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移动通信原理与应用,吉林大学珠海学院徐丽娜,2,2023/9/14,目 录,第一章 概 述第二章 蜂窝移动通信系统第三章 无线移动通信信道第四章 移动通信的调制技术第五章 抗衰落技术第六章 语音编码技术第七章 移动通信中的多址接入技术第八章 移动通信网第九章 GSM通信系统第十章 IS-95 CDMA移动通信及其标准介绍第十一章 第三代移动通信及其标准介绍,3,2023/9/14,第一章 概 述,1.1 移动通信的基本概念1.1.1 移动通信的特点1.1.2 移动通信的组网理论1.1.3 移动通信系统的组成1.2移动通信的发展和比较1.2.1 移动通信的发展历程1.2.2 我国移动通信的发展1.3 移动通信工作频段1.3.1 我国移动通信的工作频段1.3.2 第三代移动通信的工作频段1.4移动通信的分类1.4.1 移动通信的工作方式1.4.2 模拟网和数字网,4,2023/9/14,第一章 概 述,1.4.3 语音通信和数据通信1.5 移动通信网的发展趋势移动通信网的发展趋势概述第三代移动通信系统的结构未来的网络结构1.6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分组无线网,5,2023/9/14,无线通信系统模型,信源,信源编码,信道编码,射频与天线,消息的估计,接收信号,已调发射信号,无线信道,信源变换器,复用,调制,多址,天线与射频,多址,解调,解复用,信道解码,信源编码,信宿,信宿变换器,黄色块为发送器,黄色块为接收器,6,2023/9/14,1.1 移动通信的基本概念,移动通信(Mobile Communication)指通信双方或至少有一方处于运动中进行信息交换的通信方式。,图1.1 移动通信的范畴,7,2023/9/14,1.1.1 移动通信的特点,移动通信与其他通信方式相比，主要具有以下特点：1、无线电波传播复杂移动通信的频率范围高频（VHF，30300MHz）特高频（UHF，3003400MHz）内。这个频段的特点是：传播距离在视距范围内，通常为几十千米；天线短，抗干扰能力强；以地表面波、电离层反射波、直射波和散射波等 方式传播，受地形地物影响很大.,8,2023/9/14,1.1.1 移动通信的特点,图1.2 电波的多径传播,9,2023/9/14,1.1.1 移动通信的特点,2.多普勒频移产生调制噪声,由于移动台的不断运动，当达到一定速度时，如超音速飞机，固定点接收到的载波频率将随运动速度v的不同，产生不同的频移，即产生多普勒效应，使接收点的信号场强振幅、相位随时间、地点而不断地变化,图1.3 多普勒效应,10,2023/9/14,1.1.1 移动通信的特点,3.移动台受噪声的骚扰并在强干扰情况下工作移动台所受到的噪声影响主要来自于城市噪声、各种车辆发动机点火噪声、微波炉干扰噪声等；(1)互调干扰(2)邻道干扰(3)同频干扰4.对移动台的要求高5.通道容量有限6.通信系统复杂,11,2023/9/14,1.1.2 移动通信的组网理论,蜂窝式组网理论1.无线蜂窝式小区（cell）覆盖和小功率发射蜂窝式组网将一个移动通信服务区划分成许多以正六边形为基本几何图形的覆盖区域，每个小区域称为一个蜂窝小区，用一个小功率发射机覆盖。基本的小区类型有：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。,12,2023/9/14,1.1.2 移动通信的组网理论,无线蜂窝小区（cell）覆盖,13,2023/9/14,1.1.2 移动通信的组网理论,2.频率覆盖蜂窝系统的基站工作频率，在相隔一定距离的另一个基站可以重复使用同一组工作频率，称为频率复用(frequency reuse)。使用同一组频率的这些小区叫做同频小区。好处：大大缓解频率资源紧缺的矛盾，增加了用户数目或系统容量。问题：带来同频干扰,14,2023/9/14,1.1.2 移动通信的组网理论,3.多信道共用和越区切换由若干无线信道组成的移动通信系统，为大量的用户共同使用并且仍能够满足服务质量的信道利用技术，称为多信道共用技术。在通话期间，当移动台从一个小区移动到另一个小区时，网络能进行实时控制，把移动台从原小区所用的信道切换到新小区的某一信道，并保证通话不间断（用户无感觉）。4.