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移动通信基站技术 高级工程师 1 移动通信是指通信双方或至少一方处于移动中进行信息交互的通信 即移动体与移动体 移动体与固定体之间的通信 按照移动体所处的运动区域不同 移动通信可分为陆地移动通信 海上移动通信和空中移动通信 陆地移动通信以蜂窝移动通信系统应用最为广泛 以数字蜂窝移动通信发展最为迅速 本章着重介绍数字蜂窝移动通信系统 第1章移动通信系统概述 2 第一节移动通信的特点及分类移动通信系统由于用户的移动性 管理技术要比固定通信要复杂 移动通信网中依靠的是无线电波的传播 传播环境比有线媒质的传播特性复杂 移动通信有着与固定通信不同的特点 一 移动通信的特点1 无线电波传播环境复杂 移动通信的电波处在特高频 300 3000MHz 频段 电波传播主要方式是视距传播 电磁波在传播时不仅有直射波信号 还有经地面 建筑群等产生的反射 折射 绕射的传播 从而产生多径传播引起的快衰落 阴影效应引起的慢衰落 系统必需配有抗衰落措施 才能保证正常运行 3 2 噪声和干扰严重 移动台在移动时即受到环境噪声的干扰 又有系统干扰 由于系统内有多个用户 必须采用频率复用技术 系统就有了互调干扰 邻道干扰 同频干扰等主要的系统干扰 这就要求系统有合理的同频复用规划和无线网络优化等措施 3 用户的移动性 用户的移动性和移动的不可预知性 要求系统有完善的管理技术对用户的位置进行登记 跟踪 不因位置改变中断通信 4 频率资源有限 ITU对无线频率的划分有严格规定 要设法提高系统的频率利用率 4 二 移动通信的分类1 按服务对象分类 公用移动通信和专用移动通信 2 按组网方式分类 峰窝状移动通信 移动卫星通信 移动数据通信 公用无绳电话 集群调度电话等 3 按工作方式分类 单向和双向通信方式两大类 双向通信方式可又分为单工 双工和半双工通信方式 4 按采用的技术分类 分为模拟移动通信系统和数字移动通信系统 5 第二节移动通信的发展历程80年代发展起来的第一代模拟移动通信系统 90年代初发展为第二代数字移动通信系统 现正在建设第三代宽带数字移动通信系统 3G 3G以宽带多媒体移动通信为目标 数据传输速率 高速移动环境 144kbit s 步行慢速移动环境 384kbit s 室内静态环境 2Mbit s 3G世界三大主流标准 WCDMA CDMA2000 TD SCDMA 我国提出的标准 6 第三节数字移动通信技术一 数字调制技术数字调制是使在信道上传送的信号特性与信道特性相匹配的一种技术 模拟语音信号 经过语音编码所得到的数字信号必须经过调制才能实际传输 无线传输系统中 是利用载波来携带语音编码信号的 即用语音编码后的数字信号对载波进行调制 数字调制方式有以下几种 7 移频键控 FSK 载波的频率按照数字信号 1 0 变化而对应变化 移相键控 PSK 载波的相位按照数字信号 1 0 变化而对应变化 振幅键控 ASK 载波的振幅按照数字信号 1 0 变化而对应变化 GSM移动通信系统采用高斯预滤波最小移频键控GMSK 移动通信使用的调制技术还有 二相移相键控 BPSK 四相移相键控 QPSK 正交调幅 QAM 频谱利用率较高 设计难度和成本较高 8 二 多址技术多址技术就是把多个用户接入一个传输媒质实现相互间通信时 给每个用户信号赋予不同的特征 以区分不同的用户的技术 常用的多址方式 頻分多址 FDMA 时分多址 TDMA 和码分多址 CDMA GSM系统使用 频分多址 FDMA 时分多址 TDMA 混和多址方式 即FDMA TDMA 3G系统多址方式使用 码分多址 CDMA 方式 9 1 频分多址 FDMA FDMA是把工作频段划分成多个无线载频 每一个载频信道可以传输一路语音或控制信息 通信时不同的MS占用不同的频率信道进行通信 FDMA的特点 1 信道的带宽较窄 25 30KHz 相邻频道要留有防护频带 2 与TDMA系统比 FDMA系统的复杂程度低 3 采用单路单载波 SCPC 设计 需使用高性能的射频 RF 带通滤波器来减少邻道干扰 成本较高 10 2 时分多址 TDMA TDMA是把时间分成周期性的帧 每一帧再分割成若干时隙 一个时隙就是一个通信信道 通信时 给每个用户分配一个时隙 使各移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发射或接收信号 同一个频道就可供几个用户同时进行通信 GSM系统无线路径上采用TDMA方式 每一个载频可分成8个时隙 一个时隙为一个信道 一个载频最多可有8个移动用户同时进行通信 供几个用户 11 如下图所示的频分多址和时分多址方式 a FDMAb TDMA 12 时分多址 TDMA 的特点 1 TDMA系统中几个用户共享同一个载频 但每个用户使用彼此互不重叠的时隙 2 TDMA系统中的数据发射是不连续的 是以突发方式发射 耗电较少 移动台可在空闲的时隙里监听其他基站 使越区切换大为简化 3 共享设备的成本低 每一载频为许多用户提供业务 用户平均成本大大低于FDMA系统 4 移动台复杂 它需要处理复杂的数字信号 13 3 码分多址 CDMA 移动通信中 多个用户使用的频率和时间都是相同的 而给每个移动台分配一个独立的码序列 这种用不同的正交编码序列来区分不同移动用户的通信方式 称为码分多址 