物联网第1章

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1、课程准备：,你对移动通信了解多少？ 你希望从这门课中学到什么？ 最希望了解的知识点什么？,第1章 概述,1.1 移动通信及其特点 1.2 移动通信的工作方式 1.3 移动通信系统的组成 1.4 移动通信系统的频段使用 1.5 移动通信的多址方式 1.6 移动通信系统的发展史 1.7 我国移动通信发展现状 1.8 移动通信发展的主要技术问题及发展方向 1.9常用移动通信系统,1.1 移动通信及其特点,移动通信是指移动用户之间， 或移动用户与固定用户之间进行的通信。（有广义及狭义之分）,与其他通信方式相比， 移动通信具有以下基本特点： (1) 电波传播条件恶劣。 (其接收信号是直射波和各种反射波多

2、径叠加而成。造成瑞利衰落，30db) (2) 具有多普勒效应。 由于移动台在运动中，所以产生多普勒频移效应，频移值fd与移动台运动速度v、工作频率f（或波长）及电波到达角有关，即,多普勒频移导致附加调频噪声。在cos=1时，最大多普勒频移fD=v/。 (3) 干扰严重。 （由于移动台是多电台，多波道系统）,(4) 接收设备应具有很大的动态范围。 (5) 需要采用位置登记、 过境切换等移动性管理技术。 (6) 综合了各种技术。（无线、交换、计算机、传输） (7) 对设备要求苛刻。,移动通信的分类,常见的移动通信系统,图 1-1 单工通信方式,1.2 移动通信的工作方式,移动通信按照用户的通话状态

3、和频率使用方法分为：单工制；半双工制；双工制。,同频单工。 同频是指通信的双方， 使用相同工作频率（f1）； 单工是指通信的双方的操作采用“按讲”（push to talk， PTT）方式。平时，双方的接收机均处于守听状态。如果A方需要发话，可按下PTT开关，发射机工作，并使A方接收机关闭。 这时，由于B方接收机处于守听状态，即可实现由A至B的通话；同理，也可实现B至A的通话。在该方式中，电台的收发信机是交替工作的，故收发信机不需要使用天线共用器， 而是使用同一副天线。,同频单工的优点是： 设备简单； 移动台之间可直接通话，不需基站转接； 不按键时发射机不工作，因此功耗小。它的缺点是: 只适用

4、于组建简单和甚小容量的通信网； 当有两个以上移动台同时发射时就会出现同频干扰； 当附近有邻近频率的电台发射时，容易造成强干扰。为了避免干扰，要求相邻频率的间隔大于4 MHz， 因而频谱利用率低； 按键发话，松键受话，使用者不很习惯。,双工制。双工制如图1 - 2所示，是指通信的双方，收发信机均同时工作，即任一方在发话的同时，也能收听到对方的话音， 无需按PTT开关， 类同于平时打市话，使用自然，操作方便。双工制也可分为同频双工和异频双工。异频双工制的优点是： 收发频率分开可大大减小干扰； 用户使用方便。缺点是： 移动台在通话过程中总是处于发射状态，因此功耗大； 移动台之间通话需占用两个频道；

5、设备较复杂， 价格较贵。在无中心台转发的情况下， 异频双工电台需配对使用， 否则通信双方无法通话。 同频双工采用时分双工(TDD)技术， 是近年来发展起来的新技术。,图 1-2 双工通信方式,为了解决双工通信耗电大的问题，使用半双工制。如图1 - 3所示， 中心转信台（A）使用一组频率，双工工作方式，而移动台（B）采用单工制，主要用于有中心转信台的无线调度系统。 半双工制的优点是： 移动台设备简单，价格低， 耗电少； 收发采用不同频率，提高了频谱利用率； 移动台受邻近电台干扰小。它的缺点是移动台仍需按键发话， 松键受话， 使用不方便。 由于收发使用不同的频率，同一部电台的收发信机可以交替工作，

