移動通信基礎

移動通信基礎第1章：移動通信系統(tǒng)的發(fā)展史第1章：移動通信系統(tǒng)的發(fā)展史世界移動通信的發(fā)展第一階段(從二十世紀20年代至40年代初)第二階段(40年代中至60年代末)第三階段(70年代至80年代)第四階段(90年代至今)中國移動通信的發(fā)展第一代第二代第2.5代第三代移動通信基礎第一階段：從二十世紀20年代至40年代初運用在專用系統(tǒng)和軍事通信使用頻段主要是短波段人工交換和人工切換頻率移動通信設備采用電子管，又大又笨重，效果很差世界移動通信的發(fā)展第二階段：40年代中至60年代末開始運用于民用系統(tǒng)主要使用VHF(甚高頻)頻段的150MHz，到了后期發(fā)展到400MHz頻段從人工交換到專用自動交換系統(tǒng)移動通信設備小型化世界移動通信的發(fā)展第三階段：70年代至80年代開始運用于個人領域使用頻段為800/900MHz集成交換系統(tǒng)移動設備小型化，系統(tǒng)大容量化，信息傳輸實時化第一代移動通信系統(tǒng)(1G)時代美國Bell實驗室推出的蜂窩系統(tǒng)的概念典型系統(tǒng)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)世界移動通信的發(fā)展蜂窩系統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)也叫“小區(qū)制”系統(tǒng)。是將所有要覆蓋的地區(qū)劃分為若干個小區(qū)，每個小區(qū)的半徑可視用戶的分布密度在1~10km左右。在每個小區(qū)設立一個基站為本小區(qū)范圍內的用戶服務。并可通過小區(qū)分裂進一步提高系統(tǒng)容量第四階段：90年代至今第二代移動通信系統(tǒng)(2G)廣泛應用和第三代移動通信系統(tǒng)(3G)的具體的設計、規(guī)劃和實施階段2G是以數(shù)字傳輸、時分多址或碼分多址為主體技術的通信系統(tǒng)典型的2G系統(tǒng)歐洲的GSM系統(tǒng)美國的DAMPS系統(tǒng)和美國的IS-95ACDMA系統(tǒng)日本的JDC系統(tǒng)90年代中期，第三代移動通信系統(tǒng)進入到具體的設計、規(guī)劃和實施階段第三代移動通信系統(tǒng)(3G)形成了北美、歐洲和中國三大區(qū)域性集團北美的CDMA2000歐洲的WCDMA中國的TD-SCDMA世界移動通信的發(fā)展ITU提出IMT-2000概念：ITU：InternationalTelecommunicationUnion，國際電信聯(lián)盟IMT-2000：InternationalMobileTelecomSystem-2000，國際移動電話系統(tǒng)-2000IMT-2000規(guī)范：標準全球性、頻帶全球性、終端全球性、漫游全球性移動業(yè)務質量更高、頻率使用效率更高、數(shù)據(jù)傳輸速率更高高速的分組數(shù)據(jù)傳輸速率：固定位置：能達到2Mbps步行用戶：能達到384kbps車載用戶：能達到144kbps世界移動通信的發(fā)展蜂窩移動通信的演進路線：世界移動通信的發(fā)展TACSNMTGSMIS-95ACDMA1G2G2.5G3GAMPSGPRSEDGEUMTSIS-95BCDMACDMA2000蜂窩移動通信系統(tǒng)空中無線數(shù)據(jù)傳輸速率的演進：世界移動通信的發(fā)展GSM9.6kbpsGPRS171.2kbpsEDGE384kbpsUMTS384kbps～2MbpsIS-95ACDMA9.6kbpsCDMA2000-1X307.2/230.4kbpsCDMA2000-1XEV-DO2.4MbpsIS-95BCDMA115.2kbps蜂窩移動通信系統(tǒng)的發(fā)展過程：世界移動通信的發(fā)展1970’s1980’s1990’s2000’s第二代(GSM為例)提出方案制定標準商業(yè)運營第三代(IMT2000)提出方案制定標準商業(yè)運營第四代提出方案第一代(AMPS為例)提出方案制定標準商業(yè)運營第一代(1G)移動通信網(wǎng)絡：80年代末、90年代初，中國第一代移動網(wǎng)絡開通只支持話音業(yè)務采用英國的TACS體制第一代(1G)移動通信的特點：易受干擾保密性差系統(tǒng)容量小提供有限的業(yè)務手機體積大，價格昂貴中國移動通信的發(fā)展第二代(2G)移動通信網(wǎng)絡：1992年在嘉興地區(qū)，第二代移動蜂窩網(wǎng)開始試運轉90年代初、中期，中國移動和中國聯(lián)通全國開通GSM(GlobalSystemofMobil)網(wǎng)絡90年代中期，部分省市的IS-95ACDMA試驗系統(tǒng)2001年，中國聯(lián)通在全國開通IS-95ACDMA網(wǎng)絡第二代(2G)移動通信的特點：系統(tǒng)容量提高話音質量更好便于實現(xiàn)通信安全保密能提供多種業(yè)務服務，提高通信系統(tǒng)的通用性能實現(xiàn)更有效靈活的網(wǎng)絡管理和控制可降低設備成本和減小用戶手機的體積和重量中國移動通信的發(fā)展FirstWearable

CellularPhone

StarTAC?1996第2.5代(2.5G)移動通信網(wǎng)絡：2000年，中國移動在全國開通商用網(wǎng)--GPRS系統(tǒng)在GSM網(wǎng)絡基礎上演化的一個過渡網(wǎng)絡數(shù)字制式采用包交換技術更為廣泛的數(shù)據(jù)業(yè)務2003年，中國移動在全國開通商用網(wǎng)--EDGE系統(tǒng)中國移動通信的發(fā)展2002V702004V32005E680i第三代(3G)移動通信網(wǎng)絡：2002年，中國聯(lián)通開通全國商用網(wǎng)CDMA2000-1X系統(tǒng)數(shù)字制式語音質量更好通信安全保密性好系統(tǒng)容量大采用包交換技術支持高速的數(shù)據(jù)業(yè)務中國移動通信的發(fā)展實時視頻閱讀與編輯可視電話WAP2.0瀏覽個性化信息游戲下載定位服務第2章：移動通信系統(tǒng)概述第2章：移動通信系統(tǒng)概述移動通信的特點區(qū)分移動通信與無線通信移動通信的復雜性問題移動通信的分類尋呼系統(tǒng)/無繩電話/集群調度/衛(wèi)星系統(tǒng)/蜂窩移動蜂窩移動通信的基本概念蜂窩概念/宏蜂窩/微蜂窩/微微蜂窩/智能蜂窩切換/漫游標準化組織移動通信基礎移動通信的主要特點：必須利用“無線電波”進行信息傳輸工作于復雜的干擾環(huán)境可利用的頻譜資源有限移動性使得網(wǎng)絡管理復雜用戶數(shù)量龐大移動通信的特點移動通信的復雜性一：發(fā)射信號傳播方式的多樣式直射反射繞射漫反射移動產(chǎn)生的特殊效應移動通信的特點多徑效應移動通信的復雜性二：外來信號的多樣式移動通信的特點干擾噪聲移動通信的復雜性三：對移動臺的特殊要求外界環(huán)境的影響性能的穩(wěn)定可靠攜帶方便、小型、低功耗、耐高溫、耐低溫操作方便移動通信的特點通信系統(tǒng)的分類：移動通信的分類核心網(wǎng)接入網(wǎng)通信網(wǎng)