物联网科技导论-李梅-第6章长距离无线通信之移动通信网络

1、 蜂窝网络蜂窝网络 对于同样大小的服务区域，采用正六边形构成小区所 需的小区数最少，无重叠区，故所需的频率组数也最少， 最经济。仅有理论分析和设计意义。 把移动电话的服务区分为一个个正六边形的子区，每 个小区设一个基站。形成了形状酷似“蜂窝”的结构， 因而把这种移动通信方式称为蜂窝移动通信方式。 应用原因 蜂窝网络被广泛采用的原因是源于一个数学结论，即 以相同半径的圆形覆盖平面, 当圆心处于正六边形网格的 各正六边形中心，也就是当圆心处于正三角网格的格点 时所用圆的数量最少。 虽然使用最少个结点可以覆盖最大面积的图形即使要 求结点在一个如同晶格般有平移特性的网格上也仍是有 待求解的未知问题，但

2、在通讯中，使用圆形来表述实践 要求通常是合理的，因此出于节约设备构建成本的考虑， 正三角网格或者也称为简单六角网格是最好的选择。这 样形成的网络覆盖在一起，形状非常象蜂窝，因此被称 作蜂窝网络。 大区制 在一个服务区域（如一个城市）内只有一个基站， 并由它负责移动通信的联络和控制。 大区制移动通信网 BS MS1 MS3 MS2 早期的移动通信网一般是大区制 主要特点： 基站天线很高，几十几百米 基站发射功率大：50200W 覆盖半径：3050km 优点：网络结构简单，成本低 缺点：频谱利用率低，服务性能差，容量小， 一般用户几十几百个，一般用于专网。 提高覆盖半径是大区制需解决的问题 决定覆

3、盖半径的因素： 地球的曲率限制了传输的极限范围 地形环境影响，信号传播可能产生盲区 多径反射限制了传输距离 移动台发射功率小，上行信号传输距离有限（上下 行传输增益差可达612dB） 解决上行问题的办法： 如图, 设置分集接收台 基站发射用全向天线，接 收用定向天线 提高基站接收灵敏度 大区制设置分集接收台示 意图 MS1 MS2 BS Rd Rd Rd 小区制网构成方式基本概念 小区制：利用频率复用的概念，将整个服务区域 划分成若干个小区，每个小区分别设置一个低发 射功率的基站，负责本小区的通信。 频率复用： N个相邻的小区组成一个区群(簇) 将可供使用的频道划分成N组 区群内的每个小区使用

4、不同的频率组 相邻区群重复使用相同的频率组分配模式 基本小区有：（r0：小区半径） 超小区：r0 20km（农村） 宏小区：r0 120km（人口稠密地区） 微小区：r0 0.11km（城市繁华区） 微微小区：r0 0.1km（办公室、家庭） 优点：提高频率利用率，组网灵活 缺点：网络构成复杂 按服务区形状分：条状服务区、面状服务 区 用户的分布呈条状（或带状），如铁路、公路、沿海水域 等。 小区 条状服务区 条状服务区条状服务区 A 1 f B 2 f AB 1 f 2 f AB 1 f 2 f AB C 3 f 1 f 2 f ABC 1 f 2 f 3 f AB CD AB CD 1 f

5、 1 f 2 f 2 f 3 f 3 f 4 f 4 f 可采用多个频率复用 二频复用 三频复用 四频复用 组网时需确定重叠区及载波/同频干扰比： 重叠区 重叠区太大，越区干扰大 重叠区小，弱电场区可能多。 f1 A B f2 a f1 A B f2 a 面状服务区面状服务区 指服务区不呈条状而是一个宽广的平面 小区形状：应该是规则结构：圆形（全向天线）， 三角形，正方形，六边形 r 按基站对小区的覆盖方式： 中心激励： 基站位于小区中心，有 时会有辐射阴影。 顶点激励： 在顶点上设置基站，并采 用三个互成120的定向天 线，以避免辐射阴影。 簇（区群）： 共同使用全部可用频率的N个小区叫做一

6、簇(区群)） 若N越小，则系统中区群复制得越多，系统容量越 大，频率的利用率越高。 N叫做区群的大小，典型值3、4、7、9、12 、 构成蜂窝网的二次几何图形 设蜂窝移动系统共有 S个不同的双向信道 其簇的大小为N 簇内每个小区分配有 K个信道，小区间信 道分配各不相同 簇在系统中复制M次 则 S=KN C=MKN=MS A A A B C CC BB B C A 簇内同频小区位置的确 定 沿着任意一条六边形 边的垂线方向移动a 个小区，并逆时针方 向旋转60，再移动 b个小区。 图 2.3 确定同频小区的方法 A a A D b 常见正六边形小区群的图案 A C B N=3,a=1,b=1

