移动通信PPT电子课件教案-第1章 概论.ppt

第1章 概 论,1.1 移动通信的主要特点 1.2 移动通信系统的分类 1.3 常用移动通信系统 1.4 移动通信的基本技术 1.5 移动通信的发展历程和发展方向 1.6 移动通信的标准化,何谓移动通信？,通信双方至少有一方在移动中进行信 息传输和交换，可分为两大类：通信的双 方都是移动用户，移动用户和固定用户之 间的通信。,1.1 移动通信的主要特点,1. 移动通信必须利用无线电波进行信息传输； 2. 移动通信是在复杂的干扰环境中运行的； 3. 移动通信可以利用的频谱资源非常有限，而移动 通信业务量的需求却与日俱增； 4. 移动通信系统的网络结构多种多样，网络管理和控 制必须有效； 5. 移动通信设备必须适于在移动环境中使用；,1.2 移动通信系统的分类,1.按使用对象可分为民用设备和军用设备； 2.按使用环境可分为陆地通信、海上通信和空中通信； 3.按多址方式可分为频分多址(fdma)、时分多址(tdma)和码分多址(cdma)等 ； 4.按覆盖范围可分为宽域网和局域网； 5.按业务类型可分为电话网、数据网和综合业务网； 6.按工作方式可分为同频单工、异频单工、异频双工和半双工； 7.按服务范围可分为专用网和公用网； 8.按信号形式可分为模拟网和数字网。,1.2.1 工作方式,1. 单工通信,指通信双方电台交替地进行收信和发信。根据收、发频率的异同，又可分为同频单工和异频单工。单工通信常用于点到点通信。,图 1-1 单工通信,2. 双工通信 指通信双方可同时进行传输消息的工作方式，有时亦称全双工通信。,图 1-2 双工通信,3. 半双工通信 半双工通信的组成与图1-2相似，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。基站工作情况与双工方式完全相同。,1.2.2 模拟网和数字网,第一代通信产品：模拟通信系统(包括模拟蜂窝网、模拟无绳电话与模拟集群调度系统等)； 第二代通信产品：数字通信系统(包括数字蜂窝网、数字无绳电话、移动数据系统以及移动卫星通信系统等) 第三代通信产品：数字通信系统(无线atm、td-scdma系统，移动ip等),数字通信系统的主要优点： 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。,1.2.3 话音通信和数据通信,图 1-3 移动通信网络的分类,1.3 常用移动通信系统,1.3.1 无线电寻呼系统,图1-4 无线电寻呼系统示意图,1.3.2 蜂窝移动通信系统,图1-5 大区覆盖与小区覆盖 (a)大区覆盖； (b) 小区覆盖,图 1-6 蜂窝系统的频率再用,1. 频率再用及小区分裂,图 1-7 蜂窝移动通信系统示意图,2. 蜂窝通信系统,图 1-8 越区切换示意图,3. 越区切换,1.3.3 无绳电话系统有线电话网的无线延伸,图 1-9 无绳电话系统示意图,1.3.4 集群移动通信系统 (专用通信网),1.发展过程： 调度专用网选址通信系统具有指挥台和双向通信能力的专用调度系统集群移动通信系统 2. 集群的概念频率共用技术 1) 把各部门分散建立的专用通信网集中起来，统一建网和管理，并动态地利用分配给它们的有限个频道，以容纳数目更多的用户； 2) 改进频道共用的方式，即移动用户在通信的过程中，不是固定地占用某一个频道，而是在按下其按讲开关(ptt)时，才能占用一个频道；一旦松开ptt，频道将被释放，变成空闲频道，并允许其它用户占用该频道。,3. 集群系统的用途和特点：,1）属于专用移动通信网，适用于在各个行业(或几个行业)中间进行调度和指挥，对网中的不同用户常常赋予不同的优先等级。 2）根据调度业务的特征，通常具有一定的限时功能，一次通话的限定时间大约为1560秒(可根据业务情况进行调整)。