1.移动通信概述

移动通信概述

移动通信环境

移动通信的特点

移动通信所面对的问题可以由“四三二一”总结为：
- 四个效应
多径效应、阴影效应、远近效应、多普勒效应 - 三个干扰
共道干扰、邻道干扰、互调干扰 - 两个噪声
内部噪声、外部噪声 - 一个矛盾
日益增长的通信需求矛盾与有限的通信资源之间的矛盾

移动通信方式

传播类型	频段	特点	应用举例
地波/地表面波	2Mhz以下	趋于沿弯曲的地球表面传播，有一定的绕射能力。 在低频和甚低频段，地波能够传播超过数百千米或数千千米。	微波、AM
天波	2-30Mhz	经电离层多次反射后返回地面的无线电波叫天波。 通过数次反射，天波可以实现长距离无线传输。	业余无线电波
视距传播	30Mhz以上	在空间波所能直达的两点间的传播。 其距离同在地面上人的视线能及的距离相仿，一般不超过50km。	移动通信

通信衰落

衰落(fading)是指在发送信号功率一定的前提下，接收到的无线电信号的能量出现路损模型无法预测的、有尺度的变化。
根据无线电波传播效应，通常将无线信道衰落按照持续时间或者幅度分为两类：大尺度衰落和小尺度（小尺度一般与信号波长为一个量级）衰落，尺度指时间或者距离的大小。

注意本小节中提到的衰落分类没有考虑频率选择性和时间选择性，是一个大致的分类。

大尺度衰落

无线电信号的幅度和相位在长时间和长距离内的波动称为大尺度衰落。大尺度衰落由可以称为慢衰落(slow fading)或者长期衰落(long-term fading)。
大尺度衰落主要由路径损耗和阴影效应造成。

• 路径损耗
  无线电信号通过大尺度距离的信道传输时，随传输路径的增加，电波能量扩散，导致接收信号平均功率衰减，其衰减量与传输距离有关，距离越大，衰减量越多。
  自由空间损耗可以描述为：
  \[L_{fs}|_{dB}=32.44+20lgd_{km}+20lgf_{Mhz}\]
• 阴影效应
  阴影效应是指在无线通信系统中，移动台在运动的情况下，由于大型建筑物和其他物体对电波的传输路径的削弱甚至阻挡而在传播接收区域上形成半盲区，从而形成电磁场阴影，这种随移动台位置的不断变化而引起的接收点场强中值的起伏变化叫做阴影效应。
  阴影效应由反射、散射和绕射三个传播现象共同造成，信号的衰落程度与位置有关。由阴影效应造成的信号衰落变化都是随机的变化，其服从对数正态分布。

大尺度衰落由路径损耗和阴影效应引起。由阴影效应造成的大尺度衰落又被称为慢衰落或者长期衰落。慢衰落下，信号的功率服从对数正态分布。

小尺度衰落

小尺度衰落称为快衰落(fast fading)或者短期衰落(short-term fading)，由多径效应或多普勒效应引起。无线电信号在传输过程中其幅度或相位在短时间和短距离内的快速波动(fluctuation)。
发生小尺度衰落时，在视距传播下(LOS)，信号功率的包络线服从莱斯分布；在非视距传播下(NLOS)，信号功率的包络线服从瑞利分布。

• 多径效应
  波在传输过程中遇到各种障碍物时会发生反射、绕射和散射现象，从而产生多条传播路径。由于路径长度不同，波到达接收者的时间也不同，产生相移。
  多径效应会引起信号的时延拓展(time dispersion)。

• 多普勒效应
  接收者移动时，其接收到的波会发生频移。如果接收者远离波源移动，则接收到的频率会逐渐降低。如果接收者靠近波源移动，则接收到的频率会逐渐升高。
  多普勒效应的频移量表示为：
  \[Δf=-\frac{1}{2π}\frac{Δφ}{Δt}=\frac{v}{λ}cosα\] 其中\(α\)是接收者与波源连线与水平面的夹角。
  
  多普勒效应会引起信号的频率拓展(frequency dispersion)。

移动通信的发展历程

移动通信的发展历程可以概述为“移动宽带化”的历程（计算机网络的发展则是“宽带移动化”的历程）。

1G

使用FDMA（频分多址接入）对资源进行利用。
其接入网为基站(BS)，核心网称为移动业务交换局(MTSO)，进行电路交换。

多址接入技术是一种对频带信号的复用技术，表示基站可以使用不同的资源（比如不同频段，不同时隙）识别和处理同时/同频接入的移动设备通信。
而多路复用技术是对基带信号和点到点的通信方式的通信资源的利用技术。

2G

GSM

中国所使用的2G标准是GSM，2G中使用了TDMA（时分多址接入）和FDMA，对通信资源的利用更加有效。GSM的速率在9.6kbps左右。其整个通信网结构如图所示：

