移动通信-01 概述

移动通信概论,天津大学电子信息工程学院2020/5/26,“Themostprofoundtechnologiesarethosethatdisappear.Theyweavethemselvesintothefabricofeverydaylifeuntiltheyareindistinguishablefromit.”StreitzNA,KameasA,MavrommatiI(eds)(2007)TheDisappearingComputer,LectureNotesinComputerScience,vol4500,Springer,天津大学电子信息工程学院,2,天津大学电子信息工程学院,课程简介和要求,主要内容,1,移动通信的特点,2,常用移动通信系统,4,移动通信的主要技术,5,3,移动通信的发展历史,3,移动通信的发展趋势,6,1.课程简介和要求,课程的目的：通过本课程的教学，使学生掌握现代移动通信技术的基本理论、基本技术、以及现行几种典型的移动通信系统关键技术，使学生在将来的工作岗位上，能够胜任移动通信的相关工作。前期课程：通信原理主要内容：,天津大学电子信息工程学院,概述移动通信电波传播与信道移动通信中调制解调技术抗衰落技术蜂窝组网技术几种典型的移动通信系统及其关键技术,4,1.课程简介和要求,学时：32考试形式：开卷考试。成绩计算：平时成绩占总成绩的20%，考试占总成绩的80%。参考书1、啜钢编，移动通信原理与系统（第二版），北京邮电大学出版社，2009年2、郭梯云编，移动通信（第四版），西安电子科技大学出版社，2006年3、吴伟陵编，移动通信原理（第二版），电子工业出版社，2009年,天津大学电子信息工程学院,5,1.课程简介和要求,联系方式：由磊Email：youlei办公室：26D-505,天津大学电子信息工程学院,6,一个典型的移动通信系统,天津大学电子信息工程学院,7,2.移动通信的特点,移动通信是指通信双方至少有一方在移动中（或者历史停留在某一非预定位置上）进行信息传输和交换，这包括移动体（车辆、飞机、船舶或行人）和移动体之间的通信，移动体和固定点（固定无线电台或有线用户）之间的通信。移动通信的主要特点：利用无线电波进行信息传输复杂的干扰环境有限的频谱资源非常与移动通信业务量的需求之间的矛盾移动通信系统的网络结构多种多样，网络管理和控制必须有效移动通信设备(主要是移动台)必须适于在移动环境中使用,天津大学电子信息工程学院,8,3.移动通信的发展历史,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，美国警用车辆的车载无线电系统，标志移动通信开始进入实用。1946年，BELL实验室建立第一个公用汽车电话网。1974年，BELL实验室提出蜂窝移动通信的概念。1980s,第一代蜂窝移动通信系统，83年美国的AMPS,80年北欧的NMT,79年日本的NAMTS,85英国的TACS。1990s,第二代移动通信系统，1992年商用的GSM，1991年美国提出的IS-54，1993年日本提出的PDC，1993年美国提出的IS-95.2000s，第三代移动通信系统，DS-CDMA,MC-CDMA,TD-SCDMA,UMC-136,E-DECT.2010s，第四代移动通信系统，IMT-advanced.,天津大学电子信息工程学院,9,4.常用移动通信系统,移动通信系统的分类按使用对象可分为民用设备和军用设备；按使用环境可分为陆地通信、海上通信和空中通信；按多址方式可分为频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)等；按覆盖范围可分为广域网和局域网；按业务类型可分为电话网、数据网和多媒体网；按工作方式可分为同频单工、异频单工、异频双工和半双工按服务范围可分为专用网和公用网；按信号形式可分为模拟网和数字网。,天津大学电子信息工程学院,10,4.常用移动通信系统,（1）无线电寻呼系统无线电寻呼系统是一种单向通信系统。无线电寻呼系统的用户设备是袖珍式接收机，称作袖珍铃，俗称“BB机”（2）蜂窝移动通信系统早期的移动通信系统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送到整个覆盖地区(半径可达几十千米)。这种系统的能提供给用户使用的信道数极为有限。蜂窝通信网络把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。