移動通信技術(shù)

計算機組網(wǎng)技術(shù)

—移動通信22024/9/21教學(xué)內(nèi)容第1章移動通信概述第2章通信基礎(chǔ)理論第3章移動通信的基本技術(shù)第4章從電臺到大哥大（第一代移動通信技術(shù)）第5章第二代移動通信技術(shù)（2G，GSM）第6章第三代移動通信技術(shù)（3G）第7章3.9G時代的LTE第8章4G欲來風(fēng)滿樓—LTE-Advanced32024/9/21回顧下前三章討論了哪些問題？通信、移動通信的概念、移動通信的工作方式信號的時域與頻域概念模擬與數(shù)字移動通信系統(tǒng)的組成電磁波頻譜、電磁波的傳播特性（四大效應(yīng)、三大損耗）提高頻譜利用率的多址技術(shù)移動通信的調(diào)制技術(shù)信源編碼(有效性)與信道編碼（可靠性）抗衰落的分集技術(shù)總結(jié)42024/9/21討論尚未結(jié)束，大家繼續(xù)努力。。。

解決以上問題，可能實現(xiàn)點對點通信。要實現(xiàn)移動用戶在更大范圍內(nèi)有序的通信，必須解決組網(wǎng)的問題。本章內(nèi)容展望52024/9/21本章內(nèi)容展望本章開始將探討以下幾個方面的問題：(1)現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)的雛形是怎么形成的？在形成過程中會有什么問題？怎么克服?(2)

對于給定的頻率資源，大家如何來共享?采用什么樣的多址技術(shù)，使得有限的資源能傳輸更大容量的信息?

(3)由于移動環(huán)境中噪聲與干擾的存在，基站和移動臺之間如何減少噪聲，保持有效通信？?62024/9/21本章內(nèi)容展望

(4)移動通信的基本特點是用戶在網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍內(nèi)可任意移動。這就要解決下面兩個問題：一是當(dāng)移動用戶從一個基站的覆蓋區(qū)移動到另一個基站的覆蓋區(qū)時，如何保證用戶通信過程的連續(xù)性，即如何實現(xiàn)有效的越區(qū)切換?

二是用戶在移動網(wǎng)絡(luò)中任意移動，網(wǎng)絡(luò)如何管理這些用戶，使網(wǎng)絡(luò)在任何時刻都知道，該用戶當(dāng)前在哪一個地區(qū)的哪一個基站覆蓋的范圍內(nèi)，即如何解決移動性管理的問題?

72024/9/21本章內(nèi)容展望

(5)如何將服務(wù)區(qū)內(nèi)的各個基站互連起來，并且要與固定網(wǎng)絡(luò)(如PSTN、ISDN、BISDN等)互連，從而實現(xiàn)移動用戶與固定用戶、移動用戶與移動用戶之間的互連互通?也就是說，移動通信應(yīng)采用什么樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?82024/9/21教學(xué)內(nèi)容第1章移動通信概述第2章通信基礎(chǔ)理論第3章移動通信的基本技術(shù)第4章從電臺到大哥大（第一代移動通信技術(shù)）第5章第二代移動通信技術(shù)（2G，GSM）第6章第三代移動通信技術(shù)（3G）第7章3.9G時代的LTE第8章4G欲來風(fēng)滿樓—LTE-Advanced引言1、移動通信的發(fā)展歷程技術(shù)驅(qū)動AMPSTACSNMT其它第一代（1G)上世紀80年代模擬模擬技術(shù)(l)GSMCDMAIS95TDMAIS-136PDC第二代（2G)上世紀90年代數(shù)字數(shù)字技術(shù)話音業(yè)務(wù)

業(yè)務(wù)驅(qū)動第三代（3G)本世紀初期IMT-2000UMTSWCDMAcdma2000TD-SCDMA寬帶業(yè)務(wù)

E3G本世紀初期IMT-Advanced3GPPLTE-TDDLTE-FDD寬帶業(yè)務(wù)

