移动通信第1章

1、信息科学与工程学院信息科学与工程学院中心实验室中心实验室郑佑轩第1章 绪论 6第2章 调制解调 6第3章 移动信道的传播特性 6第4章 抗衰落技术 6第5章 组网技术 6第7章 时分多址(TDMA）数字蜂窝网 6第8章 码分多址（CDMA）移动通信系统（一） 6第9章 码分多址（CDMA）移动通信系统（二） 61. 啜钢.移动通信原理与系统. 北京：北京邮电大学出版社2. 吴伟陵,牛凯.移动通信原理.北京：电子工业出版社3. 章坚武.移动通信.西安:西安电子科技大学出版社6. 杨家玮.移动通信基础.北京：电子工业出版社. 7. 陆德学.数字移动通信系统.北京：北京邮电大学出版社.4. 移动通信

2、论坛 http：/ 通信人家园 http：/ 李仲令等.现代无线与移动通信技术.北京:科学出版社1. 了解移动通信的基本概念、特点;2. 熟悉常用移动通信系统、分类和基本工作过程;3. 理解单工、双工和半双工通信的特点；4. 熟悉移动通信的基本技术及蜂窝网络接口。第1章 概论 移动通信与发展简述 就通信而言，个人通信（Personal Communications）是其最高目标，它是用各种可能的网络技术实现任何人（Whoever）、在任何时间（Whenever）、任何地点（Wherever）与任何人（Whoever）进行任何种类（Whatever）的交换信息。 移动通信是指通信的双方至少有一方

3、是在移动中进行信息传输和交换。包括移动体（车辆、船舶、飞机或行人）和移动体之间的通信移动体和固定体之间的通信。 移动通信是最有可能实现个人通信的一种通信方式，而陆地蜂窝移动通信是当今移动通信发展的主流和热点。移动通信示意图第1章 概论 1.1 移动通信主要特点（1） 与其他通信方式相比，移动通信具有以下基本特点：与其他通信方式相比，移动通信具有以下基本特点： 1移动通信必须利用无线电波进行信息传输 移动通信具有允许通信中的用户可在一定范围内自由活动，位置不受束缚的优点。但在移动通信时会受到各种快慢衰落及多普勒效应影响,其无线电波的传播特性一般都很差。 2移动通信是在复杂的干扰环境中运行的,会受

4、到各种干扰 除会受到如天电、工业和信道噪声等外部干扰外，系统本身和不同系统之间，也会产生邻道干扰、互调干扰、共道干扰、多址干扰，以及近地无用强信号压制远地有用弱信号产生的远近效应、多普勒效应等。 3可以利用的频谱资源非常有限，而通信业务需求却与日俱增 移动通信网络的通信业务量的需求与日俱增，而网络可使用频率，特别是公用移动通信网的可利用频谱资源有限，要求在频率的利用上采用新的技术与措施。如何提高频谱的利用率，对有限频谱的合理分配和严格管理是当前移动通信管理的重要内容。 4网络结构多种多样，网络管理和控制必须有效 移动通信的多种系统及不同的网络组织以及对各种信号、信令的接入与控制，不同的网络管理

5、具有的复杂性，必须有效的对网络进行管理和控制。 1.1 移动通信主要特点（2） 5移动通信设备必须适于在移动环境中使用 对移动台手持机的主要要求是体积小、重量轻、省电、操作简单和携带方便及一般性的防潮、防磕碰等。对车载台与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、高低温变化和光线变化、电磁、雷电等恶劣环境中正常使用或工作，基站(基地台)设备必须能适应在高低温度（温差大）、高湿、干躁及无人值守等复杂环境下的工作。1.1 移动通信主要特点（3）* 移动通信使用的频段无线电磁波以频率或波长来分类，无线电频段的划分如下表频段频率范围波长范围长波30 300 kHz10000 1000 m

6、中波300 3000 kHz1000 100 m短波3 30 MHz100 10 m超短波（特高频）30 300 MHz10 1 m微波分米波300 3000 MHz100 10 cm厘米波3G 30 GHz10 1 cm毫米波30G 300 GHz10 1 mm红外线（光波） 300 GHz 1 mm 电磁波频率(或波长)不同，其空间传播的特性也不一样，因而用途也有不同:n长波绕射能力最强，靠地波传播，长波电台主要用于海上通信。n中波较稳定，主要用于短距离通信与电台广播。n短波利用电离层反射进行远距离传播，主要用于短波通信和 短波广播。n微波波长短，接近于光波，是直线传播，要求两个通信点、（

