移动通信第1讲概论课件

1、移动通信欢迎大家选修这门课任课教师：罗清龙Mobile Communication课程安排40学时；4个实验，安排在十月份；开卷考试；第2页2022/8/7课程内容移动通信的原理部分： 移动信道特性、抗衰落技术、组网技术等；移动通信的实例部分： GSM系统、CDMA系统等；第3页2022/8/7第4页2022/8/7参考教材第5页2022/8/7目 录第1章 概论 (2)第2章 调制解调 第3章 移动信道的传播特性 (3)第4章 抗衰落技术 (1)第5章 组网技术 (4)第6章 频分多址(FDMA)模拟蜂窝网 第7章 时分多址(TDMA)数字蜂窝网 (4)第8章 码分多址(CDMA)移动通信系

2、统(一) (4) 第9章 码分多址(CDMA)移动通信系统(二) (1)第10章移动通信的展望个人通信 (1)移动通信-现代通信手段现代生活移动通信移动通信？与有线通信有何区别？应用？第8页2022/8/7第一章 概论1.1 移动通信的主要特点1.2 移动通信的分类1.3 常用移动通信系统1.4 移动通信的基本技术第9页2022/8/7过去曾被用来区分任何在使用中可以移动的无线终端；近来用于描述可以在任何高速平台上使用的无线终端。快速运动的汽车火车飞机舰船 移动（Mobile）第10页2022/8/7通信的一方或双方在移动中进行信息传输和交换. 可描述为：移动终端 固定基站 固定骨干网络 的通

3、信。移动通信第11页2022/8/7移动无线系统范例家用电器遥控器无绳电话手持对讲机寻呼机（BP机）蜂窝电话（手机或大哥大）集群通信第12页2022/8/71.1 移动通信的主要特点(1) 无线电波传输信息(2) 复杂的干扰环境(3) 频谱资源有限(4) 多种多样的网络结构(5) 移动的环境第13页2022/8/71.1 移动通信的主要特点(1) 无线电波传输信息弥散损耗阴影效应多径效应电平衰落、时延扩展多普勒频移随机调频电波传播特性快速随机起伏严重影响通信质量第14页2022/8/71.1 移动通信的主要特点(2) 复杂的干扰环境外部干扰（天电、工业干扰、信道噪声）邻道干扰互调干扰共道干扰多

4、址干扰远近效应第15页2022/8/71.1 移动通信的主要特点(3) 频谱资源有限 解决的方法开辟和启用新的频段。研究各种新技术和新措施，压缩带宽，提高频谱利用率。有限频谱的合理分配和严格管理。第16页2022/8/71.1 移动通信的主要特点(4) 多种多样的网络结构带状（铁路、公路沿线）面状（城市或地区）立体状（地面通信与卫星通信的综合系统）单网多网 要求网络管理和控制有效。第17页2022/8/71.1 移动通信的主要特点(5) 移动的环境手机：体积小、重量轻、省电、操作简单、便携。车载/机载台：抗震、抗冲击、抗高低温。第18页2022/8/7按使用对象：民用（如蜂窝系统），军用按经营

5、方式：公用网，专用网按组网方式：大区制， 小区制按信号方式：模拟， 数字按多址连接：FDMA，TDMA，CDMA按频道工作方式：单工，双工，半双工移动通信系统的分类1.2 移动通信系统的分类第19页2022/8/7 何谓 单工,双工,半双工? (1) 单工通信(one way communication) ：单向通信。通信双方交替进行收、发信。分同频单工和异频单工两种。(图1.1）(2) 双工通信(full-duplex communication)：通信双方同时发和收信息。使用一对同样的、但又相互独立的 频道（频分双工 FDD）； 或一条无线信道上相邻的 时隙（时分双工TDD）的工作方式。(

6、图1.2)单工，双工，半双工?1.2.1 工作方式第20页2022/8/7 何谓 单工,双工,半双工? 1.2.1 工作方式图1.1 单工通信 第21页2022/8/7 何谓 单工,双工,半双工? 1.2.1 工作方式图1.2 双工通信 第22页2022/8/7第一章 概 论二、一些无线系统术语8. 何谓 单工,双工,半双工? 后向信道 ( BCC )前向信道 ( FCC )频率时间频率间隔时间间隔(a) FDD在同一时间提供两个单工信道 (b) TDD在同一频率信道提供两个单工时隙后向信道 ( BCC )前向信道 ( FCC )第23页2022/8/7 何谓 单工,双工,半双工? (3) 半

