现代通信技术课件_五_移动通信

1、第五章 移动通信系统本章要点：本章要点：移动通信网的概念移动通信网的概念GSM数字蜂窝网的网络结构数字蜂窝网的网络结构GSM系统的关键技术系统的关键技术CDMA技术技术5.1.1 移动通信概述1、调制：通过改变高频载波、调制：通过改变高频载波即消息的载体信号的幅度、即消息的载体信号的幅度、相位或者频率，转变为一个相位或者频率，转变为一个相对基带频率而言频率非常相对基带频率而言频率非常高的信号以适合于信道传输。高的信号以适合于信道传输。 调制调制一、模拟调制：用连续变化的一、模拟调制：用连续变化的信号去调制一个高频正弦波信号去调制一个高频正弦波1、幅度调制（调幅、幅度调制（调幅AM )2、角度调

2、制（调频、角度调制（调频FM )3、相位调制（调相、相位调制（调相PM）调制调制二、数字调制二、数字调制：用数字信号对：用数字信号对正弦或余弦高频振荡进行调制。正弦或余弦高频振荡进行调制。(1).振幅键控振幅键控ASK； (2).频率键控频率键控FSK； (3).相位键控相位键控PSK；数字调制数字调制调制调制三、脉冲调制：用脉冲序列作三、脉冲调制：用脉冲序列作为载波为载波1.脉冲幅度调制（脉冲幅度调制（PAM）2.脉宽调制（脉宽调制（PDM）3.脉位调制（脉位调制（PPM）4.脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM) 射频射频2、射频（、射频（RF）：）： Radio Frequency 表示可

3、以辐射到空间的电磁频表示可以辐射到空间的电磁频率，频率范围从率，频率范围从300KHz30GHz之间。之间。射频射频 RF 电磁波频率高于电磁波频率高于100khz时，电时，电磁波可以在空气中传播，形成远距磁波可以在空气中传播，形成远距离传输能力，把具有远距离传输能离传输能力，把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频力的高频电磁波称为射频.5.1.2 移动通信特点移动通信特点发射：发射： 基带基带 - 中频中频 - 射频射频 接收：接收： 射频射频 - 中频中频 - 基带基带 调制调制-上变频上变频-功率放大功率放大上变频：上变频： 中频信号变成射频信号中频信号变成射频信号电磁波传播路径示意图

4、电磁波传播路径示意图1多径传输演示多径传输演示2.阴影效应阴影效应障碍物遮挡直射波引起接收信号中障碍物遮挡直射波引起接收信号中值的变化，值的变化，表现为表现为慢衰落。慢衰落。3远近效应远近效应4多普勒效应多普勒效应多普勒效应：在移动通信中，多普勒效应：在移动通信中，当移动台移向基站时，频率当移动台移向基站时，频率变高，远离基站时，频率变变高，远离基站时，频率变低低 。移动台高速移动时，。移动台高速移动时，会导致信号很快衰落。会导致信号很快衰落。 多普勒效应的医学应用多普勒效应的医学应用为了检查心脏、血管的运动状态，了解血液流动速度，可以通过发射超声来实现。超声波振源与相对运动的血液间就产生多普

5、勒效应。血管向着超声源运动时，反射波的波长被压缩，因而频率增加。血管离开声源运动时，反射波的波长变多普勒效应的医学应用多普勒效应的医学应用 长，因而频率减少。反射波频率增加长，因而频率减少。反射波频率增加或减少的量，是与血液流运速度成或减少的量，是与血液流运速度成正比，从而就可根据超声波的频移正比，从而就可根据超声波的频移量，测定血液的流速。量，测定血液的流速。 B超，此法应用多普勒效应原理，当超，此法应用多普勒效应原理，当声源与接收体（即探头和反射体）声源与接收体（即探头和反射体）之间有相对运动时，回声的频率有之间有相对运动时，回声的频率有所改变所改变.多普勒彩超多普勒彩超多普勒血液检测仪多

6、普勒血液检测仪5.1.3 移动通信系统的分类移动通信系统的分类按系统组成结构和用途划分按系统组成结构和用途划分集群移动通信、蜂窝移动通集群移动通信、蜂窝移动通信、卫星移动通信、无线寻信、卫星移动通信、无线寻呼系统、无绳电话呼系统、无绳电话按信号处理技术分类按信号处理技术分类模拟移动通信、数字移动通模拟移动通信、数字移动通信信移动通信系统移动通信系统移动通信的设备移动通信的设备工作方式工作方式： 单工单工制、半双工制、全双工制制、半双工制、全双工制多址技术：多址技术：频分多址频分多址(FDMA)、时、时分多址分多址(TDMA)、码分多址、码分多址(CDMA)制式制式: 大区制、小区制大区制、小区

