蜂窝移动通信概论.ppt

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1、第1章 蜂窝移动通信概论,1.1 蜂窝移动通信概述 1.2 蜂窝移动通信 1.3 其它移动通信系统 1.4 移动通信的基本技术与发展方向,1.1 蜂窝移动通信概述,1.1.1 移动通信的概念 移动通信是指通信的双方或至少有一方是在移动中进行信息交换的。 例如运动中的人、 汽车、 轮船、 飞机等移动体间的通信， 分别构成陆地移动通信、 海上移动通信和空中移动通信。,现代通信技术的进步和发展基于微电子学的发展。微型电子计算机（微处理器）、 大规模和超大规模集成电路、 数字信号处理器和专用集成芯片等技术的发展为通信设备的数字化和小型化、 通信服务的综合化奠定了基础。,1.1.2 蜂窝移动通信概念 2

2、0世纪60年代末， 美国贝尔实验室提出了蜂窝系统的概念和理论， 所依据的就是电波传播损耗与传播距离的四次方成比例这一客观事实。 无线电频谱资源十分有限， 能用作移动通信的频段也就更有限。 蜂窝移动通信系统主要为社会公众开放业务。 国际无线电咨询委员会（CCIR）给它的名称为“公用陆地移动通信系统”， 英文缩写为PLMTS。,1.1.3 蜂窝移动通信特点 1. 移动通信的主要特点 (1) 移动通信是用无线电波传输信息的。 (2) 移动通信是在复杂的干扰环境中运行的。 (3) 移动通信的市场需求巨大， 但可被利用的频谱资源又非常有限。 （4） 对移动通信设备要求苛刻。,2. 蜂窝移动通信系统的特点

3、 蜂窝移动通信系统除前面所述特点之外， 还有覆盖区可无限扩展， 服务区域不受限制等特点。 可采用多种蜂窝组网技术， 提高系统的通信容量。 以区群为蜂窝结构进行频率复用， 可实现频率资源的有效利用。,蜂窝结构和频率复用带来了如下的新问题。 蜂窝结构、 蜂窝小区的分裂、 微小区及微微小区的问题。 频率复用使相邻同频小区之间引起同道干扰的问题。 为避免区群内各小区间的干扰， 通常的做法是各小区采用不同的频道， 这样， 将带来越区切换(Hand-off)的问题。 当移动台从一个交换服务区进入相邻的交换服务区时， 所发生的信道切换叫做漫游(Roaming)切换。,1.1.4 移动通信的工作方式 按照通话

4、状态和频率使用的方法， 移动通信可分为单工制、 半双工制和双工制三种工作方式和频分双工(FDD)和时分双工(TDD)制式两种双工制式。,1. 单工制 (1) 单频(同频)单工。 单频是指通信的双方使用相同工作频率(f1)； 单工是指通信双方的操作采用“按讲”方式， 如图1 - 1所示。 (2) 双频单工。 双频单工是指通信的双方使用两个频率(f1和f2)， 而操作仍采用“按讲”方式。,图 1 - 1 单工通信方式,2. 半双工制 半双工制是指通信的双方中， 有一方(如A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， 即f1和f2； 而另一方(如B方)则采用双频单工方式， 即收

5、发信机交替工作， 如图1 - 2所示。,图 1 - 2 半双工通信方式,3. 双工制 双工制指通信双方的收发信机均同时工作， 任一方在发话的同时， 也能听到对方的语音， 如图1 - 3所示。,图 1 - 3 双工通信方式,1.2 蜂窝移动通信,1.2.1 大区制移动通信系统及其局限性 大区制移动通信系统是早期采用的， 它由一个基站覆盖一个较大的服务区， 半径R约在3050 km范围， 如图1 - 4所示。,图 1 - 4 大区制移动通信系统,大区制系统有一定的局限性， 主要表现在以下三个方面： (1) 覆盖范围有限。 (2) 系统的容量受限。 (3) 系统设备受限。,1.2.2 小区制蜂窝移动

6、通信系统 1. 小区制蜂窝移动通信系统 为了提高覆盖区域内的系统容量以及有效利用频率资源， 提出了小区制覆盖蜂窝结构的概念。 将一个大区制覆盖的区域划分成若干小区， 每个小区(Cell)中设立基站(BS)， 与用户移动台(MS)间建立通信。,图1 - 5是蜂窝电话系统的示意图。 每个小区设有一个(或多个)基站， 它与若干个移动台建立无线通信链路。 若干个小区组成一个区群(蜂窝)， 区群内的各个小区的基站通过电缆、 光缆或微波链路与移动交换中心(MSC)相连。 移动交换中心通过PCM电路与市话交换局相连接， 从而形成一个完整的蜂窝移动通信的网络结构。,图 1 - 5 蜂窝电话系统的示意图,图1

