我的移动通信第四章.ppt

1 移动通信技术 2 第1节移动通信概述 内容 移动通信的概念 特点和工作方式移动通信的组网制式 区域结构 多信道共用概念 信道自动选择方式 频率利用移动交换机的特殊功能和特有的跟踪交换技术 3 第1节移动通信概述 重点 移动通信的概念 特点多信道共用概念难点 正六边形区群结构话务理论移动通信的交换及控制技术 4 第1节移动通信概述 目的和要求 掌握移动通信概念 特点了解移动通信系统的组网制式 无线区群结构 信道选择方法掌握多信道共用 频率复用概念理解移动通信中的位置登记 越区切换 漫游等基本控制技术 5 1 1移动通信的基本概念 什么是移动通信移动通信是指通信双方至少有一方或双方在移动中进行信息交换的通信方式 至少有一方能移动 一种有线和无线相结合的通信方式 区域内可随时随地进行 为个人通信 5W通信 打下基础 移动通信可以是双向的 也可以是单向的 6 1 1移动通信的基本概念 移动通信的类型按使用对象分 军用 民用 按用途和区域分 陆上 海上 空中 按经营方式分 专用 公用 按信号性质分 模拟 数字 按工作方式分 单工 半双工 双工制 按网络形式分 单区制 多区制 蜂窝制 按多址方式分 FDMA TDMA CDMA 7 1 1移动通信的基本概念 移动通信的特点移动通信是有线 无线相结合的通信方式 1 电波传播条件恶劣 存在严重的多径衰落 反射与绕射引起 原因 接收信号由直射波和反射波叠加而成 各信号到达接收点时幅度和相位都不一样 使接收信号电平起伏不定 要求 在进行移动通信系统的设计时 必须具有一定的抗衰落的能力和储备 8 1 1移动通信的基本概念 2 强干扰条件下工作 通信质量的好坏不仅取于设备性能 还和外部噪声与干扰有关 噪声分类 内部噪声 人为噪声 自然噪声主要噪声 人为噪声 如汽车点火噪声要求 选择抗干扰性强的调制方式 设备具有足够的抗人为噪声能力 一般噪声强度随地点的分布服从正态对数分布信噪比越大则通信质量越好 9 1 1移动通信的基本概念 强干扰条件下工作 主要干扰 互调干扰 当两个不同频率的信号加到非线性器件上时 非线性变换将产生许多组合频率信号 其中一部分可能落在接收机通带内成为干扰 因此 它是设备中器件的非线性引起 要求设备必须具有良好的选择性 邻道干扰 离基站近的移动台的强信号干扰离基站远的邻道上的移动台的弱信号 要求移动台采用自动功率控制电路 同频干扰 指所有连到接收机通带内的 与有用信号频率相同或相近的无用信号产生的干扰 它是相同载频电台间的干扰 主要由同频复用引起 要求系统在组网时 给予充分的重视 CDMA干扰 在第三代移动通信中采用CDMA技术 其信号在时间域和频率域上完全重叠 使用不同的正交码来区分信号 产生了码间干扰 10 1 1移动通信的基本概念 为了保证通话质量 给出了射频防卫度 它是达到主观上规定的接收质量时 所需的射频信号对干扰信号的比值 所以接收信号 同频干扰必须大于射频防卫度 一般定义达到话音4级时为17dB 3级话音质量时为12dB 11 1 1移动通信的基本概念 3 具有多普勒效应 多普勒效应 相对速度引起频移 频移与速度和入射波方向有关 多普勒频率要求 采用锁相技术 频率跟踪和低门限性能 锁相技术也是锁相环技术锁相环是指一种电路或者模块 它用于在通信的接收机中 其作用是对接收到的信号进行处理 并从其中提取某个时钟的相位信息 或者说 对于接收到的信号 仿制一个时钟信号 使得这两个信号从某种角度来看是同步的 或者说 相干的 12 1 1移动通信的基本概念 4 存在阴影区 盲区 盲区 某些特定区域中 电波被吸收或被反射而使移动台接收不到信息要求 在网络规划 设置基站时必须予以充分的考虑 5 用户经常移动 与基站间无固定联系 要求采用跟踪交换技术 如位置登记 原地用户位置寄存器和访问用户位置寄存器 越区切换 漫游 13 1 