移动通讯教案.docx
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移动通讯教案
第1章概论
1.1移动通信的主要特点
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，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，网络管和控制必须有效
5.移动通信设备（主要是移动台）必须适于在移动环境中使用
1.2移动通信系统的分类
①按使用对象可分为民用设备和军用设备；
②按使用环境可分为陆地通信、海上通信和空中通信；
③按多址方式可分为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA等；④按覆盖范围可分为宽域网和局域网；
⑤按业务类型可分为电话网、数据网和综合业务网；
⑥按工作方式可分为同频单工、异频单工、异频双工和半双工；
⑦按服务范围可分为专用网和公用网；
⑧按信号形式可分为模拟网和数字网。
1.2.1工作方式
1.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。
2.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
3.半双工通信:
移动台采用单工的“按讲”方式，即按下按讲开关，发射机才工作，而接收机总是工作的。
基站工作情况与双工方式完全相同。
1.3常用移动通信系统
1.3.1无线电寻呼系统见图1—1
图1—1无线电寻呼系统示意图
1.3.2蜂窝移动通信系统
图1-2蜂窝系统的频率再用
1.4移动通信的基本技术
1.4.1调制技术
在实际应用中，有两类用得最多的数字调制方式：
（1）线性调制技术。
（2）恒定包络（连续相位）调制技术。
数字调制技术是振幅和相位联合调制（QAM）技术。
码分多址（CDMA）是最具有竞争力的多址方式，
1.4.4抗干扰措施
利用信道编码进行检错和纠错（包括前向纠错FEC和自动请求重传ARQ）是降低通信传输的差错率，保证通信质量和可靠性的有效手段；
为克服由多径干扰所引起的多径衰落，广泛采用分集技术（包括空间分集、频率分集、时间分集以及RAKE接收技术等）、自适应均衡技术和选用具有抗码间干扰和时延扩展能力的调制技术（如多电平调制、多载波调制等）；
为提高通信系统的综合抗干扰能力而采用扩频和跳频技术；
为减少蜂窝网络中的共道干扰而采用扇区天线、多波束天线和自适应天线阵列等；
在CDMA通信系统中，为了减少多址干扰而使用干扰抵消和多用户信号检测器技术。
第2章调制解调
2.1概述
调制的目的是把要传输的模拟信号或数字信号变换成适合信道传输的信号。
该信号称为已调信号。
调制过程用于通信系统的发端。
在接收端需将已调信号还原成要传输的原始信号，该过程称为解调。
按照调制器输入信号（该信号称为调制信号）的形式，调制可分为模拟调制（或连续调制）和数字调制。
模拟调制是利用输入的模拟信号直接调制（或改变）载波（正弦波）的振幅、频率或相位，从而得到调幅（AM）、调频（FM）或调相（PM）信号。
数字调制是利用数字信号来控制载波的振幅、频率或相位。
常用的数字调制有：
频移键控（FSK）和相移键控（PSK）等。
移动通信信道的基本特征是：
第一，带宽有限，它取决于可使用的频率资源和信道的传播特性；第二，干扰和噪声影响大，这主要是移动通信工作的电磁环境所决定的；第三，存在着多径衰落。
针对移动通信信道的特点，已调信号应具有高的频谱利用率和较强的抗干扰、抗衰落的能力。
2.2数字频率调制
2.2.1移频键控调制（FSK）
设输入到调制器的比特流为｛an｝,an=±1,n=-∞~+∞。
FSK的输出信号形式（第n个比特区间）为
即当输入为传号“+1”时，输出频率为f1的正弦波；当输入为空号“-1”时，输出频率为f2的正弦波。
2.3数字相位调制
2.3.1移相键控调制（PSK）
设输入比特率为｛an｝,an=±1,n=-∞~+∞,则PSK的信号形式为
S（t）还可以表示为
设g（t）是宽度为Tb的矩形脉冲。
其频谱为G（ω）,则PSK信号的功率谱为（假定“+1”和“-1”等概出现）
PSK可采用相干解调和差分相干解调如图2-1所示。
图2-1PSK的解调框图
