[信息与通信]第7章FDMA蜂窝移动通信系统.ppt

第7章 FDMA蜂窝移动通信系统,7.1 概述 7.2 模拟移动电话系统的组成 7.3 系统信道、控制、信令 7.4 FDMA系统的交换技术 习题,7.1 概 述,7.1.1 模拟蜂窝移动电话系统 20世纪80年代， 蜂窝移动电话系统在美国、 丹麦、 芬兰、 瑞典、 挪威、 英国、 德国和日本等国蓬勃兴起， 很快就形成了多种互不兼容的移动电话系统。,表7 1（略）列出了上述几种蜂窝移动电话系统的主要性能。 我国自20世纪90年代初， 相继从Motorola、 Ericson、 NEC等公司引进了AMPS系统和TACS系统。 原邮电部确定移动电话采用TACS标准， 后来引进的系统以爱立信公司的ETACS为主要系统设备。 1990年月， 国家无线电管理委员会重新规定移动电话使用的频段为890915 MHz与935960 MHz。,上述各种蜂窝网移动通信系统均具有下列的主要功能： 具有与公用电话网进行自动交换的能力。 双工通信， 语音质量接近市话网标准。 双向自动拨号， 包括移动用户与市话用户间的直接拨号以及移动台之间的直接拨号。 用户容量大。 采用小区制频率复用技术。, 具有自动过境切换频道技术， 切换时间小于20 ms。 设备通用性较强。 通常基站、 移动台等设备在网络覆盖范围内可以通用。 各地之间可以联网， 具有自动漫游功能。,7.1.2 系统结构 通常， 在一个大型蜂窝网移动电话系统中有若干个移动电话交换局(MTSO)， 也称作移动交换中心(MSC)。 图7 - 1示出由两个移动电话交换局构成的蜂窝网移动电话系统结构。 这种类型的网络系统常称作公共陆地移动网(PLMN)。,图 7 - 1 蜂窝网移动电话系统结构,由图7 - 1可见， 蜂窝网移动电话系统由三大部分组成， 即移动电话交换局(MTSO) 、 基站(BS)和移动台(MS)。 其中， MTSO(或MSC)是基站与市话网之间的接口， 是蜂窝网控制中心， 它不仅具有一般程控交换机所具有的交换、 控制功能， 还具有适应移动通信特点的移动性管理功能， 以完成移动用户主呼或被呼所必需的控制。,7.2 模拟移动电话系统的组成,AMPS与TACS两种系统十分相似， 两者只在频率、 频道间隔等有所差异， 而在系统组成和工作原理等方面都是相同的。 图7 - 2示出的是AMPS系统组成的简化方框图。 系统主要由移动电话交换局(MTSO)、 基站(BS)和移动台(MS)三大部分组成。 MTSO与BS之间一般用有线连接， 而BS与MS之间是无线链路。 下面分别对MTSO、 BS和MS作简要说明。,7.2.1 移动电话交换局(MTSO) 在蜂窝网移动通信系统中， 移动用户与市话用户之间以及移动用户之间建立通话时必须进行自动接续与交换， 完成这种接续与交换的设备称作移动交换设备。 它除了具有一般 的程控电话交换机功能外， 还具有移动通信特有的一些功能， 例如， 对移动台的识别和登 记、 频道指配、 过境切换处理、 漫游和呼叫处理等。,7.2.2 基站(BS) 基站由射频部分(射频架和收、 发天线)、 数据架和维护测试架等几部分组成。 当基站采用120扇区辐射方式时， 需配3个射频架， 数据架、 线路监测架与维护测试架各一个， 如图7 - 2所示。,图 7 - 2 AMPS系统组成简化方框图,1. 射频架 图7 - 3示出的是16个信道射频架组成的方框图。 图中， TRAN0TRAN15为16部发射机主机， 工作频段为 870890 MHz， 输出功率约为1， 信道频率由主频率源(频率合成器)控制。,图 7 - 3 射频架组成方框图,接收信号的频率范围是825845 MHz， 即为移动台的发射频率。 采用两副接收天线， 进行二重空间分集接收。 从天线上接收到的信号先接到825845 MHz带通滤波器， 滤除带外干扰， 再经低噪声前置放大器和116功率分配器， 进入RCVR0RCVR15的16部接收机。 由于功率分配器增加了插入损耗， 所以在功率分配器前加入了低噪声前置放大器。,下面给出模拟蜂窝系统移动电话系统基站主要设备机柜装配示意图。 图7 - 4为TACS系统CMS8810机的单机柜。 图7 - 5为LD系列5个机架基地站的组合图。 图7 - 6为HC系列3个机架基地站的组合图。