《计算机数据通信教程》课件第11章 移动通信.ppt

1、第第11章章 移动通信移动通信 11.1 移动通信概述移动通信概述11.2 移动通信的组网技术移动通信的组网技术11.3 泛欧数字蜂窝系统泛欧数字蜂窝系统 11.4 CDMA数字蜂窝通信数字蜂窝通信 11.5 个人通信系统个人通信系统习题习题 11.1 移动通信概述移动通信概述纵观移动通信的发展历史，当代移动通信可分为三个阶段：(1)第一代移动通信以模拟调频、频分多址为主体技术，包括以蜂窝网系统为代表的公用移动通信系统、以集群系统为代表的专用移动通信系统以及无绳电话。(2)第二代移动通信以数字传输、时分多址和码分多址为主体技术，简称数字移动通信。包括数字蜂窝系统、数字无绳电话系统和数字集群系统

2、等。(3)第三代移动通信以世界范围内的个人通信为目标。BAA：访问位置寄存器B：移动交换中心PSTN公共电话交换网基站BA图11-1 个人通信业务系统PCS结构简图11.1.1 移动通信的特点移动通信具有以下几个特点：(1)移动通信必须利用无线电波进行信息传输。(2)移动通信是在复杂的干扰环境中运行的。(3)移动通信可以利用的频谱资源非常有限，而移动通信业务量的需求却与日俱增。(4)移动通信系统的网络结构多种多样，网络管理和控制必须有效。(5)移动通信设备(主要是移动台)必须适于在移动环境中使用。11.1.2 移动通信的网络结构移动通信网络是由移动台、基站、移动交换中心以及外部网络组成的，如图

3、11-2所示。基站移动交换中心外部有线网移动台移动台图11-2 移动通信的网络结构现代移动台结构包括一个RF收发信机和一个数字系统，如图11-3所示。扬声器接收机RF收发信机数字系统麦克风用户界面发射机MCUDSP图11-3 移动台结构 基站将无线电信号转换成有线网络可读的数据分组和信令消息，然后将这些信息传送给移动交换中心。移动交换中心根据信令消息为数据分组确定路由，通常不产生消息。有时，移动交换中心可能需要发送询问来寻找无线用户或者本地便携号码(800-与888-号码)。外部网络提供连接移动交换中心的通信干线。它为数据分组确定路由，为认证掩蔽消息，确认路由的完整性，并转换协议。外部网络也可

4、以作为通向不同网络的网关。移动交换中心和外部网络是信号传送点，具有指示网络故障和监管话费清单的测量能力。网络具有冗余度，允许绕过故障结点再选路由。网络还包括与计算机接口和提供数据库接入的业务控制点。11.1.3 常用的移动通信系统1无线电寻呼系统无线寻呼系统是一种单向通信系统。无线电寻呼系统的用户设备是袖珍式接收机，俗称“BB机”，这是由于它的振铃声近似于“BB”声音之故。图11-4显示了无线电寻呼系统的组成。公用电话网用户回路无线电寻呼控制中心及主发射台发射台发射台 图11-4 无线电寻呼系统示意图2蜂窝移动通信系统蜂窝通信网络把整个服务区域划分成若干个较小的区域(Cell，在蜂窝系统中被称

5、为小区)，各小区均用小功率的发射机(即基站发射机)进行覆盖，各个小区像蜂窝一样能布满任意形状的服务地区，如图11-5所示。(a)(b)图11-5 大区覆盖与小区覆盖(a)小区覆盖；(b)小区覆盖 通常，相邻小区不允许使用相同的频道，否则会发生相互干扰(称通道干扰)，但由于各小区在通信时所使用的功率较小，因而任意两个小区只要相互之间的空间距离大于某一数值，即使使用相同的频率，也不会产生显著的通道干扰。当移动用户在蜂窝服务区域中快速移动时，用户之间的通话常常不会在一个小区中结束。3无绳电话系统简单的无绳电话机是把普通的电话单机分成座机和手机两部分。座机与有线电话网连接，手机与座机之间用无线电连接，