,天津大学电子信息工程学院,11,（2）蜂窝移动通信系统,天津大学电子信息工程学院,(a)大区覆盖；(b)小区覆盖,12,（2）蜂窝移动通信系统,区群与频率再利用通常，相邻小区不允许使用相同的频道，否则会发生相互干扰(称同道干扰)。但由于各小区在通信时所使用的功率较小，因而任意两个小区只要相互之间的空间距离大于某一数值，即使使用相同的频道，也不会产生显著的同道干扰(保证信干比高于某一门限)。为此，把若干相邻的小区按一定的数目划分成区群(Cluster),并把可供使用的无线频道分成若干个(等于区群中的小区数)频率组，区群内各小区均使用不同的频率组，而任一小区所使用的频率组，在其它区群相应的小区中还可以再用，这就是频率再用。,天津大学电子信息工程学院,13,（2）蜂窝移动通信系统,天津大学电子信息工程学院,蜂窝系统的频率再用,14,（2）蜂窝移动通信系统,天津大学电子信息工程学院,图中七个小区构成一个区群。小区编号代表不同的频率组。小区移动交换中心(MSC)相连。MSC在网中起控制和管理作用，对所在地区已注册登记的用户实施频道分配，建立呼叫，进行频道切换，提供系统维护和性能测试，并存储计费信息等。,蜂窝移动通信系统的示意图,15,（2）蜂窝移动通信系统越区切换,当移动用户在蜂窝服务区中快速运动时，用户之间的通话常常不会在一个小区中结束。快速行驶的汽车在一次通话的时间内可能跨越多个小区。当移动台从一个小区进入另一相邻的小区时，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,天津大学电子信息工程学院,越区切换控制过程：当通信中的移动台到达小区边界时，该小区的基站能检测出此移动台的信号正在逐渐变弱，而邻近小区的基站能检测出这个移动台的信号正在逐渐变强，系统收集来自这些有关基站的检测信息，进行判决，当需要实施越区切换时，就发出相应的指令，使正在越过边界的移动台将其工作频率和通信链路从离开的小区切换到进入的小区。整个过程自动进行，用户并不知道，也不会中断行进中的通话。,16,4.常用移动通信系统,（3）无绳电话系统简单的无绳电话机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，这样，允许携带手机的用户可以在一定范围内自由活动时进行通话。因为手机与座机之间不需要用电线连接，故称之为“无绳”电话机。无绳电话朝着网络化的方向发展，以PHS技术为基础的“小灵通”系统在我国得到了广泛的应用。,天津大学电子信息工程学院,17,4.常用移动通信系统,（4）集群移动通信系统集群移动通信系统属于调度系统的专用通信网。集群移动通信系统把一些由各部门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个频道，以容纳数目更多的用户集群移动通信系统改进频道共用的方式，即移动用户在通信的过程中，不是固定地占用某一个频道，而是在按下其“按讲开关”(PTT)时，才能占用一个频道；一旦松开PTT，频道将被释放，变成空闲频道，并允许其它用户占用该频道。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的。,天津大学电子信息工程学院,18,4.常用移动通信系统,（5）移动卫星通信系统利用卫星中继，在海上、空中和地形复杂而人口稀疏的地区中实现移动通信，具有独特的优越性。目前，世界上有不少国家提出了发展低轨道卫星通信的计划，其中，由美国Motorola公司提出的“铱”(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。现在该系统改用66颗卫星，分6条轨道在地球上空运行，但原名未改。,天津大学电子信息工程学院,19,4.常用移动通信系统,（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。网络结构分为星型结构和分布式结构：星型结构类似于蜂窝网，具有中心站；分布式结构不设中心站，相邻节点之间可以相互通信，可以作为源节点、目的节点或中继节点。,天津大学电子信息工程学院,20,4.常用移动通信系统,（6）分组无线网分组传输方式是存储转发方式的一种，用户终端必须先把要传送的信息存储、分段、加上包头以构成分组，才能送上无线信道进行传输。这一过程必然要产生额外的时间延迟。因此，分组无线网特别适用于实时性要求不严和短消息比较多的数据通信。如果要用分组无线网传输分组话音，则必须保证时间延迟不大于规定值。