移动通信系统概述

移动通信系统概论 移动通信系统概论2021-4-30 2 内容移动通信概述移动通信系统分类移动通信系统演进 移动通信系统概论2021-4-30 3 无线通信n早期的 “无线通信”:在 400-900 Hz频段: 光公元前150年间用于通信的狼烟信号 (中国, 希腊)旗语 1794, 光电报, Claude Chappen什么是 无线通信: 在物理上不需要相接触的传输机和接收机的任何通信形式电磁波 在自由空间传播雷达, 射频, 微波, 红外线, 光Chappe兄弟在巴黎附近的两点之间建立了第一个商业旗语系统。拿破仑认为这是一个伟大的主意。不久，旗语信令系统覆盖了法国主要城市。旗语信令迅速传 播到意大利、德国和俄国。数千人受雇于工作站。旗语的传递速度是大约每分钟15个字符。编码手册开始出现，使整个句子可以由一些字符代替。旗语在英格兰却 没有取得成功，因为工业革命，导致英格兰烟雾太浓。Claude Chappe旗语系统引领法国旗语系统达30年之久。在一种新的管理方法出现后，才退出历史舞台。在美国，尤其是从玛撒的葡萄园（鳕鱼角附近的一个岛屿） 到波士顿，正是旗语系统向波士顿海关大楼汇报航行船只的活动情况。在纽约市和旧金山市之间也是这样的。电报的发明者，塞缪尔.F.B.摩尔斯，据说到欧洲 参观了旗语系统的运转。最后一个旗语系统，位于阿尔及利亚，于1860年停止运转。 移动通信系统概论2021-4-30 4 移动通信n移动性的两个方面:使用者的可移动性: 使用者可以通过无线 “随时随地同任何人”进行通信 设备的可移动性: 设备可以随时随地连接到网络n无线 vs. 移动 举例 固定的计算机 旅店内使用笔记本 建筑物内的无线局域网 个人数据处理机 (PDA) 移动通信系统概论2021-4-30 5 n移动通信的要求使得人们产生了对接入到现有的固定网络的无线网络的要求在局域网: IEEE 802.11标准, ETSI HIPERLAN在 广域网: e.g. GSM, 3G and ISDN在因特网:对于 “普通” IP有所增强的移动 IP移动通信 移动通信系统概论2021-4-30 6 发展历史先驱者n 1831 法拉第 证明了电磁感应n麦克斯韦(1831-79): 电磁理论,麦克斯韦方程组(1864)n赫兹(1857-94): 通过实验证明了波在空间传播具有电传播的特性 1888，德国的卡尔斯鲁厄城市，也就是现在的卡尔斯鲁厄大学所在地, 移动通信系统概论2021-4-30 7 发展历史n 1896 Guglielmo Marconi首次证明了无线电信技术 (数字的!)长波传输, 高功率传输的前提( 200kw)n 1915 纽约到旧金山的无线话音传输n 1920 马可尼发现短波更小的发送机和接收机, 得益于电子管的发明（电子管, 1906, Lee DeForest and Robert von Lieben） 移动通信系统概论2021-4-30 8 发展历史n 1928 许多的电视广播试验 (横过大西洋, 彩色电视, 电视新闻)n 1933 频率调制 (E. H. Armstrong（阿姆斯特朗 ）)n 1958 A-Netz （德国）n模拟的, 160MHz, 仅来自移动局的连接设置, 无转交, 80% 的覆盖率,在 1971年有 11000用户 n 1979 NMT，450MHz (北欧的一些国家) 移动通信系统概论2021-4-30 9 发展历史n 1982 GSM标准的开始目标: 带有漫游的欧洲内的数字移动电话体系n 1983 美国的 AMPS的开始(Advanced Mobile Phone System, analog)n 1984 CT-1 标准(欧洲) 用于无绳电话 n 1986 C-Netz （德国）模拟话音传输, 450MHz, 可切换, 数字信号, 自动定位移动设备直到 2000投入使用, 业务: FAX,调制解调器, X.25, e-mail, 98% 的覆盖率 移动通信系统概论2021-4-30 10 发展历史n 1991 DECT标准数字欧洲无绳电话 (现今: 增强的无绳数字通信) 1880-1900MHz, 100-500m 范围, 120 双通道, 1.2Mbit/s 数据传输, 话音编码, 鉴定, 每平方公里数以万计的用户, 在超过50个国家被使用n 1992 GSM的开始在德国的 D1 和D2, 全数字, 900MHz, 124 条通道自动定位,可切换, 蜂窝状欧洲内的漫游 现今可以在全世界170多个国家 业务: 9.6kbit/s的数据率, 传真,话音, . 