移动通信原理基础知识

GSM移动通信系统,GSM发展历史,GSM发展历史,GSM标准制定委员会,GSM系统技术规范,GSM系统技术规范中只对功能和接口制定了详细规范，未对硬件做出规定。这样做目的是尽可能减少对设计者限制，又使各运营者有可能购买不同厂家的设备。,GSM系统结构,ISDN,PSPDN,CSPDN,PSTN,LIMN,VLR,AUC,HLR,MSC,EIR,BSC,BTS,MS,OMC,基站系统信息传输,基站系统呼叫、连接和信息传输,SS,BSS,基站系统,交换系统,GSM系统结构,基站控制器BSC基站收发信机BTS无线操作维护中心OMC-R码变换器TC（Transcoder）,OMC-R,TC,BSC,BTS,BTS,MS,MS,UM接口,Abis接口,A接口,基站子系统（BSS）的组成,GSM系统结构,BSC的一般结构,GSM系统结构,BTS的一般结构,GSM系统结构,GSM移动设备的组成,GSM系统中的不同接口,MS,BTS,BSC,MSC,VLR,HLR,MSC,EIR,AUC,VLR,PSTNISDNPSDN,Um,Abis,A,E,F,C,N,D,B,G,GSM系统空中接口调制,10011,高斯数字预滤波,MSK调制,GaussianMinimumShiftKeying,GSM系统调制频谱,GSM无线通信基础无线传播,陆地移动通信环境的特点MS的天线比较低MS移动性信号电平随机变化在城市环境中存在着波导效应（由于街道两旁有高大的建筑物将导致波导效应，结果使得沿传播方向的街道上的信号增强，垂直与传播方向的街道上的信号减弱，两者相差大10dB以上。不过这种现象离基站距离越远，减弱程度就越小。）人为噪声现象严重（主要是机动车的点火噪声、电力线噪声和工业噪声。）干扰现象严重（同频干扰、邻频干扰、互调干扰等，随着频率再用系数的提高，同邻频干扰将成为影响网络质量的主要因素。）,GSM无线通信基础无线传播,无线通信传播方式直射（无线电波在自由空间传播的方式。）反射（当电磁波遇到比波长大得多的物体时，就会发生发射。发射常常发生在地球表面、建筑物和墙壁表面。）绕射（当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时，就会发生在绕射。）散射（当电磁波的传播路由存在小于波长的物体，并且单位体积内这种障碍物体的数目非常巨大时，就会发生散射。散射发生在粗表面、小物体或其他不规则物体，如树叶、灯柱等。）,GSM无线通信基础无线传播,无线电衰耗影响接收信号电平的因素很多，有地形（平坦、准平坦、山区）、介质（植被、水域）、地物（建筑物、建筑材料、街道走向、人体等）。当然最主要时距离、天线高度、发射功率。慢衰落慢衰落是由接收点周围地形物对信号发射，使得信号电平在几十米范围内有大幅度的变化，若MS在没有任何障碍物的环境下移动，则某点信号电平只与该点和发射机的位置的距离有关。所以通常某点信号电平时指几十米范围内的平均信号电平，这个信号的变化呈正态分布。快衰落快衰落时是叠加在慢衰落的信号上的，这个衰落的速度很快，每秒可达几十次，除与地形地物有关，还与MS的速度和信号的波长有关，并且幅度最高可达几十个dB，信号的变化呈瑞利分布，因此也叫瑞利衰落。,GSM无线通信基础无线传播,快衰落,慢衰落,信号强度,移动台路径,0,图一：无线电信号的快衰落和慢衰落,GSM频率资源,我国陆地公用蜂窝数字移动通信网GSM通信系统采用900MHz频段：上行：890915（移动台发、基站收）下行：935960（基站发、移动台收）1.8GHz频段的DCSI800过渡，即1800MHz频段：上行：17101785（移动台发、基站收）下行：18051880（基站发、移动台收）频率标称中心频率与序号的关系有以下公式确定：上行频率f(n)=890+0.2nMHz下行频率f(n)=935+0.2nMHz其中，n为绝对频率号，从1124。移动为194，联通为96124，95为移动与联通保护频率。,GSM频率资源,GSM扩展频段（E-GSM）上行频率：f(n)=890+0.2(n-1024)(MHz)下行频率：f(n)=935+0.2(n-1024)(MHz)其中，n为绝对频率号，从9751023。DCS1800MHz频率编号：上行频率f(n)=1710+0.2nMHz下行频率f(n)=1805+0.2nMHz其中，n为绝对频率号，从512885。移动申请了10MHz带宽，频率号从512562。