移动端与端基础 8

第二章移动技术的发展课件移动通信-端到端5G系统基础第二章移动技术的发展§2.1移动通信系统概述（0G到5G）§2.2移动通信话务理论§2.3移动通信多址技术2.1移动通信系统概述§2.1.1移动系统发展历史§2.1.20G到5G各阶段的发展移动通信-端到端5G系统基础2.1

移动通信系统概述（0G到5G）移动技术的发展历程可以追溯到移动通信的诞生，从最初的模拟通信到如今的数字通信，再到5G及其后续的技术演进，移动技术经历了多个阶段的发展和变革。在移动通信领域，2G时代实现了语音通信的数字化，3G时代实现了移动数据通信的普及，4G时代实现了高速数据传输和移动互联网的爆发式增长，而5G时代则将带来更快的数据传输速率、更低的延迟和更多的连接设备，推动物联网、工业互联网等新兴领域的发展。除了移动通信，移动技术还涵盖了移动互联网技术，如移动应用、移动支付、移动商务等。移动应用已经成为人们日常生活中必不可少的工具，从社交娱乐到工作学习，从健康管理到金融支付，移动应用为人们提供了丰富多彩的服务和便利。移动支付则改变了传统的支付方式，实现了随时随地的便捷支付体验，推动了数字经济的发展和普及。——移动系统发展历史2.1

移动通信系统概述（0G到5G）（1）早期发展阶段：自1897年马可尼的无线通信实验以来，移动通信技术开始逐步发展。这个时期的移动通信系统主要是专用的，工作在较低的频率，如2MHz到30~40MHz。——移动系统发展历史——移动系统发展历史（2）中期发展阶段：1946年，美国贝尔实验室在圣路易斯建立了第一个公用汽车电话网，这标志着从专用移动通信网向公用移动通信网的过渡。这个时期的移动通信系统仍然依赖于人工交换，网络容量有限。（3）改进和完善阶段：在1960到1980这段时间，美国推出了IMTS，德国也推出技术水平相当的B网将移动通信系统推到了新的高度。2.1

移动通信系统概述（0G到5G）——移动系统发展历史（4）蓬勃发展阶段（1G）：1974年，Bell实验室提出了蜂窝移动通信的概念，这个阶段的移动通信系统，即第一代移动通信系统（1G），主要采用模拟技术和频分多址技术，实际数据速率为2.4KBit/s。与此同时，北欧的NMT、日本的NAMTS和英国的TACS等系统也在同一时期出现。2.1

移动通信系统概述（0G到5G）——移动系统发展历史（5）数码移动通信发展和成熟时期：在数码移动通信的发展和成熟时期，2G、3G和4G是三个重要阶段，它们各自代表着不同的技术水平和服务特点2.1

移动通信系统概述（0G到5G）——0G到5G各阶段的发展0G是指移动通信技术的最早期阶段，通常指的是无线电话技术。0G技术主要包括以下几种：1.无线电话系统：最早期的移动通信系统，用户通过无线电话设备进行语音通信，但无法漫游或在移动中保持通话。2.汽车电话：早期的移动电话系统，安装在车辆上，通过车载天线连接到固定的基站进行通信。2.1

移动通信系统概述（0G到5G）0G——0G到5G各阶段的发展1G(第一代移动通信技术)也称为模拟移动通信系统。它是在20世纪70年代末和80年代初推出的，并使用了模拟信号传输语音通信。1G技术的最大特点是它是全球第一个商用移动电话系统，使人们能够在移动时进行语音通信。2.1

移动通信系统概述（0G到5G）1G——0G到5G各阶段的发展2G（第二代移动通信技术）确实标志着从模拟到数字通信的转变，以数字语音传输为主要特征。它主要支持基本的通话服务和短信服务，但不支持高速数据传输，限制了其在传输电子邮件、网页浏览等方面的能力。2.1

