第3章+数字移动通信技术.ppt

第3章数字移动通信技术 3 1移动通信概述3 2数字移动通信的基本技术3 3GSM数字蜂窝移动通信系统3 4Q CDMA IS 95 数字蜂窝移动通信系统3 5第三代移动通信与个人通信思考与练习 3 1移动通信概述 3 1 1移动通信的特点与其它通信方式相比较 移动通信有如下特点 1 移动通信的电波传播环境恶劣 2 多卜勒频移产生附加调制 由于移动台处于运动状态中 接收信号有附加频率变化 即多卜勒频移fd fd与移动体移动速度有关 若电波方向与移动方向之间的夹角为 则有 3 1 3 移动通信受干扰和噪声的影响 4 频谱资源紧缺 在移动通信中 用户数与可利用的频道数之间的矛盾特别突出 5 建网技术复杂 3 1 3蜂窝移动通信系统的组成蜂窝移动通信系统要实现移动用户与市话用户 移动用户与移动用户 以及移动用户与长途用户之间的通信 必须包括无线传输 有线传输以及信息的收集 处理和存储等 使用的主要设备有无线收发信机 交换控制设备和移动终端设备等 图3 1是典型的蜂窝移动通信系统示意图 图3 1蜂窝移动通信系统 1 交换网络分系统 NSS 交换网络分系统包括移动交换中心 MSC 拜访位置寄存器 VLR 归属位置寄存器 HLR 鉴权中心 AC 操作管理中心 OMC 和短消息中心 SME 等部分 2 基站分系统 BSS 基站分系统包括一个基站控制器 BSC 和由其控制的若干个基站收发信系统 BTS 为使读者清楚地了解移动通信系统的组成 图3 2给出了GSM系统的结构组成 图3 2GSM系统结构 3 移动台 MS 移动台是移动通信系统不可缺少的一部分 它有车载式 手持式 便携式三种形式 移动台应包括移动台物理设备和智慧部件两部分 移动台由收发信机 频率合成器 数字逻辑单元 拨号按钮和送 受话器等组成 图3 3是一个典型的移动台收发信机框图 主要组成部分有 收信和发信信号处理 调制和解调 收信和发信通道 频率合成器和双工器等 图3 3移动通信收发信机框图 3 1 4移动通信技术发展的趋势和特点 1 宽带化是通信信息技术发展的重要方向之一 随着光纤传输技术以及高通透量网络节点的进一步发展 有线网络的宽带化正在世界范围内全面展开 而移动通信技术也正在朝着无线接入宽带化的方向演进 无线传输速率将从第二代系统的9 6kb s向第三代移动通信系统的最高速率2Mb s发展 2 随着网络中数据业务量主导地位的形成 从传统的电路交换技术逐步转向以分组的特别是以IP为基础的网络是发展的必然 IP协议将成为电信网的主导通信协议 3 核心网络综合化 接入网络多样化 未来信息网络的结构模式将向核心网 接入网转变 网络的分组化和宽带化使在同一核心网络上综合传送多种业务信息成为可能 网络的综合化以及管制的逐步开放和市场竞争的需要将进一步推动传统的电信网络与新兴的计算机网络的融合 4 信息个人化是21世纪初信息业进一步发展的主要驱动力之一 而移动IP技术正是实现未来信息个人化的重要技术手段 在手机上实现各种IP应用以及移动IP技术正逐步成为人们关注的焦点之一 5 网络将以技术为中心转向以应用为中心 6 移动通信网络结构正在经历一场深刻的变革 现有电路交换网络向IP网络过渡的趋势已不可阻挡 IP技术将成为未来网络的核心关键技术 3 2数字移动通信的基本技术 3 2 1蜂窝组网技术1 蜂窝网的构成若将一个移动通信服务区划分成许多小区 Cell 每个小区设立基站 与用户移动台之间建立通信 小区的覆盖半径较小 可从几百米至几十千米 如果基站采用全向天线 覆盖区实际上是一个圆 但从理论上说 图形小区邻接会出现多重覆盖或无覆盖 有效覆盖整个平面区域的实际上是圆的内接规则多边形 这样的规则多边形有正三角形 正方形 正六边形三种 如图3 4所示 图3 4小区的形状 a 正三角形 b 正方形 c 正六边形 构成单元无线区群的基本条件是 区群之间彼此邻接且无空隙无重叠地覆盖整个面积 相邻单元中 同信道小区之间距离保持相等 且为最大 满足上述条件的区群形状和区群内的小区数不是任意的 可以证明 区群内的小区数N应满足下式 N a2 ab b2 3 2 式中 a和b分别是相邻同频小区之间的二维距离 如图3 5所示 a b为不能同时取0的正整数 由上式的计算可得到N为不同值时的正六边形蜂窝的区群结构如图3 6所示 图3 5蜂窝小区覆盖 图3 6正六边形区群的构成 确定相邻区群同频小区的方法是 自某一小区A出发 先沿边的垂线方向跨a个小区 再按逆时针方向转60 然后再跨b个小区 这样就可找出同频小区A 在正六边形的六个方向上 可以找到6个相邻的同频小区 如图3 5所示 区群间同频复用距离可由下式计算 3 3 式中 N为区群内的小区数 r0为小区的辐射半径 图3 7用户分布密度不等时基站覆盖区的划分 图3 8小区分裂方案 2 多信道共用所谓多信道共用 就是在一个无线区内的n个信道为该无线区内所有用户共用 任何一个移动用户选取空闲信道及占用时间均是随机的 多信道共用可以大大提高信道的利用率 它支撑着移动网的呼损率 中断率 系统容量等指标 