《无线通信》PPT课件.ppt

无线 通 信 原 理,主讲人: 汤一彬 河海大学计信院,2,第一章 绪 论,1.1 移动通信的主要特点 移动通信是通信领域中最具有活力，最具有发展前途的一种通信方式。它是当今信息社会中最具有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，它让人们领悟到现代化与信息化的气息。 移动通信，顾名思义其最本质的特色是“移动”二字，就是说这类通信不是传统静态的固定式通信，而是动态的移动式通信。,3,传统的固定式通信，又称为有线通信。它的最大特点是静态的，信道是封闭的，且是人造的，从而是优质的。它的最大缺点是缺乏动态性，不适应现代人快节奏的生活需求，特别是快速移动的需求。 无线通信针对上述静态的缺点，以开放式传播来传递信息，它的代价是牺牲了全封闭式的优质人造信道，换取了无需采用固体介质专用线路的开放式传输的灵活性，但是信道的开放性必然引起了信道的时变性和随机性，从而大大降低了通信容量和质量。,4, 移动通信则是在无线通信的基础上又进一步引入了用户的移动性 , 在无线通信的一重信道动态的基础上又加入了第二重用户的动态性，这实质是两重动态性。 这种二重动态性以及在第三代(3G)移动通信技术中进一步引入的第三重动态性业务类型动态选择特性,贯穿到本书的每一章节。 在移动通信中，终端是移动的，传输线路是随终端移动而分配的动态无线链路，网络则是适应动态用户终端、动态线路的动态型交换网络。,5,移动通信，确切地说蜂窝式移动通信，就正式商业运营而言，至今也不过只有20多年的历史，就其发展历程看，大约每十年更新一代。目前正处于第二代(2G)与第三代(3G)交接期。 自上世纪八十年代我国引入模拟式(TACS)移动通信网以来，经过短短二十多年的发展，截止2002年底，我国已拥有2亿以上的移动通信用户，成为全球头号移动用户大国。我国的第一代移动通信TACS系统目前已完成其历史任务而被淘汰；第二代移动通信GSM系统是全球第一，规模最大、用户最多，CDMA系统目前也是数一数二，并即将成为全球第一；第三代移动通信，我国目前还处于即将投入运营的阶段。,1.2 移动通信的发展,6,第一代以模拟式蜂窝网为主要特征，是上世纪七十年代末八十年代初开始商用化的。其中最具代表性的是北美的AMPS(Advanced Mobile Phone System)、欧洲的TACS(Total Access Communication System)两大系统，另外还有北欧NMT以及日本的HCMTS等。 第一代(1G)从技术特色上看，它是以解决两个动态性中最基本的用户这一重动态性为核心并适当考虑到第二重信道动态性。主要措施是采用频分多址FDMA方式实现对用户的动态寻址功能，并以蜂窝式网络结构和频率规划实现载频再用方式，达到扩大覆盖、服务范围和满足用户数量增长的需求。在信道动态特性匹配上适当采用了性能优良的模拟调频方式，并利用基站二重空间分集方式抵抗空间选择性衰落。,7,第二代(2G)以数字化为主要特征，构成数字式蜂窝移动通信系统，它是上世纪九十年代初正式走向商用。其中最具代表性的有欧洲的时分多址(TDMA)GSM(GSM原意为Group Special Mobile，89年以后改为Global System for Mobile Communications)、北美的码分多址(CDMA)的IS-95两大系统，另外还有日本的PDC系统等。 第二代(2G)从技术特色上看，它是以数字化为基础，较全面考虑信道与用户的二重动态特性及相应的匹配措施。主要实现措施有：采用TDMA(GSM)、CDMA(IS-95)方式实现对用户的动态寻址功能，并以数字式蜂窝网络结构和频率(相位)规划实现载频(相位)再用方式，从而扩大覆盖、服务范围和满足用户数量增长的需求。