移动通信概述4学时.docx
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移动通信概述4学时
第二部分移动通信概述（4学时）
引言
一、移动通信的概念
二、移动通信的特点及分类
三、移动通信系统组成
四、移动通信的工作方式
五、移动通信系统的频段使用
复习题
引言
复习一下中学阶段的物理知识：
1、电磁波是如何产生的？
如何通过实验来间接观察它的存在？
电磁波由变化的电流产生。
当打开日光灯时，会在附近的收音机中听到杂音，这杂音就是电路通断时形成时断时续的电流，在周围空间激发出电磁波被收音机接收而产生的。
把手机放在电脑旁，来电会引起屏幕闪烁。
2、电磁波在真空中的传播速度是多少？
波速、频率、波长间有什么关系？
3×108m/s，c＝λ×f频率越高，波长越短
由于电磁波的频率和波长不同，用途也不同。
电磁波可用来进行广播、电视和移动通信。
有了广播和电视，就把我国古代传说中的“千里眼”、“顺风耳”的神话变成了事实。
那么怎样利用电磁波来传递声音和图像呢？
对比：
飞鸽传书－－利用鸽子传递信息。
鸽子是信息的“载体”
无线电广播、电视、通信－－利用电磁波作为“载体”来传递信息。
人耳能听到的声音频率是20Hz~20KHz，称为音频；
声音的传播速度是340m/s，受环境影响大，衰减快，所以不能传到很远的地方。
电磁波频率高，传播速度与光速一样，具有较强的辐射力和较长的传播距离，但人耳却听不到。
如果将声音通过话筒转换成电信号，装载到具有强辐射力、波长短、频率高的电磁振荡波上，然后借助天线发射出去，就可以传播的很远。
调制信号：
音频信号
载波信号：
发射机中由振荡电路产生的高频载波信号；
调制：
把音频信号装到载波上的过程；
已调信号：
经过调制后的高频震荡信号；
无线电广播信号的发射和接收
发射：
由广播电台完成：
话筒把声音信号转换成音频电信号，这个音频电信号不能直接用来发射，------类似于要发出的信件；
载波发生器产生高频电磁波，----类似于要远飞的信鸽；
调制器把音频电信号加载到高频电磁波上，----类似于把信绑在信鸽的身上；
天线把载有音频电信号的高频电磁波发射出去，----类似于信鸽的放飞。
接收：
由收音机完成：
天线接收在空中传播的各种各样的电磁波，没有选择性，若把天线接收过来的电磁波全部转换成声音，只会一片嘈杂；
选台和解调：
通过调谐器从各种各样的电磁波中选择我们要接收的某一频率的电磁波，然后通过解调器从高频电信号中解调出音频电信号。
扬声器把音频电信号转换为声音。
电视的发射和接收：
发射：
由电视台完成。
声音信号由话筒转换成电信号，将其加载到高频电磁波上，成为高频信号，由发射机发射出去，然后由发射天线发射到空中。
接收：
由电视机完成。
电视机的接收天线接收到高频信号，取出图像和声音电信号并放大，然后由显像管还原成图像、由扬声器放出声音。
移动通信
1、移动电话机由电磁波来传递声音，它既是无线电发射台，又是接收台；
2、移动电话靠基地台（较大的固定无线电台），使在不同地方的人可以互相通话。
设立基地台的原因：
手机体积小，发射功率不大，
天线简单，灵敏度不高。
无绳电话：
主机和手机间没有电话线相连，靠无线电波沟通，
主机接在市话网上，相当于一个小型基地台。
手机不能离主机太远。
一、移动通信的概念
1.什么是移动通信
2.移动通信系统的小区规划：
大区制、小区制、蜂窝、小区分裂、直放站
3.移动通信的基本制式
4.移动通信的频段
5.什么是网络接入号
1.什么是移动通信
就是指通信的双方，至少有一方是在移动（或暂时静止）中进行信息交换的。
其中，包括移动台与固定台之间通信，移动台与移动台之间通信。
移动用户：
移动用户有便携式、手提式、车载式三种。
所以说移动台不单指手机,手机只是一种便携式的移动台。
固定用户包括：
市话用户、长途用户。
2.移动通信系统的小区规划
（1）大区制：
大区制是指把一个通信服务区域仅规划为一个或少数几个无线覆盖区，每个无线区的半径在25~45km左右,用户容量为几十至数百个。
每个无线区仅为一个基站所覆盖,基站基本上是相互独立的。
