第二章移動通信-Part1

通信系統(tǒng)概論授課講師：周曉天山東大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2016年3月10日第二章：移動通信系統(tǒng)第二章的內(nèi)容（Missionsofthe2ndChapter）

移動通信的概念移動通信的方式（常見系統(tǒng)）歷代蜂窩移動通信系統(tǒng)的演進2移動通信的概念---什么是移動通信？

3移動通信：通信雙方或一方在移動狀態(tài)下進行信息傳輸?shù)倪^程問題：移動通信=無線通信？移動通信是一種重要的無線通信方式移動通信兼具移動和無線兩個特點，因此在實現(xiàn)上挑戰(zhàn)性更大4系統(tǒng)復(fù)雜頻譜短缺嚴重噪聲與干擾電波環(huán)境惡劣挑戰(zhàn)與優(yōu)勢的PK對話我可以移動?。∫苿油ㄐ诺姆绞桨凑胀ㄐ怒h(huán)境區(qū)分5移動通信的方式按照系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)：6無線電尋呼系統(tǒng)集群移動通信系統(tǒng)衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)蜂窩移動通信系統(tǒng)（1G、2G、3G、4G、。。。）移動通信的方式7無線尋呼通信BP機（Beeper），不用語音的單向選擇呼叫系統(tǒng),通過顯示數(shù)碼或漢字，向用戶傳送信息。由尋呼中心、基站和尋呼接收機三部分構(gòu)成。1948年發(fā)明與BellLab.，稱為BellBoy1990年代開始風(fēng)靡于我國：“有事call我！”移動通信的方式8無線尋呼通信公共電話網(wǎng)PSTN自動尋呼終端尋呼數(shù)據(jù)處理中心發(fā)射塔移動通信的方式9集群移動通信集群(Trunk)的概念是把有限的無線信道動態(tài)、自動、最佳的分配給系統(tǒng)內(nèi)的所有用戶。集群移動通信是大量用戶自動分享數(shù)量相對較少的無線信道，并動態(tài)使用這些信道的移動通信系統(tǒng)。用戶可以是車載臺，也可以是手持臺。集群移動通信模式適合為有特殊移動通信需求的專業(yè)部門搭建專用網(wǎng)絡(luò)。如：部隊、公安、交通、消防、防汛、鐵道等。10中央控制器基地臺分調(diào)度臺移動臺總調(diào)度臺公共電話網(wǎng)PSTN集群移動通信移動通信的方式11集群移動通信移動通信的方式12集群移動通信我國的集群通信系統(tǒng)頻段：在800MHz的頻段分配為806-821MHz和851-866MHz,共有600個信道(信道間隔為25kHz)，350MHz頻段專門供公、檢、法、司法、安全、海關(guān)、軍隊和武警等八個部門使用，共有560對頻點（信道間隔為25、12.5kHz）。移動通信的方式13衛(wèi)星移動通信利用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)信號也可實現(xiàn)移動通信，對于車載移動通信可采用赤道固定衛(wèi)星，而對手持終端，采用中低軌道的多顆星座衛(wèi)星較為有利。通信距離遠，具有全球覆蓋的能力，實現(xiàn)真正的“全球通”。常用場景：導(dǎo)航定位、應(yīng)急通信、個人通信

移動通信的方式14衛(wèi)星移動通信衛(wèi)星定位導(dǎo)航：利用衛(wèi)星、地面控制和信號接收機對對象進行動態(tài)定位。美國：全球定位系統(tǒng)（GPS）前蘇聯(lián)：全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GLONASS）歐盟：伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（Galileo）我國：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDSTAR）

移動通信的方式15衛(wèi)星移動通信個人衛(wèi)星通信利用低軌道衛(wèi)星向用戶提供無縫覆蓋的個人通信業(yè)務(wù)，實現(xiàn)“衛(wèi)星通信終端手持化，個人通信全球化”銥星系統(tǒng)（已破產(chǎn)）：Motorola設(shè)計1997-2000全球星系統(tǒng)：Loral、Qualcomm16移動通信的方式蜂窩移動通信蜂窩移動通信，也稱小區(qū)制移動通信?；緲?gòu)成：移動臺（MS）、基站（BS）、移動業(yè)務(wù)交換中心(MSC)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)：把整個大范圍的服務(wù)區(qū)劃分成許多小區(qū)，每個小區(qū)設(shè)置一個基站，負責(zé)本小區(qū)各個移動臺的聯(lián)絡(luò)與控制，各個基站通過移動交換中心相互聯(lián)系，并與骨干網(wǎng)連接。相鄰小區(qū)使用不同頻段。17一個大廳里面裝一個200W的燈與裝8個25W的燈，哪一個照明效果好？18BSBSMSCPSTNMSCBS濟南浙江Internet遠距離通信的實現(xiàn)19移動通信的方式蜂窩移動通信特點：1.基站只覆蓋有限面積，由天線高度和發(fā)送功率決定（2-10km）2.基站只提供信道，交換、控制等都集中在移動業(yè)務(wù)交換中心進行3.具有小區(qū)切換（Handoff）功能。移動臺在變換服務(wù)基站時，不能影響通信4.具有頻率再用功能。距離遠的小區(qū)可以重復(fù)使用同一段頻譜5.具有漫游（Roaming）功能。電話號碼不變。BASESTATIONMSCBase1Base2Base3蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)