,8,在对信道动态特性的匹配上采用了一系列措施： (1)采用抗干扰性能优良的数字式调制：GMSK(GSM)、QPSK(IS-95)，性能优良的抗干扰纠错编码：卷积码(GSM、IS-95)、级联码(GSM)； (2)采用功率控制技术抵抗慢衰落与远近效应，它对CDMA方式的IS-95尤为重要； (3)采用自适应均衡(GSM)和Rake接收(IS-95)抗频率选择性衰落与多径干扰； (4)采用信道交织编码，如采用帧间交织方式(GSM)和块交织方式(IS-95)抗时间选择性衰落。 (5)基站采用空间或极化分集方式抗空间选择性衰落。,9,第三代(3G)以多媒体业务为主要特征，它是本世纪初刚刚投入商业化运营。其中最具有代表性的有北美的CDMA2000、欧洲与日本的WCDMA、以及我国提出的TD-SCDMA三大系统，另外还有欧洲DECT以及北美的UMC-136。 第三代(3G)从技术上看，它是在2G系统适配信道与用户二重动态特性的基础上又引入了业务的动态性，即在3G系统中，用户业务既可是单一的话音、数据、图像，也可以是多媒体业务，且用户选择业务是随的,这个第三重动态性的引入使系统大大复杂化。所以第三代是在二代数字化基础上的以业务多媒体化为主要目标，全面考虑并完善对信道、用户二重动态特性匹配特性，并适当考虑到业务的动态性能，尽力采用相应措施予以实现。,10,其主要实现措施有： （1）继续采用第二代(2G)中所采用的所有行之有效的措施； （2）对CDMA扩频方式应一分为二，一方面扩频提高了抗干扰性，提高了通信容量；另一方面由于扩频码互相关性能的不理想，使多址干扰、远近效应影响增大，并且对功率控制提出了更高要求等； （3）为了克服CDMA中的多址干扰，3G系统中，上行链路建议采用多用户检测与智能天线技术；下行链路采用发端分集、空时编码技术； （4）为了实现与业务动态特性的匹配，3G中采用了可实现对不同速率业务(不同扩频比)间仍具有正交性能的OVSF(可变扩频比正交码)多址码； （5）针对数据业务要求误码率低且实时性要求不高的特点，3G中对数据业务采用了性能更优良的Turbo码。,11,在前三代移动通信中，除了上述物理层关键技术的不断发展外，在网络层其功能也在逐步完善。它主要体现有： 1)网络协议逐步走向规范化，到了第三代(3G)已初步形成了横向三层：物理层、链路层、网络高层；纵向两个平面：用户业务平面与控制平面的初步规范结构。 2)逐步增强并完善网络层辅助物理层实现对三重动态性的匹配功能，加强并完善对无线资源管理、移动性管理以及接入分配、调度算法的实现。 3)第二代(2G)开始逐步引入智能网，实现交换与控制的分离，并通过业务生成系统快速生成新业务。,12,另外，从第一代发展到第三代服务的业务类型、完成的功能也在不断的发展。就业务而言: 1)第一代是在单一模拟电路交换平台上，完成了单一模拟话音业务。 2)第二代是在单一数字电路交换平台上，完成数字式话音或相同速率电路交换的数据业务。 3)第二代半在建立的两个平行的电路(CS)与分组(PS)交换平台上，完成数字化话音和小于64kbps的电路交换、小于171.2kbps的分组交换的各类数据业务服务。 4)第三代首先在第二代半基础上进行增强与改善，并在其基础上逐步改造成单一分组交换的IP平台，提供小于2Mbps的各类多媒体业务服务。,13,就功能而言，主要指业务服务功能，它有: 1)第一代与第二代的通话功能。 2)第二代半增加了因特网业务和定位业务。 3)第三代发展成具有会话型、数据流型、互动型与后台类型的综合服务多媒体业务功能。,14,1.3 移动通信的发展趋势与展望,就未来通信而言，发展方向是个人通信。即在全球范围内逐步实现全球一网(统一的网络结构)，每人一号(一个身份号码)，在任何时间、任何地点(海、陆、空)以任何通信方式与任何对象(人或机器)进行任何业务(话音、数据、图象等)的无缝隙、不间断通信。 实现它主要包含两大部分。一个是全球性骨干核心网络平台，另一个是无时无处不在的灵活接入手段，对移动通信发展而言重点是探讨后者。,15,就接入网而言，客观上看可分为有线接入与无线接入，这里仅讨论无线接入，再细致一些无线接入又可分为室内无线接入比如红外、蓝牙等；小范围的无线局域网接入比如IEEE802.11系列等；中等及大范围的蜂窝移动接入和覆盖全球的卫星接入。 