第8章-移動通信網(wǎng)絡

第8章_移動通信網(wǎng)絡第一頁，共46頁。Tobehappyinthisworld,firstyouneedacellphoneandthenyouneedanairplane.Thenyouaretrulywireless. -TedTuner,CNNfounder2第二頁，共46頁。第7章介紹了典型無線低速網(wǎng)絡協(xié)議，重點討論了各協(xié)議網(wǎng)絡層次的特點，并就無線低速網(wǎng)絡協(xié)議實現(xiàn)需要注意的問題展開談論。內(nèi)容回顧3第三頁，共46頁。8.1移動通信發(fā)展歷史8.23G通信技術(shù)和標準8.3移動互聯(lián)網(wǎng)8.44G：下一代移動網(wǎng)絡本章內(nèi)容4第四頁，共46頁。2013年5月，全國移動電話用戶達11.65億戶，其中3G移動電話用戶達3.04億戶。完整的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由前端信息生成、中間傳輸網(wǎng)絡以及后端的應用平臺構(gòu)成。移動通信網(wǎng)絡，將成為物聯(lián)網(wǎng)終端“全面、隨時、隨地”傳輸信息的有效平臺。概論：移動通信的時代5第五頁，共46頁。8.1移動通信發(fā)展歷史8.23G通信技術(shù)和標準8.3移動互聯(lián)網(wǎng)8.44G：下一代移動網(wǎng)絡本章內(nèi)容6第六頁，共46頁。20世紀20年代到40年代為模擬語音的早期發(fā)展階段。1928年，美國普度大學（PurdueUniversity）的學生發(fā)明了超外差式無線電接收機，建立了世界上第一個移動通信系統(tǒng)（車載無線電系統(tǒng)）。工作頻率為2MHz，在40年代才被提高到了30-40MHz。1946年，貝爾系統(tǒng)在圣路易斯建立起了第一個可用于汽車的電話系統(tǒng)。西德、法國和英國分別于1950年、1956年和1959年完成了公用移動電話系統(tǒng)的研制。第一代移動通信：模擬語音7第七頁，共46頁。20世紀60年代，美國開始使用中小容量的改進移動電話系統(tǒng)IMTS。IMTS有兩個頻率分別用于接收和發(fā)送功能。IMTS支持23個信道，頻率范圍為150～450MHz。在一個大區(qū)域中只用一個基站覆蓋的設計被成為大區(qū)制。大區(qū)制有以下特點：基站覆蓋面積大發(fā)射功率大可用頻率帶寬有限，系統(tǒng)容量小適用于專業(yè)網(wǎng)，不適合商用第一代移動通信：模擬語音8第八頁，共46頁。1982年，為了解決大區(qū)制容量飽和的問題，美國貝爾實驗室發(fā)明了高級移動電話系統(tǒng)AMPS。AMPS提出了“小區(qū)制”，“蜂窩單元”的概念，是第一種真正意義上的“蜂窩移動通信系統(tǒng)”，同時采用頻分復用（FrequencyDivisionMultiplexing,FDM）技術(shù)，解決了公用移動通信系統(tǒng)所需要的大容量要求和頻譜資源限制的矛盾。100千米范圍之內(nèi)，IMTS每個頻率上只允許一個電話呼叫；AMPS以允許100個10千米的蜂窩單元，從而可以保證每個頻率上有10～15個電話呼叫。第一代移動通信：模擬語音9第九頁，共46頁。每一個蜂窩單元有一個基站負責接收該單元中電話的信息。基站連接到移動電話交換局（MobileTelephoneSwitchingOffice,MTSO）。MTSO采用分層機制，一級MTSO負責與基站之間的直接通信；高級MTSO則負責低級MTSO之間的業(yè)務處理。蜂窩系統(tǒng)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)10第十頁，共46頁。當電話在蜂窩單元之間移動的時候，基站之間會通信，從而交換控制權(quán)，避免信道分配不錯導致信號沖突。基站對于電話用戶控制權(quán)的轉(zhuǎn)換也稱為“移交”?！