移动通信PPT电子课件教案-第1章 概述(二).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 常用的移动通信系统 1.4 移动通信的基本技术,henan polytechnic university,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 这种传播媒质允许通信中的用户可以在一定范围内自由活动， 其位置不受束缚， 不过无线电波的传播特性一般都很差。 首先， 移动通信的运行环境十分复杂， 电波不仅会随着传播距离的增加而发生弥散损耗， 并且会受到地形、 地物的遮蔽而发生“阴影效应”， 而且信号经过多点反射，,会从多条路径到达接收地点， 这种多径信号的幅度、 相位和到达时间都不一样， 它们相互叠加会产生电平衰落和时延扩展； 其次， 移动通信常常在快速移动中进行， 这不仅会引起多普勒（doppler）频移， 产生随机调频， 而且会使得电波传播特性发生快速的随机起伏， 严重影响通信质量。 因此， 移动通信系统必须根据移动信道的特征， 进行合理的设计。 ,2. 移动通信是在复杂的干扰环境中运行的 除去一些常见的外部干扰， 如天电干扰、 工业干扰和信道噪声外， 系统本身和不同系统之间， 还会产生这样或那样的干扰。 因为在移动通信系统中， 常常有多部用户电台在同一地区工作， 基站还会有多部收发信机在同一地点上工作， 这些电台之间会产生干扰。,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 如何提高通信系统的通信容量， 始终是移动通信发展中的焦点。 为了解决这一矛盾， 一方面要开辟和启用新的频段； 另一方面要研究各种新技术和新措施， 以压缩信号所占的频带宽度和提高频谱利用率。,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 根据通信地区的不同需要， 移动通信网络可以组成带状(如铁路公路沿线)、 面状(如覆盖一城市或地区)或立体状(如地面通信设施与中、 低轨道卫星通信网络的综合系统)等， 可以单网运行， 也可以多网并行并实现互连互通。,5. 移动通信设备(主要是移动台)必须适于在移动环境中使用 对手机的主要要求是体积小、 重量轻、 省电、 操作简单和携带方便。 车载台和机载台除要求操作简单和维修方便外， 还应保证在震动、 冲击、 高低温变化等恶劣环境中正常工作。,1.2 移动通信系统的分类,移动通信有以下多种分类方法： 按使用对象可分为民用设备和军用设备； 按使用环境可分为陆地通信、 海上通信和空中通信； 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； 按覆盖范围可分为广域网和局域网； 按业务类型可分为电话网、 数据网和多媒体网； 按工作方式可分为同频单工、 异频单工、 异频双工和半双工； 按服务范围可分为专用网和公用网； 按信号形式可分为模拟网和数字网,工作方式 （全）双工通信（full-duplex） ： 频分双工 (fdd，frequency division duplexing) 时分双工（tdd,time division duplexing ） 单工通信 半双工通信,全双工系统：基站的发射机和接收机分别使用一副天线，而移动台通过双工器共用一副天线，接收和发射可同时进行。 允许二台设备间同时进行双向资料传输。 一般的电话、手机就是全双工的系统 因为一方在讲话的同时，另一方也可以讲话。（边说边听） 全双工的系统：用一般的双向车道形容。 两个方向的车辆因使用不同的车道，因此不会互相影响。,双工通信,图3 双工通信,双工通信,fdd(frequency division duplexing),图 4 fdd,上行（f1）,频分双工（fdd）:是利用频率分隔技术来区分发送与接收的信号。 上行的话音（或数据）与下行的话音（或数据）使用一对不同频率的信道，两个信道相差一定的频率间隔（称为“双工间隔”）。,下行（f1）,上行（f30）,下行（f30）,用户1：,用户2：,用户发送，基站接收频段：,用户接收，基站发送频段：,f1,f1,f30,f30, ,例：,tdd(time division duplexing),890,960,周期性的帧 （帧长4.615ms）,图 4 tdd,上行时隙,下行时隙,时分双工（tdd）:是利用时间分隔技术来区分发送与接收的信号。 上行的话音（或数据）与下行的话音（或数据）均使用某个频率上的一帧中的不同时隙作为信道，两个信道相差一定的时间间隔（称为“时隙”）。