移动通信系统原理.ppt

1 移动通信基本原理 武汉邮电科学研究院武汉虹信通信技术有限责任公司研发三部 黄志涛主讲 2 主要内容 通信概述移动通信系统特点 3 定义 通信 由一个地方向另一个地方传递和交换信息信息 Voice Data Video Multimedia 4 模型 通信系统模型信源 Voice Data Video Multimedia 5 分类 通信的分类 不同的视角 按传输媒介不同 有线和无线通信按工作频段不同 长波 中波 微波 远红外线通信按信号特征 模拟信号和数字信号通信按通信方式不同 单工 双工 半双工 准双工 通信按信号复用方式不同 FDMA TDMA CDMA按通信的调制方式不同 线性调制 非线性调制 数字调制等 6 7 通信网 通信网是有一定数量的结点 包括终端设备和交换设备 和连接点的传输链路相互有机地组合在一起 以实现两个或多个规定点间信息传输的通信体系 8 构成要素 终端设备 传输链路和交换设备终端设备终端设备是用户与通信网之间的接口设备 包括信源 信宿与变换器 反变换器的一部分传输链路传输链路是信息的传输通道 是连接网路节点的媒介 交换设备构成通信网的核心要素 交换方式 电路交换方式和存储转发方式 9 功能分类 业务网按功能分 用户接入网 交换网和传输网 10 支撑网 支撑网信令网 只传送信令的网络 实现网络结点之间 包括交换局 网络管理中心 信令的传输和转接 同步网 实现数字交换局之间 数字交换局和传输设备之间的信号时钟同步 管理网 实时或近实地监测点心网络的运行 必要时采取控制措施 11 电信服务项目 一项公共服务并不能引起用户的兴趣 除非它 满足实际需求 用得起 广泛的传播 已经吸引了很多用户 易于使用 提供方便的处理手段和快速响应时间 稳定和高可用性 12 趋势 电信网发展趋势 终端移动性 无线接入 个人和服务的移动性 个人通信 按需分配带宽 增加透明度 更强灵活性 多媒体 更加透明 更强大用户接口 友好的用户界面 增值服务 消息 检索等 高度集成 13 移动通信系统基础 基本概念移动通信的特点无线传播特性和多址方式干扰和频率复用移动通信的发展CDMA简介 14 整体结构区别 PSTN PLMN 由上可见 PSTN涵括了PLMN 15 基础概念 基本概念移动通信 指通信双方或至少有一方在运动中进行信息交换 移动通信网 由若干个移动用户构成一个系统 系统内的用户可以在无线电波覆盖范围内的任何地方相互通信 16 移动通信特点 移动通信特点 移动通信的传输信道必须使用无线电波信道传输特性较复杂 不稳定所用的无线电频率有限移动通信综合了各种通信技术对设备要求苛刻 17 有线信道 有线系统 OK OK 18 无线信道衰减 无线系统 Pathloss 19 阴影衰落 不仅仅这些 慢衰落 由于地形起伏和沿途建筑物的不一引起 也称为阴影衰落 20 也不仅仅这些 快衰落 多径衰落 衰落深度严重时达到20 30dB 21 多普勒频移 还有这些 多普勒频移 一般可忽略此项 除非移动速度非常快 22 从图中可以看出当MS的速度为100km h时相对频率变化为0 19ppm 对于900M频率偏差为171Hz 对于1800M频率偏差为342Hz GSM规范规定 MS载波频率应该精确到0 1ppm 或者比较从BTS接受到的信令精确到0 1ppm 这些信令由于多普勒频移将会有明显频率误差 23 实际场强 结果 24 远近效应 远近效应 无线系统中 两个离接收机距离远近相差很大时 接收到的大信号对小信号的压制 25 多址技术 频分多址 系统分配给每一通信用户一个唯一的频段或 物理 信道 时分多址 系统把无线频谱按时隙划分 并且在每一个时隙仅允许一个用户 要么接收要么发射 FDMA的非线性效应 许多信道在基站共享一个天线 天线前的射频器件工作是非线性的 导致频域的信号扩展 干扰相邻信道 产生交调 IM 频率 造成对邻近业务的干扰 26 多址方式 频分多址 27 28 调制技术和信道间隔 在GSM中每个载波被分配200KHz的带宽 实际上发射的GSM载波带宽远远高于200KHz 所以信号会交叠进临近的频道 29 干扰 邻道干扰相邻或者相近频道之间的干扰调频信号含有无穷多个边频分量 其中某些边频分量落入邻道接受机的通带内 就会造成邻道干扰 共道干扰由相同频率的无用信号所造成的干扰同波段复用距离射频保护比 为保证接受机输入端信号与同波道干扰之比大于某一数值 这一数值称作射频保护比 30 TDMA 时分多址 31 32 时延 码间干扰 数字系统特有的现象 GSM系统中的TA值是专门为了防止这种干扰而设定的 33 CDMA 码分多址 34 频率复用 最早由贝尔实验室发明目的 使有限的频谱满足无限容量需求几个概念 覆盖模型 大区制 小区制 载噪比 小区分裂 35 覆盖模型 六边形 全向天线 实际覆盖范围为不规则圆形 需要一个规则的小区形状来用于系统设计 理想 没有间隙或没有重叠的覆盖整张地图三种形状满足可能 正方形 正三角形 六边形 最远点确定 六边形是三种形状中面积最大的 