大区制的缺点：
a.系统容量不高,不能满足用户数目日益增加的需要,这是由制式本身决定的,无法克服。
b.移动台的天线低,发射功率受限,在大的覆盖区内,上行链路（由移动台到基站）的通信就无法保证了,为此,常采用分集接收技术。
即在服务区内设置若干个分集接收点Rd与基站相连,以保证上行链路的通信质量。
c.在大区制中，移动用户只要在服务区内，无论移动到何处，信息的交换和控制都是通过一个基站进行的，所以交换控制比较简单。
d.大区制只适合于在中小城市或专用移动网等业务量不大的情况下使用。
（2）小区制
是解决频道有限的主要手段，根据服务区域的形状不同,小区制又可分为带状区和面状区（蜂窝网）等。
面状区的蜂窝网结构又可分为宏蜂窝结构、微蜂窝结构以及智能蜂窝结构三种。
小区制是指把一个通信服务区域分为若干个小无线覆盖区；
每个小区的半径在5~20km左右,用户容量可达上千个；
每个小区设置一个基站（BS）,负责本区移动台（MS）的联系和控制,各个基站通过移动业务交换中心（MSC）相互联系；
每个基站的发射功率都很小，一般为3-10W。
小区制的频率复用：
原则上每个小区可以分配不同的频率，但需要大量的频率资源，且频率的利用率低，仍解决不了用户需求与频率资源少的矛盾；为了提高频谱利用率，在用户服务区内，需将相同的频率在相隔一定距离的小区中重复使用，只要使用相同频率的小区（同频小区）之间干扰足够小即可。
小区制的频率复用带来的附加好处：
信道距离缩短、手机的发射功率低；
带来的新问题：
位置管理、切换、相邻信道干扰的问题。
小区的形状:
在理想情况下,小区覆盖的面积可视为一个以基站为中心,以最大可通信距离为半径的圆。
为了不留空隙地覆盖整个面状服务区,各个圆形覆盖区之间一定存在很多重叠区。
通过理论分析和证明,要用正多边形无空隙、无重叠地覆盖一个平面区域，可取的形状只有三种。
小区形状
正三角形
正方形
正六边形（最优）
邻区距离
R
R
R
小区面积
1.3r2
2r2
2.6r2
交叠区宽度
R
0.59r
0.27r
交叠区面积
1.2∏r2
0.73∏r2
0.35∏r2
由于这种结构看上去像是蜂窝,所以称其为“蜂窝式移动通信”。
蜂窝结构示意图如图所示。
小区制复杂：
频率复用产生同信道干扰,涉及到一些相关技术:
功率控制技术、小区半径最优化技术等。
在移动台越区过程中必须进行信道自动切换,以保证移动台越区时通话不间断,涉及到了越区切换技术。
控制中心要及时掌握移动台动态位置——位置登记技术。
小区的半径大小取决于小区的用户密度；
区群：
使用系统内所有信道的一组小区，叫做一个区群。
思考问题：
一个区群中应该有几个小区呢?
为什么进行小区裂变？
为什么设立直放站？
满足条件的区群形状和区群内的小区数不是任意的。
可以证明能用下式得出：
N=a2+ab+b2
式中：
N----区群中的小区数
a、b-----相隔的小区数，均为正整数，可以为0，但不能同时为0。
通过证明：
整数尺寸的区群中的小区数可以取：
1，3，4，7，9，12，13，21……
小区分裂-----目的：
扩容
小区规划时：
可以认为各小区的覆盖区大小相等，用户密度分布一样。
运营之后：
会出现用户分布不均匀的情况。
闹市区用户密度大，话务量激增；
市郊区用户密度小，话务量也少。
小区裂变：
若小区内的业务增多，通过缩小复用距离，使单位面积上的频道数增加，系统容量扩大。
方法就是，小区覆盖面积缩小。
直放站：
在组网布局时，出于经费以及地形、地物等方面的考虑，会出现覆盖不到的区域，通常称为盲区或死区。
为了让盲区变活，通常在适当的位置建立直放站，以沟通盲区移动台与基站的通信。
HL-915型GSM移动通信直放站
GSM：
上行890－915
下行935－960MHZ
输出功率：
上行﹥5W，下行﹥5W
覆盖面积：
﹥5平方公里
课后作业：
上网搜集关于移动通信的其他名词，并了解其含义。
二、移动通信的特点及分类
1移动通信的特点
v衰落现象
v多卜勒效应
v干扰多而复杂（强干扰情况下工作）
v用户量大而频率资源有限
v网络结构多样化，网络管理和控制非常复杂
