第6章 移动通信.ppt

IntroductiontoModernCommunicationTechnology 课程提要 电信交换 无线通信 移动通信 光传输网 通信网基础技术 宽带网络通信 数据通信 第6章移动通信 本章学习目标 了解移动通信的分类与特点 蜂窝通信概念及移动通信管理的基本内容 了解移动通信中的无线传输技术和码分多址 CDMA 技术 了解GSM移动通信系统的基本概念 系统组成 通信过程以及GPRS业务 了解CDMA移动通信系统原理 系统体制概念 了解第三代移动通信 3G 的基本概念 关键技术与技术标准 内容简介 6 1移动通信概述6 2移动通信的主要关键技术6 3GSM移动通信系统6 4CDMA移动通信系统6 5第三代移动通信系统 3G 放映结束 内容简介 6 1移动通信概述6 1 1移动通信系统的分类6 1 2移动通信的特点6 1 3蜂窝通信的概念6 1 4移动通信的管理 返回主目录 内容简介 6 2移动通信的主要关键技术6 2 1无线传输技术概述6 2 2码分多址 CDMA 返回主目录 内容简介 6 3GSM移动通信系统6 3 1GSM系统概述6 3 2GSM系统的组成6 3 3GSM系统的通信过程6 3 4通用分组无线业务 GPRS 返回主目录 内容简介 6 4CDMA移动通信系统6 4 1CDMA系统原理6 4 2CDMA系统的技术体制 返回主目录 内容简介 6 5第三代移动通信系统 3G 6 5 13G概述6 5 23G的关键技术6 5 33G的技术标准6 5 4新一代移动通信技术 返回主目录 6 1移动通信概述 移动通信是指通信双方或至少有一方是在运动中通过通信网络进行信息交换的 例如固定点与移动体之间 移动体与移动体之间 人与人之间或人与移动体之间的通信 都属于移动通信 移动通信主要包括陆地移动通信和卫星移动通信 若无特别说明 一般泛指前者 返回 6 1 1移动通信系统的分类 1 蜂窝公用移动通信系统2 集群移动通信系统3 无线市话4 无线寻呼系统典型的移动通信系统如图6 1所示 返回 6 1 2移动通信系统的特点 1 移动通信与其他通信方式的比较 1 无线电波传播模式的复杂性 2 多普勒频移产生调制噪声 3 干扰比较严重 4 信道传输条件恶劣 5 可供使用的频率资源有限 6 需采用跟踪交换技术 7 信令 入网方式和计费方式较复杂 移动通信系统的特点 2 数字移动通信与模拟通信方式的比较容量大 可提供多种业务 可与ISDN以及局域网互联 可有多种加密措施 容易确保通信的安全 利用窄带调制和低比特率的语音编码技术 可得到较高的频谱利用率 利用高效的差错控制技术 可恢复质量较高的信号 信道利用率高 小区制缩短了频率重复使用距离 信道分配等技术可提高频率资源的有效利用 便于与固定网及ISDN的兼容 较易于实现非话业务传输 便于网络智能化 设备集成化与降低系统成本 返回 6 1 3蜂窝通信的概念 一个城市被划分为若干个小区域 小区 每个小区有一个发射机 在不同的小区内可再使用相同的频率 小区的大小由容量和应用环境确定 为了获得全覆盖 无死角 小区面积多为正多边型 如正六角型 即蜂窝式 蜂窝通信的概念 1 蜂窝通信的特征 1 低功率的发射机和小的覆盖范围 2 频率再用 3 小区分裂以增加容量 4 切换 蜂窝通信的概念 4 切换切换是将正在处于通信状态的移动用户转移到新的业务信道上 新的小区 的过程 切换的目的是实现蜂窝移动通信的 无缝隙 覆盖 即当移动台从一个小区进入另一个小区时 保证通信的连续性 切换分为硬切换和软切换 蜂窝通信的概念 硬切换是指移动终端被连接到不同的移动通信系统 不同的频率分配或不同的空中接口特性时 必须断掉原来小区的无线信道 才能使用新小区的无线信道进行通信 硬切换在空中接口是先断后通的过程 软切换是当移动终端的通信被连到另一个小区的业务信道时 不需要中断当前服务小区的业务信道 如图6 2所示 蜂窝通信的概念 2 蜂窝式移动通信系统的组成蜂窝式移动通信系统由移动业务交换中心 MSC 基站 BS 移动台 MS 及与市话网相连接的中继线等组成 如图6 3所示 返回 6 1 4移动通信系统的管理 1 无线资源管理2 移动性管理3 安全性管理 返回 6 2移动通信的关键技术 