1、第一讲第 1 章 移动通信概述1.1 移动通信的基本概念1.2 移动通信的发展教学目的和目标1.了解移动通信的定义，特点及系统的组成2.了解移动通信的发展趋势教学重点1.移动通信的定义、特点及系统的组成2.移动通信的发展趋势教学难点1.移动通信的定义、特点及系统的组成教学方法和手段 1.以课堂问答法和案例讨论法为主，以讲授法和指导法为辅2.使用先锋电子教室多媒体手段进行教学教学过程及详细内容移动通信是通信领域中最具有活力，最具有发展前途的一种通信方式。它是当今信息社会中最具有个性化特征的通信手段。它的发展与普及改变了社会也改变了人类的生活方式，它让人们领悟到现代化与信息化的气息。移动通信，顾名
2、思义其最本质的特色是“移动” 二字，就是说这类通信不是传统静态的固定式通信，而是动态的移动式通信。1.1 移动通信的基本概念移动通信的定义：通信双方至少有一方是处于移动状态，并且其中的一部分传输介质是无线的通信方式。不仅指双方的通信，还包括数据、传真、图像等通信业务。换句话说，移动通信解决因为人的移动产生的动中通信问题例如：手机与手机之间，手机与固定电话之间，手机与小灵通之间，小灵通之间，小灵通与固定电话之间。手机与固定电话之间进行通信时，除依靠无线通信技术外，还须依赖有线网络技术（公众电话网 PSTN、公众数据网 PDN、综合业务数字网ISDN）. 终端的移动性：手机/车载体 个人的移动性：
3、SIM/UIM 卡方式支持的业务1.2 移动通信系统的组成移动通信系统由移动业务交换中心（MSC） 、基站（BS ） 、移动台（MS ）和中继线等部分组成。移动通信系统的示意图:MSC：对位于其服务区内的 MS 进行交换和控制，同时提供移动网和固定公众电信网之间的接口，作为交换设备，具有呼叫接续与控制的功能，作为移动交换中心，MSC 又具有无线资源管理和移动性管理（越区切换、漫游）等功能。简单地讲，主要包括 4 个方面：呼叫处理、操作维护、网间互通和计费。MS: 移动台（MS）即便携台（手机）或车载台。也可以配有终端设备（TE）或终端适配器（TA）。 移动台是物理设备，它还必须包含用户识别模块
4、（SIM），SIM 卡和硬件设备一起组 成移动台。没有 SIM 卡， MS 是不能接入 GSM 网络的（紧急业务除外）。 BS: 基站子系统（简称基站 BS）由基站收发台（BTS）和基站控制器（BSC）组成。 基站收发台（BTS）包括无线传输所需要的各种硬件和软件，如发射机、接收机、支持各种上小区结构（如全向、扇形、星状和链状）所需要的天线，连接基站控制器的接口电路以及收发台本身所需要的检测和控制装置等。 基站控制器（BSC）是基站收发台和移动交换中心之间的连接点，也为基站收发台和操作维修中心之间交换信息提供接口。一个基站控制器通常控制几个基站收发台，其主要功能是进行无线信道管理、实施呼叫和通
5、信链路的建立和拆除，并为本控制区内移动台的过区切换进行控制等。 移动通信的特点：1. 设备性能要求高2. 电波传播有严重的衰落现象多径效应：由于移动体周围的局部散射体引起的多径传播由于多径传播形成的瑞利衰落，衰落可达 30dB 左右3. 存在远近效应要求移动台有自动调整发射功率，移动台的收发信机有良好的自动增益控制能力。4. 强干扰条件下工作有城市噪声（主要是车辆噪声） ，也有电台干扰（同频干扰、互调干扰） ，因此要求移动通信具有很强的抗干扰能力。5. 存在多普勒效应多普勒效应：由于移动体的运动速度和方向引起多径条件下的多普勒频谱展宽。多普勒效应引起的附加频移 - 多普勒频移频移值 d 与移动
