通信技术基础第五章 移动通信技术

第5章 移动通信技术,5.1 移动通信概述,5.2 2G移动通信系统,5.3 3G移动通信系统,5.1 移动通信概述,5.1.1 移动通信的概念与发展概况5.1.2 移动通信的特点及分类 5.1.3 移动通信系统的组成5.1.4 大区制和小区制,5.1.1 移动通信的概念与发展概况,1. 移动通信的概念 2. 移动通信的发展历史 3. 我国移动通信的发展概况,1. 移动通信的概念,定义：移动通信（Mobile Communication） 是指通信的双方至少有一方是在移动 (或暂时静止)中进行信息交换的。 信息：语音、数据、多媒体 交换：电路交换、分组交换、IP交换 类型：移动台与固定台之间的通信 移动台与移动台之间的通信 （注：移动台可以是在汽车、飞机、火车上）,2. 移动通信的发展历史,3. 我国移动通信的发展概况,A网和B网：模拟网（TACS） G网和D网：数字网（GSM、DCS） C网 ：数字网（CDMA IS-95） 3G网：（TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000）,A网和B网,出现时间：20世纪90年代初期区域划分： B网：北京、天津、上海、河北、辽宁、江苏、浙江、 四川、黑龙江、山东 A网：北京、天津、上海以及除河北、山东以外的全国 所有各省、地区制式：TACS体制、FDMA多址方式以及模拟调制方式特点：频谱利用率低、容量小、保密性差、话音质量低、 信令干扰话音,G网和D网,（一）G网（GSM900 - Global System of Mobile“全球通”）出现时间：20世纪90年代中期制式：工作频段900MHz，采用TDMA多址方式以及数字调制方式 优点：GSM系统具有通信质量好、安全保密以及支持新业务，漫 游范围广（区域漫游）缺点：频带有限，达到容量饱和的状态（二）D网（DCS1800 - Digital Cordless System）制式：基本体制、工作原理都和GSM900系统完全一致，工作频段 为1800MHz特点：GSM900系统和DCSl800系统同时覆盖一个地区，称为全球 通双频系统，使用双频手机(dual-band handset)，可以实现 在G网、D网中自动切换。,C网 （CDMA 数字移动电话网 ）,CDMA-Code Division Multiple AccessCDMA IS-95出现时间：21世纪初期制式：工作频段800MHz，采用扩频通信技 术、CDMA多址方式特点：容量大、通话质量高、软切换、 接通率高、噪声小、保密性强、 发射功率小、业务类型多,3G网（第三代移动通信网）,中国移动：TD-SCDMA（TD网）中国联通：WCDMA（W网）中国电信：CDMA2000（CD网）,5.1.2 移动通信的特点及分类,1. 移动通信的特点2. 移动通信的分类,1. 移动通信的特点,多径效应引起的信号衰落现象 强干扰环境下工作 多普勒效应引起的寄生调频 多种形式的跟踪交换技术 频谱资源短缺,多径效应引起的信号衰落现象（多径衰落）,衰落现象：在移动通信中，各接收点的信号是由直射波和各反射波组成。这些电波都是从同一个天线发射出来的，由于到达接收点的途径不同，且移动台经常处于运动状态中，因而移动台接收到的各个信号的强度和相位会随时间、地点不断变化，所以其接收信号合成的场强是不同的，最大可相差30dB以上，这就是所谓的信号衰落现象。,多径效应引起的信号衰落现象,影响：严重影响通信的质量解决方法：采用分集接收技术来降低多径衰落的影响,多普勒效应,影响：多普勒效应会产生严重的寄生调频 解决方法：采用锁相技术才能正常接收到信号,-移动体的运动速度 - 接收信号载波的波长 - 电波到达时的入射角,2. 