《物联网导论》课件第6章长距离无线通信之移动通信网络.pptx
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1、第6章长距离无线通信之移动通信网络蜂窝网络蜂窝网络 对于同样大小的服务区域,采用正六边形构成小区所需的小区数最少,无重叠区,故所需的频率组数也最少,最经济。仅有理论分析和设计意义。把移动电话的服务区分为一个个正六边形的子区,每个小区设一个基站。形成了形状酷似“蜂窝”的结构,因而把这种移动通信方式称为蜂窝移动通信方式。应用原因 蜂窝网络被广泛采用的原因是源于一个数学结论,即以相同半径的圆形覆盖平面,当圆心处于正六边形网格的各正六边形中心,也就是当圆心处于正三角网格的格点时所用圆的数量最少。虽然使用最少个结点可以覆盖最大面积的图形即使要求结点在一个如同晶格般有平移特性的网格上也仍是有待求解的未知问
2、题,但在通讯中,使用圆形来表述实践要求通常是合理的,因此出于节约设备构建成本的考虑,正三角网格或者也称为简单六角网格是最好的选择。这样形成的网络覆盖在一起,形状非常象蜂窝,因此被称作蜂窝网络。大区制在一个服务区域(如一个城市)内只有一个基站,并由它负责移动通信的联络和控制。大区制移动通信网BSMS1MS3MS2早期的移动通信网一般是大区制主要特点:基站天线很高,几十几百米基站发射功率大:50200W覆盖半径:3050km优点:网络结构简单,成本低缺点:频谱利用率低,服务性能差,容量小,一般用户几十几百个,一般用于专网。提高覆盖半径是大区制需解决的问题决定覆盖半径的因素:地球的曲率限制了传输的极
3、限范围地形环境影响,信号传播可能产生盲区多径反射限制了传输距离移动台发射功率小,上行信号传输距离有限(上下行传输增益差可达612dB)解决上行问题的办法:如图,设置分集接收台基站发射用全向天线,接收用定向天线提高基站接收灵敏度 大区制设置分集接收台示意图MS1MS2BSRdRdRd小区制网构成方式基本概念小区制:利用频率复用的概念,将整个服务区域划分成若干个小区,每个小区分别设置一个低发射功率的基站,负责本小区的通信。频率复用:N个相邻的小区组成一个区群(簇)将可供使用的频道划分成N组区群内的每个小区使用不同的频率组相邻区群重复使用相同的频率组分配模式基本小区有:(r0:小区半径)超小区:r0
4、 20km(农村)宏小区:r0 120km(人口稠密地区)微小区:r0 0.11km(城市繁华区)微微小区:r0 0.1km(办公室、家庭)优点:提高频率利用率,组网灵活缺点:网络构成复杂按服务区形状分:条状服务区、面状服务区用户的分布呈条状(或带状),如铁路、公路、沿海水域等。小区 条状服务区条状服务区条状服务区ABABABABCABCABCDABCD可采用多个频率复用二频复用三频复用四频复用组网时需确定重叠区及载波/同频干扰比:重叠区重叠区太大,越区干扰大重叠区小,弱电场区可能多。f1ABf2af1ABf2a面状服务区面状服务区指服务区不呈条状而是一个宽广的平面小区形状:应该是规则结构:圆
5、形(全向天线),三角形,正方形,六边形r按基站对小区的覆盖方式:中心激励:基站位于小区中心,有时会有辐射阴影。顶点激励:在顶点上设置基站,并采用三个互成120的定向天线,以避免辐射阴影。簇(区群):共同使用全部可用频率的N个小区叫做一簇(区群))若N越小,则系统中区群复制得越多,系统容量越大,频率的利用率越高。N叫做区群的大小,典型值3、4、7、9、12、构成蜂窝网的二次几何图形设蜂窝移动系统共有S个不同的双向信道其簇的大小为N簇内每个小区分配有K个信道,小区间信道分配各不相同簇在系统中复制M次则 S=KN C=MKN=MSAAABCCCBBBCA 簇内同频小区位置的确定 沿着任意一条六边形边
6、的垂线方向移动a个小区,并逆时针方向旋转60,再移动b个小区。图 2.3 确定同频小区的方法AaADb常见正六边形小区群的图案ACBN=3,a=1,b=1DACBN=4,a=0,b=2N=7,a=1,b=2DCBAEFG1G 1G-模拟蜂窝移动技术模拟蜂窝移动技术1946年 移动电话服务在美国出现1947年 贝尔实验室提出蜂窝移动概念50至60年代 贝尔实验室发展了蜂窝无线电话原理美国 AMPS,英国TACS,北欧NMT 1981(Nokia/Mobira,Erricson)1987年TACS进入中国运营2001年12月31日我国关闭模拟移动网络出身多址方式:FDMA无数据传输能力特点频分多址
