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移动通信系统教案
2008年秋季学期

授课单位：信息学院
授课教师：陈 智 丽
编制日期：08年8月

移动通信系统教案
前 言
一、 课程的重要性
1、 移动通信系统是通信工程专业的专业课，以高频电子线路、通信原理、信号与系统等专业基础课为知识基础，是一门工程性、实践性和实用性都很强的课程。
2、 移动通信系统是通信工程专业的主干课，主要讲授现代移动通信的基本概念、基本组成、基本原理、基本技术和典型系统，为学生今后的毕业设计以及从事相关方向的工作和科研奠定重要的理论基础。
3、 通信的目的与任务是传递消息,移动通信系统已广泛应用于国民经济、国防建设和人们日常生活的各个领域,作为通信工程专业的学生应广泛了解通信领域的先进技术，掌握关键概念和核心原理。
二、 课程的主要内容和任务
本课程内容以当前广泛应用的移动通信系统和代表发展趋势的移动通信新技术为背景,力求能反映近年来国内外移动通信的发展状况。主要内容包括移动通信概论和展望，移动信道的基本特征，移动通信的基本技术和移动通信网络的组成、管理与控制方法，以及几种常用移动通信系统的工作原理、特定功能和技术特征。
移动通信技术的发展日新月异,从模拟蜂窝网电话系统的诞生，相继出现了全数字蜂窝网电话系统和个人通信系统，在这种情况下，有必要使通信工程专业的学生对现代移动通信系统有一定程度的了解。本课程的任务是使学生掌握蜂窝移动通信系统的基本工作原理，熟悉现有的GSM系统和CDMA系统，掌握移动信道中的电波传播特性、移动通信系统中的调制技术、组网技术及FDMA、TDMA及CDMA等多址技术，了解3G和未来移动通信系统的技术发展趋势，使学生具有一定的蜂窝移动通信系统的设计和网络规划能力。
三、 如何学好该课程
结合该课程的特点，要学好这门课程主要把握以下几个方面:
1、 知识的连续性，一环扣一环，及时消化理解；
2、 要掌握好通信原理、无线通信技术方面的知识;
3、 抓住每章内容主要知识点的主线，弄清本章的关键问题、重点和难点所在；
4、 分析系统实例，掌握分析问题和解决问题的思路和方法；
5、 加强作业练习，作好课堂笔记;
6、 利用好答疑时间，发现问题及时解决；
7、 加强实践环节，上好实验课.
四、参考文献
1、吴伟陵,牛凯编著，移动通信原理，电子工业出版社，2005
2、斯图伯尔编著，移动通信原理（第二版），电子工业出版社,2004
3、啜钢，王文博等编著，移动通信原理与系统，北京邮电大学出版社,2005
4、曹达仲，侯春萍编著，移动通信原理系统及技术,清华大学出版社，2004
五、学时分配（32学时)
章
内 容
学 时
一
概论
2
二
调制解调
5
三
移动信道的传播特性
3
四
抗衰落技术
3
五
组网技术
5
六
频分多址（FDMA)模拟蜂窝网
2
七
时分多址（TDMA）数字蜂窝网
4
八
码分多址(CDMA)移动信道系统（一）
4
九
码分多址(CDMA)移动信道系统（二）
2
十
移动通信的展望
2
总计

32

六、学科前沿知识
WCDMA和TD-SCDMA移动通信系统,自适应编码调制，多载波调制，多输入多输出技术和软件无线电等.
七、成绩考核
平时成绩20分，期末考试80分。
其中平时成绩：课堂表现5分、作业5分、实验10分
八、教案编写说明
1、教案内容充实详细，其中将标题、重点概念和计算表达式作为板书内容；
2、多媒体教学中，部分讲稿内容没有列入教案；
3、在讲授过程中加入课堂讨论可以活跃课堂气氛，激发学生学习兴趣，加深对问题的理解掌握，提高学生分析问题和解决问题的能力；
4、自学内容不占用理论学时.

