第9章数字移动通信系统.ppt

第9章数字移动通信系统 9 1移动通信概述9 2蜂窝模拟移动通信系统TACS9 3蜂窝数字移动通信系统GSM9 4GSM系统的主要技术与设备9 5CDMA移动通信系统9 6数字移动通信的发展 从80年代起 移动通信发生了重大的变化并取得迅速的发展 80年代初 引入了利用模拟传输方式实现话音业务的第一代移动系统 美国AMPS 英国TACS等 80年代末 引入了利用数字传输方式的第二代移动通信系统 GSM IS 95系统 它们提供更高的频谱利用率 更好的数据业务以及比第一代系统更先进的漫游 第三代移动通信系统 WCDMA CDMA2000 TD SCDMA 研究起于1988年 在2002年在全球展开应用 第三代移动通信系统能够提供高比特速率业务来传输和接收高质量的图像和视频 并且还能够提供高数据速率的网络接入 新一代移动通信 我们称其为超三代B3G 或称其为第四代移动通信4G 其业务速率远大于第三代 如100Mbps 承载业务的带宽一般不小于20MHz 9 1移动通信概述 9 1 1移动通信特点1移动通信概念移动通信指通信双方至少有一方在移动中进行的信息交换 图9 1为移动通信示意图 2移动通信使用的频段移动通信属于甚高频VHF 特高频UHF及微波频段 公用移动通信使用的频段有150MHz 450MHz 800MHz 900MHz及1 8GHz等 电视频道中分配给移动通信使用频段 5 6频道为150MHz频段 12 13频道为450MHz 48频道以上为800MHz 900MHz 1 8GHz 民用移动通信使用频段 150MHz 450MHz用于无线传呼和集群通信 900MHz 1 8GHz用于蜂窝移动通信 模拟TACS890 905MHz移动发935 950MHz移动收 数字GSM CDMA 905 915MHz移动发950 960MHz移动收数字可用模拟频段1 8GHz联通GSM909 915MHz移动台发954 960MHz移动台收835 839MHz移动台发 军队 880 884MHz移动台收 军队 DCS1 8GHz1805 1880MHz 基台发 1710 1785MHz 移动台发 IMT 20001885 2025MHz移动台发2110 2200MHz移动台收 3移动通信的特点1 电波传播条件恶劣电波传播会发生直射 折射 绕射等 收端收到的是不同路径信号的合成波 不同位置 不同方向上合成波信号强度起伏的现象称为衰落 移动通信中接收信号的强弱值称为场强 图9 2为移动通信中的场强实测记录 图9 3为多径传播示意图 描述电波传播特性的数字特征 场强中值 衰落深度 衰落速率以及衰落持续时间 1 场强中值具有50 的概率场强值 图9 4为场强中值的确定示意图 T为统计时间 E0为规定电平值 T时间内超过E0的概率为 9 1 2 2 衰落深度接收电平值与场强中值电平之差 衰落深度 20lgEi 接收电平值 E0 场强中值 3 衰落速率接收信号场强变化快慢 N 1 85 103 v f 9 1 3 9 1 4 N 衰落速率 v 移动体速度 km h 工作波长 km f 工作频率 MHz 4 衰落持续时间场强低于某一给定电平值的持续时间 2 在强干扰条件下工作移动通信电波在地面受到许多干扰和噪声 噪声主要是人为噪声 干扰主要是内部干扰 3 具有多卜勒频移效应移动体运动达一定速度时 设备接收的载波频率随运动速度变化而产生频移的现象 v 运动速度 接收信号波长 电波到达时入射角 4 移动用户经常移动移动体经常移动带来呼叫 接续等的复杂性 9 1 5 9 1 2移动通信系统的发展移动通信系统的发展分为四个阶段 模拟蜂窝移动通信系统 数字蜂窝移动通信系统 国际移动通信系统及第四代移动通信系统 1模拟蜂窝移动通信系统1979年美国开通第一个蜂窝移动通信系统AMPS 高级移动电话业务 现存的较实用 容量较大系统有 北美的AMPS 北欧的NMT 450 900以及英国的TACS 工作频带均在450MHz和900MHz附近 载频间隔30kHz以下 2数字蜂窝移动通信系统数字蜂窝移动通信系统以数字传输 时分多址和窄带码分多址为主体 代表产品有两类 TDMA系统和N CDMA系统 TDMA系统 TDMA系列中较成熟且最有代表性的制式有泛欧GSM 美国D AMPS和日本PDC N CDMA系统 N CDMA 码分多址 系列主要是基于IS 95的N CDMA 北美地区基于N CDMA的PCS1900 3国际移动通信系统IMT 2000第二代移动电话系统频带太窄 不能提供如高速数据 慢速图像与电视图像等的各种宽带信息业务 并且不能实现真正的全球漫游 国际电联要求在2000年实现商用化的第三代移动通信系统IMT 2000 第三代移动通信系统的三大主流标准 WCDMA CDMA2000和TD SCDMA 关键特性 包含多种系统 世界范围设计的高度一致性 IMT 2000内业务与固定网络的兼容 高质量 世界范围内使用小型便携式终端 IMT 2000的频谱分配 上行频段 1885 2025MHz 下行频段 2110 2200MHz 移动卫星业务频段 1980 2010MHz 2170 2200MHz 4第四代移动通信系统4G B3G 4G是指移动时通信达到100Mbps 静止时达到1Gbps速度的无线通信技术 频率 带宽将有所变化 