1、第一章 移动通信发展史和一般概述,韩彦芳 ,【教学目标】以现代移动通信系统为背景，主要讲述蜂窝移动通信的基本概念和典型移动通信系统的基本原理。 使学生掌握和了解移动通信的基本理论、基本概念和发展方向，了解移动通信系统中涉及的主要技术内容如无线信道特点、调制技术和抗干扰技术、分集技术、多址技术等，并对FDMA、GSM、CDMA移动通信系统组成和结构做基本介绍。 【教学重点】移动通信中的基本概念、蜂窝移动通信的组网原理、移动通信中的相关关键技术和移动通信系统结构,第一章 移动通信发展史和一般概述 第二章 移动信道中的电波传播与分集接收 第三章 移动通信系统的网络结构和组网技术 第四章 调制解调技术
2、 第五章 FDMA模拟蜂窝移动系统 第六章 TDMA数字蜂窝移动通信系统 第七章 CDMA移动通信系统 第八章 移动通信的展望,主要内容,参考书,移动通信李建东、郭梯云，西安电子科技大学出版社 移动通信技术韦惠民，李国民，人民邮电出版社,本章主要内容,1.1 移动通信基本概念和主要特点 1.2 移动通信系统的分类、典型移动通信系统 1.3 移动通信的发展、标准化 1.4 蜂窝的概念,本章涉及的新概念,无线小区 移动信道 基站（BS） 移动业务交换中心（MSC） 频率复用 区群（Cluster）,前向信道（下行信道） 反向信道（上行信道） 移动台（移动终端） 公用交换电话网（PSTN） 综合业务
3、数字网（ISDN） 公用数据网（PDN）,1.1移动通信基本概念,一、什么是移动通信 二、移动通信系统的组成 三、移动通信主要特点,一、什么是移动通信,基本概念“动中通” 移动通信是指通信双方至少有一方在移动中（或临时静止）进行信息传输和交换。,移动： 终端的移动性（手持机、车载台） 个人的移动性（SIM卡方式支持的业务） 业务的移动性（200业务等）,移动通信系统举例,现代移动通信的应用,二、移动通信系统的组成 （以蜂窝移动通信系统为例）,通信系统的组成,移动台（MS）：移动终端设备、用户数据 基站子系统（BSS）：基站收发信机（BTS）、基站控制器（BSC） 移动交换子系统（SS）：移动交
4、换中心（MSC）。位置寄存器（HLR、VLR）、鉴权中心（AUC） 操作维护管理子系统（OMS）：操作维护中心（OMC）、网络管理中心（NMC）移动通信中建立一个呼叫是由BSS和SS共同完成； 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,前向信道、反向信道，上行链路、下行链路,三、移动通信系统的主要特点,1. 移动通信必须利用无线电波进行信息传输 移动通信的运行环境十分复杂，弥散损耗、阴影效应、多径传输，相互叠加会产生电平衰落和时延扩展 移动通信常常在快速移动中进行，不仅会引起多普勒（Doppler）频
5、移， 产生随机调频， 而且会使得电波传播特性发生快速的随机起伏， 严重影响通信质量。,2. 移动通信是在复杂的干扰环境中运行的 外部干扰：天电干扰、 工业干扰和信道噪声 系统本身和不同系统之间， 还会产生这样或那样的干扰 3. 移动通信可以利用的频谱资源非常有限， 而移动通信业务量的需求却与日俱增 如何提高通信系统的通信容量， 始终是移动通信发展中的焦点。 为了解决这一矛盾， 一方面要开辟和启用新的频段； 另一方面要研究各种新技术和新措施， 以压缩信号所占的频带宽度和提高频谱利用率。,4. 移动通信系统的网络结构多种多样， 网络管理和控制必须有效 根据通信地区的不同需要， 移动通信网络可以组成
6、带状(如铁路公路沿线)、 面状(如覆盖一城市或地区)或立体状(如地面通信设施与中、 低轨道卫星通信网络的综合系统)等， 可以单网运行， 也可以多网并行并实现互连互通。 5. 移动通信设备(主要是移动台)必须适于在移动环境中使用 对手机的主要要求是体积小、 重量轻、 省电、 操作简单和携带方便。 车载台和机载台除要求操作简单和维修方便外， 还应保证在震动、 冲击、 高低温变化等恶劣环境中正常工作。,1.2 移动通信的发展、标准化,一、移动通信系统发展史 二、移动通信发展目标 三、移动通信标准化,一、移动通信发展历史,1897年，马可尼在陆地和一艘拖船上完成无线通信实验，标志无线通信的开始。 19
