信息技术（第2版）（拓展模块）拓展模块11 现代通信技术

28/28课题名称模块11现代通信技术授课类型理实一体授课对象授课课时所授课程授课地点所授教材一、学情分析本课程授课对象为高职各专业大一学生，课程开设在大一第二学期，学生情况在知识储备、学习特点和信息素养的情况如下。1.知识储备学生在高职或高中已经学习了信息技术课程，并且在大一第一学期已经完成了高职信息技术（基础模块）的学习，具备了基础的信息技术知识和技能。2.学习特点授课对象都是零零后的学生，在学习方面表现出如下特点。（1）喜欢实践动手操作，厌烦枯燥乏味的理论讲解；（2）喜欢任务式引导，情境设定，参与其中，厌烦平淡无极的说教；（3）乐于接受可视化教学资源，反感静态纸质学习材料；（4）偏爱颗粒化、模块化的学习过程，排斥时间冗长的教学过程；（5）对挑战性的题目感兴趣，对基础性题目求知欲偏低；（6）喜好电脑与互联网的应用，线上操作所见即所得可以引发学习兴趣。3.信息素养学生通过高职或高中信息技术课程的学习，具备了基础的信息技术学科素养，但是在数字化学习与创新方面仍需加强二、教学内容现代通信技术知识图谱1.知识目标（1）理解通信技术、现代通信技术、移动通信技术、5G技术等概念，掌握相关的基础知识；（2）了解现代通信技术的发展历程及未来趋势；（3）熟悉移动通信技术中的传输技术、组网技术等；（4）了解5G的应用场景、基本特点和关键技术；（5）掌握5G网络架构和部署特点，掌握5G网络建设流程；（6）了解蓝牙、Wi-Fi、ZigBee、射频识别、卫星通信、光纤通信等现代通信技术的特点和应用场景；（7）了解现代通信技术与其他信息技术的融合发展。2.能力目标移动通信技术中的传输技术、组网技术；初步5G网络架构和部署特点，掌握5G网络建设流程。3.素养目标通过小组学习，培养与人沟通、协同工作、口才表达等能力1.教学重点5G的应用场景、基本特点和关键技术5G网络架构和部署特点，5G网络建设流程讲解现代通信技术的基本概念讲解现代通信技术的基本概念讲解现代通信技术的发展历程讲解5G应用场景、基本特点和关键技术讲解5G网络架构和部署特点、5G建设流程八、教学环节教学环节教学内容教学活动策略与意图环节一课程导入与学习任务(10分钟)通信技术是实现人与人之间、人与物之间、物与物之间信息传递的一种技术。现代通信技术将通信技术与计算机技术、数字信号处理技术等新技术相结合，其发展具有数字化、综合化、宽带化、智能化和个人化的特点。现代通信技术是大数据、云计算、人工智能、物联网、虚拟现实等信息技术发展的基础，以5G为代表的现代通信技术是中国新型基础设施建设的重要领域。本主题包含现代通信技术基础、5G技术、其他现代通信技术等内容。本主题包含现代通信技术的基本概念、发展历程、移动通信、第五代移动通信技术（5G）、其他常见的现代通信技术、与其他信息技术的融合等内容。【学习任务】通过本节内容的学习，完成下列学习任务：

1.在学习过程中认真复习，梳理记录好学习笔记；2.理解通信技术、现代通信技术、移动通信技术、5G技术等概念，掌握相关的基础知识；3.了解现代通信技术的发展历程及未来趋势；4.熟悉移动通信技术中的传输技术、组网技术等；5.了解5G的应用场景、基本特点和关键技术；6．掌握5G网络架构和部署特点，掌握5G网络建设流程；7.了解蓝牙、Wi-Fi、ZigBee、射频识别、卫星通信、光纤通信等现代通信技术的特点和应用场景；8.了解现代通信技术与其他信息技术的融合发展。9.感受5G的魅力，激发对兴趣，拓展视野和思维；10.通过小组学习，培养与人沟通、协同工作、口才表达等能力；11.完成单元考核评价中的相关任务。教师活动1.介绍现代通信技术导入。3.介绍现代通信技术小节的学习任学生活动2.积极思考，回答问题。3.明确本小节的学习任务4.思考记录1.讲授教学法，介绍现代通信技术概述、本节知识图谱及学习任务，使学生了解本节教学内容的全貌教学环节教学内容教学活动策略与意图环节二了解现代通信技术的基本知识(40分钟)11.1认知现代通信技术本节介绍现代通信技术的概念、发展历史、技术基础、特性、分类等，认识现代通信技术的重要性，并对通信系统的组成有初步的了解。11.1.1现代通信技术的基本概念1.通信的概念（1）通信是什么？简单来说，通信就是信息的传递。在人类社会里，为满足生产和生活的需要，人们在进行思想感情的交流以及知识的获取等方面都离不开信息的传递。古代的烽火台、金鼓、旌旗；当今的书信、电报、电话、可视电话、电视等都是传递信息的方式。广义地说，通信就是由一地向另一地传递信息。随着人类社会文明、科学技术的发展，通信所传递的信息形式越来越多，不仅有语言、符号、文字、音乐，还包括数据、图片、图像和文本等。实现这些消息的传递可采用各种各样的通信方式，在诸多通信方式中，利用“电”来传递信息的通信方式—电通信，能使消息几乎在任意通信距离上实现既迅速、有效，又准确、可靠的传递，缩短了通信双方的时间和距离的差异，因而得到飞速的发展及广泛的应用。电话、传真、可视电话、数据传输、电视、广播、雷达、遥测、遥控等均属于“电”通信方式。（2）通信的类比案例—烽火戏诸侯烽火本是古代敌寇侵犯时的紧急军事报警信号。由国都到边镇要塞，沿途都遍设烽火台。西周为了防备犬戎的侵扰，在镐京附近的骊山（在今陕西临潼东南）一带修筑了20多座烽火台，每隔几里地就是一座。一旦犬戎进袭，首先发现的哨兵立刻在台上点燃烽火，邻近烽火台也相继点火，向附近的诸侯报警。