,GSM频率资源,（单位：MHz）,保护频带,95MHz,双工间隔,1710,1785,1805,1880,基站接收频率,基站发射频率,20MHz保护频带,（频率单位：MHz）,DCS1800,GSM频率资源,GSM频率资源,基站扇区化,GSM干扰保护比,载干比载波干扰保护比又称载干比，就是指接收到的希望信号电平与非希望信号电平的比值，此比值与MS的瞬时位置有关。这是由于地形不规则性及本地散射体的形状、类型及数量不同，以及其他一些因素，如天线类型、方向性及高度、站址的标高及位置、当地的干扰源数目等所造成的。GSM规范中规定：同频道干扰保护比：C/I9dB邻频道干扰保护比：C/I-9dB载波偏离400kHz时的干扰保护比：C/I-41dB,GSM无线电波传播模型,电波传播模型可提供一定地形、地貌、人为环境下的无线电传播路径的衰耗的计算公式。在GSM系统中一般使用下面的传播模型。传播模型可以分为经验模型、办经验模型、半确定性模型或确定性模型。Okumura-Hata模型20世纪60年代，日本奥村（Okumura）等人在东京近郊用宽范围的频率、几种固定天线高度、几种MS天线高度，在各种各样不规则地形和环境地物条件下测量信号强度，然后根据一系列测量结果，绘制反映频率和距离关系曲线图，固定天线高度作为曲线参量，产生各种各样的结果，从而总结出来的经验公式，现在已经成为移动通信中使用最多的传播模型。,GSM无线电波传播模型,Okumura-Hata模型适用条件：GSM900频率f为1501500MHz基站天线有效高度hb为30200mMS天线高度hm为110m通信距离为135km城区类型：郊区、开阔地、准开阔、农村等。地形类型：丘陵、斜坡、孤立山峰、水陆混合。城市特有的修正因子：街道走向、建筑物密度、,TDMA空中接口技术,多址技术就是要使众多的客户公用公共通信信道所采用的一种技术。实现多址的方法基本上有三种，即采用频率、时间或码元分割的多址方式，人们通常称它们为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）。在传统的无线电广播中，均采用频分多址（FDMA）方式，每个广播信道都有一个频点，如果你要收听某一广播信道，则必须把你的收音机调谐到这一频点上。模拟蜂窝移动系统也采用了此技术，某一小区中的某一客户呼叫占用了一个频点，即一个信道（实际上是占用两个，因为是双向连接，即双工通信），则其它呼叫就不能再占用。在GSM中，无线路径上是采用时分多址（TDMA）方式。每一频点（频道或叫载频TRX）上可分成8个时隙，每一时隙为一个信道，因此，一个TRX最多可有8个移动客户同时使用，见图2所示。,TDMA空中接口技术,图2：频分多址和时分多址方式,GSM信道概念,物理信道逻辑信道业务信道语音信道数据信道随路控制信道控制信道广播控制信道公共控制信道专用控制信道,GSM信道概念,物理信道是指一个载频上一个TDMA帧的一个时隙，它相当于FDMA系统中的一个频率。用户通过某一个载频上的信道接入系统通信。逻辑信道GSM通信系统要传输不同类型的信息，包括业务信息和各种控制信息，因而要在物理信道上安排相应的逻辑信道。这些逻辑信道有的用于呼叫接续阶段，有的用于通信进行当中，也有的用于系统运行的全部时间内。逻辑信道映射到物理信道上传送。从BTS到MS的方向称为下行链路，相反的方向称为上行链路。GSM中的信道上传递的内容分成业务信息（话音、数据等）和控制信息（控制呼叫进程的信令）两大类，定义与之对应的逻辑信道称为话音信道（TCH，Trafficchannel）和控制信道（CCH，ControlChannel）。,GSM信道概念,话音信道用于传送编码后的话音或用户数据，在上行和下行信道（downlink）上，以点对点（BTS对一个MS，或反之）方式传播。TCH根据携载信息的不同，分为话音话音信道和数据话音信道；根据发送速率的不同，分为全速率话音信道（TCH/F）和半速率话音信道（TCH/H）。全速率话音信道（TCH/H）的总速率为22.8kbit/s。半速率话音信道（TCH/H）的总速率为11.4kbit/s。控制信道用于传送信令或同步数据。根据所完成的功能又把控制信道定义成广播、公共及专用三种控制信道。广播信道（BCH，BroadcastChannels）广播信道仅作为下行信道使用，即BTS到MS单向传输，分为如下三种信道：,GSM信道概念,频率校正信道（FCCH，FrequencyCorrectionChannel）FCCH携带用于校正MS频率的消息，下行信道，点对多点（BTS对多个MS）方式传播。FCCH的目的有两个：首先确认这是个BCCH信道，其次保证手机的频率保持一致。FCCH信道只在下行的BCCH载频的0时隙传送。同步信道（SCH）：携带MS的帧同步（TDMA帧号）和BTS的识别码（BSIC）的信息，下行信道，点对多点方式传播。