（a）相干解调；（b）差分相干解调
2.4正交振幅调制（QAM）
正交振幅调制的一般表达式为
上式由两个相互正交的载波构成，每个载波被一组离散的振幅｛Am｝、｛Bm｝所调制，故称这种调制方式为正交振幅调制。
式中，Ts为码元宽度。
m=1,2,…,M;M为Am和Bm的电平数。
QAM中的振幅Am和Bm可以表示成：
式中，A是固定的振幅，（dm,em）由输入数据确定。
（dm,em）决定了已调QAM信号在信号空间中的坐标点。
QAM的调制和相干解调框图如图2-2所示。
图2-2QAM调制解调原理框图
（a）QAM调制框图；（b）QAM解调框图
第3章移动信道中的电波传播与分集接收
3.1VHF、UHF电波传播特性
3.1.1电波传播方式
发射机天线发出的无线电波，可依不同的路径到达接收机，当频率f＞30MHz时，典型的传播通路如图3-1所示。
图3–1典型的传播通路
3.1.2直射波
直射波传播可按自由空间传播来考虑。
所谓自由空间传播系指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件。
电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。
实际情况下，只要地面上空的大气层是各向同性的均匀媒质，其相对介电常数ε和相对导磁率μ都等于1，传播路径上没有障碍物阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计，在这样情况下，电波可视作在自由空间传播。
3.2多径效应与瑞利衰落
图3-2移动台接收N条路径信号
假设基站发射的信号为
式中，ω0为载波角频率，φ0为载波初相。
经反射（或散射）到达接收天线的第i个信号为Si（t），其振幅为αi,相移为φi。
假设Si（t）与移动台运动方向之间的夹角为θi,其多普勒频移值为
式中，v为车速，λ为波长，fm为θi=0°时的最大多普勒频移，因此Si（t）可写成
假设N个信号的幅值和到达接收天线的方位角是随机的且满足统计独立，则接收信号为
则S（t）可写成
由于x和y都是独立随机变量之和，根据概率的中心极限定理，大量独立随机变量之和的分布趋向正态分布，即有概率密度函数为：
式中，σx、σy分别为随机变量x和y的标准偏差。
x、y在区间dx、dy上取值概率分别为p（x）dx、p（y）dy，由于它们相互独立，所以在面积dxdy中的取值概率为
式中，p（x,y）为随机变量x和y的联合概率密度函数。
假设，且p（x）和p（y）均值为零，则
通常，二维分布的概率密度函数使用极坐标系（r,θ）表示比较方便。
此时，接收天线处的信号振幅为r,相位为θ，对应于直角坐标系为：
在面积drdθ中的取值概率为
得联合概率密度函数为
对θ积分，可求得包络概率密度函数p（r）为
同理，对r积分可求得相位概率密度函数p（θ）为
多径衰落的信号包络服从瑞利分布，故把这种多径衰落称为瑞利衰落。
均值
均方值
图3–3瑞利分布的概率密度
当r=σ时，p（r）为最大值，表示r在σ值出现的可能性最大。
当时，有
上式表明，衰落信号的包络有50%概率大于1.177σ。
这里的概率即是指任意一个足够长的观察时间内，有50%时间信号包络大于1.177σ。
因此，1.177σ常称为包络r的中值，记作rmid。
信号包络低于σ的概率为
同理，信号包络r低于某一指定值kσ的概率为
3.2.1多径时散与相关带宽
1.多径时散
假设基站发射一个极短的脉冲信号Si（t）=a0δ（t），经过多径信道后，移动台接收信号呈现为一串脉冲，结果使脉冲宽度被展宽了。
这种因多径传播造成信号时间扩散的现象，称为多径时散。
3.3分集接收
1.什么是分集接收
所谓分集接收是指接收端对它收到的多个衰落特性互相独立（携带同一信息）的信号进行特定的处理，以降低信号电平起伏的办法
2.分集方式
在移动通信系统中可能用到两类分集方式：
一类称为“宏分集”；另一类称为“微分集”。
“宏分集”主要用于蜂窝通信系统中，也称为“多基站”分集。
这是一种减小慢衰落影响的分集技术，其作法是把多个基站设置在不同的地理位置上（如蜂窝小区的对角上）和在不同方向上，同时和小区内的一个移动台进行通信（可以选用其中信号最好的一个基站进行通信）。
显然，只要在各个方向上的信号传播不是同时受到阴影效应或地形的影响而出现严重的慢衰落（基站天线的架设可以防止这种情况发生），这种办法就能保持通信不会中断。