移动通信系统概述（0G到5G）2G——0G到5G各阶段的发展第二代移动通信（2G）具有以下主要特点：(1)数字化技术:2G采用了数字信号传输技术，与之前的1G模拟信号相比，数字信号传输具有更高的效率和更好的语音质量。(2)全球标准化:2G采用了全球通用的数字通信标准，如GSM（GlobalSystemforMobileCommunications），这使得手机可以在不同国家和地区间进行漫游。(3)数据传输能力提升:2G不仅能够传输语音信号，还能够支持基本的数据传输。(4)安全性提高:与1G相比，2G的数字化技术使得通信更加难以窃听和干扰，因为数字信号更难以被非法获取和解析。(5)增强了移动终端的功能:2G时代的手机不仅可以用于语音通话，还具备了一些基本的数据功能，如短信、通讯录等，从而为移动通信的功能性增加了新的维度。2.1

移动通信系统概述（0G到5G）——0G到5G各阶段的发展3G(第三代移动通信技术)是一次重大的技术革新，它不仅继承了2G技术的话音传输能力，还引入了数据传输功能。这一进步使得3G能够支持更广泛的无线应用，包括快速方便地接入互联网、视频通话、高清流媒体播放、快速文件下载等。2.1

移动通信系统概述（0G到5G）3G第三代移动通信系统（3G）具有以下主要特点：(1)宽带数据传输(2)多媒体功能(3)全球漫游(4)互操作性(5)支持更多的应用和服务(6)提高了网络容量和覆盖范围3G移动通信系统仍然不能满足用户要求。主要问题在于：(1)速度和带宽限制(2)网络覆盖不足(3)信号质量问题(4)高功耗和设备成本——0G到5G各阶段的发展4G(第四代移动通信技术)不仅融合了3G的高速数据传输和WLAN的便捷接入，还提供了与高清晰度电视相媲美的视频图像传输质量。这一技术的核心优势在于其高速的数据传输能力，理论上下载速度可达到100Mbps，上传速度也可达到20Mbps.2.1

移动通信系统概述（0G到5G）4G——0G到5G各阶段的发展5G(第五代移动通信技术)是当前最先进的无线通信技术之一。与之前的移动通信技术相比，5G具有更高的数据传输速度、更低的延迟、更大的网络容量和更好的连接稳定性。这使得5G技术能够支持更多的设备连接，提供更快的互联网速度和更广泛的应用场景，如智能城市、自动驾驶、远程医疗等。2.1

移动通信系统概述（0G到5G）5G——0G到5G各阶段的发展第五代移动通信的特点：(1)高速率：比4G更快的数据传输速度，可实现更快的下载和上传速度。低延迟：减少数据传输时延，提高实时通信的效率。(2)低延迟：减少数据传输时延，提高实时通信的效率。(3)大容量：支持更多设备同时连接，满足大规模物联网需求。(4)高可靠性：提供更稳定的连接，适用于对网络可靠性要求高的应用场景。2.1

移动通信系统概述（0G到5G）2.2移动通信话务理论§2.2.1话务相关的概率、统计理论§2.2.2话务量-呼损率关系推导移动通信-端到端5G系统基础2.2移动通信话务理论————话务相关的概率、统计理论

随机变量（RVs）让我们把样本与实验联系起来X是一个将实数与每个数关联的函数sRVs可分为两种类型：离散型或连续型离散随机变量=>概率质量函数（pmf）连续随机变量=>概率密度函数（pdf）1.离散随机变量在现实生活中广泛引用的例子是，投掷硬币后你所得到的结果究竟是正面还是反面。对于离散随机变量X而言,X的pmfp(k)表示随机变量x等于k时的概率,且用下面的函数定义p(k)。p(k)必须满足下面的条件：(l)每种状态发生的概率0≤p(k)≤1，对每个k都成立；(2)所有状态的总和，k包含所有可能值。2.连续随机变量如果随机变量可以取无穷个值,则将随机变量称为连续随机变量。每天的温度就是连续随机变量的例子。连续随机变量的特性用概率密度函数而不是概率质量函数来表示。从数学上讲，如果有一个函数F，称为概率密度函数（pdf），且满足以下条件，则X是一个连续的随机变量：（1）f(x)≥0，代表所有x都成立；（2）f(x)dx=1；累积分布函数2.2移动通信话务理论————话务相关的概率、统计理论累积分布函数（CDF）定义为：

对于离散随机变量：对于连续随机变量：由于则有概率密度函数连续随机变量的pdf是一个可积函数依据pdf的积分可以求出随机变值在给定区间内的概率。从形式上说，连续随机变量x的pdff(x)是CDFF(x)的导数，即：20一些重要的离散随机分布泊松分布E[X]=