6、这样，携带手机的用户即可在一定范围内自由活动时进行通话。手机和座机之间不需要用电线连接，故称之为“无绳”电话机。随着通信技术的发展，无绳电话也朝着网络化的方向发展。无绳电话的座机、手机与电信点所发射的功率均在10mV以下，无绳覆盖半径约在100m左右。4移动卫星通信系统利用卫星中继，在海上、空中和地形复杂而人口稀疏的地区中实现移动通信，具有独特的优越性，因此很早就引起人们的重视。为了使地面用户只借助手机即可实现卫星移动通信，许多人都把注意力集中到中、低轨道卫星移动通信系统上。卫星使用L波段与地面站通信，而卫星间通信则使用Ka波段(见表11-1)。大气条件会给卫星与地面的通信带来干扰，但大气上层

7、情况将有所改善。表11-1 卫星频率波段 波 段 上行频率/GHz 下行频率/GHz L C Ku Ka 1.64651.66 5.9256.425 14.014.5 27.530.5 1.5451.5585 3.74.2 11.712.2 17.721.7 11.1.4 移动通信的标准化1无线电标准化组织1)国际无线电标准化组织其中，部分机构职能如下：(1)国际频率登记局(IFRB)的职责有二，一是管理带国际性的频率分配，二是组织世界管理无线电会议(WARCs)。(2)国际无线电咨询委员会(CCIR)为ITU提供无线电标准的建议，研究的内容着重于无线电频谱利用技术和网间兼容的性能标准和系统特

8、性。(3)国际电话电报咨询委员会(CCITT)开发设备建议，如在有线电信网络中工作的数据Modem，还通过其不同的研究小组开发了许多与移动通信有关的建议，如编号规划、位置登记程序和信令协议等。1993年3月1日，国际电信联盟进行过一次组织调整。调整后的ITU分为三个组：(1)无线通信组(以前的CCIR和IFRB)；(2)电信标准化组(以前的CCITT)；(3)电信开发组(BDT)。2)欧洲共同体(EC)的通信标准化组织欧洲邮电管理协会(CEPT)曾经是欧洲通信设施的主要标准化组织。基本任务是协调欧洲的电信管理和支持CCITT和CCIR的标准化活动。近年来，CEPT在这方面的职责已越来越多地被欧

9、洲共同体管理下的其它标准化组织所取代。3)北美地区的通信标准化组织在美国负责移动通信标准化的组织是电子工业协会(EIA)及其分支机构电信工业协会(TIA)。此外，还有一个蜂窝电信工业协会(CTIA)。2移动通信标准高效率地使用无线频谱和众多用户共享有限资源是至关重要的，这就需要通过使用频率、时间或正交码来分割用户的多址接入方案来实现，如图11-6所示。A(f)f1信道t1时间f2f3fA(f)信道ft2t3t4fc信道A(f)f(a)(b)(c)图11-6 多址接入方式(a)频分多址；(b)时分多址；(c)码分多址系统将无线频谱分割成频道，并且直接分配这些频道，这种方法称为频分多址(FDMA)

10、。频率分配的策略是使不同小区的用户之间的干扰最小。这种干扰是由超过应有的覆盖区域进入相临小区的发射信号引起的。为了限制干扰，频道通常基于频率再用模式进行配置，如图11-7所示。基本模式同频小区间隔BEDAGCFBEDA图11-7 七小区再用模式表11-2 几种移动通信标准的比较 标 准 AMPS GSM NADC PHS CDMA IS95 Tx/MHz 824849 880915 824849 824849 Rx/MHz 869894 925960 869894 869894 Tx/MHz 17101785 18501910 18951907 18501910 Rx/MHz 18051885

11、 19301990 18951907 19301990 多址接入方式 FDMA F/TDMA F/TDMA F/TDMA F/CDMA 信道间隔/Hz 30 k 200 k 30 k 300 k 1.25 M 调制 FM GMSK/4QPSK/4QPSK QPSK 最大发射功率 1 W 600 mW 80 mW 200 mW 比特速率 NA 13 kb/s 8 kb/s 32 kb/s 18 kb/s 每载波话音数 1 8 3 4 28 用户数(10 MHz 频谱)47 56 142 19 224 11.2 移动通信的组网技术移动通信的组网技术1网络结构图11-8给出的例子，说明了数字蜂窝通信