第一章 概 论
授课课次
第一讲
授课学时
2
教学目的
与要求
1、掌握移动通信的主要特点;
2、了解移动通信系统的分类；
3、了解移动通信的主要基本技术，包括：调制技术、移动信道中的电波传播特性、多址技术、抗干扰技术和组网技术等；
4、了解移动通信的发展趋势。
教学重点难点
及措施
重点：1、移动通信的特点及移动通信系统的分类；
2、常用移动通信系统的技术概况；
3、移动通信的基本技术。
难点：移动通信的基本技术.
措施：1、突出重点：从常用的移动通信系统入手,引导学生总结分析移动通信的特点及移动通信的基本技术。
2、解决难点：结合通信原理前期知识基础，将其运用到理解移动通信的基本技术当中。
授课方法
讲授、实例列举
教学手段
多媒体与板书结合
本章知识结构图：
移动通信的主要特点
蜂窝移动通信系统
无线电寻呼系统
移动通信的基本技术
抗干扰措施
多址方式
无绳电话系统
集群移动通信系统
移动信道中电波传播特性
常用移动通信系统
移动通信系统的分类
移动卫星通信系统
调制技术
组网技术
移动通信概论

教学主要内容：
1.1 移动通信的主要特点
一、移动通信必须利用无线电波进行信息传输
这种传播媒质允许通信中的用户可以在一定范围内自由活动，其位置不受束缚，不过无线电波的传播特性一般都很差.
二、移动通信是在复杂的干扰环境中运行的
除去一些常见的外部干扰，如天电干扰、工业干扰和信道噪声外,系统本身和不同系统之间，还会产生这样或那样的干扰.
三、移动通信可以利用的频谱资源非常有限，而移动通信业务量的需求却与日俱增
为了解决这一矛盾，一方面要开辟和启用新的频段；另一方面要研究各种新技术和新措施，以压缩信号所占的频带宽度和提高频谱利用率。
四、移动通信系统的网络结构多种多样，网络管理和控制必须有效
移动通信网络可以组成带状（如铁路公路沿线）、面状（如覆盖一城市或地区）或立体状（如地面通信设施与中、低轨道卫星通信网络的综合系统）等。
五、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
移动通信有以下多种分类方法：
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 按覆盖范围可分为广域网和局域网；
⑤ 按业务类型可分为电话网、数据网和多媒体网；
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。
一、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。根据收、发频率的异同，又可分为同频单工和异频单工。单工通信常用于点到点通信，参见图1-1。
同频单工是指通信双方(如图1—1中的电台甲和电台乙)使用相同的频率f1工作，发送时不接收,接收时不发送.平常各接收机均处于守候状态，即把天线接至
第二章 调制解调
授课课次
第二讲~第四讲
授课学时
5
学时分配
第二章 第一节 第二节
2
第二章 第三节 第四节
2
第二章 第五节
1
教学目的
与要求
本章讲授调制解调技术.要求学生掌握数字频率调制和数字相位调制的基本原理，掌握正交振幅调制和扩展频谱调制的基本概念和基本技术。对于模拟移动通信系统中获得广泛应用的频率调制，在先修课程《高频电子线路》和《通信原理》的基础上，着重对频率调制的抗干扰性能作了进一步分析讲解。最后,要求学生在自学提纲的指导下，自学多载波调制技术。
教学重点难点
及措施
重点:
1、频移键控(FSK）调制和最小频移键控（MSK)调制；
2、移相键控(PSK)调制和四相移键控(QPSK）调制；
3、国际上第二代蜂窝电话系统采用的GMSK和—DQPSK窄带数字调制的特点、信号的产生和解调方案；
4、扩展频谱调制和伪随机（PN）序列.
难点：
1、MSK和—DQPSK调制解调原理;
2、扩频通信的概念及扩频调制的原理。
措施：
1、突出重点：结合通信原理前期知识基础,从各种数字已调信号的表达式入手，分析各已调信号的功率谱密度,进而分析各信号的调制解调原理框图，深刻理解各种调制技术的调制解调原理。
2、解决难点：列举调制解调实例，学生可以从信号的波形图中，直观地体会信号的调制解调过程。
授课方法
讲授、实例列举、自学
教学手段
多媒体与板书结合

