《移动通信网络原理》课件

《移动通信网络原理》欢迎进入《移动通信网络原理》课程本课程将带您深入了解移动通信的基本原理、网络架构和关键技术从最基础的概念到前沿的技术发展，我们将全面探索移动通信的世界在信息时代，移动通信已成为连接世界的关键纽带通过本课程，您将系统掌握从到的技术演进，理解蜂窝网络的工作原理，以及无线传播特性1G5G等核心知识这些知识将为您在通信领域的学习和工作打下坚实基础课程概述移动通信基础知识与发展历程了解移动通信的基本概念、定义以及从到的技术演进过程，掌1G5G握移动通信的发展脉络蜂窝通信系统原理与技术深入学习蜂窝网络的基本原理、频率复用、小区分裂等核心技术，理解移动通信网络的组织结构无线电波传播特性掌握电磁波传播机制、路径损耗模型、小尺度衰落等无线传播核心理论，为网络设计提供基础当代移动通信网络架构系统学习从到的网络架构，了解各功能实体的作用及相互关GSM5G系，把握通信网络的整体框架第一部分移动通信基础移动通信技术核心技术与应用移动通信系统网络架构与功能组成移动通信原理基础理论与核心概念在移动通信基础部分，我们将从最基本的概念和原理入手，逐步构建移动通信知识体系这一部分内容是整个课程的基础，将帮助大家理解移动通信的本质和工作机制我们首先介绍移动通信的定义和特点，然后探讨其发展历程，最后详细讲解移动通信系统的组成和工作方式通过这部分学习，您将对移动通信建立起清晰的整体认识移动通信的定义广义定义技术特征通信双方至少有一方处于运动状态采用电磁波作为信息载体的无线通或临时静止状态的通信形式这种信技术，通过空中接口传输语音、通信方式打破了传统固定通信的限数据等各类信息无线电波穿透空制，使人们可以随时随地进行信息间，实现了没有物理连接的通信交换狭义定义特指以蜂窝网络为基础的移动通信系统，如、、、GSM CDMA WCDMA LTE和等这类系统采用基站覆盖和小区划分的方式提供服务5G移动通信的核心是实现人与人、人与物、物与物之间的无线连接，突破空间限制，提供随时随地的通信服务随着技术发展，移动通信的概念不断扩展，从最初的简单语音通话发展到如今的高速数据传输和万物互联移动通信的发展历程第一代1G世纪年代兴起的模拟语音通信系统，如、2080AMPS TACS等采用频分多址技术，主要提供语音服务，质量较差且安全性低第二代2G年代出现的数字语音与短信系统，代表技术为和90GSM实现了语音数字化，引入加密技术，并首次提供短信CDMA第三代3G服务世纪初兴起的移动互联网服务系统，如、21WCDMA支持视频通话和移动上网，数据速率达到CDMA2000第四代4G2Mbps年代普及的高速数据传输系统，以技术为代表全2010LTE网络架构，下行速率可达，支持高清视频和移动IP100Mbps第五代5G互联网应用年代开始商用的万物互联时代系统特点是超高速率、2020超低时延和大连接，支持自动驾驶、智慧城市等创新应用场景移动通信系统组成基站子系统BSS网络子系统NSS包括基站收发台和基站控BTS制器，负责移动终端与网包含移动交换中心和多个BSC MSC移动终端和客户识别MS络之间的无线连接实现无数据库，如、等负责模块BTS HLR VLR线信号的收发，管理多个呼叫处理、路由选择、移动性管BSC运营支持系统OSS移动终端是用户使用的设备，如理等核心网络功能BTS手机、平板等客户识别模块提供网络管理、性能监控、计费（如卡）用于识别用户身份，等功能，是运营商进行网络运维SIM存储用户信息，实现用户与网络和业务支撑的平台包括网管中的安全连接心、计费系统等1移动通信工作方式单工通信半双工通信全双工通信信息只能单向传输，接收方不能向发送信息可双向传输，但任一时刻只能单向信息可以同时双向传输，双方可以同时方发送信息类似于广播电台，听众只传输，不能同时进行通信双方需要轮发送和接收信息，实现即时交流能接收信息而不能回复流使用信道优点通信效率高，用户体验好优点设备简单，成本低优点可实现双向通信，设备成本适中缺点技术复杂，设备成本高缺点不能进行双向交流，交互性差典型应用现代移动电话系统、互联网缺点通信效率较低，不能实现实时对典型应用无线广播、寻呼系统通信话典型应用对讲机、早期无线电通信系统双工通信技术频分双工时分双工FDD TDD上下行传输使用不同的频段，上下行传输在同一频段上进行通过频率隔离实现同时双向通时间复用，通过不同时间片实信上行链路和下行链路使用现双向通信上行和下行交替固定频段，中间有保护带隔离，使用同一频段，通过严格的时避免相互干扰间同步控制来避免干扰需要成对频谱资源，在只需要单一频段，频谱FDD TDD覆盖范围和抗干扰能力方面具利用效率高，可以根据业务需有优势，特别适合宏蜂窝覆盖求灵活调整上下行时隙比例，和话音业务场景适合数据业务不对称传输场景比较FDD vsTDD频谱效率需要成对频谱，频谱效率相对较低；使用单一频段进行时分复用，FDD TDD频谱利用率更高，特别是在上下行业务不对称情况下设备成本终端设备需要双工器等复杂器件，成本较高；设备结构相对简单，FDD TDD成本较低，但对系统同步要求更高覆盖性能上下行同时工作，覆盖范围大，适合广域覆盖；由于工作特性，FDD TDD覆盖范围相对较小，更适合热点区域和室内覆盖抗干扰能力上下行使用不同频段，抗干扰能力强；易形成同频干扰，特别是FDD