码分多址 CDMA 的特点 1 系统容量大 CDMA无线信道容量比FDMA大近10倍 2 有很强的抑制干扰和多径衰落的能力 CDMA的扩频系统可以把多径干扰信号解扩去除 3 具有软容量和小区呼吸功能 系统忙时只需少许增加系统噪声就可增加通话用户 即所谓软容量 小区呼吸功能是指负荷量动态控制 14 4 软切换 当移动台超越小区或扇区时 由于工作频率相同 只是地址码序列不同 不需要频率的切换 称之为软切换 软切换是先接后断切换 软切换可靠性高 5 存在多址干扰和远近效应 CDMA的地址码不可能完全正交 在解扩过程中必然带来用户间的干扰 CDMA的信道也采用地址码分割 并切公用载波 增加信道的同时干扰也增加 CDMA系统通过自动功率控制减轻其影响 由于信道地址码的相互作用 任何一个信道将受到其他不同地址码信道的干扰 称为多址干扰 15 CDMA系统的多址干扰直接限制容量的扩大 码分多址技术是基于以下两种扩频通信方式 1 跳频技术跳频技术是扩频通信中的一种 GSM系统中使用跳频技术 其主要功能是可有效地减小传播信道对某个频率的选择性衰落 可避免多径信号的干扰 跳频分为基带跳频和射频跳频两种 如图所示 a 基带跳频 b 射频跳频 2 扩频技术 16 TRXn TRX2 TRX1 耦合器 基带信号 时隙交叉控制 图1 2 a 基带跳频 17 PN码发生器 可变频率合成器 射频调制 频率合成器 射频调制 耦合器 基带信令 基带信息 F0 F1 Fn 图1 2 b 射频跳频 18 扩频通信是将信息信号的频谱扩展后再进行传输 提高了系统的抗干扰能力 在强干扰甚至信号被噪声淹没的情况下 能保证可靠通信 常用的扩频通信技术如下 直接扩频 DS 将要传输的信息数据用高速伪随机码序列调制 由于伪随机序列的速率 带宽 远大于信息数据速率 使要传递信息数据信号的频谱被展宽 跳频 FH 荷载信息的信号受伪随机序列的控制 在一组预先指定的频率上离散地跳变 从而扩展了发射信号的频谱 19 三 双工方式1 频分双工 FDD 收发信各占用一个频率 优点是收 发信号同时进行 时延小 技术成熟 缺点是设备成本高 2 时分双工 TDD 收发信使用同一个频率 但使用不同时隙 优点是频谱利用灵活 上 下行使用相同的频率 传输特性相同 有利于使用智能天线 无收发间隔要求 支持不对称业务 设备成本低等 缺点是小区半径小 抗快衰落和多普勒效应的能力低于FDD 终端移动速度不能超过120km h 20 四 频率复用技术在移动通信系统中 频率资源有限 为提高频谱利用率 在相隔一定距离后重新使用相同的频率组 这种采用同頻复用和頻率分组来提高頻率利用率方式 就是频率复用技术 实际应用中常采用4 12和3 9频率复用分组方式 即将12组頻率轮流分配到4个基站和将9组頻率轮流分配到3个基站 每个站点可用到3个频率组 频率复用会带来小区间的干扰 GSM系统要求 同频干扰保护比C I 9dB邻频干扰保护比C I 9dB 21 图1 3按4 12方式复用的小区示意图 22 图1 5按3 9方式复用的小区示意图 23 第四节无线电频谱管理与使用1 无线电频谱管理2 移动通信的频谱特性和管理 24 GSM是全球第一个标准化的数字蜂窝移动通信系统 它对数字调制方式 网络结构和业务种类等进行标准化规范 GSM系统可以提供全球漫游 主要特点1 频谱效率高 采用了高效调制器 信道编码和语音编码等技术 系统具有高频谱效率 2 容量大 比TACS 模拟移动通信系统 高3 5倍3 话音质量好 接收信号在门限值以上时 达到与有线传输相同的水平而与无线传输质量无关 第2章GSM系统的基本原理 25 4 开放的接口 GSM系统从空中接口到网络之间以及网络中各实体之间 提供的接口都是开放性的 5 安全性高 通过鉴权 加密和TMSI 临时用户识别码 号码的使用 实现了安全保护 鉴权用来验证用户的入网权力 加密防止有人跟踪而泄漏地理位置 6 可与ISDN 综合业务数据网 PSTN 公用电话网 等互连 与其它网络互连是利用现有接口 在SIM卡基础上实现漫游 漫游是移动通信的重要特征 GSM系统可以提供全球漫游 26 第一节GSM系统的结构一 GSM系统的结构主要由移动台 MS 基站子系统 BSS 和网络子系统 NSS 三部分组成 GSM系统通过一定的网络接口和用户连接 其结构方框图见图2 1 27 SMC 图2 1GSM系统的结构图 28 1 移动台 MS 是移动用户设备部分 由移动终端和用户识别卡 SIM 两部分组成 移动终端是 机 SIM卡是 身份卡 存有认证用户身份的所有信息 SIM卡还存储与网络和用户有关的管理数据 只有插入SIM卡后移动台才能接入进网 2 基站子系统 BSS 由基站控制器 BSC 和基站收发信机 BTS 两部分组成 是GSM系统的基本组成部分 基站控制器 BSC 具有对一个或多个BTS进行控制的功能 主要负责无线资源管理 小区配置数据管理 功率控制 定位和切换等 基站控制器 BSC 是一个很强的业务控制点 29 基站收发信台 BTS 是无线接口设备 主要包括无线发射和接收设备 天线设备及信号处理部分 完成无线传输 有线与无线转换 分集 加密 跳频等 实现BTS与MS之间无线传输和相关控制功能 3 网络子系统 NSS 由移动业物交换中心 MSC 来访用户位置寄存器 VLR 归属用户位置寄存器 HLR 鉴权中心 AUC 和移动设备识别寄存器 