《移动通信系统原理》课件

移动通信系统原理探讨移动通信的基础理论与技术涵盖信号传输、频谱利用、移动性管理等关键,方面助力构建更高效、可靠的移动网络,绪论手机通信历史回顾移动通信的优势移动通信技术从模拟到数字化再到第三代和第四代经历了长足发与传统有线电话相比移动通信具有便携性强、覆盖范围广、使用,,,展从最初的大型车载电话到如今的智能手机移动通信产业引领灵活等优势极大地方便了人们的日常生活和工作,,了通信技术的革新移动通信系统发展历程模拟移动电话1G:年代第一代全数字蜂窝移动通信系统问世为移动通信迈出关键一步1980,AMPS,数字移动电话2G:年代第二代系统带来数字化技术大大提升了语音通信质量1990,GSM/CDMA,多媒体通信3G:世纪初第三代系统实现了语音、数据和视频的多媒体融合21,WCDMA/CDMA2000全网络4G:IP年代推出实现了全网络大幅提高了系统容量和速率2010,LTE/LTE-Advanced,IP,无线新时代5G:年代网络的推出开创了移动通信的新时代为万物互联提供了强大支撑2020,5G,移动通信系统基本组成蜂窝基站移动交换中心12移动通信系统的核心硬件组成负责管理移动通信网络中的信,负责为覆盖区域内用户提供无令和语音数据传输实现移动/,线接入用户的全天候服务数据库系统无线接入技术34包括位置数据库、用户数据库提供移动用户与网络之间的无等支持移动用户的位置跟踪、线连接如、、,,TDMA CDMA呼叫控制等功能等OFDMA移动通信系统基本工作原理频段分配1基于无线电频谱的合理分配和有效利用蜂窝结构2将覆盖区域划分为多个小型单元蜂窝频道复用3同一频段在不同单元蜂窝内重复使用移动性管理4对用户的位置和移动情况进行跟踪和控制信号传输5使用无线电波在用户终端和基站之间传输信号移动通信系统的基本工作原理包括合理分配无线电频谱资源、划分覆盖区域为多个单元蜂窝、在不同蜂窝内重复利用相同频段、跟踪和管理用户的移动情况、以及在用户终端和基站之间使用无线电波传输信号这些关键环节共同构成了移动通信系统的基本工作机制蜂窝移动通信网络结构基站覆盖区域系统总体架构频率复用技术蜂窝网络由许多覆盖一定地理区域的基站组蜂窝网络包括移动终端、基站、核心网等主蜂窝网络利用频率复用技术即在相邻小区,成每个基站形成一个单元格蜂窝手机在要部分其中基站负责与手机通信核心网使用不同频率可大幅提高频谱利用率手,,,移动过程中会在不同蜂窝间切换连接负责信令控制和业务管理各部分协同工作机在切换小区时也能保持连续通信构成完整的蜂窝网络单元蜂窝结构蜂窝移动通信系统以小型化的基站覆盖区域单元为基本单位构成网络单元基站间采用不同的频率信道相邻单元使用不同频道通,,过频率复用提高了系统容量基站间间隔适当可以实现单元间重复利用频率缩小单元覆盖范围,,从而大幅提高频谱利用率这种结构灵活性强便于系统扩容和优,,化频道复用技术时分复用将时间轴划分为多个时间片段每个用户占用不同的时间片进行通信,频分复用将频率带宽划分为多个子带每个用户占用不同的频带进行通信,码分复用每个用户使用独特的编码序列实现在同一时频区间的信号分离,频道复用的实现频谱分割1将总可用频谱划分为多个互不重叠的子频带，每个移动终端使用不同的子频带进行通信时分复用2将时间划分为多个时隙，每个时隙分配给不同的移动终端使用实现了对同一频道的时间复用码分复用3为每个移动终端分配不同的编码使用不同的编码在同一频率同,一时间进行通信实现码分复用,手机系统与频道分配频道划分动态分配移动通信系统会将可用频段划分手机用户在移动过程中会自动切为多个频道以实现对有限频谱资换到最佳的可用频道以确保通信,,源的高效利用质量和信号覆盖复用技术自适应调整采用时分、码分、频分等复用技系统会根据用户位置和流量需求术可以大幅提高频谱利用效率动态调整频道分配提高系统容量,,和灵活性移动通信信号传播信号传播模型多径传播地形干扰移动通信信号的传播过程可以用不同的数学由于信号在传播过程中会发生反射、折射和地形的高低起伏会对信号传播产生遮挡和散模型来描述包括自由空间模型、地形模型绕射等现象导致接收端收到来自多个方向射导致信号衰落这需要在规划基站覆盖,,,和阴影衰落模型等每种模型都有其适用的的信号称为多径传播这会造成信号衰落时充分考虑