学习项目1移动通信系统概述--技术

1、移动通信系统移动通信系统电子教案电子教案学习项目学习项目1移动通信系统概述移动通信系统概述移动通信的基本技术移动通信的基本技术l移动通信传输信道和通信用户是动态的，不固定的移动通信传输信道和通信用户是动态的，不固定的l各种移动通信技术是围绕着如何适应信道和用户的动各种移动通信技术是围绕着如何适应信道和用户的动态特性而发展的态特性而发展的l移动通信技术：移动通信技术：l（1）信道技术：语音压缩编码技术、信道编码技术、）信道技术：语音压缩编码技术、信道编码技术、数字调制技术等。数字调制技术等。l（2）数字传输技术：分集接收技术、扩频技术、均衡）数字传输技术：分集接收技术、扩频技术、均衡技术、交织编

2、码技术等。技术、交织编码技术等。l（3）网络技术：多址技术、功率控制技术、组网技术）网络技术：多址技术、功率控制技术、组网技术、越区与漫游等。、越区与漫游等。 1多址技术多址技术l1.概念：概念：l基站能从众多的用户信号中区分出是哪一个用户发来基站能从众多的用户信号中区分出是哪一个用户发来的信号；的信号；l移动台能从基站发来的众多的信号中识别出哪一个是移动台能从基站发来的众多的信号中识别出哪一个是发给自己的。发给自己的。l2.分类：分类：l频分多址频分多址（FDMAFDMA）、时分多址（）、时分多址（TDMATDMA）、码分多址（）、码分多址（CDMACDMA）和空分多址（）和空分多址（SDM

3、ASDMA）。）。l多址技术的类型直接关系到移动通信系统的容量大小多址技术的类型直接关系到移动通信系统的容量大小1多址技术多址技术l3.3.优点：优点：l移动通信系统存在的问题：频率资源有限与用户数和移动通信系统存在的问题：频率资源有限与用户数和通信业务量激增通信业务量激增l多址技术避免用户间的互相干扰；将使系统容量大为多址技术避免用户间的互相干扰；将使系统容量大为增加，便于网络管理和信道分配，并且使信道切换更增加，便于网络管理和信道分配，并且使信道切换更加可靠。加可靠。1.1频分多址技术频分多址技术l1.频分多址（频分多址（FDMAFDMA）技术的实现：）技术的实现：l移动通信系统的总频段划

4、分成若干个等间隔的频道，移动通信系统的总频段划分成若干个等间隔的频道，每个频道就是一个无线信道每个频道就是一个无线信道图图2-14 FDMA2-14 FDMA的频道分割图的频道分割图1.1频分多址技术频分多址技术l2.频分双工通信实现：频分双工通信实现：l每次通信时，基站和移动台占用一对频道，一每次通信时，基站和移动台占用一对频道，一个用作上行（反向）信道，一个用做下行（前个用作上行（反向）信道，一个用做下行（前向）信道向）信道lFDMAFDMA信道的相对带宽较窄（信道的相对带宽较窄（25kHz25kHz或或30kHz30kHzl保护频隙保护频隙F Fg g，l在接收设备中使用带通滤波器，限制

5、邻近频道在接收设备中使用带通滤波器，限制邻近频道间的干扰。间的干扰。1.1频分多址技术频分多址技术图图2 2 频分多址技术工作示意图频分多址技术工作示意图 1.1频分多址技术频分多址技术l3.FDMA3.FDMA技术的缺点：技术的缺点：l基站需要多部不同载波频率的发射机同时工作，设备基站需要多部不同载波频率的发射机同时工作，设备复杂；复杂；l系统中存在多个频率的信号，容易产生信道间的互调系统中存在多个频率的信号，容易产生信道间的互调干扰，因此通信质量较差，保密性较差；干扰，因此通信质量较差，保密性较差；l因为频道数是有限的，所以系统容量小，不能容纳较因为频道数是有限的，所以系统容量小，不能容纳

6、较多的用户。多的用户。lFDMAFDMA主要用于模拟蜂窝移动系统中主要用于模拟蜂窝移动系统中 。1.2时时分多址技术分多址技术l1.时分多址时分多址（TDMATDMA）技术的实现：）技术的实现：l把一个频道按等时间分成周期性的帧，每一帧再分割把一个频道按等时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙，一个时隙就是一个信道，每个用户占用成若干时隙，一个时隙就是一个信道，每个用户占用不同的时隙进行通信不同的时隙进行通信 。图图3 3时分多址技术时分多址技术1.2时时分多址技术分多址技术l2.时分双工通信实现：时分双工通信实现：l每个用户在每帧内在指定的时隙按顺序向基站发射信每个用户在每帧内在指定的时