7、制多址方式多址方式多址方式多址方式： 在无线通信中，许多用户同时通话，以不同的无线信道分隔，防止相互干扰的技术方式称为多址方式。多址方式多址方式频分多址频分多址(FDMA Frequency Division Multiple时分多址时分多址(TDMA Time Division Multiple Access)码分多址码分多址(CDMA Code Division Multiple Access)空分多址空分多址(SDMA Space Division Multiple Access)包分多址包分多址(PDMA Packet Division Multiple Access) FDMA频分多

8、址频分多址以频率来区分信道。以频率来区分信道。特点：使用简单，信号连续特点：使用简单，信号连续传输，满足模拟话音通信，技术传输，满足模拟话音通信，技术成熟。成熟。(美国：美国：AMPS 英国：英国：TACS）缺点：多频道信号互调干扰缺点：多频道信号互调干扰严重，频率利用率低，容量小。严重，频率利用率低，容量小。 TDMA时分多址时分多址在一个无线频道在一个无线频道上，按时间分割为若干个时隙，上，按时间分割为若干个时隙，每个信道占用一个时隙，在规每个信道占用一个时隙，在规定的时隙内收发信号。定的时隙内收发信号。欧洲：欧洲：GSM 美国：美国：ADS日本：日本：PDCCDMA码分多址码分多址采用扩

9、频通信技术，每个用户具有特定的地址码（相当于扩频中的PN码），利用地址码相互之间的正交性（或准正交性）完成信道分离的任务。CDMA在频率、时间、空间上重叠优点：系统容量大，抗干扰、抗多径能力高。 大区制与小区制大区制与小区制大区制：覆盖约3050km，天线高约100余米，输出功率高达200w；小区制：覆盖约210km， 输出功率5-10w； 发展趋势：微区、宏区、毫区蜂窝技术1969年，Bell实验室把整个大范围的无线服务区划分成彼此相邻的正六边形小区，每个小区设置基站。每个基站使用多个无线电频率作为通信信道，各相邻基站使用不同的无线电频率。蜂窝网的频率分配同频复用技术同频复用技术不同颜色代表

10、不同频率载频小区不同颜色代表不同频率载频小区同信道小区确定AN=19AAAAAA带状网带状网用于覆盖公路、铁路、海岸等用于覆盖公路、铁路、海岸等基站天线若用全向辐射，覆盖区形状是圆形的。基站天线若用全向辐射，覆盖区形状是圆形的。带状网宜采用有向天线，使每个小区呈扁圆形带状网宜采用有向天线，使每个小区呈扁圆形。AABBAABBAABB小区铁路铁路ACBACB小区河道河道5.1.4 移动网的频率分配移动网的频率分配ITU: 国际电报联盟国际电信联盟1、ITU-T ：电信标准化部门 前身为CCITT2、ITU-R ：无线电通信部门 研究无线通信技术和操作 3、ITU-D ：电信发展部门 GSM网的频

11、率分配GSM 900： 以900MHz频率范围运作，为欧洲及国际间最常见的系统。 GSM 1800 （又称为DCS1800） 以1800MHz频率范围运作，采用的国家包括法国、德国、英国、俄罗斯等国。GSM1900 （又称为PCS1900及DCS1900） 美国和加拿大使用1900MHz此频率。 双频网双频网 我国GSM手机占用频段主要是900MHZ和1800MHZ。使用GSM900/GSM1800双频手机，用户可以在GSM900与GSM1800之间自由切换。 第一款双频手机 诺基亚6150 三频手机三频手机三频手机：手机可以同时接收GSM900M、DCS1800Mhz以及 PCS1900Mh

12、z这三个频率段的信号，从中做出选择，选择强信号基站的信号， 如果一方接不通，可以自由转到别一个频段的信号上。它实际上就是扩大了手机的接通率。 三频手机三频手机LG KF600我国3G频率分配我国规划的3G工作频段 FDD方式： 上行（1920-1980MHZ） 下行（2110-2170MHZ） TDD方式: 上行（1880-1920MHZ） 下行（2010-2025MHZ）5.2.1 GSM移动通信系统我国陆地公用蜂窝数字移动通信网GSM通信系统采用900MHz频段： 905915（上行) 950960（下行） 双工间隔为45MHz，工作带宽为10MHz，载频间隔为200 kHz。GSM 18

