移动通信 (郭梯云)第8章.ppt

第8章频分多址 FDMA 模拟蜂窝网 8 1概述8 2典型系统的组成8 3系统控制及其信令 8 4系统的工作过程 8 1概述 8 1 1发展简况 表8 1模拟蜂窝系统一览表 表8 1模拟蜂窝系统一览表 表8 1模拟蜂窝系统一览表 8 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8 1蜂窝网移动电话系统结构 8 1 3主要功能 表8 1所列的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 话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 移动用户可采用预拨号方式 在按 SEND 键前不占用链路 可把被叫号码存入寄存器中并在显示屏上显示 用户容量大 一个系统一般能为几万个用户提供服务 还能适应业务增加需要 通过小区分裂以扩充容量 采用小区制频率再用技术 当基站采用全向天线时 一个区群由12个小区组成 频率再用率为1 12 其频道分配方法是等频距法 以尺可能减少邻道干扰 具有自动过境切换频道技术 切换时间小于20ms 设备通用性较强 通常基站 移动台等设备在全国范围内可以通用 各地之间可以联网 具有自动漫游功能 8 2典型系统的组成 8 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 因此 MTSO常由适合移动通信的专用程控交换机组成 如TACS系统中使用EMX系列程控交换机 MTSO也可以在普通程控电话交换机中增加一些软件和硬件 使它具有控制 接续 交换移动电话的功能 例如 AMPS中MTSO是由ESS 4型程控交换机改装而成 它主要包括交换网络 处理器 数据终端等设备 并具有丰富的软件 通常软件部分可分为系统操作程序 如呼叫处理 接续和控制 设备状态测试和维护程序 如路由管理 故障检测 诊断和处理 运行管理程序 如话务量统计 记录和计数等 等 图8 2AMPS系统组成简化方框图 8 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8 2所示 每个射频架最大容量为16个无线信道 即收 发信机各有16部 当基站采用全向天线时 最少需配备4个机架 即射频架 数据架 线路监测架和维护测试架各一个 AMPS系统中基站最大配置为14个机架 即射频架9个 线路监测架3个 数据架和维护测试架各一个 1 射频架 图8 3示出的是16个信道射频架组成方框图 图中 TRAN0 TRAN15为16部发射机主机 工作频段为870 890MHz 输出功率约为1W 信道频率由主频率源 频率合成器 控制 AMP0 AMP15为末级功率放大器 输出功率均为45W 16路信号进入信道合路器 该合路器由16个腔体谐振器构成 对每路信号衰减约为3dB 合路信号经定向耦合器 接维护测试架 后 再经常滤波器送至发射天线 带通滤波器的作用是抑制杂波辐射 图8 3射频架组成方框图 接收信号的频率范围是825 845MHz 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825 845MHz带通滤波器 滤除带外干扰 再经低噪声前置放大器和16 1功率分配器 进入RCVR0 RCVR15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 2 数据架 图8 4数据架组成方框图 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 维护测试架的功能对各种设备状况进行测试 分定期测试 故障测试和开通运行测试等 并收集主呼 被呼等基本数据 使设备保持良好的运行状态 供收发信机用的主振器也装在维护测试架 晶体振荡器 228 02250MHz 装入恒温控制箱 其频率稳定度可达 2 5 10 6 年 8 2 3移动台 MS 移动台主要包括车载台与手机两类 其主要差别功率大小不同 例如 TACS系统 车载台最大发射功率有10W和4W两种 手持机功率较小 也有0 6W和1 6W两种 车载台与手持机的功能 组成和工作原理是相同的 