整理移动通信基本原理.docx
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整理移动通信基本原理
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中国电信无线维护岗位认证培训教材
技术原理篇系列教材之
——移动通信基本原理移动通信基本原理
1
通信技术的发展日新月异，移动业务渗入了人们生活的方方面面，给人们生活带来了极大便利。
CDMA是移动通信领域中发展最快的数字无线技术之一，它提供的各类业务在信号质量、安全性、功耗和可靠性等方面都表现出很强的技术优势。
随着全球第三代移动通信系统的开通运营，移动通信新时代正在来临并蓬勃发展，本课程介绍移动通信基本原理。
2
学习完此课程，您将会：
–移动通信的组成、特点、分类及工作方式–移动通信信道的电波传输–CDMA技术标准的发展、CDMA2000的发展趋势等–第三代移动通信的新技术、业务及其特征,等
3
第1章第2章第3章第4章第5章第6章第7章
无线电波传播基本理论移动通信的发展简史CDMA的特点及基本原理CDMA的特点及基本原理CDMA频段的划分CDMA频段的划分CDMA网络基本架构CDMA网络基本架构编号计划常用名称解释
4
无线信号的传输的简单模型
信源（发射机）－－信道－－信宿（接收机）?
空中接口的信道是开放的，很容易引入干扰。
5
无线电波的传播速率、无线电波的传播速率、频率
无线电波是电磁波，在真空中的传播速度是每秒30万千米。
?
无线电波的波长波长＝无线电波的速率/无线电波的频率。
800M电波的波长：
约37.5CM1900M电波的波长：
约15.8CM
6
无线传播概述
传播特性直接关系到通信设备的能力、天线高度的确定、通信距离的计算、以及为实现优质可靠的通信所必须采用的技术措施等一系列系统设计问题。
?
移动通信系统的无线信道环境比固定无线通信的信道环境更复杂，必须根据移动通信的特点按照不同的传播环境和地理特征进行分析和仿真。
7
电波的各种传播方式
表面波传播电波是紧靠着地面传播的，地面的性质，地貌，地物等的情况都会影响电波的传播。
一方面使电波发生变化和引起电波的吸收。
另一方面由于地球表面是球型，使沿它传播的电波发生绕射。
?
外层空间传播电磁波由地面发出，经低空大气层和电离层而到达外层空间的传播，如卫星传播、宇宙探测等均属于这种远距离传播。
宇宙空间近似于真空状态，传输特性比较稳定。
8
电波的各种传播方式
天波传播籍此电离层的反射作用，电波在地面与电离层之间来回反射传播至较远的地方。
我们把经过电离层反射到地面的电波叫作天波。
?
散射传播当天线辐射出去的电波，投射到那些不均匀体的时候，类似于光的散射和反射现象，电波发生散射或反射，一部分能量传播到接收点，这种传播称为散射传播。
9
移动通信电波的三种基本传播方式?
在移动通信中，影响传播的三种最基本的机制为反射、绕射和散射。
?
（接收功率或它的反面，路径损耗）是基于反射、散射和绕射的大尺度传播模型预测的最重要的参数。
?
这三种传播机制也描述了小尺度衰弱和多径传播。
10
移动通信电波的三种基本传播方式－移动通信电波的三种基本传播方式－反射
当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射，反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面。
?
反射波和传输波的电场强度取决于费涅尔Fresnel）反射系数G。
反射系数为材料的函数，并与极性、入射角和频率有关。
11
移动通信电波的三种基本传播方式－移动通信电波的三种基本传播方式－绕射
当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射。
由阻挡表面产生的二次波散布于空间，甚至于阻挡体的背面。
当接收机和发射机之间不存在视距路径，围绕阻挡体也产生波弯曲。
在高频波段，绕射与反射一样，依赖于物体的形状，以及绕射点入射波振幅、相位和极化的情况。
12
移动通信电波的三种基本传播方式－移动通信电波的三种基本传播方式－散射
当电磁波穿行的介质中存在小于或等于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时，发生散射。
散射波产生于粗糙表面、小物体或其它不规则物体。
在实际通信系统中，树叶、街道标志和灯柱都会引发散射。
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移动通信电波的三种基本传播方式?