13、00随着业务的发展，向1.8GHz频段的GSM1800过渡，即1800MHz频段： 17101785（上行） 18051880（下行）TDMA/FDDGSM900的每个载频上按时间分为8个时间段， 一个载频上连续的8个时隙组成一个TDMA帧，即一个载频上可提供8个物理信道。蜂窝网通信系统蜂窝移动通信系统 主要有三部分组成交换网路子系统（NSS）无线基站子系统 (BS)移动台（MS） 5.2.2 移动电话的编号方式国际设备识别码IMEI(International Mobile Equipment Identity) 在手机上输入 *#06# 输完这5 个键符后，手机屏幕上会出现一行阿拉伯数字，

14、即为该手机的串号。 IMSIIMSI：国际移动用户识别码，在GSM系统中，给每个移动用户分配一个唯一的国际用户识别码IMSI，也就是SIM卡背面的号码，共20位长度。中国移动中国移动 如8986 00 79 09 04 4 9311287 分段后的字符串意义分别如下： 8986代表国家中国 00代表运营商中国移动（02也是） 79代表手机号码第三四位，此卡为1379* 09代表发卡省份编号04代表发（制）卡年份2004年 1代表生产厂家，后七位不详比较随意 ；PINPIN(personal identification number) PIN 与密码类似，只有卡的所有者才与密码类似，只有卡的所

15、有者才知道该知道该 PIN，一般有，一般有4位；位； PUK码全称码全称PIN UnBlock(PIN解锁码解锁码)，一般为一般为8位十进制数字，用途就是解除位十进制数字，用途就是解除PIN锁定。锁定。 PIN码和码和PUK码是成对的。码是成对的。 5.3 CDMA通信系统通信系统为每一个用户分配唯一的序列码(地址码)，每站使用此码片序列m(m=64或128)进行编码传输。基本原理：“1”乘以任何数为本身，“0”乘以任何数为0。各码片必须不同，各码片正交，各码片的规格化内积为1，与其反码的规格化内积为-1。CDMA例如：共有四个用户进行码分复用通信，各自的地址码分别为：A：(1 1 1 1)

16、B：(1 -1 1 -1) C：(1 1 -1 -1) D：(1 -1 -1 1) 有关扩频通信技术的观点是在有关扩频通信技术的观点是在1941年由好莱坞女演员年由好莱坞女演员Hedy Lamarr 和钢和钢琴家琴家George Antheil提出的。基于对提出的。基于对鱼雷控制的安全无线通信的思路，鱼雷控制的安全无线通信的思路，他们申请了美国专利他们申请了美国专利#2.292.387。不。不幸的是，当时该技术并没有引起美幸的是，当时该技术并没有引起美国军方的重视，国军方的重视， 扩频技术扩频技术扩频通信技术是一种信息传输方扩频通信技术是一种信息传输方 式，其式，其信号所占有的频带宽度远大于所

17、传信息信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据收、解扩及恢复所传信息数据 在发端输入的信息先调制形成数字信在发端输入的信息先调制形成数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱，展宽后的信号再调制到射频发频谱，

18、展宽后的信号再调制到射频发送出去。在接收端收到的宽带射频信送出去。在接收端收到的宽带射频信号，变频至中频，然后由本地产生的号，变频至中频，然后由本地产生的扩频码序列去相关解扩，再经信息解扩频码序列去相关解扩，再经信息解调，恢复成原始信息输出。调，恢复成原始信息输出。 一般的扩频通信系统都要进行一般的扩频通信系统都要进行3次调制和相应的解调。一次调制次调制和相应的解调。一次调制为信息调制，二次调制为扩频调为信息调制，二次调制为扩频调制，三次调制为射频调制，以及制，三次调制为射频调制，以及相应的信息解调、解扩和射频解相应的信息解调、解扩和射频解调。调。扩频技术扩频技术一、信号的频谱被展宽了一、信号

