移动通信技术.ppt

第19章移动通信技术 19 1移动通信的概念及其特点19 2移动通信系统的分类19 3移动通信技术的发展概况19 4移动通信系统的组成19 5GSM移动通信系统19 6CDMA移动通信系统19 7集群系统19 8无线寻呼系统 19 1移动通信的概念及其特点 所谓移动通信 是指通信双方或至少一方是在运动中实现信息传输的过程或方式 例如移动体 车辆 船舶 飞机 人 与固定点之间 或移动体之间的通信等等 从上述移动通信的概念中我们可以看到 移动通信其实很早就有 比如 飞机与机场之间 飞机与飞机之间的通信 船舶与码头之间 船舶与船舶之间的通信 野战部队与指挥部之间 野战部队与野战部队之间的通信等等都属于移动通信的范畴 由于那时的移动通信领域比较专业 与人们的生活联系不够紧密 因此 没有引起人们的高度重视和广泛关注 随着移动电话的出现和普及 移动通信才逐渐被普通百姓所了解 接受 进而引发了移动通信的大发展和大普及 以至于在人们的概念中把移动通信和手机画上了等号 本节我们所涉及的内容也主要是移动电话 移动通信可以应用在任何条件之下 特别是在有线通信不可及的情况下 如无法架线 埋电缆等 更能显示出其优越性 由于是无线方式 而且是在运动中进行通信 因此形成了它的许多特点 1 移动通信的传输信道必然是无线信道 由于在通信中至少有一方处于运动状态 只能通过无线电波进行联络 因此移动通信也称为移动无线电通信方式 2 具有复杂的电波传播环境 由于电波受到城市高大建筑物的阻挡等原因 移动台接收到的是多径信号 即同一信号通过各种途径到达接收天线 这种信号的幅度会发生快速和剧烈的变化 称为快衰落 因此 当出现严重的衰落现象 而移动台又处于高速运动中的时候 就会加快衰落现象 其衰落深度可达30dB左右 此时 就要求移动台具有良好的抗衰落的技术指标 另外 移动通信是在运动过程中进行的 移动台之间会出现近处移动台干扰远处移动台的现象 称为远近效应 因此 一般要求移动台的发射功率具有自动调整的能力 同时移动台的接收机需要具有自动增益控制的能力 当通信距离迅速改变时能自动进行信号调整 3 干扰大 需采用抗干扰措施 移动台通信环境变化是很大的 经常处于强干扰区 例如 移动台附近的发射机可能对正在通信的移动台形成强干扰 又如 汽车在公路上行驶 本车和其它车辆的噪声所形成的干扰也相当严重 因此 要求移动通信具备很强的抗干扰能力 4 多普勒效应 运动中的移动台所接收的信号频率将随运动速度而变化 产生不同的频移 称为 多普勒效应 从而造成接收点的信号场强不断变化 其变化范围可达20 30dB 5 环境条件差 对设备要求高 移动台长期处于运动中 尘土 振动 日晒雨淋的情况时常遇到 这就要求它必须有防振 防尘 防潮 抗冲击等能力 还要求性能稳定可靠 携带方便 低功耗等 同时 为了方便用户使用 要求操作方便 坚固耐用 这就给移动台的设计和制造带来很多困难 6 用户量大 但频率有限 有限的频率资源决定了有限的信道数目 这和日益增长的用户量形成了一对矛盾 为了解决这个矛盾 除了开辟新的频段 缩小频道间隔之外 研究各种有效利用频率的技术和新的体制是移动通信面临的重要课题 19 2移动通信系统的分类 随着移动通信应用范围的不断扩大 移动通信系统的类型越来越多 其分类方法也多种多样 1 按设备的使用环境分类按这种方式分类主要有陆地移动通信 海上移动通信和航空移动通信三种类型 作为特殊使用环境 还有地下隧道矿井 水下潜艇和太空航天等移动通信 2 按服务对象分类按这种方式分类可分为公用移动通信和专用移动通信两种类型 在公用移动通信中 目前我国有中国移动 中国联通经营的移动电话业务 由于它是面向社会各阶层人士的 因此称为公用网 专用移动通信是为保证某些特殊部门的通信所建立的通信系统 由于各个部门的性质和环境有很大区别 因而各个部门使用的移动通信网的技术要求有很大差异 例如公安 消防 急救 防汛 交通管理 机场调度等 3 按系统组成结构分类 1 蜂窝状移动电话系统 蜂窝状移动电话是移动通信的主体 它是具有全球性的用户容量的最大移动电话网 2 集群调度移动电话 它可将各个部门所需的调度业务进行统一规划建设 集中管理 每个部门都可建立自己的调度中心台 它的特点是共享频率资源 共享通信设施 共享通信业务 共同分担费用 是一种专用调度系统的高级发展阶段 具有高效廉价的自动拨号系统 频率利用率高 3 无中心个人无线电话系统 它没有中心控制设备 这是与蜂窝网和集群网的主要区别 它将中心集中控制转化为电台分散控制 由于不设置中心控制 故可以节约建网投资 并且频率利用率最高 系统采用数字选呼方式 采用共用信道传送信令 接续速度快 由于系统没有蜂窝移动通信系统和集群系统那样复杂 建网简易 投资低 性能价格比最高 它适用于个人业务和小企业的单区组网分散小系统 