移动通信系统.ppt
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1、移动通信系统移动通信系统移动通信简介移动通信简介移动通信简介移动通信简介1 12 23 34 4CDMACDMACDMACDMA简介简介简介简介5 5无线传播理论无线传播理论无线传播理论无线传播理论天天天天 线线线线GSMGSMGSMGSM系统介绍系统介绍系统介绍系统介绍移动通信系统v前言前言 当今的社会已经进入了一个信息化的社会,没有信息的传递当今的社会已经进入了一个信息化的社会,没有信息的传递和交流,人们就无法适应现代化的快节奏的生活和工作。人们期和交流,人们就无法适应现代化的快节奏的生活和工作。人们期望随时随地、及时可靠、不受时空限制地进行信息交流,提高望随时随地、及时可靠、不受时空限制
2、地进行信息交流,提高工作的效率和经济效益。工作的效率和经济效益。移动通信系统v移动通信系统简介移动通信系统简介 1.1 1.1 移动通信简史移动通信简史 1.2 1.2 移动通信特点移动通信特点 1.3 1.3 移动通信分类移动通信分类 1.4 1.4 工作方式工作方式 1.5 1.5 多址技术多址技术 1.6 1.6 蜂窝技术蜂窝技术 1.7 1.7 频段划分频段划分移动通信系统v1.1 1.1 1.1 1.1 移动通信简史移动通信简史移动通信简史移动通信简史 1897 1897 年年,马马可可尼尼首首次次完完成成无无线线通通信信实实验验。开开创创了了无无线线通通信信的的先河。先河。1978
3、 1978 年年,美美国国贝贝尔尔实实验验室室研研制制成成功功了了先先进进移移动动电电话话系系统统(AMPSAMPS),建建成成了了蜂蜂窝窝状状移移动动通通信信系系统统。而而其其它它工工业业化化国国家家也也相相继继开开发发出出蜂蜂窝窝式式移移动动通通信信网网。这这是是第第一一代代移移动动通通信信系系统统。其其代代表表有有美美国国的的AMPSAMPS系系统统和和后后来来的的改改进进型型系系统统TACSTACS,以以及及NMT NMT 和和NTTNTT。第一代移动通信系统为频分复用的模拟模拟通信系统。第一代移动通信系统为频分复用的模拟模拟通信系统。八八十十年年代代中中期期开开始始。欧欧洲洲首首先先
4、推推出出了了泛泛欧欧数数字字移移动动通通信信网网 (GSMGSM)的的体体系系。随随后后,美美国国和和日日本本也也制制订订了了各各自自的的数数字字移移动动通通信信体体制制。这这是是第第二二代代移移动动通通信信系系统统。第第二二代代移移动动通通信信系系统统是是数数字字蜂蜂窝窝移移动动通通信信系系统统,其其典典型型代代表表是是美美国国的的DAMPS DAMPS 系系统统、IS-95IS-95和欧洲的和欧洲的GSMGSM系统。系统。移动通信系统 19961996年年开开始始,为为了了解解决决中中速速数数据据传传输输问问题题,又又出出现现了了2.52.5代代的的移移动动通通信信系系统统,如如GPRSG
5、PRS和和IS-95BIS-95B。移移动动通通信信现现在在主主要要提提供供的的服服务仍然是语音服务以及低速率数据服务。务仍然是语音服务以及低速率数据服务。第第三三代代移移动动通通信信系系统统最最早早由由国国际际电电信信联联盟盟(ITUITU)于于19851985年年提提出出,当当时时称称为为未未来来公公众众陆陆地地移移动动通通信信系系统统(FPLMTSFPLMTS,Future Future Public Public Land Land Mobile Mobile Telecommunication Telecommunication SystemSystem),19961996年年更更名
6、名为为IMT-2000IMT-2000(International International Mobile Mobile Telecommunication-2000Telecommunication-2000),意意即即该该系系统统工工作作在在2000MHz2000MHz频频段段,最最高高业业务务速速率率可可达达2000kbps2000kbps,预预期期在在20002000年年左左右右得得到到商商用用。主主要要体体制制有有WCDMAWCDMA、CDMA2000CDMA2000和和TD-SCDMATD-SCDMA。19991999年年1111月月5 5日日,国国际际电电联联ITU-RTG8/