可用最小的小区数覆盖整个地图 36 大区制 一个基站覆盖整个城市通信质量差频率利用率低系统容量小 37 小区制 使用特定频率覆盖范围控制在一定面积范围内这个面积叫做小区达到频率的再用系统容量大增 38 载噪比 载波噪声比 CarriertoInterferenceratio载波信号是已经调制后的信号 39 小区分裂 全向小区 频率复用 小区分裂 复用距离更小 40 第二代数字蜂窝移动通信系统 为了克服第一代蜂窝移动系统的局限性 北美 欧洲 日本自80年代中期相继为第二代蜂窝系统制定了三种不同的标准北美IS 54 扩容 数模兼容 欧洲GSM 统一制式 日本JDC 向北美靠拢 数模并存互通 41 欧洲 北美两强对峙 最具典型特点的是GSM和CDMA系统 GSM GlobalSystemforMobile 1982年6月欧洲邮电管理委员会 CEPT 组建了移动通信特别小组GSM 研制泛欧移动通信标准目标 泛欧漫游 与ISDN互联 提供不同业务1988年提出主要建议和标准1991年7月多址方式为TDMA的GSM系统开始商用 42 CDMA CodeDivisionMultipleAccess 1990年CTIA和TIA制定了TDMA制式的IS 54标准1992年Qualcomm 高通 公司提出CDMA的数字蜂窝通信系统的建议和标准1993年被CTLA和TLA批准为中期标准IS 951996年CDMA系统投入运营 43 扩频通信的概念 定义 扩频技术是把信息的频率展宽进行传输的技术 目的 容量需求 据香农公式 直接序列扩频 DS 扩频的优越性抗干扰能力增强隐蔽性好可实现码分多址技术 44 关于扩频码 PN码 伪随机序列理想扩频码的特性 有尖锐的自相关特性处处为零的互相关性扩频序列中0 1个数相等足够多的扩频码目前常用的扩频序列M序列Gold 戈尔德 序列Walsh序列 45 扩频技术 扩频技术的主要特征使用码速率比发送信息数据速率高的多的伪随机编码 扩展作为基带信号的信息数据频谱 使之成为具有极低功率谱密度的宽带信号具体方法把无线电信号的码元或符号用扩频码填充 相乘 且不同用户的信号用互相正交的码序列填充 这样的信号在同一载波上发射 接收只用与发射相同的码序列进行相关接收 46 扩频码示意 47 CDMA系统特点 大容量干扰受限系统远近效应高质量服务保密频率规划简单 48 CDMA的关键技术 功率控制反向开环功率控制反向闭环功率控制前向功率控制地址码的选择软切换分集技术语音编码信道调制天线技术 49 功率控制 关键技术的核心 功率控制的概念远近效应CDMA是一个自干扰系统反向开环功率控制移动台根据在小区中接收功率的变化 迅速调节移动台发射功率 反向闭环功率控制前向功率控制 50 地址码的选择 地址码的选择直接影响到CDMA系统的容量 抗干扰能力 接入和切换速度等性能地址码提供的码序列应接近白噪声特性 同时编码方案简单 保证具有较快的同步建立速度长度为215的PN序列用于区分不同的基站信号长度为242 1的PN序列在前向信道用于信号的保密 在反向信道用于区分不同的移动台Walsh序列 在前向信道用于区分同一基站的不同信道 在反向信道中用于对信号进行正交调整 51 软切换 所谓三软切换就是当移动台需要跟一个新的基站通信时 并不先中断与原基站的联系 软切换只能在相同频率的CDMA信道间进行 它在两个基站覆盖区的交界处起到乐业务信道分集的作用软切换可以大大减少掉话 保证通信的可靠性CDMA系统中支持四种类型的切换 硬切换 软切换 更软切换 CDMA到模拟切换 52 分集技术 分集技术是指系统能同时接收两个或更多个输入信号 这些输入信号的衰落互不相关 系统分别解调这些信号然后将它们相加 这样可以接收到更多的有用信号 克服衰落 分集技术包括空间分集 时间分集和频率分集 CDMA协调综合利用分集技术来抵抗衰落对信号的影响 获得高质量的通信性能 53 语音编码 编码与解码语音编码的目标是既能维持一定的语音质量 又能较大程度的降低数据量 包括波形编码和声源编码 自适应多速率 AMR 语音编码 AMR语音编码器的采用允许系统根据信道的情况在总的信道传输速率不变的情况下 改变信源和信道的编码速率 达到高的频谱利用率 54 CDMA的信道调制 前向CDMA信道结构 导频信道 同步信道 寻呼信道 最多7个 和若干业务信道 在IS 95中每个基站有64个信道 反向CDMA信道结构 只有反向业务信道和接入信道 55 天线技术 阵列天线多对振子组合构成天线阵 它们能形成不同指向 不同辐射波束宽度的天线波束方向图 智能天线是通过反馈控制去自动调节自身天线波束成型模型的自适应天线阵 56 天线技术 智能天线的优越性提高了基站接收机的灵敏度提高了基站发射机的等效发射功率降低了系统的干扰增加CDMA系统容量改进了小区的覆盖降低了天线基站的成本 57 GSM手机与CDMA手机的比较 辐射承载业务服务质量待机时间漫游能力机 卡分离问题价格 58 宽带CDMA方案 欧洲的爱立信公司提出的WCDMA北美Lucent Motorola Nortel