,8个时隙/帧,时隙(ts,time slot),使用频率f1,使用频率f30,f30,f1,用户1：,用户2：,例：,915,935,单工通信,单向通信：只支持数据在一个方向上传输。 如无线电广播、电视广播、寻呼机都是单向通信。 单工通信：用户按动ptt(put to talk，按讲开关)开关，双方电台交 替地进行收信和发信。按下ptt发信（讲话），释放ptt收信（听话）。 同频/异频单工： 根据收、 发频率的异同 实际应用： 单工制一般适用于专业性强的通信系统。 如出租车（或保安）使用的对讲机系统、交通指挥等公安系统。,图5 单工通信,单工通信,使用相同的频率f1工作， 发送时不接收， 接收时不发送。 平常各接收机均处于守候状态， 即把天线接至接收机等候被呼。 当电台甲要发话时， 它就按下其送受话器的按讲开关(ptt)， 一方面关掉接收机， 另一方面将天线接至发射机的输出端， 接通发射机开始工作。 当确知电台乙接收到载频为f1的信号时， 即可进行信息传输。,半双工,半双工系统： 基站采用双工，移动台采用单工的“按讲”方式，即按下ptt开关，发射机才开始工作，而接收机总是工作的。 在九十年代中期的全双工集群通信系统中，号称“小大哥大”的跨段集群半双工手持对讲机和车载机曾经有过短暂的风光，后随大哥大的普及，很快淘汰。,半双工通信,模拟网和数字网 数字通信系统的主要优点可归纳如下： (1) 频谱利用率高，有利于提高系统容量。 采用高效的信源编码技术、 高频谱效率的数字调制解调技术、 先进的信号处理技术和多址方式以及高效动态资源分配技术等， 可以在不增加系统带宽的条件下增多系统同时通信的用户数。 (2) 能提供多种业务服务， 提高通信系统的通用性。 数字系统传输的是“1”、 “0”形式的数字信号。 话音、 图像、 音乐或数据等数字信息在传输和交换设备中的表现形式都是相同的， 信号的处理和控制方法也是相似的， 因而用同一设备来传送任何类型的数字信息都是可能的。 利用单一通信网络来提供综合业务服务正是未来通信系统的发展方向。,(3) 抗噪声、 抗干扰和抗多径衰落的能力强。 这些优点有利于提高信息传输的可靠性， 或者说保证通信质量。 采用纠错编码、 交织编码、 自适应均衡、 分集接收以及扩跳频技术等， 可以控制由任何干扰和不良环境产生的损害， 使传输差错率低于规定的阈值。 (4) 能实现更有效、 灵活的网络管理和控制。 数字系统可以设置专门的控制信道用来传输信令信息， 也可以把控制指令插入业务信道的比特流中， 进行控制信息的传输， 因而便于实现多种可靠的控制功能。 (5) 便于实现通信的安全保密。 (6) 可降低设备成本以及减小用户手机的体积和重量。,通信业务 移动通信的传统业务是电话通信。 在第二代移动通信系统中， 尽管主要业务是话音业务， 但也可以提供丰富的数据业务， 如短消息、 低速率的internet接入等业务。 在第三代移动通信系统中， 由于其传输速率的提高， 人们可以享用中等速率的多媒体业务， 包括话音、 图像和数据等 若干年来， 移动通信基本上围绕着两种主干网络在发展， 这就是基于话音业务的通信网络和基于分组数据传输的通信网络。 根据运行环境和市场需求的不同， 前者又分为以蜂窝网为代表的高功率宽（广）域网和以无绳电话网为代表的低功率局域网； 后者又可分为宽带lan之类的高速局域网和移动数据网之类的低速宽（广）域网。,移动通信网络的分类,1.3 常用无线通信系统,无线寻呼 无绳电话 集群移动通信系统 移动卫星系统 蜂窝移动通信系统,无线电寻呼系统,定义：无线电寻呼系统是一种单向通信系统。 无线电寻呼系统的用户设备是袖珍式接收机，俗称“bb机”。,图7 无线电寻呼系统示意图,无绳电话,无绳电话 (ct,cordless telephone） 简单的无绳电话机把普通的电话单机分成座机和手机两部分， 座机与有线电话网连接， 手机与座机之间用无线电连接， 这样， 允许携带手机的用户可以在一定范围内自由活动时进行通话， 因为手机与座机之间不需要用电线连接， 故称之为“无绳”电话机。无绳电话是一种以有线电话网为依托的通信方式， 也可以说它是有线电话网的无线延伸， 具有发射功率小、 省电、 设备简单、 价格低廉、 使用方便等优点 ,pstn 交换机,座机,手柄,电缆(绳),ms 手机,bs 座机,几十几百米,小功率：10mw,公共电话交换网(pstn，public switching telephone network),基站(bs，base station),移动台(ms，mobile station),图8 无绳电话系统,ct,2.4ghz dect数字无绳电话:dect（digital enhanced cordless telecommunication)系统是由欧洲电信标准协会（etsi）制定的增强型数字无绳电话系统标准，也是唯一入选3g的数字无绳通信标准. dect系统在应用频段上，原来使用1880-1900hz（由于3g的使用，该频段要让位于3g移动通信），现已较多地使用24002483.5hz的ism（工业、科学和医学）频段。 