用戶驅(qū)動移動通信發(fā)展至今，從早期的AMPS到現(xiàn)在的LTE-Advanced，一共經(jīng)歷了4代。21九月20249102024/9/21引言1、移動通信的發(fā)展歷程第一代——模擬蜂窩通信系統(tǒng)(大哥大）。112024/9/21引言1、移動通信的發(fā)展歷程第二代——數(shù)字系統(tǒng)90年代登上舞臺。122024/9/21引言1、移動通信的發(fā)展歷程第二代——數(shù)字系統(tǒng)90年代登上舞臺。132024/9/21引言1、移動通信的發(fā)展歷程第二代——數(shù)字系統(tǒng)90年代登上舞臺。用戶密度急劇增長數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求不斷提高2G系統(tǒng)手空中接口及網(wǎng)絡(luò)能力的限制，難以滿足市場的需求太慢了142024/9/21引言1、移動通信的發(fā)展歷程第三代移動通信系統(tǒng)——三足鼎立。152024/9/21引言1、移動通信的發(fā)展歷程第4代移動通信系統(tǒng)。162024/9/21無線通信從層面上有三個層面，包括：點對點的無線通信——對講機點對多點的無線通信——基站和手機多點對多點的無線通信——多個手機與多個基站2、無線通信的層面解析引言172024/9/21電臺的夢想-點對點的無線通信4.1基站的困惑—點對多點的無線通信4.24.3大哥大-多點對多點的無線通信4.4相關(guān)技術(shù)介紹182024/9/214.1電臺的夢想——點對點的無線通信古代人民夢想中的通信方式神話中的場景因馬可尼發(fā)明了電報而成為現(xiàn)實——“千里眼”、順風(fēng)耳192024/9/214.1電臺的夢想——點對點的無線通信這個夢想在今天看起來很簡單，但假如我們把歷史翻到1940，那個沒有移動通信網(wǎng)的年代，你還會覺得簡單嗎？移動通信的飛速發(fā)展使人類實現(xiàn)個人通信的理想為期不遠了。任何人在任何時間、任何地點、與任何一個人、實現(xiàn)任何一種媒體的通信?！乙徊渴謾C！202024/9/214.1點到點的無線通信4.1.1無線通信組網(wǎng)構(gòu)想一：無線電臺4.1.2無線通信組網(wǎng)構(gòu)想二：廣電網(wǎng)絡(luò)212024/9/214.1.1構(gòu)想一：用無線電臺構(gòu)成一張無線通信網(wǎng)第二次世界大戰(zhàn)開始時，無線電臺的使用已經(jīng)很頻繁。既然無線電臺可以實現(xiàn)遠距離通信，那么給每個人發(fā)一個電臺，用無線電臺構(gòu)成一張無線通信網(wǎng)行不行？對比下5W：任何人：如果國家足夠有錢，每個人發(fā)一個電臺。任何時間：只要電臺不是山寨貨，那在保質(zhì)期內(nèi)工作是沒有任何問題的。任何地點：戰(zhàn)爭中的情報在千里之外都可以被截聽，說明在地球上絕大多數(shù)地方收發(fā)電報都沒太多問題。任何消息：無線電臺打電話沒有什么問題，但實現(xiàn)多媒體通還有點困難看上去解釋很完美，但事情真是這樣嗎？222024/9/214.1.1構(gòu)想一：用無線電臺構(gòu)成一張無線通信網(wǎng)問題一——“任何地點”：發(fā)射電報要在任何地點都能收到，發(fā)射功率就得很大。232024/9/214.1.1構(gòu)想一：用無線電臺構(gòu)成一張無線通信網(wǎng)問題二：電磁波存在干擾：人說話的頻段一般在20-3400Hz，如果幾人同時跟你說話，那么要分辨起來就有點困難，因為他們的聲音都在同一個頻段，會相互干擾不同的電臺不能使用相同的頻段。既然如此，我們給全球所有的電臺都分配給不同的頻段不就行了？242024/9/214.1.1構(gòu)想一：用無線電臺構(gòu)成一張無線通信網(wǎng)假設(shè)一個電臺需要25KHz的頻段，全球有20億人需要用電臺打電話，那么需要25KHz×2×1010=5×105GHz.問題三：電磁波的頻譜資源有限。