电磁波直接从发射天线传播到接收天线，另外还可以经地面反射及其他物体的散射而到达接收天线。
所以接收天线处的场强是直接波和反射波、散射波的合成场强，直接波不受地面影响，地面反射波要经过地面的反射，因此要受到反射点地质地形的影响。
空间波在大气的底层传播，传播的距离受到地球曲率和低空大气层的影响。
收，发天线之间的最大距离被限制在视线范围内，要扩大通信距离，就必须增加天线高度。
一般地说，视线距离可以达到50km左右。
14
空间波传播环境
覆盖区大小与天线的高度和增益成比例。
在蜂窝系统中，基站天线高度从20m～100m不等，其具体取值由环境确定，例如城市中天线高度约为30m，郊区高度取50m，乡村取80m。
天线增益的取值同样依赖于环境
15
各个波段的传播特点
长波传播（波长1000米以上）以表面波或天波的形式传播。
对其他接受台干扰很强烈；天电干扰对长波的接收的影响严重，特别是雷雨较多的夏季中波传播（波长100-1000米）以表面波或天波的形式传播波长在2000－200米的中短波主要用于广播短波传播（波长10-100米）靠表面波和天波传播。
16
各个波段的传播特点
超短波和微波（波长为10米以下）的频率很高，表面波衰减很大；电波穿入电离层很深，甚至不能反射回来，所以超短波、微波一般不用表面波、天波的传播方式，而只能用空间波、散射波和穿透外层空间的传播方式。
?
超短波和微波的频带很宽。
超短波广泛应用于电视，调频广播，雷达等方面。
利用微波可同时传送几千路电话或几套电视节目。
?
超短波和微波的传播特点基本上相同，主要是在低空大气层做视距传播。
因此，为了增大通信距离，一般把天线架高。
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传播性能的指标
传送的功率指的是发射机所发射的能量。
拥有较高的传输功率将有助于压制它的频带内其他的干扰信号，但是拥有较高传输功率的设备也将可能耗电较多，同时对别的信号的干扰也加强。
?
灵敏性指的是在信道中可以被接收机接受的最弱信号的测量。
数值愈低的那台接收机的设备就愈好。
但是这要求所有的制造商和标准都用相同的参考值（如包丢失率）来定义灵敏度。
?
信道是对无线通信中发送端和接收端之间的通路的一种形象比喻，信道有一定的带宽。
18
移动信道的复杂性（特点）移动信道的复杂性（特点）
易衰弱。
移动信道中信号的强度与距离的高次幂成反比。
而在有线信道中，信号的强度与距离成反比?
干扰强。
自然环境中的干扰，工业干扰、系统内干扰。
?
不稳定。
陆地移动系统中，移动台处于城市建筑群之中或处于地形复杂的区域，其天线将接收从多条路径传来的信号，再加移动台本身的运动，使得移动台和基站之间的无线信道多变且难以控制。
衰落是经常发生的，衰落深度可达30dB。
?
无线信道包括了电波的多径传播，时延扩展，衰落特性以及多普勒效应
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阴影效应
由于高频的无线电波以直射波为主，高大建筑和山峰会成为无线电波的阻碍，这就象阳光被高大建筑的阻挡，会产生阴影一样。
?
在高大建筑背后，接收信号的强度大幅度下降，这种效应称为阴影衰弱效应。
?
阴影衰弱是慢衰弱的一种，也就是接收信号的强度主要随空间变化而变化随时间变化不大。
?
阴影衰弱服从对数正态分布。
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多径衰落－多径衰落－1
由于电波通过各个路径的距离不同，因而各个路径来的反射波到达时间不同，相位也就不同。
不同相位的多个信号在接收端迭加，有时迭加而加强（方向相同），有时迭加而减弱（方向相反）。
这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了快衰落。
?
多径衰弱，可以从时间和空间两个方面来描述和测试。
?
多径衰弱是产生小尺寸衰弱的重要原因。
21
多径衰落－多径衰落－2
多径传播使接收端的信号近似于一种叫做Rayleigh瑞利分布的数学分布，故多径快衰落又称为Rayleigh瑞利衰落。
?
在城市环境中，一辆快速行驶车辆上的移动台的接收信号在一秒钟之内的显著衰落可达数十次。
22
慢衰落
接收信号除瞬时值出现快衰落之外，场强平均值也会出现缓慢变化。
这种由阴影效应和气象原因引起的信号变化称为慢衰落。
慢衰落接收信号近似服从一种叫做对数正态分布的数学分布，变化幅度取决于障碍物状况、工作频率、障碍物和移动台移动速度等。
?