TDD相邻小区间的干扰问题，需要精确的时间同步控制第二部分无线传播原理传播基础电磁波基本特性与传播规律传播机制反射、散射、绕射等现象路径损耗各种预测模型与应用小尺度衰落多径效应与多普勒效应无线传播原理是移动通信的物理基础，了解电磁波在不同环境中的传播特性对于移动通信系统设计至关重要在这一部分，我们将探讨电磁波传播的基本原理、各种传播机制、路径损耗模型以及小尺度衰落现象通过掌握这些知识，我们可以预测信号在传播过程中的衰减规律，评估通信质量，为移动通信网络规划和设计提供科学依据电磁波传播基本概念自由空间传播多径传播路径损耗理想状态下，电磁波在没实际环境中，电磁波通过电磁波从发射点到接收点有任何障碍物和反射面的多条路径到达接收端的现传播过程中的功率损耗空间中传播信号强度随象由于反射、散射和绕受距离、频率、天线高度距离平方成反比衰减，遵射等效应，信号通过不同和环境因素等影响实际循自由空间传播定律这路径到达接收机，造成接环境中的路径损耗通常远是最基本的传播模型，为收信号的幅度和相位波动大于自由空间损耗其他复杂模型提供基础信道特性无线信道的统计特性描述，包括大尺度衰落和小尺度衰落大尺度衰落描述信号随距离变化的平均衰减；小尺度衰落描述短距离内信号的快速波动非视距传播机制反射电磁波遇到尺寸远大于波长的平滑表面（如建筑物墙壁、地面、水面等）时发生的现象部分能量被反射回来，遵循反射定律入射角等于反射角反射会导致信号能量损失，并可能产生相位变化在城市环境中，建筑物反射是信号传播的主要途径之一散射电磁波遇到尺寸小于或接近波长的不规则障碍物（如树叶、小型标志物等）时，入射能量向各个方向不规则分散的现象散射使信号能量分散到各个方向，增加了覆盖范围，但同时也降低了信号强度在植被茂密区域，散射是信号传播的重要机制绕射电磁波遇到障碍物边缘时绕过障碍物继续传播的现象依据惠更斯原理，波前上的每一点都可视为次波源，产生球面次波绕射使信号能够到达障碍物后方的阴影区域，在山地地形和城市高楼之间的传播中尤为重要绕射效应随频率增加而减弱自由空间电磁波传播各向同性天线发射功率发射天线增益，接收天PT Gt线增益Gr各向同性天线是一种理想天线，向各个方向辐射功率相同实际天线增益表示相对于各向同性天中不存在完美的各向同性天线，线的功率密度增加程度增益与但它是分析电磁波传播的理论基天线的方向性和效率有关，单位准为分贝定向天线可将能量dB集中在特定方向，提高传输效率距离处接收功率计算d自由空间中，接收功率与发射功率、发射天线增益、接收天线增益PR PTGt及距离的关系为其中为波长，表明接Gr dPR=PT·Gt·Gr·λ/4πd²λ收功率与距离平方成反比自由空间传播模型是最基本的传播模型，虽然在实际环境中很少出现理想的自由空间条件，但该模型为理解电磁波传播的基本规律提供了重要基础在实际应用中，需要考虑地形、建筑物等因素对传播的影响移动通信路径损耗模型小尺度衰落衰落衰落多普勒效应与时延扩展Rayleigh Rician当接收信号由大量随机相位的散射波组当接收信号除了散射波外还有一个强直多普勒效应由于移动终端运动导致接成，且没有直射路径时，信号幅度服从射分量时，信号幅度服从分布收信号频率偏移多普勒频移Rician fd=分布这种情况常见于密集城这种情况常见于郊区和视距传播环境，其中为速度，为入射角，Rayleigh v·cosθ/λvθλ区和建筑物内部为波长衰落特点Rician衰落特点时延扩展多径分量到达时间的差异导Rayleigh信号波动相对较小•致信号展宽时延扩展会导致码间干扰，信号幅度波动范围大，最大可达•信号包络服从分布•Rician影响高速数据传输系统带宽与时延扩40dB因子表示直射波与散射波功率比展的乘积决定了衰落的类型（频率选择•K信号包络服从分布•Rayleigh性或平坦衰落）当时退化为衰落•K=0Rayleigh瞬时功率服从指数分布•相位均匀分布在之间•0-2π第三部分蜂窝网络原理小区设计频率复用蜂窝小区的基本结构与覆盖规划复用原理与间隔距离确定切换机制小区分裂4保障用户移动性的关键技术网络容量扩展技术蜂窝网络是现代移动通信系统的核心架构，通过将服务区划分为六边形小区，实现频率复用，大幅提高系统容量本部分将详细介绍蜂窝网络的基本概念、组织结构、频率复用原理以及容量扩展技术通过理解蜂窝网络原理，我们可以掌握移动通信系统的网络规划方法，平衡覆盖范围与系统容量，有效提高频谱利用效率蜂窝网络概念小区结构设计蜂窝网络将服务区域划分为规则的六边形小区六边形的选择是因为它最接近圆形，覆盖效率高且没有重叠或间隙每个小区由一个位于中心的基站提供覆盖，基站天线通常采用定向天线，将覆盖区域分为若干扇区小区结构设计需要考虑地形、建筑密度、用户分布和业务需求等因素在实际部署中，小区形状会因环境而变化，但理论模型依然采用规则六边形频率复用原理频率复用是蜂窝网络的核心技术，允许在空间上相隔足够远的小区重复使用相同频率，大幅提高频谱利用效率系统可用频率被分成组，每个小区使用其中一组，个小区N N构成一个簇频率复用距离必须足够大以控制同频干扰复用因子通常选择、、或，表示系统总频率被分成多少组复用因子越小，系统容量越大，但同频干扰也越严重N3479容量与覆盖平衡蜂窝网络设计需要平衡容量和覆盖需求增大小区尺寸可扩大覆盖范围，但会减少系统容量；缩小小区尺寸可增加容量，但会增加基站数量和切换频率在高流量区域可采用小型小区提高容量，在郊区可使用大型小区扩大覆盖现代移动网络通常采用分层覆盖结构，将宏蜂窝、微蜂窝和室内覆盖相结合，以优化网络性能组网方式比较小容量大区制大容量小区制基本特点采用少量高功率发射机，每个发射机覆盖范围大，形成大基本特点采用大量低功率发射机，将服务区域划分为众多小区，同型服务区域所有发射机共用相同的频率集，不进行频率复用一频率可在不同小区间复用这就是典型的蜂窝网络结构优势优势覆盖范围广，特别适合人口稀疏地区系统容量大，可支持高密度用户••基站数量少，初始投资成本低频谱利用效率高，频率可多次复用••网络结构简单，易于管理维护终端功率消耗低，电池寿命长••切换次数少，网络控制简单可根据需求灵活调整网络结构••系统可扩展性强，易于容量扩充•劣势劣势频谱效率低，系统容量有限•难以适应高密度用户区域基站数量多，初始投资成本高••终端功率消耗大，电池寿命短网络控制复杂，需要精确协调••切换频繁，控制信令开销大•大区制特点一个基站覆盖整个服务区大区制采用集中式覆盖方式，单个大功率发射机覆盖整个服务区域这种设计简单直接，适用于用户密度低且分布均匀的地区，如早期的移动通信系统和某些专用通信网络天线架设高，发射功率大为实现广域覆盖，基站天线通常架设在高处，发射功率可达数百瓦这样的配置可以穿透障碍物，覆盖较远距离，但也导致能源消耗