移动通信基础

移动通信基础第1章：移动通信系统的发展史第1章：移动通信系统的发展史世界移动通信的发展第一阶段(从二十世纪20年代至40年代初)第二阶段(40年代中至60年代末)第三阶段(70年代至80年代)第四阶段(90年代至今)中国移动通信的发展第一代第二代第2.5代第三代移动通信基础第一阶段：从二十世纪20年代至40年代初运用在专用系统和军事通信使用频段主要是短波段人工交换和人工切换频率移动通信设备采用电子管，又大又笨重，效果很差世界移动通信的发展第二阶段：40年代中至60年代末开始运用于民用系统主要使用VHF(甚高频)频段的150MHz，到了后期发展到400MHz频段从人工交换到专用自动交换系统移动通信设备小型化世界移动通信的发展第三阶段：70年代至80年代开始运用于个人领域使用频段为800/900MHz集成交换系统移动设备小型化，系统大容量化，信息传输实时化第一代移动通信系统(1G)时代美国Bell实验室推出的蜂窝系统的概念典型系统美国的AMPS系统英国的TACS系统北欧的NMT系统日本的NAMTS系统世界移动通信的发展蜂窝系统蜂窝系统也叫“小区制”系统。是将所有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1~10km左右。在每个小区设立一个基站为本小区范围内的用户服务。并可通过小区分裂进一步提高系统容量第四阶段：90年代至今第二代移动通信系统(2G)广泛应用和第三代移动通信系统(3G)的具体的设计、规划和实施阶段2G是以数字传输、时分多址或码分多址为主体技术的通信系统典型的2G系统欧洲的GSM系统美国的DAMPS系统和美国的IS-95ACDMA系统日本的JDC系统90年代中期，第三代移动通信系统进入到具体的设计、规划和实施阶段第三代移动通信系统(3G)形成了北美、欧洲和中国三大区域性集团北美的CDMA2000欧洲的WCDMA中国的TD-SCDMA世界移动通信的发展ITU提出IMT-2000概念：ITU：InternationalTelecommunicationUnion，国际电信联盟IMT-2000：InternationalMobileTelecomSystem-2000，国际移动电话系统-2000IMT-2000规范：标准全球性、频带全球性、终端全球性、漫游全球性移动业务质量更高、频率使用效率更高、数据传输速率更高高速的分组数据传输速率：固定位置：能达到2Mbps步行用户：能达到384kbps车载用户：能达到144kbps世界移动通信的发展蜂窝移动通信的演进路线：世界移动通信的发展TACSNMTGSMIS-95ACDMA1G2G2.5G3GAMPSGPRSEDGEUMTSIS-95BCDMACDMA2000蜂窝移动通信系统空中无线数据传输速率的演进：世界移动通信的发展GSM9.6kbpsGPRS171.2kbpsEDGE384kbpsUMTS384kbps～2MbpsIS-95ACDMA9.6kbpsCDMA2000-1X307.2/230.4kbpsCDMA2000-1XEV-DO2.4MbpsIS-95BCDMA115.2kbps蜂窝移动通信系统的发展过程：世界移动通信的发展1970’s1980’s1990’s2000’s第二代(GSM为例)提出方案制定标准商业运营第三代(IMT2000)提出方案制定标准商业运营第四代提出方案第一代(AMPS为例)提出方案制定标准商业运营第一代(1G)移动通信网络：80年代末、90年代初，中国第一代移动网络开通只支持话音业务采用英国的TACS体制第一代(1G)移动通信的特点：易受干扰保密性差系统容量小提供有限的业务手机体积大，价格昂贵中国移动通信的发展第二代(2G)移动通信网络：1992年在嘉兴地区，第二代移动蜂窝网开始试运转90年代初、中期，中国移动和中国联通全国开通GSM(GlobalSystemofMobil)网络90年代中期，部分省市的IS-95ACDMA试验系统2001年，中国联通在全国开通IS-95ACDMA网络第二代(2G)移动通信的特点：系统容量提高话音质量更好便于实现通信安全保密能提供多种业务服务，提高通信系统的通用性能实现更有效灵活的网络管理和控制可降低设备成本和减小用户手机的体积和重量中国移动通信的发展FirstWearable