诸侯见了烽火，知道京城告急，天子有难，必须起兵勤王，赶来救驾。虢石父献计令烽火台平白无故点起烽火，招引诸侯前来白跑一趟，以此逗引褒姒发笑。古代的烽火台如图11-2所示。图11-2烽火台11.1.2现代通信技术的发展历程古代人们通过人力、马力、旗语、金属的撞击声、鼓声、书信等原始手段进行消息的传递。现代通信主要通过电信号来传递信息。现代通信始于1837年莫尔斯有线电报的诞生。在短短的一百八十多年间，现代通信技术得到了飞速的发展。从早期的只能表示几个字符的有线电报，到能够互相对话的有线电话；从只能发送简单话语的无线电报，到随时随地都能收到信息的传呼机，再到能够随时随地都能通信的手机；从真空管到晶体管，再到集成电路，通信设备从巨无霸变成了掌中宝；从简单的手机语音通信，到现在的微信、视频聊天、手机直播带货、手游电竞；从第一代的手机“大哥大”，到直板手机霸主“诺基亚”，再到开创智能机时代的“苹果”，现代通信技术的变化真可谓一日千里。最能体现现代通信技术的发展的技术便是移动通信技术的发展，它与人们的生活息息相关，从最早的第一代移动通信开始，我们便结识了“大哥大”手机，这种重量级的移动电话，厚实笨重，状如黑色砖头，重量都在一斤以上，不仅可以用来打电话，更是一件防身的利器，1G是模拟制式的。第二代移动通信是数字制式的，典型的技术是GSM，这个时代的王者是诺基亚，属于直板机的天下。第三代移动通信已是数字的，这一代主要是发展了数据业务，2G的业务只能是语音业务，但到了3G，用户就可以简单的浏览一下网页，但这时的网速还不行。第四代移动通信在3G的基础上有了很大的进步，人们已经可以通过手机在线听音乐、看视频、打游戏，可谓“4G改变生活”，确实是这样，在4G的时代，智能手机也得到了飞速的发展。现在，我们又迎来了第五代移动通信，即5G。我们说“5G改变社会”，这一点已经逐渐地呈现在我们眼前。5G包含三大应用场景，即大带宽、高可靠低延时、海量连接。5G会结合当前的物联网、大数据、云计算、人工智能技术赋能所有行业。11.1.3现代通信技术基础知识1.通信系统模型（1）通信系统一般模型通信系统是指完成信息传输过程的一切设备和传输媒质。通信系统的一般模型如图11-3所示，能实现消息从发送端送到接收端。图11-3通信系统的一般模型图11-3中，信源是消息的发源地，作用是把消息转换成原始电信号；为了使这个原始电信号适合在信道中传输，即将信源与信道匹配起来，在发送端通过发送设备对其进行某种变换后送入信道；信道是指信号的传输媒质，可分为有线与无线两大类；在接收端，接收设备的功能与发送设备的功能恰好相反，目的是从接收信号中恢复出相应的原始电信号，而信宿是传输消息的目的地，将原始电信号还原成相应的消息；图中的噪声是信道中的噪声以及分散在通信系统其他各处噪声的集中表示。（2）模拟通信系统模型通信中传输的消息可分两大类：一类是状态连续变化的消息，称为模拟消息，如语音、图像等；另一类是状态离散的消息，称为数字消息，如符号、数据等。按照信道中传输信号的特征是模拟信号还是数字信号，可以把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，其模型如图11-4所示。图11-4模拟通信系统模型（3）数字通信系统模型数字通信系统的模型如图11-5所示。图11-5中应包含同步环节，但由于数字通信中有3种同步方式，且每种方式的位置又不是固定的，故图中没有示出。图11-5数字通信系统模型图8-5中，编码和译码组成一对环节，编码包括信源编码和信道编码。信源编码的主要任务是提高数字信号传输的有效性，包括数/模转换和数据压缩。信道编码的主要任务是提高数字信号传输的可靠性。数字调制与数字解调构成一对环节，其作用与模拟通信系统中的调制与解调作用相同，不同的是这里的调制与解调的是数字信号。上述所列数字通信的有些环节（如编码与译码、调制与解调）并不是必需的，它可根据不同的条件和要求决定是否采用。没有调制器与解调器环节，直接传输基带信号的数字通信系统称为数字基带传输系统。目前，无论是模拟通信还是数字通信，都是已经获得广泛应用的通信方式。综合模拟通信和数字通信的各自特点，数字通信与模拟通信相比有以下优点。①数字传输的抗噪声（即抗干扰）能力强，数字信号传输中可通过中继再生消除噪声的累积。②数字通信可以通过差错控制编码技术，提高通信的可靠性。③便于利用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理。④数字信息易于加密，且保密性强。⑤数字通信可以传递各种消息（模拟的和离散的），使通信系统灵活性好、通用性强。⑥数字通信采用数字集成电路，具有体积小、重量轻、可靠性高及调整调试方便的优点。但是，数字通信与模拟通信相比较为突出的缺点是其信号占有的频带宽。如一路模拟电话仅占4kHz带宽，而一路数字电话要占20～64kHz的带宽。然而由于毫米波通信和光纤通信的出现，带宽问题得到解决，数字通信将逐步取代模拟通信。2.通信系统的分类及通信方式（1）通信系统的分类通信系统有多种分类方法，下面介绍常见的5种通信系统的分类方法。①按通信业务类型分类根据通信业务类型的不同，通信系统可分为电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统等。②按调制方式分类按照信道中传输的信号是否经过调制，可将通信系统分为基带传输和频带传输。