7、FDMA(Frequency Division Multiple Access/Address),有许多不同技术可以用来实现信道共享。把信道频带分割为若干更窄的互不相交的频带(称为子频带),把每个子频带分给一个用户专用(称为地址)。这种技术被称为“频分多址”技术。频分复用(FDM)是指载波带宽被划分为多种不同频带的子信道,每个子信道可以并行传送一路信号的一种技术。频分复用技术下,多个用户可以共享一个物理通信信道,该过程即为频分多址复用(FDMA)。FDMA 模拟传输是效率最低的网络,这主要体现在模拟信道每次只能供一个用户使用,使得带宽得不到充分利用。第一代移动通信技术(1G)是指最初的模拟、仅
8、限语音的蜂窝电话标准,制定于上世纪80年代。Nordic移动电话(NMT)就是这样一种标准,应用于Nordic国家、东欧以及俄罗斯。其它还包括美国的高级移动电话系统(AMPS),英国的总访问通信系统(TACS)以及日本的JTAGS,西德的 C-Netz,法国的Radiocom 2000和意大利的RTMI。模拟蜂窝服务在许多地方正被逐步淘汰。第一代移动通信主要采用的是模拟技术和频分多址(FDMA)技术。由于受到传输带宽的限制,不能进行移动通信的长途漫游,只能是一种区域性的移动通信系统。第一代移动通信有多种制式,我国主要采用的是TACS。第一代移动通信有很多不足之处,如容量有限、制式太多、互不兼容
9、、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务和不能提供自动漫游等。2G2G -数字蜂窝移动技术数字蜂窝移动技术 全球移动通讯系统Global System of Mobile communication就是众所周知的GSM,是当前应用最为广泛的移动电话标准。全球超过200个国家和地区超过10亿人正在使用GSM电话。GSM标准的无处不在使得在移动电话运营商之间签署漫游协定后用户的国际漫游变得很平常。GSM 较之它以前的标准最大的不同是他的信令和语音信道都是数字式的,因此GSM被看作是第二代(2G)移动电话系统。这说明数字通讯从很早就已经构建到系统中。GSM是一个当前由3GPP开发的开放标准。蜂窝无
10、线通信系统蜂窝无线通信系统 蜂窝概念是解决频率不足和用户容量问题的一个重大突破,是一种系统级的概念。频率复用 越区切换信道分配 干扰 小区分裂 GSMGSM的系统构成的系统构成 GSMGSM的系统构成的系统构成交换分系统(交换分系统(MSSMSS)基站分系统(基站分系统(BSSBSS)移动台(移动台(MSMS)操作与维护分系统(操作与维护分系统(OMSOMS)GSMGSM系统的网络结构系统的网络结构 GSMGSM系统的无线传输标准系统的无线传输标准无线通道信号传输的规范就是所谓的无线接口(Radio Interface),又称Um接口。GSM的传输包括连接移动用户的无线传输技术,以及连接交换网
11、络的有线传输技术。GSM系统将无线频率定在900MHz范围,第二阶段DCS为1800MHz。频段:上行线路 MS发,BTS收的频段为890915MHz;下行线路 BTS发,MS收的频段为935960MHz;频带宽度:25MHz;上下行频率间隔:45MHz;载频间隔:200KHz;通信方式:全双工;信道分配:每载频8个时隙,包含8个全速信道,16个半速信道;每个时隙的信道速率:22.8kbit/s;信道总速率:270kbit/s;调制方式:GMSK,高斯滤波最小频移键控;接入方式:TDMA;话音编码:规则脉冲激励线性预测编码RPELPC 13kbit/s;分集接收:跳频每秒217跳,交错信道编码