7、双工(half-duplex communication) ：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。基站工作方式与双工方式完全相同。 1.2.1 工作方式第24页2022/8/7 第一代移动通信系统：模拟调频、频分多址 蜂窝网（公用移动通信系统） 集群（专用移动通信系统） 无绳电话第二代移动通信系统：数字传输、时分多址/码分多址 数字蜂窝系统 数字无绳电话系统 数字集群系统1.2.2 模拟网与数字网第25页2022/8/7 第三代移动通信系统：个人通信 话音 低速/高速数据 多媒体接口 支持面向电路和面向分组业务 工作在各种通信环境 更高的频谱效率和更

8、大的通信容量 与固网兼容 和现有移动通信网互连互通、全球漫游 网络结构可配置成不同形式 高级移动性管理1.2.2 模拟网与数字网第26页2022/8/7 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。1.2.2 模拟网与数字网第27页2022/8/71.2.3 话音通信与数据通信图 1.3 移动通信网络的分类 第28页2022/8/

9、71.3.1 无线寻呼系统1.3.2 蜂窝移动通信系统1.3.3 无绳电话系统1.3.4 集群移动通信系统1.3.5 移动卫星通信系统1.3.6 分组无线网1.3 常用移动通信系统第29页2022/8/71.3.2 蜂窝移动通信系统 一些无线系统术语基站 (BS): 移动无线系统中的固定台站，用来和移动台进行无线通信。基站建在覆盖区域的中央或边沿, 包括收、发信机和天线。移动交换中心 (MSC): 在大范围服务区域中协调呼叫路由的交换中心。在蜂窝系统中, MSC 将基站和用户连到公用电话网上。(图1.8）第30页2022/8/71.3.2 蜂窝移动通信系统 一些无线系统术语移动交换中心 (MS

10、C):图 1.8 越区切换示意图 第31页2022/8/71.3.2 蜂窝移动通信系统 一些无线系统术语切换(switching)：将移动台从一个信道切换到另一个信道的过程。漫游(roaming)：移动台可以在不是最初登记的其他区域内通信。前向信道(FCC)：基站向移动用户传送信息的无线信道。后向信道(BCC)：移动用户向基站传送信息的无线信道。第32页2022/8/71.3.2 蜂窝移动通信系统(1)大区制与小区制 早期的移动通信系统采用 大区制，即由一个基站, 通过高的天线塔( 30m )，一个大功率 ( 50-200 W）发射机和一个接收机，复盖较大服务区（半径 50 km） 。 大区制

11、的特点是： 基站设备简单； 无频率切换 ； 无线接入容易； 但系统不能重复使用相同频率。 如，70年代美国纽约开通的IMTS系统，网中只允许12对用户同时通话.第33页2022/8/71.3.2 蜂窝移动通信系统(2) 蜂窝系统 蜂窝（cellular）系统是解决频率不足和用户容量问题的一大突破。它能在有限频谱上提供大容量，而不需做技术上重大修改。（图1.5）第34页2022/8/71.3.2 蜂窝移动通信系统(2) 蜂窝系统图1.5 大区覆盖与小区覆盖第35页2022/8/71.3.2 蜂窝移动通信系统(2) 蜂窝系统蜂窝概念是一种系统的概念，其思想是：将一个大区划分为若干六边形小区（cel

12、l）, 每个小区设立基站 ( BS ) , 每个基站分配可用信道的一部分，其他小区使用另外不同的信道，这样基站（小区）之间的干扰就最小。由若干个小区构成：“ 区群 ” 或 “ 簇 ”（cluster），结构似 “蜂窝” 。因此称作 蜂窝系统。第36页2022/8/71.3.2 蜂窝移动通信系统(3) 频率复用（ Frequency Reuse）蜂窝移动系统依赖于整个复盖区内信道的智能分配和复用（图1.6）。频率再用/复用：图中标有相同字母的小区使用相同的频率组，不同字母小区意味着使用的载频不同。各小区所使用的频率其他簇相应的小区还可以再用。第37页2022/8/71.3.2 蜂窝移动通信系统(

