1、u 本课程是为通信工程系本科大四学生开本课程是为通信工程系本科大四学生开设的设的专业必修课，专业必修课，亦可作为亦可作为选修课程。选修课程。u 主要讲授移动通信系统的主要讲授移动通信系统的基本概念，基基本概念，基本理论，基本技术及几代移动通信的典型本理论，基本技术及几代移动通信的典型系统及应用系统及应用。内容以当前广泛应用的移动。内容以当前广泛应用的移动通信新技术和移动通信系统为背景，力求通信新技术和移动通信系统为背景，力求能反映近年来国内外移动通信的发展状况。能反映近年来国内外移动通信的发展状况。第第1章章 移动通信概述移动通信概述移动通信的概念及特点移动通信的概念及特点1.11.1移动通信
2、发展概况移动通信发展概况1.21.2移动通信的分类及工作方式移动通信的分类及工作方式1.31.3 移动通信采用的基本技术移动通信采用的基本技术1.41.4移动通信的应用系统移动通信的应用系统1.51.51.1 1.1 移动通信的概念及特点移动通信的概念及特点 1.1.1 移动通信的概念移动通信的概念 移动通信就是通信双方至少有一方移动通信就是通信双方至少有一方是在运动中是在运动中 实现通实现通信的通信方式。信的通信方式。例如，固定体与移动体之间或移动例如，固定体与移动体之间或移动体与移动体之间的信息交换，都属于移体与移动体之间的信息交换，都属于移动通信。动通信。1.1.2 移动通信的特点移动通
3、信的特点1.l 2.3.4.5.1.2 1.2 移动通信发展概况移动通信发展概况1.2 1.2 移动通信发展概况移动通信发展概况 第一阶段第一阶段从从20世纪世纪20年代至年代至40年代。年代。在这期间，首先在短波几个频段上开在这期间，首先在短波几个频段上开发出专用移动通信系统，特点是专用系统发出专用移动通信系统，特点是专用系统的应用，工作频率较低。的应用，工作频率较低。第二阶段第二阶段从从20世纪世纪40年代中期至年代中期至60年年代初期。代初期。在此期间内，出现了公用移动通信业务。在此期间内，出现了公用移动通信业务。这一阶段的特点是移动通信从专用网向这一阶段的特点是移动通信从专用网向公用网
4、过渡，接续方式为人工，网的容量公用网过渡，接续方式为人工，网的容量较小。较小。1.2 1.2 移动通信发展概况移动通信发展概况1.2 1.2 移动通信发展概况移动通信发展概况 第三阶段第三阶段从从20世纪世纪60年代中期至年代中期至70年代年代中期。中期。在此期间，美国推出了改进型移动电话在此期间，美国推出了改进型移动电话系统（系统（IMTS），采用大区制、中小容量，），采用大区制、中小容量，实现了无线频道自动选择并能够自动接续实现了无线频道自动选择并能够自动接续到公用电话网。到公用电话网。这一阶段是移动通信系统改进与完善这一阶段是移动通信系统改进与完善的阶段，其特点是采用大区制、中小容量，的
5、阶段，其特点是采用大区制、中小容量，实现了自动选频与自动接续。实现了自动选频与自动接续。第四阶段第四阶段从从20世纪世纪70年代中期至年代中期至80年年代中期。代中期。这是移动通信蓬勃发展时期。这是移动通信蓬勃发展时期。1.2 1.2 移动通信发展概况移动通信发展概况 1978年底，美国贝尔试验室提出了蜂年底，美国贝尔试验室提出了蜂窝网的概念，成功研制了世界上首个蜂窝窝网的概念，成功研制了世界上首个蜂窝移动通信网，这一阶段的特点是蜂窝状移移动通信网，这一阶段的特点是蜂窝状移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发展，形成了所谓的第一代移动通信系速发展，形成了
