《物联网导论》课件第6章长距离无线通信之移动通信网络.pptx

1、蜂窝网络蜂窝网络 对于同样大小的服务区域，采用正六边形构成小区所需的小区数最少，无重叠区，故所需的频率组数也最少，最经济。仅有理论分析和设计意义。把移动电话的服务区分为一个个正六边形的子区，每个小区设一个基站。形成了形状酷似“蜂窝”的结构，因而把这种移动通信方式称为蜂窝移动通信方式。应用原因 蜂窝网络被广泛采用的原因是源于一个数学结论，即以相同半径的圆形覆盖平面,当圆心处于正六边形网格的各正六边形中心，也就是当圆心处于正三角网格的格点时所用圆的数量最少。虽然使用最少个结点可以覆盖最大面积的图形即使要求结点在一个如同晶格般有平移特性的网格上也仍是有待求解的未知问题，但在通讯中，使用圆形来表述实践

2、要求通常是合理的，因此出于节约设备构建成本的考虑，正三角网格或者也称为简单六角网格是最好的选择。这样形成的网络覆盖在一起，形状非常象蜂窝，因此被称作蜂窝网络。大区制 在一个服务区域（如一个城市）内只有一个基站，并由它负责移动通信的联络和控制。大区制移动通信网BSMS1MS3MS2 早期的移动通信网一般是大区制 主要特点：基站天线很高，几十几百米 基站发射功率大：50200W 覆盖半径：3050km 优点：网络结构简单，成本低 缺点：频谱利用率低，服务性能差，容量小，一般用户几十几百个，一般用于专网。提高覆盖半径是大区制需解决的问题 决定覆盖半径的因素：地球的曲率限制了传输的极限范围 地形环境影

3、响，信号传播可能产生盲区 多径反射限制了传输距离 移动台发射功率小，上行信号传输距离有限（上下行传输增益差可达612dB）解决上行问题的办法：如图,设置分集接收台 基站发射用全向天线，接收用定向天线 提高基站接收灵敏度 大区制设置分集接收台示意图MS1MS2BSRdRdRd 小区制网构成方式基本概念 小区制：利用频率复用的概念，将整个服务区域划分成若干个小区，每个小区分别设置一个低发射功率的基站，负责本小区的通信。频率复用：N个相邻的小区组成一个区群(簇)将可供使用的频道划分成N组 区群内的每个小区使用不同的频率组 相邻区群重复使用相同的频率组分配模式 基本小区有：（r0：小区半径）超小区：r

4、0 20km（农村）宏小区：r0 120km（人口稠密地区）微小区：r0 0.11km（城市繁华区）微微小区：r0 0.1km（办公室、家庭）优点：提高频率利用率，组网灵活 缺点：网络构成复杂 按服务区形状分：条状服务区、面状服务区 用户的分布呈条状（或带状），如铁路、公路、沿海水域等。小区 条状服务区条状服务区条状服务区A1f B2f AB1f 2f AB1f 2f ABC3f 1f 2f ABC1f 2f 3f ABCDABCD1f 1f 2f 2f 3f 3f 4f 4f 可采用多个频率复用 二频复用 三频复用 四频复用组网时需确定重叠区及载波/同频干扰比：重叠区重叠区太大，越区干扰大重

5、叠区小，弱电场区可能多。f1ABf2af1ABf2a面状服务区面状服务区 指服务区不呈条状而是一个宽广的平面 小区形状：应该是规则结构：圆形（全向天线），三角形，正方形，六边形r 按基站对小区的覆盖方式：中心激励：基站位于小区中心，有时会有辐射阴影。顶点激励：在顶点上设置基站，并采用三个互成120的定向天线，以避免辐射阴影。簇（区群）：共同使用全部可用频率的N个小区叫做一簇(区群)）若N越小，则系统中区群复制得越多，系统容量越大，频率的利用率越高。N叫做区群的大小，典型值3、4、7、9、12、构成蜂窝网的二次几何图形 设蜂窝移动系统共有S个不同的双向信道 其簇的大小为N 簇内每个小区分配有K个