快衰落和慢衰落是由相互独立的原因产生，随着移动台的移动，这二者构成移动通信接收信号不稳定的因素。
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时延扩展
由于电波通过各个路径的距离不同，因而各个路径来的反射波到达时间不同，也就是各信号的时延不同。
当发送端发送一个极窄的脉冲信号时，移动台接收的信号由许多不同时延的脉冲组成，我们称为时延扩展。
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多普勒频移－多普勒频移－1
在移动通信中，当移动台移向基站时，频率变高，远离基站时，频率变低，所以我们在移动通信中要充分考虑“多普勒效应”,这也加大了移动通信的复杂性。
最大多普勒频移fm与载波频率fc及接收机最大移动速度vm相关：
fm=fcvm/C其中c为无线电波传播速度。
发射机的载波频率为910MHz，
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多普勒频移－多普勒频移－2
以步行速度1.33m/s移动由此引起的最大多普勒频移为±4Hz；?
以60英里/小时的速度移动，则多普勒频移将增加到±120Hz左右。
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菲涅耳区
菲涅耳区一个直接环绕在可见视距传播路径周围的椭球区域，其半径会因信号传播路径长度和信号频率的不同而有所变化。
?
当发射机和接收机处于视距时，可以建立直达的传播路径。
如果路径中有凸出障碍物进入了菲涅耳区，尽管其高度不足以阻挡信号的传播，但无线电波的衍射仍会使部分信号偏转，致使其到达接收机的时间略晚于直达信号。
由于这些绕射的信号与直达信号有相位差，叠加的时候就会削弱直达信号，干扰了直达信号。
总而言之，尽管发射机能够看到接收机，但这并不意味着发射机就能够建立到接收机良好的信号传输路径。
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移动信道研究的基本方法
（1）理论分析，即用电磁场理论或统计理论分析电波在移动环境个中的传播特性，并用各种数学模型来描述移动信道。
往往要提出一些假设条件使信道数学模型简化，所以数学模型对信道的描述都是近似的。
（2）现场电波传播实测，即在不同的传播环境中，做电波传播实测试验。
测试参数包括接收信号幅度、延时以及其它反映信道特征的参数。
对实测数据进行统计分析，可以得出一些有用的结果。
（3）移动信道的计算机模拟，计算机具有很强的计算能力，能灵活快速地模拟各种移动环境。
相辅相成，相辅相成，可用于研究进程的不同阶段
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第1章第2章第3章第4章第5章第6章
无线电波传播基本理论移动通信的发展简史CDMA的特点及基本原理CDMA的特点及基本原理CDMA频段的划分CDMA频段的划分CDMA网络基本架构CDMA网络基本架构编号计划
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移动通信技术的发展历程
1G
1G－模拟蜂窝（FDMA）－模拟蜂窝（）
话音通信主要系统：
主要系统：
AMPS、TACS、NMT、J-TACS、其它、、、、
2G
2G－数字蜂窝（TDMA、CDMA）－数字蜂窝（、）
2.5G
话音通信、低速数据通信：
话音通信、低速数据通信：
9.6Kbps主要系统：
GSM、IS-95CDMA、TDMAIS-136、PDC主要系统：
、、、
2.5G－数据通信（TDMA、CDMA）－数据通信（、）
话音通信、数据通信：
话音通信、数据通信：
115Kbps/144Kbps主要系统：
主要系统：
GPRS、cdma20001X、
3G
3G－多媒体数据通信（CDMA-DS/MC/TDD、TDMA）－多媒体数据通信（、）
话音通信、数据通信、话音通信、数据通信、移动多媒体：
2Mbps主要系统：
主要系统：
W-CDMA、cdma2000EV、TD-SCDMA、、
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移动通信技术的发展历程
第一代移动通信系统
–采用频分多址（FDMA），模拟系统
代表系统：
美国的AMPS、欧洲的TACS
–主要缺点
?
?
?
?
频谱利用率低采用FDMA所致业务种类有限采用模拟方式所致无数据业务采用模拟方式所致保密性差采用模拟方式所致设备成本高、体积、重量大采用模拟方式所致
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移动通信技术的发展历程
第二代移动通信系统（2G）
–采用时分多址（TDMA）或窄带码分多址（CDMA），数字系统–代表系统：
美国的IS－95A（CDMA）、欧洲的GSM（TDMA）、日本的JDC–对第一代移动通信系统缺点的改善
频谱利用率提高（CDMA）?