频率尚未最后确定 备选频率 410 470MHz614 806 862MHz3 4 4 2GHz 可选带宽 5 10 20 40 100MHz 4G核心技术 OFDM技术 SDR技术 MIMO技术 SmartAntenna技术等 9 1 3蜂窝移动通信概念1移动通信系统组成图9 5为陆地移动通信系统组成示意图 移动通信网PLMN由移动台MS 基站BS及移动交换中心MSC组成 移动通信网通过中继线与市话通信网PSTN连接 无线小区 每个基站的可靠通信服务范围 业务区 移动交换中心 基站区 位置小区组成一个移动通信的业务区 图9 6为移动通信网的结构示意图 2蜂窝移动通信无线覆盖区结构1 大区制一个基站天线覆盖区内的移动用户只能在该区域进行联络控制 特点 基站只有一个天线 频率利用率低 不能漫游 常用于集群通信 2 小区制业务区划分为若干小区 各小区分别设置基站来负责本小区移动通信的联络控制 如图9 7所示 特点 各基站频率组配备要使相邻基站天线覆盖区不同 基站使用3对频率 3 小区制的划分方法小区制分为 带状服务区和面状服务区 带状服务区 图9 8为带状网络示意图 图9 9为同频干扰示意图 为避免邻接小区使用相同频率造成的同频干扰 可配备双组 三组或四组频率 面状服务区 图9 10为组成面状服务区各种小区的形状示意图 各小区可用三角形 圆形 正方形及正多边形等形状 小区形状选取原则 邻接小区中心间距要大 单位小区的有效面积要大 交叠区域面积要小 交叠距离要小 所需无线电频率个数要少 图9 11为图9 10中各小区形状对应的最少无线频率个数 正六边形需要的频率个数最少 正六边形最适合构成面状服务区 因正六边形构成的面状服务区状似蜂窝 所以称蜂窝式移动通信网 4 蜂窝无线区移动通信网若干正六边形邻接小区组成一个无线覆盖区群 若干无线区群构成整个服务区 单位无线区群小区个数 N a2 ab b2图9 12为各种单位无线区群的结构示意图 单位邻接无线区群中 同频无线小区中心间距dg 小区个数N 小区半径r关系 9 1 7 9 1 6 3移动通信中的切换与漫游图9 13为三叶草形结构 无线区群由三个无线小区组成 基站设置在三个小区顶点 用120 定向天线向三个方向以不同频率组覆盖 切换 移动体从一个小区向另一个小区运动时发生的信道转换 切换可发生在同一基区 不同基区及不同移动交换区 图9 14为同一交换区不同基区切换示意图 移动体从BS1向BS2过渡时发生信道切换 图9 15为不同交换区切换示意图 移动体从MSCA的BSA3向MSCB的BSB4过渡时发生信道切换 漫游 在某地登记进网的移动台可在异地进行呼叫处理通信 漫游可发生在不同地区 不同省以及不同国家之间 漫游由移动通信网实现 有人称小区制蜂窝移动通信网为全球通 世界上有多种制式的蜂窝移动通信系统 切换与漫游在同一制式容易实现 9 1 4移动通信分类1寻呼系统点对面单向呼叫系统 由寻呼控制中心 基站和寻呼接收器 BP机 组成 图9 16为无线寻呼系统的组成框图 2集群移动通信专用调度系统 由调度台 基站 移动台 控制中心组成 常采用大区制覆盖 图9 17为集群系统组成示意图 3无绳电话系统市话网延伸的双工无线通信系统 由基站和手机组成 图9 18为无绳电话系统组成示意图 图9 19为公用无绳电话系统 英国CT 2系统 组成示意图 4陆地蜂窝移动通信系统公用的 广泛采用的移动通信系统 可分为模拟移动通信系统和数字移动通信系统 表9 1为模拟系统中美国AMPS制式与欧州TACS制式比较 表9 2为数字移动通信系统中欧洲GSM制式 美国D AMPS制式和日本D NTT制式比较 5卫星移动通信系统卫星移动通信分两种 静止卫星 同步卫星 通信系统 典型系统有海事移动通信系统 低轨道卫星通信系统 典型系统有美国摩托罗拉公司推出的铱卫星移动通信系统 6其他移动通信系统无线通信的迅猛发展扩大了移动通信应用领域 蓝牙技术的移动接入系统已经商用 9 2蜂窝模拟移动通信系统TACS 9 2 1TACS制式特点 模拟移动通信制式 话音采用模拟制式 带宽3kHz 无线传输采用调频方式 数字式公共控制信道 速率8kb s FSK调制 三种不同频率监测音 不同无线区群用不同频率监测音 分别为 5 97kHz 6kHz和6 03kHz 900MHz频段 信道间隔25kHz 双工频率间隔45MHz 带宽25MHz 9 2 2TACS制式信道结构1TACS系统信道构成TACS系统信道由有线信道和无线信道构成 有线信道 主要指移动交换中心与市话网间信道 移动交换中心与基站间一般也是有线信道 无线信道 分为话音信道VC和控制信道CC 1 话音信道VC主要传递话音信号 还传递监测音 数据及信号音信息 每个无线小区配有若干条 15 30条 话音信道 图9 20为话音信道示意图 监测音 通话期内基站发出的带外单音 用于了解话音信道的传输质量 数据 特殊情况下传送话音的话音信道暂时中断 中断时间传输必要的数据指令 信号音 移动台发出的带内单音信号 呼叫过程中用于表明振铃成功 越区切换的切换认可等 不同设备使用不同的频率 一般为300Hz以下 2 控制信道CC主要传送寻呼和接入信号 还有指定话音信道 重新试呼等功能 该信道只传送数据信号 每个无线小区通常有一条控制信道 控制该小区所有话音信道的信号 图9 21为控制信道示意图 