CDMA蜂窝移动通信教学课件

CDMA蜂窝移动通信蜂窝移动通信11、不为五斗米折腰。12、芳菊开林耀，青松冠岩列。怀此贞秀姿，卓为霜下杰。13、归去来兮，田蜀将芜胡不归。14、酒能祛百虑，菊为制颓龄。15、春蚕收长丝，秋熟靡王税。3 3、发展历程、发展历程移动通信的发展，大致经历了移动通信的发展，大致经历了六个发展阶段六个发展阶段:n n第一阶段：世纪第一阶段：世纪2020年代至年代至4040年代，为早期发展年代，为早期发展阶段阶段;典型系统为美国典型系统为美国19211921年警车无线电调度系统年警车无线电调度系统（AM)AM)，2MHZ2MHZn n第二阶段第二阶段:世纪世纪4040年代中期到年代中期到6060年代中期年代中期;1946 1946年，美国建立了第一个公用汽车电话系统年，美国建立了第一个公用汽车电话系统（FMFM），人工接续，单工方式，），人工接续，单工方式，150/450MHZ150/450MHZ，间隔，间隔为为50100Khz50100Khz，大区制。，大区制。1947 1947年，年，BellBell实验室提出实验室提出蜂窝蜂窝蜂窝蜂窝概念。概念。n n第三阶段：世纪第三阶段：世纪6060年代中期至年代中期至7070年代中期，年代中期，这时出现并推广自动交换式的三级结构这时出现并推广自动交换式的三级结构;频段如前，频段如前，间隔间隔2030Khz2030Khz，典型系统为美国的，典型系统为美国的IMTS.IMTS.n n第四阶段（第四阶段（1G1G）：世纪）：世纪7070年代年代8080年代末，主年代末，主要是解决用户增加而频道有限的问题要是解决用户增加而频道有限的问题;小区制大容小区制大容量。量。FDMA,FDMA,全双工，全自动拨号，可容纳全双工，全自动拨号，可容纳1010万万/网网络。容量、质量提高。络。容量、质量提高。典型系统为美国的典型系统为美国的AMPSAMPS和和TACS TACS，模拟蜂窝网虽然，模拟蜂窝网虽然取得了很大成功，但也暴露了一些问题，主要表取得了很大成功，但也暴露了一些问题，主要表现如下：现如下：现有的模拟式蜂窝系统体制混杂，不能实现有的模拟式蜂窝系统体制混杂，不能实现国际漫游。现国际漫游。模拟蜂窝网不能提供数据业务模拟蜂窝网不能提供数据业务。模拟系统设备价格高、手机体积大、电池充电模拟系统设备价格高、手机体积大、电池充电后有效工作时间短，给用户带来不便。后有效工作时间短，给用户带来不便。模拟系统网用户容量受到限制，在人口密度很模拟系统网用户容量受到限制，在人口密度很大的城市，系统扩容大的城市，系统扩容 困难。困难。为了克服第一代蜂窝系统的局限性，以满足移动为了克服第一代蜂窝系统的局限性，以满足移动通信网发展的需要，北美、欧洲和日本自世通信网发展的需要，北美、欧洲和日本自世纪纪8080年代中期起相继为第二蜂窝系统制定了三种年代中期起相继为第二蜂窝系统制定了三种不同的标准，即北美的不同的标准，即北美的ISIS、欧洲的、欧洲的GSMGSM和日本的和日本的JDCJDC。第五阶段（第五阶段（2G2G）：这是数字移动通信系统的发展和）：这是数字移动通信系统的发展和成熟时期。成熟时期。2G 2G典型系统为典型系统为GSMGSM（900M TDMA/FDMA900M TDMA/FDMA）,IS-95(800M CDMA)IS-95(800M CDMA)区别如表：区别如表：不同制式不同制式GSMGSMIS-95IS-95工作频段工作频段890915890915935960935960824849824849869894869894双工间隔双工间隔45M45M45M45M频道间隔频道间隔200k200k1250k1250k频率复用频率复用4 4，3 31 1小区半径小区半径0.5km0.5km不定不定35km35km50km50km多址多址TDMATDMACDMACDMA调制方式调制方式GMSKGMSKQPSK,OQPSKQPSK,OQPSK传输速率传输速率270.833kb/s270.833kb/s614.4kb/s614.4kb/s语音编码语音编码RPE-LTPRPE-LTPCELPCELPn n2.5G-GPRSn n第六阶段（第六阶段（3G3G），以多媒体业务为主要特征，），以多媒体业务为主要特征，主要有：主要有：WCDMAWCDMA CDMA2000 CDMA2000 TD-SCDMA TD-SCDMA 表1-2 几种典型的模拟蜂窝状移动电话系统年代年代体制名称体制名称国家或地区国家或地区19791979年年HCMTSHCMTS日本日本19811981年年NMT-450NMT-450北欧北欧19841984年年AMPSAMPS美国美国19851985年年TACSTACS英国英国19861986年年NMT-900NMT-900北欧北欧19871987年年C-900C-900德国德国19881988年年ETACS/AMPSETACS/AMPS美国，英国美国，英国19911991年年GSM.8CH.TDMAGSM.8CH.TDMA欧洲欧洲19921992年年CADN.3CH.TDMCADN.3CH.TDMA A美国，日本美国，日本1.1.2 1.1.2 我国移动通信的发展状况我国移动通信的发展状况1987年我国第一个模拟网在广东珠江三角洲开通，采用 的体制为TACS。