第4讲远程通信技术解剖

• CDMA移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率 再用等多种技术结合而成，因此它具有抗干扰性好、抗多 径衰落、保密安全性高和同频率可在多个小区内重复使用 等优点，所要求的载干比(C/I)小于1，容量和质量之间可 做权衡取舍。
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CDMA系统特点
• 系统容量大。设总频带为1.25MHz，FDMA(如AMPS)系统每小区 的可用信道数为7，TDMA(GSM)系统每小区的可用信道数为12.5 ，CDMA(IS-95)系统每小区的可用信道数为120。同时，在CDMA 系统中，还可以通过话音激活检测技术进一步提高容量。理论上 CDMA移动网容量比模拟网大20倍，实际要比模拟网大10倍，比 GSM要大4～5倍。
• 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带 宽资源（频率带宽）
频率
频率 5 频率 4 频率 3 频率 2 频率 1
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时间7
波分复用 WDM(Wave Division Multiplexing)
• 波分复用就是光的频分复用。
光调制器
0
1550 nm
1
1551 nm
2
1552 nm
信道 A1
信道 B1
信道 C1
A2
A1
A2
共享信道
B2
B1 复用
分用 B2
C2
C1
C2
(a) 不使用复用技术
(b) 使用复用技术
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频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing)
• 用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始 至终都占用这个频带。
• 1946年，贝尔系统在圣路易斯建立起了第一个可用于汽车的电话系统。 • 西德、法国和英国分别于1950年、1956年和1959年完成了公用移动电话
系统的研制。
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第一代移动通信：模拟语音
• 20世纪60年代，美国开始使用中小容量的改进移动电话系统IMTS。
✓IMTS有两个频率分别用于接收和发送功能。 ✓IMTS支持23个信道，频率范围为150～450MHz。
• 在一个大区域中只用一个基站覆盖的设计被成为大区制。
• 大区制有以下特点： ✓基站覆盖面积大 ✓发射功率大 ✓可用频率带宽有限，系统容量小 ✓适用于专业网，不适合商用
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第一代移动通信：模拟语音
• 1982年，为了解决大区制容量饱和的问题，美国贝尔实验室发明了高级 移动电话系统AMPS。
• 移动蜂窝区的理想形状是正六边形，每个小区 包含一个基站BS，每个基站包含若干套收发机 ，其有效覆盖范围决定于发射功率、天线高度 等因素，一般为几千米。
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第二代移动通信： 数字语音
第二代移动通信技术：数字制式
•支持传统语音通信、文字和多媒体短信 •支持一些无线应用协议
•900/1800MHz GSM移动通信
物联网技术概论
电子信息系
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远程通信概述 多路复用技术 CDMA通信系统 3G无线通信系统 卫星通信系统
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远程网络技术
•
物联网由各种无线和有线
网络组成，如下图所示。其
中远程网络（长距离网络）
，主要包括GPRS、3G等长
距离无线通讯网络及互联网
等有线网络，是物联网的传
100个10千米的蜂窝单元，从而可以保证每个频率上有10～15个电话呼叫。
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蜂窝移动通信系统
系统结构
• 每一个蜂窝单元有一个基站负责接收该单元中电话的信息。 • 基站连接到移动电话交换局（Mobile Telephone Switching Office, MTSO）。 • MTSO采用分层机制，一级MTSO负责与基站之间的直接通信；高级MTSO
• 频率规划简单。用户按不同的序列码区分，所以相同CDMA载波 可在相邻的小区内使用，网络规划灵活，扩展简单。
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远程网络发展过程
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➢第三代移动通信：数字语音与数据
• 第三代移动通信（3G）可以提供所有2G的信息业务，同时保证
更快的速度，以及更全面的业务内容，如移动办公，视频流服务等。 • 3G的主要特征是可提供移动宽带多媒体业务，包括高速移动环境