,图 7 - 4 无线柜(架)CMS8810机,图 7 - 5 LD系列5个机架基地站的组合图,图 7 - 6 HC系列3个机架基地站的组合图,2. 数据架 数据架组成方框图如图7 - 7所示， 主要包括下列5个部分： 与MTSO数据链路相连的数据设备、 控制器、 建立无线电、 定位接收机、 语音信道数据接收机。 数据设备和控制器均含备用设备。,图 7 - 7 数据架组成方框图,控制器： 由小型通用程控器、 奇偶校验器和存储单元等组成， 以存储、 处理来自MTSO或移动台的数字信令， 并处理来自基站本身线路监测架和维护测试架的数据或控制信令。 建立无线电： 专门用来发送和接收数字信令， 以便建立无线话路， 所以称作“建立无线电”。 定位接收机： 定位接收机用于频道切换。,3. 线路监测架和维护测试架 线路监测架的主要功能是为 MTSO和射频架提供音频信号电路接口， 此外， 还进行线路监测， 包括监控单音发送、 接收以及信令编码。 维护测试架的功能是对各种设备状况进行测试。 图7 - 8示出的是移动台组成方框图， 它主要包括控制单元、 逻辑单元和收发信机等。,图 7 - 8 移动台组成方框图,7.2.3 移动台(MS) 1. 控制单元 用户控制单元包括送受话器、 键盘、 指示灯和蜂鸣器等。 它与普通电话机不同之处如下： 为了节省占用无线信道时间以及发生错拨现象， 用户拨号时并不立即发出， 而是将逐位数字显示并存入寄存器中。,2. 逻辑单元 逻辑单元是移动台的主控部件， 主要由单片微处理器组成， 实施宽带数据信令(AMPS是10 kbs， TACS是 8 kbs)的编码、 解码， 控制发射机开启， 检测并转发监控音(SAT)等功能。 由测量获得的各种模拟信号， 如信号电平、 噪声电平、 发射功率、 静噪检测结果、 压控振荡器的电压、 频率合成器中锁相环的工作状态等， 都经过AD变换送入单片微处理器进行处理， 并以指令方式送到收、 发信机中有关的受控部件， 从而使移动台具有一定的智能化功能。,3. 收发信机 收发信机主要由发射机、 接收机和收发共用的频率合成器组成。 车载台的接收也可采用二重空间分集， 以减小衰落的影响。 此时， 移动台需用两根天线， 其中一根天线收、 发合用， 另一根天线只作分集用， 采用选择式开关分集方式。 手机无分集功能， 收、 发共用一根天线。 由图7 - 8可见， 收发信机采用的是典型的调频设备。 已在我国广泛使用的移动台的主要性能如表7 2(略）所示， 包括TACS制式和E-TACS制式(两者只是工作频段不同)。,7.3 系统信道、 控制、 信令,7.3.1 无线信道 移动通信的无线信道如图7 - 9所示。 在基地站中， 每条无线信道对应一个信道单元， 有多少条无线信道， 就有多少个信道单元。,图 7 - 9 无线信道,1. 语音信道(VC) 语音信道如图7 - 10所示， 主要用于传递语音信号， 它的占用和空闲是受移动业务交换中心(MSC)控制和管理的。 在MSC中保存有一张所有信道和它们状态的表格(以数据形式)。 状态包含有： 空、 忙、 阻塞等。,图 7 - 10 语音信道,(1) 监测音(SAT)。 监测音是指在语音传输期间连续发送的带外单音。 (2) 数据。 在一定情况下， 在语音信道上还可传送数据。 (3) 信号音(ST)。 信号音为线路信号， 它是由移动台发出的单方向信号。,2. 控制信道(CC) 控制信道主要用于寻呼和接入， 如图7 - 11所示， 信道中只用来传送数据， 在每一个无线小区内， 通常只有一条控制信道。 所以一个“中心激励”的基地站， 配备一套控制信道单元； 而一个“顶点激励”的基地站(通常是覆盖三个扇形小区)应配备三套控制信道单元。,图 7 - 11 控制信道,控制信道的作用： (1) 寻呼。 当移动用户被呼时， 就在控制信道上发出呼叫移动台信号， 所以又称为寻呼控制信道(PC)。 (2) 接入。 当移动用户主呼时， 就在控制信道上发出主呼信号， 通过基地站向移动业务交换中心发出入网信息， 所以又称控制信道为接入控制信道(AC)。,如果MSC管理21个基地站， 则将有21条控制信道， 在无线小区内移动的移动台， 只要不处于通话状态， 总是在进行自动扫描接收， 如图7 - 12所示。 并停靠在信号最强的控制信道上， 实质上就是停靠在最近的基地站控制信道上进行守听， 等待寻呼。 