常用移动通信系统PPT课件.ppt

1 4常用移动通信系统 从使用环境来分 海 陆 空 地下 从用户对象来分 公用 专用 军用 从调制方式来分 调频 调幅 调相 从信号性质来分 模拟 数字 从工作方式来分 同频单工 异频单工 异频双工 半双工 从多址方式来分 频分多址 FDMA 时分多址 TDMA 码分多址 CDMA 从组网技术来分 大区制 小区制 移动卫星通信系统 从传输速率来分 窄带 宽带 广带 从业务类型来分 电话网 数据网和综合业务网 从覆盖范围来分 广域网 城域网 局域网 个域网 从移动速率来分 高速移动 低速移动 准移动 1 1 4 1蜂窝移动通信系统 早期的移动通信系统是在其覆盖区域中心设置大功率的发射机 采用高架天线把信号发射到整个覆盖地区 半径可达几十公里 这种系统的主要矛盾是它同时能提供给用户使用的信道数极为有限 远远满足不了移动通信业务迅速增长的需要 为了进一步提升系统的容量 美国贝尔实验室等单位提出了蜂窝系统的概念 即将整个服务区域划分成若干个较小的区域 cell 在蜂窝系统中称为小区 各小区均用小功率的发射机 即基站发射机 进行覆盖 许多小区像蜂窝一样能布满 即覆盖 任意形状的服务地区 此类系统主要由终端子系统 基站子系统 网络子系统以及与其他 如PSTN等 的网络相连的中继线所组成 如图1 1所示 蜂窝移动通信系统具有以下特点 1 蜂窝移动通信系统及其特点 2 图1 1蜂窝移动系统组成示意图 3 1 有频率复用功能 2 有越区切换功能 3 可信道分配与小区分裂 4 网络设备增多使系统的构成复杂 4 2 蜂窝移动通信系统的分类 蜂窝移动通信系统按信号的性质来分 可分为模拟蜂窝移动通信系统和数字蜂窝移动通信系统 1 模拟蜂窝移动通信系统模拟蜂窝移动通信技术在70年代中后期逐步趋于成熟 进入80年代开始大规模投入商用 它的出现 使人们终于摆脱了固定电话的局限 其技术属第一代移动通信技术 主要基于频分复用 FDMA 技术 80年代后期 人们对移动通信的需求不断提高 模拟蜂窝移动通信系统本身所固有的种种局限也日益暴露了 5 1 信道容量无法满足不断增长的用户需求 2 话音质量和保密性差且盗用现象严重 3 适应性不强 不能提供数据业务 如无法与ISDN综合数字网相连接 更无法进行数据传输等非话业务 另外 模拟蜂窝系统体制混杂 不能实现国际漫游 设备价格高等等 因此在2000年前后 各国逐步关闭了模拟蜂窝移动通信系统 我国也于2001年年底关闭了模拟网 6 2 数字蜂窝移动通信系统 第二代以后的移动通信系统都是数字蜂窝移动通信系统 它主要采用的是时分多址 TDMA 技术 即把特定的频率在时间上进行分割 形成若干个通话信道 总的通话信道等于频道与时分数的乘积 比如 把一个频道时分8路则总的通话信道数就变成了8个 结果系统的总容量也提升了 目前西欧采用的GSM数字蜂窝移动通信系统就是8时隙的TDMA方案 7 数字蜂窝移动通信系统有效地改善了模拟蜂窝移动通信系统的不足 具有以下特点 1 提高了通信保密性和改善了通话质量 2 抗干扰能力强使话音质量高 3 数字移动通信可与综合数字网 ISDN 连接 除话音外还可提供图文传真 数据传输等非话业务 并可进行短信息服务 语音信箱 呼叫转移等多种更优的服务 目前 典型的数字蜂窝移动通信系统有GSM系统 CDMA系统 它们是按多址方式的不同而分类的 另外 GSM和CDMA系统由于当时推出时主要服务于语音业务 被人们称为二代系统 随着人们对数据业务需求的不断上升 又推出了GPRS等系统 被人们称为二代半系统 还有基于分组技术的三代系统 如WCDMA等 这些也是按技术的不同进行分类的 它们都是数字蜂窝移动通信系统 8 1 4 