通信系統概論授課講師：周曉天山東大學信息科學與工程學院2016年3月10日第二章：移動通信系統第二章的內容（Missionsofthe2ndChapter）

移動通信的概念移動通信的方式（常見系統）歷代蜂窩移動通信系統的演進2移動通信的概念---什么是移動通信？

3移動通信：通信雙方或一方在移動狀態下進行信息傳輸的過程問題：移動通信=無線通信？移動通信是一種重要的無線通信方式移動通信兼具移動和無線兩個特點，因此在實現上挑戰性更大4系統復雜頻譜短缺嚴重噪聲與干擾電波環境惡劣挑戰與優勢的PK對話我可以移動！！移動通信的方式按照通信環境區分5移動通信的方式按照系統組成結構：6無線電尋呼系統集群移動通信系統衛星移動通信系統蜂窩移動通信系統（1G、2G、3G、4G、。。。）移動通信的方式7無線尋呼通信BP機（Beeper），不用語音的單向選擇呼叫系統,通過顯示數碼或漢字，向用戶傳送信息。由尋呼中心、基站和尋呼接收機三部分構成。1948年發明與BellLab.，稱為BellBoy1990年代開始風靡于我國：“有事call我！”移動通信的方式8無線尋呼通信公共電話網PSTN自動尋呼終端尋呼數據處理中心發射塔移動通信的方式9集群移動通信集群(Trunk)的概念是把有限的無線信道動態、自動、最佳的分配給系統內的所有用戶。集群移動通信是大量用戶自動分享數量相對較少的無線信道，并動態使用這些信道的移動通信系統。用戶可以是車載臺，也可以是手持臺。集群移動通信模式適合為有特殊移動通信需求的專業部門搭建專用網絡。如：部隊、公安、交通、消防、防汛、鐵道等。10中央控制器基地臺分調度臺移動臺總調度臺公共電話網PSTN集群移動通信移動通信的方式11集群移動通信移動通信的方式12集群移動通信我國的集群通信系統頻段：在800MHz的頻段分配為806-821MHz和851-866MHz,共有600個信道(信道間隔為25kHz)，350MHz頻段專門供公、檢、法、司法、安全、海關、軍隊和武警等八個部門使用，共有560對頻點（信道間隔為25、12.5kHz）。移動通信的方式13衛星移動通信利用衛星轉發信號也可實現移動通信，對于車載移動通信可采用赤道固定衛星，而對手持終端，采用中低軌道的多顆星座衛星較為有利。通信距離遠，具有全球覆蓋的能力，實現真正的“全球通”。常用場景：導航定位、應急通信、個人通信

移動通信的方式14衛星移動通信衛星定位導航：利用衛星、地面控制和信號接收機對對象進行動態定位。美國：全球定位系統（GPS）前蘇聯：全球導航衛星系統（GLONASS）歐盟：伽利略衛星導航定位系統（Galileo）我國：北斗衛星導航系統（BDSTAR）

移動通信的方式15衛星移動通信個人衛星通信利用低軌道衛星向用戶提供無縫覆蓋的個人通信業務，實現“衛星通信終端手持化，個人通信全球化”銥星系統（已破產）：Motorola設計1997-2000全球星系統：Loral、Qualcomm16移動通信的方式蜂窩移動通信蜂窩移動通信，也稱小區制移動通信。基本構成：移動臺（MS）、基站（BS）、移動業務交換中心(MSC)組網結構：把整個大范圍的服務區劃分成許多小區，每個小區設置一個基站，負責本小區各個移動臺的聯絡與控制，各個基站通過移動交換中心相互聯系，并與骨干網連接。相鄰小區使用不同頻段。17一個大廳里面裝一個200W的燈與裝8個25W的燈，哪一個照明效果好？18BSBSMSCPSTNMSCBS濟南浙江Internet遠距離通信的實現19移動通信的方式蜂窩移動通信特點：1.基站只覆蓋有限面積，由天線高度和發送功率決定（2-10km）2.基站只提供信道，交換、控制等都集中在移動業務交換中心進行3.具有小區切換（Handoff）功能。移動臺在變換服務基站時，不能影響通信4.具有頻率再用功能。距離遠的小區可以重復使用同一段頻譜5.具有漫游（Roaming）功能。電話號碼不變。BASESTATIONMSCBase1Base2Base3蜂窩移動通信的關鍵技術組網技術

蜂窩結構與頻率復用交換技術移動用戶位置登記與越區切換小區內技術

雙工技術

多址技術20組網技術-蜂窩結構及頻率復用

21引言：第一，蜂窩移動網絡屬于小區制的移動通信系統

第二，按照電磁波傳播規律，基站天線輻射區域為圓形有盲區，不可取無盲區，但有重合處組網技術-蜂窩結構及頻率復用22實際布網需要：無縫隙：保證用戶“anywhere”的通信無重疊：明確責任，重疊部分由哪個基站管，怎么區分。顯然，無縫隙、無重疊覆蓋需要采用圓的內切多邊形實現，且相鄰多邊形采用不同頻段（頻道）問題：如何利用最少的基站（頻道）覆蓋相同的面積？組網技術-蜂窩結構及頻率復用