19、的频谱被展宽了 一般的调频信号它们的带宽与信息带宽之比也只有几到十几。扩展频谱通信信号带宽与信息带宽之比则高达100 1000，属于宽带通信。 问题：什么要用这样宽的频带的信号来传输信息呢? 这样岂不太浪费宝贵的频率资源了吗? 扩频技术扩频技术由于扩频占用更宽的频带，浪由于扩频占用更宽的频带，浪费了有限的频率资源。然而，费了有限的频率资源。然而，所占用的频带可以通过多用户所占用的频带可以通过多用户共享同一扩大了的频带得到补共享同一扩大了的频带得到补偿。偿。二、采用扩频码序列调制的方二、采用扩频码序列调制的方式来扩展信号频谱式来扩展信号频谱扩频技术扩频技术三、在接收端用相关解调来解扩三、在接收端

20、用相关解调来解扩 在发端把窄带信息扩展成宽在发端把窄带信息扩展成宽带信号，而在收端又将其解扩成带信号，而在收端又将其解扩成窄带信息的处理，用相同的扩频窄带信息的处理，用相同的扩频码序列与收到的扩频信号进行相码序列与收到的扩频信号进行相关解调，恢复所传的信息。关解调，恢复所传的信息。 CDMA优点1、 系统容量大系统容量大 理论上，在使用相同频率资源的情况下，CDMA移动网比模拟网容量大20倍，实际使用中比模拟网大10倍，比GSM要大4-5倍。 2、系统容量的配置灵活系统容量的配置灵活 在CDMA系统中，用户数的增加会造成话音质量的下降。操作者可在容量和话音质量之间折衷考虑，多小区之间可根据话务

21、量和干扰情况自动均衡。 3、通话质量更佳、通话质量更佳 TDMA的信道结构最多只能支持的信道结构最多只能支持4Kb的语音编码器，它不能支持的语音编码器，它不能支持8Kb以上的语音编码器。而以上的语音编码器。而CDMA的结构的结构可以支持可以支持13kb的语音编码器。因此的语音编码器。因此可以提供更好的通话质量。可以提供更好的通话质量。 4、覆盖范围大，建网成本低、覆盖范围大，建网成本低 在CDMA规划中，CDMA的站间距约60米，一般较GSM稀疏。因此可以更好的节约建网成本。 5、网络绿色环保、网络绿色环保技术体制 平均发射功率 最大发射功率 GSM 125毫瓦毫瓦 2瓦瓦CDMA 2毫瓦毫瓦

22、 200毫瓦毫瓦 从以上数据可以看到CDMA手机是GSM手机平均发射功率的2/1256、保密性好、保密性好 随机序列是只能产生而不能复制的，CDMA信号码址是个伪随机码，共有4.4万亿种可能的排列，且每次通话后立即更换，因此，要破解密码或窃听通话内容几乎是不可想象的。 频率规划简单频率规划简单 CDMA载波可在相邻的小区内使用，载波可在相邻的小区内使用，网络规划灵活，扩展简单。网络规划灵活，扩展简单。 虽然虽然CDMA系统频率规划简单，但系统频率规划简单，但CDMA系统存在着系统存在着PN短码的规划；短码的规划； 总体来说总体来说CDMA的规划并不简单。的规划并不简单。 相反，较之相反，较之G

23、SM系统要更为复杂。系统要更为复杂。3G通信系统1G：AMPS(Advanced Mobile Phone Service） 类比式行动电话系统 ，是第一个模拟式的行动电话系统，工作频段为800MHz，缺点是讯息的传送较无隐密性可言。当初中华电信090开头的门号就是属於此类。 2G 欧洲欧洲 GSM 900MHZ 1800MHZ 美国美国 ADS 日本日本 PDC 2.5GGPRS（General Packet Radio Service） 通用无线分组业务 它以分组（packet）方式来传输数据，因此使用者负担的费用是以其传输资料为计算方式，而不是以使用时间计费。 GPRS的另一个特点是传输

24、速率快，最高可以达到115Kbps GPRS 从GSM系统升级到GPRS只需要更换IP核心网路以及升级部份软体，资料传输速率便可达115kbps，相对於目前的9.6kbps，其差距不可不谓惊人，所以被视为从2G到3G的过渡方案。 GPRS中国移动借助原GSM网络，所以GPRS覆盖非常广。目前中国移动GPRS网络已覆盖全国所有省、直辖市、自治区，网络遍及240多个城市。3G 3G是CDMA技术的延伸，根据IMT-2000的规范，3G的标准: 车行速度90km/hr 144kbps 步行速度 384kbps 室内或固定时 2Mbps 3GTD-SCDMA 中国移动中国移动 WCDMA 中国联通中国