蜂窩結(jié)構(gòu)與頻率復(fù)用交換技術(shù)移動用戶位置登記與越區(qū)切換小區(qū)內(nèi)技術(shù)

雙工技術(shù)

多址技術(shù)20組網(wǎng)技術(shù)-蜂窩結(jié)構(gòu)及頻率復(fù)用

21引言：第一，蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)屬于小區(qū)制的移動通信系統(tǒng)

第二，按照電磁波傳播規(guī)律，基站天線輻射區(qū)域為圓形有盲區(qū)，不可取無盲區(qū)，但有重合處組網(wǎng)技術(shù)-蜂窩結(jié)構(gòu)及頻率復(fù)用22實際布網(wǎng)需要：無縫隙：保證用戶“anywhere”的通信無重疊：明確責(zé)任，重疊部分由哪個基站管，怎么區(qū)分。顯然，無縫隙、無重疊覆蓋需要采用圓的內(nèi)切多邊形實現(xiàn)，且相鄰多邊形采用不同頻段（頻道）問題：如何利用最少的基站（頻道）覆蓋相同的面積？組網(wǎng)技術(shù)-蜂窩結(jié)構(gòu)及頻率復(fù)用

23可供選擇的多邊形：三角形、四邊形、六邊形3個圓，4個三角形交疊面積：4個圓，4個矩形交疊面積：3個圓，3個矩形交疊面積：六邊形結(jié)構(gòu)覆蓋面積最大、重疊面積最小，即對于同樣大小的服務(wù)區(qū)域，采用六邊形所需的小區(qū)數(shù)最少，因此所需的頻率組數(shù)最少。組網(wǎng)技術(shù)-蜂窩結(jié)構(gòu)及頻率復(fù)用24問題回顧：無縫隙：保證用戶“anywhere”的通信無重疊：明確責(zé)任，重疊部分由哪個基站管細分工：不同的小區(qū)如何進行區(qū)分？利用蜂窩結(jié)構(gòu)使整個服務(wù)區(qū)域無縫無重疊，且高效的“小區(qū)化”每個小區(qū)設(shè)置一個基站，負責(zé)向本小區(qū)各個移動臺提供無線覆蓋服務(wù)為避免各相鄰基站的相互干擾，各相鄰基站必須使用不同的頻譜資源ADCEFGBADCEFGB組網(wǎng)技術(shù)-蜂窩結(jié)構(gòu)及頻率復(fù)用25已知：蜂窩系統(tǒng)采用鄰小區(qū)頻分信道避免小區(qū)間干擾問題：頻譜資源有限，當(dāng)系統(tǒng)覆蓋面積擴大、小區(qū)數(shù)目增加時，