6、速度 v，工作波长（频率） ，电波入射角 之间的关系。移动产生的多普勒频偏为 cosvfd6. 技术复杂移动性管理技术（位置登记，过境切换等） ，交换机技术，计算机技术，传输技术等1.2 移动通信的发展按时间分段，移动通信分为 6 个发展阶段：年代 典型移动工具或系统 调制方式/工作方式 使用频段20 世纪 20 - 40 警车无线电调度系统 调幅 2MHz20 世纪 40 - 60 人工接线的移动电话 FM 调幅，单工 150MHz-450MHz20 世纪 60 - 70 自动拨号移动电话 全双工 150MHz-450MHz20 世纪 70 - 80 AMPS、TACS 在美国、英国投入使用
7、。全自动拨号全双工，越区切换，自动漫游800/900 MHz20 世纪 80 中期 GSM，卫星移动通信，窄带 CDMA(IS-95A) - -21 世纪 CDMA2000,TD-SCDMA,WCDMA - 1885-2025MHz2110-2200MHz按发展技术，移动通信分为四代：第一代移动通信系统：模拟蜂窝移动通信系统主要接入技术：FDMA20 世纪 60 年代70 年代80 年代美国的 AMPS 制式和英国 TACS 制式，我国采用 TACS 制式技术特点： 蜂窝小区结构，解决了无线资源不够和区域覆盖问题 位置管理，解决了用户移动下的主叫和被叫问题 漫游和越区切换，解决了在移动中通话的
8、问题第二代移动通信系统：（GSM、GPRS（2.5 代） 、窄带 CDMA）数字蜂窝移动通信系统主要接入技术：TDMA 数字信号处理技术的有效应用和发展技术驱动 标准化初期到应用，主要是通话，业务没明显改变。20 世纪 80 年代90 年代21 世纪前 10 年技术特点： 数字化：信号数字处理、业务数字处理、信令数字处理高效调制，信道均衡，多信道并行 小型化：手机，从 1kg500g200g基站，从墙式柜式挂壁式 多用户：宏区、小区、微区、微小区覆盖、时分、码分。( 效率提高) 第三代移动通信系统：宽带 CDMA（WCDMA、CDMA2000 和TD-SCDMA）主要接入技术：CDMAIP 网
9、业务和多媒体业务的发展和应用业务驱动数字业务、IP 业务、音视频业务会逐步成为主流业务 WCDMA（宽带直接序列码分多址）由标准化组织 3GPP所制定，由欧洲爱立信，诺基亚提出 cdma2000体制是基于IS-95的标准基础上提出的3G 标准，目前其标准化工作由3GPP2来完成。由美国高通提出，CDMA2000又分为CDMA-1X(单载波，1倍于IS-95的系统 )和CDMA-3X( 多载波，3倍于IS-95 的系统) TD-SCDMA标准由中国无线通信标准组织CWTS提出，目前已经融合到3GPP关于WCDMA-TDD的相关规范中由中国大唐移动提出。中国移动已能提供基于TD-SCDMA的视频通
10、话业务。技术特点： 自适应技术：调制自适应，编码自适应，接入自适应，网络自适应。 网络技术：分组连接，多网连接。 业务技术：业务分类，编码组帧，数据压缩。 目前商用的 3G 系统，频谱利用率不高，传输速率不高，支持新业务能力不够。在静止状态下，可提供 2Mbit/s 的数据传输速率。中国移动获得 TDSCDMA 牌照，中国电信获得 CDMA2000 牌照，中国联通获得 WCDMA 牌照。第四代移动通信系统：宽带接入 IP 系统未来移动通信(4G) 接入技术：OFDM高速、高效、高信息量的新型移动通信技术驱动 高效传输，提高频谱效率 高效覆盖，提高功率效率 高效接入，提高网络效率具有非对称超过