,3）主要业务是无线用户和无线用户之间的通信以及少量无线与有线用户之间的通话业务，但只允许这种话务量占总业务量的5%10%。 4）一般采用半双工(现已有全双工产品)工作方式，因而一对移动用户之间进行通信只需占用一对频道。 5）在蜂窝通信系统中，可以采用频道再用技术来提高系统的频率利用率；而在集群系统中，主要通过改进频道共用技术来提高频率利用率。,4. 集群系统的组成及控制方式 集群系统均以基本系统（转发器、天线共用设备、 系统控制中心(系统控制器)、调度台（操作台、天线和电源等）和移动台等 )为模块，并用这些模块扩展为区域网。根据覆盖的范围及地形条件，基本系统可由单基站或多基站组成。集群系统的控制方式有两种：即专用控制信道的集中控制方式和随路信令的分布控制方式。,图 1-10 集群网络 的基本结构 集中控制式 (b)分布控制方式,5. 集群方式按通信占用频道的方式,(1) 消息集群(message trunking),图 1-11 消息集群的典型呼叫格式,(2) 传输集群(transmission trunking),图 1-12 传输集群的典型呼叫格式,(3) 准传输集群(quasi transmission trunking),图 1-13 准传输集群的典型呼叫格式,图 1-14 铱系统卫星轨道示意图,1.3.5 移动卫星通信系统,1.3.6 分组无线网,1.概念：是一种利用无线信道进行分组交换的通信网络。 2.信息传送基本单元：分组或信包(简称包)。 3.分组组成：是由若干比特组成的信息段，通常包含包头和正文 两部分。包头中含有该分组的源地址、宿地址和有关的路由信 息等；正文是真正需要传送的信息。,图 1-15 aloha（additive links online hawaii area）系统简图,世界上各国都在致力于发展移动数据通信网络，其中大都以分组传输技术为基础。主要有：,(1)ardis系统(先进无线电数据信息设备)。 (2)mobitex系统(全国性互连的集群无线电网络)。 (3)cdpd系统(蜂窝数字分组数据)。 (4)tetra系统(全欧集群无线电)。 (5)第二代北美数字蜂窝is-54和is-95系统。,1.4 移动通信的基本技术,1.4.1 调制技术 数字调制方式：,(1)线性调制技术； (2)恒定包络(连续相位)调制技术； (3)振幅和相位联合调制(qam)技术； (4)码分多址(cdma)最具有竞争力的多址方式。,1.4.2 移动信道中电波传播特性的研究,研究移动信道的传播特性，首先要弄清移动信道的传播规律和各种物理现象的机理以及这些现象对信号传输所产生的不良影响，进而研究消除各种不良影响的对策。为了给通信系统的规划和设计提供依据，人们通常通过理论分析或根据实测数据进行统计分析(或二者结合)，总结和建立有普遍性的数学模型，利用这些模型，可以估算一些传播环境中的传播损耗和其它有关的传播参数。,1.4.3 多址方式,1.基本类型: 频分多址(fdma)、时分多址(tdma)和码分多址(cdma)。 2.混合多址方式: 频分多址/时分多址(fdma/tdma)、频分多址/码分多址(fdma/cdma)、时分多址/码分多址(tdma/cdma)等等。 3.随机多址方式: 如aloha和载波检测多址(csma)随着数据业务的需求日益增长得到广泛应用，也包括固定多址和随机多址的综合应用。,1.4.4 抗干扰措施,1. 利用信道编码进行检错和纠错(前向纠错fec和自动请求重传arq)是降低通信传输的差错率、保证通信质量和可靠性的有效手段； 2. 为克服由多径干扰所引起的多径衰落，广泛采用分集技术(空间分集、频率分集、时间分集以及rake接收技术等)、自适应均衡技术和选用具有抗码间干扰和时延扩展能力的调制技术(如多电平调制、多载波调制等)；,3. 