移动通信原理 第1章 移动通信概论.ppt

第1章移动通信概论 1 1移动通信的历史 现状与发展趋势 1 1 1移动通信的历史 现状现在 人们普遍认为1897年是人类移动通信的元年 这一年 意大利人M G 马可尼在一个固定站和一艘拖船之间完成了一项无线电通信实验 也就是说 移动通信几乎伴随着无线通信的出现而诞生了 也由此揭开了移动通信辉煌发展的序幕 现代意义上的移动通信系统起源于上个世纪20年代 距今已有80余年的历史 大致算来 现代移动通信系统经历了如下4个发展阶段 第一阶段从20世纪20年代至40年代 为早期发展阶段 特点是专用系统开发 工作频率较低 工作方式为单工或半双工方式 第二阶段从20世纪40年代中期至60年代初期 这一阶段的特点是从专用移动网向公用移动网过渡 接续方式为人工 网络的容量较小 第三阶段从20世纪60年代中期至70年代中期 其特点是采用大区制 中小容量 使用450MHz频段 实现了自动选频与自动接续 第四阶段从20世纪70年代中后期至今 其特点是通信容量迅速增加 新业务不断出现 系统性能不断完善 技术的发展呈加快趋势 第四阶段的蜂窝移动通信系统又可以划分为几个发展阶段 如按多址方式来分 则模拟频分多址 FDMA 系统是第一代移动通信系统 1G 使用电路交换的数字时分多址 TDMA 或码分多址 CDMA 系统是第二代移动通信系统 2G 使用分组 电路交换的CDMA系统是第三代移动通信系统 3G 将使用了不同的高级接入技术并采用全IP 互联网协议 网络结构的系统称为第四代移动通信系统 4G 如按系统的典型技术来划分 则模拟系统是1G 数字话音系统是2G 数字话音 数据系统是超二代移动通信系统 B2G 宽带数字系统是3G 而极高速数据速率系统是4G 现阶段 移动通信已在全球迅猛发展 国际电信联盟2013年度报告显示世界71亿人口中有68亿手机用户 据联合国有关调查机构预测至2014年底 世界上移动通信设备用户总数将会超过世界总人口数 目前 2G 3G和4G商用移动通信网络处于共存阶段 并将在相当一段时间内共存下去 为各类用户服务 以满足不同业务需求 与此同时 第五代移动通信系统 5G 作为面向2020年以后移动通信需求而发展的新一代移动通信系统 ITU将其晢命名为IMT 2020 其研发工作已在全球范围内展开 1 1 2移动通信在中国的发展概况 回顾我国移动通信近30年的发展历程 我国移动通信市场的发展速度和规模令世人瞩目 可以说 中国的移动通信发展史是超常规 成倍数 跳跃式的发展史 早在2001年8月 中国的移动通信用户数达到1 2亿 超过美国跃居为世界第一位 截至2014年1月 中国移动通信用户总数已达到12 35亿 其中3G用户数超过4亿 4G用户数超过1400万 总体来说 我国移动通信发展经历了引进 吸收 改造 创新4个阶段 现阶段 我国的移动通信技术水平已同步于世界先进水平 并有望在下一阶段占领移动通信技术制高点 引领移动通信的发展方向 1 1 3移动通信的发展趋势 通常 每10年将发展并更新一代移动通信系统 从市场需求来看 移动互联网和物联网是下一代移动通信系统发展的两大主要驱动力 其中移动互联网颠覆了传统移动通信业务模式 而物联网则扩展了移动通信的服务范围 和现有的4G系统相比 5G系统的性能将在3个方面提高1000倍 一是传输速度提高1000倍 平均传输速率将达到100Mbps 1Gbps 其次是总的数据流量提高1000倍 再就是频谱效率和能耗效率提高1000倍 下一代移动通信技术新特点 1 5G研究在推进技术变革的同时将更加注重用户体验 网络平均吞吐速率 传输时延以及对虚拟现实 3D 3维 体验 交互式游戏等新兴移动业务的支撑能力等将成为衡量5G系统性能的关键指标 2 与传统的移动通信系统理念不同 5G系统研究将不仅仅把点到点的物理层传输与信道编译码等经典技术作为核心目标 而是从更为广泛的多点 多用户 多天线 多小区协作组网作为突破的重点 力求在体系构架上寻求系统性能的大幅度提高 3 室内移动通信业务已占据应用的主导地位 5G室内无线覆盖性能及业务支撑能力将作为系统优先设计目标 从而改变传统移动通信系统 以大范围覆盖为主 兼顾室内 的设计理念 