《移动通信系统》教案.docx
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《移动通信系统》教案
教师教案
(2012—2013学年第2学期)
课程名称:
移动通信系统
授课学时:
48(44+4)
授课班级:
专业核心课
教师所在学院:
通信抗干扰实验室
电子科技大学
2012-12-26
课程基本情况
课程名称
移动通信系统
授课专业班级
专业核心课
年级
大三
课程编号
0109530
修课人数
75
课程类型
必修课
普通教育课程();学科基础课();专业方向课(√)
选修课
公选课();学科基础选修课();专业选修(√)
授课方式
理论课(√);实践课(√)
考核方式
考试(√)
考查()
是否采用多媒体
是
是否采用双语
否
学时分配
课堂讲授44学时;实践课4学时
名称
作者
出版社及出版时间
教材
《移动通信原理与系统》
啜钢、
王文博等
北京邮电大学出版社,2010.8
参考书目
《移动通信》
《现代数字移动通信原理及实用技术》
《数字蜂房移动通信系统》
《无线通信原理与应用》
郭梯云、邬国扬、张厥盛编
尤克、胡智娟、陈曦编
赵荣黎编著
蔡涛等译
西安电子科技大学出版社
北京航空航天大学出版社
电子工业出版社
电子工业出版社
授课时间
2013.2—2013.7
学时分配
章次
教学内容
学时安排
第一章
概述
4
第二章
移动通信电波传播与传播预测模型
7
第三章
移动通信中的信源编码和调制解调技术
3
第四章
抗衰落和链路性能增强技术
6
期中小结
期中小结+作业评讲
2
实验
移动通信实验教学(课堂预习加实际操作)
6
期中考试
期中考试
(第10周左右)
4
第五章
蜂窝组网技术
4
第六章
GSM及其增强移动通信系统
8
第七章
第三代移动通信系统及其增强技术
4
期末复习
期末复习
1
共计
49学时
第1章概述
1.1授课时数
4个学时。
1.2教学内容及要求
●教学内容:
⏹介绍移动通信原理及其应用方面的基本概念,主要包括
◆移动通信发展进程;
◆第1代到第3代移动通信移动通信的特点;
◆移动通信系统的发展历程;
◆移动通信的工作方式以及移动通信的应用系统。
●要求:
⏹重点掌握移动通信的基本概念和特点;
⏹掌握第1,2,3代移动通信的主要特点和相互区别;
⏹掌握移动通信的3种工作方式(指单工、双工、半双工等)
⏹了解移动通信的应用系统分类
⏹了解移动通信的发展历程和发展趋势
1.3教学重点与难点
1.3.1本章重点
在本书中,总体来说本章所占比重较小,重点在于:
●移动通信的基本概念
●移动通信的工作方式
1.3.2本章难点
对本科同学,第一次接触系统的概念,可能会觉得比较抽象,枯燥。
需要尽量补充新的业界资料和一些新的系统和业务的资料,以帮助学生提高兴趣。
1.4教学设计
授课方式:
课堂讲授
1.4.1内容与课时安排
本章内容通常均可在前2次课,4个学时内完成。
1.4.2第1次课
1.内容(40)
(1).1.1小节,移动通信发展简述(约40页)
重点:
Ø移动通信的基本概念
Ø3代移动通信的基本特征
2.课前预习设计
(1).无。
3.讲授思路
(1).在正式授课前,先简单介绍本课程的教学内容,教学计划,教学方式,教学目的和考察方式,让学生有目的的进行选课。
(2).介绍移动通信的特点和工作方式
(3).介绍早期移动通信发展
(4).引出移动通信发展简述,本点为本节课重点,需要详细阐述,举例说明,可以参考课堂设计的提问来帮助学生理解。
(5).现代移动通信的发展总结
4.课堂设计
(1).可以设计课堂提问的点:
1).关键性突破的地方可以让学生思考其代表的物理含义
2).第三代的标准,可以提问TD-SCDMA是哪一家运营商采用?
