移动通信原理课件第一章

第1章

移动通信概述主要内容1.1移动通信的基本概念1.2移动通信的发展1.3移动通信的分类1.4移动通信的电波传播1.5移动通信的噪声干扰1.1移动通信的基本概念1.移动通信的含义：通信双方至少有一方在移动状态（或可移动），并且其中的一部分传输介质是无线的通信方式。例：GSM及CDMA(IS-95)蜂窝移动通信系统，其移动台称为手机。移动通信的重要地位通信的理想目标是5个W:

任何人（Whoever）在任何时间（Whenever）、任何地点（Wherever）与任何他人（Whomever）、进行任何类型的（Whatever）的信息交换。

2.移动通信系统的组成：

移动通信系统一般由移动台（MS）、基站（BS）、移动业务交换中心（MSC）及与市话网（PSTN）相连的中继线等组成。移动台（MS）：是整个系统的终端设备，是用户唯一能够接触到的设备。MS的类型有车载台、便携台和手提式。MS通过无线方式接入通信网络，使用户获得网络所提供的通信服务。

基站（BS）：BS一方面以无线方式与MS相连，负责无线发送、接收和无线资源管理；一方面以有线或无线方式与MSC相连，完成用户之间的通信连接和信息传递。移动通信系统一般由移动台（MS）、基站（BS）、移动业务交换中心（MSC）及与市话网（PSTN）相连的中继线等组成。移动业务交换中心（MSC）：MSC是整个系统的核心，对本区域内的移动用户进行通信控制与管理。其主要完成呼叫处理、信道管理、越区切换、位置登记、鉴权等功能。MSC还负责移动网络与其他网络的互联。相连的中继线：是指连接各设备之间的中继线，目前MSC到BS之间的传输主要采用小微波及光缆等方式。3.移动通信的特点1．设备性能要求高（即对移动台的要求高）2.电波传播有严重的衰落现象3.存在远近效应4．移动通信是在复杂的干扰环境中工作5．存在多普勒效应6．技术复杂多普勒（Doppler）效应BSS0MSvθS

多普勒效应指的是当移动台具有一定速度v的时候，基站接收到移动台的载波频率将随v的不同而产生不同的频移。v为移动速度，为工作波长，为电波入射角。例1.已知载波频率为960MHz，移动台速度v=60km/h。求最大多普勒频移。移动产生的多普勒频偏为：1.2移动通信的发展简史回顾现代移动通信技术的发展历史可以追溯到20世纪20年代,到目前为止,大致经历了以下五个发展阶段：

第一阶段从20世纪20年代至40年代,为现代移动通信的起步阶段。在此期间,主要完成了通信实验和电波传播试验工作,在短波频段(3～30MHz)上实现了小容量专用移动通信系统,其代表是美国底特律市警察使用的车载无线电系统。这种系统话音质量差,自动化程度低,仅限于专用,不能与公众网相连。简史回顾第二阶段是从20世纪40年代中期至60年代初期。在此期间,各种公用移动通信系统相继建立。首先是1946年,美国贝尔系统在圣路易斯城建立的称为“城市系统”的公用汽车电话网,这是世界上第一个公用移动通信系统。继而,西德、法国、英国等国也陆续研制出了公用移动电话系统。这一阶段的特点是开始从专用移动网向公用移动网过渡,自动化程度有所提高。简史回顾第三阶段是从20世纪60年代中期至70年代中期。这一阶段是移动通信系统改进和完善的阶段。在此期间,各国陆续推出了改进的移动通信系统,其代表是美国的改进型移动电话系统——IMTS。这一阶段的特点是使用了新频段,采用大区制,实现了系统的中小容量,自动化程度进一步提高。简史回顾第四阶段是从20世纪70年代中期至80年代初期。在此期间,由于微电子技术及计算机技术的长足发展和移动用户数量的急剧增加,促使移动通信得到了蓬勃发展。简史回顾第五阶段是从20世纪80年代中期到现在。这是数字移动通信发展和成熟的时期。在此期间,用户数量急剧增加,频率资源相对紧缺,第一代模拟蜂窝移动通信系统的缺陷日益暴露出来。针对这些问题,新一代的数字蜂窝移动通信系统被开发出来并得以广泛应用。最典型的数字蜂窝移动通信系统是欧洲基于时分多址(TDMA)技术的全球通移动通信系统——GSM。另外还有北美的DAMPS(IS-54)和日本的PDC等。这一阶段的特点是用户数急剧增加,频率资源日益紧缺,新体制、新技术、新业务层出不穷。