采用扩频跳频技术，提高通信系统的综合抗干扰能力； 4. 为减少蜂窝网络中的共道干扰而采用扇区天线、多波束天线和自适应天线阵列等； 5. 在cdma通信系统中，为减少多址干扰使用干扰抵消和多用户信号检测器技术。,1.4.5 组网技术,图 1-15 数字蜂窝通信系统的基本网络结构,1. 网络结构,图 1-16 数字蜂窝通信系统的网络结构,msc为移动交换中心，它是无线电系统与公众电话交换网之间的接口设备，完成全部必须的信令功能以建立与移动台的往来呼叫。其主要功能是： 路由选择管理； 计费管理； 业务量管理； 向归属位置寄存器(hlr)发送有关业务量信息和计费信息。,hlr(归属位置寄存器)，负责移动台数据库管理。主要功能： 对在hlr中登记的移动台(ms)的所有用户参数的管理、修改等； 计费管理； vlr的更新(位置信息)。 vlr(访问位置寄存器)，是动态数据库。主要功能是： 移动台漫游号管理； 临时移动台标识管理； 访问的移动台用户管理； hlr的更新； 管理msc区、 位置区及基站区； 管理无线信道(如信道分配表、 动态信道分配管理、 信道阻塞状态)。,2. 网络接口,图 1-17 蜂窝系统所用的接口,各接口的主要功能： (1) 人机接口(sm接口)：是用户与移动网之间的接口， 在移动设备中包括键盘、液晶显示以及实现用户身份卡识别功能的部件。 (2) 移动台与基站之间的接口(um接口)：是移动台与基站收发信机之间的无线接口，是移动通信网的主要接口。 (3) 基站与移动交换中心之间的接口(a接口)：是网络中的重要接口，因为它连接着系统的两个重要组成部分基站和移动交换中心。该接口所传递的信息主要有：基站管理、呼叫处理与移动特性管理等。 (4) 基站控制器(bsc)与基站收发信台(bts)之间的接口(abis接口)。 基站系统(bss)包括bsc与bts两部分，它们之间的接口称为abis接口。 (5) 移动交换中心(msc)与访问位置寄存器(vlr)之间的接口：b接口。 (6) 移动交换中心(msc)与归属位置寄存器(hlr)之间的接口：c接口。c接口用于传递管理与路由选择的信息。,(7) 归属位置寄存器(hlr)与访问位置寄存器(vlr)之间的接口：d接口。 (8) 移动交换中心之间的接口(e接口)：主要用于msc之间交换有关越区切换的信息。 (9) 移动交换中心(msc)与设备标志寄存器(eir)之间的接口(f接口)：用于在msc与eir之间交换有关移动设备管理的信息，例如国际移动设备识别码等。 (10) 访问位置寄存器vlr之间的接口(g接口)：当某个移动台使用临时移动台标识号(tmsi)在新的vlr中登记时，g接口用于在vlr之间交换有关信息。,图 1-18 um接口协议模型举例,3. 网络的控制与管理,1. 连接控制(管理)功能：当某一移动用户在接入信道上向另一移动用户或有线用户发起呼叫，或者某一有线用户呼叫移动用户时，移动通信网络就要按照预定的程序开始运转，这一过程会涉及到网络的基站、移动台、移动交换中心、各种数据库以及网络的各个接口等；网络要为用户呼叫配置所需的控制信道和业务信道，指定和控制发射机的功率，进行设备和用户的识别和鉴权，完成无线链路和地面线路的连接和交换，最终在主叫用户和被叫用户之间建立起通信链路，提供通信服务。这一过程称为呼叫接续过程。,2. 移动管理功能：当移动用户从一个位置区漫游到另一个位置区时，网络中的有关位置寄存器要随时对移动台的位置信息进行登记、修改或删除。如果移动台在通信过程中越区，网络要在不影响用户通信的情况下，控制移动台进行越区切换，包括判定新的服务基站、指配新的频率或信道以及更换原有地面线路等程序。,3. 无线资源管理：目标是在保证通信质量的条件下，尽可能提高通信系统的频谱利用率和通信容量。