移動通信原理與系統(tǒng)第1章

1、移動通信移動通信Mobile Communication2先修課程、教材先修課程、教材n先修課程：通信原理、信號與系統(tǒng)、數(shù)字通信、概率論n教材：移動通信原理與系統(tǒng)n參考教材1：現(xiàn)代移動通信系統(tǒng) q人民郵電出版社，祈玉生等編著n 2：數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng) q電子工業(yè)出版社，趙榮黎編著 n 3：移動通信 q西安電子科技大學(xué)出版社，郭梯云等編著q西安電子科技大學(xué)出版社，章堅武編著3考試考試n出勤：10（注：遲到影響出勤率）n作業(yè)：10n期末考試：80 （閉卷）4教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)n本課程是通信工程專業(yè)本科生專業(yè)課。通過學(xué)習(xí)本課程，使學(xué)生掌握移動通信系統(tǒng)的基本概念、基本原理、關(guān)鍵技術(shù)；理解工程技術(shù)中的有

2、關(guān)問題；了解移動通信的發(fā)展趨勢；建立移動通信系統(tǒng)的整體概念，為在該領(lǐng)域進(jìn)一步學(xué)習(xí)、研究和開發(fā)奠定一定的基礎(chǔ)。5目錄目錄n第一章 概述（4學(xué)時） n第二章 移動通信組網(wǎng)原理（8學(xué)時）n第三章 移動信道中的電波傳播（8學(xué)時）n第四章 數(shù)字移動通信關(guān)鍵技術(shù)（8學(xué)時）n第五章 GSM/GPRS數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)（8學(xué)時）n第六章 窄帶CDMA數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)（6學(xué)時）n第七章 第三代(3G)數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)（8學(xué)時）n第八章 移動數(shù)據(jù)傳輸（4學(xué)時）n第九章 未來移動通信展望（2學(xué)時）n習(xí)題講解與課堂練習(xí)（6學(xué)時） n復(fù)習(xí)（2學(xué)時） 6第一章第一章 概述概述n1.1 移動通信的定義、特點q1.

3、1.1 移動通信的定義q1.1.2 移動通信的特點n1.2 移動通信的工作方式q1.2.1 移動通信的分類q1.2.2 移動通信的雙向傳輸、雙工方式、工作方式、 多址方式n1.3 移動通信的工作頻段與標(biāo)準(zhǔn)化組織q1.3.1 移動通信的工作頻段q1.3.2 移動通信的標(biāo)準(zhǔn)化組織7n1.4 幾種典型的移動通信系統(tǒng)q1.4.1 無線電尋呼系統(tǒng)q1.4.2 無繩電話系統(tǒng)q1.4.3 集群移動通信系統(tǒng)q1.4.4 蜂窩移動通信系統(tǒng)q1.4.5 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)q1.4.6 無線局域網(wǎng)q1.4.7 無線個域網(wǎng)8n1.5 移動通信關(guān)鍵技術(shù)q1.5.1 多址技術(shù)q1.5.2 組網(wǎng)技術(shù)q1.5.3 無線電波傳播

4、特性q1.5.4 語音編碼q1.5.5 調(diào)制技術(shù)q1.5.6 抗衰落技術(shù)n1.6 移動通信的發(fā)展9n1.1 移動通信的定義、特點q1.1.1 移動通信的定義w移動通信：通信雙方或至少其中一方在移動中進(jìn)行信息傳輸和交換的通信方式w應(yīng)用最為廣泛的陸地移動通信系統(tǒng)包括：無線尋呼系統(tǒng)、無繩電話系統(tǒng)、集群移動通信系統(tǒng)和蜂窩移動通信系統(tǒng)等。10q1.1.2 移動通信的特點 移動通信與有線通信相比具有以下特點w電波傳播環(huán)境十分惡劣w多普勒頻移產(chǎn)生調(diào)頻噪聲w受噪聲和多種干擾的影響w對設(shè)備的要求更為苛刻w通信系統(tǒng)復(fù)雜w通信容量有限11n1.2 移動通信的工作方式q1.2.1 移動通信的分類 w按工作方式分類：單

5、工，雙工（FDD,TDD)，半雙工w按多址方式分類：FDMA、TDMA、CDMA、SDMAw按信號形式分類：模擬網(wǎng)和數(shù)字網(wǎng)w按覆蓋范圍分類：城域網(wǎng)、局域網(wǎng)、個域網(wǎng)w按業(yè)務(wù)類型分類：電話網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)、綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)、多媒體網(wǎng)w按服務(wù)特性分類：專用網(wǎng)、公用網(wǎng)w按使用環(huán)境分類：陸地通信、海上通信、空中通信w按使用對象分類：民用系統(tǒng)、軍用系統(tǒng)12一、雙向傳輸、雙工方式n雙向傳輸上行鏈路（uplink）下行鏈路（downlink）n雙工模式頻分雙工（FDD）時分雙工（TDD）q1.2.2 移動通信的雙向傳輸、雙工方式、工作方式、 多址方式13 二、工作方式w單工制：通信雙方電臺交替地進(jìn)行收信和發(fā)信。分為： 同

