第二章移动通信-Part1

通信系统概论授课讲师：周晓天山东大学信息科学与工程学院2016年3月10日第二章：移动通信系统第二章的内容（Missionsofthe2ndChapter）

移动通信的概念移动通信的方式（常见系统）历代蜂窝移动通信系统的演进2移动通信的概念---什么是移动通信？

3移动通信：通信双方或一方在移动状态下进行信息传输的过程问题：移动通信=无线通信？移动通信是一种重要的无线通信方式移动通信兼具移动和无线两个特点，因此在实现上挑战性更大4系统复杂频谱短缺严重噪声与干扰电波环境恶劣挑战与优势的PK对话我可以移动！！移动通信的方式按照通信环境区分5移动通信的方式按照系统组成结构：6无线电寻呼系统集群移动通信系统卫星移动通信系统蜂窝移动通信系统（1G、2G、3G、4G、。。。）移动通信的方式7无线寻呼通信BP机（Beeper），不用语音的单向选择呼叫系统,通过显示数码或汉字，向用户传送信息。由寻呼中心、基站和寻呼接收机三部分构成。1948年发明与BellLab.，称为BellBoy1990年代开始风靡于我国：“有事call我！”移动通信的方式8无线寻呼通信公共电话网PSTN自动寻呼终端寻呼数据处理中心发射塔移动通信的方式9集群移动通信集群(Trunk)的概念是把有限的无线信道动态、自动、最佳的分配给系统内的所有用户。集群移动通信是大量用户自动分享数量相对较少的无线信道，并动态使用这些信道的移动通信系统。用户可以是车载台，也可以是手持台。集群移动通信模式适合为有特殊移动通信需求的专业部门搭建专用网络。如：部队、公安、交通、消防、防汛、铁道等。10中央控制器基地台分调度台移动台总调度台公共电话网PSTN集群移动通信移动通信的方式11集群移动通信移动通信的方式12集群移动通信我国的集群通信系统频段：在800MHz的频段分配为806-821MHz和851-866MHz,共有600个信道(信道间隔为25kHz)，350MHz频段专门供公、检、法、司法、安全、海关、军队和武警等八个部门使用，共有560对频点（信道间隔为25、12.5kHz）。移动通信的方式13卫星移动通信利用卫星转发信号也可实现移动通信，对于车载移动通信可采用赤道固定卫星，而对手持终端，采用中低轨道的多颗星座卫星较为有利。通信距离远，具有全球覆盖的能力，实现真正的“全球通”。常用场景：导航定位、应急通信、个人通信

移动通信的方式14卫星移动通信卫星定位导航：利用卫星、地面控制和信号接收机对对象进行动态定位。美国：全球定位系统（GPS）前苏联：全球导航卫星系统（GLONASS）欧盟：伽利略卫星导航定位系统（Galileo）我国：北斗卫星导航系统（BDSTAR）

移动通信的方式15卫星移动通信个人卫星通信利用低轨道卫星向用户提供无缝覆盖的个人通信业务，实现“卫星通信终端手持化，个人通信全球化”铱星系统（已破产）：Motorola设计1997-2000全球星系统：Loral、Qualcomm16移动通信的方式蜂窝移动通信蜂窝移动通信，也称小区制移动通信。基本构成：移动台（MS）、基站（BS）、移动业务交换中心(MSC)组网结构：把整个大范围的服务区划分成许多小区，每个小区设置一个基站，负责本小区各个移动台的联络与控制，各个基站通过移动交换中心相互联系，并与骨干网连接。相邻小区使用不同频段。17一个大厅里面装一个200W的灯与装8个25W的灯，哪一个照明效果好？18BSBSMSCPSTNMSCBS济南浙江Internet远距离通信的实现19移动通信的方式蜂窝移动通信特点：1.基站只覆盖有限面积，由天线高度和发送功率决定（2-10km）2.基站只提供信道，交换、控制等都集中在移动业务交换中心进行3.具有小区切换（Handoff）功能。移动台在变换服务基站时，不能影响通信4.具有频率再用功能。距离远的小区可以重复使用同一段频谱5.具有漫游（Roaming）功能。电话号码不变。BASESTATIONMSCBase1Base2Base3蜂窝移动通信的关键技术组网技术