6、所谓的第一代移动通信系统。统。n 第一代移动通信特点：第一代移动通信特点：第五阶段第五阶段从从20世纪世纪80年代中期开始。年代中期开始。模拟蜂窝网虽然取得了很大成功，但模拟蜂窝网虽然取得了很大成功，但也暴露了一些问题。也暴露了一些问题。解决这些问题的方法是开发新一代数解决这些问题的方法是开发新一代数字蜂窝移动通信系统，即第二代移动通信字蜂窝移动通信系统，即第二代移动通信系统。系统。1.2 1.2 移动通信发展概况移动通信发展概况 第六阶段第六阶段从从20世纪世纪90年代中期至年代中期至21世纪世纪初，伴随着对第三代移动通信的大量谈论，初，伴随着对第三代移动通信的大量谈论，以及以及2.5G产品
7、产品GPRS系统的过渡，系统的过渡，3G(3G技技术名为术名为IMT-2000)走上了通信舞台的前沿。走上了通信舞台的前沿。1.2 1.2 移动通信发展概况移动通信发展概况l 虽然虽然3G系统已经在许多国家得到大规模商业系统已经在许多国家得到大规模商业应用，但另一方面宽带无线接入技术从固定向应用，但另一方面宽带无线接入技术从固定向移动化发展，形成了与移动通信技术竞争的局移动化发展，形成了与移动通信技术竞争的局面。为应对面。为应对“宽带接入移动化宽带接入移动化”的挑战，同时的挑战，同时为了满足新型业务需求，为了满足新型业务需求，2004年底第三代合作年底第三代合作伙伴项目（伙伴项目（Genera
8、tion Partnership Project，3GPP）组织启动了长期演进（）组织启动了长期演进（Long Term Evolution，LTE）的标准化工作。）的标准化工作。3rd1.2 1.2 移动通信发展概况移动通信发展概况 LTE致力于进一步改进和增强现有致力于进一步改进和增强现有3G技术的性能，以提供更快的分组速率、频技术的性能，以提供更快的分组速率、频谱效率以及更低的延迟。在推动谱效率以及更低的延迟。在推动3G系统产系统产业化的同时，世界各国已把研究重点转入业化的同时，世界各国已把研究重点转入后三代后三代/第四代（第四代（B3G/4G）移动通信系统。）移动通信系统。可以称之为移
9、动通信发展的可以称之为移动通信发展的第七阶段第七阶段。l 2005年年10月，国际电信联盟正式将月，国际电信联盟正式将B3G/4G移动通信技术命名为移动通信技术命名为IMT-Advanced(International Mobile Telecommunication-Advanced)。l “IMT-Advanced”l 第五代移动通信系统（第五代移动通信系统（5G）是）是4G系统的发展，是面向系统的发展，是面向2020年以后移动通信需求而发展的新一代移动通信系统，年以后移动通信需求而发展的新一代移动通信系统，ITU将其将其晢命名为晢命名为IMT-2020。工业和信息化部（简称工信部）于。工
10、业和信息化部（简称工信部）于2019年年6月月6日分别向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放日分别向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放了了5G商用牌照，中国广电成为第四大基础电信运营商。移动互商用牌照，中国广电成为第四大基础电信运营商。移动互联网和物联网是移动通信发展的两大主要驱动力，为第五代移联网和物联网是移动通信发展的两大主要驱动力，为第五代移动通信提供了广阔的应用前景。移动互联网颠覆了传统移动通动通信提供了广阔的应用前景。移动互联网颠覆了传统移动通信业务模式，其进一步发展带来移动流量的超千倍增长，推动信业务模式，其进一步发展带来移动流量的超千倍增长，推动技术和产业的新一轮变
11、革。物联网扩展了移动通信的服务范围技术和产业的新一轮变革。物联网扩展了移动通信的服务范围，从人与人通信延伸到物与物、人与物智能互联，使移动通信，从人与人通信延伸到物与物、人与物智能互联，使移动通信技术渗透至更加广阔的行业和领域。技术渗透至更加广阔的行业和领域。1.2 1.2 移动通信发展概况移动通信发展概况 和现有的和现有的4G系统相比，系统相比，5G系统的性能在系统的性能在3个方面提高个方面提高了了1000倍：传输速度提高倍：传输速度提高1000倍，平均传输速率将达到倍，平均传输速率将达到100Mb/s1Gb/s；数据流量提高；数据流量提高1000倍；频谱效率和能耗效倍；频谱效率和能耗效率提