6、信道，小区间信道分配各不相同 簇在系统中复制M次 则 S=KN C=MKN=MSAAABCCCBBBCA 簇内同频小区位置的确定 沿着任意一条六边形边的垂线方向移动a个小区，并逆时针方向旋转60，再移动b个小区。图 2.3 确定同频小区的方法AaADb常见正六边形小区群的图案ACBN=3,a=1,b=1DACBN=4,a=0,b=2N=7,a=1,b=2DCBAEFG1G-模拟蜂窝移动技术模拟蜂窝移动技术1946年 移动电话服务在美国出现1947年 贝尔实验室提出蜂窝移动概念50至60年代 贝尔实验室发展了蜂窝无线电话原理美国 AMPS，英国TACS，北欧NMT 1981(Nokia/Mobi

7、ra,Erricson)1987年TACS进入中国运营2001年12月31日我国关闭模拟移动网络出身多址方式：FDMA无数据传输能力特点频分多址FDMA（Frequency Division Multiple Access/Address），有许多不同技术可以用来实现信道共享。把信道频带分割为若干更窄的互不相交的频带（称为子频带），把每个子频带分给一个用户专用（称为地址）。这种技术被称为“频分多址”技术。频分复用（FDM）是指载波带宽被划分为多种不同频带的子信道，每个子信道可以并行传送一路信号的一种技术。频分复用技术下，多个用户可以共享一个物理通信信道，该过程即为频分多址复用（FDMA）。FD

8、MA 模拟传输是效率最低的网络，这主要体现在模拟信道每次只能供一个用户使用，使得带宽得不到充分利用。第一代移动通信技术（1G）是指最初的模拟、仅限语音的蜂窝电话标准，制定于上世纪80年代。Nordic移动电话（NMT）就是这样一种标准，应用于Nordic国家、东欧以及俄罗斯。其它还包括美国的高级移动电话系统（AMPS），英国的总访问通信系统（TACS）以及日本的JTAGS，西德的 C-Netz，法国的Radiocom 2000和意大利的RTMI。模拟蜂窝服务在许多地方正被逐步淘汰。第一代移动通信主要采用的是模拟技术和频分多址(FDMA)技术。由于受到传输带宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游，

9、只能是一种区域性的移动通信系统。第一代移动通信有多种制式，我国主要采用的是TACS。第一代移动通信有很多不足之处，如容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务和不能提供自动漫游等。2G-数字蜂窝移动技术数字蜂窝移动技术 全球移动通讯系统Global System of Mobile communication就是众所周知的GSM，是当前应用最为广泛的移动电话标准。全球超过200个国家和地区超过10亿人正在使用GSM电话。GSM标准的无处不在使得在移动电话运营商之间签署漫游协定后用户的国际漫游变得很平常。GSM 较之它以前的标准最大的不同是他的信令和语音信道都是数字式

10、的，因此GSM被看作是第二代(2G)移动电话系统。这说明数字通讯从很早就已经构建到系统中。GSM是一个当前由3GPP开发的开放标准。蜂窝无线通信系统蜂窝无线通信系统 蜂窝概念是解决频率不足和用户容量问题的一个重大突破，是一种系统级的概念。频率复用 越区切换 信道分配 干扰 小区分裂 GSMGSM的系统构成的系统构成 GSMGSM的系统构成的系统构成 交换分系统（交换分系统（MSSMSS）基站分系统（基站分系统（BSSBSS）移动台（移动台（MSMS）操作与维护分系统（操作与维护分系统（OMSOMS）GSMGSM系统的网络结构系统的网络结构 GSMGSM系统的无线传输标准系统的无线传输标准无线通

