移动通信技术.ppt

第 1 章 移动通信综述,1.1 引言 1.2 移动通信的发展 1.3 移动通信的分类 1.4 移动通信系统的组成及特点 1.5 移动通信的频率分配 1.6 移动通信中的基本技术 思考与练习题,1.1 引 言,现代社会已步入信息时代,信息在经济发展、社会进步乃至人民生活等各个方面都起着日益重要的作用。人们对于信息的充裕性、及时性和便捷性的要求也越来越高。能够随时随地、方便而及时地获取所需要的信息是人们一直都在追求的梦想。电报、电话、广播、电视、人造卫星、国际互联网带领着人们一步步向这个梦想飞近,然而最终能够使人们美梦成真的却是移动通信。移动通信指的是通信双方至少有一方处在运动状态中所进行的信息交换。移动体与固定点之间、移动体相互之间信息的交换都可以称为移动通信。其中移动体可以是人,也可以是车、船、飞机等处在移动状态中的物体。,1.2 移动通信的发展,图 1-1 公众通信网,1.2.1 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(330 MHz)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。,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。,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。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。,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。事实上,早在20世纪70年代末期,当模拟蜂窝系统还处于开发阶段之时,一些发达国家就已着手数字蜂窝移动通信系统的研究。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量急剧增加,频率资源日益紧缺,新体制、新技术、新业务层出不穷。,1.2.2 现状纵览 基于TDMA技术的GSM、DAMPS和PDC系统都属于第二代数字蜂窝移动通信系统(2G)。在2G发展期间,一方面,移动通信用户数目突飞猛进,通信产业日益成为各国经济发展的支柱。另一方面,2G移动通信系统及相应的移动通信技术面临诸多问题，比如:网络利用空间日益狭小;收益增幅减缓;话音业务和低速数据业务不能满足用户需求,急需开发各种新型业务来吸引用户;网络漫游只限于国内及部分区域等。,针对以上问题,窄带码分多址(CDMA)蜂窝移动通信系统日益成为关注的焦点。事实上,当数字蜂窝网刚刚进入实用阶段之时,美国Qualcomm公司就已推出了新的移动通信系统CDMA。CDMA系统采用了扩频通信技术,大幅度地提高了频率利用率,具有容量大、覆盖范围广、手机功耗小、话音质量高的突出优点,将移动通信技术推向新的发展阶段,被人们称之为第三代移动通信系统3G。,目前,由于2G应用的广泛性以及2G与3G技术上的差异,3G系统还未能真正的实现。因而,一些过渡性的体制和技术被不断推出,如美国的窄带CDMA系统IS-95。另外,高速移动数据业务日益呈现出强劲态势,成为仅次于话音业务的另一焦点。在移动数据业务领域中,多媒体信息服务(MMS)、通用分组无线业务(GPRS)和无线应用协议(WAP)等新技术正在大力推广之中。此外,不断推出并已实用的移动通信系统还有移动卫星通信系统、同温层通信系统和无线用户环路等。移动通信呈现出多样化的趋势。,1.2.3 趋势预测,目前对第四代移动通信系统主要有以下几方面的描述:(1)建立在新的频段(比如58 GHz乃至更高)上的无线通信系统;(2)基于分组数据的高速率传输(10 Mb/s以上);(3)真正的“全球一统”(包括卫星部分)系统;(4)基于全新网络体制的系统,或者说其无线部分将是对新网络(智能的、支持多业务的、可进行移动管理)的“无线接入”;,(5)不再是单纯的(传统意义上)的“通信”系统,而是融合了数字通信、数字音/视频接收和因特网接入的崭新的系统。在4G之后,个人通信系统将成为未来移动通信系统的大趋势。“个人通信系统”的概念在20世纪80年代后期就已出现,当时便引起了世界范围内的巨大兴趣。个人通信系统是一个要求任何人能在任何时间、任何地点与任何人进行各种业务通信的通信系统。这里指的个人通信是既能提供终端移动性,又能提供个人移动性的通信方式。终端移动性指用户携带终端连续移动时也能进行通信,个人移动性指用户能在网中任何地理位置上根据他的通信要求选择或配置任一移动的或固定的终端进行通信。