移动通信基本原理
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移动通信网：由若干个移动用户构成一个系 统，系统内的用户可以在无线电波覆盖范围 内的任何地方相互通信。
202019/5/13
15
移动通信特点
移动通信特点：
移动通信的传输信道必须使用无线电波 信道传输特性较复杂，不稳定 所用的无线电频率有限 移动通信综合了各种通信技术 对设备要求苛刻
202019/5/13
智能天线
是通过反馈控制去自动调节自身天线波束成型 模型的自适应天线阵。
202019/5/13
55
天线技术
智能天线的优越性
1. 提高了基站接收机的灵敏度 2. 提高了基站发射机的等效发射功率 3. 降低了系统的干扰 4. 增加CDMA系统容量 5. 改进了小区的覆盖 6. 降低了天线基站的成本
202019/5/13
移动通信基本原理
202019/5/13
武汉邮 电 科学研究院 武汉虹信通信技术有限责任公司
1
主要内容
通信概述 移动通信系统特点
202019/5/13
2
定义
通信：由一个地方向另一个地方传递和交换信息 信息：Voice, Data, Video, Multimedia
202019/5/13
3
模型
通信系统模型 信源：Voice, Data, Video, Multimedia
202019/5/13
35
大区制
一个基站覆盖整个城市
通信质量差 频率利用率低 系统容量小
202019/5/13
36
小区制
使用特定频率覆盖范围控 制在一定面积范围内
这个面积叫做小区 达到频率的再用 系统容量大增
202019/5/13
37
载噪比
载波噪声比：
Carrier to Interference ratio 载波信号是已经调制后的信号
反向闭环功率控制 前向功率控制
202019/5/13
49
地址码的选择
地址码的选择直接影响到CDMA系统的容量、抗干扰能 力、接入和切换速度等性能
地址码提供的码序列应接近白噪声特性，同时编码方 案简单，保证具有较快的同步建立速度
长度为215 的PN序列
用于区分不同的基站信号
长度为242－1 的PN序列
202019/5/13
52
语音编码
编码与解码 语音编码的目标是既能维持一定的语音质量， 又能较大程度的降低数据量。包括波形编码和 声源编码。 自适应多速率（AMR）语音编码：
AMR语音编码器的采用允许系统根据信道的 情况在总的信道传输速率不变的情况下，改变信源和 信道的编码速率，达到高的频谱利用率。
传输链路
传输链路是信息的传输通道，是连接网路节点的媒介。
交换设备
构成通信网的核心要素。 交换方式：电路交换方式和存储转发方式。
202019/5/13
8
功能分类
业务网
按功能分：用户接入网、交换网和传输网
202019/5/13
9
支撑网
支撑网
信令网——只传送信令的网络，实现网络结点 之间（包括交换局、网络管理中心）信令的传 输和转接。 同步网——实现数字交换局之间、数字交换局 和传输设备之间的信号时钟同步。 管理网——实时或近实地监测点心网络的运行， 必要时采取控制措施。
GSM规范规定：MS载波频率应该精确到0.1ppm，或者 比较从BTS接受到的信令精确到0.1ppm（这些信令由于 多普勒频移将会有明显频率误差）
202019/5/13
22
结果：
实际场强
202019/5/13
23
远近效应
远近效应：无线系统中，两个离接收机距离远近 相差很大时，接收到的大信号对小信号的压制。
202019/5/13
20
多普勒频移
还有这些……
多普勒频移
f接收 fRF fV
一般可忽略此项， 除非移动速度非常 快
202019/5/13
21
从图中可以看出当MS的速度为100km/h时相对频率变化 为0.19ppm ，对于900M频率偏差为171Hz ，对于 1800M频率偏差为342Hz。
202019/5/13
40
欧洲、北美两强对峙，最具典型 特点的是GSM和CDMA系统
GSM（Global System for Mobile)
1982年6月欧洲邮电管理委员会（CEPT）组建 了移动通信特别小组GSM，研制泛欧移动通信 标准 目标：泛欧漫游，与ISDN互联，提供不同业务
