移动通信原理与系统第1章

,移动通信MobileCommunication,2,先修课程、教材,先修课程：通信原理、信号与系统、数字通信、概率论教材：移动通信原理与系统参考教材1：现代移动通信系统人民邮电出版社，祈玉生等编著2：数字蜂窝移动通信系统电子工业出版社，赵荣黎编著3：移动通信西安电子科技大学出版社，郭梯云等编著西安电子科技大学出版社，章坚武编著,3,考试,出勤：10（注：迟到影响出勤率）作业：10期末考试：80（闭卷）,4,教学目标,本课程是通信工程专业本科生专业课。通过学习本课程，使学生掌握移动通信系统的基本概念、基本原理、关键技术；理解工程技术中的有关问题；了解移动通信的发展趋势；建立移动通信系统的整体概念，为在该领域进一步学习、研究和开发奠定一定的基础。,5,目录,第一章概述（4学时）第二章移动通信组网原理（8学时）第三章移动信道中的电波传播（8学时）第四章数字移动通信关键技术（8学时）第五章GSM/GPRS数字蜂窝移动通信系统（8学时）第六章窄带CDMA数字蜂窝移动通信系统（6学时）第七章第三代(3G)数字蜂窝移动通信系统（8学时）第八章移动数据传输（4学时）第九章未来移动通信展望（2学时）习题讲解与课堂练习（6学时）复习（2学时）,6,第一章概述,1.1移动通信的定义、特点1.1.1移动通信的定义1.1.2移动通信的特点1.2移动通信的工作方式1.2.1移动通信的分类1.2.2移动通信的双向传输、双工方式、工作方式、多址方式1.3移动通信的工作频段与标准化组织1.3.1移动通信的工作频段1.3.2移动通信的标准化组织,7,1.4几种典型的移动通信系统1.4.1无线电寻呼系统1.4.2无绳电话系统1.4.3集群移动通信系统1.4.4蜂窝移动通信系统1.4.5卫星移动通信系统1.4.6无线局域网1.4.7无线个域网,8,1.5移动通信关键技术1.5.1多址技术1.5.2组网技术1.5.3无线电波传播特性1.5.4语音编码1.5.5调制技术1.5.6抗衰落技术1.6移动通信的发展,9,1.1移动通信的定义、特点1.1.1移动通信的定义移动通信：通信双方或至少其中一方在移动中进行信息传输和交换的通信方式应用最为广泛的陆地移动通信系统包括：无线寻呼系统、无绳电话系统、集群移动通信系统和蜂窝移动通信系统等。,10,1.1.2移动通信的特点移动通信与有线通信相比具有以下特点电波传播环境十分恶劣多普勒频移产生调频噪声受噪声和多种干扰的影响对设备的要求更为苛刻通信系统复杂通信容量有限,11,1.2移动通信的工作方式1.2.1移动通信的分类,按工作方式分类：单工，双工（FDD,TDD)，半双工按多址方式分类：FDMA、TDMA、CDMA、SDMA按信号形式分类：模拟网和数字网按覆盖范围分类：城域网、局域网、个域网按业务类型分类：电话网、数据网、综合业务网、多媒体网按服务特性分类：专用网、公用网按使用环境分类：陆地通信、海上通信、空中通信按使用对象分类：民用系统、军用系统,12,一、双向传输、双工方式,双向传输上行链路（uplink）下行链路（downlink）双工模式频分双工（FDD）时分双工（TDD）,1.2.2移动通信的双向传输、双工方式、工作方式、多址方式,13,二、工作方式单工制：通信双方电台交替地进行收信和发信。分为：同频单工和异频单工,Play,14,双工制：是指通信双方收发信机均同时工作。收信和发信必须采用不同的工作频率,play,15,半双工制：是指通信双方中，一方使用双频双工方式，即收发信机同时工作；另一方使用双频单工方式，即收发信机交替工作。