12、高率提高1000倍。在传输速率、资源利用、无线覆盖性能和倍。在传输速率、资源利用、无线覆盖性能和用户体验等方面比现有移动通信系统有显著提升。用户体验等方面比现有移动通信系统有显著提升。5G将渗透到社会各个领域，以用户为中心构建全方位将渗透到社会各个领域，以用户为中心构建全方位的信息生态系统。的信息生态系统。5G将信息突破时空限制，提供最佳交互将信息突破时空限制，提供最佳交互体验，为用户提供身临其境的信息盛宴。体验，为用户提供身临其境的信息盛宴。5G通过无缝融合通过无缝融合的方式便捷地实现人与物的互联，为用户提供光纤般的接的方式便捷地实现人与物的互联，为用户提供光纤般的接入速率、实时的使用体验。
13、它将提供超高流量密度、超高入速率、实时的使用体验。它将提供超高流量密度、超高连接密度和超高移动性等多场景的一致服务，实现业务与连接密度和超高移动性等多场景的一致服务，实现业务与用户感知的智能优化，同时将为网络提供超百倍的能效提用户感知的智能优化，同时将为网络提供超百倍的能效提升，并大幅度降低网络成本。升，并大幅度降低网络成本。15G的主要技术特点有：的主要技术特点有：（1）5G更加注重网络吞吐速率，传输时延以及对虚拟现实、更加注重网络吞吐速率，传输时延以及对虚拟现实、3D、交互游戏等新兴移动业务的支撑能力。、交互游戏等新兴移动业务的支撑能力。（2）5G系统力求体系结构实现多点、多用户、多天线、
14、多系统力求体系结构实现多点、多用户、多天线、多小区协同组网上有重大突破性提高。室内无线覆盖和支撑能小区协同组网上有重大突破性提高。室内无线覆盖和支撑能力极大提高。力极大提高。（3）有线、无线融合，光载波组网技术及物联网结合技术）有线、无线融合，光载波组网技术及物联网结合技术的广泛应用。的广泛应用。（4）5G实现实现“软软”配置技术，营运商通过动态配置业务，配置技术，营运商通过动态配置业务，调整网络资源。调整网络资源。25G的主要关键技术有：的主要关键技术有：（1）超高密度的无线组网技术和自组织网络技术。）超高密度的无线组网技术和自组织网络技术。（2）无线传输方面，大规模多输入多输出（）无线传输
15、方面，大规模多输入多输出（Multi Input Multi Output，MIMO）技术。）技术。（3）集中与分布控制相结合的技术，网络演进中基础设施）集中与分布控制相结合的技术，网络演进中基础设施是可编程与灵活扩展能力统一融合的平台，适应各种不同是可编程与灵活扩展能力统一融合的平台，适应各种不同规模的应用技术。规模的应用技术。（4）滤波器的多载波（）滤波器的多载波（FilterBankbasedMulticarrier，FBMC）技术。）技术。（5）软件定义无线网络（软件定义无线网络（SoftwareDefinedNetwork，SDN）技术与内容分发网络（）技术与内容分发网络（Conte
16、nt Delivery Network，CDN）技术。）技术。1.3 1.3 移动通信的分类及工作方式移动通信的分类及工作方式 1.3.1 移动通信的分类移动通信的分类 按使用对象分为民用通信和军用通信。按使用对象分为民用通信和军用通信。按使用环境分为陆地通信、海上通信和按使用环境分为陆地通信、海上通信和空中通信。空中通信。l 按多址方式分为频分多址（按多址方式分为频分多址（FDMA）、）、时分多址（时分多址（TDMA）和码分多址（）和码分多址（CDMA）等。等。l 按覆盖范围分为广域网、城域网、局域按覆盖范围分为广域网、城域网、局域网和个域网。网和个域网。按业务类型分为电话网、数据网和综合按