,Var（X）=

几何分布E[X]=1/（1-p），Var（X）=p/（1-p）^2P（X=k）=P（1-P）k-1，其中p是成功概率2.2移动通信话务理论————话务相关的概率、统计理论

21一些重要的离散随机分布二项分布几何随机变量表示的是：取得第一次成功时所需要的试验次数。这时，随机变量X的概率分布由下式给出：kP2.2移动通信话务理论————话务相关的概率、统计理论

其中：有时可以用泊松分布近似表示参数为n和p的二项分布。当观察次数的值很大而成功的概率p很小时，二项分布接近于参数为λ=np时的泊松分布。22一些重要的连续随机分布正态分布：E[X]=

,Var（X）=

2.尽管实际应用中通常不采用这种分布，但是，正态随机变量应该可以取任意实数值。2.2移动通信话务理论————话务相关的概率、统计理论

23多个随机变量有些情况下，一个实验的结果决定了几个随机变量的值这些变量的联合概率为：离散变量：p（x1，…，xn）=p（x1=x1，…，xn=xn）连续变量：CDF:Fx1x2…xn（x1，…，xn）=P（x1）x1，…，Xnxn）pdf:2.2移动通信话务理论————话务相关的概率、统计理论24独立性与条件概率独立性：当一个随机变量的发生不影响另一个随机变量时，称其为相互独立。在这种情况下，离散随机变量的PMF由下式给出：p（x1，x2，…xn）=p（x1=x1）p（x2=x2）…p（X3=X3），对于连续随机变量：FX1，X2，…Xn=FX1（x1）FX2（X2）…FXn（Xn）条件概率：是给定的x1=x2的概率。然后对于离散随机变量，概率变为：对于连续随机变量，它是：2.2移动通信话务理论————话务相关的概率、统计理论

25贝叶斯定理关于形如P（X|Y）的条件概率的一个定理是其中p（X）和p（Y）分别是X的无条件概率2.2移动通信话务理论————话务相关的概率、统计理论

25中心极限定理中心极限定理指出，每当从任何具有期望值E[Xi]的分布中抽取n个的随机样本（X1，X2，…Xn）=

方差var（Xi）=

2，式中1,2,..,n,然后它们的算术平均值定义为26随机变量的重要性质期望值的和属性随机变量之和的期望值：期望值的乘积属性随机独立随机变量乘积的期望值2.2移动通信话务理论————话务相关的概率、统计理论

27随机变量的重要性质方差的和性质随机变量之和的方差为其中cov[Xi，Xj]是随机变量sxi和Xj的协方差如果随机变量相互独立，即cov[Xi，Xj]=0，则2.2移动通信话务理论————话务相关的概率、统计理论

28基本排队系统什么是排队论？排队论是对排队（有时称为排队）的研究可以用来描述现实世界中的队列，或在计算机科学的许多分支（如操作系统）中发现的更抽象的队列基本排队论排队论分为三个主要部分：话务流行程安排设施设计和员工分配2.2移动通信话务理论————话务量-呼损率关系推导

29肯德尔符号D.G.Kendall在1951年提出了一种将排队系统分为不同类型的标准符号。相应地，系统用符号A/B/C/D/E描述，其中：A客户到达时间分布B服务时间分布C服务器数量D系统中的最大客户数E呼唤人口规模M指数分布（马尔可夫）D退化（或确定性）分布EkErlang分布（k=形状参数）Hk带参数的超指数A和B可以采用以下任何一种分布类型：2.2移动通信话务理论————话务量-呼损率关系推导

30利特尔定律假设排队环境在所有初始瞬态消失的稳定状态下运行，系统的关键参数为：–平均稳态消费者到达率N–系统中的平均客户数量T–每个客户在系统中花费的平均时间这给了N=T马尔可夫过程马尔可夫过程是一个过程的下一个状态仅取决于当前状态的过程，与该过程之前的状态无关对当前状态和该状态的转移概率的了解使我们能够预测下一个状态2.2移动通信话务理论————话务量-呼损率关系推导