(2).可以补充的课堂作业:
1).简述三代移动通信系统各自的特点
1.4.3第2次课
1.内容(20)
(1).1.2小节,移动通信的特点和工作方式
(2).1.3小节,移动通信的分类及应用系统
重点:
Ø移动通信系统的4类工作方式
ØFDD和TDD的对比
2.课前预习设计
(1).试举例一个典型的工作方式为单工的移动通信模式(针对重点1,引起学生注意)
3.讲授思路
(1).移动通信的特点
频谱拥挤、频谱需严格管理;电波传播存在衰落、多径等问题;面临环境的干扰和噪声;存在高速移动和大动态范围的要求;对移动台体积、重量、功耗的要求高;系统复杂,系统需组网,网络需有越区切换、漫游等功能
(2).移动通信的工作方式
单工方式,半双工方式,双工方式(FDD和TDD的概念和对比),移动中继方式
本点为重点,注意和实际系统结合来讲,参看预习和课堂提问来辅助学生理解。
(3).移动通信的分类及应用系统
1).蜂窝公用移动通信系统(公网)
2).集群系统(专网)
3).无绳电话系统
4).无线寻呼系统
5).卫星通信系统
6).分组无线网
(4).补充实验室实际科研项目方向,新技术等介绍
4.课堂设计
(1).可以设计课堂提问的点:
1).在对双工进行定义的地方,请学生根据前面对单工方式和半双工方式的学习,大家可以考虑一下,如何衍生出双工方式的定义
(2).可以补充的课堂作业:
1).对比TDD和FDD的优势和缺点
1.5其它可选的作业及参考答案
(1).简述移动通信的特点。
答:
移动通信与其他通信方式相比,主要具有以下特点。
●无限电波传播复杂
●多普勒频移产生调制噪声
●移动台受噪声的干扰并在在强干扰情况下工作
●对移动台的要求高
●通道容量有限
●通信系统复杂
(2).简述蜂窝式移动通信的发展历史,说明各代移动通信系统的特点。
答:
蜂窝式移动通信利用了无限通信、有线通信和计算机通信的最新技术成果,是技术密集型的移动通信方式。
经历了如下发展历史:
●第一代模拟移动通信系统,其特点为:
以FDMA技术为基础,频率利用率低,容量有限;制式太多,互不兼容,不利于用户漫游;业务种类受限,不能传送数据信息;容易被窃听。
●第二代模拟移动通信系统,其特点为:
以TDMA为主要接入技术。
以数字传输、时分多址、码分多址为主体技术,制定了更加完善的呼叫处理和网络管理功能。
第二代模拟移动通信系统除了传送语音外,还可传送数据业务,如传真和分组的数据业务等。
●第三代模拟移动通信系统,其特点为:
以CDMA为主要的接入技术。
更大的系统容量和更灵活的高速率数据的传输,除了语音和数据传输外,还能传送高达2Mbit/S的高质量的活动图象.
(3).移动通信的工作方式主要有几种,蜂窝移动通信移动通信系统采用那种方式?
答:
移动通信的工作方式有以下几种:
1:
单工通信2:
双工通信3:
半双工通信4:
移动中继方式。
蜂窝式移动通信系统能够采用的式双工通信和移动中继方式。
(4).移动通信的概念?
答:
移动通信是指通信双方或至少其中一方在运动状态中(或临时静止状态)进行信息交互的通信方式
(5).常见移动通信的应用系统分类有哪些?