寻呼 基站通过控制信道发呼叫移动台信号 在基站覆盖区内寻找呼叫移动台 接入 移动台主呼时在控制信道上发主呼信号 通过移动台所在基站向移动交换中心发入网信号 2TACS系统的编号计划移动通信用户编号分为网号和局号 我国TACS制式采用全国统一的移动电话局局号90 R ABCD 其中90 R 为局号 移动通信系统除了用户号码外 还有移动台识别码 移动台系列号码和移动台漫游号码 1 移动台识别码移动通信呼叫过程中 移动台的用户号码要变换成移动台识别码 我国TACS制式国家识别码 460 长途区号 移动台号码用户号码为900ABCD 长途号则为20900ABCD 移动台识别码为46020900ABCD 2 移动台系列号码每个移动台都有唯一的系列号码 入网时预先登记在移动交换中心存储 3 移动台漫游号码为来访漫游移动台准备的临时号码 登记时在注册的移动通信系统存储 分为国内移动台漫游号码和国际移动台漫游号码 3模拟移动通信的发展模拟移动通信系统技术成熟 价格便宜 在20世纪80年代得到迅速发展 随着通信网的数字化及模拟通信的弱点 在20世纪90年代放慢了发展步伐 第一代移动通信系统即1G是模拟式的 存在容易掉线 通话质量不佳 保密性差 终端机 即手机 笨重等重大缺陷 不能很好地满足高质量语音通话和移动便携等基本功能要求 第二代移动通信系统2G能够满足多数人最基本 最主要的语音通话功能 而且从设备生产和网络运营的成本上来说是相当经济的 9 3蜂窝数字移动通信系统GSM GSM数字蜂窝移动通信于1992年投入商用 欧洲许多国家 英国 法国 德国等 开放GSM数字蜂窝移动通信业务 20世纪90年代中期遍布全欧洲 又称为泛欧GSM制式 9 3 1GSM系统结构1GSM系统组成GSM移动通信系统由交换系统MSC 基站系统BSS 移动终端MS和操作维护中心OMC组成 图9 22为GSM系统组成框图 MS 移动台 个人手机 车载站 船载站等 BSS 基站系统 由基站控制器和基站收 发信台构成 MSC 移动交换中心 完成移动通信系统的用户信号交换 号码转换 漫游 信号强度检测 切换等 HLR 本地用户位置寄存器 存储有关用户参数及当前位置信息 VLR 外来用户位置寄存器 存储呼叫处理数据 识别号码及用户号码等 EIR 设备识别寄存器 存储移动台的设备参数 完成对移动台识别 监视 闭锁等 AUC 鉴权中心 认证移动用户身份和产生相应鉴权参数 OMC 操作维护中心 操作维护移动通信网 2GSM系统接口图9 23为我国GSM系统公用陆地移动通信网接口示意图 A接口 MSC与BSS间接口 主要传递呼叫处理 移动性管理 基站管理和移动台管理 B接口 MSC与VLR间接口 使MSC与VLR建立移动台漫游参数 MS与MSC建立新位置更新关系 C接口 MSC与HLR间接口 交换管理信令以及路由选择信令 D接口 HLR与VLR间接口 传递有关移动用户的位置数据和管理用户数据 E接口 MSC间接口 传送移动用户在MSC之内越局切换时的相关信息 F接口 MSC与EIR间接口 可查询和校对EIR中移动台识别号码 G接口 VLR间接口 可检索临时识别码TMSI在VLR中国际移动用户识别码IMSI Um接口 BTS与MS间接口 由无线信道组成 Sm接口 移动用户与移动网络接口 用户识别卡SIM与移动终端ME接口 9 3 2GSM制式特点 频段为900MHz和1 8GHz 带宽25MHz 全双工通信方式 TDMA时分多址帧结构 GMSK调制 数字话音 速率13kb s 每时隙信道速率22 8kb s 信道总速率270 83kb s 数据速率9 6kb s 公共控制信令系统 分集接收 9 3 3GSM陆地蜂窝移动通信网GSM网主要指公共陆地移动网PLMN 分为业务网与信令网 1全国GSM的PLMN业务网络结构图9 24为我国GSM业务网示意图 三级网络结构 一级汇接局 二级汇接局 端局 大区设一级移动业务汇接中心 网状网结构 省内设二级汇接中心 每省2 4个省汇接 各省MSC为用户端局网 我国移动业务网在原8大汇接局设立TMSC1外 又增加7个省会城市设置TMSC1 15对TMSC1之间组成网状网 有的兼二级汇接中心TMSC2 二级汇接中心TMSC2与相应的TMSC1相连 无独立TMSC1省区的TMSC2与归属原大区中心的TMSC1相连 2GSM系统的信令网结构我国GSM信令网采用三级网络结构 一级信号转接点 二级信号转接点 信令点 大区设一级信号转接点HSTP 省内设二级信号转接点LSTP 移动端局设信令点SP 我国GSM信令网在原8大区基础上又增加五个省为一级信令转接点 北京 上海 西安 沈阳 成都 广州 武汉 南京基础上增加哈尔滨 天津 济南 杭州 福州 13对独立的HSTP除广州 南京外兼有LSTP 其他省设综合LSTP 13对独立的HSTP分设两个平面 A平面为贝尔平面 B平面为华为平面 同一平面内各STP之间网状连接 图9 25为我国的HSTP双平面示意图 图9 25我国的HSTP双平面示意图 3GSM信号帧结构GSM信号帧结构为时分多址TDMA结构 一帧8个时隙 每时隙一个载波 帧周期4 62ms 26个帧组成的复帧传送业务信道的用户信息 线路控制信道的控制信息 51个帧组成的复帧用于控制信道 1326个帧 26 51 1326 组成超帧 周期6 12秒 