31排队系统度量=1–P(0)，是服务器繁忙的概率。因此，我们有P(i)=i(1-)系统中的平均客户数为Ls=客户的平均停留时间为Ws=系统中的平均客户数为客户在系统中的平均停留时间如下所示平均队列长度为客户的平均等待时间为2.2移动通信话务理论————话务量-呼损率关系推导

1.话务量的计算1.话务量在话音通信中，业务量大小的量度。分为流入话务量和完成话务量。a.流入话务量：单位时间（１小时）内平均发生的呼叫次数λ和每次呼叫平均占用信道时间（含通话时间）Ｓ的乘积。流入话务量Ａ为Ａ＝Ｓ•λ

式中，λ的单位是（次／小时）；Ｓ的单位是（小时／次）；Ａ是一个无量纲的量。它的单位为“爱尔兰”（Erlang）。322.2移动通信话务理论————话务量-呼损率关系推导在信道共用的情况下，通信网无法保证每个用户的所有呼叫都能成功，必然有少量的呼叫会失败，即发生“呼损”。b.完成话务量单位时间内平均的成功呼叫次数λ0(λ>λ0)和每次呼叫平均占用信道时间Ｓ的乘积

A0=λ0•S

c.损失话务量流入话务量与完成话务量之差。d.呼损率损失话务量占流入话务量的比率，用符号Ｂ表示。332.2移动通信话务理论————话务量-呼损率关系推导

显然，呼损率Ｂ越小，成功呼叫的概率就越大，用户就越满意。因此，呼损率Ｂ也称为通信网的服务等级（或业务等级）。例如，某通信网络的服务等级为0.05

(即Ｂ＝0.05），表示在全部呼叫中未被接通的概率为５％．但是，对于一个通信网来说，要想使呼叫损失小，只有让流入话务量小，即容纳的用户少些，这又是所不希望的．可见呼损率与流入话务量是一对矛盾，要折中处理。342.2移动通信话务理论————话务量-呼损率关系推导

2.完成话务量的性质与计算设在观察时间T小时内，全网共完成C1次通话，则每小时完成的呼叫次数为完成话务量即为

352.2移动通信话务理论————话务量-呼损率关系推导

从另一个角度来统计时间，则若总的信道数为n，而在观察时间T内有i(i＜n)个信道同时被占用的时间为ti(ti＜T)，那么可以算出实际通话时间为完成话务量为362.2移动通信话务理论————话务量-呼损率关系推导

当观察时间T足够长时，ti/T就表示在总的n个信道中，有i个信道同时被占用的概率，可用Pi表示，上式就可改写为由此可见，完成话务量是同时被占用信道数(是随机量)的数学期望。因此可以说，完成话务量就是通信网同时被占用信道数的统计平均值，表示了通信网的繁忙程度。9:30上午372.2移动通信话务理论————话务量-呼损率关系推导

3.呼损率的计算根据话务理论，呼损率B、共用信道数n和流入话务量A的定量关系可用爱尔兰呼损公式表示。爱尔兰呼损公式为38信道利用率的计算呼损率不同的情况下，信道利用率也是不同的。信道利用率η可用每小时每信道的完成话务量来计算，即2.2移动通信话务理论————话务量-呼损率关系推导

4.用户忙时话务量与用户数每个用户在24小时内的话务量分布是不均匀的，网络设计应按最忙时的话务量来进行计算。集中系数最忙1小时内的话务量与全天话务量之比，用k表示，一般k=10%-15%。忙时话务量为式中：C（次/天）为通信网中每一用户每天平均呼叫次数；T（秒/次）为每次呼叫平均占用信道时间；k为集中系数392.2移动通信话务理论————话务量-呼损率关系推导

在用户的忙时话务量a确定之后，每个信道所能容纳的用户数m就不难计算：40全网的用户数为：m×n个。2.2移动通信话务理论————话务量-呼损率关系推导

2.3移动通信多址技术§2.3.1FDMA技术§2.3.2TDMA技术§2.3.3CDMA技术移动通信-端到端5G系统基础1.概念：频分多址是指将给定的频谱资源划分为若干个等间隔的频道(或称信道)供不同的用户使用。2.双工方式在单纯的FDMA系统中，通常采用频分双工(FDD)的方式来实现双工通信，即接收频率f和发送频率F是不同的。为了使得同一部电台的收发之间不产生干扰，收发频率间隔|f-F|必须大于一定的数值。例如，在800MHz频段，收发频率间隔通常为45MHz。422.3移动通信多址技术————FDMA技术