统称为移动台 图8 5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8 5移动台组成方框图 1 控制单元 用户控制单元包括送受话器 键盘 指标灯和蜂呜器等 它与普通电话机不同之处讲述如下 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 若发现拨错了号码 可以按 清洗 按键后再重拨 当用户确认拨号无误时 则可按 发送 按键 使信号快速地发出 此时 Inuse 在使用中 字样便会在显示屏上出现 表示进入使用状态 双方即可通话 如果因故未拨通 则 未接通 指示灯亮 如果被叫用户占线 则有忙音 按 终止 按键 待一会儿再拨 此外 用户控制单元上还装有一个指示灯 用来指示移动台是否已驶入本系统服务区之外 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10kb s TACS是8kb s 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A D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 如图8 5中所示 手机无分集功能 收发共用一根天线 由图8 5可见 收发信机组成采用的是典型的调频设备 发射机采用倍频式的间接调频 话音信号经积分后再调相 方式 接收机采用两次变频超外差接收机 第一中频为45MHz 第二中频为10 7MHz TACS的第二中频为455kHz 需要说明的是 在移动台中 话音信号处理电路包括瞬时频偏控制电路 压缩与扩张和加重与去加重电路 AMPS系统规定最大频偏不超过12kHz TACS系统则是9 5kHz 由于移动台采用小调频指数 而话音的动态范围很大 因而在调制前先将话音信号幅度进行压缩 接收机解调后再予以扩张 还原成原话音信号 压扩器采用CCITT规定的2 1压扩器 发射机中输入话音信号变化2dB 输出变化为1dB 即按2 1进行压缩 在接收机中 话音信号通过压扩器 以1 2进行扩展 不仅消除了发射机压缩话音所带来的失真 并且在正常接收条件下有利于提高信噪比 由于压扩器响应时间较慢 约20ms 因而只对变化较慢的话音音节进行响应 故常称为音节压扩器 加重与去加重目的是为改善高音频段信噪比而设置的 规定预加重特性为 6dB 倍频程 去加重特性为 6dB 倍频程 表8 2移动台性能指标 表8 2移动台性能指标 表8 2移动台性能指标 8 3系统控制及其信令 8 3 1系统的控制结构 无论是AMPS系统还是TACS系统 其系统控制涉及公用市话网 移动电话局 基站和移动台之间的话音和信令的传输与交换 蜂窝系统的控制结构如图8 6所示 图8 6蜂窝系统的控制结构 图8 7蜂窝系统的信道类型 8 3 2控制信号及其功能 1 监测音SAT SupervisoryAudioTone 监测音用于信道分配和对移动用户的通话质量进行监测 当某一话音信道要分配给某一移动用户时 BS就在前向话音信道上发送SAT信号 移动台检测到SAT信号后 就在反向话音信道上环回该SAT信号 BS收到返回的SAT信号后 就确认此双向话音信道已经接通 即可通话 在通话期间 基站仍在话音信道 上连续不断地发送SAT信号 MS不断环回SAT信号 BS根据环回SAT的信噪比 不断地与预先设置的信噪比相比较 确定是否需要进行过区频道切换 为了提高监测音的可靠性 避免与话音信号相互间干扰 AMPS系统和TACS系统均采用话音频带外的5970 6000和6030Hz三个单音作为监测音 每个区群使用其中一个监测音 相邻区群分别使用另外两个监测音 例如 由7个小区组成的区群 其监测音的分配如图8 8所示 由图可见 使用相同监测音 SAT1 相同载频 f1 的复用距离是共道复用距离的倍 加大监测音共道复用距离的目的是为了减小SAT信号之间的干扰 这是因为传输监测音的可靠性应该高于传输话音的要求 图8 8监测音的配置 2 信令音ST SignallingTone 信令音在移动台至基站的反向话音信道中传输 它是10kHz的音频信号 信令音的主要用途如下 第一 当MS收到BS发来的振铃信号时 MS在反向话音信道上向BS发送ST信号 