7、28年，美国警用车辆的车载无线电系统，标志移动通信开始进入实用。 1946年，Bell实验室在圣路易斯建立第一个公用汽车电话网。 1974年，Bell实验室提出蜂窝移动通信的概念。 1980s，第一代移动通信系统，1983年美国的AMPS，1980年北欧的NMT，1979年日本的NAMTS，1985年英国的TACS。 1990s，第二代移动通信系统，1992年商用的GSM，1991年美国提出的IS-54，1993年日本提出的PDC，1993年美国提出的IS-95. 2000s，第三代移动通信系统，DS-CDMA，MC-CDMA，TD-SCDMA，UMC-136，E-DECT,第一代移动通信系统
8、,第一代移动通信从开始商用到完成使命，大约由1980年持续到1994年，以频分多址（FDMA）制式提供普通模拟电话，实际数据速率为24 KBit/S。,第一代移动通信系统特点,蜂窝小区系统设计频率复用 解决大容量需求与有限频谱资源的矛盾 模拟系统语音信号 频分多址（FDMA）模拟移动通信系统频谱利用率低、设备复杂、价格昂贵、业务种类受限、保密性差。如大哥大,第二代移动通信系统,第二代移动通信，大约由1995年持续到本世纪初，采用时分多址（TDMA）制，支持数据电路交换，提供优质数字电话和简短文本的传输，数据速率为144 KBit/S（实际仅达96 KBit/S）。 近年发展的二代半（25G）移
9、动通信支持分组交换，数据速率目标为115 KBit/S（实际仅为40 KBit/S）。 2G和25G移动通信技术，虽较1G有所提高，但随着用户数量的增加以及用户对多媒体业务的需求，其在使用频段、频谱利用率、接入速率以及网络能力等方面都显现不足。,第二代移动通信的特点,微蜂窝小区结构：更优的空分复用提高用户 数量数字化技术：语音信号数字化 新的调制方式：GMSK、QPSK TDMA、CDMA 频谱利用率高、系统容量大 能提供多种业务服务，提高通信系统的通用性 抗噪声、抗干扰和抗多径衰落能力强 能实现更有效、灵活的网络管理和控制 便于视线通信安全保密 可降低设备成本和减小用户手机的体积和重量,第三
10、代移动通信系统,ITU早在20世纪80年代中期就盘算在2000年前后搞出一个工作在2000MH频段的未来陆地移动通信系统（FPMTS）。这个系统1996年正式以IMT2000命名，通称为第三代移动通信系统（3G）。 3G的目标概括起来如下： A） 全球统一标准，使用统一频段，提高频谱效率； B） 提供高质量的多媒体服务； C） 加强安全保密功能； D） 要求数据传输速率在室内环境下达到2 MBIT/S（步行384 KBit/S，车行144 KBit/S）。当然，还须容易从2G系统平滑过渡。3G系统采用码分多址（CDMA）和分组交换技术。与2G相比，3G系统容量增加，通信质量提高，并能实现全球性
11、的无缝隙漫游，可为用户提供话音、数据、图像、电视等多媒体优质服务。 目前，移动通信正处于由2G向3G平滑过渡之中，但原来希望统一标准、统一频率的目标并没有达到。现在有5个不同的3G标准，其中主要是ETSI的以GSM MAP为核心网、FDD WCDMA 为无线接口的标准，ANSI的以IS41为核心网、FDD CDMA2000为无线接口的标准，以及我国提出的核心网与WCDMA相同的TDD TDSCDMA为无线接口的标准。,第三代移动通信系统的特点,微蜂窝结构 宽带CDMA技术 调制方式QPSK/自适应调制 FDMA/TDMA/CDMA 电路交换-分组交换 从媒体-多媒体,3G移动通信系统比起2G会
12、有很大的改进，但仍然不能满足用户要求。主要问题在于： A） 没有一个统一的世界标准，难以做到全球无缝隙漫游； B） 语音是在由2G继承下来的基础结构上传输，而不是在IP网络结构上； C） 视频传输不会达到高清晰度的要求； D） 数据速率虽然有所提高，可难以快速传递大文本和大的EMail附件。,后3G的构想,考虑到3G系统的不足，ITU已对当前的3G系统提出了一些增强要求和措施（可以说是3G的改进型或称为35G）：如引入高速下行链路分组接入（HSDPA）技术，采用比较好的调制技术，从而达到10 MBIT/S下行速率，蜂窝内的所有用户共享这一容量，对处于无干扰区域的用户给以较宽的带宽。又如把IP由