可见个人通信的实现将使人类彻底摆脱现有通信网的束缚,达到无约束自由通信的最高境界。,1.3 移动通信的分类,在移动通信中有多种分类方法:(1)按信号形式,通信网络可分为模拟网和数字网;(2)按服务范围,通信网络可分为专用网和公用网;(3)按区域规划,通信系统可分为大区制和小区制;(4)按数据传输方式可分为单工、双工和半双工;(5)按移动台的使用形式可分为便携式、手提式和车载式;(6)按多址方式可分为频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA);(7)按实际应用可分为无线寻呼系统、蜂窝移动通信系统、无绳电话系统、集群移动通信系统和移动卫星通信系统等。,1.3.1 移动通信的服务区域 1.大区制 大区制概念的提出早于小区制,主要为早期的通信系统所采用,满足了当时系统中小容量的需求。大区制是指把一个通信服务区域仅规划为一个或少数几个无线覆盖区,简称无线区。所谓无线区是指当基站采用全向天线时,在无障碍物的开阔地,以通信距离为半径所形成的圆形覆盖区。每个无线区的半径在2545 km左右,用户容量为几十至数百个。每个无线区仅为一个基站所覆盖,基站基本上是相互独立的。,图 1-2 借助市话交换局的大区制移动通信示意图,大区制的缺点是:由于一个基站所能提供的信道数有限,因而系统容量不高,不能满足用户数目日益增加的需要,这是由制式本身决定的,无法克服。移动台的天线低,发射功率受限,在大的覆盖区内,上行链路(由移动台到基站)的通信就无法保证了,为此,常采用分集接收技术。即在服务区内设置若干个分集接收点Rd与基站相连(如图1-3所示),以保证上行链路的通信质量。大区制只适合于在中小城市或专用移动网等业务量不大的情况下使用。为了适应大城市或更大区域的服务要求,必须采用小区制组网方式,以在有限的频谱条件下,达到扩大容量的目的。,图1-3 采用分集接收台的示意图,2.小区制 根据服务区域的形状不同,小区制又可分为带状区和面状区(蜂窝网)等。面状区的蜂窝网结构又可分为宏蜂窝结构、微蜂窝结构以及智能蜂窝结构三种。小区制是指把一个通信服务区域分为若干个小无线覆盖区,每个小区的半径在220 km左右,用户容量可达上千个。每个小区设置一个基站,负责本区移动台的联系和控制,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。每个小区只需提供较少的几个无线电信道(一个信道组)就可满足通信的要求,邻近的小区使用不同的信道组。,小区中的基站天线采用全向天线,在理想情况下,它覆盖的面积可视为一个以基站为中心,以最大可通信距离为半径的圆。为了不留空隙地覆盖整个面状服务区,各个圆形覆盖区之间一定存在很多重叠区。通过理论分析,通信系统现在大都采用与圆形较接近的正六边形作为小区的形状结构,因为这种结构既避免了相邻覆盖区间的重叠,又不会产生空隙,区域衔接更紧密,产生的相互干扰更小。又由于该结构看上去像是蜂窝,所以称其为“蜂窝式移动通信”。蜂窝结构示意图如图1-4所示。,图 1-4 蜂窝结构示意图,小区制结构的最大特点是:采用信道复用技术,大大缓解了频率资源紧缺的问题,提高了频率利用率,增加了用户数目和系统容量。所谓信道复用技术指的是:相邻小区不使用相同的信道组,但相隔几个小区间隔的不相邻小区可以重复使用同一组信道,以充分利用频率资源。不使用同一组信道的若干个相邻小区就组成了一个区群(图中的阴影区域即为一个区群),即整个通信服务区也可看成是由若干个区群构成的。小区制结构的另一特点是:信道距离缩短,发射机功率降低,于是互调干扰亦减小。,小区制结构也存在着一些问题:由于信道复用,可能产生同信道干扰,这就涉及到一些相关技术:分集接收技术、功率控制技术、小区半径最优化技术等。信道复用带来的另一问题是:当移动台从一个小区驶入另一个无线区时,即越区过程中必须进行信道自动切换,以保证移动台越区时通话不间断,这又涉及到了越区切换技术。为此,还要及时掌握移动台动态位置位置登记技术。另外,为进一步提高信道的利用率和通信的质量,可以采用码分多址(CDMA)方式和信道动态分配方法等。,1.3.2 移动通信的传输方式,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1-5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。,图 1-5 单工通信,同频单工是指通信双方在相同的频率f1上由收发信机轮流工作。