Transcript 移动通信与移动互联

移动通信与移动互联
赵明
清华大学
主要内容
移动通信的历史
 移动通信的原理
 移动通信的技术
 移动通信的前景
 移动互联的兴起

移动通信发展历史




移动通信最早采用单基站大区的覆盖体制。每个工作
频率只能提供给一个用户，只有军队、国家权力部门
才可能使用。
移动通信是蜂窝技术提出以后才得以推广的，蜂窝技
术将有限的无线频谱资源在空间上重复使用，以提高
通信容量。
移动通信因此又称为蜂窝通信系统
几个重要的历史时刻



1947年 Bell Lab发明蜂窝移动通信技术。
1967年 AT&T推出汽车蜂窝电话系统。
1974年 Motorola制成世界上第一部蜂窝移动电话手机，当时
重量为1公斤左右。
蜂窝系统概念


引入蜂窝概念是无线移动通信的重大突破，其主要目
的是为了在有限的频谱资源上提供更多的移动电话用
户服务。
蜂窝的主要特点：
－通过控制发射功率使得频谱资源在一个大区的不同
小区间重复利用。
－通过将小区划分成扇区或更小的小区的方法（小区
分裂）来增大系统的容量。
移动通信蓬勃发展至今，容量提升了近1,000,000倍，其中有1,600倍是由于
小区不断的分裂，剩下提高是由于技术的进步和更多的频谱资源
蜂窝的原理
频率复用
 复用因子
 载波干扰比
 传播的损耗
 提高蜂窝系统容量的方法

频率复用

在蜂窝系统中，每个小区需要使用一个频率（对TDD），
或一对频率（对FDD），在对基站发射功率严格控制的
情况下，相隔距离足够远的两个小区，可以重复使用
这个频率，以提高频谱资源的利用率。这种方法称为
蜂窝系统的频率复用（Frequency reuse)。
复用因子
由不同频率的最少小区
集合，组成一个簇。整
个区域的覆盖就通过簇
的平移复制而成。
 如右图所示。
 簇中小区的个数K称为
簇尺寸，也称为复用因
子。
 不同簇之间使用相同频
率的小区的最小距离D
称为再用距离。

f4
f3
f1
f2
f4
f3
f1
f2
f4
f3
f1
f2
f4
f3
f1
f3
f1
K＝4
f2
f4
f2
f3
f1
f3
f1
D
反向链路的同频干扰
B1


f0
M1
干扰
f0
f0
M2
D

f
0
B2
前向链路的同频干扰
第0号小区
B0


f0
M0
干扰
第i号小区
f0
B
i
D
再用距离和载波干扰比的关系
A
Rc
B
D
Rc
在A基站的边界处的用户如果要正常通信需要满足反向和前向两个约束
从前向来看，A基站发出的信号/B基站带来的干扰要大于下行系统的抗载波
干扰比能力
从反向来看，A基站接收到的信号/B基站下用户发出信号到达A基站的功率要
大于上行系统的抗载波干扰比能力
如果发射功率相同，载波干扰比主要取决于传输损耗和再用距离
电磁波在自由空间的损耗
频率越高衰减越大
 距离越远衰减越大，二次方关系

L代表路径损耗，d代表收发端的距离，f代表无线电波频率，c代表光速
L=92.4+20log10(f)+20log10(d)
f单位GHz
d单位Km
存在地面反射时电磁波的损耗
天线越高衰减越小，二次方关系
和距离四次方关系
实测的一些结果
复用因子的选择
复用因子大约随再用距离平方增加
 系统的容量及干扰对复用因子的要求是互相矛
盾的。提高复用因子K，可以增加接收的C/I值，
但同时也降低了系统的容量。
 根据载干比的最低要求选定复用因子
 例如：AMPS系统




要求C/I＝18dB
以4次方传输损耗估算，再用距离为3
求复用因子K  7
提高蜂窝系统容量的方法

蜂窝系统是干扰受限的系统

减少干扰
扇区化（方向性天线）
 智能天线
 降低安装高度
 通常和有效覆盖相矛盾


增加对干扰的容忍程度
扩频（CDMA）
 逼近shannon极限的信号处理方法

四代移动通信系统
第一代蜂窝（模拟）：AMPS，TACS
 第二代蜂窝（数字）：GSM，IS-95
 第三代蜂窝（宽带）：WCDMA，cdma2000，TDSCDMA
 第四代蜂窝（100M/分组）：LTE

