域)，全IP的EPC(EvolvedPacketCore，移动核心网演进)支持各类技术统一接入，实现固网和移动融合(FMC)，灵活支持VoIP及基于IMS多媒体业务，实现了网络全IP化;z3、取消了RNC，原来RNC功能被分散到了eNodeB和网关(GW)中，eNodeB直接接入EPC，LTE网络结构更加扁平化，降低了用户可感知的时延，大幅提升用户的移动通信体验;4G4G网络架构的变化网络架构的变化z4、接口连

20、接方面，引入S1-Flex和X2接口，移动承载需实现多点到多点的连接，X2是相邻eNB间的分布式接口，主要用于用户移动性管理;S1-Flex是从eNB到EPC的动态接口，主要用于提高网络冗余性以及实现负载均衡;z5、传输带宽方面：较3G基站的传输带宽需求增加10倍，初期200-300Mb/s，后期将达到1Gb/s。 第四代移动通信系统的关键技术包括信道传输；抗干扰性强的高速接入技术、调制和信息传输技术；高性能、小型化和低成本的自适应阵列智能天线；大容量、低成本的无线接口和光接口；系统管理资源；软件无线电、网络结构协议等。第四代移动通信系统主要是以正交频分复用（OFDM）为技术核心。OFDM技术

21、的特点是网络结构高度可扩展，具有良好的抗噪声性能和抗多信道干扰能力，可以提供比目前无线数据技术质量更高（速率高、时延小）的服务和更好的性能价格比，能为4G无线网提供更好的方案。例如无线区域环路（WLL）、数字音讯广播（DAB）等，都将采用OFDM技术。 1.OFDM(正交频分复用)技术，实际上是MCM多载波调制的一种，其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制在每个子信道上进行传输。2.软件无线电(SoftwareDefinedRadio，简称SDR)，就是采用数字信号处理技术，在可编程控制的通用硬件平台上，利用软件来定义实现无线电台的各部分功能。3.

22、智能天线，为波束间没有切换的多波束或自适应阵列天线。多波束天线与固定波束天线相比，天线阵列的优点是除了提供高的天线增益外，还能提供相应倍数的分集增益。4G网络几个关键的技术指标网络几个关键的技术指标4.IPv6，4G通信系统选择了采用基于IP的全分组的方式传送数据流，因此IPv6技术将成为下一代网络的核心协议。选择IPv6协议主要基于以下几点的考虑：巨大的地址空间、自动控制、服务质量(QoS)、移动性。5.MIMO(多输入多输出技术)技术，是近年来热门的无线通讯技术之一。4G系统采用了MIMO技术，即在基站端放置多个天线，在移动台也放置多个天线，基站和移动台之问形成MIM0通信链路。1 1、系

23、、系统参数统参数的比的比较较2、通信格局的变化、通信格局的变化 3G的网络是严格的分层结构,一般包括核心网、接入网和用户设备三部分。4G将采用单一的全球范围的蜂窝核心网来取代3G中密密麻麻的蜂窝网络,其采用全数字全IP技术。这是从网络内智能化及网络边缘智能化向全网智能化的发展。3G移动通信系统4G移动通信系统3 3、核心技术的不同、核心技术的不同z3G系统主要以CDMA为核心技术。CDMA是将相互正交的不同的码分配给不同用户调制信号,实现多用户同时使用同一频率接入系统。z4G系统的核心技术OFDM属于多载波调制(MCM),它将指配的信道分成许多正交子信道,在每个子信道上进行窄带调制和传输,同时要求信号带宽小于信道的相关带宽。4G4G网络的优势网络的优势 2 2、网络频谱网络频谱更更宽宽活活 3 3、通信更加、通信更加灵灵，实现实现更高更高质质量的多媒量的多媒体通信，体通信，4 4、智能性能更高、智能性能更高频频率，使用效率更高率，使用效率更高5 5、