移动通信基础知识ppt课件
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C S/N W
S/N W
25
香农公式
传输技术——总览
增加覆盖
增加信道
增加带宽
增加SINR
覆盖增强技术
超密异构组网 D2D、M2M
频效提升技术
大规模天线、 FBMC、空间调制
频谱拓展技术
认知无线电、 毫米波、可见光
能效提升技术
绿色通信 干扰管理
多址技术、用户调度、资源分配、用户/网络协作
26
蜂窝网络结构概述
移动通信技术概述
话务量
话务量的概念 定义: T时间内发生平均呼叫次数和平均占用时 长的乘积
A = CT·t
A为T时间里的话务量 t为平均占用时长 CT为 T时间内一群话源所产生的平均呼叫次数 话务量单位：爱尔兰erl
移动通信技术概述
无线环境
噪声 多径 衰落 多址干扰
移动通信技术概述
11
• oscilloscope generates persistent trace • if there is no ISI – edge transitions are aligned “eye” is open
• as ISI increases – edge transitions become misaligned “eye starts to close”
Received signal strength
0
d2 BS d1 MS1
Distance
移动通信技术概述
时间色散 • 时间色散也是多径衰落的一种，然而，和瑞利衰落相比，天线接收到的
反射信号来自于和天线相距较远的物体。时间色散导致了码间串扰(InterSymbol Interference，ISI）现象的产生，即同一个bit的信息经过不同的 路径传输后，到达接收天线的时间是不同的，这样接收方无法判断哪一个 是正确的信息
2
4 68
2
100
4 6 18000 2
4 6 180 000
移动通信技术概述
干扰
• 邻道干扰 ，是相邻的或邻近频道的信号相互干扰。目前，移动通信系统广泛使用的 VHF、UHF电台，频道间隔是25kHz。然而，调频信号的频谱是很宽的，理论上说，调频 信号含有无穷多个边频分量，当其中某些边频分量落入邻道接收机的通带内，就会造成邻 道干扰。 • 同道干扰，也称同频干扰，是指相同载频电台之间的干扰，是移动通信在组网中出现的 一种干扰。在移动台密集之处，若频率管理或系统设计不当，就会造成同频干扰。在移动 通信中，为了提高频率利用率，在相隔一定距离以外，可以使用相同的频率，称为同信道 复用。显然，同信道小区相距愈远，同频道干扰就愈小，但频率利用率降低。因此，两者 要兼顾考虑。 • 互调干扰，是指两个或多个信号作用在通信设备的非线性器件上，产生有用信号频率相 近的组合频率，从而对通信系统构成干扰的现象。
15
移动通信技术概述
路径损耗
• 自由空间路径损耗计算公式：
Lf dB 32.45 20log10 fc (MHz) 20log10 d(km)
1500 M Hz
150 M Hz
移动通信技术概述
移动通信的场强特征
•移动通信环境下场强变化剧烈 •场强变化的平均值随距离增加而衰减——路径损耗 •由地形引起，场强特性曲线呈慢速变化——慢衰落（阴影效应） •由移动体周围的局部散射体引起的多径传播，引起场强特性曲线的瞬时值 呈快速变化——快衰落（多径效应）
14
移动通信技术概述
天线分集接收
• 天线分天线分集接收充分利用了无线电波固有的特性，使接收信号的强 度得以增强。两种主要的分集接收方法：空间分集和极化分集集接收
• 空间分集：如果使用两根接收天线，并且这两根天线间有一定的间距， 则它们同时受较大衰落波谷影响的可能性是很小的，可在一定程度上减 小衰落带来的影响。小区的接收设备可以比较这两个天线的信号，从中 选择较好的一个作为接收信号，这样与仅使用一个接收天线相比，接收 信号的强度得到了提高
移动通信技术概述
邻道干扰与同道干扰
邻
Channel Channel2
道
1
Power
干
扰
f1
f2
Frequency
同 道 干 扰
移动通信技术概述
