移動(dòng)通信原理與系統(tǒng)第1章

,移動(dòng)通信MobileCommunication,2,先修課程、教材,先修課程：通信原理、信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字通信、概率論教材：移動(dòng)通信原理與系統(tǒng)參考教材1：現(xiàn)代移動(dòng)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(dòng)通信系統(tǒng)電子工業(yè)出版社，趙榮黎編著3：移動(dòng)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(jiān)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(zhuān)業(yè)本科生專(zhuān)業(yè)課。通過(guò)學(xué)習(xí)本課程，使學(xué)生掌握移動(dòng)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(wèn)題；了解移動(dòng)通信的發(fā)展趨勢(shì)；建立移動(dòng)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(kāi)發(fā)奠定一定的基礎(chǔ)。,5,目錄,第一章概述（4學(xué)時(shí)）第二章移動(dòng)通信組網(wǎng)原理（8學(xué)時(shí)）第三章移動(dòng)信道中的電波傳播（8學(xué)時(shí)）第四章數(shù)字移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)（8學(xué)時(shí)）第五章GSM/GPRS數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)（8學(xué)時(shí)）第六章窄帶CDMA數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)（6學(xué)時(shí)）第七章第三代(3G)數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)（8學(xué)時(shí)）第八章移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸（4學(xué)時(shí)）第九章未來(lái)移動(dòng)通信展望（2學(xué)時(shí)）習(xí)題講解與課堂練習(xí)（6學(xué)時(shí)）復(fù)習(xí)（2學(xué)時(shí)）,6,第一章概述,1.1移動(dòng)通信的定義、特點(diǎn)1.1.1移動(dòng)通信的定義1.1.2移動(dòng)通信的特點(diǎn)1.2移動(dòng)通信的工作方式1.2.1移動(dòng)通信的分類(lèi)1.2.2移動(dòng)通信的雙向傳輸、雙工方式、工作方式、多址方式1.3移動(dòng)通信的工作頻段與標(biāo)準(zhǔn)化組織1.3.1移動(dòng)通信的工作頻段1.3.2移動(dòng)通信的標(biāo)準(zhǔn)化組織,7,1.4幾種典型的移動(dòng)通信系統(tǒng)1.4.1無(wú)線(xiàn)電尋呼系統(tǒng)1.4.2無(wú)繩電話(huà)系統(tǒng)1.4.3集群移動(dòng)通信系統(tǒng)1.4.4蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)1.4.5衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)1.4.6無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)1.4.7無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng),8,1.5移動(dòng)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(wú)線(xiàn)電波傳播特性1.5.4語(yǔ)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(dòng)通信的發(fā)展,9,1.1移動(dòng)通信的定義、特點(diǎn)1.1.1移動(dòng)通信的定義移動(dòng)通信：通信雙方或至少其中一方在移動(dòng)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(dòng)通信系統(tǒng)包括：無(wú)線(xiàn)尋呼系統(tǒng)、無(wú)繩電話(huà)系統(tǒng)、集群移動(dòng)通信系統(tǒng)和蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)等。,10,1.1.2移動(dòng)通信的特點(diǎn)移動(dòng)通信與有線(xiàn)通信相比具有以下特點(diǎn)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(duì)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(dòng)通信的工作方式1.2.1移動(dòng)通信的分類(lèi),按工作方式分類(lèi)：?jiǎn)喂?，雙工（FDD,TDD)，半雙工按多址方式分類(lèi)：FDMA、TDMA、CDMA、SDMA按信號(hào)形式分類(lèi)：模擬網(wǎng)和數(shù)字網(wǎng)按覆蓋范圍分類(lèi)：城域網(wǎng)、局域網(wǎng)、個(gè)域網(wǎng)按業(yè)務(wù)類(lèi)型分類(lèi)：電話(huà)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(lèi)：專(zhuān)用網(wǎng)、公用網(wǎng)按使用環(huán)境分類(lèi)：陸地通信、海上通信、空中通信按使用對(duì)象分類(lèi)：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(shí)分雙工（TDD）,1.2.2移動(dòng)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(tái)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(jī)均同時(shí)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(jī)同時(shí)工作；另一方使用雙頻單工方式，即收發(fā)信機(jī)交替工作。