大，对电磁环境影响显著频谱效率低，容量有限大区制中所有用户共享同一频率资源，不支持频率复用随着用户数量增加，系统容量很快达到上限，无法有效支持高密度用户区域的通信需求每增加一个频道只能增加一个用户控制方式简单，设备成本低由于网络结构简单，控制系统相对直接，不需要复杂的切换控制和干扰管理基站数量少，设备投资成本低，运行维护简便，特别适合初期网络建设和覆盖为主的应用场景小区制特点服务区划分为多个小区小功率发射机覆盖单个小频率可重复使用区小区制将整个服务区域划分为在空间上相隔足够远的小区可多个相对独立的小区，每个小每个小区使用低功率发射机，以使用相同频率，实现频率复区由一个基站覆盖这种分布仅覆盖有限区域这降低了终用这大大提高了频谱利用效式结构使系统容量大幅提高，端发射功率需求，延长了电池率，使有限频谱资源能够支持能够支持高密度用户区域的通寿命，减少了电磁辐射，同时更多用户复用因子可根据干信需求也使频率复用成为可能扰控制需求灵活调整系统总容量大幅提高通过频率复用和小区分裂，系统容量可以根据需求不断扩展在高流量区域可以部署更多小型小区，增加系统容量理论上，系统容量可以无限扩展，只受干扰和实际部署成本的限制蜂窝网络组织结构小区区群网络结构Cell Cluster小区是蜂窝网络的基本覆盖单元，理想状态下区群是共同使用全部可用频率的个小区的集完整的蜂窝网络由多个区群组成，同一区群模N呈六边形每个小区由位于中心的基站提供无合，称为复用因子在一个区群内，每个小式在整个覆盖区域重复出现相邻区群之间的N线覆盖，基站通常配备全向天线或定向天线形区使用不同的频率组，避免同频干扰整个网同频小区必须保持足够的距离以控制干扰成扇区络由多个区群重复构成在实际部署中，由于地形和建筑物的影响，小小区大小由发射功率、天线高度、地形和频率区群大小必须满足数学关系区形状会偏离理想的六边形网络规划需要通N N=i²+ij+等因素决定根据覆盖半径，小区可分为宏蜂，其中和为非负整数因此，的可能值为过实际测量和预测模型来确定最佳的小区位置j²i jN窝（半径公里）、微蜂窝（、、、、、、等实际网络中常和参数配置1-30100-1000134791213米）和微微蜂窝（米）用的复用因子为、和10-100347频率复用原理复用距离D=√3NR复用距离是指使用相同频率的两个小区中心之间的最小距离对于半径为的小区，R复用距离，其中为复用因子复用距离必须足够大以控制同频干扰D=R·√3N N在可接受范围内同频干扰控制同频干扰是影响蜂窝系统性能的主要因素载干比必须大于一定阈值才能保证C/I通信质量通过合理选择复用因子和小区半径，可以控制同频干扰在可接受范N R围内复用因子的确定方法N复用因子的选择是容量和质量的平衡越小，系统容量越大，但同频干扰也越N N严重；越大，通信质量越好，但系统容量越小根据业务需求和干扰容忍度确定N最佳值N频率规划实施实际频率规划需要考虑地形、建筑物分布、用户密度等因素通过计算机辅助规划工具，结合实测数据，优化频率分配方案，最大化系统性能小区分裂技术容量扩展方法小区分裂是蜂窝网络容量扩展的主要手段，通过将现有大小区分割为多个小型小区，在相同频谱资源下增加系统容量原理是利用较小的发射功率覆盖较小的区域，增加频率复用次数小区分裂可以针对性地解决热点区域容量不足问题，而不影响其他区域的覆盖在用户密度持续增长的区域，可以通过多次分裂不断提高容量分裂流程与实施小区分裂通常遵循以下流程首先识别流量热点区域；其次规划新的小区位置和频率配置；然后降低原有小区功率并安装新的基站；最后调整系统参数确保平滑过渡分裂过程中需要谨慎控制干扰，确保用户服务不中断通常采用逐步调整的方式，先建设新站点，然后逐步调整覆盖参数，直到达到预期的网络结构小区边界重配置小区分裂后，需要重新配置小区边界和邻区关系通过调整天线方向、下倾角和发射功率，精确控制每个小区的覆盖范围同时更新切换参数，确保用户在小区间移动时能够顺利切换边界重配置是一个精细的优化过程，需要结合实际测量数据进行多次调整现代网络规划工具和自优化功能可以辅助完成这一过程，提高配置效率和精确度第四部分系统架构GSM操作子系统OSS网络管理与监控网络子系统NSS交换与用户数据管理基站子系统BSS无线接入与资源管理移动台MS用户终端设备是第二代数字蜂窝移动通信系统的代表，奠定了现代移动通信网络的基础架构系统采用层次化GSMGlobal Systemfor MobileCommunications GSM的网络结构，由移动台、基站子系统、网络子系统和操作子系统组成这种分层架构使网络功能模块化，各部分相对独立又紧密协作，为后续、网络演进提供了基础框架了解架构有助于理解现代移动通信网络的基本3G4G GSM组织原则网络架构GSM移动台基站子系统MS BSS用户使用的终端设备，包含卡和移动设1包括和，负责无线接入和资源管理，SIM BTS BSC备，负责与网络的无线连接2连接MS和NSS操作子系统网络子系统OSS NSS管理网络运行，提供网络监控、配置和维护包括、、等，负责呼叫处理、MSC HLR VLR功能用户认证和移动性管理网络架构采用模块化设计，各子系统通过标准化接口连接空中接口连接和；接口连接和；接口连接和GSM UmMS BTSAbis BTS BSC ABSC这种标准化接口设计为多厂商设备互通提供了保障MSC系统分离了无线接入网和核心网，为后续网络演进奠定了基础、、网络都沿用了这种分离架构，但各部分内部实现有GSM BSSNSS3G4G5G较大变化移动台组成MS移动设备卡功能SIM移动设备是用户使用的通信硬件，包括射频单用户身份识别模块是一种智能卡，存储移动台的主要功能包括无线接入网络、提供人SIM元、基带处理单元、电源管理系统、显示屏、用户身份信息、认证密钥和个人数据卡机界面、执行信号处理、管理移动性等SIM MS键盘触摸屏等人机交互组件移动设备负责包含国际移动用户识别码、认证密钥、在空闲状态下监听系统信息并进行小区选择和/IMSI