17、业务类型分为电话网、数据网和综合业务网等。业务网等。按工作方式分为单工、双工和半双工。按工作方式分为单工、双工和半双工。按服务范围分为专用网和公用网。按服务范围分为专用网和公用网。按信号形式分为模拟网和数字网。按信号形式分为模拟网和数字网。1.3 1.3 移动通信的分类及工作方式移动通信的分类及工作方式 1单工通信单工通信 单工通信是指通信双方电台交替地进行单工通信是指通信双方电台交替地进行收信和发信。收信和发信。单工通信通常用于点到点通信，单工通信通常用于点到点通信，如图如图1.1所示。所示。1.3.2 移动通信的工作方式移动通信的工作方式图图1.1 单工通信示意图单工通信示意图 根据收、发
18、频率的异同，单工通信又分为：根据收、发频率的异同，单工通信又分为：l 同频单工：同频单工：同频单工通信是指通信双同频单工通信是指通信双方（如图方（如图1.1中的电台甲和电台乙）使用中的电台甲和电台乙）使用相同的频率相同的频率f1工作，发送时不接收，接收工作，发送时不接收，接收时不发送。时不发送。l 异频单工：异频单工：异频单工通信方式，收发信异频单工通信方式，收发信机使用两个不同的频率分别进行发送和机使用两个不同的频率分别进行发送和接收。接收。2双工通信双工通信双工通信，是指通信双方可同时进行消双工通信，是指通信双方可同时进行消息传输的工作方式，亦称全双工通信，如息传输的工作方式，亦称全双工通
19、信，如图图1.2所示。双工通信分为频分双工（所示。双工通信分为频分双工（FDD）和时分双工（和时分双工（TDD）。）。图图1.2 双工通信示意图双工通信示意图3半双工通信半双工通信 半双工通信是指移动台采用单工方式，半双工通信是指移动台采用单工方式，基站采用双工方式的通话方式，如图基站采用双工方式的通话方式，如图1.3所所示。该方式主要用于解决双工方式耗电大示。该方式主要用于解决双工方式耗电大的问题。的问题。图图1.3 半双工通信示意图半双工通信示意图1.4 1.4 移动通信采用的基本技术移动通信采用的基本技术 1.4.1 调制技术调制技术 数字移动通信对数字调制技术的主要要数字移动通信对数字
20、调制技术的主要要求：求：已调信号的频谱窄和带外衰减快；已调信号的频谱窄和带外衰减快；易于采用相干或非相干解调；易于采用相干或非相干解调；抗噪声和抗干扰的能力强；抗噪声和抗干扰的能力强；适宜在衰落信道中传输。适宜在衰落信道中传输。数字信号调制的基本类型分为振幅键控数字信号调制的基本类型分为振幅键控（ASK）、频移键控（）、频移键控（FSK）和相移键控）和相移键控（PSK）3种。种。在实际应用中，两类数字调制方式用得在实际应用中，两类数字调制方式用得最多，分别为最多，分别为线性调制线性调制和和恒定包络调制恒定包络调制技术。技术。（1）线性调制技术）线性调制技术 主要包括主要包括PSK、QPSK、D
21、QPSK、OQPSK、/4-DQPSK和多电平和多电平PSK等调制等调制方式。方式。（2）恒定包络（连续相位）调制技术）恒定包络（连续相位）调制技术 主要包括主要包括MSK、GMSK、GFSK和和TFM等调制方式。等调制方式。除了以上除了以上提到的两种调制技术，另外还提到的两种调制技术，另外还有一种获得迅速发展的数字调制技术是振有一种获得迅速发展的数字调制技术是振幅和相位联合调制（幅和相位联合调制（QAM）技术。）技术。1.4.2 移动信道电波传播特性的研究移动信道电波传播特性的研究 研究移动信道的传播特性，首先要弄清研究移动信道的传播特性，首先要弄清移动信道的传播规律和各种物理现象的机移动信
22、道的传播规律和各种物理现象的机理以及这些现象对信号传输所产生的不良理以及这些现象对信号传输所产生的不良影响，进而研究消除各种不良影响的对策。影响，进而研究消除各种不良影响的对策。理论分析方法：理论分析方法：通常用射线表示电磁通常用射线表示电磁波束的传播，在确定收发天线的高度、位波束的传播，在确定收发天线的高度、位置和周围环境的具体特征后，根据直射、置和周围环境的具体特征后，根据直射、折射、反射、散射、透射等波动现象，用折射、反射、散射、透射等波动现象，用电磁波理论计算电波传播的路径损耗及有电磁波理论计算电波传播的路径损耗及有关信道参数。关信道参数。实测分析方法：实测分析方法：在典型的传播环境中