蜂窝结构与频率复用交换技术移动用户位置登记与越区切换小区内技术

双工技术

多址技术20组网技术-蜂窝结构及频率复用

21引言：第一，蜂窝移动网络属于小区制的移动通信系统

第二，按照电磁波传播规律，基站天线辐射区域为圆形有盲区，不可取无盲区，但有重合处组网技术-蜂窝结构及频率复用22实际布网需要：无缝隙：保证用户“anywhere”的通信无重叠：明确责任，重叠部分由哪个基站管，怎么区分。显然，无缝隙、无重叠覆盖需要采用圆的内切多边形实现，且相邻多边形采用不同频段（频道）问题：如何利用最少的基站（频道）覆盖相同的面积？组网技术-蜂窝结构及频率复用

23可供选择的多边形：三角形、四边形、六边形3个圆，4个三角形交叠面积：4个圆，4个矩形交叠面积：3个圆，3个矩形交叠面积：六边形结构覆盖面积最大、重叠面积最小，即对于同样大小的服务区域，采用六边形所需的小区数最少，因此所需的频率组数最少。组网技术-蜂窝结构及频率复用24问题回顾：无缝隙：保证用户“anywhere”的通信无重叠：明确责任，重叠部分由哪个基站管细分工：不同的小区如何进行区分？利用蜂窝结构使整个服务区域无缝无重叠，且高效的“小区化”每个小区设置一个基站，负责向本小区各个移动台提供无线覆盖服务为避免各相邻基站的相互干扰，各相邻基站必须使用不同的频谱资源ADCEFGBADCEFGB组网技术-蜂窝结构及频率复用25已知：蜂窝系统采用邻小区频分信道避免小区间干扰问题：频谱资源有限，当系统覆盖面积扩大、小区数目增加时，

频道资源还够用吗？无线电磁波传播的特性发送信号功率随着传播距离产生衰减：当两个小区的物理空间距离足够远时，可以重复利用同一段频谱资源，而产生的同频干扰可以忽略不计。这一技术称为频率复用(FrequencyReuse)组网技术-蜂窝结构及频率复用26因此，我们可以发现在蜂窝结构中，频谱资源利用的两个特点：相邻小区采用不同频谱资源区分，以避免区间干扰(Inter-CellInterference)相隔距离较远的小区可以采用相同的频道，以提高频谱利用效率（SpectrumEfficiency）ADCEFGBADCEFGB这样相邻的、采用不同频率的一组小区，组成了区群、或叫做簇（Cluster）的结构群区内不同小区使用不同频率，在一定空间距离外，设置另一区群，对应的小区可重复使用与当前区群相同的频率当两同频小区间距离足够大时，同频干扰将不影响正常的通信质量组网技术-蜂窝结构及频率复用27构成单元区群的基本条件：1.区群之间彼此邻接且无空隙无重叠地覆盖整个面积2.相邻单元中，同频道小区之间的距离保持相等，且为最大A2DCEFGBA1DCEFGBA3DCEFGB区群2区群1区群3以区群1中采用频段A的小区为例：需要到达与其紧相邻的所有区群中、采用A频道小区的距离相等（”A1-A2”=“A1-A3”）A-A之间的距离应与B-B、C-C。。。之间的距离相等；最后，还要保证上述距离在所有满足条件的拓扑中是最大的组网技术-蜂窝结构及频率复用28构成单元区群的基本条件：1.区群之间彼此邻接且无空隙无重叠地覆盖整个面积2.相邻单元中，同频道小区之间的距离保持相等，且为最大满足上述条件的区群形状和区群内的小区数不是任意的可以证明，区群内的小区数与同频小区间的二维距离应满足下式：其中，分别为（不同区群内）相邻同频小区的二维距离，取值为0或正整数，但不能同时为0A2DCEFGBA1DCEFBA3DCFGB区群2区群1区群3ij组网技术-蜂窝结构及频率复用29二维距离到实际距离：设一坐标系，则蜂窝小区扩展方向必然被固定在6个方向，如右图，则按照这6个方向为基准去寻找第1步：沿6个方向任一跨过j个小区；第2步：逆时针方向旋转60°，跨过i个小区另外，若设小区辐射半径为r,则实际距离（同频复用）又可计算为：小区内N越大，同频小区越远，抗同频干扰越好。A2DCEFGBA1DCEFBA3DCFGB区群2区群1区群3ij组网技术-蜂窝结构及频率复用30同样，利用这种二维距离方法，结合上述公式，也可以确定群区的小区数目N，以及具体结构