Ki信号发送与接收、语音和数据处理、音频输入用户电话号码、短信和通讯录等信息重选；在通话状态下执行功率控制、切换测量输出等功能和数据传输每个移动设备具有唯一的国际移动设备识别码卡采用可插拔设计，使用户可以更换终端现代智能手机还集成了多种额外功能，如高清SIM，用于网络识别和安全管理设备而保持相同的身份和服务卡还提供摄像、定位、多种无线连接、蓝IMEI SIMGPS Wi-Fi码保护功能，防止未授权使用牙、各类应用程序等，大大扩展了移动台的PIN功能范围基站子系统BSS基站收发台基站控制器无线资源管理与分配BTS BSC基站收发台是直接与移动台通信的设备，基站控制器是的核心，管理多个负责管理和分配无线资源，包括BSS BSS负责空中接口的实现每个通常包的资源和操作是无线网络的BTS BTS BSC信道分配和释放•含多个收发信机，覆盖一个或多个小区第一级控制设备，连接和BTS MSC功率控制•的主要硬件组件包括BSC信号质量监测•的主要硬件组件包括BTS中央处理单元执行控制算法切换控制和执行••收发信机收发无线信号•TRX交换矩阵连接不同和线路无线链路故障处理•BTS•合路器分路器连接多个到天•/TRX转码器语音编码格式转换负载均衡•TRAU•线操作维护单元监控和管理功能无线干扰管理••天线系统辐射和接收无线信号•时钟同步单元提供系统同步•通过空中接口与移动台通信，基带处理单元信号调制解调和编码BSS Um•通过接口与核心网通信，是连接A MSC传输设备连接到•BSC用户和核心网的关键桥梁基站收发台功能BTS提供无线传输信号编码解码加密解密通过天线系统发送和接收无线负责空中接口上的信道编码和为保障通信安全，执行空中接BTS BTS BTS信号，实现移动台与网络的连接解码，包括语音和数据业务的编码口的加密和解密操作它根据认证它执行射频信号的调制解调、功率处理它执行前向纠错编码、交织中心提供的密钥，对用户数据进行放大和滤波等处理，确保信号质量和调制等处理，提高传输可靠性加密处理，防止未授权截获同时，还根据指令动态调整发射对于上行信号，进行解调、解对接收到的加密信号进行解密，BTS BSCBTS BTS功率，优化覆盖和干扰交织和解码，恢复原始信息恢复明文信息频率跳变信号强度测量实现频率跳变功能，使通信信号在不同频点间快速切持续测量上行信号的强度和质量参数，包括接收信号BTSBTS换这种技术有效对抗频率选择性衰落和干扰，提高通信强度、比特错误率等这些测量结果上报给RSSI BER质量根据预定跳频序列执行跳变，使相邻小区干扰，用于功率控制和切换决策还监测干扰水平，BTSBSCBTS分散化支持网络优化和故障诊断基站控制器功能BSC无线资源管理功率控制信道分配与切换控制负责管理辖区内所有小区的无线资源，包基于上报的测量结果指挥移动台和负责分配和管理通信信道，包括业务信道BSC BSCBTSBSC括频率规划、时隙分配和空闲信道管理它维调整发射功率上行功率控制通过向发和控制信道对于呼叫请求，选择合适的BTS MSBSC护资源使用状态数据库，根据业务需求动态分送功率调整命令实现；下行功率控制通过控制信道并指示激活在语音和数据业务间，BTS配和回收资源发射功率实现根据需求进行差异化分配BTSBSCQoS还执行信道激活和释放，确保资源高效利精确的功率控制有多重好处延长终端电池寿也是小区内和相邻间切换的控制中心BSC BSCBSC用对于突发流量，可临时调整资源分配命，减少同频干扰，增加系统容量，并确保通它收集和分析测量报告，确定切换需求，选择BSC策略，保障关键业务优先接入信质量通常采用闭环控制算法，根据实目标小区，并协调切换执行，确保用户移动过BSC时信号质量调整功率程中通信不中断网络子系统NSS功能MSC/VLR呼叫处理与路由移动性管理用户位置更新与其他网络互联控制呼叫建立、维持和释放过协调用户在网络中的移动性，存储当前位于服务区内的提供与固定电话网、MSC MSCVLR MSC MSC PSTN程对移动终端发起的呼叫，处理位置更新和切换过程当用户访问用户信息，包括临时移动用户综合业务数字网和其他移动MSC ISDN提供连接到目标网络；对移动终端在覆盖区内移动时，执行位置标识、位置区信息和服务状网络的互联功能它进行信令协议MSC TMSI接收的呼叫，协调寻呼和呼叫更新；当用户在通话中移动到新小态当用户进入新的位置区时，转换，处理不同网络间的呼叫路由，MSC建立还支持呼叫转移、呼叫区时，控制切换过程，保持通执行位置更新程序，从确保跨网络通信的无缝衔接MSCMSCMSC/VLR等待等补充业务信连续性获取用户资料，并通知用HLR HLR户的新位置功能HLR/AUC用户信息永久存储是网络中用户信息的主数据库，为每个本地用户维护永久性记录存储内容包括国际移HLR动用户识别码、电话号码、服务权限、漫游限制和补充业务状态等IMSI MSISDNHLR还记录用户当前位置，即当前服务的地址MSC/VLR用户鉴权与安全通常与集成，负责网络安全功能它存储用户认证密钥，生成认证参数、AUC HLRKi RAND、当用户尝试接入网络时，提供这些参数用于身份验证和会话加密，防止非SRES KcAUC授权接入和通信窃听位置记录与更新维护用户的最新位置信息，记录用户当前所在的当用户移动到新区域并进HLR MSC/VLR行位置更新时，更新位置记录并向新发送用户资料同时通知原删除用户HLRVLRHLRVLR记录，确保位置信息的一致性和准确性服务配置管理存储和管理用户的服务配置，包括基本业务和增值业务运营商可通过实时修改用HLR HLR户权限，如开通国际漫游、添加数据套餐或激活呼叫转移等功能这些修改立即生效，无需用户干预或设备更改功能EIR登记移动终端设备信息设备黑名单管理防止非法终端接入设备识别寄存器是一个专门的数据库，维护三种设备列表，用于控制网络接在网络安全中扮演重要角色，主要提EIR EIR EIR存储移动终端设备的身份信息每台移动入供以下防护功能设备在生产时被分配一个唯一的国际移动白名单已注册并允许正常使用的设备阻止被盗设备使用，降低盗窃诱因