EIR 短消息业物中心 SMC 等单元组成 主要完成交换功能和用户数据与移动性管理 安全性管理所需的数据库功能 30 1 移动业务交换中心 MSC 是GSM系统的核心 它一侧和BSS接口 另一侧与外部网络接口 主要提供交换功能 MSC可以从HLR VLR和AUC中获取有关处理用户位置登记和呼叫请求的全部数据 支持位置登记和更新 越区切换 漫游和计费功能 外部网络用户与GSM用户之间呼叫时 外部网络用户首先被接到入口移动交换中心 GMSC 网关移动业务交换中心 它负责获取移动用户的位置信息 并把呼叫转移到可向被叫用户提供服务的MSC 31 2 来访用户位置寄存器 VLR 是一个动态用户数据库 存储着进入其控制区域内来访的移动用户的有关数据 这些数据是从该用户的归属位置寄存器获得并暂存的 当该用户离开它的控制区域时 暂时存储的该用户数据即被删除 VLR可以看作是一个动态用户数据库 VLR总是和MSC集成在一起的 MSC VLR 3 归属用户位置寄存器 HLR 它也是一个数据库 存储着该GSM系统业务区内所有移动用户的有关数据 存储的静态数据有 移动用户号码 访问能力 用户类别和补充业务等 还暂存移动用户漫游时的有关动态信息数据 32 4 鉴权中心 AUC 用于产生为确定移动用户的身份和对呼叫保密所需监权 加密的3个参数 随机数RAND 响应数SRES 密钥Kc 5 移动设备识别寄存器 EIR 也是一个数据库 存储有关移动台设备识别码 IMSI 通过核查白色 黑色和灰色三种清单 完成对移动设备的识别 监视 闭锁功能 以防止非法移动台的使用 6 短消息业务中心 SMC 短消息业务是一种类似传呼机的业务功能 在移动用户和移动用户之间或移动用户和固定用户之间发送较短的信息 33 4 操作维护中心 OMC 操作维护中心 是对整个GSM网络进行控制和操作 通过它实现对GSM系统内的自检 故障诊断和处理 话务量统计和计费数据的记录和传递 以及各种参数的收集 分析与显示等 5 GSM的网络接口如图5 2所示 1 主要接口GSM主要接口是指A接口 Abis接口和Um接口 这三种接口可保证不同厂商生产的MS BSS及NSS等设备能够纳入GSM系统中正常运行和使用 34 图2 2GSM系统的接口 35 1 A接口 A接口为NSS与BSS之间的通信接口 从系统实体来看 就是MSC与BSC之间的互连接口 其网络连接是通过采用标准的2 048Mbit s的PCM数字传输链路来实现的 A接口传送的信息包括对移动台和基站的管理 移动性及呼叫接续管理等 2 Abis接口 是基站子系统的BSC与BTS之间的通信接口 它是采用标准的2 048Mbit s或64Kbit s的PCM数字传输链路来实现 Abis接口支持所有向用户提供的服务 支持对BTS无线设备的控制和无线资源的分配 36 3 Um接口 空中接口 Um接口定义为MS和BTS之间的无线通信接口 是GSM系统中最重要 最复杂的接口 包含信令接口和物理接口两方面的含义 网络子系统 NSS 内部接口 NSS内部接口有 B接口 C接口 D接口 E接口 F接口 G接口 GSM系统与其它公用网络接口 GSM通过移动业务交换中心MSC与PSTN ISDN等公用网络连接 一般采用No 7信令接口 其物理连接是2 048Mbit s的PCM数字传输链路 37 第二节GSM的TDMA信道GSM系统的无线网络 由小区构成 每个小区有多个载频 每个载频又有8个时隙 即8个物理信道 GSM采用FDMA TDMA的混和接入方式 下面介绍FDMA TDMA接入方式中的无线信道 一 TDMA信道TDMA信道 可分为物理信道和逻辑信道 物理信道 一个物理信道就是一个时隙 逻辑信道 是根据BTS与MS之间传递的消息种类不同而定义的不同逻辑信道 逻辑信道要通过BTS影射到不同的物理信道上来传送 从BTS到MS的方向称为下行链路 从MS到BTS方向称为上行链路 38 逻辑信道又可分为业务信道和控制信道 1 业务信道 TCH 用于传送数字话音或数据 还有少量控制信令 业务信道可分为 语音业务信道和数据业务信道 在TCH中可安排慢速随路控制信道 SACCH 或快速随路控制信道 FACCH 2 控制信道 CCH 用于传送信令或同步数据 根据所完成的功能把控制信道分为 广播信道 BCH 公共控制信道 CCCH 和专用控制信道 DCCH 1 广播信道 BCH 用于基站向移动台广播公用 39 用于基站向移动台广播公用信息 BCH包括广播控制信道 BCCH 频率校正信道 FCCH 和同步信道 SCH 它们携带的信息目标是小区内所有手机 是一点对多点的单向的下行信道 2 公共控制信道 CCCH 用于传输MS接入过程中所需的控制指令 接入许可信道 AGCH 寻呼信道 PCH 小区广播控制信道 CBCH 和随机接入信道 RACH 3 专用控制信道 DCCH 是一种双向控制信道 其用途是在呼叫接续阶段以及在通信进行中 在MS和BTS之间传输必需的控制信息 又分为SDCCH SACCH和FACCH 40 二 TDMA帧结构GSM系统TDMA的物理信道 是用帧来描述的 每一个载频被定义为一个帧 每个帧的周期是4 615ms 包括8个时隙 TS0 TS7 每个时隙占0 577ms TDMA帧的编号以超高帧为周期的 从0 每个TDMA帧为一个超高帧 一个超高帧由2048个超帧组成 一个超帧的帧长为6 12s 