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1、北邮信息理论北邮信息理论与技术教研中心与技术教研中心BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center移 动移 动 通 信 原 理通 信 原 理BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center2第一章第一章 绪 论绪 论 1.1 移动通信的主要特点移动通信的主要特点 移动通信是通信领域中最具有活力，最具有发 展前途的一种通信方式。它是当今信息社会中 最具有个性化特征的通信手段。它的发展与普 及改变了社会也改变了人类的生活方式，它让 人们领悟到现代化与信息
2、化的气息。移动通信，顾名思义其最本质的特色是“移动”二字，就是说这类通信不是传统静态的固定式 通信，而是动态的移动式通信。BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center3 传统的固定式通信，又称为有线通信。它的最 大特点是静态的，信道是封闭的，且是人造 的，从而是优质的。它的最大缺点是缺乏动态 性，不适应现代人快节奏的生活需求，特别是 快速移动的需求。无线通信针对上述静态的缺点，以开放式传播 来传递信息，它的代价是牺牲了全封闭式的优 质人造信道，换取了无需采用固体介质专用线 路的开放式传输的灵活性，但是信道的开放性 必然
3、引起了信道的时变性和随机性，从而大大 降低了通信容量和质量。BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center4 移动通信则是在无线通信的基础上又进一步引 入了用户的移动性,在无线通信的一重信道动 态的基础上又加入了第二重用户的动态性，这 实质是两重动态性。这种二重动态性以及在第三代(3G)移动通信技 术中进一步引入的第三重动态性业务类型 动态选择特性，第四代移动通信技术引入了第 四重动态性网络拓扑与网络运行的动态 性，贯穿到本书的每一章节。BUPT Information Theory&Technology Educati
4、on&Research Center5移动通信，确切地说蜂窝式移动通信，就正式商业 运营而言，至今也不过只有20多年的历史，就其发 展历程看，大约每十年更新一代。目前正处于第二 代(2G)与第三代(3G)交接期。自上世纪八十年代我国引入模拟式(TACS)移动通信 网以来，经过短短二十多年的发展，截止2009年5月 底，全国移动电话用户数已达到6.8亿，成为全球头 号移动用户大国。我国的第一代移动通信TACS系统 目前已完成其历史任务而被淘汰；第二代移动通信 GSM系统是全球第一，规模最大、用户最多，CDMA系统目前也是数一数二；第三代移动通信，中国移动运营TD-SCDMA、中国电信运营cdma
5、2000、中国联通运营WCDMA，我国已经进入3G移动通信 的全面运营阶段。1.2 移动通信的发移动通信的发BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6 第一代以模拟式蜂窝网为主要特征，是上世纪七十年 代末八十年代初开始商用化的。其中最具代表性的是 北美的AMPS(Advanced Mobile Phone System)、欧洲的 TACS(Total Access Communication System)两大系统，另外还有北欧NMT以及日本的HCMTS等。第一代(1G)从技术特色上看，它是以解决两个动态性 中最基
6、本的用户这一重动态性为核心并适当考虑到第 二重信道动态性。主要措施是采用频分多址FDMA方 式实现对用户的动态寻址功能，并以蜂窝式网络结构 和频率规划实现载频再用方式，达到扩大覆盖、服务 范围和满足用户数量增长的需求。在信道动态特性匹 配上适当采用了性能优良的模拟调频方式，并利用基 站二重空间分集方式抵抗空间选择性衰落。BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center7 第二代(2G)以数字化为主要特征，构成数字式蜂窝移 动通信系统，它是上世纪九十年代初正式走向商用。其中最具代表性的有欧洲的时分多址(TDMA)GSM(GS