无线通信优势与有线网络优势的理想互联移动信息通过基站和移动业务交换中心进入公众电信网或其他移动网，实现移动用户与市话用户、移动用户与移动用户，以及移动用户与长途用户之间的通信。,15,2023/9/14,移动通信系统的组成,移动通信系统是移动体之间、移动体和固定用户之间，以及固定用户与移动体之间，能够建立许多信息传输通道的通信系统。,图1.4 移动通信系统的组成,移动交换子系统SS(mobile switching subnetwork）操作维护管理子系统OMS(Operating Maintenance Sub-system)基站子系统BSS(Base Station Subsystem),16,2023/9/14,移动通信系统的组成,MSC：（Mobile Switching Center）移动交换中心BSC：（Base Station Controller）基站控制器BTS：（Base Station Transceiver）基站收发信机MS：（Mobile Station）移动台,BSS,BSS,SS,OMS,17,2023/9/14,GSM基站,BTS主要功能：进行无线信号发射接收，天线和所有无线接口的信号处理。,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。,18,2023/9/14,基站天线,基站天线是基站与外届传媒（手机）之间的接口。它可以同时发射和接收无线电波；发射时，天线将高频电流转换为电磁波；接收时，天线将电磁波转换为高频电流。,19,2023/9/14,GSM网络结构,20,2023/9/14,移动通信系统的组成,移动通信无线服务区由许多正六边形小区覆盖而成，呈蜂窝状，通过接口与公众通信网（PSTN、PSDN）互联。移动通信系统包括移动交换子系统（SS）、操作维护管理子系（OMS）和基站子系统BSS(通常包括移动台(MS)，是一个完整的信息传输实体。移动通信中建立一个呼叫是由BSS和SS共同完成的；BSS提供并管理MS和SS之间的无线传输通道，SS负责呼叫控制功能，所有的呼叫都是经由SS建立连接的；OMS负责管理控制整个移动网。MS也是一个子系统。它实际上是由移动终端设备和用户数据两部分组成的，移动终端设备称为移动设备；用户数据存放在一个与移动设备可分离的数据模块中，此数据模块称为用户识别卡（SIM）。,21,2023/9/14,1.2 移动通信的发展和比较,1.2.1 移动通信的发展历程,22,2023/9/14,1.2 移动通信的发展和比较,1.第一代模拟移动通信系统20世纪70年代末至80年代模拟调频、频分多址，以模拟方式工作2.第二代数字移动通信系统第二代移动通信系统是以数字传输、时分多址、码分多址(CDMA)为主体技术3.第三代移动通信系统多速率数据的传输,除了语音和数据传输外,还能传送高达2Mbit/s的高质量的活动图像,23,2023/9/14,1.2 移动通信的发展和比较,3G的主流标准：WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access)：欧洲ETSI提出，核心网基于GSM-MAP，同时提供在基于ANSI-41的核心网上运行的能力。cdma 2000：美国TIA TR45.5向ITU提出的RTT方案。其核心是由朗讯、motorola、北方电讯和高通联合提出的宽带cdmaOne技术。与现有的IS-95B后向兼容，核心网基于ANSI-41，同时提供在基于GSM-MAP的核心网上运行的能力。TD-SCDMA：第三代移动通信业务的中国标准，由中国标准协会中国无线通信标准组织（CWTS）制订的标准，已被ITU和3GPP接受。,24,2023/9/14,1.2 移动通信的发展和比较,码分多址技术（直接扩频方式）,频分多址：FDMA(frequency division multiple access)时分多址：TDMA(Time Division Multiple Access)码分多址：CDMA(Code Division Multiple Access),25,2023/9/14,1.2 移动通信的发展和比较,4.未来移动通信业务未来移动通信的发展在移动网络上的业务将逐步呈现分组化特征，而网络结构将逐步实现以IP方式为核心的模式。未来的移动通信系统将由以下三大主体结构支撑：设备制造商，负责制造向用户提供服务的移动通信系统设备和终端。服务运营商，负责向用户提供移动通信业务服务业务设计商，负责向运营商提供用户喜闻乐见的业务形式和业务内容。