移动通信教学概论.ppt

移动通信 中南民族大学电子与信息工程学院唐红文 通信技术 移动通信 第一讲概论 考虑的问题 移动通信的目标 移动通信的原理 移动通信的应用 移动通信的作用 解决的问题 移动通信的关键技术 移动通信的未来 学习 移动通信 课程的目的 中国移动通信现状 中国移动 gsm gprs td scdma 中国联通 gsm gprs wcdma 中国电信 cdma cdma1x cdma2000 随着移动数据业务产业链的日益完善 大量基于gprs和cdma1x技术的数据新业务将不断被推向市场 移动商务 移动定位 wap和基于java brew的游戏类业务也将逐步升温 内容 移动通信的基础知识移动通信的工作频段移动通信的主要特点移动通信系统的分类常用移动通信系统移动通信的基本技术调制技术移动信道中电波传播特性的研究多址方式抗干扰措施组网技术移动通信的发展历程和发展方向移动通信的标准化 移动通信定义 至少有一方处于移动状态下进行信息交换的通信就叫做移动通信 换句话说 移动通信解决因为人的移动而产生的动中通信问题 终端的移动性 手机 车载台 个人的移动性 sim uim卡方式支持的业务 业务的可漫游性 用户可以随时随地接入网络 无障碍交流 1 1无线电波的频段 f 3000ghz的电磁频谱称为无线电磁波的频谱 1 3 30khz甚低频 vlf 地 电离层波导 waveguide 104m 105m电报导航系统潜水艇通信具有传播距离远和相位稳定两个突出优点 可应用于远距离通信 导航 频率和时间标准的传送 例如 美国于70年代建成的工作频段为10 15千赫的奥米加导航系统 规模巨大 有8个发射台 可覆盖全球 苏联在此期间也建立了包括3个发射台的类似系统 2 30khz 3mhz低频 lm 和中频 mf lm 表面波 长波1000m 长距离通信导航mf 表面波和天波 中波100m 1000m 干扰 衰落商业am无线电 3 3 30mhz高频 hf 短波10m 100m存在地面波以天波为主全球通信通过电离层反射没有用于民用移动通信 4 30mhz 3ghz甚高频 vhf 和特高频 uhf 超短波米波 1m 10m 分米波 100 10cm 以空间波为主传播受地平线限制反射 绕射fm无线电 电视频道 等 5 3 30ghz超高频 微波 15 30ghz 厘米波1cm 10cm需视线 los 传播高增益天线卫星通信点对点陆地链路雷达超短距通信 6 30 300ghz极 extra 高频 毫米波1mm 10mm有很多适用频段视线通信分辨率高 存在雾 水 和氧气吸收 e g 60ghz 突发散射通信 甚短距保密通信 卫星之间的通信亚毫米波300 3000ghz0 1 1mm itu陆地移动通信的工作频段 单位 mhz itu internationaltelecommunicationsunion warc 92新的频谱分配方案 internationalmobiletelecommunications 2000 新的趋势 2000年世界无线电大会针对未来数据发展需求问题 对3g频带作了扩展 806 960mhz 1710 1885mhz 2500 2690mhz 将5ghz 17ghz以及28 60ghz频段开放给wlan 802 11a和hyperlan wman 标准 应用 和 的着眼点不同 着眼于手机 数据速率相对较低 但在话音和手机应用方面将做得比较出色 而 着眼于笔记本电脑 进行高速数据接入 蜂窝移动通信系统的频段使用 早期 使用150m 450m频段 第一代移动通信 使用900m频段 第二代移动通信 gsm900 dcs1800 psc1900三个频段 第三代移动通信 使用2000m频段 第四代移动通信 1 2移动通信的主要特点 必须利用无线电波传输信息 传播特性差传播环境复杂 多径效应和阴影效应造成电波传播的幅度衰落和时延扩展用户高速移动 