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1、移动通信系统原理与应用电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室二四年八月三十日1课程介绍n教学目标n教学重点和学习难点n教学计划和学习方法n参考书n考试问题2教学目标n讲授现代移动通信系统的基本概念、基本技术和基本原理。n非理论基础，内容新、范围广。3教学重点和学习难点n教学重点：现代移动通信的基本概念、移动信道的电波传播和信道分析、现代移动通信系统的基本技术和网络构成、GSM系统、窄带CDMA移动通信系统、宽带CDMA（第三代）移动通信系统。n学习难点：n蜂窝移动通信系统的概念和建模n移动信道的基本概念和建模分析方法n现代移动通信新技术:GSM、CDMA和OFDM等4教学计划第一章：移动通
2、信概述 （2学时）第二章：蜂窝移动通信系统 （6-8学时）第三章：无线移动通信信道 （4学时）第四章：移动通信的调制技术 （4学时）第五章：抗衰落技术 （2学时）第六章：语音编码技术 （2学时）第七章：移动通信中的多址接入技术（4学时）5教学计划(续) 第八章：移动通信网 （1学时） 第九章：GSM通信系统 （10学时） 第十章：CDMA移动通信系统 （68学时） 第十一章：3G移动通信及其标准 （4学时） 每章学时安排根据实际情况会略有调整6学习方法n自学为主n教材、网络和期刊杂志n主动听课n理解概念、领会难点n勤于思考n发现提出问题n轻松活泼7基础知识要求n现代通信原理，各种编码调制技术。
3、n信号与系统n付氏和拉氏变换n信号的时域和频域表示n卷积n自相关函数、互相关函数、功率谱等n电路原理8参考书（一）n移动通信原理与应用，啜钢等编著，北京邮电大学出版社。（主要参考书）n现代移动通信系统，祁玉生等著，通信工程丛书，人民邮电出版社。n数字蜂窝移动通信系统，赵荣黎编著，电子工业出版社。n无线通信原理与应用，蔡涛等译，电子工业出版社。nGSM数字移动通信系统，骆健霞等译，电子工业出版社。9参考书（二）nCDMA系统工程手册，许希斌等著，人民邮电出版社。n移动蜂窝通信，模拟和数字系统（第二版），美李建业著，人民邮电出版社nCDMA扩频通信原理，美A. J. 维特比著，李世鹤等译，人民邮电
4、出版社n第三代移动通信系统原理与工程设计，第三代移动通信系统原理与工程设计， IS-IS-95 CDMA95 CDMA和和cdma2000cdma2000， 美美 Vijay K. GargVijay K. Garg等，等，于鹏等译，电子工业出版社于鹏等译，电子工业出版社n 数字移动通信（修订本），郭梯云编，数字移动通信（修订本），郭梯云编，人民邮电出版社人民邮电出版社10参考书（三）n第三代移动通信技术，孙立新等编，人民第三代移动通信技术，孙立新等编，人民邮电出版社邮电出版社11考试问题n48个学时只能初步了解移动通信原理，要求主动听课，认真完成作业，期中考试, 期末考试；n作业：1. 交手
5、写的纸件。 2. 课堂演讲的方式。12移动通信第一章 概述移动通信13主要内容n移动通信的基本概念n移动通信系统的分类n蜂窝移动通信系统的组成结构n典型移动通信系统n移动通信的主要特点n移动通信的发展史、发展现状和发展方向n第一代移动通信系统n第二代移动通信系统n第三代移动通信系统nBeyond 3G移动通信系统n个人移动通信n移动通信工作频段n移动通信的分类及工作方式14移动通信的基本概念n移动通信是指通信的双方，或至少有一方处于移动状态下进行信息交换的通信就叫做移动通信。换句话说，移动通信解决因为人的移动而产生的“动中通”问题。n终端的移动性：手机、车载台n个人的移动性：SIM/UIM卡方