2048个超帧组成一个超高帧 2048 1326 2 715 648 图9 26为分级帧结构示意图 每帧循环编号 循环长度为2 715 648帧 图9 26分级的帧结构 4GSM系统信道结构GSM系统信道结构分为有线信道和无线信道 有线信道 移动交换中心与基站系统间接口 称A接口 无线信道 基站系统与移动台间空中接口 称为Um接口 无线接口为数字无线接口 信道结构是时分多址TDMA帧结构 每帧为一个载波 8个时隙 上行信道 MS到BTS方向信道 下行信道 BTS到MS方向信道 1 信道定义GSM系统无线信道分为物理信道和逻辑信道 物理信道 一个载频上TDMA帧中的一个时隙称为一个物理信道 逻辑信道 物理信道中携带信息的种类称为逻辑信道 逻辑信道分为业务信道TCH和控制信道CCH TCH传送编码后的话音或用户数据 CCH传递信令或同步数据 控制信道分为广播 公共及专用控制信道 广播信道 分频率校正信道FCCH 同步信道SCH以及广播控制信道BCCH 其中FCCH传送校正MS频率信息 SCH传送MS的帧同步和BTS的识别码 BCCH广播每小区BTS的通用信息 公共控制信道 分寻呼信道PCH 随机接入信道RACH和允许接入信道AGCH 其中PCH寻呼MS RACH用于MS申请分配独立专用控制信道 AGCH为MS分配独立专用控制信道 专用控制信道 分独立专用控制信道SDCCH 慢速随路控制信道SACCH以及快速随路控制信道FACCH 其中SDCCH分配业务信道前传送系统信息 SACCH传送连接信息的连续数据 FACCH在通话期切换时传送数据信令信号 2 突发脉冲序列TDMA帧时隙的数字信息格式称突发脉冲序列 分5类 普通突发脉冲序列 频率校正突发脉冲序列 同步突发脉冲序列 接入突发脉冲序列以及空闲突发脉冲序列 普通突发脉冲序列 携带业务信道及除RACH FCCH SCH信道外控制信道的信息 图9 27为普通突发脉冲序列示意图 普通突发脉冲0 577ms 156 25bit 图9 27普通突发脉冲序列 TB 帮助均衡器判定起始位和停止位 加密比特 114比特数据话音分2组 每组57比特 借用标志 表突发脉冲序列是否被FACCH借用 训练序列 供均衡器产生信道模型 GP 保护时间间隔 频率校正突发脉冲序列 传送校正用户MS频率 其中TB GP同普通突发脉冲序列 固定比特为全0 使调制器发送一个未调载波 同步突发脉冲序列 用于移动台时间同步 包括长同步序列 带有TDMA帧号和基站识别码信息 帧号传送信息加密算法 基站识别码通过测量移动台信号强度识别基站 接入突发脉冲序列 用于移动台随机接入信息 保护时间间隔较长 图9 28为接入突发脉冲序列示意图 图9 28接入突发脉冲序列 空闲突发脉冲序列 基站发出的不带任何信息的突发脉冲 其格式与普通突发脉冲序列相同 只是加密数据是不带信息并具有一定比特模型的混合比特 3 逻辑信道与物理信道间对应关系逻辑信道在传输过程中须放到不同载频TDMA帧中的某个时隙 1个基站N个载频C0 C1 C2 CN 1 每载频8个时隙 C0载频的TS0时隙 下行TS0时隙复用BCCH和CCCH 信道按51帧的复帧重复 图9 29为下行链路BCCH与CCCH在TS0复用示意图 图9 29BCCH与CCCH在TS0上的复用 F传送校正移动台频率 S传送MS帧同步和基站识别码 B广播BTS通用信息及有关小区特定信息 I是空闲帧 上行TS0时隙发RACH上行接入信号 图9 30为上行链路RACH在TS0复用示意图 图9 30TS0上的RACH的复用 C0载频的TS1时隙 映射SDCCH及SACCH 共有102个时隙 上 下行链路结构相同 C0载频的TS2 TS7时隙 业务信道 图9 31为业务信道TCH的映射示意图 图9 31TCH的复用 业务信道共26个TS T用于分配到对应时隙的移动台 A用于控制信号 I为空闲帧 载频C0的TS0用于逻辑控制信道 重复周期51个TS TS1用于逻辑控制信道 重复周期102个TS TS2 TS7用于逻辑业务信道 重复周期26个TS 载频C1 CN 1的TS0 T 7都用于逻辑业务信道 每增加一个载频就增加8个时隙 即增加了8个业务信道 4 半速率信道话音编码器将速率从13kb s压缩到6 5kb s时 两个移动台可用1个物理信道进行呼叫 使系统容量增加一倍 5GSM网提供的业务功能GSM网提供的业务 基本业务和补充业务 1 基本业务基本业务分 电信业务和承载业务 电信业务 主要包括一般电话业务 紧急呼叫和短消息业务 承载业务 主要包括受限话音及数据业务 2 补充业务也称附加业务 提供许多高级服务 如主叫号码显示识别 免费电话 移动接入跟踪等业务 6GSM网的编号计划移动通信系统编号一般分专用局号和专用网号 我国GSM使用专用网号 130 139 1 移动用户的ISDN号码MSISDN主叫用户呼叫PLMN用户所要拨的号码 CC NDC N1N2N3 0 H1H2H3 SN ABCD CC 国家码 我国国家码为86 NDC 包括GSM接入网号码N1N2N3及HLR识别号码H1H2H3 SN 用户号码 表9 3为H1 H2分配示意 2 国际移动用户识别码IMSIMSC识别移动用户登记后的入网号码 3 移动用户漫游号码MSRN 0 XYZ PQR ABCD 0 XYZ 被访问的长途区号 PQR 