衰落现象（运行环境十分复杂）
电波随传播距离的增加而发生弥散损耗；
受到散射体（地形、地物和移动体）的影响产生多径传播信号在接收点叠加引起信号衰落速度快（快衰落）；
受到地形、地物的遮蔽而发生阴影效应，以及大气折射的影响，衰落速度较慢（慢衰落）。
总之，信号经过多点发射，会从多条路径到达接收地点，这种多径信号的幅度、相位和到达时间都不一样，它们相互叠加产生电平衰落和时延（衰落现象）；
多卜勒效应
移动通信常常在运动中进行，当它的运动速度到达一定程度时，固定点接收到的载波频率将随运动速度V的不同而产生不同的频移，即产生多普勒频移，从而产生随机调频，而且会使得电波传播特性发生快速的随机起伏，严重影响通信质量。
移动通信必须根据移动信道的特征进行合理安排。
多普勒频移fD与移动台的移动速度V、接收信号载波的波长、电波到达的入射角有关系。
工作频率越高，则频移越大；移动速度越快，对信号的传播影响越大；
在高频移动电话系统中，多普勒频移可影响300Hz左右的语音，出现失真。
一般在地面设备接收机中，采用锁相技术防止多普勒效应。
干扰多而复杂
v受天线干扰、工业干扰、信道噪声干扰；
v系统与不同系统之间产生干扰；
v多部电台之间的干扰；
v不同制式产生的干扰。
即：
邻道干扰、互调干扰、共道干扰、多址干扰、远近效应（近地无用强信号压制远地有用弱信号）。
用户量大而频率资源有限
Ø到2005年底，全球手机用户数量已突破20亿；
Ø到2007年2月，中国手机用户达4.8亿（世界第一），大大超过美国人口（3.01亿）；
Ø在新增手机用户方面，印度（600万/月）是唯一可以和中国（500万/月）相竞争的国家；
|提高通信容量是移动通信需要解决的主要问题。
☺方法：
（1）开辟和启用新的频段；
（2）压缩信号占用的带宽，提高频率利用率；
（3）有限频率的合理分配和严格管理。
网络结构多样化，网络管理和控制非常复杂
由于地形不同，通信网有带状（铁路沿线）、面状（城市）、立体状（地面和卫星通信），网络结构也不同；
目前，一般是多网互连，所以必须具备很强的管理和控制能力（用户的登记、定位；呼叫的建立和拆除；信道的分配和管理；记费；鉴权；安全和保密；用户的过境切换和漫游等等。
所以，网络的管理和控制非常复杂和重要。
2移动通信系统的分类
v按使用环境来分：
陆地、水上和航空移动通信
v按服务对象来分：
军事、专业和公众移动通信
v按工作方式来分：
单工、半双工和全双工工作方式
v按多址方式来分：
频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）；（以后讲）
v按覆盖范围来分：
宽域网、局域网
v按业务类型分类：
电话网、数据网、综合业务网
v按信号形式分类：
模拟网和数字网
三、移动通信系统组成
移动通信系统一般由
移动台（MS）、基地站（BS）、移动业务交换中心（MSC）以及与市话网（PSTN）、综合业务数字网（ISDN）、公共数据网（PDN）相连的中继线等部分组成。
基站通过传输链路和交换机相连，交换机再与固定电信网络相连，这样形成了移动用户、基站、交换机、固定网络、固定用户的通信链路。
基站与交换机之间、交换机与固定网络之间可采用有线链路（光纤、同轴电缆、双绞线等），也可采用无线链路（微波链路等）。
四、移动通信的工作方式
|按通信的传输方式分为：
移动通信系统有单工制、双工制和半双工制三种工作方式。
|按移动通信的服务区分为：
大区制和小区制。
（一）移动通信的传输方式
1．单工通信
所谓单工通信是指通信双方交替进行收信和发信的通信方式,发送时不接收,接收时不发送。
单工通信常用于点到点的通信,如图所示。
根据收发频率的异同,单工通信可分为同频单工和异频单工。
（图、解释）
2．双工通信
双工通信的特点:
同普通有线电话很相似,使用方便。
缺点是:
使用过程中,不管是否发话,发射机总是工作的,故电能消耗很大,这对以电池为能源的移动台是很不利的。
解决办法是:
要求移动台接收机始终保持在工作状态,而令发射机仅在发话时才工作。
这样构成的系统称为准双工系统,也可以和双工系统兼容。