本书讨论内容仅限于陆地系统的蜂窝移动网，它是实现宏伟的个人通信蓝图的第一步，仅这一步目前已经历了第一代(1G)、第二代(2G)系统，正在向第三代(3G)系统过渡。,16,展望未来移动通信的发展是离不开其客观上应遵循的规律，这个规律主要决定于两方面的因素：第一是用户的需求，第二是实现时所受的环境和条件的限制。 1)从用户需求看，移动通信应当从第一代(1G)、第二代(2G)以话音为主逐步转移到以数据为主，特别是以分组交换IP数据为主的综合业务和多媒体业务。在这个转移过程中，以IPv6为基础的移动因特网业务将是未来的主流业务。,17,2)基于移动因特网业务上、下行严重的不对称性，一般下行的下载业务量远远大于上行的业务量。因此在基本通信体制方面，可能要打破传统的上下行遵循同一通信体制的桎梏。目前在第三代(3G)中，3GPP2已运营的HDR在下行采用了时隙码分多址方式，以适应高速数据传送，它与上行的码分多址是不完全对称的。3GPP所采用的HSDPA (高速下行数据传送)也与HDR基本类似。,18,3) 下一代移动通信中主要物理层关键技术是在三重动态环境与条件的限制下满足用户在数量上不断增长、在质量上不断提高的要求，同时要保证用户通信的安全保密性能。 首先是对现有物理层关键技术进一步改进、完善与实用化。 重点突出适应高速数据业务的正交多载波调制OFDM技术，作为下一代物理层关键技术。 下一代移动通信物理层的关键技术的另一个研究重点是突出对物理层的自适应传输技术的研究。,19,加强对信道、用户、业务动态性的监测与估计，为实现与三重动态匹配提供基础。 加强空间域与传统的时、频域相结合的研究，开发空域在移动通信中的巨大潜力。 在下一代移动通信系统的优化中，一个值得注意的方向是，在传统的单一部件比如在信道编码、调制技术、多用户检测技术等逐个优化的基础上，逐步扩大并实现联合(组合)优化的范围。 在下一代移动通信的物理层具体实现技术中将采用逐步向软件无线电方向过渡的方式来实现。,20,4) 在原有移动通信传统的用户和信道二重动态性的基础上又迭加上一个用户业务类型的第三重动态性。这个第三重动态性的引入不仅在上述物理层上引起很大的变化，而且在网络层与网络规划层也提出了很多新要求，带来新问题。 首先选定全IP方向，因为它更适合于今后的主流业务移动因特网以及数据和多媒体业务。 这里的IP指的是建立在IPv6基础上。 下一代移动通信网络的主要努力方向应是网络智能化。,21,5)下一代移动通信中对网络规划层也提出了一系列新问题和新要求，其中最主要的有： 由于数据和多媒体业务的引入并逐步成为主流，使得传统的网络规划中以单一话音业务为依据的规划已不适应用户需求。 由于用户需求的业务密度越来越大，迫使将来的蜂窝小区尺寸越来越缩小，这使得移动用户特别是高速移动的用户，用于频繁切换导致信令协议所占比重越来越大，通信效率每况愈下，这也必然迫使对原有蜂窝传输网结构的改造。 下一代蜂窝网络结构改造的方案之一是采用多层次、重叠式立体网络规划。,22,建立在分布式天线与多层次小区的混合蜂窝网系统。 建立在分布式天线、分布式光纤接入网基础上的自组织拓扑结构网络。 从网络规划层的网络拓扑结构看，就长远发展而言，有如下发展倾向： 倾向一:电信网、计算机网与有线电视网将逐步实现三网融合并最终走向三网合一； 倾向二:就电信网而言，将逐步从目前的有线(固网)无线(移动网)两个基本上的平行发展的网络，逐步走向无线侧重于接入网，有线侧重于核心骨干网的分工、协作的统一网络的发展方向。,23,1.4 关于本书的内容与安排,本书写作的基本原则有： 1)围绕移动通信基本原理为核心，但也适当介绍一些移动通信系统的主流体制； 2)综合各种移动通信体制中共同采用的“共性”技术为核心，并适当介绍一些特殊的“个性”技术； 3)本书内容的基本框架包含三大部分：物理层技术、网络层技术与网络规划层技术，但是主要侧重于物理层技术；,24,4)在写作方法上，以概念与基本原理为主，并适当地引入一些必要地定量分析与讨论； 5)力求写作深入浅出，并能满足研究生、大学本科生以及工程技术