被访地未使用的一个端局号 ABCD 分配给移动用户的漫游号码 4 临时移动用户识别码TMSIVLR分配给来访移动用户的惟一号码 5 位置区识别码LAI 全球小区识别CGILAI用于识别移动台所处的位置 CGI及基站识别码BSIC是网络控制呼叫接续 切换等设备的内部编号 6 国际移动台识别码IMEI识别移动台设备 TAL FAC SNR SPCCTAL 泛欧体制型号批准码 6位 FAC 工厂分配码 2位 SNR 装配地码 6位 SPCC 备用 1位 7GSM系统移动终端呼叫建立及位置更新举例例1固定用户呼叫在异地的漫游移动用户 图9 32为移动终端呼叫建立过程示意图 固定用户拨号后经PSTN ISDN网转送到PLMN 基本过程 信号通过 进PLMN网的GMSC 通过 经C接口在HLR中询问用户所在区域 通过 经D接口在VLR中找移动用户所在区域 移动台漫游号码由用户所在区域VLR经D接口 HLR通过 送GMSC GMSC通过 经E接口送用户所在MSC区域 MSC通过 经B接口询问VLR有关呼叫建立的数据 通过 经B接口返回信息 MSC通过 经A接口向本区BSS呼叫移动用户 移动用户收到呼叫后通过Um接口应答 并通过寻呼接入信道 RACH与MSC建立关系 通过 经A接口和Um接口把呼叫接至移动用户完成接续过程 图9 32对移动终端呼叫的建立过程 例2移动用户从1个MSC小区向另1个MSC小区行进时的位置更新 图9 33为位置更新过程示意图 移动用户监视传送质量 并发位置更新请求 经A接口 及B接口在VLR中进行 VLR发位置更新信息通过 经D接口的HLR HLR给出本身标志和移动用户标志 HLR通过另一MSC的VLR作出反应 由MSC的BSS系统通过空中接口Um与MS联系 移动台从Um接口中接收信息并作应答 移动台联系上另一区后从原MCS的BTS转移到另一MCS的BTS 完成移动用户位置更新 图9 33位置更新举例 9 4GSM系统的主要技术与设备 9 4 1GSM网的主要设备GSM系统的主要设备有 移动交换中心MSC 基站系统BSS和移动终端设备MS 1移动交换中心MSC移动交换中心由组交换 交换终端电路ETC 信令终端ST及MSC控制系统四部分组成 图9 34为GSM系统MSC的硬件结构方框图 图9 34GSM系统的MSC和GMSC的硬件结构 2基站系统BSS基站系统由基站收发信机BTS和基站控制器BSC两部分组成 图9 35为GSM系统BSS组成方框图 3移动终端设备MS移动终端设备由无线部分 基带信号处理和控制部分 接口部分三部分组成 图9 36为GSM系统移动设备原理方框图 图9 35BBS方框图 图9 36移动台原理框图 1 无线部分主要是高频系统 包括天线 发送 接收 调制 解调和振荡源等 2 基带信号处理和控制部分基带信号处理部分 发送通道的信号处理包括语音编码 信道编码 加密 TDMA帧形成 接收通道的信号处理包括均衡 信道分离 解密 信道解码和语音解码等 基带信号控制部分 控制管理移动台 包括定时 数字系统 无线系统控制以及跳频和人机接口控制等 3 接口部分主要包括语音接口 数字接口和人机接口 语音接口实现A D D A变换 语音传输 数字接口适配数字终端 人机接口实现显示器 键盘接入功能 移动设备插入SIM卡以后才能进网使用 SIM卡实现移动台的信息管理与控制 存储用户个人信息与GSM网有关的管理数据 SIM卡由串行通道单元 CPU RAM ROM及EPROM E2PROM五部分组成 SIM卡功能 存储用户有关安全信息 实现监督与加密 管理用户个人身份码PIN码 管理移动用户有关信息 9 4 2GSM的语音编码技术GSM系统采用规则激励长时预测编码RPE LTP 图9 37为RPE LTP语音编码器原理框图 编码器分3部分 信号源分析 线性预测分析和长周期预测 信号源分析 4个5ms子字组 每字组47比特 输出188比特 线性预测分析 声域分析滤波器 产生36比特 长周期预测器 20ms字组内评估间距和增益4次 产生36比特 三部分合成260比特 完成语音编码器13kb s速率送信道编码 图9 37RPE LTP语音编码器 9 4 3GSM系统的信道编码技术信道编码主要由纠错编码 交织编码及加密等部分组成 纠错编码 分外编码和内编码 外编码采用循环分组码 生成多项式为g x x3 x 1 内编码采用卷积编码 生成多项式为g x x4 x3 1 交织编码和加密 两帧40ms 912b s按每8位码写入 按列读出 分成8列 即8帧 每帧114bit 为两个57bit的加密信息比特 图9 38为GSM交织编码示意图 图9 38GSM交织编码器 9 4 4GSM系统的数字调制技术GMSKGMSK为高斯低通滤波最小移频键控 将数字基带信号先经高斯低通滤波器整形 然后进行MSK调制 MSK调制过程 先将输入的基带信号进行差分编码 然后将其分成I Q两路 并互相交错一个码元宽度 再用加权函数cos t 2Tb 和sin t 2Tb 分别对I Q两路数据加权 最后将两路数据分别用正交载波调制 图9 39为PLL型GMSK调制器的基本组成框图 图9 40为GMSK信号的差分解调器原理方框图 图9 39PLL型GMSK调制器 图9 40GMSK信号的差分解调器方案 a 1比特差分解调器 b 2比特差分解调器 9 4 5鉴权 