下面我们分别阐明话务量 呼损率 信道利用率的概念及其同系统用户数的关系 话务量定义为在一特定时间内呼叫次数与每次呼叫平均占用信道时间的乘积 可分为流入话务量与完成话务量 流入话务量取决于单位时间内 通常为1小时 发生的平均呼叫次数与每次呼叫平均占用时间 在系统的流入话务量中 必然有一部分呼叫失败 信道全部被占用时 新发起的呼叫不能被接续 而完成接续的那部分话务量称为完成话务量 如用A表示流入话务量 A0表示完成话务量 C表示单位时间内发生的平均呼叫次数 C0表示单位时间内呼叫成功的次数 t表示每次呼叫平均占用信道时间 则A C t 3 4 A0 C0 t 3 5 损失话务量 呼叫失败的话务量 与流入话务量之比称为呼损率 用以说明呼叫损失的概率 用B表示 有 3 6 根据话务理论 话务量 呼损率 信道数之间存在下式所示的定量关系 称为爱尔兰呼损公式 3 7 采用多信道共用技术能提高信道利用率 信道利用率可以用每个信道平均完成的话务量来表示 有 3 8 用数表列出B n A和 的关系如表3 1所示 略 有了上面的这些概念 接着我们讨论它们与系统用户数之间的关系 在工程设计中 为了计算系统用户数 需要知道每用户忙时话务量 用a表示 忙时话务量与全天 24小时 话务量之比称为忙时集中系数 用K表示 K一般取10 15 假设每用户每天平均呼叫次数为C 每次呼叫平均占用信道时间为T 秒 次 忙时集中系数为K 则每用户忙时话务量a为 3 9 当每用户忙时话务量确定后 每个信道所能容纳的用户数m可由下式计算 3 10 若系统有n个信道 则系统所能容纳的用户数M为 M m n A a 3 11 信道的自动选择方式有多种 但基本上可以分成两类 1 专用呼叫信道方式 2 标明空闲信道方式 3 位置登记与信道切换位置登记是指移动台向控制中心发送报文时 表明它本身工作时所处位置信息并被移动网登记存储的过程 在构造复杂的移动通信服务区内 一般将一个MSC控制区作为一个位置区或划分成若干个位置区 信道切换可以分为两类 越区切换和漫游切换 3 2 2多址技术1 频分多址 FDMA 频分多址是以频率来区分信道的 模拟信号和数字信号都可采用频分多址方式传输 该方式有如下特点 1 每路一个载频 2 连续传输 3 FDMA蜂窝移动通信系统是频道受限和干扰受限的系统 4 FDMA系统需要周密的频率计划 频率分配工作复杂 5 频率利用率低 系统容量小 2 时分多址 TDMA 时分多址是以时隙 时间间隔 来区分信道的 在一个无线频道上 按时间分割为若干个时隙 每个业务信道占其中的一个时隙 在规定的时隙内收发信号 在时分多址方式中 分配给各移动台的是一个特定的时隙 1 以每一时隙为一个话路的数字信号传输 2 各移动台发送的是周期性信号 而基站发送的是时分复用 TDM 信号 发射信号的速率随时隙数的增大而提高 3 TDMA蜂窝移动通信系统是时隙受限和干扰受限的系统 4 TDMA系统的定时和同步问题是关键问题 5 抗干扰能力强 频率利用率高 系统容量大 6 基站设备成本低 3 码分多址 CDMA 码分多址是基于码型分割信道 在CDMA方式中 不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分的 而是用各不相同的编码序列来区分的 CDMA的特征是代表各信源信息的发射信号在结构上各不相同 并且其地址码相互间具有正交性 以区别地址 在移动通信中 要实现码分多址必须具备以下三个条件 1 要有数量足够多 相关性能足够好的地址码 使系统能通过不同的地址码建立足够多的信道 2 必须用地址码对发射信号进行扩频调制 并使发送的已调波频谱极大地展宽 几百倍 功率谱密度降低 3 在码分多址系统的接收端 必须具有与发送端完全一致的本地地址码 图3 9DS CDMA系统原理框图 图3 10DS CDMA系统各点波形图 图3 11扩频过程中的频谱变换图 直扩码分多址移动通信系统具有如下特点 1 具有抗干扰和抗多径衰落的能力 2 系统容量大 3 可与窄带系统共存 4 软切换功能 5 软容量和小区呼吸功能 6 保密性好 设备简单 电池使用寿命长等 7 存在多址干扰和远近效应 3 2 3调制技术1 数字调制的要求数字调制解调技术是数字移动通信的关键技术 应有如下主要要求 1 频率利用率高 2 误码性能好 3 能接受差分检测 易于解调 4 功率效率高 2 主要的数字调制方式移动通信的电波传播条件恶劣 地形地物影响大 移动通信中的调制技术应适应这种变参信道的条件 主要的调制方式有 1 2FSK调制 移频键控基带信号是二元基带信号 分别用 h和 l表示传输信号 码元交替时相位不连续 2FSK信号的波形如图3 12所示 信号的频偏 d h 0 0 l 调制产生的功率谱是基带数字信号功率谱的线性搬移 2FSK信号所占带宽为 图3 122FSK信号的波形 2 MSK调制 移频键控频谱较宽的原因是码元交替过程中存在相位的跳变 如果能够控制其相位使得码元交替时载波相位连续变化 频谱边带就可以大大降低 最小移频键控 MSK 就是根据这一思想提出的 