7、信号转接点）间无阻挡，即所谓的视距通信 无线电的频谱是宝贵资源，在频率的分配和使用上必须服从国际和国内的统一管理。中国公用移动通信网络工作频段（中国公用移动通信网络工作频段（原邮电部规定）原邮电部规定）150 MHz频段138149.9 MHz （移动台发、基站收）150.05167MHz （基站发、移动台收）450 MHz频段 403420 MHz （移动台发、基站收）450470 MHz （基站发、移动台收）900 MHz频段890915 MHz （移动台发、基站收）935960 MHz （基站发、移动台收）800 MHz频段824849 MHz （移动台发、基站收）869894 MHz

8、（基站发、移动台收）中国电信 CDMA2000 1920-1935MHz 2110-2125MHz中国联通 WCDMA 1940-1955MHz 2130-2145MHz中国移动 TD-SCDMA 1880-1900MHz 2010-2025MHz LTE 2500MHz2690MHz频段划为TDD工作频率 2300MHz2400MHz频段主要用于室内中国国家移动通信使用的3G与4G 无线频段分配第1章 概论 1.2.1 工作方式 无线通信的传输方式分单向传输(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。 1.1.单工通信单工通信 是指

9、通信双方电台交替地进行收信和发信。双方的操作采用“按-讲”（push to talk，PTT）方式。平时，双方接收机均处于守听状态。如果A方需要发话，可按下PTT开关，本方发射机工作，并将接收机关闭。这时由于B方接收机处于守听状态，即可实现由A至B(方向)的通话；同理，也可实现B至A(方向)的通话。在该方式中，电台的收发信机是交替工作的，故收发信机不需要使用天线共用器，而是使用同一副天线。 单工通信常用于点到点的通信，见后图示。PPTPPT单工通信方式图1-11-1 单工通信 根据收、发频率的异同又可分为同频单工和异频单工。同频是指通信双方，使用相同工作频率（f1）；异频单工。是指通信双方使用

10、两个不同频率f1和f2，而操作仍采用“按讲”方式。 同频单工的优点： 设备简单； 移动台之间可直接通话，不需基站转接； 不按键时发射机不工作，因此功耗小。 同频单工的缺点： 只适用于组建简单和较小容量的通信网； 当有两个以上移动台同时发射时就会出现同频干扰； 当附近有邻近频率的电台发射时，易造成强干扰。为避免干扰，要求相邻频率的间隔大于4MHz，因而频谱利用率低； 按键发话，松键受话，使用者不很习惯。 异频单工优缺点与同频单工基本相同,由于收发使用不同的频率，同一部电台的收发信机可以交替工作，也可以收常开，只控制发，即按下PTT发射。在无基地台转发的情况下，电台频率需配对使用，否则通信双方无法

11、通话。故这种方式主要用于有基地台转发（单工转发或双工转发）的情况。 所谓单工转发，即基地台使用一组频率（如收用f1，发用f2），一旦接收到载波信号即转去发送。 所谓双工转发, 即基地台使用两组频率（一组收用f1，发用f2；另一组收用f3，发用f4），任一路一旦接收有载波信号即转去发送。 2. 2. 双工通信双工通信 是指通信的双方可同时进行传输消息的工作方式，也称全双工通信。如后图1-2示，图中基地台发射机与接收机分别各使用一副天线，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来实施频分双工（FDD）工作方式。这种工作方式使用方便，类同于平时打有线市话，接收和发射同时进行。 异频双工

12、制的优点：异频双工制的优点： 收发频率分开可大大减小干扰； 用户使用方便。 异频双工制的缺点：异频双工制的缺点： 移动台在通话过程中总是处于发射状态，因此功耗大； 移动台之间通话需占用两个频道； 设备较复杂，价格较贵。在无基地台转发的情况下，异频双工电台需配对使用，否则通信双方无法通话。 双工通信方式图1-21-2 双工通信 3. 3. 半双工制半双工制 与双工组成图相似，移动台采用单工的按讲模式,即按下PTT键,发射机才工作,而基地台接收机总是工作，基地台工作情况与双工方式完全相似。后图示基地台（A）使用一组频率，而移动台（B）采用单工制，主要用于有基地台的无线调度系统。 半双工制的优点：