③按信号特征分类按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统两类。模拟通信系统传输的是模拟信号，数字通信系统则传输数字信号。④按传输媒介分类按传输媒介，通信系统分为有线通信系统和无线通信系统。有线通信系统以传输缆线作为传输媒介，传输媒介包括电缆通信、光纤通信等；无线通信系统是无线电波在自由空间传播信息，包括微波通信、卫星通信等。⑤按信号复用方式分类按信号复用方式，通信系统又可分为频分复用（FDM）、时分复用（TDM）和码分复用（CDM）等系统。（2）通信方式通信系统中有多种通信方式，它可按不同的方法划分如下。①按传输的方向与时间关系划分对于点对点的通信，按传输的方向与时间关系，通信方式可分单工通信、半双工通信及全双工通信3种。单工通信是指消息只能单方向传输的工作方式，如图11-6（a）所示。例如广播、电视、遥测等都是单工通信方式。半双工通信是指通信的双方都能收发信息，但各方不能同时进行收发信息的通信方式，如图11-6（b）所示。例如无线电对讲机和普通无线电收发报机等是半双工通信方式。全双工通信是指通信的双方都可同时收发信息的通信方式，如图11-6（c）所示。例如普通电话、计算机通信网络等采用的就是全双工通信方式。②按数字信号码元排列方法划分在数字通信中按数字信号码元排列方法不同，可划分为串行传输和并行传输两种通信方式。串行传输是将数字信号码元序列按时间顺序一个接一个地在信道中传输，如图11-7（a）所示，如计算机网络通信。并行传输是将数字信号码元序列分割成两路或两路以上的数字信号码元序列同时在信道中传输，如图11-7（b）所示。例如计算机和打印机之间的数据传输。图11-6各种通信方式图11-7并行与串行传输方式串序传输方式只需一条通路，线路成本低，适合于长距离的通信；而并序传输方法需要多条通路，线路成本高，传输速度快，适合于短距离的通信。③按照网络结构划分通信系统按照网络结构划分为专线和通信网两类。点对点的通信是专线通信；多点间的通信属网通信。网通信的基础仍是点对点的通信。3.通信系统的主要性能指标设计和评价一个通信系统，往往要涉及许多性能指标,如系统的有效性、可靠性、适应性、经济性、标准性及使用维护方便性等。这些指标可从各个方面评价通信系统的性能，但从研究信息传输方面考虑，通信的有效性和可靠性是通信系统中最主要的性能指标。有效性主要是指消息传输的“速度”问题，而可靠性主要是指消息传输的“质量”问题。有效性和可靠性的要求是相互矛盾而又相互联系的。提高有效性会降低可靠性，反之亦然。因此在设计通信系统时，对二者应统筹考虑。（1）模拟通信系统的性能指标在模拟通信系统中，有效性是利用消息传输速度（即单位时间内传输的信息量）或者有效传输频带来衡量的。模拟通信系统的可靠性用接收机输出端的信噪比（即输出信号平均功率与噪声平均功率的比值）来衡量。输出信噪比越高，通信质量越好，它除了与信号功率和噪声功率的大小有关外，还与信号的调制方式有关。（2）数字通信系统的性能指标下面讨论数字通信系统的有效性和可靠性问题。①数字通信系统的有效性数字通信系统的有效性可用码元速率、信息速率及系统带宽利用率这3个性能指标来描述。A．码元速率RB码元速率RB又称码元传输速率或传码率。它被定义为每秒所传送的码元数目，单位为“波特（Baud）”，常用符号“B”或“Bd”表示。B．信息速率Rb信息速率Rb又称信息传输速率或传信率。它被定义为每秒所传输的信息量，单位为“比特/秒”，或记为bit/s（也可写成bps）。由于每位二进制数都包含有1bit的信息量，因此信息速率也就是每秒传输的二进制码元数。对于二进制码元的传输，码元速率与信息速率相等即RB=Rb；而对于N进制码元的传输来说，由于每一位N进制码元可用log2N（N=2K，K Rb=RB对于不同进制通信系统来说，码元速率高的通信系统，其信息速率不一定高。因此在对它们的传输速度进行比较时，不能直接比较码元速率，需将码元速率换算成信息速率后再进行比较。C．系统的频带利用率在比较两个通信系统的有效性时，仅从传输速率上看是不够的，还应考察系统所使用频带的大小。这是因为香农定理指出通信系统的频带影响传输信息的能力。衡量系统效率的另一个指标是系统频带的利用率。通信系统的频带利用率定义为每秒在单位频带上传输的信息量，单位为比特/秒·赫兹或记为bit/s·Hz。不同的调制方式具有不同的频带利用率，如二进制振幅调制系统频带利用率为1/2。系统的频带利用率越高，其有效性发挥得越好。②数字通信系统的可靠性由于在数字通信系统中（尤其是信道中）存在干扰，接收到的数字码元可能会发生错误，而使通信的可靠性受到影响。数字通信系统的可靠性指标主要用误码率Pe或误信率PA．误码率P误码率是指通信过程中，系统传错码元的数目与所传输的总码元数目之比，也就是传错码元的概率，即 （1.2）B．误信率P误信率又称误比特率，是指错误接收的信息量（传错的比特数）与传输的总信息量（传输的总比特数）的比，即 （1.3）显然，在二进制通信系统中有Pe=P通信系统中存在误码是不可避免的。不同的应用场合对误码率的要求也不一样，如数字电话通信中误码率在10-3教师活动1.讲授现代通信技术的概念、定义技术特性及分类。2.介绍通信的类比案例--烽火戏诸侯的故事，通过讨论分析，进一步加深对通信的理解。学生活动2.积极思考，回答问题。3.参与互动讨论，理解通信的概念。1.讲授教学法，介绍通信的概念、定义技术特性及分类，使学生了解通信的概念。2.