移动通信概述课件

移动通信概述 移动通信发展历程7/8/20242移动通信发展历程Study ItemWork ItemDevelopmentDeployment20052006200720082009201020042011R99HSDPA98990001020304050607080996971011YearHSUPAE-HSPAGPRSEDGE E-GERANLTENarrow bandwidth technologyWide bandwidth CDMA technologyFlexible bandwidth OFDM technologyGSMLTEStandardizationDevelopmentDeployment20052006200720082009201020042011WiMAX7/8/20243移动通信发展历程第一代移动通信系统模拟语音本世纪70年代中期至80年代中期1978年美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统AMPS 建成了第一代蜂窝式移动通信系统主要特点是采用频分复用FDMA 模拟制式语音信号为模拟调制，每隔30kHz/25kHz一个模拟用户信道7/8/20244移动通信发展历程第一代移动通信系统的典型代表美国的AMPS系统（先进移动电话系统），使用800MHz频带，主要在北美南美和部分环太平洋国家使用改进型系统TACS（总接入通信系统），使用900MHz频带，分ETACS 欧洲和NTACS 日本两种版本，主要在英国日本和部分亚洲国家使用，我国也采用这种系统7/8/20245移动通信发展历程第一代移动通信的弊端频谱利用率低业务种类有限无高速数据业务保密性差易被窃听和盗号设备成本高体积大重量大7/8/20246移动通信发展历程第二代移动通信系统数字语音时间自八十年代中期开始数字移动通信网相对于模拟移动通信网提高了频谱利用率，支持多种业务服务以传输话音和低速数据业务为目的，因此又称为窄带数字通信系统7/8/20247移动通信发展历程第二代移动通信系统的典型代表美国的DAMPS系统欧洲的GSM系统美国的IS-95系统7/8/20248移动通信发展历程DAMPS（先进的数字移动电话系统）又称IS-54（北美数字蜂窝），北美数字蜂窝标准中推出较早的一种使用数字化和压缩技术处理语音信号，降低了空中链路上传输的数据量使用TDMA多址方式移动电话辅助切换：利用空闲时隙来测量线路质量7/8/20249移动通信发展历程支持3用户的DAMPS信道123123TDM帧312312上行数据流下行数据流7/8/202410移动通信发展历程GSM（全球移动通信系统）发源于欧洲，它是作为全球数字蜂窝通信的TDMA标准而设计的GSM使用900MHz频带，使用1800MHz频带的称为DCS1800 GSM采用FDD双工方式和TDMA多址方式支持64kbit/s的数据速率7/8/202411移动通信发展历程GSM与DAMPS类似，GSM信道更宽，能够容纳的用户数量相对减少，但每个用户的数据传输率提高7/8/202412移动通信发展历程IS-95北美的另一种数字蜂窝标准使用800MHz或1900MHz频带使用CDMA多址方式7/8/202413移动通信发展历程2.5GEDGE(enhanced data rates for GSM evolution)，支持每波特更多数据位的GSM系统GPRS(gernal packet radio service)，位于DAMPS或GSM之间的层叠分组网络，允许手机在运行语音系统的蜂窝单元中发送或接收IP分组7/8/202414移动通信发展历程第二代移动通信的弊端以语音业务为主通信系统带宽有限，限制了数据业务的应用，无法实现高速率的业务7/8/202415移动通信发展历程第三代移动通信系统数字语音与数据目标是宽带多媒体通信核心技术为CDMA技术提供多种类型高质量的多媒体业务实现全球无缝覆盖具有全球漫游能力与固定网络相兼容小型便携式终端在任何时候任何地点进行任何种类的通信7/8/202416移动通信发展历程CDMA技术的优势系统容量大更高的频谱效率语音质量好，更高的保密性手机发射功率小，省电7/8/202417移动通信发展历程IMT-2000是第三代移动通信系统的统称第三代移动通信系统最早由国际电信联盟（ITU）1985年提 出，考虑到该系统将于2000年左右进入商用市场，并且其工作的频段在2000MHz，故于1996年正式更名为IMT-2000（International Mobile