多普勒频移造成电波传播特性的快速随机变化工作于复杂的干扰环境外部干扰 天电 机电和信道热噪声系统内部和不同系统之间的干扰 邻道 同信道 互调 多址和远近效应网络结构多种多样 网络管理复杂用户注册和登记 鉴权和计费 安全和保密可利用的频谱资源有限 而通信业务量的需求与日俱增用户容量问题 业务容量问题移动通信设备 主要是移动台 必须适于在移动环境中使用 移动通信特点1 传播特性差 信号的衰落 环境的时变性 多普勒效应 移动通信特点2 环境的时变性 移动通信环境没有准确的模型 移动通信特点2 噪声与干扰 噪声车辆点火系统工业电气噪声自然噪声背景杂散噪声干扰来源同频道干扰邻频道干扰互调干扰多址干扰 移动通信特点4 移动通信网络管理复杂 网络提供归属位置寄存器 hlr 和访问位置寄存器 vlr 纪录用户的行踪提供相邻基站之间的越区切换提供不同地区和不同运营者之间的漫游用户安全与网络安全鉴权 1 3移动通信系统的分类 按使用对象分类 民用设备和军用设备 按使用环境分类 陆地通信 海上通信和空中通信 按多址方式分类 频分多址 fdma 时分多址 tdma 和码分多址 cdma 等 按覆盖范围分类 宽域网和局域网 按业务类型分类 电话网 数据网和综合业务网 按工作方式分类 单工 双工和半双工 按服务范围分类 专用网和公用网 按信号形式分类 模拟网和数字网 1 3 1工作方式 1 单工通信 所谓单工通信是指通信双方电台交替地进行收信和发信 根据收 发频率的异同 又可分为同频单工和异频单工 单工通信常用于点到点通信 参见图1 1 图1 1单工通信 同频单工 异频单工 2 双工通信 所谓双工通信 是指通信双方可同时进行传输消息的工作方式 有时亦称全双工通信 如图1 2所示 图1 2双工通信 频分双工 时分双工 3 半双工通信 半双工通信的组成与图1 2相似 移动台采用单工的 按讲 方式 即按下按讲开关 发射机才工作 而接收机总是工作的 基站工作情况与双工方式完全相同 1 3 2模拟网和数字网 人们把模拟通信系统 包括模拟蜂窝网 模拟无绳电话与模拟集群调度系统等 称作第一代通信产品 而把数字通信系统 包括数字蜂窝网 数字无绳电话 移动数据系统以及移动卫星通信系统等 称作第二代通信产品 数字通信系统的主要优点可归纳如下 频谱利用率高 有利于提高系统容量 2 能提供多种业务服务 提高通信系统的通用性 3 抗噪声 抗干扰和抗多径衰落的能力强 4 能实现更有效 灵活的网络管理和控制 5 便于实现通信的安全保密 6 可降低设备成本和减小用户手机的体积和重量 1 3 3话音通信和数据通信 图1 3移动通信网络的分类 内容 移动通信的基础知识移动通信的工作频段移动通信的主要特点移动通信系统的分类常用移动通信系统移动通信的基本技术调制技术移动信道中电波传播特性的研究多址方式抗干扰措施组网技术移动通信的发展历程和发展方向移动通信的标准化 1 4常用移动通信系统p6 无线寻呼 数显 汉显 双向1g 2g 3g蜂窝移动通信系统 车载 手持机无绳电话 家用 公共无线接入点集群通信 警察 出租车调度卫星移动通信 铱 全球星等无线局域网 wlan 802 11 hyperlan游牧无线接入系统 wpan wvan 蓝牙固定无线接入系统 wman wll lmds无线广播系统 dab dvb 1 4 1无线电寻呼系统 1 4 2蜂窝移动通信系统 图1 5大区覆盖与小区覆盖 a 大区覆盖 b 小区覆盖 图1 6蜂窝系统的频率再用 图1 8越区切换示意图 表1 1几种模拟蜂窝移动通信系统 1 4 3无绳电话系统 图1 9无绳电话系统示意图 表1 2几种无绳电话系统的主要参数 1 4 4集群移动通信系统 集群的概念 系统所具有的可用信道可为系统的全体用户共用 具有自动选择信道功能 它是共享资源 分担费用 共用信道设备及服务的多用途 高效能的无线调度通信系统 应用 为户外作业的专业公司及业务部门的移动用户提供生产调度和指挥控制等通信业务 