1移动通信的基本概念 移动通信的发展1G 模拟系统 代表 美国的AMPS 英国的TACS等2G 数字系统 代表 泛欧的GSM 美国的DAMPS IS 95CDMA等3G标准 基于GSM的WCDMA 基于IS 95CDMA的cdma2000 TD SCDMA等4G 5G 为使2G系统能平滑过渡到3G 采用2 5G技术代表 GPRS GSM向WCDMA过渡 14 1 1移动通信的基本概念 我国移动通信的发展1989年 模拟TACS 1994年 GSM系统 2001年 模拟网关闭 IS 95CDMA启用 GPRS开通 目前 正向3G的商用发展 15 1 1移动通信的基本概念 移动通信的工作方式单工方式 同时只能单方向工作 发信时需 按 讲 操作半双工方式 只有一方可收发同时进行 另一方同时只能单方向工作双工方式 通信双方均可同时收发工作准双工方式 移动台仅在发信时开启发射机 而接收机常开 频分双工FDD时分双工TDD 16 1 1移动通信的基本概念 移动通信系统的组成组成 移动台MS 基站BS 移动业务交换中心MSC及与市话网PSTN相连接的中继线等 17 1 2移动通信的组网技术 组网制式大区制 小容量 按照服务面积范围 概念 在一个服务区内只有一个基站负责移动通信的联络和控制基站天线架设高 30m 发射功率大50 200W R 30 40km上行采用分集接收区域内所有频率不能重复不利于频分复用 频谱利用低覆盖范围有限 性能较差 18 1 2移动通信的组网技术 提高覆盖半径是大区制需解决的主要问题决定覆盖半径的因素地球的曲率地形影响多径反射移动台发射功率小 上行信号传输距离有限解决上行信号问题的办法 设置分集接收台基站发射用全向天线 基站接收用定向天线提高基站接收灵敏度同频转发 19 1 2移动通信的组网技术 小区制 大容量概念 将整个服务区划分为若干个小无线区 每个小无线区分别设置一个基站负责本区的移动通信的联络和控制 每个小区的半径可以为2 10km 同时又可在MSC的统一控制下 实现小区间移动通信的转接及与公众电话网的联系 特点 用户容量大 服务性能好 频谱利用率较高 但系统复杂 越区切换 漫游 位置登记 更新和管理等 20 1 2移动通信的组网技术 蜂窝系统分类 小区制 系统 宏蜂窝 Macro cell 2 20km微蜂窝 Micro cell 0 4 2km皮蜂窝 Pico cell 400m分层蜂窝 由多种蜂窝组成 21 蜂窝系统的优点与缺点 优点 同频复用距离减小 提高了频率利用率 移动台和基站的发射功率减小 同时也减小了相互干扰 小区范围可根据用户数灵活确定 容量增大 当小区内用户数增加到一定程度 可进行 小区分裂 缺点 移动台切换概率增加 控制交换功能复杂 要求提高 基站数增加 建网成本提高 22 1 2移动通信的组网技术 小区形状的选择采用全向天线对平面服务区作无缝覆盖 常用圆内接正多边形代替圆表示无线小区形状 能彼此邻接构成平面的圆内接正多边形有正三角形 正方形和正六边形 23 1 2移动通信的组网技术 24 1 2移动通信的组网技术 比较三种圆内接正多边形 正六边形小区的中心间隔最大 各基站间的干扰最小 交叠区面积最小 同频干扰最小 交叠距离最小 便于实现跟踪交换 覆盖面积最大 对于同样大小的服务区域 采用正六边形构成小区制所需的小区数最少 即所需基站数少 最经济 所需的频率个数最少 频率利用率高 一般采用正六边形小区形状 25 1 2移动通信的组网技术 正六边形无线区群的构成正六边形小区 单位无线区群 平面服务区单位无线区群 共同使用全部可用频率的N个小区构成条件 若干个无线区群能彼此邻接 相邻单位无线区群中的同频小区中心间隔距离相等 构成条件可表示为 N a2 ab b2 N为无线区群中的小区数 a b为相邻同频小区的二维距离a b为0或正整数 但不能同时为0不同的N值得到各不相同的无线区群形状 