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移动通信技术基础,2008年12月,课程目标,熟悉移动通信基础知识 了解2g/2g+移动通信系统结构 了解3g移动通信系统结构和演进 了解cn结构和移动通信基本呼叫流程,移动通信技术基础,1 移动通信基础知识,1.1 移动通信发展历程,1.2 移动通信的主要特点,1.3 移动通信网络结构与体制,1.4 移动通信呼叫相关概念,1.5 移动通信的主要技术,1.1.1 移动通信发展历程,第一代蜂窝系统： amps （美国） tacs （英国） nmt （北欧）,第二代蜂窝系统： gsm/dcs1800 （欧洲） is-95 cdma （美国）,第三代蜂窝系统： wcdma cdma2000 td-scdma,模拟系统,数字系统,数字系统,模拟向数字的发展,语音业务向多媒体业务的发展,1.1.2 移动通信发展历程,1.1.3 移动通信发展历程,以音频为主的单媒体,以流业务为主的多媒体,微波/光纤,光纤/微波,有线/无线,无线/有线,pdh/sdh,sdh/pdh,stm/ipv4,atm/ipv6,20世纪,21世纪,21世纪通信的重大变革,无线宽带多媒体通信系统 无线ip和无线atm 无线通信和互联网/多媒体通信相结合,1 移动通信基础知识,1.2 移动通信的主要特点,1.1 移动通信发展历程,1.3 移动通信网络结构与体制,1.4 移动通信呼叫相关概念,1.5 移动通信的主要技术,1.2.1 移动通信的主要特点,概念 指移动通信双方或至少其中一方在运动状态中进行信息传递的通信方式。,特点 利用无线电波进行信息传输 在复杂的干扰环境中运行,1.2.2 移动通信的主要特点,无线传输损耗模型 路径损耗 阴影衰落（慢衰落） 多径衰落（快衰落）,1.2.3 移动通信的主要特点,资源紧张：日益增长的用户数和有限频谱资源的矛盾 环境恶劣：用户对业务质量的需求和无线传播环境的矛盾,可靠性,有效性,1.2.4 移动通信的主要特点,无线传播环境的复杂性： 天波（电离层、对流层）、地波（直射、反射、衍射、透射等）,无线通信的传播信道特性,信道的分类 带宽受限信道和功率受限信道 非色散信道和色散信道 恒参信道和变参信道 点对点信道和多址信道,1.2.5 移动通信的主要特点,带宽受限信道 eb/n0 w 无限,功率受限信道 w eb/n0 有限； 当w ，eb/n0 -1.6db，即为香农极限;,加性高斯白噪声信道上的香农定理,带宽不能无限制的换取功率,功率可以无限制地换取带宽,噪声功率n与信道带宽b有关，故若噪声单边功率谱密度为n0（w/hz）， 则噪声功率n=n0*b,1 移动通信基础知识,1.3 移动通信网络结构与体制,1.1 移动通信发展历程,1.2 移动通信的主要特点,1.4 移动通信呼叫相关概念,1.5 移动通信的主要技术,1.3.1 移动通信网络结构,移动终端：多模式、多频段、多样化的终端设备 无线接入网：包括rnc、nodeb等，实现无线传输和控制功能 核心网络：包括msc、hlr、vlr、sgsn、ggsn等，提供信息交换和传输、控制 电话交换网络：pstn ip网络,1.3.2 大区制和小区制,1.3.3 蜂窝小区,蜂窝技术 不单纯分割频率 通过分割地理区域 更加有效的使用无线频率,1.3.4 蜂窝规划,系统的总面积为as，蜂窝小区的面积为ac，单位带宽所能支持的小区用户数（小区容量）为m，整个工作频段的带宽为w，系统的簇尺寸为k。 ,系统的总用户数为：,系统容量和小区容量成正比，和簇尺寸成反比，和小区面积成反比,整个系统在单位带宽、单位面积内的用户数（系统容量）为：,1.3.5 蜂窝扇区化,系统的容量及干扰对簇尺寸的要求是互相矛盾的。提高簇尺寸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簇尺寸k。在此条件下再采取其它提高容量的措施。