第一代移动通信(1G)模拟移动电话系统主要采用模拟和频分多址（FDMA）技术，属于第一代移动通信技术。模拟方式：通过电波所传输的信号模拟人讲话声音的高低起伏变化的通信方式。模拟移动电话系统的质量完全可以与固定电话媲美，使通话双方能够清晰地听出对方的声音。

传输速率：1.2kb/s~10kb/s.缺点：频分多址技术造成频率资源不足；保密性较差，极易被并机盗打；只能实现话音业务，无法提供丰富多彩的增值业务；网络覆盖范围小且漫游功能差；模拟手机体积大、重量沉、样式陈旧。发展现状：目前手机供应商已停止生产模拟手机，中国移动通信集团公司于2001年12月31日后关闭模拟移动电话网，停止经营模拟移动电话业务。

80年代后期，大规模集成电路、微型计算机、微处理器和数字信号处理技术的大量应用，为开发数字移动通信系统提供了技术保障，数字移动通信系统---GSM诞生，GSM是第二代移动通信，简称“2G”。

1993年9月18日，浙江嘉兴首先开通了我国第一个数字移动通信网。1994年10月，第一个省级数字移动通信网在广东省开通。第二代移动通信（2G）

GSM是欧洲成立的一个移动通信小组的简称。GSM移动电话系统采用时分多址技术(TDMA)，对频谱利用率高、容量大，同时可以自动漫游和自动切换，通信质量好，加上其业务种类多、易于加密、抗干扰能力强、用户设备小、成本低等优点。传输速率:8kb/s.GSM以它相对于第一代移动通信的优势，目前广泛地占有市场。同时，在GSM基础上，增加了一些新技术，如通用分组无线技术（GPRS)、无线应用协议(WAP)和无线接口技术(蓝牙技术)，增加了多媒体功能。如上网，聊天，传送彩色图片，发电子邮件，数码照相机，语音拨号彩色显示，称之为第二代向第三代过渡的“2.5G”。窄带CDMA

采用的是码分多址技术，窄带CDMA（码分多址）遵循的标准为IS-95，中国从1996年开始引入IS-95A系统，从性能上看，CDMA蜂窝系统是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再用几种技术结合形成，是含用频域、时域和码三维信号处理的一种运作系统。与模拟系统（FDMA）和数字蜂窝区系统（TDMA）相比，CDMA系统具有容量更大、基站覆盖范围更广、手机功耗更小、话音质量更高的优点。

第三代移动通信(3G)国际电联ITU-R提出了第三代移动通信的基本要求：（1）数据速率可从几kb/s到2Mb/s；（2）高速移动时最高数据速率可达144kb/s，慢速移动时最高数据速率可达384kb/s，静止时最高数据速率可达2Mb/s。第三代移动通信系统具有如下特点：（1）具备支持从话音到多媒体业务的能力，特别是支持Internet业务；（2）全球无缝覆盖；（3）高频谱利用率；（4）高服务质量；（5）高保密性；（6）低成本。信息产业部正式通过3G三大国标：WCMDA、CDMA2000、TD-SCDMA，标志着TD-SCDMA作为我国第一个具有自主知识产权的通信行业标准已经成熟，能够指导企业进行研发制造生产。第四代移动通信(4G)特点：高容量、更强的多媒体的传输。将多媒体包括语音、数据、影像等大量信息透过宽频的信道传输，提高传输质量。核心技术：OFDM(正交多任务)。其它技术：CDMA、无线区域环路(WLL)和数字音讯广播(DAB)等传输速率：最高可达到10Mb/s至20Mb/s移动通信发展趋势：第四代通信技术的主要优势1、通信速度更快2、网络频谱更宽3、通信更加灵活4、智能性能更高5、兼容性能更平滑6、提供各种增殖服务7、实现更高质量的多媒体通信8、频率使用效率更高第四代通信技术存在的问题