有線接入網(wǎng)無線接入網(wǎng)光纖接入光纖同軸混合網(wǎng)CableModemXDSL衛(wèi)星接入蜂窩接入微波接入WLAN典型的移動通信系統(tǒng)：移動通信的分類尋呼系統(tǒng)無繩電話集群調度衛(wèi)星通信蜂窩移動移動通信的分類尋呼移動通信系統(tǒng)：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)射塔尋呼機移動通信的分類無繩移動通信系統(tǒng)：市話程控制交換機基站無繩電話移動通信的分類集群通信系統(tǒng)：控制中心基站分調度臺移動臺總調度臺公共電話網(wǎng)PSTN衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)：銥(Iridium)星系統(tǒng)全球星(GlobalStar)系統(tǒng)移動通信的分類移動通信的分類蜂窩移動通信系統(tǒng)：MSCBSC公共電話網(wǎng)PSTNOMSBTS蜂窩移動通信系統(tǒng)主要功能部件：移動臺(MS)基站系統(tǒng)(BSS)網(wǎng)絡交換系統(tǒng)(NSS)操作維護系統(tǒng)(OMS)蜂窩移動通信的基本概念MS移動臺BSS基站系統(tǒng)NSS網(wǎng)絡交換系統(tǒng)OMS操作與維護系統(tǒng)蜂窩概念的引入：大區(qū)制移動通信系統(tǒng)信號傳輸損耗通信距離有限大區(qū)制系統(tǒng)覆蓋范圍30~50km、發(fā)射功率50~200W、天線很高(>30m)具有網(wǎng)絡結構簡單、頻道數(shù)目少、沒有無線交換機、直接與PSTN相連大區(qū)系統(tǒng)的局限性覆蓋范圍有限服務的用戶容量有限服務性能較差頻譜利用率低1974年Bell實驗室提出蜂窩(Cell)的概念蜂窩移動通信的基本概念蜂窩的概念：無線覆蓋區(qū)域的一種理論化的模型六邊形蜂窩移動通信的基本概念理論化蜂窩理想化蜂窩實際化蜂窩宏蜂窩(Macrocell)：每小區(qū)的覆蓋半徑大多為1～25km用于大面積覆蓋基站天線置于相對較高的地方基站的發(fā)射功率較強存在盲點問題蜂窩移動通信的基本概念微蜂窩(Microcell)：覆蓋半徑大約為30～300m發(fā)射功率相對較小，一般在1～2W基站天線置于相對低的地方用于解決盲點問題蜂窩移動通信的基本概念微微蜂窩(Picocell)：微蜂窩的一種覆蓋半徑更小，一般只有幾十米基站發(fā)射功率更小用于解決盲點問題蜂窩移動通信的基本概念智能蜂窩：擴大系統(tǒng)覆蓋區(qū)域提高頻譜利用率，增加系統(tǒng)容量降低基站發(fā)射功率，減少信號間干擾蜂窩移動通信的基本概念智能天線蜂窩移動通信的基本概念蜂窩移動通信系統(tǒng)的不同應用：微微蜂窩微蜂窩宏蜂窩100m1000m20km32kbps-100Mbps2.4kbps-2Mbps2.4kbps-384kbps寬帶通信網(wǎng)蜂窩移動通信的基本概念切換：在通話(業(yè)務處理)過程中發(fā)生MS業(yè)務處理過程中，從一個小區(qū)的覆蓋區(qū)域移動到另外一個小區(qū)的覆蓋區(qū)域。