高级无线通信_AWMC_第10章 蜂窝移动通信系统.pdf

高级无线移动通信高级无线移动通信 Advanced Wireless and Mobile Communication Networks 蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 胡博胡博 hubo 宽带网研究中心宽带网研究中心 计算机科学与技术学院 网络与交换技术国家重点实验室计算机科学与技术学院 网络与交换技术国家重点实验室 北京邮电大学北京邮电大学 22007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 主要内容主要内容 移动通信历史及发展移动通信历史及发展 移动通信技术基础移动通信技术基础 32007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 移动通信历史及发展移动通信历史及发展 无线接入技术无线接入技术是指在接入网络中部分或全部采用无线 媒介传输 为用户提供与有线接入网络相同的业务种 类和更广泛 更灵活的服务范围 固定无线接入 移动无线接入 基于无线局域网 基于蜂窝移动通信系统 基于卫星通信 系统 无线移动通信无线移动通信是指通信双方至少有一方通过无线通信 方式在移动过程中 或者临时停留在某一非预定位置 上 进行的信息传输和交换 移动终端 移动终端 移动终端 固定终端 First Mobile Radio Telephone 1924 42007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 移动通信历史移动通信历史 James Clerk Maxwell 1831 1879 Scottish Professor of physics King s College London and Cambridge University Formulated the theory of electromagnetism from 1865 to 1873 0 B t D t E HJ D B Maxwell 无线通信理论奠基人 52007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 移动通信历史移动通信历史 1900 2000 1880 1860 198019601940 1920 Martin Cooper Motorola develops first handheld cellular phone in 1973 Guglielmo Marconi 1874 1937 development of wireless telegraphy trans Atlantic 1901 Prof H Hertz 1857 1894 experimental validation of Maxwell 1886 1888 at Karlsruhe Prof J Maxwell 1831 1879 theory of electromagnetism developed in 1865 First television broadcast 1928 Two way mobile radio services 1960s 1970s 1983 Cellular AMPS service in Chicago KDKA Radio 1920 Dave interviews at Bell Labs for Mobile Phone project This thing isn t going anywhere 62007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 移动通信历史移动通信历史 硬件 芯片 技术的飞速发展 Moore s law 19601970198019902000 Transistor Count Transistors 7 4M Transistors 75M Intel Pentium II 1995 32bit up Xilinx UMC Group 1999 Virtex 1000 100M 10M 1M 100K 10K 1K 100 10 0 RCA 1962 First MOSFET Transistor 1 Intel 1972 First 8bit up 8080 Transistors 4 500 Transistors 450 000 HP 1981 32bit up 72007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 蜂窝移动通信系统发展蜂窝移动通信系统发展 82007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 1G 第一代蜂窝移动通信系统 第一代蜂窝移动通信系统 基于模拟通信技术 被称为 模拟蜂窝移动通信系统模拟蜂窝移动通信系统 1G网络的服务区域被划分成若干蜂窝覆盖的集合 每个 蜂窝中设有一个基站 采用频分多址 采用频分多址 FDMA 技术 技术 如果一个蜂窝中的移动台发起 接收一个呼叫 基站就指 定一个频率用于这次呼叫 典型典型1G移动通信系统移动通信系统 Advanced Mobile Phone Service AMPS Nordic Mobile Telephony NMT Total Access Communications System TACS 92007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 1G 第一代蜂窝移动通信系统 第一代蜂窝移动通信系统 Advanced Mobile Phone Service AMPS US trials 1978 deployed in Japan 1979 later at 900 MHz NMT900 Total Access Communications System TACS 英国设计 与AMPS类似 1985年开始部署 Some TACS 900 systems still in use in Europe 102007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 1G 第一代蜂窝移动通信系统 第一代蜂窝移动通信系统 不足 不足 容量有限 保密性差 通话质量不高 业务种类单一 不能提供非话业务 如数据业务 制式太多 系统互不兼容 由于各国采用的标准不同 只能提供国内的漫游业务不能提 供更大范围的自动漫游等服务 或只能提供本地的服务 设备难以小型化 112007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 2G 