頻道資源還夠用嗎？無線電磁波傳播的特性發(fā)送信號功率隨著傳播距離產(chǎn)生衰減：當(dāng)兩個小區(qū)的物理空間距離足夠遠時，可以重復(fù)利用同一段頻譜資源，而產(chǎn)生的同頻干擾可以忽略不計。這一技術(shù)稱為頻率復(fù)用(FrequencyReuse)組網(wǎng)技術(shù)-蜂窩結(jié)構(gòu)及頻率復(fù)用26因此，我們可以發(fā)現(xiàn)在蜂窩結(jié)構(gòu)中，頻譜資源利用的兩個特點：相鄰小區(qū)采用不同頻譜資源區(qū)分，以避免區(qū)間干擾(Inter-CellInterference)相隔距離較遠的小區(qū)可以采用相同的頻道，以提高頻譜利用效率（SpectrumEfficiency）ADCEFGBADCEFGB這樣相鄰的、采用不同頻率的一組小區(qū)，組成了區(qū)群、或叫做簇（Cluster）的結(jié)構(gòu)群區(qū)內(nèi)不同小區(qū)使用不同頻率，在一定空間距離外，設(shè)置另一區(qū)群，對應(yīng)的小區(qū)可重復(fù)使用與當(dāng)前區(qū)群相同的頻率當(dāng)兩同頻小區(qū)間距離足夠大時，同頻干擾將不影響正常的通信質(zhì)量組網(wǎng)技術(shù)-蜂窩結(jié)構(gòu)及頻率復(fù)用27構(gòu)成單元區(qū)群的基本條件：1.區(qū)群之間彼此鄰接且無空隙無重疊地覆蓋整個面積2.相鄰單元中，同頻道小區(qū)之間的距離保持相等，且為最大A2DCEFGBA1DCEFGBA3DCEFGB區(qū)群2區(qū)群1區(qū)群3以區(qū)群1中采用頻段A的小區(qū)為例：需要到達與其緊相鄰的所有區(qū)群中、采用A頻道小區(qū)的距離相等（”A1-A2”=“A1-A3”）A-A之間的距離應(yīng)與B-B、C-C。。。之間的距離相等；最后，還要保證上述距離在所有滿足條件的拓撲中是最大的組網(wǎng)技術(shù)-蜂窩結(jié)構(gòu)及頻率復(fù)用28構(gòu)成單元區(qū)群的基本條件：1.區(qū)群之間彼此鄰接且無空隙無重疊地覆蓋整個面積2.相鄰單元中，同頻道小區(qū)之間的距離保持相等，且為最大滿足上述條件的區(qū)群形狀和區(qū)群內(nèi)的小區(qū)數(shù)不是任意的可以證明，區(qū)群內(nèi)的小區(qū)數(shù)與同頻小區(qū)間的二維距離應(yīng)滿足下式：其中，分別為（不同區(qū)群內(nèi)）相鄰?fù)l小區(qū)的二維距離，取值為0或正整數(shù)，但不能同時為0A2DCEFGBA1DCEFBA3DCFGB區(qū)群2區(qū)群1區(qū)群3ij組網(wǎng)技術(shù)-蜂窩結(jié)構(gòu)及頻率復(fù)用29二維距離到實際距離：設(shè)一坐標系，則蜂窩小區(qū)擴展方向必然被固定在6個方向，如右圖，則按照這6個方向為基準去尋找第1步：沿6個方向任一跨過j個小區(qū)；第2步：逆時針方向旋轉(zhuǎn)60°，跨過i個小區(qū)另外，若設(shè)小區(qū)輻射半徑為r,則實際距離（同頻復(fù)用）又可計算為：小區(qū)內(nèi)N越大，同頻小區(qū)越遠，抗同頻干擾越好。A2DCEFGBA1DCEFBA3DCFGB區(qū)群2區(qū)群1區(qū)群3ij組網(wǎng)技術(shù)-蜂窩結(jié)構(gòu)及頻率復(fù)用30同樣，利用這種二維距離方法，結(jié)合上述公式，也可以確定群區(qū)的小區(qū)數(shù)目N，以及具體結(jié)構(gòu)

31組網(wǎng)技術(shù)-小區(qū)的分類32根據(jù)覆蓋面積的差異，小區(qū)可分為宏蜂窩、微蜂窩、微微蜂窩、飛蜂窩宏蜂窩小區(qū)（Macrocell）覆蓋半徑在1-30km，采用發(fā)射功率超過10W以上的基站，天線一般設(shè)置在較高的建筑物之上，以獲得較好的覆蓋視野；宏蜂窩常設(shè)立在郊區(qū)或高速公路等區(qū)域（Why？）微蜂窩小區(qū)（Microcell）覆蓋半徑小于2km，采用發(fā)射功率1W左右的基站，天線高度可在10m左右微蜂窩小區(qū)通常設(shè)立在商場、運動場、車站等流量密集小區(qū)，作為宏站的容量補充。由于天線高度與建筑物拓撲，通常會有視距和非視距兩類場景組網(wǎng)技術(shù)-小區(qū)的分類33根據(jù)覆蓋面積的差異，小區(qū)可分為宏蜂窩、微蜂窩、微微蜂窩、飛蜂窩微微蜂窩小區(qū)（Picocell）覆蓋半徑通常在200m以下，采用更低功率、更低成本的基站通常為辦公室、車站等超密集環(huán)境提供服務(wù)，也有可能架設(shè)在宏區(qū)邊緣，擴展宏區(qū)的服務(wù)覆蓋范圍毫微微蜂窩小區(qū)（Femtocell）最初稱為接入點基站(AccessPointBS)，或家庭基站（HomeeNodeBinLTE）。一般覆蓋半徑為12m左右，發(fā)射功率為10mW-100mW，主要為家庭、辦公室等室內(nèi)環(huán)境提供移動無線接入服務(wù)采用IP協(xié)議，利用光纖、DSL接入骨干網(wǎng)；在用戶端，可適配CDMA、LTE等多數(shù)移動通信空口制式在提供蜂窩移動通信服務(wù)的同時，也可集成提供Wi-Fi服務(wù)是下一代移動通信的熱點技術(shù)，但也有跨層干擾等問題蜂窩移動通信的關(guān)鍵技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)