为适应传播环境、网络结构和通信路由的变化，有效的办法是采用动态信道分配(dca)法，即根据当前用户周围的业务分布和干扰状态，选择最佳的(无冲突或干扰最小)信道，分配给通信用户使用。这一过程既要在用户的常规呼叫时完成，也要在用户过区切换的通信过程中迅速完成。,*1.5 移动通信的发展历程和发展方向,移动通信的发展过程及趋势如下： 工作频段由短波、超短波、微波到毫米波、红外和超长波； 频道间隔由100khz、50khz、25khz到12.5 khz和宽带扩频信道； 调制方式由模拟调频到数字调制；, 多址方式由频分多址(fdma)、时分多址(tdma)、 码分多址(cdma)到混合多址，以及固定多址和随机多址的结合； 网络覆盖由蜂窝到微蜂窝、微微蜂窝和混合蜂窝； 网络服务范围由局部地区、大中城市到全国、全世界，并由陆地、水上、空中发展到陆海空一体化； 业务类型由通话为主，到传送数据、传真、静止图像，直到传送综合业务。,新一代移动通信的目标是个人通信，实现个人通信的网络称为个人通信网（个人通信系统)。其目标是实现(5w)：无论任何人(whoever)在任何时候(whenever)和在任何地方(wherever), 都能够和另一个人(whomever)进行任何类型(whatever)的信息交换。,*1.6 移动通信的标准化,1.6.1 国际无线电标准化组织,国际无线电标准化工作主要由国际电信联盟(itu)负责，是位于日内瓦的联合国组织，下设四个永久性机构：综合秘书处、国际频率登记局(ifrb)、国际无线电咨询委员会(ccir)以及国际电话电报咨询委员会(ccitt)。,国际频率登记局(ifrb)的职责：管理国际性的频率分配和组织世界管理无线电会议(warcs)。warcs是为了修正无线电规程和审查频率注册工作而举行的，会上曾作出涉及无线通信发展的有关决定。 国际电话电报咨询委员会(ccitt)：开发设备建议，如在有线电信网络中工作的数据modem；通过其不同的研究小组开发了许多与移动通信有关的建议，如编号规划、位置登记程序和信令协议等。,国际无线电咨询委员会(ccir)：为itu提供无线电标准的建议，研究内容着重于无线电频谱利用技术和网间兼容的性能标准和系统特性。 调整后的itu分为三个组： 无线通信组itu-r(以前的ccir和ifrb)； 电信标准化组itu-t(以前的ccitt)； 电信开发组(bdt)。 ,1.6.2 欧洲共同体(ec)的通信标准化组织,欧洲邮电管理协会(cept)：欧洲通信设施的主要标准化组织。其任务是协调欧洲的电信管理和支持ccitt和ccir的标准化活动。 欧洲电信标准协会(etsi)：隶属于欧洲共同体的标准化组织，成立于1988年，已经取代许多以往由cept领导的标准化职责。,电子工业协会 (eia)和电信工业协会(tia)(后者是前者的一个分支) 蜂窝电信工业协会(ctia)：1988年末，tia应ctia的请求组建了数字蜂窝标准的委员会tr45，来自美国、加拿大、欧洲和日本的制造商参加了这个组织。,1.6.3 北美地区的通信标准化组织,1. itu的研究进展 imt-2000是国际电联提出的第三代移动通信系统，其无线传输技术(rtt)的标准化工作主要由itu-r完成，而itu-t负责网络部分。itu-r于1997年7月发出征集无线传输技术的通函。在通函中，规定了候选rtt方案的一般要求和目标，要求各国于1998年6月底前提交候选rtt方案。到6月30日前，共有10个组织向itu提交了十几个候选rtt方案。 1999年11月在芬兰召开的itu第18次会议上正式确定了itm-2000的三种主流标准：我国推出的td-scdma，美国lucent、motorola和qualcomm等公司提出的cdma2000、欧洲ericsson等公司倡导的w-cdma。