《现代通信系统》课件第七章.ppt
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1、第七章 数字移动通信技术第七章第七章 数字移动通信技术数字移动通信技术第七章 数字移动通信技术7.1 移动通信概述7.1.I 移动通信的概念及特点移动通信的概念 移动通信就是指通信的双方至少有一方在移动中进行信息的交流。这里的信息应是广 义的,它包括了话音、数据、传真、图像和多媒体信息业务。这里的双方可以是同定点与 交通工具之间,或者人与机器之间,或者人与人之间的信息交流,如同7.1所示。第七章 数字移动通信技术从技术角度看,移动通信指通信双方至少有一方是利用便携无线终端(可移动)通过元 线传输方式接入网络与其他终端用户进行通信的一种方式。按照移动体所处的位置不同移动通信可分为陆地移动通信系统
2、、海上移动通信系统 和卫星移动通信系统。其中陆地移动通信系统又包括蜂窝系统、集群系统、无绳电话系统、无线电传呼系统等。蜂窝系统是槌盖范阳最广的陆地公用移动通信系统。本章以蜂窝移动 通信系统为例进行分析。第七章 数字移动通信技术2.移动通信的特点 根据移动通信的定义及其无线电波传播特性可知,陆地移动通们有以下特点:I)电波传播条件恶劣 由于移动体米往于地面的建筑群和各种障碍物之中根据电波传播的特性会发生直 射、折射、绕射等各种情况,从而使电波传播的路径不同使接收端收到的信号是这些信 号的合成波。移动体(汽车)在不同位置、不同方向接收到的合成波信号强度会有起伏,而且相差很大,可达30 dB以上。图
3、7.2所示的这种现象称为衰落,它严重地影响着通话质量。第七章 数字移动通信技术电波传播引起信号变坏的例子很多,如接收差转电视时,在接收天线的不同位置,图 像质量会发生很大差别,有的位置图像清晰,有的位置雪花点严重,有的位置图像模糊不 清,有的位置出现许多重影等等。这就是由于电波通过传播,到室内天线时,已经过了电 波直射、折射,到家庭中时,又经过房屋四壁反射,这些不同强度相位波的叠加就形成了 上面的多种现象。这种现象我们称之为多径衰落。多径衰落直接影响了电视图像质量,如 图7.3所示。以上的例子只是对于固定于室内的电视机而言,而对于移动通信系统来讲,情况就复杂多了。因一方在经常移动,要保证通信质
4、量,就必须使移动通信设备有一定抗 衰落能力和储备。在设计移动通信系统时就要进行这方面的考虑。图7.3 多径传播 第七章 数字移动通信技术如图7.3所示。以上的例子只是对于固定于室内的电视机而言,而对于移动通信系统来讲,情况就复杂多了。因一方在经常移动,要保证通信质量,就必须使移动通信设备有一定抗 衰落能力和储备。在设计移动通信系统时就要进行这方面的考虑。第七章 数字移动通信技术在移动通信中,接收信号的强弱值称为场强。为了表征电波传播的特性,特用统计分 析的方法,采用统计的数字特征来描述。(1)场强中值。具有50%概率的场强值称为场强中值,这是一个统计平均值,如图7.4 所示。在图中,场强变化曲
5、线高于规定电平值的持续时间占统计时间半时,则所规定的 那个电平值即为场强中值。图中的T为统计时间,规定电平值为Eo。在周期T内,高于Eu的值的时间段有t1,t2,t3,。如果统计时间T足够长,则在T时间内超过Eo的概率为P(%)=(t1+t2+t3)/T*100%在上式统计时间T内,当超过Eo值的百分比为50%时,即称E。为场强中值。第七章 数字移动通信技术第七章 数字移动通信技术依次类推,当概率超过50%时,称80%或90%棋率场强值。在实际的应用中,场强中 值恰好等于接收机的最低门限值,即通信的可通率为50%,这就是说只有50%能维持正常 通信。因此,在实际应用中要使场强中值远大于接收机门
