移动通信技术基础.ppt

移动通信技术基础 2008年12月 课程目标 熟悉移动通信基础知识了解2G 2G 移动通信系统结构了解3G移动通信系统结构和演进了解CN结构和移动通信基本呼叫流程 移动通信技术基础 1移动通信基础知识 1 1移动通信发展历程 1 2移动通信的主要特点 1 3移动通信网络结构与体制 1 4移动通信呼叫相关概念 1 5移动通信的主要技术 1 1 1移动通信发展历程 第一代蜂窝系统 AMPS 美国 TACS 英国 NMT 北欧 第二代蜂窝系统 GSM DCS1800 欧洲 IS 95CDMA 美国 第三代蜂窝系统 WCDMAcdma2000TD SCDMA 模拟系统 数字系统 数字系统 模拟向数字的发展 语音业务向多媒体业务的发展 1 1 2移动通信发展历程 1 1 3移动通信发展历程 以音频为主的单媒体 以流业务为主的多媒体 微波 光纤 光纤 微波 有线 无线 无线 有线 PDH SDH SDH PDH STM IPv4 ATM IPv6 20世纪 21世纪 21世纪通信的重大变革 无线宽带多媒体通信系统无线IP和无线ATM无线通信和互联网 多媒体通信相结合 1移动通信基础知识 1 2移动通信的主要特点 1 1移动通信发展历程 1 3移动通信网络结构与体制 1 4移动通信呼叫相关概念 1 5移动通信的主要技术 1 2 1移动通信的主要特点 概念指移动通信双方或至少其中一方在运动状态中进行信息传递的通信方式 特点利用无线电波进行信息传输在复杂的干扰环境中运行 1 2 2移动通信的主要特点 无线传输损耗模型路径损耗阴影衰落 慢衰落 多径衰落 快衰落 1 2 3移动通信的主要特点 资源紧张 日益增长的用户数和有限频谱资源的矛盾环境恶劣 用户对业务质量的需求和无线传播环境的矛盾 可靠性 有效性 1 2 4移动通信的主要特点 无线传播环境的复杂性 天波 电离层 对流层 地波 直射 反射 衍射 透射等 无线通信的传播信道特性 信道的分类带宽受限信道和功率受限信道非色散信道和色散信道恒参信道和变参信道点对点信道和多址信道 1 2 5移动通信的主要特点 带宽受限信道Eb N0 W 无限 功率受限信道W Eb N0 有限 当W Eb N0 1 6dB 即为香农极限 加性高斯白噪声信道上的香农定理 带宽不能无限制的换取功率 功率可以无限制地换取带宽 噪声功率N与信道带宽B有关 故若噪声单边功率谱密度为n0 W Hz 则噪声功率N n0 B 1移动通信基础知识 1 3移动通信网络结构与体制 1 1移动通信发展历程 1 2移动通信的主要特点 1 4移动通信呼叫相关概念 1 5移动通信的主要技术 1 3 1移动通信网络结构 移动终端 多模式 多频段 多样化的终端设备无线接入网 包括RNC NodeB等 实现无线传输和控制功能核心网络 包括MSC HLR VLR SGSN GGSN等 提供信息交换和传输 控制电话交换网络 PSTNIP网络 1 3 2大区制和小区制 1 3 3蜂窝小区 蜂窝技术 不单纯分割频率 通过分割地理区域 更加有效的使用无线频率 1 3 4蜂窝规划 系统的总面积为As 蜂窝小区的面积为Ac 单位带宽所能支持的小区用户数 小区容量 为m 整个工作频段的带宽为W 系统的簇尺寸为K 系统的总用户数为 系统容量和小区容量成正比 和簇尺寸成反比 和小区面积成反比 整个系统在单位带宽 单位面积内的用户数 系统容量 为 1 3 5蜂窝扇区化 系统的容量及干扰对簇尺寸的要求是互相矛盾的 提高簇尺寸K 可以增加接收的C I值 但同时也降低了系统的容量 根据载干比的最低要求选定簇尺寸K 在此条件下再采取其它提高容量的措施 扇区化能够减少干扰 降低对簇尺寸的要求 提高系统容量 1移动通信基础知识 1 4移动通信呼叫相关概念 1 1移动通信发展历程 1 2移动通信的主要特点 1 3移动通信网络结构与体制 1 5移动通信的主要技术 1 4 1移动通信系统的基本呼叫 MOC MTC MMC 三种基本的呼叫过程 MOCMTCMMC 1 4 2移动主叫有关的体系结构 MOC基本的呼叫过程 涉及 UE