现代通信技术概论---第7章移动通信系统

1、现代通信技术概论-第7章移动通信系统27.1 移动通信概述移动通信概述 移动通信指移动用户之间或移动用户与固定用移动通信指移动用户之间或移动用户与固定用户之间所进行的通信。户之间所进行的通信。 小区制蜂窝网和码分多址技术是移动通信技术小区制蜂窝网和码分多址技术是移动通信技术的核心概念。的核心概念。 本章将对公用移动通信系统的特点、组成、功本章将对公用移动通信系统的特点、组成、功能以及工作原理进行说明。重点对基于小区蜂窝能以及工作原理进行说明。重点对基于小区蜂窝网概念的全球移动通信系统（网概念的全球移动通信系统（GSM）和基于码分）和基于码分多址技术（多址技术（CDMA）的数字移动通信系统进行介

2、）的数字移动通信系统进行介绍。绍。37.1.1 移动通信的特点移动通信的特点 频率资源有限频率资源有限 易受外界干扰易受外界干扰 存在各种效应：存在各种效应：多径、阴影、多普勒、远近效应多径、阴影、多普勒、远近效应 技术较复杂技术较复杂 对设备要求高对设备要求高 保密性较差保密性较差47.1.2 移动通信发展历程移动通信发展历程移动通信六个发展阶段移动通信六个发展阶段阶段阶段年代划分年代划分特点特点I I1920-19401920-1940专用系统、小范围、少量用户、低频率。主要在交通运输、军事等领域。专用系统、小范围、少量用户、低频率。主要在交通运输、军事等领域。 IIII1940-1965

3、1940-1965由专用移动网向公用移动网过渡。采用人工接续、网的容量较小、成本较高。由专用移动网向公用移动网过渡。采用人工接续、网的容量较小、成本较高。IIIIII1965-19751965-1975大区制、中小容量、自动选频、自动接续，大区制、中小容量、自动选频、自动接续，450MHz频段。频段。IVIV1975-19851975-1985第一代模拟移动通信系统：蜂窝网概念推进了系统容量大增；微电子技术使第一代模拟移动通信系统：蜂窝网概念推进了系统容量大增；微电子技术使得设备趋于小型化；计算机技术的发展为网管提供了强有力的手段。代表体得设备趋于小型化；计算机技术的发展为网管提供了强有力的手

4、段。代表体制：美国制：美国AMPSAMPS，北欧，北欧NMTSNMTS，英国，英国TACSTACS等。寻呼系统和无绳电话系统伴随着出等。寻呼系统和无绳电话系统伴随着出现。现。V V1985-20051985-2005第二代数字移动通信系统：数字蜂窝技术成为当代主流在用移动通信系统。第二代数字移动通信系统：数字蜂窝技术成为当代主流在用移动通信系统。频谱利用率高、系统容量较大，能提供语音、数据等多种通信业务。代表体频谱利用率高、系统容量较大，能提供语音、数据等多种通信业务。代表体制：泛欧制：泛欧GSMGSM、北美、北美CDMACDMA、日本、日本PDCPDC等。缺点：无法完全实现全球漫游、仅支等。

5、缺点：无法完全实现全球漫游、仅支持语音、短消息和较低速的数据通信连接、系统容量也不足。持语音、短消息和较低速的数据通信连接、系统容量也不足。VIVI2005-2005-今今第三代移动通信系统：为用户提供全球海陆空三维的无缝隙覆盖，支持全球第三代移动通信系统：为用户提供全球海陆空三维的无缝隙覆盖，支持全球漫游业务；支持多种话音和非话音业务漫游业务；支持多种话音和非话音业务, , 特别是多媒体业务；具备足够的系特别是多媒体业务；具备足够的系统容量、强大的多种用户管理能力、高保密性能和服务质量。目前主流标准：统容量、强大的多种用户管理能力、高保密性能和服务质量。目前主流标准：美国美国CDMA2000

