移动通信-第四版课件(李建东、郭梯云)第1章.ppt

1、1.1移动通信的主要特征1.2移动通信系统的分类1.3常用移动通信系统1.4移动通信的基本技术思维问题和练习，第1章概述，1。移动通信必须使用无线电波来传输信息。这种传播介质允许通信中的用户在一定范围内自由移动，并且其位置不受限制，但是无线电波的传播特性通常较差。首先，移动通信的运行环境非常复杂。无线电波不仅会随着传播距离的增加而遭受色散损失，还会由于地形和地面物体的遮挡而产生“遮蔽效应”。此外，经过多点反射后，信号将从多条路径到达接收地点。这种多径信号的幅度、相位和到达时间是不同的，它们的叠加将导致电平衰落和时延扩展。其次，移动通信往往是在快速运动中进行的，这不仅会造成多普勒频移和随机调频，

2、还会造成无线电波传播特性的快速随机波动，严重影响通信质量。1.1移动通信的主要特点2。移动通信在复杂的干扰环境中运行。除了一些常见的外部干扰，如天电干扰、工业干扰和信道噪声外，系统本身与不同系统之间还会存在这样或那样的干扰。因为在移动通信系统中，经常有多个用户站在同一个区域工作，并且基站也有多个收发信机在同一个地方工作，这将导致这些站之间的干扰。可用于移动通信的频谱资源非常有限，但是移动通信流量的需求日益增加。如何提高通信系统的通信容量一直是移动通信发展的重点。为了解决这个矛盾，一方面，我们应该开辟和启用新的频段；另一方面，我们应该研究各种新技术和措施，以减少信号占用的带宽，提高频谱利用率。移

3、动通信系统的网络结构是多种多样的，网络管理和控制必须是有效的。根据通信区域的不同需求，移动通信网络可以由带状(如铁路和公路沿线)、区域(如覆盖一个城市或地区)或三维(如地面通信设施和中低轨道卫星通信网络的综合系统)等组成。它可以由单个网络操作，也可以并行连接多个网络。因此，移动通信网络必须具有强大的管理和控制功能，例如用户注册和定位、通信(呼叫)链路建立和移除、信道分配和管理、通信计费、认证、安全和保密管理以及用户转接切换和漫游控制。移动通信设备(主要是移动站)必须适用于移动环境。手机的主要要求是体积小、重量轻、省电、操作简单、携带方便。车载站和机载站除了操作简单、维护方便外，还应能在振动、冲

4、击、高低温变化等恶劣环境下正常工作。1.2移动通信系统的分类移动通信有多种分类方法：根据使用对象可分为民用设备和军用设备；根据使用环境，可分为陆上通信、海上通信和空中通信；根据多址接入，它可以分为频分多址(FDMA)、时分多址(时分多址)和码分多址(码分多址)。根据覆盖范围，可分为广域网和局域网；根据业务类型可分为电话网、数据网和多媒体网。根据工作方式，可分为同频单工、异频单工、异频双工和半双工；根据服务范围，可分为专用网和公网；根据信号形式可分为模拟网络和数字网络。1.2.1工作模式1。单工通信所谓的单工通信是指通信双方的无线电台交替接收和当收音机甲想讲话时，它一方面按下接收机的按键开关，关

5、闭接收机，另一方面将天线连接到发射机的输出，并打开发射机开始工作。当知道无线电设备B接收到载频为f1的信号时，它可以发送信息。双工通信所谓的双工通信是指双方可以同时传输消息的工作模式，有时也称为全双工通信，如图1-2所示。在图中，基站的发射机和接收机分别使用一对天线，而移动站通过双工器共享一对天线。双工通信通常使用一对信道来实现频分双工(FDD)操作。这种操作方式很容易使用，类似于普通的有线电话，接收和发送可以同时进行。然而，在无线电台的工作过程中，无论发射机是否在讲话，它总是在工作，因此功耗很大，这对使用电池作为电源的移动台是不利的。为了缓解这个问题，降低对系统频带的要求，可以在通信设备中采