败浺平弧保河脩敉ㄔ挶３诌B貫?！坝惨平弧保豪系幕拘枰Ｖ褂脩敉ㄔ?。蜂窩系統(tǒng)：移交11第十一頁，共46頁。第二代移動通信技術(shù)：數(shù)字制式支持傳統(tǒng)語音通信、文字和多媒體短信支持一些無線應用協(xié)議目前服務用戶最多的移動通信技術(shù)900/1800MHzGSM移動通信工作在900/1800MHz頻段，124對單工信道，每對單工信道有200kHz的頻寬無線接口采用TDMA技術(shù)，核心網(wǎng)移動性管理協(xié)議采用MAP協(xié)議800MHzCDMA系統(tǒng)無線接口采用窄帶碼分多址（CDMA）技術(shù)第三代移動通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)第二代移動通信：數(shù)字語音12第十二頁，共46頁。GSM是一種蜂窩網(wǎng)絡系統(tǒng)，蜂窩單元按照半徑可以分為：宏蜂窩：覆蓋面積最廣，基站通常在較高的位置，例如山峰微蜂窩：基站高度普遍低于平均建筑高度，適用于市區(qū)內(nèi)微微蜂窩：室內(nèi)，影響范圍在幾十米以內(nèi)傘蜂窩：填補蜂窩間的信號空白區(qū)域GSM后臺網(wǎng)絡系統(tǒng)包括以下模塊系統(tǒng)：基站系統(tǒng)，包括基站和相關(guān)控制器網(wǎng)絡和交換系統(tǒng)，也稱為核心網(wǎng)，負責銜接各個部分GPRS核心網(wǎng)，可用于基于報文的互聯(lián)網(wǎng)連接，為可選部分身份識別模塊，也稱為SIM卡，主要用于保存手機用戶數(shù)據(jù)GSM系統(tǒng)13第十三頁，共46頁。CDMA移動通信網(wǎng)是由蜂窩組網(wǎng)、擴頻、多址接入以及頻率復用等幾種技術(shù)結(jié)合而成，含有頻域、時域和碼域等三維信號處理的一種協(xié)作。因此它具有抗干擾性好抗多徑衰落保密安全性高容量和質(zhì)量之間可做權(quán)衡取舍同頻率可在多個小區(qū)內(nèi)重復使用等屬性CDMA最明顯的優(yōu)勢在于，它利用編碼技術(shù)可以區(qū)分并分離多個同時傳輸?shù)男盘枴Ｋ试S用戶可以任何時刻在任何頻段發(fā)送信號，對于沖突的信號，可以從混合信號中提取出期望的數(shù)據(jù)信號，同時拒絕所有其他的噪音信號。CDMA系統(tǒng)14第十四頁，共46頁。第三代移動通信（3G）可以提供所有2G的信息業(yè)務，同時保證更快的速度，以及更全面的業(yè)務內(nèi)容，如移動辦公，視頻流服務等。3G的主要特征是可提供移動寬帶多媒體業(yè)務，包括高速移動環(huán)境下支持144Kbps速率，步行和慢速移動環(huán)境下支持384Kbps速率，室內(nèi)環(huán)境則應達到2Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時保證高可靠服務質(zhì)量。人們發(fā)現(xiàn)從2G直接跳躍到3G存在較大的難度，于是出現(xiàn)了一個2.5G（也有人稱后期2.5G為2.75G）的過渡階段。第三代移動通信：

數(shù)字語音與數(shù)據(jù)15第十五頁，共46頁。3G發(fā)展歷程AMPSTACSNMT1G2G2.5G2.75G3GGSMTDMACDMAPHSiDENGPRSGSM/GPRSPHSiDENEDGECDMA1xRTTW-CDMATD-SCDMACDMA200016第十六頁，共46頁。HSCSDGSM網(wǎng)絡的升級版本透過多重時分并行傳輸，速率比GSM網(wǎng)絡快5倍動態(tài)提供不同的糾錯方式GPRS基于傳統(tǒng)GSM的產(chǎn)物改造現(xiàn)有基站系統(tǒng)，利用GSM網(wǎng)絡中未使用的TDMA信道，速率可以達到114Kbps立即聯(lián)機EDGE俗稱2.75G，是GPRS到3G之間的過渡產(chǎn)業(yè)傳輸速率可以達到384Kbps主張利用現(xiàn)有的GSM資源2G到3G的過渡17第十七頁，共46頁。