1、标准难以统一2、技术难以实现3、容量受到限制4、市场难以消化6、其他相关困难5、设施难以更新1.3移动通信的分类1.3.1按使用要求和工作场合1.集群移动通信集群就是集合各部门专用调度网的频道(信道)，实行多信道共用及系统共用，信道动态分配给用户使用。

特点：资源共享、费用分担、服务优良、效率高、造价低。几种实际应用中的类型：（1）单区、多点、单中心网络（2）多区、多中心、多层次网络集群移动通信系统属于调度系统的专用通信网，它一般由控制中心、总调度台、分调度台、基地台和移动台组成，适用指挥调度。1.3移动通信的分类1.3.1按使用要求和工作场合2.蜂窝移动通信

陆地公众移动通信系统主要形式，具有越区切换、自动或人工漫游、计费及业务量统计等功能。

陆地蜂窝移动通信系统

陆地蜂窝移动通信系统也称小区制移动通信系统,在移动通信中处于统治地位,是目前应用最广泛、用户数量最多、与人们日常生活最紧密的移动通信系统。陆地蜂窝移动通信系统的特点是把整个大范围的无线服务区划分成许多小区,每个小区设置一个基站,负责本小区各个移动台的联络与控制,各个基站通过移动业务交换中心相互联系,并与市话局连接。陆地蜂窝移动通信系统利用超短波电波传播距离有限的特性及蜂窝状结构,可有效实现信道复用,在提高频率利用率的同时,可保证通信的质量。陆地蜂窝移动通信系统陆地蜂窝移动通信系统小区是采用基站识别码(BSIC)或全球小区识别码(CGIC)进行标识的无线覆盖区域。在采用全向天线结构的模拟网中,小区即为基站区;在采用120°角天线结构的GSM数字蜂窝移动网中,小区是每个120°角的天线所覆盖的正六边形区域的三分之一。基站区指的是一个基站所覆盖的区域。一个基站区可包含一个或多个小区,故不是所有的小区都设有一个专有的基站,但必须为一个特定的基站所覆盖。位置区指的是一个移动台可以自动移动而不必重新“登记”其位置(位置更新)的区域,一个位置区由一个或若干个小区(或基站区)组成。要想向一个位置区中的某个移动台发出呼叫,可以在这个位置区中向所有基站同时发出寻呼信号。陆地蜂窝移动通信系统移动业务交换中心简称MSC,一个MSC区指的是由一个MSC覆盖的区域。一个MSC区可由若干个位置区组成。

PLMN(PublicLandMobileNetwork)是公用陆地移动网的简称,即陆地蜂窝移动通信系统。在该系统内具有共同的编号制度(比如相同的国内地区号)和共同的路由计划。例如,整个天津市的移动通信网就是一个PLMN。一个PLMN可以由若干个MSC组成。MSC构成固定网与PLMN移动网之间的功能接口,用于呼叫接续等。业务区指的是由一个或多个移动通信网所组成的区域。只要移动台在业务区中,就可以被另一个网络的用户找到,而该用户也无需知道这个移动台在该区内的具体位置。这里的另一个网络可以是另一个PLMN、PSTN(市话网)或ISDN(综合业务数字网)。一个业务区可由若干个PLMN组成,也可由一个或若干个国家组成,也可能是一个国家的一部分。1.3移动通信的分类1.3.1按使用要求和工作场合3.移动卫星通信移动卫星通信是移动通信和卫星通信相结合的产物,兼具卫星通信覆盖面宽和移动通信服务灵活的优点,是实现未来个人移动通信系统和真正的信息高速公路的重要手段之一。