7、隙按顺序向基站发射信号，基站在相应的时隙中接收发给它的信号。号，基站在相应的时隙中接收发给它的信号。l基站在指定的时隙按顺序向不同用户发射信号基站在指定的时隙按顺序向不同用户发射信号l保证各用户发送的信号不会在基站发生重叠或混淆，保证各用户发送的信号不会在基站发生重叠或混淆，TDMATDMA通信系统设备必须有精确的定时和同步。通信系统设备必须有精确的定时和同步。3. TDMA3. TDMA技术的特点技术的特点TDMATDMA和和FDMAFDMA通信系统相比通信系统相比TDMATDMA通信系统在同样的频道数下，能容纳更多的用户，通信系统在同样的频道数下，能容纳更多的用户，频率利用率高；频率利用率

8、高；每个用户占用不同的时隙进行通信，用户间不会串扰；每个用户占用不同的时隙进行通信，用户间不会串扰；基站只需一部收发信机，互调干扰小基站只需一部收发信机，互调干扰小1.2时时分多址技术分多址技术TDMATDMA主要用于数字蜂窝移动系统中主要用于数字蜂窝移动系统中 。1.2时时分多址技术分多址技术图图4 TDMA4 TDMA通信系统的工作示意图通信系统的工作示意图1.3码分多址技术码分多址技术l1 1码分多址（码分多址（CDMACDMA）技术的实现：）技术的实现：l通过不同的地址码来区分用户通过不同的地址码来区分用户lCDMACDMA通信系统为每个用户分配了各自特定的地址码，通信系统为每个用户分

9、配了各自特定的地址码，各地址码相互正交或准正交各地址码相互正交或准正交1.3码分多址技术码分多址技术图图5 5 码分多址技术码分多址技术1.3码分多址技术码分多址技术l2.CDMA2.CDMA技术特点：技术特点：l不分频道又不分时隙，各个用户可占用相同的频段同不分频道又不分时隙，各个用户可占用相同的频段同时发送或接收信号时发送或接收信号l不同用户传输信息所用的信道不是靠频率不同或时隙不同用户传输信息所用的信道不是靠频率不同或时隙不同来区分，而是用不同的特定码型来区分，一个正不同来区分，而是用不同的特定码型来区分，一个正交的地址码相当于一个信道交的地址码相当于一个信道lCDMACDMA通信系统要

10、有足够多的地址码通信系统要有足够多的地址码l接收端用与发送端完全一致的本地地址码接收端用与发送端完全一致的本地地址码1.3码分多址技术码分多址技术lCDMACDMA通信系统的容量是通信系统的容量是TDMATDMA通信系统的通信系统的4 46 6倍倍lFDMAFDMA通信系统的通信系统的2020倍左右倍左右lCDMACDMA通信系统是第三代数字移动通信系统的主要方案通信系统是第三代数字移动通信系统的主要方案l实际中：频分多址实际中：频分多址/ /时分多址（时分多址（FDMA/TDMAFDMA/TDMA）、时分多）、时分多址址/ /码分多址（码分多址（TDMA/CDMATDMA/CDMA）和频分多

11、址）和频分多址/ /码分多址（码分多址（FDMA/CDMAFDMA/CDMA）。）。 1.4空空分多址技术分多址技术l1.1.空分多址（空分多址（SDMASDMA）技术的实现：）技术的实现：l通过空间的分割来区分不同的用户通过空间的分割来区分不同的用户l采用自适应阵列天线，在不同用户方向上形成不同的采用自适应阵列天线，在不同用户方向上形成不同的波束，迅速地引导电磁波沿用户方向发送波束，迅速地引导电磁波沿用户方向发送1.4空空分多址技术分多址技术图图6 6 空分多址空分多址2分集接收技术分集接收技术l分集接收技术是抗多径干扰的有效措施之一。分集接收技术是抗多径干扰的有效措施之一。l 2.1 分集

12、接收技术的概念分集接收技术的概念l发送端，分散传输，利用多条路径来传输含同一信息发送端，分散传输，利用多条路径来传输含同一信息内容的信号内容的信号l“分分”的方法有空间分集、时间分集和频率分集等的方法有空间分集、时间分集和频率分集等3 3种；种；l接收端，是集中合并处理，对收到的多条路径信号进接收端，是集中合并处理，对收到的多条路径信号进行合理的合并以减小干扰的影响行合理的合并以减小干扰的影响l“集集”的方面看，方法有选择式合并、最大比合并、的方面看，方法有选择式合并、最大比合并、等增益合并以及开关式合并等增益合并以及开关式合并4 4种。种。2分集接收技术分集接收技术l2.2 分集技术分集技术