MSK是一种特殊的2FSK 只是它满足下面两个条件 3 12 代表基带信号 0 和 1 的两种频率的信号在一个码元期间Tb内所积累的相位差必须严格地等于 以保证码元转换时刻已调信号的相位是连续的 调制指数m 0 5 调制指数定义为频率偏移与比特率的比值 即 3 13 图3 13MSK的信号功率谱 3 GMSK调制 MSK调制是调制指数为0 5的二元数字频率调制 它具有恒定包络 相对窄的带宽 相干检测等特性 4 QPSK调制 QPSK即4PSK 是一种四进制数据的相位移相键控 其原理是先把输入数据作串 并变换 即将二进制数据每二比特分成一组 共有00 01 10 11四种组合 图3 14GMSK的功率谱密度 图3 15QPSK信号相位和时间波形图 5 OQPSK调制 OQPSK调制的原理是在输入数据作串 并变换后 再使其交错一个输入码元宽度Tb 然后再分别对两个正交的载波进行2PSK调制 最后叠加而成为OQPSK信号 图3 16OQPSK信号相位关系图 图3 17 4 QPSK信号状态迁移轨迹 6 QPSK调制 QPSK调制是在QPSK基础上演变而来的 其相位跳变值为 4或 3 4 4 QPSK有8个相位状态 如图3 17所示 3 2 4语音编码技术语音编码为信源编码 其目的是为了把模拟信号转变成数字信号以便在信道中传输 语音编码技术在移动通信系统中与调制技术直接决定了系统的频谱利用率 移动通信中对语音编码技术的研究目的是在保证一定的语音质量的前提下 尽可能降低编码的比特率 语音编码技术通常分为三类 波形编码 参量编码和混合编码 移动通信中采用什么样的语音编码主要取决于无线移动信道的条件 移动通信对数字语音编码的要求如下 速率较低 纯编码速率应低于16kb s 在一定编码速率下音质应尽可能高 编码时延应较短 控制在几十毫秒之内 编码算法应具有较好的抗误码性能 计算量小 性能稳定 编码器应便于大规模集成 1 波形编码器波形编码可将时域的模拟信号的波形信号经过取样 量化 编码而形成的数字语音信号 为了保证数字语音信号解码后的高保真度 取样速率应满足奈奎斯特定理 并且量化分层数要大 2 参量编码器参量编码器又称声源编码器或声码器 这种编码器不是跟踪语音信号的波形 而是提取产生语音信号的特征参数 其原理是把人的发音器官看成是一个滤波器 它由来自声带振动的脉冲来激励 滤波器由咽喉 舌头和嘴组成 3 混合编码器混合编码器可以看成是波形编码器与声码器的混合 它综合了波形编码和参量编码的长处 即保持参量编码的低速率和波形编码的高语音质量的优点 在混合编码的信号中 既含有若干语音特征参量又含有部分波形编码的信息 3 2 5交织技术假定由一些4比特组成的消息分组 把4个相继分组中的第一个比特取出来 并让这4个第1比特组成一个新的4比特分组 称作第一帧 4个消息分组中的第2 4比特 也作同样的处理 如图3 18所示 图3 18交织原理 图3 19GSM系统的语音交织 3 2 6分集技术1 空间分集空间分集的依据在于块衰落的空间独立性 即在任意两个不同的位置上接收同一信号 只要两个位置的距离大到一定程度 则两处所收到的信号的衰落是不相关的 为此 空间分集的接收机至少需要两副相隔距离为d的天线 d与工作波长 地物及天线高度有关 在移动信道中 通常取市区d 0 5 3 14 郊区d 0 8 3 15 2 频率分集由于频率间隔大于相关带宽的两个信号所遭受的衰落可以认为是不相关的 因此可以用两个以上不同的频率传输同一信息 以实现频率分集 例如 市区的相关带宽Bc 50kHz 效区的Bc 300kHz 在开阔地Bc 8MHz 为了在市区和郊区都能取得满意的频率分集接收效果 Bc必须大于或等于300kHz 3 时间分集时间分集表示在不同时隙发射相同的信息 在接收端产生两个非相关的衰落信号 重发信号的间隔时间要大于信道的相关时间 图3 20RAKE接收机原理图 3 2 7自适应均衡技术均衡是指对信道特性的均衡 即接收端的均衡器产生与信道特性相反的特性 用来抵消信道的时变多径传播特性引起的码间干扰 均衡有两条基本途径 一是频域均衡 它使包括均衡器在内的整个系统的总传输函数满足无失真传输的条件 频域均衡往往分别校正幅频特性和群时延特性 二是时域均衡 就是直接从时间响应来考虑 使包括均衡器在内的整个系统的冲激响应来考虑 使包括均衡器在内的整个系统的冲激响应满足无码间串扰的条件 数字通信中面临的问题是时变信号 因而需采用时域均衡来达到整个系统无码间串扰 时域均衡的主体是横向滤波器 它由多级抽头延迟线 加权系数相乘器 或可变增益电路 及相加器组成 如图3 21所示 图3 21横向滤波器 图3 22维特比均衡器 图3 23均衡器工作原理 表3 2GSM系统的训练序列 3 3GSM数字蜂窝移动通信系统 3 3 1频率配置移动台发送频段为890 915MHz 基站发送频段为935 960MHz 收发双工频率间隔为45MHz 相邻频道 载波 间隔为200kHz 每个频道采用TDMA方式 分为8个时隙 即8个信道 全速率 为一帧 将来采用半速率语音编码后 