6、限,才能在绝大多数时间保证通 信正常进行。(2)衰落深度。衰落深度定义为接收的电平值与场强中值电平之差,即以场强中值电 平为参考电平,表明信号起伏偏离其中值电平的幅度。这是电波衰落程度的一种量度(即 数字特征),用电平表示为衰落深度/dB=201gEi/E0式中:Ei,为接收电平值;E0为场强中值。第七章 数字移动通信技术(3)衰落速率。衰落速率描述接收信号场强变化快慢,即衰落的频繁程度。衰落速率 与工作频率、移动体行进速度及行进方向有关。工作频率越高衰落越快,行进速度越快衰落越快,其平均衰落速率表示为 N=v/(/2)=1.85x103.v.f(Hz)式中:N为衰落速率;u为移动体速度,单位
7、为km/h;为波长,应与u同单位(km);j为 频率,一般以MHz为单位。(4)衰落持续时间。衰落持续时间是指场强低于某一给定电平值的持续时间。在移动 通信中常会出现移动台收不到电台信号或者中断了信号的情况。这种情况是由于接收到 的信号电平值低于接收机门限电平所致。第七章 数字移动通信技术2)在强干扰条件下工作 移动通信,特别是陆地移动通信的电波在地面受到许多干扰和噪声。噪声主要是人为噪声,如汽车点火、电火花、发动机噪声等。主要的干扰是内部的干扰,有互调干扰、同频干扰、多路干扰、邻道干扰等。另外,还 有雷达以及其他种类的移动信号干扰等。3)具有多普勒频移效应 当移动体运动达到一定的速度时句设备
8、接收的载波频率将会随运动速度变化而产生频 移,这种现象称为多普勒频移。用公式表示为fd=v/cos式中,u为运动体速度;A为接收信号的波长;为电波到达时的入射角第七章 数字移动通信技术4)移动用户经常移动 由于移动体经常移动,它与固定点元固定联系,加之开、关的随意性以及电池更换等 原因,带来了呼叫、接续等的复杂情况。所以在移动通信网的信号设计时要考虑的因素很 多,因此技术复杂,同时也带来了设备价格昂贵影响普及程度等缺点。第七章 数字移动通信技术7.1.2 蜂窝移动通信的概念1.移动通信系统组成 这里主要谈陆地移动通信,以GSM系统为例,它一般由移动台(MS)、基站CBS)及移 动交换中心(MS
9、C)组成为移动通信网CPLMN),移动通信网又通过中继线与市话通信网 CPSTN)连接,如图7.5所示。第七章 数字移动通信技术在此移动通信系统中移动部分体现在基站与移动台之间,这是移动通信的主体部 分。每个基站都有一个可靠的通信服务范围,称之为无线小区。元线小区有大、小覆盖区之分。覆盖区的大小主要由基站天线的发射功率和天线高度决定。移动交换中心主要用来 处理信息交换和信息处理以及系统的集中控制管理。大容量移动通信系统由若干个基站构 成移动网,交换中心也不止一个。这样,由移动交换中心、基区、小区组成一个移动通信的 业务区(服务区),如图7.6所示第七章 数字移动通信技术第七章 数字移动通信技术
10、2.蜂窝移动通信无线覆盖区结构 1)大区制大区制就是在一个基站天线覆盖区内的移动用户,只能在此区域完成联络与控制。它 的特点是:基站只有一个天线,架设高、功率大,覆盖半径也大,一般用于集群通信中。此 种方式的设备较简单,投资少,见效快,但频率利用率低,扩容困难,不能漫游。第七章 数字移动通信技术2)小区制 小区制就是将整个业务区(服务区)划分为若干小区,在小区中分别设置基站,负责本 小区移动通信的联络控制,如图7.7所示。从图中可看出:小区制通信中各基站的频率组 配备,一定要使相邻基站天线覆盖区不相同,否则会引起干扰。图中每个基站使用了3对 频率,可见小区越多覆盖面就越大,用户就越多,从而也可