4 高频段频谱资源将更多地应用于5G移动通信系统 但由于受到高频段无线电波穿透能力的限制 无线与有线的融合 光载无线组网等技术将被更为普遍地应用 5 可 软 配置的5G无线网络将成为未来的重要研究方向 运营商可根据业务流量的动态变化实时调整网络资源 有效地降低网络运营的成本和能源的消耗 1 2蜂窝移动通信系统 而作为移动通信的应用系统 虽然全球范围内标准很多 但典型的系统可分为以下几类 蜂窝移动通信系统 无线寻呼系统 无绳电话系统 集群移动通信系统 移动卫星通信系统以及分组无线网 1 2 1蜂窝小区的概念 将整个大的地理覆盖区域划分成许多连续的小区域 并在各个小区域内采用低天线低功率发射机的方案称为蜂窝通信 在这里 小区连接的几何形状象蜂窝 所以叫蜂窝通信 1 2 2频率复用的几何模型 图1 1频率复用的几何模型 N 7 小区几何形状必须符合的两个条件 能在整个覆盖区域内完成无缝连接而没有重叠 每一个小区能进行分裂 以扩展系统容量 也就是能用更小的相同几何形状的小区完成区域覆盖 而不影响系统的结构 为什么选用六边形作为小区的几何形状 符合条件的小区几何形状有几种可能 正方形 等边三角形和六边形 而六边形最接近小区基站通常的辐射模式 圆形 并且其小区覆盖面积最大 当然 这只是理论分析 实际的小区形状要根据地理情况和电波传播情况来定 最终的小区形状可能是不规则的 区群的概念 图1 1的几何模型表示的是一个区群大小N为7的系统 A B C D E F以及G表示一个区群中7个小区使用的7个频率组 通常将使用了系统全部可用频率数S的N个小区称为区群 或者叫一簇 而将N称为区群的大小 观察一下系统几何模型 可以看到 区群在复制了M次后 完成了对整个区域的覆盖 这样 整个系统的容量C MS 直观地理解 N的值越小 区群复制的次数越多 同频复用的能力越强 系统的容量则越大 当然 N的取值大小取决于系统承受同频干扰的能力 定位同频小区方法 方法 沿着任意一条六边形链移动i个小区 逆时针旋转60度再移动j个小区 图1 2在蜂窝小区中定位同频小区的方法 族的大小 N 是一些特定的值 必须符合以下条件 N i2 ij j2 证明 设相邻同频小区间的距离为D 小区半径为R 则由上图示绿色三角形 根据余弦定理有 则大六边形包含的小区数为 另一方面从几何图中可以看出 一般大六边形通常包围由N个小区组成的中心簇及周围其他六边形小区数目的1 3 因此大六边形所包围的小区总数为N 6 N 3 3N 比较 两式有N i2 ij j2 证毕 从公式1 1来看 N可能的值为1 3 4 7 9 12 再结合不同系统承受同频干扰的能力 模拟系统的N典型值为7 12 数字系统的N典型值为3 4 问题 那么N值与S I具体关系是什么呢 提高容量方法 在进行了频率规划的蜂窝系统中 随着无线服务需求的提高 要求给单位覆盖区域提供更多的信道 此时 通常采用 小区分裂 裂向 扇区化 和 覆盖区分区域 分区微小区化 的方法来增大蜂窝系统的容量 1 2 3蜂窝系统的组成 图1 3基本蜂窝系统的组成 一个基本的或者说最简单的蜂窝系统由移动台 MS 基站 BS 和移动交换中心 MSC 3部分组成 蜂窝网络结构演化 随着移动技术的进步和系统功能的增强 蜂窝系统的组网技术也越来越复杂 系统中的功能实体也越来越多 在2G系统中 MSC的功能发生了分离 增加了新的功能实体和智能节点 并逐步构建移动智能网 从2 5G系统起 除原有的电路域组件外 还增加了分组域组件 自3G系统的高级阶段起 要求最终实现全IP化网络 1 2 4蜂窝系统中的信道 在蜂窝系统中 由系统采用的多址技术所获得的无线信道称为物理信道 PCH 通常 在具体的物理信道上安排相应的逻辑信道 逻辑信道按其逻辑功能可分为业务信道 TCH 和控制信道 CCH 业务信道可分为话音业务信道和数据业务信道 控制信道的种类很多 而且不同体制的蜂窝系统设置的控制信道不同 它们分配完成信令等各种控制信息的传送 蜂窝系统的信道还可以按信息的传送方向来分类 用于从基站向移动台传送信息的信道称为前向信道 FCH 或者叫下行信道 正向信道 用于从移动台向基站传送信息的信道称为反向信道 RCH 或者叫上行信道 1 2 