第三代移動通信系統(tǒng)最早于1985年由ITUTG8/1提出，最初的名字為FPLMTS（FuturePublicLandMobileTelecommunicationSystem），后在1996年更改為“IMT-2000”。數(shù)字2000蘊含了三層含義：希望該系統(tǒng)能在2000年全面應用到市場；希望3G能在2000MHz的頻率上運行；希望可以3G保證2000KHz的帶寬?？上У氖?，3G并沒有能夠在2000年之前投入市場，只有中國保留了2000MHz的頻段。1999年，IMT-2000無線接口技術(shù)規(guī)范建議被通過。IMT-200018第十八頁，共46頁。IMT-2000無線接口技術(shù)規(guī)范建議將無線接口的標準明確為5個標準。傳統(tǒng)的窄帶TDMA技術(shù)遠遠不能滿足3G系統(tǒng)的高帶寬要求，而CDMA的編碼方式才是現(xiàn)行3G通信標準的基礎(chǔ)。圖中關(guān)于CDMA技術(shù)的3個標準分別是：IMT-DS，對應于W-CDMAIMT-MC，對應于CDMA2000IMT-TD，對應于TD-SCDMA和UTRA-TDDIMT-2000無線接口標準IMT-2000無線接口的5個標準19第十九頁，共46頁。8.1移動通信發(fā)展歷史8.23G通信技術(shù)和標準8.3移動互聯(lián)網(wǎng)8.44G：下一代移動網(wǎng)絡本章內(nèi)容20第二十頁，共46頁。1985年FPLTMS概念被提出。1991年ITU正式成立TG8/1任務組，專門負責FPLTMS的標準定制工作。1996年FPLTMS更名為IMT-2000。1997年ITU向各國發(fā)出通函，要求各國在1998年6月之前提交關(guān)于IMT-2000無線接口技術(shù)的候選方案，一共收到15份有關(guān)3G接口的技術(shù)方案，其中包括我國自主研究制定的TD-SCDMA標準。2000年5月，ITU正式公布了第三代移動通信標準，CDMA技術(shù)以其特有的優(yōu)勢為眾多標準的基礎(chǔ)。2009年1月7日，我國工業(yè)和信息化部向中國移動、中國電信、中國聯(lián)通分別發(fā)放了3G牌照。其中，中國移動獲得TD-SCDMA牌照，中國聯(lián)通和中國電信分別獲得WCDMA和CDMA2000牌照。3G通信技術(shù)和標準：

歷程回顧21第二十一頁，共46頁。TD─SCDMA（TimeDivision–SynchronousCodeDivisionMultipleAccess）相比于W-CDMA和CDMA2000起步較晚，1998年6月由原郵電部電信科學技術(shù)研究院向ITU提出。TD-SCDMA融合眾多先進技術(shù)，具有抗干擾能力強，系統(tǒng)容量大的特點：SDMA（SpaceDivisionMultipleAccess）同步CDMA和軟件無線電TDMA，F(xiàn)DMATD分類TD-SCDMA：提供話音和視頻電話等最高下行頻率為384Kb/s的數(shù)據(jù)業(yè)務TD-HSDPA：數(shù)據(jù)業(yè)務增強技術(shù)，可提供2.8Mb/s的下行速率TD-SCDMA22第二十二頁，共46頁。呼吸效應：在CDMA系統(tǒng)中，基站的實際有效覆蓋面積會隨著用戶增多（干擾增強）而縮小，反之則會增大。導致“呼吸效應”的主要原因是CDMA系統(tǒng)是一個自干擾系統(tǒng)；CDMA2000和W-CDMA屬于同頻自干擾系統(tǒng)，鄰近用戶之間自干擾現(xiàn)象明顯，從而降低了實際傳輸速率。TD-SCDMA的解決方案利用低帶寬的FDMA和TDMA限制了系統(tǒng)的最大干擾；在單時隙中應用CDMA技術(shù)提高系統(tǒng)容量；利用聯(lián)合檢測和SDMA技術(shù)對客戶終端的信號跟蹤；充分利用下行信號能量，最大程度上抑制了客戶之間的干擾?？