2无绳电话与个人通信接入系统 PAS 最早美国于1973年推出的商用无绳电话CT0 俗称子母电话机 主要用于家庭 是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 属于单信道接入系统 这样 允许携带手机的用户可以在一定范围内 如家庭内 自由活动时进行通话 初步解除了普通电话机的导线绳对用户的束缚 如图1 2所示 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 并逐步成为移动通信的一个别类 9 随着通信技术的发展 无绳电话也朝着网络化的方向发展 第一代无绳电话系统有CT1及CT1 这些系统都是模拟式的 以后无绳电话进一步向数字化的方向发展 1989年 英国提出了第二代无绳电话系统CT2 时至今日 又逐步出现了CT2 CT3 ECT PHS PACS等无绳电话系统 CT2与CT1相比有两大改进 一是实现了全数字化 二是座机改造成了基站 这样基站与有线电话网连接 并有若干频道为用户所共用 用户在基站的无线覆盖区域内 可选用空闲频道 接入有线电话网 对有线网中的固定用户发起呼叫并建立通信链路 CT2系统由手机 基站及网络管理及计费系统构成 它依附于公用电话交换网 PSTN 是市话网的延伸 如图1 3所示 10 图1 2CT0无绳电话系统示意图 图1 3CT2系统示意图 11 无绳电话的特点是设备复杂性较低 话音传输质量好 可以满足一个小区域内同时为众多无线用户服务 适用于步行等低速移动的用户 无绳电话的主要缺点是由于每个微小区面积太小要做到某一大城市全部覆盖则所需的基站数量多 且微小区制不能支持高速移动 目前 无绳电话技术得到了很大的提高 曾经广泛应用并发展成为无线市话系统 如我国的PAS 它由接入市话端局的远端模块 空中话务控制器 基站控制器 基站 手机或固定用户单元以及网络管理系统等组成 如图1 4所示 12 图1 4PAS的系统构成 13 由图中可看到 PAS系统由以下网络单元构成 1 局端设备RT 2 空中话务控制器ATC 3 基站控制器RPC 4 基站RP 5 手机PS 6 固定用户单元FSU 7 网络管理系统NMS 14 1 4 3无线电寻呼系统 寻呼通信是一种单向的移动通信系统 它以广大的程控电话网为依托 采用单向的无线电呼叫方式将主叫用户的信息传送给持机用户 本地无线电寻呼网与公用电话交换网的接续方式分为人工接续方式和全自动接续方式 本地无线电寻呼网的结构可分为单区制和多区制 其覆盖范围是一个长途编号区的范围 图1 5是多区制本地无线寻呼网结构示意图 图中寻呼中心与市话网相连 市话用户要呼叫某一寻呼用户时 可拨寻呼中心的专用号码 寻呼中心和话务员记录所要寻找的用户号码及要人工传的消息 并自动地在无线信道上发出呼叫 这时 被呼用户的寻呼机会发出声音 并能在液晶屏上显示主呼用户的电话号码及简要信息 无线电寻呼系统还可同时向多个移动用户传送同一个信息 非常适用于抢险 救灾 治安 现场作业以及开紧急会议等方面 同时 由于寻呼机体积小 重量轻 价格便宜 所以无线电寻呼系统曾在八十年代和九十年代初期得到了广泛应用 不过 随着移动通信的蓬勃发展和持有手机用户数的上升 无线寻呼业务也如同模拟移动通信一样 已经退出现有的移动通信市场 15 图1 5多区制本地寻呼网结构示意图 16 1 4 4集群移动通信系统 最早的集群通信系统是模拟系统出现于20世纪70年代 20世纪90年代中期数字集群技术在全球范围内兴起 我国于90年代末期引入数字集群技术 2003年4月信息产业部批准中国卫通集团在天津 济南 南京三个城市建设并运营数字集群商业共网实验网工程 集群系统使用多个无线信道为众多的用户服务 