本章知识结构图：
最小移频键控（MSK）调制
移频键控（FSK）调制
数字相位调制
-DQPSK调制
高斯滤波的最小移频键控（GMSK）调制
高斯滤波的移频键控（GFSK）调制
四项移相键控（QPSK）调制和交错四项移相键控（OQPSK）调制
数字频率调制
移相键控（PSK）调制
调制解调
正交振幅调制（QAM）
扩展频谱调制
伪随机（PN）序列
扩频调制
扩展频谱通信的基本概念
多载波调制（自学内容）
多载波传输系统
正交频分复用（OFDM）调制
正交频分复用（OFDM）调制的应用

教学主要内容:
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高频信号。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。模拟调制指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.数字调制指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：移频键控（FSK）和移相键控（PSK）等。

第三章 移动信道的传播特性
授课课次
第四讲～第五讲
授课学时
3
学时分配
第三章 第一节
1
第三章 第二节 第三节
2
教学目的
与要求
1、掌握无线电波的传播特性;
2、了解移动信道的特征,包括传播路径与信号衰落，多径效应等;
3、了解不同地形上的陆地移动信道的传输损耗,掌握传播路径损耗和移动台天线收到的信号功率的计算方法。
教学重点难点
及措施
重点：
1、无线电波的传播特性；
2、移动信道中的信号衰落、多径效应、瑞利衰落、多径时散与相关带宽等移动信道的特性；
3、不同地形的陆地移动信道的传输损耗及其计算方法。
难点：移动信道的特性。
措施：
1、突出重点：从电波的不同传播方式讲授电波的传播特性，由电波的多种传播路径为切入点,引出信号衰落、多径效应、瑞利衰落等信道特性，进而再提出多径时散和相关带宽的概念。在讲授陆地移动信道的传输损耗计算方法时，先以自由空间传播为基础,再分别考虑各种地形、地物对电波传播的实际影响，并逐一予以必要的修正.
2、解决难点：结合通信原理的知识，用分析随参信道的方法进行分析.
授课方法
讲授、实例列举、图解
教学手段
多媒体与板书结合

本章知识结构图：
无线电波传播特性
多径效应与瑞利衰落
传播路径与信号衰落
陆地移动信道的传输损耗
不规则地形上传播损耗的中值
中等起伏地形上传播损耗的中值中值
多径时散与相关带宽
地形、地物分类
移动信道的特征
接收机输入电压、功率与场强的关系
任意地形地区的传播损耗的中值
移动信道的传播特性
直射波
电波传播方式
大气中的电波传播
障碍物的影响与绕射损耗
反射波
慢衰落特性和衰落储备

教学主要内容：
3。1 无线电波传播特性
一、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MHz时，典型的传播通路如图 3 - 1 所示。沿路径①从发射天线直接到达接收天线的电波称为直射波，它是VHF和UHF频段的主要传播方式；沿路径②的电波经过地面反射到达接收机，称为地面反射波;路径③的电波沿地球表面传播,称为地表面波。

图3 — 1 典型的传播通路
二、直射波
第四章 抗衰落技术
授课课次
第六讲～第七讲
授课学时
3
学时分配
第四章 第一节 第二节 第三节
2
第四章 第四节
1
教学目的
与要求
1、掌握分集接收的原理;
2、了解数字化移动通信系统的分集性能；
3、了解RAKE接收机的基本概念、组成原理；
4、掌握纠错编码的基本原理和常用的检错码;
5、了解均衡技术的原理和自适应均衡技术。
教学重点难点
及措施
重点：
1、分集接收的原理；
2、分集与合并方式；
3、纠错编码的基本原理;
4、奇偶校验码、CRC校验码、卷积码和交织编码的编码译码原理。
难点：
1、 分集接收的原理;
2、 卷积码的编码译码原理。
措施：
1、突出重点:在深刻理解分集接收原理的基础上，正确理解各种分集合并方式的原理,并对各种分集合并方式的性能进行分析与比较.结合通信原理知识，引导学生正确理解常用几种检错码的编码译码原理,并列举编码实例。
2、解决难点：从分散传输和集中处理两重含义来帮助学生理解分集接收的原理。以(3，1)卷积码为例，结合卷积码编码译码器框图，讲授卷积码的编码译码原理.
授课方法
讲授、实例列举
教学手段
多媒体与板书结合