7、- 6为小区的链状覆盖和面状覆盖以及频率复用的示意图。 图1 - 6(a)为链状覆盖小区及其频率复用的示意图。 为避免相邻小区间的干扰， 图中采用3组频率(f1、 f2、 f3)进行频率复用。 图1 - 6(b)为面状覆盖小区及其频率复用的示意图， 图中分别示出N=4， 7， 12和19的频率复用。,图1 - 6 小区覆盖以及频率复用的示意图 (a) 链状覆盖； (b) 面状覆盖,图1 - 6 小区覆盖以及频率复用的示意图 (a) 链状覆盖； (b) 面状覆盖,图1 - 6 小区覆盖以及频率复用的示意图 (a) 链状覆盖； (b) 面状覆盖,2. 频率复用 在频分制的蜂窝系统中， 每个小区占有

8、一定的频道， 而且各个小区占用的频道是不同的。 假设每个小区分配一组载波频率， 为避免相邻小区之间产生干扰， 各个小区的载波频率应不相同。 因为频率资源是有限的， 所以当小区覆盖不断扩大， 小区数目不断增加时， 将出现频率资源不足的问题。,对区群的划分提出如下条件： (1) 区群是由一组载波频率不同的小区组成的覆盖区域； (2) 区群的几何形状应能构成无缝隙的更大的覆盖区域， 并可无限扩展； (3) 覆盖区内的任何相邻小区的载波频率不相同； (4) 区群间的同频小区间的距离应保持相等， 且为最大。,满足上述条件的区群结构以及区群内的小区数N应满足下式： N=a2+ab+b2 (1 - 1) 式

9、中， a和b为相邻同频道小区间的间隔小区数， 取正整数， 且不同时为零。 图 1 - 7给出了N为不同值时的正六边形蜂窝的区群结构。,图 1 - 7 正六边形蜂窝的区群结构,区群间同频小区的距离D由下式计算：,(1 - 2),当频率复用时， 因相邻通信小区应使用相同的载波频率， 相互间所造成的通信干扰叫做同道干扰(Cochannel Interference)。 为保证通信质量， 要求接收端处的有用信号和干扰信号满足一定的载干比。 影响载干比的因素是区群结构和小区覆盖， 若同信道小区的距离为D， 小区半径为R， 则可用同道干扰衰减因子q来表征， 有：,(1 - 3),在系统设计时， 设本小区载

10、波信号最大传播距离为R ， M个同频小区干扰信号的传播距离为D， 若路径损耗按距离的4次方计算， 则载干比C/I可表示为,(1 - 4),3. 信道切换 最简单的蜂窝小区分裂方法是将小区半径缩小并增加新的基站。 另一种蜂窝小区分裂的方法是在原基站采用方向性天线将小区扇区化， 利用120定向天线将小区分为3扇区， 利用60定向天线将小区分为6扇区。,图1 - 8所示为信道切换机理。 其中， 图(a)为同频小区距离， 它标志区群的位置， 即交换服务辖区的分界； 图(b)所示为移动用户穿行于各个频分小区时发生信道切换的位置。 其中， 在小区 C1到小区 C4间发生的信道切换都属于越区切换， 仅当移动

11、用户从小区 C4进入小区 C1时， 发生的信道切换才属于漫游切换。,图 1 - 8 信道切换机理,*1.3 其它移动通信系统,1.3.1 集群移动通信系统 1. 概述 集群移动通信系统又称集群调度系统， 简称集群系统， 是专用调度无线通信系统的新体制， 是专用移动通信系统的高级发展阶段。,2. 什么是集群移动通信系统 集群移动通信系统是一种多信道、 多用户共享的高级调度系统。 早期的调度系统都是专用的， 即一个单位为自己生产和工作的需要， 申请几对无线频率， 购买一批设备， 组建成一个无线通信系统， 一般不进入市话网或与市话网保持一定关系。 其典型结构如图1 - 9所示。,图1 - 9 无线调

12、度网示意图,3. 集群移动通信系统的主要特点 与移动电话系统相比， 集群移动通信系统主要有如下特点： (1) 多“用户”共享。 (2) 采用排队制。 (3) 具有限时功能。 (4) 具有电话互联功能。,4. 集群移动通信系统的频段使用 我国早期引进的集群移动通信系统， 大多属于150 MHz及450 MHz频段的中小容量集群系统。 其中具有代表性的有： 荷兰菲力浦公司提供的TN10、 TN100及TN200系统， 其使用频段为6888 MHz、 132225 MHz、 405512 MHz； 芬兰Nokia公司提供的ACTIONET系统， 其使用频段为80 MHz、 160 MHz及450 M