几个重要的定量参数
• SNR . Signal to Interference Ratio in dB
SNR =received power of reference user in dBm/received power of all interferers in dBm
• 极化分集：极化分集接收技术使用的是一根双极化天线，这个天线的尺 寸和普通天线没有区别，但包括两个不同极化方向的天线阵列，最常用 的是垂直/水平阵列和±45度斜向阵列。这两个阵列分别和小区中相应的 接收分支（Rx Branches）相连，这两个阵列也可既用作接收，又用作 发射。在大部分应用中，空间分极接收和极化分极接收所带来增益的差 别是可以忽略的，但极化分集接收占用的空间小。
0.5l
10 0 dB With Respect
-10 to RMS Value -20 -30
接收信号出现 严重的衰落现 象，是移动通 信电波传播的 一个基本特点
0
0.5
1
1.5
t, in seconds
0
10
20
30
x, in wavelength
移动通信技术概述
衰落的原因
• 接收机运动→多普勒频移 • 信号多条路径传播→多径效应
移动通信技术概述
移动通信的主要特点归纳 • 必须利用无线电波传输信息，传播特性差；
– 传播环境复杂：多径效应和阴影效应造成幅度衰落和时延扩展； – 用户高速移动：多普勒频移造成电波传播特性的快速随机变化。
• 工作于复杂的干扰环境；
– 外部干扰：天电、机电和信道热噪声 ； – 系统内部和不同系统之间的干扰：邻道、同道、互调和多址干扰。
大区制移动通信
• 大区制移动通信系统
– 覆盖范围30~50km； – 发射功率50~200W ； – 天线很高(>30m) ; – 通信距离有限; – 网络结构简单； – 直接与PSTN相连 。
• 大区系统的局限性
– 覆盖范围有限， – 用户容量有限 ； – 服务性能较差 ； – 频谱利用率低。
移动通信技术概述
各种噪声功率与频率的关系
Ta / K
3×108 3×107 3×106 3×105 3×104 3×103 T0=290
3×10
Fa=10 lg Ta T0
dB
60
大气噪声
夏天
50
冬天
效区人为噪声
40
市区人为噪声
30
20
银河噪声
10
典型接收机热噪声
0
太阳噪声
(安静期)
-10
f / MHz
无处不在的业务环 境
• 随时随地的无线接入 • 无缝业务提供 • 网络融合与重用 • 多媒体终端 • >> 10Mbps 数据速率 • 基于全IP核心网
GSM IS-136
PDC IS-95A
HSCSD/GPRS WCDMA HSPA/HSPA+ IMT-Advanced !
IS-136+(PRS) TD-SCDMA CDMA2000 1X EV 3GPP LTE
12
移动通信技术概述
时间对齐（Time Alignment） • TDMA帧给每个移动终端分配了一个时隙，在这个时间段内移动终端可 发送信息。信息必须在这个时间段内到达小区，如果部分信息没有在指 定的时隙到达，而是在下一个时隙到达，就会给使用这个时隙的其他信 息带来干扰。
13
移动通信技术概述
接收信号强度 • 移动终端接入所需的最低信号强度称为接收灵敏度（Receiver Sensitivity Level），为接收信息，移动终端接收的信号强度必须要高于 此值，如果接收的信号强度低于此值，信息将丢失，并出现掉话。为保 证正确接收信息，若瑞利衰减造成的最大衰减值（Fading Dip）是ndb， 则平均信号强度要高于接收灵敏度n db，我们称此值为Fading Margin
• 网络结构多种多样，网络管理等都比较复杂，技术难度大；
– 用户注册和登记，鉴权和计费，安全和保密 。
• 可利用的频谱资源有限，而通信业务量的需求与日俱增 ；
– 用户容量问题，业务容量问题 。
• 移动通信设备(主要是移动台)必须适于在移动环境中使用，对设备的可靠性和 工作条件要求高。
香农公式
___=___________
EDGE CDMA2000-1X
IS-95B
Wibro
3GPP2 AIE