相当于将有线电话中继线的工作方式运用到无线电通信系统中 把有限的信道动态地 自动地 迅速地和最佳地分配给整个系统的用户 从而在最大程度上利用了整个系统信道的频率资源 可以说 集群移动通信系统是一种特殊的用户程控交换机 其呼叫方式为PTT PushToTalk 一键通话 17 集群移动通信系统的主要特点为 1 共用频率 将原指配给各部门专有的频率集中供各家共用 2 共用设施 由于频率共用 就有可能将各家分建的控制中心和基地站等设施集中 3 共同建网 可大大降低机房 电源等建网投资 节约运输人员 可分摊费用 4 共享覆盖区 可将各邻近覆盖区的网络互联起来 从而获得更大的覆盖区 5 共享通信业务 可利用网络有组织地发送信息 为大家服务 6 改善服务 由于多信道共用 可调剂信道忙 闲 集中建网 可加强管理提高服务等级 增加系统功能 从而改善服务 18 目前数字集群通信系统的结构组成基本上可用下图1 6所示 包括有 1 基站 由若干基本无线收发信机 天线共用器 天馈线系统和电源等设备组成 2 移动台 用于运行中或停留在某未定地点进行通信的用户台 包括车载台 便携台和手持台 3 调度台 是能对移动台进行指挥 调度和管理的设备 分有线和无线调度台两种 无线调度台由收发机 控制单元 天馈线 或双工台 电源和操作台组成 4 控制中心 包括系统控制器 系统管理终端和电源等设备 主要控制和管理整个集群通信系统的运行 交换和接续 19 图1 6集群通信系统示意图 20 除了上述设备外 还可根据系统设计和用户要求 增设系统中心操作台 系统监控设备 中继转发器以及计费和打印设备等 另外 随着数据业务量的上升 集群通信系统也相应的引入了PCU SGSN GGSN等数字通信处理设备 2005年以后 有关在公众移动通信网上的 对讲 技术 即PTT技术 也急剧升温 在法国戛纳举行的2004年3GSM大会上 不少业内知名移动通信厂家就纷纷推出各种解决方案和相应的产品 使数字集群的一些重要功能的作用与业务增值的意义愈来愈得到业界的普遍认同 以PTT为中心的一股热浪正在掀起 但是 集群移动通信系统与蜂窝移动通信系统在许多方面是不同的 两者的对比如下表1 1所示 21 表1 1集群移动通信系统与蜂窝移动通信系统的对比 22 1 4 5移动卫星系统 蜂窝移动电话系统虽然在理论上是可以覆盖无限大的地理区域 但在人烟稀少的地区或经济不发达的地区 如果每隔十几公里就建一个基站是太不经济了 因此 可以依靠卫星来为这些地方提供服务 由于卫星使用宽波束天线 故只要少数几个波束就可覆盖很大面积 如图1 7所示 在静止轨道 即同步轨道 上放置3颗卫星即可实现全球覆盖 卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电波 在两个或多个地球站之间进行的通信 由于作为中继站的卫星处于外层空间 这就使卫星通信方式不同于其他地面无线电通信方式 而属于宇宙无线电通信的范畴 通信卫星按其结构可分为无源卫星和有源卫星 按其运转轨道可分为运动卫星 非同步卫星 和静止卫星 同步卫星 目前 在通信中应用最广泛的是有源静止卫星 即将卫星发射到赤道上空35800km附近 它运行的方向与地球自转的方向相同 绕地球一周的时间与地球的自转周期基本相等 从地球上看去如同静止一般 由静止卫星作中继站组成的通信系统称为静止卫星通信系统或称同步卫星通信系统 图1 8为一个简单的卫星通信系统 图1 8中地球站A通过定向天线向通信卫星发射的无线电信号 首先被卫星的转发器接收 经过卫星转发放大和变换后 再由卫星天线转发到地球站B 当地球站B接收到信号后 就完成了从A站到B站的信息传递过程 