移动通信的分类,使用环境：陆地移动通信、水上移动通信和航空移动通信 服务对象：军事移动通信、专业移动通信和公众移动通信交通工具：汽车、坦克、火车、船舶、飞机和航天飞行器工作方式：单工、半双工、全双工处理信号的形式：模拟移动通信和数字移动通信 组网方式及业务性质：公用移动电话系统、无线寻呼系统、专用调度系统、无线市话系统、卫星移动通信系统,5.1.3 移动通信系统的组成,移动台 MS（Mobile Station)基地站 BS（Base Station)移动业务交换中心 MSC（Mobile switch Center)与市话网(PSTN)相连的中继线,移动通信系统基本组成,5.1.4 大区制和小区制,1. 大区制2. 小区制3. 服务区的划分,1. 大区制,定义: 大区制是指在一个较大服务区(如一个城市)内只设置一个基站，由它负责整个区域内移动通信的联络与控制。 为了扩大服务区域，通常基站天线架设较高，发射机的发射功率也较大（一般为50200W），覆盖半径为3050km，用户容量为几十至数百个。特点: 组网简单、投资少、见效快，在用户密度不大或业务量较小的系统中得到了广泛应用。但为了避免相互之间的干扰，服务区内的所有频率均不能重复使用，因而这种体制的频率利用率低，系统容量小。 边界效应：,2. 小区制,定义： 指将整个服务区划分成若干个无线小区，每个小区分别设置一个基站，由它负责本小区内移动通信的联络与控制。同时，在移动业务交换中心（MSC）的统一控制下，实现小区之间移动用户通信的转接，以及移动用户与市话用户之间的通信。,2. 小区制,每个小区分别设一个小功率基站(BSlBS5)，发射功率一般为510W， 覆盖半径为510km。这样相隔一定距离的两个小区，如2区和4区、 1区和3区就可以使用相同的频率进行通信而不会产生干扰。同频复用： 在一个较大的服务区内，同一组信道相隔一定的距离后可以多次重复使用。优点： 采用同频复用技术，使得单位面积可供使用的信道数增加，从而提高了频率利用率，增大了系统容量。缺点： 移动用户在通话过程中，从一个小区转入到另一个小区时，需要切换工作信道，而且小区越小，移动通话中需要切换的次数就越多，对控制交换技术的要求也就越高。 由于增加了基站的数目，建网的成本和复杂性也有所提高。 采用同频复用技术，同频无线小区之间存在一定程度的同频干扰。应用： 小区制适用于用户数量较大的公用移动电话系统。,3. 服务区的划分,一、带状服务区 定义：指用户的分布呈带状，如铁路、公路、狭长城市、沿海水域等，小区按纵向排列覆盖整个服务区。 频率配置：当服务区较狭窄时，可采用定向天线。为了避免同频干扰，相邻接的小区不能使用同一信道组工作。带状服务区通常采用双群或多群的频率配置方式。,3. 服务区的划分,二、面状服务区 定义：服务区内用户的分布呈一宽广的平面。 小区：面状服务区内小区的划分，取决于电波传播条件和天线的方向性。假定整个服务区的地形、地物相同，且基站采用全向天线，则其覆盖区大体上是一个圆，即无线小区是圆形的。 结论：正六边形小区的中心间距最大，各基地站之间的干扰最小；正六边形单位小区的面积最大，覆盖同样面积的服务区所需小区个数最少，即基站数最少；正六边小区交叠区的宽度最小，便于实现通信设备的跟踪服务；正六边形小区交叠区的面积最小，同频干扰最小；正六边形小区所需频率个数最少，频率利用率最高。因此，面状服务区的最佳组成形式是正六边形小区，由于其形状酷似蜂窝，故称蜂窝网。,面状服务区,5.2 2G移动通信系统,5.2.1 GSM系统5.2.2 CDMA系统,5.2.1 GSM系统,1. GSM系统结构2. GSM网络接口3. GSM系统的主要参数,1. GSM系统结构,GSM（Global System for Mobile communication） 小区制大容量公用移动电话系统，它具有用户容量大、网络覆盖面广、业务种类多、技术先进成熟、手机接续速度快、通话质量好、安全保密性强、抗干扰能力强、可实现国际自动漫游等诸多优点。