4 公用无绳电话系统 公用无绳电话是公共场所使用的无绳电话系统 例如商场 机场 火车站等 通过无绳电话的手机可以呼入市话网 也可以实现双向呼叫 它的特点是不适用于乘车使用 只适用于步行 5 移动卫星通信系统 21世纪通信的最大特点是卫星通信终端手持化 个人通信实现全球化 所谓个人通信 是移动通信的进一步发展 是面向个人的通信 其实质是任何人在任何时间 任何地点 可与任何人实现任何方式的通信 只有利用卫星通信覆盖全球的特点 通过卫星通信系统与地面移动通信系统的结合 才能实现名符其实的全球个人通信 近年来移动卫星通信系统发展最快的为低轨道的铱系统和全星系统 中轨道的国际移动通信卫星系统和奥德赛系统 19 3移动通信技术的发展概况 移动通信的发展从总体上讲可以分为三个阶段 也称为三代 1 第一代 1G 1Generation 模拟移动通信系统从1946年美国使用150MHz单个汽车无线电话开始到20世纪90年代初 是移动通信发展的第一阶段 因为调制前信号都是模拟的 也称模拟移动通信系统 第一代移动通信的主要特征为模拟技术 可分为蜂窝 无绳 寻呼和集群等多类系统 每类系统又有互不兼容的技术体制 它的发展可分为三个主要阶段 1 初级阶段 1946年到20世纪60年代中期 这一阶段移动通信的主要特点是容量小 用户少 人工切换 设备都采用电子管 体积大 耗电多 2 中级阶段 20世纪60年代中期到20世纪70年代中期 在这一阶段模拟移动通信系统有了较大的发展 如美国的改进型汽车电话系统 这一阶段的特点是实现了用户全自动拨号 采用了晶体管使得设备体积变小 功耗降低 频段由原来的30MHz 80MHz发展到150MHz和450MHz 公安 消防 列车 新闻等行业出现了大量的专用移动通信系统 3 大规模发展阶段 20世纪70年代中期到20世纪80年代末 出现了 蜂窝 系统 提高了系统容量和频率利用率 大规模集成电路和微机 微处理器的大量应用使系统功能更强 移动台更加小型化 功耗更低 话音质量大幅度提高 频段从450MHz发展到900MHz 频带间隔减小 提高了信道利用率 2 第二代 2G 数字移动通信系统这时候移动通信系统的主要特征是采用了数字技术 虽然仍是多种系统 但每种系统的技术体制有所减少 数字蜂窝移动系统有GSM DAMPS CDMA三种 数字无绳电话有DECT PHS等几种 高速寻呼有FLEX APCO ERMES三种 当时 北美 欧洲 日本根据各自的情况相继制定了三种不同的数字蜂窝系统标准 即北美的IS 54 欧洲的GSM 日本的JDC 后改为PDC 并都在20世纪90年代初生产出了实际的商用系统 1991年7月GSM系统开始投入使用 1992年美国提出了CDMA技术的蜂窝系统的建议 1993年被蜂窝电话工业协会 CTIA 和电信工业协会 TIA 批准为中期标准95 98 IE95 IE98 这时的CDMA系统也称为窄带CDMA系统 N CDMA 3 第三代 3G IMT 2000移动通信系统随着移动通信技术的发展 国际电联在此基础上制定公众移动通信系统的国际标准 目前 IMT 2000标准已经基本确定 设备生产商和运营商正致力于3G产品和市场的开发 第三代移动通信系统以全球通用 系统综合作为基本出发点 以图建立一个全球范围的移动通信综合业务数字网 提供与固定电话网业务兼容 质量相当的多种话音和非话音业务 由信息产业部电信科学技术研究院代表中国提出的TD SCDMA标准提案被国际电联采纳为世界第三代移动通信 3G 无线接口技术规范建议之一 2000年5月 国际电联无线大会上又正式将TD SCDMA列入世界3G无线传输标准之一 TD SCDMA的成功 结束了中国在电信标准领域零的空白历史 为扭转中国移动通信制造业长期以来的被动局面提供了十分难得的机遇 我国的移动通信发展始于20世纪80年代中期 主要以无线寻呼 蜂窝移动电话 集群通信系统 无绳电话为代表 1984年上海邮电部门开办了我国第一个无线寻呼台 1987年11月广州邮电部门开通了我国第一个900MHz蜂窝模拟移动电话TACS系统 GSM系统于1994年开始建设 1995年进入大规模建设并逐渐实现全国联网 DCS1800频段也于1997年陆续开通 基于IS 95标准的CDMA系统于1996年由一家美国公司在天津建立实验网 1997年开始先后在北京 广州 上海 西安四个城市试点 现已大规模建设网络 并实现了全国联网 现在 我国移动电话主要是以GSM网和CDMA网两网为主 GSM网简称G网 工作在900MHz频段 后来由于用户量急速增加 原有频段已经不能满足要求 又开通了1800MHz的频点即DCS1800网 俗称D网 由于D网与G网工作原理相同 其差别主要是工作频率不同 因此在应用中经常把G网和D网统称为G网 它们都可在国内自动漫游 