6、也可以收常开，只控制发，即按下PTT发射。在中心台转发的系统中， 移动台必须使用该方式。 汽车调度主要应用。,图 1-3 半双工通信方式,1.3 移动通信系统的组成,图1 - 4 蜂窝移动通信系统的基本结构,MSC：对服务区内的MS进行交换和控制；提供移动 网与PSTN的接口。 HLR：归属位置寄存器，存储用户信息分为两类：（1） 用户参数信息：包括用户类别，用户业务，用户各种号码，识别码，保密参数等；（2）用户当前的位置信息：包括移动台漫游号码，VLR地址等，用于建立移动台的呼叫路由。 VLR：访问者位置寄存器。当漫游用户进入某个MSC时，必须向该地VLR登记，建立相关信息：移动用户识别码（

7、MSI），移动用户漫游号（MSRN），所在位置区信息等。,1.4 移动通信系统的频段使用,早期的移动通信主要使用VHF和UHF频段， 其主要原因有以下三点: (1) VHF/UHF频段较适合移动通信。 （几十公里的视距通信） (2) 天线较短， 便于携带和移动。 (3) 抗干扰能力强。 目前，大容量移动通信系统均使用800 MHz频段(CDMA)， 900 MHz频段(AMPS、TACS、GSM)，并开始使用1800 MHz频段(GSM1800/DCS1800)， 该频段用于微蜂窝(Microcell)系统。,1.5 多 址 方 式,1.5.1 移动通信系统中的多址方式,（1） FDMA。应用

8、这种多址方式的主要蜂窝系统有北美的AMPS和英国的TACS。在我国AMPS和TACS这两种制式都有应用，但TACS占绝大多数。所谓FDMA，就是在频域中一个相对窄带信道里，信号功率被集中起来传输，不同信号被分配到不同频率的信道里发送，来自邻近信道的干扰用带通滤波器限制，这样在规定的窄带里只能通过有用信号的能量，而任何其他频率的信号被排斥在外。模拟的FM蜂窝系统都采用了FDMA。,多址问题可以被称为滤波问题，许多用户可以共用同一个频谱，然后采用不同的滤波器，互不干扰的分别接收和解调。,（2） TDMA。 当前应用这种多址方式的主要蜂窝系统有北美的DAMPS和欧洲的GSM，在我国这两种制式也都有应

9、用，但GSM占绝大多数。所谓TDMA，就是一个信道由一连串周期性的时隙构成。不同信号的能量被分配到不同的时隙里，利用定时选通来限制邻近信道的干扰，从而只让在规定时隙中有用的信号能量通过。实际上，现在使用的TDMA蜂窝系统都是FDMA和TDMA的组合，如美国TIA建议的DAMPS数字蜂窝系统就是先使用了30 kHz的频分信道，再把它分成6个时隙进行TDMA传输。,（3） CDMA。 当前应用这种多址方式的主要蜂窝系统有北美的IS-95 CDMA系统。所谓CDMA，就是每一个信号被分配一个伪随机二进制序列进行扩频，不同信号的能量被分配到不同的伪随机序列里。在接收机里，信号用相关器加以分离， 这种相

10、关器只接收选定的二进制序列并压缩其频谱，凡不符合该用户二进制序列的信号，其带宽就不被压缩。结果只有有用信号的信息才被识别和提取出来。,1.5.2 移动通信系统中不同多址方式的频谱效率,在FDMA蜂窝系统中，频谱效率取决于每赫兹带宽信息比特率和频率复用系数。美国模拟蜂窝系统AMPS将频谱分成30 kHz带宽的许多信道，并使用窄带FM调制，调制效率为每30 kHz一条话路。由于干扰，同一频率不能在每一小区中重复作用。为提供可靠的通话质量，载干比（C/I）需要18dB或更高。 根据推算和经验表明，在大多数情况下，这个C/I值需要在频率复用系数为7时才能达到。频率复用系数是表示相同频率是如何被复用的数

11、目。,因此, 得到的结论是：每个小区中必须占用210 kHz的频谱才有一条话路。 通过减小小区面积增加小区数，虽然从理论上能取得任意高的话路容量，但需要增加设备费用。 此外，由于小区覆盖范围减小，也增加了基站间的切换次数。切换次数的增加将导致两个坏处：一是容易掉话；二是加重了交换机的负担。,TDMA频谱效率的计算基本上和FDMA相同。 由于目前被认可的频率复用准则和模拟系统相似，我们可以算出对于DAMPS， 每个小区必须占用70 kHz的频谱才有一条话路。换句话说，它的容量是模拟AMPS的三倍。 同样可以算出，GSM的系统容量约是模拟TACS的两倍。,CDMA频谱效率的算法和上面两种制式不大相

