第一章移动通信概述.ppt

数字移动通信原理,参考书,1、移动通信原理与系统，啜钢、王文博等编著，北京邮电大学出版社。2、移动通信原理与应用技术，啜钢、李卫东编著，人民邮电大学出版社3、第三代移动通信，张玉艳 方莉编著，人民邮电大学出版社，2009。,第一章移动通信概述,移动通信的概念移动通信的发展移动通信的基本特点工作频段分类及应用系统发展趋势,一、移动通信的概念,移动通信系指通信双方或至少一方是处于移动中进行信息交换的通信方式。包括固定点与移动体（车辆、船舶、飞机）之间、移动体之间、移动的人之间的通信，都属于移动通信的范畴。移动通信涵义的关键点就在于“动中通”，它的突出特点是移动性，主要表现在终端的移动性、业务的移动性以及个人身份（如SIM卡）的移动性上。移动通信是有线、无线相结合的通信方式无线接入有线或无线传输计算机控制,移动通信的基本概念,移动通信的范畴,移动通信系统结构,基站控制器,基站控制器,交换中心,用户部分,接入网部分,核心网,EIR,VLR,HLR/AUC,基站,基站,基站,基站,用户,用户,基站的组成,一个基站的构成不是单纯的由BTS组成，还要包括：铁塔天馈系统，电源设备，电池组，空调设备，传输设备，环境监控等。,二、移动通信的发展,先驱者：1946年第一个推出移动电话AT&T,技术驱动,AMPS,TACS,NMT,其它,第一代 80年代,模拟,模拟调频频分多址,第三代,IMT-2000,UMTS,WCDMA,cdma,2000,TD-SCDMA,宽带数字码分/时分多址,二、移动通信的发展,第四代2015,LTE,OFDM/MIMO,第一代模拟蜂窝通信系统,二、移动通信的发展,基本的小区类型,超小区：小区半径r20km，适于人口稀少的农村地区。宏小区：小区半径r120km，适于高速公路和人口稠密的地区。微小区：小区半径r0.11km，适于城市繁华区段。微微小区：小区半径r0.1km，适于办公室、家庭等移动应用环境。,二、移动通信的发展,1G代表系统：北美的AMPS（高级移动电话业务）英国TACS(全接入通信系统)北欧NMT（北欧移动电话）缺点：各系统间没有公共接口。数字承载业务难于开展。频率利用率低，无法适应大容量的要求。安全利用率低，易于被窃听。优点：采用蜂窝技术，同频复用提高系统容量，组网方便。,011100010100011001,011100010100011001,011100010100011001,011100010100011001,01110001010001100111100000001011,第二代数字系统2G90年代登上舞台,二、移动通信发展历程,二、移动通信的发展,2G代表系统：TDMA泛欧GSM（Group Special Mobile/Global System for Mobile Communications）美国D-AMPS日本PDCCDMA高通公司为首的基于IS-95的N-CDMA,二、移动通信的发展,优点：频谱利用率高,话音质量高容量大:比TACS高35倍提供窄带ISDN业务标准化程度高,开放接口:安全性高:TMSI,鉴权,加密可以与ISDN,PSTN互联可以在SIM卡基础上实现漫游缺点：数据功能差，不能支持多媒体业务。如使用GSM 手机上网，理论上只能达到9.6k 的上网速度。全球不同的第二代移动通信系统彼此间不能兼容，使用的频率也不一样，全球漫游比较困难。,引入GPRS后,全面提升分组数据通信的速率,达到115Kbit/s,最高可达171Kbit/s,二、移动通信的发展,用户密度急剧增长数据业务需求不断提高2G系统受空中接口及网络能力的限制，难以满足市场的需求。