通信概论第12章章节-资料课件

第第12章章 卫星和蜂窝移动通信卫星和蜂窝移动通信 主要内容：主要内容：1、卫星通信、卫星通信 2、蜂窝移动通信蜂窝移动通信112.1 卫星通信卫星通信一、卫星通信概述一、卫星通信概述 1、卫星通信的基本概念、卫星通信的基本概念 概念概念 卫星通信实际上也是一种微波通信，卫星通信实际上也是一种微波通信，它以卫星作为中继站转发微波信号，在多个它以卫星作为中继站转发微波信号，在多个地面站之间通信，卫星通信的主要目的是实地面站之间通信，卫星通信的主要目的是实现对地面的现对地面的“无缝隙无缝隙”覆盖。覆盖。2 结构结构 卫星段卫星段 在空中起中继站的作用，即把地面段发在空中起中继站的作用，即把地面段发上来的电磁波放大后再返送回另一地面站，卫上来的电磁波放大后再返送回另一地面站，卫星星体包括星载设备和卫星母体。星星体包括星载设备和卫星母体。地面段地面段 卫星系统与地面公众网的接口，包括：卫星系统与地面公众网的接口，包括：卫星控制中心、及其跟踪遥卫星控制中心、及其跟踪遥 测和指令站。测和指令站。用户段用户段 各种用户终端。各种用户终端。3卫星通信系统的结构卫星通信系统的结构低轨道卫星低轨道卫星中轨道卫星中轨道卫星高轨道卫星高轨道卫星4 2、卫星通信系统的分类、卫星通信系统的分类 按工作轨道分类按工作轨道分类 低轨道卫星通信系统低轨道卫星通信系统（LEO）。）。距地距地 面面5002000km，传输时延和功耗都比传输时延和功耗都比 较小，但每颗卫星的覆盖范围也比较小，较小，但每颗卫星的覆盖范围也比较小，典型系统有典型系统有Motorola的的铱星系统铱星系统。低轨。低轨 卫星通信系统的系统构成和控制复杂、技卫星通信系统的系统构成和控制复杂、技 术风险大、建设成本也相对较高。术风险大、建设成本也相对较高。5 中轨道卫星通信系统中轨道卫星通信系统（MEO）距地面距地面200020000km，传输延时要传输延时要大于低轨道卫星，但覆盖范围也更大，典型大于低轨道卫星，但覆盖范围也更大，典型的系统是的系统是国际海事卫星系统国际海事卫星系统。从一定意义上。从一定意义上说，中轨道系统可能是建立全球或区域性卫说，中轨道系统可能是建立全球或区域性卫星移动通信系统较为优越的方案。星移动通信系统较为优越的方案。高轨道卫星通信系统高轨道卫星通信系统（GEO）距地面距地面35800km，即即同步静止轨道同步静止轨道。理论上理论上,用三颗高轨道卫星即可实现全球覆盖。用三颗高轨道卫星即可实现全球覆盖。6 按通信范围区分按通信范围区分 国际通信卫星国际通信卫星 区域性通信卫星区域性通信卫星 国内通信卫星国内通信卫星 按照用途区分按照用途区分 综合业务通信卫星综合业务通信卫星 军事通信卫星军事通信卫星 海事通信卫星海事通信卫星 电视直播卫星电视直播卫星7 按照转发能力区分按照转发能力区分 无星上处理能力卫星无星上处理能力卫星 有星上处理能力卫星有星上处理能力卫星 3、卫星通信系统的特点、卫星通信系统的特点 下行广播，覆盖范围广下行广播，覆盖范围广 工作频带宽工作频带宽 150MHz30GHz 通信质量好通信质量好 网络建设速度快、成本低网络建设速度快、成本低 信号传输时延大信号传输时延大 高轨道可达秒级高轨道可达秒级 控制复杂控制复杂8二、典型的卫星移动通信系统二、典型的卫星移动通信系统 1、铱星系统、铱星系统 铱星系统低轨道卫星移动通信系统，铱星系统低轨道卫星移动通信系统，由分布在六个轨道平面上的由分布在六个轨道平面上的66颗卫星颗卫星组成，组成，轨道高度为轨道高度为780km。铱星系统除了提供铱星系统除了提供电电话业务外，还提供传真、全球定位无线电话业务外，还提供传真、全球定位无线电定为及全球呼叫业务。定为及全球呼叫业务。2、Globalstar系统系统 由由48颗卫星颗卫星组成，均匀分布在组成，均匀分布在8个轨道个轨道 面上，轨道高度面上，轨道高度1389km。