移动通信第7章 移动通信系统简介1

1 第7章移动通信系统简介 2 7 1集群移动通信系统 传统的专用业务通信系统频率利用率低 而导致通信质量降低 针对上述专用业务移动通信系统中存在的缺点 产生了高层次的专用业务移动通信形式 即集群通信系统 集群通信系统是指系统所具有的可用信道可为系统的全体用户公用 具有自动选择信道功能 它是共享资源 分担费用 公用信道设备及服务的多用途 高效能的无线调度通信系统 3 集群系统示意如图 4 一 集群移动通信系统网络结构 根据集群用户业务需要 集群移动通信系统从组网规模上看 可分为单区系统和多区系统 单区系统适用于容量小 覆盖面积小的业务组网 该系统设备组成简单 即由一个基本型的系统设备组成 多区系统适用于容量大 覆盖面大的业务组网 其系统设备组成复杂 它由多个单区系统加上连接设备 有线或无线及专用接口设备 组合而成 5 按照覆盖区半径的大小 分成大区网 中区网 小区网 按照服务区的几何形状 分成格状网 带状网 蜂房状网等 集群通信系统的网络结构有下列4种方式 单区 单点 单中心网络 单区 多点 单中心网络 多区 多中心网络 多区 多层次 多中心网络 6 1 单区 多点 单中心网络结构如图 由一个控制中心 多个基站 调度台及网中若干移动台组成 多个基站区组合形成整个服务区 当上述网络中基站只有一个时 网络就简化成单区 单中心网络 基站和控制中心可设在同一地点 也可分别设在不同地点 两者之间同样可通过无线或有线传输电路连接 7 2 多区 多中心 多层次网络多区 多中心网络的结构 8 多区 多中心 多层次网络的结构 由区域控制中心 多个控制中心 多基站组成而形成整个服务区 各控制中心将受到上一级的区域控制中心控制及管理 根据业务需要 可以设立高级的管理中心 将其与区域中心相连接 也可以通过有线或无线传输通道 处理各个下区域间用户登记 呼叫建立及控制管理 从而对区域控制中心进行控制 管理及监控 9 集群通信系统除完成移动用户之间的通信外 还应能进行市内用户与移动用户间的通话 为达到这种通信目的 将中心基地站和用户终端结合在一起 再加上连接它们的有线通道和无线通道 就组成了一个移动通信网 10 二 集群移动通信系统分类 集群通信系统通常有以下几种分类方式 1 按信令方式分 有共路信令方式和随路信令方式 2 按信令占有信道方式分 有固定式和搜索式 3 按通话占用信道分 有信息集群 亦称消息集群 和传输集群 4 按控制方式分 有集中控制方式和分散控制方式 5 按呼叫处理方式分 有损失制和等待制系统 11 三 集群通信的工作过程和方式 无线集群通信接续移动台至移动台 移动台至有线电话 有线电话至移动台的几种过程 以图中表示的系统为例 12 将移动台至移动台的接续工作过程系统流程图方式如图 13 工作流程可以分为以下几个步骤 网内的所有用户均未通信 所有移动台 车台 手持台等 固定台及中心台都守候在自身的信道上 移动台与有线电话互连时 它通过自身的信道 发出一串数字信令 给中心台的网络终端 网络终端收到数字信令后 首先确认该移动台是否是合法用户 如果该移动台没有进行入网登记处理 将不提供服务 如果该移动台是合法用户 网络终端通过计算机分配一个空闲信道给该用户接上有线电话 建立通信 此信道被占用后 其他任何无线用户不得在其拆线之前使用信道 如果没有空闲信道 系统繁忙时 要求通信的用户被编入等候行列进行排队 此时 网络终端会自动发出无空闲的繁忙信号 请稍候 一旦有空闲信道时 网络终端会自动回叫排在第一位的用户 建立通信 而无需再操作任何系统 14 在一个多信道调度无线系统中 集群 是指向正在申请服务的用户自动分配信道 调度无线信道的集群基本技术方法有以下几种 1 信息集群2 传输集群3 准传输集群 集群移动通信系统的信道控制方式有两种 专用信道控制方式和非专用信道的分布控制方式 前者亦称为集中控制方式 后者亦称为分散控制方式 两种不同控制方式的信令也是不同的 集中控制方式系统称为专用控制信令系统 分布控制方式系统称为随路控制信令 亦称为亚音频控制信令系统 15 专用控制信令系统适用于较大的集群通信系统 这是因为较大的系统信令联络时间非常重要 把一个信道专用于控制信令信道 随路控制信令系统适用于比较小的集群通信系统 