移动通信教案

《移动通信》教案
授课单位：信息工程学院
授课人：***
授课对象：信工041-2
授课时间：2007～2008学年第一学期
1、本课程教学目的：
“移动通信”是信息工程专业的专业课程.该课程较详细地介绍了移动通信的原理和实际应用系统。

通过本课程的学习使学生掌握和了解移动通信的基本理论，以及移动通信的发展、蜂窝移动通信系统的基本概念、移动通信的信道、移动通信系统的调制和组网技术、移动通信中的多址接入、移动通信网以及GSM 系统、CDMA系统和第三代移动通信技术等。

2、本课程教学要求：
1．掌握移动通信的概念、特点；了解移动通信组网理论的基本内容；理解移动通信的发展历程及发展趋势；了解第三代移动通信系统的主要差别；了解移动通信的应用系统。

2．理解关于蜂窝的概念；了解频率复用的概念以及频率复用的模型；理解信道分配策略以及切换策略；理解干扰与系统容量之间的关系，了解如何在实际系统
中用功率控制减少干扰以提高系统容量；了解各种提高系统容量的方法。

3．了解无线电波的传播特性，移动通信中的快衰落与慢衰落；掌握无线信道中信号的多径衰落和多普勒频移，掌握多径传播与快衰落、阴影衰落、时延扩展与相关带宽以及信道的衰落特征；掌握分集技术的基本概念；掌握分集信号的合并技术。

4．掌握多址接入的基本概念和多址接入方式，掌握FDMA技术的原理及系统的特点，了解FDMA系统中的干扰问题，掌握TDMA技术的原理及系统的特点，熟悉TDMA的帧结构，了解TDMA系统的同步与定时，掌握CDMA技术的原理及系统的特点，了解空分多址（SDMA）技术的原理；掌握系统容量的定义，熟悉FDMA、TDMA、CDMA系统容量的分析与比较。

5．掌握FDMA模拟蜂窝网，TDMA数字蜂窝网，CDMA移动通信系统。

3、使用的教材：
郭梯云编，《移动通信》，西安电子科技大学出版社
主要参考书目：
啜钢王文博常永宇等编，《移动通信原理与应用》，北京邮电大学出版社，
赵长奎编，《GSM数字移动通信应用系统》，国防工业出版社，
顾肇基译，《GSM网络与GPRS》，电子工业出版社，
第一章概论
本章的教学目标和要求：
重点掌握移动通信的概念、特点；了解移动通信组网理论的基本内容；理解移动通信的发展历程及发展趋势；；掌握移动通信的三种工作方式；了解移动中继方式；了解移动通信的应用系统。

本章总体教学内容和学时安排：
本章重点：
移动通信的主要特点和工作方式; 蜂窝移动通信系统;移动通信的网络结构和接口.
本章难点：
蜂窝移动通信系统的频率复用,集群系统的集群方式.
本章教学方式：课堂讲授
本章教学手段：多媒体
本章课时安排： 6
本章习题：P28
1 2 3 4 5 8 10
教学过程组织：本章课程以移动通信的发展史为切入点，介绍移动通信的特点和分类以及几种比较常见的移动通信系统。

教学时注重理论与实际的联系，特别是常用移动通信系统，应与实际使用状况相结合。

本章的具体内容：
§1－1 移动通信的主要特点
一.移动通信的定义
移动通信就是指通信的双方，至少有一方是在移动中进行的通信。

例如，固定点与移动体(车辆、船舶、飞机)之间、移动体之间、活动的人与人之间以及人与移动体之间的通信。

都居于移动通信的范畴。

二.移动通信的发展史
蜂窝移动电话系统首先运营的是模拟蜂窝系统(第一代蜂窝移动电话系统)。

其主要特征是用模拟信道传送模拟话音信号。

模拟蜂窝系统主要有如美国的AMPS系统、英国的TACS系统、日本的NTT系统等。

但模拟蜂窝系统容量小，频谱及频道利用率低，业务形式单一，话音质量不高，难以和综合业务数字网(ISDN)互通互连，通信保密问题严重，现在，模拟系统已难以满足使用的要求，基本退出了移动通信的舞台。

