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1 移动通信技术教程 江西财经大学电子信息学院通信工程系 2 移动通信技术课程提纲 移动通信概论GSM数字蜂窝移动通信系统GPRS技术CDMA数字移动通信系统通信电源系统简介 3 移动通信基本概念 移动台无线基站移动交换中心蜂窝小区切换漫游 4 大区制一个基站覆盖整个服务区域技术简单通信质量差频率利用率低系统容量小 蜂窝通信基本原理 5 GSM蜂窝覆盖示意图 6 蜂窝通信基本原理 7 蜂窝通信几个概念和区别 多址技术频分多址 FDMA 时分多址 TDMA 和码分多址 CDMA 双工技术时分双工与频分双工窄带系统与宽带系统单个信道的带宽与所期望信道的相干带宽一致一个信道的发射带宽大于这个信道的相干带宽宽带系统通常能够带来频率分集的优势 8 多址技术示意图 传统多址技术 码分多址技术 9 频分多址技术 FDMA FDMA信道每次只能传递一个电话如果一个FDMA信道没有使用 并且处于空闲状态 它不能被其他用户使用以增加共享容量 在分配成语音信道后 基站和移动台就会同时地连续不断地发射 FDMA需要精确的RF滤波器 需要双工器 单天线 非线性效应 许多信道共享一个天线 功率放大器的非线性会产生交调频率 IM 产生额外的RF辐射 FDMA比TDMA简单 同步和组帧比特少 系统开销FDMA通常是窄带系统 10 时分多址技术 TDMA 多个用户共享一个载波频率 分享不同时隙 TDMA系统的数据传递是不连续的 是分组发射 可以关闭 不连续发送 可以利用空闲时隙监听其他基站 实现切换处理 需要自适应均衡 需要保护时隙 分组发射需要额外的系统开销 如保护数据同步 按照不同的用户提供不同的带宽 TDMA的效率是指发射的数据中信息所占的百分比 11 移动通信电波传播的特点 多径环境 12 移动通信电波传播的特点 发射信号 接收数据 信道衰落特性 13 移动通信电波传播的特点 电磁波多经传播 反射 散射和绕射多普勒频率扩展 运动引起信道变化 扩散频移 无线环境中的信号衰减分成三部分 幅度衰减较大的路径损耗伴随中等幅度衰减的具有对数正态分布特性的慢变化成分 大尺度变化衰减幅度较小的快变化成分 小尺度衰落两类典型小尺度衰落包络分布的描述方法 瑞利分布 非视距传播 莱斯分布 视距传播 14 接收信号 发射信号 移动通信信道模型 15 噪声和干扰 噪声车辆点火系统工业电气噪声自然噪声背景杂散噪声干扰来源同频道干扰邻频道干扰互调干扰多址干扰 16 蜂窝无线区域的组成方法 频率复用的概念 容量扩充 17 无线区域的划分 七小区频率复用 18 基站天线激励方式 19 扇区化 的技术 扇区化即是将一个基站分成多个小区 每个小区都有自己的发射和接收天线 相当于一个独立的小区 扇区化的小区使用特制的定向天线 使该小区发射的无线电波集中在一个特定的方向上 这样做有很多优点 首先小区发射的无线电波能量集中到了一个更小的区域如60度 120度或180度 而不是以360度全向发射 这样可以获得更强的信号 有利于 室内覆盖 等 另外 更好地防止同信道干扰和邻信道干扰 同频复用距离缩短 在同一地理区域可以有更多的小区 可以支持更多的移动用户 服务小区 扇区化 20 GSM系统频率复用模式 4 3标准复用模式 GSM体制推荐 无线区族4个基站每基站3扇区基站结构3个120 或三叶草扇区C I 12dB 21 GSM系统频率复用模式 复用方式3个基站9个扇区特点不增加新基站容量增加 有限 抗干扰措施 3 3标准复用模式 22 GSM常规信道分配方式 要求各邻小区禁止使用同频各小区使用的邻频间隔尽可能大链形分配 23 24 蜂窝小区规划初步 人口密度和居民购买力 用来估计服务的深度和广度经济活力决定了时间 地点和话务量密度现有的网络规模 25 兼容性抗噪声与干扰信道扩充标准化开放接口安全与保密 越区切换平稳用户识别ISDN兼容语音与数据业务增强型业务与补充业务 