移动通信技术.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,*,*,*,*,201,4年4月,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,计算机组网技术,移动通信,2,2025/3/4 周二,教学内容,第1章 移动通信概述,第2章 通信基础理论,第3章 移动通信的基本技术,第4章 从电台到大哥大（第一代移动通信技术）,第5章 第二代移动通信技术（2G，GSM）,第6章 第三代移动通信技术（3G）,第7章 3.9G时代的LTE,第8章 4G欲来风满楼,LTE-Advanced,3,2025/3/4 周二,回顾下前三章讨论了哪些问题？,通信、移动通信的概念、移动通信的工作方式,信号的时域与频域概念,模拟与数字移动通信系统的组成,电磁波频谱、电磁波的传播特性（四大效应、三大损耗）,提高频谱利用率的多址技术,移动通信的调制技术,信源编码(有效性)与信道编码（可靠性）,抗衰落的分集技术,总结,4,2025/3/4 周二,讨论尚未结束，大家继续努力。,解决以上问题，可能实现点对点通信。要实现移动用户在更大范围内,有序,的通信，必须解决组网的问题。,本章内容展望,5,2025/3/4 周二,本章内容展望,本章开始将探讨以下几个方面的问题：,(1),现代移动通信系统的雏形是怎么形成的？在形成过程中会有什么问题？怎么克服,?,(2),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,?,(3),由于移动环境中噪声与干扰的存在，基站和移动台之间如何减少噪声，,保持有效,通信？,?,6,2025/3/4 周二,本章内容展望,(4),移动通信的基本特点是用户在网络覆盖的范围内可任意移动。这就要解决下面两个问题：,一是,当移动用户从一个基站的覆盖区移动到另一个基站的覆盖区时，如何保证用户通信过程的,连续性,，即如何实现有效的越区切换,?,二是,用户在移动网络中任意移动，网络如何管理这些用户，使网络在任何时刻都知道，该用户当前在哪一个地区的哪一个基站覆盖的范围内，即如何解决,移动性管理,的问题,?,7,2025/3/4 周二,本章内容展望,(,5,),如何将服务区内的各个基站互连起来，并且要与固定网络,(,如,PSTN,、,ISDN,、,BISDN,等,),互连，从而实现移动用户与固定用户、移动用户与移动用户之间的互连互通,?,也就是说，移动通信应采用,什么样的网络结构,?,8,2025/3/4 周二,教学内容,第1章 移动通信概述,第2章 通信基础理论,第3章 移动通信的基本技术,第4章 从电台到大哥大（第一代移动通信技术）,第5章 第二代移动通信技术（2G，GSM）,第6章 第三代移动通信技术（3G）,第7章 3.9G时代的LTE,第8章 4G欲来风满楼,LTE-Advanced,引言,1、移动通信的发展历程,技术驱动,AMPS,TACS,NMT,其它,第一代（,1G,),上世纪,80,年代,模拟,模拟技术,(l),GSM,CDMA,IS95,TDMA,IS-136,PDC,第二代（,2G,),上世纪,90,年代,数字,数字技术,话音业务,业务驱动,第三代（,3G,),本世纪初期,IMT-2000,UMTS,WCDMA,cdma,2000,TD-,SCDMA,宽带业务,E3G,本世纪初期,IMT-Advanced,3GPP,LTE-TDD,LTE-FDD,宽带业务,用户驱动,移动通信发展至今，从早期的AMPS到现在的LTE-Advanced，一共经历了4代。,04 三月 2025,9,10,2025/3/4 周二,引言,1、移动通信的发展历程,第一代,模拟蜂窝通信系统(大哥大）。,11,2025/3/4 周二,引言,1、移动通信的发展历程,第二代,数字系统90年代登上舞台。