平时双方的接收机均处于收听状态,当某方需要发话时,即按下发话按钮,关掉自己的接收机而使发射机工作,此时由于对方的接收机仍处于收听状态,故可实现通信。这种操作通常称为“按-讲”方式。同频单工的优点是:仅使用一个频率工作,能够最有效地使用频率资源;由于是收发信机间断工作,线路设计相对简单,价格也便宜。其缺点是:通信双方要轮流说话,即对方讲完后我方才能讲话,使用不方便。异频单工是指通信双方的收发信机轮流工作,且工作在两个不同的频率f1和f2上。例如基站以f1发射,移动台以f1接收,而移动台以f2发射,基站以f2接收。异频单工只是在有中转台的无线电通信系统中才使用。,2.双工通信,图 1-6 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。,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,如图1-7所示。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。,图 1-7 半双工通信,1.3.3 移动通信系统的分类 1.无线寻呼系统 据CCIR的建议,无线寻呼系统可定义为一种非语言单向告警个人选择呼叫系统。即通过此系统,通信的一方借助于市话电话机能够向特定的寻呼接收机持有者传递一些简单的个人信息。在无线寻呼系统中应用的寻呼接收机称为袖珍铃,俗称“BB机”。当接收到信息时,袖珍铃以告警的形式通知其持有者。告警方式包括声音、视觉、振动或是这几种方式的结合。每个袖珍机都有其特定的“地址编码”,只有真正发送给它的信息,持有者才能接收到;同样,只有知道了特定的“地址编码”,才能向特定的袖珍机发送信息。,图 1-8 无线寻呼系统网络结构,2.集群移动通信系统 集群移动通信系统也称大区制移动通信系统。CCIR最初称之为Trunking System(中继系统),为了避免与无线中继系统混淆,后又改称集群系统。集群系统是一种高级移动调度系统,是指挥调度最重要和最有效的通信方式之一,代表着专用移动通信网的发展方向。CCIR对它的定义为“系统所具有的全部可用信道可为系统的全体用户共用”。即系统内的任一用户想要和系统内另一用户通话,只要有空闲信道,就可以在中心控制台的控制下,利用空闲信道沟通联络,进行通话。从某种意义上讲,集群通话系统是一个自动共享若干个信道的多信道中继(转发)通信系统。它与普通多信道共用的通信系统并无本质的区别,只是更适用于对指挥调度功能要求较高的专门部门或企事业单位。其特点是:资源共享、费用分担、服务优良、效率高、造价低。,图 1-9 集中式控制方式的单区系统,3.陆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的网络结构图如图1-10所示。,图 1-10 陆地蜂窝移动通信系统网络结构,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。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(Public Land Mobile Network)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。,4.移动卫星通信系统 卫星通信的发展经历了如下几个阶段:国际卫星通信、国内卫星通信、VSAT(Very Small Aperture Terminal)卫星通信、当今的移动卫星通信和未来的空间信息高速公路。所谓移动卫星通信是指以通信卫星为中继站,在较大地域及空间范围内实现移动台与固定台、移动台与移动台以及移动台或固定台与公众网用户之间的通信。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。,图 1-11 移动卫星通信系统,移动卫星通信系统主要分为两大类:(1)同步轨道移动卫星通信系统。其特点是移动终端在移动,卫星是相对静止的(卫星与地球同步自转),因而又称静止轨道移动卫星通信系统(GEO)。典型的系统有美国的MSAT、澳大利亚的MOBILESAT等。,(2)中、低轨道移动卫星通信系统(MEO、LEO)。其特点是移动终端相对静止(相对移动中的卫星而言),因而又称非同步轨道移动卫星通信系统。典型的中轨道系统有ICO系统;典型的低轨道系统有Motorola公司的lridum(铱)系统和Qualcomm等公司的Globalstar(全球星)系统。这类系统更适合于手持终端的通信。移动卫星通信系统的特点是:覆盖范围广，用户容量大，通信距离远且不受地理环境限制，质量优，经济效益高等。