11、2Mbit/s 的数据传输能力，对于全速移动用户能提供 150Mbit/s 的高质量影像服务。高速：100Mbps 以上，高效：1020bit/Hz/s高信息量：音视频同时提供。小结：移动通信的定义及系统的组成，各部分的作用。了解移动通信的发展趋势。课后作业：复习课堂所讲内容第二讲1.3 移动通信的分类1.4 移动通信的电波传播教学目的和目标1.了解移动通信的分类2.了解电波的传播方式教学重点1.移动通信的分类2.电波的传播方式教学难点1.电波的传播方式教学方法和手段 1.以课堂问答法和案例讨论法为主，以讲授法和指导法为辅2.使用先锋电子教室多媒体手段进行教学教学过程及详细内容复习上节课内容移
12、动通信的分类：按适用对象可分：民用设备和军用设备按使用环境可分：陆地通信、海上通信和空中通信按多址方式可分：频分多址（FDMA） 、时分多址（ TDMA）和码分多址（CDMA）按使用要求和场合分：集群移动通信、蜂窝移动通信、移动卫星通信和无绳电话按工作方式分为：单工制、双工制和半双工制按覆盖范围可分：广域网和局域网按业务类型分为：电话网、数据网和多媒体网按工作方式分为：同频单工、异频单工、异频双工和半双工按服务范围分为：专用网和公用网按信号形式分为：模拟网和数字网按工作方式分为：单工制、双工制和半双工制1.4 移动通信的电波传播： 移动信道属于无线信道，它既不同于传统的固定式有线信道，也与一般
13、具有可移动功能的无线接入的无线信道有所区别。它是移动的动态信道。 移动通信信道的主要三个特点1)传播的开放性2)接收地点地理环境的复杂性与多样性3)通信用户的随机移动性无线电波：频率在 300GHz 以下，不通过导线、电缆或人工波导等传输媒介，在空间辐射传播的电磁波。无线电波通过多种形式从发射天线传播到接收天线。按无线电波的波长人为地分为长波，中波，中短波，短波和微波当前陆地移动通信广泛使用 VHF、UHF 频段，即150MHz，450MHz，900MHz，1800MHz电波的传播方式：传播方式有天波（反射波） ，地波（绕射波） ，直射波和散射波 4 种形式。地波沿地球表面附近的空间传播的无线
14、电波叫地波。地面上有高低不平的山坡和房屋等障碍物，根据波的衍射特性，当波长大于或相当于障碍物的尺寸时，波才能明显地绕到障碍物的后面。地面上的障碍物一般不太大，长波可以很好地绕过它们。中波和中短波也能较好地绕过，短波和微波由于波长过短，绕过障碍物的本领就很差了。 地球是个良导体，地球表面会因地波的传播引起感应电流，因而地波在传播过程中有能量损失。频率越高，损失的能量越多。所以无论从衍射的角度看还是从能量损失的角度看，长波、中波和中短波沿地球表面可以传播较远的距离，而短波和微波则不能。 地波的传播比较稳定，不受昼夜变化的影响，而且能够沿着弯曲的地球表面达到地平线以外的地方，所以长波、中波和中短波用
15、来进行无线电广播。依靠电离层的反射或折射后返回地面传播的无线电波叫做天波（图 911） 。地球被厚厚的大气层包围着，在地面上空 40 - 800Km 的范围内，大气中一部分气体分子由于受到太阳光的照射而丢失电子，即发生电离，产生带正电的离子和自由电子，这层大气就叫做电离层。电离层对于不同波长的电磁波表现出不同的特性。实验证明，波长短于 10m 的微波能穿过电离层，波长超过 3000km 的长波，几乎会被电离层全部吸收。对于中波、中短波、短波，波长越短，电离层对它吸收得越少而反射得越多。因此，短波（高频）最适宜以天波的形式传播，是利用电离层反射传播的最佳波段，它可以被电离层反射到几千米以外。但是