这三种标准均采用cdma技术。,1.7 3g的研究进展情况,2. 欧洲的研究进展 欧洲电信标准化协会(etsi)的smg2负责欧洲imt-2000/umts的标准化进程。欧洲前后共提出以下5种umts/imt-2000rtt方案： w-cdma； ofdma（正交频分多址接入）； tdma； tdma和cdma相结合的混合方案td-cdma； odma（伺机驱动多址接入）。,3. 美国的研究进展 美国负责imt-2000研究的组织有两个，一个是美国国家标准化协会(ansi)下的t1p1组，另一个是电信工业协会(tia)和电子工业协会(eia)。这两个组织都在研究自己的rtt方案，比较有影响的是w-cdmaone(后更名为cdma2000)，由lucent、motorola、nortel和qualcomm以及后来加入的韩国samsung一起提出，并且tia已将这种方案制定成窄带cdma is-95的补充标准。对于第三代移动通信系统何时正式商用，美国没有一个统一的目标。在第三代问题上, 美国营运商和制造商的态度截然不同。美国的第三代频段大部分已被拍卖给pcs，pcs在网络和业务能力上已对目前900 mhz频段上的蜂窝系统有了一定程度的提升， 因此，营运商对向第三代系统过渡的需求并不急迫；而制造商们则不一样，为了保持技术领先地位，他们非常积极地参与到国外的第三代系统试验中。,4. 日本的研究进展 日本的第三代无线传输技术标准化工作主要由arib负责，日本鉴于第一代模拟系统、第二代数字pdc系统只占领其国内市场的教训，决心在第三代系统的标准制定、开发及研制上走在世界前列，并和其他国际组织合作，共同打开国际市场。此外，日本目前的移动通信频谱资源已无法应付其移动用户的迅猛增长，同时，也考虑到通过第三代系统提供的多媒体业务会刺激用户的需求，因此，日本对第三代移动通信系统的研制与标准化工作非常积极，曾先后制定出6种rtt方案，经过层层筛选和合并，形成了目前的以ntt docomo公司为主提出的w-cdma方案。,5. 我国的研究进展 20世纪90年代中期我国电信技术科学研究院(catt)就自主开发了达到国际领先水平的scdma无线本地环接入技术，并在此技术的基础上发展td-scdma。当时欧洲的西门子(semens)公司也在从事tdd方式的cdma技术的研究，由于它与td-scdma具有诸多共同点，后来两家提出合作并弥补了相互的技术不足，最终形成了现在的td-scdma。目前我国的td-lte标准已被正式写入3gpp标准中 。,6. 三种主流标准的rtt方案与性能比较,三种主流标准的rtt方案简介 1) w-cdma系统,r99版采用全新的w-cdma无线空中接口标准，支持2mb/s的传输速率；核心网的电路域部分采用演进的gsm网络支持话路等电路业务；核心网的分组域部分提供了移动与internet的连接，采用演进的gprs网络。r4标准于2001年3月完成，其中最重要的一部分是完成了中国提出的td-scdma标准化工作，同时将电路域的控制与业务分离，向全ip核心网结构过渡。r5版本2002年3月完成第一稿，将ip从核心网扩展到无线接入网，形成全ip的网络结构。同时在无线传输中引入hsdpa，支持高达10mb/s下行分组数据传输。r6版本计划于2002年下半年推出，将引入多媒体广播和组播业务，无线资源优化，实现3g与wlan互联等。,2) cdma2000系统 cdma2000主要由is-95和is-41标准发展而来，它与amps、d-amps和is-95都有较好的兼容性，它在反向信道也使用了导频，同时又采用了一些新技术，使其能满足imt-2000的要求。cdma2000可分为cdma2000-1x(单载波，与