11、提高频率的复用度。如f1,f2这对频率不是相邻基区也可配备,这是公用陆地移动通信采用的天线覆盖方式。第七章 数字移动通信技术3)小区制的划分方法 考虑服务对象及频率组不相互干扰等因素,小区制一般分为带状服务区和面状服务 区。图7.8所示为带状服务区的情况。为避免邻接小区使用相同频率,造成干扰(同频干扰),因而采用不同频率组,在带状 情况下可配备双组(群)频率。但是也可能发生干扰,如图7.9所示,因此也可配备三组或 四组等。面状服务区是陆地移动通信的主要方式,对它的分析比对带状的分析要复杂得多。要 组成一个面状服务区,各小区可用三角形、圆形、矩形(正方形)、正多边形等形状,如图 7.10所示。第
12、七章 数字移动通信技术图7.8 带状网络图7.9 同频干扰示意罔图7.10 组成面状服务区各种小区的形状第七章 数字移动通信技术以上组成面状服务区的各小区形状,究竟取什么样的小区好呢?一般从以下几方面考虑:(1)邻接小区中心间距d越大越好,间隔大则干扰就会小,从这个角度看,以正六边形小区为优。(2)单位小区的有效面积越大越好,面积大则使一个区域小区个数少,使用频率数少。从图中可看出,正六边形面积大以此小区彼此邻接构成面状服务区最经济。(3)交叠区域面积小为好,这可使同频干扰最小,从图中看出,以正六边形为好。(4)交叠距离要小,使移动通信便于跟踪交接,从图中看出,以正六边形为好。(5)所需元线电
13、频率个数越少越好。图7.10中各小区形状对应的最少无线频率个数 如图7.11所示。从图中看出,以正六边形为最好,只使用3组频率。第七章 数字移动通信技术第七章 数字移动通信技术通过上面的分析可知,用正六边形无线小区邻接,构成整个面状服务区是最好的。在 现代的移动通信中,一般都采用这种电波覆盖区域。由正六边形构成的面状服务区的形状 很像蜂窝,所以称为蜂窝式移动网。4)蜂窝无线区移动通信网 通常在陆地公用移动通信网,都是由上面分析所得出的结论:由若干正六边邻接小区 组成一个无线覆盖区群,再由若干无线区群构成整个服务区。单位无线区群构成应有两个 基本条件:Cl)若干个单位无线区群正六边形彼此邻接组成
14、蜂窝式服务区。(2)邻接单位无线区群中的同频无线小区的中心间距相等。在满足t述条件情况下,构成单位元线区群的小区个数N为 第七章 数字移动通信技术N=a2+ab十b2(7.1.6)式中,a、b均为正整数,其中一个可以为零,根据关系式可求出N为3,4,7,9.根据以上构成条件可知,N个单位无线区群构成的服务区域如图7.12所示。第七章 数字移动通信技术从图中可看出,单位邻接无线区群中,同频无线小区的中心间距d,与小区个数N、小 区半径r之间的关系为dg/r=3N有3个、4个、7个无线小区构成的单位元钱区群,ft;基站可设置在各自元线小区顶 点也可设置在小区中心。然后可配置7个或多个元线覆盖区,如
15、通常使用的73(21)个 信道组。3.移动通信中的切换、交接与漫游 在罔7.12中,有由三个单元无线小区组成的邻接无线区群构成的覆盖区。图7.13所 示为三叶草形结构,基站在三个小区顶点,向三个方向以不同频率组覆盖,有时又称之为顶 点激励方式,采用120。的定向天线辐射电波进行元线信号覆盖。从图7.13中看出,如果配 置三组频率,由于天线的方向性提供了一定的隔离度,因而在小区中信号不会产生干扰。第七章 数字移动通信技术当移动体在运动中,从个小区向另一个小区运动时,信道要发生转换,这就是移动通 信中的切换,或称交接。如图7.14所示,当移动体从基区l(BSI)向基区2(BS2)过渡时,这时 信道