16、，电离层是不稳定的，白天受阳光照射时电离程度高，夜晚电离程度低。因此夜间它对中波和中短波的吸收减弱，这时中波和中短波也能以天波的形式传播。收音机在夜晚能够收听到许多远地的中波或中短波电台，就是这个缘故。直射波指电磁波采用视距传播方式，常用于微波传输。微波和超短波既不能以地波的形式传播，又不能依靠电离层的反射以天波的形式传播。它们跟可见光一样，是沿直线传播的。地球表面是球形的，微波沿直线传播，为了增大传播距离，发射无线和接收天线都建得很高，但也只能达到几十千米。在进行远距离通信时，要设立中继站。由某地发射出去的微波，被中继站接收，进行放大，再传向下一站。这就像接力赛跑一样，一站传一站，把电信号传
17、到远方。直线传播方式受大气的干扰小，能量损耗少，所以收到的信号较强而且比较稳定。另外，微波的频率高，相同的时间内比中波、短波传递的信息更多，所以，电视、雷达采用的都是微波。用同步通信卫星做中继站传送微波，可以使无线电信号跨越大陆和海洋。只要用三颗通信卫星就可以实现全球通信。散射波指电磁波在传播过程中遇到大气层不均匀分布的时候产生的散射现象。所以从电磁波传播上看：直射、反射、绕射是主要的1.4.2 电波的衰落特性：移动通信环境的效应： 空间传播损耗 阴影效应：由于地形结构引起，表现为慢衰落 多径效应：由于移动体周围的局部散射体引起的多径传播，表现为快衰落 多普勒效应：由于移动体的运动速度和方向引
18、起多径条件下的多普勒频谱展宽 时延扩展： 考虑到多径的影响，无线信号有不同的路径，每个路径有不同的路径长度，因此每个路径的信号到达时间是不同的。 这种由于多径效应引起的接收信号占脉冲的宽度扩展的现象称为时延扩展快衰落和慢衰落快衰落（瑞利衰落）： 接收信号强度出现快速，大幅度的周期性变化，称为多径快衰落，也称小区间瞬时值变动 统计表明，在障碍物均匀的城市街道或森林中，信号包络起伏近似于瑞利分布，故多径快衰落称为瑞利衰落。产生快衰落的原因：多径效应和多普勒频移慢衰落（长期衰落、阴影衰落） 接受信号强度的中值出现缓慢变化 由于电波传播遇到建筑物等阻挡，形成电波阴影区，阴影区的电场强度弱- 阴影效应
19、引起的衰落服从正态分布（正态衰落或高斯衰落）小结：了解移动通信的分类，无线电波的定义及无线电波的传播方式课后作业复习课堂所讲内容第三讲1.4 移动通信的电波传播1.4.3 典型电波传播的分析1.4.4 电波的传播模型1.5 移动通信的噪声干扰教学目的和目标1.掌握无线传播环境2.了解移动通信的噪声干扰教学重点1.典型的无线电波传播模型2.移动通信的噪声干扰的分类教学难点1.典型的无线电波传播模型教学方法和手段 1.以课堂问答法和案例讨论法为主，以讲授法和指导法为辅2.使用先锋电子教室多媒体手段进行教学教学过程及详细内容1.4.3 典型电波传播的分析无线传播环境1.自由空间的传播模型 fdLbs
20、 lg20l4.32d :传输距离（km） f：电波频率（MHz） Lbs :单位为 d B 自由空间：相对介电常数和导磁率为 1 的均匀介质所存在的空间，该空间具有各向同性、电导率为零的特点，是一种理想的传播环境。电波不发生发射、折射、散射和吸收现象，只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗的空间（直射波传播损耗） 。 自由空间的路径损耗 Lbs 与传输距离和电波频率有关，与收发天线增益无关。 电波在自由空间的路径损耗与发射端和接收端得距离成正比，与载波频率为反比。 当距离增加 10 倍时，自由空间的传播损耗增加 20d B. 当频率增加一倍时，电波在自由空间的路径损耗增加 6 d B.2.由建