CellularPhone

StarTAC®1996第2.5代(2.5G)移动通信网络：2000年，中国移动在全国开通商用网--GPRS系统在GSM网络基础上演化的一个过渡网络数字制式采用包交换技术更为广泛的数据业务2003年，中国移动在全国开通商用网--EDGE系统中国移动通信的发展2002V702004V32005E680i第三代(3G)移动通信网络：2002年，中国联通开通全国商用网CDMA2000-1X系统数字制式语音质量更好通信安全保密性好系统容量大采用包交换技术支持高速的数据业务中国移动通信的发展实时视频阅读与编辑可视电话WAP2.0浏览个性化信息游戏下载定位服务第2章：移动通信系统概述第2章：移动通信系统概述移动通信的特点区分移动通信与无线通信移动通信的复杂性问题移动通信的分类寻呼系统/无绳电话/集群调度/卫星系统/蜂窝移动蜂窝移动通信的基本概念蜂窝概念/宏蜂窝/微蜂窝/微微蜂窝/智能蜂窝切换/漫游标准化组织移动通信基础移动通信的主要特点：必须利用“无线电波”进行信息传输工作于复杂的干扰环境可利用的频谱资源有限移动性使得网络管理复杂用户数量庞大移动通信的特点移动通信的复杂性一：发射信号传播方式的多样式直射反射绕射漫反射移动产生的特殊效应移动通信的特点多径效应移动通信的复杂性二：外来信号的多样式移动通信的特点干扰噪声移动通信的复杂性三：对移动台的特殊要求外界环境的影响性能的稳定可靠携带方便、小型、低功耗、耐高温、耐低温操作方便移动通信的特点通信系统的分类：移动通信的分类核心网接入网通信网有线接入网无线接入网光纤接入光纤同轴混合网CableModemXDSL卫星接入蜂窝接入微波接入WLAN典型的移动通信系统：移动通信的分类寻呼系统无绳电话集群调度卫星通信蜂窝移动移动通信的分类寻呼移动通信系统：公共电话网PSTN自动寻呼终端寻呼数据处理中心发射塔寻呼机移动通信的分类无绳移动通信系统：市话程控制交换机基站无绳电话移动通信的分类集群通信系统：控制中心基站分调度台移动台总调度台公共电话网PSTN卫星移动通信系统：铱(Iridium)星系统全球星(GlobalStar)系统移动通信的分类移动通信的分类蜂窝移动通信系统：MSCBSC公共电话网PSTNOMSBTS蜂窝移动通信系统主要功能部件：移动台(MS)基站系统(BSS)网络交换系统(NSS)操作维护系统(OMS)蜂窝移动通信的基本概念MS移动台BSS基站系统NSS网络交换系统OMS操作与维护系统蜂窝概念的引入：大区制移动通信系统信号传输损耗通信距离有限大区制系统覆盖范围30~50km、发射功率50~200W、天线很高(>30m)具有网络结构简单、频道数目少、没有无线交换机、直接与PSTN相连大区系统的局限性覆盖范围有限服务的用户容量有限服务性能较差频谱利用率低1974年Bell实验室提出蜂窝(Cell)的概念蜂窝移动通信的基本概念蜂窝的概念：无线覆盖区域的一种理论化的模型六边形蜂窝移动通信的基本概念