,扇区化能够减少干扰，降低对簇尺寸的要求，提高系统容量,1 移动通信基础知识,1.4 移动通信呼叫相关概念,1.1 移动通信发展历程,1.2 移动通信的主要特点,1.3 移动通信网络结构与体制,1.5 移动通信的主要技术,1.4.1 移动通信系统的基本呼叫,moc,mtc,mmc,三种基本的呼叫过程： moc mtc mmc,1.4.2 移动主叫有关的体系结构,moc基本的呼叫过程，涉及： ue、rnc/nodeb、(g)msc(vlr)、hlr、pstn等实体 接口包括uu、iub、iu-cs/iu-ps、no.7等 媒体方式包括amr、64k(pcm),1.4.3 移动被叫有关的体系结构,home location与visting loacation msc与多个utran（rnc/nodeb） 单个utran（nodeb/rnc）与多个ues,1.4.4 漫游,漫游是蜂窝移动电话的用户在离开本地区或本国时，仍可以在其他一些地区或国家继续使用他们的移动电话手机。,1.4.5 切换技术,按控制方式分： 网络控制切换 移动设备控制切换 移动设备辅助切换 网络辅助切换,按进行切换需要交换的信息资源分： 后向切换 前向切换,按切换期间同时连接的基站数目分： 硬切换 软切换(更软切换) 接力切换, 切换前,接力切换,硬切换,软切换,原服务基站,目标基站,原服务基站,目标基站,原服务基站,目标基站, 切换中,接力切换,硬切换,软切换 （长期保持）,原服务基站,目标基站,原服务基站,目标基站,原服务基站,目标基站,软切换浪费资源！,硬切换容易掉话！, 切换后,接力切换,硬切换,软切换,原服务基站,目标基站,原服务基站,目标基站,原服务基站,目标基站,1 移动通信基础知识,1.5 移动通信的主要技术,1.1 移动通信发展历程,1.2 移动通信的主要特点,1.4 移动通信呼叫相关概念,1.3 移动通信网络结构与体制,1.5.1 移动通信的主要技术,信源编码,信道编码,调制,信道,干扰,信源译码,信道译码,解调,1.5.2 多址接入技术,基本类型 fdma ：frequency division multiple access tdma ：time division multiple access cdma ：code division multiple access sdma* ：space division multiple access,概念 在一个通信网内各个移动台、站共用指定的射频频道，进行相互间的多边通信。 主要是用于网络侧区别不同的上行用户；, 多址技术-multiplex,sdma,1.5.3 双工技术,频分双工（fdd） 是移动终端至基站的无线双工联系的传统方式，即上下行链路使用各自的频段。 时分双工（tdd） 是指上行和下行使用同一频段，但需要根据时间进行传输方向的转换。, fdd/fdma和tdd/tdma,tdd：用户的收发信息，通过上行和下行信息在不同时间间隙进行传递，从而实现用户能够同时进行信息的收发。 tdma：用户在收发信息时，区别于其他用户的方式，是独占一个频率的无线信道的某些固定时间间隙,fdd：用户的收发信息，通过上行和下行的不同频率信道进行传递，从而实现用户能够同时进行信息的收发。 fdma：用户在收发信息时，区别于其他用户的方式，是独占一个频率的无线信道。,1.5.4 扩频调制技术,shannon 在1948年发表论文，对信道极限容量进行了分析：,w 为带宽, 单位:hz s 为信号功率,单位:w n 为总的噪声功率,单位：w c 为信道容量，单位：bit/s,以频带换取信噪比, cdma扩频技术,利用无线信道的频率选择性衰落, 窄带干扰,窄带干扰的抑制作用比较明显, 宽带干扰,宽带干扰的抑制作用不明显,1.5.5 cdma 技术- 码树的概念,1 移动通信基础知识,1.1 移动通信发展历程,1.2 移动通信的主要特点,1.4 移动通信呼叫相关概念,1.5 移动通信的主要技术,1.3 移动通信网络结构与体制,课程回顾,移动通信技术基础,2,2g/2g+移动通信系统,2 2g/2g+移动通信系统,2.1 gsm网络,2.2 2g+网络,2.1.1 gsm网络,fdd/tdma gsm在单一数字电路交换平台上，完成数字式话音与同一低速率电路交换的数据业务；,2.1.2 结构和网络实体,基站子系统（bss）：负责提供和管理移动台与网络和交换子系统设备间的传输路径。 基站控制器（bsc）：管理设备，控制bts，负责所有的无线接口管理，主要是无线信道的分配、释放及切换管理。 基站收发台（bts）：是传输设备，包括无线发射和接收设备、天线及所有无线接口特有的信号处理设备。 