11、道信号传输的规范就是所谓的无线接口（Radio Interface），又称Um接口。GSM的传输包括连接移动用户的无线传输技术，以及连接交换网络的有线传输技术。GSM系统将无线频率定在900MHz范围，第二阶段DCS为1800MHz。频段：上行线路 MS发，BTS收的频段为890915MHz；下行线路 BTS发，MS收的频段为935960MHz；频带宽度：25MHz；上下行频率间隔：45MHz；载频间隔：200KHz；通信方式：全双工；信道分配：每载频8个时隙，包含8个全速信道，16个半速信道；每个时隙的信道速率：22.8kbit/s；信道总速率：270kbit/s；调制方式：GMSK，高斯滤

12、波最小频移键控；接入方式：TDMA；话音编码：规则脉冲激励线性预测编码RPELPC 13kbit/s；分集接收：跳频每秒217跳，交错信道编码，自适应均衡。GSM系统的无线传输 语音传输 GSM内部的传输语音传输语音传输2.5G-GPRSGPRS是通用分组无线业务的简称，是在GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，目白是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS采用与GSM同样的无线调制标准、频带、突发结构、跳频规则以及同样的TDMA帧结构。GPRS允许用户在端到端分组模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。和GSM通信网络相比

13、，技术特点如：1、资源利用率高；2、传输速率高（64-128Kbps）；3、接入时间短；4、支持IP协议和X.25 协议；5、低成本，以通信的数据量为主要依据进行计费；GPRS经常被描述成“2.5G”，也就是说这项技术位于第二代（2G）和第三代（3G）移动通讯技术之间。它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递。GPRS突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相当可观。而且，因为不再需要现行无线应用所需要的中介转换器，所以连接及传输都会更方便容易。如此

14、，使用者既可联机上网，参加视讯会议等互动传播，而且在同一个视讯网络上（VRN）的使用者，甚至可以无需通过拨号上网，而持续与网络连接。GPRS分组交换的通信方式在分组交换的通信方式中，数据被分成一定长度的包（分组），每个包的前面有一个分组头（其中的地址标志指明该分组发往何处）。数据传送之前并不需要预先分配信道，建立连接。而是在每一个数据包到达时，根据数据报头中的信息（如目的地址），临时寻找一个可用的信道资源将该数据报发送出去。在这种传送方式中，数据的发送和接收方同信道之间没有固定的占用关系，信道资源可以看作是由所有的用户共享使用。由于数据业务在绝大多数情况下都表现出一种突发性的业务特点，对信道带

15、宽的需求变化较大，因此采用分组方式进行数据传送将能够更好地利用信道资源。GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。GPS起始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用。20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS。主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。GPS3G第三代移动通信技术，是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送

16、声音及数据信息，速率一般在几百kbps以上。3G是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统，目前3G存在四种标准：CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA。1940年，美国女演员海蒂拉玛和她的作曲家丈夫提出一个Spectrum（频谱）的技术概念，这个被称为“展布频谱技术”（也称码分扩频技术）的技术理论在此后带给了我们这个世界不可思议的变化，就是这个技术理论最终演变成我们今天的3G技术，展布频谱技术就是3G技术的根本基础原理。海蒂.拉玛最初研究这个技术是为了帮助美国军方制造出能够对付纳粹德国的电波干扰或防窃听的军事通讯系统，因此这个技术最初的作用是用于军事。二战结束后因

17、为暂时失去了价值，美国军方封存了这项技术，但它的概念已使很多国家对此产生了兴趣，多国在60年代都对此技术展开了研究，但进展不大。直到1985年，在美国的圣迭戈成立了一个名为“高通”的小公司（现成为世界五百强），这个公司利用美国军方解禁的“展布频谱技术”开发出一个被名为“CDMA”的新通讯技术，就是这个CDMA技术直接导致了3G的诞生。世界3G技术的3大标准.美国CDMA2000，欧洲WCDMA，中国TD-SCDMA，都是在CDMA的技术基础上开发出来的，CDMA就是3G的根本基础原理，而展布频谱技术就是CDMA的基础原理。TD-SCDMA TD-SCDMA(时分同步码分多址):是由我国信息产业