,Play,16,三、多址方式多址方式：解決如何使移動(dòng)用戶(hù)同時(shí)共享有限的無(wú)線(xiàn)頻譜資源多址方式涉及到兩個(gè)問(wèn)題一是多路復(fù)用，即把一條通路變成多個(gè)物理信道二是信道分配，即將單個(gè)用戶(hù)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(shí)分多址（TDMA）3、碼分多址（CDMA）,18,4、空分多址（SDMA）,19,1.3移動(dòng)通信的工作頻段與標(biāo)準(zhǔn)化組織1.3.1移動(dòng)通信的工作頻段一、確定移動(dòng)通信工作頻段的依據(jù)電波傳播特性、天線(xiàn)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(duì)建筑物的滲透性設(shè)備小型化與已開(kāi)發(fā)的頻段的協(xié)調(diào)和兼容性,20,無(wú)線(xiàn)電頻譜分配,300MHz300GHz1m1mm,21,無(wú)線(xiàn)電頻譜的劃分和命名,22,二、蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻譜分配較早移動(dòng)通信使用甚高頻(VHF)、特高頻(UHF)的范圍現(xiàn)在移動(dòng)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(dòng)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(dòng)通信系統(tǒng)（3G）主要工作在2000MHz頻段上，世界各國(guó)和地區(qū)頻率分配的方式各不相同。,24,1.3.2移動(dòng)通信的標(biāo)準(zhǔn)化組織一、移動(dòng)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(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)化,25,二、移動(dòng)通信的標(biāo)準(zhǔn)化組織1、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織-國(guó)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(wú)線(xiàn)電通信ITU-T工作組負(fù)責(zé)非無(wú)線(xiàn)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(huì)(ETSI)定義歐洲的無(wú)線(xiàn)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(huì)(EIA)電信工業(yè)協(xié)會(huì)(TIA)蜂窩電信工業(yè)協(xié)會(huì)(CTIA)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ANSI)4、IEEE對(duì)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)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(dòng)通信系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)電尋呼系統(tǒng)無(wú)繩電話(huà)系統(tǒng)集群集群移動(dòng)通信系統(tǒng)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)(Bluetooth,ZigBeeRadios,UWB）,28,無(wú)線(xiàn)尋呼系統(tǒng),29,無(wú)繩電話(huà)系統(tǒng),30,集群通信系統(tǒng),31,蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng),32,衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng),33,無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng),34,無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng),35,1.5移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)1.5.1多址技術(shù)移動(dòng)通信中常用的多址方式有三種：頻分多址（FDMA）、時(shí)分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）。此外，在中國(guó)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(wèn)題（即多址技術(shù)）區(qū)域覆蓋和信道配置問(wèn)題移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)問(wèn)題網(wǎng)絡(luò)的控制和移動(dòng)性管理方面的問(wèn)題干擾問(wèn)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(wú)線(xiàn)電波，其傳播方式和特點(diǎn)是不同的對(duì)于工作于UHF和SHF頻段的移動(dòng)通信來(lái)說(shuō)，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(yǔ)音編碼技術(shù)移動(dòng)通信中語(yǔ)音編碼的目的：編碼速率要低、話(huà)音質(zhì)量要高語(yǔ)音編碼的分類(lèi)：波型編碼、參數(shù)編碼、混合編碼,39,1.5.4語(yǔ)音編碼技術(shù)移動(dòng)通信中語(yǔ)音編碼的目的：編碼速率要低、話(huà)音質(zhì)量要高語(yǔ)音編碼的分類(lèi)：波型編碼、聲源編碼、混合編碼,40,一、波形編碼將時(shí)域的模擬話(huà)音的電壓波型信號(hào)經(jīng)過(guò)抽樣、量化、編碼而形成數(shù)字話(huà)音信號(hào)速率為：16-64kbit/s特點(diǎn)：占用頻帶較寬，適合有線(xiàn)通信、不適合移動(dòng)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(jī)理，提出產(chǎn)生話(huà)音信號(hào)的特征參數(shù)，對(duì)特征參數(shù)進(jìn)行編碼速率為：1.2-4.8kbit/s特點(diǎn)：語(yǔ)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(dòng)通信的語(yǔ)音編碼技術(shù)既含有若干語(yǔ)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(shí)，語(yǔ)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(lì)長(zhǎng)期預(yù)測(cè)編碼（RPE-LTP）、矢量和激勵(lì)線(xiàn)性預(yù)測(cè)編碼（VSELP）GSM采用的語(yǔ)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(guò)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(dòng)通信對(duì)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(hào)的包絡(luò)恒定能接受差分檢測(cè)功率效率高,45,二、數(shù)字移動(dòng)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(chēng)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(diǎn)：頻譜旁瓣分量低、頻譜利用率高、誤碼性能好線(xiàn)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(diǎn):頻譜利用率高、但對(duì)調(diào)制器和功率放大器的線(xiàn)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(lái)避免數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)差錯(cuò)在移動(dòng)通信中幾乎都采用前向糾錯(cuò)編碼FEC。FEC分為分組碼和卷積碼兩大類(lèi),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(gè)監(jiān)督元只對(duì)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(zhǎng)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(gè)（N1，整數(shù)）信息段有關(guān)聯(lián)。常稱(chēng)這N個(gè)信息段中的碼元數(shù)目nN為該卷積碼的約束長(zhǎng)度（以比特為單位）；也可稱(chēng)N為碼的約束長(zhǎng)度（以碼組為單位）。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)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(cuò)誤比特，交織的目的就是使誤碼離散化。交織對(duì)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(gè)有效方法。采用這種方法，接收機(jī)可對(duì)多個(gè)攜有相同信息且衰落特性相互獨(dú)立的接收信號(hào)在合并處理之后進(jìn)行判決。分集技術(shù)包括頻率分集、時(shí)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(shí)變特性，自適應(yīng)的進(jìn)行補(bǔ)償，使其接近不失真?zhèn)鬏斠笠话銇?lái)說(shuō)，一個(gè)有限抽頭的橫向?yàn)V波器不可能完全消除碼間串?dāng)_，但當(dāng)抽頭數(shù)較多時(shí)可以將串?dāng)_減小到相當(dāng)小的程度。,52,五、擴(kuò)頻技術(shù)擴(kuò)頻通信的基本思想就是，用寬帶信號(hào)來(lái)傳輸信息，從而提高通信的抗干擾能力擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾性能都大體上與擴(kuò)頻信號(hào)的帶寬和所傳信息帶寬之比成正比,53,1.6移動(dòng)通信的發(fā)展,Cellularconcept,54,早期移動(dòng)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(dòng)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(guó)底特律市警察使用的車(chē)載無(wú)線(xiàn)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(dòng)臺(tái)趨于小型化代表：美國(guó)圣路易斯城建立的IMTS系統(tǒng),55,現(xiàn)代移動(dòng)通信的發(fā)展:,56,1、70年代-80年代（1G）出現(xiàn)美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)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(guó)的AMPS系統(tǒng)、英國(guó)的TACS系統(tǒng)、北歐的NMT系統(tǒng)、日本的NAMTS系統(tǒng)1G的特點(diǎn)：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(shí)施階段2G的典型代表有：歐洲的GSM系統(tǒng)、美國(guó)的DAMPS系統(tǒng)、美國(guó)的IS-95CDMA系統(tǒng)、日本的JDC系統(tǒng)2G的特點(diǎn)：數(shù)字化技術(shù)（語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)字化、數(shù)字調(diào)制方式QPSK及GMSK等）、時(shí)分多址（FDMA）和碼分多址（CDMA）,59,3G系統(tǒng)特點(diǎn)多種