我国国家无线电管理局于2001年月发布通知，从2003年起将数字无绳电话系统工作频段放在24002483.5hz的ism频段。,该频段属于开放频段，无需付费即可使用,小灵通,phs（personal handyphone system，小灵通） 发射功率： 小灵通手机10mw 基站10-200mw 所用频率范围：1900mhz1920mhz,图9 小灵通基站a,图10 小灵通基站b,小灵通,通常10mw的小灵通基站覆盖范围在50-150米;20mw的覆盖范围在100-300米;300mw的基站覆盖范围在300-1000米;500mw的基站覆盖范围在500-1500米。 小灵通采用微蜂窝结构，普通小型基站平均输出功率为1毫瓦，相当于家里电视遥控器的发射功率。 目前我国暂行的微波卫生标准为38微瓦/平方厘米，小灵通基站天线的电磁波辐射功率仅为我国微波卫生标准阀值的1/15，因此不仅对人体无害，对一般电子仪器、设备也均无影响。,集群移动通信系统,1. 集群的概念 集群移动通信系统采用的基本技术是频率共用技术。 其主要做法是： 把一些由各部门 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； 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。,移动通信网的分类,公用移动电话网 ：直接向社会公众提供移动通信业务，与公共交换电话网（pstn）联系密切，需经过专门的线路进入pstn的移动通信网。 如：gsm 网、cdma网、3g移动通信网 专用的移动通信网 ：自己组成一个网后，不再进入电话网，或仅仅和电话网保持一定的关系。 例如，工业企业中的无线电调度网、公安指挥、交通管理、海关缉私、医疗救护等部门使用的无线电话网。,集群系统主要以无线用户为主， 即以调度台与移动台之间的通话为主。 属于专用移动通信网， 适用于在各个行业(或几个行业合用)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。 蜂窝通信系统属于公众移动通信网， 适用于各阶层和各行业中个人之间的通信， 一般不分优先等级 例 (1) 出租车调度网 (2) 交警对讲通信网,集群系统的用途和特点, 集群通信系统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 s(可根据业务情况调整)。 蜂窝通信系统对通信时间一般不进行限制。 集群通信系统的主要服务业务是无线用户和无线用户之间的通信, 蜂窝通信系统却有大量的无线用户与有线用户之间的通话业务。 集群通信系统一般采用半双工(现在已有全双工产品)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。 蜂窝通信系统都采用全双工工作方式， 因而， 一对移动用户之间进行通信， 必须占用两对频道。 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， 主要是以改进频道共用技术来提高系统的频率利用率的,. 集群系统的组成,集群系统均以基本系统为模块， 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,集中控制方式,分布控制方式,集群方式,(1) 消息集群(message trunking)。 在消息集群系统中， 每一次呼叫通话期间， 一次性地分配一对无线频道， 而且在通话完毕后(即松开ptt开关后)， 转发器继续在该频道上工作6 s左右(即脱离时间约为6 s), 才算完成此次接续过程。,(2) 传输集群(transmission trunking)。 传输集群通话中， 并非始终占用某一个频道， 当发话一方松开ptt时， 对这一频道的占用即告结束， 对方回答或本方再发话时， 都要重新分配并占用新的空闲频道。 亦即在通话中， 每按一次ptt开关就重新占用频道一次。 因此， 传输集群可以充分利用频道的空闲时间， 其频道利用率可以明显提高。 不过， 要实现这种传输集群， 用户所用的ptt必须保证用户讲话时立即接通， 讲话停顿时立即松开。 这样做会带来一个问题， 即用户的话音略有间隙时， ptt就可能松开， 使所用频道也立即放弃而被其它用户所占用， 其后再讲话时又要重新占用新的空闲频道， 从而会导致消息传输不连续或形成通话中断现象。