9 3、ICO全球通信系统全球通信系统 ICO全球通信系统全球通信系统ICO系统采用大卫星，系统采用大卫星，运行于运行于10390km的中轨道，共有的中轨道，共有10颗卫星颗卫星和和2颗备份星颗备份星，提供的，提供的数据传输速率为数据传输速率为 140kbit/s，有上升到有上升到384kbit/s的能力的能力。4、Ellipso系统系统 Ellipso系统是一种混合轨道星座系统。系统是一种混合轨道星座系统。它使用它使用17颗卫星颗卫星便可实现全球覆盖。便可实现全球覆盖。10 5、Orbcomm系统系统 轨道通信系统轨道通信系统Orbcomm是只能是只能实现数实现数据业务据业务全球通信的小卫星通信系统，该系全球通信的小卫星通信系统，该系 统具有投资小，周期短、兼备通信和定为统具有投资小，周期短、兼备通信和定为能力、卫星质量轻、用户终端为手能力、卫星质量轻、用户终端为手 机、系机、系统运行自动化水平高和自主功能强等优点。统运行自动化水平高和自主功能强等优点。该系统由该系统由36颗小卫星颗小卫星及地面部分（含地面及地面部分（含地面信关站、网络控制中心和地面终端设施）信关站、网络控制中心和地面终端设施）组成。组成。11 6、Teledesic系统系统 Teledesic系统是一个着眼于宽带业务发系统是一个着眼于宽带业务发 展的展的低轨道卫星低轨道卫星移动通信系统。由移动通信系统。由840颗卫颗卫星星组成，均匀分布在组成，均匀分布在21个轨道平面个轨道平面上。上。该系统不仅可以提供高质量的该系统不仅可以提供高质量的话音通信，话音通信，同时还能支持电视会议，互交式多媒体通信，同时还能支持电视会议，互交式多媒体通信，以及实现双向高速数据通信等宽带业务以及实现双向高速数据通信等宽带业务。12三、甚小天线地球站（三、甚小天线地球站（VSAT）系统系统 1、概念、概念 VSAT（very small aperture terminal）即即“甚小孔径终端甚小孔径终端”。2、组成、组成 VSAT由一个中心地面站、卫星和广泛由一个中心地面站、卫星和广泛分布在各地的分布在各地的VSAT小站组成。小站组成。3、网络结构、网络结构 星型结构星型结构 网状结构网状结构 混合型结构混合型结构13VSAT的星型结构的星型结构VSAT的混合结构的混合结构VSAT的网状网结构的网状网结构14四、卫星通信系统的发展趋势四、卫星通信系统的发展趋势 （1）地球同步轨道通信卫星向多波束、大容量、）地球同步轨道通信卫星向多波束、大容量、智能化发展；智能化发展；（2）低规卫星群蜂窝通信技术相结合、实现全球）低规卫星群蜂窝通信技术相结合、实现全球 个人通信；个人通信；（3）小型卫星通信地面站将得到广泛应用；）小型卫星通信地面站将得到广泛应用；（4）通过卫星通信系统承载数字视频直播）通过卫星通信系统承载数字视频直播 （DVB）和数字音频广播（和数字音频广播（DAB）；）；（5）卫星通信系统与卫星通信系统与IP技术结合，用于提供多媒技术结合，用于提供多媒 体通信和因特网接入；体通信和因特网接入；（6）微小卫星和纳米卫星将广泛应用于数据存储）微小卫星和纳米卫星将广泛应用于数据存储 转发通信以及星间组网通信转发通信以及星间组网通信。1512.2 蜂窝移动通信蜂窝移动通信一、蜂窝移动通信概述一、蜂窝移动通信概述 1、基本概念、基本概念 目前移动通信业务主要是话音业务和简目前移动通信业务主要是话音业务和简 单的数据业务，未来的移动通信的目标是单的数据业务，未来的移动通信的目标是 能够提供包括多媒体业务在内的所有固定能够提供包括多媒体业务在内的所有固定 通信业务。通信业务。