案例教学法，介绍通信的类比案例--烽火戏诸侯的故事，互动讨论通信的含义，促进学生对通信的理解。教学环节教学内容教学活动策略与意图环节三5G的应用场景、基本特点和关键技术(55分钟)11.2认知移动通信技术移动通信是通信领域中应用最为广泛的一种通信方式。它是当今信息社会中最具个性化特征的通信手段。它的发展与普及改变了社会，也改变了人类的生活方式。移动通信，顾名思义其最本质的特征是＂移动”二字，这类通信有别于传统静态的固定式通信，而是动态的移动式通信。移动通信从2G、3G、3.9G、4G到5G的发展过程，是从低速语音业务到高速多媒体业务发展的过程。移动通信技术的发展和演进过程如图11-8所示。 图11-8移动通信技术的发展和演进过程2G：第二代数字蜂窝通信系统，20世纪80年代末开发，全数字化系统实现了通话质量和系统容量的提升，开启了全球化的移动通信时代，主要代表有GSM系统和CDMA。3G：第三代移动通信技术，移动多媒体蜂窝通信技术，实现无线通信和国际互联网融合，提供语音、图像、音乐、视频等各种多媒体数据业务，要求提供2Mbit/s标准用户速率（室内）或144kbit/s速率（高速移动）。目前，3G标准有WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA（由中国制定的3G标准）以及WiMAX（802.16系列标准）共4个。4G：第四代移动通信技术，宽带大容量的高速蜂窝系统，支持100～150Mbit/s下行网络带宽，提供交互多媒体，高质量影像、3D动画和宽带互联网接入等业务，用户体验最大能达到20Mbit/s下行速率。LTE：长期演进（LongTermEvolution,LTE）是3GPP组织主导的新一代无线通信系统，也称为演进的UTRAN（EvolvedUTRAandUTRAN）研究项目，全面支撑高性能数据业务，“未来10年或者更长时间内保持竞争力”。3GPP的LTE标准在无线接入侧分为LTEFDD和TD-LTE。5G：第五代移动通信技术是具有高速率、低时延和大连接特点的宽带移动通信技术，是实现人机物互联的网络基础设施。11.2.1传输技术随着移动通信的飞速发展，传输技术也在不断的更新，从早期的模拟调制到现在的数字调制，从单一的频分多址到多种多址技术的融合，从CDMA到OFDM的改变，凡此种种均显示着移动通信的蓬勃活力。1.多址技术多址技术使众多的用户共用公共的通信线路。为使信号多路化而实现多址的方法基本上有三种，它们分别采用频率、时间或代码分隔的多址连接方式，即人们通常所称的频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）三种接入方式。图11-9用模型表示了这三种方法简单的一个概念。图11-9三种多址方式概念示意图FDMA是以不同的频率信道实现通信的，TDMA是以不同的时隙实现通信的，CDMA是以不同的代码序列实现通信的。（1）频分多址（FDMA）频分，有时也称之为信道化，就是把整个可分配的频谱划分成许多单个无线电信道（发射和接收载频对），每个信道可以传输一路话音或控制信息。在系统的控制下，任何一个用户都可以接入这些信道中的任何一个。模拟蜂窝系统是FDMA结构的一个典型例子，数字蜂窝系统中也同样可以采用FDMA，只是不会采用纯频分的方式，比如GSM系统就采用了FDMA。（2）时分多址（TDMA）时分多址是在一个宽带的无线载波上，按时间（或称为时隙）划分为若干时分信道，每一用户占用一个时隙，只在这一指定的时隙内收（或发）信号，故称为时分多址。此多址方式在数字蜂窝系统中采用，GSM系统也采用了此种方式。（3）码分多址（CDMA）码分多址是一种利用扩频技术所形成的不同的码序列实现的多址方式。它不像FDMA、TDMA那样把用户的信息从频率和时间上进行分离，它可在一个信道上同时传输多个用户的信息，也就是说，允许用户之间的相互干扰。其关键是信息在传输以前要进行特殊的编码，编码后的信息混合后不会丢失原来的信息。2.OFDMOFDM的基本原理是将高速的数据流分解为多路并行的低速数据流，在多个载波上同时进行传输。对于低速并行的子载波而言，由于符号周期展宽，多径效应造成的时延扩展相对变小。当每个OFDM符号中插人一定的保护时间后，码间干扰几乎就可以忽略。OFDM技术具有抗衰落能力强、频率利用率高、适合高速数据传输、抗码间干扰（ISI）能力强等优点。如图11-10是一个典型的OFDM符号示意图，从中看到处于正交状态的子载波。图11-10一个典型的OFDM符号示意图11.2.2组网技术20世纪70年代，美国贝尔实验室提出了蜂窝网概念，使移动通信正式走向商用化。移动通信网利用蜂窝小区结构实现了频率的空间复用，从而大大提高了系统的容量。蜂窝的概念也真正解决了公用移动通信系统要求容量大与有限的无线频率资源之间的矛盾。1.频率再用在服务区面积一定的情况下，蜂窝状的正六边形重叠面积最小，最接近理想的天线覆盖圆形区。因此，人们选用无缝隙的正六边形蜂窝为移动通信的小区，并称它为蜂窝网。移动通信网中蜂窝区群结构与组成：在蜂窝移动通信系统中，为了避免干扰，显然相邻近小区不能采用相同的信道，若想要实现同一信道在服务区内重复使用，同信道小区之间应有足够的空间隔离距离。满足空间隔离距离的区域称为空间复用区，而在同一个空间复用区内的小区组成了一个蜂窝区群，且只有在不同的区群间的小区才能实现信道再用。区群组成的基本条件：区群之间可以互相邻接，且无缝隙、无重叠地进行覆盖；相互邻接的区群应保证各个相邻同信道小区之间的距离相等。