13、l1空间分集空间分集l空间分集是在发射端采用一副天线，接收端采用多副空间分集是在发射端采用一副天线，接收端采用多副天线。天线。l空间分集的两种变化形式：极化分集和角度分集。空间分集的两种变化形式：极化分集和角度分集。2分集接收技术分集接收技术l2频率分集频率分集l频率分集是将要传输的信号分别调制在频率不相关的频率分集是将要传输的信号分别调制在频率不相关的载波上发射出去载波上发射出去l3时间分集时间分集 l将同一个信号按一定时间间隔重复发射将同一个信号按一定时间间隔重复发射M次，只要时次，只要时间间隔大于相干时间，就可以得到间间隔大于相干时间，就可以得到M条衰落独立的分条衰落独立的分集支路。集支

14、路。l时间分集与空间分集相比，优点是在接收端减少了天时间分集与空间分集相比，优点是在接收端减少了天线的数目，缺点是要占用时间资源，降低了效率线的数目，缺点是要占用时间资源，降低了效率2分集接收技术分集接收技术l2. 3 合并技术合并技术l1最大比合并最大比合并l最大比合并是在接收端将最大比合并是在接收端将M M个分集支路经过相位调整个分集支路经过相位调整，并按适当的可变增益加权再同相相加后，送入检测，并按适当的可变增益加权再同相相加后，送入检测器进行相干检测。器进行相干检测。l 2等增益合并等增益合并l最大比合并的增益加权系数不再随着各分集支路信号最大比合并的增益加权系数不再随着各分集支路信号

15、的幅度变化而等于的幅度变化而等于1 1时，最大比合并就是等增益合并时，最大比合并就是等增益合并 2. 分集接收技术分集接收技术l3选择式合并选择式合并l选择式合并是将多个分集支路的接收机的输出信号送选择式合并是将多个分集支路的接收机的输出信号送入选择逻辑电路，选择其中具有最大基带信噪比的某入选择逻辑电路，选择其中具有最大基带信噪比的某支路的基带信号作为输出信号。支路的基带信号作为输出信号。l最大比值合并方式改善信噪比最多最大比值合并方式改善信噪比最多l其次是等增益合并方式其次是等增益合并方式l选择式合并所得到的信噪比改善量最少选择式合并所得到的信噪比改善量最少l所以最大比值合并是一种最佳合并方

16、式。所以最大比值合并是一种最佳合并方式。2分集接收技术分集接收技术l4开关式合并开关式合并l开关式合并是监视接收信号的瞬时包络，当本支路的开关式合并是监视接收信号的瞬时包络，当本支路的瞬时包络低于预先设定的门限时，将天线开关置到另瞬时包络低于预先设定的门限时，将天线开关置到另一条支路上，即通过切换发射天线的方法来获得合并一条支路上，即通过切换发射天线的方法来获得合并增益。增益。 3组网技术组网技术l3.1.3.1.移动通信网组网目的：移动通信网组网目的：l提供和固网的接口，把移动用户与移动用户、移动用提供和固网的接口，把移动用户与移动用户、移动用户与固定网用户互相连接起来。户与固定网用户互相连

17、接起来。l3.2.3.2.移动通信网组网方式的选择移动通信网组网方式的选择l覆盖范围广、频率利用率高、通信容量大、干扰小、覆盖范围广、频率利用率高、通信容量大、干扰小、组网简单、投资少、见效快等。组网简单、投资少、见效快等。3组网技术组网技术l3.3 移动通信网的制式移动通信网的制式l 1大区制大区制l在一个地区内只设置一个基站，基站发射功率为在一个地区内只设置一个基站，基站发射功率为200W200W左右，覆盖半径约为左右，覆盖半径约为303050km50km。l2小区制小区制l将整个服务区划分成若干个小区，每个小区分别设置将整个服务区划分成若干个小区，每个小区分别设置一个基站一个基站l基站发

18、射功率为一般为基站发射功率为一般为5 520W20W，覆盖半径一般为，覆盖半径一般为2 220km20km，最小可以到几百米。，最小可以到几百米。 3组网技术组网技术图图7 7 大区制移动通信示意图大区制移动通信示意图3组网技术组网技术图图8 8 小区制移动通信示意图小区制移动通信示意图3组网技术组网技术l3.3.大区制与小区制的比较；大区制与小区制的比较；l大区制优点：大区制优点：l组网简单、投资少、见效快的优势组网简单、投资少、见效快的优势l大区制缺点：大区制缺点：l通信容量较小，一般只能容纳数百至数千个用户。通信容量较小，一般只能容纳数百至数千个用户。l小区制优点：小区制优点：l移动台和