23可供選擇的多邊形：三角形、四邊形、六邊形3個圓，4個三角形交疊面積：4個圓，4個矩形交疊面積：3個圓，3個矩形交疊面積：六邊形結構覆蓋面積最大、重疊面積最小，即對于同樣大小的服務區域，采用六邊形所需的小區數最少，因此所需的頻率組數最少。組網技術-蜂窩結構及頻率復用24問題回顧：無縫隙：保證用戶“anywhere”的通信無重疊：明確責任，重疊部分由哪個基站管細分工：不同的小區如何進行區分？利用蜂窩結構使整個服務區域無縫無重疊，且高效的“小區化”每個小區設置一個基站，負責向本小區各個移動臺提供無線覆蓋服務為避免各相鄰基站的相互干擾，各相鄰基站必須使用不同的頻譜資源ADCEFGBADCEFGB組網技術-蜂窩結構及頻率復用25已知：蜂窩系統采用鄰小區頻分信道避免小區間干擾問題：頻譜資源有限，當系統覆蓋面積擴大、小區數目增加時，

頻道資源還夠用嗎？無線電磁波傳播的特性發送信號功率隨著傳播距離產生衰減：當兩個小區的物理空間距離足夠遠時，可以重復利用同一段頻譜資源，而產生的同頻干擾可以忽略不計。這一技術稱為頻率復用(FrequencyReuse)組網技術-蜂窩結構及頻率復用26因此，我們可以發現在蜂窩結構中，頻譜資源利用的兩個特點：相鄰小區采用不同頻譜資源區分，以避免區間干擾(Inter-CellInterference)相隔距離較遠的小區可以采用相同的頻道，以提高頻譜利用效率（SpectrumEfficiency）ADCEFGBADCEFGB這樣相鄰的、采用不同頻率的一組小區，組成了區群、或叫做簇（Cluster）的結構群區內不同小區使用不同頻率，在一定空間距離外，設置另一區群，對應的小區可重復使用與當前區群相同的頻率當兩同頻小區間距離足夠大時，同頻干擾將不影響正常的通信質量組網技術-蜂窩結構及頻率復用27構成單元區群的基本條件：1.區群之間彼此鄰接且無空隙無重疊地覆蓋整個面積2.相鄰單元中，同頻道小區之間的距離保持相等，且為最大A2DCEFGBA1DCEFGBA3DCEFGB區群2區群1區群3以區群1中采用頻段A的小區為例：需要到達與其緊相鄰的所有區群中、采用A頻道小區的距離相等（”A1-A2”=“A1-A3”）A-A之間的距離應與B-B、C-C。。。之間的距離相等；最后，還要保證上述距離在所有滿足條件的拓撲中是最大的組網技術-蜂窩結構及頻率復用28構成單元區群的基本條件：1.區群之間彼此鄰接且無空隙無重疊地覆蓋整個面積2.相鄰單元中，同頻道小區之間的距離保持相等，且為最大滿足上述條件的區群形狀和區群內的小區數不是任意的可以證明，區群內的小區數與同頻小區間的二維距離應滿足下式：其中，分別為（不同區群內）相鄰同頻小區的二維距離，取值為0或正整數，但不能同時為0A2DCEFGBA1DCEFBA3DCFGB區群2區群1區群3ij組網技術-蜂窩結構及頻率復用29二維距離到實際距離：設一坐標系，則蜂窩小區擴展方向必然被固定在6個方向，如右圖，則按照這6個方向為基準去尋找第1步：沿6個方向任一跨過j個小區；第2步：逆時針方向旋轉60°，跨過i個小區另外，若設小區輻射半徑為r,則實際距離（同頻復用）又可計算為：小區內N越大，同頻小區越遠，抗同頻干擾越好。A2DCEFGBA1DCEFBA3DCFGB區群2區群1區群3ij組網技術-蜂窩結構及頻率復用30同樣，利用這種二維距離方法，結合上述公式，也可以確定群區的小區數目N，以及具體結構