電磁波在同一頻段的干擾造成了無線頻段資源的有限性，而無線通信頻段資源的有限性則構(gòu)成了無線通信各種解決方案的約束252024/9/214.1.1構(gòu)想一：用無線電臺構(gòu)成一張無線通信網(wǎng)電磁波譜系列262024/9/214.1點到點的無線通信4.1.1無線通信組網(wǎng)構(gòu)想一：無線電臺4.1.2無線通信組網(wǎng)構(gòu)想二：廣電網(wǎng)絡(luò)272024/9/214.1.1構(gòu)想二：參照廣電網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)由于頻譜資源的有限，造成了用電臺搭建無線通信網(wǎng)的想法無法實現(xiàn)，但是在1940年那個年代，除了電臺，跟通信沾邊的事情也想不到別的。于是，讓我們把時間撥到1985年，這個時候有什么新思路呢？——黑白電視282024/9/214.1.1構(gòu)想二：參照廣電網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)廣電網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)：每個城市幾乎最高的地方建一個發(fā)射塔，向四面八方發(fā)射信號。電視機作為接收終端，接收廣電的信號，并解調(diào)出來，就出現(xiàn)了電視畫面。廣播電臺也采取這種模式。構(gòu)想：參照廣電網(wǎng)絡(luò)，。貝爾移動系統(tǒng)：系統(tǒng)建在高塔上，用大功率的發(fā)射機來獲得一個廣覆蓋，一個發(fā)射機覆蓋2800Km2。看起來好好的，但貝爾移動系統(tǒng)由一個致命的缺陷，它只有12個頻道。廣電模式在電信運營商里怎么就走不通呢？問題出在哪？292024/9/214.1.1構(gòu)想二：參照廣電網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)廣電模式跟電信模式的區(qū)別一：交互：廣播(Broadcast)：只需要發(fā)射塔向電視機發(fā)射信號，不需要電視機向發(fā)射塔反饋信息。假設(shè)現(xiàn)在在100MHz的頻段上給某個電視臺分25KHz的帶寬（從100.000MHz-100.025MHz），那么只需要發(fā)射塔來占用這25KHz帶寬發(fā)射就好了，一就是說一個城市只需要一個發(fā)射源，不會產(chǎn)生干擾。302024/9/214.1.1構(gòu)想二：參照廣電網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)廣電模式跟電信模式的區(qū)別一：交互：通信（Communication)：不僅發(fā)射塔要向用戶終端發(fā)送信息，用戶終端也要給發(fā)射塔發(fā)送信號。假設(shè)現(xiàn)在只有一個用戶終端要與發(fā)射塔交互信息，發(fā)射塔占用100.000MHz-100.025Mhz的帶寬，用戶終端需對應(yīng)地找另外一個頻段，比如說從50.000MHz到50.025MHz的25KHz帶寬來發(fā)射信號(稱上行信號），如果第二個用戶，第三個用戶。。。。312024/9/214.1.1構(gòu)想二：參照廣電網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)廣電模式跟電信模式的區(qū)別二：交互用戶信息各不相同：廣電：如果只有一個電視臺，每個用戶看到的臺是一樣的。當(dāng)用戶想看第二個電視臺的時候，廣電就增加一個“頻道”，也就是說增加“100.025MHz到100.050MHz”的帶寬，用于承載第二個電視臺的信息——CCTV1-CCTV13。