移动通信技术的发展及未来1.

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1、通信新技术讲座 移动通信技术的发展与未来 蒋占军 兰州交通大学通信工程系 1 内容概要 n 移动通信发展与应用趋势 n 移动通信基本科学问题 n 未来移动通信的关键技术 2 1. 移动通信发展与应用趋势 通信新技术讲座 3 法拉第/1831 麦克斯韦尔/1865 赫兹/1887 移动通信发展与应用趋势 马可尼发明无线电报通信 1897 AM调制 1920 雷达技术在二战期间诞生1941 摩托罗拉发明手机 1973 2002 宽带3G移动通信商用 全球移动通信用户15亿 2004 1985模拟移动通信商用 1994 数字移动通信商用 无线通信发展历程 1906 真空管诞生 1933FM调制 信息

2、论1948 4 移动通信发展与应用趋势 蜂窝移动通信的飞速发展 第一代移动通信系统采用了模拟调制技术和FDMA接入方式，在 使用中暴露出了很多缺点，例如设备体积大成本高，频谱利用率 低，保密性差，只能提供低速语音业务等 典型的通信系统有： 先进移动电话业务(AMPS: Advanced Mobile Phone System) 全接入通信系统(TACS: Total Access Communication System) 北欧移动电话标准(NMS: Nordic Mobile Telephone Standard) 5 移动通信发展与应用趋势 第二代移动通信系统采用了数字调制技术以及TDMA

3、或CDMA接 入方式，具有频谱利用率较高、保密性好、系统容量大、接口标 准明确等优点。很好地满足了人们对语音业务以及低速数据业务 的需求，因此在世界范围内得以广泛应用。 典型的通信系统有： 全球移动通信系统(GSM: Global System for Mobile) 个人手提电话系统(PHS: Personal Handy-phone System) 个人接入通信系统(PACS: Personal Access Commun. System) IS-54系统与IS-95系统 6 移动通信发展与应用趋势 第三代移动通信系统是宽带数字通信系统，其设计目标是实现 144Kbps的车载通信速率、38

4、4Kbps的步行通信速率和2Mbps的 室内通信速率；在业务上更加重视移动多媒体业务，能提供多种 类型的高质量多媒体业务，语音业务占的比重越来越小；能实现 全球无缝覆盖，具有全球漫游能力并与固定网络相互兼容。第三 代移动通信技术的标准化工作由3GPP和3GPP2两个标准化组织 来推动和实施。 目前在世界范围内影响最广泛的第三代移动通信系统标准为 WCDMA和CDMA2000 以及TD-SCDMA 7 移动通信发展与应用趋势 新一代移动通信研究开发处于起步阶段 在2007年11月结束的一次国际电信联盟（ITU）的正式会议上， B3G和4G技术正式统一命名为IMT Advanced 目前有关4G

5、移动通信系统的发展目标已达成基本共识，4G 系统 将包含传输速率达到100Mbps 的蜂窝移动通信系统和传输速率达 到1Gbps 的游牧和本地无线接入系统两个组成部分，其中蜂窝移 动通信系统的最大用户带宽约为20MHz，而游牧和本地无线接入 系统的最大用户带宽将达到100MHz 。 2007年12月26日，国务院总理温家宝当天主持国务院常务会 议，审议并原则通过新一代宽带无线移动通信网实施方案。 8 移动通信发展与应用趋势 我国移动通信发展历程 1970 1980 1990 2000 2010 2020 年代 后第三代 第一代：模拟移动通信 中国购买使用 TACS/AMPS 第二代：数字移动通

6、信 中国在技术成熟后期介 入制造GSM/CDMA 中国97年起开始跟踪研发 3G同时提出TD-SCDMA 第三代：宽带移动通信 话音（数字） 中低速率数据业务 话音业务（模拟） 多媒体业务 中国FuTURE 高分辨业务 日本、韩国、欧盟研究计划 9 移动通信发展与应用趋势 21世纪前10年的无线通信技术 1-10米无线互联 红外、蓝牙、超宽带UWB 10-100米无线通信技术 无线局域网WLAN、无线自组织网络 大范围无线移动通信技术 蜂窝通信系统GSM、CDMA、3G、4G 宽带无线接入系统WiMax 公众通信 行业应用 个人与 家庭网络 10 移动通信发展与应用趋势 各种无线通信技术的应用