12、,自适应均衡。GSM系统的无线传输语音传输GSM内部的传输语音传输语音传输2.5G-GPRS2.5G-GPRSGPRS是通用分组无线业务的简称,是在GSM系统上发展出来的一种新的承载业务,目白是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS采用与GSM同样的无线调制标准、频带、突发结构、跳频规则以及同样的TDMA帧结构。GPRS允许用户在端到端分组模式下发送和接收数据,而不需要利用电路交换模式的网络资源,从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。和GSM通信网络相比,技术特点如:1、资源利用率高;2、传输速率高(64-128Kbps);3、接入时间短;4、支持IP协议和X.25 协议;5、低
13、成本,以通信的数据量为主要依据进行计费;GPRS经常被描述成“2.5G”,也就是说这项技术位于第二代(2G)和第三代(3G)移动通讯技术之间。它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道,提供中速的数据传递。GPRS突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式,只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换,这种改造的投入相对来说并不大,但得到的用户数据速率却相当可观。而且,因为不再需要现行无线应用所需要的中介转换器,所以连接及传输都会更方便容易。如此,使用者既可联机上网,参加视讯会议等互动传播,而且在同一个视讯网络上(VRN)的使用者,甚至可以无需通过拨号上网,而持续与网络连
14、接。GPRS分组交换的通信方式在分组交换的通信方式中,数据被分成一定长度的包(分组),每个包的前面有一个分组头(其中的地址标志指明该分组发往何处)。数据传送之前并不需要预先分配信道,建立连接。而是在每一个数据包到达时,根据数据报头中的信息(如目的地址),临时寻找一个可用的信道资源将该数据报发送出去。在这种传送方式中,数据的发送和接收方同信道之间没有固定的占用关系,信道资源可以看作是由所有的用户共享使用。由于数据业务在绝大多数情况下都表现出一种突发性的业务特点,对信道带宽的需求变化较大,因此采用分组方式进行数据传送将能够更好地利用信道资源。GPS是英文Global Positioning Sys
15、tem(全球定位系统)的简称。GPS起始于1958年美国军方的一个项目,1964年投入使用。20世纪70年代,美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS。主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务,并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的,经过20余年的研究实验,耗资300亿美元,到1994年,全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。GPS3G G第三代移动通信技术,是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送声音及数据信息,速率一般在几百kbps以上。3G是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统,目前3G存在
16、四种标准:CDMA2000,WCDMA,TD-SCDMA。1940年,美国女演员海蒂拉玛和她的作曲家丈夫提出一个Spectrum(频谱)的技术概念,这个被称为“展布频谱技术”(也称码分扩频技术)的技术理论在此后带给了我们这个世界不可思议的变化,就是这个技术理论最终演变成我们今天的3G技术,展布频谱技术就是3G技术的根本基础原理。海蒂.拉玛最初研究这个技术是为了帮助美国军方制造出能够对付纳粹德国的电波干扰或防窃听的军事通讯系统,因此这个技术最初的作用是用于军事。二战结束后因为暂时失去了价值,美国军方封存了这项技术,但它的概念已使很多国家对此产生了兴趣,多国在60年代都对此技术展开了研究,但进展不
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