RNC NodeB G MSC VLR HLR PSTN等实体接口包括Uu Iub Iu CS Iu PS No 7等媒体方式包括AMR 64k PCM 1 4 3移动被叫有关的体系结构 HomeLocation与VistingLoacationMSC与多个UTRAN RNC NodeB 单个UTRAN NodeB RNC 与多个UEs 1 4 4漫游 漫游是蜂窝移动电话的用户在离开本地区或本国时 仍可以在其他一些地区或国家继续使用他们的移动电话手机 1 4 5切换技术 按控制方式分 网络控制切换移动设备控制切换移动设备辅助切换网络辅助切换 按进行切换需要交换的信息资源分 后向切换前向切换 按切换期间同时连接的基站数目分 硬切换软切换 更软切换 接力切换 1 4 5 1切换前 接力切换 硬切换 软切换 原服务基站 目标基站 原服务基站 目标基站 原服务基站 目标基站 1 4 5 2切换中 接力切换 硬切换 软切换 长期保持 原服务基站 目标基站 原服务基站 目标基站 原服务基站 目标基站 软切换浪费资源 硬切换容易掉话 1 4 5 3切换后 接力切换 硬切换 软切换 原服务基站 目标基站 原服务基站 目标基站 原服务基站 目标基站 1移动通信基础知识 1 5移动通信的主要技术 1 1移动通信发展历程 1 2移动通信的主要特点 1 4移动通信呼叫相关概念 1 3移动通信网络结构与体制 1 5 1移动通信的主要技术 信源编码 信道编码 调制 信道 干扰 信源译码 信道译码 解调 1 5 2多址接入技术 基本类型 FDMA FrequencyDivisionMultipleAccess TDMA TimeDivisionMultipleAccess CDMA CodeDivisionMultipleAccess SDMA SpaceDivisionMultipleAccess 概念在一个通信网内各个移动台 站共用指定的射频频道 进行相互间的多边通信 主要是用于网络侧区别不同的上行用户 1 5 2 1多址技术 Multiplex SDMA 1 5 3双工技术 频分双工 FDD 是移动终端至基站的无线双工联系的传统方式 即上下行链路使用各自的频段 时分双工 TDD 是指上行和下行使用同一频段 但需要根据时间进行传输方向的转换 1 5 3 1FDD FDMA和TDD TDMA TDD 用户的收发信息 通过上行和下行信息在不同时间间隙进行传递 从而实现用户能够同时进行信息的收发 TDMA 用户在收发信息时 区别于其他用户的方式 是独占一个频率的无线信道的某些固定时间间隙 FDD 用户的收发信息 通过上行和下行的不同频率信道进行传递 从而实现用户能够同时进行信息的收发 FDMA 用户在收发信息时 区别于其他用户的方式 是独占一个频率的无线信道 1 5 4扩频调制技术 Shannon在1948年发表论文 对信道极限容量进行了分析 W为带宽 单位 Hz S为信号功率 单位 W N为总的噪声功率 单位 W C为信道容量 单位 bit s 以频带换取信噪比 1 5 4 1CDMA扩频技术 利用无线信道的频率选择性衰落 1 5 4 2窄带干扰 窄带干扰的抑制作用比较明显 1 5 4 3宽带干扰 宽带干扰的抑制作用不明显 1 5 5CDMA技术 码树的概念 1移动通信基础知识 1 1移动通信发展历程 1 2移动通信的主要特点 1 4移动通信呼叫相关概念 1 5移动通信的主要技术 1 3移动通信网络结构与体制 课程回顾 移动通信技术基础 2 2G 2G 移动通信系统 22G 2G 移动通信系统 2 1GSM网络 2 22G 网络 2 1 1GSM网络 FDD TDMAGSM在单一数字电路交换平台上 完成数字式话音与同一低速率电路交换的数据业务 2 1 2结构和网络实体 基站子系统 BSS 负责提供和管理移动台与网络和交换子系统设备间的传输路径 基站控制器 BSC 管理设备 控制BTS 负责所有的无线接口管理 主要是无线信道的分配 释放及切换管理 基站收发台 BTS 是传输设备 包括无线发射和接收设备 天线及所有无线接口特有的信号处理设备 