6、CDMA2000、中国、中国TD-SCDMATD-SCDMA、日本、日本W-CDMAW-CDMA57.1.3 移动通信系统的组成移动通信系统的组成 MSC通过中继线与固定通过中继线与固定 网连通，实现移动网连通，实现移动台用户与公用固定台用户与公用固定 用户之间的通信。用户之间的通信。67.1.4 移动通信的分类移动通信的分类按使用区域：陆地、海上和航空移动通信系统按使用区域：陆地、海上和航空移动通信系统按基站配置方式：大区制、中区制和小区制移按基站配置方式：大区制、中区制和小区制移动通信系统。动通信系统。按传输信号类型：模拟和数字移动通信系统。按传输信号类型：模拟和数字移动通信系统。按运行方

7、式：专用（公安、消防等）和公用移按运行方式：专用（公安、消防等）和公用移动通信系统。动通信系统。按系统用途：移动按系统用途：移动 通信系统、无线寻呼系统、通信系统、无线寻呼系统、无绳无绳 通信系统和集群通信系统。通信系统和集群通信系统。77.1.5 无线通信的多址方式无线通信的多址方式 在无线通信系统中，为了提高系统效率、增加在无线通信系统中，为了提高系统效率、增加系统容量，让若干个用户共用一个发射台进行相系统容量，让若干个用户共用一个发射台进行相互间的多边通信，称为多址通信。互间的多边通信，称为多址通信。 为了使相互间能够区分开来，需要对发送端信为了使相互间能够区分开来，需要对发送端信号做出

8、分割，使各用户信号有所差异，而接收端号做出分割，使各用户信号有所差异，而接收端则能从这些混合信号中分离出相应的用户信号。则能从这些混合信号中分离出相应的用户信号。8四种多址方式（四种多址方式（频分、时分、码分、空分频分、时分、码分、空分）97.2 GSM数字移动通信系统数字移动通信系统 80年代初，欧洲为统一年代初，欧洲为统一900MHz频段的蜂窝系统，频段的蜂窝系统，成立了特别移动通信组（成立了特别移动通信组（GSM：Group Special Mobile）制定有关标准和建议书，并于）制定有关标准和建议书，并于1990年完成年完成了了GSM900规范。规范。1991年欧洲开通了第一个数字移

9、年欧洲开通了第一个数字移动通信系统，同时将动通信系统，同时将GSM更名为全球移动通信系更名为全球移动通信系统统 (GSM：Global System for Mobile communications），从此跨入了数字移动通信时代。），从此跨入了数字移动通信时代。107.2.1 蜂窝系统基本原理蜂窝系统基本原理 无线蜂窝基本原理是：把一个地理区域划分无线蜂窝基本原理是：把一个地理区域划分成若干个无线小区，每小区设一个小功率无线成若干个无线小区，每小区设一个小功率无线基站台，由于基站功率较小，信号强度影响范基站台，由于基站功率较小，信号强度影响范围有限，因此同一频率的载频可以在一定距离围有限，因

10、此同一频率的载频可以在一定距离的另一小区重复使用。通话用户从一个小区到的另一小区重复使用。通话用户从一个小区到下一个小区移动过程中，系统能够自动地为其下一个小区移动过程中，系统能够自动地为其提供连续不断的信道接续，称为自动越区切换。提供连续不断的信道接续，称为自动越区切换。频率复用加上自动越区切换是无线蜂窝概念的频率复用加上自动越区切换是无线蜂窝概念的主体。主体。111. 蜂窝小区的概念蜂窝小区的概念 以正六边形为基本几何形状的小区，状似蜂窝，以正六边形为基本几何形状的小区，状似蜂窝，故名蜂窝移动通信系统。相邻的另一个区群可以故名蜂窝移动通信系统。相邻的另一个区群可以重复使用相同的载频。重复使