1988年提出主要建议和标准 1991年7月多址方式为TDMA的GSM系统开始商用
202019/5/13
4
分类
通信的分类（不同的视角）
按传输媒介不同：有线和无线通信 按工作频段不同：长波、中波、微波、远红 外线通信 按信号特征：模拟信号和数字信号通信 按通信方式不同：单工、双工、半双工（准 双工）通信 按信号复用方式不同：FDMA、TDMA、CDMA 按通信的调制方式不同：线性调制、非线性 调制、数字调制等
202019/5/13
42
扩频通信的概念
定义：扩频技术是把信息的频率展宽进行传 输的技术。
目的：容量需求，据香农公式：C 直接序列扩频（DS）
B
log
2
(1
S N0
)(bit
/
s)
扩频的优越性
1. 抗干扰能力增强 2. 隐蔽性好 3. 可实现码分多址技术
202019/5/13
43
关于扩频码（PN码）
56
GSM手机与CDMA手机的比较
202019/5/13
41
CDMA（Code Division Multiple Access)
1990年CTIA和TIA制定了TDMA制式的 IS-54 标准 1992年Qualcomm(高通）公司提出 CDMA的数 字蜂窝通信系统的建议和标准 1993年被CTLA和TLA批准为中期标准 IS-95 1996年CDMA系统投入运营
16
有线系统
有线信道
Βιβλιοθήκη Baidu
OK!
202019/5/13
OK!
17
无线信道衰减
无线系统（Path loss）
202019/5/13
18
阴影衰落
不仅仅这些…… 慢衰落：由于地形起伏和沿途建筑
物的不一引起，也称为阴影衰落。
202019/5/13
19
也不仅仅这些……
快衰落：多径衰落， 衰落深度严重时达到 20—30dB。
202019/5/13
53
CDMA的信道调制
前向CDMA信道结构： 导频信道、同步信 道、寻呼信道（最 多7个）和若干业务 信道。在IS-95中每 个基站有64个信道。
反向CDMA信道结构： 只有反向业务信道 和接入信道。
202019/5/13
54
天线技术
阵列天线
多对振子组合构成天线阵。它们能形成不同指 向，不同辐射波束宽度的天线波束方向图。
202019/5/13
10
电信服务项目
一项公共服务并不能引起用户的兴趣， 除非它：
满足实际需求; 用得起; 广泛的传播 (已经吸引了很多用户); 易于使用 (提供方便的处理手段和快速响 应时间); 稳定和高可用性
202019/5/13
11
趋势
电信网发展趋势:
终端移动性 (无线接入); 个人和服务的移动性 (个人通信); 按需分配带宽 (增加透明度，更强灵活性); 多媒体(更加透明); 更强大用户接口 (友好的用户界面); 增值服务 (消息, 检索等); 高度集成。
在前向信道用于信号的保密，在反向信道用于区 分不同的移动台
Walsh序列：
在前向信道用于区分同一基站的不同信道，在反 向信道中用于对信号进行正交调整。
202019/5/13
50
软切换
所谓三软切换就是当移动 台需要跟一个新的基站通 信时，并不先中断与原基 站的联系。
软切换只能在相同频率的 CDMA信道间进行，它在两 个基站覆盖区的交界处起 到乐业务信道分集的作用
共道干扰
由相同频率的无用信号所造成的干扰 同波段复用距离 射频保护比：为保证接受机输入端信号与同波道干 扰之比大于某一数值，这一数值称作射频保护比
202019/5/13
29
时分多址
TDMA
202019/5/13
30
202019/5/13
31
时延
码间干扰：数字系 统特有的现象。 GSM系统中的TA值 是专门为了防止这 种干扰而设定的。
202019/5/13
38
小区分裂
全向小区：频率复用
小区分裂：复用距离更小
202019/5/13
39
第二代数字蜂窝移动通信系统
为了克服第一代蜂窝移动系统的局限性， 北美、欧洲、日本自80年代中期相继为 第二代蜂窝系统制定了三种不同的标准
北美IS-54（扩容，数模兼容） 欧洲GSM（统一制式） 日本JDC（向北美靠拢，数模并存互通）
202019/5/13
12
移动通信系统基础