网络和交换子系统 NSS 管理GSM用户和其他电信网络用户之间的通信 移动业务交换中心 MSC MobileSwitchCenter 访问位置寄存器 VLR VisitedLocationRegister 归属位置寄存器 HLR HomeLocationRegister 鉴权中心 AuC AuthenticationCentre 设备识别寄存器 EIR EquipmentIdentifyRegister GSM业务控制实体 gsmSCF PSTN ISDN MSC VLR GMSC NSS BTS BSC BSS A HLR AuC EIR SMCIW GMSC SCP 2 1 3GSM区域的概念及逻辑结构 2 1 4BTS CELL SECTOR 定向站 全向站 三扇区 22G 2G 移动通信系统 2 22G 网络 2 1GSM网络 2 2 1什么是2G 2G 是在电路 CS 交换平台之外再建设一个分组 PS 交换平台 承担分组交换的各类数据业务服务 通用分组无线电业务 GPRS GSM演进增强型数据速率 EDGE 2 2 2GPRS网络结构 SGSN 与BSS接口 与GSM网中网元MSC VLR功能类似 为MS提供分组数据服务GGSN 负责提供GPRS网与外部分组数据网络的接口 Internetx 25 其他的GPRS网络 SGSN GGSN GPRS骨干网 BTS BSC BSS Gb GTP隧道协议 2 2 3GPRS网络的接口 Gb BSS和SGSN之间的接口 提供移动性管理和安全管理功能 SGSN GGSN MSC VLR HLR BTS BSC BSS PDN SGSN GGSN 外部PLMN SMS GMSCSMS IWMSC EIR SM SC Gb Gn Gn Gi Gr Gc Gs Gd Gp Gf CG Ga A D C E Ga 2 2 4EDGE EDGE采用了新的调制技术和新的信道编码 可以用于传输分组交换 PS 和电路交换 CS 数据 语音 EDGE网络的体系结构与GPRS网络的体系结构基本相同允许在GPRS现有网络软 硬件架构改动不大的情况下 在现有频段上支持GSM向IMT2000 UMTS演进 3GPP已经标准化EDGE 即GERAN 22G 2G 移动通信系统 2 1GSM网络 2 22G 网络 课程回顾 移动通信技术基础 33G移动通信系统 3 1了解3G 3 2R99 R4 R5 R6网络 3 33G三大标准比较 3 43G业务 3 1 1了解3G IMT2000 InternationalMobileTelecommunications 2000 1985年ITU 国际电联 提出FPLMTS1996年正式更名为IMT2000 IMT 2000的特点 全球漫游 陆地 卫星 与2G后向兼容经济 灵活的接入高速数据业务 多媒体电路 分组交换高的系统容量保证高的业务质量IMT 2000家族内兼容与固网融合 3 1 2为什么发展IMT 2000 现有第二代数字移动通信系统的不足频谱利用率不够高 容量问题传输速率较低 业务单一存在多个标准 无法实现全球漫游 任何人 在任何地点 任何时间与其他任何人进行任何方式的通信 3 1 33G的目标 主要目标 实现移动通信网络全球化 业务综合化和通信个人化 3 1 43G国际标准化格局 3GPP制定基于GSM GPRS核心网 全IP核心网 无线技术为WCDMA TD SCDMA和EDGE的技术规范 3GPP2制定基于ANSI 41核心网 全IP核心网 无线技术为cdma2000的技术规范 3 1 4IMT 2000频谱规划 含扩展频谱 60MHz 60MHz 15MHz 100MHz 2400 2300 2483 5 ISM频段 WLAN oven bluetooth 83 5MHz 2500 2690 空 190MHz 155MHz频段用于TDD 至少有120MHz频段用于FDD 1900 1920 1980 2010 2025 2110 2170 1880 1805 1755 30MHz 30MHz 