6、式支持的业务n业务的移动性：n通信网的智能化和无线化使三者统一起来。15移动通信的基本概念n移动通信系统包括无绳电话，无线寻呼，陆地蜂窝移动通信，卫星移动通信等。n移动体之间的通信联系的传输手段只能依靠无线电通信，因而无线通信是移动通信的基础。n除依靠无线通信技术之外，还依赖有线通信网络的支持，如公众电话网PSTN，公众数据网PDN， 综合业务数字网ISDN。16移动通信的特点1、无线电波传播特性复杂n通信频段：甚高频VHF和特高频UHFn地表面波、电离层反射波、直射波和散射波n什么是衰落现象？n什么是阴影效应和多径传播?17移动通信信号的衰落与干扰18移动通信环境的时变性n多径传播导致时延扩
7、展。n移动体的运动导致多普勒效应。n接受的电波是直射波，绕射波，反射波，和散射波的叠加，造成接受的电波强度起伏不定，最大相差20-30dB. 这种现象称为衰落(Fading)。19移动通信环境的时变性n衰落(Fading) 分为慢衰落和快衰落。n慢衰落：由阴影效应产生，一般服从正态分布。n快衰落：由多径效应产生，一般服从瑞利分布。n因而要求移动通信系统必须具有抗衰落性能。20移动通信的特点2、多普勒频移导致调制噪声n 是运动速度， 是波长， 是夹角 n运动方向面向接受站，为正值。反之为负值。多普勒频移产生频率扩展。n采用“锁相技术”以抵抗多谱勒效应。21移动通信的特点3、移动台受噪声影响，并在
8、强干扰下工作n1）互调干扰n2）邻道干扰n3）同频干扰22移动通信的特点4、对移动台的要求高。n要求移动台具有很强的适应能力；n要求性能可靠、携带方便，小型，低功耗，及耐高、低温；n要求操作使用方便，可适应不同人群使用23移动通信的特点5、通道容量有限。n增加用户容量是移动通信的重要研究课题。24移动通信网络管理复杂6、通信系统复杂n移动性使得系统需要对无线信道进行频率和功率的控制。n提供相邻基站之间的越区切换n网络提供归属位置寄存器（HLR）和访问位置寄存器（VLR）纪录用户的行踪n提供不同地区和不同运营者之间的漫游n用户安全与网络安全鉴权25移动通信的组网理论n美国贝尔实验室提出了蜂窝式组
9、网理论，其目的是解决常规移动通信系统频谱匮乏、容量小、服务质量差及频谱利用率低的问题。n蜂窝式组网理论的内容包括n无线蜂窝式小区覆盖和小功率发射n频率覆盖n多信道共用和越区切换n无线通信优势与有线网络优势的理想互联26移动通信系统的组成n蜂窝移动通信系统27主要内容n移动通信的基本概念n移动通信系统的分类n蜂窝移动通信系统的组成结构n典型移动通信系统n移动通信的主要特点n移动通信的发展史、发展现状和发展方向n第一代移动通信系统n第二代移动通信系统n第三代移动通信系统nBeyond 3G移动通信系统n个人移动通信n移动通信工作频段n移动通信的分类及工作方式28移动通信的发展史-萌芽阶段n1880
10、年，最初的无线传输设备“光话机”将反射光耦合到光电硒接收器，通话距离700英尺，比无线电方式早25年。后经过改进，通话距离长达15km。缺点：光线易受雨、雾、建筑物等障碍物的阻挡。n19世纪末，赫兹发现电磁波辐射。n1897年，马可尼在陆地和一艘拖船上完成莫尔斯电码无线通信实验，标志无线电通信的开始，开创了海上通信业。n1912年泰坦尼克号底的沉没突出了无线电通信在航海中的重要性，使海上无线通信得到广泛应用。n1905年，费森堡首次进行无线电传输话音及音乐的实验。29TITANIC Tragedy Spawns Wireless Advancements nRadio room & Radio
11、 Officers Jack Phillips Harold Bride30移动通信的发展史-开拓阶段n1928年，美国底特律警察局率先使用装备贝茨发明的能适应移动车辆震动影响的无线电收发信机超外差AM接收机的警用车辆无线电移动系统（单向），标志移动通信开始。n30年代初，第一个双向移动通信系统在新泽西的贝尼尔警察局投入运行（半双工）。n1935年，阿姆斯特朗发明了FM方式无线电，是移动通信中地第一个大分水岭。n大大提高灵敏度或动态范围（3倍）n具有“捕获效应”n 能更有效地对抗“快衰落”或波动性31移动通信的发展史-商业阶段n19461968：移动电话需求强烈，然而与电视相比，其发展速度非常