7、1ITU-RTG8/1第第1818次次会会议议通通过过了了“IMT-2000IMT-2000无无线线接接口口技技术术规规范范”建建议议,其其中中我我国国提提出出的的TD-SCDMATD-SCDMA技技术术写写在在了了第第三三代代无无线线接接口规范建议的口规范建议的IMT-2000 CDMA TDDIMT-2000 CDMA TDD部分中。部分中。移动通信系统v1.2 1.2 1.2 1.2 移动通信特点移动通信特点移动通信特点移动通信特点 电波传播条件复杂电波传播条件复杂 噪声和干扰严重噪声和干扰严重 多卜勒效应多卜勒效应 移动性移动性 系统和网络结构复杂系统和网络结构复杂 频带利用率高、设备
8、性能好频带利用率高、设备性能好 保密性保密性移动通信系统v1.3 1.3 1.3 1.3 移动通信分类移动通信分类移动通信分类移动通信分类 移动通信有以下多种分类方式:移动通信有以下多种分类方式:按使用对象:民用设备和军用设备按使用对象:民用设备和军用设备 按多址方式:按多址方式:FDMAFDMA、TDMATDMA、CDMACDMA 按业务类型:电话网、数据网、综合业务网按业务类型:电话网、数据网、综合业务网 按覆盖范围:宽域网和局域网按覆盖范围:宽域网和局域网 按工作方式:同频单工、异频单工、异频双按工作方式:同频单工、异频单工、异频双 工、半双工工、半双工 按服务范围:专用网和公用网按服务
9、范围:专用网和公用网 按信号形式:模拟网和数字网按信号形式:模拟网和数字网 移动通信系统v1.4 1.4 1.4 1.4 工作方式工作方式工作方式工作方式 无无线线通通信信的的工工作作方方式式可可分分为为单单向向通通信信方方式式和和双双向向通通信信方方式式两两大大类别类别 双双向向通通信信又又分分为为单单工工通通信信方方式式、双双工工通通信信方方式式和和半半双双工工通通信信方方式三种。式三种。移动通信系统 单向通信方式单向通信方式单向通信方式单向通信方式 单向通信方式就是通信双方中的一方只能接收信号,而另一方单向通信方式就是通信双方中的一方只能接收信号,而另一方 只能发送信号,不能互逆。收信方
10、不能对发信方直接进行信息只能发送信号,不能互逆。收信方不能对发信方直接进行信息 反馈。陆地移动通信系统中的无线寻呼系统就采用这种工作方反馈。陆地移动通信系统中的无线寻呼系统就采用这种工作方 式。如式。如BPBP机,只能收信而不能发信。机,只能收信而不能发信。移动通信系统 双向通信方式双向通信方式双向通信方式双向通信方式 (1 1)单工通信方式)单工通信方式 单工通信方式单工通信方式 所所谓谓单单工工通通信信就就是是指指通通信信的的双双方方只只能能交交替替地地进进行行发发信信和和收收信信,不能同时进行不能同时进行 移动通信系统(2 2)双工通信方式)双工通信方式 双工通信方式双工通信方式 所谓双
11、工通信就是指移动通信双方可同时进行发信和收信。所谓双工通信就是指移动通信双方可同时进行发信和收信。移动通信系统(3 3)半双工通信方式)半双工通信方式 半双工通信方式半双工通信方式这种通信方式与双工通信相类似。其中一方使用双频双工通信方式,另一方则使用双频单工方式,发信时要按下“按讲”开关。移动通信系统v1.5 1.5 多址技术多址技术 多址技术即多用户共用公共的通信线路。多址技术即多用户共用公共的通信线路。目目前前有有频频分分多多址址(FDMAFDMA)、时时分分多多址址(TDMATDMA)和和码码分分多多址址(CDMACDMA)三种接入方式。)三种接入方式。各种多址技术各种多址技术 移动通
12、信系统 频分多址(频分多址(频分多址(频分多址(FDMAFDMA)频分多址就是把整个可分配的频谱划分成许多单个无线电信道频分多址就是把整个可分配的频谱划分成许多单个无线电信道 (发射和接收载频对),每个信道可以传输一路话音或控制信(发射和接收载频对),每个信道可以传输一路话音或控制信 息。在系统的控制下,任何一个用户都可以接入这些信道中的息。在系统的控制下,任何一个用户都可以接入这些信道中的 任何一个。任何一个。移动通信系统时分多址(时分多址(TDMA)时分多址是在一个宽带的无线载波上,按时间(或称为时隙)时分多址是在一个宽带的无线载波上,按时间(或称为时隙)划划分分为为若若干干时时分分信信道