梢哉f，TD-SCDMA系統(tǒng)不再是一個自干擾系統(tǒng)，“呼吸效應”基本被消除。TD－CDMA解決的移動通信問題23第二十三頁，共46頁。遠近效應：手機用戶到基站的距離是在不斷變化中的，固定的通信功率不僅會造成嚴重的功率過剩（離基站很近的地方依然用大功率來傳輸數(shù)據(jù)），且可能形成有害的電磁輻射。TD-SCDMA的解決方案TD-SCDMA通過動態(tài)調(diào)控功率改善“遠近效應”：手機終端依據(jù)自己到基站的通信距離動態(tài)的調(diào)整自己的傳輸功率，從而盡可能的減少過剩，且依然保證可連通性。采用動態(tài)信道分配的方式，即根據(jù)用戶的需求進行實時的動態(tài)資源分配，包括頻率，時隙和碼字等。動態(tài)信道分配不僅提高了信道資源的利用率，且增強了對于網(wǎng)絡中負載和干擾變化的適應能力。TD－CDMA解決的移動通信問題24第二十四頁，共46頁。W-CDMA（WidebandCodeDivisionMultipleAccess）是由愛立信公司提出，3GPP具體制定的基于GSMMAP核心網(wǎng)，UTRAN為無線接口的3G系統(tǒng)。第一個商用W-CDMA網(wǎng)絡由日本NTTDoCoMo于2001年推出，也是世界上第一個3G移動電話服務。中國聯(lián)通于2009年在中國大陸提供W-CDMA服務，并開始提供HSDPA服務（在部分地區(qū)還提供HSUPA服務）。中國香港移動運營商SUNDAY等也都已經(jīng)架構(gòu)了W-CDMA商用網(wǎng)絡。中國臺灣地區(qū)3G服務從2005年開始，其中中華電信、臺灣大哥大、遠傳電信等都使用W-CDMA系統(tǒng)。W-CDMA25第二十五頁，共46頁。W-CDMA=WidebandCodeDivisionMultipleAccessW-CDMA技術(shù)主要是將信息擴展成3.84MHz的寬帶后，在5MHz帶寬內(nèi)進行傳輸。上行技術(shù)參數(shù)主要基于歐洲FMA2方案。下行技術(shù)參數(shù)主要基于日本ARIBW-CDMA方案。W-CDMA技術(shù)主要包括FDD和TDD：FDD：工作在覆蓋面積較大的范圍內(nèi)，可以在兩個對稱頻率信道上進行接收和傳送工作TDD：側(cè)重于業(yè)務繁重的小范圍內(nèi)W-CDMA26第二十六頁，共46頁。W-CDMA定義了3條可利用的公共控制信道及2條專用信道：廣播公共控制信道（BCCH）：攜帶系統(tǒng)和小區(qū)特定的信息尋呼信道（PCH）：把消息送到尋呼區(qū)的移動臺前向接入信道（FACH）：把消息從基站送到一個小區(qū)內(nèi)的移動臺專用控制信道（DCCH）專用業(yè)務信道（DTCH）：用作上下行中點到點的數(shù)據(jù)傳輸TD-SCDMA只支持同步基站，W-CDMA可以同時支持異步和同步的基站運行方式。W-CDMA27第二十七頁，共46頁。CDMA2000也稱為CDMAMulti-Carrier,由美國高通北美公司為主導提出。W-CDMA和TD-SCDMA是由標準組織3GPP制定，CDMA2000則是由標準組織3GPP2制定。CDMA2000標準推進路線：CDMA200028第二十八頁，共46頁。CDMA20001x：即1x或者1xRTT，

是3GCDMA2000技術(shù)的核心。標志1x指使用一對1.25MHz無線電信道的CDMA2000無線技術(shù)。CDMA20001xRTT：CDMA20001xRTT（RTT無線電傳輸技術(shù)）是CDMA2000一個基礎(chǔ)層。通常被認為是2.5G技術(shù)，因其傳輸速率不及其他3G技術(shù)。支持最高144kbps數(shù)據(jù)速率。CDMA20001xEV：CDMA20001x附加高數(shù)據(jù)速率（HDR）能力。CDMA20001xEV第一階段（CDMA20001xEV-DO）支持下行數(shù)據(jù)速率最高3.1Mbps，上行速率最高1.8Mbps。CDMA20001xEV第二階段（CDMA20001xEV-DV）還能支持1x語音用戶，1xRTT數(shù)據(jù)用戶和高速1xEV-DV數(shù)據(jù)用戶使用同一信道。CDMA200029第二十九頁，共46頁。三種3G標準的主要技術(shù)差別