网络和交换子系统（nss）：管理gsm用户和其他电信网络用户之间的通信。 移动业务交换中心（msc- mobile switch center） 访问位置寄存器（vlr- visited location register） 归属位置寄存器（hlr- home location register ） 鉴权中心（auc- authentication centre ） 设备识别寄存器（eir- equipment identify register） gsm业务控制实体（gsmscf）,pstn/isdn,msc/vlr,gmsc,nss,bts,bsc,bss,a,hlr/auc/eir,smc iw/gmsc,scp,2.1.3 gsm区域的概念及逻辑结构,2.1.4 bts/cell/sector,定向站,全向站,三扇区,2 2g/2g+移动通信系统,2.2 2g+网络,2.1 gsm网络,2.2.1 什么是2g+,2g+是在电路（cs）交换平台之外再建设一个分组（ps）交换平台，承担分组交换的各类数据业务服务： 通用分组无线电业务（gprs）； gsm演进增强型数据速率（edge）；,2.2.2 gprs网络结构,sgsn：与bss接口，与gsm网中网元msc/vlr功能类似，为ms提供分组数据服务 ggsn：负责提供gprs网与外部分组数据网络的接口。,internet x.25,其他的 gprs网络,sgsn,ggsn,gprs骨干网,bts,bsc,bss,gb,gtp隧道协议,2.2.3 gprs网络的接口,gb：bss和sgsn之间的接口，提供移动性管理和安全管理功能。,sgsn,ggsn,msc/vlr,hlr,bts,bsc,bss,pdn,sgsn,ggsn,外部plmn,sms-gmsc sms-iwmsc,eir,sm-sc,gb,gn,gn,gi,gr,gc,gs,gd,gp,gf,cg,ga,a,d,c,e,ga,2.2.4 edge,edge 采用了新的调制技术和新的信道编码，可以用于传输分组交换（ps）和电路交换（cs）数据/语音。 edge 网络的体系结构与gprs 网络的体系结构基本相同 允许在gprs现有网络软、硬件架构改动不大的情况下，在现有频段上支持gsm向imt2000/umts演进； 3gpp 已经标准化edge，即geran；,2 2g/2g+移动通信系统,2.1 gsm网络,2.2 2g+网络,课程回顾,移动通信技术基础,3 3g移动通信系统,3.1 了解3g,3.2 r99、r4、r5、r6网络,3.3 3g三大标准比较,3.4 3g业务,3.1.1 了解3g,imt2000 (international mobile telecommunications-2000) 1985年itu(国际电联)提出fplmts 1996年正式更名为imt2000,imt-2000的特点,全球漫游 (陆地+卫星) 与2g后向兼容 经济、灵活的接入 高速数据业务/多媒体 电路/分组交换 高的系统容量 保证高的业务质量 imt-2000家族内兼容 与固网融合,3.1.2 为什么发展imt-2000,现有第二代数字移动通信系统的不足 频谱利用率不够高-容量问题 传输速率较低-业务单一 存在多个标准- 无法实现全球漫游,任何人、在任何地点、任何时间与其他任何人进行任何方式的通信,3.1.3 3g的目标,主要目标： 实现移动通信网络全球化、业务综合化和通信个人化,3.1.4 3g国际标准化格局,3gpp 制定基于gsm/gprs核心网、全ip核心网，无线技术为wcdma、td-scdma和edge的技术规范； 3gpp2 制定基于ansi-41核心网、全ip核心网，无线技术为cdma2000的技术规范,3.1.4 imt-2000频谱规划(含扩展频谱),60mhz,60mhz,15 mhz,100 mhz,2400,2300,2483,5,ism频段 (wlan, oven, bluetooth) 83,5 mhz,2500,2690,(空) 190 mhz,155 mhz频段用于tdd! 