23、在典型的传播环境中进行现场测试，并用计算机对大量实测数进行现场测试，并用计算机对大量实测数据进行统计分析，以建立预测模型（如冲据进行统计分析，以建立预测模型（如冲击响应模型），进行传播预测。击响应模型），进行传播预测。1.4.3 多址方式多址方式 多址方式的基本类型有频分多址多址方式的基本类型有频分多址（FDMA）、时分多址（）、时分多址（TDMA）和码）和码分多址（分多址（CDMA）。）。实际中也常用到实际中也常用到3种基本多址方式混种基本多址方式混合的多址方式合的多址方式，如，如FDMA/TDMA、FDMA/CDMA、TDMA/CDMA等。等。TDMA系统的通信容量大于系统的通信容量大于F
24、DMA系系统，统，CDMA系统的通信容量又大于系统的通信容量又大于TDMA系统。系统。在移动通信系统开发研制中，码分多在移动通信系统开发研制中，码分多址（址（CDMA）是最具有竞争力的多址方式）是最具有竞争力的多址方式。1.4.4 抗干扰技术抗干扰技术 移动通信系统中采用的抗干扰措施是多种多移动通信系统中采用的抗干扰措施是多种多样的，主要有：样的，主要有：l利用信道编码进行检错、纠错。利用信道编码进行检错、纠错。l分集技术、均衡技术、调制技术。分集技术、均衡技术、调制技术。l扩频、跳频技术。扩频、跳频技术。l扇区天线、多波束天线和自适应天线等。扇区天线、多波束天线和自适应天线等。l干扰抵消和多
25、用户检测器技术。干扰抵消和多用户检测器技术。1.4.5 组网技术组网技术 1网络结构网络结构图图1.4 数字蜂窝通信系统的网络结构数字蜂窝通信系统的网络结构 2网络接口网络接口 图图1.5 GSM系统的接口系统的接口 数字蜂窝移动通信系统（数字蜂窝移动通信系统（GSM）的接口）的接口如图如图1.5 所示所示。数字蜂窝移动通信系统（数字蜂窝移动通信系统（GSM）的接）的接口协议模型分别口协议模型分别如图如图1.6所示。所示。3网络的控制与管理网络的控制与管理图图1.6 GSM的无线接口协议模型的无线接口协议模型1.5 1.5 移动通信的应用系统移动通信的应用系统 已经发展成熟的常用移动通信系统包
26、括已经发展成熟的常用移动通信系统包括集群移动通信系统、无线寻呼系统、无绳集群移动通信系统、无线寻呼系统、无绳电话通信系统、卫星移动通信系统、无线电话通信系统、卫星移动通信系统、无线局域网、蜂窝移动通信系统。局域网、蜂窝移动通信系统。其中卫星移其中卫星移动通信系统、无线局域网、蜂窝移动通信动通信系统、无线局域网、蜂窝移动通信系统是现在常用的移动通信系统系统是现在常用的移动通信系统。1.集群移动通信系统集群移动通信系统 集群通信系统采用半双工通信方式，集群通信系统采用半双工通信方式，即基站以双工方式工作，移动台以异频单即基站以双工方式工作，移动台以异频单工方式工作。工方式工作。集群系统主要以无线用
27、户为主，即以调集群系统主要以无线用户为主，即以调度台与移动台之间的通话为主。度台与移动台之间的通话为主。集群移动通信系统采用的基本技术是集群移动通信系统采用的基本技术是频率共用技术频率共用技术。集群通信系统属于专用移动通信网，集群通信系统属于专用移动通信网，适用于在各个行业（或几个行业合用）中适用于在各个行业（或几个行业合用）中间进行调度和指挥，对网中的不同用户常间进行调度和指挥，对网中的不同用户常常赋予不同的优先等级。常赋予不同的优先等级。2.无线寻呼系统无线寻呼系统l 无线寻呼系统是一种不用语音的无线寻呼系统是一种不用语音的单向单向选选择呼叫系统。其接收端是多个可以由用户携择呼叫系统。其接