16、要进行转换这种转换叫做切换(交接)。切换可发生在同一基区的不同小区,也可发生 在不同基区的不同频率组,也可发生在不同的移动交换区,如图7.15所示。只要是陆地公用 蜂窝移动通信网,都存在这几种小区的信号切换。其交接过程中,首先是基站监测移动台信 号强度,当信号降低到某一限值时就请求切换;比较周围邻接小区接收到移动台的信号强弱,当某一基站的小区信号较强时,就切换到此基站的小区,通过信道转换继续进行通话。第七章 数字移动通信技术7.13 三叶草形(每个基站三个无线小区)7.14 同一交换区的切换示意图7.15 不同交换区的t)J换示意图第七章 数字移动通信技术漫游是指移动台在某地登记进网后,可在异
17、地同样进行呼叫处理通信。这里的异地,是指不同地区,不同省,甚至不同国家都同样能通过漫游进行通信联系。正因为移动通信 能在全国、全世界漫游,因此才有现在这样的飞速发展。但是,这种漫游的无线电信号,其 覆盖还是小区制的蜂窝移动通信系统,是由移动通信网来实现的,有的称之为世界陆地移 动通信网,又称为全球通。全球通的蜂窝移动通信网有一个制式的问题,如果是同一制式,则很容易实现(切换)交接与漫游。世界上有多种制式的蜂窝移动通信系统,就数字移动通信而言,就有GSM,D-AMPS,D-NTT等。如模拟系统有AMPS和TACS制等。我国模拟系统曾经采用 TACS制,数字系统采用GSM制。第七章 数字移动通信技
18、术7.1.3 移动通信的分类 1.寻呼系统 寻呼系统是一种较早的点对面覆盖的单向呼叫系统。它由寻呼控制中心、基站和寻呼 接收器CBP机)三部分组成,如图7.16所示。第七章 数字移动通信技术这种无线寻呼系统提供简单的信息,用数码管和小荧光显示屏显示数字号码或简单语 言,用户一看就知道其内容。所谓单向,是指此系统只实现市话用户呼叫(BP机)。如要回 话则要利用其他电话。由于此系统设备简单,覆盖面宽,接收机体积小、重量轻、价格便宜,在20世纪80年 代末得到了广泛应用。随着手机的出现,2005年以后已淡出中国的舞台。2.集群移动通信 集群移动通信系统是一种专用调度系统,它由控制中心、基站、调度台、
19、移动台组成。第七章 数字移动通信技术这是一种在一定范围内使用的移动通信系统,通常采用大区制覆盖,如图7.17所示。此系 统是独立的,自成系统的,如车辆调度、公安或交警等部门自己安装的系统等。3.无绳电话系统 无绳电话系统是一种市话网延伸的双工元线通信系统。它由基站和手机组成,如图 7.18所示。此种系统的特点是无线覆盖范围小发射功率低,服务范围有限,如楼内通信、家中居室的通信等。还有一种公用元绳电话系统,如英国推出的CT-2系统,如图7.19所示。此种系统可设多个基站,容纳多个用户,但服务半径很小,一般为几百米,发射功率也 很小,一般为几十毫瓦至几百微瓦,此系统也可称为移动接入系统。第七章 数
20、字移动通信技术图7.18 元绳电话系统的组成图7.17 集群系统的组成第七章 数字移动通信技术上三种移动通信系统都是借助于市话网来实现的。4.陆地蜂窝移动通信系统 这是一种公用的、广泛采用的移动通信系统,是我们专门讨论的内容。目前,我国正 在使用的有2G、3G、4G移动通信系统。随着技术的快速发展,5G移动通信系统也正在研发中。第七章 数字移动通信技术5.卫星移动通信系统卫星移动通信系统 陆地移动通信中,在海洋、沙漠、森林、高山等处的蜂窝移动通信由于基站的位置不 易选定,因此形成无线小区覆盖很困难只能利用卫星的电波覆盖,特别是对人烟稀少地 区的通信只能用卫星移动通信来实现。卫星移动通信有两种:
21、一种是利用静止卫星(同步 卫星)来设计的系统,如第6章讲到的海事卫星通信系统;另一种是低轨道的卫星移动通 信系统,如美国MOTOROLA公司推出的镇卫星移动通信系统等。6.其他移动通信系统 由于无线通信迅猛发展,移动通信应用领域更广,如在工业中应用的IEEE 802.116 和蓝牙技术的移动接入系统已经商用。第七章 数字移动通信技术7.2 第二代移动通信系统第二代移动通信系统 2Gi:才代从20世纪80年代中期开始,2G是第二代移动通信技术规格的简称。第二代 移动通信、系统采用数字移动通信技术,解决了模拟系统中存在的技术缺陷主要采用的是 时分多址CTDMA)技术和码分多址(CDMA)技术,以G
22、SM和IS-95为代表。欧洲首先推 出了泛欧数字移动通信网(GSM)的体系,随后,美国和日本也制订了各自的数字移动通信 体制。数字移动通信网相对于模拟移动通信,提高了频谱利用率,支持多种业务服务,并 与ISDN等兼容。第二代移动通信系统以传输话音和低速数据业务为目的,因此又称为窄 带数字通信系统。第二代数字蜂窝移动通信系统的典型代表是美国的DAMPS系统、IS-95和欧洲的GSM系统。第七章 数字移动通信技术7.2.1 GSM系统 GSM数字移动通信系统是由欧洲主要电信运营商和制造厂家组成的标准化委员会设 计出来的,它是在蜂窝系统的基础上发展而成的。1991年在欧洲开通了第一个系统,同时 Mo
23、U组织为该系统设计和注册了市场商标,将GSM更名为“全球移动通信系统”(Global System for Mobile Commur山ations)。从此移动通信的发展跨入了第二代数字移动通信系 统的时代。GSM系统是基于时分多址CTDMA)技术的已全球化,我国广泛应用的也是GSM系 统。GSM具有的重要特点有:频i普效率高、网络容量大、手机号码资源丰富、话音质量清 晰、稳定性强不易受干扰、开放的接口、安全性强等。第七章 数字移动通信技术1.GSM系统组成及功能 GSM移动通信系统主要由交换系统(移动交换中心MSC)、基站系统CBSS)、移动终 端(移动台MS)和操作维护中心COMC)等几大
24、部分组成,其结构如图7.20所示。图中各部 分功能如下:Cl)MS:为移动台,指个人手机、车载站或船载站等。(2)BSS:基站系统它由基站控制器BSC和基站收发信台BTS两部分构成。BSS由 移动交换中心MSC控制,而BTS受BSC控制。第七章 数字移动通信技术第七章 数字移动通信技术(3)MSC:移动交换中心,这是该系统对移动用户进行控制、管理的中心,它要完成 移动通信系统的用户信号交换、号码转换、漫游、信号强度检测、切换(交接)、鉴权、加密 等多项功能。(4)HLR:本地用户位置寄存器,每个移动用户都首先要在原址进行位置注册登记。在此寄存器中主要存储两类信息:一是有关用户的参数;二是有关用
25、户的当前位置信息。第七章 数字移动通信技术(5)VLR:外来用户位置寄存器,是漫游移动用户进网必须存储的有关数据的储存器 它是MSC区域的MS来去话需检索信息的数据库。用以存储呼叫处理存放数据、识别号 码、用户号码等。(6)EIR:设备识别寄存器,是存储移动台设备参数的数据库,主要完成对移动台的识 别、监视、闭锁等功能。(7)AUC:鉴权中心,它是认证移动用户身份和产生相应鉴权参数的功能实体。(8)OMC:操作维护中心,它是操作维护GSM蜂窝移动通信网的功能实体。第七章 数字移动通信技术2.GSM系统的接口 移动通信系统各部分组成要互通。各种功能的完成不是独立的动作,而是相互紧密地 联系的,因
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