,二、移动通信的发展,二、移动通信的发展,IMT-2000的主要目标和要求IMT-2000 意指工作在2000MHz频段并在2000年左右投入商用的国际移动通信系统（International Mobile Telecom System），它既包括地面通信系统也包括卫星通信系统。基于IMT-2000的宽带移动通信系统称为第三代移动通信系统，简称为3G，它将支持速率高达2Mbps的业务，而且业务种类将涉及话音、数据、图像以及多媒体等业务。,二、移动通信的发展,第三代IMT-2000的三大特点：无缝的全球漫游。高速传输。无缝业务传递，即在固定网、移动网和卫星网上均能互通。,IMT-2000地面无线接口标准(5种),IMT-2000的发展,2000年5月，国际电信联盟-无线标准部（ITU-R）最终通过IMT-2000无线接口规范（M.1457），包括：美国电信工业协会（TIA）提交的cdma2000；欧洲电信标准化协会（ETSI）提交的WCDMA；中国电信科学技术研究院（CATT）提交的TD-SCDMA,最终形成最具代表性的IMT-2000的三种主流标准：WCDMA，cdma2000 和 TD-SCDMA。这三种标准均采用CDMA技术。,IMT-2000的三种主流标准,二、移动通信的发展,Mobile Communication Theory,二、移动通信的发展,二、移动通信的发展,图1-1 4G网络结构,二、移动通信的发展,军用 民用；低频 高频；窄带宽带；单一业务多业务1G 2G(2.5G)3G 4G1989年：TACS1994年：GSM2001年：GPRS、IS-95 CDMA 模拟网关闭2008年：3G商用建设阶段2012年：TD-LTE实验网,移动通信技术的演进路线,CDMA,OFDMA,TDMA,WCDMA,HSPA,LTE-Advanced(包括,目前，形成了LTE FDD、TD-LTE、WiMAX竞争的新格局,LTE-FDD峰值速率35/75Mbps小区吞吐量8.65/16.31Mbps,TD-LTE峰值速率28/84Mbps小区吞吐量9.8/20.4Mbps,EV-DO Rel.0 D0 Rel.A峰值速率1.8/3.1Mbps小区吞吐量,0.4/0.8Mbps,峰值速率：5.76/14.4Mbps小区吞吐量：1.5/2.5MbpsTD-SCDMA TD-HSPA峰值速率：0.55/1.68Mbps小区吞吐量：0.36/1Mbps,TD-LTE Ad)峰值速率500Mbps1Gbps,Mobile WiMAX802.16e 峰值速率33/75Mbps,802.16m 峰值速率500Mbps1Gbps,2GGPRS/EDGE,3G,3.9G,4G,cdma20001x3GPP2阵营(CDMA),WiMAX阵营,峰值速率0.47/0.47Mbps小区吞吐量0.47/0.47Mbps3GPP阵营(GSM),GSM系统的增强和标准的演进,GSMGSM Circuit Switched Data(CSD)9600 bpsGPRS(General Packet Radio Service)提供的最高数据速率达 172 kbpsEDGE(Enhanced Data rates for GSM evolution)提供的最高数据速率达 384 kbpsEDGE技术的特点引入新的调制方式8PSK（8相相移键控）引入新的编码方式MCS编码方式,采用新的MCS-19编码方式引入LA链路自适应功能引入IR递增冗余重传机制 对链路层RLC/MAC协议进行修改，完善了链路质量控制算法,GSM网络结构,BSC,Radio interface,OSS,SS#7BSSAP(BSSMAP,DTAP),SS#7TUP,ISUP,SS#7MAP,X25GSM12.20,SS#7ISUP,MAP,BSC,GPRS网络结构,GSM/GPRS网络结构,PCU,GGSN,CG,SGSN,DNS,GPRS