26 1 2移动通信的组网技术 确定a b的方法 自某个小区A出发 先沿边的垂直方向跨a个小区 再按逆时针方向旋转60度 再跨b个小区 就可以找到同频B同频复用距离 同频复用比 N是小区数 R是小区半径 27 1 2移动通信的组网技术 单位无线区群的选择考虑通信质量 不能产生严重的同频干扰 考虑频率利用率 即同频复用距离 频率分配时 每个无线小区一个信道组 每个无线区群一组信道组 不同无线区群可采用相同信道组 同频无线小区中心间隔距离dg大于或等于同频复用保护距离D N为无线区群中的小区数 r为小区半径在满足所需同频复用距离前提下 N取最小值 使频率利用率最高 28 1 2移动通信的组网技术 超小区小区半径r 20km 农村 宏小区小区半径r 1 20km 人口密集地区 微小区小区半径r 0 1 1km 城市繁华区 微微小区 小区半径r 0 1km 办公室 家庭内 29 1 2移动通信的组网技术 激励方式中心激励 全向天线实现顶点激励 定向天线实现 30 1 2移动通信的组网技术 无线小区的划分服务区内用户密度均匀 采用的无线小区大小相同 每个小区分配的信道数相同 实际通信网络中 用户密度分布不均高用户密度区域 无线小区应小些或分配的信道数多些 低用户密度区域 无线小区可大些或分配的信道数少些 当原小区用户密度增至一定程度 可实现小区分裂 31 1 2移动通信的组网技术 小区分裂增大系统容量 降低用户密度 适应用户增长一分三方式 一分四方式 32 1 2移动通信的组网技术 选择小区分裂扩容法应遵循以下原则 1 确保已建基站可以继续使用 2 应保持频率复用方式的规则性与重复性 3 尽量减少或避免过渡区 4 确保今后可以继续进行小区分裂 33 1 2移动通信的组网技术 无线区域的划分和组成 应根据地形地物情况 容量密度 通信容量 频谱利用率等因素综合考虑 例 容量密度不等时的区域划分 34 1 2移动通信的组网技术 移动通信系统的信道结构信道概念 通信网络中一条双向的信息传输通道 类型 话音信道 控制信道 有线信道 无线信道无线信道移动台与基站间的一条双向传输通道 使用两个分开的无线频率 上下行信道间的载频间隔为双工间隔 上行信道 由移动台发射 基站接收下行信道 由基站发射 移动台接收 35 1 2移动通信的组网技术 信道不同系统中信道的含义 模拟系统中 信道 频道GSM系统中 信道 某载频上的一个时隙CDMA系统中 信道 一个正交的地址码 36 1 2移动通信的组网技术 多信道共用提高频率利用率的方法同频复用 间隔一定距离的两个无线小区使用相同频道组多信道共用 网内大量用户共同享有若干个无线信道用户占用信道方式独立信道方式 为用户固定使用某一信道多信道共用方式 任何一个小区内的移动用户可选取小区内的任何空闲信道 37 1 2移动通信的组网技术 话务理论呼叫话务量A度量通信系统通话业务量或繁忙程度的指标单位时间 1小时 内呼叫次数与每次呼叫的平均占用信道时间之积 即A C t单位 爱尔兰 Erl 1Erl表示一个小时内不断占用一个信道的话务量完成话务量A0 呼叫成功接通的话务量损失话务量AL 38 1 2移动通信的组网技术 呼损率B呼损 由于用户数大于信道数 当多个用户同时要求服务而信道数不够时 有部分用户因无空闲信道而不能通话 即为呼叫失败呼损率B 通信系统中 造成呼叫失败的概率呼损率的物理意义 损失话务量与呼叫话务量之比的百分数 也可用呼叫次数表示 B AL A 100 CL C 100 39 1 2移动通信的组网技术 呼损率越小 成功呼叫的概率越大 用户就越满意 因此呼损率也称为系统的服务等级 呼损率与话务量是一对矛盾 服务等级与信道利用率也是矛盾的 必须选择一个合适的值利用爱尔兰公式计算出的呼损率列表为爱尔兰呼损表 反映话务量 呼损率和共用信道数间的关系工程上 常用查表的方式计算话务量 