11、用相同的载频。122. 小区扩容方法小区扩容方法u 小区分裂：把当前较大小区分割成若干较小的小区分裂：把当前较大小区分割成若干较小的小区并增设基站。小区并增设基站。u 扇区化：扇区化：也称为裂向或空分多址技术。也称为裂向或空分多址技术。u 覆盖区域逼近：覆盖区域逼近：合理布设基站位置，增加覆盖合理布设基站位置，增加覆盖面积。面积。u微小区：微小区：把一个小把一个小区分成多个微小区，区分成多个微小区，仅设微小区发射机，仅设微小区发射机，各发射机共享同一基站。各发射机共享同一基站。133. 越区切换越区切换 处于移动状态的用户，当从一个小区基站覆盖范围处于移动状态的用户，当从一个小区基站覆盖范围移

12、动到另一个小区时，为了保持不中断通信，需要进移动到另一个小区时，为了保持不中断通信，需要进行越区信道切换。这个过程应在用户不介入并且察觉行越区信道切换。这个过程应在用户不介入并且察觉不到的情况下完成。不到的情况下完成。 硬切换：先中断旧连接再接入新连接（硬切换：先中断旧连接再接入新连接（GSM） 软切换：维持旧连接的同时建立新连接，然后软切换：维持旧连接的同时建立新连接，然后再中断旧连接（再中断旧连接（CDMA）147.2.2 GSM系统组成与频率配置系统组成与频率配置 GSM数字蜂窝移动通信系统主要是由网路子系数字蜂窝移动通信系统主要是由网路子系统、基站子系统和移动台三大部分组成。统、基站子

13、系统和移动台三大部分组成。151. GSM系统的组成系统的组成16GSM系统的组成系统的组成u 移动台移动台(MS): 由移动终端设备（手持机）和用户由移动终端设备（手持机）和用户识别模块（识别模块（SIM卡）组成。卡）组成。u 基站子系统基站子系统(BSS) ：由基站控制器（：由基站控制器（BSC）和基）和基站收发信台（站收发信台（BTS）组成。）组成。u 网路子系统网路子系统(NSS) ：包括移动业务交换中心（：包括移动业务交换中心（MSC）、拜访位置寄存器（）、拜访位置寄存器（VLR）、归属位置寄）、归属位置寄存器（存器（HLR）、鉴权中心（）、鉴权中心（AUC）和移动设备识）和移动设备

14、识别寄存器（别寄存器（EIR）。）。172. 频率配置频率配置表表7-2 我国移动通信网的频率配置我国移动通信网的频率配置系统使用部门系统使用部门上行频率（上行频率（MHz） 下行频率（下行频率（MHz）中国联通中国联通CDMA825-835825-835870-880870-880中国移动中国移动GSM室内分布系统室内分布系统885-890885-890930-935930-935中国移动中国移动GSM900890-909890-909935-954935-954中国联通中国联通GSM900909-915909-915954-960954-960中国移动中国移动DCS18001710-172

15、01710-17201805-18151805-1815中国联通中国联通DCS18001745-17551745-17551840-18501840-1850187.2.3 GSM系统主要业务功能系统主要业务功能 GSM数字移动通信系统主要可以为用户提供数字移动通信系统主要可以为用户提供 业务（包括语音信箱）和数字业务（也称非话业业务（包括语音信箱）和数字业务（也称非话业务）。前者传输的是话音信号，后者传输的是包括务）。前者传输的是话音信号，后者传输的是包括文字、图像、文字、图像、 、计算机文件等在内的综合数字业、计算机文件等在内的综合数字业务，其典型应用是短消息业务。务，其典型应用是短消息业

16、务。197.3 CDMA数字移动通信系统数字移动通信系统 上个世纪上个世纪80年代初，与年代初，与GSM几乎同时出现的几乎同时出现的另一种重要体制是另一种重要体制是CDMA，依靠其巨大的增容潜，依靠其巨大的增容潜力和良好的抗干扰能力，力和良好的抗干扰能力，CDMA发展成为具有光发展成为具有光明前景的数字移动通信系统，并成为第三代移动明前景的数字移动通信系统，并成为第三代移动通信系统的主流技术。通信系统的主流技术。 本节将介绍本节将介绍CDMA数字移动通信系统的基本工数字移动通信系统的基本工作原理和关键技术。作原理和关键技术。207.3.1 CDMA制式的特点制式的特点 采用扩频通信和码分多址（