数字集群与模拟集群大区制 小区制 集群系统的特点 共用频率 将原来配给各部门专有的频率加以集中 供各家共用 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站等设施集中合建 共享覆盖区 可将各家邻近覆盖区的网络互连起来 从而获得更大覆盖区 共享通信业务 可利用网络有组织地发送各种专业信息为大家服务 分担费用 共同建网可以大大降低机房 电源等建网投资 减少运营人员 并可分摊费用 改善服务 由于多信道共用 可调剂余缺 集中建网 可加强管理 维修 因此提高了服务等级 增加了系统功能 具有调度指挥功能 兼容有线通信 主要服务业务是无线用户和无线用户之间的通信 智能化 微机软件化 增加了系统功能 具有控制 交换 中继功能 集群通信与蜂窝通信的区别 集群通信系统是指挥调度通信 单工或半双工 而蜂窝通信系统是无线电话通信 全双工通信方式 集群通信系统采用信道动态分配方式 而蜂窝通信系统是固定分配方式 它的频率利用率较低 集群通信系统主要是大区和小区覆盖 而蜂窝通信系统是小区和微小区 甚至是微微小区小区覆盖 集群通信系统的用户接入时间为300 500毫秒 蜂窝通信系统的用户接入时间为几至十几秒等级 集群通信系统主要是无线对无线 包括调度台 一次通话时间很短 而蜂窝通信系统主要是无线与有线之间通话 话务量较大 一次通话时间较长 集群通信系统具有优先等级和各种特殊功能 而蜂窝通信系统和普通有线电话是一样的 系统内的用户是同级的 所以有人称 集群通信是 一呼百应 而蜂窝通信是 一呼一应 集群通信系统的用户主要是集团用户 而蜂窝通信系统的用户是个人用户 两个系统的定位是不同的 集群系统的特点 集群通信系统属于专用移动通信网 适用于在各个行业 或几个行业合用 中间进行调度和指挥 对网中的不同用户常常赋予不同的优先等级 蜂窝通信系统属于公众移动通信网 适用于各阶层和各行业中个人之间通信 一般不分优先等级 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 蜂窝通信系统对通信时间一般不进行限制 集群通信系统的主要服务业务是无线用户和无线用户之间的通信 蜂窝通信系统却有大量的无线用户与有线用户之间的通话业务 在集群通信系统中也允许有一定的无线用户与有线用户之间的通话业务 但一般只允许这种话务量占总业务量的5 10 在蜂窝通信系统中 可以采用频道再用技术来提高系统的频率利用率 而在集群系统中 主要是以改进频道共用技术来提高系统的频率利用率 集群通信系统基本网络结构单区 单点 单中心网络 单区 多点 单中心网络 多区 多中心网络 多区 多层次 多中心网络 中心 是指具有控制 交换功能的通信中心 它同时具有与市内电话网联接的功能 所谓 点 是指具有无线电信号收发功能的基地站 多区 多中心网络 1 基站它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 天线共用器包括发信合路器和接收多路分路器 天馈线系统包括接收天线 发射天线和馈线 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 它包括车载台 便携台的手持台 由收发信机 控制单元 天馈线 或双工台 和电源组成 3 调度台它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 有线调度台只有操作台 4 控制中心控制中心包括系统控制器 系统管理终端和电源等设备 它主要控制和管理整个集群通信系统的运行 交换和接续 它由接口电源 交换矩阵 集群控制逻辑电路 有线接口电路 监控系统 电源和微机组成 集群系统的组成 图1 10集群网络的基本结构 a 集中控制方式 b 分布控制方式 集群通信系统分类按信令方式分 共路信令方式和随路信令方式 按信令占有信道方式分 