“微分集”是一种减小快衰落影响的分集技术，在各种无线通信系统中都经常使用。
理论和实践都表明，在空间、频率、极化、场分量、角度及时间等方面分离的无线信号，都呈现互相独立的衰落特性。
据此，微分集又可分为下列六种：
（1）空间分集。
空间分集的依据在于快衰落的空间独立性，即在任意两个不同的位置上接收同一个信号，只要两个位置的距离大到一定程度，则两处所收信号的衰落是不相关的。
（2）频率分集。
由于频率间隔大于相关带宽的两个信号所遭受的衰落可以认为是不相关的，因此可以用两个以上不同的频率传输同一信息，以实现频率分集。
（3）极化分集。
由于两个不同极化的电磁波具有独立的衰落特性，所以发送端和接收端可以用两个位置很近但为不同极化的天线分别发送和接收信号，以获得分集效果。
（4）场分量分集。
由电磁场理论可知，电磁波的E场和H场载有相同的消息，而反射机理是不同的
（5）角度分集。
角度分集的作法是使电波通过几个不同路径，并以不同角度到达接收端，而接收端利用多个方向性尖锐的接收天线能分离出不同方向来的信号分量；由于这些分量具有互相独立的衰落特性，因而可以实现角度分集并获得抗衰落的效果。
显然，角度分集在较高频率时容易实现。
（6）时间分集。
同一信号在不同的时间区间多次重发，只要各次发送的时间间隔足够大，那么各次发送信号所出现的衰落将是彼此独立的，接收机将重复收到的同一信号进行合并，就能减小衰落的影响。
时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信号。
此外，时间分集也有利于克服移动信道中由多普勒效应引起的信号衰落现象。
由于它的衰落速率与移动台的运动速度及工作波长有关，为了使重复传输的数字信号具有独立的特性，必须保证数字信号的重发时间间隔满足以下关系：
3.合并方式
假设M个输入信号电压为r1（t），r2（t）,…，rM（t），则合并器输出电压r（t）为
式中，ak为第k个信号的加权系数。
（1）选择式合并。
选择式合并是检测所有分集支路的信号，以选择其中信噪比最高的那一个支路的信号作为合并器的输出。
由上式可见，在选择式合并器中，加权系数只有一项为1，其余均为0。
图3–4二重分集选择式合并
（2）最大比值合并。
最大比值合并是一种最佳合并方式，其方框图如图3-5所示。
为了书写简便，每一支路信号包络rk（t）用rk表示。
每一支路的加权系数ak与信号包络rk成正比而与噪声功率Nk成反比，即
由此可得最大比值合并器输出的信号包络为
式中，下标R是表征最大比值合并方式。
图3–5最大比值合并方式
（3）等增益合并。
等增益合并无需对信号加权，各支路的信号是等增益相加的，其方框图如图3-6。
等增益合并器输出的信号包络为
式中，下标E表征等增益合并。
图3–6等增益合并
第4章噪声与干扰
4.1噪声
4.1.1噪声的分类与特性
移动信道中加性噪声（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。
4.1.2人为噪声
所谓人为噪声，是指各种电气装置中电流或电压发生急剧变化而形成的电磁辐射，诸如电动机、电焊机、高频电气装置、电气开关等所产生的火花放电形成的电磁辐射。
4.1.3发射机产生的噪声及寄生辐射
1.发射机边带噪声
通常，发射机即使未加入调制信号，也存在以载频为中心、分布频率范围相当宽的噪声，这种噪声就称为发射机边带噪声，简称发射机噪声。
4.2邻道干扰与同频道干扰
4.2.1邻道干扰
所谓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。
因话音信号调频波的频谱分析和定量计算十分繁杂，通常采用单音频调频波进行分析。
假设单音频调频波为
（4-1）
式中：
β——调频指数；
Ω——调制信号角频率；
ω0——载波角频率
将式（4-1）展开并经运算可得
（第一对边频）
（第二对边频）
（第三对边频）
（第n对边频）
4.2.2同频道再用距离
为了提高频率利用率，在满足一定通信质量的条件下，允许使用相同频道的无线区之间的最小距离为同频道再用的最小安全距离，简称同频道再用距离或共道再用距离。
所谓“安全”系指接收机输入端的有用信号与同频道干扰的比值已大于射频防护比。
假定各基站与各移动台的设备参数相同，地形条件也是理想的。