,移动台（MS）,移动台： GSM系统中用户使用的终端设备，是用户能够直接接触的整个GSM系统中的唯一设备，它可以是车载台、便携台和手持台。组成： 移动台由移动设备（TE）和用户识别卡（SIM）组成。SIM卡： 移动用户和移动台二者是完全独立的，任何移动用户只要拥有自己的SIM卡就可以使用不同的移动台。SIM卡是一张符合ISO标准的“智慧”卡，它包含所有与网络和用户有关的管理数据。使用GSM标准的移动台都需要插入SIM卡，只有当处理异常的紧急呼叫时，可以在不用SIM卡的情况下操作移动台。SIM卡的应用使移动台并非固定地束缚于某一个用户，因此，GSM系统是通过SIM卡来识别移动用户的，这为发展个人通信打下了基础。,移动网子系统（NSS）,作用： 完成GSM系统的交换功能和用于用户数据管理、移动性管理、安全性管理所需的数据库功能，它对GSM移动用户之间通信以及GSM移动用户与其它通信网用户之间通信起着管理作用。组成： 移动业务交换中心（MSC）、原籍位置寄存器（HLR）、访问位置寄存器（VLR）、鉴权中心（AUC）、设备识别寄存器（EIR）和操作维护中心（OMC）,移动网子系统（NSS）,移动业务交换中心（MSC） MSC是移动网的核心部分，主要完成对位于其覆盖区内移动台的控制和话路交换功能，同时还是GSM系统与其它公用通信网之间的接口。每个MSC还应能完成入口移动业务交换中心（GMSC）的功能，即查询位置信息的功能 。 原籍位置寄存器（HLR） HLR是GSM系统的中央数据库，主要用来存储本地用户的相关信息。 每个用户都必须在某个HLR中登记，登记的内容分为两类：一类是永久性的参数，如移动用户ISDN号码（MSISDN）、移动用户识别码（IMSI）、接入的优先等级、预定的业务类型以及保密参数等；另一类是暂时性的、需要随时更新的参数，即用户当前所处位置的有关参数 。,移动网子系统（NSS）,访问位置寄存器（VLR） VLR可以看成是一个动态数据库，主要用来存储来访用户的相关信息。 当移动用户漫游到新的MSC控制区时，它必须向该地区的VLR申请登记。VLR要从该用户的HLR查询其有关的参数，要给该用户分配一个新的漫游号码（MSRN），并通知其HLR修改该用户的位置数据，准备为其他用户呼叫此移动用户时提供路由信息。另外，如果一个移动用户由一个VLR服务区移动到另一个VLR服务区时，HLR在修改该用户的位置信息后，还要通知原来的VLR删除此移动用户的位置信息。 通常，VLR与MSC合置于一个物理实体中。 鉴权中心（AUC） AUC用于存储鉴权信息和加密密钥，它用来防止未授权用户接入系统，并对无线接口上的语音、数据、信令信息进行加密保护，以保证移动用户通过无线接口通信的安全。通常，AUC与HLR合置于一个物理实体中。,移动网子系统（NSS）,移动设备识别寄存器（EIR） EIR用于存储移动设备的国际移动设备识别码（IMEI）。 通过核查白色、黑色和灰色三种清单，运营部门就可判断出移动设备是属于准许使用的，或是失窃而不准使用的，还是由于技术故障或误操作而危及网络正常运行的，以确保网络内所使用的移动设备的唯一性和安全性。 操作维护中心（OMC） OMC负责对全网进行监控与操作。 例如：系统的自检、报警与备用设备的激活，系统的故障诊断与处理，话务量的统计和计费数据的记录与传递，以及与网络参数有关的各种参数的收集、分析与显示等。,基站子系统（BSS）,基站子系统（BSS）是GSM系统的基本组成部分。一方面，BSS通过无线接口与移动台相连，进行无线发送、接收和无线资源管理。另一方面，BSS还要通过中继链路与NSS中的MSC相连，实现移动用户之间或移动用户与固定网络用户之间的通信连接。