移动通信系统概论2021-4-30 11 发展历史n 1994 E-Netz （德国） GSM ，1800MHz, 更小的单元在德国作为 E-plus(1997 98% 的人口覆盖率)n 1996 HiperLAN (High Performance Radio Local Area Network) ETSI, 标准化类型 1: 5.15 - 5.30GHz, 23.5Mbit/s推进了类型 2 和 3 (均为 5GHz) 和 4 (17GHz) 作为无线ATM网络 (达到 155Mbit/s) n 1997 无线局域网 IEEE 802.11 IEEE 标准, 2.4 - 2.5GHz 红外, 2Mbit/s已经开始有许多可用产品 移动通信系统概论2021-4-30 12 发展历史n 1998 GSM 后继者的规范 UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) 被欧洲提议为 IMT-2000 Iridium（铱星）: 66颗人造卫星 (+6个 备用的), 1.6GHz 通向移动电话n 1999 附加无线局域网的规范 IEEE 标准 802.11b, 2.4-2.5GHz, 11Mbit/s蓝牙, 2.4Ghz, 1Mbit/s 关于 IMT-2000的决策 “家族”的一些“成员” : UMTS, cdma2000, DECT, WAP (Wireless Application Protocol) 和i-mode的开端通过移动电话可连接到许多（因特网）设备 移动通信系统概论2021-4-30 13 发展历史n 2000 拥有更高数据速率的GSM HSCSD 提供速率高达 57,6kbit/s首次 达到 50 kbit/s的 GPRS试验 UMTS 拍卖/前景的 竞争在德国为了得到6 UMTS的许可证大约花费了 500亿 $!n 2001 3G 系统的开始在韩国的Cdma2000,在欧洲的UMTS,在日本的Foma (类似于 UMTS) n 2002 大容量的无线网络标准化 IEEE 802.16 也称 Wireless MAN 移动通信系统概论2021-4-30 14 移动设备寻呼机 只能接收 微小的显示器 简单的文字信息 移动电话 话音, 数据简单的图画显示个人数字助理 较简单的图画显示 字符识别 简单化的万维网掌上电脑 很小的键盘 标准应用软件的简单化版本内含控制器的传感器笔记本电脑功能齐全标准的应用软件 移动通信系统概论2021-4-30 15 n用户的活动性在无线电接收范围内空间上的可移动性当发送和接收信号时仅仅使用资源n机动性能够轻松地建立局域网遇难情境下办公室迁移时广告广播网没有先前的计划配线无难度 (例如 历史建筑物, 火险保护,美观)为什么要移动通信? 移动通信系统概论2021-4-30 16 为什么要移动通信?n减少花销 (便宜的基础构造)可以紧急铺设光缆发展中国家使用手机而不是 挨家挨户的铺设同轴线n较灵敏地发现地震，火灾, , 而忽略移动了连接器的用户的操作! 移动通信系统概论2021-4-30 17 移动对比于固定的特点n由于噪声，干扰，时变信道产生较快的损耗速率 BER 按大小顺序变化环境条件 e.g. 发动机,光的散发 影响传输n容量有限导致的低传输率本地大约几 Mbit/s, 地域之间 384 Kbit/s 使用 GPRS/UMTS/更多的用户数量，尤其在CDMA系统中n较高的延迟和抖动 连接设置与 GSM 在第二个范围内同步, 对于其他无线系统是几百毫秒。 移动通信系统概论2021-4-30 18 移动对比于固定的特点n安全性低每个人都可以使用无线电, 基站可以被模仿, 因此可以吸引来自无线电话的呼叫n总是要共享媒介必须找到方法共享信道必须有可靠的装置n频率上有限制的标准和规范 需要根据标准和规范来调整频率以避免受到其他用户的干扰考虑到各国的标准国际性的标准也在慢慢的演进 移动通信系统概论2021-4-30 19 n交通通过DAB (Digital Audio Broadcasting)传送新闻，路况，天气，音乐 通过 GSM, 3G进行私人通信通过GPS进行定位跟踪 当地的广告网络可以接入到附近的车辆来避免事故，制导系统，冗余可以预先传达车辆（例如公交车，快速火车）的资料以便于维护应用 移动通信系统概论2021-4-30 20 各种应用 移动通信系统概论2021-4-30 21 各种应用n紧急情况及早的向医院传送病人当前的状况和最初的诊断替代固定设施以防地震，台风，火灾危机, 战争, .n旅行推销直接接触到处存在中心地点的顾客资料对所有的代理数据看都是一致的 移动办公室 移动通信系统概论2021-4-30 22 各种应用n替代固定网络远程传感器, e.g.,天气, 地球活动商业展览的灵活性历史建筑屋内的局域网n娱乐, 教育, .