6、頻單工和異頻單工14w雙工制：是指通信雙方收發(fā)信機均同時工作。收信和發(fā)信必須采用不同的工作頻率15w半雙工制：是指通信雙方中，一方使用雙頻雙工方式，即收發(fā)信機同時工作；另一方使用雙頻單工方式，即收發(fā)信機交替工作。16 三、多址方式w多址方式：解決如何使移動用戶同時共享有限的無線頻 譜資源w多址方式涉及到兩個問題 一是多路復(fù)用，即把一條通路變成多個物理信道 二是信道分配，即將單個用戶分配到某一具體信道上去 17 常用的多址方式： 1、頻分多址（FDMA） 2、時分多址（TDMA） 3、碼分多址（CDMA） PowerFrequencyTimeFDMAFrequencyPowerTimeFDMA/

7、TDMAFrequencyCDMAPowerTime18 4、空分多址（SDMA） 19n1.3 移動通信的工作頻段與標(biāo)準(zhǔn)化組織q1.3.1 移動通信的工作頻段一、確定移動通信工作頻段的依據(jù)w電波傳播特性、天線尺寸w環(huán)境噪聲及干擾的影響w服務(wù)區(qū)域范圍、地形和障礙物尺寸、對建筑物的滲透性w設(shè)備小型化w與已開發(fā)的頻段的協(xié)調(diào)和兼容性 20無線電頻譜分配300MHz300GHz 1m1mmf31081051010(m)(Hz)3 10323 1063 109-13 101210-43 101510-73 101810-10無線電波光波宇宙射線視頻射頻微波紅外線可見光紫外線x射線射線21波段名稱波段名稱

8、波長范圍波長范圍頻率范圍頻率范圍頻段名稱頻段名稱極長波100107m330Hz極低頻（ELF）甚長波105104m330kHz甚低頻（VLF）長波104103m30300kHz低頻（LF）中波103102m3003000kHz中頻（MF）短波10210m330MHz高頻（HF）超短波101m30300MHz甚高頻（VHF）微波分米波10010cm3003000MHz特高頻（UHF）微波厘米波101cm330GHz超高頻（SHF）微波毫米波101mm30300GHz極高頻（EHF）亞毫米波10.1mm3003000GHz至高頻（THF）無線電頻譜的劃分和命名)()/(103)(8Hzfsmfcm

9、22二、蜂窩移動通信系統(tǒng)的頻譜分配w較早移動通信使用甚高頻(VHF)、特高頻 (UHF)的范圍w現(xiàn)在移動通信使用特高頻（UHF）、超高頻（SHF）的范圍 VHF：30-300MHz UHF：300-3000MHz SHF：3-30GHz 23w目前的2G蜂窩移動通信系統(tǒng)均使用800MHz頻段（IS-95 CDMA）；900MHz頻段（AMPS、TACS、GSM）；1800MHz頻段（GSM1800），該頻段用于微蜂窩系統(tǒng)。w第三代移動通信系統(tǒng)（3G）主要工作在2000MHz頻段上，世界各國和地區(qū)頻率分配的方式各不相同。 24q1.3.2 移動通信的標(biāo)準(zhǔn)化組織 一、移動通信的標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)容w技術(shù)體制

10、標(biāo)準(zhǔn)化w網(wǎng)絡(luò)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化w測試方法標(biāo)準(zhǔn)化25二、移動通信的標(biāo)準(zhǔn)化組織 1、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織-國際電信聯(lián)盟(ITU) 1993年3月ITU組織調(diào)整為：wITU-R工作組負(fù)責(zé)無線電通信wITU-T工作組負(fù)責(zé)非無線電標(biāo)準(zhǔn)wITU-D工作組負(fù)責(zé)電信發(fā)展2、歐洲的標(biāo)準(zhǔn)化組織:歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(ETSI)定義歐洲的無線電系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)成立于1987年，GSM、DECT、HiperLAN等技術(shù)規(guī)范的制定者 26 3、北美地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)化組織w電子工業(yè)協(xié)會(EIA)w電信工業(yè)協(xié)會(TIA)w蜂窩電信工業(yè)協(xié)會(CTIA)w美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(ANSI)4、IEEEw對標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)起著重要作用的科學(xué)組織，如IEEE 802 2

