移动通信系统的基本原理与概念(北邮课件).ppt
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1、移动通信系统的基本原理与概念一、移动通信的基本概念和主要特点二、移动通信系统分类与组成三、常用移动通信系统与工作方式 四、移动通信的发展、现状与未来五、移动通信的标准化六、蜂窝移动通信的概念七、GSM数字蜂窝移动通信系统概述八、电波传播、大尺度场强估计与覆盖设计1教学参考书n移动通信原理与应用啜刚、王文博、常永宇,北京邮电大学出版社nWCDMA技术与系统设计Harri Holma,Antti Toskala著,付景兴、马敏等译,机械工业出版社nCDMA2000技术杨大成等编著,北京邮电大学出版社n蜂窝移动通信网络规划与优化张业容等编著,电子工业出版社nCDMA系统设计与优化Kyoung Kim
2、编著,刘晓宇、杜志敏译,人民邮电出版社2一、移动通信的基本概念和主要特点一、移动通信的基本概念和主要特点n基本定义基本定义“动中通信动中通信”通信双方至少有一方处在移动的情况下(或临时静止)的相互信息传输和交换的方式。n移动性体现在移动性体现在:n终端的移动性手持机、车载台n个人的移动性SIM卡支持的业务,身份信息n业务的移动性200号业务,PORTAL NUMn通信网的智能化和无线化使移动通信成为可能通信网的智能化和无线化使移动通信成为可能n传输技术的发展n芯片制造技术的发展n软件应用技术的发展3移动通信的主要特点n无线电波传输环境恶劣复杂n阴影效应,有地形结构引起,表现为慢衰落(高斯衰落)
3、n多径效应,由移动体周围的局部散射体引起的多径传播,表现为快衰落(瑞利衰落)。n空间传播损耗n多普勒频移产生调制噪声:多普勒效应,由于移动体的运动速度和方向引起,多径条件下,引起多普勒频谱展宽。4接收信号的统计分析5移动台受噪音干扰n干扰复杂 开放式环境,存在多种噪声(人为噪声,自然干扰)和干扰(互调,共频,邻道)n频谱拥挤(窄带化,缩小频带间隔,复用)可利用的频谱资源有限,用户需求剧增n对移动台要求高,用户终端成为个人消费品n网络结构多种多样,网络管理技术复杂6二、移动通信系统分类与组成二、移动通信系统分类与组成各种分类方法n按工作方式分类单工,双工,半双工n按多址方式分类FDMA,TDMA
4、,CDMAn按信号形式分类模拟网,数字网n按覆盖范围分类局域网,广域网n按业务类型分类电话网,数据网,综合业务网,多媒体n按服务范围分类专用网,公用网n按使用环境分类陆地通信,海上通信,海上通信n按使用对象分类军用系统,民用系统 7通信系统的分类8移动通信系统组成9三、常用移动通信系统与工作方式三、常用移动通信系统与工作方式 n集群通信警察、出租车调度n蜂窝移动电话车载、手持机n无线寻呼数字、汉字、双向n无绳电话家用、公共无线接入点(PHS)n卫星移动通信铱星系统n宽带无线接入网WLAN,蓝牙,802.1110移动通信工作方式n移动通信的传输方式分单向传输(广播式)和双向传输(应答式)两种n双
5、向传输按无线信道的使用频率和信息传输方式,分为单工、双工和半双工等三种工作方式。发射机接收机发射机接收机f1(f1)f1(f2)f1(f2)f1(f1)送受话器 送受话器 电台甲 电台乙1、单工通信 通信双方电台交替地进行收信和发信11移动通信工作方式发射机发射机接收机接收机双工器f1f2 f1f1f2 f2 基站 移动台 2、双工通信通信双方可同时进行信息传输 3、半双工通信 移动台采用单工的“按讲”方式,其他与双工完全相同(集群通信,汽车调度)12四、移动通信的发展、现状与未来四、移动通信的发展、现状与未来n1946年AT&T推出了第一个移动电话系统,采用FM调制,120Hz带宽传输一路话
6、音;n60年代中期Bell System推出了IMTS(Improved Mobile Telecommunication Service),采用FM调制,2530KHz带宽传输一路话音;n60年代末,70年代初开始第一个蜂窝(Cellular)电话系统,Cellular的意思是将一个大区域划分为几个小区(Cell),相邻的Cell不使用相同的频率,以免干扰;13移动通信的发展、现状与未来n70年代末,由于微处理器的出现,使系统的复杂度提高。美国推出了AMPS(Advanced Mobile Phone System),英国推出了TACS(Total Access Communication