Core Network,PSTN Network,Billing Center,HLR/Auc/EIR,SMS-GMSC/IWMSC,EDGE BTS,TE,MT,MS,EDGE BSC,MSC/VLR,PDN,EDGE PCU,SS7 Network,EDGE BSS在GSM/GRPS网络中的位置,GPRS Backbone,A,Pb,Gb,Um,Gi,EDGE网络结构,PCU：分组控制单元,EDGE对现存GSM/GPRS的影响,物理层新的调制编码方案冗余增量RLC/MAC链路自适应：测量报告、重分段、新头信息部分增加RLC窗口大小新的ACK/NACK机制移动性管理：EGPRS 多时隙 class8PSK 功率控制无线资源管理：建立维护临时块流(8-PSK,IR)信令支持RLC链路质量控制和测量过程,基站软件升级使新协议生效,EDGE是GPRS网络的增加(新的调制技术和信道编码)不能单独工作GPRS和EGPRS在基站侧有不同的协议,升级方式,BSC进行软件升级,PCU进行软件升级,BTS硬件升级，使用新的EDGE TRX，其余部分进行软件升级,TD-SCDMA网络结构,AuC,GGSN,Other PLMN,SGSN,GGSN,Node B,Node B,Iu-CS,RNC,Iu-PS,Gb,A,Gs,Gr,Gn,Gc,C,D,Gp,Iub,Uu,RNC,Iur,CS域,PS域,Node B,Iub,Nb,Nc,MGW,GMSC Server,Mc,MSC Server/VLR,Mc,H,HLR,MGW,Gi,R4系统结构,RNC,TD-SCDMA一期工程网络设备形态,Iub,ATM,Iu-PS,Iu-CS,ATM,ATM,TD-SCDMA近期网络设备形态,RRU,开放Iub接口,IP,上跳线,双极化天线,TD-SCDMA网络设备后续演进,MGW/SGSN,RRU/室外功放单元/中频远端单元,绝大部分厂商基于IP交换平台，集成度和处理能力大大提升,eNode B,TD-SCDMA与TD LTE异频段,TD-SCDMA与TD LTE同频段,TD-SCDMA/TD-LTE网络形态演进,LTE简介,LTE与现有3GPP的R6、R7系统结构上有很大不同，E-UTRAN在整个体系上趋于扁平化，减少了中间节点数量。这种系统结构和体系的改变使得LTE较现有UTRAN结构接口减少同时降低了成本，并且更易于对设备进行维护管理；在性能上便于减少数据传输延迟的实现。LTE主要实现的目的是提供用户：更高的数据速率、更高的小区容量、更低的延迟时间、降低用户以及运营商的成本。三高(高速、高移动性、高频谱效率)、两低，一平,LTE全网架构,网络结构扁平化 E-UTRAN只有一种 网元E-Node B,全IP 媒体面控制面分离 与传统网络互通,功能平扁化，去掉RNC的物理实体，把部分功能放在了E-NodeB，以减少时延和增强调度能力（如，单站内部干扰协调，负荷均衡等，调度性能可以得到很大提高）在SAE体系结构中，RNC部分功能、GGSN、SGSN 节点将被融合为一个新的节点,即分组核心网演进EPC部分。这个新节点具有GGSN、SGSN 节点和RNC 的部分功能，如下图所示由MME和SAE gateway两实体来分别完成EPC的控制面和用户面功能。