这样，同频道再用距离只与以下诸因素有关：
（1）调制制度。
（2）电波传播特性。
假定传播路径是光滑的地平面，路径损耗L由下式近似确定：
式中，d是收、发天线之间的距离；ht、hr分别是发射天线和接收天线的高度。
如果d以km计，ht、hr均以m计，则
（4-2）
（3）基站覆盖范围或小区半径r0。
（4）通信工作方式。
。
（5）要求的可靠通信概率。
图4–1同频道再用距离
假设基站A和B使用相同的频道，移动台M正在接收基站A发射的信号，由于基站天线高度大于移动台天线高度，因此当移动台M处于小区的边沿时，易于受到基站B发射的同频道干扰。
假若输入到移动台接收机的有用信号与同频道干扰之比等于射频防护比，则A、B两基站之间的距离即为同频道再用距离，记作D。
由图可见：
（4-3）
式中，DI为同频道干扰源至被干扰接收机的距离，DS为有用信号的传播距离，即为小区半径r0。
通常，定义同频道再用系数为
由式（4-3）可得同频道再用系数
设干扰信号和有用信号的传播损耗中值分别用LI和LS表示，由式（4-2）可列出：
所以传播损耗之差为
设A基站和B基站的发射功率均为PT，则移动台M接收机的输入信号功率和共频道干扰功率分别为：
第5章组网技术
5.1概述
物理层（PHL）确定无线电参数，如：
频率、定时、功率、码片、比特或时隙同步、调制解调、收发信机性能等。
物理层将无线电频谱分成若干个物理信道，划分的方法可以按频率、时隙或码字或它们的组合进行，如频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）等。
物理层在介质接入控制层（MAC）的控制下，负责数据或数据分组的收发。
介质接入控制层（MAC）的主要功能有介质访问管理和数据封装等。
具体地讲，第一功能是选择物理信道，然后在这些信道上建立和释放连接；第二个功能是将控制信息、高层的信息和差错控制信息复接成适合物理信道传输的数据分组。
介质接入控制层通过形成多种逻辑信道为高层提供不同的业务。
例如，欧洲数字无绳电话系统（DECT）的MAC层为高层提供三个独立的业务：
广播业务、面向连接的业务和无连接业务。
数据链路控制层（DLC）的主要功能是为网络层提供非常可靠的数据链路。
例如，在DECT中，将DLC层分为两个平面：
控制平面和用户平面。
控制平面为内部控制信令和有限数量的用户信息提供非常可靠的传输链路，采用标准的链路接入步骤（LAPC）来提供完全的差错控制。
在用户平面，提供了一组可供选择的业务，如供语音传输的透明无差错保护的业务，具有不同差错保护的支持电路交换模式和分组交换模式数据传输的其它业务。
网络层主要是信令层。
它确定了用于链路控制、无线电资源管理、各种业务（呼叫控制、附加业务、面向连接的消息业务、无连接的消息业务）管理和移动性管理的各种功能。
5.2多址技术
5.2.1频分多址（FDMA）
频分多址是将给定的频谱资源划分为若干个等间隔的频道（或称信道）供不同的用户使用。
在模拟移动通信系统中，信道带宽通常等于传输一路模拟话音所需的带宽，如25kHz或30kHz。
在单纯的FDMA系统，通常采用频分双工（FDD）的方式来实现双工通信，即接收频率f和发送频率F是不同的。
为了使得同一部电台的收发之间不产生干扰，收发频率间隔|f-F|必须大于一定的数值。
例如，在800MHz频段，收发频率间隔通常为45MHz。
5.3越区切换和位置管理
5.3.1越区切换
越区（过区）切换（Handover或Handoff）是指将当前正在进行的移动台与基站之间的通信链路从当前基站转移到另一个基站的过程。
该过程也称为自动链路转移ALT（AutomaticLinkTransfer）。
越区切换通常发生在移动台从一个基站覆盖的小区进入到另一个基站覆盖的小区的情况下，为了保持通信的连续性，将移动台与当前基站之间的链路转移到移动台与新基站之间的链路。
越区切换包括三个方面的问题：
1越区切换的准则，也就是何时需要进行越区切换；
②越区切换如何控制；
③越区切换时信道分配。
研究越区切换算法所关心的主要性能指标包括：
越区切换的失败概率、因越区失败而使通信中断的概率、越区切换的速率、越区切换引起的通信中断的时间间隔以及越区切换发生的时延等。
越区切换分为两大类：
一类是硬切换，另一类是软切换。
硬切换是指在新的连接建立以前，先中断旧的连接。