分集技术调制技术均衡技术信道编码技术跳频技术直接序列扩频技术码分多址技术智能天线技术 返回 6 2 1无线传输技术 1 分集技术分集技术的作用是通过两个或更多的接收支路 基站和移动台的接收机 来补偿信道损耗 其作用一是分散传输 使接收端能获得多个统计独立的携带统一信息的衰落信号 另一作用是集中处理 接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并 以降低衰落影响 此时合并方式有3种 即选择性合并 最大比合并和等增益合并 无线传输技术 1 显分集和隐分集显分集 也称为空间分集 其工作原理是将若干个天线分隔开来 然后连接到一个公共的接收系统 当任一天线监测到信号峰值 接收机即可选择接收到的最佳信号作为输入 隐分集 在接收端利用信号处理技术实现分集 其分集作用隐蔽于传输的信号中 如交织编码 直接序列扩频技术等 隐分集技术只需单一天线来接收信号 因而广泛应用于数字移动通信系统中 无线传输技术 2 宏分集和微分集宏分集 是把多个基站设备安放在不同的地理位置和不同的方向上 同时和小区内的一个移动台进行通信 接收机选择信号最好的基站接收 这种方式可减少慢衰落 微分集 是一种减少快衰落的技术 常用的实现方法有多种 如天线分集技术 时间分集技术 频率隐分集技术 多径分集技术等 无线传输技术 2 调制技术GSM系统用高斯滤波最小移频键控 GMSK 调制 3 均衡技术4 信道编码技术5 跳频技术6 直接序列扩频技术 无线传输技术 7 智能天线技术智能天线是利用数字信号处理技术 产生空间定向波束 使天线主波束对准用户信号到达的方向 副波束对准干扰信号到达方向 以充分利用移动用户信号并抑制干扰信号 智能天线的有效实现是利用数字方法形成数字波束 由软件进行自适应处理 增加系统的灵活性高效性 无线传输技术 开关多波束智能天线 结构较简单 整个区域由数目确定的多个并行波束覆盖 每个波束的指向和宽度是固定的 用户在小区内移动 基站选择某个波束使接收信号最强 自适应阵天线 采用多天线阵元结构形成全向天线 系统采用数字信号处理技术识别用户信号的到达方向 并在此方向形成天线主波束 返回 6 2 2码分多址 1 CDMA基本原理CDMA扩频通信系统原理图如图6 4所示 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序列与数字信号相乘 由于伪随机码的速率比数字信号的速率大得多 因此扩展了信息传输带宽 在收信端 则用相同的伪随机序列与接收信号相乘 进行相关运算 将扩频信号进行解扩 扩频通信具有隐蔽性 保密性 抗干扰等优点 码分多址 1 m序列扩频通信中用的伪随机码常采用m序列 其自相关特性优良 且易于产生 在扩频通信中 只有当收端和发端的伪随机码m序列相位相同时 才能恢复发送信号 CDMA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 码分多址 2 交织编码交织编码是在发送数据前改变数字信息的时间顺序 以减少信道中的突发差错的影响 其编码方式是把待发送数据序列按行排成一个m n的矩阵 然后按列顺序传送 收端则按接收的列顺序重新恢复出原来矩阵 再按行顺序进行译码 CDMA采用交织编码方式的目的 是把一个由衰落造成的较长的突发差错离散成随机差错 再用纠正随机差错的编码 FEC 技术消除随机差错 码分多址 2 CDMA的主要特点抗干扰能力强抗多径衰落能力强 信息传输可靠性高抗多普勒效应好抗阴影效应强信号功率密度低 相关特性好系统容量大系统容量具有软特性具有软切换的功能 码分多址 3 CDMA的主要问题与关键技术 1 远近效应与自动功率控制 2 多径衰落与分集接收技术 3 地址码的选择 4 相关接收技术 5 同步技术 码分多址 4 OFDM与CDMA技术比较 1 调制技术 2 峰均功率比 3 抗窄带干扰能力 4 抗多径干扰能力 5 功率控制技术 6 网络规划 7 均衡技术 返回 6 3GSM移动通信系统 GSM系统是基于时分多址 TDMA 的数字蜂窝系统 属于第二代移动通信系统 与第一代移动通信系统 语音传输采用模拟调频方式的模拟蜂窝网 不同 GSM系统信道中传输的全部是数字信号 其采用窄带时分复用 TDMA 线性预测语音编码和高斯滤波最小移频键控 