答:
6大类
●陆地公众蜂窝移动通信系统。
●集群通信
●无绳电话
●无线寻呼
●卫星移动通信
●分组无线网
1.6思考与讨论
1.7本章参考资料
移动通信系统发展迅速,本章主要的参考资料是在网络上搜寻最新的移动通信系统的相关资料。
移动通信在线:
通信专业网:
等等。
1.8教学后记
第2章移动通信电波传播与传播预测模型
2.1授课时数
7学时。
2.2教学内容及要求
内容:
本章主要介绍移动通信电波传输的基本概念和原理,介绍常用的几种传播预测模型。
首先介绍了电波传播的基本特性,在此基础上讲解了影响电波传播的3种基本机制——反射、绕射和散射。
然后较详细地论述了移动无线信道及其特性参数。
要求:
●了解无线通信的电波传播环境的特点;
●掌握电波传输方式分类;
●掌握无线信道的模型、表征及分类
●理解无线信道中信号经历多径衰落的基本特性,掌握多径传播与快衰落、阴影衰落、时延扩展与相干带宽的关系
●理解描述信道衰落特性的特征量
●掌握多普勒频移的计算
●掌握自由空间损耗的概念和计算
●不要求链路分析和传播损耗及其计算方法,不要求电波传播损耗预测模型
2.3教学重点与难点
2.3.1本章重点
●无线衰落信道的本质和特征。
2.3.2本章难点
●能够理解无线电波传播的复杂性与时变特性是导致移动通信系统区别于有线通信系统的根本原因,即(移动通信信道)衰落是移动通信系统需要克服的第一个障碍;
●能够定性理解多径衰落现象的本质,并能用定量计算一些指标,包括多普勒频移,时延扩展,电平交叉率与平均衰落周期;
●能够区别平坦衰落与频率选择性衰落,快衰落与慢衰落。
2.4教学设计
授课方式:
课堂讲授+MATLAB演示+学生实验
本章内容是“移动通信系统”课程中的一个关键章节,需要让学生明白,正是移动通信信道的特殊与复杂性导致了移动通信系统区别于有线通信系统的独特设计思路,包括关键技术与组网。
这一部分内容涉及“大学物理”、“电磁场与电磁波”、“天线技术”、“信号与系统”和“概率论”等多门基础学科。
上课前,或在前一次课结束时,布置学生一些思考题,比如:
●电磁波频率与电磁波在自由空间、空气及其它媒质中传播时具有什么特点?
●多个同相、或反相信号的叠加会有什么结果?
●电磁波传播具有哪些基本现象?
反射、散射、绕射。
如何让学生理解多径衰落现象及其特点,理解频率选择性衰落、平坦衰落的衡量指标是教学的难点与关键。
利用研究式教学模式,可通过以下问题贯穿本章节的全部过程:
2.4.1内容与课时安排
课堂教学需要3次课,其中包括少量的MATLAB演示,此外,相关内容还将在实验课中安排一个实验。
2.4.2第1次课
1.内容(32)
(1).2.1概述
(2).2.2自由空间的电波传播
重点:
Ø为什么蜂窝移动通信系统主要使用超高频(300MHz~3GHz)频段
Ø自由空间的电波传播损耗的计算和用途
2.课前预习设计
(1).GSM系统通信的频段及该频段的电磁波的传输特点。
3.讲授思路
(1).从信号与系统中信号经过信道所受到的影响,推出:
为什么研究无线信道的电波传播特性
3).复习一下白高斯噪声的定义和特点
4).无线电波的几种主要传播方式以及传播特性
5).从移动信道下的电波传播机制,讲解不同频段的电波传输方式的不同,从而得到不同的电波频段在不同领域的应用。
6).重点分析蜂窝移动通信系统主要使用超高频UHF(300MHz~3GHz)的主要原因:
(结合预习题来讲)
◆UHF频段主要采用空间波传播,其覆盖方式适合于蜂窝移动通信系统
◆UHF频段所需要的天线较短便于移动
◆UHF频段受天气的影响较小
(2).自由空间的电波传播
1).直射:
电波沿直线传播的传播方式
2).自由空间电波传播损耗,在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播,无反射、折射、绕射、散射和吸收现象,其单位面积中的能量会因扩散引起损耗
◆前提:
发射天线远离地球,或没有阻挡物
◆自由空间电波传播损耗的推导:
Frris自由空间模型(FriisH.T.,Proc.IRE,1946)
●这里为重点,需要举例说明。
并注意和课堂练习结合,可对学生进行提问和讨论。
3).非理想自由空间的传输损耗