蜂窩結(jié)構(gòu)與頻率復(fù)用交換技術(shù)移動用戶位置登記與越區(qū)切換小區(qū)內(nèi)技術(shù)

雙工技術(shù)

多址技術(shù)34交換技術(shù)-位置登記與越區(qū)切換35一個呼叫建立的簡化過程：主叫接入階段主叫用戶通過RACH發(fā)起通信請求移動業(yè)務(wù)交換中心（MSC）分配信道、標示主叫用戶并回復(fù)許可（ACK）呼叫建立階段主叫用戶發(fā)送被叫用戶號碼等信息MSC識別被呼叫用戶身份、確定位置并鏈接被叫所在MSC被叫所在MSC確認被叫用戶狀態(tài)，反饋可否通信等信息若雙方科通信，則建立專用業(yè)務(wù)信道呼叫終止階段任一方發(fā)送結(jié)束通信消息，斷開鏈接MSC釋放信道交換技術(shù)-位置登記與越區(qū)切換36位置登記是指移動臺向控制中心發(fā)送報文時，表明它本身工作時所處的位置信息，并被移動網(wǎng)登記存儲的過程在構(gòu)造復(fù)雜的小區(qū)制移動通信服務(wù)區(qū)內(nèi)，一般將一個MSC的控制區(qū)作為一個位置區(qū)或劃分成若干個位置區(qū)。移動臺將所處位置的位置信息進行位置登記，可以提高尋呼一個移動臺的效率，移動臺的位置登記信息被存儲于MSC內(nèi)。不同的蜂窩移動通信系統(tǒng)可以使用不同的位置登記方式位置登記是為移動臺移動（漫游）所準備的交換技術(shù)-位置登記與越區(qū)切換37位置登記的管理：歸屬位置寄存器（HLR）在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)注冊的所有用戶的信息及當(dāng)前位置位于移動臺注冊的歸屬區(qū)移動業(yè)務(wù)交換中心拜訪位置寄存器（VLR）管理網(wǎng)絡(luò)中若干個位置區(qū)內(nèi)的移動用戶，為負責(zé)的MSC提供移動用戶的位置數(shù)據(jù)信息位于移動臺漫游訪問的擺放區(qū)業(yè)務(wù)交換中心交換技術(shù)-位置登記與越區(qū)切換38歸屬位置寄存器（HLR）

國際移動臺標識(IMSI)；

國際移動臺號(MSISDN)；

移動臺漫游號(MSRN)；

VLR地址(如果收到的話)；

移動臺狀態(tài)數(shù)據(jù)；

其他需要的用戶數(shù)據(jù)拜訪位置寄存器（VLR）

國際移動臺標識(IMSI)；

國際移動臺號(MSISDN)；

移動臺漫游號(MSRN)；

臨時移動臺標識(TMSI)

位置區(qū)識別

其他需要的用戶數(shù)據(jù)交換技術(shù)-位置登記與越區(qū)切換39交換技術(shù)-位置登記與越區(qū)切換定義：越區(qū)切換（Handoff）是指將當(dāng)前正在進行的移動臺與基站之間的通信鏈路從當(dāng)前基站轉(zhuǎn)移到另一個基站的過程。也稱為自動鏈路轉(zhuǎn)移（AutomaticLinkTransfer,ALT）目的：維持移動用戶通話的持續(xù)性分類：

越區(qū)切換（小區(qū)間）和漫游切換（業(yè)務(wù)轄區(qū)）

軟切換和硬切換40交換技術(shù)-位置登記與越區(qū)切換41軟切換在越區(qū)過程中，移動臺既維持舊的連接，同時又建立與新基站的新連接，并利用新、舊鏈路的分集合并改善通信質(zhì)量，移動臺與新的無線端口建立了可靠連接之后，再中斷舊的連接。軟切換在空中接口過程中是先通后斷。軟切換過程中，移動臺可以同時和一個以上的無線端口通信硬切換越區(qū)過程中，移動臺的通信準備連到相鄰小區(qū)新基站的無線端口時，先中斷舊的連接，然后再進行新的連接，新的連接將具有不同的頻率分配或不同的空中接口特性，硬切換在空中接口過程中是先斷后通，硬切換過程中，移動臺只能同一個無線端口通信交換技術(shù)-位置登記與越區(qū)切換42越區(qū)切換的實現(xiàn)包括三個方面的問題：①越區(qū)切換的準則（何時需要進行越區(qū)切換）②越區(qū)切換如何控制；③越區(qū)切換時信道如何分配。交換技術(shù)-位置登記與越區(qū)切換43越區(qū)切換的準則