蜂窝频率再用思想如图8-11所示。图11-11蜂窝频率再用思想示意图若小区群的大小N=7，频率再用因子为1/7，因为每个小区都要包含可用信道总数的1/7。当用六边形来模拟覆盖时，基站发射机安置在小区中心或6个小区顶点中的3个之上，前者称为中心激励小区，后者称为顶点激励小区。通常，全向天线用于中心激励小区，而扇形天线用于顶点激励小区。2.信道分配策略信道分配策略是指一种能实现既增如用户容量又以减少干扰为目标的频率再用方案。信道分配策略可以分为两类：固定的和动态的。所谓固定的信道分配策略是指给每一个小区分配一组事先确定好的语音信道。小区中的任何呼叫都只能使用该小区中的空闲信道。如果该小区中的所有信道都已被占用，则呼叫阻塞，用户得不到服务。所谓动态的信道分配策略是指语音信道不是固定地分配给每个小区，而是在每次呼叫请求到来时，为它服务的基站就向MSC请求一个信道。3.切换策略和位置管理当一个移动用户（MS）在通话过程中从一个小区移动到另一个小区时，MSC将该MS连接控制也从一个小区转移到另一个小区。这种将正在通话状态的MS转移到新的业务信道上（新的小区）的过程称为“切换”（Handover）。因此，切换的目的是实现蜂窝移动通信的“无缝隙”覆盖，即当MS从一个小区移动到另一个小区时，保证通信的连续性。切换处理在任何蜂窝无线系统中都是一项重要任务。在小区内分配空闲信道时，许多切策略都使切换请求优先于呼叫请求。切换必须顺利完成，并且尽可能少的出现，同时要使用户觉察不到。为了适应这些要求，系统设计者必须要指定一个启动切换的最恰当的信号强度。在移动通信系统中，用户可以在系统覆盖范围内任意移动，为了能把一个呼叫传送到随机移动的用户，必须有一个高效的位置管理系统来跟踪用户位置变化。位置管理包括位置登记和位置传递。所谓位置登记，是通信网为了跟踪移动台的位置变化，而对其位置信息进行登记、删除和更新的过程。位置传递指在有呼叫给移动台时，根据原籍位置寄存器（HLR）和访问位置寄存器（VLR）中的位置信息来确定移动台。4.干扰与系统容量 干扰是影响蜂窝无线系统性能的主要因素。干扰是增加容量的一个瓶颈，而且常常会导致掉话。蜂窝系统的两种主要干扰是同频干扰和邻频干扰。（1）同频干扰频率再用意味着在一个给定的覆盖区域内，存在着许多使用同一组频率的小区。这些小区称为同频小区、这些小区之间的干扰称为同频干扰。（2）邻频干扰所谓邻频干扰是指来自使用信号频率的相邻频率的信号干扰。邻频干扰是由于接收滤波器不理想，便得相邻频率的信号泄露到传输带宽内而引起的。5.功率控制减少干扰在实际的蜂窝无线电和个人通信系统中，每个用户所发射的功率一直在当前服务基站的控制之下。这是为了保证每个用户所发射的功率都是所需的最小功率，以保持反向信道链路的良好质量。功率控制不仅有利于延长用户设备的电池寿命，而且可以显著减少系统中反向信道的信干比（S/I）。功率控制对于CDMA移动通信系统来说尤为重要。11.3认知第五代移动通信技术（5G）移动通信在飞速发展，而第五代移动通信技术（5thgenerationmobilenetworks或5thgenerationwirelesssystems，简称5G）作为最新一代蜂窝移动通信技术，在第四代移动通信技术的基础上做出了革命性的改变。“4G改变生活，5G改变社会”。5G的性能目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。随着对5G应用的深入，一个全移动和全连接的数字化社会正在到来。11.3.1什么是5G5G作为一种新型移动通信网络，不仅要解决人与人通信，为用户提供增强现实、虚拟现实、超高清(3D)视频等更加身临其境的极致业务体验，更要解决人与物、物与物通信问题，满足移动医疗、车联网、智能家居、工业控制、环境监测等物联网应用需求。2015年10月26日至30日，在瑞士日内瓦召开的2015无线电通信全会上，国际电信联盟无线电通信部门（ITU-R）正式批准了3项有利于推进未来5G研究进程的决议，并正式确定了5G的法定名称是“IMT-2020”。2016年6月27日，3GPP在3GPP技术规范组（TechnicalSpecificationsGroups,TSG）第72次全体会议上就5G标准的首个版本——R15的详细工作计划达成一致。2017年12月21日，在国际电信标准组织3GPPRAN的第78次全体会议上，5GNSA标准冻结，这是全球第一个可商用部署的5G标准。2018年6月14日，3GPPTSG第80次全体会议批准了5GSA标准冻结。此次SA标准的冻结，不仅使5GNR具备了独立部署的能力，还带来了全新的端到端新架构，赋能企业级客户和垂直行业的智慧化发展，为运营商和产业合作伙伴带来了新的商业模式，开启了一个全连接的新时代。关于5G协议标准的规划路线如图11-12所示。图11-125G协议标准的规划路线11.3.25G的基本特点和关键技术为了满足未来不同业务应用对网络能力的要求，ITU定义了5G的八大能力目标，分别为峰值速率达到10Gbit/s、用户体验速率达到100Mbit/s、频谱效率是IMT-A的3倍、移动性达到500km/h、空口时延达到1ms、连接数密度达到106个设备/km2、网络功耗效率是IMT-A的100倍、区域流量能力达到5G网络相比于传统的2G、3G、4G网络，能够提供更高的速率、更低的时延及更大的连接数。那么它是如何实现的呢？显然，这与5G网络采用的关键技术是分不开的。