◆基本概念,路径损耗指数的获取和典型环境的路径损耗指数
◆需要注意某些特定环境下,n可能小于2,要给学生举例解释
4.课堂设计
(1).可以设计课堂提问的点:
1).概述的地方可以询问信号输出和信道之间的关系
2).无线电波传播特性处可以解释现在成熟的GSM系统的频段问题
3).无线电波传播特性在讲到短波的时候,可以提问图片中的短波天线
4).无线电波传播特性最后,可以请学生分析蜂窝移动通信系统主要使用超高频UHF(300MHz~3GHz)的主要原因
5).自由空间的传播损耗的计算,在举例后,留一个课堂练习,让学生自行计算
6).在W和dBm的转换的地方,留一个课堂练习,让学生自行计算
(2).可以补充的课堂作业:
1).简述三代移动通信系统各自的特点
2.4.3第2次课
1.内容(61-32)
(1).2.33种基本电波传播机制
(2).2.4阴影衰落的基本特性
(3).2.5移动无线信道及特性参数
Ø
Ø2.5.2多普勒频移
Ø2.5.3多径信道的信道模型
重点
Ø阴影衰落的分析和应用
Ø多普勒频移的推导和分析
2.课前预习设计
(1).为什么在站台,火车靠近的时候,汽笛声比较低沉,火车远离时,汽笛声会比较尖锐。
3.讲授思路
(1).3种基本电波传播机制
1).反射:
当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射,反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面
2).绕射(diffraction):
当接收机和发射机之间的无线传播被尖锐的边缘阻挡时,发生绕射。
◆第一菲涅尔椭球为电波传播的主要通道
◆波长越长/频率越低,电波传播的主要通道的横截面积越大,绕射能力越强。
3).散射:
当入射波在媒介中遇到一个粗糙表面、一群障碍物或大量随机分布的不匀体时,方向无规则改变的现象。
4).结合上面三种传输体制的特征,再次验证无线电波的频段划分的依据
(2).阴影衰落的基本特性
1).由移动无线通信信道传播环境中的地形起伏、建筑物及其它障碍物对电波路径的阻挡而形成的电磁场半盲区(阴影效应)
◆r:
传播距离;m为路径损耗指数
◆ζ:
阴影产生的对数损耗,服从均值为0,方差为σ的对数正态分布。
◆这里为重点之一,注意参考课堂提问,引导学生进行分析,不同地形条件下,阴影衰落的参数所代表的物理含义。
(3).移动无线信道及特性参数
1).无线信道的衰落:
r(t)=m(t)×r0(t)
◆大尺度衰落:
用于描述发射机与接收机之间的长距离(几百或几千米)或长时间上信号强度的变化
◆小尺度衰落:
用于描述发射机与接收机之间的短距离(几个波长)或短时间(秒级)内信号强度的快速变化
2).多径衰落的产生
◆在移动通信环境中,发射的电波经历了不同的路径
◆导致传播时间和相位均不相同
◆接收信号的幅度在较短时间内急剧变化,产生了衰落
3).多径衰落的基本特性
◆多径衰落现象
◆多谱勒效应:
移动台在移动中通信,接收信号频率会发生变化的现象。
◆这里为重点之一,注意结合预习提问,详细推导多普勒频移的公式,并分析其代表的物理含义。
4).多径信道的信道模型
◆原理:
将信道看成作用于信号上的滤波器,可以通过分析滤波器的冲击响应和传递函数得到多径信道的特性。
◆两径信道模型的推导;
◆多径信道模型的推导;
◆借此可以用预习题引出下一节的内容,为什么我们往往称无线衰落信道为“瑞利信道”
4.课堂设计
(1).可以设计课堂提问的点:
1).对典型环境下阴影损耗的标准偏差的分布进行分析
2).在多普勒频移计算的时候,预留一个课堂练习,让学生自行计算
3).在推导完成双线地面反射路径损耗的地方,让学生自行分析其和自由空间传播损耗的对比
4).对瑞利分布推导的结论进行解释
(2).可以补充的课堂作业:
1).试推导多普勒频移的公式
2.4.4第3次课(布置1,2章作业)
1.内容(97-62)
(1).2.5移动无线信道及特性参数
Ø2.5.5多径信道的统计分析
Ø2.5.4多径信道主要参数&
重点
Ø瑞利信道的推导和分析
Ø信道特性的推导和应用
2.课前预习设计
(1).为什么无线衰落信道往往被称为“瑞利信道”?