,天津大学电子信息工程学院,21,5.移动通信的主要技术,(1)移动信道中电波传播特性的研究(2)调制与解调(3)多址方式(4)抗干扰技术(5)组网技术,天津大学电子信息工程学院,22,5.移动通信的主要技术,(1)移动信道中电波传播特性的研究在移动信道中，发送到接收机的信号会受到传播环境中地形、地物的影响而产生绕射、反射或散射，因而形成多径传播。多径传播将使接收端的合成信号在幅度、相位和到达时间上发生随机变化，严重地降低接收信号的传输质量，这就是所谓的多径衰落。为了给通信系统的规划和设计提供依据，人们通常通过理论分析或根据实测数据进行统计分析(或二者结合)，来总结和建立有普遍性的数学模型，利用这些模型，可以估算一些传播环境中的传播损耗和其它有关的传播参数。,天津大学电子信息工程学院,23,(1)移动信道中电波传播特性的研究,理论分析方法通常用射线表示电磁波束的传播，在确定收发天线的高度、位置和周围环境的具体特征后，根据直射、折射、反射、散射、透射等波动现象，用电磁波理论计算电波传播的路径损耗及有关信道参数。实测分析方法是指在典型的传播环境中进行现场测试，并用计算机对大量实测数据进行统计分析，以建立预测模型(如冲击响应模型)，进行传播预测。,天津大学电子信息工程学院,24,5.移动通信的主要技术,(2)调制与解调要求：已调信号的频谱窄和带外衰减快；宜采用相干或者非相干解调；抗噪声和抗干扰的能力强；适宜在衰落环境中传输。在实际应用中，有两类用得最多的数字调制方式：线性调制技术，主要包括PSK、QPSK、DQPSK、OK-QPSK、4-DQPSK和多电平PSK等。恒定包络(连续相位)调制技术，主要包括MSK、GMSK、GFSK和TFM等。,天津大学电子信息工程学院,25,5.移动通信的主要技术,(3)多址方式多址方式的基本类型有频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)。实际中也常用到三种基本多址方式的混合多址方式，比如，频分多址时分多址(FDMATDMA)、频分多址码分多址(FDMACDMA)、时分多址码分多址(TDMACDMA)等等。通常认为：TDMA系统的通信容量大于FDMA系统，而CDMA系统的通信容量又大于FDMA和TDMA系统。,天津大学电子信息工程学院,26,5.移动通信的主要技术,(4)抗干扰技术在移动信道中，除存在大量的环境噪声和干扰外，还存在大量电台产生的干扰，如邻道干扰、共道干扰和互调干扰等。移动通信系统中采用的抗干扰措施主要有：利用信道编码进行检错和纠错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)；,天津大学电子信息工程学院,27,(4)抗干扰技术,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。,天津大学电子信息工程学院,28,5.移动通信的主要技术,(5)组网技术（网络结构、网络接口、网络管理）1.网络结构数字蜂窝通信系统的网络结构，如下页图，其组成部分为：移动交换中心(MSC)，基站分系统(BSS)(含基站控制器(BSC)、基站收发信台(BTS)，移动台(MS)，归属位置寄存器(HLR)，访问位置寄存器(VLR)，设备标志寄存器(EIR)，认证中心(AUC)和操作维护中心(OMC)。网络通过移动交换中心(MSC)还与公共交换电话网(PSTN)、综合业务数字网(ISDN)以及公共数据网(PDN)相连接。,天津大学电子信息工程学院,29,数字蜂窝通信系统的网络结构,天津大学电子信息工程学院,30,5.移动通信的主要技术,(5)组网技术（网络结构、网络接口、网络管理）2.网络接口移动通信网络由若干个基本部分(或称功能实体)组成。在用这些功能实体进行网络部署时，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。蜂窝系统所用的各种接口如下图所示,天津大学电子信息工程学院,31,蜂窝系统所用的接口,天津大学电子信息工程学院,Sm是用户和网络之间的接口，也称人机接口；Um是移动台与基站收发信台之间的接口，也称无线接口或空中接口；A是基站和移动交换中心之间的接口；Abis是基站控制器和基站收发信台之间的接口；B是移动交换中心和访问位置寄存器之间的接口；C是移动交换中心和归属位置寄存器之间的接口；D是归属位置寄存器和访问位置寄存器之间的接口；,E是移动交换中心之间的接口；F是移动交换中心和设备标志寄存器之间的接口；G是访问位置寄存器之