第九章-移动通信系统1

1、移动通信系统概论移动通信系统概论移动通信系统概论移动通信系统概论2022-5-202内容内容移动通信概述移动通信概述移动通信系统分类移动通信系统分类移动通信系统演进移动通信系统演进课程内容及考察方式课程内容及考察方式移动通信系统概论移动通信系统概论2022-5-203无线通信无线通信n早期的早期的 “无线通信无线通信”:在在 400-900 Hz频段频段: 光光公元前公元前150年间用于通信的狼烟信号年间用于通信的狼烟信号 (中国中国, 希腊希腊)旗语旗语1794, 光电报光电报, Claude Chappen什么是什么是 无线通信无线通信:在在物理上物理上不需要相接触的传输机和接收机的任何通

2、信形式不需要相接触的传输机和接收机的任何通信形式电磁波电磁波 在自由空间传播在自由空间传播雷达雷达, 射频射频, 微波微波, 红外线红外线, 光光Chappe兄弟在巴黎附近的两点之间建立了第一个商业旗语系统。拿破仑认为这是一个伟大的主意。不久，旗语信令系统兄弟在巴黎附近的两点之间建立了第一个商业旗语系统。拿破仑认为这是一个伟大的主意。不久，旗语信令系统覆盖了法国主要城市。旗语信令迅速传覆盖了法国主要城市。旗语信令迅速传 播到意大利、德国和俄国。数千人受雇于工作站。旗语的传递速度是大约每分钟播到意大利、德国和俄国。数千人受雇于工作站。旗语的传递速度是大约每分钟15个字符。编码手册开始出现，使整个

3、句子可以由一些字符代替。旗语在英格兰却个字符。编码手册开始出现，使整个句子可以由一些字符代替。旗语在英格兰却 没有取得成功，因为工业革命，导致没有取得成功，因为工业革命，导致英格兰烟雾太浓。英格兰烟雾太浓。Claude Chappe旗语系统引领法国旗语系统达旗语系统引领法国旗语系统达30年之久。在一种新的管理方法出现后，才退出历史舞年之久。在一种新的管理方法出现后，才退出历史舞台。在美国，尤其是从玛撒的葡萄园（鳕鱼角附近的一个岛屿）台。在美国，尤其是从玛撒的葡萄园（鳕鱼角附近的一个岛屿） 到波士顿，正是旗语系统向波士顿海关大楼汇报航行船到波士顿，正是旗语系统向波士顿海关大楼汇报航行船只的活动情

4、况。在纽约市和旧金山市之间也是这样的。电报的发明者，塞缪尔只的活动情况。在纽约市和旧金山市之间也是这样的。电报的发明者，塞缪尔.F.B.摩尔斯，据说到欧洲摩尔斯，据说到欧洲 参观了旗语系统参观了旗语系统的运转。最后一个旗语系统，位于阿尔及利亚，于的运转。最后一个旗语系统，位于阿尔及利亚，于1860年停止运转。年停止运转。移动通信系统概论移动通信系统概论2022-5-204移动通信移动通信n移动性的两个方面移动性的两个方面:使用者的可移动性使用者的可移动性: 使用者可以通过无线使用者可以通过无线 “随时随地同任何人随时随地同任何人”进进行通信行通信 设备的可移动性设备的可移动性: 设备可以随时随

5、地连接到网络设备可以随时随地连接到网络n无线无线 vs. 移动移动 举例举例 固定的计算机固定的计算机 旅店内使用笔记本旅店内使用笔记本 建筑物内的无线局域网建筑物内的无线局域网 个人数据处理机个人数据处理机 (PDA)移动通信系统概论移动通信系统概论2022-5-205n移动通信的要求使得人们产生了对接入到现有的固定网络的无移动通信的要求使得人们产生了对接入到现有的固定网络的无线网络的要求线网络的要求在在局域网局域网: IEEE 802.11标准标准, ETSI HIPERLAN在在 广域网广域网: e.g. GSM, 3G and ISDN在因特网在因特网:对于对于 “普通普通” IP有所