Telecommunication-2000）7/8/202418移动通信发展历程IMT-2000的目标全球统一频段、统一标准，全球无缝覆盖高效的频谱效率更高的服务质量、保密性和可靠性易于从2G系统平滑演进与过渡，并反向兼容2G系统提供多媒体业务，速率最高可达2Mb/s车速环境：144kb/s步行环境：384kb/s室内环境：2Mb/s7/8/202419移动通信发展历程IMT-2000标准化组织7/8/202420移动通信发展历程IMT-2000技术规范体制7/8/202421移动通信发展历程WCDMA由爱立信公司提出WCDMA通信系统（UMTS全球通用移动通信系统）分为无线接入网（UTRAN）和核心网（CN）UTRAN的主要功能是生成和维护用户设备（UE）与CN间用于通信的无线接入承载业务CN是UMTS用户提供通信业务的基础平台7/8/202422移动通信发展历程CDMA2000由Qualcomm公司提出IS-95的扩展，与IS-95向后兼容与WCDMA的区别主要是使用不同的时间片率、不同的帧时间、不同的频谱，以及不同的时间同步机制7/8/202423移动通信发展历程TD-SCDMA由中国提出集成了频分（FDMA）、时分（TDMA）、码分（CDMA）和空分（SDMA）四种多址接入技术优势关键技术包括：时分双工（TDD）、智能天线、联合检测、动态信道分配等7/8/202424移动通信发展历程第三代移动通信的局限性难以达到较高的通信速率难以提供动态范围多速率业务难以实现不同频段的不同业务环境间的无缝漫游第三代移动通信仍是基于地面、标准不统一的区域性通信系统7/8/202425移动通信发展历程第四代移动通信系统宽带和多功能集成包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和互操作的广播网络（基于地面和卫星系统）具有很高的传输速率和传输质量：承载大量多媒体信息，具备100Mb/s室外最大传输速率和1Gb/s室内最大传输速率，非对称上/下行链路速率，地区连续覆盖、QoS机制灵活多样的业务功能：用户能自由在各种网络环境间无缝漫游7/8/202426移动通信发展历程第四代移动通信系统高度智能化的无线网络：满足不同用户在不同环境下的通信需求核心网是一个基于IP的网络：采用IP后，所采用的无线接入方式和协议与核心网络协议、链路层是分离的，IP与多种无线接入协议兼容，核心网络具有很大灵活性开放的平台：用户能自由选择协议、应用和网络；业务提供商能提供独立于操作的业务；定位信息和计费信息能在各网络间共享高度可靠的鉴权及安全机制7/8/202427移动通信发展历程标准化过程3GPP LTE传统电信厂商的“地盘”：爱立信，高通，诺基亚，摩托罗拉以及传统的电信运营商；属于3GPP家族，和3GPP其他网络(GSM,WCDMA)和融合、互操作以及接口设计考虑周全；标准化过程中对技术选取通常需经过反复论证，相对严谨而且标准体制比较简洁；WiMAX(IEEE 802.16e)众多新兴厂家的身影：Intel，Navini，Beceem，Arraycomm；标准化过程中比较“民主”，比较容易引入新的技术选项，标准体制中存在缺陷的概率比较高，而且标准体制比较“繁杂”；产业化前景仍就存在不确定性；7/8/202428移动通信发展历程LTE关键技术OFDM技术（正交频分复用技术）软件无线电技术（将硬件作为其通用的基本平台，把尽可能多的无线及个人通信的功能通过可编程软件实现，使其成为一种多工作频段、多工作模式、多信号传输与处理的无线电系统）智能天线和MIMO技术（在不增加带宽的情况下成倍提高通信系统的容量和频谱利用率）7/8/202429移动通信发展历程LTE网络需求适应1.25MHz20MHz多种频谱带宽(paired or unpaired)；提高峰值速率：下行高于100Mbps，上行高于50Mbps；提高频谱效率:下行为HSPA的3-4倍,上行为HSPA的2-3倍；减小无线连接建立时间(100ms)以及接入网的环回时间(10ms)；提高广播多播业务的速率(达到1-3 Mbps)；移动性：手机的移动速度可达350Km/h；关注基于IP的业务；简化协议、网络架构扁平化等。7/8/202430移动通信发展历程IMT-AdvancedIMT-Advanced系统为具有超过IMT-2000能力的新能力的移动系统。该系统能够提供广泛的电信业务：由移动和固定网络支持的日益增加的基于包传输的先进的移动业务3GPP于2008年10月向ITU声明将把LTE-Advanced作为IMT-Advanced候选技术提交给ITU-R IEEE于2009年2月向ITU-R声明将把802.16m作为IMT-Advanced候选技术提交 7/8/202431移动通信发展历程IMT-Advanced截至2009年10月，共收到6项候选提案，涵盖了LTE-Advanced（包括TDD和FDD两种制式）和IEEE 