7、DA C B N=4,a=0,b=2 N=7,a=1,b=2 D C B A E F G 1G - 模拟蜂窝移动技术模拟蜂窝移动技术 1946年 移动电话服务在美国出现 1947年 贝尔实验室提出蜂窝移动概念 50至60年代 贝尔实验室发展了蜂窝无线电话原 理 美国 AMPS， 英国TACS，北欧NMT 1981 (Nokia/Mobira, Erricson) 1987年TACS进入中国运营 2001年12月31日我国关闭模拟移动网络 出身 多址方式：FDMA 无数据传输能力 特点 频分多址 FDMA （Frequency Division Multiple Access/Address），

8、有许多 不同技术可以用来实现信道共享。把信道频带分割为若干更 窄的互不相交的频带（称为子频带），把每个子频带分给一 个用户专用（称为地址）。这种技术被称为“频分多址”技 术。频分复用（FDM）是指载波带宽被划分为多种不同频带 的子信道，每个子信道可以并行传送一路信号的一种技术。 频分复用技术下，多个用户可以共享一个物理通信信道，该 过程即为频分多址复用（FDMA）。FDMA 模拟传输是效率最 低的网络，这主要体现在模拟信道每次只能供一个用户使用， 使得带宽得不到充分利用。 第一代移动通信技术（1G）是指最初的模拟、仅限语 音的蜂窝电话标准，制定于上世纪80年代。Nordic移动电话 （NMT）

9、就是这样一种标准，应用于Nordic国家、东欧以及 俄罗斯。其它还包括美国的高级移动电话系统（AMPS）， 英国的总访问通信系统（TACS）以及日本的JTAGS，西德的 C-Netz，法国的Radiocom 2000和意大利的RTMI。模拟蜂窝 服务在许多地方正被逐步淘汰。 第一代移动通信主要采用的是模拟技术和频分多址 (FDMA)技术。由于受到传输带宽的限制，不能进行移动通 信的长途漫游，只能是一种区域性的移动通信系统。第一 代移动通信有多种制式，我国主要采用的是TACS。第一代 移动通信有很多不足之处，如容量有限、制式太多、互不 兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务和不 能提供自

10、动漫游等。 2G - 数字蜂窝移动技术数字蜂窝移动技术 全球移动通讯系统Global System of Mobile communication就是众所周知的GSM，是当前应用最为广 泛的移动电话标准。全球超过200个国家和地区超过10亿 人正在使用GSM电话。GSM标准的无处不在使得在移动 电话运营商之间签署漫游协定后用户的国际漫游变得 很平常。 GSM 较之它以前的标准最大的不同是他的信令 和语音信道都是数字式的，因此GSM被看作是第二代 (2G) 移动电话系统。 这说明数字通讯从很早就已经构建到系 统中。GSM是一个当前由3GPP开发的开放标准。 蜂窝无线通信系统蜂窝无线通信系统 蜂窝

11、概念是解决频率不足和用户容量问 题的一个重大突破，是一种系统级的概念。 频率复用 越区切换 信道分配 干扰 小区分裂 GSMGSM的系统构成的系统构成 GSMGSM的系统构成的系统构成 交换分系统（交换分系统（MSSMSS） 基站分系统（基站分系统（BSSBSS） 移动台（移动台（MSMS） 操作与维护分系统（操作与维护分系统（OMSOMS） GSMGSM系统的网络结构系统的网络结构 GSMGSM系统的无线传输标准系统的无线传输标准 无线通道信号传输的规范就是所谓的无线接口 （Radio Interface），又称Um接口。GSM的传 输包括连接移动用户的无线传输技术，以及连接 交换网络的有线

12、传输技术。 GSM系统将无线频率定在900MHz范围，第二 阶段DCS为1800MHz。 频段： 上行线路 MS发，BTS收的频段为890915MHz； 下行线路 BTS发，MS收的频段为935960MHz； 频带宽度：25MHz； 上下行频率间隔：45MHz； 载频间隔：200KHz； 通信方式：全双工； 信道分配：每载频8个时隙，包含8个全速信道，16个半速信道； 每个时隙的信道速率：22.8kbit/s； 信道总速率：270kbit/s； 调制方式：GMSK，高斯滤波最小频移键控； 接入方式：TDMA； 话音编码：规则脉冲激励线性预测编码RPELPC 13kbit/s； 分集接收：跳频每