1850 35 5MHz 3 1 5中国的3G频率规划 TDD ISM IMT 2000扩展频段 FDD 上行 TDD TDD DCS 下行 卫星 空 FDD 下行 FDD补充 FDD补充 33G移动通信系统 3 2R99 R4 R5 R6网络 3 1了解3G 3 33G三大标准比较 3 43G业务 3 2 1移动通信技术及演进 GSM GPRS WCDMA cdmaOne cdma2000 3x cdma2000 1X Data Voice1XEV DV DataOnly1XEV DO HSDPA TD SCDMA EDGE PDC HSPA 10 sofkb s100 sofkb s 2Mbps 5Mbps 10Mb s 20Mbps100Mbps LTE UMB 3GPP标准化 3GPP2标准化 3 2 23GPP通信标准演进 R99 2000年3月完成新增无线接口新的RAN结构 如RNC NodeB 切换等 Iu Iub Iur接口均基于ATM方式R4 2001年3月完成移动软交换体系 控制与承载分离 MSS MGW 低码片速率TDD 1 28Mcps 无论是信令部分还是话音部分都可以用ATM或IP承载流体传输 实时视频的检索 多媒体消息传送R5 2002年6月完成增加多媒体子系统 IMS域 实现全IP网络 包括基于SIP的多媒体业务HSDPAR6 引入了MIMO MUD等新的业务如MBMS Presence 支持Push等增强功能和扩展 3 2 33GPP R99网络结构 PSTN ISDN 无线接入网 互通网络 GSMBaseStationSystem BTS BSC PSTN ISDN CS域 otherPLMN A SCP HLR CAP 核心网 Gb GPRSbackboneIPtransport PS域 GGSN Gn InternetIntranet MSC VLR SGSN G MSC MAP MAP MAP CAP SMSSC Gp Gi UTRAN NodeB RNC IuPS IuCS 3 2 4R99网络中的网元 无线接入网络包括两类功能实体 NodeB RNCNodeB与BTS功能类似RNC与BSC功能类似接入网内部接口基于ATM 其他已有的功能实体功能扩展 SGSN GGSN 3 2 53GPP R4网络结构 IPorATMtransport 接入网 互通网络 PSTN ISDN CS域 otherPLMN SCP HLR 核心网 MSCserver NodeB RNC UTRAN IuCS G MSCserver BICC MAP CAP MGW CS MGW H 248 MEGACObased H 248 MEGACObased BTS BSC A 3 2 6R4核心网新增网络实体 R4核心网中新增设备 主要发生在电路域 包括 MSC服务器 MSCServer 它独立于底层承载协议 主要实现呼叫控制 移动性管理 媒体网关接入控制等主要功能 GMSC服务器 GMSCServer 与MSC服务器的功能基本相似 媒体网关 MGW 主要功能是将一种网络中的媒体转换成另一种网络所要求的媒体格式 媒体转换和帧协议转换 3 2 73GPP R5概述 R5的工作集中在业务侧 基于IP的多媒体子系统 IMS 完成路由选取以及多媒体会话等功能 在传统的电路交换域 CS域 和分组交换域 PS域 其架构保持不变 为解决IP管理问题IMS引入了IPv6 随着R5的完成 将为全IP网络的运营提供一个可以开始建设的基础 3 2 83GPP R5网络结构 Internet 接入网 互通网络 GSMBSS BTS BSC PSTN ISDN Gb IuPS services applications HLR 核心网 CSCF NodeB RNC UTRAN IuPS MGCF MAP HSS MGW SIP H 248 IPtransport PS域 GGSN 3G SGSN Gi SIP IPaccesswithmobility 业务 应用 CS域 3 2 93GPP R6概述 