地形因素,,场景和相位干扰自由空间传播损耗自由空间传播损耗是指在无障碍环境下电磁波在空间的传播损失它主要取决,于传输距离和信号频率与障碍物和地形无关通过简单的数学模型可以较准确,地预测自由空间传播损耗12传距频率20dB100m损耗距离距离增加倍时自由空间传播损耗增加频率增加倍时损耗增加在1,6dB;1,6dB米自由空间传播时损耗约为100,20dB地形传播损耗移动通信信号在传播过程中会受到地形的影响产生地形传播损耗地形不同会,导致不同的传播损耗情况如平坦地区损耗较小而山区、丘陵地区损耗较大,,地形类型传播损耗特点平坦地区信号传播损耗相对较小山区、丘陵地区信号会受地形阻挡传播损耗较大,合理规划基站位置和天线高度可以最大限度降低地形造成的传播损耗提高移动,,通信系统的覆盖范围和信号质量阴影衰落阴影衰落是指由于建筑物、丘陵和其他地物遮挡导致无线信号的衰落这种衰落会严重影响移动通信系统的覆盖和服务质量设计者需要考虑阴影衰落的影响,采取如增加基站数量、调整天线倾斜角度等措施来弥补信号损失同时也要合理规划基站位置避免建筑物或地形遮挡,多径传播在移动通信系统中无线电信号在传播过程中会遇到各种障碍物导致发生反射、折射和散射等多种传播模式从而形成多径传播效应,,,多径传播会引起信号的衰落、延迟和相干干扰等问题严重影响移动通信系统的性能有效地处理多径传播效应是移动通信系统设计的关键,20ns30dB80%信号延迟信号衰落能量损失不同传播路径导致的信号时延差一般在纳秒在城市环境中多径传播可能导致以上的大部分信号能量会因为多径传播而丢失20,30dB以内信号衰落蜂窝移动通信系统访问技术技术TDMA CDMAOFDMA LTE时分多址技术将时间划分为多码分多址技术使用不同的扩频正交频分多址技术将频带划分系统采用作为下LTE OFDMA个时隙每个用户在自己的时码对用户进行区分实现多个为多个正交子载波利用子载行接入技术提高了频谱利用,,,,隙中进行通信实现多用户共用户在同一时间、同一频带内波的正交性实现多用户同时访率和系统容量,享同一频谱进行通信问原理TDMA时分复用1时间域内多用户共享同一频段分时段分配2每个用户分配专属时间片时间同步3用户发送数据需严格按分配时段是一种典型的多用户共享信道的技术它通过将时间域划分为多个时隙，每个用户被分配专属TDMA TimeDivision Multiple Access的时间片进行数据发送这要求系统进行严格的时间同步管理，确保各用户发送时不发生冲突具有简单、可靠、频谱利用率高等TDMA优点原理CDMA码分复用利用不同的扩频码对用户信号进行编码，实现了同时共享同一个频段CDMA信号扩频每个用户的信号会被扩展到更宽的频带，从而提高了抗干扰能力相关检测接收端利用相关检测技术从噪声中提取出目标用户的信号多址接入允许多个用户同时使用相同的频带资源，提高了频谱利用率CDMA原理OFDMA子载波分配1采用子载波分割技术，将总带宽分为多个正交子载波OFDMA动态分配2根据用户需求动态分配子载波资源，实现灵活的多用户接入抗多路径3子载波窄带特性可有效抵御多径干扰OFDMA高频谱效率4通过灵活的子载波分配，可实现高频谱利用率OFDMA是一种基于正交频分复用技术的多址接入方式它通过将总带宽划分为多个正交子OFDMA OrthogonalFrequency DivisionMultipleAccess载波，并动态分配这些子载波资源给不同用户，从而实现灵活高效的多用户并发接入具有良好的抗多径特性和高频谱利用率OFDMA蜂窝系统技术MIMO多输入多输出空间分集波束赋形技术利用多个天线发送和接收信号技术利用天线之间的空间分集特性技术可以通过波束赋形技术动态调MIMO,MIMO,MIMO,可以显著提高系统容量和覆盖范围可以克服多径衰落效应提高信号质量整天线波束提高空间利用效率,,蜂窝移动通信系统调度算法公平调度算法吞吐量最大化算法12旨在确保所有用户获得公平的以最大化系统整体吞吐量为目资源分配避免个别用户垄断资标采用水平填充、指数公平等,,源采用轮询、加权公平排队技术来调度用户等策略混合调度算法3结合公平性和吞吐量指标通过动态权重调整等方式实现用户服务质量和,系统效率的平衡公平调度算法按优先级调度时间分片调度根据用户的优先级