13、移动台设备简单，价格低，耗电少； 收发采用不同频率，提高了频谱利用率； 移动台受邻近电台干扰小。 其缺点是移动台仍需按键发话，松键受话，使用不方便。 由于收发使用不同的频率，同一部电台的收发信机可以交替工作，也可以收常开，只控制发，即按下PTT发射。在基地台转发的系统中，移动台必须使用该方式。 半双工通信方式TARTBRf1f2f2f1天线共用器送话器受话器发射机接收机基地台移动台PTT图1-31-3 半双工通信1.2.2 模拟网和数字网 习惯上人们把模拟通信系统(包括模拟蜂窝网、模拟无绳电话与模拟集群调度系统等)称作第一代通信产品，而把数字通信系统(包括数字蜂窝网、数字无绳电话、移动数据系统

14、以及移动卫星通信系统等)称作第二代通信产品。 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。 (2) 能提供多种业务服务， 提高通信系统的通用性。 (3) 抗噪声、抗干扰和抗多径衰落的能力强。 (4) 能实现更有效、灵活的网络管理和控制。 (5) 便于实现通信的安全保密。 (6) 可降低设备成本和减小用户手机的体积和重量。 第1章 概论 1.3 常用移动通信系统典型移动通信系统可分为下述五种：无线寻呼系统（BB机）；蜂窝移动通信系统；无绳电话系统；集群移动通信系统；移动卫星通信系统。1.3.1 无线电寻呼系统 无线寻呼系统： 是自动电话网的延伸，通过电话网和无线

15、寻呼，实现自动电话对单个寻呼用户或群体寻呼用户的单向寻呼。缺点是通信双方不能直接利用它对话,优点是袖珍接收机小巧玲珑,价格低廉,携带方便,在发展中国家有一定市场。 图1-41-4 无线电寻呼系统示意图 1.3.2 蜂窝移动通信系统 蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 是将整个服务区划分成若干个较小的区域，并进行无缝隙衔接覆盖。各个小区(基站)均用较小功率的发射机。当前有公用模拟、数字式两种蜂窝电话系统。图1-51-5 小区覆盖示意图图1-61-6 蜂窝系统的频率再用图1-7 蜂窝移动通信系统示意图几种模拟蜂窝移动通信系统1.3.3 无绳电话系统 简单的无绳电话机是把普通的电话单机分成座机和手机两

16、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，可允许携带手机的用户在一定范围内活动时进行通话。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。 市话局用户线座机普通话机图1-91-9 无绳电话系统示意图几种无绳电话系统的主要参数 1. 集群的概念 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，以达到容纳更多的用户目的； 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

17、用户占用该频道。 1.3.4 集群移动通信系统 2. 2. 集群系统的用途和特点集群系统的用途和特点 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。而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通信，一般不分优先等级。 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秒(可根据业务情况调整)。而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。蜂窝通信系统有大量的无线用户与有线用户之间的通话业务，而在集群通信系

18、统中只允许占总业务量5%10%的无线用户与有线用户之间的通话业务。 集群通信系统一般采用半双工工作方式，因而，一对移动用户之间进行通信只需占用一对频道。 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。 3. 集群系统的组成 集群系统均以基本系统为模块，并用这些模块扩展为区域网。根据覆盖的范围及地形条件，基本系统可由单基站或多基站组成。 集群系统的控制方式有两种：即专用控制信道的集中控制方式和随路信令的分布控制方式，分别如后图1-10的(a)和(b)所示。 系 统 管 理终 端系统控制中心（SCC）电话互联器转发器1

19、转发器2转发器 M调度台调度台天线共用设备移动台1移动台 N手机调度台PSTNPABX基站 （BS）（ a）系 统 管 理终 端无线网络终端RNT其它系统或RNT调度台PABX或PSTN逻辑控制单元(LCU)转发器1LCU转发器2LCU转发器 M天线共用设备移动台1移动台 N手机调度台（ b）基站 （BS）图1-10 1-10 集群网络的基本结构 (a)(a) 集中控制方式集群网络的基本结构 (1)系 统 管 理终 端系统控制中心（SCC）电话互联器转发器1转发器2转发器 M调度台调度台天线共用设备移动台1移动台 N手机调度台PSTNPABX基站 （BS）（ a）系 统 管 理终 端无线网络终