业务种类增加?
窄带数据业务?
保密性较好?
减小了设备成本降低－提高了2倍（GSM）或10倍－提供了较丰富的电信业务－提供了低速数据业务（最大64Kbit/s）－具有良好的保密性能－设备（尤其是终端设备）成本大大体积、重量也大大减少
32
移动通信技术的发展历程
第三代移动通信系统（3G）：
IMT2000
–采用宽带码分多址（CDMA），实现移动宽带多媒体通信–IMT2000：
2000年，在2000M频段实现2000K的数据通信–3G对数据通信速率的要求
?
?
?
室内环境至少2Mbps室内外步行环境至少384kbps室外车辆运动中至少144kbps卫星移动环境至少9.6kbps
–IMT2000推荐的3种制式：
WCDMA（欧洲）、CDMA2000（美国）、TD－SCDMA（中国）–TD－SCDMA：
中国的第一个国际通信标准
33
3G三种制式比较
（1）三种制式比较（）三种制式比较
制式双工方式带宽（带宽（M）WCDMAFDD/TDD5/10/20前向：
WALSH（前向：
WALSH（区分信道）GOLD序分信道）+GOLD序区分小区）列218（区分小区）反向：
WASLH（反向：
WASLH（区分信道）GOLD序分信道）+GOLD序区分用户）列241（区分用户）异步/异步/同步CDMA2000FDD1.25/5/10/20前向：
WALSH（前向：
WALSH（区分信道）分信道）+M序列区分小区）215（区分小区）反向：
WASLH（反向：
WASLH（码片转换）片转换）+M序列区分用户）241-1（区分用户）同步TDTD-SCDMATDD1.2前向：
WALSH（前向：
WALSH（区分信道）PN序列分信道）+PN序列区分小区）（区分小区）反向：
WASLH（反向：
WASLH（区分信道）PN序列分信道）+PN序列区分用户）（区分用户）同步
34
扩频方式
基站间同步
3G三种制式比较
（2）三种制式比较（）三种制式比较
制式接收机结构闭环功率控制越区切换解调方式码片速率Mcps）（Mcps）发射分集方式同步方式核心网WCDMARAKE支持软、硬切换相干解调3.84TSTDSTTDFBTD异步GSMMAPCDMA2000RAKE支持软、硬切换相干解调N*1.2288OTDSTS同步ANSIANSI-41TDTD-SCDMARAKE支持软、硬切换相干解调1.28
无异步GSMMAP
35
3G移动通信技术标准的不同发展趋势3G移动通信技术标准的不同发展趋势
PDCUS-TDMAGPRSGSMEDGE
WCDMA/TD-SCDMA
HSPDA
IS-95ACDMA
Cdma20001X
cdma20003X
IS-95BCDMADataOnly1XEV-DO
Data&Voice1XEV-DV
36
CDMA的发展历程的发展历程
cdma2000CDMA1X3X
IS95A
9.6kbps
IS95B115.2kbps
307.2kbps话音业务容量更大手机待机时间更长
cdma20001XEV
1995
19982000
1XEV-DO1XEV-DV
2002
更高的频谱效率和网络容量更高的分组数据速率和更丰富的业务平滑向3G过渡
37
CDMA2000空中接口演进空中接口演进
4-6Mbps
cdma20001xEV-DVcdma20001xEV-DOcdma20001xIS95BIS95A1995199920002001
38
2.4Mbps153.6/307.2kbps64kbps
9.6kbps
CDMA网络发展趋势网络发展趋势
CDMA2000路标
CDMA20001X下行:
153.6k下行上行:
153.6k上行CDMA20001xEV-DO下行:
2.4M下行上行:
153.6k上行1xEV-DORev.ACDMACDMA/TDMOFDM1xEV-DORev.BUMB
下行:
3.1M1.25M-20M下行上行:
1.8M下行下行:
46.5M上行上行:
27M上行
LTE
1.25M-20M下行:
280M＋＋下行上行:
50~100M上行
WCDMA路标
R99/R4WCDMA下行:
384k下行上行:
384k上行R5HSDPA下行:
14.4M下行上行:
384k上行R6HSUPAR8R7HSPA+HSPA+
下行:
40M下行:
14.4M下行下行上行:
10M上行:
5.76M上行上行
2001
2002
2003~2005
2006
2007
2008
2009
2010+
39
CDMA2000标准进展情况标准进展情况
2000年6月，公布IS-2000ReleaseA标准?