7、System)等。80年代初开始了运营实验,实验真正意义上的蜂窝移动通信;n90年代初,相继推出了第二代数字移动通信系统DAMPS、GSM、CDMA系统;n90年代中期以后,开始研究第三代移动通信系统。14蜂窝移动通信的发展历程15第一代移动通信系统16第一代移动通信系统的特点n蜂窝小区系统设计频率复用n解决大容量需求与有限频谱资源的矛盾n模拟系统语音信号nFM传输nFDMA17第二代移动通信系统18第二代移动通信系统的特点n微蜂窝小区结构n更优的空分复用,提高用户数量n数字化技术语音信号数字化n新的调制方式,GMSK,QPSK等nTDMA,CDMAn频谱利用率高,系统容量大n能提供多种业务服
8、务,提高通信系统的通用性n抗噪声、抗干扰和抗多径衰落能力强n能实现更有效、灵活的网络管理和控制n便于实现通信安全保密n可降低设备成本和减少用户手机的体积和重量19第三代移动通信系统20第三代移动通信系统的特点n微蜂窝结构n宽带CDMA技术n调制技术,QPSK/自适应调制nFDMA/TDMA/CDMAn电路交换变为分组交换n从媒体(media)到多媒体(Multi-media)21中国移动通信发展状况 到2006年,中国固定电话用户数达到3.12亿,用户占世界总数的20%,居世界第一。移动通信用户数达到4.16亿,用户约占世界总数的四分之一,居世界首位,普及率提高到21%,超过当时世界平均水平(
9、15%)。业务增长的重点从话音业务需求转向多媒体业务需求,从单一业务转向综合业务,从窄带业务向宽带业务,从低速业务向高速业务。22最近移动通信发展的方向传输容量(bps)移动性23传输距离与传输速率的相互制约24移动通信系统的演进GSM(ETSI)GPRSEDGE(UWC-136)W-CDMA(UTRA-FDD)TDMA(ANSI-136)CDMA(ANSI-95)PDC(Japan)TD-SCDMA(UTRA-TDD)IS-136+PDC-PHSCSDCDPD3X RTT(cdma2000)1X EV-DO(HDR)1X EV-DV(EV Phase 2)1X RTT(cdma2000)IS
10、-95B(cdmaOne)IMT-200028.8 Kbps64 Kbps19.2 Kbps57.6 Kbps64 Kbps14.4 Kbps9.6 Kbps9.6 Kbps9.6 Kbps128 Kbps144 Kbps384 Kbps384 Kbps2 Mbps2-5 Mbps2 Mbps2 MbpsDECT25-512 KbpsSource:Stratecast PartnersGSM(ETSI)GPRSEDGE(UWC-136)W-CDMA(UTRA-FDD)TDMA(ANSI-136)CDMA(ANSI-95)PDC(Japan)TD-SCDMA(UTRA-TDD)IS-136+PD
11、C-PHSCSDCDPD3X RTT(cdma2000)1X EV-DO(HDR)1X EV-DV(EV Phase 2)1X RTT(cdma2000)IS-95B(cdmaOne)IMT-200028.8 Kbps64 Kbps19.2 Kbps57.6 Kbps64 Kbps14.4 Kbps9.6 Kbps9.6 Kbps9.6 Kbps128 Kbps144 Kbps384 Kbps384 Kbps2 Mbps2-5 Mbps2 Mbps2 MbpsDECT25-512 Kbps2G25G275G3G25移动通信的发展目标个人通信一些专家总结为五个W:n任何人(Whoever)n在任
12、何地方(Wherever)n任何时间(Whenever)n可以同任何人(Whomever)n进行任何形式(Whatever)的通信目标是实现个人通信系统(PCS)个人通信发展的前提:大容量,频谱资源全覆盖,无缝移动性低费用智能化,处理能力26个人通信系统的发展基础 近二十年来几项技术革命使PCS成为可能。这主要表现在以下几个方面:低功耗、超大规模集成电路VLSI的发展;工作在110GHz频段固态RF电路的发展;可充电电池在体积和容量方面的不断改善;扩频通信技术的发展;电话网向数据网的转化,即通 信网络智能化的发展;光传输技术应用软件技术27五、移动通信的标准化五、移动通信的标准化n标准化工作的