,12,2025/3/4 周二,引言,1、移动通信的发展历程,第二代,数字系统90年代登上舞台。,13,2025/3/4 周二,引言,1、移动通信的发展历程,第二代,数字系统90年代登上舞台。,用户密度急剧增长,数据业务需求不断提高,2G系统手空中接口及网络能力的限制，难以满足市场的需求,太慢了,14,2025/3/4 周二,引言,1、移动通信的发展历程,第三代移动通信系统,三足鼎立。,15,2025/3/4 周二,引言,1、移动通信的发展历程,第4代移动通信系统。,16,2025/3/4 周二,无线通信从层面上有三个层面，包括：,点对点的无线通信,对讲机,点对多点的无线通信,基站和手机,多点对多点的无线通信,多个手机与多个基站,2、无线通信的层面解析,引言,17,2025/3/4 周二,电台的梦想-点对点的无线通信,4.1,基站的困惑,点对多点的无线通信,4.2,4.3,大哥大-多点对多点的无线通信,4.4,相关技术介绍,18,2025/3/4 周二,4.1 电台的梦想,点对点的无线通信,古代人民梦想中的通信方式,神话中的场景因马可尼发明了电报而成为现实,“,千里眼,”,、顺风耳,19,2025/3/4 周二,4.1电台的梦想,点对点的无线通信,这个梦想在今天看起来很简单，但假如我们把历史翻到1940，那个没有移动通信网的年代，你还会觉得简单吗？,移动通信的飞速发展使人类实现个人通信的理想为期不远了。,任何人在任何时间、任何地点、与任何一个人、实现任何一种媒体的通信。,我要一部手机！,20,2025/3/4 周二,4.1 点到点的无线通信,4.1.1 无线通信组网构想一：无线电台,4.1.2 无线通信组网构想二：广电网络,21,2025/3/4 周二,4.1.1 构想一：用无线电台构成一张无线通信网,第二次世界大战开始时，无线电台的使用已经很频繁。,既然无线电台可以实现远距离通信，那么给每个人发一个电台，用无线电台构成一张无线通信网行不行？,对比下5W：,任何人：,如果国家足够有钱，每个人发一个电台。,任何时间：,只要电台不是山寨货，那在保质期内工作是没有任何问题的。,任何地点：,战争中的情报在千里之外都可以被截听，说明在地球上绝大多数地方收发电报都没太多问题。,任何消息：,无线电台打电话没有什么问题，但实现多媒体通还有点困难,看上去解释很完美，但事情真是这样吗？,22,2025/3/4 周二,4.1.1 构想一：用无线电台构成一张无线通信网,问题一,“,任何地点,”,：发射电报要在任何地点都能收到，发射功率就得很大。,23,2025/3/4 周二,4.1.1 构想一：用无线电台构成一张无线通信网,问题二：,电磁波存在干扰,：人说话的频段一般在20-3400Hz，如果几人同时跟你说话，那么要分辨起来就有点困难，因为他们的声音都在同一个频段，会相互干扰,不同的电台不能使用相同的频段。既然如此，我们给全球所有的电台都分配给不同的频段不就行了？,24,2025/3/4 周二,4.1.1 构想一：用无线电台构成一张无线通信网,假设一个电台需要25KHz的频段，全球有20亿人需要用电台打电话，那么需要25KHz,2,10,10,=5,10,5,GHz.,问题三：,电磁波的频谱资源有限,。,电磁波在同一频段的干扰造成了无线频段资源的有限性，而无线通信频段资源的有限性则构成了无线通信各种解决方案的约束,25,2025/3/4 周二,4.1.1 构想一：用无线电台构成一张无线通信网,电磁波谱系列,26,2025/3/4 周二,4.1 点到点的无线通信,4.1.1 无线通信组网构想一：无线电台,4.1.2 无线通信组网构想二：广电网络,27,2025/3/4 周二,4.1.1 构想二：参照广电网络的架构,由于频谱资源的有限，造成了用电台搭建无线通信网的想法无法实现，但是在1940年那个年代，除了电台，跟通信沾边的事情也想不到别的。