GSM系统特点 26 兼容性 27 标准化开放接口 28 安全与保密 29 语音与数据业务 普通电话紧急呼叫短消息业务双电话号码个人号码公司号码 数据业务基本数据速率9 6Kb s4 8Kb s2 4Kb s可视图文与网上浏览用户电报传真 30 增强型业务范围 多方通话 呼叫转移 来显 呼叫等待 短消息业务 话费查询 31 GSM网络结构 32 MSC功能与作用 呼叫处理呼叫建立 连接与清除切换过程移动性管理位置更新过程用户身份识别移动设备识别 操作与维护数据库管理测量人机接口 MMI 网间互通计费 33 HLR功能与作用 HLR HomeLocationRegister用户识别号 IMSI MSISDN 当前用户的VLR 当前位置 业务限制信息用户申请的补充业务补充业务信息 例 当前转移的电话号码 用户状态 registered deregistered 鉴权key和AUC功能移动用户漫游号 MSRN HLR 34 VLR功能与作用 VLR VLR VisitorLocationRegister移动台状态部分补充业务数据移动站的位置登记 LAI 临时移动用户识别号 TMSI 管理移动用户漫游号MSRN管理 35 AUC功能与作用 36 EIR功能与作用 包含所有经注册登记的合法移动设备 包含所有被禁止使用的移动设备 包含所有要跟踪的移动设备 EIR EquipmentIdentityRegister存储移动设备分类表 IMEI 白名单黑名单灰名单 37 IMEI查询流程 38 基站子系统 BSS 的组成 OMC R TC BSC BTS BTS MS MS UM接口 Abis接口 A接口 基站控制器 BSC基站收发信机 BTS无线操作维护中心 OMC R码变换器 TC Transcoder 39 BSC的一般结构 数字中继 交换网络 控制网络 数字中继 A接口 Abis接口 40 BSC的作用功能 实现A接口物理层规定 PCM E1 实现A接口No 7号信令功能 SP 实现Abis接口物理层规定 PCM E1 实现Abis接口数据链路层 LAPD 实现A接口与Abis接口间信道交换功能实现部分网络层的功能实现无线资源管理 RR 实现BSS管理应用部分的功能实现切换功能等 41 BTS的一般结构 BTS的功能模块 42 BTS的作用功能 实现Abis接口物理层规定 PCM E1 实现Abis接口数据链路层 LAPD 实现BTS管理功能实现部分无线资源管理 RR 实现Um接口物理层规定 PCM E1 实现Um接口数据链路层 LAPDm 实现实现跳频功能实现信道加密 解密功能实现信道编译码 交织与解交织功能实现调制与解调功能 43 移动台 MS 的组成 ME SIM 44 移动台的电原理图 45 功率控制与DTX 不连续发射 克服远近效应减少频率污染节省手机电力 46 功率控制与接收灵敏度 47 用户识别卡 SIM 48 GSM网络的接口 49 GSM系统的频率配置 50 DCS1800的频率配置 51 无线信道编号 N GSM900主频段 P GSM 上行 Fl 890 0 2 N MHz 1 N 124 下行 Fh Fl 45 MHz GSM扩展频段 E GSM 上行 Fl 890 0 2 N 1024 MHz 下行 Fh Fl 45 MHz 975 N 1023 DCS1800频段上行 Fl 1710 2 0 2 N 512 MHz 下行 Fh Fl 95 MHz 512 N 885 52 空间接口信道类型 物理信道 一个载频上的TDMA帧的一个时隙 TS 逻辑信道业务信道语音信道数据信道随路控制信道控制信道广播控制信道公共控制信道专用控制信道 53 业务信道 TCH 54 控制信道 CCH 注 B为突发脉冲序列类型 55 GSM系统的关键技术 时分多址 TDMA 基站与移动台间的时间调整分集技术时间色散与均衡技术话音编码信道编码交织技术跳频技术安全保密措施 56 