13、核心网络（CN）扩展到无线接入网（RAN）、使CN与无线局域网（WLAN）互联、支持多媒体广播和组播等。 ITU也开始考虑3G以后（BEyOND IMT2000） 移动通信系统的远景，提出了后3G 移动通信系统的概念、框架、研究工作目标涉及主要内容、关键性的数据速率要求以及研究发展的进程。后3G或4G移动通信系统的具体情况现在很难想象，但是后3G或4G时代的宽带移动通信系统肯定不会像前几代那样只是蜂窝产业独家的天下。后3G 或4G系统将汇集无线接入、无线移动、无线LAN等先进技术，并结合全IP网络，为用户提供一个安全可靠、使用方便的无线移动INTErNET系统，能满足人类社会在未来若干年内对移
14、动通信业务的要求。,小结：移动通信的发展,蜂窝思想的产生 数字化（1G-2G）：模拟-数字，单一业务（话音）-多种业务（话音、数据） 宽带、多媒体（2G-3G）：单媒体业务-多媒体业务，人与人通信-人与机器之间和机器与机器之间通信，容量提高2-5倍 广带、IP多媒体（3G-）：广带（Broadband，最大数据传输速率达100Mbps）、多媒体业务、频谱利用率更高；各种系统互联互通，IP多媒体业务，容量提高5-10倍,二、移动通信的发展目标个人通信,“无论任何人（whoever）”要求支持巨大用户量：频谱资源有限 “在任何时候（whenever）”要求支持动中通：无线通信是前提 “在任何地方（
15、wherever）”要求无缝覆盖：传输能力有限 “与另一人（whomever）” “进行任何类型（whatever）”要求多媒体：处理能力有限,三、移动通信的标准化,标准化工作的重要性 通信技术的多样性 网络缺乏互联，设备缺乏互通 无法大规模生产 价格昂贵 移动通信的标准化内容 技术体制标准化 网络设备标准化 测试方法标准化,国际标准化组织,国际电信联盟（ITU） ITU原由综合秘书处、国际频率登记局（IFRB）、国际无线电咨询委员会（CCIR）、国际电话电报咨询委员会（CCITT）四个常设机构组成 1993年3月，ITU组织调整为： 无线通信组（CCIR+IFRB），ITU-R工作组 电信标
16、准化组（CCITT），ITU-T工作组 电信开发组（BDT）,欧洲的标准化组织 欧洲邮电管理协会（CEPT）：曾是欧洲通信设施的主要标准化组织，现逐渐被其他组织替代 欧洲电信标准协会（ETSI）：成立于1988年，GSM、DECT、HiperLAN等 北美地区的标准化组织 电子工业协会（EIA） 电信工业协会（TIA） 蜂窝电信工业协会（CTIA） 美国国家标准协会（ANSI） IEEE LAN等,1.3 移动通信系统的分类、典型移动通信系统,一、移动通信系统的分类 二、移动通信系统的工作方式 三、典型移动通信系统,一、移动通信系统的分类,移动通信有以下多种分类方法： 按使用对象分类：民用设备
17、、军用设备； 按使用环境分类：陆地通信、 海上通信、空中通信； 按多址方式分类：频分多址(FDMA)、 时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)等； 按覆盖范围分类：广域网、局域网； 按业务类型分类：电话网、 数据网、多媒体网； 按工作方式分类：同频单工、 异频单工、 异频双工和半双工； 按服务范围分类：专用网和公用网； 按信号形式分类：模拟网和数字网。,通信系统的分类,二、移动通信系统的工作方式,1. 单工通信所谓单工通信， 是指通信双方电台交替地进行收信和发信。 根据收、 发频率的异同， 又可分为同频单工和异频单工。 特点：每个电台的收发由一个开关控制，只需一根天线，不发话时，发信机不工
18、作，所以设备简单、电台功耗小。但是这种工作方式只允许一方发送时另一方接收，而不能应答；另外任何一方发话完毕，必须立即松开按将开关，否则将收不到对方来的信号。例如广播电台、BP机、便携电台等。,单工通信,同频单工是指通信双方(如图中的电台甲和电台乙)使用相同的频率f1工作， 发送时不接收， 接收时不发送。平常各接收机均处于守候状态， 即把天线接至接收机等候被呼。 当电台甲要发话时， 它就按下其送受话器的按讲开关(PTT)， 一方面关掉接收机， 另一方面将天线接至发射机的输出端， 接通发射机开始工作。 当确知电台乙接收到载频为f1的信号时， 即可进行信息传输。,2. 双工通信 所谓双工通信， 是指