1.•设备识别码，记录这些码IMEI EIRIMEI识别和阻止未经认证的设备接入及其状态信息•灰名单需要监控的设备，允许接入但

2.防止改装或克隆设备接入网络•数据库结构包括EIR会记录活动支持跨网络、跨国家的设备黑名单共享•黑名单禁止接入网络的设备，如被盗设备型号和生产厂商信息

3.•或有安全风险的设备与设备类型对应关系协助执法部门追踪被盗设备•IMEI•设备状态标记正常监视禁用当终端尝试接入网络时，可向查•//MSC EIR系统通常具备与其他运营商数据库EIREIR询状态如果在黑名单中，网络状态变更历史和原因IMEI IMEI•同步的能力，形成中央设备身份库，CEIR可拒绝其接入请求；如在灰名单中，网络实现更广范围的设备管控允许接入但记录其活动情况，便于后续调查操作子系统OSS操作子系统是网络的管理中心，提供网络监控、配置、维护和优化功能通过操作维护中心实现对网络各部分OSS GSMOSS OMC的远程管理，减少现场维护需求的主要职责包括网络管理与监控、性能统计与分析、故障检测与维护网络管理员通过的图形界面监控网络状态，查看告警OSS OSS信息，执行配置修改，分析性能趋势现代还集成了人工智能技术，实现故障预测和自动优化，提高网络可靠性和运行效率OSS第五部分移动通信技术演进11G模拟语音系统，如、AMPS TACS22G数字语音系统，如、GSM CDMA IS-9533G移动互联网，如、WCDMA CDMA200044G高速数据，和LTE LTE-Advanced55G万物互联，技术5G NR移动通信技术经历了从到的快速演进，每一代技术都带来性能的显著提升和应用场景的拓展从最初的模拟语音通信，到如今支持高清视频、虚拟现实和物联网的系统，1G5G5G移动通信已成为现代社会的基础设施这部分内容将深入探讨各代移动通信技术的特点、核心技术和演进路线，帮助理解移动通信技术发展的内在逻辑和未来趋势技术特点2G时分多址GSM TDMA系统采用时分多址技术，将一个频道在时间上分为个时隙，每个用户占用一个时隙使用和频段，采用频分双工方式GSM8GSM900MHz1800MHz FDD引入了卡技术，实现了用户身份与终端设备的分离系统还采用加密技术保障通信安全，并首次引入了短信服务，极大丰富了移动通信的应用GSM SIM码分多址CDMA IS-95系统采用码分多址技术，用户共享相同频率资源，通过唯一的扩频码区分系统具有抗干扰能力强、容量大、软切换等优势CDMAIS-95CDMA标准由高通公司开发，主要在北美和亚洲部分国家部署技术为系统奠定了基础，其扩频技术和功率控制方法被广泛采用IS-95CDMA3G主要业务语音和短信系统主要提供语音通话和短信业务语音通话采用数字编码，相比有更好的通话质量和安全性数据业务速率非常有限，仅支持的电路交换数据服务2G1G