GSM的FDMA TDMA结构 57 时隙与TDMA帧 58 突发脉冲序列 NB 与帧 NORMALBURST 59 GSM复帧 业务信道 60 GSM复帧 控制信道 61 GSM的时帧结构 62 基站与移动台间的时间调整 63 空间分集 64 时间色散与均衡技术 频域均衡法时域均衡法 65 语音编码 66 信道编码 67 信道交织 68 移动台跳频工作过程 69 鉴权 Authentication 70 加密 Ciphering 71 公众陆地移动网 PLMN 结构 72 GSM网路连接示意 73 公众陆地移动网 PLMN 的组网 74 省内PLMN的组网 75 GSM信令网络结构 76 编号计划 移动台国际ISDN号码 MSISDN 国际移动用户识别码 IMSI 临时移动用户识别码 TMSI 移动用户漫游号码 MSRN 国际移动台设备识别码 IMEI 位置区识别码 LAI 全球小区识别码 CGI 基地站识别码 BSIC MSC VLR号码HLR号码切换号码 HON 77 PSTN MS呼叫流程 78 越区切换模式 79 越区切换示意 80 位置更新示意图 81 移动被叫计费原则 82 GPSR简介GPRS GeneralPacketRadioService 通用无线分组业务作为第二代移动通信技术GSM向第三代移动通信 3G 的过渡技术 是由英国BTCellnet公司早在1993年提出的 是GSMPhase2 1997年 规范实现的内容之一 是一种基于GSM的移动分组数据业务 面向用户提供移动分组的IP或者X 25连接 GPRS技术 83 GPRS发展背景 Internet数据业务的推动原有GSM系统支持数据业务的缺点无线 网络资源利用率低 费用昂贵数据速率低 HSCSD最高64kbit s移动数据通信市场的巨大需求向第三代移动通信迈进 84 GPRS的优势 无线 网络资源利用率高 计费方式灵活 价格合理速率较高 1 8个时隙 CS1 CS4 可达约10kbit s 170kbit s分组交换平台为多种业务提供承载可以逐步向3G 全IP网演进 85 GPRS的特点 上下行链路可不对称 数据速率可变 永远在线 在不进行数据传输时可将数据业务挂起 不占用无线 网络资源 再进行数据传输时能较快恢复 无需重新发起业务一个MS可同时进行多个数据会话根据网络和MS的工作模式 用户可以分别 交替 同时进行话音和分组数据业务 86 GPRS的业务 87 GPRS业务示例 88 GPRS调度业务示例 89 GPRS的网络结构 BG边界网关CG收费网关DNS域名服务器DHCP动态主机配置协议GINGPRS截获节点MFS多功能服务器TC码型变换器W P无线应用协议 GPRS网络可以看作是一个IP子网 90 GPRS逻辑体系结构 91 GPRS网络骨干网的组成 GPRS网络的主要实体 GPRS支持节点 GSN GPRS骨干网本地位置寄存器 HLR 短消息业务网关移动交换中心 SMS GMSC 短消息业务互通移动交换中心 SMS IWMSC 移动台 MS 移动交换中心 MSC 拜访位置寄存器 VLR 分组数据网络 PDN 92 GPRS无线网络结构 GPRS服务区 SA 公共陆地移动网 PLMN SGSN服务区 SGSN路由区 RA 位置更新区 LAC BSC控制区 基站小区 93 GPRS逻辑信道 分组数据信道 PDCH 业务信道 PDTCH TCH控制信道广播控制信道 PBCCH BCCH公共控制信道 PPCH PRACH PAGCH PNCH PCH RACH AGCH专用控制信道 PACCH PTCCH SACCH 94 分组业务工作流程 95 GPRS的局限性与发展前景 GPRS的局限性小区总容量有限实际传输速率和理论值之间存在着较大的差距GPRS使用的调制方式还有待改进存在转接时延GPRS的发展前景 96 CDMA的基本概念 扩频多址 SSMA 所传信号的带宽必须远大于信息的带宽 