6、增强的有所增强的移动移动 IP移动通信移动通信移动通信系统概论移动通信系统概论2022-5-206发展历史发展历史先驱者先驱者n1831 法拉第法拉第 证明了电磁感应证明了电磁感应n麦克斯韦麦克斯韦(1831-79): 电磁理论电磁理论,麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组(1864)n赫兹赫兹(1857-94): 通过实验证明了波在空间传播具有电传播的特通过实验证明了波在空间传播具有电传播的特性性1888，德国的卡尔斯鲁厄城市，也就是现在的卡尔，德国的卡尔斯鲁厄城市，也就是现在的卡尔斯鲁厄大学所在地斯鲁厄大学所在地, 移动通信系统概论移动通信系统概论2022-5-207发展历史发展历史n1896 G

7、uglielmo Marconi首次证明了无线电信技术首次证明了无线电信技术 (数字的数字的!)长波传输长波传输, 高功率传输的前提高功率传输的前提( 200kw)n1915 纽约到纽约到旧金山的旧金山的无线话音传输无线话音传输n1920 马可尼发现短波马可尼发现短波更小的发送机和接收机更小的发送机和接收机, 得益于电子管的发明（得益于电子管的发明（电子管电子管, 1906, Lee DeForest and Robert von Lieben）移动通信系统概论移动通信系统概论2022-5-208发展历史发展历史n1928 许多的电视广播试验许多的电视广播试验 (横过大西洋横过大西洋, 彩色电

8、视彩色电视, 电视新闻电视新闻)n1933 频率调制频率调制 (E. H. Armstrong（阿姆斯特朗阿姆斯特朗 ）)n1958 A-Netz （德国）（德国）n模拟的模拟的, 160MHz, 仅来自移动局的连接设置仅来自移动局的连接设置, 无转交无转交, 80% 的覆的覆盖率盖率,在在 1971年有年有 11000用户用户n1979 NMT，450MHz (北欧的一些国家北欧的一些国家)移动通信系统概论移动通信系统概论2022-5-209发展历史发展历史n1982 GSM标准的开始标准的开始目标目标: 带有漫游的欧洲内的数字移动电话体系带有漫游的欧洲内的数字移动电话体系n1983 美国的

9、美国的 AMPS的开始的开始(Advanced Mobile Phone System, analog)n1984 CT-1 标准标准(欧洲欧洲) 用于无绳电话用于无绳电话n1986 C-Netz （德国）（德国）模拟话音传输模拟话音传输, 450MHz, 可切换可切换, 数字信号数字信号, 自动定位移动设备自动定位移动设备直到直到 2000投入使用投入使用, 业务业务: FAX,调制解调器调制解调器, X.25, e-mail, 98% 的覆盖的覆盖率率移动通信系统概论移动通信系统概论2022-5-2010发展历史发展历史n1991 DECT标准标准数字欧洲无绳电话数字欧洲无绳电话 (现今现

10、今: 增强的无绳数字通信增强的无绳数字通信)1880-1900MHz, 100-500m 范围范围, 120 双通道双通道, 1.2Mbit/s 数据传输数据传输, 话音话音编码编码, 鉴定鉴定, 每平方公里数以万计的用户每平方公里数以万计的用户, 在超过在超过50个国家被使用个国家被使用n1992 GSM的开始的开始在德国的在德国的 D1 和和D2, 全数字全数字, 900MHz, 124 条通道条通道自动定位自动定位,可切换可切换, 蜂窝状蜂窝状欧洲内的漫游欧洲内的漫游 现今可以在全世界现今可以在全世界170多个国家多个国家业务业务: 9.6kbit/s的数据率的数据率, 传真传真,话音话

11、音, .移动通信系统概论移动通信系统概论2022-5-2011发展历史发展历史n1994 E-Netz （德国）（德国）GSM ，1800MHz, 更小的单元更小的单元在德国作为在德国作为 E-plus(1997 98% 的人口覆盖率的人口覆盖率)n1996 HiperLAN (High Performance Radio Local Area Network)ETSI, 标准化类型标准化类型 1: 5.15 - 5.30GHz, 23.5Mbit/s推进了类型推进了类型 2 和和 3 (均为均为 5GHz) 和和 4 (17GHz) 作为无线作为无线ATM网络网络 (达到达到 155Mbit