还与澳门 新加坡 芬兰等地区和国家G网互联推出国际漫游业务 目前普遍使用的GSM900MHz频段手机最大发射功率为2W 33dBm 1800MHz频段最大发射功率为1W 30dBm 规范要求对于GSM900和GSM1800频段 通信过程中手机最小发射功率分别不能低于5dBm和0dBm C网即CDMA网 由中国联通公司建设运营 其特点是容量大 接通率高 背景噪音小 信号不易中断 CDMAIS 95A规范对手机最大发射功率要求为0 2 1W 23 30dBm 实际上目前网络允许手机的最大发射功率为0 2W 23dBm 规范对CDMA手机最小发射功率没有要求 由于G网 C网工作原理不同 而且手机的发射功率还取决于与基站的通信距离 因此 不能简单地比较GS手机和CDMA手机的发射功率 一般来说 在与基站距离相同的情况下 CDMA手机的发射功率要比GSM手机的发射功率小 由于发射功率小 对人体的影响也相对减小 因此CDMA手机也被称为 绿色手机 CDMA网目前也已实现部分国家的国际漫游业务 无线寻呼在我国已有近20年的历史 以集群系统为代表的专用移动通信系统很早在我国开通 遍及许多行业 但发展缓慢 无绳电话系统除了CT2系统 第二代数字无绳电话标准 在一些中小城市开通外 在第14章 接入网 中介绍的小灵通在我国也得到了广泛的应用 目前 小灵通已开始采用第3代500mWipas基站和基于软交换架构的IP核心网络 不但大大提高了网络覆盖质量 增强了网络穿透能力和通话质量 更能有效地支持各种语音和数据业务 用户可以通过小灵通无线上网收发电子邮件 浏览互联网 19 4移动通信系统的组成 移动通信系统一般由移动台 MS MobileSet 基站 BS BaseStation 移动业务交换中心 MSC MobileSwitchCenter 等组成 如图19 1所示 图19 1移动通信系统的组成 基站和移动台设有收 发信机和天线等设备 每个基站都有一个可靠通信的服务范围 称为无线小区 通信服务区 无线小区的大小 主要由发射功率和基站天线的高度决定 根据服务面积的大小可将移动通信网分为大区制 中区制和小区制 CellularSystem 三种 大区制是指一个通信服务区 比如一个城市 由一个无线区覆盖 此时基站发射功率很大 50W或100W以上 对手机的要求一般为5W以下 无线覆盖半径可达25km以上 其基本特点是 只有一个基站 覆盖面积大 信道数有限 一般只能容纳数百到数千个用户 大区制的主要缺点是系统容量不大 为了克服这一限制 适合更大范围 大城市 更多用户的服务 就必须采用小区制 小区制一般是指覆盖半径为2 10km的多个无线区链合而形成整个服务区的制式 此时的基站发射功率很小 8 20W 由于通常将小区绘制成六角形 实际小区覆盖地域并非六角形 多个小区结合后看起来很像蜂窝 因此称这种组网为蜂窝网 用这种组网方式可以构成大区域大容量的移动通信系统 进而形成全省 全国或更大的系统 小区制有以下四个特点 1 基站只提供信道 其交换 控制都集中在一个移动电话交换局 MTSO MobileTelephoneSwitchingOffice 或称为移动交换中心 其作用相当于一个市话交换局 而大区制的信道交换 控制等功能都集中在基站完成 2 具有 过区切换功能 Handoff 简称 过区 功能 即一个移动台从一个小区进入另一个小区时 要从原基站的信道切换到新基站的信道上来 而且不能影响正在进行的通话 3 具有漫游 Roaming 功能 即一个移动台从本管理区进入到另一个管理区时 其电话号码不能变 仍然像在原管理区一样能够被呼叫到 4 具有频率再用的特点 所谓频率再用是指一个频率可以在不同的小区重复使用 由于同频信道可以重复使用 再用的信道越多 用户数也就越多 因此 小区制可以提供比大区制更大的通信容量 几种频率的组网方式见图19 2 图19 2几种小区组网图案 频率再用 目前发展方向是将小区划小 成为微区 宏区和毫区 其覆盖半径降至100m左右 中区制则是介于大区制和小区制之间的一种过渡制式 移动交换中心主要用来处理信息和整个系统的集中控制管理 移动交换中心还因系统不同而有几种名称 如在美国的AMPS系统中被称为移动交换局MTSO 而在北欧的NMT 900系统中被称为移动交换机MTX 19 5GSM移动通信系统 19 5 1GSM系统简介20世纪80年代初期 当模拟移动通信系统刚投放市场时 欧洲的电信运营部门就发觉他们的汽车电话远不如他们的高速公路那样畅通 五六种系统将整个欧洲的蜂窝网割得四分五裂 根本不能形成规模效益 面对这一现状 欧洲电信运营部门于1982年成立了一个移动特别小组 GSM GroupSpecialMobile 开始指定一种泛欧数字移动通信系统的技术规范 经过6年的研究 实验和比较 