第二代蜂窝移动通信系统 第二代蜂窝移动通信系统 采用数字通信技术 被称为 数字蜂窝移动通信系统数字蜂窝移动通信系统 采用时分多址 TDMA 码分多址 CDMA 等技 术 提高了频谱利用率和网络容量 语音质量和保密性能得到很大提高 除了提供语音通信外 2G系统还可提供短消息和低速 数据业务 可实现网间自动漫游 典型典型2G移动通信系统移动通信系统 GSM IS 95 CDMA cdmaOne IS 54 IS 136 North American TDMA PDC Japan iDEN DECT and PHS 122007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 North American CDMA cdmaOne Code Division Multiple Access 所有用户共享相同频带 CDMA is basis for 3G Qualcomm demo in 1989 增加网络容量 简化网络设计 1994 年在香港首次部署 Major success in Korea 1M subs by 1996 Used by Verizon and Sprint in US 132007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 cdmaOne IS 95 TIA standard IS 95 ANSI 95 in 1993 IS 95 deployed in the 800 MHz cellular band J STD 08 variant deployed in 1900 MHz US PCS band Evolution fixes bugs and adds data IS 95A provides data rates up to 14 4 kbps IS 95B provides rates up to 64 kbps 2 5G Both A and B are compatible with J STD 08 All variants designed for TIA IS 41 core networks ANSI 41 142007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 GSM 1982年 为创建一个统一的 完整的 泛欧的蜂窝移动通信系统 CEPT 欧洲邮政与电信大会 成立了 移动特别组 GSMGSM Group Special Mobile 致力于制定工作在900MHz的数字蜂窝移动通 信系统的标准 1990年 移动特别组完成了GSM900规范的制定 1991年 移动特别组完成1800MHz频段的公共欧洲电信业务的规范 的制定 称为DCS1800DCS1800系统 Digital Cellular System 1800MHz DCS1800系统与GSM900系统基本功能大致相同 规范仅 描述了DCS1800和GSM900系统的特性差别 这两种系统都可以称为 GSM系统 1991年末 移动特别组更名为SMG 特别移动组 Special Mobile Group 欧洲900MHz系统被命名为GSM Global System for Mobile Communications 全球移动通信系统 GSM Global System for Mobile Communications 全球移动通信系统 1992年欧洲各大运营者开始提供GSM系统的商业服务 至今 GSM系 统已在100多个国家使用 成为应用最广泛的2G通信网络 其使用 的频段包括900MHz和1800MHz 在美国使用1900MHz 152007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 2G 第二代蜂窝移动通信系统 第二代蜂窝移动通信系统 GSM is used by 70 of subscribers worldwide 564 M subs 800 M subs in July 2001 Most GSM deployments in Europe 59 and Asia 33 ATT Cingular deploying GSM in US Number of subscribers in the world Jul 2001 GSM 71 US TDMA 10 CDMA 12 PDC 7 Source EMC World Cellular GSM Association 162007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 2 5G 第 第2 5代蜂窝移动通信系统代蜂窝移动通信系统 为了满足用户对为了满足用户对高速数据业务高速数据业务的需求 移动通信系统 中引入了分组数据传送方式 称为第 的需求 移动通信系统 中引入了分组数据传送方式 称为第2 5代蜂窝移动通 信系统 代蜂窝移动通 信系统 通用分组无线业务 GPRS General Packet Radio Services 主要用于欧洲等国家 蜂窝式数字分组数据 CDPD Cellular Digital Packet Data 主要用于美国 GPRS能够提供最高可达171 2kbit s传输速率 增强了 网络提供增值业务的能力 为便携式计算机 PDA访 问移动因特网奠定了基础 172007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 3G 第三代蜂窝移动通信系统 第三代蜂窝移动通信系统 20世纪80年代中期开始 ITU以全球通用 支持综合业 务 全球通用 支持综合业 务作为基本出发点 组织研究未来公众陆地移动通信系 统 FPLMTS 也称3G 1996年3G移动通信系统定名为IMT 2000 提出了层次蜂窝结构 使不同移动速率的移动台在不同层 次的蜂窝内得到服务 可提供更大的系统容量 大约是2G系统的2 5倍 能够支持中高速数据业务和多媒体通信 3G系统能将高速移动接入和基于因特网协议的服务结合 起来 实现移动因特网 满足多媒体业务的要求 为用户 提供更经济 内容更丰富的无线移动通信服务 182007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 IMT 2000 Vision Satellite Macrocell Microcell Urban In Building Picocell Global Suburban Basic Terminal PDA Terminal Audio Visual Terminal 192007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 