12、/s)n1997 无线局域网无线局域网 IEEE 802.11IEEE 标准标准, 2.4 - 2.5GHz 红外红外, 2Mbit/s已经开始有许多可用产品已经开始有许多可用产品移动通信系统概论移动通信系统概论2022-5-2012发展历史发展历史n1998 GSM 后继者的规范后继者的规范UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) 被欧洲提议为被欧洲提议为 IMT-2000Iridium（铱星铱星）: 66颗人造卫星颗人造卫星 (+6个个 备用的备用的), 1.6GHz 通向移动电话通向移动电话n1999 附加无线局域网的规范附加无线局

13、域网的规范IEEE 标准标准 802.11b, 2.4-2.5GHz, 11Mbit/s蓝牙蓝牙, 2.4Ghz, 1Mbit/s 关于关于 IMT-2000的决策的决策“家族家族”的一些的一些“成员成员” : UMTS, cdma2000, DECT, WAP (Wireless Application Protocol) 和和i-mode的开端的开端通过移动电话可连接到许多（因特网）设备通过移动电话可连接到许多（因特网）设备移动通信系统概论移动通信系统概论2022-5-2013发展历史发展历史n2000 拥有更高数据速率的拥有更高数据速率的GSMHSCSD 提供速率高达提供速率高达 57,

14、6kbit/s首次首次 达到达到 50 kbit/s的的 GPRS试验试验 UMTS 拍卖拍卖/前景的前景的 竞争竞争在德国为了得到在德国为了得到6 UMTS的许可证大约花费了的许可证大约花费了 500亿亿 $!n2001 3G 系统的开始系统的开始在韩国的在韩国的Cdma2000,在欧洲的在欧洲的UMTS,在日本的在日本的Foma (类似于类似于 UMTS)n2002 大容量的无线网络标准化大容量的无线网络标准化IEEE 802.16 也称也称 Wireless MAN移动通信系统概论移动通信系统概论2022-5-2014移动设备移动设备寻呼机寻呼机 只能接收只能接收 微小的显示器微小的显示

15、器 简单的文字信息简单的文字信息移动电话移动电话 话音话音, 数据数据简单的图画显示简单的图画显示个人数字助理个人数字助理 较简单的图画显示较简单的图画显示 字符识别字符识别 简单化的万维网简单化的万维网掌上电脑掌上电脑 很小的键盘很小的键盘 标准应用软件的简单化版标准应用软件的简单化版本本内含控制器的传感器内含控制器的传感器笔记本电脑笔记本电脑功能齐全功能齐全标准的应用软件标准的应用软件移动通信系统概论移动通信系统概论2022-5-2015n用户的活动性用户的活动性在无线电接收范围内空间上的可移动性在无线电接收范围内空间上的可移动性当发送和接收信号时仅仅使用资源当发送和接收信号时仅仅使用资源

16、n机动性机动性能够轻松地建立局域网能够轻松地建立局域网遇难情境下遇难情境下办公室迁移时办公室迁移时广告广播网没有先前的计划广告广播网没有先前的计划配线无难度配线无难度 (例如例如 历史建筑物历史建筑物, 火险保护火险保护,美观美观)为什么要移动通信为什么要移动通信?移动通信系统概论移动通信系统概论2022-5-2016为什么要移动通信为什么要移动通信?n减少花销减少花销 (便宜的基础构造便宜的基础构造)可以紧急铺设光缆可以紧急铺设光缆发展中国家使用手机而不是发展中国家使用手机而不是 挨家挨户的铺设同轴线挨家挨户的铺设同轴线n较灵敏地发现地震，火灾较灵敏地发现地震，火灾, , 而忽略移动了连接器

17、的用户的操而忽略移动了连接器的用户的操作作!移动通信系统概论移动通信系统概论2022-5-2017移动对比于固定的特点移动对比于固定的特点n由于噪声，干扰，时变信道产生较快的损耗速率由于噪声，干扰，时变信道产生较快的损耗速率BER 按大小顺序变化按大小顺序变化环境条件环境条件 e.g. 发动机发动机,光光的散发的散发 影响传输影响传输n容量有限导致的低传输率容量有限导致的低传输率本地大约几本地大约几 Mbit/s, 地域之间地域之间 384 Kbit/s 使用使用 GPRS/UMTS/更多的用户数量，尤其在更多的用户数量，尤其在CDMA系统中系统中n较高的延迟和抖动较高的延迟和抖动连接设置与连