目前运营的数字蜂窝系统有欧洲的GSM系统，美国的IS-54TDMA、IS-95CMA和日本的PDC系统，它们被称为第二代蜂窝系统。

数字蜂窝系统直接传输与处理数字信息，具有一切数字系统所具有的优点。

在频谱及频道利用率、系统容量、话音质量、通信保密性、手机的体积、重量、功耗等诸方面均优于模拟蜂窝系统。

第三代蜂窝系统最早是国际电联（ITU）在1985年提出的，当时把它命名为未来公众陆地移动通信系统(FPLMTS)。

由于该系统预期在2000年使用，工作频段在2000MHz，故于1996年易名为IMT-2000。

总的来讲．第三代蜂窝系统是一个综合系统，它具有以下特点：包括地面系统和卫星系统；具有海陆空三维的服务面；有话音、数据、视频、ISDN和多媒体等多种业务；包括从不到50m的微微小区一直到大于500km的卫星小区；具有多种空中接口和接入方式。

它可向高速与慢速移动的用户提供服务，是一个高度智能的、全球覆盖的、具有个人服务持色的移动通信系统。

三.移动通信的特点
1.移动通信必须利用无线电波进行信息传输
2.移动通信是在复杂的干扰环境中运行的
3.移动通信可以利用的频谱资源非常有限，而移动通信业务量的需求却与日俱增
4.移动通信系统的网络结构多种多样，网络管理和控制必须有效
5.移动通信设备必须适与在移动环境中使用
§1－2 移动通信系统的分类
一.移动通信的分类
能够实现移动通信的技术系统称为移动通信系统。

移动通信系统，按用途、制式、入网方式等不同，可以有不同分类方法：按使用对象，可分为军用、民用；
按用途和区域，可分为陆地、海上与空间；按信息的流向，可分为单向和双向；技经营方式，可分为公众网、专用网；技服务区结构，可分为单区制（大区制）、多区制（小区制）；按与地面固定网的连接方式，可分为人工、半自动、全自动；
按工作方式，可分为模拟与数字；按调制方式，可分为调幅、调频、调相等。

二.工作方式
1.单工通信
1）同频单工制
同频是指通信的双方，使用相同工作频率。

单工是指通信双方的操作采用“按-讲”方式。

平时，双方的接收机均处于守听状态。

如果A方需要发话，按装在A 方的“按——讲”开关即收发控制按钮，关掉A方接收收机，使其发射机工作。

这时由于B方接收机处于守听状态，即可实现由A至B的通话。

同理，也可实现由B 至A的通话。

在该方式中，同一部电台(如A方)的收发信机是交替工作的，发射时不能接收，接收时不能发射，故收发信机可使用同一副天线，而不需要使用天线共用器。

2）双频单工制
双频单工是指通信的双方使用两个频率，而操作仍采用“按-讲”方式的通话制。

同一部电台(如A方)的收发信机也是交替工作的，只是收发各用一个频率。

在移动通信中，基地站和移动台收、发使用两个频率实现双向通信，这两个频率通常称为一个信道，若基地站设置多部发射机和多部接收机且同时工作，则可将接收机设置在某一频率上，而将发射机设置在另一频率上。

只要这两个频率有足够频差(或称频距)，借助于滤波器等选频器件就能排除发射机对接收机的干扰。

2.双工通信
双工制指通信双方的收发信机均同时工作，即任一方在发话的同时也能收听到对方的话音，操作方便。

但采用这种方式，不管是否发话，发射机总是工作的，故电能消耗大。

这一点对以电池为能源的移动台是很不利的。

此外，这种方式需
用天线共用器，才能使收发共用一副天线。

目前，这种工作方式在移动通信系统中获得了广泛应用。

蜂窝移动电话系统无论是模拟还是数字的都采用双工制工作。

3.半双工通信
半双工制是指通信的双方，有一方(如A方)使用双工方式，即收发信机同时工作，且使用两个不同的频率，收发信机可以各用一副天线，也可通过天线共用器合用一副天线；而另一方(如B方)则采用双频单工方式，即收发信机交替工作。