移动通信的演进路线
移动通信的技术发展
代表
技术特征
2G
GSM/GPRS/EDGE
IS95
数字语音编码
卷积编码
射频带宽为非宽带
TDMA/CDMA
3G
WCDMA-TDD/FDD
HSPA/HSPA+
CDMA2000/EVDO
CDMA
Turbo编码/HARQ
发送分集
射频带宽为宽带
4G
LTE/LTE-A
OFDM/SC-FDE（OFDMA）
MIMO
灵活的带宽/频谱聚合
面向分组传输优化
话音压缩编码

非线性量化


PCM（A率/ μ率）
波形编码



参数编码


G.7xx
QCLEP

ADPCM
ΔM

IS95/CDMA2000
AMR

GSM/WCDMA/TDSCDMA
移动通信话音压缩编码的特殊要求
1.话音激活
2.变速率
3.分层
语音从模拟到数字占用带宽减少了2～3倍
多址方式
码
码
FDMA
信 信信
道 道道
信道N
频率
时隙
时间
TDMA
信道3
信道2
信道1
n
3
2
1
信
道
频率
码
CDMA
C1
时间
频率
C2
CN
时间
理论上正交的信道分割方式下频谱效率相同，实
现上复杂度会有所不同。
TDMA系统实现多信道会比较简单
CDMA系统可以实现同频组网
信道编码

分组码





BCH
RS


卷积码

BER
Turbo码
LDPC码

可以进行软译码
BER
误码平台
Eb/N0
1996年发现
逼近shannon极限


1963年提出，未被重视
2000年前后被重新发现
逼近shannon极限
Turbo码/LDPC码相对
于卷积码性能提高了
3～5dB
Eb/N0
分集

移动通信信道恶劣


误码率和信噪比线性
关系
分集




分集方法



利用独立通道并行传
输来提高可靠性
独立通道的条数称为
分集重数
误码率随信噪比的分
集重数次方下降
频率分集
时间分集
空间分集


收分集
发分集
分集使移动通信的信噪比提高了5～7dB
OFDM/SC-FDE
OFDM 系统框图
SC-FDE 系统框图
无论是OFDM还是SC-FDE都不会提高频谱效率，但这
两项技术的引入使得宽带下信号处理得到了极大的简化，
同时使用频谱的方法也变得非常灵活。
MIMO
MIMO从理论上拓展了shannon理论，通过不断
增加收发天线的数量，系统的频谱效率几乎可
以线性增长
分组&电路
评价方法的改变
话音通信时代，运营商承
诺95%的覆盖率
 分组通信时代，运营商标
称自己的峰值速率
 中断概率/系统可用度
 机会通信/通信的机会

移动通信的变化
 支持速率从几百K飙升到
上百兆
 覆盖越来越小，正好迎合
了容量增加的要求
 电路业务虚拟在分组网上
实现
分组通信容量大幅度提升有偷换概念的嫌疑
分组通信蓬勃发展给移动互联网提供了便宜的管道
移动通信的传输技术已经发展到头了？
LTE的频谱效率已经非常
接近Shannon限
终端上的天线数量无法无
限制的增加
基站的天线数已经达到3扇
区，每扇区8天线
移动通信的系统设备制造商
面临关停并转
•北电破产
•朗讯和阿尔卡特合并
•Nokia和西门子合并
•中兴和华为加大终端的开
发
当移动通信的高速公路修好以后，新的增长来自移动互联网
新的模式
端
• iphone
• ipad
管
云
微笑曲线
• 3G
• 4G
• wifi
• App Store
• iCloud
过去
端
管
运营商价值不断的被压缩，被管道化了
云
后PC时代

3C（通信、计算机和消费电子产品）的整合



手机/平板/游戏机/电视/计算机
写报告、看电影、玩游戏
打电话、收发email、聊天

台式机笔记本的使用在下降，智能手机和
平板电脑的使用在上升

每个人有多台设备
在不同的设备上共享文档、通讯录

什么是后PC时代？用杨元庆的话来说，这是“一个新时代的到来—
—移动互联的新时代。”
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Iphone上提供一个
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可以拍照和摄像
 美国最的大运营商
AT&T因为iphone向
YouTube传视频导致
瞬时瘫痪
 社交照片网站被
Facebook以10亿美
金收购
中国移动互联网使用现状
SoLoMoGlo：李开复的移动互联网
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两大阵营


iOS




App Store
近500,000个应用
封闭
审核严格
Android

Google Play




近450,000个应用
各种网站提供的应用
开放
良莠不齐
为开发者提供完整的开发环境和上载服务
为终端用户提供在线安装
销售收入分成
有大量小公司和个人在从事移动互联网应用开发
创新的商业模式
改变人的生活
移动办公
 移动支付
 随时随地的联系
 新新人类


秀生活
移动互联网的时代，你愿意也好不愿意也好，他已经来到了