12、缓慢。n1946年，Bell实验室在圣路易斯建立第一个公用汽车话网，不久就出现长期的频谱资源短缺问题。因此技术研究主要集中在：n减小传输带宽频道分割。FM采用120kHz传输带宽仅3kHz的话音（AM只需3kHz带宽），到60年代FM带宽减为30kHz/25kHz。n将自动中继引入移动通信集群应用，以增加系统容量，提高频谱利用率。n在这些技术发展的基础上，60年代中期，开发出了“IMTS改进的移动电话服务”系统（模拟FM，大区制，使用150/450MHz频段，实现无线频道自动选择，并与公用电话网自动拨号连接） ，使模拟FM技术达到了30年发展的顶峰。32移动通信的发展蜂窝思想n19491982
13、：低功率发射机和小覆盖区域或蜂窝、频率复用、蜂窝裂变提高容量、越区切换和中央控制。n早在40年代末，美国Bell实验室提出蜂窝构想；60年代出台研究计划；1974年正式提出了蜂窝移动通信的概念。n1978年底，贝尔实验室研制成功模拟蜂窝移动通信系统先进移动电话系统（AMPS），比预期晚了整整10年，导致（模拟FM蜂窝系统）技术落后了，几乎丧失了市场。原因是频段争夺（与广播）和工业政策（反垄断1982年AT&T分裂成7块）。n同时期开通的第一代移动通信系统有：1983美国芝加哥的AMPS，1980北欧的NMT，1979日本东京、神户、大阪的NAMTS、1985英国伦敦的TACS(我国的模拟系统我
14、国的模拟系统)等。n这段时期，微电子技术的长足发展，使移动通信设备的小型化、微型化、便携化成为可能，也是促进移动通信的发展一个重要原因。33第一代移动通信系统n世界各国34第一代移动通信的特点n蜂窝小区系统设计-频率复用n解决大容量需求与有限频谱资源的矛盾n模拟系统-语音信号nFM传输nFDMAn缺点：频谱利用率低、容量有限、制式缺点：频谱利用率低、容量有限、制式相互不兼容、不利于漫游、覆盖受限、相互不兼容、不利于漫游、覆盖受限、业务受限、易被窃听、不能于业务受限、易被窃听、不能于ISDN兼容兼容35移动通信的发展数字化n模拟移动通信系统频谱利用率低、设备复杂、价格昂贵、业务种类受限、保密性差
15、n80年代中期90年代末，欧洲、美国、日本等发达国家和地区先后推出了数字移动通信系统第二代移动通信系统：n1992年欧洲推出商用的GSMn1991美提出的IS-54n1993日本提出的PDCn1993美国提出的IS-95(N-CDMA)36第二代移动通信系统n数字移动通信系统37第二代移动通信的特点n微蜂窝小区结构：更优的空分复用提高用户n数量数字化技术：语音信号数字化n新的调制方式：GMSK、QPSK等nTDMA、CDMAn频谱利用率高、系统容量大n能提供多种业务服务，提高通信系统的通用性n抗噪声、抗干扰和抗多径衰落能力强n能实现更有效、灵活的网络管理和控制n便于实现通信安全保密n可降低设备
16、成本和减小用户手机的体积和重量38移动通信的发展宽带、多媒体n90年代初今：宽带（Wideband，最大数据传输速率2Mbps）、多媒体业务、频谱利用率高n1G2G：模拟数字，单一业务（话音）多种业务（话音、数据）n2G3G：单媒体业务多媒体业务，人与人通信人与机器之间和机器与机器之间通信，容量提高25倍nITU通过的第三代移动通信系统主流标准：WCDMA、cdma2000、TDSCDMA、DECT39第三代移动通信系统nCDMA移动通信系统40第三代移动通信的特点n微蜂窝结构（分层小区）n宽带CDMA技术n调制方式QPSK/自适应调制nFDMA/TDMA/CDMAn电路交换分组交换n从媒体（
17、media） 多媒体（Multimedia）41第三代移动通信的局限性n采用DS-CDMA技术难以向更高速业务领域扩展n难以寻找更高速业务所需的正交扩频码集n难以满足更高的传输带宽需求n因而造成业务之间的干扰大。n难以提供具有不同QoS和性能需求的全范围多媒体业务。n这是IMT-2000空中接口标准强加给核心网的n在2GHz频段分配给IMT-2000的带宽很快就会饱和，而标准中制定的频分与时分双工相结合的模式也约束了其在不同环境有效地服务。42传输距离与速率的互相制约43移动通信的发展广带IP多媒体n今：广带（Broadband，最大数据传输速率达100Mbps ）、多媒体业务、频谱利用率更高