加密与设备识别1鉴权确认移动用户是否有权入网 移动台主呼 被呼 位置更新 补充业务的激活 登记前均需鉴权 图9 41为鉴权过程示意图 MSC产生一组128bit的随机数作为鉴权参数 通过基站发向移动台MS 移动台收到后与用户本身SIM卡的密钥按规定算法得到符号响应SRES 并通过基站送网络 MSC根据IMSI从鉴权中心查出该移动台使用的密钥 与随机参数按规定算法A3算出响应SRES SRES SRES 则鉴权成功 图9 41鉴权过程 2加密为了防止移动用户信息被人窃听 加密过程受鉴权过程中密钥Ki及加密键Kc控制 图9 42为加密过程示意图 鉴权完成后移动台和网络端各自根据规定算法从Ki和RAND计算加密键Kc 网络端向移动台发加密指令后插入解密 移动台收到加密指令后同时插入加密和解密 网络端解出移动台加密信息后加密发送信息 图9 42加密示意图 3设备识别确保系统使用的移动设备不是盗用设备或非法设备 通过MSC VLR把移动用户请求IMSI发送给EIR 收到IMEI后与EIR中的三个清单进行核对 最后将鉴定结果送给MSC VLR 白名单允许入网 白名单 分配给参加运营者的所有序列号码的识别 黑名单 所有被禁止使用设备的识别 灰名单 有故障及未经型号认证的设备 9 4 6跳频技术减小多径效应引起的瑞利衰落 可改善衰落造成的误码特性 跳频指在通话期间载波频率在n个频点上变化 分为快跳和慢跳两种 快跳 跳频速率高于或等于信息速率 慢跳 跳频速率低于信息速率 GSM系统采用慢跳 跳频速率大约为217次 秒 跳频只在业务信道TCH上进行 广播控制信道BCCH不进行跳频 9 5CDMA移动通信系统 9 5 1CDMA移动通信系统概念1CDMA蜂窝移动通信概念码分多址利用不同的地址码型区分用户 各用户用不同的 相互正交的地址码调制其发送信号 收端用地址码从传输信号中选出相应信号 图9 43为码分多址收发系统示意图 图9 43码分多址收发系统示意图 利用自相关性很强 互相关为0或很小的周期性序列码作地址码 发端 d1 dN w1 wN分别为用户信息数据及其对应地址码 用户数据与对应地址码相乘后经过相应信道 无线信道 传输 收端 接收信号为S1 SN信号叠加波形 要接收某用户数据 本地产生出相应地址码 并与解调后的叠加信号相乘 再送积分电路 经过采样 判决形成该用户的信息数据 2CDMA蜂窝移动通信特点 利用码型区别用户 多路多用户须有足够多的地址码 良好的自相关 互相关特性 收端产生的地址码必须与发端相同 才能进行相关检测并取出所需信号 一个小区内可使用同一频率 各用户可以同时发送 接收信号 各用户在同一频带内占相同带宽 与扩频技术结合可使用户间干扰降低到最低限度 9 5 2码分多址扩频通信系统1扩频通信的基本概念扩频通信 系统占用频带宽度远大于要传输的原始信号的带宽 且与原始信号带宽无关 扩频调制 扩频100倍以上的调制 扩频增益 扩频信号带宽与信息带宽的比值 C Wlog2 1 S N C为信道容量 W为信道带宽 S N为信噪比 信道容量一定时 可以用不同带宽和信噪比组合来传输 传输带宽较大 则用较小的信号功率传送 9 5 1 2扩频通信的特点 可以抗多径干扰 可以增加容量 降低成本 提高质量 3扩频通信系统分类 直接序列扩频系统 用高速伪随机序列与信息数据相乘 或模2加 跳频扩频系统 伪随机序列控制下 发射频率在一组预先设计的频率上按一定规律离散跳变 跳时扩频系统 伪随机序列控制下 发射时间在一组预先设计的时间上按一定规律离散跳变 脉冲线性调频系统 载频在给定的脉冲间隔内线性扫过一个宽的频带 扩展发射信号的频谱 图9 44所示为跳频信号的时频矩阵图 时域看 跳频信号是一个多频率移频键控信号 频域看 跳频信号频谱是在一个很宽频带上随机跳变的不等间隔的频率信道 图9 44跳频信号的时 频矩阵图 4码分多址扩频通信系统码分多址与直接序列扩频技术结合 构成码分多址直接序列扩频通信系统 码分多址扩频通信系统有两种方式 第一种 发端用户数据先经地址码调制 然后经高速伪随机码扩频调制 收端进行和发端对应的反变换即可获得所需用户信息 第二种 发端用户数据直接经高速伪随机码调制 地址码调制与扩频调制在一起进行 收端用与发端完全相同的伪随机码进行解扩就能获得所需的用户信息 图9 45码分直扩系统 一 图9 45 图9 46分别为两种方式码分直扩系统示意图 图9 46码分直扩系统 二 1 地址码和扩频码的要求与特性 生成的地址码足够多 尖锐的自相关特性 处处为零的互相关特性 不同码元素平衡相等 尽可能大的复杂度 很难同时满足以上条件 有些码只能作地址码却不能作扩频码 有些码既可作地址码又可作扩频码 2 沃尔什码的生成特点沃尔什码具有良好的自相关特性和处处为零的互相关特性 只能作地址码不能作扩频码 由于码组所占频谱不宽等因素 4个沃尔什地址 w1 1 1 1 1 w2 1 1 1 1 w3 1 1 1 1 w4 1 1 1 1 9 5 2 11111 11 111 1 11 1 11 M2M2M2M2 M4 矩阵M2是M2取反 M2 M1M1M1M1 11 1 矩阵M1是M1取反 9 5 3 9 5 4 M1 1 9 5 5 3 m序列伪随机码的生成特点m序列伪随机码可作扩频码也可作地址码 具有尖锐自相关特性和较好互相关特性 码组占据频带可做到很宽且相等 