18、部电信科学技术研究院提出，与德国西门子公司联合开发。它采用tdd双工模式，载波带宽为1.6mhz。tdd是一种优越的双工模式，因为在第三代移动通信中，需要大约400mhz的频谱资源，在3Ghz以下是很难实现的。而tdd则能使用各种频率资源，不需要成对的频率，能节省未来紧张的频率资源，而且设备成本相对比较低，比fdd系统低20%-50%，特别对上下行不对称，不同传输速率的数据业务来说tdd更能显示出其优越性。也许这也是它能成为三种标准之一的重要原因。另外，td-scdma独特的智能天线技术，能大大提高系统的容量，特别对cdma系统的容量能增加50%，而且降低了基站的发射功率，减少了干扰。td-s

19、cdma软件无线技术能利用软件修改硬件，在设计、测试方面非常方便，不同系统间的兼容性也易于实现。当然td-scdma也存在一些缺陷，它在技术的成熟性方面比另外两种技术要欠缺一等。因此，信息产业部也广纳合作伙伴一起完善它。另外它在抗快衰落和终端用户的移动速度方面也有一定缺陷。WCDMA WCDMA（宽带码分多址）是一种3G蜂窝网络。WCDMA使用的部分协议与2G GSM 标准一致。具体一点来说，WCDMA是一种利用码分多址复用（或者CDMA 通用 复用技术，不是指CDMA标准）方法的宽带扩频3G移动通信空中接口。wcdma采用直扩（ds）模式，载波带宽为5mhz，数据传送可达到每秒2mbit（室

20、内）及384kbps（移动空间）。它采用mc fdd双工模式，与gsm网络有良好的兼容性和互操作性。作为一项新技术，它在技术成熟性方面不及cdma2000，但其优势在于gsm的广泛采用能为其升级带来方便。因此，近段时间也倍受各大厂商的青睐。wcdma采用最新的异步传输模式（atm）微信元传输协议，能够允许在一条线路上传送更多的语音呼叫，呼叫数由现在的30个提高到300个，在人口密集的地区线路将不再容易堵塞。另外，wcdma还采用了自适应天线和微小区技术，大大地提高了系统的容量。cdma2000 cdma2000是由美国高通（qualcomm）公司提出。它采用多载波（mc）方式，载波带宽为1.2

21、5mhz。cdma2000共分为两个阶段:第一阶段将提供每秒144kbit/s的数据传送率，而当数据速度加快到每秒2mbit/s传送时，便是第二阶段。到时，和wcdma一样支持移动多媒体服务，是cdma发展3g的最终目标。cdma2000和wcdma在原理上没有本质的区别，都起源于cdma（is-95）系统技术。但cdma2000做到了对cdma（is-95）系统的完全兼容，为技术的延续性带来了明显的好处:成熟性和可靠性比较有保障，同时也使cdma2000成为从第二代向第三代移动通信过渡最平滑的选择。但是cdma2000的多载传输方式比起wcdma的直扩模式相比，对频率资源有极大的浪费，而且它

22、所处的频段与imt-2000规定的频段也产生了矛盾。3G中国 3G中国包括行业、企业、产品、服务和贸易功能等，是企业在3G网络上实现wap网站建设、行业新媒体传播、移动商务运营、无线及时沟通的集成型系统服务平台，其行业整合的推广理念和3G网络无线通讯的全新营销模式，形成一个的3G无线信息网络。中国已经成为全球最大的移动通信消费国，2008年中国移动通信用户已经超过6亿，手机新闻、手机博客、手机收发邮件等一系列移动互联网的新发展得到普及，然而这一切都仅仅被应用于个人，移动商务的应用需求越来越迫切，让企业通过移动互联网实现企业与用户之间的信息互动，并由此开展深层次、全方位应用是今天企业的最大需求，