11、7q1.4 幾種典型的移動通信系統(tǒng) w無線電尋呼系統(tǒng)w無繩電話系統(tǒng)w集群集群移動通信系統(tǒng)w蜂窩移動通信系統(tǒng)w衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)w無線局域網(wǎng)w無線個域網(wǎng)(Bluetooth, ZigBee Radios, UWB） 28公共電話網(wǎng)PSTN自動尋呼終端尋呼數(shù)據(jù)處理中心發(fā)射塔無線尋呼系統(tǒng)29無繩電話系統(tǒng)市話程控制交換機Fixed Port(BS)30集群通信系統(tǒng)中央控制器基地臺分調(diào)度臺移動臺總調(diào)度臺公共電話網(wǎng)PSTN31蜂窩移動通信系統(tǒng)BSBSMSCPSTNMSCBSSan FranciscoNew YorkInternet32衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)33無線局域網(wǎng)01011011InternetAccess

12、Point（AP）0101101134無線個域網(wǎng)35n1.5 移動通信關(guān)鍵技術(shù)q1.5.1 多址技術(shù)w移動通信中常用的多址方式有三種：頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）。此外，在中國提出的3G標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA中采用了空分多址（SDMA）w參考PPT.16-1836q1.5.2 組網(wǎng)技術(shù) w頻率資源的共享問題（即多址技術(shù)）w區(qū)域覆蓋和信道配置問題w移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)問題w網(wǎng)絡(luò)的控制和移動性管理方面的問題 w干擾問題以及多信道共用技術(shù)37q1.5.3 電波傳播特性 w不同頻段的無線電波，其傳播方式和特點是不同的w對于工作于UHF和SHF頻段的移動通信來說，電波

13、傳播的方式主要是直射波、折射波、反射波、繞射波、散射波以及它們的合成波。38q1.5.4 語音編碼技術(shù) w移動通信中語音編碼的目的：編碼速率要低、話音質(zhì)量要高w語音編碼的分類：波型編碼、參數(shù)編碼、混合編碼39q1.5.4 語音編碼技術(shù) w移動通信中語音編碼的目的：編碼速率要低、話音質(zhì)量要高w語音編碼的分類：波型編碼、聲源編碼、混合編碼40一、波形編碼 w將時域的模擬話音的電壓波型信號經(jīng)過抽樣、量化、編碼而形成數(shù)字話音信號w速率為：16-64kbit/sw特點：占用頻帶較寬，適合有線通信、不適合移動通信w常用的波型編碼方式：脈沖編碼調(diào)制、增量調(diào)制等41二、聲源編碼w基于人的發(fā)聲機理，提出產(chǎn)生話音

14、信號的特征參數(shù)，對特征參數(shù)進(jìn)行編碼w速率為：1.2-4.8kbit/sw特點：語音質(zhì)量只能達(dá)到中等水平42三、混合編碼-適合數(shù)字移動通信的語音編碼技術(shù)w既含有若干語音特征參量信息又含有部分波形編碼信息。當(dāng)編碼速率在8-16kbit/s時，語音質(zhì)量達(dá)到通信要求w常用混合編碼方式：規(guī)則脈沖激勵長期預(yù)測編碼（RPE-LTP）、矢量和激勵線性預(yù)測編碼（VSELP）wGSM采用的語音編碼方式： RPE-LTP、編碼速率為13kbit/s43q1.5.5 調(diào)制技術(shù) 一、調(diào)制的概念w調(diào)制：使信息載體的某些特征（振幅、頻率、相位）隨信息變化的過程。其目的：使要傳輸?shù)男畔⑦m合于信道特征，達(dá)到有效、可靠的傳輸w二

15、進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方式：振幅鍵控（ASK）、移頻鍵控（FSK）、移相鍵控（PSK）44 移動通信對調(diào)制方式的要求：w窄的功率譜w高的頻率效率w優(yōu)良的誤碼性能 w已調(diào)信號的包絡(luò)恒定 w能接受差分檢測 w功率效率高 45 二、數(shù)字移動通信系統(tǒng)中廣泛使用的調(diào)制技術(shù)：w連續(xù)相位調(diào)制：也稱為恒包絡(luò)調(diào)制，包括平滑跳頻（TFM）、最小移頻鍵控(MSK)、高斯預(yù)濾波最小移頻鍵控(GMSK) 歐洲GSM系統(tǒng)采用GMSK調(diào)制。其優(yōu)點：頻譜旁瓣分量低、頻譜利用率高、誤碼性能好w線性調(diào)制：PSK、QPSK、DQPSK、O-QPSK、/4-DQPSK和多電平PSK等調(diào)制方式。其特點:頻譜利用率高、但對調(diào)制器和功率放大器的線性