5信道分配策略 1 固定信道分配策略 FCA 在FCA方案中 为各小区分配一组预先确定的话音信道 小区中的任何呼叫请求只能被该特定小区中的未占用信道提供服务 为了提高信道利用率 可以考虑选择信道借用 选择借用时 如果小区内的所有信道均已被占用 并且相邻小区存在空闲信道 那么 就允许该小区从相邻小区借用信道 信道借用通常由MSC负责监管 2 动态信道分配策略 DCA 在DCA方案中 话音信道并不是永久分配给不同的小区 每当有呼叫请求时 提供服务的基站就会向MSC请求信道 MSC动态地确定可用信道并相应地执行分配过程 为了避免同信道干扰 如果一个频率在当前小区或任何落入频率复用最小限制距离内的小区没有被使用 MSC则将该频率分配给呼叫请求 动态信道分配降低了呼叫阻塞的可能性 提高了系统的中继容量 但要求MSC连续地收集所有信道占用 话务量分布以及无线信号强度指示 RSSI 等数据 1 2 6越区切换与位置管理 当处在通话过程中的移动台从一个小区进入另一个相邻小区时 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 越区分为两大类 一类是硬切换 另一类是软切换 硬切换是指在新的连接建立以前 先中断旧的连接 而软切换是指既维持旧的连接 又同时建立新的连接 并利用新旧链路的分集合并来改善通信质量 与新基站建立可靠连接之后再中断旧链路 软切换和硬切换相比 可以大大减少掉话的可能性 是一种无缝切换 位置管理包括位置登记和呼叫传递两个主要任务 在2G中 位置管理采用两层数据库 即归属位置寄存器 HLR 和访问位置寄存器 VLR 分别记录移动台注册位置信息和实时位置信息 正是有了这些位置信息 才能实现对移动台的快速有效的寻呼 并实现正确的计费 1 3专用移动通信系统 习惯上将蜂窝移动通信系统称为公用移动通信系统 而将其他移动通信系统称为专用移动通信系统 后者包括无线寻呼系统 无绳电话系统 集群移动通信系统 移动卫星通信系统以及分组无线网 1 3 1无绳电话系统 1 概述无绳电话是指用无线信道代替普通电话线 在限定的业务区内给无线用户提供移动或固定公众电话网业务的电话系统 它是一种强调无线接入的系统 必须依附于其他通信网络 主要是依附公众电话网 早期的无绳电话十分简单 只是把一部电话单机分成座机与手机两部分 两者用无线电连接 现在 这种无绳电话还比较常见 主要用于家庭和办公室 可以在100 200米的小范围内移动 实际上 无绳电话已经逐步向网络化和数字化方向发展 从室内向室外发展 从专用系统向公用系统发展 并成为发展个人通信业务 PCS 的一个重要途径 上世纪90年代相继推出的数字无绳标准有 欧洲的泛欧数字无绳系统 DECT 日本的个人便携电话系统 PHS 和美国的个人接入通信系统 PACS 这些数字无绳电话系统具有容量大 覆盖面宽 支持数据通信业务 微蜂窝越区切换和漫游以及应用灵活等特点 采用了多信道共用和动态信道选择 分配 DCS DCA 技术 2 典型系统介绍 小灵通 无线市话通信系统的正式名称是个人接入系统 PAS 它是一种采用无线环路技术并通过V5接口 充分利用固定电话网的充裕资源来实现个人通信的无线接人系统 其用户每人拥有一个电话号码 无论何时何地 只要通过一部手机或固定无线电话 即可完成通话 发传真 传送数据和图像 而且在固定地点或低速移动中都可以工作 总体来说 它源自于日本的PHS系统 并结合我国实际情况进行了技术改造 现在 小灵通 技术已在全世界二十多个国家得到了应用 PAS系统的网络结构 图1 4PAS系统组成框图 PAS系统的关键技术 PAS系统的物理信道和帧结构PAS系统的工作频率为1900 1919 45MHz 采用TDMA TDD的传输方式 每载频占用带宽为300kHz 整个频段的可用载频数为77个 每个小区基站使用的载频数最初为1个 以后根据业务量可以动态配置 而每个载波按5ms分成8个时隙 每个时隙称为一个物理信道 上 下行各分配4个时隙 从而提供4对双工信道 图1 5为PAS系统的帧结构图 图1 5PAS系统帧结构图 微蜂窝与信道动态分配技术 PAS系统是采用微蜂窝来组网的 它把整个服务区划分为许多个微小区 