12、系统的网络结构，其组成部分为：移动交换中心(MSC)，基站分系统(BSS)(含基站控制器(BSC)、基站收发信台(BTS)，移动台(MS)，归属位置寄存器(HLR)，访问位置寄存器(VLR)，设备标志寄存器(EIR)，认证中心(AUC)和操作维护中心(OMC)。网络还通过移动交换中心与公共交换电话网(PSTN)、综合业务数字网(ISDN)以及公共数据网(PDN)相连接。固定网PDNPSTNISDNBSSMSBTSMSBSCEIRMSCMSCOMCVLRHLRAUC图11-8 数字蜂窝通信系统的网络结构 2网络接口在诸多接口中，无线接口(也称MSBS接口)是最重要的接口之一，因为移动通信网络是靠

13、此接口实现移动台与基站之间的无线传输的，它对移动环境中的通信质量和可靠性具有重要的影响。数字移动通信的无线接口也采用OSI(开放系统互连参考模型)的概念来规定其协议模型。这种模型分为三层，如图11-9所示。连接管理(CM)移动管理(MM)无线资源管理(RRM)数据链路层 物理层L1L2L3图11-9 无线接口协议模型第一层是物理层。它为高层信息传输提供无线信道，能支持在物理介质上传输信息所需要的全部功能，如频率配置、信道划分、传输定时、比特或时隙同步、功率设定以及调制和解调等等。第二层是数据链路层。它向第三层提供服务，并接受第一层的服务。其主要功能是为网络层提供必要的数据传输结构，并对数据传输

14、进行控制。第三层是网络层。它的主要功能是管理链路连接、控制呼叫过程、支持附加业务和短消息业务，以及进行移动管理和无线资源管理等。网络层包括连接管理(CM)、移动管理(MM)和无线资源管理(RRM)三个层次。3网络的控制和管理无论何时，当某个移动用户呼叫另一个移动用户或有线用户时，或者一个有线用户呼叫另一个移动用户时，移动通信网络就要按照预定的程序开始运转，这一过程会涉及到网络的各个功能部件，包括基站、移动台、移动交换中心、各种数据库以及网络的各个接口等。网络要为用户呼叫配置所需的控制信道和业务信道，指定和控制发射机的功率，进行设备和用户的识别和鉴权，完成无线链路和地面线路的连接和交换，最终在主

15、呼用户和被呼用户之间建立起通信链路，提供通信服务。这一过程称为呼叫接续过程，是移动通信系统的连接控制(管理)功能。当移动用户从一个位置区漫游到另一个位置区时，网络中的有关位置寄存器要随之对移动台的位置信息进行登记、修改和删除。如果移动台是在通信过程中越区，网络要在不影响用户通信的情况下，控制该移动台进行越区切换，其中包括判定新的服务基台、指配新的频率和信道以及更换原有地面线路等程序。这种功能是移动通信系统的移动管理功能。在移动通信网络中，重要的管理功能还有无线资源管理。无线资源管理的目标是在保证质量的条件下，尽可能提高通信系统的频谱利用率和通信容量。为了适应传播环境、网络结构和通信路由的变化，

16、有效的办法是采用动态信道分配(DCA)法，即根据用户周围的业务分布和干扰状态，选择最佳的(无冲突或干扰最小)信道，分配给通信用户使用。11.3 泛欧数字蜂窝系统泛欧数字蜂窝系统 11.3.1 移动通信系统的开发背景1.第一代系统的开发背景在美国的移动通信发展的同时，世界上其它国家的移动通信也在不断进步。日本在1979年开办了一个商用的AMPS系统。紧跟美国、日本和欧洲各国之后，其它很多国家的移动通信也很快发展起来，从而使移动通信业务在全球范围内迅速扩展开来。第一代系统所取得的成功超乎任何人的想象。但是在客观上，第一代系统的成功同时也暴露了各种系统普遍存在的一个缺点，即系统的容量有限。2.第二代