31组网技术-小区的分类32根据覆盖面积的差异，小区可分为宏蜂窝、微蜂窝、微微蜂窝、飞蜂窝宏蜂窝小区（Macrocell）覆盖半径在1-30km，采用发射功率超过10W以上的基站，天线一般设置在较高的建筑物之上，以获得较好的覆盖视野；宏蜂窝常设立在郊区或高速公路等区域（Why？）微蜂窝小区（Microcell）覆盖半径小于2km，采用发射功率1W左右的基站，天线高度可在10m左右微蜂窝小区通常设立在商场、运动场、车站等流量密集小区，作为宏站的容量补充。由于天线高度与建筑物拓扑，通常会有视距和非视距两类场景组网技术-小区的分类33根据覆盖面积的差异，小区可分为宏蜂窝、微蜂窝、微微蜂窝、飞蜂窝微微蜂窝小区（Picocell）覆盖半径通常在200m以下，采用更低功率、更低成本的基站通常为办公室、车站等超密集环境提供服务，也有可能架设在宏区边缘，扩展宏区的服务覆盖范围毫微微蜂窝小区（Femtocell）最初称为接入点基站(AccessPointBS)，或家庭基站（HomeeNodeBinLTE）。一般覆盖半径为12m左右，发射功率为10mW-100mW，主要为家庭、办公室等室内环境提供移动无线接入服务采用IP协议，利用光纤、DSL接入骨干网；在用户端，可适配CDMA、LTE等多数移动通信空口制式在提供蜂窝移动通信服务的同时，也可集成提供Wi-Fi服务是下一代移动通信的热点技术，但也有跨层干扰等问题蜂窝移动通信的关键技术组网技术

蜂窝结构与频率复用交换技术移动用户位置登记与越区切换小区内技术

双工技术

多址技术34交换技术-位置登记与越区切换35一个呼叫建立的简化过程：主叫接入阶段主叫用户通过RACH发起通信请求移动业务交换中心（MSC）分配信道、标示主叫用户并回复许可（ACK）呼叫建立阶段主叫用户发送被叫用户号码等信息MSC识别被呼叫用户身份、确定位置并链接被叫所在MSC被叫所在MSC确认被叫用户状态，反馈可否通信等信息若双方科通信，则建立专用业务信道呼叫终止阶段任一方发送结束通信消息，断开链接MSC释放信道交换技术-位置登记与越区切换36位置登记是指移动台向控制中心发送报文时，表明它本身工作时所处的位置信息，并被移动网登记存储的过程在构造复杂的小区制移动通信服务区内，一般将一个MSC的控制区作为一个位置区或划分成若干个位置区。移动台将所处位置的位置信息进行位置登记，可以提高寻呼一个移动台的效率，移动台的位置登记信息被存储于MSC内。不同的蜂窝移动通信系统可以使用不同的位置登记方式位置登记是为移动台移动（漫游）所准备的交换技术-位置登记与越区切换37位置登记的管理：归属位置寄存器（HLR）在网络内注册的所有用户的信息及当前位置位于移动台注册的归属区移动业务交换中心拜访位置寄存器（VLR）管理网络中若干个位置区内的移动用户，为负责的MSC提供移动用户的位置数据信息位于移动台漫游访问的摆放区业务交换中心交换技术-位置登记与越区切换38归属位置寄存器（HLR）

国际移动台标识(IMSI)；

国际移动台号(MSISDN)；

移动台漫游号(MSRN)；

VLR地址(如果收到的话)；

移动台状态数据；

其他需要的用户数据拜访位置寄存器（VLR）

国际移动台标识(IMSI)；

国际移动台号(MSISDN)；

移动台漫游号(MSRN)；

临时移动台标识(TMSI)

位置区识别

其他需要的用户数据交换技术-位置登记与越区切换39交换技术-位置登记与越区切换定义：越区切换（Handoff）是指将当前正在进行的移动台与基站之间的通信链路从当前基站转移到另一个基站的过程。也称为自动链路转移（AutomaticLinkTransfer,ALT）目的：维持移动用户通话的持续性分类：

越区切换（小区间）和漫游切换（业务辖区）

软切换和硬切换40交换技术-位置登记与越区切换41软切换在越区过程中，移动台既维持旧的连接，同时又建立与新基站的新连接，并利用新、旧链路的分集合并改善通信质量，移动台与新的无线端口建立了可靠连接之后，再中断旧的连接。软切换在空中接口过程中是先通后断。软切换过程中，移动台可以同时和一个以上的无线端口通信硬切换越区过程中，移动台的通信准备连到相邻小区新基站的无线端口时，先中断旧的连接，然后再进行新的连接，新的连接将具有不同的频率分配或不同的空中接口特性，硬切换在空中接口过程中是先断后通，硬切换过程中，移动台只能同一个无线端口通信交换技术-位置登记与越区切换42越区切换的实现包括三个方面的问题：①越区切换的准则（何时需要进行越区切换）②越区切换如何控制；③越区切换时信道如何分配。交换技术-位置登记与越区切换43越区切换的准则