13、重要性n通信技术的多样性(看似繁荣实际阻碍技术发展)n网络缺乏互联设备缺乏互通n无法大规模生产n价格昂贵n移动通信的标准化内容n技术体制标准化n网络设备标准化n测试方法标准化28国际标准化组织(ITU)n国际无线电标准化工作由国际电信联盟(ITU)负责nITU原由综合秘书处国际频率登记局(IFRB)国际无线电咨询委员会(CCIR)研究国际电话电报咨询委员会(CCITT)四个常设机构组成n1993年3月ITU组织调整为:n无线通信组(CCIR+IFRB)ITU-R工作组n电信标准化组(CCITT)ITU-T工作组n电信开发组(BDT)29其它标准化组织n欧洲的标准化组织n欧洲邮电管理协会(CEP
14、T)曾是欧洲通信设施的主要标准化组织现逐渐被其它组织替代n欧洲电信标准协会(ETSI)成立于1988年GSM DECT HiperLAN等n北美地区的标准化组织n电子工业协会(EIA)n电信工业协会(TIA)n蜂窝电信工业协会(CTIA)n美国国家标准协会(ANSI)nIEEE LAN等30六、蜂窝移动通信的概念六、蜂窝移动通信的概念n大区制移动通信系统n信号传输损耗通信距离有限n大区制系统覆盖范围3050km 发射功率50200W 天线很高(30m)n具有网络结构简单频道数目少无需无线交换直接与PSTN相连n大区系统的局限性n覆盖范围有限n服务的用户容量有限n服务性能较差n频谱利用率低n19
15、74 Bell实验室提出蜂窝概念31蜂窝的概念和分类n蜂窝系统-“小区制”系统n将所要覆盖的地区划分为若干个小区每个小区的半径可视用户的分布密度在110km左右在每个小区设立一个基站为本小区范围内的用户服务n“频率复用”的概念n特点用户容量大服务性能较好频谱利用率较高用户终端小巧且电池使用时间长辐射小等n新的问题系统复杂越区切换漫游位置登记更新和管理以及系统鉴权等32蜂窝的概念和分类n蜂窝分类n宏蜂窝(Macro-cell)220kmn微蜂窝(Micro-cell)0.42kmn皮蜂窝(Pico-cell)400mn分层蜂窝(由多种蜂窝组成)33各类蜂窝的比较蜂房类型巨区宏区微区蜂房半径(km
16、)100500351终端速度(km/h)1500500的电波传播行为:n距离和主要环境特征的函数,粗略地认为与频率无关n当距离减小到一定程度时,模型就不成立了n用于无线系统覆盖和粗略的容量规划建模58小尺度传播模型n小尺度(衰落)模型描述信号在尺度内的变化n多径效应(相位抵消)为主,路径损耗可认为是常数n与载波频率和信号带宽有关。n着眼于“衰落”建模:在短距离或数个波长范围内信号快速变化。59无线电波传播特性分析n电波传播-传播方式n传播路径n直射波-视距传播n反射波n地表面波n移动信道n多径衰落60如何研究多径?n从接收信号的角度进行统计分析n接收信号的幅度变化及分布n接收信号的到达角分布n
17、从多径的数学表达式角度分析n研究多径中每径幅度的分布n研究每径的到达角和分布n研究每径的时延特性及分布n从模型的角度61产生多径的原因n自由空间传播(LOS)n假设为远场dD且d,其中D为天线最大直线长度,为载波波长,无干扰,无阻挡。n反射:当电波信号传播碰撞到大大地大于信号波长的障碍物时发生反射。n导体与绝缘体材料(折射)n散射:当电波信号传播碰撞到小于信号波长障碍物或facets时发生散射n“混乱”相对波长较小n绕射:信号能量绕过障碍物传播的机制称为绕射n费涅尔区62反射波反射系数反射系数水平极化波垂直极化波当f150MHz时,Rv=Rh=-1反射波与入射波相差180。63折射n良导体反射
18、无衰减n绝缘体只反射入射波能量的一部分n“Grazing角”,100%反射n直角入射,100%透射n反射造成180 相移64陡峭的小山区n传播可以是LOS,或由一个或多个峭壁造成的绕射。nLOS 传播可用地面反射模型:绕射损耗 n但若无LOS,绕射可帮助覆盖65绕射(衍射)n当波撞击在障碍物边缘时发生绕射n“次级”传播进入阴影区n与LOS的路径差导致相移n费涅尔区表达了相对于障碍物位置相移66传播到阴影区的信号功率n绕射传播功率是多少?n第一费涅尔区:与自由空间相比低5至25dB67散射n在实际移动无线环境中,接收信号比单独绕射和反射模型预测的要强,这是因为当电波遇到粗糙表面时,反射能量由于散
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