19、基站的发射功率减小，相互干扰；提高了频移动台和基站的发射功率减小，相互干扰；提高了频率利用率，组网灵活率利用率，组网灵活l小区制缺点：建网的成本比较高、需要频率切换（越小区制缺点：建网的成本比较高、需要频率切换（越区切换），相应的控制交换功能就比较复杂。区切换），相应的控制交换功能就比较复杂。 3组网技术组网技术3.4 无线区群的组成无线区群的组成1无线小区的概念无线小区的概念3组网技术组网技术l2无线小区形状的选择无线小区形状的选择 l无线小区采用正六边形结构是最佳选择无线小区采用正六边形结构是最佳选择l正六边形构成小区所需的小区数最少，基站数最少，正六边形构成小区所需的小区数最少，基站数最

20、少，也最经济，所需信道数最少，频率利用率较高。也最经济，所需信道数最少，频率利用率较高。l彼此邻接的单位无线区群无缝地覆盖整个服务区，构彼此邻接的单位无线区群无缝地覆盖整个服务区，构成蜂窝状的网络，称为蜂窝移动通信网成蜂窝状的网络，称为蜂窝移动通信网3组网技术组网技术图图9 9 圆内接正多边形圆内接正多边形3组网技术组网技术l3 3种圆内接正多边形参数种圆内接正多边形参数 3组网技术组网技术l3 3单位无线区群的组成条件单位无线区群的组成条件l原则：防止同频干扰原则：防止同频干扰l条件：条件：l同属于一个单位无线区群彼此相邻的正六边形无线小同属于一个单位无线区群彼此相邻的正六边形无线小区不能使

21、用相同的频率，共用一个信道。区不能使用相同的频率，共用一个信道。l分属于不同单位无线区群中，相隔一定距离的两个无分属于不同单位无线区群中，相隔一定距离的两个无线小区可以使用相同的频率（同频复用）。线小区可以使用相同的频率（同频复用）。 3组网技术组网技术l问题讨论：问题讨论：l一个单位无线区群由多少个无线小区组成比较合适？一个单位无线区群由多少个无线小区组成比较合适？l单位无线区群内的无线小区个数满足下例公式：单位无线区群内的无线小区个数满足下例公式：lN N= =a a2+2+abab+ +b b2 2 la a、b b为为0 0的整数，但不能同时为的整数，但不能同时为0 0，N N为单位无

22、线区为单位无线区群中的小区数。群中的小区数。3组网技术组网技术l小区数小区数N的取值的取值3组网技术组网技术不同的不同的N N值得到各不相同的无线区群形状，如图值得到各不相同的无线区群形状，如图1010所示所示图图10 10 无线区群无线区群 在何种条件下无线区群才可以同频复用？在何种条件下无线区群才可以同频复用？问题讨论：问题讨论：3组网技术组网技术3组网技术组网技术l3.5无线小区的激励方式无线小区的激励方式l1.1.中心激励中心激励l无线小区中的基站设在小区的中心位置，采用圆形辐无线小区中的基站设在小区的中心位置，采用圆形辐射的全向天线覆盖无线小区射的全向天线覆盖无线小区l2.2. 顶点

23、激励顶点激励l基站设在每个正六边形小区的基站设在每个正六边形小区的3 3个顶点上，并且每个个顶点上，并且每个基站采用基站采用3 3副辐射角是副辐射角是120120的扇形定向天线的扇形定向天线3组网技术组网技术图图11 11 无线小区的激励方式无线小区的激励方式 扇区扇区一个无线小区分为一个无线小区分为3 3个扇区个扇区3组网技术组网技术l3.5 不同情况下无线小区的划分不同情况下无线小区的划分l1用户密度不同时用户密度不同时3组网技术组网技术 图图2-26 2-26 小区分裂小区分裂 2.2.小区分裂小区分裂3组网技术组网技术l3带状服务区带状服务区l服务区是狭长的区域，如铁路、公路、海岸等，

