移动通信原理及系统第1章

1、1移动通信移动通信Mobile Communication2先修课程、教材先修课程、教材n先修课程：通信原理、信号与系统、数字通信、概率论n教材：移动通信原理与系统n参考教材1：现代移动通信系统 q人民邮电出版社，祈玉生等编著n 2：数字蜂窝移动通信系统 q电子工业出版社，赵荣黎编著 n 3：移动通信 q西安电子科技大学出版社，郭梯云等编著q西安电子科技大学出版社，章坚武编著3考试考试n出勤：10（注：迟到影响出勤率）n作业：10n期末考试：80 （闭卷）4教学目标教学目标n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

2、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目录目录n第一章 概述（4学时） n第二章 移动通信组网原理（8学时）n第三章 移动信道中的电波传播（8学时）n第四章 数字移动通信关键技术（8学时）n第五章 GSM/GPRS数字蜂窝移动通信系统（8学时）n第六章 窄带CDMA数字蜂窝移动通信系统（6学时）n第七章 第三代(3G)数字蜂窝移动通信系统（8学时）n第八章 移动数据传输（4学时）n第九章 未来移动通信展望（2学时）n习题讲解与课堂练习（6学时） n复习（2学时） 6第一章第一章 概述概述n1.1 移动通信的定义、特点q1

3、.1.1 移动通信的定义q1.1.2 移动通信的特点n1.2 移动通信的工作方式q1.2.1 移动通信的分类q1.2.2 移动通信的双向传输、双工方式、工作方式、 多址方式n1.3 移动通信的工作频段与标准化组织q1.3.1 移动通信的工作频段q1.3.2 移动通信的标准化组织7n1.4 几种典型的移动通信系统q1.4.1 无线电寻呼系统q1.4.2 无绳电话系统q1.4.3 集群移动通信系统q1.4.4 蜂窝移动通信系统q1.4.5 卫星移动通信系统q1.4.6 无线局域网q1.4.7 无线个域网8n1.5 移动通信关键技术q1.5.1 多址技术q1.5.2 组网技术q1.5.3 无线电波传

4、播特性q1.5.4 语音编码q1.5.5 调制技术q1.5.6 抗衰落技术n1.6 移动通信的发展9n1.1 移动通信的定义、特点q1.1.1 移动通信的定义w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w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。10q1.1.2 移动通信的特点 移动通信与有线通信相比具有以下特点w电波传播环境十分恶劣w多普勒频移产生调频噪声w受噪声和多种干扰的影响w对设备的要求更为苛刻w通信系统复杂w通信容量有限11n1.2 移动通信的工作方式q1.2.1 移动通信的分类 w按工作方式分类：

5、单工，双工（FDD,TDD)，半双工w按多址方式分类：FDMA、TDMA、CDMA、SDMAw按信号形式分类：模拟网和数字网w按覆盖范围分类：城域网、局域网、个域网w按业务类型分类：电话网、数据网、综合业务网、多媒体网w按服务特性分类：专用网、公用网w按使用环境分类：陆地通信、海上通信、空中通信w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n双向传输上行链路（uplink）下行链路（downlink）n双工模式频分双工（FDD）时分双工（TDD）q1.2.2 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w单工制：通信双方电台交替地进行收信和发信。分为：

6、同频单工和异频单工14w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15w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。16 三、多址方式w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w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） PowerFrequencyTimeFDMAFrequencyPowerTimeFDMA

7、/TDMAFrequencyCDMAPowerTime18 4、空分多址（SDMA） 19n1.3 移动通信的工作频段与标准化组织q1.3.1 移动通信的工作频段一、确定移动通信工作频段的依据w电波传播特性、天线尺寸w环境噪声及干扰的影响w服务区域范围、地形和障碍物尺寸、对建筑物的渗透性w设备小型化w与已开发的频段的协调和兼容性 20无线电频谱分配300MHz300GHz 1m1mmf31081051010(m)(Hz)3 10323 1063 109-13 101210-43 101510-73 101810-10无线电波光波宇宙射线视频射频微波红外线可见光紫外线x射线射线21波段名称波段名

8、称波长范围波长范围频率范围频率范围频段名称频段名称极长波100107m330Hz极低频（ELF）甚长波105104m330kHz甚低频（VLF）长波104103m30300kHz低频（LF）中波103102m3003000kHz中频（MF）短波10210m330MHz高频（HF）超短波101m30300MHz甚高频（VHF）微波分米波10010cm3003000MHz特高频（UHF）微波厘米波101cm330GHz超高频（SHF）微波毫米波101mm30300GHz极高频（EHF）亚毫米波10.1mm3003000GHz至高频（THF）无线电频谱的划分和命名)()/(103)(8Hzfsmfc