把所有的信道同时用于语音信道和信令信道 若把两个信道用于控制信道用会使整个系统的信道利用率降低 1 专用控制信道方式专用控制信道方式采用一条信道用于信令信道 并且 必须由系统控制中心集中控制和管理 处理呼叫请求和分配空闲信道 用户的入网和接续通过专用控制信道来完成 两个或两个以上移动台在同一瞬间内发送信令将引起碰接的问题 解决这种碰撞问题的方法有两种 a 采用 定时询问 办法 b 采用ALOHA方式或时隙ALOHA入网控制技术 16 2 非专用信道的分布控制方式每个信道既要用于语音传输 又要传输信令 在此系统中 由于移动台可预先获得可用信道而无需扫描 因而接入时间短 由于每个信道独立完成信令交换 可在任何空闲信道上实现接入系统的操作 减少系统的交换负荷 提高可靠性 这种方式阻塞率低 等待时间短 17 四 数字集群移动通信系统 模拟集群移动通信网的主要问题是频率低 所能提供的业务种类受限 也就是说不能提供高速率数据服务 保密性差 容易被窃听 移动设备成本高 体积大 网络管理控制存在一定的问题等 数字集群通信系统是利用了当今先进的数字技术的集群调度通信系统 采用数字信令方式 语音数字编码技术 使得网络内传输的全部是数字信号 从而使得接续速度快 可靠性高 并采用技术上更先进的调制解调技术 18 采用数字技术的好处 1 频谱利用率高2 信号抗信道衰落的能力提高3 保密性好4 多种业务服务5 网络管理和控制更加有效和灵活 四 数字集群移动通信系统 19 一般的数字集群通信系统可分为三个主要部分 无线子系统 RFSS 调度子系统 DSS 和互联子系统 ISS 20 1 无线子系统移动台 MS 移动用户增强型基地收发系统 EBTS 2 调度子系统数字交换系统 DACS 网内分组交换 MPS 调度应用处理机 DAP 操作维护中心 OMC 3 互联子系统基站控制器BSC语音编码转换器XCDR移动交换中心MSC访问位置寄存器VLR归属位置寄存器HLRSMS SC短信息业务中心 21 7 2数字无绳电话系统 早期的无绳电话是把一个电话单机分成一个座机和一个手机 二者之间用无线电连接 通常用FM调制 传输模拟语音 无绳电话逐步向网络化和数字化方向发展 并从室内应用扩展到室外应用 从专用系统扩展到公用系统 形成了以公共交换电话网 PSTN 为依托的多种网络结构 把模拟无绳电话称为第一代无绳电话 而把数字无绳电话称为第二代无绳电话 22 无绳电话和低功率系统的主要参数 23 一 CT 2数字无绳电话系统 数字无绳电话基本组成部分是基站 最简单的只是一部座机 和手机 在公用无绳电话系统中 还需要设置专门的网络管理中心 计费中心或其他设施 CT 2可以组成专用系统和公用系统 专用系统适用于家庭 部门或团体的内部通信 公用系统适用于城市中某些地区或整个范围内的通信 24 专用系统根据网络的覆盖范围或用户数量的不同 可以设置一个或多个基站 25 公用无绳电话系统示意图 26 CT 2无绳电话保持了和模拟无绳电话相同的优点 即设备简单 技术成熟和价格低廉 是一种以市话网为基础的低功率小范围传输系统 CT 2无绳电话作为公用通信系统来应用 存在的主要缺陷是只能实现单方向呼叫 即携带手机的用户可以通过公用基站呼叫固定的有线用户 而反方向则不行 需要特殊的改进 27 CT 2公共空中接口共分五个部分 无线电接口规定了CT 2的工作频段 频道带宽 发射机参数 接收机参数 调制方式及时分双工的速率等 信令层1规定了建立双向无线电数字链路的方法及有关传输信道的组合方式 信令层2规定了有关检错 信息确认 链路保持和链路两端的识别等规约 并且处理信令层2到信令层3的转换 信令层3定义了各种消息的具体内容 如拨号 振铃 警示 显示 注册 鉴权 功能和服务等级的选择等消息的具体内容 这些消息要经过信令层2无差错地传送到无线链路的另一端 传输和语音编码方案 为了实现不同厂家生产的设备可以通用 规定了手机音频接口与模拟电话线路的全部特性和符合欧洲数字网互连技术标准的数字接口要求 语音编码规定用CCITT建议G721推荐的自适应差分脉码调制 ADPCM 28 1 无线电接口 1 工作频段为864 868MHz 共分40个频道 频道间隔为100kHz 2 发射功率不大于10mW 