基本概念 移动通信的特点 无线传播特性和多址方式 干扰和频率复用 移动通信的发展 CDMA简介
202019/5/13
13
整体结构区别
PSTN
202019/5/13
由上可见：PSTN涵括了PLMN
14
PLMN
基础概念
基本概念
移动通信：指通信双方或至少有一方在运动 中进行信息交换。
202019/5/13
47
CDMA的关键技术
功率控制
1. 反向开环功率控制 2. 反向闭环功率控制 3. 前向功率控制
地址码的选择 软切换 分集技术 语音编码 信道调制 天线技术
202019/5/13
48
功率控制——关键技术的核心
功率控制的概念
远近效应 CDMA是一个自干扰系统
反向开环功率控制
移动台根据在小区中接收功率的变化，迅速调节移动台发射功率。
伪随机序列 理想扩频码的特性：
1. 有尖锐的自相关特性 2. 处处为零的互相关性 3. 扩频序列中0、1个数相等 4. 足够多的扩频码
目前常用的扩频序列
1. M序列 2. Gold（戈尔德）序列 3. Walsh序列
202019/5/13
44
扩频技术
扩频技术的主要特征
使用码速率比发送信息数据速率高的多的伪随机 编码，扩展作为基带信号的信息数据频谱，使之成为 具有极低功率谱密度的宽带信号
202019/5/13
5
202019/5/13
6
通信网
通信网是有一定数量 的结点（包括终端设备 和交换设备）和连接点 的传输链路相互有机地 组合在一起，以实现两 个或多个规定点间信息 传输的通信体系。
202019/5/13
7
构成要素：终端设备、传输链路和交换设备 终端设备
终端设备是用户与通信网之间的接口设备。 包括信源、信宿与变换器、反变换器的一部分
202019/5/13
32
码分多址
CDMA
202019/5/13
33
频率复用
最早由贝尔实验室发明
目的：使有限的频谱满足无限容量需求
几个概念：覆盖模型、大区制、小区制、 载噪比、小区分裂
202019/5/13
34
覆盖模型：六边形
全向天线：实际覆盖范围为不规则圆形。 需要一个规则的小区形状来用于系统设计。 理想：没有间隙或没有重叠的覆盖整张地图 三种形状满足可能：正方形、正三角形、六 边形，最远点确定，六边形是三种形状中面 积最大的。 可用最小的小区数覆盖整个地图。
202019/5/13
25
频分多址
多址方式
202019/5/13
26
202019/5/13
27
调制技术和信道间隔
在GSM中每个载波被分配200KHz的带宽。实际上发射的GSM 载波带宽远远高于200KHz。所以信号会交叠进临近的频道。
202019/5/13
28
干扰
邻道干扰
相邻或者相近频道之间的干扰 调频信号含有无穷多个边频分量，其中某些边频分 量落入邻道接受机的通带内，就会造成邻道干扰。
具体方法
把无线电信号的码元或符号用扩频码填充（相 乘），且不同用户的信号用互相正交的码序列填充。 这样的信号在同一载波上发射，接收只用与发射相同
的码序列进行相关接收。
202019/5/13
45
扩频码示意
202019/5/13
46
CDMA系统特点
大容量 干扰受限系统 远近效应 高质量服务 保密 频率规划简单
软切换可以大大减少掉话， 保证通信的可靠性
CDMA系统中支持四种类型 的切换：硬切换、软切换、 更软切换、CDMA到模拟切 换。
202019/5/13
51
分集技术
分集技术是指系统能同时接收两个或更多个输 入信号，这些输入信号的衰落互不相关。系统 分别解调这些信号然后将它们相加，这样可以 接收到更多的有用信号，克服衰落。 分集技术包括空间分集、时间分集和频率分集。 CDMA协调综合利用分集技术来抵抗衰落对信号 的影响，获得高质量的通信性能。
202019/5/13
24
多址技术
频分多址：系统分配给每一通信用户一个唯一 的频段或（物理）信道。
时分多址：系统把无线频谱按时隙划分，并且 在每一个时隙仅允许一个用户，要么接收要么 发射。
FDMA的非线性效应：许多信道在基站共享一 个天线，天线前的射频器件工作是非线性的， 导致频域的信号扩展，干扰相邻信道；产生交 调(IM)频率，造成对邻近业务的干扰。
202019/5/13
15