17、系统的开发背景第二代移动通信系统带来的进步主要表现在以下几个方面：(1)比模拟系统具有更大的容量；(2)用于基本设施的耗费降低；(3)平均到每个用户身上的花费降低；(4)服务种类增加；(5)保密性增强。11.3.2 GSM系统开发背景虽然NMT直到1981年才引入欧洲，其时间并不算早，但是欧洲人很快就认识到需要在整个欧洲范围内建立一个泛欧数字移动通信系统。第一个GSM网络建立于1991年。随后，在1992年又建立了几个GSM网络，并且很快在不同的网络之间实现国际漫游。GSM开发过程的一个重要的目标就是提供欧洲各国蜂窝业务的兼容性。GSM是一项革命性的技术，它结合了时分多址(TDMA)和频分多址

18、(FDMA)。GSM的开发过程与AMPS类似，但没有实施大规模的试验。所有供应商都免除了GSM无线系统的知识产权，使得GSM非常流行。11.4 CDMA数字蜂窝通信数字蜂窝通信 11.4.1 CDMA数字蜂窝通信技术原理码分多址(CDMA,Code Division Multiple Access)是以扩频信号为基础，利用不同码型实现不同用户的信息传输。1扩频的概念扩频通信是一种二次调制技术。在典型的扩频通信系统中，消息信号首先被传统的幅度、频率或相位调制技术所调制。然后，用一种伪随机噪声(PN)信号将已调波形扩展到相对宽的频带上。PN信号可以对消息波形进行幅度调制以产生直接序列扩频信号，或者

19、跳变消息信号的载波频率来产生调频扩展，如图11-10所示。R频率W频率R频率A(f)A(f)A(f)(a)(b)(c)fcWfc图11-10 扩频信号(a)消息信号；(b)直接序列信号；(c)跳频信号 直接序列扩频信号由消息信号d(t)与伪随机噪声pn(t)相乘得出：大多数情况下，PN信号是一种高速率的非归零(NRZ)伪随机序列，它将已调信号波形切成码片，如图11-11所示。)()()(tdtpntgBPSK调制波型P N序列扩展数据111111图11-11 直接序列扩频信号 2码分多址的特征在CDMA通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分的，而是用各不相同的编码

20、序列来区分的。换句话说，是靠信号的不同波形来区分的。如果从频域或时域来观察，多个CDMA信号是重叠的，接收机用相关器可以在多个CDMA信号中选出其中使用预定码型的信号。在CDMA蜂窝通信系统中，用户之间的信息传输也是通过基站进行转发和控制的。为了实现双工通信，正向传输和反向传输各使用一个频率，即通常所谓的频分双工(FDD)。无论正向传输或反向传输，除去传输业务信息外，还必须传输相应的控制信息。为了传输不同的信息，需要设置不同的信道。但是，CDMA通信系统既不分频道又不分时隙，无论传输何种信息的信道都靠采用不同的码型来区分。11.4.2 CDMA数字蜂窝通信系统的特点CDMA数字蜂窝通信系统有以

21、下主要特点：(1)根据理论分析，CDMA蜂窝系统与模拟蜂窝系统或TDMA数字蜂窝系统相比较具有更大的通信容量。(2)CDMA蜂窝系统的全部用户共享一个无线信道，用户信号的区分只靠所用码型的不同来识别，因此当蜂窝系统的负荷满载时，另外增加少数用户，只会引起语音质量的轻微下降(或者说信干比稍微降低)，而不会出现阻塞现象。(3)CDMA蜂窝通信系统具有“软切换”功能。图11-12可用来帮助理解“软切换”。软切换区域软切换区域导频强度 Eb/No小区AT-ADD距离小区B小区A小区BT-DROP小区A小区B图11-12 软切换(4)CDMA蜂窝系统可以充分利用人类对话的不连续特性来实现语音激活技术，以