18、接设置与 GSM 在第二个范围内同步在第二个范围内同步, 对于其他无线系统是几百毫对于其他无线系统是几百毫秒。秒。移动通信系统概论移动通信系统概论2022-5-2018移动对比于固定的特点移动对比于固定的特点n安全性低安全性低每个人都可以使用无线电每个人都可以使用无线电, 基站可以被模仿基站可以被模仿, 因此可以吸引来自无因此可以吸引来自无线电话的呼叫线电话的呼叫n总是要共享媒介总是要共享媒介必须找到方法共享信道必须找到方法共享信道必须有可靠的装置必须有可靠的装置n频率上有限制的标准和规范频率上有限制的标准和规范需要根据标准和规范来调整频率以避免受到其他用户的干扰需要根据标准和规范来调整频率以

19、避免受到其他用户的干扰考虑到各国的标准国际性的标准也在慢慢的演进考虑到各国的标准国际性的标准也在慢慢的演进移动通信系统概论移动通信系统概论2022-5-2019n交通交通通过通过DAB (Digital Audio Broadcasting)传送新闻，路况，天气，音乐传送新闻，路况，天气，音乐 通过通过 GSM, 3G进行私人通信进行私人通信通过通过GPS进行定位跟踪进行定位跟踪 当地的广告网络可以接入到附近的车辆来避免事故，制导系统，当地的广告网络可以接入到附近的车辆来避免事故，制导系统，冗余冗余可以预先传达车辆（例如公交车，快速火车）的资料以便于维护可以预先传达车辆（例如公交车，快速火车）

20、的资料以便于维护应用应用移动通信系统概论移动通信系统概论2022-5-2020各种应用各种应用移动通信系统概论移动通信系统概论2022-5-2021各种应用各种应用n紧急情况紧急情况及早的向医院传送病人当前的状况和最初的诊断及早的向医院传送病人当前的状况和最初的诊断替代固定设施以防地震，台风，火灾替代固定设施以防地震，台风，火灾危机危机, 战争战争, .n旅行推销旅行推销直接接触到处存在中心地点的顾客资料直接接触到处存在中心地点的顾客资料对所有的代理数据看都是一致的对所有的代理数据看都是一致的移动办公室移动办公室移动通信系统概论移动通信系统概论2022-5-2022各种应用各种应用n替代固定网

21、络替代固定网络远程传感器远程传感器, e.g.,天气天气, 地球活动地球活动商业展览的灵活性商业展览的灵活性历史建筑屋内的局域网历史建筑屋内的局域网n娱乐娱乐, 教育教育, .室外接入因特网室外接入因特网智能旅行向导提供最新的及时的位置信息智能旅行向导提供最新的及时的位置信息Ad-hoc 网络用于多用户游戏网络用于多用户游戏移动通信系统概论移动通信系统概论2022-5-2023内容内容移动通信概述移动通信概述移动通信系统分类移动通信系统分类移动通信系统演进移动通信系统演进课程内容及考察方式课程内容及考察方式移动通信系统概论移动通信系统概论2022-5-2024第一代移动通信系统第一代移动通信系

22、统n第一代第一代: 二十世纪八十年代二十世纪八十年代n不同国家的几个相互竞争的标准不同国家的几个相互竞争的标准TACS (Total Access Communication Systems), 始于始于 1985英国标准英国标准; 欧洲的一些国家欧洲的一些国家, 亚洲亚洲, 日本日本在中国首次使用蜂窝系统在中国首次使用蜂窝系统 (1987年后年后)AMPS (Advanced Mobile Phone Service), 贝尔实验室贝尔实验室.世界上第一个世界上第一个“真正真正”的蜂窝系统的蜂窝系统美国标准美国标准, 在中国也使用在中国也使用NMT (Nordic Mobile Teleph

23、one)北欧标准北欧标准; 在欧洲的大部分国家被采用在欧洲的大部分国家被采用第一个欧洲的体系第一个欧洲的体系 (瑞典瑞典, 1981)C-Netz (仅在德国仅在德国)Radiocom 2000 (仅在法国仅在法国)移动通信系统概论移动通信系统概论2022-5-2025第一代移动通信系统第一代移动通信系统n模拟传输模拟传输频率调制频率调制, FDMA仅话音仅话音n各种带宽各种带宽:NMT:450 MHz first900 MHz laterTACS900 MHzAMPS800 MHzn现今在技术落后的国家仍在使用现今在技术落后的国家仍在使用移动通信系统概论移动通信系统概论2022-5-2026