7、特点 11 移动通信发展与应用趋势 各种无线通信技术互为补充共同发展 12 移动通信发展与应用趋势 宽带移动通信 随时随地获取你所需要的任何信息 多媒体短信业务MMS（并发视频、音频与文字业务）； 定位业务，与位置有关的信息点播业务； 上网浏览与下载业务； 流媒体视频业务；如VoD; Realplayer, MP3等； 移动电子商务； 移动交互式游戏业务； 实时会议电视业务； 13 移动通信发展与应用趋势 近距离无线通信：构造个人与家庭网络 Bluetooth radio link A Personal Network n 使你摆脱电线、电缆的约 束，在各种家用电气和掌上 设备之间方便的传送信

8、息； n 在下班的路上就能开启家 中的所有电器； n 出差的路途上就能看到你 家中任何情况； n 14 移动通信发展与应用趋势 无线宽带进入千家万户：无线信息社会成为现实 IMT-2000 WLAN WiMax Pico Cell Micro Cell Macro Cell n 取代现有的有线宽带网络 ； n 电视、广播、互联网融为 一体； n 每人可以享有100兆比特的 传输通道； n 虚拟现实如同身临其境； n 上班一族在家工作； n 15 移动通信发展与应用趋势 射频标签技术：让物体能够与人通信 n 未来每个物体都带有一个 无线接收和发射装置； n 每个物体都能应答你，不 再为丢失你的钥

9、匙、你的钢 笔而烦恼； n 取得现有的条形码，物流 管理变得极为方便； n 恐怖分子无处藏身； n 16 移动通信发展与应用趋势 无线自组织网络：军事、救灾 WR WR WR WR WH WH WH WH WH Internet 17 移动通信发展与应用趋势 技术快速进步为无线通信带来美好发展前景 高速的数字信号处理 超大规模集成电路等技术 数字电路和射频电路制造技术 微处理器技术 Internet网络技术 18 2. 移动通信基本科学问题 通信新技术讲座 19 移动通信基本科学问题 n 有限的频谱资源与不断增长的无线通信业务需求之间的矛盾 所带来的挑战，将促使无线通信理论与技术不断发生变革；

10、 n 信源压缩：对待传输的信息载体压缩， 以达到节省传输资源 之目的，产生了像MP3、MP4这样的图像与语音压缩方法； n 信息传输：在存在干扰和多径反射的 无线信道中如何有效地 传输信息，使之达到理论极限。 移动通信需要解决的关键问题 20 移动通信基本科学问题 n 从信号设计与处理的角度出发，采用高效的调制及信道编码 等技术提高频谱利用率； n 移动通信系统的工作频点继续上移，在2007年11月闭幕的世 界无线电通信大会上通过了适用于全球3G与4G移动通信系统 的四个新频段，其中包括3.4G3.6GHz的200MHz带宽以及分配 给我国TD-SCDMA的2.3GHz2.4GHz的100MH

11、z带宽； n 进一步开发蜂窝移动通信系统中的空间资源。例如MIMO技 术的利用为移动通信频谱利用率的提高注入了新的活力。 目前的解决方案 MIMO：Multiple Input Multiple Output SISO：Single Input Single Output 21 移动通信基本科学问题 n 信号处理的复杂性将限制其在实际系统中的应用。例如如果 完全依靠增加调制电平数来提高传输速率，在速率超过10bps /Hz之上时，其复杂度及对信道的要求已是实际系统所不能承受 的了，特别是每增加1bps/Hz就要增加3dB的信噪比，实现复杂 度、对时钟精度的要求及对信道参数估计精度的要求等都要相