,Play,16,三、多址方式多址方式：解决如何使移动用户同时共享有限的无线频谱资源多址方式涉及到两个问题一是多路复用，即把一条通路变成多个物理信道二是信道分配，即将单个用户分配到某一具体信道上去,17,常用的多址方式：1、频分多址（FDMA）2、时分多址（TDMA）3、码分多址（CDMA）,18,4、空分多址（SDMA）,19,1.3移动通信的工作频段与标准化组织1.3.1移动通信的工作频段一、确定移动通信工作频段的依据电波传播特性、天线尺寸环境噪声及干扰的影响服务区域范围、地形和障碍物尺寸、对建筑物的渗透性设备小型化与已开发的频段的协调和兼容性,20,无线电频谱分配,300MHz300GHz1m1mm,21,无线电频谱的划分和命名,22,二、蜂窝移动通信系统的频谱分配较早移动通信使用甚高频(VHF)、特高频(UHF)的范围现在移动通信使用特高频（UHF）、超高频（SHF）的范围VHF：30-300MHzUHF：300-3000MHzSHF：3-30GHz,23,目前的2G蜂窝移动通信系统均使用800MHz频段（IS-95CDMA）；900MHz频段（AMPS、TACS、GSM）；1800MHz频段（GSM1800），该频段用于微蜂窝系统。第三代移动通信系统（3G）主要工作在2000MHz频段上，世界各国和地区频率分配的方式各不相同。,24,1.3.2移动通信的标准化组织一、移动通信的标准化内容技术体制标准化网络设备标准化测试方法标准化,25,二、移动通信的标准化组织1、国际标准化组织-国际电信联盟(ITU)1993年3月ITU组织调整为：ITU-R工作组负责无线电通信ITU-T工作组负责非无线电标准ITU-D工作组负责电信发展2、欧洲的标准化组织:欧洲电信标准协会(ETSI)定义欧洲的无线电系统的技术指标成立于1987年，GSM、DECT、HiperLAN等技术规范的制定者,26,3、北美地区的标准化组织电子工业协会(EIA)电信工业协会(TIA)蜂窝电信工业协会(CTIA)美国国家标准协会(ANSI)4、IEEE对标准开发起着重要作用的科学组织，如IEEE802,27,1.4几种典型的移动通信系统无线电寻呼系统无绳电话系统集群集群移动通信系统蜂窝移动通信系统卫星移动通信系统无线局域网无线个域网(Bluetooth,ZigBeeRadios,UWB）,28,无线寻呼系统,29,无绳电话系统,30,集群通信系统,31,蜂窝移动通信系统,32,卫星移动通信系统,33,无线局域网,34,无线个域网,35,1.5移动通信关键技术1.5.1多址技术移动通信中常用的多址方式有三种：频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）。此外，在中国提出的3G标准TD-SCDMA中采用了空分多址（SDMA）参考PPT.16-18,36,1.5.2组网技术频率资源的共享问题（即多址技术）区域覆盖和信道配置问题移动通信系统的网络结构问题网络的控制和移动性管理方面的问题干扰问题以及多信道共用技术,37,1.5.3电波传播特性不同频段的无线电波，其传播方式和特点是不同的对于工作于UHF和SHF频段的移动通信来说，电波传播的方式主要是直射波、折射波、反射波、绕射波、散射波以及它们的合成波。,38,1.5.4语音编码技术移动通信中语音编码的目的：编码速率要低、话音质量要高语音编码的分类：波型编码、参数编码、混合编码,39,1.5.4语音编码技术移动通信中语音编码的目的：编码速率要低、话音质量要高语音编码的分类：波型编码、声源编码、混合编码,40,一、波形编码将时域的模拟话音的电压波型信号经过抽样、量化、编码而形成数字话音信号速率为：16-64kbit/s特点：占用频带较宽，适合有线通信、不适合移动通信常用的波型编码方式：脉冲编码调制、增量调制等,41,二、声源编码基于人的发声机理，提出产生话音信号的特征参数，对特征参数进行编码速率为：1.2-4.8kbit/s特点：语音质量只能达到中等水平,42,三、混合编码-适合数字移动通信的语音编码技术既含有若干语音特征参量信息又含有部分波形编码信息。当编码速率在8-16kbit/s时，语音质量达到通信要求常用混合编码方式：规则脉冲激励长期预测编码（RPE-LTP）、矢量和激励线性预测编码（VSELP）GSM采用的语音编码方式：RPE-LTP、编码速率为13kbit/s,43,1.5.5调制技术一、调制的概念调制：使信息载体的某些特征（振幅、频率、相位）随信息变化的过程。