《移动通信网络技术》课件

《移动通信网络技术》欢迎来到《移动通信网络技术》课程！本课程旨在全面介绍移动通信网络的基本原理、关键技术、发展历程以及未来趋势通过本课程的学习，你将掌握移动通信网络的核心知识，了解不同代际移动通信技术的特点和应用，为从事相关领域的研究和工作打下坚实的基础我们将从2G到5G，深入剖析每代移动通信技术的精髓，并探讨移动网络安全和未来的发展方向课程介绍本课程涵盖了移动通信网络的各个方面，从基础概念到高级技术，从理论知识到实际应用课程内容包括移动通信网络概述、发展历程、蜂窝网络基础、信号传播、多址接入技术、编码调制技术、频谱利用技术、移动电台技术、网络体系结构、2G/3G/4G/5G移动通信网络、移动安全技术以及未来发展趋势通过案例分析和实践操作，帮助学生深入理解和掌握所学知识理论学习案例分析实践操作深入理解移动通信网络的基本原理和关通过分析实际案例，了解移动通信网络通过模拟实验和实际操作，掌握移动通键技术，为后续的实践操作打下坚实的在不同场景下的应用和挑战信网络的设计、部署和优化方法基础移动通信网络概述移动通信网络是指通过无线电波在移动设备之间进行通信的网络系统它由移动电台、基站、移动交换中心等组成，实现语音、数据、图像等多媒体信息的传输移动通信网络的发展极大地改变了人们的通信方式，促进了社会经济的发展从最初的模拟通信到现在的数字通信，移动通信网络经历了巨大的变革无线电波基站12移动通信的基础，利用电磁移动通信网络的核心设备，波进行信息传输负责覆盖一定区域的无线信号移动交换中心3负责移动用户之间的呼叫连接和管理移动通信网络的发展历程移动通信网络的发展经历了从1G到5G的演进过程1G采用模拟技术，只能传输语音；2G采用数字技术，实现了语音和短信的传输；3G实现了高速数据传输，支持多媒体应用；4G实现了更高速度的数据传输，支持高清视频和在线游戏；5G则具有更高的带宽、更低的延迟和更大的连接数，支持物联网、人工智能等新兴应用1G1模拟技术，语音传输2G2数字技术，语音和短信3G3高速数据传输，多媒体应用4G4更高速度数据传输，高清视频和在线游戏5G5高带宽、低延迟、大连接数，物联网和人工智能蜂窝网络基础蜂窝网络是一种将服务区域划分为多个小区域（称为蜂窝）的移动通信网络每个蜂窝由一个基站覆盖，通过频率复用技术提高频谱利用率当移动设备从一个蜂窝移动到另一个蜂窝时，网络会自动进行切换，保证通信的连续性蜂窝网络具有覆盖范围广、容量大、频谱利用率高等优点小区划分基站覆盖频率复用切换将服务区域划分为多个小区每个小区由一个基站覆盖提高频谱利用率保证通信的连续性信号传播信号在无线信道中的传播受到多种因素的影响，包括自由空间传播、多径传播、阴影效应和衰落等自由空间传播是指信号在理想条件下的传播，多径传播是指信号通过多条路径到达接收端，阴影效应是指信号被建筑物或地形遮挡，衰落是指信号强度随时间变化了解信号传播特性对于移动通信网络的设计和优化至关重要自由空间传播信号在理想条件下的传播多径传播信号通过多条路径到达接收端阴影效应信号被建筑物或地形遮挡衰落信号强度随时间变化多址接入技术多址接入技术是指允许多个用户同时使用同一信道进行通信的技术常用的多址接入技术包括频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）和正交频分多址（OFDMA）等不同的多址接入技术具有不同的特点和适用场景，选择合适的多址接入技术可以提高频谱利用率和系统容量FDMA