,于是，让我们把时间拨到1985年，这个时候有什么新思路呢？,黑白电视,28,2025/3/4 周二,4.1.1 构想二：参照广电网络的架构,广电网络的架构：每个城市几乎最高的地方建一个发射塔，向四面八方发射信号。电视机作为接收终端，接收广电的信号，并解调出来，就出现了电视画面。,广播电台也采取这种模式。,构想：参照广电网络，。,贝尔移动系统：系统建在高塔上，用大功率的发射机来获得一个广覆盖，一个发射机覆盖2800Km2。,看起来好好的，但贝尔移动系统由一个致命的缺陷，它只有12个频道。,广电模式在电信运营商里怎么就走不通呢？问题出在哪？,29,2025/3/4 周二,4.1.1 构想二：参照广电网络的架构,广电模式跟电信模式的区别一：,交互,：,广播(Broadcast)：只需要发射塔向电视机发射信号，不需要电视机向发射塔反馈信息。,假设现在在100MHz的频段上给某个电视台分25KHz的带宽（从100.000MHz-100.025MHz），那么只需要发射塔来占用这25KHz带宽发射就好了，一就是说一个城市只需要一个发射源，不会产生干扰。,30,2025/3/4 周二,4.1.1 构想二：参照广电网络的架构,广电模式跟电信模式的区别一：,交互,：,通信（Communication)：不仅发射塔要向用户终端发送信息，用户终端也要给发射塔发送信号。,假设现在只有一个用户终端要与发射塔交互信息，发射塔占用100.000MHz-100.025Mhz的带宽，用户终端需对应地找另外一个频段，比如说从50.000MHz到50.025MHz的 25KHz带宽来发射信号(称上行信号），如果第二个用户，第三个用户。,31,2025/3/4 周二,4.1.1 构想二：参照广电网络的架构,广电模式跟电信模式的区别二：,交互用户信息各不相同,：,广电：如果只有一个电视台，每个用户看到的台是一样的。当用户想看第二个电视台的时候，广电就增加一个,“,频道,”,，也就是说增加,“,100.025MHz到100.050MHz,”,的带宽，用于承载第二个电视台的信息,CCTV1-CCTV13。,电信：当出现第二个电信用户终端的时候，电信的发射塔也需要增加,“,100.025MHz到100.050MHz,”,的带宽，不同的是这个终端中户上行也需要分配相同多的带宽，如,“,从50.025MHz到50.050MHz,”,32,2025/3/4 周二,4.1.1 构想二：参照广电网络的架构,广电模式跟电信模式的区别二：,交互用户信息各不相同,：,当一个区域内的用户多增多时，3000个，30000个。显然，这个模式是不足以满足现代无线通信的需求的。,设计者,们想出了一个办法：降低发射塔的功率，缩小覆盖半径，这样可以让同一个频段在不同的空间内得到重复利用，称之为空分复用。,。,33,2025/3/4 周二,电台的梦想-点对点的无线通信,4.1,基站的困惑,点对多点的无线通信,4.2,4.3,大哥大-多点对多点的无线通信,4.4,相关技术介绍,34,2025/3/4 周二,4.2 基站的困惑-点到多点的无线通信,前面，我们已经获得了现在移动通信系统的雏形,在这一节里，我们主要讨论一个基站下手机的活动情况。,35,2025/3/4 周二,4.2 基站的困惑-点到多点的无线通信,对于现代移动通信系统的一大要求是,“,任何人,”,在,“,任何时间,”,都可以接入系统，这两个,“,任何,”,就意味着通信系统的容量必须要足够大。,提高系统容量的一个措施是,“,空分复用,”,，但仅仅依靠空分复用还是不够的。,基站建设成本高昂，,基站覆盖范围小，电磁传播的路径就要控制地越精确，从而避免基站直接的干扰，这在实际操作中实现非常难。,基站范围过小，基站数量太多，会造成太多的切换。