平时，B方处于守听状态，仅在发话时才按压“按-讲”开关，切断收信机使发信机工作。

目前，集群移动通信系统大多采用半双工方式工作。

二.模拟网和数字网
三.话音通信和数据通信
§1－3 常用移动通信系统
一.无线电寻呼系统
目前的无线电寻呼系统是一种传送简单信息的单向呼叫系统。

它由寻呼控制中心、基站和寻呼接收机三部分组成。

二.蜂窝移动通信系统(重点)
蜂窝移动电话系统是一种双向双工通信系统。

该系统一般由移动台(MS)、基站(BS)、移动业务交换中心(MSC)及与市话网(P5TN)相连的中继线等组成，如图所示。

移动业务交换中心的主要功能是信息的交换和整个系统的集中控制管理，基站和移动台设有收发信机和天馈线等设备。

每个基站都有一个可靠通信的服务范
围，该范围的大小主要由发射机功率和基地站天线的有效高度等决定。

三.无绳电话系统
CT2是由第一代无绳电话(CT1)改进演变而来的。

它与CT1相比有两大改进：一是实现了全数字化，二是座机改成了基站。

CT2系统由手机(HS)、基站(BS)、网络管理中心(MNCC)及计费系统构成，它依附于公用电话交换网(PSTN)，是市话网的延伸。

四.集群移动通信系统
五.移动卫星通信系统
六.分组无线网
§1－4 移动通信的基本技术
一.调制解调技术(复习通信原理中这部分内容)
二.移动信道中电波传播特性的研究(第三章详细讲)
三.多址方式(6、7、8三章有重点详细的讲解)
四.抗干扰措施(第四章详细讲)
五.组网技术(重点)
1.网络结构
2.网络接口
3.网络的控制与管理
第二章调制解调
说明：本章内容在通信原理课程中已有详细的讲解，在本课程中仅做复习内容。

第三章移动信道的传播特性
本章的教学目标和要求：
了解电波的传播方式和损耗；重点掌握移动信道的特征；理解陆地移动信道的场强估算.
本章重点：
移动信道的特征;多径效应、瑞利衰落、多径时散与相关带宽等概念的理解与掌握.
本章难点：
移动信道的场强的估算.
本章教学方式：课堂讲授
本章教学手段：多媒体
本章课时安排： 6
本章习题：P101
1 3 4 8 9
教学过程组织：本章课程以复习电波的传播方式为切入点，介绍移动信道的特点和电波传播过程中的衰落。

本章课程理论性强，内容较难理解，讲授时应注重调动课堂气氛，使学生积极思考。

对多径时散与相关带宽概念的讲授应相应加大力度。

本章的具体内容：
§3－1 无线电波传播特性
一.电波传播方式
电磁波从发射机发出，传播到接收天线，可以有不同的传播方式，主要的传
播方式有四种：
地波传播：是一种沿着地球表面传播的电磁波，称为地面波或表面波传播，简称地表波。

天波传播：电波向天空辐射并经电离层反射回到地面的传播方式称为天波传播，也称电离层传播。

直射波传播：电波从发射天线直射到接收天线的传播方式，称为直射波传播，有时也称视距传播或视线传播。

散射传播：这种传播主要是由于电磁波投射到大气层（如对流层）中的不均匀气团时产生散射，其中一部分电磁波到达接收地点。

二.直射波
三.大气中的电波传播
1.大气折射
2.视线传播极限距离
直射波传播最大距离受收、发天线高度、地球曲面半径以及大气折射影响共同决定，下图示出了求视线传播的极限距离。