TDMA1频分多址时分多址2OFDMA4CDMA3正交频分多址码分多址编码调制技术编码调制技术是指将数字信号转换为模拟信号，以便在无线信道中传输的技术常用的编码调制技术包括幅度调制（ASK）、频率调制（FSK）、相位调制（PSK）和正交幅度调制（QAM）等不同的编码调制技术具有不同的频谱效率和抗干扰能力，选择合适的编码调制技术可以提高数据传输速率和可靠性ASK FSKPSK幅度调制频率调制相位调制QAM正交幅度调制频谱利用技术频谱是移动通信的重要资源，频谱利用技术是指提高频谱利用率的技术常用的频谱利用技术包括频率复用、动态频谱分配、认知无线电和频谱共享等频率复用是指在不同的小区使用相同的频率，动态频谱分配是指根据业务需求动态分配频谱，认知无线电是指设备可以感知周围的频谱环境并自适应地调整参数，频谱共享是指多个用户共享同一频谱资源频谱共享1认知无线电2动态频谱分配3频率复用4移动电台技术移动电台是指移动通信网络中的用户设备，包括手机、平板电脑、无线网卡等移动电台技术包括射频技术、基带技术、天线技术和电源管理技术等射频技术负责信号的发送和接收，基带技术负责信号的处理和编码解码，天线技术负责信号的辐射和接收，电源管理技术负责设备的供电和功耗控制射频技术基带技术天线技术电源管理技术信号的发送和接收信号的处理和编码解码信号的辐射和接收设备的供电和功耗控制移动通信网络体系结构移动通信网络体系结构是指移动通信网络的整体结构和组成部分通常包括无线接入网（RAN）和核心网（CN）无线接入网负责移动设备的接入和无线信号的传输，核心网负责移动用户的管理、呼叫连接和数据传输不同的移动通信网络具有不同的体系结构，例如2G的GSM、3G的UMTS、4G的LTE和5G的NR等核心网1CN无线接入网2RAN移动通信网络2G2G移动通信网络是第二代移动通信网络，采用数字技术，实现了语音和短信的传输2G网络的主要标准包括GSM、CDMA和TDMA等GSM是全球使用最广泛的2G标准，具有覆盖范围广、容量大、安全性高等优点2G网络的出现极大地推动了移动通信的发展，使手机成为人们日常生活中不可或缺的一部分数字技术语音和短信GSM123采用数字信号进行传输支持语音通话和短信服务全球使用最广泛的2G标准系统结构GSMGSM系统结构包括移动台（MS）、基站子系统（BSS）和网络子系统（NSS）移动台是用户的终端设备，基站子系统负责无线信号的覆盖和传输，网络子系统负责用户的管理和呼叫连接基站子系统又包括基站收发信机（BTS）和基站控制器（BSC），网络子系统包括移动交换中心（MSC）、归属位置寄存器（HLR）和拜访位置寄存器（VLR）等移动台MS基站子系统BSS网络子系统NSS系统信令GSMGSM系统信令是指GSM网络中用于控制和管理各种操作的信令协议包括移动管理信令、呼叫管理信令和补充业务信令等移动管理信令负责移动用户的注册、位置更新和鉴权等，呼叫管理信令负责呼叫的建立、维持和释放等，补充业务信令负责各种补充业务的管理，如呼叫转移、呼叫限制和来电显示等移动管理信令呼叫管理信令负责移动用户的注册、位置更负责呼叫的建立、维持和释放新和鉴权等等补充业务信令负责各种补充业务的管理系统频谱分配GSMGSM系统频谱分配是指GSM网络使用的频率范围GSM系统主要使用900MHz和1800MHz频段，部分地区也使用850MHz和1900MHz频段每个频段被划分为多个信道，每个信道用于传输语音或数据频谱分配的合理性直接影响到网络的容量和覆盖范围频谱资源的稀缺性使得频谱利用技术变得非常重要900MHz1800MHz850MHz1900MHz系统网络接口GSMGSM系统网络接口是指GSM网络与其他网络之间的连接接口包括A接口、Abis接口和Um接口等A接口是MSC与BSC之间的接口，用于传输