40 1 2移动通信的组网技术 问题在一个系统中 满足一定用户数U 选择合理的n个信道 达到B要求的服务质量是波道设计的要点 41 1 2移动通信的组网技术 繁忙小时集中率K忙时 非忙时考虑用户数与信道数时应该采用忙时话务量忙时话务量 最繁忙的一小时的话务量繁忙小时集中率 忙时话务量与全日 24小时 话务量的比值K 忙时话务量 全日话务量一般取值为10 15 42 1 2移动通信的组网技术 每用户忙时话务量A用户a用户 CTK 3600 Erl 用户 C为每天平均呼叫次数 T为每次呼叫平均占用信道时间 s K为繁忙小时集中率a用户是一个统计平均值对专用移动通信系统 用户忙时的话务量可按0 06Erl 用户计算 对于公用移动通信系统 用户忙时的话务量按0 01Erl 用户来计算 43 1 2移动通信的组网技术 每信道容纳的用户数mm A n a用户A n为每信道平均话务量 A可由爱尔兰呼损表查得 n是信道数 每个信道所容纳的用户数与在一定呼损条件下系统所能负载的话务量成正比 与每用户忙时话务量成反比 44 1 2移动通信的组网技术 例 某移动通信系统 每天每个用户平均呼叫10次 每次平均占用信道时间为80s 呼损率要求为10 忙时集中率K 0 125 问给定8个信道能容纳多少用户 解 根据呼损率要求及信道数 查表得总话务量A 5 579Erl每个用户忙时话务量a用户 CTK 3600 10 80 0 125 3600 0 027 Erl 用户 每个信道容纳的用户数m A n a用户 25 7 用户 信道 系统所容纳的用户数m n 25 7 8 205 用户 结论 通过信道公用技术使得8个信道可以容纳205个用户使用 所以大大提高了信道的利用率以及频带利用率 45 1 2移动通信的组网技术 信道利用率 也叫波道利用率 是每个波道平均完成的话务量 A n A 1 B n 46 1 2移动通信的组网技术 当无线区共用信道数一定时 呼损率B越大 话务量A越大 信道利用率 越高 服务质量越低多信道共用时 信道利用率提高 信道数增加 信道利用率高 但信道利用率并不是成线性增加 其提高的速度随着波道数的增加越来越小 而且设备复杂 互调产物增多用户数不仅与话务量有关 而且与通话占用信道时间有关在系统设计时 既要保持一定的服务质量 又要尽量提高信道的利用率 而且要求在经济技术上合理在系统设计时 必须选择合理的呼损率 正确确定每用户忙时话务量 采用多信道共用方式工作 根据用户数计算信道数 或者给定信道数计算能容纳用户数 47 1 3移动通信的控制与交换 移动交换系统移动交换设备功能 完成无线用户之间 无线用户与市话用户之间建立通话时的接续和交换移动交换设备多为程控电话交换机 移动交换设备与程控电话交换机相比需要有一些特殊功能 因为移动用户可在一定区域内任意移动 完成移动用户间或移动用户与固定用户间的一个接续 须经固定的地面网和不固定的无线信道的链接 而且移动台位置的变动使整个服务区内话务分布状态随时发生剧烈的变化 48 1 3移动通信的控制与交换 移动交换系统的特殊要求 用户数据的存储 用户位置的登记 寻呼用户的信令系统识别及处理 越区频道转换的处理 过荷控制 远距离档案存取 路由的控制 49 1 3移动通信的控制与交换 移动通信中的控制技术位置登记概念 移动台向基站发送报文 表明自己所处的位置的过程 几个相关名词 位置区 家区 被访区 归属位置寄存器 访问位置寄存器位置更新位置区的划分 50 1 3移动通信的控制与交换 一齐呼叫概念 位置信息表明被呼移动用户在某个位置区 但不知其所处的具体小区 因此位置区内所有基站一齐发出被呼移动用户识别码 被叫移动用户应答后 即由应答小区提供接续服务 51 1 3移动通信的控制与交换 越区切换概念 为了保证通信的连续性 正在通话的移动台从一个小区进入相邻的另一小区时 