7、M原意为Group Special Mobile，89年 以后改为Global System for Mobile Communications)、北美的码分多址(CDMA)的IS-95两大系统，另外还有 日本的PDC系统等。第二代(2G)从技术特色上看，它是以数字化为基础，较全面考虑信道与用户的二重动态特性及相应的匹配 措施。主要实现措施有：采用TDMA(GSM)、CDMA(IS-95)方式实现对用户的动态寻址功能，并以 数字式蜂窝网络结构和频率(相位)规划实现载频(相位)再用方式，从而扩大覆盖、服务范围和满足用户数量 增长的需求。BUPT Information Theory&Techno
8、logy Education&Research Center8 在对信道动态特性的匹配上采用了一系列措施：(1)采用抗干扰性能优良的数字式调制：GMSK(GSM)、QPSK(IS-95)，性能优良的抗干扰纠 错编码：卷积码(GSM、IS-95)、级联码(GSM)；(2)采用功率控制技术抵抗慢衰落与远近效应，它对 CDMA方式的IS-95尤为重要；(3)采用自适应均衡(GSM)和Rake接收(IS-95)抗频率 选择性衰落与多径干扰；(4)采用信道交织编码，如采用帧间交织方式(GSM)和块交织方式(IS-95)抗时间选择性衰落。(5)基站采用空间或极化分集方式抗空间选择性衰落。BUPT Info
9、rmation Theory&Technology Education&Research Center9 第三代(3G)以多媒体业务为主要特征，它是本世纪初 刚刚投入商业化运营。其中最具有代表性的有北美的 CDMA2000、欧洲与日本的WCDMA、以及我国提出 的TD-SCDMA三大系统，另外还有欧洲DECT以及北 美的UMC-136。第三代(3G)从技术上看，它是在2G系统适配信道与用 户二重动态特性的基础上又引入了业务的动态性，即 在3G系统中，用户业务既可是单一的话音、数据、图 像，也可以是多媒体业务，且用户选择业务是随的,这 个第三重动态性的引入使系统大大复杂化。所以第三 代是在二代数
10、字化基础上的以业务多媒体化为主要目 标，全面考虑并完善对信道、用户二重动态特性匹配 特性，并适当考虑到业务的动态性能，尽力采用相应 措施予以实现。BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center10 其主要实现措施有：（1）继续采用第二代(2G)中所采用的所有行之有效的措 施；（2）对CDMA扩频方式应一分为二，一方面扩频提高了抗 干扰性，提高了通信容量；另一方面由于扩频码互相关性能 的不理想，使多址干扰、远近效应影响增大，并且对功率控 制提出了更高要求等；（3）为了克服CDMA中的多址干扰，3G系统中，上行链路 建议采用
11、多用户检测与智能天线技术；下行链路采用发端分 集、空时编码技术；（4）为了实现与业务动态特性的匹配，3G中采用了可实现 对不同速率业务(不同扩频比)间仍具有正交性能的OVSF(可 变扩频比正交码)多址码；（5）针对数据业务要求误码率低且实时性要求不高的特 点，3G中对数据业务采用了性能更优良的Turbo码。BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center11 第四代(4G)以宽带高速数据传输为主要特征，目前正在IMT-Advanced框架下进行标准化。其 中3GPP组织提出的LTE/LTE-Advanced、IEEE 组织
12、提出的WiMax 802.16m以及3GPP2组织提 出的UMB是代表性的标准草案。第四代(4G)从技术上看，它在3G系统支持信道 和用户动态性的基础上，全面增强了对业务动 态性的支持，并引入了网络动态性，网络扁平 化与全IP化、多个无线接入网的互操作和网络 跨层优化得到的强调与重视，并打破了蜂窝网 结构，引入了分布式网络作为补充。BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center12 所以第四代是在三代业务多媒体化的基础上，以无缝灵活支 持高速无线互联网业务为主要目标，全面考虑并完善对信道、用户和业务的三重动态特性匹配，并
13、适当考虑网络的动态性 能，尽力采用相应措施实现多个无线接入网融合、固网与移 动网融合。其主要实现措施有：继续采用第三代(3G)中所采用的所有行之有效的措施；为了支持高速数据传输，采用了OFDMA/SC-FDMA高效多 址接入技术，可以灵活动态地支持从低速VoIP业务到超高 速的视频业务；全面引入了MIMO技术，通过与OFDMA技术结合，进一步 提高了系统频谱效率；广泛采用了自适应编码调制(AMC)与混合自动重传(HARQ)技术，更好地动态适配信道变化；采用小区间干扰协调技术，有效克服同频干扰。BUPT Information Theory&Technology Education&Resear
