物聯(lián)網(wǎng)導論-第9章-移動通信網(wǎng)絡v1.1

第9章移動通信網(wǎng)絡內(nèi)容提要移動通信，特別是3G，將成為“全面、隨時、隨地”傳輸信息的有效平臺。本章將介紹移動通信的發(fā)展歷程，重點討論3G通信技術以及移動互聯(lián)網(wǎng)的相關應用。第8章介紹了無線低速網(wǎng)絡協(xié)議以及無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)技術。藍牙、紅外等傳統(tǒng)低速網(wǎng)絡協(xié)議的特點802.15.4/ZigBee協(xié)議無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)需要注意的問題本章將介紹三代移動通信的發(fā)展歷程，重點討論3G技術和標準（TD-SCDMA，W-CDMA，CDMA2000），并討論移動互聯(lián)網(wǎng)的典型應用（視頻電話，手機電視），簡單討論4G的發(fā)展。內(nèi)容回顧9.1移動通信發(fā)展歷史9.23G通信技術和標準9.3移動互聯(lián)網(wǎng)9.4關于4G三代移動通信技術的代表有哪些？本章內(nèi)容9.1

第一代移動通信：模擬語音1928年，美國普度(PurdueUniversity)大學的學生發(fā)明了超外差無線電接收機，隨后被美國底特律警察局利用并建立了世界上第一個移動通信系統(tǒng)(車載無線電系統(tǒng))。1946年，貝爾系統(tǒng)在圣路易斯建立起了第一個可用于汽車的電話系統(tǒng)。西德、法國和英國分別于1950年、1956年和1959年完成了公用移動電話系統(tǒng)的研制。9.1

第一代移動通信：模擬語音20世紀60年代，美國開始使用中小容量的改進移動電話系統(tǒng)IMTS。IMTS有兩個頻率分別用于接收和發(fā)送功能。IMTS支持23個信道，頻率范圍為150～450MHz。在一個大區(qū)域中只用一個基站覆蓋的設計被成為大區(qū)制。大區(qū)制有以下特點：基站覆蓋面積大發(fā)射功率大可用頻率帶寬有限，系統(tǒng)容量小適用于專業(yè)網(wǎng)，不適合商用9.1

第一代移動通信：模擬語音1982年，為了解決大區(qū)制容量飽和的問題，美國貝爾實驗室發(fā)明了高級移動電話系統(tǒng)AMPS。AMPS提出了“小區(qū)制”，“蜂窩單元”的概念，是第一種真正意義上的“蜂窩移動通信系統(tǒng)”，同時采用頻率復用（FrequencyDivisionMultiplexing,FDM）技術，解決了公用移動通信系統(tǒng)所需要的大容量要求和頻譜資源限制的矛盾。100千米范圍之內(nèi)，IMTS每個頻率上只允許一個電話呼叫；AMPS以允許100個10千米的蜂窩單元，從而可以保證每個頻率上有10～15個電話呼叫。蜂窩系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構每一個蜂窩單元有一個基站負責接收該單元中電話的信息。基站連接到移動電話交換局（MobileTelephoneSwitchingOffice,MTSO）。MTSO采用分層機制，一級MTSO負責與基站之間的直接通信；高級MTSO則負責低級MTSO之間的業(yè)務處理。移交：當電話在蜂窩單元之間移動的時候，基站之間會通信，從而交換控制權，避免信道分配不錯導致信號沖突。基站對于電話用戶控制權的轉(zhuǎn)換也稱為“移交”。“軟移交”：用戶通話保持連貫。“硬移交”：老的基站需要停止用戶通話。蜂窩系統(tǒng)（續(xù)）9.1