BSS主要由基站控制器（BSC）和基站收发信机（BTS）两个功能实体构成。通常，一个MSC监控一个或多个BSC，每个BSC控制多个BTS。 BSC和BTS可设在同一个位置，即BSC可以直接与BTS相连；或者，BSC和BTS分开设置，即BSC可以通过基站接口设备（BIE）采用远端控制的连接方式与BTS相连接。,基站子系统（BSS）,BSC是一个高容量的交换机，是BTS和MSC之间的连接点，也为MSC和BTS之间交换信息提供接口。它的主要功能是进行无线信道管理、实施呼叫和通信链路的建立和拆除，并为本控制区内移动台的越区切换进行控制。BTS是BSS的无线部分，完全由BSC控制并服务于某个小区的无线收发信设备，用于完成BSC与无线信道间的转接，实现BTS与移动台间的无线传输及相关的控制功能。,操作支持子系统（OSS）,操作支持子系统（OSS）主要包括网络管理中心（NMC）、安全性管理中心（SEMC）、用户识别卡管理的个人化中心（PCS）、集中计费管理的数据后处理系统（DPPS）等功能实体，以实现对移动用户管理、移动设备管理以及网路操作与维护。,2. GSM网络接口,主要接口,A接口 A接口定义为NSS与BSS之间的通信接口。从系统的实体来看，就是MSC与BSC之间的互连接口，其物理连接是通过采用标准的2.048Mb/s PCM 数字传输链路来实现的。此接口传送的信息包括移动台管理、基站管理、移动性管理、呼叫接续管理等。Abis 接口（内部接口） Abis 接口定义为基站子系统的BSC与BTS两个功能实体之间的通信接口，用于BTS（不与BSC放在一起）与BSC之间的远端互连方式，它是通过采用标准的2.048 Mb/s PCM 数字传输链路来实现的。此接口支持所有向用户提供的服务，并支持BTS无线设备的控制和无线频率的分配。Um接口 Um接口，又叫空中接口，定义为MS与BTS之间的无线通信接口，它是GSM系统中最重要、最复杂的接口。该接口用于移动台与GSM系统之间的互通，接口传递的信息包括无线资源管理（RRM）、移动性管理（MM）和接续管理（CM）等。,网络子系统的内部接口,GSM系统与其它公用电信网之间的接口,GSM系统通过MSC和其它公用电信网 （如PSTN、ISDN）互联，其物理链接 方式是 2.048 Mb/s PCM 数字传输链路。,5.2.2 CDMA系统,1. CDMA发展概况2. CDMA系统的基本原理3. CDMA系统的主要参数4. CDMA系统的特点,1. CDMA的发展概况,CDMA (Code Division Multiple Access)是码分多址的英文缩写，它是在扩频通信技术的基础上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术，它的出现源自于人类对更高质量无线通信的需求。第二次世界大战期间因战争的需要而研究开发的CDMA技术，其初衷是为了防止敌方对己方通信的干扰，在战争期间广泛应用于军事抗干扰通信，后来由美国高通(Qualcomm)公司将其发展成为商用蜂窝移动通信技术。,2. CDMA系统的基本原理,扩频通信： 指信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽的一种信息传输方式。频带的扩展是通过一个独立的码序列（扩频码）来完成的，用编码和调制的方法实现，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码序列进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。