表示振铃成功 一旦移动用户摘机通话 就停发ST信号 第二 移动台在过境切换频道前 在MTSO控制下 BS在原来的前向话音信道上发送一个新分配的话音信道的指令 MS收到该指令后 就发送ST信号以表示确认 根据上述SAT和ST信号的有无 可以用来判断MS处于摘机还是机等状态 如表8 2所示 例如 当基站收到移动台环回的SAT信号 同时又收到ST 则表示移动台处于挂机状态 若只收到环回的SAT信号 而未收到ST 则表明此时移动台已摘机 表8 3移动台摘机 挂机信号表 ST 3 定位与过境切换 在移动台通话过程中 为其服务的基站定位接收机不断监测来自移动台的信号电平 当发现环回的监测音SAT的电平低于某一指定值SSH SignalStrengthforHandoffRequest 即信号电平降至请求过境切换的强度时 立即告知MTSO MTSO当即命令邻近的BS同时监测该移动台的信号电平 并即把测量结果向MTSO报告 MTSO根据这些测量结果 就可判断移动台驶入了哪个小区 上述过程就称为定位 通过定位 就能确定是否需要以及如何进行过境切换 过境切换的过程如图8 9所示 图8 9过境切换过程 4 寻呼与接入 所谓 寻呼 是当市话用户呼叫某一个移动用户时 MTSO通过某一个基站或位置区内多个基站甚至所有基站发出呼叫信号 包括被呼用户号码以及话音信道指配代号等 这些寻呼信号是在前向控制信道上发送的 所谓 接入 是指移动台主听时 要求入网 为此在反向控制信道上传送入网信息 如将自己的用户识别号告知基站 并在前向控制信道上等候指配话音信道 接入过程如下 移动台开机后 在内存程序控制下 进行自动搜索控制信道 若为空闲 就发送入网信息 基站收到移动台发送的接入信息后 告知MTSO MTSO经核实为有效用户时 就为基站和移动台指配一对话音信道 移动台就根据指配指令自动调谐到话音信道 这样就完成了接入过程 5 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 如果基站同意它占用 就将忙 闲位从 闲 改置为 忙 同时也告诉了其它移动台此控制信道已被占用 6 移动台的功率等级信号 移动台的标称功率共分四类 1类和2类用于车载台 3类和4类用于手持机 1类移动台功率最大 标称额定功率为10W 或10dBW 其次是2类 标称额定功率是4W 6dBW 3类的标称额定功率是1 6W 2dBW 4类的标称额定功率是0 6W 约 2dBW 在蜂窝网中 移动台的功率太大 不仅仅是不必要的浪费 而且会造成对它台的干扰 因而必须根据实际需要 不断地对移动台的功率实施控制 1 2类移动台功率分为8级 每级相差4dB 3类移动台功率分为7级 4类移动台功率等级只有6级 表8 4移动台的功率等级 7 拨号数字信号 拨号数字码用常规的BCD码转换 即用四位二进制比特表示一位十进制数 8 移动用户识别号 无论是AMPS系统还是TACS系统 移动用户识别号都采用10位数字编码制 前3位是国家或区域号码 第4位是移动电话网代号 后6位是用户代号 除了第4位数字用BCD码转换外 其它9位 每3位按特定转换规则 用10位二进制比特表示 因此总共用34位二进制比特代表移动用户识别号 设移动用户的识别号码为3211456789 则相应的34位比特二进制代码可按下述步骤求出 先进行1 3位转换 用D1D2D3表示3位数 计算100 D1 10 D2 D3 111 由于D1 3 D2 2 D3 1 故100 D1 10 D2 D3 111 210 210用10位二进制表示为 0011010010 这就是321的10比特二进制代码 第4位是1 它的BCD代码是 0001 用户识别号456789分为高3位 456 和低3位 789 通过上述同样的转换规则 可得 456代码为 0101011001 789代码为 101000110 于是得到 10位数字移动用户识别码3211456789的34比二进制代码为 0011010010000101010110011010100110 8 3 3数字信令 1 前向控制信道FOCC ForwardControlChannel 图8 10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 