它由51业务复帧或26个控制复帧组成 41 第三节话音 信道编码和交织一 话音编码1 GSM是全数字系统 话音或其他信号都要进行数字化处理 第一步就是要把话音模拟信号转换成数字信号 2 PCM编码是波形编码 可分为三个步骤 采样 量化 编码3 采用PCM方式编码数字话信号的速率是 8bit 一个字节 8000次 s 64Kbit s8个时隙的速率 64kbit s 8 512kbit s 42 GSM系统若采用这种编码方式 则8个语音信道的比特率就是64kbt s 8 512Kbit s GSM系统的载频间隔为200KHz 要保持在规定的频带内 必需大大降低每路语音信道的编码的比特率 4 GSM采用了规则脉冲激励长期预测编码器 RPE LTP编码器 来降低每路语音信道编码比特率 这种混和编码一路数字话的比特率为13Kbt s 混合编码的优点 编码速率低 语音质量好 8路数字话的速率是 13Kbit s 8 104Kbit s 满足了无线信道带宽 200Kbit s 的传输要求 43 图2 4GSM话音编码器框图 44 二 信道编码信道编码的目的信道编码用于改善信道的传输质量 克服各种干扰因素对信号产生的不良影响 是以增加比特而降低信息量为代价的 编码的基本原理在所传送的数据上增加一些冗余比特信息 进行纠错编码 减少传输过程中比特差错率 信道编码的纠错方式1 块卷积码 主要用于纠错 纠错效果好 2 纠错循环码 用于检测和纠正成组的误码 3 奇偶校验码 常用最简单的检测误码的方法 45 三 交织技术无线电信道是变参信道 比特差错经常是成串发生的 这是由于持续的深衰落会影响到相继一串的比特 办法是信息中的相继比特分开 把顺序相关的比特非相关化 使突发差错信道变为离散信道 再用信道编码的纠错功能来纠正差错 这种办法就是交织技术 交织可以把码字顺序相关的bit非相关化 把m个bit的码字分布到n个传输单元之中 n越大 非相关性越好 持续误码越少 传输质量越高 但会增加传输时延 移动台和中继电路上增加了回波抵消器 改善由时延引起的通话回音 46 第四节GSM的调制技术一 GSM调制方式GSM采用的是高斯滤波最小移频键控GMSK 工作原理 在保持MSK较好的频谱特性和较低的误码率基础上 在MSK之前加入一高斯滤波器 输入的基带信号经过高斯滤波器形成的高斯脉冲包络无陡峭沿 拐点 经调制后的信号比较平滑 改善了频谱特性 GMSK调制方式 改善了频谱特性 加快带外衰减 满足了相邻信道干扰电平小于 60dB要求 47 二 GMSK的解调可以采用正相干解调 但相干载波提取比较难 GMSK信号的解调常采用差分解调和鉴频器解调等非相干解调 预调制滤波器 MSK 输入 GMSK h 0 5 图5 5GMSK调制原理框图 48 第五节GSM的控制和管理控制和管理对GSM系统的正常运行是至关重要 本节仅就位置登记和更新 鉴权与保密 呼叫接续和越区切换等控制和管理进行讨论 一 位置登记和更新GSM为了跟踪MS的位置变化 对其位置信息进行登记 删除和更新的过程 二 鉴权与加密GSM系统为了保证安全 采取了鉴权与加密 1 鉴权 确认MS的合法性 2 加密 防止第三者窃听 49 3 设备识别码 IMEI 每个移动台均有一个惟一的设备识别码IMEI EIR中存储了所有入网移动台设备的IMEI 目的是确保系统中使用的设备不是盗用或非法的 EIR中存有3种名单 即白名单 合法 黑名单 禁用 灰名单 由运营商决定 4 临时识别码 TMSI 是为防止非法监听或盗用用户识别码IMSI 在无线链路上需要传送IMSI时 均用临时用户识别码TMSI代替IMSI 由MSC VLR分配并定期更换TMSI 在无线信道上传送的是TMSI 确保了IMSI的安全性 50 三 GSM用户呼叫接续过程1 移动用户主叫固定用户 移动台在 随机信道RACH 向基站发出 信道请求 信息 若BS接收成功 给MS分配一个 专用接入信道DCCH 即在 准许接入信道AGCH 上 向MS发出 立刻分配 指令 MS在发起呼叫的同时 设置一定时器 在规定的时间内可重复呼叫 MS收到 立即分配 的信令后 利用分配的DCCH与BS建立起信令链路 经BS向MSC发送 业务请求信息 MSC向VLR发送 开始接入请求 应答信令 VLR收到后 经MSC和BS向MS发出 鉴权请求 其中包含一随机数 RAND MS按鉴权算法A3进行处理后 向MSC发回 鉴权 响应信息 51 若鉴权通过 承认MS的合法性 VLR就给MSC发送 置密模式 信息 由MSC经BS向MS发送 置密模式 指令 MS收到并完成置密后 要向MSC发送 置密模式完成 的相应信息 经鉴权 置密完成后 VLR才向MSC作出 开始接入请求 应答 为了保护IMSI不被监听或盗用 VLR将给MS分配一个新的TMSI 接着MS向MSC发出 建立呼叫请求 MSC收到后 向VLR发出指令 要求它传送建立呼叫所需的信息 52 如果成功 MSC即向MS发送 呼叫开始 的指令 并向BS发出分配无线业务信道的 信道指配 指令 如果BS有空闲 业务信道TCH 即向MS发出 信道指配 指令 当MS得到业务信道时 向BS和MSC发送 信道指配完成 的信息 MSC在无线链路和地面有线链路建立后 把呼叫接续到固定网络 并和被叫的固定用户建立连接 然后给MS发送回铃音 当被叫固定用户摘机后 MSC向BS和MS发送 连接 指令 待MS发回 连接 确认后 