,LTE 网络构架,MME/S-GW,MME/S-GW,X2,S1,EPC,E-UTRAN,EPS,eNode B,X2,X2,eNode B,eNode B,Uu,E-UTRAN中只有一种网元eNode B演进分组核心网EPC演进分组系统EPS,三、移动通信的特点,利用无线电波进行信息传输复杂的无线传播环境导致信号衰落在强干扰环境（外部干扰+自身干扰）下工作通信容量有限有效利用频率的措施：窄带化、缩小频带间隔、频道重复利用等对移动台要求高通信系统复杂,电波传播条件恶劣，存在严重的多径衰落 多径传播条件：地形、地物（建筑物）多径衰落传播的途径不同，到达接收点时的幅度和相位都不一样，移动台在行进途中接收信号的电平起伏不定可能严重地影响通话质量 要求：在移动通信系统设计时，必须具有一定的抗衰落能力和储备,三、移动通信的特点,具有多普勒效应相对速度-相对频移要求：采用锁相技术（VCO）存在阴影（盲区）信号被吸收或反射要求：在网络规划设置基站时必须予以充分的考虑 用户经常移动，与BS无固定联系要求：采用跟踪交换技术位置登记、越区切换、漫游,三、移动通信的特点,自 身 干 扰,互调干扰,邻道干扰,同频干扰（蜂窝系统特有）,三、移动通信的特点,阴影效应类似于阳光受到建筑物的阻挡产生阴影一样，电磁波在传输过程中，受到建筑物的阻挡，信号只有少部分传送到接收地点，使接收信号的电平起伏变化，即产生阴影效应。多普勒效应由于移动通信常常在快速移动中进行，当移动速度达到70km/h以上时，接收信号的频率随着速度和信号入射角而变化，使接收信号的电平起伏变化，即出现多普勒效应。,三、移动通信的特点,远近效应由于通信用户和接收设备的距离是随机变化的，当距离近时接收信号强，当距离远时接收信号弱，距离的变化会使接收信号的电平起伏；另外，由于通信系统是在强干扰下工作的，如果距离近处的信号是干扰信号，则在接收端会发生强干扰信号压制远处弱有用信号的现象。乒乓效应如果在一定区域里两基站信号强度剧烈变化,手机就会在两个基站间来回切换,产生所谓的“乒乓效应”。在FDMA和TDMA系统中，所有的切换都是硬切换都是硬切换。当切换发生时，手机总是先释放原基站的信道，然后才能获得新基站分配的信道，是一个“释放建立”的过程，切换过程发生在两个基站过度区域或扇区之间，两个基站或扇区是一种竞争的关系。如果在一定区域里两基站信号强度剧烈变化，手机就会在两个基站间来回切换，产生所谓的乒乓效应。,三、移动通信的特点,乒乓效应一方面给交换系统增加了负担，另一方面也增加了掉话的可能性。在CDMA系统中，虽然是软切换，但是也会发生乒乓切换。除了信号的剧烈变化，参数设置不合理也会带来乒乓效应。在GSM中适当提高Penalty Time可以减少乒乓的发生。在3G系统中乒乓效应是指，由于参数设置的不合理导致某小区的导频信号离开激活集后又再次进入激活集的现象。,三、移动通信的特点,孤岛效应是基站覆盖性问题，当基站覆盖在大型水面或多山地区等特殊地形时，由于水面或山峰的反射，使基站在原覆盖范围不变的基础上，在很远处出现“飞地”，而与之有切换关系的相邻基站却因地形的阻挡覆盖不到，这样就造成“飞地”与相邻基站之间没有切换关系，“飞地”因此成为一个孤岛，当手机占用上“飞地”覆盖区的信号时，很容易因没有切换关系而引起掉话。,四、我国移动通信工作频段,原邮电部规定,IS-95CDMA,第三代移动通信工作频段,第三代移动通信系统主要工作在2000 MHz频段上，世界各国和地区频率分配的方式各不相同。,我国第三代移动通信系统的频率规划,五、移动通信的分类,五、移动通信的应用系统,蜂窝式公用移动通信系统集群调度移动通信系统无绳电话系统无线电寻呼系统卫星移动通信系统无线LAN/WAN,1、蜂窝移动通信系统,美国贝尔实验室等单位提出了蜂窝系统的概念，即将整个服务区域划分成若干个较小的区域（cell，在蜂窝系统中称为小区），各小区均用小功率的发射机（即基站发射机）进行覆盖，许多小区像蜂窝一样能布满（即覆盖）任意形状的服务地区。此类系统主要由终端子系统、基站子系统、网络子系统以及与其他（如PSTN等）的网络相连的中继线所组成。,特点,（1）有频率复用功能。（2）有越区切换功能。（3）可信道分配与小区分裂。（4）网络设备增多使系统的构成复杂。