,26,2023/9/14,1.2 移动通信的发展和比较,27,2023/9/14,1.2 移动通信的发展和比较,5.各代蜂窝移动通信系统的特点,第二代移动通信系统,第三代移动通信系统,模拟（蜂窝）,仅限语音通信,仅为宏小区,主要用于户外覆盖,与固定PSTN完全不同,以企业用户为中心,主要接入技术：FDMA,主要标准：NMT、AMPS、TACS,数字（双模式，双频,语音和数据通信,宏/微小区,户内/户外覆盖,固定PSTN的补充,企事业和消费者,主要接入技术：TDMA,主要标准：GSM、IS-136（或D-AMPS）、PDC,多模式，多频,当前通信业务（语音、中速数据）之外的新业务,卫星/宏/微/微微小区,无缝全球漫游，供户内外使用,与PSTN综合，作为信息技术业务（数据网、因特网、VPN）的补充,通信用户,主要接入技术：CDMA,主要标准：三模式宽带CDMA、（WCDMA）直接序列（DS）、多载波（MC）和时分双工(TDD),表1.4 三代移动通信系统的比较,28,2023/9/14,1.2 移动通信的发展和比较,1.2.2 我国移动通信的发展第 一 代：TACS(1987年)900MHz模拟蜂窝移动电话系统，分A网、B网，接入号90，占用890-905MHz935-950MHz，目前淘汰。第 二 代：GSM（1994年）、N-CDMA（1997年）数字蜂窝移动电话系统。中国移动GSM网：接入号135-139，占用频段890-909MHz935-954MHz，以及 1710-1720/1805-1815MHz 中国联通GSM网：接入号130-132，占用频段909-915MHz954-960MHz，以及 1745-1755/1840-1850MHz 中国联通N-CDMA(IS-95)网:接入号133，占用频段825-835MHz870-880MHz。第 2.5 代：中国移动GPRS、中国联通cdma2000-1X;第 三 代：发展WCDMA，cdma2000 和 自主产权的TD-SCDMA。,29,2023/9/14,1.3 移动通信工作频段,我国移动通信的工作频段现阶段取160MHz频段、450MHz频段、900MHz频段作为移动通信工作频段，即：160MHz频段：138149.9MHz 150.05167MHz450MHz频段：403420MHz 450470MHz900MHz频段：890915MHz（移动台发、基站收）935960MHz（基站发、移动台收)另外，900MHz频段中的806821MHz和851866MHz分配给集群移动通信；825845MHz和870890MHz分配给部队使用。,30,2023/9/14,1.3 移动通信工作频段,第三代移动通信的工作频段第三代移动通信系统主要工作在2000MHz频段上,世界各国和地区频率分配的方式各不相同。,MSS-移动卫星系统,31,2023/9/14,中国3G频谱分配（2002年11月）,32,2023/9/14,1.4 移动通信的分类,移动通信有以下多种分类方法：按使用对象可分为民用设备和军用设备。按使用环境可分为陆地通信、海上通信和空中通信。按多址方式可分为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）等。按覆盖范围可分为宽域网和局域网。按业务类型可分为电话网、数据网和综合业务网。按工作方式可分为同频单工、双频单工、双频双工和半双工。按服务范围可分为专用网和公用网。按信号形式可分为模拟网和数字网,33,2023/9/14,1.4.1 移动通信的工作方式,1.单工通信单工通信，是指通信双方设备交替地进行收信和发信。根据通信双方是否使用相同的频率，单工制又分为同频单工和双频单工.,图1.6 单工方式,34,2023/9/14,1.4.1 移动通信的工作方式,2.双工通信双工制，有时也叫全双工通信，是指通信双方收发信机均同时工作，即任一方讲话时，可以听到对方的语音，没有“按讲”开关，双方通话像市内电话通话一样。双工通信一般使用一对频道，以实施频分双工（FDD）工作方式。,图1.7 双工方式,35,2023/9/14,1.4.1 移动通信的工作方式,3.半双工通信半双工制是指通信双方,有一方使用双工方式,即收发信机同时工作，且使用两个不同的频率f1和f2；而另一方则采用双频单工方式，即收发信机交替工作。,图1.8 半双工方式,36,2023/9/14,1.4.1 移动通信的工作方式,4.移动中继方式为了增加通信距离，可加设中继站。