2、基本特点、基本特点 必须利用无线信道传输必须利用无线信道传输16 在强干扰环境下工作在强干扰环境下工作 可供使用的频谱资源有限可供使用的频谱资源有限 移动性带来的复杂管理移动性带来的复杂管理 网络结构多种多样网络结构多种多样 3、移动通信网络的组成、移动通信网络的组成 移动交换中心（移动交换中心（MSC）基站（基站（BS）移动终端（移动终端（MS）系统的管理功能一般由移动交换中心和基系统的管理功能一般由移动交换中心和基站分担实现，基站与移动终端之间是无线站分担实现，基站与移动终端之间是无线链路，移动交换中心与基站之间是有线传链路，移动交换中心与基站之间是有线传输链路输链路17移动通信网络的基本组成移动通信网络的基本组成基站基站移动终端移动终端移动交换中心移动交换中心184、蜂窝移动通信系统的分类、蜂窝移动通信系统的分类 按双工方式分按双工方式分 单工、双工、半双工单工、双工、半双工 一般为时分双工（一般为时分双工（TDD）和频分（和频分（FDD）按多址方式分按多址方式分 FDMA、TDMA、CDMA 按信号类型分按信号类型分 模拟移动通信系统、数字移动通信系统模拟移动通信系统、数字移动通信系统 19 按覆盖范围分按覆盖范围分 城域、局域、全国、全球城域、局域、全国、全球 按业务类型分按业务类型分 电话网、数据网、综合业务网电话网、数据网、综合业务网 按服务对象分按服务对象分 可分为专用移动系统和公用移动系统可分为专用移动系统和公用移动系统20二、蜂窝移动通信的关键技术二、蜂窝移动通信的关键技术 1、话音编码技术、话音编码技术 目的目的 提高纠错能力，提高通话质量；提高纠错能力，提高通话质量；对模拟信号的带宽进行压缩以提高频谱对模拟信号的带宽进行压缩以提高频谱 利用率；利用率；提高系统容量。提高系统容量。要求要求 编码速率低，语音质量好；编码速率低，语音质量好；有较强的抗噪声干扰和抗误码性能；有较强的抗噪声干扰和抗误码性能；编译码过程的总延时小；编译码过程的总延时小；21 编译码复杂度低，便于在手持设备中集成；编译码复杂度低，便于在手持设备中集成；功耗小，便于应用于依靠电池供电的手持设备。功耗小，便于应用于依靠电池供电的手持设备。2、无线资源管理、无线资源管理 3、移动性管理、移动性管理三、三、GSM移动通信系统移动通信系统 1、GSM概述概述 定义定义 GSM全称是全称是Global System of Mobile Communication，即即全球移动通信系统全球移动通信系统。22 GSMGSM的技术特点的技术特点 采用时分多址采用时分多址/频分多址相结合的多址频分多址相结合的多址 方式；方式；采用数字化语音和数字化调制技术，采用数字化语音和数字化调制技术，采用采用基本速率为基本速率为13kbit/s13kbit/s的的RPE-LTPRPE-LTP 编码编码，采用，采用最小高斯频移键控最小高斯频移键控GMSKGMSK的的 调制调制方式；方式；以话音业务为主，也支持数据业务。以话音业务为主，也支持数据业务。23 GSM系统的网络结构系统的网络结构操作维护中心操作维护中心短消息业务中心短消息业务中心移动终端移动终端基站基站控制器控制器访问位置寄存器访问位置寄存器基站基站收发信机收发信机归属位置寄存器归属位置寄存器/鉴权中心鉴权中心移动交换中心移动交换中心设备识别寄存器设备识别寄存器基站基站子系统子系统网络子系统网络子系统 Um接口接口 空中接口空中接口24 3、GSM系统的空中接口系统的空中接口 工作频段的分配：我国工作频段的分配：我国 900MHz频段频段 上行上行905915MHz，下行下行950960MHz 1800MHz频段频段 上行上行17101785MHz，下行下行18051880MHz 频道划分频道划分 以以900MHz频段为例，在上频段为例，在上/下行的下行的10MHz带宽内划分带宽内划分49个频点个频点，相邻频道间隔为相邻频道间隔为200kHz，每个频点又划分为每个频点又划分为8个时隙，相当于个时隙，相当于每个信道占用每个信道占用25kHz的带宽。的带宽。25 频率复用方式频率复用方式 频率复用是指在不同的地理区域上频率复用是指在不同的地理区域上 采用相同的频率进行覆盖，这些区域必采用相同的频率进行覆盖，这些区域必 须保持足够的间隔，以抑制干扰。须保持足够的间隔，以抑制干扰。时分多址帧结构时分多址帧结构 五个层次：五个层次：时隙时隙、TDMATDMA帧帧、复帧复帧、超帧超帧、超高帧超高帧。