这种准双工系统目前在移动通信系统中获得了广泛的应用。
（图、解释）
3．半双工通信
半双工通信是介于单工通信和全双工通信之间的一种通信方式。
其中,移动台的工作情况与单工通信时相似:
采用“按-讲”方式,即按下按讲开关,发射机才工作,而接收机总是在工作。
基站的工作情况与全双工通信时相似,只是可以采用双工器,使收发信机共用一副天线。
半双工通信的特点:
设备简单，功耗小，克服了单工通信断断续续的现象,但操作仍不太方便。
所以半双工方式主要用于专业移动通信系统中,如汽车调度等。
（图、解释）
（二）移动通信的服务区
1．大区制
大区制概念的提出早于小区制,主要为早期的通信系统所采用,满足了当时系统中小容量的需求。
Ø大区制是指把一个通信服务区域仅规划为一个或少数几个无线覆盖区,简称无线区。
Ø所谓无线区是指当基站采用全向天线时,在无障碍物的开阔地,以通信距离为半径所形成的圆形覆盖区。
Ø每个无线区的半径在25~45km左右,用户容量为几十至数百个。
Ø每个无线区仅为一个基站所覆盖,基站基本上是相互独立的。
大区制的缺点是:
由于一个基站所能提供的信道数有限,因而系统容量不高,不能满足用户数目日益增加的需要,这是由制式本身决定的,无法克服。
移动台的天线低,发射功率受限,在大的覆盖区内,上行链路（由移动台到基站）的通信就无法保证了,为此,常采用分集接收技术。
即在服务区内设置若干个分集接收点Rd与基站相连,以保证上行链路的通信质量。
2．小区制
根据服务区域的形状不同,小区制又可分为带状区和面状区（蜂窝网）等。
面状区的蜂窝网结构又可分为宏蜂窝结构、微蜂窝结构以及智能蜂窝结构三种。
小区制是指把一个通信服务区域分为若干个小无线覆盖区,每个小区的半径在5~20km左右,用户容量可达上千个。
每个小区设置一个基站（BS）,负责本区移动台（MS）的联系和控制,各个基站通过移动业务交换中心（MSC）相互联系,并与市话局连接。
基本思路就是用多个小的功率发射机来代替单个大功率发射机。
每个基站的发射功率都很小，一般为3-10W。
小区制中的频率复用
v小区制中原则上每个小区可以分配不同的频率，但这样做需要大量的频率资源，且频率的利用率低，仍然解决不了用户需求与频率资源少的矛盾；
v为了提高频谱利用率，减少对频率资源需求紧张的问题，在用户服务区内，需将相同的频率在相隔一定距离的小区中重复使用，只要使用相同频率的小区（同频小区）之间干扰足够小即可。
因此，小区制的频率利用率就提高了。
v这种重复利用相同频率的技术称为同频复用，这是移动通信系统解决用户增多而被有限频谱制约的有效手段。
v一般来说，在频率组数量不变的情况下，无限小区越小，频率利用率越高，单位面积上的用户数也越多。
小区制的频率复用带来的附加好处：
信道距离缩短
手机的发射功率低；
带来的新问题：
位置管理、切换、相邻信道干扰的问题
小区中的基站天线采用全向天线,在理想情况下,它覆盖的面积可视为一个以基站为中心,以最大可通信距离为半径的圆。
为了不留空隙地覆盖整个面状服务区,各个圆形覆盖区之间一定存在很多重叠区。
通过理论分析,通信系统现在大都采用与圆形较接近的正六边形作为小区的形状结构,因为这种结构既避免了相邻覆盖区间的重叠,又不会产生空隙,区域衔接更紧密,产生的相互干扰更小。
又由于该结构看上去像是蜂窝,所以称其为“蜂窝式移动通信”。
蜂窝结构示意图如图所示。
小区制结构也存在着一些问题:
由于信道复用,可能产生同信道干扰,这就涉及到一些相关技术:
分集接收技术、功率控制技术、小区半径最优化技术等。
信道复用带来的另一问题是:
当移动台从一个小区驶入另一个无线区时,即越区过程中必须进行信道自动切换,以保证移动台越区时通话不间断,这又涉及到了越区切换技术。
为此,还要及时掌握移动台动态位置——位置登记技术。
另外,为进一步提高信道的利用率和通信的质量,可以采用码分多址（CDMA）方式和信道动态分配方法等。
概念：
v小区：
一个基站所覆盖的区域，小区的半径大小取决于小区的用户密度；
v区群：
是用系统内所有信道的一组小区，叫做一个区群。
v问题：
v小区的最有形状是什么？
v一个区群中应该有几个小区呢?