5G网络时代面临三大挑战，分别是超大速率、超大连接、超低时延，故此5G网络关键技术也分为三大类，分别是提高速率、降低时延和提升覆盖这三大类关键技术。1.提高速率技术（1）大规模天线技术MassiveMIMO通过在基站侧安装大量天线阵子，实现不同天线同时收发数据，通过空间复用技术在相同的时频资源上同时复用更多用户，可以大幅度提高频谱的效率，最终提升小区峰值速率。（2）高阶调制技术3GPP在Release12阶段提出了256正交幅度调制（QuadratureAmplitudeModulation,QAM）技术，相比于之前的64QAM调制技术，单位时间内发送的信息量比64QAM调制技术提高了三分之一，从而实现提高空口速率的目的。（3）改进型正交频分复用技术基于子带滤波的正交频分复用（FilteredOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,F-OFDM）技术通过优化滤波器、数字预失真（DigitalPre-Distortion,DPD）、射频等通道处理，有效地提高系统带宽的频谱利用率及峰值速率。2.降低时延技术（1）时隙调度技术LTE系统中采用的是子帧级调度，每个调度周期为1ms。在5G系统中，每个子帧的长度与LTE相同，都是1ms，每个子帧又根据参数设定分为若干个时隙。为了降低调度时延，5G系统的空口采用了时隙级调度，每个调度周期为单个时隙，从而达到了降低空口时延的效果。（2）免调度技术由于调度存在环回时间（RoundTripTime,RTT），为了降低这个时延，5G系统中针对时延敏感的业务提出了免调度技术，免调度接入能免去整个接入流程，是实现超低时延接入的一个重要方向。（3）设备到设备技术设备到设备（Device-to-Device,D2D）通信是一种在蜂窝系统控制下，通过复用小区资源实现终端直接通信的新型技术，它能够增加蜂窝通信系统的频谱效率，降低终端发射功率，在一定程度上缓解无线通信系统频谱资源匮乏的问题。3.提升覆盖技术（1）上下行解耦技术5G上下行解耦定义了新的频谱配对方式，使下行数据在3.5GHz/4.9GHz等较高频段上传输，上行数据在1.8GHz/2.1GHz等较低频段上传输，从而达到提升上行覆盖的效果。（2）双连接技术为了在跨站场景下提供更高的业务速率，提升终端用户体验，3GPP在R12阶段提出了双连接（DualConnectivity,DC）特性，支持在两个基站间通过分流传输，从而达到了提升上行覆盖的效果。11.3.35G的应用场景5G有三大类应用场景，分别是：增强移动宽带（enhancedMobileBroadband，eMBB）、超高可靠低时延通信（ultraReliableandLowLatencyCommunication，uRLLC）、海量机器类通信（massiveMachineTypeofCommunication，mMTC）。具体包括：Gbps移动宽带数据接入、智慧家庭、智能建筑、语音通话、智慧城市、三维立体视频、超高清晰度视频、云工作、云娱乐、增强现实、行业自动化、紧急任务应用、自动驾驶汽车等。eMBB最直观的表现就是网速的翻倍提升，超高的传输数据速率。在5G下，我们可以轻松看在线2K/4K视频和AR/VR，峰值速度可以达到10Gbps。uRLLC，其对时延的要求很高，主往要达到1ms级别。它应用在车联网、工业控制、远程医疗等特殊行业。mMTC依靠5G强大的连接能力，促进垂直行业融合。万物互联下，我们依靠身边的各类传感器和终端能构建一个智能化的生活。在这个场景下，数据的速率较低而且时延要求也不高，布局的终端成本会更加低，同时要求有长续航和可靠性。教师活动讲授5G的应用场景、基本特点和关键技术。学生活动2.积极思考，回答问题。3.了解5G的应用场景、基本特点和关键技术。讲授教学法，通过讲解5G的应用场景、基本特点和关键技术，使学生理解5G的应用场景、基本特点和关键技术教学环节教学内容教学活动策略与意图环节四5G网络架构和部署特点，5G网络建设流程(30分钟)11.3.45G的网络架构和部署特点第五代移动通信系统网络架构分为无线接入网、承载网和核心网三部分，如图11-13所示。图11-135G通信系统网络架构1.无线接入网在无线接入网环节，主要设备就是5G基站，即gNodeB。当前，无线接入网的组网方式主要有：集中式无线接入网（CRAN）和分布式无线接入网（DRAN）。CRAN场景下，BBU集中部署后与AAU之间采用光纤连接，距离较远。DRAN场景下，BBU和AAU共站，距离较近，采用光纤直连方案。未来无线侧也会向云化方向演进，BBU会分解为CU和DU。2.承载网5G承载网主要是利用PTN、OTN等光传输设备形成一个IP数据承载网，通过IP路由协议、故障检测技术等实现相应的逻辑功能。5G承载网的结构可以从物理层面和逻辑层面两个维度划分。从物理层面划分，5G承载网可分为前传网、中传网和回传网。从逻辑层面划分，5G承载网可分为管理平面、控制平面和转发平面。3.核心网5G核心网的主要功能是提供数据转发、运营商计费操作和针对不同业务场景的策略控制。核心网一般有三类数据中心（DataCenter，DC），它们分别是：中心DC、区域DC和边缘DC。5G核心网主要用于控制和承载分离，核心网控制面网元和一些运营支撑服务器等部署在中心DC中，如接入和移动性管理功能（AMF）、会话管理功能（SMF）、用户面功能（UPF）、统一数据管理功能（UDMF）等。