当移动台行驶到新的无线小区时， 如图7 - 13所示， 它就会自动停靠到新区基地站的控制信道上。,图 7 - 12 移动台总是调谐到同一条控制信道,图 7 - 13 移动台改变控制信道,3. 冲突退避 由于移动台的主呼是随机的， 因此当一个无线区内有两个以上移动台同时发起主呼， 就会因争用控制信道而发生冲突现象。 为此， 系统需要为减少冲突而建立一种退避规则。 AMPS和TACS系统采用的办法是： 在前向控制信道的信令中每隔 10位发一个忙闲标志位。 当控制信道“忙”时， 该比特位为“0” ； 当控制信道“闲”时， 该比特位为“1”。 移动台在反向控制信道中发出预告信息， 表示要占用控制信道后， 继续观察前向控制信道的忙闲位。,7.3.2 频率的配置 通常， 在一些欧美国家， 如美国、 英国、 ， 每个大城市有两个竞争移动通信业务的经营者， 其一总是那个区域现有的电话公司之一， 叫做有线公司； 其二是后来的无线公司。 为此在考虑频率配置时， 把900 MHz频段分为相等的两部分， 分别配给两家公司， 一段称为系统A， 一段称为系统B， 用户可以在他们之中自由选择。,图7 - 14表示了两个系统的控制信道配置情况。 由图可见， 每个系统配置21条控制信道， CMS8810的系统A设置在第 23 43号信道(不同设备控制信道数及设置位置是不一样的)。 这些控制信道为专用控制信道， 它们的信道号(频率)是预定的， 不可变的。 移动台在不通话时， 总是对21条控制信道进行自动扫描后， 停靠在信号最强的一条控制信道上守听， 等待寻呼， 或发出主呼。,图 7 - 14 CMS8810控制信道的配置,7.3.3 数字信令 蜂窝移动电话系统由于容量大， 所以都采用专用控制信道来传输数字信令。 系统的传输信道共分为五种， 即前向和反向控制信道， 前向和反向语音信道以及有线信道。 由于传输要求不同， 信道特性也有差别， 因此不同信道所传输的数字信令及其格式也是不同的。,1. 前向控制信道FOCC(Forward Control Channel)中的控制信令 图7 - 15示出了前向控制信道的信令格式， 每一帧共463比特。 其中包括： 200比特信息字A， 每字40比特， 重复5次， 分别记作A1， A2， ， A5； 200比特信息字B， 每字40比特， 重复 5次， 分别记作B1， B2， ， B5； 10比特位同步； 11比特字同步； 42比特忙闲比特。,图7 15 前向控制信道,(1) 位同步码。 每次发送信息之前先发10比特的位同步码， 其码型为1010间隔码。 (2) 字同步码。 紧接位同步码后发送11比特的字同步码， 其码型是具有特殊最小间距的巴克码， 即11100010010。 (3) 忙/闲比特。 在前向控制信道中， 每隔10比特发一个忙闲标志信息位。,(4) 字A和字B。 字A或字B要根据移动台识别码的最低位标志， 确定是在系统A还是在系统B上传送。,字A和字B交替传送的目的是减小错误的相关性， 各重复5次， 以便进行5中取3的大数判决。 在这40比特中包含28个信息比特， 它是BCH (63， 51)的截短码， 即BCH(40， 28)， 其生成多项式是 g(x)= x12+x10+x8+x5+x4+x3+1, 寻呼移动台报文。 移动台识别码采用10位数字组成(最长可达15位)。 第13位是移动业务国家或区域号， 第4位是移动电话网或系统的代号， 用于区分A和B两个系统， 最后6位是移动用户号码。,10位数字共占34比特。 除第4位按BCD转换成二进制代码占4比特外， 其余各占10比特。 所谓BCD编码， 是指利用若干二进制数码来表示一位十进制数的方法， 统称为二-十进制数编码。 例如8421码， 就是BCD码的一种， 二进制10 01的8421码代表十进制18+04+02+1=9。 当然还有其它形式的BCD编码， 如2421、 4221、 5121、 5421、 7421等。,例如， 某移动台识别码为 3211456789， 则其相应的34比特二进制代码可按下述步骤求出： 先进行13位转换。 由于D1=3， D2=2， D3=1， 故100D1+10D2+1D3-111=210210用10位二进制表示为“0011010010”(算式如下)。,第4位是1， 它的BCD代码是“0001”为4位二进制代码。 