標準內(nèi)容TD-SCDMAW-CDMACDMA2000信道帶寬/MHz碼片速率/(Mc/s)基站間同步幀長/ms雙工技術(shù)多址方式語音編碼多速率功率控制交織1.61.28異步/同步10TDDTD-SCDMA固定速率可變擴頻因子，多碼RI檢測開環(huán)+慢速閉環(huán)（20b/s）卷積碼；幀內(nèi)交織；RS碼：幀間交織5/10/203.84異步/同步10FDD/TDDDS-CDMA固定速率可變擴頻因子和多碼RI檢測；高速率業(yè)務盲檢測；低速率業(yè)務FDD：開環(huán)+快速閉環(huán)（1600b/s）;TDD：開環(huán)+慢速閉環(huán)卷積瑪：幀內(nèi)交織；RS碼：幀間交織1.25/10/203.6864同步20FDDDS-CDMA和MC-CDMA可變速率可變擴頻因子和多碼RI檢測；低速率業(yè)務，事先預定好，需高層信令參與開環(huán)+慢速閉環(huán)(800b/s)塊交織30第三十頁，共46頁。8.1移動通信發(fā)展歷史8.23G通信技術(shù)和標準8.3移動互聯(lián)網(wǎng)8.44G：下一代移動網(wǎng)絡本章內(nèi)容31第三十一頁，共46頁。3G網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)傳輸多元化：視頻信息、流數(shù)據(jù)、音樂電視…即時性：室內(nèi)固定環(huán)境下2Mb/s，室外快速移動環(huán)境下144Kb/s地域性：手機信號可以覆蓋wifi等無線信號難以遍及的地方移動互聯(lián)網(wǎng)將移動通信和互聯(lián)網(wǎng)二者結(jié)合，提供網(wǎng)頁瀏覽、視頻會議、電子商務、電視直播等互聯(lián)網(wǎng)應用服務。移動互聯(lián)網(wǎng)32第三十二頁，共46頁。作為2G移動通訊不能支持的新業(yè)務，視頻電話迎合了人們面對面交談的習慣，成為引領(lǐng)2G用戶奔向3G的主要手段之一。視頻電話技術(shù)也是眾多其他綜合服務業(yè)務的基礎(chǔ)，如視頻會議、多人網(wǎng)絡游戲、遠距離醫(yī)護和可視安全系統(tǒng)等等。兩種視頻編解碼器：H.263編解碼器基于64Kb/s速率，用于視頻呼叫H.264編解碼器應用于視頻流廣泛應用于電影電視中視頻電話33第三十三頁，共46頁。從技術(shù)上手機電視分為兩大類：以地面廣播網(wǎng)絡為基礎(chǔ)與移動網(wǎng)絡松耦合或相對獨立組網(wǎng)歐洲的DVB-H韓國的T-DMB日本的ISDB-T中國的CMMB…以移動通信網(wǎng)絡為基礎(chǔ)不能獨立組網(wǎng)MBMS，BCMCS…手機電視34第三十四頁，共46頁。CMMB（中國移動多媒體廣播）：我國自主研發(fā)的利用無線數(shù)字廣播電視網(wǎng)向移動終端提供電視節(jié)目的移動多媒體廣播系統(tǒng)。便攜終端只要加裝上一個專門的芯片，就會變成了一部可移動收看的手持電視。頻段范圍：470～798MHz；傳播衰耗??；覆蓋范圍：40千米“天體一體、星網(wǎng)組合、統(tǒng)一標準、全國漫游”。相較于基于3G的手機電視技術(shù)，優(yōu)勢是覆蓋廣、相對低成本、多用戶同時觀看。但難以支持點播和雙向互動。與3G視頻技術(shù)互補。手機電視：CMMB35第三十五頁，共46頁。當前的智能手機上添加了各種各樣的傳感器，如加速度傳感器、重力傳感器、光照傳感器、GPS、攝像頭等等。