随后北京、秦皇岛、上海相继组建模 拟移动电话系统，年增长率一直超过100%；1994年11月开始组建GSM数字网；1998年模拟用户开始下降；2001年7月关闭模拟网；到2001年11月底，移动用户约 达到1.4亿户，其中中国联通用户约达4000万。年份年份年份年份19941994199419941995199519951995199619961996199619971997199719971991991991998 8 8 81991991991999 9 9 92002002002000 0 0 020012001200120012002200220022002中国移动中国移动中国移动中国移动总用户数总用户数总用户数总用户数156.7156.7156.7156.78 8 8 8362.9362.9362.9362.94 4 4 4684.8684.8684.8684.81 1 1 113251325132513252352352352357 7 7 74324324324324 4 4 48528528528526 6 6 614101410141014100 0 0 020032003200320037 7 7 7中国移动中国移动中国移动中国移动模拟用户数模拟用户数模拟用户数模拟用户数150.0150.0150.0150.04 4 4 4347.2347.2347.2347.27 7 7 7520.7520.7520.7520.7640.640.640.640.3 3 3 3626.626.626.626.8 8 8 8459459459459250250250250中国移动中国移动中国移动中国移动数字用户数数字用户数数字用户数数字用户数6.746.746.746.7415.6715.6715.6715.67164.1164.1164.1164.11 1 1 16836836836831721721721729.89.89.89.87827827827829 9 9 96406406406400 0 0 010051005100510050 0 0 012921292129212929.89.89.89.8中国联通中国联通中国联通中国联通GSMGSMGSMGSM移动用户数移动用户数移动用户数移动用户数3 3 3 310101010404040401411411411415215215215211821821821825 5 5 539303930393039305400540054005400中国联通中国联通中国联通中国联通CDMACDMACDMACDMA移动用户数移动用户数移动用户数移动用户数120120120120701.701.701.701.2 2 2 2表1-5 中国蜂窝移动用户发展情况。（单位：万）年份年份年份年份200320032003200320042004200420042005200520052005中国移动总用户数中国移动总用户数中国移动总用户数中国移动总用户数230002300023000230002800028000280002800034000340003400034000中国移动数字用户数中国移动数字用户数中国移动数字用户数中国移动数字用户数150001500015000150001830018300183001830021200212002120021200中国联通中国联通中国联通中国联通GSMGSMGSMGSM移动用户数移动用户数移动用户数移动用户数610061006100610063006300630063006400640064006400中国联通中国联通中国联通中国联通CDMACDMACDMACDMA移动用户数移动用户数移动用户数移动用户数190019001900190034003400340034005400540054005400表1.6中国蜂窝移动电话用户预测结果（单位：万）图1.1 数字移动通信的演进过程1.1.3 1.1.3 蜂窝技术蜂窝技术大区制小容量大区制小容量小区制大容量小区制大容量 链状网链状网主要用于覆盖公路、铁路、海岸等，如图链状网主要用于覆盖公路、铁路、海岸等，如图1-21-2所示。所示。图1-2 链状网 基站天线若用全向辐射，覆盖区形状是圆形的。