而软切换是指既维持旧的连接，又同时建立新的连接，并利用新旧链路的分集合并来改善通信质量，当与新基站建立可靠连接之后再中断旧链路。
在越区切换时，可以仅以某个方向（上行或下行）的链路质量为准，也可以同时考虑双向链路的通信质量。
1.越区切换的准则
①相对信号强度准则（准则1）：
②具有门限规定的相对信号强度准则（准则2）：
③具有滞后余量的相对信号强度准则（准则3）：
④具有滞后余量和门限规定的相对信号强度准则（准则4）：
2.越区切换的控制策略
（1）移动台控制的越区切换。
（2）网络控制的越区切换。
（3）移动台辅助的越区切换。
3.越区切换时的信道分配
越区切换时的信道分配是解决当呼叫要转换到新小区时，新小区如何分配信道，使得越区失败的概率尽量小。
常用的做法是在每个小区预留部分信道专门用于越区切换。
这种做法的特点是：
因新呼叫使可用信道数的减少，要增加呼损率，但减少了通话被中断的概率，从而符合人们的使用习惯。
5.3.2位置管理
①主叫MT通过基站向其MSC发出呼叫初始化信号；
②MSC通过地址翻译过程确定被呼MT的HLR地址，并向该HLR发送位置请求消息；
③HLR确定出为被叫MT服务的VLR，并向该VLR发送路由请求消息；该VLR将该消息中转给为被叫MT服务的MSC；
④被叫MSC给被叫的MT分配一个称为临时本地号码TLDN（TemporaryLocalDirectoryNumber）的临时标识，并向HLR发送一个含有TLDN的应答消息；
⑤HLR将上述消息中转给为主呼MT服务的MSC；
⑥主叫MSC根据上述信息便可通过SS7网络向被叫MSC请求呼叫建立。
2.位置更新和寻呼
①基于时间的位置更新策略：
每个用户每隔ΔT秒周期性地更新其位置。
ΔT的确定可由系统根据呼叫到达间隔的概率分布动态确定。
②基于运动的位置更新策略：
当移动台跨越一定数量的小区边界（运动门限）以后，移动台就进行一次位置更新。
③基于距离的位置更新策略：
当移动台离开上次位置更新时所在小区的距离超过一定的值（距离门限）时，移动台进行一次位置更新。
最佳距离门限的确定取决于各个移动台的运动方式和呼叫到达参数。
第6章无线寻呼系统
6.1概述
6.1.1发展概况
无线寻呼的英文为Paging，它是由Page“呼叫找人”这个词意演化来的。
由于在过去年代，要寻找公众场合某一个人时，常派仆人传递一张简单的便条，写明“给谁回一个电话”这类简要信息。
用Paging这个词来作为无线寻呼的名称，就是表达这种作用。
无线寻呼不同于广播找人，因为无线寻呼具有选择呼叫功能，即只有被呼用户的寻呼接收机才能有响应，而其它的寻呼接收机不会受打扰。
目前，无线寻呼系统正向着标准化、大容量、联网和自动化方向发展。
其中，无线寻呼接收机将继续朝着缩小体积、减轻重量、多功能、多款式、存储和显示信息量大等方向发展。
传输的速率从512b/s#,1200b/s发展到3200b/s和6400b/s。
为了满足不同用户需要，出现了手表式、卡片式、笔式和项链式等各种款式的无线寻呼机。
6.1.2无线寻呼系统分类
无线寻呼系统按用户类别可分为专用和公用两大类。
专用无线寻呼系统，其寻呼中心一般与市话网不相连，而是由各单位自建的一种独立寻呼系统，寻呼范围仅限于本单位区域，发射机功率较小，寻呼中心仅与本单位小交换机相连接。
这种专用寻呼系统多用于医院、大型企业、车站、港口等部门。
得到更为广泛应用的是公用无线寻呼系统
无线寻呼系统由寻呼中心（亦称寻呼台）、基站和寻呼接收机等组成。
寻呼中心有人工控制和自动控制之分；基站可分为单基站和多基站；寻呼接收机主要可分为数字机和字母机（英文或汉字）两种。
无线寻呼信号编码格式广泛使用的是POCSAG（PostOfficeCodeStandardizationAdvisoryGroup）码。
它是由英国邮政代码标准化咨询组制定的，后来被推荐为无线寻呼国际1号码，或称作CCIRNo.1无线寻呼码。
其传输速率有512b/s和1200b/s两种。
近年来，在高速无线寻呼系统中，广泛使用FLEX码，其速率可达6400b/s。
其码字组成与POCSAG码相同，采用BCH（31,21）纠错码，另加一位奇偶校验码，因此每个码字为32位，信息占21位，汉明距离为6。
6.3系统容量
无线寻呼系统容量主要指每频道可以服务的用户数量。
寻呼中心的控
升级会员 