13、Hz； 英国马可尼公司提供的集群系统， 其使用频段为174225MHz。,1.3.2 无中心移动通信系统 无中心移动通信系统是没有中心台， 即无基地台的系统。 前述大区制的基地台是系统的中心， 基地台所需设备多、 天线高(需天线铁塔等)， 全系统在这里集中控制， 价格也高； 而无中心系统中用户只要买一部移动台即可加入该网进行通信， 所以它是一个成本低的移动通信系统。,这种系统的呼叫、 信道指配全部由自己的移动台控制， 没有交换控制功能， 因此实际的通信是点对点通信。 通常， 每个移动台有一个控制信道和若干个通话信道， 还有自己的识别号(包括个人码和群码)。 用户呼叫(包括搜索、 呼叫等)都是自

14、动完成的。,由于无中心系统没有交换功能， 是一个自我选择信道的点对点通信， 因此它除了组网方便和价格低外， 还有一些不足之处， 主要是： (1) 通信距离短。 (2) 空闲信道的确定不可靠。 (3) 搜寻信道时间较长。 (4) 信道上发生碰撞概率较大。 (5) 与市话通信有一定困难。,1.3.3 无线寻呼系统 寻呼系统的发展主要体现在以下几个方面： (1) 自动拨号寻呼， 可不需寻呼台话务员控制操作， 甚至可将传来的信息转接到指定的电话或由秘书接转寻呼服务。 (2) 寻呼速率提高， 容量扩大。 (3) 寻呼服务向多元化发展。,(4) 寻呼区域将由一个城市联网到郊区直至全国， 跨域联网也将会有所

15、发展。 (5) 寻呼机将更小巧、 漂亮， 如手表型、 信用卡型、 计算机型已问世。,1.3.4 第二代无绳电话 第二代无绳电话即CT-2(Second Generation Cordless Telephone)， 它是相对于 CT-1而言的。 CT-1是模拟式无绳电话， 它是普通电话的延伸。 因为现在使用的电话机， 手持机和座台间的连接缆绳长度是有限的， 所以人们打电话只能在座机周围进行， 而无绳电话是用无线信道来代替这根缆绳， 所以给用户带来了很大方便。,CT-2是CT-1的发展和改进， 它比CT-1的改进之处在于： (1) 它是数字式的无绳电话， 采用时分双工(TDD)工作方式， 频率利

16、用率较高。 (2) 工作频段从CT-1的几十 MHz提高到800 MHz。 (3) 采用动态分配信道方式， 即基站和手持机工作时均可在任意信道上扫描。,(4) CT-2可以像蜂窝系统那样重复使用频率组网， 因为它的基站和手持机的输出功率均较小(10 mW以内)， 故频率利用率可提高， 且能构成大的服务区域。 (5) 由于采用ADPCM数字编码， 因而可进行加密， 而且其本身也具有一些保密性。 (6) 采用公共空中接口(CAI)的通用标准， 所以在国际上通用(可采用不同厂家生产的符合CAI标准的CT-2手持机)。,CT-2系统的技术指标如下： 频段： 864.1868.1 MHz(我国为8398

17、43 MHz)。 信道间隔： 100 kHz。 信道总数： 40。 工作方式： 单频时分双工(TDD)， 即手机与基站采用同一频率， 以时间分割方式实现双工通话。,调制方式： 二进制FSK。 传输速率： 72 kbs。 信令速率： 1 kb/s或2 kb/s。 语音编码及传输： ADPCM32 kb/s。 发射功率： 基站和手机均为10 mW。 接收灵敏度： 40 dBV/m或-100 dBm(50 )。,信道使用方式： 任一手持机或任一基站的任一收发信机均可自动选取40个信道中的任意一个空闲信道。 空闲信道的判定： 凡射频场强小于或等于 40 dBV/m的任意信道均为空闲信道。 若所有信道的

18、场强均小于40 dBV/m ， 则场强最小的那一个为空闲信道。,1.4 移动通信的基本技术与发展方向,1.4.1 基本技术 1. 调制技术 移动通信将朝着数字化方向发展， 其中的关键技术之一是数字调制技术。 对数字调制技术的主要要求是： 已调信号的频谱窄、 带外衰减快； 易于采用相干解调或非相干解调； 抗噪声和抗干扰的能力强， 并适宜在衰落信道中传输。,2. 移动信道中电波传播的模式及抗衰落措施 移动信道属于变参信道， 尤其是陆地移动通信， 其传播路径十分复杂， 不仅受地形、 地物的影响， 使信号产生慢衰落， 而且由于多径效应会产生快衰落现象， 因此， 要想找到普遍适用的传播模式和计算公式来表