13、秒217跳，交错信道编码，自适应均衡。 GSM系统的无线传输 语音传输 GSM内部的传输 语音传输语音传输 2.5G-GPRS GPRS是通用分组无线业务的简称，是在GSM系 统上发展出来的一种新的承载业务，目白是为GSM 用户提供分组形式的数据业务。GPRS采用与GSM同 样的无线调制标准、频带、突发结构、跳频规则以 及同样的TDMA帧结构。GPRS允许用户在端到端分 组模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换 模式的网络资源，从而 提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。 和GSM通信网络相比，技术特点如：1、资源利用率 高；2、传输速率高（64-128Kbps）；3、接入时间 短；4

14、、支持IP协议和X.25 协议；5、低成本，以通 信的数据量为主要依据进行计费； GPRS经常被描述成“2.5G”，也就是说这项技术位 于第二代（2G）和第三代（3G）移动通讯技术之间。 它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中 速的数据传递。GPRS突破了GSM网只能提供电路交 换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现 有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种 改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速 率却相当可观。而且，因为不再需要现行无线应用 所需要的中介转换器，所以连接及传输都会更方便 容易。如此，使用者既可联机上网，参加视讯会议 等互动传播，而且在同一个视讯网络

15、上（VRN）的 使用者，甚至可以无需通过拨号上网，而持续与网 络连接。 GPRS分组交换的通信方式在分组交换的通信方式中，数据被分成 一定长度的包（分组），每个包的前面有一个分组头（其中的地址标 志指明该分组发往何处）。数据传送之前并不需要预先分配信道，建 立连接。而是在每一个数据包到达时，根据数据报头中的信息（如目 的地址），临时寻找一个可用的信道资源将该数据报发送出去。在这 种传送方式中，数据的发送和接收方同信道之间没有固定的占用关系， 信道资源可以看作是由所有的用户共享使用。 由于数据业务在绝大多数情况下都表现出一种突发性的业务特点， 对信道带宽的需求变化较大，因此采用分组方式进行数据传

16、送将能够 更好地利用信道资源。 GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简 称。GPS起始于1958年美国军方 的一个项目，1964年投入使用。 20世纪70年代，美国陆海空三 军联合研制了新一代卫星定位 系统GPS 。主要目的是为陆海 空三大领域提供实时、全天候 和全球性的导航服务，并用于 情报收集、核爆监测和应急通 讯等一些军事目的，经过20余 年的研究实验，耗资300亿美元， 到1994年，全球覆盖率高达98% 的24颗GPS卫星星座己布设完成。 GPS 3G 第三代移动通信技术，是指支持高速数据传输的蜂窝移 动通讯技术。3G服务能够同时传送声音及

17、数据信息，速 率一般在几百kbps以上。3G是指将无线通信与国际互联 网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统，目前3G存 在四种标准：CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA。 1940年，美国女演员海蒂拉玛和她的作曲家丈夫提 出一个Spectrum（频谱）的技术概念，这个被称为“展布频 谱技术”（也称码分扩频技术）的技术理论在此后带给了 我们这个世界不可思议的变化，就是这个技术理论最终演 变成我们今天的3G技术，展布频谱技术就是3G技术的根本 基础原理。 海蒂.拉玛最初研究这个技术是为了帮助美国军方制造出 能够对付纳粹德国的电波干扰或防窃听的军事通讯系统，因此这 个技术最初的作用是用于

18、军事。二战结束后因为暂时失去了价值， 美国军方封存了这项技术，但它的概念已使很多国家对此产生了 兴趣，多国在60年代都对此技术展开了研究，但进展不大。 直到1985年，在美国的圣迭戈成立了一个名为“高通”的 小公司（现成为世界五百强），这个公司利用美国军方解禁的 “展布频谱技术”开发出一个被名为“CDMA”的新通讯技术， 就是这个CDMA技术直接导致了3G的诞生。世界3G技术的3大标准. 美国CDMA2000，欧洲WCDMA，中国TD-SCDMA，都是在CDMA的 技术基础上开发出来的，CDMA就是3G的根本基础原理，而展布 频谱技术就是CDMA的基础原理。 TD-SCDMA TD-SCDMA