電信：當(dāng)出現(xiàn)第二個電信用戶終端的時候，電信的發(fā)射塔也需要增加“100.025MHz到100.050MHz”的帶寬，不同的是這個終端中戶上行也需要分配相同多的帶寬，如“從50.025MHz到50.050MHz”322024/9/214.1.1構(gòu)想二：參照廣電網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)廣電模式跟電信模式的區(qū)別二：交互用戶信息各不相同：當(dāng)一個區(qū)域內(nèi)的用戶多增多時，3000個，30000個。。。顯然，這個模式是不足以滿足現(xiàn)代無線通信的需求的。設(shè)計者·們想出了一個辦法：降低發(fā)射塔的功率，縮小覆蓋半徑，這樣可以讓同一個頻段在不同的空間內(nèi)得到重復(fù)利用，稱之為空分復(fù)用。。332024/9/21電臺的夢想-點對點的無線通信4.1基站的困惑—點對多點的無線通信4.24.3大哥大-多點對多點的無線通信4.4相關(guān)技術(shù)介紹342024/9/214.2基站的困惑-點到多點的無線通信前面，我們已經(jīng)獲得了現(xiàn)在移動通信系統(tǒng)的雛形在這一節(jié)里，我們主要討論一個基站下手機的活動情況。352024/9/214.2基站的困惑-點到多點的無線通信對于現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)的一大要求是“任何人”在“任何時間”都可以接入系統(tǒng)，這兩個“任何”就意味著通信系統(tǒng)的容量必須要足夠大。提高系統(tǒng)容量的一個措施是“空分復(fù)用”，但僅僅依靠空分復(fù)用還是不夠的?；窘ㄔO(shè)成本高昂，基站覆蓋范圍小，電磁傳播的路徑就要控制地越精確，從而避免基站直接的干擾，這在實際操作中實現(xiàn)非常難。基站范圍過小，基站數(shù)量太多，會造成太多的切換。1、困惑之一：基站下不止一個手機362024/9/214.2基站的困惑-點到多點的無線通信如何提高系統(tǒng)容量，使更多的用戶接入到系統(tǒng)，并且區(qū)分不同的用戶，研究人員想了很多種方法。多址或者復(fù)用技術(shù)：讓手機工作在不同頻率或者不同時間上，加以區(qū)分1、困惑之一：基站下不止一個手機372024/9/214.2基站的困惑-點到多點的無線通信1、困惑之一：基站下不止一個手機多址技術(shù)——FDMA：將通信系統(tǒng)的總帶寬劃分為若干等間隔的信道，分配給不同的用戶。比如說在GSM系統(tǒng)，每新增一個用戶，就給這個用戶分配200KHz的帶寬。382024/9/214.2基站的困惑-點到多點的無線通信1、困惑之一：基站下不止一個手機進行頻分后的一個問題是頻譜資源嚴重不夠。假設(shè)一個運行商有15MHz的頻帶，在不考慮其他基站對本基站干擾的極端理想情況下，一個基站的最大容量也只75個。于是，設(shè)計人員聯(lián)想到晚會中的一個場景：有8個歌手同唱一首歌。而且是一人一句地來。把它應(yīng)用到通信中：舞臺上的一首歌是資源，GSM的一個載波也是資源；把一首歌按時間進行切片，分成8分。一人一句來，就可以讓8個人都有歌唱，同樣的，把GSM的一個載波按時間進行切片，分成8個時隙，一人占用一個時隙，就讓8個人都有電話打。392024/9/214.2基站的困惑-點到多點的無線通信1、困惑之一：基站下不止一個手機多址技術(shù)——TDMA：在一個寬帶的無線載波上，把時間分成周期性的幀，每一幀再分割成若干時隙，每個時隙就是一個通信信道，分配給一個用戶。