固定式和搜索式 按控制方式分 集中控制方式和分散控制方式 集中控制式是指由一个智能终端控制 统一管理系统内话务信道的方式 分散式是指每一信道都有单独的智能控制终端的管理方式 按通话占用信道分 信息集群 亦称消息集群 和传输集群 表1 3部分集群移动通信系统的主要参数 1 4 5移动卫星通信系统 工作频率 微波频率 300mhz 300ghz 特点 卫星通信具有覆盖面积大 受地理条件限制少 通信频带宽的特点 因而成为现代通信不可缺少的通信手段 它有三种形式 1 宇宙站与地球站之间的通信 2 宇宙站之间的通信 3 通过宇宙站转发或反射而进行的地球站间的通信 移动卫星通信系统的分类 按卫星移动通信系统的业务进行划分有海事卫星移动通信系统 mmss 航空卫星移动通信系统 amss 陆地卫星移动通信系统 lmss 按卫星移动通信系统的卫星轨道进行划分 静止轨道卫星移动通信系统 其系统卫星位于地球赤道上空约35786km附近的地球同步轨道上 卫星绕地球公转与地球自转的周期和方向相同 中 低轨道卫星按卫星移动通信系统的通信覆盖区域进行划分有国际卫星移动通信系统区域卫星移动通信系统国内卫星移动通信系统 表1 4低轨道移动卫星通信系统的部分参数 1 uhf 超高频 频段 400 200mhz 2 微波l频段 1 6 1 5ghz 3 微波c频段 6 0 4 0ghz 4 微波x频段 8 0 7 0ghz 5 微波ku频段 14 0 12 0ghz和14 0 11 0ghz 6 微波ka频段 30 20ghz 图1 14铱系统卫星轨道示意图 1 4 6分组无线网 分组无线网是一种利用无线信道进行分组交换的通信网络 即网络中传送的信息要以 分组 或称 信包 有时简称 包 为基本单元 分组是由若干比特组成的信息段 通常包含 包头 和 正文 两部分 包头中含有该分组的源地址 起始地址 宿地址 目的地址 和有关的路由信息等 正文是真正需要传送的信息 图1 15aloha系统简图 世界上各国都在致力于发展移动数据通信网络 其中大都以分组传输技术为基础 例如 ardis系统 先进的无线电数据信息设备 2 mobitex系统 全国性互连的集群无线电网络 3 cdpd系统 蜂窝数字分组数据 4 tetra系统 全欧集群无线电 5 第二代北美数字蜂窝is 54和is 95系统 表1 5几种移动数据设备的特性和参数 内容 移动通信的基础知识移动通信的工作频段移动通信的主要特点移动通信系统的分类常用移动通信系统移动通信的基本技术调制技术移动信道中电波传播特性的研究抗干扰措施多址方式组网技术移动通信的发展历程和发展方向移动通信的标准化 1 5移动通信的基本技术 1 5 1调制 解调技术 目标 高数据速率 低成本 低能耗实现 抗干扰 抗衰落能力强线性与非线性 恒包络与非恒包络 相干检测与差分检测 高频谱效率与高能量效率 1 5 2移动信道中电波传播特性的研究 链路测量 信道估计 一直是移动无线设计的一个难点 其研究只能在统计意义上进行 1 5 3多址方式 面向语音业务的多址方式 fdma tdma cdma sdma 面向数据业务的多址方式 基于aloha 随机多址方式 包括分时隙的aloha和prma等 基于csma 载波检测多址 包括btma等 面向多媒体业务的多址方式 数据业务并入面向语音的网络 cdpd gprs 语音业务并入面向数据的网络 voip 1 5 4抗干扰措施 利用信道编码进行检错和纠错 包括前向纠错fec和自动请求重传arq 是降低通信传输的差错率 保证通信质量和可靠性的有效手段 为克服由多径干扰所引起的多径衰落 广泛采用分集技术 包括空间分集 频率分集 时间分集以及rake接收技术等 自适应均衡技术和选用具有抗码间干扰和时延扩展能力的调制技术 如多电平调制 多载波调制等 为提高通信系统的综合抗干扰能力而采用扩频和跳频技术 为减少蜂窝网络中的共道干扰而采用扇区天线 多波束天线和自适应天线阵列等 