根据业务需要，核心网用户面网元可以部署在区域DC和边缘DC中。11.3.55G网络的建设流程5G网络建网初期，5G网络可以利用现有的LTE网络接入核心网，快速在热点地区提供5G的高速业务服务，降低5G的部署难度和门槛，这就是所谓的非独立组网（NSA）模式。但NSA组网模式只能支持5G网络中的eMBB业务，如果要实现5G网络中的三大类应用场景，就必须要用独立组网（SA）模式，后期5G网络建设将逐步向SA组网模式过渡。NSA组网与SA组网的关键区别在于其控制面锚点是在4G基站eNodeB侧还是在5G基站gNodeB侧。在NSA组网模式下，控制面锚点在eNodeB侧，主要有Option3系列和Option7系列。在SA组网模式下，控制锚点在gNodeB侧，主要有Option4系列和Option2系列。非独立组网模式如图11-14所示，独立组网模式如图11-15所示。图11-14非独立组网（NSA）模式图11-15独立组网（SA）模式5G网络建设一般分三个阶段：立项阶段、实施阶段和验收投产阶段。5G移动网络工程建设实施流程如图11-16所示。图11-165G移动网络工程建设实施流程1.立项阶段项目建议书：凡列入长期计划或建设前期工作计划的项目，应该有批准的项目建议书。各部门、各地区、各企业根据国民经济和社会发展的长远规划、行业规划、地区规划等要求，经过调查、预测、分析，提出项目建议书。可行性研究：可行性研究的主要目的是对项目在技术上是否可行和经济上是否合理进行科学的分析和论证。2.实施阶段初步设计：根据批准的可行性研究报告，以及有关的设计标准、规范，并通过现场勘察工作取得可靠的设计基础资料后进行编制的。年度计划：基本建设拨款计划、设备和主材（采购）储备贷款计划、工期组织配合计划等。施工准备：制定建设工程管理制度，落实管理人员；汇总拟采购设备、主材的技术资料；落实施工和生产物资的供货来源；落实施工环境的准备工作，如：征地、拆迁、“三通一平”（水、电、路通和平整土地）等。施工图设计：施工图设计文件应根据批准的初步设计文件和主要设备订货合同进行编制。施工招标或委托：施工招标是建设单位将建设工程发包，鼓励施工企业投标竞争，从中评定出技术、管理水平高、信誉可靠且报价合理的中标企业。开工报告：经施工招标，签订承包合同后，建设单位在落实了年度资金拨款、设备和主材的供货及工程管理组织，建设项目于开工前一个月由建设单位会同施工单位向主管部门提出开工报告。施工：按前期准备进行施工。3.验收投产阶段初步验收：通常是指单项工程完工后，为检验单项工程各项技术指标是否达到设计要求的程序。试运转：由建设单位负责组织，对设备、系统的性能、功能和各项技术指标以及设计和施工质量等进行全面考核。竣工验收：是全面考核建设成果、检验设计和工程质量是否符合要求，审查投资使用是否合理的重要步骤。教师活动5G网络架构和部署特点，5G网络建设流程。学生活动2.积极思考，回答问题。3.了解5G网络架构和部署特点，5G网络建设流程。4.思考记录1.讲授教学法，通过讲解5G网络架构和部署特点，5G网络建设流程，使学生掌握5G网络架构和部署特点，5G网络建设流程。环节五了解其他常见的现代通信技术30分钟)11.4了解其他常见的现代通信技术其他常见的现代通信技术有蓝牙、Wi-Fi、ZigBee、射频识别、卫星通信、光纤通信等，下面我们就依次来了解一下。11.4.1蓝牙技术1.什么是蓝牙技术蓝牙技术的目的是利用短距离、低成本的无线多媒体通信技术在小范围内将各种移动通信设备、固定通信设备、计算机及其终端设备、各种数字系统（包括数字照相机、数字摄影机等）甚至家用电器连接起来，实现无缝的资源共享。蓝牙技术的实质是要建立通用的无线空中接口及其控制软件的公开标准，使通信和计算机进一步结合，使不同厂家生产的便携式设备可以在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内具有互用、互操作的性能。它的一般连接范围为10厘米到10米之间；如果增加传输功率，其连接范围可以扩展到100米。2.蓝牙技术的特点蓝牙技术有如下特点：工作频率及抗干扰性；使用方便“即插即用”；支持语音；无需基站；尺寸小、功耗低；多路多方向链接；保密性。3.蓝牙技术的应用场景蓝牙技术产品的典型应用场景有家用无线连网、移动办公和会议演讲、个人局域网、Internet接入服务和移动电子商务等。11.4.2Wi-Fi技术1.什么是Wi-Fi技术Wi-Fi的英文全称是WirelessFidelity，也就是无线保真，它实现了个人电脑、PDA、手机等移动终端的无线互连通信。Wi-Fi既是一种无线互联网技术，更是一种由Wi-Fi联盟所持有的一个无线网路通信技术的品牌，目的主要是改善IEEE802.11无线设备之间的互通性。通常使用IEEE802.11系列协议的局域网就称为Wi-Fi。2.Wi-Fi技术的发展历程下面，我们就来看一下Wi-Fi技术的发展历程。从1997年推出802.11协议至今，已经过去大约25年，Wi-Fi速率的变化可谓日新月异，发生了翻天覆地的变化。从最早的网页浏览到现如今的在线高清视频观看，传输速率已经有了千倍以上的增长。3.Wi-Fi技术的典型组网模式利用Wi-Fi技术可构建无线局域网（WLAN）,构建WLAN的典型拓扑有两种，一种是由胖AP独立组网的小型WLAN，一种是由无线网络控制器AC和若干瘦AP联合组网的中大型WLAN。那么，什么是胖AP，什么是瘦AP呢？