移动通信特点
移动通信特点：
移动通信的传输信道必须使用无线电波 信道传输特性较复杂，不稳定 所用的无线电频率有限 移动通信综合了各种通信技术 对设备要求苛刻
202019/5/13
智能天线
是通过反馈控制去自动调节自身天线波束成型 模型的自适应天线阵。
202019/5/13
55
天线技术
智能天线的优越性
1. 提高了基站接收机的灵敏度 2. 提高了基站发射机的等效发射功率 3. 降低了系统的干扰 4. 增加CDMA系统容量 5. 改进了小区的覆盖 6. 降低了天线基站的成本
202019/5/13
移动通信基本原理
202019/5/13
武汉邮 电 科学研究院 武汉虹信通信技术有限责任公司
1
主要内容
通信概述 移动通信系统特点
202019/5/13
2
定义
通信：由一个地方向另一个地方传递和交换信息 信息：Voice, Data, Video, Multimedia
202019/5/13
3
模型
通信系统模型 信源：Voice, Data, Video, Multimedia
202019/5/13
35
大区制
一个基站覆盖整个城市
通信质量差 频率利用率低 系统容量小
202019/5/13
36
小区制
使用特定频率覆盖范围控 制在一定面积范围内
这个面积叫做小区 达到频率的再用 系统容量大增
202019/5/13
37
载噪比
载波噪声比：
Carrier to Interference ratio 载波信号是已经调制后的信号
反向闭环功率控制 前向功率控制
202019/5/13
49
地址码的选择
地址码的选择直接影响到CDMA系统的容量、抗干扰能 力、接入和切换速度等性能
地址码提供的码序列应接近白噪声特性，同时编码方 案简单，保证具有较快的同步建立速度
长度为215 的PN序列
用于区分不同的基站信号
长度为242－1 的PN序列
202019/5/13
52
语音编码
编码与解码 语音编码的目标是既能维持一定的语音质量， 又能较大程度的降低数据量。包括波形编码和 声源编码。 自适应多速率（AMR）语音编码：
AMR语音编码器的采用允许系统根据信道的 情况在总的信道传输速率不变的情况下，改变信源和 信道的编码速率，达到高的频谱利用率。
传输链路
传输链路是信息的传输通道，是连接网路节点的媒介。
交换设备
构成通信网的核心要素。 交换方式：电路交换方式和存储转发方式。
202019/5/13
8
功能分类
业务网
按功能分：用户接入网、交换网和传输网
202019/5/13
9
支撑网
支撑网
信令网——只传送信令的网络，实现网络结点 之间（包括交换局、网络管理中心）信令的传 输和转接。 同步网——实现数字交换局之间、数字交换局 和传输设备之间的信号时钟同步。 管理网——实时或近实地监测点心网络的运行， 必要时采取控制措施。
GSM规范规定：MS载波频率应该精确到0.1ppm，或者 比较从BTS接受到的信令精确到0.1ppm（这些信令由于 多普勒频移将会有明显频率误差）
202019/5/13
22
结果：
实际场强
202019/5/13
23
远近效应
远近效应：无线系统中，两个离接收机距离远近 相差很大时，接收到的大信号对小信号的压制。
202019/5/13
20
多普勒频移
还有这些……
多普勒频移
f接收 fRF fV
一般可忽略此项， 除非移动速度非常 快
202019/5/13
21
从图中可以看出当MS的速度为100km/h时相对频率变化 为0.19ppm ，对于900M频率偏差为171Hz ，对于 1800M频率偏差为342Hz。
202019/5/13
40
欧洲、北美两强对峙，最具典型 特点的是GSM和CDMA系统
GSM（Global System for Mobile)
1982年6月欧洲邮电管理委员会（CEPT）组建 了移动通信特别小组GSM，研制泛欧移动通信 标准 目标：泛欧漫游，与ISDN互联，提供不同业务
1988年提出主要建议和标准 1991年7月多址方式为TDMA的GSM系统开始商用
202019/5/13
4
分类
通信的分类（不同的视角）