如图，整个通信网由三部分组成：
- 移动台(MS,Mobile Station)
用户端接收移动信号的设备，由终端设备（用IMEI/国际移动设备识别码进行识别）和SIM卡（由PIN码进行识别）两部分组成。
- 基站子系统(BSS,Basestation Subsystem)
是GSM标准的无线接入网(RAN，Radio Access Network)，由基站控制器（BSC）和基站收发信机（BTS）等组成。
移动台和基站子系统之间的接口是无线的，称为空中接口(Air Interface)，在GSM中称为\(U_m\)接口，其使用了一种三层的协议模型。

基站控制器和收发信机之间的接口是有线的。
- 网络子系统（NSS,Network Subsystem）
是GSM标准的核心网（CN），其核心设施是采用电路交换的移动交换中心（MSC），用于交换数据。除此之外，还有用于存储用户信息的数据库：用于记录和管理本地常驻用户设备信息的本地位置寄存器（HLR，Home Location Register）和用于记录和管理漫游用户设备信息的访问位置寄存器（VLR，Visiting Location Register），以及用于识别和管理不同的设备的设备识别寄存器（EIR，Equipment Identity Register）。此外还有负责安全管理的鉴权中心（AUC，Authentication Centre）。
GSM的移动通信核心网可以分为座机网（PSTN）和“一线通”（ISDN）等等。“一线通”业务综合网目前已停止服务。

GPRS(2.25G)

相比于GSM，GPRS最大的特点是核心网中接入了互联网（IP）。GPRS除了使用电路交换技术交换语音信息外，还应用了分组交换技术与互联网数据进行交换。

3G

3GPP组织发布的第四个通信协议版本（R4）确定为正式使用的3G标准。3G标准的正式名称为IMT-2000，2000代表了其投入商用的年份，同时3G的峰值数据率在2000kbps左右，同时3G信号的带宽在2000MHz左右。3G广泛使用的标准有WCDMA(欧盟、中国)，TD-SCDMA（中国），以及CMDA2000（美国、中国）。其中共同含有的“CDMA”表示3G标准除了使用FDMA和TDMA外，还使用了码分多址接入（CDMA）技术。

3G的通信网络结构的要点：
- 终端设备不再使用术语移动台，而称为用户设备（UE），同样地分为移动设备（ME）和USIM卡两部分。
- 基站称为NodeB，即基站节点。3G接入网UTRAN由RnC和nodeB构成，是一种集中式的接入网。

后续版本

3G的R5版本和R6版本中使用了高速分组接入技术（HSPA），其中R5为HSDPA，用于改善下行链路的通信速率；R6位HSUPA，用于改善上行链路的通信速率。R7版本中进一步改善，为HSDPA+（3.75G）。其在接入网部分将RNC作为功能加入了NodeB，将接入网改为分布式网络。而R8版本发布了LTE技术（3.9G），其接入网的eNodeB相比于之前NodeB增加了新的控制功能，为4G的出现打下了基础。

4G

3GPP组织发布的第四个通信协议版本（R9）确定为正式使用的4G标准。4G标准的正式名称为IMT-Advanced。其峰值速率可以达到1Gbps。4G中采用了正交频分复用(OFDM)、智能天线和多天线（MIMO）技术、多点协作、载波聚合、双层波束赋形、小区间协调干扰、混合ARQ等技术，实现数据的高速传输。

4G的通信网络结构的要点：
- 4G的核心网通过云计算等技术将物理设备虚拟化，实现了软件定义网络(SDN)。
- 4G中的HLR演化为归属用户服务器(HSS,Home Subscriber Server)并将VLR合并，称为HSS。
- 服务网关用于连接不同的网络架构。

5G

5G的正式名称为IMT-2020。相比于4G，在用户设备上5G的移动设备不再限制于移动电话，而统称为移动设备，实现设备到设备(D2D)的通信。接入网方面使用密集蜂窝组网和密集多天线(Massive-MIMO)等技术，扩大容量。此外，5G中还有意将核心网的部分功能转移到接入网上，以减小时延，这样的技术称为边缘计算。
核心网方面，5G核心网除了使用SDN外，还使用了网络功能虚拟化（NFV）技术，将4G的核心网功能虚拟化为软件功能。

特点与应用场景

• 增强移动宽带(eMBB)，应用例如8K超高清视频直播。
  
• 大规模机器类通信(mMTC)，应用例如物联网。
  
• 超可靠低时延通信(uRLLC)，应用例如自动驾驶。

蜂窝移动通信组网技术

工作方式

目前的移动通信大多采用全双工技术，可以分为频分双工(FDD)和时分双工(TDD)两种。
- 频分双工
利用两个不同的频率进行区分上行和下行通信， 并且收发频带之间有一定保护间隔以提高抗干扰能力。
- 时分双工
上行和下行通信工作在同一频率，但是不同时隙区分上行和下行通信。

频率复用技术

将覆盖区域分割为多个小区(cell)，一个基站覆盖一个小区。由于正六边形的密铺性质好，理论上小区的覆盖形状应该为正六边形。

共同使用全部可用频率的若干个小区组成一个小区簇/区群(clustering)。
频率复用技术所指就是不同的区群之间使用对应的相同频率，使用各相同频率的两个小区的间隔应当相等，称为再用距离。