第二代移動通信：數(shù)字語音第二代移動通信技術：數(shù)字制式支持傳統(tǒng)語音通信、文字和多媒體短信支持一些無線應用協(xié)議900/1800MHzGSM移動通信工作在900/1800MHz頻段無線接口采用TDMA技術，核心網(wǎng)移動性管理協(xié)議采用MAP協(xié)議800MHzCDMA移動通信工作在800MHz頻段，核心網(wǎng)移動性管理協(xié)議采用IS-41協(xié)議無線接口采用窄帶碼分多址（CDMA）技術GSM系統(tǒng)GSM是一種蜂窩網(wǎng)絡系統(tǒng)，蜂窩單元按照半徑可以分為：宏蜂窩：覆蓋面積最廣，基站通常在較高的位置，例如山峰微蜂窩：基站高度普遍低于平均建筑高度，適用于市區(qū)內(nèi)微微蜂窩：室內(nèi)，影響范圍在幾十米以內(nèi)傘蜂窩：填補蜂窩間的信號空白區(qū)域GSM后臺網(wǎng)絡系統(tǒng)包括以下模塊系統(tǒng)：基站系統(tǒng)，包括基站和相關控制器網(wǎng)絡和交換系統(tǒng)，也稱為核心網(wǎng)，負責銜接各個部分GPRS核心網(wǎng)，可用于基于報文的互聯(lián)網(wǎng)連接，為可選部分身份識別模塊，也稱為SIM卡，主要用于保存手機用戶數(shù)據(jù)CDMA系統(tǒng)CDMA在蜂窩移動通信網(wǎng)絡中的應用容量在理論上可以達到AMPS容量的20倍。CDMA可以同時區(qū)分并分離多個同時傳輸?shù)男盘?。CDMA有以下特點：抗干擾性好抗多徑衰落保密安全性高容量質(zhì)量之間可以權衡取舍同頻率可在多個小區(qū)內(nèi)重復使用9.1第三代移動通信：數(shù)字語音與數(shù)據(jù)第三代移動通信（3G）可以提供所有2G的信息業(yè)務，同時保證更快的速度，以及更全面的業(yè)務內(nèi)容，如移動辦公，視頻流服務等。3G的主要特征是可提供移動寬帶多媒體業(yè)務，包括高速移動環(huán)境下支持144Kbps速率，步行和慢速移動環(huán)境下支持384Kbps速率，室內(nèi)環(huán)境則應達到2Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時保證高可靠服務質(zhì)量。人們發(fā)現(xiàn)從2G直接跳躍到3G存在較大的難度，于是出現(xiàn)了一個2.5G（也有人稱后期2.5G為2.75G）的過渡階段。3G的發(fā)展歷程2G邁向3G的過渡產(chǎn)業(yè)HSCSDGSM網(wǎng)絡的升級版本透過多重時分并行傳輸，速率比GSM網(wǎng)絡快5倍動態(tài)提供不同的糾錯方式GPRS基于傳統(tǒng)GSM的產(chǎn)物改造現(xiàn)有基站系統(tǒng)，利用GSM網(wǎng)絡中未使用的TDMA信道，速率可以達到114Kbps立即聯(lián)機EDGE俗稱2.75G，是GPRS到3G之間的過渡產(chǎn)業(yè)傳輸速率可以達到384Kbps主張利用現(xiàn)有的GSM資源IMT-2000第三代移動通信系統(tǒng)最早于1985年由ITUTG8/1提出，最初名為FPLMTS（FuturePublicLandMobileTelecommunicationSystem），后在1996年更改為“IMT-2000”。數(shù)字2000蘊含了三層含義：希望該系統(tǒng)能在2000年全面應用到市場；希望3G能在2000MHz的頻率上運行；希望可以3G保證2000KHz的帶寬。1999年，IMT-2000無線接口技術規(guī)范建議被通過。3G無線接口標準傳統(tǒng)的窄帶TDMA技術遠遠不能滿足3G系統(tǒng)的高帶寬要求，而CDMA的編碼方式才是現(xiàn)行3G通信標準的基礎。圖中關于CDMA技術的3個標準分別是：IMT-DS，對應于W-CDMAIMT-MC，對應于CDMA2000IMT-TD，對應于TD-SCDMA和UTRA-TDD9.1移動通信發(fā)展歷史9.23G通信技術和標準9.3移動互聯(lián)網(wǎng)9.4關于4G我國采用的三種3G標準是什么？各有哪些特點？本章內(nèi)容9.2