时隙是物理信道的基本单元；时隙是物理信道的基本单元；26 TDMATDMA帧由帧由8 8个时隙组成，是占据载频带宽个时隙组成，是占据载频带宽 的基本单元，即每个载频有的基本单元，即每个载频有8 8个时隙；个时隙；复帧的两种类型复帧的两种类型 由由2626个个TDMATDMA帧组成的复帧帧组成的复帧 由由5151个个TDMATDMA帧组成的复帧帧组成的复帧 ；超帧是由超帧是由5151个由个由2626个个TDMATDMA帧组成的复帧或帧组成的复帧或 2626个由个由5151个个TDMATDMA帧组成的复帧构成，帧组成的复帧构成，其持续时间为其持续时间为6.12s6.12s；27 超高帧由超高帧由20482048个超帧组成。个超帧组成。逻辑信道与物理信道逻辑信道与物理信道 一个时隙即是一个物理信道一个时隙即是一个物理信道。逻辑信逻辑信 道在物理信道之上道在物理信道之上，根据传输消息种，根据传输消息种 类的不同而划分使用物理信道，并最类的不同而划分使用物理信道，并最 终映射到物理信道；终映射到物理信道；逻辑信道逻辑信道又可分为又可分为控制信道控制信道与与业务信业务信 道道。业务信道用于传送编码后的话音。业务信道用于传送编码后的话音 或数据。控制信道用于传递信令和同或数据。控制信道用于传递信令和同 步信息。步信息。28 4 4、GSMGSM系统的发展系统的发展GPRSGPRS GPRS GPRS（General Packet Radio ServiceGeneral Packet Radio Service）通用无线分组业务通用无线分组业务 是基于是基于GSMGSM系统的数据业务增强技术。系统的数据业务增强技术。（1 1）GPRSGPRS的特点的特点 永远在线永远在线 GPRSGPRS采用分组交换技术，不需要用户采用分组交换技术，不需要用户进行额外的拨号连接。进行额外的拨号连接。29 按流量计费。按流量计费。支持中、高速率数据传输，在同时捆绑支持中、高速率数据传输，在同时捆绑 同一频率的同一频率的8 8个时隙时，可提供最高达个时隙时，可提供最高达 160kbit/s160kbit/s的传输速率。的传输速率。GPRSGPRS的核心网络层采用的核心网络层采用IPIP技术，底层则技术，底层则 可使用多种传输技术，方便的实现与高可使用多种传输技术，方便的实现与高 速发展的速发展的IPIP网络的无缝连接。网络的无缝连接。存在与话音业务挣抢信道资源的问题。存在与话音业务挣抢信道资源的问题。30 GPRS的网络结构的网络结构记费网关记费网关计费计费网关网关边缘网关边缘网关动态动态主机配置主机配置计费计费网关网关网关网关GPRS支持点支持点 服务服务GPRS支持点支持点31 GPRS的典型应用的典型应用 承载业务：支持在用户与网络接入点之间的承载业务：支持在用户与网络接入点之间的 数据传输。数据传输。点对点业务点对点业务 （PTP）点对多点业务（点对多点业务（PTM）用户终端业务：也可以按照基于用户终端业务：也可以按照基于PTP或基于或基于 PTM分为两类分为两类 补充业务：与补充业务：与GSM基本相同，如计费提示、基本相同，如计费提示、来话限制、呼出限制等。来话限制、呼出限制等。32四、四、IS-95 CDMAIS-95 CDMA移动通信系统移动通信系统 1 1、CDMACDMA概述概述 CDMACDMA的概念的概念 CDMACDMA（Code Division Multiple Access Code Division Multiple Access）码分多址，是用唯一的地址码来码分多址，是用唯一的地址码来 标识用户的多址通信方式。标识用户的多址通信方式。CDMACDMA技术的特点技术的特点 抗干扰性强抗干扰性强 抗多径衰落抗多径衰落 保密性好保密性好33 系统容量大系统容量大 系统配置灵活系统配置灵活 2、扩频通信原理、扩频通信原理 定义：扩频通信是这样一种传输方式，定义：扩频通信是这样一种传输方式，其信号所占用的带宽远大于所传其信号所占用的带宽远大于所传 送信息的最小带宽。