m序列伪随机码的特点 最长线性序列 一个周期内 1 或 0 的码元数大致相等 一个周期内有2n 1个游程 m序列和其移位后序列逐位模2加仍为m序列 互相关性较好 但不处处为0 9 5 3N CDMA系统1993年 美国电信工业协会公布代号为IS 95的窄带码分多址蜂窝移动通信标准 1双模式N CDMA系统概念及特点双模式 系统可在模拟和码分两种蜂窝移动通信系统工作 N CDMA网内移动台工作方式 首先选择CDMA工作方式 首先选择FDMA方式 仅工作在CDMA方式 仅工作在FDMA方式 2N CDMA系统结构图9 47为CDMA数字蜂窝网路模型示意 由移动交换中心MSC 基站系统BS 移动台MS 管理维护中心OMC及市话网PSTN和综合业务数字网ISDN等组成 3N CDMA系统的无线信道结构1 码分多址的逻辑信道CDMA无线信道分正向传输信道 基站至移动台方向 和反向传输信道 移动台至基站方向 图9 48为CDMA系统的信道结构示意图 图9 47CDMA数字蜂窝网路模型 图7 48CDMA系统的信道示意图 2 码分多址正向信道构成正向信道一般使用正交的沃尔什码来区分不同信道 先用一对伪随机码扩频调制 再进行四相QPSK调制 各基站使用同一码型 相位不同的一对伪随机码 图7 49为N CDMA系统正向信道示意图 由导频信道 同步信道 寻呼信道和正向业务信道组成 导频信道 基站始终发射的扩频信号的信道 便于移动台捕获 跟踪与基站对应的扩频的伪随机序列 同步信道 以超帧为单位发送消息 基站覆盖区内处于开机状态的移动台 利用同步信道来获得初始时间同步 使移动台确知接入的是哪个基站 寻呼信道 每个基站有多个寻呼信道 呼叫时基站通过寻呼信道传送控制信息给移动台 需要时可转为业务信道传输用户业务数据 正向业务信道 通过基站向移动用户传送语声编码数据或其他业务数据 一个频道有55个以上的正向业务信道 图9 49N CDMA系统正向信道示意图 3 码分多址反向信道构成反向信道使用一对与基站相同码型的伪随机码及与基站相对应的一个沃尔什码 信息数据经与用户码对应的伪随机码的变换序列调制后再传输 图9 50为N CDMA系统反向信道示意图 由接入信道和反向业务信道构成 接入信道 移动台通过接入信道向基站进行登记 发起呼叫以及响应基站寻呼信道的呼叫等 需要时可变为反向业务信道传输用户业务数据信息 反向业务信道 在呼叫建立期间传输用户信息和信令信息 图9 50N CDMA系统反向信道示意图 4N CDMA蜂窝移动的编号1 移动用户电话号码簿号码主叫用户呼叫用户时拨打的号码 CC MAC H0H1H2H3 ABCDCC 国家码 中国是86 MAC 移动接入码 133 H0H1H2H3 HLR识别码 ABCD 用户号码 2 移动台识别码IMSIMCC NMSI H1H2H3ABCD MCC 国家移动码 我国为462 NMSI 国内移动用户识别码 其中H1H2H3为移动用户HLR所属地址 3 移动用户临时本地用户号码TLDN移动用户漫游到其他服务区 由本地交换中心的VLR为寻址临时分配的号码 4 电子序号ESN厂商自定 存储在EIR中惟一识别移动台设备的号码 5 区域识别码AID和SIDAID SID分别是双模式系统模拟网 码分多址网中惟一识别移动业务本地网的号码 6 网络识别码NID惟一识别N CDMA蜂窝移动通信系统的网络号码 9 5 4N CDMA系统的主要技术1语音激活技术码分多址系统中任意用户对其他用户的干扰称多址干扰 语音激活技术可减小多址干扰 提高CDMA的容量 语音激活技术 采用编码 功率调整技术使得用户发射机发射功率随用户语音大小 强弱 有无来调整发射机输出功率 系统的容量 N 1 W 系统带宽 Rb 信息速率 E0 N0 系统信噪比 采用语音激活技术系统容量 d 语音占重比 一般为35 9 5 7 9 5 8 2扇区划分技术扇区划分技术也可以减小多址干扰 增加系统容量 扇区划分技术 利用各小区内天线的定向特性 把蜂窝小区分成不同扇面 常用的有120 全向覆盖组成的三叶草天线区 60 扇形的定向天线组成的三角形无线蜂窝区等 采用扇区划分技术系统容量 G 扇形分区系数 一般为2 55 9 5 9 3软容量 软切换1 软容量软容量 一个扇区内小区信道数可扩容的现象 以降低话音质量为代价换取 在模拟频分和数字时分移动通信中 小区信道数固定 无空闲信道时不能通话 而在码分多址CDMA系统频道内多用户靠码型区分 在允许的最小信噪比条件下增加1个或几个用户只使信噪比下降 不会因无信道而不能通话 2 软切换硬切换 先切断原来频道后接通新频道 软切换 先接通新频道后切断原来频道 在FDMA TDMA系统中 切换均为硬切换方式 有时会出现 乒乓 效应 还会引起通信的短暂中断等 而在CDMA系统中 切换为软切换方式 切换时间短 不会出现硬切换时的 乒乓 效应 也不会中断话音 4CDMA系统的功率控制技术功率控制分正向功率控制和反向功率控制 二者均可分为开环控制和闭环控制 正向开环控制 基站利用接收移动台功率 估算正向信道传输损耗 控制基站业务信道的发送功率 正向闭环控制 基站与移动台相结合进行的动态功率控制 反向开环控制 移动台根据在小区中接收功率的变化 调节移动台发射功率 反向闭环控制 迅速估算或纠正基站对移动台的开环功率 使移动台始终保持理想发射功率 