18、n3G ：各种系统互联互通，IP多媒体业务，容量提高510倍44Beyond IMT-2000的定义和研究框架nBeyond IMT-2000是指广泛用于各种电信环境的无线系统的总和，包括蜂窝、固定无线接入、游牧（Nomadic）接入系统等。n能力将涵盖并远远超出3G系统及与其进行互连的无线系统的能力，涵盖了目前的IMT-2000、无线接入、数字广播等系统的能力，并将新增两个部分：n能为高速移动的用户提供广带（Broadband）多媒体业务的Beyond IMT-2000蜂窝移动通信系统，支持约100Mbps，是未来研究的核心所在。n支持高达几百Mbps以上速率的游牧/本地无线接入系统。45I
19、MT-2000以及Beyond IMT-2000系统的通信能力46Beyond IMT-2000研发时间表47未来一代移动通信系统示意48蜂窝移动通信的发展过程n发展时间和系统49移动通信用户增长预期年50未来移动通信业务需求n移动业务也正从话音业务向以IP接入和多媒体业务为主的方向发展，预计到2004年，手持移动终端将逐步成为上网的主要设备之一51蜂窝移动通信的发展趋势52移动通信的发展目标-5Wn目标是n无论任何人(Whoever)n在任何时候(Whenever)n在任何地方(Wherever)n与另一个人(Whomever)n进行任何类型(Whatever)的个人通信。的个人通信。53移
20、动通信的标准化n标准化工作的重要性n通信技术的多样性(看似繁荣，实际阻碍技术发展)n网络缺乏互联n设备缺乏互通n无法大规模生产n价格昂贵n移动通信的标准化内容n技术体制标准化n网络设备标准化n测试方法标准化54国际标准化组织（ITU）n国际无线电标准化工作由国际电信联盟(ITU)负责nITU原由综合秘书处、国际频率登记局(IFRB)、国际无线电咨询委员会(CCIR)和国际电话电报咨询委员会(CCITT)四个常设机构组成n1993年3月，ITU组织调整为：n无线通信组CCIR+IFRB，ITU-R工作组n电信标准化组(CCITT)，ITU-T工作组n电信开发组（BDT）55其它标准化组织n欧洲的
21、标准化组织n欧洲邮电管理协会(CEPT)，曾是欧洲通信设施的主要标准化组织，现逐渐被其它组织替代n欧洲电信标准协会(ETSI)，成立于1988年，GSM、DECT、HiperLAN等n北美地区的标准化组织n电子工业协会(EIA)n电信工业协会(TIA)n蜂窝电信工业协会(CTIA)n美国国家标准协会(ANSI)nIEEE（LAN）等n我国的标准化组织CWTS56移动通信的工作频段n移动通信的一个重要基础是无线电波的移动通信的一个重要基础是无线电波的传播，各个频段的电波传播特性不同。传播，各个频段的电波传播特性不同。n无线电波通过多种方式从发射天线传播无线电波通过多种方式从发射天线传播到接收天线
22、，通常按照无线电波的波长到接收天线，通常按照无线电波的波长或频率人为地把电波进行分类或频率人为地把电波进行分类57常见工作频段的划分常见工作频段的划分58移动通信的工作频段n我国移动通信的工作频段（原规定）n160MHz频段、450MHz频段、900MHz频段n2001年，无委会增加了2000MHz频段n蜂窝移动通信（1）: 1710一1755MHz和1805一1850MHzn蜂窝移动通信（2）: 1865一188OMHz和l945一1960MHzn无线接入（FDD方式）：1800一1990MHz和1960一1980MHzn无线接入（TDD方式）：1900一1920MHzn扩频数据通信：240