3.工作方式在通信时，不同的移动台占用不同频率的信道进行通信。因为各个用户使用不同频率的信道，所以相互没有干扰。FDMA的信道每次只能传递一个电话，并且在分配成语音信道后，基站和移动台就会同时连续不断地发射信号，在接收设备中使用带通滤波器只允许指定频道里的能量通过，滤除其他频率的信号，从而将需要的信号提取出来，而限制临近信道之间的相互干扰。由于基站要同时和多个用户进行通信，基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号；另外，任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转434.特点：FDMA是最经典的多址技术之一，在第一代蜂窝移动通信网（如TACS、AMPS等）中使用了频分多址总频段划分为若干占用较小带宽的频道，这些频道在频域上互不重叠，每个频道就是一个通信信道,分配给一个移动用户。移动台占用的频道不是固定的，是由系统临时分配的，通信结束后，移动台将退出它占用的频道，系统设计中需要周密的频率规划,基站需要多部不同载波频率发射机同时工作，设备多且容易产生信道间的互调干扰。由于没有进行信道复用，信道效率很低。因此现在国际上蜂窝移动通信网已不再单独使用FDMA，而是和其他多址技术结合使用。2.3移动通信多址技术————FDMA技术

1.概念TDMA是把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙(无论帧或时隙都是互不重叠的)，每一个时隙就是一个通信信道TDMA系统既可以采用频分双工(FDD)方式，也可以采用时分双工(TDD)方式。在FDD方式中，上行链路和下行链路的帧分别在不同的频率上。上行链路和下行链路的帧结构既可以相同，也可以不同。在TDD方式中，通常将在某频率上一帧中一半的时隙用于移动台发，另一半的时隙用于移动台接收；收发工作在相同频率上。442.3移动通信多址技术————TDMA技术

2.工作方式TDMA中，给每个用户分配一个时隙，即根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发射信号。在满足定时和同步的条件下，基站可以在各时隙中接收到各移动台的信号而互不干扰。同时，基站发向各个移动台的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动台只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分出来。这样，同一个频道就可以供几个用户同时进行通信，相互没有干扰。453.TDMA特点在TDMA通信系统中，小区内的多个用户可以共享一个载波频率，分享不同时隙，这样基站只需要一部发射机，可以避免像FDMA系统那样因多部不同频率的发射机同时工作而产生的互调干扰；但系统设备必须有精确的定时和同步来保证各移动台发送的信号不会在基站发生重叠，并且能准确地在指定的时隙中接收基站发给它的信号。TDMA技术广泛应用于第二代移动通信系统中。在实际应用中，综合采用FDMA和TDMA技术的，即首先将总频带划分为多个频道，再将一个频道划分为多个时隙，形成信道。例如GSM数字蜂窝标准采用200kHz的FDMA频道，并将其再分割成8个时隙，用于TDMA传输。2.3移动通信多址技术————TDMA技术

码分多址（CDMA）技术是在二战期间为了防止敌方干扰而研发的一种通信技术。它通过为每个用户分配一个唯一的码来实现多用户之间的通信，从而提高了通信的安全性和效率。在战后，这项技术被美国高通公司进一步发展，转化为商用的蜂窝电信技术。码分多址（CDMA）以扩频技术为基础,利用不同码型实现不同用户的信息传输。扩频技术包括:跳频和直接序列扩频,对应的多址方式有：跳频码分多址(FH-CDMA)和直扩码分多址(DS-CDMA)。462.3移动通信多址技术————CDMA技术

1.跳频码分多址(FH-CDMA)在FH-CDMA系统中，每个用户根据各自的伪随机(PN)序列动态改变其已调信号的中心频率。各用户的中心频率可在给定的系统带宽内随机改变，该系统带宽通常要比各用户已调信号(如FM、FSK、BPSK等)的带宽宽得多。FH-CDMA类似于FDMA，但使用的频道是动态变化的。FH-CDMA中各用户使用的频率序列要求相互正交(或准正交)，即在一个PN序列周期对应的时间区间内，各用户使用的频率，在任一时刻都不相同(或相同的概率非常小)472.3移动通信多址技术—