从地球站发射信号到通信卫星所经过的通信路径称为上行线路 反之称为下行线路 同样 地球站B也可以向地球站A发射信号来传递信息 23 图1 7用三颗卫星来实现全球覆盖 24 图1 8卫星通信示意图 25 移动卫星通信业务是指利用中继卫星实现移动终端之间通信的无线通信业务 它广泛应用在航海 航空以及边远地区通信场合 包括通过卫星把移动的陆上车辆 船舶或飞机同公众交换网互连起来的语音通信 用户移动终端与基站之间的双向话音调度业务 航空业务以及为了安全和其它目的的话音和数据通信业务 寻呼业务在无干扰基础上的单向通信等等 目前移动卫星通信业务经营者主要是国际海事卫星组织 另外加拿大 日本等国也在积极开发和应用这种业务 一个完整的移动卫星通信系统由空间分系统 地球站 跟踪遥测及指令系统和监控管理分系统四大部分构成 26 1 空间分系统 即通信卫星 通信卫星内的主体是通信装置 另外还有星体的遥测指令控制系统和能源装置等 通信卫星主要是起无线电中继站的作用 它是靠星上通信装置中的转发器利天线来完成的 一个卫星的通信装置可以包括一个或多个转发器 每个转发器能接收和转发多个地球站的信号 2 地球站群 一般包括中央站 或中心站 和若干个普通地球站 中央站除具有普通地球站的通信功能外 还负责通信系统中的业务调度与管理 对普通地球站进行监测控制以及业务转接等 地球站具有收 发信功能 用户通过它们接入卫星线路 进行通信 地球站有大有小 业务形式也多种多样 一般来说 地球站的天线口径越大 发射和接收能力越强 功能也越强 3 跟踪遥测及指令分系统 也称为测控站 它的任务是对卫星跟踪测量 控制其准确进入静止轨道上的指定位置 待卫星正常运行后 定期对卫星进行轨道修正和位置保持 4 监控管理分系统 也称为监控小心 它的任务是对定点的卫星在业务开通前 后进行通信性能的监测和控制 例如对卫星转发器功率 卫星天线增益以及各地球站发射的功率 射频频率和带宽 地球站天线方向图等基本通信参数进行监控 以保证正常通信 27 与其他通信手段相比 卫星通信的主要优点是 1 通信距离远 且费用和通信距离无关 2 工作频段宽 通信容量大 适用于多种业务传输 3 通信线路稳定可靠 通信质量高 4 以广播方式工作 具有大面积覆盖能力而且通信灵活机动 5 可以自发自收进行监测 28 1 4 6平流层通信系统 平流层一般指地表高度18 50km空域 是对地观测与航空航天两大体系的结合部 气流主要表现为水平方向运动 对流现象弱 因此称这一大气层为 平流层 又称 同温层 平流层信息平台 一般高度为二十几公里 和通信卫星一样位于地球的上空 但它不属于卫星通信 因为按定义 卫星是一个绕着另一个绝对质量占优势的物体运动 它的运动在初期而且以后 永远由那一个物体的引力所决定的物体 平流层通信业务也不属于空间无线通信 因为ITU定义的空间站是一种位于某一目标 且该目标超过或可能超过地球大气主要范围的站 平流层信息平台所处的空间处于各种通信卫星和地面接力通信站之间 是地球上空一片尚未开垦的 处女地 它的开发对未来通信发展具有极大的意义 29 平流层通信系统的模型如图1 9所示 从图中可以看出 平流层通信系统主要包括以下三个方面 1 平流层平台与地面设施之间的通信 2 平流层平台之间的通信 3 平流层平台与卫星网络之间的通信 30 图1 9平流层通信系统示意图 31 平流层通信系统具有一些重要的特点 和卫星通信相比 平台与地面的距离分别是同步卫星 中轨卫星和低轨卫星的1 1800 1 400和1 40 自由空间衰减分别减少65dB 52dB和32dB 延迟时间只有0 5ms 有利于通信终端的小型化 宽带化和双工数据流的对称传输和互操作 实现对称双工的无线接入 与地面平台相比 