即转入通话状态 完成整个接续过程 53 2 固定用户主叫移动用户 固定用户向移动用户拨出号码后发起呼叫后 固定网络把呼叫接续到就近入口移动交换中心GMSC GMSC即向相应的HLR查询路由信息 HLR在保存的用户位置数据库中 查出被叫MS所在的地区 并向该区VLR查询该MS的漫游号码MSRN VLR把该MS的MSRN送到HLR 并转发给查询路由信息的GMSC GMSC即把呼叫接续到被叫MS所在地区的移动交换中心VMSC VMSC向该VLR查询有关的 呼叫参数 获得成功后 再向相关的基站BS发出 寻呼请求 54 基站控制器BSC根据MS所在的小区 确定所用的收发台BTS 在 寻呼信道BCH 上发送此 寻呼要求 信息 MS收到寻呼请求信息后 在 随机信道RACH 向BS发送 信道请求 由BS分配 专用控制信道DCCH 在 公用控制信道CCCH 上给MS发送 立即分配 指令 MS利用分配到的DCCH与BS建立起信令链路 然后向VMSC发回 寻呼响应 VMSC接到MS的 寻呼相应 后 向VLR发送 开始接入请求 按着启动常规的 鉴权 和 置密模式 的过程之后 VLR即向VMSC发回 开始接入应答 和 完成呼叫 的请求 55 VMSC向BS及MS发送 呼叫建立 的信令 被叫MS收到信令后 向BS和VMSC发回 呼叫证实 信息 表明MS已可进入通信状态 VMSC收到MS的 呼叫证实 信息后 向BS发出信道 指配请求 要求BS给MS分配无线 业务信道TCH 接着 MS向BS及VMSC发回 指配完成 响应和回铃音 VMSC向固定用户发送 连接完成 信息 被叫MS摘机时 向VMSC发送 连接 信息 VMSC向主叫固定用户发送 拨号应答 信息 并向MS发送 连接 确认信息 整个接续过程全部完成 56 四 越区切换越区切换是指通信期间 当MS从一个小区进入另一个小区时 网络进行实时控制把MS在原小区所用的信道转换到新小区的某一信道的过程 1 同一个BSC 不同BTS之间的切换 包括不同扇区的切换 2 同一个MSC VLR 不同BSC之间的切换 3 不同的MSC VLR之间的切换 GSM系统采取了移动台辅助切换法 MAHO MS测量本基站和周围基站的信号强度 把测得的结果送给MSC分析和处理 从而作出越区切换的决定 如果不能进行切换 BS会向MS发出拒绝切换的决定 57 第六节GPRS系统GPRS是通用分组无线业务的英文简写 是GSM向3G演进的第一阶段 GPRS也称为2 5G 一 特点 1 GPRS数据传输速率可达100kbit s以上 比GSM网的数据传输速率9 6Kbit s高的多 实际的非对称速率只有14 43kbit s 但仍使图片 视频等多媒体业务的应用成为现实 2 GPRS采用分组交换技术 网络信道只在用户需要时分配 提高了信道利用率 充分利用了网络资源 3 GPRS用户访问互联网时 保持着逻辑上的连接 可使GPRS用户 实时在线 按用户下载流量计费 58 二 GPRS的网络结构 1 在GSM网络基础上 增加SGSN GPRS服务支持节点 和GGSN GPRS网关支持节点 两个节点 构成了移动分组数据网络 如图2 10所示 2 SGSN的功能 类似于MSC 与MSC同一级别 记录移动台当前的位置信息 执行安全功能和接入控制 在MS和GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收 3 GGSN的功能 是网关作用 可以和多种不同的数据网连接 如ISDN LAN PSPDN等 GPRS提供了移动网到TCP IP或X 25的网络接口 可把GPRS网络看作是一个IP子网 59 图2 10GPRS的网络结构 60 三 GPRS的网络接口和参考点 1 Um接口 无线空中接口 射频部分与GSM相同 逻辑信道增加了分组信道PDCH 采用了4种新的编码方式 并支持多时隙传输方式 最多可传输8个时隙 2 Gb接口 SGSN与BSS之间的接口 Gb接口即传送信令又传送话务信息 提供流量控制 支持移动管理和会话功能 如GPRS附着 分离 安全 路由更新 数据连接信息的激活 去活等 支持移动台分组业务经BSS到SGSN的传输 3 Gn接口 同一个PLMN中的两个GSN GPRS支持节点 之间的接口 支持用户数据和有关信令的传输 支持移动性管理 61 4 Gp接口 不同PLMN中的两个GSN的接口 Gp接口的功能与Gn相似 它还提供边缘网关 BG 防火墙及不同PLMN间互联功能 如安全和路由等 5 Gr接口 SGSN与HLR之间的接口 Gr接口为SGSN提供了接入HLR并获得用户管理数据和位置信息的接口 通过MAP信令进行传送 该HLR可以属于不同PLMN 6 Gs接口 SGSN与MSC VLR之间的接口 是用来支持SGSN和MSC VLR配合工作的 使SGSN可以向MSC VLR发送MS的位置信息或接收来自MSC VLR的寻呼信息 Gs接口能使网络为一个MS同时提供电路和分组业务服务 62 7 Gc接口 GGSN与HLR之间的接口 选用Gc接口 GGSN可直接从HLR中获得MS的位置信息 8 Gi参考点 GGSN与外部分组数据网络IP X 25之间的接口参考点 GPRS可支持各种数据网络 Gi不是标准接口 是一个参考点 9 Gf接口 SGSN与EIR之间的接口 交换有关数据 认证MS的IMSI信息 10 Gd接口 SMS GMSC 