于1988年确定了包括采用TDMA技术在内的主要技术规范并且制定出实施计划 从1991年开始 这一系统在德国 英国和北欧许多国家投入试运行 吸引了全世界的广泛注意 使GSM向着全球移动通信系统的宏伟目标迈出了一大步 需要说明的是 目前对 GSM 还有另外一种解释 即全球移动通信系统 GlobalSystemforMobileCommunication 我国参照GSM标准制定了自己的技术要求 主要内容有 使用900MHz频段 即890 915MHz 移动台 基站 和935 960MHz 基站 移动台 收发间隔45MHz 载频间隔200kHz 每载波信道数8个 基站最大功率300W 小区半径0 5 35km 调制类型GM SK 传输速率270kb s 手机的发射功率约为0 6W 19 5 2GSM数字蜂窝系统的结构GSM系统由若干个功能实体构成 每个实体完成特定的功能 其结构见图19 3 这些实体有移动台 基站收发信机 基站控制器 移动交换中心 外来用户位置寄存器 本地用户位置寄存器 鉴别中心 设备识别寄存器和操作维护中心等 图19 3GSM通信系统结构 1 移动台 MS 移动台由用户设备构成 用户使用这些设备可接人蜂窝网中 得到所需要的通信服务 每个移动台都包括一个移动终端 根据通信业务的需要 移动台还可包括各种终端设备及终端适配器等 移动台分为车载台 便携台和手持机三种形式 移动台有若干识别号码 作为一个完整的设备 移动台的正常工作由国际移动设备识别码 IMEI 提供保障 用户使用时 被分配一个国际移动用户识别码 IMS 并通过用户识别卡 SIM卡 实现对用户的识别 2 基站子系统 BSS 在一定的无线覆盖区中 由移动业务交换中心 MSC 控制 与MS进行通信的系统设备 一个基站的无线设备可含一个或多个小区的无线设备 BSS可分为基站控制器 BSC 和基站收发信机设备 BTS BTS包括无线传输所需的各种硬件和软件 如发射机 接收机 天线 接口电路及检测和控制装置 BSC是BTS与MSC之间的连接点 为BTS与MSC之间交换信息提供接口 BSC主要功能是进行无线信道管理 实施呼叫和通信链路的建立及拆除 并为本控制区内移动台的过区切换进行控制 3 移动交换中心 MSC 它是蜂窝通信网络的核心 在它所覆盖的区域中对MS进行控制 是交换的功能实体 也是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口 它除了完成固定网中交换中心所要完成的呼叫控制等功能外 为了建立移动台的呼叫路由 每个MSC还应完成入口MSC GMSC 的功能 即查询位置信息的功能 4 外来用户位置寄存器 VLR 它是MSC为了处理所管辖区域中MS的来话会话呼叫 所需检索信息的数据库 VLR存储与呼叫处理有关的一些数据 例如用户的号码 处理过程中的识别 向用户提供本地用户的服务等参数 5 本地用户位置寄存器 HLR 它是管理部门用于移动用户管理的数据库 每个移动用户都应在某个位置寄存器注册登记 HLR主要存储两类信息 一是有关用户的参数 二是有关用户当前位置的信息 以便建立至移动台的呼叫路由 例如移动台的漫游号码 VLR地址等 6 设备识别寄存器 EIR EIR是存储有关移动台设备参数的数据库 实现对移动设备的识别 监视与闭锁等功能 只有登记过设备识别号 即有权用户 才能得到通话服务 7 鉴别中心 AUC AUC负责认证移动用户的身份和密码 产生相应认证参数 有随机号码 RAND 签字响应 SREC 密钥 KC 等 AUC对任何试图入网的移动用户进行身份认证 只有合法用户才能接人网中并得到服务 8 操作维护中心 OMC OMC是网络操作者对全网进行监控和操作的功能实体 例如系统的自检 报警与备用设备的激活 系统的故障诊断与处理 话务量的统计和计费数据的记录与传递 以及各种资料的收集 分析与显示等 通常 HLR EIR和AUC合置于一个物理实体中 VLR MSC合置于一个物理实体中 MSC VLR HLR AUC EIR也可都设置在一个物理实体中 19 5 3GSM系统的传输方式GSM系统主要采用了时分多址 TDMA 技术 由此引出许多不同的特点 并为移动用户提供更为广泛的业务功能 1 TDMA基本概念TDMA的基本思想是系统中各移动台占用同一频带 但占用不同的时隙 即在一个通信网内各台占用不同的时隙建立通信的方式 通常 各移动台只在规定的时隙内以突发的形式发射它的信号 这些信号通过基站的控制在时间上依次排列 互不重叠 同样 各移动台只要在指定时隙内接收信号 就能从各路信号中把发给它的信号区分出来 实际上 在GSM系统中既采用了TDMA技术 也采用了FDMA技术 具体来说就是 在GSM的25MHz带宽内 总共分为125个频道 一个频道 即一个载波 可同时传送8个话路 