本章知识结构图:
分集接收
数字化移动通信系统的分集性能
纠错编码技术
卷积码与交织编码
常用的检错码
纠错编码的基本原理
抗衰落技术
分集接收的原理
RAKE接收
分集方式
概念
空间分集
频率分集
极化分集
场分量分集
角度分集
时间分集
合并方式
选择式合并
最大比值合并
等增益合并
奇偶校验码
CRC校验
均衡技术
均衡的原理
自适应均衡技术

教学主要内容：
4。1 分集接收
一、分集接收原理
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.为说明问题，图4 —1给出了一种利用“选择式”合并法进行分集的示意图.图中,A与B代表两个同一来源的独立衰落信号。
第五章 组网技术
授课课次
第七讲～第九讲
授课学时
5
学时分配
第五章 第一节 第二节
1
第五章 第三节 第四节
2
第五章 第五节 第六节
2
教学目的
与要求
1、掌握多址技术,学会用有限的资源传输更大容量的信息；
2、掌握话务量、呼损率的概念和计算方法；
3、掌握区域覆盖和信道配置技术；
4、了解移动通信网络的基本结构；
5、了解接入信令和网络信令的格式、协议结构及应用；
6、掌握越区切换和位置管理的方法。
教学重点难点
及措施
重点:
1、FDMA、TDMA、CDMA和SDMA多址技术的原理；
2、区域覆盖和信道配置方法；
3、越区切换的准则和控制策略。
难点:
1、 多址技术的原理和运用；
2、 越区切换。
措施：
1、突出重点：引导学生思考下面的问题，在上课的过程中，找到问题的答案。对于给定的频率资源，大家如何来共享？采用什么样的多址技术,使得有限的资源能传输更大容量的信息？为了使得用户在某一服务区内的任一点都能接入网络,需要在该服务区内设置多少基站?如何在这些基站间进行信道的分配?如何保证用户在网络覆盖的范围内可任意移动，保证通信的连续性？
2、解决难点:通过各种多址方式的示意图，直观讲授各多址方式的原理。以越区切换发生的情况和越区切换的作用为着手点，引出越区切换的准则及控制策略。
授课方法
讲授、图解
教学手段
多媒体与板书结合

本章知识结构图：
时分多址（TDMA）
频分多址（FDMA）
区域覆盖和信道配置
信令传输协议
码分多址（CDMA）
空分多址（SDMA）
音频信令
多址技术
数字信令
组网技术
数字蜂窝移动通信网的网络结构
信令
网络信令
接入信令
越区切换和位置管理
越区切换
位置管理
随机多址（SDMA）
信令应用
越区切换时的信道分配
越区切换的控制策略
越区切换的准则
位置登记和呼叫传递
位置更新和呼叫

教学主要内容：
5.1 多址技术
一、频分多址（FDMA）
频分多址是指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25 kHz或30 kHz。在单纯的FDMA系统中，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，收发频率间隔必须大于一定的数值.例如,在800 MHz频段,收发频率间隔通常为45 MHz。一个典型的FDMA频道划分方法如图5 — 1所示。