,1、困惑之一：基站下不止一个手机,36,2025/3/4 周二,4.2 基站的困惑-点到多点的无线通信,如何提高系统容量，使更多的用户接入到系统，并且区分不同的用户，研究人员想了很多种方法。,多址,或者,复用,技术：,让手机工作在,不同频率,或者,不同时间上,，加以区分,1、困惑之一：基站下不止一个手机,37,2025/3/4 周二,4.2 基站的困惑-点到多点的无线通信,1、困惑之一：基站下不止一个手机,多址技术,FDMA：,将通信系统的,总带宽,划分为若干等间隔的信道，分配给不同的用户,。,比如说在GSM系统，每新增一个用户，就给这个用户分配200KHz的带宽。,38,2025/3/4 周二,4.2 基站的困惑-点到多点的无线通信,1、困惑之一：基站下不止一个手机,进行频分后的一个问题是频谱资源严重不够。假设一个运行商有15MHz的频带，在不考虑其他基站对本基站干扰的极端理想情况下，一个基站的最大容量也只75个。,于是，设计人员联想到晚会中的一个场景：有8个歌手同唱一首歌。而且是一人一句地来。,把它应用到通信中：舞台上的一首歌是资源，GSM的一个载波也是资源；把一首歌按时间进行切片，分成8分。一人一句来，就可以让8个人都有歌唱，同样的，把GSM的一个载波按时间进行切片，分成8个时隙，一人占用一个时隙，就让8个人都有电话打。,39,2025/3/4 周二,4.2 基站的困惑-点到多点的无线通信,1、困惑之一：基站下不止一个手机,多址技术,TDMA：,在一个宽带的无线载波上，把时间分成周期性的,帧,，每一帧再分割成若干,时隙,，,每个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户。,40,2025/3/4 周二,4.2 基站的困惑-点到多点的无线通信,1、困惑之一：基站下不止一个手机,41,2025/3/4 周二,4.2 基站的困惑-点到多点的无线通信,1、困惑之一：基站下不止一个手机,多址技术,CDMA：码分多址系统为每个用户分配了各自特定的地址码，利用公共信道来传输信息。,MS,N,MS,1,MS,2,1,c,2,c,1,C,2,C,N,c,N,C,MSC,BS,42,2025/3/4 周二,4.2 基站的困惑-点到多点的无线通信,移动通信的一个基本特征之一是用户终端的移动性。由于用户的移动性，使得无线环境在变化,远近效应。,远近效应：由于用户的随机移动性，发射机与接收机之间的距离也是在随机变化。若发射机发射信号功率一样，那么到达接收机时信号的强弱将不同，离接收机近者信号强，离接收机远者信号弱。,2、困惑之二：无线环境和手机远近在不断变化,43,2025/3/4 周二,4.2 基站的困惑-点到多点的无线通信,2、困惑之二：无线环境和手机远近在不断变化,解决远近效应的措施,功率控制,生活中的处理经验：打电话的时候，如果对方声音太小导致你听不清楚了，你会说,“,麻烦大声一点说话！,”,如果对方声音太大，震得你耳膜嗡嗡作响，你会要求,“,麻烦你小声一点，耳朵都快要震聋啦！,”,基站和手机的出来方式也基本一致，衡量的标准是SIR（信号和噪声的比值）。手机和基站之间会有自己的SIR标准，如果低于这个值，就会要求对方提高功率；如果高于这个值，就会要求对方降低功率。,44,2025/3/4 周二,4.2 基站的困惑-点到多点的无线通信,3、困惑之三：减少噪声，降低能耗,在功率控制中，如果SIR指标过好，也会通过功率控制来降低发射功率。这是由于在基站下不止一个手机，若不同用户的SIR过高，会,对别人的通话造成干扰与噪声,。