14、ch Center13 在前四代移动通信中，除了上述物理层关键技术的 不断发展外，在网络层其功能也在逐步完善。它主 要体现有：1)网络协议逐步走向规范化，到了第四代(4G)已全 面形成了横向三层：物理层、链路层、网络高层；纵向两个平面：用户业务平面与控制平面的规范结 构。2)逐步增强并完善网络层辅助物理层实现对四重动 态性的匹配功能，尤其突出跨层优化技术，完善对 无线资源管理、移动性管理、移动信息安全以及接 入分配、调度算法的实现。3)第二代(2G)开始逐步引入智能网，实现交换与控 制的分离，演进到3G中的IP多媒体子系统(IMS)与 LTE的EPC核心网结构，并通过开放业务架构(OSA)快速
15、生成与部署新业务。BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center14 另外，从第一代发展到第三代服务的业务类型、完成的功能 也在不断的发展。就业务而言:1)第一代是在单一模拟电路交换平台上，完成了单一模拟话 音业务。2)第二代是在单一数字电路交换平台上，完成数字式话音或 相同速率电路交换的数据业务。3)第二代半在建立的两个平行的电路(CS)与分组(PS)交换平 台上，完成数字化话音和小于64kbps的电路交换、小于 171.2kbps的分组交换的各类数据业务服务。4)第三代首先在第二代半基础上进行增强与改善，并在其基 础
16、上逐步改造成单一分组交换的IP平台，提供小于2Mbps的 各类多媒体业务服务。(5)第四代基于全IP的IMS/EPC平台，提供静止情况1Gbps、运动情况100Mbps(峰值速率)的各类无线互联网业务。BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center15 就功能而言，主要指业务服务功能，它有:1)第一代与第二代的通话功能。2)第二代半增加了因特网业务和定位业务。3)第三、四代发展成具有会话型、数据流型、互动型与后台类型的综合服务多媒体业务功 能。BUPT Information Theory&Technology Educ
17、ation&Research Center161.3 移动通信的发展趋势与展望移动通信的发展趋势与展望 就未来通信而言，发展方向是个人通信。即在全 球范围内逐步实现全球一网(统一的网络结构)，每人一号(一个身份号码)，在任何时间、任何地 点(海、陆、空)以任何通信方式与任何对象(人或 机器)进行任何业务(话音、数据、图象等)的无缝 隙、不间断通信。实现它主要包含两大部分。一个是全球性骨干核 心网络平台，另一个是无时无处不在的灵活接入 手段，对移动通信发展而言重点是探讨后者。BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center1
18、7 就接入网而言，客观上看可分为有线接入与无线 接入，这里仅讨论无线接入，再细致一些无线接 入又可分为室内无线接入比如红外、蓝牙等；小 范围的无线局域网接入比如IEEE802.11系列等；中等及大范围的蜂窝移动接入和覆盖全球的卫星 接入。本书讨论内容仅限于陆地系统的蜂窝移动网，它 是实现宏伟的个人通信蓝图的第一步，仅这一步 目前已经历了第一代(1G)、第二代(2G)系统，第 三代(3G)系统，目前正在向第四代(4G)系统过渡。BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center18 展望未来移动通信的发展是离不开其客观上应遵循
19、 的规律，这个规律主要决定于两方面的因素：第一 是用户的需求，第二是实现时所受的环境和条件的 限制。1)从用户需求看，移动通信应当从第一代(1G)、第 二代(2G)以话音为主逐步转移到以数据为主，特别 是以分组交换IP数据为主的综合业务和多媒体业务。在这个转移过程中，以IPv6为基础的移动因特网业 务将是未来的主流业务。BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center19 2)基于移动因特网业务上、下行严重的不对 称性，一般下行的下载业务量远远大于上行 的业务量。因此在基本通信体制方面，可能 要打破传统的上下行遵循同一通信