GMSK 结合的方式 使用户容量扩大 保密性能提高 返回 6 3 1GSM系统概述 我国的GSM蜂窝移动通信系统以GSM900系统 工作频率为900MHz 为依托 DCS1800系统 工作频率为1800MHz 为补充 构成GSM900 DCS1800双频网 GSM系统概述 1 GSM系统基本原理GSM系统基于时分多址 TDMA 按时序组成信号的帧结构 移动台在收发的同时 还要接收基站发送的指令 GSM帧结构比PCM帧结构复杂 GSM的帧结构示意图如图6 5所示 GSM系统概述 基本思想 小区中各移动台占用同一频带不同时隙 各移动台只在规定时隙内 以突发形式发射它的信号 这些信号通过基站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 就能从合路信号中将发给它的信号区分出来 GSM系统概述 2 GSM系统的特点 1 系统灵活 2 采用数字通信方式 提高通信质量 3 FDMA与TDMA方式结合 频率利用率提高 4 保密性能好 5 多业务与漫游功能 GSM系统概述 3 GSM系统的区域定义小区 一个基站或基站一部分的扇区覆盖区域 基站区 由一个基站 一个或数个基站收发信台 提供服的所有小区覆盖区域 位置区 移动台可任意移动而不需位置更新的区域 GSM系统概述 移动交换 MSC 区 由一个MSC所控制的所有小区共同覆盖的区域 服务区 指移动台在该区域内可被另一通信网中用户找到 无需知道移动台实际位置即可通信的区域 服务区由若干个公用移动通信网组成 返回 6 3 2GSM系统的组成 GSM系统由交换系统 即移动交换中心 MSC 基站系统 BSS 移动台 MS 操作维护中心 OMC 等部分组成 如图6 6所示 GSM系统的组成 1 交换系统移动业务交换中心 MSC 访问用户位置寄存器 VLR 本地用户位置寄存器 HLR 鉴权中心 AUC 短消息业务中心 SC 操作维护中心 OMC GSM系统的组成 2 基站子系统基站收发信机 BTS 基站控制器 BSC GSM系统的组成 3 移动台移动台 MS 是通信网络的终端无线设备 也是用户能与GSM系统中直接接触的唯一设备 移动台的类型不仅包括手持台 手机 还包括车载台和便携式台 目前手机功能丰富使用方便 手机用户已占整个用户的极大部分 移动台由移动终端 MS 和客户识别卡 SIM 两部分组成 GSM系统的组成 4 GSM系统信道连接在GSM系统中 移动用户通过基站与移动交换局 即移动交换中心MSC 相连 基站只提供信道 包括移动用户与基站间的无线信道和基站与MSC间的中继线 图6 7示出了GSM系统信道连接示意图 返回 6 3 3GSM系统的通信过程 1 移动用户的小区选择移动台扫描GSM系统中所有高频信道 调到最强的一个载频 并判别该载频是否有广播控制信道 若有该信道数据 移动台则选取 并判别是否可以锁定在此小区 若该移动通信网属本系统 且系统允许此小区提供给移动用户使用 则可锁定在该小区 若为不允许使用的小区 移动台则调谐到次强载频上再重复以上判别 GSM系统的通信过程 2 移动台的位置登记每个移动用户的数据存于本地位置寄存器HLR 移动台通过基站向移动业务交换中心发送位置更新请求 交换中心把含有其标识和移动台识别码的位置更新信息 通过No 7信令网送给HLR HLR再发回响应信息 在被访问的交换中心覆盖区的访问位置寄存器VLR中 进行用户数据登记 把位置更新信息通过基站送给移动台 通知原来的VLR删除与此移动用户有关的用户数据 GSM系统的通信过程 3 越区切换判定移动台是否需要越区切换有三种标准 第1种标准 当接收信号载波电平低于门限电平时 则进行切换 第2种标准 当载波 干扰比低于给定值时 进行切换 第3种标准 当移动台到达基站的距离大于给定值时 进行切换 一般常用第一种标准进行判定 GSM系统的通信过程 通话中 移动台不断向所在小区基站报告本小区和相邻小区基站无线信号参数 本小区基站依据这些参数 判断是否需要进行越区切换 当满足越区切换条件时 基站向移动台发出越区切换请求 越区切换请求信息包括国际移动用户识别码 IMSI 和新基站位置码 同时 将越区切换请求信息传送给移动业务交换中心MSC GSM系统的通信过程 MSC判断新的基站是否属于本辖区 