1xEV-DO（DataOnly）–与IS-95A、B、cdma20001XRTT同一频段–前向峰值数据速率2.4Mbps；反向峰值数据速率1Mbps?
1xEV-DV–目前有多家公司提出技术方案–2001年5月将形成最后的标准–与IS95-A/B以及cdma20001XRTT系统后向兼容–前向和反向均高于IMT2000要求的数据速率前向4.8Mbps，反向614Kbps
40
1XEV-DO、1XEV-DV技术对、技术对比?
1XEV-DV：
同一窄频内?
1XEV-DO：
利用单
独的载频实现高速数据传输；?
优点：
多个接入终端?
（AT）实际上时分复用所有载频资源进行数据传递，控制简单，成本较低?
缺点：
由于话音和数?
据呼叫的呼叫模型不同，可能会导致频率资源浪费既可以传送话音，又可以传送高速数据；优点：
使频率资源得到了有效地利用
缺点：
控制复杂，成本较高
41
第三代移动通信的数据业务
154131
运营商部署的业务统计
6246391976
摘自:
3Gtoday
5
娱乐与媒多媒体消息Web连接个人定制定位业务移动广告体–移动电?
Email?
Internet?
彩铃?
导航–移动交Internet彩铃导航Email视?
即时信息接入?
移动?
用户位置易即时信息移动用户位置–音乐?
视频信息?
移动portal?
位置搜索–拍卖视频信息移动位置搜索web浏览web浏览–游戏?
博客–广告博客
社区–调研–比赛–社交
一键通–一键通语音–一键通视频
其他–生产–远程理疗–公共安全
42
第1章第2章第3章第4章第5章第6章
无线电波传播基本理论移动通信的发展简史CDMA的特点及基本原理CDMA的特点及基本原理CDMA频段的划分CDMA频段的划分CDMA网络基本架构CDMA网络基本架构编号计划
43
CDMA移动通信的特点移动通信的特点
AMPS,D-AMPS,N-AMPS
无线网络规划简单，频率复用系数高，工程设计简单，扩容方便
1
3
1UsersVulnerability:
C/I?
17dB
76
215
34
30
30
10kHzTypicalFrequencyReuseN=7
GSM8
200kHzTypicalFrequencyReuseN=4
Users
Vulnerability:
C/I?
12-14dB
14
23
CDMA20Users
1250kHz
Vulnerability:
Eb/No?
6--7dB
1111111
111
11
11
TypicalFrequencyReuseN=1
44
CDMA移动通信的特点移动通信的特点
覆盖范围大，是标准GSM的2倍左右，相同覆盖范围所用的基站少，节省投资;
覆盖1000km2：
GSM需要200个基站，CDMA只需50个基站。
45
CDMA移动通信的特点移动通信的特点
频谱利用率高，相同频谱情况下容量是模拟系统的8~10倍;是GSM的5.5倍；FDMA
采用调频的多址技术.采用调频的多址技术.业务信道在不同频段分配给不同的用户。
频段分配给不同的用户。
TACS、TACS、AMPS采用时分的多址技术。
采用时分的多址技术。
业务信道在不同的时间分配给不同的用户GSM、GSM、DAMPS
Power
TDMA
Power
CDMA是采用扩频的码分多址技术。
CDMA是采用扩频的码分多址技术。
所是采用扩频的码分多址技术有用户在同一时间、同一频段上、有用户在同一时间、同一频段上、根据不同的编码获得业务信道
CDMA
Power
46
CDMA移动通信的特点移动通信的特点
隐蔽性好，保密性好。
有效信号淹没在噪声中。
扩频信号信源信号
TXRX
解调信号
伪随机序列
伪随机序列
47
CDMA移动通信的特点：
掉话率低移动通信的特点：
移动通信的特点采用独特的软切换技术，降低了掉话率；
更软切换：
同一基站、相同频率、不同扇区的CDMA信道间。
CDMA：
小区/扇区切换采用软/更软切换切换是先接续再中断服务质量高,有效减低掉话其他无线系统：
小区/扇区切换采用硬切换切换是先中断再接续容易产生掉话
48
CDMA移动通信的特点：
升级会员 