19、通信双方可同时进行传输消息的工作方式， 有时亦称全双工通信， 如图所示。 图中，基站的发射机和接收机分别使用一副天线， 而移动台通过双工器共用一副天线。 双工通信一般使用一对频道， 以实施频分双工(FDD)工作方式。 这种工作方式使用方便， 同普通有线电话相似， 接收和发射可同时进行。,双工通信,双工通信两种方式：FDD与TDD,上行频率,下行频率,上行帧,下行帧,3. 半双工通信 半双工通信的组成与双工通信图相似， 移动台采用单工的“按讲”方式， 即按下按讲开关， 发射机才工作， 而接收机总是工作的。 基站工作情况与双工方式完全相同。 例如调度系统中，出租车对讲机，专用系统如公安、消防系统的
20、对讲机,三、典型移动通信系统,集群通信调度系统的通信网。警察、出租车调度 无线寻呼数显、汉显、双向 无绳电话 家用、公用无线接入点 卫星移动通信 “铱”、全球星等 无线局域网LMDS,802.11,蓝牙 蜂窝移动电话车载台、手持机本课程的重点为：蜂窝移动通信系统,一、集群通信,1. 集群的概念 集群移动通信系统采用的基本技术是频率共用技术。 其主要做法是： 把一些由各部门分散建立的专用通信网集中起来， 统一建网和管理， 并动态地利用分配给它们的有限个频道，以容纳数目更多的用户； 改进频道共用的方式， 即移动用户在通信的过程中， 不是固定地占用某一个频道， 而是在按下其“按讲开关”(PTT)时，
21、 才能占用一个频道； 一旦松开PTT， 频道将被释放， 变成空闲频道， 并允许其它用户占用该频道。,2. 集群系统的用途和特点 集群系统主要以无线用户为主， 即以调度台与移动台之间的通话为主。 集群系统与蜂窝式通信系统在技术上有很多相似之处， 但在主要用途、 网络组成和工作方式上有很多差异。, 集群通信系统属于专用移动通信网， 适用于在各个行业(或几个行业合用)中间进行调度和指挥， 对网中的不同用户常常赋予不同的优先等级。 蜂窝通信系统属于公众移动通信网， 适用于各阶层和各行业中个人之间的通信， 一般不分优先等级。, 集群通信系统根据调度业务的特征， 通常具有一定的限时功能， 一次通话的限定时
22、间大约为1560 s(可根据业务情况调整)。 蜂窝通信系统对通信时间一般不进行限制。 集群通信系统的主要服务业务是无线用户和无线用户之间的通信, 蜂窝通信系统却有大量的无线用户与有线用户之间的通话业务。, 集群通信系统一般采用半双工(现在已有全双工产品)工作方式， 因而， 一对移动用户之间进行通信只需占用一对频道。 蜂窝通信系统都采用全双工工作方式， 因而， 一对移动用户之间进行通信， 必须占用两对频道。 在蜂窝通信系统中， 可以采用频道再用技术来提高系统的频率利用率； 而在集群系统中， 主要是以改进频道共用技术来提高系统的频率利用率的。,3. 集群系统的组成 集群系统均以基本系统为模块， 并
23、用这些模块扩展为区域网。 根据覆盖的范围及地形条件， 基本系统可由单基站或多基站组成。 集群系统的控制方式有两种， 即专用控制信道的集中控制方式和随路信令的分布控制方式， 分别如图 所示。,集群系统的基本设备如下： 转发器。 它由收、 发信机和电源组成。 每个频道均配一个转发器。 对于分布式控制的集群系统， 每个转发器均有一个逻辑控制单元。 天线共用设备。 它包括天线、 馈线和共用器(如收发天线共用器、 基站的发射合路器和接收耦合器)。,系统控制中心(系统控制器)。 分布式控制系统虽无集中控制中心， 但在联网时， 可通过无线网络控制终端。 调度台。 调度台可分为无线调度台和有线调度台。 无线调