20、端RNT其它系统或RNT调度台PABX或PSTN逻辑控制单元(LCU)转发器1LCU转发器2LCU转发器 M天线共用设备移动台1移动台 N手机调度台（ b）基站 （BS）图1-101-10 集群网络的基本结构 (b)(b)分布控制方式 集群网络的基本结构 (2) 转发器：由收发信机和电源组成。每频道均配一个转发器（对分布式控制器每个转发器均有一个逻辑控制单元）。 天线共用设备：包括天线、馈线和共用器。 系统控制中心(系统控制器)：分布式控制系统虽无控制中心，在联网时，可通过无线控制终端。 调度台：分为无线调度台和有线调度台。无线台由收发信机、控制单元、操作台、天线和电源等组成；有线台可以是电话

21、机或带显示的操作台。 移动台:可以是车载台或手机。它们均由收发信机、控制单元、天线和电源等组成。 集群系统（组成）的基本设备与作用 4. 4. 集群方式集群方式 按通信占用频道的方式,集群可分为消息集群、传输集群、和准传输集群等三种方式。 (1) (1) 消息集群消息集群(Message Trunking)(Message Trunking) 图1-111-11 消息集群的典型呼叫格式 暂停移动台1发射移动台2应答暂停移动台1发射移动台3应答脱离时间消息时间22 s总的传输时间28 s4 s2 s4 s2 s4 s暂停2 s4 s6 s信道1(2) (2) 传输集群传输集群(Transmiss

22、ion Trunking)(Transmission Trunking) 图1-12 1-12 传输集群的典型呼叫格式 (3) (3) 准传输集群准传输集群(Quasi Transmission Trunking)(Quasi Transmission Trunking) 移动台1发射4 s4 s信道1信道可再分配移动台3应答信道可用总的传输时间18 s信道可用移动台2应答信道可再分配信道24 s0.5 s0.5 s移动台1发射4 s0.5s0.5s图1-131-13 准传输集群的典型呼叫格式 集群通信三种典型呼叫格式特点比较 1.消息集群呼叫格式：每一次呼叫通话期间，一次性分配一对无线频道，

23、当通话完毕松开PPT开关后，转发器继续在该频道上工作6s，才算完成此次接续过程，其优点占用频道少；缺点造成占用信道时间相对过长。 2.传输集群呼叫格式：通话过程中, 非占用某一个频道，既当发话一方松开PPT时,对这一频道的占用结束,而对方回答或本方再发话时,都需重新分配并占用新的空闲频道。其优点可充分利用空闲频道,提高频道利用率,缺点是在通话过程中因反复要松按PPT,重新占用新的空闲频道,有可能会导致消息传输不连续或通话中断现象发生。 3.准传输集群呼叫格式：是为克服传输集群呼叫缺点的一种改进方式，也是传输集群与消息集群两种呼叫格式的折中方案。其一是将消息集群呼叫的脱离时间缩短为0.5s2s；

24、其二是将传输集群在每次松开PPT后增加0.5s保持时间，再行释放频道，改善了传输不连续或通话中断现象的发生。其频率利用率略低于传输集群方式。部分集群移动通信系统的主要参数 移动卫星通信是指地球上（包括地面和低层大气中）的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信。 移动卫星通信系统由卫星设备和地球设备两部分组成。具有通信范围大，不易受陆地灾害影响，通信可靠性高等特点。是远洋航运部门海事通信、探险、勘探和救灾部门使用的应急通信电话。 移动通信卫星根据距地球轨道距离运行可分为同步、中低轨道卫星。 覆盖地球的通信卫星数量与其轨道的高低有关,轨道越低所需求的卫星数目就越多。 1.3.5 移动卫星通信系

25、统图1-12 铱系统卫星轨道示意图 铱系统通信卫星 由美国Motorola公司提出，开始计划设置7条园形轨道均匀分布在地球极地方向，每条轨道上有11颗卫星。现采用6条轨道，共66颗卫星在地球上空运行。轨道高度780Km，工作于L波段。采用TDMA和TDD方式，能提供话音、数据和寻呼服务。 低轨道移动卫星通信系统的部分参数低轨道移动卫星通信系统的部分参数 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

26、路由信息等；正文是真正需要传送的信息。 分组方式是存储转发方式的一种，用户终端必须先把要传送的信息、分段，加上包头以构成分组，才能送上无线信道进行传输（会产生额外时间延迟）。 分组传输能适应不同网络结构的应用。较常见的网络结构有星形结构和分布式结构。后示图为最早由美国夏威夷大学开发的一种分组无线网结构(ALOHA协议),它处于OSI模型中的数据链路层。 1.3.6 分组无线网数据终端分组无线电台中继站集中器计算中心图1-13 ALOHA1-13 ALOHA系统简图 世界上各国都在致力于发展移动数据通信网络，其中大都以分组传输技术为基础。例如： (1) ARDIS系统(先进的无线电数据信息设备)