链状网宜采基站天线若用全向辐射，覆盖区形状是圆形的。链状网宜采用有向天线，使每个小区是扁圆形。链状网可进行频率再用。用有向天线，使每个小区是扁圆形。链状网可进行频率再用。若以采用不同信道的两个小区组成一个区群，若以采用不同信道的两个小区组成一个区群，如图如图-（）所示，称为二频组。（）所示，称为二频组。如图如图-（）所示，称为三频组。（）所示，称为三频组。如图如图-（）所示，称为四频组。（）所示，称为四频组。从造价和频率资源的利用而言，当然二频组最好；但从抗同频从造价和频率资源的利用而言，当然二频组最好；但从抗同频道干扰方面而言，二频组最差，还应考虑多频组。设道干扰方面而言，二频组最差，还应考虑多频组。设n n频组的链频组的链状网如图状网如图1-31-3所示所示图1-3 链状网的同频道干扰每个小区的半径为每个小区的半径为r r，相邻小区的交叠宽度为，相邻小区的交叠宽度为a a，第，第n+1n+1区与第区与第1 1区为同频道小区。据此，可以区为同频道小区。据此，可以算出信号传输距离算出信号传输距离 和同频道干扰传输距离和同频道干扰传输距离 之比。之比。二频组二频组三频组三频组N N频组频组r/(3r-r/(3r-2a)2a)r/(5r-3a)r/(5r-3a)r(2n-1)r-r(2n-1)r-nanaI/SI/Sa=0a=0-19db-19db-28db-28db40lg1/(2n-40lg1/(2n-1)1)a=ra=r0db0db-12db-12db40lg1/(n-40lg1/(n-1)1)表1-7 同频道干扰蜂窝网蜂窝网a.a.无线小区的形成无线小区的形成全向小区辐射的覆盖区是个圆形。为了不留空隙地覆盖整个平面的服务区，一个个圆形辐射区之间一定含有很多的交叠。在考虑了交叠之后，实际上每个辐射区的有效覆盖区是一个多边形。小区形状如图1-4所示。图1-4 小区的形状可以证明，要用正多边形无空隙、无重叠地覆盖一个平面区域，可取的形状只有这三种。那么这三种形状小区的邻区距离、小区面积、交叠区宽度和交叠区面积如表1-8所示。小区形状小区形状正三角形正三角形正方形正方形正六正六边边形形邻邻区距离区距离小区面小区面积积交叠区交叠区宽宽度度交叠区面交叠区面积积表1-8 三种形状小区的比较b.b.区群的组成区群的组成单位无线区群的构成应满足以下两个条件：一是单位无线区群的构成应满足以下两个条件：一是单位无线区群之间彼此邻接；二是相邻单位无线单位无线区群之间彼此邻接；二是相邻单位无线区群的同频小区中心间隔距离是一样的。满足以区群的同频小区中心间隔距离是一样的。满足以上两个条件的关系式如下：上两个条件的关系式如下：中N为构成单位无线区群的正六边形的数目，简称区群数。及b均为非负整数，但、b不能同时为零。c.c.同频（信道）小区的距离同频（信道）小区的距离设小区的辐射半径（即六边形外接圆的半径）为R,则从图1-5可以算出同信道小区中心之间的距离为：图1-5 面状覆盖d.d.中心激励与顶点激励中心激励与顶点激励在每个小区中，基站可放在小区的中央，用全向天线形成圆形覆盖区，这就是所谓的“中心激励”方式，如图1-6（a）所示。也可以将基站设计在每个小区六边形的三个顶点上，每个基站采用三副120扇形天线共同覆盖，这就是所谓的“顶点激励”，如图1-6（b）所示。采用定向天线后，所接收的同频干扰功率下降，因而可以减少系统的同道干扰。另外，在不同地点采用多副定向天线可以消除小区内障碍物的阴影区。若要用定向天线，建议采用43复用方式，即N=4，每个基站3个120扇区或60三叶草形小区。见图1-6（c）、（d）、（e）、（f）。频率复用模式：图1-6 激励与频率复用e.e.小区的分裂小区的分裂在整个服务区中每个区的大小可以是相同的，但这只能适应用户密度均匀的情况。在用户密度高的市中心区可使小区的面积小一些，在用户密度低的市郊区可使小区的面积大一些。小区一般分为巨区、宏区、微区、微微区几类。蜂房类型蜂房类型巨区巨区宏区宏区微区微区蜂房半径蜂房半径(km)(km)100100500500353511终端速度终端速度(km/h)(km/h)15001500500500100100运行环境运行环境所有所有乡村郊区乡村郊区市区市区业务量密度业务量密度低低低到中低到中中到高中到高适用系统适用系统卫星卫星蜂窝蜂窝蜂窝蜂窝/无绳无绳表1-9 小区分类图1-7 小区分类图示当一个特定小区的话务量增加时，小区可以被分裂为更小的小区。通过小区数的增加来增加信道的再用数，这样来增加用户容量，如图1-8所示。1：4方案图1-8 小区分裂f.f.切换切换 切换是使移动台的一个呼叫进程在小区之间移动时能够继续的过程。切换可以基于接收的信号强度或信干比（SIR），或基于网络资源管理的需要。切换过程可能涉及终端的注册和鉴权。