16、要求高46 w 正交振幅調(diào)制（QAM），它是一種振幅和相位聯(lián)合調(diào)制技術(shù)。w 正交頻分復(fù)用（OFDM）47q1.5.6 抗衰落技術(shù) 一、信道編碼w發(fā)送端按照某種規(guī)律在被傳輸數(shù)據(jù)中引入冗余來避免數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)在傳輸過程中出現(xiàn)差錯w在移動通信中幾乎都采用前向糾錯編碼FEC。FEC分為分組碼和卷積碼兩大類48 分組碼、卷積碼 w分組碼：將信息碼分組，為每組信碼附加若干監(jiān)督碼。分組碼一般用 表示，本碼組的 個監(jiān)督元只對本碼組起作用 w卷積碼：卷積碼編碼器把k比特信息段編成n比特碼組，但所編的n長碼組不僅同當(dāng)前的k比特信息段有關(guān)聯(lián)，而且還同前面的（N-1）個（ N1 ，整數(shù)）信息段有關(guān)聯(lián)。常稱這N個信息段中的碼

17、元數(shù)目nN為該卷積碼的約束長度（以比特為單位）；也可稱N為碼的約束長度（以碼組為單位）。一般來說，對于卷積碼， k和n是較小的整數(shù)。卷積碼記作（ n , k, N），其編碼效率為),(knknrnkRc49二、 交織技術(shù) w卷積編碼只能糾正有限連續(xù)錯誤比特，交織的目的就是使誤碼離散化。w交織對慢衰落效果不明顯50三、 分集技術(shù) w分集技術(shù)是克服多徑衰落的一個有效方法。采用這種方法，接收機可對多個攜有相同信息且衰落特性相互獨立的接收信號在合并處理之后進(jìn)行判決。w分集技術(shù)包括頻率分集、時間分集和空間分集等51四、自適應(yīng)均衡技術(shù) w自適應(yīng)均衡是根據(jù)傳輸失真的時變特性，自適應(yīng)的進(jìn)行補償，使其接近不失真

18、傳輸要求w一般來說，一個有限抽頭的橫向濾波器不可能完全消除碼間串?dāng)_，但當(dāng)抽頭數(shù)較多時可以將串?dāng)_減小到相當(dāng)小的程度。52五、擴頻技術(shù) w擴頻通信的基本思想就是，用寬帶信號來傳輸信息，從而提高通信的抗干擾能力w擴頻系統(tǒng)的抗干擾性能都大體上與擴頻信號的帶寬和所傳信息帶寬之比成正比53n1.6 移動通信的發(fā)展 first wireless transmission(Marconi)1897 telephone(Bell)1876 First public mobile telephone（IMTS）1946 1992 FirstDigital cellular system(2G:GSM)101010

19、10First analog cellular system(1G: AMPS)1982 Cellular concept4G)1999(3G) 54早期移動通信的發(fā)展： 1、第一階段（二十世紀(jì)20年代-40年代初）w移動通信的早期發(fā)展階段，使用的波段主要是短波段w使用的波段主要是短波段、發(fā)射功率大、覆蓋范圍有限、服務(wù)性能差、頻率利用率低w代表：美國底特律市警察使用的車載無線電系統(tǒng)2、第二階段（40年代中-60年代末）w使用的頻段主要是VHF及UHF波段、移動臺趨于小型化w代表：美國圣路易斯城建立的IMTS系統(tǒng) 551970s1980s1990s2000s 第一代(AMPS為例)提出方案制定標(biāo)

20、準(zhǔn)商 業(yè) 運 營 第二代(GSM為例)提出方案制定標(biāo)準(zhǔn)商 業(yè) 運 營 第三代(IMT2000)提出方案制定標(biāo)準(zhǔn)商 業(yè) 運 營 第四代提出方案 現(xiàn)代移動通信的發(fā)展:56 1、70年代-80年代（1G）出現(xiàn)w美國貝爾實驗室提出了蜂窩系統(tǒng)的概念w蜂窩的小區(qū)制代替了早期的大區(qū)制w1G出現(xiàn)，其代表有：美國的AMPS系統(tǒng)、英國的TACS系統(tǒng)、北歐的NMT系統(tǒng)、日本的NAMTS系統(tǒng)w1G的特點：模擬調(diào)頻（FM）、頻分多址（FDMA） 57wGeographic region divided into cellsGeographic region divided into cellswFrequencies/

21、timeslots/codes reused at spatially-separated Frequencies/timeslots/codes reused at spatially-separated locationslocationswCo-channel interference between same color cells.Co-channel interference between same color cells.wBase stations/MSC coordinate handoff and control functionsBase stations/MSC coordinate handoff and control fu