假定发射天线高度为h t，接收天线高度为h r。

从几何关系可求出极限的距离d为:
d=
在实际情况下，在超过上述极限距离的地方也可能收到较强信号。

这种现象叫超视距传播。

产生超视距传播的主要原因是大气折射的缘故，电波在大气层中折射的通常结果是，传播距离要比极限视距更远—些，也可以说似乎是地球变得平坦了，或说是地球半径变大了。

根据通常情况，按标准大气折射计算，等效的地球半径增大了三分之一。

四.障碍物的影响与绕射损耗
在实际情况下，电波在直射传播的路径上可能存在山丘、建筑物等障碍物，由这些障碍物引起的附加衰耗(除了自由空间传播衰耗外)，称为绕射衰耗(或绕射损耗)。

设障碍物与发射点、接收点的相对位置如下图所示，图中x 表示障碍物顶点P 至直射线TR 的距离，在传播理论中称作费涅尔余隙。

图(a)所示情形规定余隙x 为负，图(b)时余隙为正。

由费涅尔绕射理论可求得障碍物引起的绕射衰耗与费涅尔余隙的关系如下图所示。

图中横坐标为
1/x x ，其中x 1称为费涅尔半径，
并由下式可求得： 12112d d x d d λ=
+
式中λ为电波波长。

五.反射波
当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面时，如果界面尺寸比电波波长大得多时就会产生镜面反射，因此从发射天线到接收天线的电波包括直射波和反射波。

通常，在研究地面对电波的反射时，都是按平面波处理的，即电波在反射点
的入射角等于反射角，电波的相位发生—次反相。

§3－2 移动信道的特征
一.传播路径与信号衰落
二.多径效应与瑞利衰落
在陆上移动信道中，移动台往往工作在城市建筑群和其它地形地物极为复杂的环境中。

基地台和移动台之间的电波传播不再是单纯的直射波形式，而出现各个路径的反射，以致到达接收天线的信号是来自不同传播路径的各个分量的合成波。

由于各分量的互相干涉而产生深度的快衰落，即多径衰落。

多径衰落后信号的包络服从瑞利分布，所以多径衰落又称作瑞利衰落。

三.慢衰落特性与衰落储备
移动台接收信号除瞬时值出现快速起伏瑞利衰落外，其场强中值随着所处位置改变而呈现较慢变动，称为慢衰落。

发生慢衰落的主要原因是障碍物的阴影效应，即在电波传播的路径上遇到建筑物、树林等障碍物的阻挡，产生了电磁场的阴影。

当移动台通过不同的障碍物的阴影时，就造成接收信号场强中值的变动。

变动的大小取决于障碍物的状况及工作频率。

变化的速率不仅与障碍有关，而且和移动台的移动速度有关。

造成慢衰落的另一个原因是由于气象条件的变化，使电波折射系数随时间变化，多径传播到达接收点的信号时延也随之变化，从而也造成场强中值电平的慢变化，即慢衰落。

大量测试表明，无论是由阴影效应引起的慢衰落，还是由大气折射状况缓慢变化引起的场强中值变动，都近似服从对数正态分布规律，即场强的分贝数接近正态分布。

其标准偏差约5~7dB。

四.多径时散与相关带宽(重点)
§3－3 陆地移动信道的场强估算
接收机输入电压、功率与场强的关系（难点）
1.接收机输入电压的定义
2.接收场强与接收电压的关系
一.地形、地物分类
1.地形的分类与定义
3.为了计算移动信道中信号电场强度中值(或传播损耗中值)，可将地形分为两
大类，即中等起伏地形和不规则地形，并以中等起伏地形作传播基准。

所谓中等起伏地形是指在传播路径的地形剖面图上，地面起伏高度不超过20m，且起伏缓慢，峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度。