802.16m两大类技术方案，ITU确定这两类技术为4G国际标准候选技术其中TD-LTE-Advanced作为LTE-A技术的TDD分支，已获得欧洲标准化组织3GPP和国际通信企业的广泛认可7/8/202432移动通信发展历程LTE-A与IMT-A的技术需求7/8/202433移动通信发展历程LTE-A关键技术OFDM技术多天线增强载波聚合（LTE-A支持连续载波聚合以及频带内和频带间的非连续载波聚合，最大能聚合带宽可达100MHz）多点协作（多点协作分为多点协调调度和多点联合处理两大类）无线中继（用户终端可以通过中间接入点中继接入网络来获得带宽服务，减小无线链路的空间损耗，增大信噪比，进而提高边缘用户信道容量）7/8/202434蜂窝通信基础蜂窝通信基础构成无线电话网的方式20世纪70年代由贝尔实验室提出主要思想：同一频率被相距足够远的几个基站使用，增加系统容量区别传统的中心广播的方法，将整个服务区分为许多较小的区域，用许多小功率发射机来覆盖每个小的区域（小区）7/8/202435蜂窝通信基础蜂窝结构7/8/202436蜂窝通信基础蜂窝结构的概念一频率再用在不同的小区内使用相同的频率，大大增加系统容量由于无线信道的开放性，相邻小区工作于同一频道会产生相互干扰，因而必须跳过若干个小区后，同一频率才能再用将若干相邻小区组成区群，区群内小区使用不同的频率组，每个区群使用所提供的全部无线频道7/8/202437蜂窝通信基础蜂窝结构的概念一频率再用在每个小区内应限制基站发射功率，使其有效覆盖整个小区，且对相邻区群内的同频小区干扰应低于一定门限7/8/202438蜂窝通信基础蜂窝网的频率再用7/8/202439蜂窝通信基础蜂窝结构的概念二越区切换移动台从一个小区进入相邻小区时，其工作频率和接续服务都是不同的，这就需要在一次通话过程中将移动台的工作频率和接续控制从其离开的小区交换给正在进入的小区硬切换：新基站获得电话之前，老基站就挂掉了电话软切换：在老基站挂断电话之前，新基站就获得了电话信号7/8/202440蜂窝通信基础蜂窝结构的概念三小区分裂通过小区分裂增加系统容量理论上，每个新小区都能支持与原来小区同样数量的用户，因此通过小区分裂可增加容量而不需要增加额外无线信道小区分裂后，基站数量增加，系统成本增加7/8/202441多址技术问题：在移动通信系统中，有许多用户要同时通过一个基站和其他用户进行通信，如何对不同用户和基站发出的信号进行区分？解决：多址技术无线多址通信是指在一个通信网内各个通信台、站共用同一个指定的射频频道，进行相互间的多边通信7/8/202442多址技术7/8/202443多址技术频分多址发送端对所发信号的频率参量进行正交分割，形成许多互不重叠的频带在接收端利用频率的正交性，通过滤波，从混合信号中选出相应的信号在移动通信系统中，频分多址是把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的互不重叠的频道，分配给不同的用户使用7/8/202444多址技术 在频分多址系统中，把可以使用的总频段划分为若干占用较小带宽的频道，这些频道在频域上互不重叠，每个频道就是一个通信信道，分配给一个用户。7/8/202445多址技术频分多址优点：技术比较成熟，设备简单，容易实现缺点：抗干扰性差，保密性差7/8/202446多址技术时分多址发送端对所发信号的时间参量进行正交分割，形成许多互不重叠的时隙接收端利用时间的正交性，通过时间选通门从混合信号中选出相应的信号时分多址是把时间分割成周期性帧，每一帧再分割成若干个时隙，然后根据一定的分配原则，使移动台在指定时隙内向基站发送信号7/8/202447多址技术 在时分多址系统中，把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙（无论帧或时隙都是互不重的），每一个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户。7/8/202448多址技术时分多址优点：比频分多址抗干扰能力强，频率利用率高缺点：需要全网同步，技术比较复杂7/8/202449多址技术码分多址发送端用各不相同的、相互正交的地址码调制其所发信号接收端利用码型的正交性，通过地址识别（相关检测）从混合信号中选出相应的信号特点：所有用户使用同一载波，占用相同带宽；各个用户可以同时发送或接收信号7/8/202450多址技术 在CDMA通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分，而是用各自不同的编码序列来区分，或者说，靠信号的不同波形来区分。从频域或时域来观察多个CDMA信号是互相重叠的。接收机用相关器可以在多个CDMA信号中选出使用预定码型的信号。其他使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声或干扰，通常称之为多址干扰。