每个频道可容纳16个信道 我国GSM系统由两个运营部门经营 频率使用情况如下 中国电信 905 909MHz 移动台发送 950 954MHz 基站发送 中国联通 909 915MHz 移动台发送 954 960MHz 基站发送 频率分配采用等频距分配法 频道序号为76 95 共20个频点 如表3 3所示 表3 3900MHzGSM移动网的频率配置 fl n 890 200MHz n 1 0 2MHz 移动台发送 fh n 935 200MHz n 1 0 2MHz 基地台发送 3 16 GSM系统可采用如下复用方式 对于无方向性天线 建议采用7组频率复用方式 其7组频率可从12组中任选 但相邻频率组尽量不在相邻小区使用 如图3 24 a 所示 业务量较大的小区可借用剩余的频率组 如使用第9组的小区可借用第2组频率等 对于有方向性天线 天线可采用120 或60 定向天线 形成 三叶草 小区 即把基站分成3个扇形小区 图3 24 b c 分别给出了4 3 3 3两种复用方式 图3 24GSM系统频率复用方式 3 3 2系统结构1 交换网络分系统 NSS 交换网络分系统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 NSS中各功能实体介绍如下 1 MSC 是GSM系统的核心 是对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制和完成话路交换的功能实体 也是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口 2 VLR 是存储MSC处理所管辖区域中MS 统称拜访用户 的来话 去话呼叫所需检索的信息的数据库 HLR 是存储管理部门用于移动用户管理数据的数据库 存储着该HLR控制区内的所有移动用户的相关数据 AUC 用于产生为确定移动用户的身份和对呼叫保密所需鉴权和加密的三参数的功能实体 EIR 是存储有关移动台设备参数的数据库 它主要完成对移动设备和识别 监视 闭锁等功能 以防止非法移动台使用 OMC 操作与维护中心 OMC 用于对GSM系统的集中操作与维护 对网络进行管理与监控 OMC对基站分系统和交换网络分系统分别进行操作和维护 如监视 状态报告 故障诊断等 2 无线基站分系统 BSS 无线基站分系统是在一定的无线区域中由MSC控制 与MS进行通信的系统设备 它主要负责完成无线发送 接收和无线资源管理等功能 功能实体可分为基站控制器 BSC 和基站收发信台 BTS BSC 具有对一个或多个BTS进行控制的功能 它主要负责无线网络资源的管理 小区配置数据管理 功率控制 定位和切换等 是一个很强的业务控制点 BTS 是基站分系统的无线部分 由BSC控制 它主要负责无线传输 完成无线与有线的转换 无线分集 无线信道的加密 跳频等功能 3 移动台移动台包括移动台物理设备和智慧部件SIM卡两部分 移动台是GSM移动通信网中用户使用的设备 也是用户能够直接接触的GSM系统中的唯一设备 移动终端 TE 指终端设备本身 与用户个人无关 它可完成语音编码 信道编码 信息加密 信息的调制和解调 信息的发射和接收等 SIM卡 代表移动用户个人 存有认证用户身份所需的所有信息 并执行一些与安全保密有关的重要信息 4 操作分系统 OSS 操作分系统是相对独立的对GSM系统提供管理和服务功能的单元 包括移动用户管理 移动设备管理 网络操作和控制等功能 移动用户管理包括对HLR和SIM卡的数据管理以及计费管理 OSS通过对EIR控制实现对移动设备管理 网络操作和控制是通过对BSS和NSS的操作和维护中心 OMC 来完成的 3 3 3号码与识别1 移动台ISDN号码 MSISDN MSISDN是指呼叫GSM系统中的某个移动用户时所需拨的号码 号码的结构为 2 国际移动用户识别码 IMSI 为了在无线路径和整个GSM移动通信网上正确识别某个移动用户 就必须给移动用户分配一个特定的识别码 存储于客户识别模块SIM HLR VLR中 此码在所有位置区 包括漫游区 都有效 通常在呼叫建立和位置更新时 需要使用IMSI号码 号码结构为 3 临时移动用户识别码 TMSI 为了对IMSI保密 IMSI只在起始入网登记时使用 在后续的呼叫中 使用经一定算法转换而来的TMSI 以避免通过无线信道发送其IMSI 从而防止窃听者检测用户的通信内容 或者非法盗用合法用户的IMSI TMSI总长不超过4个字节 其格式由运营部门决定 4 移动用户漫游号码 MSRN 当移动用户漫游到一个新的MSC VLR业务区时 由VLR给它分配一个临时性的漫游号码 并通知该移动台的HLR 用于建立通信路由 一旦该移动台离开该业务区 此漫游号码即被收回 并可分配给其它来访用户使用 漫游号码的结构与移动用户国际 或国内 ISDN号码相同 5 国际移动设备识别码 IEI IMEI是区别移动台设备的标志 可用于监控被窃或无效的移动台设备 其结构为6位数字2位数字6位数字1位数字TACFACSNRSP 