目前移动卫星通信系统主要应用于大型远洋船舶的位置测定、导航和海难救助;移动无线电;无线电寻呼等。在IMT-2000提案中,有6个关于移动卫星通信的提案,基于这些提案的一些实验系统正在开发之中。,5.无绳电话系统 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。无绳电话系统采用的是微蜂窝或微微蜂窝无线传输技术。无绳电话系统经历了从模拟到数字,从室内到室外,从专用到公用的发展历程,最终形成了以共用交换电话网(PSTN)为依托的多种网络结构。20世纪70年代出现的无绳电话系统称为第一代模拟无绳电话系统(CT-1),亦称子母机系统,仅供室内使用,由于采用模拟技术,通话质量不很理想,保密性也差;,20世纪80年代后期开始使用的无绳电话系统称为第二代数字无绳电话系统(CT-2),由于采用数字技术,通话质量和保密性得以大大改善,并逐步向网络化、公用化方向发展;20世纪90年代中期出现的新一代的无绳电话系统,具有容量大、覆盖面宽、支持数据通信业务等特点,其典型的代表有:泛欧数字无绳电话系统(DECT,Digital European Cordless Telephone)、日本的个人手持电话系统(PHS,Personal Handyphone System)和美国的个人接入通信系统(PACS,Personal Access Communication System)。,图 1-12 无绳电话系统示意图,无绳电话系统具有容量大、发射功率小、技术简单、应用灵活、成本低廉等特点。无绳电话系统除用作有线市话的补充或延伸之外,还可实现多种数据业务:数字传真、可视图文、可视电话等。通过数字无绳系统,可以很方便地建立无线局域网络,如果借助于一些外加设施,还可以开展互联网业务。一般认为,无绳电话技术、蜂窝网技术和低轨道卫星移动通信技术构成了个人通信网的基础。,1.4 移动通信系统的组成及特点,1.系统组成 移动通信系统主要由移动台(MS,Mobile Station)、基地站(BS,Base Station)、移动业务交换中心(MSC,Mobile Telephone Switching Center or Mobile Services Switching Center)以及传输线四个部分组成,如图1-13所示。,图 1-13 移动通信系统的组成,移动台有便携式、手提式、车载式三种。所以说移动台不单指手机,手机只是一种便携式的移动台。基地站是以多信道共用方式在移动通信中提供通信服务的关键设备,其中主要由收发信道盘等组成。移动业务交换中心除具有一般市话交换机的功能之外,还有移动业务所需处理的越区切换、漫游等处理功能。传输线部分主要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。,2.系统特点 1)电波传播条件复杂 在移动通信系统(特别是陆地移动通信系统)中,由于移动台可能在各种环境中不断运动,建筑群或障碍物对其的影响不断变化,电磁波在传播时会产生反射、折射、绕射等现象,由此会产生多径干扰、信号传播延迟和展宽及多卜勒等效应,从而导致接收信号的强度和相位随时间、地点而不断变化。只有充分研究电波传播的规律,才能进行合理的系统设计。,所谓多卜勒效应指的是当移动台(MS)具有一定速度v的时候,基站(BS)接收到移动台的载波频率将随v的不同,产生不同的频移。反之也如此。移动产生的多卜勒频率为,式中,v为移动体速度,为工作波长,为电波入射角(如图1-14所示)。此式表明,移动速度越快,入射角越小,则多卜勒效应就越严重。,图 1-14 多卜勒效应示意图,2)噪声和干扰严重 通信质量的好坏与外部的噪声及干扰有关。噪声的主要来源是人为噪声,如来源于城市环境中交通工具的噪声,房屋装修过程中的噪声及各种的工业噪声。干扰的主要来源有由设备中器件的非线性特性引起的互调干扰,由移动台“远近效应”引起的邻道干扰及同频复用所引起的同频干扰等。因此,在系统设计时,应根据具体情况,采取相应的抗干扰和噪声的措施。,3)频带利用率要求高 移动通信,特别是陆地移动通信的用户数量很大,为了缓和用户数量大与可利用的频率资源有限的矛盾,除了开发新频段之外,还要采取各种措施以图更加有效地利用频率资源,如压缩频带、缩小波道间隔、多波道共用等,即采用频谱和无限频道有效利用技术。,4)移动台的移动性强 由于移动台的移动是在广大区域内的不规则运动,而且大部分的移动台都会有关闭不用的时候,它与通信系统中的交换中心没有固定的联系,因此,要实现通信并保证质量,移动通信必须是无线通信或无线通信与有线通信的结合,而且必须要发展自己的跟踪、交换技术,如位置登记技术、波道切换技术、漫游技术等。