12、 应地成倍增加 ； 存在的缺憾 22 移动通信基本科学问题 n 较高的系统工作频率将导致无线信号在空间传输中快速衰落。 尽管采用微蜂窝技术可以缩小小区半径，提高天线覆盖面积，从 而提高用户的接收性能，但随之而来的另一个问题在于系统中频 繁的切换会增加系统信令开销并降低系统的工作效率 ； n 目前，多天线一般集中放置于基站组成天线阵，这种集中放置 实际上限制了天线数量，且不利于空间资源的充分利用，此外， 小区边界处的用户的链路质量比距离基站近的用户的性能要差的 现状并未得到解决。 23 3. 未来移动通信的关键技术 通信新技术讲座 24 未来移动通信的关键技术 n 无线信道特点 n MIMO系统

13、的基本原理 n OFDM系统地基本原理 n 分布式天线系统 n 多用户分集技术 n 分层覆盖网络结构 信道建模理论、调制编码技术、分集接收技术、信道均衡技术、 多用户检测技术、智能天线技术、功率控制技术、切换技术、无 线网络技术、高速分组接入技术等。 25 n 无线信道特点 未来移动通信的关键技术 26 无线信道特点 n 无线信道特性 移动信道是一个非常复杂的动态信道，取决于用户所在地点 环境条件，其信道参数是时变的。利用这类复杂的移动信道 进行通信，首先必须分析和掌握信道的基本特点和实质，然 后才能针对存在的问题一一对症下药给出相应技术解决方案 任何一种通信系统都是围绕着如何完成通信的三项基

14、本指标 有效性，可靠性和安全性进行不断的优化。 27 移动通信信道的主要三个特点 1)传播的开放性 2)接收地点地理环境的复杂性与多样性 3)通信用户的随机移动性 （直射波、反射波、绕射波） 三类不同层次的损耗 1) 路径传播损耗 2) 慢衰落损耗 3) 快衰落空间选择性快衰落 频率选择性快衰落 时间选择性快衰落 无线信道特点 28 移动通信四种主要效应 1) 阴影效应 由大型建筑物和其它物体的阻挡，在电波传播的接收区域 中产生传播半盲区。它类似于太阳光受阻挡后可产生的阴 影，光波的波长较短，因此阴影可见，电磁波波长较长， 阴影不可见，但是接收终端与专用仪表可以测试出来。 2)多普勒效应 它是

15、由于接收用户处于高速移动中比如车载通信时传播频 率的扩散而引起的，其扩散程度与用户运动速度成正比。 这一现象只产生在高速(70km/h)车载通信时，而对于通常 慢速移动的步行和准静态的室内通信，则不予考虑。 无线信道特点 29 3) 远近效应 由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站之间的距离 也是在随机变化，若各移动用户发射信号功率一样，那么 到达基站时信号的强弱将不同，离基站近者信号强，离基 站远者信号弱。通信系统中的非线性将进一步加重信号强 弱的不平衡性，甚至出现了以强压弱的现象，并使弱者， 即离基站较远的用户产生掉话(通信中断)现象，通常称这一 现象为远近效应。 无线信道特点 30 4

16、) 多径效应 由于接收者所处地理环境的复杂性、使得接收到的信号不 仅有直射波的主径信号，还有从不同建筑物反射过来以及 绕射过来的多条不同路径信号。而且它们到达时的信号强 度，到达时间以及到达时的载波相位都是不一样的。所接 收到的信号是上述各路径信号的矢量和，也就是说各径之 间可能产生自干扰，称这类自干扰为多径干扰或多径效应 。这类多径干扰是非常复杂的，有时根本收不到主径直射 波，收到的是一些连续反射波等等。 无线信道特点 31 三类多径干扰 1)第一类多径干扰：是由于快速移动用户附近的物体的反射而 形成的干扰信号，其特点是由于用户的快速移动因此在信号 的频域上产生了多普勒(Doppler)频移扩散，而引起信号在时 域上时间选择性衰落。 2)第二类多径干扰：用户信号由于远处的高大建筑物与山丘的 反射而形成的干扰信号。其特点是传送的信号在空间与时间 上产