其目的：使要传输的信息适合于信道特征，达到有效、可靠的传输二进制数字调制方式：振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）、移相键控（PSK）,44,移动通信对调制方式的要求：窄的功率谱高的频率效率优良的误码性能已调信号的包络恒定能接受差分检测功率效率高,45,二、数字移动通信系统中广泛使用的调制技术：连续相位调制：也称为恒包络调制，包括平滑跳频（TFM）、最小移频键控(MSK)、高斯预滤波最小移频键控(GMSK)欧洲GSM系统采用GMSK调制。其优点：频谱旁瓣分量低、频谱利用率高、误码性能好线性调制：PSK、QPSK、DQPSK、O-QPSK、/4-DQPSK和多电平PSK等调制方式。其特点:频谱利用率高、但对调制器和功率放大器的线性要求高,46,正交振幅调制（QAM），它是一种振幅和相位联合调制技术。正交频分复用（OFDM）,47,1.5.6抗衰落技术一、信道编码发送端按照某种规律在被传输数据中引入冗余来避免数字数据在传输过程中出现差错在移动通信中几乎都采用前向纠错编码FEC。FEC分为分组码和卷积码两大类,48,分组码、卷积码分组码：将信息码分组，为每组信码附加若干监督码。分组码一般用表示，本码组的个监督元只对本码组起作用卷积码：卷积码编码器把k比特信息段编成n比特码组，但所编的n长码组不仅同当前的k比特信息段有关联，而且还同前面的（N-1）个（N1，整数）信息段有关联。常称这N个信息段中的码元数目nN为该卷积码的约束长度（以比特为单位）；也可称N为码的约束长度（以码组为单位）。一般来说，对于卷积码，k和n是较小的整数。卷积码记作（n,k,N），其编码效率为,49,二、交织技术卷积编码只能纠正有限连续错误比特，交织的目的就是使误码离散化。交织对慢衰落效果不明显,50,三、分集技术分集技术是克服多径衰落的一个有效方法。采用这种方法，接收机可对多个携有相同信息且衰落特性相互独立的接收信号在合并处理之后进行判决。分集技术包括频率分集、时间分集和空间分集等,51,四、自适应均衡技术自适应均衡是根据传输失真的时变特性，自适应的进行补偿，使其接近不失真传输要求一般来说，一个有限抽头的横向滤波器不可能完全消除码间串扰，但当抽头数较多时可以将串扰减小到相当小的程度。,52,五、扩频技术扩频通信的基本思想就是，用宽带信号来传输信息，从而提高通信的抗干扰能力扩频系统的抗干扰性能都大体上与扩频信号的带宽和所传信息带宽之比成正比,53,1.6移动通信的发展,Cellularconcept,54,早期移动通信的发展：1、第一阶段（二十世纪20年代-40年代初）移动通信的早期发展阶段，使用的波段主要是短波段使用的波段主要是短波段、发射功率大、覆盖范围有限、服务性能差、频率利用率低代表：美国底特律市警察使用的车载无线电系统2、第二阶段（40年代中-60年代末）使用的频段主要是VHF及UHF波段、移动台趋于小型化代表：美国圣路易斯城建立的IMTS系统,55,现代移动通信的发展:,56,1、70年代-80年代（1G）出现美国贝尔实验室提出了蜂窝系统的概念蜂窝的小区制代替了早期的大区制1G出现，其代表有：美国的AMPS系统、英国的TACS系统、北欧的NMT系统、日本的NAMTS系统1G的特点：模拟调频（FM）、频分多址（FDMA）,57,GeographicregiondividedintocellsFrequencies/timeslots/codesreusedatspatially-separatedlocationsCo-channelinterferencebetweensamecolorcells.Basestations/MSCcoordinatehandoffandcontrolfunctionsShrinkingcellsizeincreasescapacity,aswellasnetworkingburden,58,2、90年代-至今(2G/3G/）2G系统的广泛应用和3G系统的规划、实施阶段2G的典型代表有：欧洲的GSM系统、美国的DAMPS系统、美国的IS-95CDMA系统、日本的JDC系统2G的特点：数字化技术（语音信号的数字化、数字调制方式QPSK及GMSK等）、时分多址（FDMA）和码分多址（CDMA）,59,3G系统特点多种