,5)通信设备的性能要好 不同的移动通信系统有不同的特点,这也是对通信设备性能要求的依据。在陆地移动通信系统中,要求移动台体积小、重量轻、功耗低、操作方便。同时,在有振动和高、低温等恶劣的环境条件下,要求移动台依然能够稳定、可靠地工作。,6)系统和网络结构复杂 移动通信系统是一个多用户的通信系统,必须使用户之间互不干扰,能够协调一致地工作。此外,移动通信系统还应与公用电话网(PSTN)、综合业务数字网(ISDN)等互连。,1.5 移动通信的频率分配,1.5.1 频率资源简介,表 1-1 频段的划分及主要用途,1.5.2 频率分配现状及发展趋势(1)1979年,国际电信联盟(ITU)首次给陆地移动通信划分出主要频段。根据ITU的规定,1980年我国国家无线电管理委员会制定出陆地移动通信使用的频段(以900 MHz为中心)。集群移动通信:806821 MHz(上行);851866 MHz(下行)。军队:825845 MHz(上行);870890 MHz(下行)。大容量公用陆地移动通信:890915 MHz(上行);935960 MHz(下行)。此时,我国大容量公用陆地移动通信采用的是TACS体制的模拟移动通信系统,相邻频道间隔为25 kHz。,(2)为支持个人通信发展,1992年,ITU在世界无线电管理大会(WARC92)上,对工作频段作了进一步划分:未来移动通信频段 17102690 MHz在世界范围内可灵活应用,并鼓励开展各种新的移动业务。18852025 MHz和21102200 MHz用于IMT-2000系统,以实现世界范围的移动通信。移动卫星通信频段 小低轨道移动卫星通信:148149.9 MHz(上行);137138 MHz、400.15401 MHz(下行)。大轨道移动卫星通信:16101626.5 MHz(上行);2483.52500 MHz(下行)。,第三代移动卫星通信:19802010 MHz(上行);21702200 MHz(下行)。1995年,修改为19802025 MHz(上行);21602200 MHz(下行)。此时,我国大容量公用陆地移动通信采用的是GSM体制的数字移动通信系统,相邻频道间隔为200kHz。上行链路采用905915 MHz频段,下行链路采用950960 MHz频段。随着业务的发展,可据需要向下扩展,相应缩小模拟公用移动电话网的频段(890905 MHz,935950 MHz)。,(3)2000年,ITU在世界无线电管理大会(WARC2000)上,为IMT-2000重新分配了频段,标志着建立全球无线系统新时代的到来。这些频段是805960MHz、17101885MHz和25002690 MHz。目前各国在应用以800/900 MHz频段为主的大容量模拟和数字蜂窝移动通信的基础上,正在开发研制13 GHz频段能够用于个人通信的移动通信设备,并且已经有大量1800 MHz频段的通信产品供应市场。预计近几年,第三代移动通信系统和手持机将大规模地进入世界范围的市场。,1.6 移动通信中的基本技术,1.6.1 电波传播,图 1-15 移动通信系统中的电波传播,1.电波传播方式,图 1-16 移动通信电波传播方式示意图,1)直射波 电波传播过程中没有遇到任何的障碍物,直接到达接收端的电波,称为直射波。直射波更多出现于理想的电波传播环境中。2)反射波 电波在传播过程中遇到比自身的波长大得多的物体时,会在物体表面发生反射,形成反射波。反射常发生于地表、建筑物的墙壁表面等。,3)绕射波 电波在传播过程中被尖利的边缘阻挡时,会由阻挡表面产生二次波,二次波能够散布于空间,甚至到达阻挡体的背面,那些到达阻挡体背面的电波就称为绕射波。由于地球表面的弯曲性和地表物体的密集性,使得绕射波在电波传播过程中起到了重要作用。4)散射波 电波在传播过程中遇到障碍物表面粗糙或者体积小但数目多时,会在其表面发生散射,形成散射波。散射波可能散布于许多方向,因而电波的能量也被分散于多个方向。,2.电波传播现象,图 1-17 移动通信电波传播路径损耗和多径衰落,移动通信电波传播最具特色的现象是多径衰落,或称多径效应。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合成信号,因而会产生信号的频率选择性衰落和时延扩展等现象,这些被称为多径衰落或多径效应。所谓频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率有关,即传输信道对信号中不同频率成分有不同的、随机的响应。