所产生的射频信号的带宽与所传信息无关 通信原理与信息论的著名Shannon公式 C FTLg 1 S N 其中 F为限频带宽 T为限时带宽 S N为信号功率信噪比 C为信道容量 一个限时 T 限频 F 限功率 S 的连续白色高斯信道 其信道容量C可以形象的用3个主要信号参量所决定的体积来表示 扩频通信的基本原理 就是用频带换取信噪比 97 频率选择性衰落 98 扩频技术抗频率选择性衰落 99 扩频通信的种类 100 扩频通信发射接收机框图 1 DS CDMA信号发射 接收机 101 扩频通信发射接收机框图 2 FH CDMA信号发射 接收机 102 扩频通信发射接收机框图 3 TH CDMA信号发射 接收机 103 CDMA移动通信系统的特点 强抗干扰能力 语音质量更佳信号在信道中传输功率低 降低了干扰 提高了保密性宽带传输系统 利用了信道的频率分集效果码字的多址传输 利用了多用户分集的效果采用RAKE接收机 有效利用了信道相干时间形成的时间分集效应扩频因子灵活变换 又助于多媒体等多速率并发业务的传输频谱效率高 优于以往的AMPS和GSM支持软切换和更软切换支持新技术的应用 如多用户检测同步难度大 系统更复杂 104 DS CDMA的基本单元 1 在发送端 设计一组相互正交的信号参量X t 其中Xi t 为第i个用户地址的信号 i为第i个用户信号的正交参量 2 那么正交参量应满足 3 在接受端设计一个正交信号识别器如图所示 105 远近效应 每个用户对于其他用户都相当于干扰 远近效应严重影响系统容量 采用功控技术减少了用户间的相互干扰 提高了系统整体容量 106 功率控制 107 功率控制效果 决定了DS CDMA系统的容量 多址干扰 远近效应功率控制的目标 所有的信号到达基站的功率相同 上行 减少对其他基站的干扰 下行 功率控制可以补偿衰落有三种功率控制原理 开环 闭环和外环开环 从信道中测量干扰条件 并调整发射功率 以达到期望的误帧率 误块率 闭环 测量信噪比 并向移动台发送指令调整它的发射功率外环 测量误帧率 误块率 调整目标信噪比 108 地址码的选择与实现 m序列由移位寄存器生成是最大长度的线性移位寄存器序列 周期是2n 1 n为移位寄存器长度 按照m序列定义 m 7 n 3即它可以由最简单的三级移位寄存器产生7位的m序列的伪随机码序列 1110010 109 地址码的选择与实现 这时可利用DS CDMA的m序列自相关特性来区分与识别用户多址 上述七位m序列扩频码的自相关函数F 如图所示 假如我们取此m序列七位码元的不同移位 向左移 构成7个不同用户的地址码 则有 C1 1110010C2 1100101C3 1001011C4 0010111C5 0101110C6 1011100C7 0111001C8 1110010 只有当发端 收端是同一用户地址码时 即时间移位对齐时i j 自相关函数输出最大为7 当收 发不是同一用户地址码时 即时间移位错开一至六位时 其自相关函数输出均为 1 110 软切换 当邻近小区的强度超过本小区信号强度一个给定的门限时 移动台执行切换 硬切换 FDMA TDMA CDMA系统小区的频率一致 软切换时 移动台同时与多个基站相连接当邻近小区的信号强度超过一个门限 但仍然低于当前小区基站的强度时 则进入软切换状态在上行链路 二个或多个基站可以接收同样的信号 在下行链路移动台可以相干地合并来自不同基站的信号 即宏分集由于新基站发射额外的信号给移动台 在下行链路 软切换增加了对系统的干扰 111 软切换 改善话音质量 控制手机干扰降低掉话率 提高容量与覆盖范围 112 多径接收技术RAKE 接收机 单径接收电路 单径接收电路 单径接收电路 搜索器 计算信号强度与时延 合并 合并后的信号 t t s t s t 113 智能天线 智能天线技术提高系统覆盖范围 降低发射功率 减少频率污染 114 智能天线的覆盖 115 智能天线的优点 高速率用户带来很大的干扰 