两个移动台之间直接通信距离只有几千米，经中继站转接后通信距离可加大到几十千米。,图1.9 同频(双频)单工方式,37,2023/9/14,1.4.2 模拟网和数字网,数字通信系统的主要优点可归纳如下：（1）频谱利用率高，有利于提高通信容量。（2）能提供多种业务服务，提高通信系统的通用性。（3）抗噪声、抗干扰和抗多径衰落的能力强。（4）能实现更有效、灵活的网络管理和控制。（5）便于实现通信的安全保密。（6）可降低设备成本和减小用户手机的体积和重量。,38,2023/9/14,1.4.3 语音通信和数据通信,若干年来，移动通信基本上是围绕着两种主干网络在发展，这就是基于语音业务的通信网络和基于数据传输的通信网络。根据运行环境和市场需求的不同，前者又分为以蜂窝网为代表的高功率宽域网和以无绳电话网为代表的低功率局域网(LAN)；后者又可分为宽带局域网之 类的高速局域网和移动数据网之类的低速宽域网,图1.10 移动通信网络分类的示意图,39,2023/9/14,1.5 移动通信网的发展趋势,1.5.1 移动通信网的发展趋势概述 1.网络业务数据化、分组化（1）应用驱动市场（2）因特网的影响（3）数据速率的发展2.个人多媒体通信网络演进的方向 个人移动多媒体将根据地点为人们提供理想的、完善的个人业务和无线信息，将对人们工作和生活的各个方面产生影响。3.网络技术的宽带化 第三代移动通信系统，即IMT-2000，是一种真正的宽带多媒体系统，它能够提供高质量宽带综合业务并实现全球无缝的国际覆盖。4.网络技术的智能化 移动网络由单纯地传递和交换信息，逐步向存储和处理信息的智能化发展，移动智能网5.更高的频段6.更有效利用频率,40,2023/9/14,1.5 移动通信网的发展趋势,1.5.2 第三代移动通信系统的结构,第三代移动通信系统(3G)的主要目标是将包括卫星在内的所有网络融合为可以替代众多网络功能的统一系统，它能够提供宽带业务并实现全球无缝覆盖。,图1.11 第三代移动通信系统的网络结构,41,2023/9/14,1.5 移动通信网的发展趋势,1.5.3 未来的网络结构,未来的网络将向宽带化、智能化、个人化方向发展，形成统一的综合宽带通信网，并逐步演进为由核心骨干层和接入层组成、业务与网络分离的构架。,图1.12 未来的网络结构,42,2023/9/14,1.6 移动通信的应用系统,1.6.1 蜂窝式公用移动通信系统1.6.2 集群调度移动通信系统,蜂窝式公用陆地移动通信系统适用于全自动拨号、全双工工作、大容量公用移动陆地网组网，可与公用电话网中任何一级交换中心相连接.,图1.13 集群调度移动通信系统,43,2023/9/14,1.6 移动通信的应用系统,无绳电话系统,在办公楼、居民楼群之间、火车站、机场、繁华街道、商业中心及交通要道设立基站，形成一种微蜂窝或微微蜂窝网，无绳电话用户只要看到这种基站的标志，就可使用手持机呼叫。这就是所谓的“Telepoint（公用无绳电话）”。,图1.14 CT2无绳电话系统,基于无绳概念而发展起来的无线用户交(WPABX)得到重视,作为无绳数据通信的无线局域网(WLAN)也得到发展。无绳通信也是发展个人通信网（PCN）的一个基础。,44,2023/9/14,1.6 移动通信的应用系统,1.6.4 无线电寻呼系统,无线电寻呼系统是一种单向通信系统，既可作公用也可作专用，仅规模大小有差异而已。专用寻呼系统由用户交换机、寻呼控制中心、发射台及寻呼接收机组成。公用寻呼系统由与公用电话网相连接的无线寻呼控制中心、寻呼发射台及寻呼接收机组成.,图1.15 无线电自动寻呼系统,45,2023/9/14,1.6 移动通信的应用系统,1.6.5 卫星移动通信系统1.6.6 分组无线网,铱（Iridium）系统，它采用8轨道66颗星的星状星座，卫星高度为765km。另外还有：全球星（Global star）系统，它采用8轨道48颗星的莱克尔星座，卫星高度约1400km；奥德赛（Odessey）系统，采用3轨道12颗星的莱克尔星座，中轨、高度为10000km；白羊(Aries）系统，采用4轨道48颗星的星状星座，高度约1000km；以及俄罗斯的4轨道32颗星的COSCON系统。,分组无线网是一种利用无线信道进行分组交换的通信网络，即网络中传输的信息要以“分组”或称“信包”（有时简称“包”）为基本单位。分组是由若干比特组成的信息段，通常包含“包头”和“正文”两部分。包头中含有该分组的源地址（起始地址）、宿地址（目的地址）和有关的路由信息等；正文是真正要传送的信息。,