17、采用扩频通信和码分多址（CDMA）技术。）技术。 相邻小区使用相同的频率，频率规划简单。相邻小区使用相同的频率，频率规划简单。 话音质量好、掉话率低、发射功率小、省电。话音质量好、掉话率低、发射功率小、省电。 采用软切换。采用软切换。 在同样带宽条件下提供相同容量所需要的基站在同样带宽条件下提供相同容量所需要的基站较少，可降低网建成本。较少，可降低网建成本。 可提供更高质量的数据传输业务。可提供更高质量的数据传输业务。 手机符合环保的要求。手机符合环保的要求。217.3.2 码分多址原理码分多址原理 扩频通信是扩展频谱通信的简称。其过程是在扩频通信是扩展频谱通信的简称。其过程是在发送端把要传送

18、的窄带信号频谱扩散到相对很宽发送端把要传送的窄带信号频谱扩散到相对很宽的一个频带内，让其远大于传输该信号所必需的的一个频带内，让其远大于传输该信号所必需的带宽；而在接收端则通过相关解调把接收到的宽带宽；而在接收端则通过相关解调把接收到的宽带频谱信号恢复为原来的窄带信号。带频谱信号恢复为原来的窄带信号。 扩频通信具有高强度的抗干扰能力，其理论依扩频通信具有高强度的抗干扰能力，其理论依据是前面所提到的香农定理。据是前面所提到的香农定理。221. 香农定理与扩频通信香农定理与扩频通信u 香农定理：香农定理：C=B log2(1+S/N) bit/s，在一个通信，在一个通信系统中，信道容量系统中，信道

19、容量C、信道带宽、信道带宽B和信噪比和信噪比S/N可可以通过相互提升或降低取得平衡。以通过相互提升或降低取得平衡。u 扩频通信：扩频通信： B很宽，很宽，C不变，通过扩展信号带不变，通过扩展信号带宽可以大大降低对宽可以大大降低对S/N的要求，并实现同样的通的要求，并实现同样的通信效果。信效果。232. 码分多址与扩频通信码分多址与扩频通信 在在CDMA移动通信中，选用一组自相关性很强移动通信中，选用一组自相关性很强，互相关性很弱的伪随机序列码，称为扩频码，互相关性很弱的伪随机序列码，称为扩频码，每一个扩频码具有唯一性。每一个扩频码具有唯一性。 给每个用户分配一个扩频码就可以通过码序列给每个用户

20、分配一个扩频码就可以通过码序列的不同区分不同用户。当码序列长度足够长时可的不同区分不同用户。当码序列长度足够长时可以实现足够多的用户码分多址通信。以实现足够多的用户码分多址通信。 CDMA移动通信系统中，扩频的目的并非是为移动通信系统中，扩频的目的并非是为了提高抗干扰能力，而是为了利用其中的码分多了提高抗干扰能力，而是为了利用其中的码分多址技术实现用户容量的极大扩展。址技术实现用户容量的极大扩展。243. 直接序列扩频调制直接序列扩频调制 扩频序列码具有很窄的脉冲宽度扩频序列码具有很窄的脉冲宽度，其有效频带，其有效频带非常宽，数字信号码元调制扩频序列码，产生频非常宽，数字信号码元调制扩频序列码

21、，产生频带很宽的调制信号，可送入宽带信道传送。带很宽的调制信号，可送入宽带信道传送。254. CDMA发送和接收系统原理图发送和接收系统原理图 只有与只有与PNk相关性最强的一路信号才能够被恢相关性最强的一路信号才能够被恢复出来，其余信号被认为是噪声过滤掉。复出来，其余信号被认为是噪声过滤掉。265. 直接序列扩频原理波形示意图直接序列扩频原理波形示意图 四路信号被同时接收，但只有相关性最强的码四路信号被同时接收，但只有相关性最强的码元被保留下来，最终输出得到的是元被保留下来，最终输出得到的是S2。277.3.3 CDMA数字移动通信系统数字移动通信系统 CDMA数字移动通信系统主要是由网络交