,除了控制发射功率外，设计者们还想出了别的方法来降低系统的噪声，包括：,DTX：不连续发射技术,DRX：不连续接收技术,45,2025/3/4 周二,4.2 基站的困惑-点到多点的无线通信,3、困惑之三：减少噪声，降低能耗,DTX,一种在通话中的省电模式,当语音不激活时，发送端只发射很少信息,接收端产生舒适噪声,DRX,一种在待机时的省电模式,手机基于IMSI被分成不同的寻呼组,从网络来的寻呼信息会以预定的间隔发送,46,2025/3/4 周二,电台的梦想-点对点的无线通信,4.1,基站的困惑,点对多点的无线通信,4.2,4.3,大哥大-多点对多点的无线通信,4.4,相关技术介绍,47,2025/3/4 周二,4.3 大哥大-多点对多点的无线通信,在本节里，我们要讨论一个完整的移动通信网的全貌。概括地说，从点对多点的基站与手机的通信到多点对多点的移动通信网，有几个问题需要解决：,现在基站不止一个，手机怎样判断它现在位于哪个基站下？,我们实现的是,“,任何时间,”,、,“,任何地点,”,的通信，而手机的位置一直不停地变化，有电话找你的时候，怎样才能知道你在哪里？,在通话的过程中，你可能从一个基站的覆盖范围走到了另外一个基站的覆盖范围，怎样才能保持通话，不至于中断？,既然是一个成熟的商用系统，那么安全性显然非常重要，那怎样才能保证通话不被窃听？,48,2025/3/4 周二,4.3 大哥大-多点到多点的无线通信,1、困惑之一：手机不知道它在哪个基站下面,把手机扔到移动通信网里，手机是很懵懂的，它并不知道自己处在哪个基站的覆盖范围之下，手机上既没有装雷达，也没用一双慧眼，那么手机怎么找到基站呢？,49,2025/3/4 周二,4.3 大哥大-多点到多点的无线通信,1、困惑之一：手机不知道它在哪个基站下面,信令协议：,基站总是一刻不停的向外广播信息，以方便手机找到他,50,2025/3/4 周二,4.3 大哥大-多点到多点的无线通信,1、困惑之一：手机不知道它在哪个基站下面,GSM：不同的基站广播信息时所使用的频率不同，这样GSM必须扫描整个频段，按信号的强度从最强信号开始逐一检查，直至找到合适的广播信息。,51,2025/3/4 周二,4.3 大哥大-多点到多点的无线通信,1、困惑之一：手机不知道它在哪个基站下面,CDMA：基站固定使用一个频率广播信息，手机只要调谐到这个频率，就可以收到基站的指引信息，从而找到基站。,广播信息不仅能帮助手机找到和锁定基站，还能为手机提供大量的信息，因此我们希望广播之间不要互相干扰：,GSM：采用不同的频率进行广播，工作频率不同，自然不会产生干扰。,CDMA：采用固定的频率，但扰码不一样,52,2025/3/4 周二,4.3 大哥大-多点到多点的无线通信,2、困惑二：网络不知道手机的位置,对于固定通信而言，它知道自己的用户在哪里；而对于移动通信而言，手机始终处于移动状态，由于基站的覆盖范围有限，因此必然出现手机从一个基站的覆盖范围移动到另一个基站的覆盖范围。那么怎么找到手机呢？,53,2025/3/4 周二,4.3 大哥大-多点到多点的无线通信,2、困惑二：网络不知道手机的位置,“,寻人启事,”,效率低,54,2025/3/4 周二,4.3 大哥大-多点到多点的无线通信,2、困惑二：网络不知道手机的位置,位置更新,先是将一个城市的无线网络划分成若干个区，手机通过侦听广播信息得知自己的位置，如果自己位置改变，上报自己所在的位置。,位置寄存器：记录位置变更消息,55,2025/3/4 周二,4.3 大哥大-多点到多点的无线通信,2、困惑二：网络不知道手机的位置,位置更新,先是将一个城市的无线网络划分成若干个区，手机通过侦听广播信息得知自己的位置，如果自己位置改变，上报自己所在的位置。,位置寄存器：记录位置变更消息,56,2025/3/4 周二,4.3 大哥大-多点到多点的无线通信,3、困惑三：如何保证,“,移动,”,着打电话不会有中断,切换：,当,移动台从一个基站覆盖的小区进入到另一个基站覆盖的小区的情况下，为了保持通信的连续性，将移动台与当前基站之间的链路转移到移动台与新基站之间的链路,57,2025/3/4 周二,4.3 大哥大-多点到多点的无线通信,3、困惑三：如何保证,“,移动,”,着打电话不会有中断,切换的方式：,硬切换,：终端首先切断与原来基站的联系，然后再接入新的基站，在切换的过程中发生瞬时的中断,软切换,：终端和相邻的两个基站同时保持联系，当终端彻底进入某一个基站的覆盖区域后，才切断与另一个基站的联系，切换期间没有中断电话。