28、收端是多个可以由用户携带的高灵敏度收信机（称作袖珍铃），俗称带的高灵敏度收信机（称作袖珍铃），俗称“BB机机”。它在收信机收到呼叫时，就会。它在收信机收到呼叫时，就会自动振铃、显示数码或汉字，向用户传递特自动振铃、显示数码或汉字，向用户传递特定的信息。可看做有线电话网中呼叫振铃功定的信息。可看做有线电话网中呼叫振铃功能的无线延伸或扩展。能的无线延伸或扩展。无线寻呼系统可分为：无线寻呼系统可分为：l专用系统：专用系统：由用户交换机、寻呼中心、发由用户交换机、寻呼中心、发射台及射台及呼接收机组成，以采用人工方式的呼接收机组成，以采用人工方式的较多。一般在操作台旁有一部有线电话。较多。一般在操作台旁
29、有一部有线电话。l 公用系统：公用系统：由与公用电话网相连接的无线由与公用电话网相连接的无线寻呼控制中心、寻呼发射台及寻呼接收机寻呼控制中心、寻呼发射台及寻呼接收机组成，多采用人工和自动两种方式。组成，多采用人工和自动两种方式。无绳电话最初是应有线电话用户的需求而诞生的，无绳电话最初是应有线电话用户的需求而诞生的，初期主要应用于家庭。这种无绳电话只有一个与有线初期主要应用于家庭。这种无绳电话只有一个与有线电话用户线相连接的基站和随身携带的手机，基站与电话用户线相连接的基站和随身携带的手机，基站与手机之间利用无线电沟通，故而得名手机之间利用无线电沟通，故而得名“无绳无绳”。图图1.7 无绳电话系
30、统示意图无绳电话系统示意图3.无绳电话通信系统无绳电话通信系统 在此基础上相继开发了在此基础上相继开发了DECT、PHS、PACS等无绳公众通信系统。等无绳公众通信系统。图图1.7 无绳电话系统示意图无绳电话系统示意图 成本低廉是无绳电话系统的主要优点。成本低廉是无绳电话系统的主要优点。l 以上提到的以上提到的PAS系统俗称为系统俗称为“小灵通系小灵通系统统”。它是在日本。它是在日本PHS基础上改进的一种基础上改进的一种无线市话系统无线市话系统。图图1.7 无绳电话系统示意图无绳电话系统示意图4.卫星移动通信系统卫星移动通信系统 无线局域网无线局域网(Wireless Local Area N
31、etworks；WLAN)利用无线技术在空中利用无线技术在空中传输数据、话音和视频信号。作为传统布传输数据、话音和视频信号。作为传统布线网络的一种替代方案或延伸，无线局域线网络的一种替代方案或延伸，无线局域网把个人从办公桌边解放了出来，使他们网把个人从办公桌边解放了出来，使他们可以随时随地获取信息，提高了员工的办可以随时随地获取信息，提高了员工的办公效率。公效率。l WLAN是无线通信的一个重要领域，它是无线通信的一个重要领域，它支持小范围、低速的游牧移动通信。支持小范围、低速的游牧移动通信。5.无线局域网无线局域网6.蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 蜂窝系统也叫蜂窝系统也叫“小区制小区制”
32、系统。是将所有要覆盖的系统。是将所有要覆盖的地区划分为若干个小区，每个小区的半径可视用户的地区划分为若干个小区，每个小区的半径可视用户的分布密度在分布密度在110km左右。在每个小区设立一个基站左右。在每个小区设立一个基站为本小区范围内的用户服务。小区的大小可根据容量为本小区范围内的用户服务。小区的大小可根据容量和应用环境决定。和应用环境决定。蜂窝式公用陆地移动通信系统适用于蜂窝式公用陆地移动通信系统适用于全自动拨号、全双工工作、大容量公用移全自动拨号、全双工工作、大容量公用移动陆地网组网，可与公用电话网中任何一动陆地网组网，可与公用电话网中任何一级交换中心相连接，实现移动用户与本地级交换中心相连接，实现移动用户与本地电话网用户、长途电话网用户及国际电话电话网用户、长途电话网用户及国际电话网用户的通话接续。网用户的通话接续。l 蜂窝式公用陆地移动通信系统系统具蜂窝式公用陆地移动通信系统系统具有越区切换、自动或人工漫游、计费及业有越区切换、自动或人工漫游、计费及业务量统计等功能。务量统计等功能。