19、(时分同步码分多址):是由我国信息产业部电信科学技 术研究院提出，与德国西门子公司联合开发。 它采用tdd双工模式，载波带宽为1.6mhz。tdd是一种优越的双 工模式，因为在第三代移动通信中，需要大约400mhz的频谱资源， 在3Ghz以下是很难实现的。而tdd则能使用各种频率资源，不需要成 对的频率，能节省未来紧张的频率资源，而且设备成本相对比较低， 比fdd系统低20%-50%，特别对上下行不对称，不同传输速率的数据 业务来说tdd更能显示出其优越性。也许这也是它能成为三种标准之 一的重要原因。 另外，td-scdma独特的智能天线技术，能大大提高系统的容量， 特别对cdma系统的容量能

20、增加50%，而且降低了基站的发射功率， 减少了干扰。td-scdma软件无线技术能利用软件修改硬件，在设计、 测试方面非常方便，不同系统间的兼容性也易于实现。当然td- scdma也存在一些缺陷，它在技术的成熟性方面比另外两种技术要 欠缺一等。因此，信息产业部也广纳合作伙伴一起完善它。另外它 在抗快衰落和终端用户的移动速度方面也有一定缺陷。 WCDMA WCDMA（宽带码分多址）是一种3G蜂窝网络。WCDMA使 用的部分协议与2G GSM 标准一致。具体一点来说，WCDMA是 一种利用码分多址复用（或者CDMA 通用 复用技术，不是指 CDMA标准）方法的宽带扩频3G移动通信空中接口。 wcd

21、ma采用直扩（ds）模式，载波带宽为5mhz，数据传送 可达到每秒2mbit（室内）及384kbps（移动空间）。它采用mc fdd双工模式，与gsm网络有良好的兼容性和互操作性。作为一 项新技术，它在技术成熟性方面不及cdma2000，但其优势在于 gsm的广泛采用能为其升级带来方便。因此，近段时间也倍受 各大厂商的青睐。wcdma采用最新的异步传输模式（atm）微 信元传输协议，能够允许在一条线路上传送更多的语音呼叫， 呼叫数由现在的30个提高到300个，在人口密集的地区线路将 不再容易堵塞。 另外，wcdma还采用了自适应天线和微小区技术，大大地 提高了系统的容量。 cdma2000 c

22、dma2000是由美国高通（qualcomm）公司提出。它采用多 载波（mc）方式，载波带宽为1.25mhz。cdma2000共分为两个 阶段:第一阶段将提供每秒144kbit/s的数据传送率，而当数据速 度加快到每秒2mbit/s传送时，便是第二阶段。到时，和wcdma 一样支持移动多媒体服务，是cdma发展3g的最终目标。 cdma2000和wcdma在原理上没有本质的区别，都起源于cdma （is-95）系统技术。 但cdma2000做到了对cdma（is-95）系统的完全兼容，为技术 的延续性带来了明显的好处:成熟性和可靠性比较有保障，同时 也使cdma2000成为从第二代向第三代移动

23、通信过渡最平滑的选 择。但是cdma2000的多载传输方式比起wcdma的直扩模式相比， 对频率资源有极大的浪费，而且它所处的频段与imt-2000规定的 频段也产生了矛盾。 3G中国 3G中国包括行业、企业、产品、服务和贸易功能等，是企 业在3G网络上实现wap网站建设、行业新媒体传播、移动商务 运营、无线及时沟通的集成型系统服务平台，其行业整合的推 广理念和3G网络无线通讯的全新营销模式，形成一个的3G无线 信息网络。 中国已经成为全球最大的移动通信消费国，2008年中国移动 通信用户已经超过6亿，手机新闻、手机博客、手机收发邮件等 一系列移动互联网的新发展得到普及，然而这一切都仅仅被应

24、用于个人，移动商务的应用需求越来越 迫切，让企业通过移动互联网实现企业与 用户之间的信息互动，并由此开展深层次、 全方位应用是今天企业的最大需求，伴随 工业和信息化部的成立，“3G中国”的启动 成为下一步“以信息化带动工业化”的重要 举措。 指引4G体验 4G是第四代移动通信及其技术的简称，是集3G与WLAN于一体 并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不 相上下的技术产品。 4G系统能够以100Mbps的速度下载，比拨 号上网快2000倍，上传的速度也能达到20Mbps，并能够满足几 乎所有用户对于无线服务的要求。4G可以在DSL和有线电视调制 解调器没有覆盖的地方部署，然后

25、再扩展到整个地区。 4G标准 目前提交的4G标准共有6个技术提案，分别来自北美标准化组织IEEE的 802.16m、日本（两项分别基于LTE-A和802.16m、3GPP的LTE-A）、 韩国（基于802.16m）和中国（TD-LTE-Advanced）、欧洲标准化组 织3GPP（LTE-A）。 LTE-Advanced和802.16m分别获得了不同厂家和阵营的支 持。其中，LTE-Advanced得到国际通信运营企业和制造企 业的支持。法国电信、德国电信、美国AT&T、日本NTT、 韩国KT、中国移动、爱立信、诺基亚、华为、中兴等明确表 态支持LTE-Advanced。2008年，高通也宣布