402024/9/214.2基站的困惑-點到多點的無線通信1、困惑之一：基站下不止一個手機412024/9/214.2基站的困惑-點到多點的無線通信1、困惑之一：基站下不止一個手機多址技術(shù)——CDMA：碼分多址系統(tǒng)為每個用戶分配了各自特定的地址碼，利用公共信道來傳輸信息。MSNMS1MS21c2c1C2CNcNCMSCBS422024/9/214.2基站的困惑-點到多點的無線通信移動通信的一個基本特征之一是用戶終端的移動性。由于用戶的移動性，使得無線環(huán)境在變化——遠近效應(yīng)。遠近效應(yīng)：由于用戶的隨機移動性，發(fā)射機與接收機之間的距離也是在隨機變化。若發(fā)射機發(fā)射信號功率一樣，那么到達接收機時信號的強弱將不同，離接收機近者信號強，離接收機遠者信號弱。2、困惑之二：無線環(huán)境和手機遠近在不斷變化432024/9/214.2基站的困惑-點到多點的無線通信2、困惑之二：無線環(huán)境和手機遠近在不斷變化解決遠近效應(yīng)的措施——功率控制生活中的處理經(jīng)驗：打電話的時候，如果對方聲音太小導(dǎo)致你聽不清楚了，你會說“麻煩大聲一點說話！”如果對方聲音太大，震得你耳膜嗡嗡作響，你會要求“麻煩你小聲一點，耳朵都快要震聾啦！”基站和手機的出來方式也基本一致，衡量的標準是SIR（信號和噪聲的比值）。手機和基站之間會有自己的SIR標準，如果低于這個值，就會要求對方提高功率；如果高于這個值，就會要求對方降低功率。442024/9/214.2基站的困惑-點到多點的無線通信3、困惑之三：減少噪聲，降低能耗在功率控制中，如果SIR指標過好，也會通過功率控制來降低發(fā)射功率。這是由于在基站下不止一個手機，若不同用戶的SIR過高，會對別人的通話造成干擾與噪聲。除了控制發(fā)射功率外，設(shè)計者們還想出了別的方法來降低系統(tǒng)的噪聲，包括：DTX：不連續(xù)發(fā)射技術(shù)DRX：不連續(xù)接收技術(shù)452024/9/214.2基站的困惑-點到多點的無線通信3、困惑之三：減少噪聲，降低能耗DTX一種在通話中的省電模式當(dāng)語音不激活時，發(fā)送端只發(fā)射很少信息接收端產(chǎn)生舒適噪聲DRX一種在待機時的省電模式手機基于IMSI被分成不同的尋呼組從網(wǎng)絡(luò)來的尋呼信息會以預(yù)定的間隔發(fā)送462024/9/21電臺的夢想-點對點的無線通信4.1基站的困惑—點對多點的無線通信4.24.3大哥大-多點對多點的無線通信4.4相關(guān)技術(shù)介紹472024/9/214.3大哥大-多點對多點的無線通信在本節(jié)里，我們要討論一個完整的移動通信網(wǎng)的全貌。概括地說，從點對多點的基站與手機的通信到多點對多點的移動通信網(wǎng)，有幾個問題需要解決：現(xiàn)在基站不止一個，手機怎樣判斷它現(xiàn)在位于哪個基站下？我們實現(xiàn)的是“任何時間”、“任何地點”的通信，而手機的位置一直不停地變化，有電話找你的時候，怎樣才能知道你在哪里？在通話的過程中，你可能從一個基站的覆蓋范圍走到了另外一個基站的覆蓋范圍，怎樣才能保持通話，不至于中斷？既然是一個成熟的商用系統(tǒng)，那么安全性顯然非常重要，那怎樣才能保證通話不被竊聽？482024/9/214.3大哥大-多點到多點的無線通信1、困惑之一：手機不知道它在哪個基站下面把手機扔到移動通信網(wǎng)里，手機是很懵懂的，它并不知道自己處在哪個基站的覆蓋范圍之下，手機上既沒有裝雷達，也沒用一雙慧眼，那么手機怎么找到基站呢？492024/9/214.3大哥大-多點到多點的無線通信1、困惑之一：手機不知道它在哪個基站下面信令協(xié)議：基站總是一刻不停的向外廣播信息，以方便手機找到他502024/9/214.3大哥大-多點到多點的無線通信1、困惑之一：手機不知道它在哪個基站下面GSM：不同的基站廣播信息時所使用的頻率不同，這樣GSM必須掃描整個頻段，按信號的強度從最強信號開始逐一檢查，直至找到合適的廣播信息。