为了避免手机紧靠基站形成对基站接收机的阻塞干扰 手机的发射功率可由基站控制 比正常值减小12 20dB 3 接收机灵敏度 当误比特率小于10 3时 接收机的灵敏度优于45dB V m 4 调制方式 采用高斯滤波器整形的频移键控 GFSK CT 2的传输速率为72Kb s 因而这里的调制指数可以在0 4到0 7的范围内选择 5 时分双工的帧长为2ms 分两个时隙 每个时隙长为1ms 其中 一个时隙用于基站向手机的传输 另一个时隙用于手机向基站的传输 因此 基站和手机的发射机和接收机都是在每秒中各轮流工作500次 每个时隙中包含72bit 或者说 每帧中包含144bit 因而CT 2的信道传输速率为72Kb s 29 CT 2的帧格式 30 2 信道组成及复接方式CT 2CAI共分三种信道 逻辑信道 即用于传送语音或数据的B信道 用于传送控制信令的D信道 用于传送位同步和时隙同步信息的SYN信道 把D信道 B信道和SYN信道进行不同的复接 可得三种复接方式 31 复接方式1的帧格式 32 复接方式2的帧格式 33 复接方式3的帧格式 34 二 DECT系统 数字欧洲无绳通信DECT系统是为了解决高用户密度环境中无绳电话通信问题而开发的 DECT适用于微小区系统 可以在数百米的范围内提供移动台和基站之间的低功率无线接入 DECT系统的基本技术特征如下 频带1880 1900MHz 载波数10 载波间隔1 728MHz 峰值发送功率250mW 多址方式TDMA 每帧24时隙 帧长10ms 双工方式TDD 信道速率1152Kb s 35 DECT系统的功能结构 36 DECT系统由五部分组成 便携式手机 PH 无线固定部分 RFP 无绳控制器 CC 附加业务部分和网络接口单元 DECT标准化的部分仅包括PH RFP CC和附加业务部分 而网络接口单元可以采用现行的有关标准 如CCITT建议的基于ISDN的G732接口标准 PH是一个移动手机或终端 主要提供语音业务 采用32Kb sADPCM编解码器 37 RFP提供DECT公共空中接口的物理层功能 RFP和PH之间采用多个载频 频道 每个载频上采用TDMA多址技术和时分双工工作方式 每个RFP覆盖一个微小区 小区半径约为几百米 CC是DECT的中心控制单元 具有处理一个RFP或一群RFP的介质访问层 MAC 数据链路层 DLC 和网络层的功能 在CC中还要完成语音编解码 32Kb sADPCM 的功能 只有加入这一功能才能保证普通电话用户与PH的互通 38 附加业务功能包括两方面 当DECT系统用作公用无绳电话 Telepoint 系统时 提供集中式的鉴权和计费功能 当DECT系统用于多个不同地点的PABX系统时 进行移动性管理 从而保证用户漫游功能的实现 DECT的空中接口协议考虑了无线传输的不确定性和越区切换等因素 将OSI模型的底三层协议部分重新划分为四层 并加上与它们平行的低层管理实体 LLME 39 DECT接口协议的分层模型如图所示 40 DECT分层协议由上到下的四个层次为 网络层 NWK 数据链路控制层 DLC 介质访问控制层 MAC 和物理层 PHL 1 DECT的物理层采用多载波时分多址 MC TDMA 方式 在频域和时域对资源进行分割 频域在1880 1900MHz的20MHz频带内含有10个射频载波 其中心频率为 41 在时域 传输按TDMA时帧方式进行 每个时帧包含12对时隙 即每个载波支持12路双工语音信道 DECT的时帧和时隙结构如图所示 42 在每个时隙中 数据分组以突发 Burst 的形式传送 分组的格式如图7 22所示 每个分组分为四部分 同步 32bit A域 48 16bit B域 320 4bit 和保护间隔 60bit A域主要用于信令的传送 B域用于用户信息的传送 B域有不同的数据类型用于不同业务的传输 在DECT系统中 可将一个标准时隙 全时隙 分成两个半时隙 或将两个时隙组合在一起称为双时隙 以适应不同信令和数据业务的传输 43 2 DECT的MAC层介质访问控制层 MAC 有两个基本功能 一是选择物理信道 然后在这些物理信道上建立和释放连接 二是将控制信息 高层信息和差错控制信息复接到时隙分组中 或进行信息分解 这些功能用来提供三种独立的业务 