所谓胖AP，就是指功能比较复杂，能独立进行WLAN管理的AP。所谓瘦AP,就是指功能比较单一，只能进行无线收发的AP。大家可以思考一下，为什么中大型网络只能用无线网络控制器AC和若干瘦AP联合组网的模式呢？主要原因是方便与部署与管理，作为网络管理人员，只需要在无线网络控制器AC上进行配置，将配置信息整体下发给瘦AP，对网络进行整体调试，这样既节省人力，又可以达到较好的网络覆盖，可谓一举两得。11.4.3ZigBee技术1.什么是ZigBee技术ZigBee技术是一种低复杂度、低功耗、低速率、低成本、短距离的双向无线通信技术。ZigBee建立在IEEE802.15.4的无线通信协议标准之上。主要由IEEE802.15.4小组和ZigBee联盟两个组织负责标准规范的制定。ZigBee标准要解决的问题是设计一个维持最小流量的通信链路和低复杂度的无线收发信机。要考虑的核心问题是低功耗和低价格的设计，这就要求该标准应提供低带宽、低数据传输率的应用。2.ZigBee技术的特点ZigBee技术有功耗低、成本低、时延短、网络容量大、可靠性高、安全性高等特点。3.ZigBee技术的应用场景ZigBee技术应用领域主要包括家庭自动化、家庭安全、工业与环境监控、个人医疗看护等行业中的低速率的无线通信，以下是在不同领域的应用：家庭和楼宇网络：空调系统的温度控制、照明系统的自动控制、窗帘的自动控制、家用电器的远程控制、门禁系统等。工业控制：结合各种传感器进行数据采集和监控。商业：智慧型标签等。公共场所：烟雾探测器等。农业控制：收集包括土壤湿度、氮浓度、PH值等土壤信息和空气湿度、气压等气候信息。医疗：医疗传感器实时地检测病人、老人与行动不便者的血压、体温和心跳等信息，有助于医生对病人的监护和治疗。11.4.4射频识别技术1.什么是射频识别技术无线射频识别即射频识别技术（RadioFrequencyIdentification，RFID），是自动识别技术的一种，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，利用无线射频方式对记录媒体（电子标签或射频卡）进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的，其被认为是21世纪最具发展潜力的信息技术之一。2.射频识别技术的特点通常来说，射频识别技术具有如下特性：（1）适用性：RFID技术依靠电磁波，并不需要连接双方的物理接触。这使得它能够无视尘、雾、塑料、纸张、木材以及各种障碍物建立连接，直接完成通信。（2）高效性：RFID系统的读写速度极快，一次典型的RFID传输过程通常不到100毫秒。高频段的RFID阅读器甚至可以同时识别、读取多个标签的内容，极大地提高了信息传输效率。（3）独一性：每个RFID标签都是独一无二的，通过RFID标签与产品的一一对应关系，可以清楚的跟踪每一件产品的后续流通情况。（4）简易性：RFID标签结构简单，识别速率高、所需读取设备简单。尤其是随着NFC技术在智能手机上逐渐普及，每个用户的手机都将成为最简单的RFID阅读器。3.射频识别技术的应用场景射频识别可用于物流、交通、身份识别、防伪、资产管理、食品、信息统计、查阅应用和安全控制等。11.4.5卫星通信技术1.什么是卫星通信技术卫星通信技术（Satellitecommunicationtechnology）是一种利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波而进行的两个或多个地球站之间的通信。自20世纪90年代以来，卫星移动通信的迅猛发展推动了天线技术的进步。卫星通信具有覆盖范围广、通信容量大、传输质量好、组网方便迅速、便于实现全球无缝链接等众多优点，被认为是建立全球个人通信必不可少的一种重要手段。2.卫星通信技术的特点卫星通信是现代通信技术的重要成果，它是在地面微波通信和空间技术的基础上发展起来的。与电缆通信、微波中继通信、光纤通信、移动通信等通信方式相比，卫星通信具有下列特点：(1)卫星通信覆盖区域大，通信距离远。(2)卫星通信具有多址联接功能。(3)卫星通信频段宽，容量大。(4)卫星通信机动灵活。(5)卫星通信质量好，可靠性高。(6)卫星通信的成本与距离无关。但卫星通信也有不足之处，主要表现在：(1)传输时延大。(2)回声效应。(3)存在通信盲区。(4)存在日凌中断、星蚀和雨衰现象。3.卫星通信技术的应用场景卫星移动通信凭借其覆盖范围广、不受地理条件影响等优势，与地面通信系统形成互补，广泛应用于地面通信系统不易覆盖或建设成本过高的领域。可用于渔政、水利防汛、村村通、救灾、勘探科考和光缆备份等。11.4.6光纤通信技术1.什么是光纤通信技术光导纤维通信简称，原理是利用光导纤维传输信号，以实现信息传递的一种通信方式。实际应用中的光纤通信系统使用的不是单根的光纤，而是许多光纤聚集在一起的组成的光缆。光纤由纤芯，包层和涂层组成，内芯一般为几十微米或几微米，中间层称为包层，通过纤芯和包层的折射率不同，从而实现光信号在纤芯内的全反射也就是光信号的传输，涂层的作用就是增加光纤的韧性保护光纤。光纤通信是利用光波作载波，以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处的通信方式。2.光纤通信技术的特点（1）传输频带宽，通信容量大。（2）传输损耗低。（3）不受电磁干扰。（4）线径细，重量轻。（5