202007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 CDMA GSM TDMA PHS IP Based 64 Kbps GPRS 115 Kbps CDMA 1xRTT 144 Kbps EDGE 384 Kbps cdma2000 1X EV DV Over 2 4 Mbps W CDMA UMTS Up to 2 Mbps 2G 2 5G 2 75G 3G 1992 2000 2001 2003 1G 1984 1996 2003 2004 TACS NMT AMPS GSM GPRS Overlay 115 Kbps 9 6 Kbps 9 6 Kbps 14 4 Kbps 64 Kbps 9 6 Kbps PDC Analog Voice Digital Voice Packet Data Intermediate Multimedia Multimedia PHS TD SCDMA 2 Mbps 9 6 Kbps iDEN Overlay iDEN Source U S Bancorp Piper Jaffray 蜂窝移动通信系统发展蜂窝移动通信系统发展 212007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 3G 第三代蜂窝移动通信系统 第三代蜂窝移动通信系统 Universal global roaming Multimedia voice data video Increased data rates 384 kbps while moving 2 Mbps when stationary at specific locations Increased capacity more spectrally efficient IP architecture Problems No killer application for wireless data as yet Vendor driven 222007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 蜂窝移动通信系统发展蜂窝移动通信系统发展 到2010年 66 的收入来自数据业务 232007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 cdmaOne cdmaOne GSM GSM TDMA TDMA 2G PDC PDC CDMA2000 1x CDMA2000 1x First Step into 3G GPRS GPRS 90 10 Evolution of Mobile Systems to 3GEvolution of Mobile Systems to 3G Drivers capacity data speeds lower cost of delivery Drivers capacity data speeds lower cost of delivery for revenue growthfor revenue growth EDGE EDGE WCDMA WCDMA 3G phase 1Evolved 3G 3GPP Core Network CDMA2000 1x EV DO CDMA2000 1x EV DO HSDPA HSUPA HSDPA HSUPA Expected market share EDGE Evolution EDGE Evolution CDMA2000 EV DO Rev A CDMA2000 EV DO Rev A GSA 2006 242007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 105 Commercial WCDMA Operators 105 Commercial WCDMA Operators in 47 countriesin 47 countries 40 WCDMA 40 WCDMA networks networks launched launched commercial commercial services during services during 2005 2005 confirming confirming WCDMA as the WCDMA as the leading 3G leading 3G standardstandard Source GSA survey published March 24 2006 252007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 蜂窝移动通信系统发展蜂窝移动通信系统发展 B3G技术研究进展技术研究进展 美国美国 IEEE DARPA XG MIT Oxygen 欧洲欧洲 欧盟的第5 6框架 MIND Moby Dick MATRICE etc WWRF 世界无线通信技术研究论 坛 日本日本 mITF 移动信息技术论坛 CRL 日本通信技 术研究所 NTT DoCoMo OFCDM downlink 100Mbps uplink 20Mbps 2002年10月 中国中国 2001年启动FuTURE计划 2005年 2006年关 键技术试验 B3G技术特征技术特征 用户高速移动时 250km h 峰值速率100Mbps 用户静止或低速移动时 1Gbps 用户在各种无线接入网络间自由切换 262007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 B3G网络组成架构网络组成架构 272007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 B3G服务服务 FinanceFinanceWSB Server Banking Stock Trading Customer Service WSB Server RetailRetail Promotion Advertisement Purchase WSB Server TravelTravel Ticketing Customer Service Routing in airport Enquiry WSB Server Info ServicesInfo Services Community of Interests General Info Access WSB Server EntertainmentEntertainment Gaming Chat Group Fan Club EnterpriseEnterpriseWSB Server PIM Directory Intranet Extranet Field Dispatching Workflow