23、伴随工业和信息化部的成立，“3G中国”的启动成为下一步“以信息化带动工业化”的重要举措。指引4G体验4G是第四代移动通信及其技术的简称，是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。4G系统能够以100Mbps的速度下载，比拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到20Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。4G标准目前提交的4G标准共有6个技术提案，分别来自北美标准化组织IEEE的802.16m、日本（两项分别基于LTE-A和802.16m、3GPP的L

24、TE-A）、韩国（基于802.16m）和中国（TD-LTE-Advanced）、欧洲标准化组织3GPP（LTE-A）。LTE-Advanced和802.16m分别获得了不同厂家和阵营的支持。其中，LTE-Advanced得到国际通信运营企业和制造企业的支持。法国电信、德国电信、美国AT&T、日本NTT、韩国KT、中国移动、爱立信、诺基亚、华为、中兴等明确表态支持LTE-Advanced。2008年，高通也宣布放弃CDMAUMB的开发，转向LTE。通信速度更快网络频谱更宽通信更加灵活智能性能更高兼容性能更平滑提供各种增值服务实现高质量通信频率使用效率更高通信费用更加便宜优势劣势标准难以统一技术难

25、以实现容量受到限制市场难以消化设施难以更新其他相关困难4G网络的优、劣势分析52诺西打通第一个准4G2009年5月18电信设备商诺基亚-西门子通过下一代移动通讯技术打了世界上第一个LTE电话。全球首个正式商用4G网络2010年 北欧TeliaSonera率先完成了4G网络的建设，并于宣布开始在瑞典首都斯德哥尔摩、挪威首都奥斯陆提供4G服务，这也是全球正式商用的第一个4G网络。日本在2009年就把4G牌照分发给日本几大移动运营商NTT Docomo、软银移动、KDDI和e-Mobile公司。按照日本政府的计划，5年后LTE将覆盖日本50%的人口。欧洲英国和法国正计划4G LTE无线网络的实验测试

26、。而且法国已经完成价值12.6亿美元的首批4G牌照拍卖。53美国4G发展状况国际上4G的发展以美国最为快速，看看这美国4G试点的分布图，涵盖了重点发达城市。54世界首款4G手机Sprint Nextel Corp.2010年3月23日，周二正式发布美国首款超高速手机，随后又发布世界上第一款WiMAX 4G的Android系统手机HTC EVO 4G。现在很多国家推出了许多4G手机，如：截至2012年3月，全球81个国家的运营商共投入242张LTE网络的建设。其中，已经商用的LTE网络达到了57个。预计到2012年底，实现商用的LTE网络将达到128个，LTE用户数达到670万户。目前，来自63

27、个终端制造商推出的支持LTE的终端类型达到347款，这些终端包括了智能手机、平板电脑、上网卡等，比上年同期增长72%。HTC苹果iPhone 摩托罗拉XT910三星55TD-LTE是TD-SCDMA的后续演进技术，继承了TD-SCDMA系统大量中国自主知识产权，实现了以我为主而又融入了国际标准。在中国政府的大力支持下，以中国移动为代表的中国企业在TD-SCDMA标准化、产业化、规模部署经验的基础上，主导了TD-LTE的标准化和产业化发展。562010年底，工信部宣布正式开展TD-LTE试验网规模试验，将在上海、北京等7个城市建设TD-LTE规模试验网，作为我国通信产业重要的研发创新基地。目前为