24、度台由收发信机、 控制单元、 操作台、 天线和电源等组成。 有线调度台可以是简单的电话机或带显示的操作台。 移动台。 移动台有车载台和手机。 它们均由收发信机、 控制单元、 天线和电源等组成。,二、无线电寻呼系统,无线电寻呼系统是一种单向通信系统。 无线电寻呼系统的用户设备是袖珍式接收机， 称作袖珍铃， 俗称“BB机”. 下图为无线寻呼系统示意图，图中，寻呼控制中心与市话网相连，市话用户要呼叫某一“袖珍铃”用户时，可播寻呼中心的专用号码，寻呼中心的话务员记录所要寻找的用户号码及要代传的信息，并自动在无线信道上发出呼叫；这时，被呼用户的袖珍接收机会发出呼叫声，并能在液晶屏上显示主呼用户的电话号码
25、及简要信息 无线电寻呼系统虽然是单向的传输系统，通话双方不能直接利用它对话，但接收机小巧玲珑、价格低廉、携带方便,无线电寻呼系统示意图,三、无绳电话系统,简单的无绳电话把普通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，这样，允许携带手机的用户可以在一定范围内自由活动时进行通话。 无绳电话是一种以有线电话网为依托的通信方式，是有线电话网的无线延伸，具有发射功率小、省电、设备简单、价格低廉、使用方便等优点,无绳电话系统示意图,蜂窝移动通信系统示意图,1.4 蜂窝的概念,大区覆盖与小区覆盖,蜂窝的基本概念,大区制移动通信系统 信号传输损耗，通信距离有限 大区制系统
26、：只有一个基站，覆盖范围30-50km，发射功率50-200W，天线很高（30m） 具有网络结构简单，频道数目少，无需无线交换直接与PSTN相连 大区系统的局限性 覆盖范围有限 服务的用户容量有限 服务性能较差 频谱利用率低 1974年，Bell实验室提出蜂窝的概念,概念的提出,蜂窝的基本概念,蜂窝系统“小区制”系统 将所要覆盖的地区划分为若干个小区，每个小区的半径可视用户的分布密度在1-10km左右。在每个小区设立一个基站为本小区范围内的用户服务。并可通过小区分裂进一步提高系统容量。 “频率复用”的概念：同频干扰的强弱与同频复用小区间距和小区半径的比值有关，信干比可控 特点：用户容量大、服务
27、性能好、频谱利用率高、用户终端小巧且电池使用时间长、辐射小等。 新的问题：系统复杂，越区切换，漫游，位置登记、更新和管理以及系统鉴权等。,蜂窝移动通信,频率复用,通常，相邻小区不允许使用相同的频道，否则会发生相互干扰(称同道干扰)。但由于各小区在通信时所使用的功率较小，因而任意两个小区只要相互之间的空间距离大于某一数值，即使使用相同的频道，也不会产生显著的同道干扰(保证信干比高于某一门限)。 为此，把若干相邻的小区按一定的数目划分成区群 (Cluster), 并把可供使用的无线频道分成若干个(等于区群中的小区数)频率组，区群内各小区均使用不同的频率组，而任一小区所使用的频率组，在其它区群相应的
28、小区中还可以再用，这就是频率复用,蜂窝小区的频率复用,蜂窝的分类,宏蜂窝（Macro-cell）2-20km 微蜂窝（Micro-cell）0.4-2km 皮蜂窝（Pico-cell）400m 分层蜂窝（由多种蜂窝组成）,蜂窝小区的基本形状,小区二维图案及频率复用 3小区，k=3，D=3R 4小区，k=4，D=3.46R 7小区，k=7，D=4.6R 9小区，k=9，D=5.2R 13小区，k=13，D=6.24R,思考题与习题,1. 什么叫移动通信?移动通信有哪些特点? 2. 单工通信与双工通信有何区别?各有何优缺点? 3. 数字移动通信系统有哪些优点? 4. 常用移动通信系统包括哪几种类型
29、? 5. 蜂窝通信系统采用了哪些技术?它与无线寻呼、 无绳电话、 集群系统的主要差别是什么?,6. 集群的基本概念和方式是什么?它与常用的话音通信有何差别? 7. 移动卫星通信的典型系统有哪些?它与地面蜂窝移动通信的差别是什么? 8. 什么叫分组无线网? 9. 移动通信包括哪些主要技术?各项技术的主要作用是什么? 10. 移动通信系统由哪些功能实体组成?其无线接口包括哪几层的功能?,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，即网络中传送的信息要以分组或称信包为基本单元。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）、有关的路由信息等；正文是真正需要传送的信息,