其它地形如丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地形等统称为不规则地形。

4.由于天线架设在高度不同的地形上，天线的有效高度是不一样的。

（例如，把
20m的天线架设在地面上和架设在几十层的高楼顶上，通信效果自然不同。

）因
5.此必须合理规定天线的有效高度。

若基站天线顶点的海拔高度为hts，从天
线设置地点开始，沿着电波传播方向的3km到15km之内的地面平均海拔高度为hga，则定义基站天线的有效高度为
6.hb=hts－hga
7.若传播距离不到15km, hga是3km到实际距离之间的平均海拔高度。

8.移动台天线的有效高度hm总是指天线在当地地面上的高度。

9.地物分类
10.不同地物环境其传播条件不同，按照地物的密集程度不同可分为三类地区：
①开阔地。

在电波传播的路径上无高大树木、建筑物等障碍物，呈开阔状地
面，如农田、荒野、广场、沙漠和戈壁滩等；②郊区。

在靠近移动台近处有些障碍物但不稠密，例如，有少量的低层房屋或小树林等；③市区。

有较密集的建筑物和高层楼房。

11.当然，上述三种地区之间都是有过渡区的，但在了解以上三类地区的传播情
况之后，过渡区的传播情况就可以大致地估计出来。

1.中等起伏地形上传播损耗的中值（难点）
2.市区传播损耗的中值
3.郊区和开阔地损耗的中值
4.不规则地形上传播损耗的中值
5.任意地形地区的传播损耗的中值
第四章抗衰落技术
本章的教学目标和要求：
掌握分集技术的基本概念；掌握分集信号的合并技术，了解其性能；掌握隐分集技术的概念和原理，了解其应用；掌握时域均衡的概念和工作原理；了解自适应均衡技术的应用。

本章重点：
分集的方式及其分集信号的合并技术.
本章难点：
时域均衡的工作原理和自适应均衡技术的应用。

本章教学方式：课堂讲授
本章教学手段：多媒体
本章课时安排： 6
本章习题：P122
1 3 6
教学过程组织：本章课程以复习电波的非相关性为切入点，介绍分集接收原理和分集合并性能。

本章课程理论性强，内容较难理解，讲授时应注重调动课堂气氛，使学生积极思考。

对均衡技术的讲授应相应加大力度。

本章的具体内容：
§4－1 分集接收
一.分集接收原理（重点）
1.分集接收的定义
2.分集方式
1)宏分集
2)微分集
3.合并方式
二.分集合并性能的分析与比较
1.选择式合并的性能
2.最大比值合并的性能
3.等增益合并的性能
4.平均信噪比的改善
§4－2 RAKE接收
§4－3 均衡技术（难点）一.均衡的原理
二．自适应均衡技术
第五章组网技术
本章的教学目标和要求：
理解多址技术的定义和几种多址方式;了解移动通信的信道配置;重点掌握数字蜂窝移动通信网的网络结构;理解移动通信系统的信令;掌握越区切换和位置管理.
本章重点：
多址技术的定义;数字蜂窝移动通信网的网络结构;越区切换和位置管理.
本章难点：
移动通信的信道配置; 移动通信系统的信令.
本章教学方式：课堂讲授+实验
本章教学手段：多媒体+实验演示
本章课时安排：10
本章习题：P162
2 8 9 1
3 17 18 20 21 26 27 29
教学过程组织：本章课程以复习第一章讲述的多址方式的定义为切入点，重点介绍5种多址技术以及移动通信的网络结构。

本章课程在该课程中有很高的地位，关系到对整个课程体系的掌握，讲授时应相应增加教学时数，充分调动学生的积极性，以更好地理解本章内容。

本章的具体内容：
§5－1 概述
一.提出移动通信系统在组网方面要解决的问题
1.如何共享频率资源
2.区域覆盖问题
3.网络结构问题
4.移动性管理问题
5.通信系统中的信令问题
本章就是针对上述5问题展开的，重点学习这5个方面的内容。