短消息业务网关移动交换中心 和SGSN之间的接口 SMS IWMSC 短消息业务互通移动交换中心 和SGSN之间的接口 可以提高SMS的使用效率 63 码分多址 CDMA 系统 是在数字技术的分支 扩频通信技术上发展起来的一种无线通信技术 它源自于人类对无线通信更高质量的要求 全球许多国家都已建有CDMA网络 第一节码分多址 CDMA 技术码分多址 CDMA 采用的关键技术有 扩频技术 码分多址技术 信道技术 功率控制技术 切换技术等 第3章码分多址系统和移动通信的发展 64 一 CDMA扩频通信技术1 扩频通信的基本原理扩频通信技术是CDMA的关键技术之一 CDMA采用的是直接扩频 发送端 将需传送的窄带信息数据 用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制 使窄带数据信号的带宽被扩展 称为扩频 再经调制载波后发送出去 接收端 使用完全相同的伪随机码 与接收的被扩展的宽带信号作相关解调 把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩 以实现信息通信 65 发送端 带有用户信息的窄带数据信号d t 通过伪随机码c t 扩频后 在频域内被扩展成宽带频谱信号s t 经调制载波后发射出去 接收端 接收机接收到的宽带信息 经载波同步解调后不仅有用户信息的宽带信号s t 而且还有窄带干扰噪声n t 因此 合成信号为s t n t 如图3 1和图3 2所示 66 对合成信号s t n t 解扩过程 用同样的伪随机码c t 进行解扩 由于伪随机码c t 具有尖锐的自相关特性 即可认为c t c t 1 得到 s t n t c t s t c t n t c t d t c t c t n t c t d t n t c t n t c t 实际是对窄带干扰噪声的扩频操作 结果n t 被扩展成宽带频谱 单位频带内的噪声功率降低了 对有用信号的干扰减小了 通过带通滤波器后 宽带低功率噪声干扰大部分被滤除 只输出用户信号d t 和滤波器带通内干扰噪声 67 68 图3 2扩频和解扩过程示意图 69 2 处理增益和抗干扰容限处理增益 Gp 和抗干扰容限 Mj 是扩频通信系统的两个重要指标 处理增益 Gp 又称扩频增益 它定义为扩频信号带宽 Bw 与信息带宽 Bs 之比 即 Gp Bw Bs扩频增益Gp表示扩频系统输出信噪比改善的程度 是扩频系统的一个重要指标 Gp值越大 系统的信噪比改善程度越大 通信质量也越好 70 抗干扰容限 反映了扩频通信系统抗干扰能力 表示在保证系统所要求的信噪比 S Nout 时 系统能够承受的最大干扰值 就是接收机输入端能承受的干扰信号比有用信号高出的分贝数 其数学表达式为 Mj Gp Ls S Nout 式中 Gp为处理增益 Ls为系统损耗 S Nout为系统所要求的信噪比 一般要求接收机输出信噪比S Nout 10dB 71 二 码分多址通信技术码分多址技术是CDMA通信的基本技术 是区别于TDMA FDMA的重要标志 如图3 3所示 CDMA引入了码域概念 在同时同频下完成通信 不同的用户被不同的地址码所区分 这些地址码彼此都是正交的 当用这样的地址码对于不同的低频用户信息进行扩频后 被调制的高频信号就可以在空中传播 接收端接收到已调制高频信号 经载波同步解调后 再用同样的地址码对扩频的宽带信号进行解扩处理 就可以正确地获得低频用户信息 CDMA技术实现了频率在多个小区内重复使用 72 图3 3码分多址原理示意图 73 在选择用户的地址码或扩频码时 自相关特性和互相关特性是两个重要标准 要求自相关性尖锐 码序列本身相乘叠加后归一化值为1 称为自相关性尖锐 要求互相关特性良好 任意两个不同码序列相乘后积分的值为0 称互相关性良好 称两个码序列为正交 扩频码的互相关性良好 有利于消除码间干扰 扩频码的自相关性尖锐 有利于同步和消除多径干扰 74 CDMA系统里常用Walsh函数正交码 作为扩频码 CDMA系统里常用伪随机序列 PN码 作为地址码 伪随机序列是一种貌似随机但实际上是有规律的周期性二进制序列 在CDMA系统中常用M序列来用来区分用户 用Gold序列来区分用户或基站 M序列 是 最大长度线性移位寄存器序列 简称 Gold序列 是一种基于M序列优选对的码序列 序列资源丰富 75 三 CDMA信道通信系统都有不同用途的信道 以完成复杂的信令和业务的传输 CDMA不用开辟不同的频段或时隙来作信道 CDMA的信道是通过码来区分的 分成前向信道和反向信道分别描述CDMA信道的作用 1 CDMA前向信道 BS到MS方向 CDMA前向信道由导频信道 同步信道 寻呼信道和业务信道组成 每个信道有特定的Walsh序列码调制 W0 W63 每个信道的基带速率有多种 最高达到19 2kbit s 每个基带数据流与64码片长的Walsh序列相乘后 总速率为19 2kbit s 64 1 2288Mbit s数据流 76 1 导频信道 始终发送一个不含信息的扩频信号 导频信号发射功率比其他信道大 以便MS对BS的捕获和跟踪 导频信号也是MS判断是否要越区切换的基准 2 同步信道 SCH 作用是发送基站的同步消息 包括系统时间和导频偏置 使MS确认正在接入的是哪一个BS 3 寻呼信道 PCH 每个BS有一个或几个PCH 用于发送系统信息和指令 