SCH信道只在下行的BCCH载频的0时隙传送。广播控制信道（BCCH）：广播每个BTS的通用信息（小区特定信息）。下行，点对多点方式传播。BCCH信道只在下行的BCCH载频的0时隙传送。,GSM信道概念,公共控制信道（CCCH，CommonControlChannels）寻呼信道（PCH）：用于寻呼（搜索）MS。下行，点对多点方式传播。随机接入信道（RACH）：MS通过此信道申请分配一个独立专用控制信道（SDCCH），可作为对寻呼的响应或MS主叫登记时的接入。上行信道，点对点方式传播。允许接人信道（AGCH）：用于为MS分配一个独立专用控制信道（SDCCH）。下行信道，点对点方式传播。专用控制信道(DCCH，DedicatedConntrolChannels)独立专用控制信道（SDCCH）：用在分配TCH之前呼叫建立过程中传送系统信令。例如登记和鉴权在此信道上进行。上行和下行信道，点对点方式传播,GSM信道概念,小区广播信道（CBCH，CellBroadcastChannel）：用于携载小区广播短消息（SMSCB），它使用与SDCCH同样的物理信道，属于下行信道。慢速随路控制信道（SACCH）：它与一个TCH或一个SDCCH相关，是一个传送连续信息的连续数据信息，如传送移动台接收到的关于服务及邻近小区的信号强度的测试报告。这对实现移动台参与切换功能是必要的。它还用于MS的功率管理和时间调整。上行和下行信道，点对点方式传播。快速随路控制信道（FACCH）：它与一个TCH相关。工作于借用模式，即在话音传输过程中如果突然需要以比SACCH所能处理的高得多的速度传送信令信息，则借用20ms的话音（数据）来传送。这一般在切换时发生。由于语音译码器会重复最后20ms的话音，因此这种中断不被用户查觉。,GSM信道概念,TDMA帧号基站识别码：BSIC（BaseStationIdentitycode）,网络色码(NCC):3bits基站色码(BCC):3bits,同步信道消息,GSM信道概念,BCCH广播控制信道消息,位置区识别号（LAI）移动台需监视的邻小区列表本小区使用的频率列表小区识别号功率控制指示DTX允许指示接入控制（例：紧急呼叫，呼叫禁止）CBCH描述,GSM信道概念,系统消息类型,系统消息1(仅用于跳频)小区信道描述RACH控制参数系统消息2邻小区说明PLMN允许指示RACH控制参数,系统消息3小区识别号位置区识别号控制信道说明小区选项小区选择参数RACH控制参数,GSM信道概念,系统消息类型,系统消息4位置区识别号小区选择参数RACH控制参数CBCH信道说明系统消息5邻小区说明,系统消息6小区识别号位置区识别号小区选项PLMN允许指示系统消息7,8系统消息4的扩展,GSM空中控制技术,分集多径衰落和阴影衰落产生原因是不相同的。随着移动台的移动，瑞利衰落随信号瞬时值快速变动，而对数正态衰落随信号平均值（中值）变动。这两者是构成移动通信接收信号不稳定的主要因素，使接收信号被大大地恶化，虽然通过增加发信功率、天线尺寸和高度等方法能取得改善，但采用这些方法在移动通信中比较昂贵，有时也显得不切实际。而采用分集方法即在若干个支路上接收相互问相关性很小的载有同一消息的信号，然后通过合并技术再将各个支路信号合并输出，那么便可在接收终端上大大降低深衰落的概率。分集的方法有空间分集、频率分集、极化分集、角度分集、时间分集和分量分集等多种。,GSM空中控制技术,多经衰落,GSM空中控制技术,分集,GSM空中控制技术,时间色散数字传输的引入带来了另一问题是时间色散。GSM规范要求均衡器应能处理时延高达15s左右的反射信号，15s约对应4比特时间。时间提前量时间调整的提前是063个比特之间的任意值。如0个比特就表示不必调整，表明MS和BTS在一起。63个比特是调整的最大量，也就是BTS与BS之间最长距离。所以我们说，GSM系统最大覆盖范围是：3.7s633108ms=70km3.7s：每个比特的时长。63：时间调整的最大比特数。其覆盖半径是35km。,GSM空中控制技术,跳频技术采用跳频技术是为了确保通信的秘密性和抗干扰性，它首先被用于军事通信，后来在GSM标准中也被采纳。跳频功能主要是：(1)改善衰落。(2)处于多径环境中的漫速移动的移动台通过采用跳频技术，大大改善移动台的通信质量，相当于频率分集。(3)跳频相当于频率分集GSM系统中的跳频分为基带跳频和射频跳频两种。基带跳频是通过腔体合成器来实现的（频点间隔600KHz），而射频调频是通过混合合成器来实现的（频点间隔200KHz）。,GSM空中控制技术,功率控制功率控制就是指在一定范围