13、3) 频率复用（ Frequency Reuse）图1.6 蜂窝系统的频率再用 第38页2022/8/71.3.2 蜂窝移动通信系统(4) 小区分裂（Cell splitting）系统容量：小区（频率组不变）； 单位面积容纳的用户数； 系统频率利用率小区分裂：把小区分割成更小的蜂窝状区域，减小新小区的发射功率、采用相同的频率再用模式；分裂后的新小区支持和原小区同样数量的用户；提高了系统单位面积的用户数。第39页2022/8/71.3.2 蜂窝移动通信系统(4) 小区分裂（Cell splitting）图1.6-2 小区分裂 第40页2022/8/71.3.2 蜂窝移动通信系统(4) 小区分裂（

14、Cell splitting）图1.6-3 蜂窝4分裂为更小的小区 第41页2022/8/71.3.2 蜂窝移动通信系统(5) 越区切换（handoff） 越区切换：移动用户在蜂窝区中快速运动时，用户之间的通话常常不会在一个小区中结束，可能跨越多个小区。移动台从一个小区进入另一个相邻的小区时，其工作频率及基站与移动交换中心的接续链路必须从它离开的小区转换到正在进入的小区。 移动电话交换局(MTSO)/移动交换中心(MSC)：控制和管理网络 对所在地区已注册登记的用户频道分配、建立呼叫、频道切换、系统维护、性能测试、存储计费信息等。 移动通信网和公共电话交换网的接口。 保证移动用户之间的通信，移

15、动用户和有线用户的通信。第42页2022/8/71.3.2 蜂窝移动通信系统(5) 越区切换（handoff）图1.7 蜂窝移动通信系统示意图第43页2022/8/71.3.3 无绳电话系统简单的无绳系统是将普通电话分成座机和手机两部分,由于手机与座机之间不需要联线，故称之为 无绳 ( wireless )。座机市话局图 1.9 无绳电话系统示意图 第44页2022/8/7无绳电话系统是使用无线链路来连接便携手机和基站的全双工系统。它是一种以有线电话网为依托的通信方式，也可以说是有线电话的无限延伸。无绳系统是从无绳电话开始的，图1.9-2说明了无绳电话系统：图1.9-2 无绳电话系统图例1.3

16、.3 无绳电话系统第45页2022/8/7无绳电话发展历程a. 第一代模拟无绳电话 ( CT0 , CT1 )：早期的无绳电话是模拟系统，主要在室内使用，通信距离只能达到几十米远；频谱利用率低，容量小，抗干扰能力和音质都较差。b. 第二代数字无绳电话系统 ( CT2 )：由于采用了语音编码，时分双工 (TDD) 等数字技术，同时采用了多频道共用和信道动态分配技术，系统容量和抗干扰能力都大大提高。 1.3.3 无绳电话系统第46页2022/8/7无绳电话发展历程b. 第二代数字无绳电话系统 ( CT2 )：英国最早将 CT2 投入商用。 CT2可以用于室外，基站 ( Telepoint ) 能覆

17、盖几百米的范围。CT2无绳电话系统只有单向呼叫能力，不能被叫且无越区切换和漫游功能。Motorola 推出二合一“手机”：CT2 + BP = 蜂窝大哥大1.3.3 无绳电话系统第47页2022/8/7无绳电话发展历程c. 第三代无绳电话系统 ( DECT ) ： 1992年欧洲电信标准协会 EITS公布了新的数字无绳通信标准:欧洲数字无绳电话系统 DECT (Digital European Cordless Telephone)。它的 技术更加先进，业务更加完善，系统容量更大，并且可实现 双向呼叫，漫游及切换功能 ，从而向 个人通信业务 又迈进了一大步。1.3.3 无绳电话系统第48页20

18、22/8/7无绳电话发展历程c. 第三代无绳电话系统 ( DECT ) ： DECT的应用范围：DECT提供的业务包括语音和数据业务 住宅无绳电话； 无绳 PBX (Private Branch Exchange)系统； 公共无绳系统； 无线本地环路。 DECT的技术特性：1.3.3 无绳电话系统专用小交换机第49页2022/8/7无绳电话发展历程d. 其他标准：PHS（日本）PACS（美国）中国数字无绳电话（CDCT）：国家 863高技术通信重大项目PAS（中国，小灵通）1.3.3 无绳电话系统第50页2022/8/7无绳电话发展历程总之：无绳通信与蜂窝移动系统都是为用户提供一定范围的可移动