控制信令和用户数据，Abis接口是BSC与BTS之间的接口，用于传输无线信号和控制信息，Um接口是移动台与基站之间的无线接口，用于传输语音和数据接口Abis2BSC与BTS之间的接口接口A1MSC与BSC之间的接口接口Um移动台与基站之间的无线接口3系统结构GPRSGPRS（通用分组无线服务）是一种在GSM网络上提供分组数据传输的业务GPRS系统结构包括移动台（MS）、基站子系统（BSS）、服务GPRS支持节点（SGSN）和网关GPRS支持节点（GGSN）SGSN负责移动用户的管理和数据路由，GGSN负责GPRS网络与外部数据网络的连接GPRS的引入使得移动用户可以高速访问互联网GGSN12SGSN3BSS4MS系统功能GPRSGPRS系统功能包括分组数据传输、移动性管理、会话管理和安全管理等分组数据传输是指将数据分成多个小包进行传输，移动性管理是指跟踪移动用户的位置信息，会话管理是指建立和维护用户与网络之间的连接，安全管理是指保护用户数据的安全和隐私GPRS的引入为移动互联网的发展奠定了基础分组数据传输移动性管理会话管理安全管理将数据分成多个小包进行传跟踪移动用户的位置信息建立和维护用户与网络之间保护用户数据的安全和隐私输的连接移动通信网络3G3G移动通信网络是第三代移动通信网络，实现了高速数据传输，支持多媒体应用3G网络的主要标准包括WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA等WCDMA是全球使用最广泛的3G标准，具有高速数据传输、语音质量高、支持多种业务等优点3G网络的出现使得手机可以流畅播放视频、进行视频通话和高速下载文件高速数据传输多媒体应用12实现更高的数据传输速率支持视频通话和流媒体播放WCDMA3全球使用最广泛的3G标准系统结构UMTSUMTS（通用移动通信系统）是WCDMA的正式名称，其系统结构包括用户设备（UE）、无线接入网（UTRAN）和核心网（CN）用户设备是用户的终端设备，无线接入网负责无线信号的覆盖和传输，核心网负责用户的管理和呼叫连接无线接入网包括Node B和无线网络控制器（RNC），核心网包括移动交换中心（MSC）和服务GPRS支持节点（SGSN）等用户设备UE无线接入网UTRAN核心网CN系统接入技术UMTSUMTS系统接入技术主要采用WCDMA（宽带码分多址）技术WCDMA是一种基于CDMA的多址接入技术，具有更高的频谱效率和抗干扰能力WCDMA采用宽带载波，可以提供更高的数据传输速率此外，UMTS还支持HSPA（高速分组接入）技术，进一步提高数据传输速率HSPA包括HSDPA（高速下行链路分组接入）和HSUPA（高速上行链路分组接入）WCDMA HSDPA宽带码分多址技术高速下行链路分组接入HSUPA高速上行链路分组接入系统频谱使用UMTSUMTS系统频谱使用主要集中在2100MHz频段，部分地区也使用900MHz和1700MHz频段UMTS系统采用频分双工（FDD）和时分双工（TDD）两种模式FDD模式是指上行链路和下行链路使用不同的频率，TDD模式是指上行链路和下行链路使用相同的频率，但在不同的时隙进行传输频谱资源的有效利用对于提高网络容量至关重要2100MHz