31組網技術-小區的分類32根據覆蓋面積的差異，小區可分為宏蜂窩、微蜂窩、微微蜂窩、飛蜂窩宏蜂窩小區（Macrocell）覆蓋半徑在1-30km，采用發射功率超過10W以上的基站，天線一般設置在較高的建筑物之上，以獲得較好的覆蓋視野；宏蜂窩常設立在郊區或高速公路等區域（Why？）微蜂窩小區（Microcell）覆蓋半徑小于2km，采用發射功率1W左右的基站，天線高度可在10m左右微蜂窩小區通常設立在商場、運動場、車站等流量密集小區，作為宏站的容量補充。由于天線高度與建筑物拓撲，通常會有視距和非視距兩類場景組網技術-小區的分類33根據覆蓋面積的差異，小區可分為宏蜂窩、微蜂窩、微微蜂窩、飛蜂窩微微蜂窩小區（Picocell）覆蓋半徑通常在200m以下，采用更低功率、更低成本的基站通常為辦公室、車站等超密集環境提供服務，也有可能架設在宏區邊緣，擴展宏區的服務覆蓋范圍毫微微蜂窩小區（Femtocell）最初稱為接入點基站(AccessPointBS)，或家庭基站（HomeeNodeBinLTE）。一般覆蓋半徑為12m左右，發射功率為10mW-100mW，主要為家庭、辦公室等室內環境提供移動無線接入服務采用IP協議，利用光纖、DSL接入骨干網；在用戶端，可適配CDMA、LTE等多數移動通信空口制式在提供蜂窩移動通信服務的同時，也可集成提供Wi-Fi服務是下一代移動通信的熱點技術，但也有跨層干擾等問題蜂窩移動通信的關鍵技術組網技術

蜂窩結構與頻率復用交換技術移動用戶位置登記與越區切換小區內技術

雙工技術

多址技術34交換技術-位置登記與越區切換35一個呼叫建立的簡化過程：主叫接入階段主叫用戶通過RACH發起通信請求移動業務交換中心（MSC）分配信道、標示主叫用戶并回復許可（ACK）呼叫建立階段主叫用戶發送被叫用戶號碼等信息MSC識別被呼叫用戶身份、確定位置并鏈接被叫所在MSC被叫所在MSC確認被叫用戶狀態，反饋可否通信等信息若雙方科通信，則建立專用業務信道呼叫終止階段任一方發送結束通信消息，斷開鏈接MSC釋放信道交換技術-位置登記與越區切換36位置登記是指移動臺向控制中心發送報文時，表明它本身工作時所處的位置信息，并被移動網登記存儲的過程在構造復雜的小區制移動通信服務區內，一般將一個MSC的控制區作為一個位置區或劃分成若干個位置區。移動臺將所處位置的位置信息進行位置登記，可以提高尋呼一個移動臺的效率，移動臺的位置登記信息被存儲于MSC內。不同的蜂窩移動通信系統可以使用不同的位置登記方式位置登記是為移動臺移動（漫游）所準備的交換技術-位置登記與越區切換37位置登記的管理：歸屬位置寄存器（HLR）在網絡內注冊的所有用戶的信息及當前位置位于移動臺注冊的歸屬區移動業務交換中心拜訪位置寄存器（VLR）管理網絡中若干個位置區內的移動用戶，為負責的MSC提供移動用戶的位置數據信息位于移動臺漫游訪問的擺放區業務交換中心交換技術-位置登記與越區切換38歸屬位置寄存器（HLR）

國際移動臺標識(IMSI)；

國際移動臺號(MSISDN)；

移動臺漫游號(MSRN)；

VLR地址(如果收到的話)；

移動臺狀態數據；

其他需要的用戶數據拜訪位置寄存器（VLR）

國際移動臺標識(IMSI)；

國際移動臺號(MSISDN)；

移動臺漫游號(MSRN)；

臨時移動臺標識(TMSI)

位置區識別

其他需要的用戶數據交換技術-位置登記與越區切換39交換技術-位置登記與越區切換定義：越區切換（Handoff）是指將當前正在進行的移動臺與基站之間的通信鏈路從當前基站轉移到另一個基站的過程。也稱為自動鏈路轉移（AutomaticLinkTransfer,ALT）目的：維持移動用戶通話的持續性分類：

越區切換（小區間）和漫游切換（業務轄區）

軟切換和硬切換40交換技術-位置登記與越區切換41軟切換在越區過程中，移動臺既維持舊的連接，同時又建立與新基站的新連接，并利用新、舊鏈路的分集合并改善通信質量，移動臺與新的無線端口建立了可靠連接之后，再中斷舊的連接。軟切換在空中接口過程中是先通后斷。軟切換過程中，移動臺可以同時和一個以上的無線端口通信硬切換越區過程中，移動臺的通信準備連到相鄰小區新基站的無線端口時，先中斷舊的連接，然后再進行新的連接，新的連接將具有不同的頻率分配或不同的空中接口特性，硬切換在空中接口過程中是先斷后通，硬切換過程中，移動臺只能同一個無線端口通信交換技術-位置登記與越區切換42越區切換的實現包括三個方面的問題：①越區切換的準則（何時需要進行越區切換）②越區切換如何控制；③越區切換時信道如何分配。交換技術-位置登記與越區切換43越區切換的準則