n n切换可以分为硬切换和软切换。切换可以分为硬切换和软切换。切换可以分为硬切换和软切换。切换可以分为硬切换和软切换。n n 软切换是当移动终端的通信被连到另一个软切换是当移动终端的通信被连到另一个软切换是当移动终端的通信被连到另一个软切换是当移动终端的通信被连到另一个目标的无线端口时，不需要中断与当前服务的无目标的无线端口时，不需要中断与当前服务的无目标的无线端口时，不需要中断与当前服务的无目标的无线端口时，不需要中断与当前服务的无线端口的通信。在软切换中，移动终端可以同时线端口的通信。在软切换中，移动终端可以同时线端口的通信。在软切换中，移动终端可以同时线端口的通信。在软切换中，移动终端可以同时与两个无线端口通信。与两个无线端口通信。与两个无线端口通信。与两个无线端口通信。n n 硬切换是移动终端被连到相邻的无线系统、硬切换是移动终端被连到相邻的无线系统、硬切换是移动终端被连到相邻的无线系统、硬切换是移动终端被连到相邻的无线系统、不同的频率分配或不同的空中接口特性和技术。不同的频率分配或不同的空中接口特性和技术。不同的频率分配或不同的空中接口特性和技术。不同的频率分配或不同的空中接口特性和技术。硬切换在空中接口是先断后通的过程。硬切换在空中接口是先断后通的过程。硬切换在空中接口是先断后通的过程。硬切换在空中接口是先断后通的过程。1.1.4 1.1.4 蜂窝网移动通信概论蜂窝网移动通信概论系统结构系统结构蜂窝系统的典型结构如图1-9所示。图1-9 蜂窝系统形状由图可见，蜂窝网移动通信系统本身由三大部分组成，即移动交换中（MSC）或移动电话交换局（MTSO）、基站（BS）和移动（MS）。蜂窝网的功能与特征蜂窝网的功能与特征蜂窝网通信系统的主要功能：蜂窝网通信系统的主要功能：（）移动功能（）移动功能蜂窝网移动通信系统的服务由基本服务及操作、维护和管蜂窝网移动通信系统的服务由基本服务及操作、维护和管理服务成。理服务成。（）服务资源功能（）服务资源功能传输和同步传输和同步功率控制功率控制采用小区制频率再用技术，提高频率使用效率。采用小区制频率再用技术，提高频率使用效率。设备通用性较强，接口标准规范统一。设备通用性较强，接口标准规范统一。（）业务功能（）业务功能业务分为基本业务和补充业务业务分为基本业务和补充业务。蜂窝网通信的主要特征蜂窝网通信的主要特征 频率再用 过境切换（或越区切换）小区分裂。用小区分裂的方式可增加系统的容量。一般来说，小区半径越小，基站数量越多，系统的容量也就越大。同频干扰从模拟蜂窝网到数字蜂窝网从模拟蜂窝网到数字蜂窝网数字蜂窝移动通信网的主要优点可以归纳如下：（1）频谱利用率较高，可进一步提高系统容量。2）能提供多种业务服务。（3）保密性好。（4）抗衰落能力强。（5）网络管理与控制更有效。今后十多年将是数字网（尤其是CDMA数字网）大发展的时期，其体制与技术对未来移动通信系统将产生重大影响。1.2 1.2 多址接入技术多址接入技术任何空中接口设计的基础都是如何选择在用户之间分享公共传任何空中接口设计的基础都是如何选择在用户之间分享公共传输媒体，即多址接入方案。第一代蜂窝系统输媒体，即多址接入方案。第一代蜂窝系统AMPSAMPS以及第二代以及第二代IS-54IS-54和和IS-95IS-95标准代表了三类典型的多址（标准代表了三类典型的多址（MAMA）技术方式，即）技术方式，即 FDMAFDMA、TDMATDMA、CDMACDMA。基本的多址接入方案如图。基本的多址接入方案如图1-101-10所示。所示。图1-10 多址接入方案1.3 CDMA1.3 CDMA的过去、现在和将来的过去、现在和将来扩频技术起源于军用和航空系统。抵消人为干扰扩频技术起源于军用和航空系统。抵消人为干扰技术的发展已经证明扩频技术适用于蜂窝应用中技术的发展已经证明扩频技术适用于蜂窝应用中色散信道的通信。色散信道的通信。CDMACDMA时代可以划分为三个阶段：时代可以划分为三个阶段：（1 1）先锋）先锋CDMACDMA时代；时代；（2 2）窄带）窄带CDMACDMA时代；时代；（3 3）宽带）宽带CDMACDMA时代。时代。谢谢！61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈。CocoChanel62、少而好学，如日出之阳；壮而好学，如日中之光；志而好学，如炳烛之光。刘向63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。孔丘64、人生就是学校。在那里，与其说好的教师是幸福，不如说好的教师是不幸。海贝尔65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦。杰纳勒尔乔治S巴顿