在cdma通信系统中 为了减少多址干扰而使用干扰抵消和多用户信号检测器技术 1 5 5组网技术 1 网络结构 集中式的基础结构网络 分布式 图1 16数字蜂窝通信系统的网络结构 集中式移动通信网络构成 采用特定特性的节点 即基站 基站控制所有其覆盖区域 称为小区 内的传输 由接收来自基站发送出的信号的能力来决定小区的边界 通过用陆地线路连接更多的基站可以增加覆盖 蜂窝网 蜂窝网通常与pstn和 或lans相连 基站是有线域和无线域之间的中间节点 分布式 adhoc网络构成 不存在任何预定结构或基础设施 服务覆盖和网络连通性由节点的proximity 以及rf特性 单独定义 节点也能起到路由器作用 使相距很远的节点之间实现通信 2 网络接口 图1 17蜂窝系统所用的接口 3 网络的控制与管理 移动性管理 mm 位置管理 位置更新 寻呼和位置信息发布 越区切换 软切换 更软切换技术 mip mipv6 mip中的位置管理和越区切换 无线资源管理 rrm 包括功率控制管理 rrm 实现功率控制减小系统自干扰 选择最优无线信道建立连接 支持越区切换 省电机制 不连续发射 包括语音激活 移动台的休眠模式 电源效率 在mac层消除碰撞 使用对休眠模式和广播较好的协议 在rlc层使用arq 在tcp层采用适当的拥塞避免机制 内容 移动通信的基础知识移动通信的工作频段移动通信的主要特点移动通信系统的分类常用移动通信系统移动通信的基本技术调制技术移动信道中电波传播特性的研究多址方式抗干扰措施组网技术移动通信的发展历程和发展方向移动通信的标准化 1 6移动通信的发展历程和发展方向 1897年 马可尼在陆地和一艘拖船上完成无线通信实验 标志无线通信的开始 1928年 美国警用车辆车载无线电系统 标志移动通信开始 1946年 bell实验室在圣路易斯建立第一个公用汽车电话 1960s 实现无线频道自动选择与公用电话网自动拨号连接 1974年 美国bell实验室提出蜂窝移动通信的概念1980s 第一代移动通信系统1983美国的amps 1980北欧的nmt 1979日本的namts 1985英国的tacs 800 900m 1990s 第二代移动通信系统1992年商用的gsm 1991美提出的is 54 1993日本提出的pdc 1993美国提出的is 95 n cdma 2000s 第三代移动通信欧洲 wcdma 美国 cdma2000 中国 td scdma 无线电的发明者 马可尼 马可尼 1874 1937 意大利人1894年在父亲的庄园试验1896年去伦敦1897年建立无线电报公司1899年首次实现英法无线通信1916年实现短波无线电通信1929年建立世界性无线通信网 曾获诺贝尔奖 曾参加法西斯党 工作频段由短波 超短波 微波到毫米波 红外和超长波 频道间隔由窄带100khz 50khz 25khz到12 5khz和宽带扩频信道 调制方式由振幅压扩单边带 模拟调频到数字调制 多址方式由频分多址 fdma 时分多址 tdma 码分多址 cdma 到混合多址 以及固定多址和随机多址的结合 网络覆盖由蜂窝到微蜂窝 微微蜂窝和混合蜂窝 网络服务范围由局部地区 大中城市到全国 全世界 并由陆地 水上 空中发展到陆海空一体化 业务类型由通话为主 到传送数据 传真 静止图像 直到传送综合业务 移动通信的发展过程及趋势可概括如下 蜂窝移动通信的演进过程 宽带接入 384k 2mbit s 广带接入和分布式网络 2 20mb s wimaxhspa ltelte advancedwirelessman advanced 我国移动通信发展现状 第一代模拟移动通信系统于2000年封网 第二代移动通信广泛应用 2 5代gprs cdma1x还会持续相当长的时间 2003年底中国完成3g的系统实验 2009年1月 第三代移动通信在中国的应用开始运营 3g大力发展 中国联通运营 gsm网也称为g