9.6kbps~14.4 kbps 0.144 ~2 Mbps
~ 10 Mbps ~ 100 Mbps/1Gbps
1
移动通信技术概述
一机在手天下事尽知
Tourism
Satellite
Sports
Meetings
Office
Networked Home Car, Steamship,Aircraft
移动通信技术概述
远近效应
移动通信是在运动过程中进
行的，移动台之间会出现近
处移动台干扰远处移动台的
现象，称为远近效应。因此，
MS2
一般要求移动台的发射功
率具有自动调整的能力，同
时移动台的接收机需要具有
自动增益控制的能力，当通
信距离迅速改变时能自动进 行信号调整。
Distance MS2
BS MS1
Received Signal PoБайду номын сангаасer (dB)
path loss
shadow fading Rayleigh fading
log (distance)
移动通信技术概述
噪声
• 移动信道中噪声(简称噪声)的来源是多方面的， 一般可分为：① 内部噪声； ②自然噪声；③ 人为噪声。 内部噪声是系统设备本身产生的各种噪声。不能预 测的噪声统称为随机噪声。自然噪声及人为噪声为外部噪声，它们也属于随机噪 声。依据噪声特征又可分为脉冲噪声和起伏噪声。脉冲噪声是在时间上无规则的 突发噪声，例如，汽车发动机所产生的点火噪声，这种噪声的主要特点是其突发 的脉冲幅度较大，而持续时间较短；从频谱上看，脉冲噪声通常有较宽频带；热 噪声、散弹噪声及宇宙噪声是典型的起伏噪声。
Public building
移动通信技术概述
单工通信
所谓单工通信是指通信双方电台交替地进行收信和发信。根据收、发频率的异 同，又可分为同频单工和异频单工。 单工通信常用于点到点通信。
发射机 f1( f1 )
f1( f2 ) 发射机
接收机 送受话器
PTT f1( f2 )
PTT f1( f1 )
移动通信的电波传播
• 在移动通信中，由于移动体来往于地面的建筑群和各种障碍物之中, 电波传播会发生直射、 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, 不同的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。这种现象称为衰落, 它严重地影响着通话质量。
移动通信技术概述
移动通信系统发展
1G
模拟通信
• 模拟调制技术 • 小区制 • 硬切换 • 网络规划
AMPS TACS NMT-450 NTT ~kbps
2G
3G
4G
数字通信
• 数字调制技术 • 数据压缩 • 软切换 • 差错控制 • 短消息 • 高质量语音业务
多媒体业务
• 多媒体业务 • >> 100kbps • 分组数据业务 • 动态无线资源管理
接收机
送受话器
电台（甲） –PTT switch (Push To Talk)电台（乙）
移动通信技术概述
双工、半双工通信 所谓双工通信，是指通信双方可同时进行传输消息的工作方式，有时亦称全双 工通信。
f1
送话器
f1
发射机
接收机
受话器
f2
f2 双工器
f1
发射机 接收机
送话器 受话器
基站
移动台
所谓半双工通信，是指移动台采用单工的“按讲”方式，基站工作情况与双工 方式完全相同。
• C/I . Carrier over Interference in dB
Carrier Power (dBm) / received power of all interferers in dBm
移动通信技术概述
Intersymbol interference (ISI) Eye Diagram: Analysis tool to measure ISI 10 1101 0 1 0
– 多径信号相位相反→合成信号的幅度快速变化 – 多径信号传播路径不同→时延散布
• 无线电波散射→路径损耗 • 建筑物阻挡→阴影效应 • 强信号抑制弱信号→远近效应
移动通信技术概述
电波传播特性
多径传 输
移动通信技术概述
多普勒频移(效应)
多普勒效应：运动中的移动台