送信息的最小带宽。香农公式：香农公式：C：信道容量信道容量 W：频带宽度频带宽度 S/N：信噪比信噪比 可见：可见：C一定时，一定时，W 与与S/N可以互换。可以互换。C=Wlog（1S/N）343、扩频通信系统的工作过程及信号变化、扩频通信系统的工作过程及信号变化 发送的是一个频带受限发送的是一个频带受限的基带信号的基带信号。35 信号被调制后，频谱被搬信号被调制后，频谱被搬移至载频移至载频 f0 处。处。对信号进行扩频处理，得到对信号进行扩频处理，得到以载频以载频 f f0 0为中心的带宽信号。为中心的带宽信号。信号在无线信道的传输信号在无线信道的传输过程中受到各种外来信号的过程中受到各种外来信号的干扰，图中表示叠加了一个干扰，图中表示叠加了一个全频带的白噪声。全频带的白噪声。36 接收机收到了接收机收到了d中的信号之中的信号之后，进行滤波得到同时包含有后，进行滤波得到同时包含有用信号与噪声的带宽信号。用信号与噪声的带宽信号。利用与发送端同步的伪随机利用与发送端同步的伪随机码进行解扩处理，由于伪随机码进行解扩处理，由于伪随机码的子相关性，因此只有有用码的子相关性，因此只有有用信号得到恢复，而噪声信号则信号得到恢复，而噪声信号则被进一步抑制。被进一步抑制。进行解调处理，得到基带的进行解调处理，得到基带的 有用信号。有用信号。噪声。噪声。37 4、CDMA移动通信系统的关键技术移动通信系统的关键技术 功率控制技术功率控制技术 伪随机码的选择伪随机码的选择 软切换软切换 RAKE（瑞克）接收技术瑞克）接收技术 话音激活编码技术话音激活编码技术五、第三代移动通信系统五、第三代移动通信系统 1、第三代移动通信系统的特点、第三代移动通信系统的特点 能实现全球漫游能实现全球漫游 用户可以在整个系统、甚至全球范围内用户可以在整个系统、甚至全球范围内漫游，且可以在不同速率，不同状态下获得有质漫游，且可以在不同速率，不同状态下获得有质量的服务。量的服务。38 能提供多种业务能提供多种业务 提供话音、可变速率的数据、移动视提供话音、可变速率的数据、移动视 频会话等业务，特别是多媒体业务。频会话等业务，特别是多媒体业务。能适应多种环境能适应多种环境 可以与公众电话交换（可以与公众电话交换（PSTN）、）、综合综合 业务数字网、无绳系统、地面移动通信系业务数字网、无绳系统、地面移动通信系 统、卫星通信系统进行互连互通，提供无统、卫星通信系统进行互连互通，提供无 缝隙的覆盖。缝隙的覆盖。足够的系统容量，强大的多种用户管理能足够的系统容量，强大的多种用户管理能 力，高保密性能和高质量的服务。力，高保密性能和高质量的服务。39 2、第三代移动通信系统的主流技术分类、第三代移动通信系统的主流技术分类 WCDMA 主要由欧洲厂商和日本联合提出，采主要由欧洲厂商和日本联合提出，采 用用FDD方式，可兼容现有的方式，可兼容现有的GSM系统。系统。CDMA2000 主要由高通联合北美厂商提出，采用主要由高通联合北美厂商提出，采用FDD方式，可兼容现有的方式，可兼容现有的IS-95CDMA系统，系统，目前中国联通已开始建设目前中国联通已开始建设CDMA2000网络。网络。40 TD-SCDMATD-SCDMA 由中国大唐电信联合西门子提出，采用由中国大唐电信联合西门子提出，采用 TDDTDD方式。核心网和无线网入网与方式。核心网和无线网入网与WCDMAWCDMA相同。相同。主要特点：主要特点：智能天线智能天线（Smart AntennaSmart Antenna）同步同步CDMACDMA（Synchronous CDMASynchronous CDMA）软件无线电技术软件无线电技术（Software RadioSoftware Radio）联合监测联合监测 多时隙多时隙CDMACDMADS-CDMADS-CDMA 动态信道分配动态信道分配 接力切换接力切换 END41