理论化蜂窝理想化蜂窝实际化蜂窝宏蜂窝(Macrocell)：每小区的覆盖半径大多为1～25km用于大面积覆盖基站天线置于相对较高的地方基站的发射功率较强存在盲点问题蜂窝移动通信的基本概念微蜂窝(Microcell)：覆盖半径大约为30～300m发射功率相对较小，一般在1～2W基站天线置于相对低的地方用于解决盲点问题蜂窝移动通信的基本概念微微蜂窝(Picocell)：微蜂窝的一种覆盖半径更小，一般只有几十米基站发射功率更小用于解决盲点问题蜂窝移动通信的基本概念智能蜂窝：扩大系统覆盖区域提高频谱利用率，增加系统容量降低基站发射功率，减少信号间干扰蜂窝移动通信的基本概念智能天线蜂窝移动通信的基本概念蜂窝移动通信系统的不同应用：微微蜂窝微蜂窝宏蜂窝100m1000m20km32kbps-100Mbps2.4kbps-2Mbps2.4kbps-384kbps宽带通信网蜂窝移动通信的基本概念切换：在通话(业务处理)过程中发生MS业务处理过程中，从一个小区的覆盖区域移动到另外一个小区的覆盖区域。MS可能发生小区间的切换(Handover/Handoff)切换过程对于MS用户来说是不易察觉的，也就是说用户不知道已经发生了切换；即：切换过程对用户是透明的蜂窝移动通信的基本概念漫游：这里提供到的漫游是一个管理上的概念漫游条件一：网络与网络之间的物理通信链路漫游条件二：网络的管理者之间达到的漫游协议网络3网络1网络2国际标准化组织：国际电信联盟(ITU)负责国际无线电标准化工作1993年3月ITU组织调整为ITU-R工作组负责无线电通信ITU-T工作组负责非无线电标准ITU-D工作组负责电信发展标准化组织新疆通信规划设计院42新疆通信规划设计院42常见网络拓扑结构拓扑结构：总线、星型、树型环型、网型第3章：数字编码第3章：数字编码信源编码话音编码质量的评定波形信源编码参量信源编码混合信源编码信道编码差错控制卷积信道编码重复信道编码交织信道编码CRC信道编码移动通信知识数字编码移动通信对语音编码的要求：速率较低，纯编码速率应低于16kbps在一定编码速率下，音质应尽可能高编码时延应较短，控制在几十毫秒以内算法复杂程度适中，易于大规模集成在强噪声环境中，算法应具有较好的抗误码性能，以保持较好的话音质量信源编码质量等级分数收听注意力等级优5可完全放松，不需要注意力良4需要注意，但不需明显集中注意力满意(正常)3中等程度的注意力差2需要集中注意力劣1即使努力去听，也很难听懂信源编码语音编码质量的评定：客观评定方法信噪比平均分段信噪比主观评定方法主观评定等级表信源编码技术：信源编码波形编码混合编码参量编码波形编码：基本原理：在时间轴上对模拟语音按一定的速率抽样，然后将幅度样本分层量化，并用代码表示特点：适应能力强、语音质量好；编码速率高，对带宽要求高例如脉冲编码调制(PCM)增量调制(△M)信源编码时间典型的波形编码--脉冲编码调制(PCM)：采样：8000次/秒有采样频率量化：