Logistics 282007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 移动通信标准组织移动通信标准组织 ARIB Japan T1 USA ETSI Europe TTA Korea CWTS China TTC Japan TIA USA Third Generation Patnership Project 3GPP Third Generation Partnership Project II 3GPP2 ITU Mobile Operators ITU Members IS 95 IS 41 IS 2000 IS 835 GSM W CDMA UMTS 292007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 蜂窝移动通信系统发展蜂窝移动通信系统发展 302007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 移动通信技术基础移动通信技术基础 内容内容 无线信道特征 电磁频谱 传播特性 蜂窝通信系统设计基础 小区规划 容量扩展 312007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 无线信道特征无线信道特征 无线电磁频谱无线电磁频谱 无线电磁频谱 不同波段具有不同的传输特性 无线电磁频谱 不同波段具有不同的传输特性 UV 1 MHz1 kHz1 GHz1 THz 1 PHz1 EHz infrared visible X rays Gamma rays LFHFVHFUHFSHFEHFMF AM radio S W radio FM radio TV TV cellular 902 928 Mhz 2 4 2 4835 Ghz 5 725 5 785 Ghz ISM band 30kHz300kHz3MHz 30MHz300MHz30GHz300GHz 10km1km100m 10m1m10cm1cm 100mm 3GHz 322007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 无线信道特征无线信道特征 有线和无线介质比较有线和无线介质比较 有线介质有线介质 提供可靠 定向连接 带宽受介质影响 双绞线 1MHz 同轴电缆 1GHz 光纤 THz 无线介质无线介质 不可靠 带宽受限 广播特性 频段许可证昂贵 ISM频段免许可证 Industrial Scientific medical ISM 900MHz 26M 2 4GHz 83M 5GHz 200M 对建筑物的穿透性随频率的不同而不同 高 低 建筑物的类型 结构 层数同样有影响 332007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 无线信道特征无线信道特征 电磁波传播模式电磁波传播模式 地波传播地波传播 地球电离层成为波导 信号沿地球表面传播 传输速率较低 主要用于AM广播和海岸无线电广播 雷暴 大气噪声等成为主要干扰 频率最高不超过3MHz 天波传播天波传播 利用电离层 50 400km 对信号的反射 信号经过多跳传播 多径问题是主要干扰 最高频率在30MHz附近 业余无线电和民用无线电频段 视线传播视线传播 热噪声 宇宙噪声 大气环境 10GHz以上 为主 30MHz以上频段 卫星和陆地通信 342007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 无线信道特征无线信道特征 无线电磁信号传播示意图 352007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 无线信道特征无线信道特征 无线通信中的电波传播模式无线通信中的电波传播模式 影响无线信道中的电波传播因素影响无线信道中的电波传播因素 地形 LOS NLOS 频率 频率低 损耗低 带宽窄 移动终端速度 多普勒频移 干扰 三种基本的电波传播机制三种基本的电波传播机制 反射 reflection 衍射 绕射 diffraction 散射 scattering 反射 D 362007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 蜂窝通信系统设计基础蜂窝通信系统设计基础 蜂窝技术蜂窝技术 20世纪60年代 美国贝尔实验室提出了蜂窝移动通信的 概念 基本思想是频率的重复使用频率的重复使用 即将所需覆盖的地区划分 成若干小区域 相邻区域使用不同的频率 隔开一定距 离后可重复使用同一频率 解决了制约移动通信发展的 频谱资源问题 372007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 蜂窝技术蜂窝技术 理想状态下 一个具有全方向天线的基站可以覆盖一 个圆形的区域 一个大的地理区域可以分成多个相互 交叠的圆形区域 实际的无线传播环境中 由于地形和建筑物的影响 基站的覆盖区域并不非常规则 382007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 蜂窝技术蜂窝技术 蜂窝设计蜂窝设计 蜂窝形状 三角形 正方形 六边形 六边形接近理想圆形 面积最大 实际部署复杂的多 多为不规则形状 大小 形状等 同频率信道的确定 QL 同频复用比 DL 同频小区间的距离 RL 小区半径 N 频率复用因子 i j 正整数 N R D Q L L L 3 22 jijiN 沿六边形的一边垂直的方向移动i个小区沿六边形的一边垂直的方向移动i个小区 逆时针旋转60度 再移动j个小区逆时针旋转60度 再移动j个小区 N 7 i 2 j 1N 7 i 2 j 1 392007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 蜂窝技术蜂窝技术 蜂窝小区大小各不相同 取决于人口密度及分布 人 流活动路线和场所 通常 根据蜂窝小区的大小 将蜂窝划分为四类 巨 蜂窝 巨 蜂窝 宏蜂窝宏蜂窝 Macrocell 微蜂窝微蜂窝 Microcell 和 微微蜂窝微微蜂窝 Picocell 402007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心 蜂窝技术蜂窝技术 目前 实际蜂窝移动通信系统使用多层网络覆盖结 构 多层网络覆盖结 构 采用宏蜂窝和微蜂窝结合的分级蜂窝系统 可解 决网络内的 盲点 区域和 热点 区域问题 提高网络的 容量和覆盖能力 412007 12 3 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 宽带网研究中心北京邮电大学 网