移动卫星通信特点：覆盖区域大、通信距离远、通信机动灵活、线路稳定可靠等。1.3移动通信的分类1.3.1按使用要求和工作场合4.无绳电话无绳电话系统指的是以无线电波(主要是微波波段的电磁波)、激光、红外线等作为主要传输媒介,利用无线终端、基站和各种公共通信网(如PSTN、ISDN等),在限定的业务区域内进行全双工通信的系统。

无绳电话系统特点：容量大、发射功率小、技术简单、应用灵活、成本低廉等。1.3移动通信的分类1.3.2按工作方式1.单工通信所谓单工通信是指通信双方交替进行收信和发信的通信方式,发送时不接收,接收时不发送。单工通信常用于点到点的通信,如图所示。根据收发频率的异同,单工通信可分为同频单工和异频单工。

单工通信1.3移动通信的分类1.3.2按工作方式2.双工通信双工通信的特点是:同普通有线电话很相似,使用方便。其缺点是:在使用过程中,不管是否发话,发射机总是工作的,故电能消耗很大,这对以电池为能源的移动台是很不利的。针对此问题的解决办法是:要求移动台接收机始终保持在工作状态,而令发射机仅在发话时才工作。这样构成的系统称为准双工系统,也可以和双工系统兼容。这种准双工系统目前在移动通信系统中获得了广泛的应用。

双工通信1.3移动通信的分类1.3.2按工作方式3.半双工通信半双工通信是介于单工通信和全双工通信之间的一种通信方式。其中,移动台的工作情况与单工通信时相似:采用“按-讲”方式,即按下按讲开关,发射机才工作,而接收机总是在工作。基站的工作情况与全双工通信时相似,只是可以采用双工器,使收发信机共用一副天线。半双工通信的特点是:设备简单，功耗小，克服了单工通信断断续续的现象,但操作仍不太方便。所以半双工方式主要用于专业移动通信系统中,如汽车调度等。

半双工通信接收机发射机接收机发射机基站

(BS)移动台

(MS)PTT1.4移动通信的电波传播

频率段的划分标识与符号

频率范围

甚低频（VLF）

3---30kHz

低频（LF）

30---300kHz

中频（MF）

300---3000kHz

高频（HF）

3---30MHz

甚高频（VHF）

30---300MHz

特高频（UHF）

300---3000MHz

超高频（SHF）

3---30GHz

极高频（EHF）

30---300GHz

至高频（THF）

300---3000GHz1.4移动通信的电波传播1.电波传播的基本方式:①天波传播又称电离层波传播，主要用于中波和短波；②地波传播主要用于长波、中波和短波；③直射波传播又称视距传播，主要用于超短波和微波；④散射波传播，分为电离层散射和对流层散射，前者用于30MHz—100MHz频段，后者用于100MHz频段以上。VHF、UHF电波传播方式

移动通信常用频段为

150MHz(VHF)

450MHz、900MHz、1.8GHZ、2.4GHz等(UHF)

该频段频率高，地表波传输损耗大；天波穿透电离层而去；主要传播方式为直线传播(与光线传播方式一样)，包括直射、反射及散射：RX地面TX反射/散射波。物体直射波反射波接收信号为多径传播信号矢量相加，发生干涉：接收信号幅度（包络）在空间分布上的起伏、衰落，移动台运动中收到的信号幅度（包络）在时间上起伏、衰落，称为多径衰落。对移动通信信号接收产生极不利的影响。1.4移动通信的电波传播2.电波的衰落特性:

（1）多径传输与快衰落

（2）阴影效应与慢衰落（1）多径传播与快衰落θi移动通信的多径传播BSMSS0反射/散射波直射波反射波diSid1S1…d2S2Sv

无线电波在传输过程中会受到地形、地物的影响而产生反射、绕射、散射等,从而使电波沿着各种不同的路径传播,这称为多径传播。由于多径传播使得部分电波不能到达接收端,而接收端接收到的信号也是在幅度、相位、频率和到达时间上都不尽相同的多条路径上信号的叠加信号，有时信号会因为叠加而加强，有时会因为叠加而减弱，所以接收信号的幅度将急剧变化，即产生了快衰落。这种衰落是多径引起的，又称为多径衰落；它使接收端的信号近似于瑞利分布，所以也称为瑞利衰落。瑞利分布概率密度函数