19、性，但从组网上有很大差别。蜂窝移动通信具有自己独立的组网能力，无绳系统强调其接入能力，依附于其他通 讯 网 （公用电话网，蜂窝移动网， 数据通信网等）这样，系统造价低，便宜，用户易于接受。在欧洲、日本和亚洲得到较大发展。1.3.3 无绳电话系统第51页2022/8/7(1) 什么是集群系统？集群（ Trunking 中继）系统属调度性专用通信网，以无线用户为主，即以调度台与移动台之间的通话为主。集群通信系统是一种高级移动调度系统，代表着通信体制之一的专用移动通信网发展方向。追溯它的产生：集群的概念确实是从有线电话通信中的“中继”概念而来。1908年，E.C.Mo1ina发表的“中继”曲线的概念

20、等级，证明了一群用户的若干中继线路的概率可以大大提高中继线的利用率。“集群”这一概念应用于无线电通信系统，把信道视为中继。1.3.4 集群移动通信系统第52页2022/8/7(1) 什么是集群系统？集群通信系统：系统所具有的可用信道可为系统的全体用户共用，具有自动选择信道功能，它是共享资源、分担费用、共用信道设备及服务的多用途、高效能的无线调度通信系统.应用：出租汽车，工矿企业，车站,码头，机场，公安，电力系统等进行生产调度和指挥。由基站控制所属移动台构成专用无线电话系统。最初是众多移动用户共用一个频道， 任一用户都能听到调度台的呼叫，即所谓“一呼百应 ”系统，而移动用户之间不能直接通话。1.

21、3.4 集群移动通信系统第53页2022/8/7(2) 集群系统的特点（与蜂窝对比）：专用移动通信网，用户赋予不同的优先等级；调度业务，限时（1560秒）；无线用户和无线用户之间的通信；一般采用半双工方式（已有全双工产品）；主要是改进频道共用技术，蜂窝系统主要是采用频率再用技术。 说明：随着通信技术的发展，两种系统的特征都会不断发生变化，许多技术可以互相借鉴，服务要求不同，运行环境不同。1.3.4 集群移动通信系统第54页2022/8/7(3) 集群系统的组成 组成：基本系统，区域网，多区域网。 基本系统（单基站/多基站） 移动台（车载台和手机） 调度台 基站转发器 系统管理终端和控制部分 两

22、种基站结构 专用控制信道的集中控制方式 随路信令的分布式控制方式1.3.4 集群移动通信系统第55页2022/8/7(3) 集群系统的组成1.3.4 集群移动通信系统图1.10 集群网络的基本结构 (a) 集中控制方式PABX：专用自动小交换机PSTN：公共交换电话网第56页2022/8/7(3) 集群系统的组成1.3.4 集群移动通信系统图1.10 集群网络的基本结构 (b) 分布控制方式第57页2022/8/7(4) 集群方式消息集群传输集群准传输集群1.3.4 集群移动通信系统第58页2022/8/7移动卫星通信：在海上、空中、地形复杂而人口稀疏的地区就是利用不同地球轨道上的卫星进行通信

23、的方式。卫星轨道分：赤道(同步)地球轨道 (GEO) 非赤道(同步)地球轨道（NGEO)中低轨道卫星移动通信系统：非同步、卫星缓慢移动，卫星轨道越高，所需卫星数目越少。目前提出的各种实现卫星移动个人通信的系统，以美国的中、低轨道卫星移动系统最具代表性。1.3.5 移动卫星通信系统第59页2022/8/7 中低轨道卫星 “铱”(Iridium)系统于1998年联网运行, 后失败。 “全球星”(Globostar)系统于1999年提供服务； “中国轨道卫星”(ICO)系统在近些年投入使用。1.3.5 移动卫星通信系统第60页2022/8/7 “铱”系统简介： 原设计成77颗卫星分布在离地面785k