13、道,每每一一用用户户占占用用一一个个时时隙隙,只只在在这这一一指指定定的时隙内收(或发)信号。的时隙内收(或发)信号。码分多址(码分多址(CDMA)码码分分多多址址是是一一种种利利用用扩扩频频技技术术所所形形成成的的不不同同的的码码序序列列实实现现的的多多址方式。址方式。移动通信系统移动通信系统v1.6 1.6 蜂窝技术蜂窝技术 移移动动通通信信系系统统是是采采用用一一个个叫叫基基站站的的设设备备来来提提供供无无线线服服务务范范围围的的。基站的覆盖范围有大有小,我们把基站的覆盖范围称之为蜂窝。基站的覆盖范围有大有小,我们把基站的覆盖范围称之为蜂窝。采采用用大大功功率率的的基基站站提提供供比比较
14、较大大面面积积的的服服务务范范围围的的方方式式叫叫做做大大区区制。制。采采用用多多个个小小功功率率的的基基站站提提供供大大容容量量的的服服务务范范围围的的方方式式称称之之为为小小区制或微小区制。区制或微小区制。蜂窝技术是提高频率利用率,扩大系统容量的一种技术。蜂窝技术是提高频率利用率,扩大系统容量的一种技术。移动通信系统频率复用的概念频率复用的概念 频率复用是蜂窝移动无线电系统的核心概念。在频率复用系统频率复用是蜂窝移动无线电系统的核心概念。在频率复用系统 中,处在不同地理位置(不同的小区)上的用户可以同时使用中,处在不同地理位置(不同的小区)上的用户可以同时使用 相同频率的信道。相同频率的信
15、道。频率复用系统若设计得不好则可能会因相同信道公共使用而引频率复用系统若设计得不好则可能会因相同信道公共使用而引 起同道干扰起同道干扰 。移动通信系统频率复用方案频率复用方案 在空间域上的频率复用可分为两大类:在空间域上的频率复用可分为两大类:1 1、两个不同的地理区域里配置相同的频率。、两个不同的地理区域里配置相同的频率。2 2、在一个系统的作用区域内重复使用相同的频率、在一个系统的作用区域内重复使用相同的频率这种方这种方案用于蜂窝系统中。案用于蜂窝系统中。移动通信系统 一个系统中有许多同信道的小区,整个频谱分配被划分为一个系统中有许多同信道的小区,整个频谱分配被划分为K K个个 频率复用的
16、模式,即单位无线区群中小区的个数,如下图所频率复用的模式,即单位无线区群中小区的个数,如下图所 示:示:小区复用方式小区复用方式移动通信系统 频率复用距离频率复用距离频率复用距离频率复用距离 频率复用距离频率复用距离D D由下式确定由下式确定:其中,其中,K K是频率复用模式。则是频率复用模式。则 D=3.46R K=4D=3.46R K=4 D=4.6R K=7D=4.6R K=7移动通信系统v1.6 1.6 1.6 1.6 频段划分频段划分频段划分频段划分 我国移动通信使用频段的规定如下我国移动通信使用频段的规定如下 150 MHz150 MHz:138 MHz138 MHz149.9 M
17、Hz149.9 MHz;150.05 MHz150.05 MHz167 MHz167 MHz(无线(无线寻呼业务)寻呼业务)450 MHz450 MHz:403 MHz403 MHz420 MHz420 MHz;450450470 MHz470 MHz(移动业务)(移动业务)800 MHz800 MHz:806 MHz806 MHz821 MHz821 MHz;851 MHz851 MHz866 MHz866 MHz(集群移动(集群移动通信)通信)825 MHz825 MHz835 MHz835 MHz;870 MHz870 MHz880 MHz880 MHz(蜂窝移动业务)(蜂窝移动业务)9
18、00 MHz900 MHz:885 MHz885 MHz915 MHz915 MHz;930930960 MHz960 MHz(蜂窝移动业务)(蜂窝移动业务)移动通信系统 中国民用蜂窝通信使用的频段具体安排如下:中国民用蜂窝通信使用的频段具体安排如下:中国移动中国移动 GSMGSM:885 MHz885 MHz909 MHz/930 MHz909 MHz/930 MHz954 MHz954 MHz DCSDCS:1710 MHz1710 MHz1725 MHz/1805 MHz1725 MHz/1805 MHz1820 MHz1820 MHz 中国联通中国联通 CDMACDMA:825 MHz
19、825 MHz835 MHz/870 MHz835 MHz/870 MHz880 MHz880 MHz GSMGSM:909 MHz909 MHz915 MHz/954 MHz915 MHz/954 MHz960 MHz960 MHz DCSDCS:1745 MHz1745 MHz1755 MHz/1840 MHz1755 MHz/1840 MHz1850 MHz1850 MHz无线传播理论 vv在规划和建设一个移动通信网时,从频段的确定、频率分配、在规划和建设一个移动通信网时,从频段的确定、频率分配、无线电波的覆盖范围、计算通信概率及系统间的电磁干扰,直无线电波的覆盖范围、计算通信概率及系统