20、体制的桎 梏。目前在第三代(3G)中，3GPP2已运营的 HDR在下行采用了时隙码分多址方式，以适 应高速数据传送，它与上行的码分多址是不 完全对称的。3GPP所采用的HSDPA(高速下 行数据传送)也与HDR基本类似。BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center20 3)下一代移动通信中主要物理层关键技术是在三重 动态环境与条件的限制下满足用户在数量上不断增 长、在质量上不断提高的要求，同时要保证用户通 信的安全保密性能。首先是对现有物理层关键技术进一步改进、完善 与实用化。重点突出适应高速数据业务的正交多载波调制
21、OFDM技术，作为下一代物理层关键技术。下一代移动通信物理层的关键技术的另一个研究 重点是突出对物理层的自适应传输技术的研究。BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center21 加强对信道、用户、业务与网络动态性的监测与 估计，为实现与四重动态匹配提供基础。加强空间域与传统的时、频域相结合的研究，开 发空域在移动通信中的巨大潜力。在下一代移动通信系统的优化中，一个值得注意 的方向是，在传统的单一部件比如在信道编码、调 制技术、多用户检测技术等逐个优化的基础上，逐 步扩大并实现联合(组合)优化的范围。在下一代移动通信的物理
22、层具体实现技术中将采 用逐步向软件无线电方向过渡的方式来实现。为了提高无线频谱的利用率，解决无线频率资源 紧张的问题，认知无线电技术将成为下一代移动通 信的物理层关键技术之一。BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center22 4)在原有移动通信传统的用户和信道二重动态性的 基础上又迭加上一个用户业务类型的第三重动态性。这个第三重动态性的引入不仅在上述物理层上引起 很大的变化，而且在网络层与网络规划层也提出了 很多新要求，带来新问题。首先选定全IP方向，因为它更适合于今后的主流 业务移动因特网以及数据和多媒体业务。这里的
23、IP指的是建立在IPv6基础上。下一代移动通信网络的主要努力方向应是网络智 能化。下一代移动通信对网络结构也提出了新要求，希 望建立分布式天线与多层次小区混合的蜂窝网系统。BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center23 就移动网络技术的长远发展而言，有如下 发展倾向：电信网、计算机网与有线电视网将逐步实现 三网融合并最终走向三网合一；就电信网而言，将逐步从目前的有线(固网)无线(移动网)两个平行发展网络，走向无线 侧重于接入网，有线侧重于核心骨干网的分 工、协作的统一网络的发展方向，以IP技术 为基础的固网与移动网络
24、融合(FMC)是大势 所趋。BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center241.4 关于本书的内容与安排关于本书的内容与安排本书写作的基本原则有：1)围绕移动通信基本原理为核心，但也适当 介绍一些移动通信系统的主流体制；2)综合各种移动通信体制中共同采用的“共性”技术为核心，并适当介绍一些特殊的“个性”技术；3)本书内容的基本框架包含两大部分：物理 层技术与网络层技术；BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center25 4)在写作方法上，以概念与
25、基本原理为主，并适当地引入一些必要地定量分析与讨论；5)力求写作深入浅出，并能满足研究生、大 学本科生以及工程技术人员不同层次地需求。一般的，每章前几部分是以概念与定性分析 为主，它比较适合于大学本科，而每章最后 一至两节则是以定量分析为主，内容较深，它适合于研究生或研制开发人员阅读。BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center261.5 本章小结本章小结本章首先介绍了移动通信的主要特点是具有四 重动态特性：信道动态性、用户动态性、业务 动态性和网络动态性；总结了移动通信四个发 展阶段的主要特色：第一代(1G)蜂窝式网络结 构、第二代(2G)数字化技术、第三代(3G)业务 的多样性和多媒化与第四代(4G)宽带高速数据 传输。其次从物理层和网络层两个层次分别对 移动通信的发展趋势进行展望。最后对本书的 主要内容作了简要的介绍。BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center27