若属于本辖区 MSC将通知访问位置寄存器 VLR 并为其选择空闲信道 VLR将空闲信道号及识别码 IMSI 回送给MSC MSC将空闲信道频率及IMSI经本小区基站通知移动台 移动台将工作频率切换到新的频率点上 并进行环路核准 核准信息经MSC核准后 MSC通知基站释放原信道 GSM系统的通信过程 若MSC判定新基站属于新的MSC辖区 则将越区切换请求转送给新MSC 新MSC访问其VLR 该VLR找出空闲信道并通知新MSC 而新MSC再将新基站号 新信道频率值及识别码经MSC本区的基站发送给移动台 以后越区切换的过程同上 GSM系统的通信过程 4 移动用户呼叫固定用户移动用户拨号后 移动台向基站请求随机接入信道 在移动台和移动业务交换中心之间建立信令连接 对移动台识别码进行鉴权 分配业务信道 采用No 7信令 用户部分 通过固定电话网建立至被叫用户的通路 向被叫振铃 向移动台回送呼叫接通证实信号 被叫摘机应答 向移动台发应答信息 进入通话 返回 6 3 4通用分组无线业务 1 GPRS的基本概念 1 GPRS与GSM系统的区别GPRS系统与现有的GSM系统的根本区别为 GSM是一种电路交换系统 而GPRS是一种分组交换系统 作为GSM的升级技术 GPRS在现有GSM电路交换模式之上增加了基于分组传输的空中接口 引入了分组交换 支持无线IP分组数据传输 实现基于GPRS传输的短信业务 多媒体彩信业务以及终端无线上网业务等 通用分组无线业务 在GSM系统中 若采用电路交换 每条GSM信道只能提供9 6kbit s或14 4kbit s的传输速率 若多条信道组合在一起 最多8个时隙 虽可提供更高速率 但只能被单一用户独占 采用分组交换的GPRS可灵活运用无线信道 使其为多个GPRS数据用户所共用 提高了无线资源的利用率 GPRS最多可将8个时隙组合在一起 可提供高达171 2kbit s的带宽 可供多个用户同时共享 通用分组无线业务 2 GPRS结构GPRS网络在现有的GSM网络中 增加了GPRS网关支持节点 GGSN 和GPRS服务支持节点 SGSN 使得用户能够在端到端的分组方式下发送和接收数据 GPRS系统结构如图6 8所示 通用分组无线业务 与电路交换式数据呼叫不同 GPRS分组是从基站发送到服务支持节点 SGSN 而不是通过MSC连接到语音网络上 SGSN与网关支持节点 GGSN 进行通信 GGSN对分组数据进行相应的处理 再发送到目的网络 如因特网或X 25网 来自因特网的标识有移动台地址的IP包 由GGSN接收 再转发到SGSN 然后传送到移动台上 返回 6 4CDMA移动通信系统 码分多址 CDMA 体制具有抗人为干扰 抗窄带干扰 抗多径干扰 抗多径延迟扩展的能力 同时具有提高蜂窝系统的通信容量 便于模拟与数字体制的共存及过渡等优点 使CDMA系统成为时分多址 TDMA 系统的强有力的竞争对手 返回 6 4 1CDMA系统原理 1 CDMA系统的通信过程CDMA移动通信系统的移动台与基站的简化框图示分别如图6 9和图6 10所示 CDMA系统原理 CDMA系统的通信过程如下 1 建立链路 2 通话 CDMA系统原理 2 CMA的技术特点系统所采用的扩频技术和直扩及跳频不同 CDMA是用自相关性很强 互相关性很弱的码序列作为地址码 对已调信息进行二次调制 不同用户信号采用互成正交的 不同的地址码 信道中所传输的各宽带信号在时间上和空间上可互相重叠 CDMA系统原理 技术关键 在码分多址通信系统中 各收端必须传输本地地址码 该本地码的码型结构与对端发码一致 且相位完全同步 用本地码对所收全部信号进行相关检测 从而选出所需的信号 返回 6 4 2CDMA系统的技术体制 CDMA系统标准 IS 95cdma2000 返回 6 5第三代移动通信系统 第三代移动通信系统 3G 由陆地移动网和卫星移动网组成 形成对全球无缝覆盖的立体通信网络 能满足各种用户密度和高速移动用户的需求 可提供高质量的语音 高速数据 宽带多媒体及IP业务 并有效降低网络设备成本 返回 6 5 13G概述 1 移动通信的发展3G的主要目标 进一步扩大系统容量和提高频谱利用率 并满足多速率 多环境和多业务的要求 逐步将现有通信系统集成为统一的可替代的系统 基本实现个人通信网络的目标3