为了解决频率资源的短缺问题 在频率资源分配上采用了动态信道分配技术 系统没有为每个小区单独分配固定的使用频率 而是随着通话建立过程 在区站内自行分配最佳的频率和信道 采用递次信道监测 第一门限值 87dBm 第二门限值 73dBm 对于同一个载频设备的每一个时刻所选用的频率可能是不相同的 这样 PAS系统在网络建设与优化时无须进行频率规划 既节省了大量的人力与物力 同时可在多家运营公司共同使用有限的频率资源的情况下 有效地避免同频干扰与邻频干扰 从而提高了频率资源利用率 它不用像GSM和CDMA系统那样需要进行频率规划 基站选址 机房建设等大量基础建设工作 切换技术 对于在同一个RPC服务区内的越区切换 不需要在RT端进行任何操作就可以把连接着的通信信道切换到另一个RP控制的区域 对于在不同RPC之间的越区切换 新的RPC向RT端发送指示越区切换的建立信息 然后RT向新的RPC发送建立连接的信息 而向原来的RPC发送拆线信息 PS本身有许多自动执行的功能 在切断原来的通话信道之前 它们会选择新的基站 重新建立连接信道 在此过程中不需要在网络端监控无线链路 这种重新建立的连接信道 即使在RP服务边界由于呼叫不一致性而引起无线链路质量严重恶性化时 仍可提供稳定的通信服务 1 3 2集群移动通信系统 1 概述集群 Trunking 的含意是指无线信道不是仅给某一用户群所专用 而是若干个用户群共同使用 所以 集群移动通信系统通常的做法是把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的频道 以容纳更多的用户 可以说 集群移动通信系统是传统的专用无线调度网的高级发展阶段 2 集群系统的特点 集群系统属于专用移动通信网 主要用于调度和指挥 所以对于网中的不同用户常常赋予不同的优先级 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15 60秒 可根据业务情况调整 以改进的信道共用技术来提高系统的频率利用率 移动用户在通信过程中 不是固定地占用某一个信道 而是在需要通信时 才能申请占用一个信道 一旦通信结束 信道就被释放 并变为空闲信道 其他用户就能使用它 通常采用半双工 现在也有全双工产品 通信方式 一对移动用户之间通信时只需占用一对信道 此时 基站以双工方式工作 移动台以异频单工方式工作 可以实现 组群呼叫 和 分级别呼叫 一个集群系统可以将几个调度网集中管理 完成分级的调度功能 接续速率快 实现快速接续 对于数字集群系统的接通时间要求在0 3秒之内 数字集群系统采用双向鉴权 系统安全性较高 3 群集系统的组成 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 集群系统的网络结构分别如图1 6 a 和 b 所示 系统主要包括无线交换机和控制器 基站转发器 调度台和管理终端组成 多个系统可通过无线交换机互联组成更大的系统 用户终端主要包括车载台和手持台 a 集中控制方式 图1 6集群网络的基本结构 b 分布控制方式 图1 6集群网络的基本结构 4 集群系统的体制 按控制方式 可分为集中控制方式和分布控制方式两种 按通信占用信道方式 可分为消息集群 传输集群和准传输集群三种方式 1 3 3移动卫星通信系统 1 概述移动卫星通信系统是指利用通信卫星作为中继站 为移动用户之间或移动用户与固定用户之间提供电信业务的系统 它是卫星通信和移动通信相结合的产物 可以说是卫星通信发展到可以处理移动业务的一个阶段 从另一个意义上说 它可以看作地面蜂窝系统的延伸与扩大 当然它也可以独立组网 是地面蜂窝系统实现全球无缝覆盖 个人通信的重要途径之一 H 35860KM 三颗同步卫星覆盖全球 表1 2低轨道移动卫星通信系统的部分参数 2 移动卫星通信系统的组成 移动卫星通信系统一般由通信卫星 关口站 控制中心 基站以及移动终端组成 如图1 7所示 系统中一般有多颗卫星 不同的系统有不同的星座结构 卫星之间可以通过星际链路相互连接成一个卫星网络 PSTN 卫星 空中移动体 海上移动体 陆地移动体 关口站 控制中心 基站 手机 机房 图1 