27、。 (2) Mobitex系统(全国性互连的集群无线电网络)。 (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。 几种移动数据设备的特性和参数 1.4 移动通信的基本技术 1.4.1 调制技术 数字调制的基本类型分为振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）或综合而得到的新型调制技术。 下述两类数字调制方式在实际应用中用得最多： （1）线性调制技术。要求通信设备从频率变换到放大和发射过程中保持充分的线性。这类调制方式可获得较高的频谱利用率，主要包括PSK、QPSK、OQPSK、/4DQ

28、PSK和MPSK。 （2）恒定包络(连续相位)调制技术。是已调信号具有相对窄的功率谱和对放大设备没有线性要求。主要包括MSK、GMSK、GFSK和TFSK等。 另外还有获得迅速发展的数字调制技术是振幅和相位联合调制(QAM)技术和4G要采用的正交频分复用（OFDM）技术等。1.4.3 多址方式 多址方式是指一种发生无线界面的复用接入技术。多址方式的基本类型有频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)。采用什么样的多址方式取决于通信系统的应用环境和要求。 现代移动通信系统实际常用的这三种基本多址方式的混合多址方式，如频分多址/时分多址(FDMA/TDMA)、频分多址/码分多

29、址(FDMA/CDMA)、时分多址/码分多址(TDMA/CDMA)等。 此外，随着数据业务的需求日益增长，另一类称为随机多址方式的如ALOHA和载波检测多址(CSMA)等也日益得到广泛应用，其中也包括固定多址和随机多址的综合应用。 1.4.4 抗干扰措施 利用信道编码进行检错和纠错(包括前向纠错FEC和自动请求重传ARQ)以降低通信传输的差错率，保证通信质量和可靠性； 为克服由多径干扰所引起的多径衰落，广泛采用分集技术(包括空间分集、频率分集、时间分集以及RAKE接收技术等)、自适应均衡技术和选用具有抗码间干扰和时延扩展能力的调制技术(如多电平调制、多载波调制等)； 为提高通信系统的综合抗干扰

30、能力而采用扩频和跳频技术； 为减少蜂窝网络中的共道干扰而采用扇区天线、多波束天线和自适应天线阵列等； 在CDMA通信系统中，为减少多址干扰而使用干扰抵消和多用户信号检测器技术。 1.4.5 组网技术 1.1.网络结构网络结构 通信网络基本组成部分应包括基站、移动台、移动交换中心、网络控制中心和操作维护中心等。下图给出数字蜂窝通信系统的网络结构。MSCHLRVLRAUCOMCEIRBTS BSCMSCPDNPSTNISDN固定网BSSMSMS图1-14 1-14 数字蜂窝通信系统的网络结构 网络结构图中： MSC：移动交换中心； BSC：基站控制器； BTS：基站收发信台； MS：移动台； HL

31、R：归属位置寄存器； VLR：访问位置寄存器； EIR：设备标志寄存器； AUC：认证中心； OMC：操作维护中心。 网络通过移动交换中心(MSC)还与公共交换电话网(PSTN)、 综合业务数字网(ISDN)以及公共数据网(PDN)相连接。 2. 2. 网络接口网络接口 接口主要用于网络内各功能实体进行连接，同一通信网络的接口须符合统一的接口规范。下图给出蜂窝系统所用的各种接口。 MSBSMSCVLRMSCVLREIRHLRSmUmAbisABECFGD图 1-151-15 蜂窝系统所用的接口 3. 3. 网络的控制与管理网络的控制与管理 当移动台工作时，移动网络将按照预定程序开始运转，其过程

32、会涉及到网络包括基站、移动台、移动交换中心、各种数据库及网络各个接口等在内的各个功能部件。要完成： 为用户呼叫配置所需的控制信道和业务信道； 指定和控制发射机的功率； 进行设备和用户的识别和鉴权； 完成无线链路和地面线路的连接和交换； 最终在主呼用户和被呼用户之间建立起通信链路，提供通信服务。 （1）当某一移动台在接入信道上作为主呼或被呼时，移动通信系统通过连接控制(或管理)功能，在主呼和被呼台之间建立起通信链路，完成呼叫接续过程。 （2）对移动用户漫游进行管理。如完成对移动台位置信息进行登记修改或删除，对通信过程中越区切换、指配新的服务基站及指定新的频率或信道、更换原有地面线路等进行管理等。 （3）对无线