28、止，在中国开通4G高速体验的城市已有了五个，分别是：广州、深圳、南京、北京和杭州。这表明中国4G技术TD-LTE正在国内进行大规模的网络建设。57视频通话/在线视频：高速网络将支持人们实时面对面通话，同样高速网络将支持人们上传下载高清视频。云（计算）服务：高速便捷的在线存储的数据和应用，云服务对于移动用户来说在可靠性，功能性和安全性方面都会有显著的改善。在线游戏：无时无刻基于4G网络的在线游戏对于游戏热衷者来说是一种莫大的诱惑，对于普通手机用户而言也是打发碎片时间的好方法。区域社交服务：社交永远是热门的应用，基于4G网络的区域内近距离社交，可视频可音频，可发送视频或照片，给社交带来便捷的方式。

29、手机导航定位：更精确的定位，更清晰的街角图片，更丰富的美食、娱乐推荐。584.2 4G在国内外未来发展与全球发展趋势一样，在技术上将向高速率化、宽带化、IP化方向发展；网络不断向4G演进，网络将更稳定，更快速；对比韩、日的成功经验，4G数据业务在中国的发展具有强劲的用户基础，未来发展前景明确，预计运营商未来几年增值业务(数据业务)收入占比将快速增长；3G和4G网络将长期共存，尤其在发展初期，3G/4G双模手机将成为重要过渡产品；五年内，4G用户发展将进入高峰期，3G用户向4G用户迁移的高峰期也将出现，预计十年内将有一半的移动用户成为4G用户；中国4G的发展将极大地推动全球4G的发展。4G通信技

30、术并没有脱离以前的通信技术，而是以传统通信技术为基础，并利用了一些新的通信技术，来不断提高无线通信的网络效率和功能的。如果说3G能为人们提供一个高速传输的无线通信环境的话，那么4G通信会是一种超高速无线网络，一种不需要电缆的信息超级高速公路，这种新网络可使电话用户以无线及三维空间虚拟实境连线。与传统的通信技术相比，4G通信技术最明显的优势在于通话质量及数据通信速度。然而，在通话品质方面，移动电话消费者还是能接受的。随着技术的发展与应用，现有移动电话网中手机的通话质量还在进一步提高。展望5G未来 在这个3G才逐渐开始普及的时代，对于普通大众而言，5G还是一个很陌生的概念，也许你才刚刚适应4G的说

31、法，但5G真的已经来了。虽然5G目前并没有一个统一的概念，但对普通用户而言，5G技术将会让移动用户享受到与目前家庭光纤网络类似的无线上网体验。这意味着用户几乎不受限制地传输大量数据文件，瞬间即可完成一部高清电影的下载，在线视频、3D电影和游戏等高带宽的应用也变得畅通无阻。韩国三星电子宣布，该公司在研发第五代移动通信技术(5G)方面已取得突破性进展，最终可允许用户一秒钟内下载一整部高清电影。不过，该公司同时预计，全球运营商想要开始启用这项技术，还需等待几年的时间。三星电子说，该公司采用一种毫米波的技术，测试人员用64个天线组(用于确认客户端的位置并交换信号)，克服“(高频段)不利传播难题”，在两

32、公里多距离内，每秒钟传输超过千兆字节数据。这家电子行业巨头在一份声明中，这项新技术将提供比现有4G网络“快达数百倍”的传输速度，允许用户“几乎不受限制地传输大量数据文件，包括高质量数字电影。用户能享受到诸如3D电影和游戏、实时流的超高清内容，以及远程医疗服务。”通过5G网络，一些对可靠性要求非常高的应用，如高速移动车辆之间的通信、移动医疗等都可以得到实现。在家庭生活中，因为有了5G网络，便可实现通过各种移动终端操控整个家庭网络，这无疑把人类社会彻底带入网络社会，实现万物互联。虽然现在各个组织对于5G的研究都还处于非常早期的阶段，但从其高涨的热情可以看到，5G研究已开启大幕。随着相关架构、基本原理、核心技术等基础理论的研究完毕，相关技术也将进入系统优化、标准化、测试试验的阶段，实现试商用，最终实现规模商用，到那时候，万物互联也将成为现实。