v什么是小区裂变？
v为什么设立直放站？
小区的最佳形状：
要想无缝隙、无重叠地覆盖一个平面区域，可取的形状只有正三角形、正方形和正六边形。
在辐射半径相同（服务区面积一定）的条件下，通过计算分析：
正六边形小区的小区面积最大、交叠区宽度和交叠区面积最小，因此所需的基站数最少（经济）。
（三种做比较）
区群中的小区数
满足条件的区群形状和区群内的小区数不是任意的。
可以证明能用下式得出：
N=a2+ab+b2
式中：
N----区群中的小区数
a、b-----相隔的小区数，均为正整数，可以为0，但不能同时为0。
通过证明：
整数尺寸的区群中的小区数可以取：
1，3，4，7，9，12，13，21……
小区分裂
目的：
扩容
小区规划时：
可以认为各小区的覆盖区大小相等，用户密度分布一样。
运营之后：
会出现用户分布不均匀的情况。
闹市区用户密度大，话务量激增；
市郊区用户密度小，话务量也少。
小区裂变：
若小区内的业务增多，通过缩小复用距离，使单位面积上的频道数增加，系统容量扩大。
方法就是，小区缩小（一分为四）。
直放站
在组网布局时，出于经费以及地形、地物等方面的考虑，会出现覆盖不到的区域，通常称为盲区或死角。
为了让盲区变活，通常在适当的位置建立直放站，以沟通盲区移动台与基站的通信。
直放站实际上就是一个同频放大的中继站，通过它把基站部分信号引过来，以实现接收和转发来自基站和移动台的信号。
由于直放站具有简单、可靠、易于安装等特点，目前已经得到了广泛应用。
移动通信系统的频段使用
我国蜂窝移动通信系统的频率
系统或使用部门
上行频率/MHz
下行频率/MHz
中国联通CDMA
825~835
870~880
中国移动GSM室内分布系统
885~890
930~935
中国移动GSM900
890~909
935~954
中国联通GSM900
909~915
954~960
中国移动DCS1800
1710~1720
1805~1815
中国联通DCS1800
1745~1755
1840~1850
思考习题：
一．基站和移动业务交换中心有何作用？
v基地站（BS）是以多信道共用方式在移动通信中提供通信服务的关键设备,其中主要由收发信道盘等组成。
v移动业务交换中心（MSC）除具有一般市话交换机的功能之外,还有移动业务所需处理的越区切换、漫游等处理功能
二．什么是多普勒效应？
有何影响？
所谓多卜勒效应指的是当移动台（MS）具有一定速度v的时候,基站（BS）接收到移动台的载波频率将随v的不同,产生不同的频移。
反之也如此。
移动产生的多卜勒频率为
式中,v为移动体速度,λ为工作波长,θ为电波入射角（如图1-14所示）。
此式表明,波长越长，移动速度越快,入射角越小,则多卜勒效应就越严重。
三．移动通信的干扰来源有哪些？
干扰的主要来源有由设备中器件的非线性特性引起的互调干扰,由移动台“远近效应”引起的邻道干扰及同频复用所引起的同频干扰等。
四．解决移动通信频率资源有限的措施的措施有哪些？
移动通信,特别是陆地移动通信的用户数量很大,为了缓和用户数量大与可利用的频率资源有限的矛盾,除了开发新频段之外,还要采取各种措施以图更加有效地利用频率资源,如压缩频带、缩小波道间隔、多波道共用等,即采用频谱和无限频道有效利用技术。
五．什么是多径效应？
移动通信电波传播最具特色的现象是多径衰落,或称多径效应。
无线电波在传输过程中会受到地形、地物的影响而产生反射、绕射、散射等,从而使电波沿着各种不同的路径传播,这称为多径传播。
由于多径传播使得部分电波不能到达接收端,而接收端接收到的信号也是在幅度、相位、频率和到达时间上都不尽相同的多条路径上信号的合成信号,因而会产生信号的频率选择性衰落和时延扩展等现象,这些被称为多径衰落或多径效应。
第二部分复习题
1、什么叫移动通信？
有哪些特点？
2、移动通信中的多普勒效应是怎么产生的？
在地面接收机中如何克服？
3、已知移动台运动速度v、工作频率f、电波到达入射角θ，则多普勒频移fd为多少？
4、移动通信中的干扰有哪些？
5、移动通信使用的频段是什么？
6、什么是信号的慢衰落和快衰落？
什么原因导致衰落？
7、移动通信的工作方式有哪几种？
8、天线长度决定于波长，移动台中使用最多的是哪种天线？
9、世界上第一个蜂窝移动通信系统是哪个系统，是哪个国家研制的？
于哪年在哪个城市投入商用？
10、简述小区制的工作方式。
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