24、第二代移动通信系统第二代移动通信系统n4 个体系个体系Global System for Mobile (GSM)Digital AMPS (D-AMPS), USCode Division Multiple Access (IS-95) Qualcomm, USPersonal Digital Cellular (PDC), JapannGSM 是至今占统治的地位的一个是至今占统治的地位的一个最初的最初的 pan-european在全世界的发展在全世界的发展1993年后年后, 至今在中国快速发展至今在中国快速发展仅在美国发展较慢仅在美国发展较慢移动通信系统概论移动通信系统概论2022-5-2

25、027第二代移动通信系统第二代移动通信系统n1982: 欧洲欧洲GSM规范的开始规范的开始 (1982-1990)n1983: 美国美国 AMPS 的广泛发展的广泛发展n1984: CT-1无绳电话无绳电话 标准标准(欧洲欧洲) n1991: DECT 规范规范欧洲数字无绳电话欧洲数字无绳电话 (现今现今: 增强数字无绳通信增强数字无绳通信)100-500m范围范围, 120 双方通信双方通信, 1.2Mbit/s 数据传输数据传输, 话音编码话音编码, 鉴别鉴别n1992: GSM 在全欧内实施的开始在全欧内实施的开始n1994: DCS-1800移动通信系统概论移动通信系统概论2022-5

26、-2028第二代移动通信系统第二代移动通信系统GSMn数字式传输数字式传输Mircocell (vs. Marcocell)Digital modulation, TDMAn基带基带:900 MHz1800 MHz (Digital Cellular System: DCS-1800)1900 MHz (Personal Communication System: PCS-1900,US only)n规格规格GSM-400 (大区域大区域)GSM-800 (北美北美)移动通信系统概论移动通信系统概论2022-5-2029第二代移动通信系统第二代移动通信系统CDMAnQualcomm提议提议专利

27、发行专利发行主要在主要在 US, Asia使用使用 (包括中国包括中国)nCode Division Multiple Access软件容量软件容量软件转交软件转交 (vs. hard HO)对抗多路径衰退对抗多路径衰退, RAKEn规格规格IS-95移动通信系统概论移动通信系统概论2022-5-20302代移动通信系统代移动通信系统GSM 的扩充的扩充nHigh Speed Circuit Switched Data (HSCSD)电路交换数据通信电路交换数据通信使用使用 4 slots (1 slot = 9.6 or 14.4 Kbps)nGeneral Packet Radio Ser

28、vice (GPRS)分组交换分组交换 (仅当需要时使用频谱仅当需要时使用频谱!)拨号上网的速度拨号上网的速度nEnhanced Data-rates for Global Evolution (EDGE)在无线电分界处可进行高速率数据传输在无线电分界处可进行高速率数据传输 (3x)高达高达 384 Kbps (8 slots)得益于新的调制方式得益于新的调制方式 (8PSK)可兼容旧的可兼容旧的 GMSK移动通信系统概论移动通信系统概论2022-5-2031第第3代移动体系代移动体系nUMTS (Universal Mobile Telecommunication System)ITU标准标

29、准: IMT-2000 (International Mobile Telecommunication-2000)UMTS 论坛成立于论坛成立于 1996之后之后 3GPP 论坛成立论坛成立(包含大部分的标准化讨论包含大部分的标准化讨论)nWideband CDMA radio interface但是其他的几项提议也被认为是但是其他的几项提议也被认为是“一致的一致的”, 包括包括 TD-SCDMAn无线电频谱无线电频谱: 1885-2025 & 2110-2200 MHz移动通信系统概论移动通信系统概论2022-5-2032通往通往3G以及未来的路以及未来的路GPRScdma2000 1XCDPDTDMA(IS-136)GSMPDCcdmaOneEDGEWCDMATD-SCDMAcdma2000 3X? ?2G推向推向 3G的第一步的第一步3G超越超越 3G / 4GUMBTD-LTELTE-FDD移动通信系统概论移动通信系统概论产产业业化化中中投投入入商商用用我近年来从事的工作我近年来从事的工作n当前当前TD-SCDMA产业正处于向增强型演进的过程中：产业正处于向增强型演进的过程中：33