22、提高系统的通信容量。(5)CDMA蜂窝系统以扩频技术为基础，因而它具有扩频通信系统所固有的优点，如抗干扰、抗多径衰落和具有保密性等。11.4.3 CDMA蜂窝通信系统的通信容量首先考虑一般扩频通信系统的通信容量。载干比可以表示为bobobb/RWIEWIERIC(11-1)在式(11-1)中，Eb是信息的一比特能量；Rb是信息的比特率；Io是干扰的功率谱密度(每赫干扰功率)；W是总频段宽度(在这里W也是CDMA信号所占的频谱宽度，即扩频宽度)；(Eb/Io)类似于通常所谓的归一化信噪比(Eb/No)，其取值决定于系统对误码率或语音质量的要求，并与系统的调制方式和编码方案有关；(W/Rb)是系统

23、的扩频因子，即系统的处理增益。n个用户共用一个无线频谱，每一用户的信号都受到其他n1个用户的信号干扰。若到达一接收机的信号强度和各个干扰强度都一样，则载干比为11nIC(11-2)或通常n1，故C/I1/n，即obb/1IERWn(11-3)obb/IERWn(11-4)1语音激活期的影响这就是说，语音停顿可以使背景干扰减小65，能提高系统容量到1/0.352.86倍。FDMA和TDMA蜂窝系统都能利用这种语音特性，实现信道的动态分配，以获得不同程度的容量提高。不过要做到这一点，二者都必须增加额外的控制开销，而且要实现信道的动态分配，还必然会带来时间延迟，而CDMA蜂窝系统获得这种好处是非常容

24、易的。令语音的占空比为d，则式(11-4)可变成：dIERWn1/obb(11-5)2扇区的作用在CDMA蜂窝系统中采用有向天线进行分区能明显地提高系统容量。比如，用120的定向天线把小区分成三个扇区，可以把背景干扰减少到原值的1/3，因而可以提高容量3倍。FDMA和TDMA蜂窝系统利用扇形分区同样可以减小来自共道小区的共道干扰，从而减小共道再用距离，以提高系统容量。但是，达不到像CDMA蜂窝系统那样，分成三个扇区系统容量就会增大3倍的效果。令G为扇区数，式(11-5)可变成：dGIERWnobb/(11-6)3临近小区的干扰不考虑临近小区的干扰时，一个小区允许同时工作的用户数约为n=1/(C

25、/I)，在考虑临近小区的干扰并且采用功率控制时，这种用户数降低为n=0.6/(C/I)，即后者时前者乘以0.6。这结果说明CDMA蜂窝系统和其它蜂窝系统类似，也存在一种信道再用效率F0.6。由此，式(11-6)可以改写成为：dGFIERWnobb/(11-7)11.5 个人通信系统个人通信系统 新一代移动通信将实现世界范围内个人通信，也叫做第三代移动通信。实现个人通信的网络也称为个人通信网(PCN)，或称为个人通信系统(PCS)。其目标是无论任何人(Whoever)在任何时候(Whenever)和在任何地方(Wherever)，都能够和另一个人(Whomever)进行任何类型(Whatever

26、)的信息交换。移动通信的根本特征是移动性(Mobility)。移动性有两种含义：一是“终端移动性(Terminal Mobility)”；二是“个人移动性(Personal Mobility)”。所谓通信到个人是为每一个通信者分配一个特定的“个人号码”，个人号码与终端号码没有必然的联系，也不限制通信者是否随身携带其终端。实际上，为了实现通信到终端，使终端在不同地点获得通信业务，通信网络除去要具有承载所需业务的能力外，还必须具有对终端进行识别和定位的能力。同样，为了实现通信到个人，通信网络要对不同地点的个人进行寻呼和提供所需的通信路由，也必须具有对有关的终端进行识别和定位的能力。而且，通信到终端的发展趋势也是最后达到和通信到个人相同的目标，只是要以随身携带终端为必要的条件。习题习题 1简述移动通信的特点。2描述移动通信系统的开发背景。3描述什么是全球移动通信系统GSM，为什么GSM比AMPS先进？4说明CDMA蜂窝系统能比TDMA蜂窝系统获得更大通信容量的原因和条件。5你认为我国在发展个人通信时应采取什么策略？