7移动卫星通信系统组成示意图 3 典型移动卫星通信系统介绍 Iridium系统由美国摩托罗拉公司提出的Iridium系统开始计划设置7条圆形轨道均匀分布于地球的极地方向 每条轨道上有11颗卫星 总共有77颗卫星在地球上空运行 这和铱原子中有77个电子围绕原子核旋转的情况相似 故取名为铱系统 图1 8是铱系统的卫星轨道示意图 虽然现在该系统改用72颗卫星 66颗卫星分6条轨道在地球上空运行 再加6颗备用卫星 但仍沿用原来的名字 铱系统采用再生式转发方式 具有星际链路 这就使整个系统可独立于其它系统而成为一个封闭的通信系统 铱系统的用户还可以通过关口站与PSTN和蜂窝系统互连 图1 8Iridium系统卫星轨道示意图 Globalstar系统 Globalstar系统是由美国Loral公司和Qualcomm卫星服务公司 LQSS 于1991年正式推出的一个LEO系统 它的基本设计思想与铱系统一样 也是利用LEO卫星组成一个覆盖全球的移动卫星通信系统 向世界各地提供话音 数据等业务 Globalstar系统有48颗卫星 分布在52 倾角的8条轨道上 每轨道6颗卫星 运行高度约为1400km 采用CDMA技术 选用L S频段业务频率 该系统与铱系统的最大区别是无星上交换和星际链路 依赖地面网络完成通信 因此整个系统造价和运营费用较铱系统便宜很多 1 3 4分组无线网 分组无线网 PRN 是一种利用无线信道进行分组交换的通信网络 在网络中传送的信息以分组 或称信包 为基本单元 而所谓分组 Packet 就是若干比特组成的信息段 它通常包括包头和正文两部分 与TCP IP 传输控制协议 互联网协议 中的IP包相似 分组的包头中通常包括该分组的源地址 起始地址 宿地址 目的地址 和相关的路由信息 正文部分则是需要传送的信息 2 典型分组无线网 WAMIS 无线自适应移动信息系统 LMDS 本地多点分配业务 BlueTooth 蓝牙 WLAN 无线局域网 1 4移动通信的基本技术 1 4 1多址技术多址技术一直以来都是移动通信的关键技术之一 甚至是移动通信系统换代的一个重要标志 早期的第一代模拟蜂窝系统采用FDMA技术 配合频率复用技术初步解决了利用有限频率资源扩展系统容量的问题 TDMA技术是伴随着第二代移动通信系统中的数字技术出现的 实际采用的是TDMA FDMA的混合多址方式 每载波中又划分时隙来增加系统可用信道数 CDMA技术以码元来区分信道 当然蜂窝系统也是采用CDMA FDMA的混合多址方式 系统容量不再受频率和时隙的限制 部分2G系统采用了窄带CDMA技术 而3G的3个主流标准均采用了宽带CDMA技术 1 4 2组网技术 蜂窝网采用基站小区 如有必要增加扇区 位置区和服务区的分级结构 并以小区为基本蜂窝结构的方式来组网 网络中的具体的网元或者说功能实体对于不同系统是不相同的 而最基本的数字蜂窝网的网络结构如图1 9所示 系统可分为移动台 基站子系统和网络子系统三部分组成 网络中的功能实体有 移动交换中心 基站控制器 BSC 基站收发信机 BTS 移动台 归属位置寄存器 访问位置寄存器 设备标识寄存器 EIR 认证中心 AUC 和操作维护中心 OMC 图1 9数字蜂窝通信系统的网络结构 系统在进行网络部署时 为了相互之间交换信息 有关功能实体之间都要用接口进行连接 同一通信网络的接口 必须符合统一的接口规范 而这种接口规范由一个或多个协议标准来确定 图1 10是基本数字蜂窝系统所用到的接口 共10类接口 如果网络中的功能实体增加则要用到更多的接口 在诸多接口当中 无线接口Um 也称MS BS空中接口 是最受关注的接口之一 因为移动通信网是靠它来完成移动台与基站之间的无线传输的 它对移动环境中的通信质量和可靠性具有重要的影响 图1 10基本数字蜂窝系统所用接口 1 4 3移动通信中电波传播特性研究与信道建模技术 通常采用对移动信道建模的方法来进行传播预测 以便为系统的设计与规划提供依据 已建立的移动信道模型有几何模型 经验模型与概率模型3类 几何建模的方法是在电子地图的基础上 根据直射 折射 反射 散射与绕射等波动现象 用电磁波理论计算电波传播的路径损耗及有关信道参数 经验建模的方法在进行大量实测数据