而一个频道占用200kHz带宽 即频道间隔为200kHz 这样 总共可容纳1000个用户 2 无线覆盖的区域结构 1 小区 一个基站或基站的一部分 扇形天线 所覆盖的区域 2 基站区域 由一个基站的所有小区所覆盖的区域 3 位置区 移动台可以任意移动 不需要进行位置更新的区域 位置区可由一个或若干个小区组成 4 MSC区 一个MSC所管辖的所有小区共同覆盖的区域 一个MSC区可由一个或若干个位置区组成 5 服务区 移动台可以获得服务的区域 无需知道移动台实际位置而可马上通信的区域 服务区由若干个公用移动电话网组成 各用户在通信时所占用的频道和时隙是在呼叫建立阶段由网络动态分配的 各小区需要在其分配的频道当中 指配一个专门的频道作为所有移动用户的公用信道 用于基站广播通用 控制 信息和移动台发送入网申请 其余频道用于各类业务信息的传播 移动台除了在指配的频道和时隙中发送和接收与自己有关的信息外 还可以在其它时隙检测或接收周围基站发送的广播信息 因而移动台可随时了解网络的运行状态和周围基站的信号强度 以判断何时需要进行过境切换和应该向哪一个基站进行过境切换 19 6CDMA移动通信系统 19 6 1CDMA系统简介第一代移动通信系统出现于20世纪70年代中期 采用模拟调制和频分多址方式 网络采用模拟信令 提供的全是话音业务 第二代移动通信系统产生于20世纪80年代中期 使用数字调制技术 时分多址或码分多址方式 网络采用数字信令 除提供语音业务外 还含有少量短消息 数据 服务 随着社会经济及技术的发展 全球性的联络更加密切 相应地要求提供综合化的信息业务 如话音 图像 数据等 即具有多媒体特征的移动通信业务 为满足这种需求 第三代移动通信网络应运而生 其网络采用数字信令 并结合移动卫星系统 以不同的小区结构 形成覆盖全球的移动通信网络 提供全球话音及不同速率的数据业务等 1995年香港和记电讯公司开通全球第一个CDMA数字移动通信网络 在经过1996 1997两年的商用化之后 CDMA技术在全球范围得到普遍的发展 目前全球6大洲的39个国家和地区采用并开通的CDMA蜂窝或PCS网络已达100多个 且用户增长的速度惊人 我国十分重视CDMA技术的发展 在 八五 和 九五 期间先后投人大量的人力和物力去研制CDMA数字蜂窝通信系统的技术 对于窄带CDMA N CDMA 系统的应用 在1997年底基本完成商用试验 同时中国电信长城网的800MHzCDMA数宇蜂窝移动通信系统的各项规范和标准也逐渐制定和完善 中国联通在2000年底建成容量为1000万户左右的CDMA网络 覆盖全国250个以上城市 到2003年将累计建设容量达4000万户 基本覆盖全国大部分县级以上的城市 采用智能技术提供多媒体业务 实现极大的系统容量 真正实现在任何地方 任何时间获得任何信息的个人通信的第三代移动通信系统 正是建立在W CDMA TD SCDMA和CDMA2000技术之上的移动通信系统 19 6 2CDMA系统工作原理CDMA是一种以扩频通信为基础的调制和多址连接技术 扩频通信技术在信号发端用一高速伪随机码与数字信号相乘 由于伪随机码的速率比数字信号的速率大得多 因而扩展了信息传输带宽 在收信端 用相同的伪随机序列与接收信号相乘 进行相关运算 将扩频信号解扩 扩频通信具有隐蔽性 保密性 抗干扰等优点 CDMA蜂窝通信系统的原理如图19 4所示 扩频通信中用的伪随机码常常采用m序列 这是因为它具有容易产生和自相关特性优良的优点 其归一化自相关函数只有1和 1 K两个值 K是m序列长度 所以 只有在收发端伪随机序列相位相同时才能恢复发送信号 码分多址技术就是利用了这一特点 采用不同相位的相同m序列作为多址通信的地址码 由于m序列的自相关特性与长度有关 作为地址码 其长度应尽可能长 以供更多用户使用 同时 可以获得更高的处理增益和保密性 但是又不能太长 否则不仅使电路复杂 也不利于快速捕获与跟踪 图19 4CDMA扩频通信系统原理 1 地址码的选择 在CDMA蜂窝系统中 综合采用了三种码 一种是长度为215的PN码 它通过在长度为215 1的m序列14个连 0 输出后再加人一个 0 获得 它用于区分不同的基站信号 不与基站保持同步 但使用的PN码序列相位偏移不同 规定每个站的PN码相位偏移只能是64的整数倍 因而有512个值可被不同基站使用 使用相同序列 不同相位作为地址码 便于搜索与同步 另一种是长度为242 1的PN序列 它在前向信道用于信号的保密 在反向信道用于区分不同的移动台 这样长的码有利于信号的保密 同时基站知道特定移动台的长码及其相位 因而不需要对它进行搜索与捕获 CDMA蜂窝系统将前向物理信道划分为多个逻辑信道 即一个导频信道 导频信道上的信号必须不停地发射 用于基站覆盖区中的移动台的同步与切换 一个同步信道 