移動通信原理與系統(tǒng)第1章

,移動通信MobileCommunication,2,先修課程、教材,先修課程：通信原理、信號與系統(tǒng)、數(shù)字通信、概率論教材：移動通信原理與系統(tǒng)參考教材1：現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)人民郵電出版社，祈玉生等編著2：數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)電子工業(yè)出版社，趙榮黎編著3：移動通信西安電子科技大學(xué)出版社，郭梯云等編著西安電子科技大學(xué)出版社，章堅武編著,3,考試,出勤：10（注：遲到影響出勤率）作業(yè)：10期末考試：80（閉卷）,4,教學(xué)目標(biāo),本課程是通信工程專業(yè)本科生專業(yè)課。通過學(xué)習(xí)本課程，使學(xué)生掌握移動通信系統(tǒng)的基本概念、基本原理、關(guān)鍵技術(shù)；理解工程技術(shù)中的有關(guān)問題；了解移動通信的發(fā)展趨勢；建立移動通信系統(tǒng)的整體概念，為在該領(lǐng)域進(jìn)一步學(xué)習(xí)、研究和開發(fā)奠定一定的基礎(chǔ)。,5,目錄,第一章概述（4學(xué)時）第二章移動通信組網(wǎng)原理（8學(xué)時）第三章移動信道中的電波傳播（8學(xué)時）第四章數(shù)字移動通信關(guān)鍵技術(shù)（8學(xué)時）第五章GSM/GPRS數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)（8學(xué)時）第六章窄帶CDMA數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)（6學(xué)時）第七章第三代(3G)數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)（8學(xué)時）第八章移動數(shù)據(jù)傳輸（4學(xué)時）第九章未來移動通信展望（2學(xué)時）習(xí)題講解與課堂練習(xí)（6學(xué)時）復(fù)習(xí)（2學(xué)時）,6,第一章概述,1.1移動通信的定義、特點1.1.1移動通信的定義1.1.2移動通信的特點1.2移動通信的工作方式1.2.1移動通信的分類1.2.2移動通信的雙向傳輸、雙工方式、工作方式、多址方式1.3移動通信的工作頻段與標(biāo)準(zhǔn)化組織1.3.1移動通信的工作頻段1.3.2移動通信的標(biāo)準(zhǔn)化組織,7,1.4幾種典型的移動通信系統(tǒng)1.4.1無線電尋呼系統(tǒng)1.4.2無繩電話系統(tǒng)1.4.3集群移動通信系統(tǒng)1.4.4蜂窩移動通信系統(tǒng)1.4.5衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)1.4.6無線局域網(wǎng)1.4.7無線個域網(wǎng),8,1.5移動通信關(guān)鍵技術(shù)1.5.1多址技術(shù)1.5.2組網(wǎng)技術(shù)1.5.3無線電波傳播特性1.5.4語音編碼1.5.5調(diào)制技術(shù)1.5.6抗衰落技術(shù)1.6移動通信的發(fā)展,9,1.1移動通信的定義、特點1.1.1移動通信的定義移動通信：通信雙方或至少其中一方在移動中進(jìn)行信息傳輸和交換的通信方式應(yīng)用最為廣泛的陸地移動通信系統(tǒng)包括：無線尋呼系統(tǒng)、無繩電話系統(tǒng)、集群移動通信系統(tǒng)和蜂窩移動通信系統(tǒng)等。,10,1.1.2移動通信的特點移動通信與有線通信相比具有以下特點電波傳播環(huán)境十分惡劣多普勒頻移產(chǎn)生調(diào)頻噪聲受噪聲和多種干擾的影響對設(shè)備的要求更為苛刻通信系統(tǒng)復(fù)雜通信容量有限,11,1.2移動通信的工作方式1.2.1移動通信的分類,按工作方式分類：單工，雙工（FDD,TDD)，半雙工按多址方式分類：FDMA、TDMA、CDMA、SDMA按信號形式分類：模擬網(wǎng)和數(shù)字網(wǎng)按覆蓋范圍分類：城域網(wǎng)、局域網(wǎng)、個域網(wǎng)按業(yè)務(wù)類型分類：電話網