第2讲 移动通信概述(二) 06级.ppt

第1章概论1 1移动通信的发展历史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 HenanPolytechnicUniversity 1 2移动通信系统的分类 全 双工通信 full duplex 频分双工 FDD FrequencyDivisionDuplexing 时分双工 TDD TimeDivisionDuplexing 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 FrequencyDivisionDuplexing 图4FDD 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 TimeDivisionDuplexing 890 960 周期性的帧 帧长4 615ms 图4TDD 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 timeslot 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 PutToTalk 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 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 第1章概论1 1移动通信的发展历史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 HenanPolytechnicUniversity 1 2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 1 2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 无绳电话 无绳电话 CT CordlessTelephone 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 PublicSwitchingTelephoneNetwork 基站 BS BaseStation 移动台 MS MobileStation 图8无绳电话系统 CT 2 4GHzDECT数字无绳电话 DECT DigitalEnhancedCordlessTelecommunication 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 1900 Hz 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2400 2483 5 Hz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2400 2483 5 Hz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 PersonalHandyphoneSystem 小灵通 发射功率 小灵通手机10mW基站10 200mW所用频率范围 1900MHz 1920MHz 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 1 2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 集群移动通信系统 专用调度移动通信网 属于专网 单位内部用于调度指挥 例 1 出租车调度网 2 交警对讲通信网 图10简单调度网 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 集群通信系统 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 集群通信系统 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 1 2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 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 2 20km 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 ImprovedMobileTelephoneService 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 MobileSwitchingCenter 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 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 otherBTS s OMC 移动通信网的基本结构 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 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 频率复用 处在不同位置 不同小区 上的用户可以同时使用相同频率的信道 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 3 kD 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 3 4用户 总容量 100 12 1200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 960MHz频带宽度 70MHz下倾角 可调 3 8 增益Gain 16 5 dBi 抗风WindVelocity 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 5m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 2dBi 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 2dBi 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 定向天线 图15定向天线 图16移动基站 120度扇形天线 BS 定向天线导致 扇区的裂变 三扇区 六扇区 全向天线分成定向天线可以实现扇区覆盖 使用120 定向天线 使用60 定向天线 扇形天线 顶点激励 优点 同频干扰功率为全向天线系统的1 3 干扰的减少意味着容量的变相提升 扇形天线易于消除小区内障碍物的阴影区 结论 蜂窝网一般都采用顶点激励 天线安装注意事项 WCDMA系统和GSM系统天线建议安装方式如下图 两套天线间无直射主瓣 天线隔离度需30dB 只要垂直距离k达到0 5米 不需考虑水平距离就可满足干扰要求 如只有水平隔离 需要根据具体的天线情况决定d的大小 半波角在90度以内时d为1米即可 天线隔离度要求 TD SCDMA GSM900天线指向相同时 水平方向所要求的最小间距为 1 2米天线垂直间距 端到端 要求为 0 34米 TD SCDMA GSM1800天线指向相同时 水平方向所要求的最小间距