,传输集群的典型呼叫格式,准传输集群(quasi transmission trunking)。 准传输集群是为了克服传输集群的缺点而提出的一种改进型集群方式， 也可以看作是传输集群和消息集群的折中方案。 其做法是： 一方面(和消息集群相比)把脱离的时间缩短为052 s; 另一方面(和传输集群相比)在每次ptt松开之后增加0.5 s的保持时间， 然后释放频道 这种准传输集群的工作方式由美国摩托罗拉(motorola)公司首先使用， 经过大量试验后表明这种方法的频率利用率略低于传输集群， 但能防止有害的消息中断现象。,准传输集群的典型呼叫格式,国际电联(itu) 推荐了一些数字集群通信系统，而在我国的标准中只推荐tetra和iden两个系统 。 我国的集群通信工作频率开始在800mhz的频段: 分配为806-821mhz和851-866mhz,它共有600个信道(信道间隔为25khz) 。 随着使用集群通信的部门的增多和范围的扩大，后来国家无线电管理局又分配了350mhz频段(信道间隔也为25khz)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。,etra系统是欧洲电信标准协会(etsi)推出的，采用tdma方式，工作频段主要为400mhz(380-400mhz,410-430mhz)，它原先主要是为欧洲一些国家公共安全使用的。 自我国规定数字集群通信的频段为800mhz后，siemens等公司都已能提供800mhz的成套系统或设备 。 iden系统是motorola公司的产品，它原先叫mirs系统，工作在800mhz频段，也采用tdma方式。它集指挥调度、双工互联、寻呼和短消息于一体。 iden系统进入到中国是比较早的，但真正建成，运营是在1999年初，这个网是由珠海新河公司和摩托罗拉公司合作在福建省的沿海地区(福州、泉州、厦门和漳州一线)建的、由福建省集群无线电话公司正式运营的我国第一个数字集群通信共网。,5,-,5,0,k,m,1,-,5,k,m,1,0,0,m,-,1,k,m,1,0,-,1,0,0,m,分层网络,移动通信网的覆盖演进,大区制,小区制,微小区制,微微小区制,宏区制（宏蜂窝）,按移动通信网的服务区域覆盖方式可分为： 大区制 小区制 微小区制 微微小区制,节省投资 实现大面积覆盖 大功率发射 高挂高天线 小区范围2-20km (取决于实际环境!) 适用于低话务阶段或区域 网络建设初期 农村 交通干线覆盖 公路覆盖用全向天线或两扇区定向天线,220 km,使整体覆盖情况最佳,宏蜂窝网络,蜂窝移动通信系统（一）,大区制,图11 大区制蜂窝网,例 ：在20世纪70年代于美国纽约开通的imts(improved mobile telephone service，改进的移动电话系统)，仅能提供12对信道。 例：设大区制系统共有12个频道（信道ch：channel），求系统用户容量。 解：系统容量=12(ch)=12个用户 大区制特点 系统及控制简单 容量小 为提高系信容量人们研究出小区制即蜂窝网,5,-,5,0,k,m,1,-,5,k,m,1,0,0,m,-,1,k,m,1,0,-,1,0,0,m,分层网络（微蜂窝）,移动通信网的覆盖演进,大区制,小区制,微小区制,微微小区制,宏区制（宏蜂窝）,按移动通信网的服务区域覆盖方式可分为： 大区制 小区制 微小区制 微微小区制,容量导向型网络 加强宏蜂窝覆盖，同时增加网络容量 适用于热点区域 通常是扇型小区 解决热点话务吸收的有效投资途径 典型应用 市区 郊区热点 典型覆盖范围: 0,5 2km,使网络容量吸收最佳,0,5 2km,微蜂窝网络,蜂窝移动通信的基本概念,蜂窝系统-“小区制”系统 - 将所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，负责本区移动通信的联络和控制。 同时，又可在移动交换局(msc，mobile switching center)的统一控制下，实现小区之间移动用户通信的转接，以及移动用户与市话用户的联系。 