,相关检测,扩频通信系统的组成,信源编码的目的是去掉信息的冗余度，压缩信源的数码率，提高信道的传输效率；差错控制部分的目的是增加信息在信道传输中的冗余度，使其具有检错或纠错能力，提高信道传输质量；调制的目的是使经信道编码后的符号能在适当的频段传输；扩频调制和解扩频的目的是对信号的频谱进行展宽和还原。,扩频通信的优点,易于重复使用频率，提高频谱利用率；抗干扰性强，误码率低；隐蔽性好，保密性强；抗多径干扰；对各种窄带通信系统的干扰很小；可以实现码分多址，适合数字语音和数据传输,扩频通信的理论基础,由仙农信息公式： 可知，在保持信息传输速率不变的条件下,可以用不同的频带宽度和信噪比来传输信息,即带宽和信噪比是可以互换的。也就是说，如果增加信号频带宽度，就可以在较低的信噪比条件下以任意小的差错概率来传输信息。甚至在信号被淹没的情况下(S/N1)，只要相应地增加信号带宽，也能进行可靠的通信。上述表明，采用扩频信号进行通信的优越性在于用扩展频谱的方法可以换取信噪比上的好处。,3.CDMA系统的主要参数,工作频段： 824849MHz（反向链路）、869894MHz（前向链路）双工方式：FDD扩频方式：DS多址方式：CDMA/FDMA载频间隔：1.25MHz信道速率：1.2288Mc/s调制方式：基站QPSK，移动台/4-QPSK分集方式：RAKE、交织、天线分集信道编码：卷积码语音编码：QCELP数据速率：9.6Kb/s、4.8Kb/s、2.4Kb/s、1.2Kb/s,4. CDMA系统的特点,大容量 CDMA系统是干扰受限系统，其容量的大小主要取决于使用编码的数量和系统中干扰的大小，任何使系统干扰降低的措施都有助于提高系统的容量。通常，CDMA系统的容量大约是FDMA系统的20倍，是TDMA系统的46倍。软容量 CDMA系统的信道是靠不同码型来划分的，其标准的信道数是以一定的输入、输出信噪比为条件的，当系统中增加一个用户时，只会使通话质量略有下降，但不会出现没有信道而不能通话的现象。也就是说，CDMA系统的容量与用户数之间存在一种“软”的关系，在业务高峰时段，可适当降低通话质量，以增加系统的可用信道数，从而增大系统的容量。而在TDMA系统中，允许同时接入的用户数是固定的，一旦没有空闲信道，则无法再接入任何一个用户。,4.CDMA系统的特点,呼吸效应 基站的覆盖范围随通话用户的增多而减小的现象。,4.CDMA系统的特点,软切换 软切换是指当移动台需要切换时，先与新的基站连通，再与原基站切断联系，而不是先切断与原基站的联系再与新的基站连通。软切换可以有效地提高切换的可靠性，大大减少切换造成的掉话。据统计，TDMA系统无线信道上的掉话约90%发生在切换中。抗多径衰落能力强 CDMA系统有效地利用了频率分集、时间分集和空间分集技术，大大降低了多径衰落的影响。,4.CDMA系统的特点,抗干扰、保密性强 由于CDMA系统采用扩频技术，使得发射信号的频谱被扩展得很宽，从而使发射信号完全隐蔽在噪声、干扰之中，不易被发现和接收，因此实现了保密通信；另外，在接收端只有相关用户通过相关检测才能接收到相应的发送数据，对于非相关用户来说，所接收到的信号只能算是一种背景噪声。频率规划简单 采用CDMA技术，大大提高了频率复用系数，一个射频频率上就有大量的信道。所以，在CDMA系统中，只使用一个或少量几个频率便能满足要求，这使得系统的频率规划简单，扩展容易。而FDMA和TDMA系统中，频率规划问题非常复杂。发射功率低 在CDMA系统中，正、反向链路都采用了功率控制技术，从而使得基站和移动台的发射功率都大大降低。尤其对于以电池作为电源的移动台，其最大发射功率不超过200mW，平均发射功率仅为几个mW，这样一方面延长了移动台的通话时间，另一方面对减小电池的体积、延长电池的使用寿命也是有益的。,5.3 3G移动通信系统,5.3.1 WCDMA系统5.3.2 CDMA2000系统5.3.3 TD-SCDMA系统,5.3.1 WC