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)、綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)、多媒體網(wǎng)按服務(wù)特性分類：專用網(wǎng)、公用網(wǎng)按使用環(huán)境分類：陸地通信、海上通信、空中通信按使用對象分類：民用系統(tǒng)、軍用系統(tǒng),12,一、雙向傳輸、雙工方式,雙向傳輸上行鏈路（uplink）下行鏈路（downlink）雙工模式頻分雙工（FDD）時分雙工（TDD）,1.2.2移動通信的雙向傳輸、雙工方式、工作方式、多址方式,13,二、工作方式單工制：通信雙方電臺交替地進(jìn)行收信和發(fā)信。分為：同頻單工和異頻單工,Play,14,雙工制：是指通信雙方收發(fā)信機均同時工作。收信和發(fā)信必須采用不同的工作頻率,play,15,半雙工制：是指通信雙方中，一方使用雙頻雙工方式，即收發(fā)信機同時工作；另一方使用雙頻單工方式，即收發(fā)信機交替工作。,Play,16,三、多址方式多址方式：解決如何使移動用戶同時共享有限的無線頻譜資源多址方式涉及到兩個問題一是多路復(fù)用，即把一條通路變成多個物理信道二是信道分配，即將單個用戶分配到某一具體信道上去,17,常用的多址方式：1、頻分多址（FDMA）2、時分多址（TDMA）3、碼分多址（CDMA）,18,4、空分多址（SDMA）,19,1.3移動通信的工作頻段與標(biāo)準(zhǔn)化組織1.3.1移動通信的工作頻段一、確定移動通信工作頻段的依據(jù)電波傳播特性、天線尺寸環(huán)境噪聲及干擾的影響服務(wù)區(qū)域范圍、地形和障礙物尺寸、對建筑物的滲透性設(shè)備小型化與已開發(fā)的頻段的協(xié)調(diào)和兼容性,20,無線電頻譜分配,300MHz300GHz1m1mm,21,無線電頻譜的劃分和命名,22,二、蜂窩移動通信系統(tǒng)的頻譜分配較早移動通信使用甚高頻(VHF)、特高頻(UHF)的范圍現(xiàn)在移動通信使用特高頻（UHF）、超高頻（SHF）的范圍VHF：30-300MHzUHF：300-3000MHzSHF：3-30GHz,23,目前的2G蜂窩移動通信系統(tǒng)均使用800MHz頻段（IS-95CDMA）；900MHz頻段（AMPS、TACS、GSM）；1800MHz頻段（GSM1800），該頻段用于微蜂窩系統(tǒng)。第三代移動通信系統(tǒng)（3G）主要工作在2000MHz頻段上，世界各國和地區(qū)頻率分配的方式各不相同。,24,1.3.2移動通信的標(biāo)準(zhǔn)化組織一、移動通信的標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)容技術(shù)體制標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化測試方法標(biāo)準(zhǔn)化,25,二、移動通信的標(biāo)準(zhǔn)化組織1、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織-國際電信聯(lián)盟(ITU)1993年3月ITU組織調(diào)整為：ITU-R工作組負(fù)責(zé)無線電通信ITU-T工作組負(fù)責(zé)非無線電標(biāo)準(zhǔn)ITU-D工作組負(fù)責(zé)電信發(fā)展2、歐洲的標(biāo)準(zhǔn)化組織:歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(ETSI)定義歐洲的無線電系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)成立于1987年，GSM、DECT、HiperLAN等技術(shù)規(guī)范的制定者,26,3、北美地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)化組織電子工業(yè)協(xié)會(EIA)電信工業(yè)協(xié)會(TIA)蜂窩電信工業(yè)協(xié)會(CTIA)美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(ANSI)4、IEEE對標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