6、用同步半双工通信，即即时时分双工(TDD)。此时，时间轴被周期性地划分为时间帧，并且每个帧被划分为两个部分，前半部分用于无线电台A(或移动站A)传输，后半部分用于无线电台B(或基站)传输，从而可以实现无线电台A和无线电台B(移动站和基站)之间的双向通信。半双工通信半双工通信的组成类似于图1-2。移动台采用单工“即按即说”模式，即发射机只在按下即按即说开关时工作，而接收机始终工作。基站的工作方式与双工模式完全相同。图1-2双工通信，1.2.2模拟网络和数字网络的数字通信系统的主要优点可以概括如下：(1)高频谱利用率有利于提高系统容量。通过采用高效的信源编码技术、高频谱效率的数字调制和解调技术、先

7、进的信号处理技术、多址接入模式和高效的动态资源分配技术，可以在不增加系统带宽的情况下增加同时通信用户的数量。(2)可以提供多种业务服务，提高通信系统的通用性。数字系统以“1”和“0”的形式传输数字信号。语音、图像、音乐或数据等数字信息在传输和交换设备中具有相同的表达形式，信号处理和控制方法也相似，因此可以用同一设备传输任何类型的数字信息。利用单一通信网络提供综合业务服务是未来通信系统的发展方向。(3)抗噪声、干扰和多径衰落能力强。这些优势有利于提高信息传输的可靠性，或者保证通信质量。通过采用纠错编码、交织编码、自适应均衡、分集接收和扩频跳频技术，可以控制任何干扰和不利环境造成的损害，并且传输误

8、码率可以低于指定的阈值。(4)可以实现更加有效和灵活的网络管理和控制。数字系统可以建立专门的控制信道来传输信令信息，也可以将控制指令插入业务信道的比特流中来传输控制信息，从而便于实现各种可靠的控制功能。(5)便于实现通信的安全性和保密性。(6)可以降低设备成本和用户手机的体积和重量。1.2.3通信业务移动通信的传统业务是电话通信。近十年来，随着计算机的快速发展和人们信息交流的日益频繁和多样化，对数据传输的需求日益增加。据估计，未来移动通信多媒体业务的数据量将占总业务量的70%。在第二代移动通信系统中，虽然主要业务是语音业务，但也可以提供丰富的数据业务，如短消息、低速率互联网接入等。在第三代近年

9、来，移动通信围绕两种骨干网络发展，即基于语音服务的通信网络和基于分组数据传输的通信网络。根据不同的运行环境和市场需求，前者分为以蜂窝网为代表的大功率广域网和以无绳电话网为代表的低功率局域网；后者可分为高速局域网如宽带局域网和低速广域网如移动数据网。图1-3是移动通信网络分类的示意图。图1-3移动通信网络分类，1.3普通移动通信系统，1.3.1无线寻呼系统无线寻呼系统是单向通信系统。无线寻呼系统的用户设备是袖珍接收机，叫做袖珍铃，俗称“BB机”，因为它的铃声类似于“BB”声。图1-4示出了无线寻呼系统的组成。图1-4无线寻呼系统示意图，1.3.2蜂窝移动通信系统的早期移动通信系统在其覆盖区域的中

10、心设置大功率发射机，并使用架空天线向整个覆盖区域(半径几十公里)发送信号。该系统的主要矛盾是它能同时向用户提供的频道数量极其有限，远远不能满足移动通信业务快速增长的需求。例如，20世纪70年代在美国纽约州开通的IMTS(改良手机服务)系统(如图1- 5(a)所示)只能提供12对频道。也就是说，网络中只允许12对用户同时通话。如果第13对用户同时请求通话，就会出现拥塞。蜂窝通信网络将整个服务区域分成几个较小的区域(蜂窝，在蜂窝系统中称为小区)。每个小区由低功率发射机(即基站发射机)覆盖，许多小区可以覆盖(即覆盖)任何形状的服务区域，如图1-5(b)所示。图1-5大面积覆盖和小区覆盖(一)大面积覆

11、盖；小区覆盖。通常，相邻小区不允许使用同一信道，否则会发生相互干扰(称为同信道干扰)。然而，因为每个小区在通信中使用较少的功率，所以只要任意两个小区之间的空间距离大于某个值，即使使用相同的信道，也不会有显著的同信道干扰(以确保信噪比高于某个阈值)。因此，几个相邻的小区根据一定的数目被分成簇，并且可用的无线电信道被分成几个频率组(等于簇中的小区数目)。集群中的每个小区使用不同的频率组，任何一个小区使用的频率组都可以在其他集群的相应小区中重用，这就是频率重用，如图1-6所示。图1-6是蜂窝系统的频率复用，图1-7是蜂窝移动通信系统的示意图。图中的七个细胞形成一个簇。单元号代表不同的频率组。蜂窝移动