21、筑物外部向内部的穿透传播3非自由空间的传播模型在非自由空间的情况下，常用的集中电波传播模型有 Okumura Hata模型和 Walfish Ikegami 模型。传播模型：或称场强预测模型，用于预测接收信号的中值场强，它的目的是根据地形地貌、建筑物高度和密度，街道分布等本地环境特征，以及与无线电传播有关的系统参数（如信号频率、基站天线高度等）采用一定的数学公式、图表和算法，计算出服务区内任意两点间的传输损耗。Hata 模型由 CCIR 推荐，是广泛使用的一种中值路径损耗预测的传播模型，适用于宏蜂窝的路径损耗预测。根据应用频率不同，Hata 模型分为： Okumura Hata 模型，适用的频
22、率范围为 150MHz 到 1500MHz，主要用于 900MHz Cost-231 Hata 模型，是 cost-231 工作委员会提出的将频率扩展到2GHz 的 Hata 模型扩展版本Okumura Hata 模型是根据测试数据统计分析得出的经验公式，应用频率在 150MHz 到 1500MHz 之间，适用于宏蜂窝系统，基站有效天线高度在 30m 和 200m 之间，移动台的有效天线高度在 1m 到 10m之间Okumura Hata 模型中值路径损耗经验公式： dhhfL bmbb lg)5.694()lg82.13l6.25.9 ：市区准平坦地形电波传播损耗中值（dB ） f ：为工作
23、频率（MHz） ：移动台天线有效高度 ：移动台天线高度因子 mh )(mh：基站天线有效高度（m）bhd ：移动台与基站的距离Walfish Ikegami 模型由欧洲电信科学技术研究联合会推荐，特点是从对众多城市的电波实测中得出的一种小区域覆盖范围内的电波损耗模式。1.5 移动通信的噪声干扰信道对信号传输的限制除了损耗和衰落外，另一重要限制因素是噪声和干扰。移动通信的噪声分为外部噪声和内部噪声。 内部噪声：由设备内部运行产生的电流噪声等，一般是无法避免的随机噪声，某些可以通过接地措施来消除 外部噪声：（环境噪声）分为人为噪声和自然噪声 人为噪声：指各种电器装置中电流或电压发生急剧变化而形成的
24、电磁辐射，如电动机，电焊机，高频电器装置，电器开关等所产生的火花放电形成的电磁辐射。在移动信道中，人为噪声主要是车辆的点火噪声。这种噪声大小主要决定于汽车流量。 外部噪声：大气噪声，太阳噪声，银河噪声，郊区人为噪声，市区人为噪声太阳噪声和银河噪声称为宇宙噪声大气噪声和宇宙噪声称为自然噪声移动通信的干扰干扰分为：邻道干扰，共道干扰，互调干扰和阻塞干扰 邻道干扰：相邻的或者相近频道之间的干扰。为减小邻道干扰，主要是限制发射信号带宽。 共道干扰（同频干扰）：由相同频率的无用信号所造成的干扰为提高频带利用率，在相隔一定距离后，要重复使用相同的频道，此方法称为同频道再用。带来的问题：同频道干扰在用距离越
25、近，同频道干扰越大，再用距离越远，同频道干扰越远，但频带利用率低。射频防护比（S/I）：为了减少同频道干扰的影响和保证接收信号的质量， 。单位：d B射频防护比不仅与调制方式，电波传播特性，通信可靠性有关，而且与无线区的半径和工作方式有关同频道复用距离：在满足一定通信质量要求的前提下，使用相同频率的小区之间所允许的最小距离。 互调干扰：由传输信道中非线性部件产生的。造成互调干扰的 3 个方面： 发射机互调现象和接收机互调现象 在天线、馈线、双工器等处由于接触不良 不同金属的接触 阻塞干扰：当接收机接收有用信号时，若有邻近频率的强干扰也同时进入接收机高频放大器或混频器，使高放或混频出现饱和现象，则接收机解调输出噪声增大，灵敏度下降，严重时是通信中断。小结：掌握无线电波传播中，其自由空间路径损耗的计算。了解电波的传播模型和移动通信的噪声干扰课后作业：1. 试计算工作频率为 900MHz,通信距离分别为 10Km 和 20Km 时，自由空间的传播损耗？2. 书上 22 页 第 2 题