9.6Kbps短信服务是系统的标志性业务，由于其低成本和方便性，迅速成为全球流行的通信方式系统还支持传真和基本的移动办公应用，但真正的移动互联网体验要等SMS2G2G到后续演进增强技术

2.5G基础2G1数字语音和短信服务GPRS分组数据传输EDGE增强型数据传输技术是从向过渡的中间技术，主要引入了分组交换数据传输能力通用分组无线服务是最早的技术，通过在现有

2.5G2G3G GPRS

2.5G网络上增加核心网设备和，实现数据包传输提供了最高的理论速率，实际速率通常在GSM GPRSSGSN GGSNIP GPRS

171.2Kbps30-，基本满足电子邮件和简单网页浏览需求50Kbps增强型数据速率演进进一步提升了数据传输能力，通过采用更高效的调制技术，将理论速率提升至仅EDGE GSM8PSK384Kbps EDGE需更换中的收发模块，是一种低成本的升级方案这些技术为用户提供了始终在线的移动数据体验，奠定了移动互联网的基础BTS

2.5G技术标准3G欧洲标准美国标准WCDMA CDMA2000宽带码分多址是由组是由组织制定的WCDMA3GPP CDMA20003GPP2织制定的标准，也称为采用标准，是的演进采用3G UMTS3G IS-95带宽的直接序列扩频技术，向下带宽的多载波技术，包括5MHz

1.25MHz兼容网络在全、等版本该标准主要GSM/GPRS WCDMA121xRTT EV-DO球得到最广泛部署，在欧洲、亚洲和部在北美和部分亚太地区部署，特点是语分美洲国家主导市场音容量高、覆盖范围大主要特性中国标准3G TD-SCDMA系统最高数据速率达室内低时分同步码分多址是中3G2Mbps TD-SCDMA速移动，支持视频通话、移动互联网、国主导开发的标准采用时分双工方433G多媒体消息等新业务引入了全球漫式，频谱利用率高，上下行资源可灵活3G游、保障和更高安全性，推动了智分配主要在中国部署，QoS TD-SCDMA能手机和移动应用的爆发式增长成为中国自主通信技术发展的重要里程碑技术4G LTE正交频分多址OFDMA采用作为下行多址技术，将频带分为多个正交子载波，用户可以使用不同子载波传输数据具有频谱效率LTE OFDMAOFDMA高、抗多径衰落能力强、支持灵活频谱分配等优势上行链路采用单载波频分多址技术，相比具有更低的功率需求，有利于延长终端电池寿命SC-FDMAOFDMA多天线技术MIMO多输入多输出技术是的关键技术之一，通过使用多个发射和接收天线，形成多条独立信道同时传输数据MIMOLTE技术可实现空间复用和发送分集，显著提高数据传输速率和可靠性支持、等多种配置，MIMO LTE2x24x4MIMO LTE-进一步引入了和协作技术Advanced8x8MIMO MIMO全网络架构IP采用扁平化的全网络架构，简化了网络结构，减少了数据传输延迟核心网演进为分组核心网，包括、LTE IPEPC MMES-、等功能实体GW P-GW全架构使能够无缝集成互联网服务，提供更高效的数据传输，同时为运营商降低了网络运营成本IP LTE性能参数下行峰值速率可达带宽，上行可达进一步提升性能，下行速率可达LTE100Mbps20MHz50Mbps LTE-Advanced1Gbps系统的无线时延低至，支持高达的移动速度，频谱效率是系统的倍这些性能参数使能够支LTE10ms350km/h3G3-4LTE持高清视频流、在线游戏等高速数据应用技术5G NR毫米波通信网络切片Massive MIMO引入毫米波频段采用大规模多输入多输出技术，网络切片是的核心能力，通过5G NR5G5G，提供大量基站可配置数十甚至上百个天线软件定义网络和网络功能虚拟化24GHz-100GHz未使用频谱资源毫米波具有波单元通过波束赋形技术，形成技术，在同一物理网络上创建多长短、带宽大的特点，可支持超定向窄波束，增强信号强度，降个虚拟网络每个切片可独立配高速数据传输但传播损耗大、低干扰显著提置，满足不同业务场景的需求，Massive MIMO穿透能力弱，需要大规模天线阵高频谱效率，是高性能的关键如增强型移动宽带、超可靠低时5G列和波束赋形技术解决覆盖问题技术之一延通信和大规模物联网超低时延高可靠通信设计了全新的帧结构和调5G NR度机制，支持以下的无线时1ms延和的可靠性这种