每个采样用8比特表示编码：64kbps速率PSTN、GSM、GPRS、UMTS、CDMA、CDMA2000网络中都用到了PCM信源编码差错控制的需求：通信线路上总有噪声和损耗存在噪声和有用信息混合，加上损耗就会出现差错差错控制方式：反馈纠错前向纠错混合纠错信道编码移动通信中常用的信道编码：奇偶校验码重复码循环冗余校验码卷积码交织信道编码奇偶校验码：特点：编码速率较高只能发现奇数个错误编码过程把信源编码后的信息数据流分成等长码组在每一信息码组之后加入一位校验码元信道编码00110101010111010101000110011010101011101010100011….奇校验00110101001101011(码重为奇)偶校验00110101001101010(码重为偶)重复码：特点：编码和解码速率较高信道有效利用率低编码过程：将信息重复传几次CDMA系统中就使用了重复码信道编码0011010100110101

00110101交织(Interleaving)：特点不增加冗余信息配合卷积码一起完成对连续错误的纠错编码和解码简单GSM、GPRS、UMTS、cdmaOne和CDMA2000系统中都使用了卷积码信道编码MRCU原始信息：MOTOROLACELLULAR…OOELTLLAOALRMOTOROLACELLULARMOTOROLACELLULAR空中信息：MRCUOOELTLLAOALR…交织编码交织解码解码信息：MOTOROLACELLULAR…MRCUOOELTLLAOALR第4章：无线信道第4章：无线信道传输介质有线：同轴/双绞线/光纤无线：频谱图传输方式单工/半双工/双工串序传输/并序传输同步传输/异步传输传输速率波特率/比特率多址方式信道概念FDMA/TDMA/CDMA无线信号的损耗无线信号的干扰移动通信知识传输介质：有线同轴电缆双绞线光纤无线传输介质无线电磁波：什么是电磁波？无线电磁波的特点传输介质无线电磁波频谱分配：传输介质F(Hz)1001021041061081010101210141016101810201022

1024F(Hz)1041051061071081091010101110121013

10141015

1016可见光无线电微波红外线紫外线X射线射线双绞线同轴电缆海事无线电调幅无线电调频无线电电视卫星地面微波光纤波段LFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF传输方式单工发端收端信道半双工发端收端信道收端发端双工发端收端信道收端发端信道双工又分为：频分双工(FDD)时分双工(TDD)传输方式f2终端2终端1f1终端2终端1t终端2终端1终端2终端1终端1终端1终端2终端2三种主要的多址方式的比较：频分多址(FDMA)时分多址(TDMA)码分多址(CDMA)多址方式多址技术是一个资源共享的解决技术。频分多址(FDMA)：通过频道区分用户一个频道就是一个信道典型系统第一代模拟系统TACS系统：f=25kHzAMPS系统：f=30kHz多址方式时分多址(TDMA)：通过时隙(TimeSlot)来区分一个载频上的用户一个时隙(TS)就是一个信道典型系统第二代蜂窝通讯网络GSMFDMA+TDMAf=200kHzTS0~TS7多址方式码分多址(CDMA)：通过正交或准正交的地址码在一个载频上区分用户一个地址码就是一个信道典型系统IS-95CDMA网络FDMA+CDMAf=1.2288MHz多址方式信号的传播因地理环境的不同而有所变化：地形形态植物稠密程度建筑群及其密度和高度空旷度水面其它环境因素无线信号的损耗无线信号在传输中受到的损耗包括：由传输距离引起的路径损耗由阴影效应引起的损耗由多径传播引起的信号衰落由其它的发射机发射的干扰信号由外部环境中的噪声引起的干扰无线信号的损耗传输距离引起的路径损耗：距离越远损耗越大信号频率低时的传输损耗小信号频率高时的传输损耗大无线信号的损耗无线信号的损耗阴影效应引起的损耗：衰落的分类：慢衰落快衰落无线信号的损耗功率(dB)距离(m)频分多址的同频和邻频干扰：无线信号的干扰功率频率同频信号1同频信号2f1干扰区域干扰区域邻频信号1邻频信号2f2f3噪声的种类：内部噪声热噪声散弹噪声闪烁噪声外部噪声大气噪声银河系噪声人为噪声无线信号的干扰第5章：信道化处理第5章：信道化处理调制与解调基带传输/频带传输调制方式：BPSK／QPSK／OQPSK／8PSK，MSK/GMSK相干与非相干解调分集技术扩展频谱通信无线传输质量评定功率单位：分贝毫瓦、分贝瓦相对强度：信噪比/载干比差错率：误码率/误信率(误比特率)/误帧率移动通信知识采样分段调制方式分为：基带传输频带传输调制与解调原始信息信道数字信号信道编码无线信道信道化处理信源编码采样分段调制的目的：便于信息的传输改变信号占据的带宽，改善系统性能便于多路多址传输调制的要求：容易提取信号的位同步信息，以便从接收或重发信号中提取出时钟信号不易受直流截止特性的影响，即希望调制信号中不含有直流成分需占用的传输频带窄抗杂音和抗抖动性好调制与解调模拟信号的调制方式：调幅方式(AM--AmplitudeModulating)调频方式(FM--FrequencyModulating)调相方式(PM--PhaseM