话务量和话务理论

记\(A\)为流入网络的整个话务量，流入话务量为完成话务量和未完成话务量（损失话务量）之和，有：
\[A=A_1+A_2\] \(A_1\)表示完成话务量，\(A_2\)表示损失话务量。
定义呼损率为呼损与话务总量之比： \[B=\frac{A_2}{A}\]
涉及\(n\)个信道的话务网络，其呼损率可以通过如下公式给出：
\[B=\frac{A^nn!}{∑\frac{A^i}{i!}}\] 其中\(B\)表示话务量强度，单位为爱尔兰(Erl,Erlang)，一个爱尔兰表示一个完全被占用的信道的话务量强度(单位小时或单位分钟的呼叫时长)。
忙时话务量\(α\)表示信道被集中使用时的话务量：
\[α=CT\frac{k}{3600}\] \(C\)为忙时的平均呼叫次数，\(T\)为平均单次呼叫时间，\(k\)表示忙时集中率，是最忙的一个小时内的话务量与全天话务量之比。
每个信道所能承载的用户数\(m\):
\[m=\frac{A}{αn}\] \(n\)个信道所容纳的用户数为：\(m×n=\frac{A}{α}\).

多址接入技术

复用技术在点到多点通信方式的应用。它是一种对频带信号（调制后的信号）的复用技术，表示基站可以使用不同的资源（比如不同频段，不同时隙）识别和处理同时/同频接入的移动设备通信。
根据利用资源的不同，可以将多址接入技术分为频分多址接入技术、时分多址接入技术、码分多址接入技术。

频分多址和时分多址接入

频分多址中，业务信道在不同频段分配给不同的用户，某一信道空闲时，也不能被其他用户使用。
时分多址中，多个用户共享同一个频率，但是使用不同的时隙，可以按照不同用户的需求划分不同的带宽。

码分多址接入

相比于频率和时间这样容量有限的物理资源（其容量称为硬容量），码分多址接入的核心是将同一频谱划分为多段随机码，使得每个码的带宽更小，理论上同一频段可以划分为无限多段随机码，因此码分复用使用的是软容量资源，码分复用相比于其他二者的容量更大。码分复用本质上是一种扩频技术。

码分复用的信道容量可以表示为:
\[C=\left[1+\frac{\frac{W}{R_0}}{\frac{E_b}{I_0}}\frac{1}{d}\right]GF\] \(\frac{W}{R_0}\)是扩频后的带宽与扩频前的带宽之比，对应扩频技术。
\(\frac{E_b}{I_0}\)是归一化的信噪比。
\(d\)表示话音激活技术的占空比，通常在0.35左右。
\(G\)是扇区分割系数，对应扇区分割技术。\(F\)是信道再用效率。
信道容量：
\[CDMA>TDMA>FDMA\]

但是码分多址相比于时分多址和频分多址，其存在特殊的信号干扰，称为多址干扰。这是由于多个用户的信号在时域和频域上是混叠的。
码分多址中另一个重要的影响是远近效应：强信号对弱信号有明显的抑制作用。

移动性管理

越区切换

越区切换（HO，hand-over/hand-off）指通话状态下，移动台从一个基站服务区进入另一个基站服务区，移动台与两个基站之间通信链路的切换，即指在作出越区切换决定后，将一个连接的所有无线电资源切换给另一个基站的情况。

切换过程分为：
- 硬切换
移动台越过两个基站服务区的重叠部分后，先断开原来基站的连接，再建立和新基站的连接。
- 软切换
移动台在两个BTS服务区的重叠部分处，在保持和原来基站连接的前提下，建立和新基站的连接。当移动台越过重叠部分后，再断开原来基站的连接。
更软切换(softer handover)则是发生在同一个基站的扇区和扇区之间软切换。

• 接力切换
  移动台的控制信道先切换到新的BTS链路，保持业务信道与原来的BTS之间的连接。再将业务信道切换到新的BTS链路上。
  接力切换是TD-SCDMA系统中特有的切换方式。

越区切换需要考虑何时切换的问题，是否发生越区切换的判定依据一般是功率或者是通话质量。
越区切换的控制分为测量过程和判定过程：
- 移动控制(Mobile Controlled)：两者全部由移动台完成的策略。
- 网络控制(Network Controlled)：两者全部由网络完成的策略。
- 移动台辅助控制(Network Controlled and Mobile assisted Handovers,MAHO)：
移动台测量到每个小区的信号强度，并报告给网络控制器，网络控制器决定是否进行切换以及切换的小区。
GSM中采用的是移动台辅助控制切换。

位置管理

在2G系统中，位置管理由两层数据库承担：HLR和VLR。HLR用于存储和管理在该网络内注册的用户的所有信息。VLR用于管理该网络中若干位置的移动用户。这两部分功能在4G系统中由HSS承担。
用户设备在特定的情况下（比如开机、关机、间隔一定时间、参数变化等）需要向网络报告其位置，这个过程称为位置登记(Location Registration)。
位置管理的区域称为位置区(LA,Location Area)，位置区中含有若干个小区。位置区越大，包含的小区数目越多，需要进行跨区登记的负荷就越轻。但是位置区越大，寻呼被叫移动台时浪费的呼叫资源就更多。