所接收的信号频率将随运动速 度而变化，产生不同的频移， 称为“多普勒效应”。
S/N W
25
香农公式
传输技术——总览
增加覆盖
增加信道
增加带宽
增加SINR
覆盖增强技术
超密异构组网 D2D、M2M
频效提升技术
大规模天线、 FBMC、空间调制
频谱拓展技术
认知无线电、 毫米波、可见光
能效提升技术
绿色通信 干扰管理
多址技术、用户调度、资源分配、用户/网络协作
26
蜂窝网络结构概述
移动通信技术概述
话务量
话务量的概念 定义: T时间内发生平均呼叫次数和平均占用时 长的乘积
A = CT·t
A为T时间里的话务量 t为平均占用时长 CT为 T时间内一群话源所产生的平均呼叫次数 话务量单位：爱尔兰erl
移动通信技术概述
无线环境
噪声 多径 衰落 多址干扰
移动通信技术概述
11
• oscilloscope generates persistent trace • if there is no ISI – edge transitions are aligned “eye” is open
• as ISI increases – edge transitions become misaligned “eye starts to close”
Received signal strength
0
d2 BS d1 MS1
Distance
移动通信技术概述
时间色散 • 时间色散也是多径衰落的一种，然而，和瑞利衰落相比，天线接收到的
反射信号来自于和天线相距较远的物体。时间色散导致了码间串扰(InterSymbol Interference，ISI）现象的产生，即同一个bit的信息经过不同的 路径传输后，到达接收天线的时间是不同的，这样接收方无法判断哪一个 是正确的信息
2
4 68
2
100
4 6 18000 2
4 6 180 000
移动通信技术概述
干扰
• 邻道干扰 ，是相邻的或邻近频道的信号相互干扰。目前，移动通信系统广泛使用的 VHF、UHF电台，频道间隔是25kHz。然而，调频信号的频谱是很宽的，理论上说，调频 信号含有无穷多个边频分量，当其中某些边频分量落入邻道接收机的通带内，就会造成邻 道干扰。 • 同道干扰，也称同频干扰，是指相同载频电台之间的干扰，是移动通信在组网中出现的 一种干扰。在移动台密集之处，若频率管理或系统设计不当，就会造成同频干扰。在移动 通信中，为了提高频率利用率，在相隔一定距离以外，可以使用相同的频率，称为同信道 复用。显然，同信道小区相距愈远，同频道干扰就愈小，但频率利用率降低。因此，两者 要兼顾考虑。 • 互调干扰，是指两个或多个信号作用在通信设备的非线性器件上，产生有用信号频率相 近的组合频率，从而对通信系统构成干扰的现象。
15
移动通信技术概述
路径损耗
• 自由空间路径损耗计算公式：
Lf dB 32.45 20log10 fc (MHz) 20log10 d(km)
1500 M Hz
150 M Hz
移动通信技术概述
移动通信的场强特征
•移动通信环境下场强变化剧烈 •场强变化的平均值随距离增加而衰减——路径损耗 •由地形引起，场强特性曲线呈慢速变化——慢衰落（阴影效应） •由移动体周围的局部散射体引起的多径传播，引起场强特性曲线的瞬时值 呈快速变化——快衰落（多径效应）
14
移动通信技术概述
天线分集接收
• 天线分天线分集接收充分利用了无线电波固有的特性，使接收信号的强 度得以增强。两种主要的分集接收方法：空间分集和极化分集集接收
• 空间分集：如果使用两根接收天线，并且这两根天线间有一定的间距， 则它们同时受较大衰落波谷影响的可能性是很小的，可在一定程度上减 小衰落带来的影响。小区的接收设备可以比较这两个天线的信号，从中 选择较好的一个作为接收信号，这样与仅使用一个接收天线相比，接收 信号的强度得到了提高
移动通信技术概述
邻道干扰与同道干扰
邻
Channel Channel2
道
1
Power
干
扰
f1
f2
Frequency
同 道 干 扰
移动通信技术概述
几个重要的定量参数
• SNR . Signal to Interference Ratio in dB