19、征移动信道是十分困难的。,3. 抗干扰措施 在移动信道中， 不仅存在大量的环境噪声和干扰(如汽车点火系统等产生的人为噪声)， 还有大量电台产生的干扰， 如邻道干扰、 同道干扰和互调干扰等。 随着通信网络的迅速发展， 如何从组网技术上提高通信系统的抗干扰能力， 已成为一个重要课题。,4.组网技术 移动通信面临用户量大、 频道拥挤、 干扰严重等问题， 解决这些问题的重要方法就是按一定的规范组成各种移动通信网， 以满足用户的不同需求。 移动通信组网涉及的技术很多， 其中有效利用频率资源至关重要。 现代移动通信系统一般都使用多信道共用技术， 实行动态分配信道以提高频率利用率。,5. 移动电台的小型化

20、陆上移动台分为个人携带的手机及车台， 这类电台的小型化和低功耗至关重要。其中， 在移动电台中， 电源往往是影响体积、 重量的主要因素。,1.4.2 数字通信技术 移动通信中引入的数字通信技术可归纳为三大类： (1) 信号处理技术， 包括语音编码， 信道编码和数字调制等。 (2) 数字传输技术， 包括分集， 交织， 均衡和扩频等。 (3) 网络技术， 包括多址接入， 功率控制， 越区与漫游， 信令与网管和网络互联等。,1. 数字语音编码 在数字移动通信中， 语音的数字化， 亦即数字语音是其重要标志， 数字语音编码是其重要技术之一。 2 数字射频调制解调 数字射频调制解调是数字移动通信的关键技术。

21、 它具有如下特点： 信号功率谱窄， 带外辐射低； 有利于多信道移动通信环境中的通信； 在给定载干比条件下具有优良的误码性能。,3 多址接入 多址接入的方式是影响数字移动通信网络结构的极其关键因素， 它将影响数字移动通信的系统容量。 4 信道编码与数字信号处理 信道编码技术， 包括前向纠错、 交织编码等， 它可使移动通信系统工作在低载干比和高噪声环境下。,5 数字控制和数字数据信道 数字控制和数字数据信道是移动通信系统的灵活性和新业务引入的关键所在。 数字数据信道可为移动用户提供高速的数据传输服务。 6 保密与认证 由于采用数字通信方式， 数字加密技术得以应用， 因而保证了用户信息的保密。 移动

22、用户是否有权进入移动通信网， 可以通过对用户身份码进行识别和认证。,1.4.3 移动信道的数字信号传输 模拟通信系统中， 信噪比是表征通信质量的重要参数， 而信道特性对传输信号幅度的影响将明显反映出语音通信的质量。 在移动信道的传播条件下， 信道的多径衰落特性将对模拟信号的传输起主要影响， 因此， 抗幅度衰落性能是模拟移动通信系统所关注的重要技术指标。,为了能在色散信道中可靠地进行数字信号的传输， 需要采用如下的技术措施： (1) 分集技术。 (2) 差错控制技术。 (3) 交织技术。 (4) 扩展频谱技术。 (5) 信道均衡技术。,1.4.4 数字移动通信系统 数字移动通信系统(DMTS)的

23、组成及网络结构如图1 - 10所示， 通信协议按照OSI模型的7层结构。 移动交换中心(MSC)之间及与 ISDN， PSTN和 PDN之间的接口按CCITT的建议。,图 1 - 10 数字移动通信系统(DMTS)的网络结构,(1) 移动台(MS)。 (2) 基站系统(BSS)。 (3) 移动交换中心(MSC)。 (4) 住地位置登记器(HLR)。 (5) 访问者位置登记器(VLR)。 (6) 认证中心(AUC)。 (7) 设备身份登记器(EIR)。 (8) 运行与维护中心(OMC)。 (9) 接口。,1.4.5 移动通信的发展趋势 20世纪90年代是无线电通信大发展的年代。 从20世纪末到21世纪初， 无线电通信发展的主流仍将是蜂窝移动通信、 个人通信。 个人通信将成为我国国家信息基础设施和全球信息基础设施的重要组成部分。,第三代移动通信的主要特征有： (1) 高的灵活性及高的频率效率； (2) 除高质量的语音外， 数据通信速率应达到2 Mb/s； (3) 无缝隙的全球覆盖， 全球漫游； (4) 网络管理智能化程度更高； (5) 宽带多媒体服务、 综合业务服务； (6) 综合卫星链路； (7) 分层小区结构， 智能天线空分多址。,