由于信号中不同频率分量衰落不一致,因此衰落信号波形将产生失真。,所谓时延扩展是指由于电波传播存在多条不同的路径,路径长度不同,且传输路径随移动台的运动而不断变化,因而可能导致发射端一个较窄的脉冲信号s0(t)=a0(t)在到达接收端时变成了由许多不同时延脉冲构成的一组信号。时延扩展可直观地理解为在一串接受脉冲中,最大传输时延和最小传输时延的差值,即最后一个可分辨的延时信号与第一个延时信号到达时间的差值,记为。实际上,就是脉冲展宽的时间。时延扩展示意图如图1-18所示。,图 1-18 时延扩展示意图,移动台接收信号的强度随移动台的运动产生随机变化(即衰落),这种变化的周期从几分之一秒至几小时不等。因此移动通信电波传播中的衰落又常分为慢衰落和快衰落两种。慢衰落(也称长期衰落)指的是接收信号强度随机变化缓慢,具有十几分钟或几小时的长衰落周期。慢衰落主要是由电波传播中的阴影效应以及能量扩散所引起的,具有对数正态分布的统计特性。快衰落(也称短期衰落或多径衰落)指的是接收信号强度随机变化较快,具有几秒钟或几分钟的短衰落周期。快衰落主要是由电波传播中的多径效应所引起的,具有莱斯分布或瑞利分布的统计特性。当发射机和接收机之间有视距路径时一般服从莱斯分布,无视距路径时一般服从瑞利分布。,路径损耗是上述现象的一个综合结果,指的是信号从发射天线经无线路径传播到接收天线时的功率损耗,可以用发射天线的绝对功率电平与接收天线的绝对功率电平之差值来表示。路径损耗的一个主要原因是电波会随着距离而扩散,从而使接收机的接收功率随着传输距离的增加而减小;路径损耗的另一个原因是地表以及地表上的各种障碍物的影响。因而,影响路径损耗的几点要素是:传输距离、天线高度和频率间隙等。例如,发射机的功率电平是10 dB,若路径损耗为50 dB,则接收机的接收功率电平是-40 dB。,3.电波传播的分类 当电波频率、移动体和电波传播环境不同时,电波传播特性也不相同。在对电波传播特性进行研究时,可以根据电波的频率分为甚低频(VLF)、低频(LF)、中频(MF)、高频(HF)、甚高频(VHF)、特高频(UHF)和更高频(超高频、极高频等)几种情况。其中甚高频和特高频是目前移动通信电波传播研究工作应侧重的频段。电波传播也可以根据移动通信系统的类型,分为陆地移动通信的电波传播、海上移动通信的电波传播、空中移动通信的电波传播和卫星移动通信的电波传播等。而陆地移动通信的电波传播又可分为自由空间电波传播、建筑物内电波传播、隧道内电波传播、小区(微小区、微微小区)电波传播等。,图 1-19 不同途径的电波传播示意图(a)沿地球表面传播的地波;(b)沿空间直射或经地表反射传播的空间波;(c)沿空间经电离层反射或折射传播的空间波,1)地形的分类与定义 各种各样的地形可归结为两大类:准平坦地形和不规则地形。所谓准平坦地形是指在电波传播路径上,地面起伏平缓,起伏高度不超过20 m,峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度的地形。当然,平坦地形也包括在这一类中。所谓不规则地形是指除准平坦地形之外的所有地形,如丘陵、孤立山岳、倾斜地带和水陆混合地形等。,2)地物的分类与定义(1)开阔地。呈开阔状地面,在电波传播的路径上无高大树木或建筑物,或在400 m内没有任何阻挡物的场地,如荒野、广场、沙漠和戈壁滩等。在这种情况下,到达接收端的大都是直射波,相当于电波在自由空间中传播的情况。(2)郊区。在电波传播的路径上有些高度较低且分布稀疏的障碍物,如果木林,郊区公路网和树木、房屋稀少的田园地带等。(3)市区。有密集的建筑物和较多的高层楼房区域,如城市市区和茂盛林区等。,4.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。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+20 lgf,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。,从上式可看出,传播距离d越远,自由空间路径损耗Lbs越大,当传播距离d加大一倍时,自由空间路径损耗Lbs就增加6dB;电波频率f越高,自由空间路径损耗Lbs就越大,当电波频率f提高一倍时,自由空间传播损耗Lbs就增加6 dB。在无线电传播中,自由空间传播是最简单的形式。当讨论其他传播方式时,常用自由空间传播作为参考。,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,称为穿透传播。