SNR =received power of reference user in dBm/received power of all interferers in dBm
• 极化分集：极化分集接收技术使用的是一根双极化天线，这个天线的尺 寸和普通天线没有区别，但包括两个不同极化方向的天线阵列，最常用 的是垂直/水平阵列和±45度斜向阵列。这两个阵列分别和小区中相应的 接收分支（Rx Branches）相连，这两个阵列也可既用作接收，又用作 发射。在大部分应用中，空间分极接收和极化分极接收所带来增益的差 别是可以忽略的，但极化分集接收占用的空间小。
0.5l
10 0 dB With Respect
-10 to RMS Value -20 -30
接收信号出现 严重的衰落现 象，是移动通 信电波传播的 一个基本特点
0
0.5
1
1.5
t, in seconds
0
10
20
30
x, in wavelength
移动通信技术概述
衰落的原因
• 接收机运动→多普勒频移 • 信号多条路径传播→多径效应
移动通信技术概述
移动通信的主要特点归纳 • 必须利用无线电波传输信息，传播特性差；
– 传播环境复杂：多径效应和阴影效应造成幅度衰落和时延扩展； – 用户高速移动：多普勒频移造成电波传播特性的快速随机变化。
• 工作于复杂的干扰环境；
– 外部干扰：天电、机电和信道热噪声 ； – 系统内部和不同系统之间的干扰：邻道、同道、互调和多址干扰。
大区制移动通信
• 大区制移动通信系统
– 覆盖范围30~50km； – 发射功率50~200W ； – 天线很高(>30m) ; – 通信距离有限; – 网络结构简单； – 直接与PSTN相连 。
• 大区系统的局限性
– 覆盖范围有限， – 用户容量有限 ； – 服务性能较差 ； – 频谱利用率低。
移动通信技术概述
各种噪声功率与频率的关系
Ta / K
3×108 3×107 3×106 3×105 3×104 3×103 T0=290
3×10
Fa=10 lg Ta T0
dB
60
大气噪声
夏天
50
冬天
效区人为噪声
40
市区人为噪声
30
20
银河噪声
10
典型接收机热噪声
0
太阳噪声
(安静期)
-10
f / MHz
无处不在的业务环 境
• 随时随地的无线接入 • 无缝业务提供 • 网络融合与重用 • 多媒体终端 • >> 10Mbps 数据速率 • 基于全IP核心网
GSM IS-136
PDC IS-95A
HSCSD/GPRS WCDMA HSPA/HSPA+ IMT-Advanced !
IS-136+(PRS) TD-SCDMA CDMA2000 1X EV 3GPP LTE
12
移动通信技术概述
时间对齐（Time Alignment） • TDMA帧给每个移动终端分配了一个时隙，在这个时间段内移动终端可 发送信息。信息必须在这个时间段内到达小区，如果部分信息没有在指 定的时隙到达，而是在下一个时隙到达，就会给使用这个时隙的其他信 息带来干扰。
13
移动通信技术概述
接收信号强度 • 移动终端接入所需的最低信号强度称为接收灵敏度（Receiver Sensitivity Level），为接收信息，移动终端接收的信号强度必须要高于 此值，如果接收的信号强度低于此值，信息将丢失，并出现掉话。为保 证正确接收信息，若瑞利衰减造成的最大衰减值（Fading Dip）是ndb， 则平均信号强度要高于接收灵敏度n db，我们称此值为Fading Margin
• 网络结构多种多样，网络管理等都比较复杂，技术难度大；
– 用户注册和登记，鉴权和计费，安全和保密 。
• 可利用的频谱资源有限，而通信业务量的需求与日俱增 ；
– 用户容量问题，业务容量问题 。
• 移动通信设备(主要是移动台)必须适于在移动环境中使用，对设备的可靠性和 工作条件要求高。
香农公式
___=___________
EDGE CDMA2000-1X
IS-95B
Wibro
3GPP2 AIE
9.6kbps~14.4 kbps 0.144 ~2 Mbps