必要时可以改作业务信道 因为移动台在获得同步后不需再监听同步信道 7个寻呼信道 必要时可以改作业务信道 和55个前向业务信道 最多63个 划分的方法是采用完全正交码Walsh序列对信号进行调制 由于Walsh序列的正交性 不同信道的信号是正交的 同时区分不同移动台用户 相邻基站可以使用相同的Walsh序列 虽然可能不满足正交性 但可以由PN短码提供区分 在反向链路 Walsh序列用于对信号进行正交码多进制调制 以提高通信链路的质量 反向信道由PN码来区分 不同用户的接入信道长码产生使用公用掩码 反向业务信道的长码掩码与移动台有关 2 扩频码速率的选择 CDMA蜂窝系统扩频码 在前向链路是Walsh序列 在反向链路是PN长码 的速率规定为1 2288MHz 这个规定考虑了频谱资源的限制 系统容量 多径分离的需要和基带数据速率等多个因素 在美国 FCC 美国通信委员会 规定划分给蜂窝通信的频谱带宽为单向25MHz 并分配给两家公司 每家分得单向频谱带宽总计为12 5MHz 其中最窄的一段带宽为1 5MHz 为获得最大适应性 信号带宽应小于1 5MHz 选择1 2288MHz的码速率 滤波后可获得1 25MHz的带宽 在1 25MHz宽频带内可以划分出10条信道 决定CDMA数字蜂窝系统容量的主要因素是 系统的处理增益 信号比特能量与噪声功率谱密度比 话音占空比 频率重用效率 每小区的扇区数目 为了取得高的系统处理增益 获得高的系统容量 扩频码速率应当尽可能高 通常 陆地移动通信环境的多径延迟为1 100 s 为了充分发挥扩频码分多址技术 实现多径分离的作用 要求扩频码序列的持续时间小于1 s 也就是扩频码速率应大于1MHz 选择1 2288MHz的另一个原因是 这个速率可以被基带数据速率9 6kb s整除 且除数为2的幂指数 128 27 19 6 3CDMA系统的传输方式在FDMA 频分多址 中 不同地址的用户占用信道不同的频带进行通信 在TDMA 时分多址 中 不同地址的用户占用信道的不同时隙进行通话 在CDMA 码分多址 中 所有用户使用相同的频率和相同的时间在同一地区通信 不同用户依靠不同的地址码区分 这样 和其它几种多址方式比较 CDMA多址方式就显得线路分配灵活 往返呼叫时间不会太长 码分多址方式区分不同地址信号的方法是 利用自相关性非常强而互相关性比较低的周期性码序列作为地址信息 称地址码 对被用户信息调制过的已调波进行再次调制 使得频谱更为展宽 这就是扩频调制 在接收端以本地产生的已知的地址码为参考 根据相关性的差异对收到的所有信号进行鉴别 从中将地址码与本地地址码完全一致的宽带信号还原为窄带而选出 其它与本地地址码无关的信号则仍保持或扩展为宽带信号而滤去 称为相关检测或扩频解调 这就是码分多址的基本原理 要实现码分多址 必须具备下列三个条件 1 有足够多的强相关性的地址码 使系统中每个站都能分配到所需的地址码 2 必须用地址码对待发信号进行扩频调制 使传输信号所占频带极大地扩展 一般应达到几百倍以上 把地址码与信号传输带宽的扩展联系起来 是为接收端区分信号完成实质性的准备 3 在码分多址通信系统中的各接收端 必须有本地地址码 该地址码应与对端发来的地址码完全一致 用来对收到的全部信号进行相关检测 将地址码之间不同的相关性转化为频谱宽窄的差异 然后用窄带滤波器从中选出所需的信号 这是完成码分多址最主要的环节 与其它多址方式相比 码分多址方式的主要特点在于 所传送的已调波的频谱很宽 功率谱密度很低 且各载波可共用同一时域 频域和空域 只是不能共用同一地址码 因此 码分多址具有如下几个优点 1 抗干扰能力强 在地址码相关特性较理想和频谱扩展程度较高的条件下 码分多址具有很强的抑制干扰能力 直接表现在扩频解调器的输出信噪比相对于输入信噪比要高得多 2 较好的保密通信能力 由于采用了扩频调制 在信道中传输所需的载波与噪声的功率比很低 约为 20dB 信号完全隐蔽在噪声 干扰之中 不易被发现 用独特的地址码进行扩频调制相当于一次加密 增加了破译的难度 3 实现多址连接较灵活方便 所以码分多址方式也以很快的增长速度在地面的移动通信系统和无线接入网中应用 即将投入商用的第三代移动通信就是采用了码分多址方式 19 6 4CDMA系统的主要优点CDMA系统采用码分多址技术及扩频通信的原理 可在系统中使用多种先进的信号处理技术 为系统带来许多优点 1 大容量 根据上述理论计算以及现场试验表明 CDMA系统的信道容量是模拟系统的10 20倍 是TDMA系统的4倍 CDMA系统的高容量很大一部分因素是由于它的频率复用系数远远超过其它制式的蜂窝系统 另外一个主要因素是它使用了话音激活和扇区化等技术 2 软容量 在FDMA TDMA系统中 当小区服务的用户数达到最大信道数时 