24、则无服务区是狭长的区域，如铁路、公路、海岸等，则无线小区需采用定向天线线小区需采用定向天线l4直放站直放站 l通常在适当的地方盲区建立直放站，直放站是具有小通常在适当的地方盲区建立直放站，直放站是具有小型基站功能的设备型基站功能的设备直放站直放站3组网技术组网技术l3.6 数字蜂窝移动通信的基本网络结构数字蜂窝移动通信的基本网络结构l彼此邻接的无线小区无缝地覆盖整个服务区，构成蜂窝彼此邻接的无线小区无缝地覆盖整个服务区，构成蜂窝移动通信网。移动通信网。l移动通信网采用分层组织结构，一个移动通信网分成若移动通信网采用分层组织结构，一个移动通信网分成若干个业务区干个业务区l若干个无线小区若干个无线

25、小区 一个基站区；一个基站区；l若干个基站区若干个基站区 一个位置区；一个位置区；l若干个位置区若干个位置区 一个一个MSCMSC区；区；l若干个若干个MSCMSC区区 一个业务区一个业务区l采用顶点激励方式，一个无线小区又被分成若干个扇区采用顶点激励方式，一个无线小区又被分成若干个扇区。 3组网技术组网技术图图12 移动通信网的结移动通信网的结构构4 用户占用信道的方式用户占用信道的方式l4.1多信道共用多信道共用l1.1.动态信道分配法动态信道分配法l在对无线小区进行信道分配时，不是将某一组信道固定在对无线小区进行信道分配时，不是将某一组信道固定配置给某一基站，而是信道的配置随移动通信业务

26、量的配置给某一基站，而是信道的配置随移动通信业务量的变化和分布情况而动态分配变化和分布情况而动态分配l2问题与讨论问题与讨论lN N个无线信道供个无线信道供M M个用户共用，个用户共用，M M和和N N的值取多少才比较合的值取多少才比较合适，即每个无线信道究竟分配多少个用户才算合理？适，即每个无线信道究竟分配多少个用户才算合理？l由话务量和呼损率来决定。由话务量和呼损率来决定。4用户占用信道的方式用户占用信道的方式l3. .话务量：话务量：l话务量是度量通信系统通话业务量或繁忙程度的指标话务量是度量通信系统通话业务量或繁忙程度的指标l计算公式：计算公式：A A= =C C T TlC C：每小

27、时内平均呼叫次数每小时内平均呼叫次数lT T：每次呼叫平均占用信道的时间每次呼叫平均占用信道的时间lT T的单位是的单位是h h，话务量，话务量A A的单位是厄朗（的单位是厄朗（ErlangErlang）。）。例例1.1.如果一个用户如果一个用户1 1小时内连续地占用一个信道，小时内连续地占用一个信道，话务量就是话务量就是1Erlang1Erlang例例2 2：设在一个信道上，平均每小时有：设在一个信道上，平均每小时有300300次呼叫，平均每次呼叫，平均每次呼叫的时间为次呼叫的时间为6min6min，那么这个信道上的总呼叫话务量为：，那么这个信道上的总呼叫话务量为：A A=(300=(300

28、 6)6) 60=30(Erlang60=30(Erlang) )4用户占用信道的方式用户占用信道的方式4用户占用信道的方式用户占用信道的方式l4.4.忙时话务量：是指每个用户最忙的那个小时的平均忙时话务量：是指每个用户最忙的那个小时的平均话务量（话务量（A A）l计算公式：计算公式：A A=CTKCTK/3600/3600lT T：每次呼叫平均占用信道的时间（单位为每次呼叫平均占用信道的时间（单位为s s）；）；lK:K:为集中系数，为集中系数，K K= =忙时话务量忙时话务量/ /全日话务量（全日话务量（24h24h）。）。4用户占用信道的方式用户占用信道的方式l5.5.呼损率：呼损率：l

29、呼叫失败的概率称为呼损率。呼叫失败的概率称为呼损率。l呼损率的计算公式：呼损率的计算公式：B=(AL/A) 100%=(CL/C) 100%lAL：损失话务量：损失话务量AL=AA0lA0是呼叫成功而接通电话的话务量是呼叫成功而接通电话的话务量lCL：呼叫失败次数。：呼叫失败次数。l问题与思考：降低呼损率的办法问题与思考：降低呼损率的办法l减少系统容纳的用户数或增加信道数，这样会降低信道利用率，所减少系统容纳的用户数或增加信道数，这样会降低信道利用率，所以在系统设计时，必须选择合理的呼损率，既要保持一定的服务质以在系统设计时，必须选择合理的呼损率，既要保持一定的服务质量，又要尽量提高信道的利用率量，又要尽量提高信道的利用率。4用户占用信道的方式用户占用信道的方式l6.6.每个信道所能容纳的用户数每个信道所能容纳的用户数m m。l计算公式：计算公式：m m=(=(A A/