12、交换中心。MSC在网络中起着控制和管理的作用，实现信道分配、建立呼叫、交换信道、提供系统维护和性能测试以及存储计费信息等。MTSO是移动通信网络和公共交换电话网之间的接口单元，它不仅保证网络中移动用户之间的通信，而且保证移动用户和有线用户之间的通信。图1-7是蜂窝移动通信系统的示意图。当移动用户在蜂窝服务区域快速移动时，用户之间的对话通常不会在一个蜂窝中结束。一辆快速行驶的汽车可能在一次呼叫中跨越多个小区。当一个移动站从一个小区进入另一个相邻小区时，它的工作频率和基站与移动交换中心之间的连接链路必须从它离开的小区切换到它正在进入的小区。这个过程被称为移交。控制机制如下：当通信中的移动台到达小区

13、边界时，小区的基站可以检测到移动台的信号变弱，而相邻小区的基站可以检测到移动台的信号变强。系统从这些相关的基站收集检测信息并做出决定。当需要切换时，它发出相应的指令，使跨越边界的移动台将其工作频率和通信链路从离开小区切换到进入小区。整个过程是自动的，用户不知道，也不会中断正在运行的调用。交接示意图见图1-8。图1-8是切换示意图，表1-1显示了几种模拟蜂窝移动通信系统的性能参数。这些系统包括：安培，TACS，NMT，C-450，NTT等。我们将在第7章和第8章讨论第二代数字蜂窝移动通信系统，包括全球移动通信系统、IS-54、IS-95、JDC(后来更名为PDC)等。其性能参数见表7-3。第八章

14、和第九章还将讨论第三代数字蜂窝移动通信系统，主要包括WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA等。其性能参数见表94。表1-1几种模拟蜂窝移动通信系统，1.3.3无绳电话系统简单的无绳电话将普通电话分为固定电话和移动电话。座机与有线电话网络连接，手机通过无线电与座机连接。这样，拥有手机的用户可以在一定范围内自由交谈，如图1-9所示。因为不需要将电话与座机连接，所以它被称为“无绳”电话。随着通信技术的发展，无绳电话也在向网络化发展。例如，一个电话点(类似于蜂窝系统的基站)被设置在一个人口密集的区域，该区域与一个有线电话网络相连接，并且具有多个由用户共享的信道。在电信点的无线覆盖区域中，用户可

15、以选择空闲信道进入有线电话网络，向有线网络中的固定用户发起呼叫并建立通信链路。图1-9无绳电话系统示意图，无绳电话的手机、座机和通信点发射的功率在10 mW以下，无线覆盖半径约为100 m。表1-2给出了几种模拟无绳电话系统的主要参数。表中给出了日本、美国和欧洲的标准。中国的模拟无绳电话系统采用45兆赫/48兆赫的频带。在第七章中，我们将讨论数字无绳电话系统和低功耗无线系统，包括CT-2、DECT、PHS和PACS。表1-2几种无绳电话系统的主要参数。无绳电话是一种基于有线电话网络的通信方式。也可以说它是有线电话网的无线延伸，具有传输功率低、省电、设备简单、价格低廉、使用方便等优点，所以发展非

16、常迅速。目前，数字无绳电话系统(低功耗无线系统)已在中国广泛使用(小灵通是中国使用的标准)。目前，公共无绳电话系统的功能与蜂窝移动通信系统完全相似，既有固定电话的功能，又有低移动环境下的越区切换功能。1.3.4集群移动通信系统1。集群概念集群移动通信系统采用的基本技术是频率共享技术。其主要方法是：集中分散在各个部门的一些特殊的通信网络，统一建设和管理，并动态地使用分配给它们的有限的信道来容纳更多的用户；改进信道共享的方式，即在通信过程中，移动用户不固定占用某个信道，只需按下PTT开关就可以占用一个信道；一旦PTT被释放，该信道将被释放并成为空闲信道，并且允许其他用户占用该信道。2.集群系统的用途和特点集群系统主要基于无线用户，即调度站和移动站之间的呼叫。集群系统和蜂窝通信系统在技术上有许多相似之处，但在主要用途、网络组成和工作模式上有许多不同之处。集群通信系统属于专用移动通信网络，适用于各行业(或多个行业)之