23、0一2483.5MHzn多路微波有线电视电视传输系统（MMDS）：2533一2599MHzn无线电定位：2300一2690MHzn微波接力通信：2300一2690MHzn工业、科学、医疗设备无线电磁波辐射频段：2400一2500MHz59移动通信的工作频段n第三代移动通信的工作频段nITU的频率规划n1992年，WARC划分给FPLMTS频率范围为18852025MHzn1995年，WARC确定了MSS的新频段n2000年，ITU在WRC上规定了三个新的全球频段n805960MHzn17101885MHzn25002690MHzn欧洲的频率规划(UMTS)n19002025MHz，211022
24、00MHz60移动通信的工作频段n第三代移动通信的工作频段n日本：基本与UMTS相同n美国：n1900MHz频段，PCSn中国的频率规划n频分双工（FDD）方式，即19201980MHz/21102170MHz； n时分双工（TDD）方式， 即18801920MHz、20102025MHz；n补充工作频率为频分双工（FDD）方式，1755 1785MH18501880MHz；时分双工（TDD）方式，23002400MHz，与无线电定位业务共用，均为主要业务，共用标准另行制定；n卫星移动通信系统工作频段为19802010MHz21702200MHz。n目前己规划给公众移动通信系统的825835M
25、Hz870880MHz、885915MHz930960MHz和17101755MHz18051850MHz频段，同时规划为第三代公众移动通信系统FDD方式的扩展频段，上、下行频率使用方式不变。nFDD方式固定无线接入系统的工作频段：34003600MHz61第三代移动通信频谱分配矛盾nITU、欧洲、日本、美国关于3G的频谱分配均不相同（见教材图1.5）n会导致什么问题？62移动通信的分类n按工作方式分类-单工双工(TDD,FDD) 半双工n按多址方式分类-FDMA,TDMA,CDMA,SDMAn按信号形式分类-模拟网和数字网n按覆盖范围分类-城域网,局域网和个域网n按业务类型分类-电话网、数据
26、网、综合业务网、多媒体n按服务特性分类-专用网,公用网n按使用环境分类-陆地通信、海上通信、空中通信n按使用对象分类-民用系统、军用系统63移动通信的工作方式n依据通话状态和频率使用方法，可分为n单向和双向n单工和双工64移动通信的工作方式n n单工制n收、发交替进行n半双工制n一方双工，一方单工。n双工制（蜂窝移动通信系统)n频分双工（FDD）n时分双工 (TDD)65移动通信的工作方式n图例66移动通信的网络分类移动通信的网络分类n模拟与数字模拟与数字n基于语音的网络：基于语音的网络： 对传输时延敏感，平均每次通信建立时对传输时延敏感，平均每次通信建立时间较长，平均传输信息量较大。间较长，
27、平均传输信息量较大。n基于数据的网络：基于数据的网络： 对传输时延要求不高，平均传输信息量对传输时延要求不高，平均传输信息量较小，平均通信建立时间短。较小，平均通信建立时间短。67移动通信网的发展趋势n网络业务数据化n分组化n网络技术宽带化n智能化n更高频段n更高频谱利用率n各种网络融合68移动通信的应用系统n蜂窝式公用移动通信系统蜂窝式公用移动通信系统n集群调度移动通信系统集群调度移动通信系统n无绳电话系统无绳电话系统n无线寻呼系统无线寻呼系统n卫星移动通信系统卫星移动通信系统n分组无线网分组无线网69小结1 对移动通信的认识？（包括移动通信的对移动通信的认识？（包括移动通信的特点，移动通信
28、系统的组成）特点，移动通信系统的组成）2 移动通信发展？（三代移动通信系统各移动通信发展？（三代移动通信系统各自的特点及发展趋势）自的特点及发展趋势）3 移动通信工作在哪些频段？移动通信工作在哪些频段？4 移动通信有哪些分类方法？移动通信有哪些分类方法？5 常见移动通信的应用系统有哪些？常见移动通信的应用系统有哪些？70习题习题1.简述对移动通信的认识。简述对移动通信的认识。2.简述移动通信系统的组成。简述移动通信系统的组成。3.简述移动通信网的发展趋势。简述移动通信网的发展趋势。71推荐链接n电子科技大学图书馆n清华全文期刊 n书生之家数字图书 nIEEE/IEE Electronic Library（IEL）全文数据库 n移动通信在线n通信专业网72