高度为20km的平流层平台的作用距离远 覆盖地区大 作为一个高空接力站时作用距离约为1000km 比地面接力站约大10倍 信道瑞利衰落一般为20dB 10倍程 而地面系统的瑞利衰减为50dB 10倍程 因此 发射功率可显著减少 作为探测平台时 比一般高度为 万米的飞机的探测距离远70 平流层平台的位置机动灵活 既适用于城市 也可用于海洋 山区 还可以迅速转移 用于发生自然灾害的地区 如洪水 火山的监测 造价低 通信资费低 据估算 平流层平台的放飞 回收和日常的监测可利用一般的民航导航与气象系统 不需特殊的复杂庞大的发射基地 因而造价较低 估算每一平台造价只为通信卫星的1 10 而且每个平台都可以独立运行 不像低轨通信卫星那样需发射几十甚至上百颗卫星并组成星座之后才能工作 因而建设周期短 初期投资少 一般端机价格很低 通信资费也可以不高于已有的公众电话 平台可以回收 不会像卫星那样失效后变成空间垃圾 有利于环境保护 此外 平台高度在民航高度以上 不会对空中航行安全造成影响 平台位于国境之内 主权 使用权和管理权均属本国 所使用频段一般也不受国际规定的限制 有利于研制开发适用于本国的产品 32 1 4 7无线局域网 无线局域网 WirelessLAN 简称WLAN 是一种利用无线方式 提供无线对等 如PC对PC PC对集线器或打印机对集线器 和点到点 如LAN到LAN 连接性的数据通信系统 WLAN代替了常规LAN中使用的双绞线或同轴线路或光纤 通过电磁波传送和接收数据 WLAN能执行像文件传输 外设共享 Web浏览 电子邮件和数据库访问等传统网络通信功能 WLAN是利用无线通信技术在一定的局部范围内建立的网络 是计算机网络与无线通信技术相结合的产物 它以无线多址信道作为传输媒介 提供传统有线局域网LAN LocalAreaNetwork 的功能 能够使用户真正实现随时 随地 随意的宽带网络接入 WLAN有两种主要的拓扑结构 即自组织网络 也就是对等网络 即人们常称的Ad Hoc网络 和基础结构网络 InfrastructureNetwork 分别示于下图1 10和图1 11中 33 图1 10自组织网络结构 图1 11基础结构网络结构 34 WLAN利用电磁波在空气中发送和接收数据 而无需线缆介质 与有线网络相比 WLAN具有以下优点 移动性好 覆盖范围广 安装快速灵活 扩展能力强 开发运营成本低 回报高 传输速率高 抗干扰性强 安全性高 受自然环境 地形及灾害影响小 35 今天 无线局域网既是有线网络的无线延伸 又是移动通信网络的扩展 手机等终端设备依托WLAN的热点覆盖可实现休闲上网 移动办公 移动购物 还可方便地开会及上课等 并可以应用在医疗 金融证券等方面 实现医生在路途中对病人在网上诊断 实现金融证券室外网上交易 等等 可以说 无线局域网有效地将移动通信和互联网二者结合起来成为一体 即移动互联网 它已经成为当今世界上发展最快 市场潜力最大 前景最诱人的业务并不断地创造着经济神话 目前 移动互联网正逐渐渗透到人们生活 工作的各个领域 短信 彩铃下载 移动音乐 手机游戏 视频应用 手机支付 位置服务等丰富多彩的移动互联网应用迅猛发展 3G时代的移动互联网业务还将向用户提供个性化 内容关联和交互作业的应用 其业务范围将涵盖信息 娱乐 旅游和个人信息管理等领域 未来移动互联网将更多基于云的应用和云计算上 将有更多具有创意和实用性的应用出现 总之 移动互联网正在深刻改变信息时代的社会生活 它经过几年的曲折前行 终于迎来了新的发展高潮 36 思考与练习 1 11 1 11 1 21 21 2 11 2 21 31 3 11 3 21 41 4 11 4 21 4 3 37 本章小结 本章是 移