6 位置区和基站识别码 LAI和BSIC 1 位置区识别码 LAI 在检测位置更新和信道切换时 要使用位置区识别标志 号码结构为3位数字2位数字最大16bitMCCMNCLAC 2 基站识别码 BSIC BSIC用于移动台识别相同载频的不同基站 特别用于区别在不同国家的边界地区采用相同载频且相邻的基站 BSIC为一个6bit编码 结构为3bit3bitNCCBCC 3 3 4GSM系统的数字无线接口1 信道的定义GSM中的信道分为物理信道和逻辑信道 一个物理信道就是一个载频上的TDMA帧的一个时隙 TS 每个用户通过一系列频率的一个物理信道接入系统 GSM中每个载频有8个物理信道 即信道0 7 时隙0 7 在一个时隙中发出的信息称为一个突发脉冲序列 而逻辑信道是根据BTS与MS之间传递的信息的种类不同而定义的信道 逻辑信道在传输过程中要被放在某个物理信道即时隙上 逻辑信道可分为两类 业务信道和控制信道 1 业务信道 TCH 用于传送经编码和加密后的语音或数据 2 控制信道 CCH 用于传送信令或同步数据 又可细分为 2 TDMA帧结构在TDMA中 每个载频被定义为一个TDMA帧 相当于FDMA系统中的一个频道 每帧含8个时隙 TS0 TS7 要有TDMA帧号 用于在发送信号前对信息进行加密 因为计算加密序列的算法是以TDMA帧号作为一个输入参数的 有了TDMA帧号 移动台就可判断控制信道上传送的是哪一类逻辑信道 图3 25示出了TDMA的帧结构 图3 25帧结构 3 时隙格式在GSM系统中 每帧8个时隙 时隙宽度为0 576ms 其中含156 25bit 相应的比特速率为270 8kb s 根据所传信息的不同 时隙所含的具体内容和格式也不同 1 业务时隙格式 如图3 26所示 2 控制时隙格式 控制时隙的格式较多 如图3 27所示 图3 26业务时隙格式 图3 27控制时隙格式 4 逻辑信道到物理信道的映射传递各种信息的信道 在传输过程中要放至不同载频的某个时隙中 因此各种逻辑信道与时隙之间必须具有一定的对应关系 1 控制信道的映射 2 业务信道的映射 图3 28TS0上的控制逻辑信道 a 下行BCCH与CCCH在TS0上的映射 b 上行TS0上RACH的映射 图3 29TS1上的控制逻辑信道 2 业务信道的映射 在每个基站的广播控制频道的TS0和TS1上按上述映射控制逻辑信道 该载频的TS2至TS7以及其它载频的TS0至TS7均可安排业务信道 业务信道 TCH 的映射见图3 30 图3 30TCH的映射 5 时间提前量业务时隙和通用控制时隙中的保护时间为8 25bit 约30 s 对实际系统来说其覆盖距离往往是不够的 需要引入时间提前量 TA 在基站角度 上行相对于下行的时隙安排是对应的 GSM规定 上行帧相对于下行帧有固定的3TS延迟时间 即收发之间的间隔为3个时隙 称为TDMA帧偏移 见图3 31 图3 31上下行帧偏移 3 3 5GSM系统的安全性管理1 提供三参数组用户三参数组是网络对用户实施鉴权和信息加密所必需的参数 三参数组的产生是在鉴权中心 AUC 中完成的 2 鉴权将MSC VLR确认移动台通过无线空间传送的IMSI是否是签约的IMSI的过程称为鉴权 图3 32鉴权过程 3 通信信息的加密GSM系统中的信息的加密是指无线路径上的加密 即是指BTS和MS之间交换的用户信息和用户参数不被截获或监听 如图3 33所示 图3 33信息的加密 a 加密的产生 b 加密过程 4 用户识别码的保密IMSI是移动用户的特征号码 为防止IMSI在无线路径上被截获 提供用户识别号保密 VLR为在位置登记后的用户分配一个临时移动用户识别码 TMSI 5 设备识别采用设备识别的目的是防止盗用或非法设备入网使用 设备识别是在GSM系统的设备识别寄存器 EIR 中完成的 EIR中存有三种名单 白名单 包括已分配给可参与运营的GSM各国的所有设备识别序列号码 黑名单 包括所有被禁止使用的设备识别号码 灰名单 由运营者决定 例如包括有故障的以及未经型号认证的移动设备 设备识别过程为 MSC VLR收到MS的接入请求后向MS请求IMEI 并将IMEI发送给EIR EIR将接收到的IMEI与白 黑 灰三种名单进行比较 把结果送给MSC VLR 以决定是否允许入网 3 3 6移动用户的接续过程1 开机进入空闲模式 1 移动台开机后搜索最强的BCCH载频 读取FCCH信道信息 使移动台的频率与之同步 2 移动台读取SCH信道信息 找出基站识别码 BSIC 和帧同步信息 并且同步到超高帧TDMA帧号上 3 移动台读取系统信息 如 邻近小区情况 现所处小区使用频率及小区是否可用 移动系统的国家号码和网络号码等 这些信息都在BCCH上得到 2 位置登记移动台向网络登记的方式有 1 开机登记 2 周期性登记 移动用户登记过程如下 1 移动台在RACH上发出接入请求 2 系统通过AGCH分配给移动用户一个SDCCH信道 3 移动台在SDCCH上与系统交换信息 如鉴权 完成登记 4 移动台返回空闲状态 并监听BCCH和CCCH信道 