进行资源分配在固定时间内轮流为不同用户分,确保重要用户得到更多资源配资源确保所有用户都能获得服,务公平性考虑公平调度算法应权衡各种性能指标如吞吐量、延迟、公平性等达到最佳平,,衡吞吐量最大化算法动态资源分配公平性兼顾快速迭代优化适用于复杂场景吞吐量最大化算法通过动态优算法在追求总体吞吐量最大化该算法采用复杂的优化方法吞吐量最大化算法能应对不同,化无线电资源分配来实现最大的同时也会考虑用户之间的如凸优化和动态规划等快速用户分布、信道条件和业务需,,化系统总吞吐量它会根据用公平性确保每个用户都能获迭代计算出最优的资源分配方求的复杂移动通信场景提供,,户的信道质量和流量需求实时得合理的服务质量案灵活可靠的调度策略调整每个用户的带宽和发射功率混合调度算法动态权重分配吞吐量与延迟平衡12融合公平性和吞吐量最大化的目标根据网络状况动态调整权在保证公平性的基础上兼顾最大化吞吐量和最小化时延,,重优先级区分处理自适应调控机制34针对不同业务性质采用优先级区分的策略满足差异化的根据网络负载动态调整调度算法参数实现自动优化和性能提,,,需求升QoS蜂窝系统基站规划与优化选址分析1评估地理条件、用户分布、覆盖范围等容量规划2预测用户需求、确定基站数量和配置频率分配3合理规划频道资源以优化网络性能性能优化4动态调整参数以提升覆盖和容量蜂窝系统的基站规划与优化是提高网络性能的关键包括选择合适的基站位置、根据用户需求合理规划基站容量、分配频道资源、以及持续优化系统参数这些步骤缺一不可确保蜂窝网络能够提供可靠、高效的移动通信服务,基站选址与覆盖分析基站选址优化动态波束成形室内外融合覆盖精准选址对于网络的可靠性和服务质量基站利用智能天线技术根据用户位置和网络需要室内外无缝连接通过室分系统5G5G,5G,至关重要考虑地形、人口密度、信号传播需求动态调整波束实现精准覆盖提高频谱和微蜂窝等技术确保各类环境都能获得高,,,等因素找到最佳位置以最大化覆盖范围和利用率和服务质量质量的连接体验,系统容量基站容量分析基站故障诊断与优化故障检测问题分析通过综合监测基站运行数据，及时识深入分析故障原因，找出影响基站性别异常情况并进行故障诊断能的关键因素优化调整性能提升制定优化方案，针对性地优化基站硬通过故障诊断和优化调整，显著提升件配置和参数设置基站的运行性能和可靠性移动通信系统演进与5G技术发展4G/LTE1从年代初期开始，技术经历了长期的演进和不断20104G/LTE完善，提供了更高的数据传输速率和更可靠的连接技术架构5G2系统基于全新的无线接口和网络架构，并融合了云计算、物5G联网等新兴技术，将带来全新的移动互联体验关键技术5G3主要采用毫米波、大规模、非正交多址等技术，提供5G MIMO更高的频谱效率和更广泛的覆盖系统演进4G/LTELTE Release81年引入了第四代移动通信标准提供高速的宽带数据传2008LTE,输LTE-Advanced Release102年标准升级为增强了频谱效率和网络容2011LTE-Advanced,量LTE-Advanced ProRelease133年发布的标准进一步提升了系统性能2015LTE-Advanced Pro和功能技术架构与特点5G高带宽低时延网络支持高达的峰值网络能够实现毫秒级的极致低5G10Gbps5G传输速率大幅提升了移动互联网时延满足各类移动应用的实时性,,体验需求海量连接高可靠性网络可同时连接数以百万计的网络采用先进的编码和调制技5G5G物联网设备支持各种智能应用场术提供可靠的通信服务适用于关,,,景键行业应用关键技术5G高频段使用更高频谱效率超密集网络网络切片技术技术采用高达的毫使用先进的、波束系统将部署大量小型蜂窝支持虚拟化和网络切片可5G28GHz5G MIMO5G5G,米波频段可以提供更宽的带成形等技术可以大幅提高频基站形成密集的蜂窝网络有根据不同应用需求灵活分配网,,,,宽和更快的传输速度这需要谱利用效率实现更多信号承效覆盖服务区域并提高容量络资源实现定制化服务,,突破大气吸收和信号衰减等技载能力术难题总结与展望通过对移动通信系统原理的全面介绍，我们对移动通信的发展历程、网络结构、关键技术等有了深入的了解未来随着等新一代移动通信技术的不断发展移,5G,动通信必将进入一个全新的时代。