MS移动时地形、地物大幅度慢变化会引起接收信号电平中值存在周期为秒级的慢衰落。

d/m(d=vt)t/s-30-10010相对电平/dB中值信号快衰落及慢衰落特性（2）阴影效应与慢衰落当MS移动到山岳或高楼屏蔽电波所造成的阴影区时,

接收信号减小,反之增大。BSS大S小S大山/大建筑物TXMS最典型的情况是下图所示地形、地物的阴影效应：

慢衰落的统计特性为对数正态分布

d/m(d=vt)t/s-30-10010相对电平/dB中值信号快衰落及慢衰落特性1.4移动通信的电波传播3.典型电波传播的分析:（1）自由空间电波传播自由空间是指相对介电常数和导磁率为1的均匀介质所存在的空间,该空间具有各向同性、电导率为零的特点,它是一种理想的传播环境。电波在自由空间传播时与在真空中传播一样,只有直线传播的扩散损耗。

1.4移动通信的电波传播

对于移动通信系统而言,其自由空间路径损耗Lbs仅与传输距离d和电波频率f有关,而与收、发天线增益无关。可用下式来表示:

Lbs=32.44+20lgd+20lgf

式中,传输距离d的单位为km,电波频率f的单位为MHz，Lbs单位为dB。

1.4移动通信的电波传播3.典型电波传播的分析:（2）由建筑物外部向内部的穿透传播发射机在建筑物外部时，电磁波可能会在穿透建筑物后继续传播，成为穿透传播。穿透传播会造成穿透损耗。

例：钢筋混凝土结构的穿透损耗大于砖石或土结构的穿透损耗。

1.4移动通信的电波传播4.电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测

设计无线通信系统时，首要的问题是在给定条件下如何算出接收信号的场强，或接收信号中值。这些给定条件包括发射机天线高度、位置、工作频率、接收天线高度、收发信机之间距离等。这就是电波传播的路径损耗预测问题，又称为信号中值预测。从地形的角度来看实际地形虽然千差万别，但从电波传播的角度考虑，可分为两大类，即准平坦地形和不规则地形。传播环境分类①开阔地区②郊区③中小城市地区④大城市地区(奥村)Okumura模型

Okumura模型提供的数据较齐全，应用较广泛，适用于VHF和UHF频段。该模型的特点是：以准平坦地形大城市地区的场强中值路径损耗作为基准，对于不同的传播环境和地形条件等因素用校正因子加以修正。

Okumura模型1．准平坦地形大城市地区的中值路径损耗Okumura模型中准平坦地形大城市地区的中值路径损耗（dB）由下式给出LT=Lbs+Am(f,d

)−Hb(hb,d

)−Hm(hm,

f) 1．准平坦地形大城市地区的中值路径损耗

LT=Lbs+Am(f,d

)−Hb(hb,d

)−Hm(hm,

f) 式中，Lbs为自由空间路径损耗；Am(f，d)为在大城市地区当基站天线高度hb=200m、移动台天线高度hm=3m时相对于自由空间的中值损耗，又称基本中值损耗.Hb(hb，d)为基站天线高度增益因子（dB），即实际基站天线高度相对于以标准天线高度hb=200m的增益，为距离的函数；Hm(hm，f)为移动台天线高度增益因子（dB），即实际移动台天线高度相对于以标准天线高度hm=3m的增益,为频率的函数。

1．准平坦地形大城市地区的中值路径损耗

准平坦地形市区相对于自由空间的基本中值损耗

1．准平坦地形大城市地区的中值路径损耗基站天线高度增益因子

1．准平坦地形大城市地区的中值路径损耗移动台天线高度增益因子

2．不规则地形及不同环境中的中值路径损耗

以准平坦地形中的中值路径损耗作为基础，针对不同传播环境和不规则地形中的各种因素，用修正因子加以修正，就可得到不规则地形及不同环境中的中值路径损耗2.不规则地形及不同环境中的中值路径损耗