在MS接入信道发出接入请求后对消息进行确认 4 前向业务信道 F TCH 用于传送用户数字语音和其他业务信息 还包括功率控制子信道 还传输越区切换等控制信息 77 2 CDMA反向信道 MS到BS方向 CDMA有两种反向信道 接入信道和业务信道 1 接入信道 ACH 反向信道中有1个到32个接入信道 前向信道中每个寻呼信道 对应一个接入信道 接入信道用于MS初始化呼叫 响应基站的寻呼要求和信息要求等 当需要时 接入信道可变成业务信道 传输用户业务信息 2 反向业务信道 R TCH 反向业务信道与前向业务信道类似 主要用于传送业务信息和信令 78 四 CDMA功率控制技术功率控制技术是CDMA的基本技术之一 率控制目的 克服远近效应 提高系统容量 功率控制方式 前向功率控制和反向功率控制 1 反向功率控制反向功率控制的对象 是控制MS的发射功率 控制依据是前向信道的接收信号强度 前向信道的误帧率等参数 反向功率控制有 开环功率控制 闭环功率控制和外环功率控制 79 反向开环功率控制 当MS发起呼叫或者响应BS的呼叫时首先工作的 目的是使所有MS发出的信号在到达BS时都有相同的功率 基本方法 MS测量接收的导频信号的功率电平 估算出前向链路路径损耗 调整MS发射功率 反向闭环功率控制 反向闭环功率控制是反向功率控制的核心 是由BS协助MS 对MS的开环功率估测作出校正 使MS始终保持理想发射功率的一种技术 80 2 前向功率控制前向功率控制的实现是BS根据MS提供的测量结果 调整对每个MS的发射功率 对路径衰耗小的MS分配比较小的前向发射功率 对较远及解调信噪比较低的MS分配较大的前向发射功率 前向功率控制也采取了闭环控制 结论 CDMA功率控制是一种合并机制 在几种机制共同作用下 不断地调整发射功率以弥补无线信道的衰减变化 保证通信质量和提高系统容量 81 五 切换技术CDMA的切换技术包括软切换和硬切换 1 软切换技术软切换技术是CDMA系统的又一关键技术 软切换 软切换是先通后断的切换方式 软切换是指MS在具有相同频率CDMA频道中的小区或扇区之间进行的切换 软切换不需要MS变更收发频率 更软切换 更软切换是指在同一个小区内不同扇区之间的切换 不需要MS变更收发频率 切换是由BS完成 BS只是报MSC备案 82 2 硬切换技术硬切换 是指MS在不同系统的BS之间 不同CDMA频道或不同帧偏移量之间进行的切换 硬切换是先断后接的切换方式 硬切换需要MS变更收发频率 即先切断原来的收发频率 再搜索使用新的频道 会造成无线链路的瞬间中断 如切换时间大于200ms 将影响用户通信 CDMA系统的切换绝大部分是通过软切换实现的 可以保证很高的切换成功率 硬切换成功率相对于软切换低 提高硬切换成功率一直是网络优化和系统调整的一个重点 83 第二节CDMA系统的特点 1 发射功率低CDMA手机采用完备的功率控制算法 使手机的发射功率刚好满足正常通信 通过扩频通信方式抑制窄带干扰 使手机发射功率降低 大约是GSM手机的1 10 2 通话质量优 CDMAD扩频码分通信制式 可以过滤环境中的背境噪声 使用户语音更为清晰 采用软切换算法提高了切换成功率 使得小区交界处语音质量得以保证 84 3 保密性能好CDMA系统在空中传输的是高速扩频信号 扩频码是很复杂的伪随机码 具有非常好的保密性 4 更好的用户容量CDMA系统小区容量是柔性的 通过功率控制技术应用 可以限制单个用户前向功率的控制范围 保证容量 5 CDMA技术提高了语音和数据传输的可靠性 结论 CDMA是宽带系统 有较高的扩频增益 在C I为负值时仍能得到较好的服务质量 在同等条件下比GSM传播距离大1 3 2 1倍左右 在郊区开阔地 基站覆盖半径可达50km以上 85 第三节移动通信无线频率的分配一 GSM900MHz系统的工作频率 载频 上行 MS发 BS收 工作频率范围 890 915MHz下行 BS发 MS收 工作频率范围 935 960MHz工作带宽 25MHz双工间隔 45MHz载频间隔 200KHz共有124个载频频道 频道号为1 124 载频频道 每个载频信道带宽200KHz 86 中国移动占用低端94个频道 中国联通占用高端30个频道 二 GSM1800MHz系统的工作频率上行频率范围 1710 1785MHz下行频率范围 1805 1880MHz双工间隔 95MHz工作带宽 75MHz载频间隔 200MHz 共有374个载频频道 三 CDMA800MHz系统的工作频率上行频率范围 825 835MHz下行频率范围 870 880MHz 87 第四节第三代移动通信的发展在GSM和窄带CDMA的第二代移动通信时期 实现了部分国家和地区的漫游 也暴露出一些问题 如系统容量小 频谱利用率不高 不适合于传输高速数据和多媒体业务等 第三代移动通信系统 3G 是在ITUIMT 2000建议基础上 工作在2GHz频段 最高速率可达2Mbit s的宽带移动通信系统 其基本特征如下 1 全球普及和全球无缝漫游的系统 2G系统一般为区域或国家标准 而3G系统是在全球范围内覆盖和使用的系统 全球统一的标准 88 2 具有支持多媒体业务能力 2G系统主要提供语音业务为主 GSM演进到最高阶段的速率能为384kbit s 而3G系统的业务从支持语音业务到分组数据业务到多媒体业务 根据具体业务需要 提供必要的带宽 