3 移动台被呼 固定用户呼叫MS为例 图3 34表示入局呼叫建立的方案 过程如下 1 从ISDN PSTN来的呼叫通过固定途径送到最近的入口局MSC GMSC 2 GMSC询问该用户的HLR 以求获得呼叫建立路由 图3 34移动台被呼 3 HLR询问当前为该用户服务的VLR 请求VLR为该用户分配一个漫游号码 MSRN HLR将漫游号码及拜访MSC VMSC 地址发给GMSC 4 GMSC根据从HLR获得的信息建立起到VMSC的呼叫 5 VMSC咨询VLR以便与被呼用户建立联系 6 VMSC VLR通过PCH呼叫被呼移动用户 10 移动用户在RACH上通过发寻呼响应来应答 11 在SACCH上发测试报告和功率控制 7 系统通过AGCH为移动台分配一个SDCCH 8 系统与移动台在SDCCH上交换必要的信息 如鉴权 加密模式等 9 系统通过SDCCH为移动台分配一个TCH 在TCH上开始通话 4 移动台主呼 MS呼叫固定用户为例 1 MS在RACH上发送呼叫请求 2 系统通过AGCH为MS分配一个SDCCH信道 3 MSC VLR与MS经SDCCH交换必需的信息 如鉴权 加密模式 TMSI再分配等 4 系统通过SDCCH为移动台分配一个TCH 并建立与PSTN ISDN的连接信道 5 被叫用户摘机 进入通话状态 3 3 7GSM系统的移动性管理1 位置更新MS从一个位置区移动到另一个位置区时 如果收到的LAI与原来存储的LAI不一致 便发出位置更新请求 将其新的位置信息通知网络 这个过程就叫位置更新 2 切换移动台在通话期间跨越小区或扇区时 网络进行实时控制 使维持通信连续性的系统功能称为切换 包括 小区内不同扇区间切换 BSC控制区内不同小区间切换 MSC内不同BSC间切换 MSC间切换以及PLMN间切换 GSM系统的过区切换采用移动台辅助切换法 即把过区切换的检测和处理等功能部分地分散到各个移动台 由移动台来测量本基站和周围基站的信号强度 把测得结果送给MSC进行分析和处理 从而作出有关过区切换的决策 图3 35给出MSC间切换的实现过程 图3 35不同MSC VLR间的切换过程 3 漫游GSM移动通信网中 移动用户由归属局 MSC H 控制区进入被访局 MSC V 控制区后 仍能获得移动业务服务的网络功能称为漫游 漫游业务的提供包含三个步骤 位置更新 呼叫转移 呼叫建立 1 位置更新 图3 36给出不同MSC VLR控制区的位置更新过程 图3 36不同MSC VLR控制区的位置更新 2 呼叫转移 呼叫转移就是入口局 GMSC 根据主叫用户的拨号 通过7号信令向HLR查询漫游用户的当前位置信息以及获得MSRN 并利用MSRN重选接续路由的过程 3 呼叫建立 被访MSC B查出漫游用户的IMSI 将其转换成信令数据 在MSC B控制区内的位置登记区中发出寻呼 3 3 8DCS1800系统简介 1 DCS1800的无线发射频段 基站为1805 1880MHz 移动台为1710 1785MHz 双工间隔为95MHz 2 DCS1800系统既能提供0 5 8km的宏小区服务 又能提供0 1 0 5km的微小区 甚至0 1km以下的微微小区服务 以满足高密度用户分布区域的网络设计 图3 37蜂窝小区的重叠覆盖 3 DCS1800系统可与GSM系统重叠覆盖或部分重叠覆盖运行 如图3 37所示 图3 38DCS1800系统的结构 3 4Q CDMA IS 95 数字蜂窝移动通信系统 3 4 1CDMA系统中的扩频码与地址码CDMA的基本原理是基于扩展频谱技术 扩频技术是在系统中传输的已调信号带宽Bw 发射扩频信号带宽 远大于调制信号带宽Bs 信码速率 的信息传输方式 通常要求Bw Bs 100 理想的地址码和扩频码应具有如下特性 有足够多的地址码码组 有尖锐的自相关特性 有处处为零的互相关特性 不同码元数平衡相等 尽可能大的复杂度 图3 39m序列自相关函数 IS 95 CDMA系统中采用了三种码序列 1 短PN码 周期为215个码片 速率为1 2288Mc s 是用于QPSK的同相与正交支路的直接序列扩频码 2 Walsh码 CDMA系统中采用64阶正交Walsh函数 3 长PN码 周期为 242 1 个码片 速率为1 2288Mc s CDMA系统利用该码对数据进行扩频和扰码 为通信提供保密 图3 40长码产生器 3 4 2正向信道及其信号设计CDMA数字移动通信系统中 正向信道采用FDMA CDMA混合多址技术 把使用频段分成若干个带宽为1 25MHz的频道 一个蜂窝小区可有一个或多个1 25MHz的频道 正向信道用Walsh函数码作为地址码来建立码分信道 各基站使用一对引导PN序列 短PN码 进行四相调制 不同基站的引导PN序列具有不同的相位偏移量 一个CDMA频道划分为64个码分逻辑信道 正向信道包含一个导频信道 一个同步信道 必要时可改作业务信道 七个寻呼信道 必要时可逐个改作业务信道 和55个 最多63个 正向业务信道 如图3 41所示 图3 41CDM系统正向信道构成 1 导频信道 