512024/9/214.3大哥大-多點到多點的無線通信1、困惑之一：手機不知道它在哪個基站下面CDMA：基站固定使用一個頻率廣播信息，手機只要調(diào)諧到這個頻率，就可以收到基站的指引信息，從而找到基站。廣播信息不僅能幫助手機找到和鎖定基站，還能為手機提供大量的信息，因此我們希望廣播之間不要互相干擾：GSM：采用不同的頻率進行廣播，工作頻率不同，自然不會產(chǎn)生干擾。CDMA：采用固定的頻率，但擾碼不一樣522024/9/214.3大哥大-多點到多點的無線通信2、困惑二：網(wǎng)絡(luò)不知道手機的位置對于固定通信而言，它知道自己的用戶在哪里；而對于移動通信而言，手機始終處于移動狀態(tài)，由于基站的覆蓋范圍有限，因此必然出現(xiàn)手機從一個基站的覆蓋范圍移動到另一個基站的覆蓋范圍。那么怎么找到手機呢？532024/9/214.3大哥大-多點到多點的無線通信2、困惑二：網(wǎng)絡(luò)不知道手機的位置“尋人啟事”效率低542024/9/214.3大哥大-多點到多點的無線通信2、困惑二：網(wǎng)絡(luò)不知道手機的位置位置更新先是將一個城市的無線網(wǎng)絡(luò)劃分成若干個區(qū)，手機通過偵聽廣播信息得知自己的位置，如果自己位置改變，上報自己所在的位置。位置寄存器：記錄位置變更消息552024/9/214.3大哥大-多點到多點的無線通信2、困惑二：網(wǎng)絡(luò)不知道手機的位置位置更新先是將一個城市的無線網(wǎng)絡(luò)劃分成若干個區(qū)，手機通過偵聽廣播信息得知自己的位置，如果自己位置改變，上報自己所在的位置。位置寄存器：記錄位置變更消息562024/9/214.3大哥大-多點到多點的無線通信3、困惑三：如何保證“移動”著打電話不會有中斷切換：當(dāng)移動臺從一個基站覆蓋的小區(qū)進入到另一個基站覆蓋的小區(qū)的情況下，為了保持通信的連續(xù)性，將移動臺與當(dāng)前基站之間的鏈路轉(zhuǎn)移到移動臺與新基站之間的鏈路572024/9/214.3大哥大-多點到多點的無線通信3、困惑三：如何保證“移動”著打電話不會有中斷切換的方式：硬切換：終端首先切斷與原來基站的聯(lián)系，然后再接入新的基站，在切換的過程中發(fā)生瞬時的中斷軟切換：終端和相鄰的兩個基站同時保持聯(lián)系，當(dāng)終端徹底進入某一個基站的覆蓋區(qū)域后，才切斷與另一個基站的聯(lián)系，切換期間沒有中斷電話。582024/9/214.3大哥大-多點到多點的無線通信4、困惑四：安全性與盈利？這是個問題作為成熟的商業(yè)系統(tǒng)，其成本投入是非常高的，因此必須考慮商業(yè)模式的問題。在這個商業(yè)通信系統(tǒng)里，要考慮的首要問題就是——如何鑒別接入系統(tǒng)是不是合法用戶？592024/9/214.3大哥大-多點到多點的無線通信4、困惑四：安全性與盈利？這是個問題口令方案一：用手機號或IMSI號作為口令問題：手機號或IMSI號都是公開的602024/9/214.3大哥大-多點到多點的無線通信4、困惑四：安全性與盈利？這是個問題口令方案二：利用Ki（用戶鑒權(quán)鍵，SIM卡內(nèi)置）與一個固定值通過A3算法生成SERS值，進行鑒權(quán)問題：空中接口的信息可能被竊聽612024/9/214.3大哥大-多點到多點的無線通信4、困惑四：安全性與盈利？這是個問題口令方案三：由隨機值生成SERS622024/9/214.3大哥大-多點到多點的無線通信4、困惑四：安全性與盈利？這是個問題鑒權(quán)作用保護網(wǎng)絡(luò)，防止非法盜用保護用戶，拒絕假冒合法用戶的“入侵”原理