FDDTDD频分双工时分双工系统主要功能UMTSUMTS系统主要功能包括语音通话、数据传输、视频通话和流媒体播放等UMTS系统支持高速数据传输，可以提供更好的用户体验此外，UMTS还支持多种增值业务，如移动支付、移动电视和移动游戏等UMTS的出现极大地丰富了移动通信的应用场景，促进了移动互联网的发展语音通话1数据传输24流媒体播放视频通话3系统概述LTELTE（长期演进）是4G移动通信网络的主流标准，旨在提供更高的数据传输速率和更低的延迟LTE系统采用OFDMA（正交频分多址）和MIMO（多输入多输出）等关键技术，可以实现更高频谱效率和系统容量LTE系统的出现使得手机可以流畅观看高清视频、进行在线游戏和使用各种高速数据应用更高速度1更低延迟23OFDMA4MIMO系统接入网络LTELTE系统接入网络主要由演进型基站（eNodeB）组成eNodeB负责无线信号的覆盖和传输，并直接与核心网连接eNodeB具有更高的集成度和更强的处理能力，可以支持更高的数据传输速率和更多的用户接入LTE系统的接入网络结构更加简化，降低了网络部署和维护的成本简化结构更高集成度eNodeB演进型基站，负责无线信号的覆盖和传降低网络部署和维护的成本具有更高的集成度和更强的处理能力输系统核心网络LTELTE系统核心网络主要由移动性管理实体（MME）、服务网关（S-GW）和分组数据网关（P-GW）组成MME负责移动用户的管理和会话控制，S-GW负责用户数据的路由和转发，P-GW负责LTE网络与外部数据网络的连接LTE系统的核心网络采用扁平化结构，提高了网络效率和灵活性1P-GW2S-GW3MME系统关键技术LTELTE系统关键技术包括OFDMA（正交频分多址）、MIMO（多输入多输出）、载波聚合和干扰协调等OFDMA是一种高效的多址接入技术，MIMO可以提高频谱效率和数据传输速率，载波聚合可以将多个载波聚合在一起，提供更大的带宽，干扰协调可以降低小区之间的干扰，提高网络性能OFDMA1正交频分多址MIMO2多输入多输出载波聚合3聚合多个载波干扰协调4降低小区之间的干扰系统演进方向LTELTE系统演进方向主要包括LTE-Advanced和LTE-Advanced ProLTE-Advanced在LTE的基础上进一步提高了数据传输速率和频谱效率，LTE-Advanced Pro则引入了更多的关键技术，如Massive MIMO、3D-MIMO和LAA（免授权频谱接入）等，为5G的到来奠定了基础LTE的持续演进使得移动通信网络能够满足不断增长的数据需求LTE-Advanced LTE-Advanced ProMassive MIMOLAA移动通信网络5G5G移动通信网络是第五代移动通信网络，具有更高的带宽、更低的延迟和更大的连接数5G网络旨在支持物联网、人工智能、自动驾驶和虚拟现实等新兴应用5G网络采用毫米波、Massive MIMO和网络切片等关键技术，可以实现更高的频谱效率和网络灵活性5G的到来将极大地改变人们的生活和工作方式高带宽1低延迟2大连接数3物联网4人工智能5关键技术5G5G关键技术包括毫米波、Massive MIMO、网络切片、波束赋形和边缘计算等毫米波是指频率在30GHz以上的电磁波，具有更高的带宽，Massive MIMO可以显著提高频谱效率，网络切片可以根据不同的业务需求创建不同的虚拟网络，波束赋形可以集中信号能量，提高信号覆盖范围，边缘计算可以将计算任务放在网络边缘，降低延迟毫米波网络切片边缘计算Massive MIMO高带宽提高频谱效率创建不同的虚拟网络降低延迟系统架构5G5G系统架构采用服务化架构（SBA），将网络功能分解为多个独立的服务，可以灵活地组合和部署5G系统架构包括用户设备（UE）、无线接入网（NG-RAN）和5G核心网（5GC）NG-RAN主要由下一代基站（gNodeB）组成，5GC包括接入和移动性管理功能（AMF）、会话管理功能（SMF）和用户面功能（UPF）等用户设备UE无线接入网NG-RAN核心网5G5GC网络接入技术5G5G网络接入技术主要采用新空口（NR）技术NR技术支持多种频段和带宽，可以灵活地适应不同的应用场景NR技术还支持波束赋形、Massive