L=LT–Ki

1.丘陵地修正因子Kh.2.孤立山岳修正因子Kjs.3.斜坡地形修正因子Ksp.4.水陆混合路径修正因子Ks.说明：若H不等于200m，则修正因子KJS还需乘上系数

a：H的单位m

，(H=200m时，a=1)说明：斜坡地形长

5~10km角度单位：

1mrad=0.057度

f=450~900MHz

例题

某一移动电话系统，工作频率为450MHz，基站天线高度为70m，移动台天线高度为1.5m，在市区工作，传播路径为准平坦地形，通信距离为20km，求传播路径的损耗中值。解

(1)自由空间的传播损耗Lbs。

(2)市区准平坦地形的损耗中值。由图查得由图查得

由图查得

所以，准平滑地形市区损耗中值为

若上题改为传播路径是正斜坡，且θm=15mrad，其他条件不变，再求传播路径的损耗中值。

解

根据已知条件，由图查得

因此传播路径损耗中值LA为

Okumura-Hata方法

为了在系统设计时,使Okumura预测方法能采用计算机进行预测，Hata根据Okumura模型中的各种图表曲线归纳出一个经验公式，称为Hata模型。这种模型仍然保留了Okumura模型的风格，以市区传播损耗为标准，其他地区在此基础上进行修正。

Okumura-Hata方法所得基本传输损耗的计算公式如下：

式中：d为收发天线之间的距离，km；

hb为基站天线有效高度，m；

α（hm）为移动台天线高度校正因子，hm为移动台天线高度（m）。α（hm）由下式计算：中、小城市大城市大城市这套公式的适用范围为：150MHz≤f≤1500MHz，30m≤hb≤200m，1m≤hm≤10m，1km≤d≤20km，准平坦地形。WalfishIkegami模型

WalfishIkegami模型由欧洲电信科学技术研究联合会推荐,其特点是从对众多城市的电波实测中得出的一种小区域覆盖范围内的电波损耗模式。

电波传播的估算

不管是用哪一种模型来估算电波传播损耗,只是基于理论分析和实际测试结果的近似计算。由于移动通信的实际环境千差万别,因而很难用一种数学模型来精确地表征各种不同地区的传播特性。随着移动通信的发展,小区半径越来越小,小区传播环境的特殊性也越来越突出,也就越难归纳出统一的传播模型。

1.5移动通信中的噪声和干扰7/30/2023移动通信中的噪声和干扰噪声邻道干扰同频干扰（共道干扰）互调干扰阻塞干扰1.移动通信中的噪声分类：

(1).f>100MHz的移动通信工作频段，自然噪声（大气噪声、太阳噪声、银河噪声）低于接收机内部噪声，可忽略不计。移动通信中主要考虑人为噪声。

(2).人为噪声

①来源：人类电设备电火花的电磁辐射干扰

②特点：市区高于郊区，因为市区电火花设备多。噪声环境下，话音服务质量将恶化车辆行进时的动态条件下，恶化量为达到静态条件下一样的话音质量所需的接收电平增加量噪声环境下－话音质量的恶化2.移动通信中的干扰干扰是限制移动通信系统性能的主要因素在移动通信网中，无线电干扰一般分为：同频干扰、邻道干扰、互调干扰、阻塞干扰近端对远端的干扰若对移动无线通信网进行合理设计就可削弱这些干扰同频干扰是指所有落在接收机通带内的与有用信号频率相同的无用信号的干扰，亦称同信道干扰（又称为同道干扰或共道干扰）。同频干扰是无法滤除的。在电台密集的地方，若系统设计或频率管理不当，就会造成同频干扰。1.同频干扰（共道干扰）频率复用：在移动通信系统中，为了提高频率利用率，在相隔一定距离以外，可以使用相同的频率，这就称为频率复用。同频小区:在一个给定的覆盖区域内，存在许多使用同一组频率的小区。1.同频干扰（共道干扰）