《蜂窝移动通信概论》PPT课件

第 1章 蜂窝移动通信概论 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 第 1章 蜂窝移动通信概论 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 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 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 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 1.1.2 蜂窝移动通信概念 20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。 第 1章 蜂窝移动通信概论 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 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 2. 蜂窝移动通信系统的特点 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 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 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 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 1.1.4 移动通信的工作方式 按照通话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 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 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 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 图 1 - 1 单工通信方式 送话器 T 发射机 A R 接收机 受话器 T B R f 1 f 1 ( f 2 ) f 1 ( f 2 ) f 1 第 1章 蜂窝移动通信概论 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 ， 即收发信机交替工作 ， 如图 1 - 2所示 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 图 1 - 2 半双工通信方式 T A R T B R f 1 f 2 f 2 f 1 天线 共用器 第 1章 蜂窝移动通信概论 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 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 图 1 - 3 双工通信方式 T A R T B R f 1 f 2 f 2 f 1 天线 共用器 天线 共用器 第 1章 蜂窝移动通信概论 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 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 图 1 - 4 大区制移动通信系统 市话 MSBS 第 1章 蜂窝移动通信概论 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。 第 1章 蜂窝移动通信概论 1.2.2 小区制蜂窝移动通信系统 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 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 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 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 图 1 - 5 蜂窝电话系统的示意图 BS BS BS BS BS BS BS M S C 市话局 MS 第 1章 蜂窝移动通信概论 图 1 - 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 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 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 f 1 f 2 f 1 f 2 A B A B f 1 f 2 f 1 f 2 A B A B f 3 C f 3 C ( i i ) 三频组 ( i ) 二频组 ( a ) 第 1章 蜂窝移动通信概论 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 3 1 3 2 4 2 4 1 3 1 4 2 1 N 4 1 2 5431 2 543 6 7 1 2 5431 26 7 5431 2 6 7 543 6 7 1 2 5431 26 7 543 6 7 6 7 N 7 第 1章 蜂窝移动通信概论 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 A B B B A A B A A B B A B N 19 C e l l N o . 12 4 6 9 55 8 11 10 3 4 12 9 7 10 6 11 5 1 2 10 3 4 8 11 12 9 8 7 6 N 12 A ( b ) 第 1章 蜂窝移动通信概论 2. 频率复用 在频分制的蜂窝系统中 ， 每个小区占有一定的频 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 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 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 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 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 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 图 1 - 7 正六边形蜂窝的区群结构 N 3 a 1 b 1 q 3 N 4 a 2 b 0 q 3 . 4 6 N 7 a 2 b 1 q 4 . 5 8 N 1 2 a 2 b 2 q 6 第 1章 蜂窝移动通信概论 区群间同频小区的距离 D由下式计算： NRD 3 (1 - 2) 第 1章 蜂窝移动通信概论 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： R Dq (1 - 3) 第 1章 蜂窝移动通信概论 在系统设计时 ， 设本小区载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 M q MD R I C I C M i i 4 4 4 1 (1 - 4) 第 1章 蜂窝移动通信概论 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 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 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 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 图 1 - 8 信道切换机理 F 1 R F 1 C 1 F 2 F 3 F 4 F 1 F 2 C 2 C 3 C 4 C 1 C 2 F 1 D q D R ( a ) F 1 F 2 H . O . H . O . H . O . H . O . H . O . F 2 F 3 F 3 F 4 F 4 F 1 F 1 F 2 ( b ) 第 1章 蜂窝移动通信概论 *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 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 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 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 图 1 - 9 无线调度网示意图 调度台 移动台 车台 第 1章 蜂窝移动通信概论 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。 第 1章 蜂窝移动通信概论 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 68 88 MHz、 132 225 MHz、 405 512 MHz； 芬兰 Nokia公司提供 的 ACTIONET系统 ， 其使用频段为 80 MHz、 160 MHz 及 450 MHz； 英国马可尼公司提供的集群系统 ， 其使 用频段为 174 225MHz。 第 1章 蜂窝移动通信概论 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 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 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 )都是自动完成的 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 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。 第 1章 蜂窝移动通信概论 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。 第 1章 蜂窝移动通信概论 (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。 第 1章 蜂窝移动通信概论 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 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 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。 第 1章 蜂窝移动通信概论 (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 )。 第 1章 蜂窝移动通信概论 CT-2系统的技术指标如下： 频段： 864.1 868.1 MHz(我国为 839 843 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 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 调制方式： 二进制 FSK。 传输速率： 72 kb s。 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 )。 第 1章 蜂窝移动通信概论 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 。 若所有信道的场强 均小于 40 dBV/m ， 则场强最小的那一个为空闲信道 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 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 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 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 来表征移动信道是十分困难的 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 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 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 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 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 5. 移动电台的小型化 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 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 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 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 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 。 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 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 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 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 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 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 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 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 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。 第 1章 蜂窝移动通信概论 1.4.4 数字移动通信系统 数字移动通信系统 (DMTS)的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 。 第 1章 蜂窝移动通信概论 图 1 - 10 数字移动通信系统 (DMTS)的网络结构 MS MS B S S E I R M S C H L R A U C V L R O M C M S C P D N P S T N I S D N 固定网络 与固定网络接口无线接口 M S C B S S 接口 第 1章 蜂窝移动通信概论 (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。 第 1章 蜂窝移动通信概论 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 1章 蜂窝移动通信概论 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 。