3G通信技術和標準3G發(fā)展歷程回顧：1985年FPLTMS概念被提出。1991年國際電聯(lián)正式成立TG8/1任務組，專門負責FPLTMS的標準定制工作。1996年FPLTMS更名為IMT-2000。1997年ITU向各國發(fā)出通函，要求各國在1998年6月之前提交關于IMT-2000無線接口技術的候選方案，一共收到15份有關3G接口的技術方案，其中包括我國自主研究制定的TD-SCDMA標準。2000年5月，國際電聯(lián)正式公布了第三代移動通信標準，CDMA技術以其特有的優(yōu)勢為眾多標準的基礎。我國采用的三種3G標準分別是TD-SCDMA，W-CDMA和CDMA2000。TD-SCDMATD─SCDMA（TimeDivision–SynchronousCodeDivisionMultipleAccess）相比于W-CDMA和CDMA2000起步較晚，1998年6月由原郵電部電信科學技術研究院向ITU提出。TD-SCDMA將眾多技術融合：SCDMACDMA和軟件無線電同步TDMA，F(xiàn)DMATD分為：TD-SCDMA：提供話音和視頻電話等最高下行頻率為384Kb/s的數(shù)據(jù)業(yè)務TD-HSDPA：數(shù)據(jù)業(yè)務增強技術，可提供2.8Mb/s的下行速率TD-CDMA解決的移動通信問題呼吸效應：在CDMA系統(tǒng)中，基站的實際有效覆蓋面積會隨著干擾信號的增強而縮小，反之則會增大。這種覆蓋面積隨用戶數(shù)目的增加而收縮的現(xiàn)象為“呼吸效應”。干擾信號同移動用戶的數(shù)目是密切相關的；導致“呼吸效應”的主要原因是CDMA系統(tǒng)是一個自干擾系統(tǒng)；CDMA2000和W-CDMA屬于同頻自干擾系統(tǒng)，鄰近用戶間自干擾現(xiàn)象明顯，從而降低了實際傳輸速率。TD-SCDMA利用低帶寬的FDMA和TDMA限制了系統(tǒng)的最大干擾；在單時隙中應用CDMA技術提高系統(tǒng)容量；利用聯(lián)合檢測和SDMA技術對客戶終端的信號跟蹤；充分利用下行信號能量，最大程度上抑制了客戶之間的干擾。TD-SCDMA系統(tǒng)不再是一個自干擾系統(tǒng)，“呼吸效應”基本被消除。TD-CDMA解決的移動通信問題（續(xù)）“遠近效應”：移動通信干擾的另一問題。手機用戶到基站的距離不斷變化；固定的通信功率不僅會造成嚴重的功率過剩，且可能形成有害的電磁輻射。如何解決？動態(tài)調(diào)控功率：手機終端依據(jù)自己到基站的通信距離動態(tài)的調(diào)整自己的傳輸功率，從而盡可能的減少過剩，且依然保證可連通性。TD-SCDMA采用動態(tài)信道分配的方式，即根據(jù)用戶的需求進行實時的動態(tài)資源分配，包括頻率，時隙和碼字等。動態(tài)信道分配不僅提高了信道資源的利用率，且增強了對于網(wǎng)絡中負載和干擾變化的適應能力。W-CDMAW-CDMA（WidebandCodeDivisionMultipleAccess）是由愛立信公司提出，3GPP具體制定的基于GSMMAP核心網(wǎng)，UTRAN為無線接口的3G系統(tǒng)。第一個商用W-CDMA網(wǎng)絡由日本NTTDoCoMo于2001年推出，也是世界上第一個3G移動電話服務。中國聯(lián)通于2009年在中國大陸提供W-CDMA服務，并開始提供HSDPA服務（在部分地區(qū)還提供HSUPA服務）。中國香港移動運營商SUNDAY等也都已經(jīng)架構了W-CDMA商用網(wǎng)絡。中國臺灣地區(qū)3G服務從2005年開始，其中中華電信、臺灣大哥大、遠傳電信等都使用W-CDMA系統(tǒng)。W-CDMA技術介紹上行技術參數(shù)主要基于歐洲FMA2方案。下行技術參數(shù)主要基于日本ARIBW-CDMA方案。W-CDMA技術主要包括FDD和TDD：FDD：工作在覆蓋面積較大的范圍內(nèi)，可以在兩個對稱頻率信道上進行接收和傳送工作TDD：側(cè)重于業(yè)務繁重的小范圍內(nèi)W-CDMA定義了3條可利用的公共控制信道及2條專用信道：廣播公共控制信道（BCCH），尋呼信道（PCH），前向接入信道（FACH）主專用控制信道（SDCCH），輔助專用控制信道CDMA2000CDMA2000也稱為CDMAMulti-Carrier,由美國高通北美公司為主導提出。W-CDMA和TD-SCDMA是由標準組織3GPP制定，CDMA2000則是由標準組織3GPP2制定。CDMA2000標準推進路線：CDMA2000技術介紹CDMA20001x：即1x或者1xRTT，

是3GCDMA2000技術的核心。標志1x指使用一對1.25MHz無線電信道的CDMA2000無線技術。CDMA20001xRTT：CDMA20001xRTT（RTT無線電傳輸技術）是CDMA2000一個基礎層。通常被認為是2.5