ABCDABCDABCDABCD …
TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧
时间
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时分复用可能会造成线路资源的浪费：使用时分复用系统传送计算机 数据时，由于计算机数据传送的突发性，用户对分配到的子信道的利用率 一般是不高的。
用户
Aa
a
Bb b
C
cc
D
d
时分复用 t
网络接入物联网的一个结构示意图。
4
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4
远程通信概述
• 远程通信（Telecommunication）：源于希腊语“远程”（Greek tele ，遥远的）和通信（communicate，共享）。指在连接的系统间，通 过使用模拟或数字信号调制技术进行的声音、数据、传真、图像、音 频、视频和其它信息的电子传输。
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CDMA系统
CDMA在蜂窝移动通信网络中的应用容量在理论上可以达到AMPS容量的
20倍。CDMA可以Fra bibliotek时区分并分离多个同时传输的信号。
CDMA有以下特点：
✓抗干扰性好 ✓抗多径衰落 ✓保密安全性高 ✓容量质量之间可以权衡取舍 ✓同频率可在多个小区内重复使用
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输网络和接入网络的重要组
成部分。
3
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3
远程网络技术
•
通过现有互联网、广电网络、移动通信网络或者未来NGN
网络(下一代网络)，实现数据的传输与计算。在传输网络产业影
响主要是带动现有网络升级以及下一代网络开发。
•
物联网传感层，获得的信息，将通过接入网络层（如接入
互联网或3G网络等远程网络）进行信息传输，下图是采用远程
• TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。
• 2时021/分6/11复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度9。
频率
A 在 TDM 帧中 的位置不变
ABCDABCDABCDABCD …
TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧
时间
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频率
B 在 TDM 帧中 的位置不变
• 保密性好。在CDMA系统中采用了扩频技术，可以使通信系统具 有抗干扰、抗多径传播、隐蔽、保密的能力。
• 软切换。CDMA系统中可以实现软切换。所谓软切换，是指先与
新基站建立好无线链路之后才断开与原基站的无线链路。因此，
2021软/6/1切1 换中没有通信中断的现象，从而提高了通信质量。
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• 软容量。CDMA系统容量与载干比有关，当用户数增加时，仅仅 会使通话质量下降，而不会出现信道阻塞现象。因此，系统容量 不是定值，而是可以变动的。因为在CDMA系统中，所有移动用 户都占用相同带宽和频率。我们可以将带宽想像成一个大房子， 所有的人将进入惟一的一个大房子。如果他们使用完全不同的语 言，就可以清楚地听到同伴的声音，而只受到一些来自别人谈话 的干扰。 在这里，屋里的空气可以被想像成宽带的载波，而不同 的语言即被当作编码，我们可以不断地增加用户，直到整个背景 噪音限制住了我们。如果能控制住每个用户的信号强度，在保持 高质量通话的同时，我们就可以容纳更多的用户了。
下支持144Kbps速率，步行和慢速移动环境下支持384Kbps速率，室内环 境则应达到2Mbps的数据传输速率，同时保证高可靠服务质量。 • 人们发现从2G直接跳跃到3G存在较大的难度，于是出现了一个2.5G（也 有人称后期2.5G为2.75G）的过渡阶段。
➢GSM移动通信
• GSM 数字蜂窝移动通信系统主要是由交换网路子系统（ NSS）、无线基站子系统(BSS)和移动台（MS）三大部 分组成，如图所示：
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➢码分多址CDMA
• CDMA（Code Division Multiple Access，CDMA） 系统，是采用CDMA技术的数字蜂窝移动通信 系统，简称CDMA系统。它是在扩频通信技术 上发展起来的。由于扩频技术具有抗干扰能力 强、保密性能好的特点，20世纪80年代就在军 事通信领域获得了广泛的应用。为了提高频率 利用率，在扩频的基础上，人们又提出了码分 多址的概念，利用不同的地址码来区分无线信 道。
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• CDMA系统是以扩频调制技术和码分多址接入技术为基 础的数字蜂窝移动通信系统，不同用户传输的信息是靠 各自不同的编码序列来区分的。信号在时间域和频率域 是重叠的，用户信号是靠各自不同的编码序列Ci 来区分 的。