MS可能發(fā)生小區(qū)間的切換(Handover/Handoff)切換過程對于MS用戶來說是不易察覺的，也就是說用戶不知道已經(jīng)發(fā)生了切換；即：切換過程對用戶是透明的蜂窩移動通信的基本概念漫游：這里提供到的漫游是一個管理上的概念漫游條件一：網(wǎng)絡與網(wǎng)絡之間的物理通信鏈路漫游條件二：網(wǎng)絡的管理者之間達到的漫游協(xié)議網(wǎng)絡3網(wǎng)絡1網(wǎng)絡2國際標準化組織：國際電信聯(lián)盟(ITU)負責國際無線電標準化工作1993年3月ITU組織調整為ITU-R工作組負責無線電通信ITU-T工作組負責非無線電標準ITU-D工作組負責電信發(fā)展標準化組織新疆通信規(guī)劃設計院42新疆通信規(guī)劃設計院42常見網(wǎng)絡拓撲結構拓撲結構：總線、星型、樹型環(huán)型、網(wǎng)型第3章：數(shù)字編碼第3章：數(shù)字編碼信源編碼話音編碼質量的評定波形信源編碼參量信源編碼混合信源編碼信道編碼差錯控制卷積信道編碼重復信道編碼交織信道編碼CRC信道編碼移動通信知識數(shù)字編碼移動通信對語音編碼的要求：速率較低，純編碼速率應低于16kbps在一定編碼速率下，音質應盡可能高編碼時延應較短，控制在幾十毫秒以內算法復雜程度適中，易于大規(guī)模集成在強噪聲環(huán)境中，算法應具有較好的抗誤碼性能，以保持較好的話音質量信源編碼質量等級分數(shù)收聽注意力等級優(yōu)5可完全放松，不需要注意力良4需要注意，但不需明顯集中注意力滿意(正常)3中等程度的注意力差2需要集中注意力劣1即使努力去聽，也很難聽懂信源編碼語音編碼質量的評定：客觀評定方法信噪比平均分段信噪比主觀評定方法主觀評定等級表信源編碼技術：信源編碼波形編碼混合編碼參量編碼波形編碼：基本原理：在時間軸上對模擬語音按一定的速率抽樣，然后將幅度樣本分層量化，并用代碼表示特點：適應能力強、語音質量好；編碼速率高，對帶寬要求高例如脈沖編碼調制(PCM)增量調制(△M)信源編碼時間典型的波形編碼--脈沖編碼調制(PCM)：采樣：8000次/秒有采樣頻率量化：

每個采樣用8比特表示編碼：64kbps速率PSTN、GSM、GPRS、UMTS、CDMA、CDMA2000網(wǎng)絡中都用到了PCM信源編碼差錯控制的需求：通信線路上總有噪聲和損耗存在噪聲和有用信息混合，加上損耗就會出現(xiàn)差錯差錯控制方式：反饋糾錯前向糾錯混合糾錯信道編碼移動通信中常用的信道編碼：奇偶校驗碼重復碼循環(huán)冗余校驗碼卷積碼交織信道編碼奇偶校驗碼：特點：編碼速率較高只能發(fā)現(xiàn)奇數(shù)個錯誤編碼過程把信源編碼后的信息數(shù)據(jù)流分成等長碼組在每一信息碼組之后加入一位校驗碼元信道編碼00110101010111010101000110011010101011101010100011….奇校驗00110101001101011(碼重為奇)偶校驗00110101001101010(碼重為偶)重復碼：特點：編碼和解碼速率較高信道有效利用率低編碼過程：將信息重復傳幾次CDMA系統(tǒng)中就使用了重復碼信道編碼0011010100110101

00110101交織(Interleaving)：特點不增加冗余信息配合卷積碼一起完成對連續(xù)錯誤的糾錯編碼和解碼簡單GSM、GPRS、UMTS、cdmaOne和CDMA2000系統(tǒng)中都使用了卷積碼信道編碼MRCU原始信息：MOTOROLACELLULAR…OOELTLLAOALRMOTOROLACELLULARMOTOROLACELLULAR空中信息：MRCUOOELTLLAOALR…交織編碼交織解碼解碼信息：MOTOROLACELLULAR…MRCUOOELTLLAOALR第4章：無線信道第4章：無線信道傳輸介質有線：同軸/雙絞線/光纖無線：頻譜圖傳輸方式單工/半雙工/雙工串序傳輸/并序傳輸同步傳輸/異步傳輸傳輸速率波特率/比特率多址方式信道概念FDMA/TDMA/CDMA無線信號的損耗無線信號的干擾移動通信知識傳輸介質：有線同軸電纜雙絞線光纖無線傳輸介質無線電磁波：什么是電磁波？無線電磁波的特點傳輸介質無線電磁波頻譜分配：傳輸介質F(Hz)1001021041061081010101210141016101810201022