动态调整的智能天线阵列的波束跟踪高速率用户 起到空间隔离 消除干扰的作用 动态调整的智能天线阵列的性能优于固定的多波束天线增加系统容量增加覆盖范围 改善建筑物中和高速运动时的信号接收质量提高信号接收质量 降低掉话率 提高语音质量减少发射功率 延长移动台电池寿命提高系统设计时的灵活性 116 IS 95的技术特点 基站用215长度的短扰码来区分 不同的基站用不同的相位上行用非相干解调 采用Walsh调制 6 64符号变换 性能低于相干解调各个用户用242长度的长扰码区分 不同的用户采用不同的扰码下行快速功控比特在数据比特中打孔传输IS 95A支持语音业务 IS 95B开始支持数据业务 采用补充码分信道 是多码传输的方式 117 cdma2000RTT技术特点 118 cdma20001x技术特点 IS 95A B是cdma2000的子集码片速率1 2288Mcps扩频调制 前向QPSK 反向HPSK反向导频 相干解调快速前向和反向功率控制前向发射分集 OTD STS信道编码增加Turbo码可变帧长 5ms 10ms 20ms 40ms 80ms 支持F QPCH 延长手机待机时间速率最大可达307 2kbps支持QoS协商支持多媒体业务支持8K 13KQCELP8kbpsEVRC信道容量是IS 95A B的2倍 119 cdma2000网络结构 120 三种主要3G体制比较 121 3G使用的频段 ITUidentifications 1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200 Reserve IMT2000 GSM1800 DECT MSS IMT2000 MSS IMT2000 IMT2000 MSS IMT2000 IMT2000 IMT2000 MSS IMT2000 MSS A D B E F A B C MSS MSS MSS D F E B B C Europe China Japan Korea w oPHS NorthAmerica 1700 1750 1800 950 1000 800 850 900 IMT2000 IMT2000 GSM AMPS PDC TACS PCS MSS GSM GSM1800 PCS MSS PHS 122 通信电源系统 伴随着移动通信建设的大规模展开 移动通信电源的重要性也日益显著 无线基站设备对电源要求有其普遍性 也有其特殊性 普遍性表现在要求电源系统可靠 稳定 小型 高效 而在系统的容量 智能化 防护体系和监控组网方面又有其特殊的要求 无线基站面对的用户直接是广大的普通消费者 基站设备工作正常与否 提供服务质量高低 将以第一时间在用户中迅速得到反映和传播 对运营商来说影响是巨大的 而作为整个基站系统正常运行提供强大动力的 泵 基站电源系统 其稳定性和可靠性是至关重要的 123 通信电源的构成 电源是通信系统的重要组成部分 一个完整的通信电源系统由5个部分组成 交流配电单元 整流模块 直流配电单元 蓄电池组 监控系统 在通信网的构成中 电源是它的 血脉 是确保通信畅通的必要条件 它不仅适用于电力系统通信 也适用所有专网通信和公众网通信 我国对通信电源的要求是 防雷措施要求完善 设备允许的交流输入电压波动范围大 多重备用系统以防止电源系统发生电源完全中断故障 124 通信电源组成 直流输出配电部分 集中监控单元 整流器模块 三相交流配电部分 125 通信局站供电系统工作框图 126 高频开关整流器的功能框图 高频开关整流器模块 包含输入滤波电路 整流电路 功率因数校正电路 DC DC功率变换电路 滤波输出电路 辅助电源和监控电路 127 通信用二次模块电源 对于通信设备中的数字电路 接口电路 逻辑单元电路 驱动器及一些线性电路需要提供3 3V 5V 12V等低压直流二次电源 这就需要将通信设备输入的48V或24V直流电压再经过DC DC的二次变换 使其成为通信设备各功