(2).随着移动台的运动速度的加快,信道冲激响应会发生什么变化,为什么?
3.讲授思路
(1).小结上一节课的内容,说明小尺度衰落对移动通信系统具有最重要的影响。
(2).由多径条件下接收信号模型的推导,说明在实际系统中,多径的条件很恶劣,需要用统计的方法加以分析,为了能定性的分析信道的特点,并进一步定量的描述信道的特征,以在工程中加以应用,需要对信道的统计模型加以分析。
(3).从预习题:
为什么无线衰落信道往往被称为“瑞利信道”?
随着移动台的运动速度的加快,信道冲激响应会发生什么变化,为什么?
引出其正是本节课需要解决的问题
(4).多径信道的统计分析
●多径信道接收信号包络服从瑞利(Rayleigh)衰落分布
●这里为重点之一,注意详细推导瑞利分布的由来,让学生理解为什么这个信道叫瑞利衰落信道,此处给学生留出分析和讨论的时间。
●莱斯(Rician)衰落分布
(5).时间色散参数和相关带宽
(6).频率色散系数和相干时间
(7).角度色散参数和相关距离
(8).多径信道影响的表现和本质
●
(2)-(4)为重点之一,要注意引导学生,为什么需要琢磨信道的特性,在工程中应用在什么地方。
4.课堂设计
(1).可以设计课堂提问的点:
1).让学生自己计算平均附加时延和rms时延扩展
2).频率色散系数和相干时间处留一个例题和课堂练习让学生分析
(2).可以补充的课堂作业:
1).说明时延扩展和相关带宽的基本概念
2.4.5第4次课(1个课时左右)
1.内容(142-98)
(1).2.5移动无线信道及特性参数
Ø补充为什么需要学习信道,用实例进行描述。
(2).移动通信系统的典型信道模型(了解)
(3).2.5.7衰落特性的度量(了解)
(4).
(5).2.6电波传播损耗预测模型(自学)
(6).小结
重点
Ø信道特性的工程应用
Ø典型的实际信道模型及其特征的分析
2.课前预习设计
(1).试举例说明学习信道特性的作用
3.讲授思路
(1).小结上一节课的内容,重点提示时域/频域/空域的信道特征。
(2).由预习题,讨论如何利用上一节课的内容帮助工程系统的设计。
(3).学习多径信道能有效帮助系统设计
●通过导频的设计、分集的设计来引导学生了解信道的特性在工程应用在什么地方。
(4).COST207信道模型中的多普勒谱(自学,略讲)
(5).衰落特性的度量(自学,略讲)
●衰落包络与时间的关系
(6).衰落信道建模与仿真(自学,略讲)
●信道建模(如何体现空、时、频三维特性)
◆时间维:
建立具有多普勒频谱特性的单径(平坦)衰落
◆频率维:
建立多径衰落
◆空间维:
建立多天线、多通道衰落
(7).电波传播损耗预测模型(自学,略讲)
4.课堂设计
(1).可以设计课堂提问的点:
1).在讲导频设计时,引导学生把前面所学到的相干时间和带宽的知识用过来。
(2).可以补充的课堂作业:
1).试判断一个典型传输系统是否需要采用均衡。
(见第2章,课堂作业PPT)
2.4.6本章实验设计(学生实验在关键技术完成后统一进行)
(1).给学生一段产生瑞利衰落的Matlab程序,让学生根据不同的参数输入,产生并统计衰落的特征。
2.5作业及答案
(1).阐述长期慢衰落和短期快衰落的基本概念
答:
长期慢衰落式由移动通信信道路径上的固定障碍物的阴影引起的,衰落特性一般服从
律,平均信号衰落和关于平均衰落的变化具有对数正态分布的特征.