即广播 面向连接的业务和无连接业务 44 MAC的参考模型如图所示 45 MAC层包括群控制功能CCF和小区基站控制功能CSF CCF包括MAC层的所有功能 它控制多个小区 一群基站只有一个CCF CCF包括三个部分 广播消息控制BMC 无链接消息控制CMC 多个承载控制MBC 小区基站控制功能CSF包括与一个小区相关的所有功能 每个CSF包括四个功能 无连接承载控制CBC 填充承载控制DBC 业务承载控制TBC和空闲接收机控制IRC 一个CCF可以控制多个CSF MAC通过三个业务接入点 MA SAP MB SAP MC SAP 向高层提供业务 通过ME SAP向管理层提供业务 MC SAP向高层 DLC层 的C平面 控制平面 提供控制信道 C信道 它分为一个高速的信道CF和一个慢速信道CS MB SAP向高层 DLC C平面提供两个无连接的独立信道CLS和CLF MA SAP提供一个慢速广播信道BS 46 3 DECT的DLC层数据链路层 DLC 主要为网络层提供高可靠性的数据链路 DECT分层模型的DLC层分为两个操作平面 C平面和U平面 或者称控制平面和用户平面 C平面提供高可靠性的链路用于传输内部控制信令和有限量的用户信息业务 U平面提供一组可选的业务 这些业务对每一种特定业务的需求是最佳的 47 DLC层的参考模型如图所示 48 在控制平面 DLC提供两种独立的业务 数据链路业务 由LAPC LC完成 和广播业务 Lb LAPC协议是从ISDNLAPD协议演化而来 其中帧结构由地址域 控制域 长度指示域 信息域 填充域和校验域组成 Lc的功能是将LAPC的帧 或称为LAPC协议数据单元 进行缓存和分段 以便LAPC的数据能装到物理时隙中进行传输 Lb的功能仅提供有限的广播业务 采用一个简单的固定长度帧 49 数据链路业务中包括三种业务 无应答业务ClassU 单帧 有应答业务ClassA和 多帧 有应答业务ClassB ClassB业务是面向连接的业务 它包括建立 维持和释放三个步骤 LC帧是在MAC层CF或CS逻辑信道上传输的 逻辑信道的选择 路由功能 是由LLME控制的 Lb帧在MAC层的BS逻辑信道上传输 50 U平面提供的一组可供选择的业务 这些业务主要有六种 LU1 LU6 LU1透明的无保护业务 TRUP LU2帧中继业务 FREL LU3帧交换业务 FSWI LU4前向纠错业务 FEC LU5基本速率适配业务 BRAT LU6第二类速率适配业务 LU1 LU6的业务经过相应的处理后 经过U平面路由器送入 无保护 帧缓冲器 FBN 或 有保护 帧缓冲器 FBP 由FBN和FBP负责送到MAC层进行传输 51 与DLC层相关的低层管理实体 LLME 应包括下列功能 MAC层的连接管理 建立 释放和修改MAC层的连接 选择CS或CF逻辑信道用于数据传输 DLC层C平面管理 安装和控制DLC层C平面的资源 DLC层U平面管理 根据高层LLME的业务需求 安装和控制DLC层U平面的资源 LUX 连接切换管理 在C平面和U平面之间进行连接切换功能的协调 52 4 DECT的网络层 NWK DECT的网络层仅存在于C平面 在用户平面 网络层是空的 网络层的参考模型如图所示 53 网络层在链路控制实体 LCE 的支持下 提供以下业务 呼叫控制 CC 与呼叫无关的附加业务 CISS 面向连接的消息业务 COMS 无连接消息业务 CLMS 和移动管理 MM 链路控制实体通过数据链路端点识别和协议识别单元为上述业务提供路由功能 它负责基站到每个正在通信的移动台之间链路的建立 维持和释放 54 以连接建立为例加以说明各层之间的相互关系 55 为了适应典型的商用高用户密度 DECT采用了微小区蜂窝结构 每个微小区的半径为30 250m 使用较小的小区意味着需要进行频繁的越区切换 DECT支持无缝的越区切换 在DECT中 每个基站都可以工作在所有的系统频点上 在具体应用时 采用动态信道分配 DCA 的方法 基站和移动台根据当前的干扰情况和系统负荷状态 动态选择一个具有最小干扰电平和最佳信号接收质量的信道 即某个载频上的某个时隙 DECT支持的业务包括 语音 数据 传真 FAX 图像 ISDN和LAN等业务 