25、联通CDMA2000 中国电信中国电信TD-SCDMATD-SCDMA： 特点：特点： 全称全称Time Division - Synchronous CDMA(时分同步时分同步CDMA)，在频谱利用率、对业，在频谱利用率、对业务支持具有灵活性等独特优势。务支持具有灵活性等独特优势。 优势：中国自有优势：中国自有3G技术技术. WCDMA 特点： 全称为Wideband CDMA，也称为CDMA Direct Spread，意为宽频分码多重存取，这是基于GSM网发展出来的3G技术规范. 优势：有较高的扩频增益，发展空间较大，全球漫游能力最强，技术成熟性最佳。 CDMA2000 特点： CDMA

26、2000是由窄带CDMA(CDMA IS95)技术发展而来的宽带CDMA技术，由美国高通公司 为主导提出。 优势：可以从原有的CDMA1X直接升级到3G，建设成本低廉。 网速比较 网制网制 频段频段 最大传输速率最大传输速率 GSM 900MHZ 9.6Kbps GPRS 800MHZ 115Kbps 3G 2100MHZ 2Mbps HSDPA 14Mbps 兼容兼容 WCDMA要求实现与要求实现与GSM全兼容全兼容CDMA2000要求兼容要求兼容CDMAOne 3G优势优势 3G在传输声音和数据的在传输声音和数据的速度上的提升，它能够处理速度上的提升，它能够处理图像、音乐、视频流等多种图像

27、、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等览、电话会议、电子商务等多种信息服务。多种信息服务。 3G的最大优势是共享式的最大优势是共享式2M带宽的数带宽的数据业务，它可以使全球范围内的任据业务，它可以使全球范围内的任何用户使用小型廉价移动台，实现何用户使用小型廉价移动台，实现从陆地到海洋到卫星的全球立体通从陆地到海洋到卫星的全球立体通信联网，保证全球漫游用户在任何信联网，保证全球漫游用户在任何地方、任何时候与任何人进行通信，地方、任何时候与任何人进行通信，并能提供具有有线电话的语音质量，并能提供具有有线电话的语音质量，提供智能网业务提供智能网业

28、务. 如果有了如果有了3G手机，我们就可能手机，我们就可能和别人一起在线玩游戏了。手上的和别人一起在线玩游戏了。手上的3G手机就成为了一台小型电脑，除手机就成为了一台小型电脑，除了屏幕比较小外，其速度不会比电了屏幕比较小外，其速度不会比电脑逊色多少。同时脑逊色多少。同时3G也可以让手机也可以让手机用户获得更好的安全性，通过一些用户获得更好的安全性，通过一些技术手段保护你的隐私。技术手段保护你的隐私。 手机支付安全可靠手机支付安全可靠 有的有的3G手机具有支付功能。通过手机具有支付功能。通过识别二维条形码的技术，手机成识别二维条形码的技术，手机成了一个移动的电子钱包。在超市了一个移动的电子钱包。

29、在超市购物、坐公交车、出入考勤购物、坐公交车、出入考勤手机就能搞定。通过手机附带的手机就能搞定。通过手机附带的指纹识别技术，手机支付更安全指纹识别技术，手机支付更安全可靠。可靠。 拍照、传输、打印一条龙拍照、传输、打印一条龙 用用3G手机拍得的照片，通过手机拍得的照片，通过3G网络即时上传到服务器，马网络即时上传到服务器，马上就可下达指令到远程打印机打上就可下达指令到远程打印机打印出来了。中国移动目前有项叫印出来了。中国移动目前有项叫“彩信相册彩信相册”的业务，但在的业务，但在3G时代，其效率要高出数十倍。时代，其效率要高出数十倍。 在线电视：体育、娱乐、影视、在线电视：体育、娱乐、影视、新闻

30、等等频道，想看就看新闻等等频道，想看就看 视频通话视频通话“声情并茂声情并茂” 双方通话时，对方的音容笑貌双方通话时，对方的音容笑貌会出现在手机屏幕上。会出现在手机屏幕上。 无线寻呼无线寻呼 一个简单的寻呼系统由3部分构成：寻呼中心、基站和寻呼接收机。我国无线寻呼的频率为160MHz 。覆盖范围覆盖范围比如：发射天线高50m 有效辐射功率100W 室外 室内 城区 15km 5km 农村 25km 8km 小灵通小灵通 个人通信接入系统个人通信接入系统（Personal Handyphone System，PHS）的俗称的俗称 ，也被称为无线市话，也被称为无线市话南方南方 电信运营电信运营北方北方 网