,58,2025/3/4 周二,4.3 大哥大-多点到多点的无线通信,4、困惑四：安全性与盈利？这是个问题,作为成熟的商业系统，其成本投入是非常高的，因此必须考虑商业模式的问题。在这个商业通信系统里，要考虑的首要问题就是,如何鉴别接入系统是不是合法用户？,59,2025/3/4 周二,4.3 大哥大-多点到多点的无线通信,4、困惑四：安全性与盈利？这是个问题,口令方案一：用手机号或IMSI号作为口令,问题：,手机号或IMSI号都是公开的,60,2025/3/4 周二,4.3 大哥大-多点到多点的无线通信,4、困惑四：安全性与盈利？这是个问题,口令方案二：利用Ki（用户鉴权键，SIM卡内置）与一个固定值通过A3算法生成SERS值，进行鉴权,问题：,空中接口的信息可能被窃听,61,2025/3/4 周二,4.3 大哥大-多点到多点的无线通信,4、困惑四：安全性与盈利？这是个问题,口令方案三：由,随机值,生成SERS,62,2025/3/4 周二,4.3 大哥大-多点到多点的无线通信,4、困惑四：安全性与盈利？这是个问题,鉴权,作用,保护网络，防止非法盗用,保护用户，拒绝假冒合法用户的,“,入侵,”,原理,基于,GSM,系统定义的鉴权键,Ki,当客户在网络上注册登记时，会被分配一个,MSISDN,、一个,IMSI,及一个与,IMSI,对应的移动用户鉴权键,Ki,Ki,被分别存放在网络端的鉴权中心,AC,中和移动用户的,SIM,卡中,鉴权的过程就是在,VLR,中验证网络端和用户端的,Ki,是否相同,63,2025/3/4 周二,4.3 大哥大-多点到多点的无线通信,4、困惑四：安全性与盈利？这是个问题,VLR,BSC,BTS,RAND,SRES,Kc,鉴权三参数,比较,Kc,RAND,Ki,SIM,A3,A8,SRES,Kc,64,2025/3/4 周二,4.3 大哥大-多点到多点的无线通信,4、困惑四：安全性与盈利？这是个问题,鉴权,+,加密,65,2025/3/4 周二,小结,困惑一：手机怎么找到基站,基站广播信息,困惑二：网络怎么找到手机,位置更新,困惑三：如何保证在越区的时候不中断,切换,困惑四：安全性考量,鉴权+加密,4.3 大哥大-多点到多点的无线通信,66,2025/3/4 周二,电台的梦想-点对点的无线通信,4.1,基站的困惑,点对多点的无线通信,4.2,4.3,大哥大-多点对多点的无线通信,4.4,相关背景介绍,67,2025/3/4 周二,4.4 相关背景介绍,大哥大的起源,68,2025/3/4 周二,4.4 相关背景介绍,移动通信的出现,第一代无线通信技术的一大贡献就是去掉了将电话连接到网络的电话线，用户第一次能够在移动状态下无线接收和拨打电话。,69,2025/3/4 周二,4.4 相关背景介绍,问题：固定电话与移动通信有何区别？,接口不同,信道不同,70,2025/3/4 周二,4.4 相关背景介绍,模拟技术+频分多址,第一代模拟移动通信系统主要采用模拟和频分多址（FDMA）技术。,71,2025/3/4 周二,4.4 相关背景介绍,无敌砖头的商用情况,第一代移动通信的收费模式,商用之初,模拟移动通信制式分布,北美系统,英国,北欧（瑞典、挪威和丹麦）,72,2025/3/4 周二,4.4 相关背景介绍,我国的商用情况,摩托罗拉的大哥大机型,73,2025/3/4 周二,4.4 相关背景介绍,大哥大的不足,大哥大的不足,2001年我国模拟网关闭,大哥大的不足,