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。 K＝4 f3 f4 f2 f1 D

反向链路的同频干扰  D 干扰 B1 B2 M1 M2 f0

前向链路的同频干扰  D 干扰 B0 Bi M0 f0 第0号小区 第i号小区

再用距离和载波干扰比的关系 A B 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 D Rc A B 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=92.4+20log10(f)+20log10(d) 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 增加对干扰的容忍程度 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，TDS-CDMA 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 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 波形编码 参数编码 PCM（A率/ μ率） ADPCM ΔM G.7xx QCLEP AMR IS95/CDMA2000 AMR GSM/WCDMA/TDS-CDMA 移动通信话音压缩编码的特殊要求 话音激活 变速率 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 频率 时间 码 时隙 时间 频率 码 时间 频率 信道1 信道2 信道3 信道n FDMA TDMA CDMA CN CDMA 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 卷积码 Turbo码 BCH RS LDPC码 可以进行软译码 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 Eb/N0 BER 误码平台 Turbo码/LDPC码相对于卷积码性能提高了3～5dB

分集 移动通信信道恶劣 分集 分集方法 误码率和信噪比线性关系 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 分集方法 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

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 移动通信的变化 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 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

端 管 云 新的模式 端 管 云 iphone ipad 3G 4G wifi App Store iCloud 微笑曲线 过去 现在 运营商价值不断的被压缩，被管道化了

后PC时代 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 3C（通信、计算机和消费电子产品）的整合 每个人有多台设备 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。”

移动互联网应用 照相 皮肤 团购 炒股 游戏 搜索 新闻 消息 票务 闹钟 存储 壁纸 导航 旅行 微博 教育 录音 日历 视频 邮件 健身 浏览 彩票 听歌 阅读 手电 字典 地图 安全 只有你想不到的，没有移动互联网上没有的

例子：和摄影相关的应用 Iphone上提供一个800万像素的摄像头，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 Social 社交网 Local 地理位置相关 Mobile 移动终端 Global 全球化

两大阵营 iOS Android App Store 近500,000个应用 封闭 审核严格 Google Play 各种网站提供的应用 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

移动互联网的时代，你愿意也好不愿意也好，他已经来到了 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