W0 基站在此信道发送导频信号 信号功率比其他信道高 供移动台识别基站并引导移动台入网 2 同步信道 W32 移动台通过导频信道与引导PN序列同步后 开始解调同步信道的信息数据 3 寻呼信道 W1 W7 每个基站有一个或几个寻呼信道 当呼叫时 在移动台没有转入业务信道之前 基站通过寻呼信道传送控制信息给移动台 码使用的长码掩码格式如图3 42所示 Walsh函数码正交扩频和引导PN序列四相扩频过程同同步信道 图3 42寻呼信道掩码 4 正向业务信道 W8 W31 W32 W64 在业务信道传输的是用户语音编码或其他业务数据 业务信道中包含了一个功率控制子信道 用于传输功率控制信息来控制移动台的发射功率 图3 43功率控制子信道 图3 44CDMA系统正向信道电路方框图 3 4 3反向信道及其信号设计1 接入信道反向信道中 每个接入信道对应正向信道中的一个寻呼信道 但是每个寻呼信道可以对应多个接入信道 移动台通过接入信道向基站进行登记 发起呼叫 响应基站发来的呼叫等 图3 45CDMA系统反向信道构成 反向接入信道中的数据经正交调制后要用长码进行直接序列扩频调制 模2加 接入信道的长码掩码格式如图3 46所示 图3 46接入信道掩码 2 反向业务信道反向业务信道用于在呼叫建立期间传输用户业务和信令信息 其特点和作用与正向业务信道基本相同 用户数据速率为8600b s 4000b s 2000b s 800b s 加编码器尾比特 每20ms中加8bit 及对前两种速率的数据加帧质量指示后 速率为9600b s 4800b s 2400b s 1200b s 数据以一帧 20ms 为基础实现可变速率传输 图3 47反向业务信道公开掩码 图3 48CDMA反向信道电路方框图 3 4 4功率控制CDMA数字蜂窝移动通信系统中 由于信道地址码的互相关作用 将产生两方面的影响 一是任何一个信道将受到其它不同地址码信道的干扰 即多址干扰 二是距离接收机近的信道将严重干扰距离接收机远的信道的接收 使近端强信号掩盖了远端弱信号 即远近效应 1 正向信道功率控制正向信道功率控制是基站根据移动台提供的测试结果调整各用户链路信号的正向信道功率 2 反向信道开环功率控制反向信道开环功率控制是移动台根据接收功率的变化 估算由基站到移动台的传输损耗 迅速调整其发射功率 信息 但各接入探测所用功率是逐步增加的 反向链路中的不同信道 其开环输出功率的估算方法是不同的 1 接入信道 接入信道移动台发射第一个探测的平均输出功率为P0 平均输入功率 dBm 73 dB 标准功率 NOM PWR dB 初始化功率 INIT PWR dB 其后的试探序列不断地增加了发射功率 增加的步长为PWR STEP dB 直到收到认可信息 此时平均输出电平为P1 P0 PWR STEP之和 dBm 2 反向业务信道 反向业务信道初始发射后 移动台收到来自基站的第一个功率控制比特时的平均输出功率为P2 P1 全部闭环功率控制校正值之和 dBm 3 反向信道闭环功率控制反向信道闭环功率控制是移动台根据基站的要求来调整其发射功率的 根据功率调节命令 移动台按预定量 约0 5dB 增加或降低发射功率 功率调节命令是以800次每秒 1 25ms发一功率控制比特 的速率插入正向业务信道中传输的 见3 4 2节 反向闭环功率控制是对开环功率控制的补充手段 3 4 5CDMA系统的安全性管理在CDMA系统中 网络的鉴权与加密功能更加完善 以保障注册用户合法权利和信息的保密 1 鉴权移动台在登记 主呼 被呼 请求补充业务等场合均应鉴权 鉴权分为SSD 共用加密数据 共享和非SSD共享两种 当AC认为当前的SSD不可靠时 可启动SSD更新过程 步骤为 1 网络 MSC VLR AC 通过基站在寻呼信道或正向业务信道上发送SSD更新消息 其中RANDSSD字段包含的56比特随机数同样为HLR AC更新SSD时使用 2 移动台在收到SSD更新消息后 开始设置输入参数 如图3 49所示 3 移动台选择一个32比特的随机数RANDBS 通过接入信道或反向业务信道上的基站查询指令消息发往基站 4 基站在寻呼信道或正向业务信道上的基站查询确认指令消息中 将AUTHBS18比特发往移动台 5 移动台比较并判定SSD更新的有效性 图3 50给出移动台主呼鉴权的过程 图3 49新SSD的生成 图3 50MS主呼鉴权过程 2 加密CDMA系统中业务信息的加密是通过具有掩码的长码进行数据扰乱来实现的 呼叫建立时 一般都采用公用长码掩码 但当移动台通过始发消息或寻呼响应消息请求保密时 或在通话期间使用变换请求指令时 可以启动公用与专用掩码的转换并进行业务信息的加密 3 4 6CDMA系统的移动性管理1 位置登记位置登记也称注册 是移动台向网络报告其位置 状态 身份标志 时隙周期和其它特征的过程 CDMA系统有如下的登记类型 1 开电源登记 移动台开电源或从其它服务系统 如模拟系统 切换过来时要登记 2 关电源登记 在当前的服务系统中已经登记的移动台 在断开电源时要登记 3 周期性登记 