9、m22二、蜂窝移动通信系统的频谱分配w较早移动通信使用甚高频(VHF)、特高频 (UHF)的范围w现在移动通信使用特高频（UHF）、超高频（SHF）的范围 VHF：30-300MHz UHF：300-3000MHz SHF：3-30GHz 23w目前的2G蜂窝移动通信系统均使用800MHz频段（IS-95 CDMA）；900MHz频段（AMPS、TACS、GSM）；1800MHz频段（GSM1800），该频段用于微蜂窝系统。w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。 24q1.3.2 移动通信的标准化组织 一、移动通信的标准化内容w技术体

10、制标准化w网络设备标准化w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：wITU-R工作组负责无线电通信wITU-T工作组负责非无线电标准wITU-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w电子工业协会(EIA)w电信工业协会(TIA)w蜂窝电信工业协会(CTIA)w美国国家标准协会(ANSI)4、IEEEw对标准开发起着重要作用的科学组织，如IEEE 802

11、27q1.4 几种典型的移动通信系统 w无线电寻呼系统w无绳电话系统w集群集群移动通信系统w蜂窝移动通信系统w卫星移动通信系统w无线局域网w无线个域网(Bluetooth, ZigBee Radios, UWB） 28公共电话网PSTN自动寻呼终端寻呼数据处理中心发射塔无线寻呼系统29无绳电话系统市话程控制交换机Fixed Port(BS)30集群通信系统中央控制器基地台分调度台移动台总调度台公共电话网PSTN31蜂窝移动通信系统BSBSMSCPSTNMSCBSSan FranciscoNew YorkInternet32卫星移动通信系统33无线局域网01011011InternetAcces

12、sPoint（AP）0101101134无线个域网35n1.5 移动通信关键技术q1.5.1 多址技术w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）w参考PPT.16-1836q1.5.2 组网技术 w频率资源的共享问题（即多址技术）w区域覆盖和信道配置问题w移动通信系统的网络结构问题w网络的控制和移动性管理方面的问题 w干扰问题以及多信道共用技术37q1.5.3 电波传播特性 w不同频段的无线电波，其传播方式和特点是不同的w对于工作于UHF和SHF频段的移动通信来说，电

13、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。38q1.5.4 语音编码技术 w移动通信中语音编码的目的：编码速率要低、话音质量要高w语音编码的分类：波型编码、参数编码、混合编码39q1.5.4 语音编码技术 w移动通信中语音编码的目的：编码速率要低、话音质量要高w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 w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w速率为：16-64kbit/sw特点：占用频带较宽，适合有线通信、不适合移动通信w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w基于人的发声机理，提出产生话

14、音信号的特征参数，对特征参数进行编码w速率为：1.2-4.8kbit/sw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w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w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）wGSM采用的语音编码方式： RPE-LTP、编码速率为13kbit/s43q1.5.5 调制技术 一、调制的概念w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w

15、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：w窄的功率谱w高的频率效率w优良的误码性能 w已调信号的包络恒定 w能接受差分检测 w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：w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w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

16、性要求高46 w 正交振幅调制（QAM），它是一种振幅和相位联合调制技术。w 正交频分复用（OFDM）47q1.5.6 抗衰落技术 一、信道编码w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w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 w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 w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

17、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),(knknrnkRc49二、 交织技术 w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。w交织对慢衰落效果不明显50三、 分集技术 w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。w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 w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

18、真传输要求w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 w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w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53n1.6 移动通信的发展 first wireless transmission(Marconi)1897 telephone(Bell)1876 First public mobile telephone（IMTS）1946 1992 FirstDigital cellular system(2G:GSM)10101

19、010First analog cellular system(1G: AMPS)1982 Cellular concept4G)1999(3G) 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）w移动通信的早期发展阶段，使用的波段主要是短波段w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w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）w使用的频段主要是VHF及UHF波段、移动台趋于小型化w代表：美国圣路易斯城建立的IMTS系统 551970s1980s1990s2000s 第一代(AMPS为例)提出方案制定

20、标准商 业 运 营 第二代(GSM为例)提出方案制定标准商 业 运 营 第三代(IMT2000)提出方案制定标准商 业 运 营 第四代提出方案 现代移动通信的发展:56 1、70年代-80年代（1G）出现w美国贝尔实验室提出了蜂窝系统的概念w蜂窝的小区制代替了早期的大区制w1G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w1G的特点：模拟调频（FM）、频分多址（FDMA） 57wGeographic region divided into cellsGeographic region divided into cellswFrequencies

21、/timeslots/codes reused at spatially-separated Frequencies/timeslots/codes reused at spatially-separated locationslocationswCo-channel interference between same color cells.Co-channel interference between same color cells.wBase stations/MSC coordinate handoff and control functionsBase stations/MSC coordinate handoff and control fu