99.999%能力使能够支持自动URLLC5G驾驶、工业控制、远程医疗等关键任务应用，开创移动通信的全新应用领域第六部分移动网络关键技术服务层技术网络安全、服务质量保障网络层技术移动性管理、切换技术接入层技术多址技术、无线资源管理移动网络关键技术是移动通信系统高效运行的核心支撑在接入层，多址接入技术决定了系统如何在多用户间共享有限的无线资源；无线资源管理技术确保系统资源高效分配，最大化网络性能在网络层，移动性管理和切换技术保障用户在移动过程中保持连接，实现随时随地的通信体验；在服务层，网络安全技术保护用户信息和网络安全，保障通信隐私这些关键技术共同构成了现代移动通信系统的技术基础多址接入技术频分多址时分多址码分多址正交频分多址FDMA TDMA CDMA OFDMA频分多址将可用频谱分成多个频道，时分多址在时间上将一个频道分为码分多址允许多个用户同时在同一将频带分为多个正交子载OFDMA每个用户占用一个频道是多个时隙，不同用户使用不同时隙频段传输，通过唯一的扩频码区分波，可灵活分配给不同用户具有FDMA系统采用的多址技术，具有实现传输系统采用技术，用户具有抗干扰能力强、频谱效率高、抗多径衰落能力强、1G GSMTDMACDMA简单、稳定可靠的特点每个频道分为个时隙容量大、安全性高等优势支持频域调度等优势8的缺点是频谱利用率低，难增加了系统容量，灵活性好，是系统的主要多址技术，和下行链路采用FDMA TDMACDMA3G4G LTE5G NR以应对突发流量，不适合数据业务但要求严格的时间同步，并存在时但面临近远效应问题，需要精确的技术其缺点是峰均比高，OFDMA每个用户占用固定频道，导致系统隙效应，即用户只能在分配的时隙功率控制接收机复杂度高，系统对功放线性度要求高，且对频偏和容量有限在现代系统中，中发送数据，造成突发业务体验不同步要求严格，但支持软切换，提相位噪声敏感，需要精确同步FDMA主要作为其他多址技术的补充使用佳高了移动性能移动性管理位置登记与更新寻呼与寻址记录和维护用户当前位置信息的过程在呼叫到达时查找和联系移动用户漫游管理切换技术4Handover实现不同网络间用户无缝访问保持移动过程中通信连续性的关键技术移动性管理是移动通信系统最基本的功能之一，它解决了如何找到移动用户和如何保持移动过程中的通信连续性两个核心问题位置管理采用分层策略，将覆盖区域划分为多个位置区，用户在位置区内移动无需更新位置，只有跨区移动才触发位置更新，平衡了信令开销和寻呼延迟当呼叫到达时，网络首先在用户最后登记的位置区内寻呼用户切换技术确保用户在通话过程中从一个小区移动到另一个小区时保持连接漫游管理则实现了用户在不同运营商网络间的移动性，为用户提供无边界的通信体验切换技术详解硬切换先断后连软切换先连后断切换决策算法硬切换是先断开旧连接，再建立新连接的切换软切换是先建立新连接，再断开旧连接的切换切换决策是确定何时、向何处切换的过程，主要方式，存在短暂的通信中断，也称为断后连切方式，用户同时与多个基站保持连接，也称为宏基于以下指标换分集接收信号强度•RSSI/RSRP硬切换特点软切换特点信号质量•SINR/RSRQ•实现简单，资源占用少•无通信中断，切换更平滑•距离测量定时提前量误码率误块率适用于系统，如和主要用于系统，如•/•FDD GSMLTE•CDMAWCDMA负载均衡因素存在短暂通信中断信号质量更好，抗衰落能力强••50-100ms••容易出现乒乓效应•需要更多网络资源•移动性状态速度估计增加了网络复杂度•常用的切换算法包括硬切换过程通常包括测量报告收集、切换决策、资源预留、切换命令发送、新连接建立、旧连接软切换过程中，终端与多个基站保持活动集，最佳服务小区选择选择信号最强的小区•释放等步骤根据信号强度动态调整活动集成员通信数据由阈值算法当信号低于阈值触发切换•多个基站接收，通过最大比合并提高接收质量迟滞算法加入迟滞余量防止乒乓切换•速度自适应算法根据终端速度调整切换参•数无线资源管理功率控制技术功率控制是调整终端和基站发射功率的技术，目的是保持通信质量，同时最小化功率消耗和干扰闭环功率控制基于接收信号质量反馈，快速调整发射功率；开环功率控制根据下行信号强度估计上行路径损耗，设置初始发射功率信道分配策略信道分配决定如何将有限的无线资源分配给用户固定信道分配预先为每个小区分配固定频道集；动态信道分配根据实时需求动态分配信道，提高资源利用率；混合信道分配FCA DCA结合两者优点，部分固定分配，部分动态分配HCA负载均衡机制负载均衡旨在平衡网络各部分负载，避免热点拥塞技术手段包括调整小区覆盖范围通过改变天线下倾角或功率，修改小区重选和切换参数偏好低负载小区，实施接入控制限制过载小区接入新用户，以及流量分流如数据业务分流到Wi-Fi调度与保障QoS调度决定多用户资源分配顺序和比例，保证服务质量常用调度算法包括轮询调度公平性好，最大调度吞吐量高，比例公平调度平衡吞吐量和公平性保障通过业务分类、C/IQoS资源预留、准入控制和优先级排队等机制实现网络安全技术身份认证身份认证验证通信双方身份，防止伪装接入移动网络采用基于密钥的挑战响应机制，网络向终端发-送随机挑战，终端使用存储的密钥计算响应认证和密钥协商算法在、RAND KiSRES AKA3G、中得到持续增强，引入了家庭网络控制认证和服务网络参与认证4G5G5G信息加密加密保护通信内容不被未授权方获取采用算法加密空中接口；使用算法GSM A53G KASUMI；采用雪花算法和；进一步增强加密强度加密范围从最初仅覆盖空f8/f94G SNOW3G AES5G中接口扩展到核心网，实现端到端加密，有效防止中间人攻击和数据窃听5G完整性保护完整性保护确保信息传输过程不被篡改首次引入完整性保护功能，使用算法生成消息认证码3G f9和继续增强此功能，扩大保护范围，使用更强算法完整性保护主要用于信令消息，MAC4G5G防止伪基站攻击；还将保护范围扩展到用户面数据，全面提升安全性5G访问控制访问控制管理网络资源的使用权限包括卡码保护、设备识别检查、用户身份保密采用SIM PINEIR临时身份代替永久身份、网络访问控制基于用户订阅信息等引入网络切片访问控制，TMSI IMSI5G根据用户权限控制对不同网络切片的访问，实现细粒度安全隔离第七部分未来发展趋势移动通信技术持续快速发展，未来趋势主要集中在三个方面首先是技术演进，从向跨越，通信性能将获得数量级提升，并与5G6G人工智能、边缘计算深度融合；其次是应用拓展，移动通信从人与人通信扩展到万物互联，支持智慧城市、自动驾驶、工业互联网等创新场景；最后是生态融合，通信网络与计算、存储、感知等能力深度融合，形成支撑数字经济的基础设施未来移动通信网络将不仅是连接的平台，更是智能的载体，推动产业数字化转型和社会智能化发展、太赫兹通信、集成感知与通6G信等前沿技术值得密切关注和深入研究愿景与技术6G1Tbps峰值速率较提升倍5G