按传输媒介不同：有线和无线通信 按工作频段不同：长波、中波、微波、远红 外线通信 按信号特征：模拟信号和数字信号通信 按通信方式不同：单工、双工、半双工（准 双工）通信 按信号复用方式不同：FDMA、TDMA、CDMA 按通信的调制方式不同：线性调制、非线性 调制、数字调制等
202019/5/13
42
扩频通信的概念
定义：扩频技术是把信息的频率展宽进行传 输的技术。
目的：容量需求，据香农公式：C 直接序列扩频（DS）
B
log
2
(1
S N0
)(bit
/
s)
扩频的优越性
1. 抗干扰能力增强 2. 隐蔽性好 3. 可实现码分多址技术
202019/5/13
43
关于扩频码（PN码）
56
GSM手机与CDMA手机的比较
202019/5/13
41
CDMA（Code Division Multiple Access)
1990年CTIA和TIA制定了TDMA制式的 IS-54 标准 1992年Qualcomm(高通）公司提出 CDMA的数 字蜂窝通信系统的建议和标准 1993年被CTLA和TLA批准为中期标准 IS-95 1996年CDMA系统投入运营
16
有线系统
有线信道
Βιβλιοθήκη Baidu
OK!
202019/5/13
OK!
17
无线信道衰减
无线系统（Path loss）
202019/5/13
18
阴影衰落
不仅仅这些…… 慢衰落：由于地形起伏和沿途建筑
物的不一引起，也称为阴影衰落。
202019/5/13
19
也不仅仅这些……
快衰落：多径衰落， 衰落深度严重时达到 20—30dB。
202019/5/13
53
CDMA的信道调制
前向CDMA信道结构： 导频信道、同步信 道、寻呼信道（最 多7个）和若干业务 信道。在IS-95中每 个基站有64个信道。
反向CDMA信道结构： 只有反向业务信道 和接入信道。
202019/5/13
54
天线技术
阵列天线
多对振子组合构成天线阵。它们能形成不同指 向，不同辐射波束宽度的天线波束方向图。
202019/5/13
10
电信服务项目
一项公共服务并不能引起用户的兴趣， 除非它：
满足实际需求; 用得起; 广泛的传播 (已经吸引了很多用户); 易于使用 (提供方便的处理手段和快速响 应时间); 稳定和高可用性
202019/5/13
11
趋势
电信网发展趋势:
终端移动性 (无线接入); 个人和服务的移动性 (个人通信); 按需分配带宽 (增加透明度，更强灵活性); 多媒体(更加透明); 更强大用户接口 (友好的用户界面); 增值服务 (消息, 检索等); 高度集成。
在前向信道用于信号的保密，在反向信道用于区 分不同的移动台
Walsh序列：
在前向信道用于区分同一基站的不同信道，在反 向信道中用于对信号进行正交调整。
202019/5/13
50
软切换
所谓三软切换就是当移动 台需要跟一个新的基站通 信时，并不先中断与原基 站的联系。
软切换只能在相同频率的 CDMA信道间进行，它在两 个基站覆盖区的交界处起 到乐业务信道分集的作用
共道干扰
由相同频率的无用信号所造成的干扰 同波段复用距离 射频保护比：为保证接受机输入端信号与同波道干 扰之比大于某一数值，这一数值称作射频保护比
202019/5/13
29
时分多址
TDMA
202019/5/13
30
202019/5/13
31
时延
码间干扰：数字系 统特有的现象。 GSM系统中的TA值 是专门为了防止这 种干扰而设定的。
202019/5/13
38
小区分裂
全向小区：频率复用
小区分裂：复用距离更小
202019/5/13
39
第二代数字蜂窝移动通信系统
为了克服第一代蜂窝移动系统的局限性， 北美、欧洲、日本自80年代中期相继为 第二代蜂窝系统制定了三种不同的标准
北美IS-54（扩容，数模兼容） 欧洲GSM（统一制式） 日本JDC（向北美靠拢，数模并存互通）
202019/5/13
12
移动通信系统基础
基本概念 移动通信的特点 无线传播特性和多址方式 干扰和频率复用 移动通信的发展 CDMA简介
202019/5/13
13
整体结构区别
PSTN
202019/5/13
由上可见：PSTN涵括了PLMN
14
PLMN
基础概念
基本概念