)起著重要作用的科學(xué)組織，如IEEE802,27,1.4幾種典型的移動通信系統(tǒng)無線電尋呼系統(tǒng)無繩電話系統(tǒng)集群集群移動通信系統(tǒng)蜂窩移動通信系統(tǒng)衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)無線局域網(wǎng)無線個域網(wǎng)(Bluetooth,ZigBeeRadios,UWB）,28,無線尋呼系統(tǒng),29,無繩電話系統(tǒng),30,集群通信系統(tǒng),31,蜂窩移動通信系統(tǒng),32,衛(wèi)星移動通信系統(tǒng),33,無線局域網(wǎng),34,無線個域網(wǎng),35,1.5移動通信關(guān)鍵技術(shù)1.5.1多址技術(shù)移動通信中常用的多址方式有三種：頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）。此外，在中國提出的3G標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA中采用了空分多址（SDMA）參考PPT.16-18,36,1.5.2組網(wǎng)技術(shù)頻率資源的共享問題（即多址技術(shù)）區(qū)域覆蓋和信道配置問題移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)問題網(wǎng)絡(luò)的控制和移動性管理方面的問題干擾問題以及多信道共用技術(shù),37,1.5.3電波傳播特性不同頻段的無線電波，其傳播方式和特點是不同的對于工作于UHF和SHF頻段的移動通信來說，電波傳播的方式主要是直射波、折射波、反射波、繞射波、散射波以及它們的合成波。,38,1.5.4語音編碼技術(shù)移動通信中語音編碼的目的：編碼速率要低、話音質(zhì)量要高語音編碼的分類：波型編碼、參數(shù)編碼、混合編碼,39,1.5.4語音編碼技術(shù)移動通信中語音編碼的目的：編碼速率要低、話音質(zhì)量要高語音編碼的分類：波型編碼、聲源編碼、混合編碼,40,一、波形編碼將時域的模擬話音的電壓波型信號經(jīng)過抽樣、量化、編碼而形成數(shù)字話音信號速率為：16-64kbit/s特點：占用頻帶較寬，適合有線通信、不適合移動通信常用的波型編碼方式：脈沖編碼調(diào)制、增量調(diào)制等,41,二、聲源編碼基于人的發(fā)聲機理，提出產(chǎn)生話音信號的特征參數(shù)，對特征參數(shù)進(jìn)行編碼速率為：1.2-4.8kbit/s特點：語音質(zhì)量只能達(dá)到中等水平,42,三、混合編碼-適合數(shù)字移動通信的語音編碼技術(shù)既含有若干語音特征參量信息又含有部分波形編碼信息。當(dāng)編碼速率在8-16kbit/s時，語音質(zhì)量達(dá)到通信要求常用混合編碼方式：規(guī)則脈沖激勵長期預(yù)測編碼（RPE-LTP）、矢量和激勵線性預(yù)測編碼（VSELP）GSM采用的語音編碼方式：RPE-LTP、編碼速率為13kbit/s,43,1.5.5調(diào)制技術(shù)一、調(diào)制的概念調(diào)制：使信息載體的某些特征（振幅、頻率、相位）隨信息變化的過程。其目的：使要傳輸?shù)男畔⑦m合于信道特征，達(dá)到有效、可靠的傳輸二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方式：振幅鍵控（ASK）、移頻鍵控（FSK）、移相鍵控（PSK）,44,移動通信對調(diào)制方式的要求：窄的功率譜高的頻率效率優(yōu)良的誤碼性能已調(diào)信號的包絡(luò)恒定能接受差分檢測功率效率高,45,二、數(shù)字移動通信系統(tǒng)中廣泛使用的調(diào)制技術(shù)：連續(xù)相位調(diào)制：也稱為恒包絡(luò)調(diào)制，包括平滑跳頻（TFM）、最小移頻鍵控(MSK)、高斯預(yù)濾波最小移頻鍵控(GMSK)歐洲GSM系統(tǒng)采用GMSK調(diào)制。其優(yōu)點：頻譜旁瓣分量低、頻譜利用率高、誤碼性能好線性調(diào)制：PSK、QPSK、DQPSK、O-QPSK、/4-DQPSK和多電平PSK等調(diào)制方式。