7/8/202451多址技术正交频分多址系统将传输带宽划分成正交的互不重叠的一系列子载波集，将不同的子载波集分配给不同的用户可以看作将总资源(时间、带宽)在频率上进行分割，实现多用户接入具有更高的频谱效率和更好的抗衰落性能 7/8/202452多址技术较CDMA系统，接收机的复杂度更低，尤其是在高带宽情况下；在多径环境下，较CDMA系统性能更优；7/8/202453多址技术多址技术多个用户同时共享无线电频谱的一种通信方式FDMA，TDMA，CDMA，OFDMA7/8/202454双工技术双工：移动设备之间的通信链路会占用两个信道，从终端到网络（上行链路）的传输信道，以及一个反方向（下行链路）的信道 双工的含义是可以同时进行双向传输 7/8/202455双工技术频分双工FDD收发各占用一个频段，收发间频率为固定间隔时分双工收发用同一频率，使用不同时隙7/8/202456双工技术上行/下行频率上行/下行时间保护间隔下行上行下行时间用时间来分离接收和发送信道，时间资源在两个方向上进行分配，基站和移动台之间须协同一致才能顺利工作 在支持对称业务时，能充分利用上下行的频谱，但在支持非对称业务时，频谱利用率将大大降低TDDTDDFDDFDD双工滤波器频率下行上行保护带7/8/202457无线通信核心问题无线通信成为富有挑战性又能引起研究人员兴趣的课题。衰落现象：大尺度衰落、小尺度衰落干扰：上行链路干扰、下行链路干扰、小区间干扰核心问题：在无线环境恶劣、频谱资源有限的条件下，如何设计通信系统实现多用户、高速度、高质量的数据传输7/8/202458无线信道电磁波的传播特性反射：电磁波在不同性质介质的交界处，会有一部分发生反射绕射：接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时会发生绕射散射：电磁波照射到粗糙的物体表面会发生散射反射绕射散射7/8/202459无线信道的衰落7/8/202460无线信道的衰落大尺度衰落大尺度衰落描述发射机和接收机之间长距离上平均场强的变化当移动台运动的距离与小区尺寸相当时，会出现通常与频率无关的大尺度衰落由随距离而变化的信号路径损耗和由建筑物、山脉等大型障碍物的阴影造成的大尺度衰落通常与基站规划之类的问题关系密切7/8/202461无线信道的衰落小尺度衰落小尺度衰落频率选择性衰落多径效应时间选择性衰落多普勒频移7/8/202462多径效应多径效应7/8/202463无线信道的传输特性timetimeSinusoidal signal as inputtimetimeSinusoidal signal as outputfFrequency response时域响应特性时域响应特性频域响应特性频域响应特性timeImpulse responsetimetime7/8/202464无线信道的传输特性Doppler频移由运动引起的接收信号频率的漂移 为载频，为波长，为移动台的运动速度，为移动台运动方向与电波达到方向之间的空间角，为最大Doppler频移7/8/202465多普勒频移多普勒功率谱表征无线信道的时变特征静止静止运动运动7/8/202466无线信道的传输特性时延扩展Doppler扩展FrequencyTimeFTFrequencyFTFrequencyTime7/8/202467无线信道的传输特性信道时变信道估计多径效应信道均衡7/8/202468无线通信系统发端信道处理发端调制映射发端基带调制收端信道处理收端解调映射收端基带调制纠错，交织均衡，去干扰扩频映射二进/多进映射基带成形匹配滤波7/8/202469无线通信系统信源编码信源产生的消息变换成二进制数字序列选择有效的信源表示方法，使其很少产生或不产生冗余将模拟或数字信源的输出有效地变换成二进制数字序列的处理过程称为信源编码或数据压缩7/8/202470无线通信系统信道编码在二进制信息序列中以受控方式引入冗余，以便在接收机中用它来克服信号在信道中传输所受到的噪声和干扰7/8/202471无线通信系统调制技术使传送信息的基带信号搬移至相应频段的信道上进行传输，使传输的数字信号与信道特性匹配，以便有效进行信息传输7/8/202472无线传输技术数字调制技术 BPSK QPSK7/8/202473无线传输技术数字调制技术 16QAM 64QAM7/8/202474无线传输技术单载波系统在高数据传输速率的宽带业务情况下容易产生码间干扰7/8/202475无线传输技术多载波系统将高速的数据流分为若干个子数据流，构成一个由多路低速数据并行传输的传输系统7/8/202476移动通信的特点移动通信的特点综合了各种通信技术，对设备要求苛刻，尤其是要求移动台体积小，重量轻，成本低，操作简便安全信道传输特性复杂，不稳定，有严重的衰落现象，多径效应等，尤其是移动台处于高速运动状态时远近效应，即移动台之间出现的近距离移动台干扰远距离邻道移动台的通信，要求移动台具有良好的自动增益控制7/8/202477移动通信的特点移动通信的特点在强干扰条件下工作，移动台通信环境变化很大，很可能进入强干扰区进行通信阴影区，移动台进入某些特定区域，可能因电波被吸收或发射而收不到信号多普勒效应所用无线电频率有限7/8/202478