利用這些傳感器采集的數(shù)據(jù)結(jié)合模式識別、機器學習等技術(shù)，手機應用能夠識別出用戶當前所處的情境（什么時間，在什么地點，在做什么或者即將做什么，和什么人在一起）等?；谶@些情境，服務提供者便能根據(jù)用戶當前具體的情境為用戶提供個性化的服務。基于用戶情境的服務GeoReminder：在用戶進入特定區(qū)域時給用戶提醒；JogBuddy:可以自動為用戶記錄每天的運動量；SocialGroupon:可以在用戶和好友在一起時，向好友發(fā)送推薦和優(yōu)惠券36第三十六頁，共46頁。截止2011年10月，美國有超過98%的互聯(lián)網(wǎng)用戶在使用社交網(wǎng)絡，全世界的社交網(wǎng)絡用戶平均每個月會花約6個小時在社交網(wǎng)絡應用上，占去了他們16.9%的在線時間。各大傳統(tǒng)在線社交網(wǎng)站，如Facebook，MySpace,人人網(wǎng)，開心網(wǎng)等都提供了相應的智能移動終端應用程序，讓用戶可以通過移動終端隨時進行訪問。移動社交網(wǎng)絡相較傳統(tǒng)社交網(wǎng)絡能為用戶提供無所不在的，更全面更便捷的服務，同時嚴重的隱私問題也引起了用戶的關(guān)注。移動社交網(wǎng)絡37第三十七頁，共46頁。WAP：將Internet內(nèi)容和數(shù)據(jù)服務帶入移動電話終端。移動即時通信：互聯(lián)網(wǎng)即時通信在移動通信網(wǎng)絡上的擴展手機廣告：針對目標人群，向特定地理區(qū)域提供直接的、個性化的廣告。手機游戲：移動網(wǎng)絡將大量手機用戶通過高速的數(shù)據(jù)鏈路連接在一起，使用戶可以進行更多有趣的交互式游戲其他應用38第三十八頁，共46頁。8.1移動通信發(fā)展歷史8.23G通信技術(shù)和標準8.3移動互聯(lián)網(wǎng)8.44G：下一代移動網(wǎng)絡本章內(nèi)容39第三十九頁，共46頁。4G：下一代移動網(wǎng)絡409月28年日，杭州、寧波、溫州三地移動公司實現(xiàn)4G手機全國首發(fā)。達到主流3G網(wǎng)絡網(wǎng)速的10多倍，延遲為3G的1/10.2013年國慶長假期間深圳推出全國首個4G即攝即傳行業(yè)應用。深圳衛(wèi)視新聞直播節(jié)目利用4G技術(shù)實現(xiàn)日常新聞的無線高清直播。與現(xiàn)場直播延遲小于1s。第四代移動通信系統(tǒng)IMT-Advanced（InternationalMobileTelecommunications-Advanced），俗稱4G。40第四十頁，共46頁。4G被稱為“多媒體移動通信”，在通信速度和智能性上是遠超過3G：4G的數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到10Mbps至20Mbps,最高甚至可以超過100Mbps，這個速率是目前移動電話數(shù)據(jù)傳輸速率的1萬倍，也是3G移動電話速率的50倍。利用高帶寬的優(yōu)勢，4G手機可以提供高性能的流媒體內(nèi)容，也可以實現(xiàn)高分辨率的電影和電視節(jié)目。技術(shù)上，4G將引入許多功能強大的突破性技術(shù)，使得對無線頻率的使用更加有效。這種有效性可以讓更多的人使用與以前相同數(shù)量的無線頻譜做更多的事情。4G：下一代移動網(wǎng)絡41第四十一頁，共46頁。2004年11月，3GPP在魁北克會議上決定開展3G系統(tǒng)的長期演進（LongTermEvolution）研究項目。形成對LTE系統(tǒng)的初步需求：提高峰值數(shù)據(jù)速率，改善小區(qū)邊緣速率，提高小區(qū)容量，提高頻譜利用率，降低系統(tǒng)延遲，并著眼于降低運營和建網(wǎng)成本。另外，該系統(tǒng)必須能夠和現(xiàn)有系統(tǒng)（2G/2.5G/3G）共存。LTE作為3G向4G演進的主流技術(shù)，通常也被人們稱為3.9G。LTE按照雙工方式可以分為兩種模式L