移动用户号码是456789，分为高3位(456)和低3位(789)。高3位(456)的计算和转换： 1004+105+16-111=345 故345用10位二进制表示为“0101011001”(算式如下)。,低3位(789)的转换与计算： 1007+108+19-111=678 故678用10位二进制表示为”1010100110”(算式如下)。,于是得到10位数字移动台识别码3211456789的34比特二进制代码为,“0011010010 0001 0101011001 1010100110,10比特,4比特,10比特,10比特,CMS8810寻呼移动台报文格式如图7 - 16所示。 图中 3位数字移动台识别码与前 10个比特相对应， 7位数字移动台识别码与后24个比特相对应， 它们都是经过BCH编码后才放置在图中位置上的。 图中空格可不用， 用连续地0来填充。 DCC为数字色码， 它是由2比特数字组成， 可表示四种不同状态， 用以识别发送这些报文的无线小区属于哪个基地站。 值得指出的是，在以下所有报文中， 发送时都必须含有移动台识别码。,图 7 - 16 寻呼报文, 指定语音信道报文。 此报文是一条指令。 在呼叫建立期间， 它命令移动台从控制信道转换到由移动业务交换中心指定的某一语音信道上， 其格式如图7 - 17所示。 图中SCC用于指出该语音信道上发送的是哪个监测音(SAT)， 它也是2比特数字码， 表示三种情况： SCC 监测音(SAT)色码 SCC - 00 SAT5970 Hz。 SCC - 01 SAT6000 Hz。 SCC - 10 SAT6030 Hz。,图 7 - 17 指定语音信道报文, 命令重试报文。 在建立呼叫期间， 由于最佳的无线小区所有语音信道示忙， 而使移动业务交换中心选不到语音信道时， 就发出命令重试报文， 以命令重试报文代替指定语音信道报文， 其格式如图7 - 18所示。,图 7 - 18 命令重试报文,图 7 - 19 RECC信令格式,2. 反向控制信道RECC(Reverse Control Channel)中的控制信令 反向控制信道的信令格式如图 7 - 19所示。 每一帧前 48 比特的前置头称为占用预告。 其中， 位同步 30 比特； 字同步是11位巴克码； 还有 7个比特为数字色码， 它表示所要占用基站的代号。 其后为5个数据字组A、 B、 C、 D、 E。 每个字组由 48 比特的数据重复 5次组成， 以进行择多判决。,3. 前向语音信道FVC(Forward Voice Channel)中的控制信令 语音信道主要是用于传输语音， 但通话期间还有一些必要的信令必须传输。 在语音信道中， 传输数字信令的办法是采用插入方式， 语音将被瞬时地切断， 但由于信令所占的时间很短(约为0.1秒左右)， 因而对语音影响不大。 前向语音信道插入的信令格式如图7 - 20所示。,图 7 - 20 FVC信令格式,4. 反向语音信道RVC(Reverse Voice Channel)中的控制信令 反向语音信道与前向语音信道相似， 主要用于传输语音， 但必须在通话期间传输一些数字信令， 如对过境切换频道确认、 对调整发射功率响应等。,5. 有线数据信道的控制信令 BS与MTSO间的有线数据线路专门用来传送数字信令。 因为有线信道是恒参信道， 无衰落且干扰小， 所以无需重复发送。 一般采用标准的 2.4 kbs或4.8 kbs的速率传输。 有线数据信道信令格式如图7 - 21所示。,图 7 - 21 有线数据信道信令格式,“源地址”是BS发往MTSO时使用的， 它表明数据信息的来源， 以此区分信息是从控制信道接收机、 定位接收机还是语音信道接收机送来的。 “宿地址”， 也称目的地址， 是由 MTSO发往BS时使用的， 它表明信息将发往何处， 是送往控制信道发射机还是送往语音信道发射机。,7.4 FDMA系统的交换技术,7.4.1 无线信道上通话监视 在通话期间， 基地站的语音信道设备(接收机和控制单元)连续地监视无线传输质量。 它所监视的项目是监测音(SAT)信杂比和无线频率(RF)信号强度。 如果检查表明其中之一传输质量下降， 则必须采取一些措施， 如图7 - 22所示。