24、m上空的 7 个轨道上（类似铱原子结构） 。后改为：66颗卫星，分布在 6 条轨道上； 每颗卫星直径 1.2m , 高2.3m，寿命5年。在地面上形成 L 波段的48个波束（即地面的48个蜂窝小区）每个小区直径 648 km，总覆盖面积达 4000km, 平均每个信道重用200次。1.3.5 移动卫星通信系统第61页2022/8/7 “铱”系统简介： 铱系统采用了 FDMA / TDMA 混合多址连接，L波段按FDMA方式划分成12个信道，每个信道再用时分多址划分若干时隙分配给用户。 这样： 每颗星提供 48个 小区，每个小区平均 80个 信道，因此，每个卫星： 48 803840个 信道，按

25、设计：小区数为 2150个，则全球形成 172000 个信道。1.3.5 移动卫星通信系统第62页2022/8/7 “铱”系统简介： 卫星系统中用户 地面网络中用户主呼用户 卫星卫星 地面汇接站地面汇接站 有关地面网络 卫星系统中用户 卫星系统中用户主呼用户 上空卫星上空卫星 被呼用户上空卫星被呼用户上空卫星 被呼卫星用户1.3.5 移动卫星通信系统第63页2022/8/7 “铱”系统简介： 自动波束切换：正在服务的卫星移动/用户移动，离开用户所在地，另外一颗卫星进入该地区，自动由离开的卫星切换到进入的卫星，同蜂窝的越区切换。 位置登记：地面所处的地区要区分归属区、访问区，进行位置登记，支持漫

26、游。1.3.5 移动卫星通信系统第64页2022/8/7卫星移动通信无论从经营市场或从产业市场考虑都将有十分广阔的发展前景。国际电联(ITU) 制定第三代移动通信标准时，将卫星移动通信作为重要部分。道理很简单, 因为要真正实现 全球漫游, 离开卫星移动通信是办不到的。中国地广人多, 地面移动通信相对落后,发展卫星移动通信非常必要。1.3.5 移动卫星通信系统第65页2022/8/7分组无线网是一种利用无线信道进行数据分组交换的通信网络。网络中的信息“分组”或打成“信包”传送。分组传输能适应不同网络结构，所有用户终端均属网络中的节点 ,每个分组可以选择传输路由，因此，即使网络中发生故障只剩下一条

27、通信路由，也可以通过迂回转发，保持通信不中断。最早的分组无线网是1968年由美国夏威夷大学开发的ALOHA系统，这是一种计算机数据通信系统。1.3.6 分组无线网第66页2022/8/7 移动数据通信发展的三个方面 以电话为主的蜂窝移动通信系统中增加传送数据能力。例如GPRS、CDMA-1X。 移动Internet技术，包括移动IP、无线应用协议（WAP）、篮牙（Bluetooth）等。 第三代宽带移动通信技术：话音、文字、图像、视频在内的多媒体数据业务。1.3.6 分组无线网第67页2022/8/71.4.1 调制技术1.4.2 移动信道电波传播特性1.4.3 多址方式1.4.4 抗干扰测试

28、1.4.5 组网技术1.4 移动通信的基本技术第68页2022/8/7现代数字调制技术(1) 线性调制技术(2) 恒定包络（连续相位）调制技术(3) 多进制1.4.1 调制技术第69页2022/8/7现代数字调制技术(1) 线性调制技术PSKQPSKDQOSKOK-QPSK/4-DQPSK多电平PSK1.4.1 调制技术第70页2022/8/7现代数字调制技术(2) 恒定包络（连续相位）调制技术MSKGMSKGFSKTFM(3) 多进制：QAM1.4.1 调制技术第71页2022/8/7 给通信系统的规划和设计提供依据理论分析根据实测数据进行统计分析理论分析和实测分析相结合1.4.2 移动信道中电波传播特性的研究第72页2022/8/7FDMATDMACDMA混和方式1.4.3 多址方式第73页2022/8/7信道编码分集技术、自适应均衡技术、具有抗码间干扰和时延扩展能力的调制技术扩频和跳频技术扇区天线、 多波束天线和自适应天线阵列等在CDMA通信系统中， 为了减少多址干扰而使用干扰抵消和多用户信号检测器技术。1.4.4 抗干扰措施第74页2022/8/7(1) 网络结构 数字蜂窝通信系统的网络结构MSC移动交换中心BSS 基站