室外接入因特网智能旅行向导提供最新的及时的位置信息 Ad-hoc 网络用于多用户游戏 移动通信系统概论2021-4-30 23 内容移动通信概述移动通信系统分类移动通信系统演进 移动通信系统概论2021-4-30 24 第一代移动通信系统n第一代: 二十世纪八十年代n不同国家的几个相互竞争的标准 TACS (Total Access Communication Systems), 始于 1985英国标准; 欧洲的一些国家, 亚洲, 日本在中国首次使用蜂窝系统 (1987年后) AMPS (Advanced Mobile Phone Service), 贝尔实验室.世界上第一个“真正”的蜂窝系统 美国标准, 在中国也使用 NMT (Nordic Mobile Telephone)北欧标准; 在欧洲的大部分国家被采用第一个欧洲的体系 (瑞典, 1981) C-Netz (仅在德国) Radiocom 2000 (仅在法国) 移动通信系统概论2021-4-30 25 第一代移动通信系统n模拟传输频率调制, FDMA仅话音n各种带宽: NMT: 450 MHz first 900 MHz later TACS 900 MHz AMPS 800 MHzn现今在技术落后的国家仍在使用 移动通信系统概论2021-4-30 26 第二代移动通信系统n 4 个体系 Global System for Mobile (GSM) Digital AMPS (D-AMPS), US Code Division Multiple Access (IS-95) Qualcomm, US Personal Digital Cellular (PDC), Japann GSM 是至今占统治的地位的一个最初的 pan-european 在全世界的发展 1993年后, 至今在中国快速发展仅在美国发展较慢 移动通信系统概论2021-4-30 27 第二代移动通信系统n 1982: 欧洲GSM规范的开始 (1982-1990)n 1983: 美国 AMPS 的广泛发展n 1984: CT-1无绳电话 标准(欧洲) n 1991: DECT 规范欧洲数字无绳电话 (现今: 增强数字无绳通信) 100-500m范围, 120 双方通信, 1.2Mbit/s 数据传输, 话音编码, 鉴别n 1992: GSM 在全欧内实施的开始n 1994: DCS-1800 移动通信系统概论2021-4-30 28 第二代移动通信系统GSMn数字式传输 Mircocell (vs. Marcocell) Digital modulation, TDMAn基带: 900 MHz 1800 MHz (Digital Cellular System: DCS-1800) 1900 MHz (Personal Communication System: PCS-1900,US only)n规格 GSM-400 (大区域) GSM-800 (北美) 移动通信系统概论2021-4-30 29 第二代移动通信系统CDMAn Qualcomm提议专利发行主要在 US, Asia使用 (包括中国)n Code Division Multiple Access 软件容量软件转交 (vs. hard HO)对抗多路径衰退, RAKEn规格 IS-95 移动通信系统概论2021-4-30 30 2代移动通信系统GSM 的扩充n High Speed Circuit Switched Data (HSCSD)电路交换数据通信使用 4 slots (1 slot = 9.6 or 14.4 Kbps)n General Packet Radio Service (GPRS)分组交换 (仅当需要时使用频谱!)拨号上网的速度n Enhanced Data-rates for Global Evolution (EDGE) 在无线电分界处可进行高速率数据传输 (3x)高达 384 Kbps (8 slots)得益于新的调制方式 (8PSK)可兼容旧的 GMSK 移动通信系统概论2021-4-30 31 第3代移动体系n UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) ITU标准: IMT-2000 (International Mobile Telecommunication-2000) UMTS 论坛成立于 1996之后 3GPP 论坛成立(包含大部分的标准化讨论)n Wideband CDMA radio interface但是其他的几项提议也被认为是“一致的”, 包括 TD-SCDMAn无线电频谱: 1885-2025 & 2110-2200 MHz 移动通信系统概论2021-4-30 32 通往3G以及未来的路GPRS cdma2000 1XCDPDTDMA(IS-136)GSMPDCcdmaOne EDGEWCDMATD-SCDMAcdma2000 3X ?2G推向 3G的第一步3G超越 3G / 4GUMBTD-LTELTE-FDD