移动台根据一定的时间间隔进行周期性登记 4 根据距离登记 如果当前的基站和上次登记的基站之间的距离超过了门限值 则移动台进行基于距离的登记 5 根据区域登记 为便于对通信进行控制和管理 把CDMA系统划分为系统 网络和区域三个层次 6 参数改变登记 当移动台修改其存储的某些参数时 要进行登记 7 受命登记 基站发送请求指令 指挥移动台进行登记 8 默认登记 当移动台成功地发出一启动消息或寻呼应答消息时 基站借此能判断出移动台的位置 9 业务信道登记 2 切换在CDMA系统中的信道切换可分为两大类 硬切换与软切换 硬切换是指移动台在不同载波频道之间的切换 软切换是指在相同CDMA频道中的切换 移动台不需更换收发频率 只需完成引导PN序列偏移量的转换 CDMA系统中还存在一种更软切换 是指同一小区内不同扇区之间的切换 这种切换只需通过小区基站便可完成 不需通过MSC处理 基站只向MSC报告备案 在CDMA软切换过程中 移动台需要搜索导频信号并测量其强度 设置切换定时器 测量导频信号中的PN序列偏移 并通过移动台与基站的信息交换完成切换 实现软切换的前提条件是移动台应能不断地测量原基站与相邻基站导频信道的信号强度 并把测量结果通知基站 具体过程包括三个阶段 如图3 51所示 图3 51软切换过程 第一阶段 当移动台测量到来自相邻小区基站的导频信号大于上门限 增阀 时 移动台将所有高于上门限的导频信号的强度信息报告给基站和移动交换中心 MSC 并将这些导频信号作为候选者 第二阶段 MSC通过原小区基站向移动台发送一个切换导向消息 移动台据此跟踪新的目标小区 一个或多个 的导频信号 并将这些导频信号作为有效者 激活者 3 漫游漫游是指移动台离开它所归属的移动业务本地网而仍能接受系统提供的通信服务 移动台通过SID能判断它是否发生漫游 为实现系统之间和网络之间的漫游 移动台需专门建立一种系统 网络表格 如果存储的 SID NID 对和归属的 SID NID 对不同 则表明移动台已发生漫游 有两种漫游方式 一是漫游的移动台在要登记的 SID NID 对和归属的 SID NID 对中的SID相同 但NID不同 则移动台是网络之间的漫游者 二是漫游的移动台在要登记的 SID NID 对和归属的 SID NID 对中的SID不同 则移动台是系统之间的漫游者 3 4 7CDMA系统的呼叫处理1 移动台的呼叫处理移动台呼叫处理的四种基本状态的组成是 1 移动台初始化状态 移动台捕获导频信道并与之同步 2 移动台空闲状态 监听寻呼信道 3 系统接入状态 移动台在接入信道给基站发送报文 4 移动台业务信道控制状态 与基站通信 建立前向和反向业务信道 移动台的呼叫建立过程如图3 52所示 图3 52移动台呼叫处理状态 2 基站的呼叫处理基站的呼叫处理有如下四种类型 1 导致和同步信道处理 2 寻呼信道处理 3 接入信道处理 4 业务信道处理 在业务个道处理期间 基站通过前向和反向业务信道与移动台交换业务信息和控制信息 业务信道处理对应于移动台处于业务信道控制状态 该过程基站包含下列子状态 业务信道初始化子状态 基站开始发送和接收 等待指令子状态 基站向移动台发送带有信息的通知 等待应答子状态 基站等待来自移动台的连接指令 通信子状态 基站与移动台交换业务信息 进行通话控制 释放子状态 基站切断通话链路 释放信道 3 5第三代移动通信与个人通信 3 5 1个人通信的概念根据个人通信的定义和要求 个人通信应具有如下基本特点 1 具有完全个人化的通信方式 2 具有连续覆盖和全球漫游能力 3 提供高质量的宽带综合业务 4 具有体积小 重量轻 价格低及多模式 多频段的终端和手机 3 5 2第三代移动通信系统的发展概况1 ITM 2000 IMT 2000最终要实现如下目标 1 提供全球无缝覆盖 支持全球漫游 2 提供各种综合性业务 如话音与非话音以及宽带多媒体业务 3 提供高质量服务和安全保密性能 表3 4正式向ITU提交的候选RTT方案 表3 5W CDMA Cdma2000 TD SCDMA无线传输主要技术特性 2 UMTSUMTS 通用移动通信系统 是由欧洲电信标准协会 ETSI 提出并负责其标准化的第三代移动通信系统 同时该协会还将该标准提交ITU作为IMT 2000的候选方案 ETSI于1998年1月巴黎会议上决定UMTS的RTT方案采用WCDMA和TD CDMA 即UTRA FDD与UTRA TDD两种模式 3 5 3第三代移动通信的新技术介绍第三代系统以WCDMA为主流技术 与第二代系统相比具有如下技术特点 1 更宽的带宽和更高的码片速率 2 提供多速率业务 支持高速率数据的多媒体业务 3 采用用户专用的引导信号 实现上下行相干检测 4 下行方向用于波束成形的附加引导信道 5 无缝切换 6 下行快速功率控制 7 多用户检测 1 新型的调制技术 1 多载波调制 多载波调制的原理是把要传输的数据流分解成若干个子数据流 每个子数据流具有很低的码元速率 然后用这些子数据流去并行调制若干个载波 多载波正交振幅调制 MC QAM 正交频分复