W
O
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ci t
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• CDMA同时也是在FDMA和TDMA技术的基础上发展起来 的。与FDMA和TDMA相比，CDMA具有许多独特的优点 ，其中一部分是扩频通信系统所固有的，另一部分则是由 软切换和功率控制等技术所带来的。
①
t②
t③ ④
t
ab #1
bc
ca dt
#2
#3
#4
4 个时分复用帧
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第现一代代移移动动通通信信：：模拟语音
• 1928年，美国普度(Purdue University)大学的学生发明了超外差无线电 接收机，随后被美国底特律警察局利用并建立了世界上第一个移动通信 系统(车载无线电系统)。
✓工作在900/1800MHz频段 ✓无线接口采用TDMA技术，核心网移动性管理协议采用MAP协议
•800MHz CDMA移动通信
✓工作在800MHz频段，核心网移动性管理协议采用IS-41协议 ✓无线接口采用窄带码分多址（CDMA）技术
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GSM系统
GSM是一种蜂窝网络系统，蜂窝单元按照半径可以分为：
则负责低级MTSO之间的业务处理。
移交：当电话在蜂窝单元之间移动的时候，基站之间会通信，从而交换控
制权，避免信道分配不错导致信号冲突。基站对于电话用户控制权的转 换也称为“移交”。 ✓ “软移交”：用户通话保持连贯。 ✓ “硬移交”：老的基站需要停止用户通话。
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蜂窝移动通信系统
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1553 nm 复
4
1554 nm 用
5
1555 nm 器
6
1556 nm
7
1557 nm
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8 2.5 Gb/s 1310 nm
20 Gb/s EDFA
120 km
光解调器
1550 nm
0
1551 nm
1
1552 nm
2
分 1553 nm
3
用 1554 nm
4
器 1555 nm
5
✓宏蜂窝：覆盖面积最广，基站通常在较高的位置，例如山峰 ✓微蜂窝：基站高度普遍低于平均建筑高度，适用于市区内 ✓微微蜂窝：室内，影响范围在几十米以内 ✓伞蜂窝：填补蜂窝间的信号空白区域
GSM后台网络系统包括以下模块系统：
✓基站系统，包括基站和相关控制器 ✓网络和交换系统，也称为核心网，负责衔接各个部分 ✓GPRS核心网，可用于基于报文的互联网连接，为可选部分 ✓身份识别模块，也称为SIM卡，主要用于保存手机用户数据
• 数字通信相比模拟通信：
– 抗干扰能力强；
– 远距离传输仍能保持质量；
– 适用于各种通信业务要求、便于实现统一的综合业务数字网
– 便于采用大规模集成电路
– 便于实现加密处理
– 便于实现通信网的计算机管理
• 数模变换AD（抽样、量化、编码）与模数变换DA。
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多路复用技术
复用（Multiplexing）是通信技术中的基本概念。
ABCDABCDABCDABCD …
TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧
时间
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频率
C 在 TDM 帧中 的位置不变
ABCDABCDABCDABCD …
TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧
时间
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频率
D 在 TDM 帧中 的位置不变
1556 nm
6
1557 nm
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时分复用 TDM(Time Division Multiplexing)
• 时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（ TDM 帧），每个用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时 隙。
• 每个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。
• AMPS提出了“小区制”，“蜂窝单元”的概念，是第一种真正意义 上的“蜂窝移动通信系统”，同时采用频率复用（Frequency Division
Multiplexing, FDM）技术，解决了公用移动通信系统所需要的大容量要求 和频谱资源限制的矛盾。
• 100千米范围之内，IMTS每个频率上只允许一个电话呼叫；AMPS以允许