第六章 频分多址（FDMA）模拟蜂窝网
授课课次
第十讲
授课学时
2
教学目的
与要求
本章主要讲授频分多址（FDMA)模拟蜂窝网系统的组成、主要功能、工作原理和系统的工作过程，使学生不仅掌握模拟蜂窝网系统本身的特点，而且为研究各种数字蜂窝网系统打下基础。
教学重点难点
及措施
重点：
1、蜂窝网移动通信系统的结构和功能；
2、蜂窝系统的控制结构。
难点：控制信号及其功能。
措施：
1、突出重点：以蜂窝网移动电话系统的结构图和控制结构图为切入点,具体展开系统的组成和功能。
2、解决难点：结合移动电话通话实例，引导学生体会各控制信号在实际通话过程中的作用。
授课方法
讲授、实例列举
教学手段
多媒体与板书结合
本章知识结构图：
频分多址模拟蜂窝网
主要功能
系统控制及其信令
系统控制结构
监测音SAT
信令音ST
定位与过境切换
寻呼与接入
冲突退避
系统结构
教学主要内容：
6.1 概 述
一、发展简况
模拟蜂窝网是在20世纪80年代迅速发展并得到广泛应用的一种移动通信系统。
二、系统结构
通常，在一个大型蜂窝网移动电话系统中有若干个移动电话交换局（MTSO)，也称作移动交换中心（MSC)。图6 - 1示出由两个移动电话交换局构成的蜂窝网移动电话系统结构。这种类型的网络系统常称作公共陆地移动网（PLMN)。每一个MTSO均与公用电话交换网(PSTN)和所属基站（BS)连接,其连接方式通常有电缆、光纤或数字微波线路等，它们之间都有相应的接口标准。每个移动用户在其常驻地的MTSO经过登记注册即可入网,此移动电话交换局称作归属（或原籍）移动电话交换局(如MTSOA），经它所登记的移动用户称为本地用户。当移动台进入另一个移动电话交换局所管辖区时，该移动电话交换局（如MTSOB）称为被访问移动电话交换局,来访的移动用户称为漫游用户。

图6 – 1蜂窝网移动电话系统结构
由图6 -1可见,蜂窝网移动电话系统本身由三大部分组成，即移动电话交换局（MTSO)、基站(BS）和移动台（MS)。其中,MTSO（或MSC）是基站与市话网之间的接口,是蜂窝网控制中心，它不仅具有一般程控交换机所具有的交换、控制功能,还具有适应移动通信特点的移动性管理功能，以完成移动用户主呼或被呼所必需的控制.
每个基站主要由基站控制器和多部信道机等组成，信道机的数量取决于基站同时与移动台通话的数目,它们以频分多址方式工作，对每个用户使用一对不同的双工频率进行发射和接收信号。基站信道机主要由发射机、接收机组成,控制器用于与移动电话局、移动台进行信令交换和控制。每个基站还配有定位接收机，监测移动台位置,以便为越区切换服务。
三、主要功能
各种蜂窝网移动通信系统均具有下列主要功能：
（1）具有与公用电话网进行自动交换的能力.
（2)双工通信，话音质量接近市话网标准.
（3）双向自动拨号，包括移动用户与市话用户间的直接拨号以及移动台之间的直接拨号。
(4）用户容量大，一个系统一般能为几万个用户提供服务，还能适应业务增加需要,通过小区分裂以扩充容量。
(5）采用小区制频率再用技术，当基站采用全向天线时，一个区群由12个小区组成,频率再用率为1/12，其频道分配方法是等频距法,以尽可能减少邻道干扰。
（6）具有自动过境切换频道技术,切换时间小于 20 ms。
（7）设备通用性较强,通常基站、移动台等设备在网络覆盖范围内可以通用。
（8）各地之间可以连网，具有自动漫游功能.
6.2 系统控制及其信令
一、系统的控制结构
无论是AMPS系统还是TACS系统，其系统控制都涉及公用市话网、移动电话局、基站和移动台之间的话音和信令的传输与交换。蜂窝系统的控制结构如图6 — 2 所示.