满载的系统绝对无法再增添一个信号 此时若有新的呼叫 该用户只能听到忙音 而在CDMA系统中 用户数目和服务质量之间可以相互折中 灵活确定 例如系统经营者可在话务量高峰期将误帧率稍微提高 从而增加可用信道数 同时 当相邻小区的负荷较轻时 本小区受到的干扰减少 容量就可适当增加 体现软容量的另一种形式是小区呼吸功能 所谓小区呼吸功能就是指各个小区的覆盖大小是动态的 当相邻两个小区负荷一轻一重时 负荷重的小区通过减小导频发射功率 使本小区的边缘用户由于导频强度不够 切换到相邻小区 使负荷分担 即相当于增加了容量 这项功能对切换也特别有用 避免信道紧缺而导致呼叫中断 在模拟系统和数字TDMA系统中 如果一条信道不可用 呼叫必须重新分配到另一条信道 或者在切换时中断 但是在CDMA系统中 在一个呼叫结束前 可以接纳另一个呼叫 CDMA系统还可提供多级服务 如果用户支付较高费用 则可获得更高档次的服务 让高档次的用户得到更多可用功率 容量 高档次用户的切换可排在其他用户前面 3 软切换 所谓软切换是指当移动台需要切换时 先与新的基站连通 再与原基站切断联系 而不是先切断与原基站的联系再与新的基站连通 软切换只能在同一频率的信道间进行 因此 模拟系统 TDMA系统不具有这种功能 软切换可以有效地提高切换的可靠性 大大减少切换造成的掉话 通话中的非正常中断 因为据统计模拟系统 TDMA系统无线信道上的掉话90 发生在切换中 同时 软切换可以提供分集 从而保证通信的质量 软切换也相应带来一些缺点 导致硬件设备的增加 降低了前向容量等 4 高话音质量和低发射功率 从第1章的香农公式可知 在信道容量一定的情况下 信道带宽和信噪比可以互换 若加大信道带宽 则可适当地减小信号功率 CDMA所采用的扩频通信原理正是基于这一点 它将信号带宽扩展 信道带宽当然也要加大 从而降低了对信号功率的要求 另外 由于CDMA系统中采用有效的功率控制技术 强纠错能力的信道编码 以及多种形式的分集技术 可使基站和移动台以非常节约的功率发射信号 延长手机电池使用时间 同时获得优良的话音质量 也使手机享有 绿色 手机的美誉 5 话音激活 典型的全双工双向通话中 每次通话的占空比小于35 在FDMA和TDMA系统里 由于通话停等使重新分配信道存在一定时延 因此难以利用话音激活因素 CDMA系统因为使用了可变速率声码器 在不讲话时传输速率降低 减轻了对其他用户的干扰 这即是CDMA系统的话音激活技术 6 保密 CDMA系统的信号扰码方式提供了高度的保密性 使这种数字蜂窝系统在防止串话 盗用等方面具有其它系统不可比拟的优点 CDMA的数字话音信道还可以将数据加密标准或其它标准的加密技术直接引入 19 7集群系统 19 7 1集群系统的概念集群系统 TrunkingSystem 是一种新型的无线电调度系统 所谓集群 Trunking 是指无线电信道不是仅供某一用户群专用 而是由若干个用户群共同使用 所以 集群通信系统其实就是一种共用信道的无线电调度系统 由于它的功能多 频谱利用率高 成本较低 约为同等规模的移动系统的4 5 因此受到许多用户的青睐 专门用于移动通信调度与指挥 为了更清楚地说明集群的概念 我们从早期的调度系统说起 无线电调度系统是一种专用的调度系统 例如出租汽车调度系统 消防调度系统等均属此类 这种调度系统的特点是 上有一个中央调度台 也称主台 下有若干属台 例如出租汽车的车载台 呈金字塔形结构 属台数目一般不太大 通话多数是在主 属台之间进行 而属台之间的通话相对较少 调度通话时的语言比较简练 例如询问车辆所在地 行驶目的地 或通知调度的命令 等等 因此每次通话话务量很小 只有数秒至数十秒 通信为单工方式 只需一个信道即可 所以早期的调度通信系统是利用一个信道 对数十至一百个左右的用户进行调度通信的专用系统 当有多个调度系统存在于同一地区时 为了不相互干扰 就必须各自占用一个信道 从而导致占用多个频率 显然 由于频率资源有限 为了其它通信业务 包括移动通信 的发展 不可能让每个调度系统各自独占一个频率 另外 从信道容量来看 单个信道能容纳的话务量是很小的 当服务等级给定后 而多个信道共用 它的容量就会有较大的增长 因此 如果把几个调度系统集中在一起 多信道共用 原来的每个用户系统 作为一个用户群 仍保持各自的主 属台关系 这样 就成为一个集群系统 基台 基站 为多信道 多个单位共用 共同分担费用 因而更为节省 使用时不但保持了自己的调度系统 而且还增加了与相邻系统互通的方便性 同时 由于技术的发展 集群系统都采用了微机控制 使它具有了许多程控电话的功能 例如优先等级 会议电话等等 因此 集群系统是一种现代的 先进的 较经济的多功能无线调度电话系统 自1980年以来 该系统得到了迅速的发展 我国也已引进了多种制式的集群系统 