MIMO和网络切片等关键技术，可以实现更高的频谱效率和网络灵活性此外，5G网络还支持与LTE的互操作，保证了网络的平滑过渡新空口NR支持多种频段和带宽波束赋形集中信号能量Massive MIMO提高频谱效率网络切片灵活的网络配置系统功能特点5G5G系统功能特点包括高带宽、低延迟、大连接数、网络切片和移动边缘计算等高带宽可以支持高速数据传输，低延迟可以支持实时应用，大连接数可以支持海量物联网设备接入，网络切片可以根据不同的业务需求创建不同的虚拟网络，移动边缘计算可以将计算任务放在网络边缘，降低延迟低延迟2高带宽1大连接数35边缘计算4网络切片应用场景5G5G应用场景非常广泛，包括增强型移动宽带（eMBB）、海量机器类通信（mMTC）和超可靠低延迟通信（URLLC）等eMBB主要面向高速数据传输，如高清视频、虚拟现实和增强现实等，mMTC主要面向海量物联网设备接入，如智能家居、智能城市和智能农业等，URLLC主要面向低延迟和高可靠性要求的应用，如自动驾驶、工业自动化和远程医疗等5G的应用将渗透到各个领域，推动社会的数字化转型eMBB mMTCURLLC增强型移动宽带海量机器类通信超可靠低延迟通信移动安全技术移动安全技术是指保护移动通信网络和用户设备的安全的技术包括鉴权、加密、完整性保护和隐私保护等鉴权是指验证用户的身份，防止非法用户接入网络，加密是指对数据进行加密，防止数据被窃取，完整性保护是指防止数据被篡改，隐私保护是指保护用户的个人信息不被泄露随着移动互联网的普及，移动安全问题越来越受到重视鉴权验证用户身份加密保护数据安全完整性保护防止数据篡改隐私保护保护个人信息移动通信网络安全威胁移动通信网络面临多种安全威胁，包括恶意软件、钓鱼攻击、中间人攻击、拒绝服务攻击和信令攻击等恶意软件是指感染用户设备的病毒和木马程序，钓鱼攻击是指通过伪造的网站或邮件窃取用户的账号和密码，中间人攻击是指攻击者截获用户与服务器之间的通信数据，拒绝服务攻击是指攻击者通过大量的请求使服务器瘫痪，信令攻击是指攻击者利用信令协议的漏洞进行攻击了解安全威胁有助于采取有效的安全措施钓鱼攻击2恶意软件1中间人攻击35信令攻击4拒绝服务攻击移动网络安全解决方案移动网络安全解决方案包括防火墙、入侵检测系统、安全网关、终端安全软件和安全审计等防火墙可以阻止未经授权的访问，入侵检测系统可以检测网络中的恶意行为，安全网关可以过滤恶意流量，终端安全软件可以保护用户设备的安全，安全审计可以定期检查网络的安全性采取综合的安全解决方案可以提高网络的安全性安全审计1终端安全软件2安全网关3入侵检测系统4防火墙5移动通信网络发展趋势移动通信网络的发展趋势包括5G的全面部署、物联网的普及、人工智能的应用和网络切片的推广等5G的全面部署将带来更高的带宽和更低的延迟，物联网的普及将连接更多的设备，人工智能的应用将提高网络的智能化水平，网络切片的推广将实现更灵活的网络配置移动通信网络将朝着智能化、融合化和开放化的方向发展部署物联网普及人工智能应用网络切片推广5G总结与展望通过本课程的学习，我们全面了解了移动通信网络的基本原理、关键技术、发展历程和未来趋势从1G到5G，移动通信网络经历了巨大的变革，不断满足人们日益增长的通信需求未来，随着5G的全面部署和新兴技术的不断涌现，移动通信网络将迎来更加广阔的发展前景希望同学们能够将所学知识应用到实际工作中，为移动通信事业的发展做出贡献回顾总结展望123课程内容回顾移动通信网络的发展历程移动通信网络的未来趋势。