1000.1ms传输时延较降低倍5G10100接入密度每平方米设备数量台1000频谱效率较提升倍5G10bps/Hz通信技术预计在年左右商用，将在极高速率、超低时延、全域覆盖和超高可靠性等方面实现突破核心技术包括太赫兹通信、轨道角动量复用、6G20306G全息无线通信等太赫兹波段提供充足带宽，但面临严重衰减，需要突破材料和器件技术

0.1-10THz人工智能将与深度融合，实现网络自治、智能决策和自优化集成感知与通信技术使网络同时完成通信和环境感知功能，支持高精度定位和成像全息通6G信和数字孪生将创造沉浸式体验，实现物理世界与数字世界的无缝衔接将成为连接智能世界的神经系统，支撑未来智能社会发展6G新兴应用场景智慧城市与物车联网与自动工业互联网沉浸式体验与联网驾驶元宇宙移动通信网络正从移动通信网络将成高级移动通信技术办公环境深入工厂未来移动网络将支为智慧城市的神经是实现自动驾驶的车间，支持制造环持超高清、三维全系统，连接海量物关键支撑通过节数字化和智能化息和触觉互联等沉联网设备从智能车对一切通的超可浸式体验，打造虚V2X5G URLLC电表、环境传感器信，车辆可与其他靠低时延通信和未实融合的元宇宙世到智能路灯，移动车辆、基础设施和来的确定性网界通信结合6G6G网络支持大规模低行人实时交互，获络，为工业控制、和边缘计算，可AI功耗设备连接，实取周围环境信息，远程操作等关键应实现以上10Gbps现城市资源智能管提高安全性和效率用提供实时可靠连的稳定传输，支持理接实时渲染和交互的大规未来通信网络将提这些技术将革命性5G mMTC模机器类通信和未供毫秒级时延和厘工业互联网将实现地改变教育、医疗、来的超大规模米级定位精度，支设备互联、数据互娱乐和社交方式，6G连接能力，将支持持车辆编队行驶、通和系统互操作，创造全新的数字经每平方公里百万级协同避障等高级功支持柔性生产、预济形态和生活方式设备连接，实现全能网络切片技术测性维护和全流程元宇宙作为互联网面感知、全域覆盖确保关键安全信息优化，提升生产效的下一形态，将为和智能决策，推动优先传输，为自动率，推动人类提供无限可能20-30%城市治理模式变革驾驶提供可靠通信制造业向工业的虚拟世界保障迈进

4.0课程总结移动通信基础理论体系本课程系统讲解了移动通信的基本概念、工作原理和无线传播特性从电磁波传播机制到路径损耗模型，从双工通信到多址接入技术，构建了完整的移动通信理论体系这些基础知识是理解和设计移动通信系统的理论基石蜂窝网络组织结构蜂窝网络是现代移动通信的核心架构，通过频率复用大幅提高系统容量我们详细分析了小区结构设计、频率规划和容量扩展技术从到，网络架构不断演进，但基GSM5G本原理保持一致掌握这些原理有助于理解网络规划和优化方法到的演进路线GSM5G/6G课程梳理了移动通信从到的技术演进，展示了性能提升和应用拓展每代技术1G5G都有其独特的多址方式、调制技术和网络架构这种演进不是孤立的，而是与社会需求和技术创新密切相关，未来将继续推动行业向前发展6G前沿技术与未来展望移动通信正进入智能互联时代，太赫兹通信、集成感知与通信、人工智能赋能等前沿技术将重塑产业格局车联网、工业互联网、元宇宙等创新应用正在涌现，移动通信将成为数字经济的关键基础设施，推动产业变革和社会进步。