200bit 信息字A 每字40bit 重复5次 分别记作A1 A2 A5 200bit 信息字B 每字40bit 重复5次 分别记作B1 B2 B5 10bit 位同步 11bit 字同步 42bit 忙 闲比特 图8 10前向控制信道的信令格式 每一帧先发送10bit的位同步码 其码型为10交替码 然后发送11bit的字同步码 其码型是11位的巴克码 即11100010010 忙 闲比特位的作用前面已经指出 为了缓和同时抢占控制信道的冲突现象 在前向控制信道的信令中 每隔10bit插入一个忙 闲比特位 插入位置如图8 10中箭头所示 A字和B字均系传输的数据信息 由移动台识别号码的最低位 确定在A位置或B位置上传送数据信息 具体而言 最低位是 0 的移动台接收A字 最低位为 1 的移动台接收B字 字A和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 提高了信令传输的抗衰落 抗干扰能力 每个字40bit 其中28位是信息位 12位是检验位 采用BCH编码方法 记作BCH 40 28 BCH 40 28 码字的汉明距离dmin 5 它具有纠正两位随机错码能力 上述信道编码都是为了适应移动信道条件下 提高数字信令传输可靠性所必需的 也是行之有效的 在前向控制信道传输的信息主要有 被呼移动台号码 亦称移动台识别码 话音信道指配代号 功率等级指令代码等 每种信号根据信息位的长短可由1个字或多个字组成 此外 如果当时在控制信道上没有需要传送的信息时 就用一些无意义的符号来填充 此时 忙 闲比特位置 闲 2 反向控制信道RECC ReverseControlChannel 反向控制信道的信令格式如图8 11所示 每一帧前48bit的前置头称为占用预告 其中 位同步30bit 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 其后为五个数据字组A B C D E 每个字组由48bit的数据重复5次组成 以进行择多判决 每48bit码字中 前36位为信息比特 后12位为检验比特 即用BCH 48 36 码进行纠错编码 其汉明码距为5 可以纠正2个随机差错或纠正1个及检测2个差错 图8 11反向控制信道的信令格式 3 前向话音信道中的控制信令 图8 12前向话音信道的信令格式 4 反向话音信道中的控制信令 反向话音信道与前向话音信道相似 主要用于传输话音 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 采用的插入方法及信令格式与前向话音信道基本相同 稍有差异的是 起始位同步是101bit 每个字符是48bit 采用BCH 48 36 纠错编码 每个字符只重复5次 5 有线数据信道的控制信令 基站与移动电话局之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 4kb s或4 8kb s的速率传输 有线数据信道信令格式如图8 13所示 其中 位同步只用3个比特 末6位是检验比特 亦称监督位 采用BCH 32 26 纠错编码 以提高传输可靠性 用于传输指令信息占16位 还有7位是源或宿地址 图8 13有线数据信道的信令格式 8 4系统的工作过程 8 4 1初始状态 当移动台开机接通电源后 它就根据预先存储的程序对控制信道进行扫描搜索 并锁定在信号最强的信道上 通常这表示与最靠近的基站建立了联系 然后 移动台继续监视所选择的控制信道 等候被呼或发起主呼 由于移动台不断地移动 所以上述的初始化过程往往需要反复进行 亦即每隔一定时间或收到信号由强变弱到某个规定值时 就要重新搜索控制信道 从而保证移动台不断地跟踪信号最强的基站 8 4 2移动台被呼 1 寻呼 市话用户要想与某一移动用户通话 可直接拨该移动用户电话号码 10位 通过市话局接入移动交换中心 MSC MSC收到被呼的移动用户号码 将它转换为移动台的识别号码 32位二进制比特 并发出寻呼指令 让本服务区各基站通过前向控制信道选呼该移动用户 2 寻呼响应 若被呼移动台开机的话 就能发现被呼信号 并选择一个信号最强的基站 监测前向控制信道的忙 闲位 若是空闲标志 则移动台发射机的频率调到相应的反向控制