图 6 - 2 蜂窝系统的控制结构
由图6 — 2可见，系统中既有无线信道，又有有线信道,而且都有话音信道和控制信道之分.话音信道主要用于传送话音，而控制信道专用于传送控制信令。因为控制信道是为建立话音信道服务的，所以也把控制信道称作建立信道。通常，从基站（BS）至移动台(MS）的传输信道称为前向（或下行）信道，包括前向话音信道和前向控制信道；反之,从MS至BS传输的信道称为反向（或上行）信道，它也包括反向话音信道和反向控制信道。 基站与移动电话交换局之间可分为有线数据线路和有线话音线路。上述信道的分类示于图 6 - 3。

图 6 - 3 蜂窝系统的信道类型
二、控制信号及其功能
1、监测音SAT（Supervisory Audio Tone）
监测音用于信道分配和对移动用户的通话质量进行监测。当某一话音信道要分配给某一移动用户时，BS就在前向话音信道上发送SAT信号。移动台检测到SAT信号后，就在反向话音信道上环回该SAT信号。BS收到返回的SAT信号后，就确认此双向话音信道已经接通,即可通话。
例如，由7个小区组成的区群，其监测音的分配如图6 — 4所示。

图6 - 4 监测音的配置
2、信令音ST(Signalling Tone）
信令音在移动台至基站的反向话音信道中传输，它是10 kHz的音频信号。信令音的主要用途如下：第一,当MS收到BS发来的振铃信号时，MS在反向话音信道上向BS发送ST信号，表示振铃成功,一旦移动用户摘机通话，就停发ST信号；第二，移动台在过境切换频道前，在MTSO控制下，BS在原来的前向话音信道上发送一个新分配的话音信道的指令，MS收到该指令后，就发送ST信号以表示确认.
根据上述SAT和ST信号的有无,可以判断MS处于摘机还是挂机状态，如表6 - 1所示.例如,当基站收到移动台环回的SAT信号时，同时又收到ST，则表示移动台处于挂机状态；若只收到环回的SAT信号,而未收到ST，则表明此时移动台已摘机。
表 6 — 1 移动台摘机/挂机信号表

3、定位与过境切换
在移动台通话过程中，为其服务的基站定位接收机不断监测来自移动台的信号电平,当发现环回的监测音SAT的电平低于某一指定值SSH（Signal Strength for Handoff Request）,即信号电平降至请求过境切换的强度时，立即告知MTSO，MTSO当即命令邻近的BS同时监测该移动台的信号电平，并立即把测量结果向MTSO报告。MTSO根据这些测量结果,就可判断移动台驶入了哪个小区，上述过程就称为定位.通过定位，就能确定是否需要以及如何进行过境切换。过境切换的过程如图6 — 5 所示。
4、寻呼与接入
所谓“寻呼”，是指当市话用户呼叫某一个移动用户时，MTSO通过某一个基站或位置区内的多个基站甚至所有基站发出呼叫信号，包括被呼用户号码以及话音信道指配代号等。这些寻呼信号是在前向控制信道上发送的。
5、冲突退避
由于移动台的主呼是随机的，因此若一个无线区内有两个以上移动台同时发起主呼，就会因争用控制信道而发生冲突现象.为此，系统需要为减少冲突而建立一种退避规则。AMPS和TACS系统采用的办法是：在前向控制信道的信令中每隔10 位发一个忙/闲标志位。当控制信道“忙”时，该比特位为“0”；当控制信道“闲”时,该比特位为“1”。移动台在反向控制信道中发出预告信息，表示要占用控制信道后,继续观察前向控制信道的忙/闲位.如果基站同意它占用,就将忙/闲位从“闲”改置为“忙”，同时也告诉了其它移动台此控制信道已被占用.

图6 - 5 过境切换过程
课堂练习与作业题：
1。 蜂窝网移动通信系统有哪些主要功能？ 其中的预拨号方式（或称呼前拨号)有何优越性?
2。 蜂窝系统中有哪些信道类型,各有何特点？ 在话音信道中传输哪些控制信令？
3。 过境切换的含义是什么? 试简述过境切换的工作过程.
4. SAT信号有何作用？ 为何选用 5970、6000和6030 Hz三种类型的监测音?