短期快衰落是由于移动台和地点的变化而产生的.其中,多径产生时间扩散,引起信号符号间干扰;运动产生多普勒效应,引起信号相位发生变化.
(2).若载波频率f=800MHz,移动台速度v=60km/h,求最大多普勒频移。
答:
多普勒效应引起的多普勒频移可表示为
(3).说明时延扩展和相关带宽的基本概念。
答:
时延扩展定义为多径中最大传输时延和最小传输时延的差值,就是脉冲展宽的时间。
由于时延扩展,接收信号中一个码元的波形会扩展到其他码元周期中,引起码间串扰。
而相关带宽定义为多径传播中不同频率成分受到的衰落关系是否具有一致性。
信号的带宽大于信道的相关带宽则会发生频率选择性衰落。
时延扩展和相关带宽的关系为:
其中
为归一化延谱曲线的均方值时延扩展。
(4).长期慢衰落与短期快衰落的基本概念
(5).说明多径衰落对数字移动通信系统的主要影响
(6).若载波频率f分别为800MHz、2.4GHz和5.8GHz,当移动台以速度v=50km/h沿电波传播方向行驶,求接收信号的平均衰落速率,及对于信号包络均方值电平Rrms的电平通过率。
(7).说明时延扩展和相干带宽、多普勒频移与相干时间的基本概念;
2.6思考与讨论
(1).有一市内无线局域网,载波频率fc=2.4GHz,规划覆盖半径30m,使用全向天线。
在自由空间路径损耗模型下(即LOS信道模型),如果要求覆盖范围内所有终端的最小接收功率为10μw,问接入点的发射功率应至少为多大?
如接入点与终端的载波工作频率变成5GHz,又至少需要多少发射功率?
(2).从无线信道对移动通信系统影响的角度看,为什么蜂窝小区结构能够更大程度利用频率资源?
答:
正是由于衰落(主要是路径损耗)的存在,才能设计蜂窝小区结构,进行频率复用。
(3).问题2:
为什么无线和移动通信系统需要设计复杂的编码、调制、和检测方法,以提升无线链路传输性能?
多径衰落对数字移动通信系统的影响有哪些方面?
本问题的引入,可以从学生们所熟悉的小灵通,GSM,CDMA系统的接收信号差别和在不同无线环境中的信号强度来引入。
(4).问题3:
如何刻画无线移动通信信道的衰落?
(5).内容4:
解释数字移动通信系统受多径衰落导致字符间干扰的原因,画出简单的发送信号(比特流)遇到多径传播现象时的结果。
并给出不同时延扩展情形,进行课堂提问。
情形1是字符周期远大于多径时延扩展,情形2是字符周期小于时延扩展。
2.7本章参考资料
[1].杨大成等编著.移动传播环境:
理论基础·分析方法和建模技术.北京:
机械工业出版社,2003.
[2].AndreaGoldsmith.WirelessCommunications.London:
Cambridge.2006.
[3].G.L.Stüber.移动通信原理(第二版)[M].裴昌幸等译.北京:
电子工业出版社,2004.
[4].DavidTse,PramodViswanath,FundamentalsofWirelessCommunication,Cambridge出版社,May2005.
[5].MatthiasPätzold.MobilefadingChannel.NewYorkJohn:
Wiley&Sons,Inc.,2002.
2.8教学后记
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