并在逐步开发研制自行生产的集群系统 集群系统可在VHF和UHF波段上工作 由于它不能与蜂窝网的频率相干扰 因此国际上规定800MHz的集群系统应在806 821MHz 移动台发 851 866MHz 基台发 工作 收发频率间隔为45MHz 信道间隔为25kHz 因此总共有600个信道 因现在最大的系统为20个信道 所以按20个信道为一组频率 又再分为4个小组 每1小组有5信道 这是考虑了最小的系统为5个信道的缘故 同时为了减小相互干扰 邻道干扰 互调干扰 要使信道有一定的频距 这也有利于共用天线 我国规定与国际上相同 但信道序号与频率高低正相反 高频率对应高信道序号 比如 我国的1号信道频率为806 0125MHz 而该频率对应的国际信道序号是600 我国的600号信道频率为820 9875MHz 对应的是1号国际信道 指配频率时按组或小组来指配 400MHz及150MHz频段的集群系统则不分组 由各地无线电管理委员会进行指配 19 7 2集群系统的组成一个集群通信系统通常由基台 基站 中央控制台 用户台和指令台四大部分组成 见图19 5 图19 5集群通信系统框图 基台 它和GSM中的大区制的基台没有什么两样 它的每一信道包括一部接收机和一部发射机 将工作于这个信道的移动台发来的信号接收后 再通过本信道的发射机发射出去 供另一用户在这个信道上接收 所以它就是一个转发器 因此基台转发器是一个双工信道 异频收 发双工 但仍称为一个信道或一个转发器信道 一个基台有多个转发器信道 一般为4 5个 也可多至16个或更多 对于采用集中控制的集群系统还包括用于传输信令的专用控制信道 中央控制台 一般均与基台同在一处 它包括对信道的控制和管理 交换 测试等功能 用户台 即移动台 它包括车载台和手持台 有的也可以是固定台 非移动用户 用户台一般按使用单位或车队而分为若干群 它和大区制的用户台基本一样 除控制及信令不同外 它的基本功能是一样的 以半双工 异频单工 方式工作 指令台 一般是固定台 每一用户群一个 用来控制本用户群的工作 也称调度台 它是基台的一个固定用户 但它又是对本用户群发布调度指令的控制台 它可有一些控制本用户群的特殊功能 如重新编组 遥毙 遥控禁发 等等 这些设备除增加了指令台而外 这是集群的一个特点 和大区制移动通信网的组成没有什么不同 19 7 3集群系统的特点集群通信系统具有以下优点 1 信道利用率高 系统的空闲信道自动分配 利用了讲话间歇 这可以增加系统容量 提高服务等级 2 通话保密性好 用户一次通话不是在一个信道上完成 而是随机地切换到好几个信道上完成的 如有人想偷听某一用户的通话是困难的 因他无法跟踪切换自己的收听频道 这在某种程度上有点像跳频通信一样 只不过它在一个频率 信道 上驻留的时间较长 数秒钟 因而偷听者只可能听到一两句 而无法听到会话的全部 所以保密性要较常规系统好 3 接续速度较快 在一个系统中所有信道同时都占用的概率很小 尤其在信道数目多的大系统中 信道全忙的概率更小 因此集群系统的服务等级要比常规系统的好 在同样的信道条件和用户话务量情况下 再加上微机处理速度快 可使入网接续的速度快 一般均在300ms以下 只有在遇到所有信道全忙时才需要排队等待 4 成本较低 按每用户计 由于容量增大 因此成本明显地低于常规调度系统 集群系统的主要缺点是 由于在通话中可能碰到信道全忙 需要排队等待的情况 因此会产生迟延 使人有说话不连续的感觉 其次是在集群系统中 一次通话需要不止一次的选择空闲信道 而这种选择需要通过控制信道来传送信令 因此控制信道比通话信道要忙得多 传输信令量一般要大三倍左右 所以控制信道必须有能力承受这么多的信息量 总之 集群系统属于专用调度移动通信 它的工作方式为半双工 异频单工 大区制 可以覆盖较大范围 一般半径为30 40km 但由于现在使用单位较多 已不限于只作调度使用了 一般还要求它能与市话网互连 有的还要求双工工作 或扩大覆盖范围 多个小区工作等 但应指出 集群是针对调度 或类似应用 的通话简洁及上下属台互通机会多的特殊情况而设计的 如果用作其它较长时间的通话 就会减弱甚至失去它的优点 19 8无线寻呼系统 19 8 1无线寻呼系统简介无线寻呼系统 RadioPagingSystem 是一种单向传输指令的选择呼叫系统 属于一种费用低廉 使用方便 易于普及的个人移动通信业务系统 寻呼 的英文原文是 Paging 它有多种译法 国际无线电咨询委员会定义为 传送呼叫信号的单向个人选呼系统 香港特区称为 BB机 因为它的振铃声接近 Bi Bi 的声音 我国则称为 寻呼 美国贝尔实验室于1948年开始研制寻呼系统 于1958年研制出新型寻呼系统 并用于开放公用无线寻呼业务 日本无线寻呼业务投入商用是在1968年7月 NTT公司在东京用150MHz的单音方式