5分集技术分集技术可克服和消除移动通信中电播传播条件恶劣和强干扰等不利因素 分为显分集和隐分集 显分集 在频域 时域或空域采用分集 如空间分集 频率分集 时间分集 路径分集 极化分集和角度分集 空间分集 接收端采用多副天线 频率分集 与频分多址类似 时间分集 与时分多址类似 路径分集 把各路信号分离出来 通过相关接收分别进行处理 然后进行合并 从而克服多径效应的影响 极化分集 某点极化方向相互正交的两个天线 所发信号呈现互不相关的衰落特性 可减小干扰 角度分集 接收端利用天线的方向性 接收不同方向信号 使收到的信号互不相关 隐分集 把分集作用隐蔽在传输信号中 如交织编码 纠错编码 自适应均衡等技术 6同步及跟踪技术扩频通信系统中 收端地址码与发端地址码频率 相位完全一致 才能使系统正常工作 同步技术包括捕获和跟踪 捕获 使本地码与接收机伪随机码间的定时误差小于一个码片间隔 常用的捕获方法有滑动相关法 序贯估值法和匹配滤波器法等 跟踪 使本地码与接收机伪随机码相位保持较为精确的同步 使定时误差小于几分之一的码片间隔 跟踪方法有延迟锁定法和抖动跟踪法等 第二代移动通信系统2G的传输速率是9 6K 做了重大改进的2 5G可以达到384K 这不能满足数据传输的需要 更无法应付流媒体 按照国际电联的规定 第三代移动通信技术即3G的传输速率在静止状态下应达到2M 在步行移动状态下达到384K 在快速移动 汽车中速行驶 状态下达到144K 这比2G高了一个数量级 中国移动 中国电信 中国联通分别增加了基于TD SCDMA CDMA2000 WCDMA技术制式的3G业务经营许可 随着今天3G牌照的发放 这也标志着我国的3G时代正式来临 中国移动表示 3G牌照发放后 TD SCDMA不仅能节省大量专利费用 而且其本身也牵制了其他制式产品的价格 中国电信表示 发放3G牌照对中国电信业的发展将产生重要影响 它只要将现有的CDMA基站增插 个功能板就可以升级到CDMA2000 全网升级将很快完成 中国联通则表示 WCDMA与GSM共机房的比例大约为70 这将会使WCDMA快速建成一个覆盖全国的网络 TD SCDMA 中国 WCDMA 欧洲 CDMA2000 美国 是国际电信联盟确定的三个主流3G国际标准 9 6数字移动通信的发展 9 6 1第三代移动通信系统第三代移动通信系统的三大主流标准为 WCDMA CDMA2000和TD SCDMA 1第三代移动通信的目标 终端设备及移动用户个人的任意移动性 移动终端业务多样性 移动网宽带化及全球性 图9 51为无线移动通信业务需求示意图 图9 51无线移动通信业务需求示意图 2第三代移动通信系统的组成第三代移动通信系统主要由4个功能子系统组成 核心网 CN 无线接入网 RAN 移动台 MT 和用户识别模块 UIM 分别对应于GSM系统的交换子系统 SSS 基站子系统 BSS 移动台 MS 和SIM卡 3第三代移动通信涉及的技术 W CDMA技术及其与原有技术的兼容 是否能使W CDMA与GSM以及SCDMA TACS等制式兼容 无线ATM技术 实现终端业务的多样性就要实现把现有ATM技术经过技术处理 在ATM功能层增加无线ATM层并实现统计复用等管理功能 软件无线电技术 将宽带模 数和数 模转换器尽可能靠天线处理 以软件方式替代硬件实施信号处理 智能天线及智能天线阵技术 智能天线指根据电磁环境智能调节自身参数使通信系统保持最佳性能的天线 智能天线阵利用智能天线阵列的波束合成和指向产生多个独立的波束来自适应地调整方向 移动接入技术 本地无线环路系统称无线接入通信系统或固定天线接入技术 移动管理与智能网技术 要实现终端更大范围的移动性 业务的多样性 技术的复杂性等目标 就要有高稳定性 安全性的智能网络运用与管理技术 4卫星移动通信系统第三代移动通信的目标是实现以个人信息服务为对象的无约束通信 陆地移动通信系统无能为力 而卫星移动通信系统能实现这一目标 许多国际大公司纷纷出资研究 开发 试验和局部应用以下卫星移动通信系统 美国Loral Qualcomm公司开发的 全球星 系统 轨道高度1414km 10颗主用 2颗备用 国际卫星组织开发的 ICO 全球移动通信系统 轨道高度1035km 10颗主用 2颗备用 中国航天工业总公司 国际科工委 中国人民银行 上海市人民政府合资组建的 鑫诺星 系统 亚太移动通信卫星公司的 中国APMT 卫星移动通信系统 高轨道同步卫星通信系统 美国MeCaw移动通信公司和微软公司 波音公司共同研制的 Teledesie卫星 移动通信系统 轨道高度656km 288颗低轨道卫星 美国Motorola公司开发的 铱卫星移动通信系统 轨道高度780km 66颗主用 6颗备用 卫星移动通信主要是低轨道卫星系统 在 大卫星移动通信系统中 除了 APMT 和 鑫诺 卫星移动通信是同步卫星移动通信外 其余均为中 低轨道卫星移动通信 铱星 移动通信系统有72颗卫星 6个极地轨道放置66颗卫星 地球上每个角落均能不断看到多颗卫星 能与卫星建立通信联系 铱星 系统又称为倒置的蜂窝移动系统 传统蜂窝移动系统中 基站固定 移动用户在基站覆盖的蜂窝小区内 漫游 铱星 系统的网络覆盖是由卫星投向地球的波束组成 相对于地球表面快速移动 用户看成相对静止 5个人通信个人通信 在任何时间 任何地点 任何人之间