移动通信：指通信双方或至少有一方在运动 中进行信息交换。
202019/5/13
47
CDMA的关键技术
功率控制
1. 反向开环功率控制 2. 反向闭环功率控制 3. 前向功率控制
地址码的选择 软切换 分集技术 语音编码 信道调制 天线技术
202019/5/13
48
功率控制——关键技术的核心
功率控制的概念
远近效应 CDMA是一个自干扰系统
反向开环功率控制
移动台根据在小区中接收功率的变化，迅速调节移动台发射功率。
伪随机序列 理想扩频码的特性：
1. 有尖锐的自相关特性 2. 处处为零的互相关性 3. 扩频序列中0、1个数相等 4. 足够多的扩频码
目前常用的扩频序列
1. M序列 2. Gold（戈尔德）序列 3. Walsh序列
202019/5/13
44
扩频技术
扩频技术的主要特征
使用码速率比发送信息数据速率高的多的伪随机 编码，扩展作为基带信号的信息数据频谱，使之成为 具有极低功率谱密度的宽带信号
202019/5/13
5
202019/5/13
6
通信网
通信网是有一定数量 的结点（包括终端设备 和交换设备）和连接点 的传输链路相互有机地 组合在一起，以实现两 个或多个规定点间信息 传输的通信体系。
202019/5/13
7
构成要素：终端设备、传输链路和交换设备 终端设备
终端设备是用户与通信网之间的接口设备。 包括信源、信宿与变换器、反变换器的一部分
202019/5/13
32
码分多址
CDMA
202019/5/13
33
频率复用
最早由贝尔实验室发明
目的：使有限的频谱满足无限容量需求
几个概念：覆盖模型、大区制、小区制、 载噪比、小区分裂
202019/5/13
34
覆盖模型：六边形
全向天线：实际覆盖范围为不规则圆形。 需要一个规则的小区形状来用于系统设计。 理想：没有间隙或没有重叠的覆盖整张地图 三种形状满足可能：正方形、正三角形、六 边形，最远点确定，六边形是三种形状中面 积最大的。 可用最小的小区数覆盖整个地图。
202019/5/13
25
频分多址
多址方式
202019/5/13
26
202019/5/13
27
调制技术和信道间隔
在GSM中每个载波被分配200KHz的带宽。实际上发射的GSM 载波带宽远远高于200KHz。所以信号会交叠进临近的频道。
202019/5/13
28
干扰
邻道干扰
相邻或者相近频道之间的干扰 调频信号含有无穷多个边频分量，其中某些边频分 量落入邻道接受机的通带内，就会造成邻道干扰。
具体方法
把无线电信号的码元或符号用扩频码填充（相 乘），且不同用户的信号用互相正交的码序列填充。 这样的信号在同一载波上发射，接收只用与发射相同
的码序列进行相关接收。
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扩频码示意
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CDMA系统特点
大容量 干扰受限系统 远近效应 高质量服务 保密 频率规划简单
软切换可以大大减少掉话， 保证通信的可靠性
CDMA系统中支持四种类型 的切换：硬切换、软切换、 更软切换、CDMA到模拟切 换。
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分集技术
分集技术是指系统能同时接收两个或更多个输 入信号，这些输入信号的衰落互不相关。系统 分别解调这些信号然后将它们相加，这样可以 接收到更多的有用信号，克服衰落。 分集技术包括空间分集、时间分集和频率分集。 CDMA协调综合利用分集技术来抵抗衰落对信号 的影响，获得高质量的通信性能。
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多址技术
频分多址：系统分配给每一通信用户一个唯一 的频段或（物理）信道。
时分多址：系统把无线频谱按时隙划分，并且 在每一个时隙仅允许一个用户，要么接收要么 发射。
FDMA的非线性效应：许多信道在基站共享一 个天线，天线前的射频器件工作是非线性的， 导致频域的信号扩展，干扰相邻信道；产生交 调(IM)频率，造成对邻近业务的干扰。