其特點:頻譜利用率高、但對調(diào)制器和功率放大器的線性要求高,46,正交振幅調(diào)制（QAM），它是一種振幅和相位聯(lián)合調(diào)制技術(shù)。正交頻分復(fù)用（OFDM）,47,1.5.6抗衰落技術(shù)一、信道編碼發(fā)送端按照某種規(guī)律在被傳輸數(shù)據(jù)中引入冗余來避免數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)在傳輸過程中出現(xiàn)差錯在移動通信中幾乎都采用前向糾錯編碼FEC。FEC分為分組碼和卷積碼兩大類,48,分組碼、卷積碼分組碼：將信息碼分組，為每組信碼附加若干監(jiān)督碼。分組碼一般用表示，本碼組的個監(jiān)督元只對本碼組起作用卷積碼：卷積碼編碼器把k比特信息段編成n比特碼組，但所編的n長碼組不僅同當(dāng)前的k比特信息段有關(guān)聯(lián)，而且還同前面的（N-1）個（N1，整數(shù)）信息段有關(guān)聯(lián)。常稱這N個信息段中的碼元數(shù)目nN為該卷積碼的約束長度（以比特為單位）；也可稱N為碼的約束長度（以碼組為單位）。一般來說，對于卷積碼，k和n是較小的整數(shù)。卷積碼記作（n,k,N），其編碼效率為,49,二、交織技術(shù)卷積編碼只能糾正有限連續(xù)錯誤比特，交織的目的就是使誤碼離散化。交織對慢衰落效果不明顯,50,三、分集技術(shù)分集技術(shù)是克服多徑衰落的一個有效方法。采用這種方法，接收機可對多個攜有相同信息且衰落特性相互獨立的接收信號在合并處理之后進(jìn)行判決。分集技術(shù)包括頻率分集、時間分集和空間分集等,51,四、自適應(yīng)均衡技術(shù)自適應(yīng)均衡是根據(jù)傳輸失真的時變特性，自適應(yīng)的進(jìn)行補償，使其接近不失真?zhèn)鬏斠笠话銇碚f，一個有限抽頭的橫向濾波器不可能完全消除碼間串?dāng)_，但當(dāng)抽頭數(shù)較多時可以將串?dāng)_減小到相當(dāng)小的程度。,52,五、擴頻技術(shù)擴頻通信的基本思想就是，用寬帶信號來傳輸信息，從而提高通信的抗干擾能力擴頻系統(tǒng)的抗干擾性能都大體上與擴頻信號的帶寬和所傳信息帶寬之比成正比,53,1.6移動通信的發(fā)展,Cellularconcept,54,早期移動通信的發(fā)展：1、第一階段（二十世紀(jì)20年代-40年代初）移動通信的早期發(fā)展階段，使用的波段主要是短波段使用的波段主要是短波段、發(fā)射功率大、覆蓋范圍有限、服務(wù)性能差、頻率利用率低代表：美國底特律市警察使用的車載無線電系統(tǒng)2、第二階段（40年代中-60年代末）使用的頻段主要是VHF及UHF波段、移動臺趨于小型化代表：美國圣路易斯城建立的IMTS系統(tǒng),55,現(xiàn)代移動通信的發(fā)展:,56,1、70年代-80年代（1G）出現(xiàn)美國貝爾實驗室提出了蜂窩系統(tǒng)的概念蜂窩的小區(qū)制代替了早期的大區(qū)制1G出現(xiàn)，其代表有：美國的AMPS系統(tǒng)、英國的TACS系統(tǒng)、北歐的NMT系統(tǒng)、日本的NAMTS系統(tǒng)1G的特點：模擬調(diào)頻（FM）、頻分多址（FDMA）,57,GeographicregiondividedintocellsFrequencies/timeslots/codesreusedatspatially-separatedlocationsCo-channelinterferencebetweensamecolorcells.Basestations/MSCcoordinatehandoffandcontrolfunctionsShrinkingcellsizeincreasescapacity,aswellasnetworkingburden,58,2、90年代-至今(2G/3G/）2G系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和3G系統(tǒng)的規(guī)劃、實施階段2G的典型代表有：歐洲的GSM系統(tǒng)、美國的DAMPS系統(tǒng)、美國的IS-95CDMA系統(tǒng)、日本的JDC系統(tǒng)2G的特點：數(shù)字化技術(shù)（語音信號的數(shù)字化、數(shù)字調(diào)制方式QPSK及GMSK等）、時分多址（FDMA）和碼分多址（CDMA）,59,3G系統(tǒng)特點多種