26、放弃 CDMAUMB的开发，转向LTE。 通信速度更快 网络频谱更宽 通信更加灵活 智能性能更高 兼容性能更平滑 提供各种增值服务 实现高质量通信 频率使用效率更高 通信费用更加便宜 优势劣势 标准难以统一 技术难以实现 容量受到限制 市场难以消化 设施难以更新 其他相关困难 4G网络的优、劣势分析 52 诺西打通第一个准4G 2009年5月18电信设备商诺基亚-西门子通过下一代移动通讯技术打了世界 上第一个LTE电话。 全球首个正式商用4G网络 2010年 北欧TeliaSonera率先完成了4G网络的建设，并于宣布开始在瑞典 首都斯德哥尔摩、挪威首都奥斯陆提供4G服务，这也是全球正式商用的

27、第 一个4G网络。 日本 在2009年就把4G牌照分发给日本几大移动运营商NTT Docomo、软银移 动、KDDI和e-Mobile公司。按照日本政府的计划，5年后LTE将覆盖日本 50%的人口。 欧洲 英国和法国正计划4G LTE无线网络的实验测试。而且法国已经完成价值 12.6亿美元的首批4G牌照拍卖。 53 美国4G发展状况 国际上4G的发展以美国最为快速，看看这美国4G试点的分布图，涵 盖了重点发达城市。 54 世界首款4G手机 Sprint Nextel Corp.2010年3月23日，周二正式发布美国首款超高速手机， 随后又发布世界上第一款WiMAX 4G的Android系统手机

28、HTC EVO 4G。 现在很多国家推出了许多4G手机，如： 截至2012年3月，全球81个国家的运营商共投入242张LTE网络的建设。其中， 已经商用的LTE网络达到了57个。预计到2012年底，实现商用的LTE网络将达 到128个，LTE用户数达到670万户。目前，来自63个终端制造商推出的支持 LTE的终端类型达到347款，这些终端包括了智能手机、平板电脑、上网卡等， 比上年同期增长72%。 HTC 苹果iPhone 摩托罗拉XT910三星 55 TD-LTE是TD-SCDMA的后续演进技术，继承了TD-SCDMA系统大量中国自 主知识产权，实现了以我为主而又融入了国际标准。在中国政府的

29、大力支持 下，以中国移动为代表的中国企业在TD-SCDMA标准化、产业化、规模部署 经验的基础上，主导了TD-LTE的标准化和产业化发展。 56 2010年底，工信部宣布正式开展TD-LTE试验网规模试验，将在上海、北京 等7个城市建设TD-LTE规模试验网，作为我国通信产业重要的研发创新基 地。 目前为止，在中国开通4G高速体验的城市已有了五个，分别是：广州、深 圳、南京、北京和杭州。这表明中国4G技术TD-LTE正在国内进行大规模的 网络建设。 57 视频通话/在线视频：高速网络将支持人们实时面对面通话，同样高速网络将 支持人们上传下载高清视频。 云（计算）服务：高速便捷的在线存储的数据和

30、应用，云服务对于移动用户 来说在可靠性，功能性和安全性方面都会有显著的改善。 在线游戏：无时无刻基于4G网络的在线游戏对于游戏热衷者来说是一种莫大 的诱惑，对于普通手机用户而言也是打发碎片时间的好方法。 区域社交服务：社交永远是热门的应用，基于4G网络的区域内近距离社交， 可视频可音频，可发送视频或照片，给社交带来便捷的方式。 手机导航定位：更精确的定位，更清晰的街角图片，更丰富的美食、娱乐推 荐。 58 4.2 4G在国内外未来发展 与全球发展趋势一样，在技术上将向高速率化、宽带化、IP化方向发展； 网络不断向4G演进，网络将更稳定，更快速； 对比韩、日的成功经验，4G数据业务在中国的发展具有强劲的用户基础， 未来发展前景明确，预计运营商未来几年增值业务(数据业务)收入占比将快速 增长； 3G和4G网络将长期共存，尤其在发展初期，3G/4G双模手机将成为重要过 渡产品； 五年内，4G用户发展将进入高峰期，3G用户向4G用户迁移的高峰期也将出 现，预计十年内将有一半的移动用户成为4G用户； 中国4G的发展将极大地推动全球4G的发展。