R6网络结构没有太大变更 增加了一些新的功能特性以及对已有功能特性的增强 支持不同频率的UMTS 多输入 多输出 MIMO 天线 包括实现技术 基于PS IMS的紧急呼叫业务 IMSphaseII MBMS 网络需要增加新的多播广播中心功能实体Presence 实时了解用户的状态和可及性等信息 WLAN UMTS互通 33G移动通信系统 3 33G三大标准比较 3 2R99 R4 R5 R6网络 3 1了解3G 3 43G业务 3 3 1三种标准技术参数比较 3 3 2CDMA2000 CDMA2000的第一阶段称为1x 比1x更高的CDMA2000技术进展包括1xEV 高速数据速率 cdma2000的网络组织方式为模块化方式 无线部分采用前向功率控制 TURBO码等新技术电路交换部分采用传统的电路交换方式分组交换部分以IP技术为基础的网络结构 3 3 3WCDMA WCDMA FDD DS CDMA 接收机可获取的信道信息较多 可以适应更加高速的移动信道 上下行频段对称分配 更加适合话音等对称业务 上下行信道间隔较大 不利于智能天线的使用 UTRATDDWCDMA的TDD补充模式 用于解决室内办公环境和 热点 地区的通信需求 不能独立组网 3 3 4TD SCDMA TD SCDMA TDD CDMA 上下行时隙可灵活配置 适合对称和不对称业务 上下行信道在相同时隙 适合采用智能天线技术 但用户移动速度越高 智能天线的可靠性越低 单个时隙内用户数不多 可采用联合检测 上下行之间需要保护时间 从而限制了小区覆盖半径 采用多时隙不连续传输方式 看快衰落和于高速移动用户信号能力比FDD方式差 随着时隙数的增多 PAR增大 对发射功率和功率放大器要求较高 利用智能天线技术减低了接收机灵敏度 可以减低发射功率 按照ITU要求的3种移动环境设计 支持多种使用环境 33G移动通信系统 3 43G业务 3 2R99 R4 R5 R6网络 3 1了解3G 3 33G三大标准比较 3 4 1业务不断拓广 1G 单一模拟话音业务 2G 数字式话音与同一低速率电路交换的数据业务 2G 通过建立分组 PS 交换平台 并在其基础上提供可以接入包括Internet的各类数据业务服务 3G 逐步改造成单一的分组交换的IP平台 提供各类多媒体业务服务 价值链发生变化大量的内容 应用和增值服务提供商加入 新的运营模式的出现 由此带来的技术和商务问题 价值链条上各方的作用和彼此之间的关联 运营商 内容 应用提供商和设备制造商之间的合作模式 网络需提供方便的接入 支持新的计费和管理方式 业务和应用的匮乏 及用户追求个性化和多样化的特点在有限带宽 有限存储能力 显示和处理能力的移动终端上提供新的业务和应用尚处在探索阶段 业务种类较少 移动终端越来越突出的个性化决定了用户对新业务需求的多样化 3 4 2移动业务的发展 3 4 3业务实施的分层结构 连接层 控制层 承载业务层 业务引擎 serviceenabler 网络独立业务层 电信业务 话音 传真 承载业务 基本数据 短信 GPRS 补充业务 呼叫前转 呼叫等待 独立于网络运营商的业务 第三方业务 Ringtone downloading 网络接口 开放接口 业务引擎 提供业务给终端用户或者是业务供应商 e g MMS WAP XTML 3 4 4业务类型 业务类型按QoS分类 会话类业务 conversationalclass 主要用于传输实时业务流 其特点是传输时间短 同时必须保持数据流之间的时序关系流业务 streamingclass 连续的单向数据流 对传输时延的要求不是很高 但在一个完整的数据流内应保持数据间的时序关系 同时还限制端到端数据流的时延抖动交互类业务 interactiveclass 主要用于WWW FTP EMAIL等应用 时延要求不严格 可以通过信道编码和重传提供更低的差错率后台类业务 backgroundclass 用于终端用户在后台发送和接收数据文件 它对传输时间不敏感 但要求较低的误码率 3 4 5QOS类别 可识别4种类别 会话业务AMR语音业务可视电话