至少有120 mhz频段用于fdd,1900,1920,1980,2010,2025,2110,2170,1880,1805,1755,30 mhz,30 mhz,1850,35+5 mhz,3.1.5 中国的3g频率规划,tdd,ism,imt-2000 扩展频段,fdd (上行),tdd,tdd,dcs (下行),卫星,(空),fdd (下行),fdd补充,fdd补充,3 3g移动通信系统,3.2 r99、r4、r5、r6网络,3.1 了解3g,3.3 3g三大标准比较,3.4 3g业务,3.2.1 移动通信技术及演进,gsm,gprs,wcdma,cdmaone,cdma2000-3x,cdma2000-1x,data & voice 1xev-dv,data only 1xev-do,hsdpa*,td-scdma,edge,pdc,hspa,10s of kb/s 100s of kb/s 2mbps 5mbps 10 mb/s 20mbps 100mbps,lte,umb,3gpp标准化,3gpp2标准化,3.2.2 3gpp通信标准演进,r99:2000年3月完成 新增无线接口 新的ran结构（如rnc、node b、切换等） iu、iub、iur接口均基于atm方式 r4: 2001年3月完成 移动软交换体系：控制与承载分离(mss/mgw) 低码片速率tdd（1.28mcps) 无论是信令部分还是话音部分都可以用atm或ip承载 流体传输（实时视频的检索）、多媒体消息传送 r5: 2002年6月完成 增加多媒体子系统（ims域） 实现全ip网络，包括基于sip 的多媒体业务 hsdpa r6: 引入了mimo、mud等 新的业务如mbms、presence、支持push等 增强功能和扩展,3.2.3 3gpp:r99 网络结构,pstn/isdn,无线接入网,互通网络,gsm base station system,bts,bsc,pstn/isdn,cs 域,other plmn,a,scp,hlr,cap,核心网,gb,gprs backbone ip transport,ps域,ggsn,gn,internet intranet,msc- vlr,sgsn,g-msc,map,map,map,cap,sms sc,gp,gi,utran,nodeb,rnc,iu ps,iu cs,3.2.4 r99网络中的网元,无线接入网络包括两类功能实体：node b/rnc node b与bts功能类似 rnc与bsc功能类似 接入网内部接口基于atm,其他已有的功能实体功能扩展(sgsn、ggsn),3.2.5 3gpp:r4网络结构,ip or atm transport,接入网,互通网络,pstn/isdn,cs域,other plmn,scp,hlr,核心网,msc server,nodeb,rnc,utran,iu cs,g-msc server,bicc,map,cap,mgw,cs-mgw,h.248 / megaco based,h.248 / megaco based,bts,bsc,a,3.2.6 r4核心网新增网络实体,r4核心网中新增设备(主要发生在电路域)包括： msc 服务器(msc server)：它独立于底层承载协议，主要实现呼叫控制、移动性管理、媒体网关接入控制等主要功能； gmsc服务器(gmsc server)：与msc 服务器的功能基本相似； 媒体网关(mgw)：主要功能是将一种网络中的媒体转换成另一种网络所要求的媒体格式(媒体转换和帧协议转换)；,3.2.7 3gpp:r5概述,r5的工作集中在业务侧-基于ip的多媒体子系统(ims)，完成路由选取以及多媒体会话等功能； 在传统的电路交换域(cs域)和分组交换域(ps域), 其架构保持不变； 为解决ip管理问题ims引入了ipv6； 随着r5的完成，将为全ip网络的运营提供一个可以开始建设的基础。,3.2.8 3gpp:r5网络结构,internet,接入网,互通网络,gsm bss,bts,bsc,pstn/isdn,gb/iu ps,services & applications,hlr,核心网,cscf,nodeb,rnc,utran,iu ps,mgcf,map,hss,mgw,sip,h.248,ip transport,ps域,ggsn,3g-sgsn,gi,sip,ip access with mobility,业务&应用,cs域,3.2.9 3gpp:r6概述,r6网络结构没有太大变更，增加了一些新的功能特性以及对已有功能特性的增强： 支持不同频率的umts； 多输入/多输出(mimo)天线，包括实现技术； 基于ps、ims的紧急呼叫业务； ims phase ii； mbms：网络需要增加新的多播广播中心功能实体 presence：实时了解用户的状态和可及性等信息； wlan-umts互通； 。