1024F(Hz)1041051061071081091010101110121013

10141015

1016可見光無線電微波紅外線紫外線X射線射線雙絞線同軸電纜海事無線電調幅無線電調頻無線電電視衛(wèi)星地面微波光纖波段LFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF傳輸方式單工發(fā)端收端信道半雙工發(fā)端收端信道收端發(fā)端雙工發(fā)端收端信道收端發(fā)端信道雙工又分為：頻分雙工(FDD)時分雙工(TDD)傳輸方式f2終端2終端1f1終端2終端1t終端2終端1終端2終端1終端1終端1終端2終端2三種主要的多址方式的比較：頻分多址(FDMA)時分多址(TDMA)碼分多址(CDMA)多址方式多址技術是一個資源共享的解決技術。頻分多址(FDMA)：通過頻道區(qū)分用戶一個頻道就是一個信道典型系統(tǒng)第一代模擬系統(tǒng)TACS系統(tǒng)：f=25kHzAMPS系統(tǒng)：f=30kHz多址方式時分多址(TDMA)：通過時隙(TimeSlot)來區(qū)分一個載頻上的用戶一個時隙(TS)就是一個信道典型系統(tǒng)第二代蜂窩通訊網(wǎng)絡GSMFDMA+TDMAf=200kHzTS0~TS7多址方式碼分多址(CDMA)：通過正交或準正交的地址碼在一個載頻上區(qū)分用戶一個地址碼就是一個信道典型系統(tǒng)IS-95CDMA網(wǎng)絡FDMA+CDMAf=1.2288MHz多址方式信號的傳播因地理環(huán)境的不同而有所變化：地形形態(tài)植物稠密程度建筑群及其密度和高度空曠度水面其它環(huán)境因素無線信號的損耗無線信號在傳輸中受到的損耗包括：由傳輸距離引起的路徑損耗由陰影效應引起的損耗由多徑傳播引起的信號衰落由其它的發(fā)射機發(fā)射的干擾信號由外部環(huán)境中的噪聲引起的干擾無線信號的損耗傳輸距離引起的路徑損耗：距離越遠損耗越大信號頻率低時的傳輸損耗小信號頻率高時的傳輸損耗大無線信號的損耗無線信號的損耗陰影效應引起的損耗：衰落的分類：慢衰落快衰落無線信號的損耗功率(dB)距離(m)頻分多址的同頻和鄰頻干擾：無線信號的干擾功率頻率同頻信號1同頻信號2f1干擾區(qū)域干擾區(qū)域鄰頻信號1鄰頻信號2f2f3噪聲的種類：內部噪聲熱噪聲散彈噪聲閃爍噪聲外部噪聲大氣噪聲銀河系噪聲人為噪聲無線信號的干擾第5章：信道化處理第5章：信道化處理調制與解調基帶傳輸/頻帶傳輸調制方式：BPSK／QPSK／OQPSK／8PSK，MSK/GMSK相干與非相干解調分集技術擴展頻譜通信無線傳輸質量評定功率單位：分貝毫瓦、分貝瓦相對強度：信噪比/載干比差錯率：誤碼率/誤信率(誤比特率)/誤幀率移動通信知識采樣分段調制方式分為：基帶傳輸頻帶傳輸調制與解調原始信息信道數(shù)字信號信道編碼無線信道信道化處理信源編碼采樣分段調制的目的：便于信息的傳輸改變信號占據(jù)的帶寬，改善系統(tǒng)性能便于多路多址傳輸調制的要求：容易提取信號的位同步信息，以便從接收或重發(fā)信號中提取出時鐘信號不易受直流截止特性的影響，即希望調制信號中不含有直流成分需占用的傳輸頻帶窄抗雜音和抗抖動性好調制與解調模擬信號的調制方式：調幅方式(AM--AmplitudeModulating)調頻方式(FM--FrequencyModulating)調相方式(PM--PhaseM