20、间的电磁干扰,直 到最终确定无线设备的参数,都必须依靠对电波传播特性的研到最终确定无线设备的参数,都必须依靠对电波传播特性的研 究、了解和据此进行的场强预测。究、了解和据此进行的场强预测。vv因此,无线传播理论是进行系统工程设计与研究频谱有效利因此,无线传播理论是进行系统工程设计与研究频谱有效利 用、电磁兼容性等课题所必须了解和掌握的基本理论。用、电磁兼容性等课题所必须了解和掌握的基本理论。无线传播理论v1.1.无线传播基本原理无线传播基本原理无线电波通过如下方式从发射天线传播到接收天线:第一种方式即直达波。由于沿直线传播,所以可用于卫星和外部空间通信,如图(a)。另外,这个定义也可用于陆上视
21、距传播(两个微波塔之间),如图(b)。第二种方式即地波或表面波。地波传播可看作是三种情况的综合,即直达波、反射波和表面波。从发射天线发出的一些能量直接到达接收机;有些能量经从地球表面反射后到达接收机;有些通过地球表面到达接收机。这三种的表面波见图(c)。第三种方式即对流层反射波。这种波产生于对流层,对流层是异类介质,由于天气情况而随时间变化。它的反射系数随高度增加而减少。这种缓慢变化的反射系数使电波弯曲,如图(d)。对流层方式应用于波长小于10米(即频率大于30MHz)的无线通信中。无线传播理论第四种方式是经电离层反射传播。当电波波长小于1米(频率大于300MHz)时,电离层是反射体。从电离层
22、反射的电波可能有一个或多个跳跃,如图(e)。这种传播用于长距离通信。另外,电离层中的流星也能散射电波。同对流层一样,电离层也具有连续波动的特性,在这种波动上是随机的快速波动。蜂窝系统的无线传播利用了第二种电波传播方式,即地波传播方式。无线传播理论(a)直达波沿直线传播(b)视距通信的应用(c)地波传播(d)对流层对无线电波的不规则散(e)无线电波通过电离层反射传播无线传播理论在设计蜂窝系统时研究传播有两个原因:第一,它对于计算覆盖不同小区的场强提供必要的工具。因为在大多数情况下覆盖区域从几百米到几十公里,地波传播可以在这种情况下应用。第二,它可计算邻信道和同信道干扰。在蜂窝系统中,至少有两种传
23、播模型:第一种是FCC建议的模型;第二种设计模型由Okumura提供。但覆盖边界应考虑实际经验结果。无线传播理论v2.2.无线传播环境无线传播环境1 1)频段划分介绍)频段划分介绍无线电波分布在3Hz到3000GHz之间,在这个频谱内划分为12个带。在不同的频段内的频率具有不同的传播特性。对于移动通信来讲,我们只关心3003000MHz 的UHF(Ultra High Frequency)的频段。2 2)快衰落与慢衰落)快衰落与慢衰落在UHF频段,从发射机到接收机的电磁波的主要传播模式是散射,即从建筑物平面反射或从人工、自然物体折射。大量传播路径的存在就产生了所谓的多径现象,其合成波的幅度和相
24、位随移动台的运动产生很大的起伏变化,通常把这种现象称为多径衰落或快衰落。另外,移动台接收的信号场强也会随着地区位置改变出现较慢的变化,这种变化称为慢衰落。它是由阴影效应引起的,所以也称作阴影衰落。无线传播理论3 3)传播损耗)传播损耗在研究传播时,特定收信机功率接收的信号电平是一个主要特性。由于传播路径和地形干扰,传播信号减小,这种信号强度减小称为传播损耗。以理想全向天线为例。经推导,自由空间(各向同性,无吸收,电导率为零的均匀介质)的传播损耗为:Lp=32.4+20 lgf(MHz)+20 lgd(km)其中,f为频率,d为距离(公里)。无线传播理论v3.3.无线传播模型无线传播模型 传播模
25、型是非常重要的。传播模型是移动通信网小区规划的基础。模型的价值就是保证了精度,同时节省了人力、费用和时间。在规划某一区域的蜂窝系统之前,选择信号覆盖区的蜂窝站址使其互不干扰,是一个重要的任务。多数模型是预期无线电波传播路径上的路径损耗的。所以传播环境对无线传播模型的建立起关键作用。确定某一特定地区传播环境的主要因素有:自然地形(高山、丘陵、平原、水域等);人工建筑的数量、高度、分布和材料特性;该地区的植被特征;天气状况;自然和人为的电磁噪声状况。另外,无线传播模型还受到系统工作频率和移动台运动状况的影响。无线传播理论在相同地区,工作频率不同,接收信号衰落状况各异;静止的移动台与高速运动的移动台
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