,3 3g移动通信系统,3.3 3g三大标准比较,3.2 r99、r4、r5、r6网络,3.1 了解3g,3.4 3g业务,3.3.1 三种标准技术参数比较,3.3.2 cdma 2000,cdma2000 的第一阶段称为1x，比1x 更高的cdma2000 技术进展包括1xev(高速数据速率)； cdma 2000的网络组织方式为模块化方式；,无线部分 采用前向功率控制、turbo码等新技术 电路交换部分 采用传统的电路交换方式 分组交换部分 以ip技术为基础的网络结构,3.3.3 wcdma,wcdma（fdd/ds-cdma） 接收机可获取的信道信息较多，可以适应更加高速的移动信道； 上下行频段对称分配，更加适合话音等对称业务； 上下行信道间隔较大，不利于智能天线的使用；,utra tdd wcdma的tdd补充模式； 用于解决室内办公环境和“热点”地区的通信需求； 不能独立组网；,3.3.4 td-scdma,td-scdma（tdd/cdma） 上下行时隙可灵活配置，适合对称和不对称业务； 上下行信道在相同时隙，适合采用智能天线技术。但用户移动速度越高，智能天线的可靠性越低； 单个时隙内用户数不多，可采用联合检测； 上下行之间需要保护时间，从而限制了小区覆盖半径； 采用多时隙不连续传输方式，看快衰落和于高速移动用户信号能力比fdd方式差； 随着时隙数的增多，par增大，对发射功率和功率放大器要求较高，利用智能天线技术减低了接收机灵敏度，可以减低发射功率； 按照itu要求的3种移动环境设计，支持多种使用环境；,3 3g移动通信系统,3.4 3g业务,3.2 r99、r4、r5、r6网络,3.1 了解3g,3.3 3g三大标准比较,3.4.1 业务不断拓广,1g：单一模拟话音业务； 2g：数字式话音与同一低速率电路交换的数据业务； 2g+：通过建立分组（ps）交换平台，并在其基础上提供可以接入包括internet的各类数据业务服务； 3g：逐步改造成单一的分组交换的ip平台，提供各类多媒体业务服务；,价值链发生变化 大量的内容、应用和增值服务提供商加入； 新的运营模式的出现，由此带来的技术和商务问题； 价值链条上各方的作用和彼此之间的关联（运营商、内容/应用提供商和设备制造商之间的合作模式）； 网络需提供方便的接入、支持新的计费和管理方式； 业务和应用的匮乏，及用户追求个性化和多样化的特点 在有限带宽、有限存储能力、显示和处理能力的移动终端上提供新的业务和应用尚处在探索阶段，业务种类较少； 移动终端越来越突出的个性化决定了用户对新业务需求的多样化；,3.4.2 移动业务的发展,3.4.3 业务实施的分层结构,连接层,控制层,承载业务层,业务引擎（service enabler),网络独立业务层,电信业务(话音+传真) 承载业务(基本数据+短信+gprs) 补充业务(呼叫前转+呼叫等待+),独立于网络运营商的业务(第三方业务) ringtone、downloading,网络接口,开放接口,业务引擎(提供业务给终端用户或者是业务供应商),e.g. mms， wap/xtml,3.4.4 业务类型,业务类型按qos分类： 会话类业务（conversational class） 主要用于传输实时业务流，其特点是传输时间短，同时必须保持数据流之间的时序关系 流业务（streaming class） 连续的单向数据流，对传输时延的要求不是很高，但在一个完整的数据流内应保持数据间的时序关系，同时还限制端到端数据流的时延抖动 交互类业务（interactive class） 主要用于www、ftp、email等应用，时延要求不严格，可以通过信道编码和重传提供更低的差错率 后台类业务（background class） 用于终端用户在后台发送和接收数据文件，它对传输时间不敏感，但要求较低的误码率,3.4.5 qos 类别,可识别4种类别: 会话业务 amr 语音业务 可视电话 电视会议 流业务 在线视频 交互业务 位置业务