二.简述分层协议模型的概念
物理层链路层网络层
§5－2 多址技术（重点）
一.频分多址
1.频分多址的定义和特点
2.话务量与呼损率的定义
3.完成话务量的性质与计算
4.呼损率的计算
5.用户忙时的话务量与用户数
6.空闲信道的选取
二.时分多址的定义和特点
三.码分多址
1. 码分多址的定义和特点
2.FH-CDMA
3.DS-CDMA
4.混合码分多址
四.空分多址的定义和特点
五.随机多址
§5－3 区域覆盖和信道配置
一.区域覆盖
1.带状网
2.蜂窝网
二.信道配置（难点）
1.分区分组配置法
2.等频距培植法
§5－4 网络结构（重点）
一.基本网络结构
二.数字蜂窝移动通信网的网络结构§5－5 信令（难点）
一.信令的定义和种类
二.接入信令
1.数字信令
2.音频信令
3.信令传输协议
三.网络信令
四.信令应用
§5－6 越区切换和位置管理（重点）
一.越区切换
1. 越区切换的准则
2. 越区切换的控制策略
3. 越区切换时的信道分配
二.位置管理
1.位置登记和呼叫传递
2.位置更新和寻呼
第六章频分多址(FDMA)模拟蜂窝网
本章的教学目标和要求：
了解模拟蜂窝网移动电话系统结构;重点掌握AMPS系统的组成及各功能实
体的主要作用;理解系统的控制结构和数字信令;了解移动台主呼和被呼的工作过程.
本章重点：
AMPS系统的组成及各功能实体的主要作用.
本章难点：
移动台被呼的工作过程.
本章教学方式：课堂讲授+实验
本章教学手段：多媒体
本章课时安排：6
本章习题：P230
3 5 6 8
教学过程组织：本章课程以回顾模拟蜂窝通信网的起源为切入点，学习模拟蜂窝移动通信系统的结构。

本章课程讲述的模拟蜂窝移动通信系统已过时，故对该部分知识的理解可相应降低要求，讲授速度可适当加快。

该部分知识主要是与第七章和第八章讲授的内容做比较。

本章的具体内容：
§6－1 概述
一.发展简况
二.系统结构
三.主要功能
§6－2 系统控制及其信令
一.系统的控制结构
二.控制信号及其功能
1.监测音SAT
2.信令音ST
3.定位与过境切换
4.寻呼与接入
5.冲突退避
6.移动台的功率等级信号
7.移动用户识别号
三.数字信令
1.前向控制信道
2.反向控制信道
3.前向话音信道中的控制信令
4.反向话音信道中的控制信令
5.有线数据信道的控制信令
§6－3 系统的工作过程（重点）
一.初始状态
二.移动台被呼
1.寻呼
2.寻呼响应
3.指配话音信道
4.振铃
三.移动台主呼
1.呼前拨号
2.申请话音信道
3.指配话音频道
4.振铃
四.话终拆线
第七章时分多址(TDMA)数字蜂窝网
本章的教学目标和要求：
重点掌握GSM系统的网络结构以及系统的控制与管理;理解GSM系统的无线接口;了解D-AMPS、JDC系统与GSM系统的异同.
本章重点：
GSM系统的网络结构;系统的控制与管理,包括位置登记、鉴权与加密、呼叫接续、过区切换.
本章难点：
GSM系统的信道类型；语音和信道编码.
本章教学方式：课堂讲授+实验
本章教学手段：多媒体+实验演示
本章课时安排：10
本章习题：P274
1 2 3 4 7 8 9 10
教学过程组织：本章课程着重讨论TDMA数字蜂窝移动通信系统的网络组成、传输方式和网络控制等内容，其中GSM以为主，并对D-AMPS和JDC系统做简要比较。

数字蜂窝移动通信系统是移动通信现行的方式，讲授时理论联系实际，使学生对GSM系统有更深刻的认识，以提高课堂教学效果。

本章的具体内容：
§7－1 GSM系统总体
一.GSM的发展史
二.网络结构（重点）
1.移动台
2.基站子系统
3.网络子系统
4.GSM网络接口
三. GSM的区域、号码、地址与识别（重点）
1.区域定义
2.号码与识别
四.主要业务。