工作频道从一个无线频道上转换到另一个无线频道上 而通话不中断按切换小区的控制区域分类 在同一基站控制器BSC下的小区间的越区切换 在同一MSC 不同的BSC下的小区间进行的越区切换 在不同MSC下的小区间的越区切换 也称为越局切换 52 1 3移动通信的控制与交换 切换时刻 根据基站接收到移动台的信号强度测试报告或误码率报告确定硬切换与软切换硬切换 移动台越区过界时进行的切换 在切换时 移动台要先中断与原通信基站的联系 再建立与目标基站间的通信 软切换 移动台在切换时 先不中断与原通信基站的联系 而与目标基站先建立通信 两个基站可同时为一个用户提供服务 当与目标基站取得可靠通信后 再切断与原基站间的通信 53 1 3移动通信的控制与交换 硬切换与软切换GSM中支持硬切换 CDMA中支持软切换 也支持硬切换 54 1 3移动通信的控制与交换 漫游概念 移动台从一个MSC区到另一个MSC区后 仍能入网使用的通信服务功能漫游的实现过程 位置登记 转移呼叫和呼叫建立几个名词 归属局 本局用户 被访局 漫游用户 55 本节小结 移动通信系统中 由于用户能在移动中进行通信 具有与有线通信不同的特点 需要有一定的措施以解决所存在的问题 为了提高频谱的利用率 大容量移动通信系统采用正六边形无线小区制结构 并进行多频道共用和同频复用 专用呼叫信道方式可用于提高呼叫接续的速度 由于用户的可移动性 移动交换机必须具有特定的功能 移动通信网必须具有如位置登记 越区切换 漫游等跟踪交换技术 56 2 1泛欧数字移动通信系统GSM GSM系统工作在900MHz频段 考虑到未来个人通信网的需求 1800MHz频段也纳入了GSM标准 考虑到容量以及系统效率 系统蜂窝半径为1 10km 57 GSM网络结构 58 2 1泛欧数字移动通信系统GSM 组成部分 基地站子系统 网络子系统基地站子系统 基地站收发台 BTS 收发信机 天线基地站控制器 BSC BTS与MSC中枢网络子系统 移动交换中心 MSC 操作和维护中心 OMC 原籍用户位置寄存器 HLR 访问用户位置寄存器 VLR 鉴别中心 AUC 识别用户身份设备标志寄存器 EIR 存储移动台设备参数 59 GSM网络的子系统划分 基站子系统 BSS 网络与交换子系统 NSS 运行子系统 OSS 60 基站子系统 BSS 网络实体基站 BTS 基站控制器 BSC 接口UmAbisA 61 基站子系统 BSS 基站 BTS 无线收发信号的功能 调频 功率调整 信号处理功能 编码 调制 加密 等等 基站控制器 BSC 负责其所管理的所有BTS的资源分配和释放负责移动台与MSC之间的链路其他功能 切换 位置更新 等等 62 网络与交换子系统 NSS 网络实体移动交换中心 MSC 互连功能体 IWF 数据库归属位置寄存器 HLR 访问位置寄存器 VLR 63 网络与交换子系统 NSS 移动交换中心 MSC 主要功能是协调GSM用户呼叫的建立控制BSC间的切换通过7号信令网协调VLR HLR及OSS间的工作互连功能体 IWF 完成MSC与外部网络互连的适配功能 64 网络与交换子系统 NSS 归属位置寄存器 HLR 存储与业务提供有关的归属于该区域的用户的信息当用户的访问区域变化时 负责信息的更新访问位置寄存器 VLR 存储在一个MSC区域内的用户的临时注册数据 65 运行子系统 OSS 负责GSM网络运行 管理和维护等方面的功能功能实体运行和维护中心 OMC 鉴权中心 AUC 设备识别寄存器 EIR 66 运行子系统 OSS 运行和维护中心 OMC 对基站子系统BSS和网络与交换子系统进行控制和配置鉴权中心 AUC 存储 产生用户的鉴权密钥密钥用于移动台鉴权及空中接口的数据加密设备识别寄存器 EIR 存储移动台的信息 IMEI 失窃 损坏的移动台被记录 67 呼叫流程 MS起呼 MS BTS BSC MSC 信道请求 