,图 7 22 呼叫监视,1. SAT信杂比 SAT信杂比是指当基地站开始工作时， 由语音信道单元连续发送的SAT， 经移动台接收并环回到基地站后， 与无线信道上杂音的对比。 在与MSC初始化规定的门限值(如图7 - 23所示)比较后， 语音信道控制单元判断传输质量是否可以接受。,图 7 - 23 贮存在语音信道控制单元中的信杂比门限值,2. 无线频率(RF)信号强度 每个语音信道接收机连续地对它的无线频率(射频)进行信号强度测量。 控制单元还将测量结果与图7 - 24所示的信号强度门限值进行比较。,图 7 - 24 储存在每个语音信道控制单元中的信号强度门限值,7.4.2 位置登记及一齐呼叫 大家知道， 在大范围的服务面积情况下， 一个MSC系统的移动用户达到一定数量(大约为40 000到50 000数量级)， 要寻呼某个移动台， 如果事先不知道它所处的位置， 就得对所有区域依次进行寻呼， 或者对所有区域进行一齐呼叫， 这样就有可能使得呼叫接续时间比通话时间还长， 使得时间和线路的使用效率都不够高。,为此， 通常以一个MSC服务区域为位置区， 若干个MSC分为若干个位置区。 或者在一个MSC服务区域中， 人为地把它所管辖的无线小区划为若干个位置区， 如图7 - 25所示。,图 7 - 25 一种位置登记示意图,现举例说明位置登记过程。 如图7 - 25所示， 假定MS由BSA3小区驶往BSA4小区； (1) MS通过BSB4向被访MSCB报告(即进行位置登记)。 (2) 被访问MSCB根据MS的原籍区域号及用户识别码等， 通过数据线， 找到原籍MSC的原籍位置寄存器进行咨询， 查出该用户识别码， 并把给MS的新区位置号存入原籍位置寄存器(在原籍MSCA中)。,(3) 与此同时， 位置信息也在被访问MSCB的被访问位置寄存器中存入， 以备MS被呼时使用。,有时在一个MSC系统中， 当移动台达到一定数量， 大约为40 00050 000数量级时， 为便于寻呼某一移动台， 人为地把MSC所管辖的无线小区划分为若干位置区域， 如图7 - 26 所示。 在跨越位置区域时， 也要重新进行位置登记， 以便在寻呼MS时好查找。 例如， MS由BSA6小区驶向BSA1小区：,(1) MS通过BSA1向原籍MSCA报告(即进行位置登记)。 (2) 原籍MSCA中的原籍位置寄存器存入变更后的新区域号， 以备市话用户寻呼时， 便于在位置区3内一齐呼叫。 (3) 使MS的动态存储器中区域号变为新号。,图 7 - 26 另一种位置登记示意图,7.4.3 呼叫过程 1. 移动用户被呼 市话用户先拨MSC的识别码90(R)， 然后拨移动台号码ABCD。 信令进入MSC在用户存储器中加以识别， 如数据相符， MSC通过数据信道将寻呼信号送至该移动用户所在位置登记区， 由该位置区内所有BS通过寻呼信道， 向MS一齐呼叫移动台识别码， 其过程如图7 - 27所示。,图 7 - 27 移动用户被呼示意图,2. 移动用户主呼 平时， 移动台停靠在信号最强的控制信道上守听， 当发起呼叫时， 先拨被叫用户号码(按键)， 然后按SND键， 在控制信道中发出移动台系列号、 识别码及被叫用户号码等， 其过程如图7 - 28所示。,图 7 - 28 移动用户主呼示意图,3. 呼叫释放 通话完毕， MS挂机后的控制过程称为呼叫释放。 MS挂机后按END键， 其过程如图7 - 29所示。,图 7 - 29 呼叫释放示意图,7.4.4 定位和交接 1. 定位 通常每个无线小区都装备有信号强度接收机(SSR)， 它由接收机和控制单元组成， 与信道单元相同。 实质上， 它就是没有发射机的信道单元， 其结构如图7 - 30所示。SSR的主要作用是确定在相邻无线小区内处于通话状态的移动台位置， 因此SSR也称为定位单元。,平时， 每个无线小区中的SSR， 周期地对系统所有的无线频率进行抽样测量(有多少信道抽多少个样值)。 在实现交接(信道转换)时， 由于主控MSC只对相邻小区的无线信道抽样值感兴趣， 所以届时主控MSC会发出指令， 仅对相邻无线小区的无线信道进行扫描接收， 并及时把抽样值(平均值即考虑以前结果)向主控MSC汇报。 这样， 主控MSC就可掌握即将进行交接的移动台动向， 为信道转换作好准备。,例如， 某一无线小区请求交接， 移动业务交换中心将要求相邻无线小区发送移动台信号强度的测试结果， 如图7 - 31所示， 并在主控M