在DECT中每个无差错保护的全时隙可传输32Kb s的数据 每个有保护的全时隙可传输25 6Kb s的数据 56 三 PHS系统 个人手提电话系统 PHS 是日本的一种空中接口标准 由基站和手机及中继站组成 个人手持电话系统有以下的功能 它可以与I型电信操作系统提供的公用电话网络连接 它有公用的无线电接口 所以它具有互连性 手机 基站和中继站有时隙单元干扰检测功能并可自动指定干扰较少的信道 如果在通信期间受到干扰 手机 基站和中继站在时隙单元里免受干扰 干扰规避机制为信道转换 自动重复连接 暂时停止发送等 它有用来识别基站的识别码 在接续操作中 这些识别码互相传送以避免错误接续和计费 57 表中列出了个人手持电话系统现在业务情况 58 PHS标准采用TDMA和TDD技术 每个无线信道上提供4个双工数据信道 在前向链路和反向链路中采用了 4DQPSK调制 传输侧滤波为升余弦平方根 滚降系数为0 5 信道速率为384kbps 每个TDMA帧长为5ms 采用32kbps的ADPCM 并且有CRC差错检测 PHS采用动态信道分配 基站根据基站和便携台所得到的RF信号强度来分配信道 PHS仅在步行速度时提供切换 59 图中表示了个人手持电话系统的功能信道结构 60 1 BCCCH 广播控制信道 这是一条从基站到手机的广播控制信息单向下行链路信道 它可以传输与信道结构和系统信息等有关的信息 2 CCCH 公共控制信道 本信道实现了呼叫连接所需的控制信息传输 a PCH 寻呼信道 这是一条点到点的单向下行链路信道 它可以同时从基站到手机将相同的信息传输到单独的一个单元中或很广区域的多单元 寻呼区域 中 b SCCH 信号控制信道 这是一条点到点的双向信道 它可以传输基站与手机之间的呼叫连接所需的信息及将单独的信息传输到每一个单元 61 3 UPCH 用户分组信道 这是一条点到多点的双向信道 它可以传输控制信号信息和使用者分组数据 4 ACCH 辅助控制信道 这是一条与TCH 话务信道 配合使用的双向信道 它可以传输呼叫接续所需的控制信号信息和使用者分组数据 一般将与TCH 话务信道 直接连接的ACCH定义为SACCH 临时窃取TCH并高速传输数据的信道定义为FACCH 5 TCH 话务信道 本信道传输使用者信息 这是一条点到点的双向信道 62 通信协议包括呼叫连接阶段和通信阶段两个部分 个人手持电话系统协议结构分为3个协议阶段 建立无线电接口交换校验的阶段 连接信道建立阶段 将已建立交换校验基站 CS 和手机 PS 业务信道建立阶段 之间连接阶段 执行通信和数据传输阶段 通信阶段 63 协议基本结构 64 呼叫连接阶段由用来建立无线电接口之间连接的连接信道建立阶段和用来建立电话业务无线电链路的业务信道建立阶段组成 连接信道建立阶段 根据每个业务呼叫连接所需的质量和容量使用控制信道功能来选择信道 连接信道 同时选择在下一个呼叫连接段所需协议类型的过程 该过程称之为连接信道建立阶段 业务信道建立阶段 根据提供业务所需的容量使用从连接信道建立阶段中获得的连接信道功能来选择信道 业务信道 同时选择通信阶段所需的协议类型 65 通信阶段中 如图所示 采用最佳信道和为每一个业务提供最佳的协议 66 PHS协议的分层结构如下 1 连接信道建立阶段 在连接信道建立阶段中层2和层3有混合结构 2 业务信道建立阶段 层3功能具有符合OSI模式的分层结构 OSI模式可分为RT 无线传输管理 MM 移动管理 和CC 呼叫控制 3 通信阶段 通过一条无线电信道 32Kb s语言 32Kb s的3 1kHz音频和32Kb s无限制数字 的通信使用分层结构 及通过两条无线电信道 64Kb s无限制数字 的通信使用分层结构 67 连接信道建立阶段的分层结构 68 业务信道建立阶段的分层结构 69 通信使用一条无线电信道的分层结构 70 通信使用两条无线电信道的分层结构 71 四 PACS系统 PACS系统的功能结构 72 PACS系统主要由用户单元 SU 无线端口 RP 无线端口控制单元 RPCU 及接入管理器 AM 组成 SU至RP之间的无线空中接口称为A接口 RP至RPCU之间的接口称为P接口 RPCU至AM之间的接口称为C接口 73 PACS的无线接口采用TDMA TDM多址方式 在规定的