22、换子系数字移动通信系统主要是由网络交换子系统（统（NSS）、基站子系统（）、基站子系统（BSS）和移动台子系统）和移动台子系统（BS）三大部分组成。）三大部分组成。281. CDMA数字移动通信系统组成框图数字移动通信系统组成框图29CDMA数字移动通信系统组成数字移动通信系统组成u 网络交换子系统（网络交换子系统（NSS）：移动交换中心（）：移动交换中心（MSC）、归属位置寄存器（）、归属位置寄存器（HLR）、拜访位置寄）、拜访位置寄存器（存器（VLR）、鉴权中心（）、鉴权中心（AUC）、短消息中心）、短消息中心（MC）、短消息实体（）、短消息实体（SME）和操作系统中心）和操作系统中心（O

23、MC）组成。）组成。u 基站子系统（基站子系统（BSS）：由基站控制器（）：由基站控制器（BSC）和基站收发信台（和基站收发信台（BTS）组成。）组成。u移动台子系统（移动台子系统（MS）：用户手持机组成。）：用户手持机组成。 302. CDMA制式中的关键技术制式中的关键技术 在在CDMA移动通信系统中，地址码的选择、地移动通信系统中，地址码的选择、地址码的同步、发送功率的控制以及软切换技术等址码的同步、发送功率的控制以及软切换技术等都是系统能够正常工作的关键技术。都是系统能够正常工作的关键技术。1）地址码的选择：地址码要足够长、自相关性）地址码的选择：地址码要足够长、自相关性高确保能够正确

24、地解扩，互相关性低确保不会产高确保能够正确地解扩，互相关性低确保不会产生相互干扰。生相互干扰。2）地址码的同步：指发送和接收端的地址码在）地址码的同步：指发送和接收端的地址码在结构、频率和相位上保持严格一致。手机通过接结构、频率和相位上保持严格一致。手机通过接收、跟踪、捕获、比较并锁定地址码来确定是否收、跟踪、捕获、比较并锁定地址码来确定是否继续接收，还是过滤掉基站发来的信号。继续接收，还是过滤掉基站发来的信号。31CDMA制式中的关键技术制式中的关键技术3）发送功率的控制：功率控制最主要的目的是）发送功率的控制：功率控制最主要的目的是为了克服为了克服“远近效应远近效应”的影响。无论是移动台还

25、的影响。无论是移动台还是基站都应具有自动调节能力，在靠近基站天线是基站都应具有自动调节能力，在靠近基站天线时会自动降低功率，而在远离天线时又会自动加时会自动降低功率，而在远离天线时又会自动加大功率。大功率。4）软切换：）软切换：“先连接后者，再断开前者先连接后者，再断开前者”的一的一种无缝连接技术，确保通话和数据传输不会发生种无缝连接技术，确保通话和数据传输不会发生短暂的中断现象。短暂的中断现象。5）话音编码：话音编码技术确保在好的话音质）话音编码：话音编码技术确保在好的话音质量前提下，尽量压缩数码率，以提高频道利用率。量前提下，尽量压缩数码率，以提高频道利用率。323. CDMA移动通信系统信道划分移动通信系统信道划分 以以IS-95A CDMA数字蜂窝移动通信系统为例，数字蜂窝移动通信系统为例，其工作频段为其工作频段为800 MHz。上行频段是。上行频段是825850 MHz，下行频段是，下行频段是870895 MHz，双工间隔，双工间隔是是45MHz，频道间隔是，采用直接序列扩频技术。，频道间隔是，采用直接序列扩频技术。每频带内的载频点上再采用码分多址。理论上总共每频带内的载频点上再采用码分多址。理论上总共可以支持可以支持25MHz/1.25 MHz=20个载频。个载频。337.4 第三代移动通信系统第三