穿透传播会造成穿透损耗。穿透损耗可定义为建筑物室外场强与室内场强之比(用dB表示)。影响穿透损耗的几点要素有建筑物结构(砖石、钢筋混凝土、土等)和建筑物厚度、电波频率、楼层高度、进入室内的深度等。简单来说,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;建筑物厚度大的穿透损耗比厚度小的低;电波频率越高,穿透能力越强,越容易通过门窗到达室内,越有利于在建筑物内部传播;楼层越高,穿透损耗越小;建筑物内的损耗随电波穿透深度(即进入室内的深度)而增大。,5.电波传播的估算 对移动环境中电波传播特性的研究,可以采用两种方法:理论分析方法和实测分析方法。理论分析方法通常用射线表示电磁波束的传播,在确定收发天线的高度、位置和周围环境的具体特征后,可根据直射、折射、反射、散射、透射等波动现象,用电磁波理论计算电波传播路径损耗及有关信道参数。实测分析方法是在典型的传输环境中进行现场测试,并用计算机对大量实测数据进行统计分析。这两种方法最终都要建立有普遍适用性的数学模型,以进行传播预测。在实际工作中,人们往往把二者结合起来,从而能够实现对电波传播特性更准确的估算。,目前,常用的电波传播模型有OkumuraHata模型和WalfishIkegami模型。OkumuraHata模型由国际无线电咨询委员会(CCIR)推荐,其特点是以准平坦地形城市市区环境作为基准,对其他传播环境和地形条件等因素分别以校正因子的形式进行修正。OkumuraHata模型中值路径损耗经验公式为,Lb69.5526.16 lgf-13.82lghb-(hm)(44.9-6.55 lghb)lgd,其中,Lb为市区准平滑地形电波传播损耗中值(dB),f是工作频率(MHz),hb是基站天线有效高度(m),hm是移动台天线有效高度(m),d为移动台与基站之间的距离(km),(hm)是移动台天线高度因子。,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。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。,1.6.2 编码与解码,在发送端,把经过采样和量化后的模拟信号转变成数字脉冲信号的过程,称为编码。以典型的二进制编码为例:以n位(bit)二进制数的不同排列组合来表示已经量化了的不同的样值。一种排列组合,即一个二进制数码组,对应一个量化值,然后以二值脉冲的形式把这些数码组表示并连接起来,就形成了数字信息流,即转变成了数字信号形式。在接收端,把数字信号还原为原始模拟信号的过程就叫做解码,解码是编码的反过程。,通过将模拟信号转换成数字信号的编码过程,通信系统能够获得如下的益处,这也是数字通信替代模拟通信的主要原因:(1)抗干扰能力增强。(2)传输距离可以无限延长。(3)可以实现各种通信业务的综合传送。(4)便于通信和计算机的融合。(5)便于实现保密通信。(6)便于实现计算机管理;,在通信系统中,基于不同的目的,编码可以分为信源编码和信道编码两大类。所谓信源编码是指将信号源中多余的信息除去,从而形成一个适合用来传输的信号的过程。信源编码的目的是提高系统传输效率,去除冗余度。所谓信道编码是指为了减小衰落和抑制信道噪声对信号的干扰,把信号编码进行重新排列或是给信号编码增加冗余的纠、检错码的过程。信道编码的目的主要有两点:使码列的频谱特性适应信道的频谱特性,从而使传输过程中能量损失最小,提高信号能量与噪声能量的比例(Eb/N0),减小发生差错的可能性,提高传输效率。增加纠错能力,使得即便出现差错,也能得到纠正。总的来讲,信源编码是为了提高系统传输的有效性,信道编码是为了提高系统传输的可靠性。,1.信源编、解码 通信信源中的模拟信号主要是话音信号和图像信号,而移动通信中最多的信号是话音信号,因而语音编码技术在数字移动通信中具有相当重要的作用。语音编码技术可以直接影响到数字移动通信系统的通信质量、频谱利用率和系统容量。语音编码属于信源编码,是指利用话音信号及人的听觉特性上的冗余性,在将冗余性进行压缩(信息压缩)的同时,将模拟话音信号转变为数字信号的过程。语音编码是从模拟系统到数字系统至关重要的一步。语音编码的目的是在保证一定的算法复杂度和通信时延的前提下,占用尽可能少的信道容量,传输尽可能高质量的话音信号。,移动通信中采用的语音编码方法主要取决于无线移动信道的条件:由于频率资源十分有限,因此要求编码信号的速率较低;由于移动信道的传播条件恶劣,因而编码算法应有较好的抗误码特性