信道分配 呼叫建立请求 鉴权请求 鉴权响应 加密指令 加密就绪 发送被叫号码 建立路由响应 分配业务信道 业务信道建立 68 呼叫流程 MS起呼 MS BTS BSC MSC 分配业务信道 业务信道建立 回铃音或忙音提示 对方接听呼叫 连接建立完成 通话 69 空中接口移动台与基站 Um 特性 频分双工 FDD 上行信号和下行信号在不同频带上传输 70 频谱分配 空中接口 Um 特性 71 2 1泛欧数字移动通信系统GSM 移动交换中心是GSM的核心 主要功能 信道的管理和分配 呼叫的处理和控制 过区切换和漫游的控制 用户位置信息的登记与管理 用户号码和移动设备号码的登记和管理 服务类型的控制 对用户实施鉴权 与其他MSC和公用通信网络提高链路接口 72 2 1泛欧数字移动通信系统GSM 在实际的通信网络中 由于网络规模的不同 运营环境的不同和设备生产厂家的不同 以上各个部分可以有不同的配置方法 例如把MSC和VLR合并在一起 或者把HLR和AUC合并在一起 但是各个设备之间都遵循CCITT建议的公用陆地移动通信网 PLMN 接口标准 73 2 1泛欧数字移动通信系统GSM GSM采用相位频移键控GMSK调制技术 调制指数mf 0 3 并采用时分多址和频分多址的TDMA FDMA混合技术在25MHz频段内分配了125个载频 载频间隔200kHz 每一载频被8个信道时分复用 所以GSM系统实际最大可用信道数为8 125 1000个 74 2 2码分多址蜂窝移动通信系统 第一代模拟移动通信 采用FDMA 工作在800MHz 900MHz频段 带宽只有12 5MHz 第二代数字移动通信 采用TDMA 容量大为改善 采用频率复用技术 频谱利用率增加第三代移动通信 采用扩频CDMA技术 多址技术解决问题 通常有许多移动台同时通过一个基站和其他移动台进行通信 因而必须对不同移动台和基站发出的信号赋予不同的特征 使基站能从众多移动台的信号中区分出是哪一个移动台发来的信号 而各移动台又能识别出基站发出的信号中哪个是发给自己的信号 75 2 2码分多址蜂窝移动通信系统 CDMA 指系统内不同用户占用同一频率和同一时间段 但各具有不同的PN码 伪随机噪声码 接收端以这种PN码作为区分和选择信号的差别依据 同时又扩展频谱的一种多址方式 也称为扩频多址基站对移动台产生的正向多址干扰移动台对基站产生的反向多址干扰反向 上行链路 功率控制正向 下行链路 功率控制 76 调制中的扩展技术 直接序列扩频DS SS 扩频 是通过注入一个更高频率的信号将基带信号扩展到一个更宽的频带内的射频通信系统 即发射信号的能量被扩展到一个更宽的频带内使其看起来如同噪声一样 扩展带宽与初始信号之比称为处理增益 dB 典型的扩频处理增益可以从10dB到60dB 用数字化的话音信号去调制高速率的伪随机码 调制后形成的扩频数字比特率与伪随机码形同 但其中隐含了话音信号 77 直接序列扩频DS SS 信息调制 扩频调制 射频调制 变频 扩频解调 信息解调 扩频码发生器 射频发生器 本地射频发生器 本地扩频码发生器 直接序列扩频原理 参看课本4 42 78 直接序列扩频CDMA系统的特点 频谱的扩展是直接由高码率的扩频码序列进行调制而得到的扩频码序列多采用伪随机码 也称为伪噪声 PN 码序列接收端多采用产生本地伪随机码序列对接收信号进行相关解扩 或采用匹配滤波器来解扩信号扩频与解扩的伪随机码序列应有严格同步 码的捕获和跟踪多采用匹配滤波器或利用伪随机码优良的相关特性在延迟锁定环中实现一般需要用窄带滤波器来排除干扰 以实现其抗干扰能力的提高 79 跳频扩频FH SS 跳频 用扩频码序列去进行频移键控调制 使载波频率不断地跳变用PN码确定离散频率的次序 这些离散频率就成了跳频载波 也就是已调载波频率在PN码的控制下在不同的时隙中伪随机的来回在不同频率上跳动跳变速率由原