~ 10 Mbps ~ 100 Mbps/1Gbps
1
移动通信技术概述
一机在手天下事尽知
Tourism
Satellite
Sports
Meetings
Office
Networked Home Car, Steamship,Aircraft
移动通信技术概述
远近效应
移动通信是在运动过程中进
行的，移动台之间会出现近
处移动台干扰远处移动台的
现象，称为远近效应。因此，
MS2
一般要求移动台的发射功
率具有自动调整的能力，同
时移动台的接收机需要具有
自动增益控制的能力，当通
信距离迅速改变时能自动进 行信号调整。
Distance MS2
BS MS1
Received Signal PoБайду номын сангаасer (dB)
path loss
shadow fading Rayleigh fading
log (distance)
移动通信技术概述
噪声
• 移动信道中噪声(简称噪声)的来源是多方面的， 一般可分为：① 内部噪声； ②自然噪声；③ 人为噪声。 内部噪声是系统设备本身产生的各种噪声。不能预 测的噪声统称为随机噪声。自然噪声及人为噪声为外部噪声，它们也属于随机噪 声。依据噪声特征又可分为脉冲噪声和起伏噪声。脉冲噪声是在时间上无规则的 突发噪声，例如，汽车发动机所产生的点火噪声，这种噪声的主要特点是其突发 的脉冲幅度较大，而持续时间较短；从频谱上看，脉冲噪声通常有较宽频带；热 噪声、散弹噪声及宇宙噪声是典型的起伏噪声。
Public building
移动通信技术概述
单工通信
所谓单工通信是指通信双方电台交替地进行收信和发信。根据收、发频率的异 同，又可分为同频单工和异频单工。 单工通信常用于点到点通信。
发射机 f1( f1 )
f1( f2 ) 发射机
接收机 送受话器
PTT f1( f2 )
PTT f1( f1 )
移动通信的电波传播
• 在移动通信中，由于移动体来往于地面的建筑群和各种障碍物之中, 电波传播会发生直射、 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, 不同的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。这种现象称为衰落, 它严重地影响着通话质量。
移动通信技术概述
移动通信系统发展
1G
模拟通信
• 模拟调制技术 • 小区制 • 硬切换 • 网络规划
AMPS TACS NMT-450 NTT ~kbps
2G
3G
4G
数字通信
• 数字调制技术 • 数据压缩 • 软切换 • 差错控制 • 短消息 • 高质量语音业务
多媒体业务
• 多媒体业务 • >> 100kbps • 分组数据业务 • 动态无线资源管理
接收机
送受话器
电台（甲） –PTT switch (Push To Talk)电台（乙）
移动通信技术概述
双工、半双工通信 所谓双工通信，是指通信双方可同时进行传输消息的工作方式，有时亦称全双 工通信。
f1
送话器
f1
发射机
接收机
受话器
f2
f2 双工器
f1
发射机 接收机
送话器 受话器
基站
移动台
所谓半双工通信，是指移动台采用单工的“按讲”方式，基站工作情况与双工 方式完全相同。
• C/I . Carrier over Interference in dB
Carrier Power (dBm) / received power of all interferers in dBm
移动通信技术概述
Intersymbol interference (ISI) Eye Diagram: Analysis tool to measure ISI 10 1101 0 1 0
– 多径信号相位相反→合成信号的幅度快速变化 – 多径信号传播路径不同→时延散布
• 无线电波散射→路径损耗 • 建筑物阻挡→阴影效应 • 强信号抑制弱信号→远近效应
移动通信技术概述
电波传播特性
多径传 输
移动通信技术概述
多普勒频移(效应)
多普勒效应：运动中的移动台
所接收的信号频率将随运动速 度而变化，产生不同的频移， 称为“多普勒效应”。