ITU规定的第三代移动通信系统无线传输技术RTT必需满足以下3种环境的最低要求 即 快速移动环境 传输速率达144kbit s 室外到室内或步行环境 传输速率达384kbit s 室内环境 传输速率达2Mbit s 89 3 便于过渡 演进 3G系统引入时 2G网络已具有相当规模 3G网络一定要在2G网络的基础上逐渐灵活过渡 并应与固定网络兼容 4 高频谱效率 5 高服务质量 6 低成本 7 高保密性 90 一 ITU对3G的基本要求3G系统有卫星通信网和地面移动通信网组成 将成为全球无缝覆盖的立体通信网络 适用于多种无线运营环境 支持多种业务 如移动高速业务 实时图像传输 流媒体传输和移动计算机联网 移动性个人业务 交互视频业务 TV Radio Data和Internet增值业务等 第三代移动通信系统频普利用率高 有高度的灵活性和较强的抗干扰能力 并且具有从2G系统平滑演进到3G系统的特点 91 二 3G的核心网络标准 1 EvolvedGSMMAP标准 是基于GSM的MAP 移动应用部分 信令所开发的标准 它用于无线接入为UMTS 通用移动通信系统 的网络 包括 WCDMA和TD SCDMA 都是由GSM网络向上过渡而成的 2 EvolvedANSI 41标准 用于cdma2000的3G核心网标准 为3G网络全球漫游和互通 ITU正在制定两个核心网之间互通的规范 最终核心网都将过渡到全IP时代 92 三 第三代移动通信的发展 1 技术的成熟性WCDMA制式的无线技术来源于CDMAIS 95技术 其核心网以GSM核心网为依托 是目前技术比较成熟的一种3G制式 Cdma2000制式是从CDMAIS 95制式平滑升级而来的 技术成熟性比较高3G制式 WCDMA制式是由欧洲 日本提出的3G制式 是许多GSM运营商的选择 Cdma2000是由北美提出的3G制式 在韩国 美国 中国电信和香港都已建有CDMA商用网络 93 2 TD SCDMA的技术特点TD SCDMA是我国提出的3G制式 采用TDD技术和智能天线技术 载频间隔为1 6MHz 频段使用灵活 在5MHz内可有三个载频 适应非对称数据传输和无线Internet业务 与其他两种制式相比有如下特点 1 无需成对的频率资源 频谱利用率高 2 适合大城市高业务密度区 可以调整上下行数据传输速率 3 采用智能天线 可降低发射功率 减少干扰 4 可与WCDMA系统兼容 建网成本低 94 四 3G面临的主要问题3G系统世界上有cdma 2000 WCDMA和TD SCDMA3种制式 要求后向兼容2G系统 前向兼容4G系统 3G要解决的技术难题有 1 多径衰落 由于无线信号的多径效应引起的接收信号的脉冲宽度展宽现象 称为时延扩展 当时延超过检测脉冲符号宽度的10 时 符号间干扰会明显地出现 从而限制移动通信的数据速率 95 2 多址干扰 CDMA系统是一个功率受限系统 来自本小区和邻近小区用户的干扰决定了系统的容量和性能是否受到限制 3 远近效应 它也属于多址干扰 3G系统中表现比较出 五 3G所采取的措施为了解决3G系统所面临的主要问题 各国专家研究并创新了许多关键技术 96 1 多址技术 多址技术包括CDMA系统中地址码的研究和各种多址协议的进一步研究 2 信道编码 采用信道编码技术改善通信质量 采用前向信道纠错编码和交织技术 进一步克服衰落效应 3 功率控制 为克服宽带CDMA系统的远近效应 功率控制的动态范围需要达到80dB 以保证基站接收到的所有移动台信号具有相同的功率 97 4 智能天线 通过调节天线阵列的方向图形状 达到增强所需信号 抑制干扰信号 达到成倍地扩展通信系统容量的目的 5 多用户检测 把所有用户的信号都当作有用信号 而不是干扰信号来处理 来降低多径 多址干扰 6 切换技术 移动通信系统采用蜂窝结构 在跨越空间划分的小区时 必须要进行越区切换 完成移动台到基站的空中接口的转换以及基站到网入口的转换 网入口到交换中心的相应的转移 98 六 3G的频段 1 时分双工 TDD 方式工作频段 主要工作频段 1880 1920MHz2010 2025MHz补充工作频段为 2300 2400MHz 2 频分双工 FDD 方式工作频段 主要工作频段 1920 1980MHz2110 2170MHz补充工作频段 1755 1785MHz1850 1880MHz 99 GSM基站子系统 BSS 为GSM网络的固定部分和无线部分提供中继 一方面BSS通过Um接口与MS实现无线通信连接 另一方面BSS又连接到网络子系统 NSS 的移动交换中心 MSC 第4章基站子系统 100 第一节基站子系统的组成BSS由基站收发信机 BTS 基站控制器 BSC 码变换器 TC 和子复用设备 SM 功能实体组成 BTS负责无线传输 BSC负责控制与管理 BSS可由多个BSC和BTS组成 1个BSC根据话务量需要可以控制数十个BTS BTS可以直接与BSC相连 也可以通过基站接口设备 BIE 与远端的BSC相连 典型的BSS组成如图4 1所示 101 图4 1GSM的基站子系统 102 码变换器 TC 是BSS的一个特重要的组成部分 是执行GSM的话音编码和解码以及数据速率适配的设备 在GSM规范中把TC视为BTS的一部分 可以安装在BTS和MSC之间传输链的任何地方 通常是把它放在BSC和MSC之间的MSC一侧 TC这样安装位置可以节约成本 提高传输容量 如图