12、同， 因为上面两种制式每条话路占用的频谱宽度是一定的，只要频率复用系数一定， 每个小区的话路容量就确定下来。 而CDMA 是通过不同的地址码来区分用户的，所有用户都共用一个频率。决定CDMA系统容量的主要参数有处理增益、所需的Eb/N0值、话音激活系数、频率复用效率和扇区数目等。而且即使上述参数都确定，容量还要受具体的地理环境、背景噪声和外部干扰等条件的影响。所以，在CDMA中，每条话路所需占用的频谱宽度是不确定的。通过试验和理论计算，IS-95CDMA的容量可达到AMPS的8至10倍，即每个小区中只占用20kHz的频谱就可有一条话路。,目前的CDMA蜂窝系统实际上也都是FDMA和CDMA的组

13、合。 因为处在同一载频的CDMA用户共用同一频率，所以它的频率复用系数可以被看作是1，但由于受邻近小区中用户的干扰的影响，CDMA实际的频率复用系数应为2/3。 CDMA系统的高容量很大一部分因素是由于它的频率复用系数远远超过其他制式的蜂窝系统，,1.6 移动通信系统的发展史,移动通信的发展大致经历了以下几个发展阶段： 20世纪2030年代：警车无线电调度电话（AM调幅），使用频率为2 MHz。 20世纪4050年代：人工接续的移动电话（FM调频），单工工作方式， 使用频段为150 MHz及450 MHz。 特别值得一提的是1947年Bell实验室提出了蜂窝的概念。 20世纪60年代：自动拨号

14、移动电话，全双工工作方式，使用频段为150 MHz及450 MHz。1964年美国开始研究更先进的移动电话系统（IMTS）。,20世纪7080年代：AMPS、TACS分别在美国、英国投入使用。 使用频段为800/900 MHz（早期曾使用450 MHz），全自动拨号，全双工工作，具有越区频道转换，自动漫游通信功能。频谱利用率、系统容量和话音质量都有明显的提高。 20世纪90年代：GSM数字移动通信系统和窄带CDMA（IS-95A）数字移动通信系统及卫星移动通信投入使用。,21世纪初：基于窄带IS-95 CDMA技术的宽带CDMA技术cdma2000、基于日本无线工业广播协会（ARIB）支持的纯

15、W-CDMA和欧洲电信标准协会（ETSI）制定的UTRA 两个独立建议的W-CDMA、由我国提出的时分同步CDMA（TD-SCDMA）等第三代（3G）系统（IMT-2000）陆续开始投入使用或建立试验网。其中，第三代（3G）系统使用频段为18852025 MHz， 21102200 MHz，全球统一标准。 在使用的150 MHz、450 MHz、900 MHz三个频段的具体收发频率间隔分别为: 150 MHz的收发频率间隔为5.7 MHz；450 MHz 的收发频率间隔为10 MHz；900 MHz的收发频率间隔为45 MHz。,20世纪80年代发展起来的模拟蜂窝移动电话系统，人们把它称为第一

16、代移动通信系统。其主要技术是模拟调频、频分多址， 主要业务是电话。 代表这一系统的有美国的AMPS，英国的TACS，北欧的NMT-900及日本HCNTS等。 模拟系统的主要缺点是：频谱利用率低，不能与ISDN兼容，保密性差，以及移动终端要进一步实现小型化、低功耗、低价格的难度都较大。 ,蜂窝移动通信的演进过程,第一代移动通信系统,第一代移动通信系统的特点,第二代移动通信系统,第二代移动通信系统的特点,第三代移动通信系统,第三代移动通信系统的特点,1.7 我国移动通信发展现状,为了改变我国以往在制订技术标准方面跟着国外标准跑的局面，我国政府主管部门高度重视第三代(3G)移动通信的发展，积极制定具有我国自己知识产权的3G标准。在1998年6月30日，国际电信联盟(ITU)规定的提交无线传输技术(RTT)建议的最后期限里， 共有10个组织向ITU提交了候选RTT方案，信息产业部电信科学技术研究院(CATT)代表中国也提交了自己的候选方案(TD-SCDMA)。1999年11月在芬兰召开的ITU第18次会议上，