基站发射功率一般为520w，每个小区半径为220km（小的也有的为13km) - 特点：用户容量大，服务性能较好，频谱利用率较高，用户终端小巧且电池使用时间长，辐射小等 - 问题：系统复杂，越区切换，漫游，位置登记；更新和管理以及系统鉴权等,其他 msc,other btss,omc,移动通信网的基本结构,msc （mobile switching center ，移动交换中心）,bts base transceiver station ，基站收发台,home location register 归属位置寄存器,visitor location register 拜访位置寄存器,authentication centre鉴权中心,equipment identity register 设备标识寄存器,蜂窝移动三大特点：频率再用，小区分裂，越区切换 把若干相邻的小区按一定的数目划分成区群 (cluster), 并把可供使用的无线频道分成若干个(等于区群中的小区数)频率组， 区群内各小区均使用不同的频率组， 而任一小区所使用的频率组， 在其它区群相应的小区中还可以再用， 这就是频率再用 但用户数增多并达到小区能服务的最大限度时，把这些小区分割成更小蜂窝状的区域，并相应减小先小区的发射功率和采用相同的频率再用模式，提高系统单位面积可服务的用户数以适应持续增长的业务需求-小区分裂 移动台从一个小区进入另一相邻的小区时， 其工作频率及基站与移动交换中心所用的接续链路必须从它离开的小区转换到正在进入的小区， 这一过程称为越区切换,蜂窝通信的基本原理,小区、区群与频率复用,小区形状的确定,小区的实际覆盖,想象的 覆盖,理想的 覆盖,实际的 覆盖,确定小区形状的准则： 无空隙覆盖全部服务区。 在服务区总面积相同时，小区（bs）数最少，系统最经济。 因为正六边形最接近圆形(bs辐射区)，重叠小，中心间的间距最大，在服务区总面积相同时，用正六边形小区覆盖所需数目最少。,实际的覆盖,3个规则正六边形,一个站点的三个实际小区,基站的实际覆盖,好处：可以极大地提高频谱利用率 带来的问题：如果系统设计得不好，将产生严重的干扰,c,1,c,1,f,1,p,0,f,1,p,0,r,r,d,(d/r)2=3k d频率复用距离 r小区半径 k频率复用模式,频率复用,代表频率复用的效率,蜂窝频率复用方式,fdma 频率复用,cdma 频率复用,蜂窝网中区群的划分,图13 区群的划分,要很好的实现频率再用，需对蜂窝网中的小区进行规划，即进行区群的划分。,例：设移动通信系统的信道总数为12个, 若3个小区为1个区群，共100个区群，求系统用户容量。,划分区群后，蜂窝移动通信系统的用户容量的计算:,解：,而 每小区容量12/34用户,总容量100121200用户,蜂窝移动通信系统（二）,频率复用,图14 蜂窝网的频率复用,无线区群构成和形状,无线区群构成 -区群内每个小区使用不同的频率 -区群的形状能够无缝覆盖整个区域 -区群间同频小区的距离保持相等 区群中的小区数目满足：n=i2+ij+j2 无线区群的几种形状,n=3,n=4,n=7,1,3,2,1,4,3,7,2,6,4,5,3,2,1,“频率复用”产生的问题： 同信道干扰,6,7,5,4,3,2,1,6,7,5,4,3,2,1,6,7,5,4,3,2,1,6,7,5,4,3,2,1,6,7,5,4,3,2,1,6,7,5,4,3,2,1,6,7,5,4,3,2,1,1,1,1,1,1,1,1,图15 蜂窝网的同信道干扰,例：要达到三级话音质量，要求信号是干扰的8倍以上。,基站天线的分类,天线品种分： 板状和室内分布天线、全向,定向等多种型号规格. 天线的主材料：铝、铜 外壳封装采用：玻璃钢材料 天线增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。 dbi这个单位：表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源。,板状天线,cdma /gsm基站平板天线的性能指标： 频率范围： 824-960 mhz 频带宽度 ：70mhz 下倾角（可调）： 3 8 增益gain： 16.5(dbi) 抗风wind velocity： 200(km/h) 高/宽/厚：1.7/0.28/0.13(m) 重量 ：13（kg）,抛物面天线,分为：发射天线和接收天线两种 广泛用于微波，卫星通讯。 特点 结构简单，方向性强，工作频带宽。,由抛物面反射器和位于其焦点处的馈源组成的面状天线叫抛物面天线 。,直径为 1.5 m 的栅状抛物面天线，在900兆频段，其增益即可达 g = 20dbi。它特别适用于点对点的通信，例如它常常被选用为直放站的施主天线。,无线公话天线,无线公话设备：是一种将普通电话与900mhz/1800mhz移动电信网连接并进行通话的转化设备。 （1）小橡皮天线 用途：cdma/gsm无线公话、数据通信,（2）小吸盘天线（车载天线） 用途：gsm、cdma、phs 增益一般为：g = 2 dbi,（3）挂壁天线 用途：无线公话天线 特点：辐射图形和增益适于室内信号分布 造型美观，体积小， 安装便宜 增益一般为：g = 2 dbi,全向天线,全向天线可以实现一个小区的360覆盖.,图13 全向天线,