,1、蜂窝移动通信系统,蜂窝移动系统组成示意图,1、蜂窝移动通信系统,2、无绳电话系统,最早美国于1973年推出的商用无绳电话CT0，俗称子母电话机，主要用于家庭，是把普通的电话单机分成座机和手机两部分，座机与有线电话网连接，手机与座机之间用无线电连接，属于单信道接入系统。,1989年，英国提出了第二代数字无绳电话系统CT2,移动终端,CT-2基站,市话网,市话程控交换机,CT2系统示意图,2、无绳电话系统,3、无线电寻呼系统,寻呼通信是一种单向的移动通信系统，它以广大的程控电话网为依托，采用单向的无线电呼叫方式将主叫用户的信息传送给持机用户。,多区制本地寻呼网结构示意图,4、集群移动通信系统,集群系统使用多个无线信道为众多的用户服务，相当于将有线电话中继线的工作方式运用到无线电通信系统中，把有限的信道动态地、自动地、迅速地和最佳地分配给整个系统的用户，从而在最大程度上利用了整个系统信道的频率资源。集群移动通信系统是一种特殊的用户程控交换机，其呼叫方式为PTT（Push To Talk）。,集群通信系统示意图,4、集群移动通信系统,主要特点：（1）公用频率（2）共用设施（3）共同建网（4）共享覆盖区（5）共享通信业务（6）改善服务,4、集群移动通信系统,集群移动通信系统与蜂窝移动通信系统的对比,5、移动卫星系统,卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电波，在两个或多个地球站之间进行的通信。由于作为中继站的卫星处于外层空间，这就使卫星通信方式不同于其他地面无线电通信方式，而属于宇宙无线电通信的范畴。通信卫星按其运转轨道可分为运动卫星（非同步卫星）和静止卫星（同步卫星）。,用三颗卫星来实现全球覆盖,5、移动卫星系统,卫星通信示意图,5、移动卫星系统,主要优点：(1)通信距离远，且费用和通信距离无关；(2)工作频段宽，通信容量大，适用于多种业务传输；(3)通信线路稳定可靠，通信质量高；(4)以广播方式工作，具有大面积覆盖能力而通信灵活机 动；(5)可以自发自收进行监测。,5、移动卫星系统,6、无线局域网,无线局域网（Wireless LAN，简称WLAN），是一种利用无线方式，提供无线对等（如PC对PC、PC对集线器或打印机对集线器）和点到点（如LAN到LAN）连接性的数据通信系统。,WLAN有两种主要的拓扑结构，即自组织网络（也就是对等网络，即人们常称的Ad-Hoc网络）和基础结构网络（Infrastructure Network）。（1）自组织型WLAN。自组织型WLAN是一种对等模型的网络，它的建立是为了满足暂时需求的服务。自组织网络是由一组有无线接口卡的无线终端，特别是移动电脑组成。,6、无线局域网,自组织网络结构,6、无线局域网,（2）基础结构型WLAN。基础结构型WLAN利用了高速的有线或无线骨干传输网络。在这种拓扑结构中，移动节点在基站（BS）的协调下接入到无线信道，如图所示。,基础结构网络结构,6、无线局域网,WLAN利用电磁波在空气中发送和接收数据，而无需线缆介质。与有线网络相比，WLAN具有以下优点：,（1）移动性好、覆盖范围广。（2）安装快速灵活、扩展能力强。（3）开发运营成本低、回报高。（4）传输速率高、抗干扰性强。（5）安全性高。（6）受自然环境、地形及灾害影响小。,6、无线局域网,六、移动通信网的发展趋势,移动业务走向数据化（即数据业务）和分组化（如GPRS）未来移动通信网络将是全IP网络，使用移动IP技术支持未来移动通信系统的三大主体结构设备制造商业务设计商服务运营商,图17 未来的网络结构,思考题,1、移动通信的概念及特点2、哪种干扰是蜂窝系统所特有的干扰？3、蜂窝通信系统每一代典型系统？各自的特点？4、我国3G移动通信的频谱规划中，FDD、TDD分别占用哪几段频谱？,