第8章无线通信组网技术

1、第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术8.1 无线组网基础无线组网基础8.2 网络拓扑结构网络拓扑结构8.3 全球数字移动电话系统（全球数字移动电话系统（GSM）8.4 CDMA数字蜂窝系统（数字蜂窝系统（IS-95）8.5 3G与与4G通信网通信网8.6 无线局域网无线局域网第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术8.1 8.1 无线组网基础无线组网基础8.1.1 无线组网的发展 1. 第一代无线网络 第一代无线网络是基于模拟通信技术的,所有的蜂窝系统都采用频率调制。 图8-1为第一代蜂窝无线网组成框图,其中包括移动终端、 基

2、站和MSC（移动交换中心）。移 动 用 户反 向 话 音 信 道反 向 呼 叫 建 立 信 道前 向 呼 叫 建 立 信 道基 站MSC前 向 呼 叫 建 立 信 道9600 b / s数 据 链 路语 音 电 路图8-1 第一代蜂窝无线网组成框图第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术 MSC：负责各个覆盖区的系统管理和完成所有的网络管理功能,如呼叫接续、 维护、 计费以及监控覆盖区内的非法行为。 MSC通过陆地干线和汇接交换机接到PSTN（公共交换电话网）上,同时还通过专用信令信道与其他MSC连接,相互交换用户的位置、 权限以及呼叫信令,并且能提供基站和移动用户间的模拟话音和有效的

3、低速率数据通信。第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术2. 第二代无线网络第二代无线网络采用了数字调制技术和先进的呼叫处理技术,包括： 全球移动通信系统（GSM）, 美国的TDMA和数字标准（CDMA）, 无绳电话（CT2）英国无绳电话标准, 个人接入通信系统（PCAS） 欧洲的无绳及市内电话标准欧洲数字无绳电话（DECT）。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术 第二代无线网采用了新的网络结构,使MSC的计算量降低。 引入了一个新的概念基站控制器（BSC）。 BSC接在MSC与几个基站之间,在PACS/WACS中,称BSC为无线端口控制单元。 这种结构上的变革使MSC和

4、BSC之间的数据接口标准化,因此运营商可以使用不同制造商的MSC和BSC设备。第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术标准化和互操作性是第二代无线网的新特征,它最终使得MSC和BSC成为可采购的现成产品。 所有的第二代无线网都采用了数字语音编码和调制,在空中接口中采用了专用控制信道（公共信令信道）。 通话中语音和控制信息通信能在用户、 基站和MSC间同时进行。 第二代无线网还在MSC及每个MSC与PSTN之间提供了专用语音线路和信令线路。第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术 与第一代网络相比,第二代网络增加了用来传输寻呼与其他数据业务的功能,如传真、 高速数据接入等。 网络

5、控制功能则分散于网络中,移动站承担了更多的控制功能。 网络中的移动单元有许多第一代网中用户单元没有的功能,如接收功率报告、 临近基站搜索、 数据编码以及加密等。第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术3. 第三代无线网络第三代无线网络在业已成熟的第二代无线网络的基础上建立起来,其目的是用单独的一套标准来满足广泛的无线通信的需求,并在全世界提供通用的通信接口。 在第三代无线网络中,无线电话与蜂窝电话没有多大区别,各种语音、数据和图像通信业务也通过通用个人通信设备实现。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术 宽带ISDN将在第三代无线网络中应用,以提供诸如Internet及其他

6、公用和专用数据库这样的信息网络的接口。 可以传输不同的信息（语音、 数据和图像）； 在各种环境都能提供服务； 不论是固定用户还是高速移动的移动用户,都能进行通信； 在保证可靠信息传输的同时,将采用无线分组通信来分散网络的控制。第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术第三代无线网络具有以下基本特征： （1） 全球普及和全球无缝漫游的系统： 第二代移动通信系统一般为区域或国家标准,而第三代移动通信系统将是一个在全球范围内覆盖和使用的系统。 它将使用共同的频段,全球统一标准。 （2） 具有支持多媒体（特别是Interner）业务的能力： 现有的移动通信系统主要以提供话音业务为主,随着发展,一

7、般也仅能提供100200 kb/s的数据业务,GSM演进到最高阶段的速率能力为384 kb/s。 而第三代移动通信的业务能力将比第二代有明显改进,它能支持从话音到分组数据到多媒体业务； 能根据具体的业务需要,提供必要的带宽。 ITU规定的第三代移动通信系统RTT技术必须满足以下三种环境的最低要求,即快速移动环境,最高速率达144 kb/s； 步行环境,最高速率达384 kb/s； 室内环境,最高速率达2 Mb/s。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术(3) 便于过渡、 演进： 在第三代移动通信系统引入时,第二代网络已具有相当规模,所以第三代的网络一定要能在第二代网络的基础上逐渐灵

8、活演进而成,并应与固定网兼容。 (4) 高频谱效率。 (5) 高服务质量。 (6) 低成本。 (7) 高保密性。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术8.1.2 无线组网中的业务选择无线组网中所需的传输容量主要依赖于所传输的业务类型,例如： 用户的呼叫需要专门的网络接口以保证实时通信,而控制和信令信号则常是突发的,它们与其他突发用户共享网络资源。 另外,有些业务需要保证实时传输,而有些则不需要。 所以,所传输的业务类型决定了无线网的路由选择策略、 采用的协议以及呼叫的处理技术。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术 网络常用的路由选择有两种： 面向连接的选择机制（虚电路

9、路由选择）和虚连接选择机制（数据包选择机制）。 在面向连接的选择机制中,通信路由在整个传输过程中是不变的,当呼叫建立后,网络资源将被信源和信宿独占。 由于传输线路的固定,到达信宿的消息的顺序与传输前的顺序是一样的。 为了保证有噪声干扰时,传输数据的正确性,在面向连接的业务中,主要依靠纠错编码。第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术与此相反,虚连接的路由选择不用建立一个固定的连接,并且主要采用分组交换,由几个数据包组成一个消息,每个数据包独立选择路由。 一个消息中的数据包可能是经不同的路由传输的,所用的时间不同。 此时数据包不需要按发端顺序到达收端,但在收端要重新排序。 由于传输路由不

10、同,有些数据包可能由于网络或线路故障丢失,但其他的数据包能安全到达,此时它们被附加上很多信息,使得在收端能进行消息重现。 因此,虚连接路由选择常能够避免重新传送整个消息,不过每个数据包需要更多的附加信头。 典型的信头包括： 信源地址、 信宿地址、 路由信息以及用于收端排序的信息。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术1. 电路交换第一代蜂窝系统中提供的是面向连接的业务。 实际上,语音信道被用户独占,呼叫建立后网络资源也被独占,也就是说在蜂窝电话通话过程中,基站和PSTN之间的语音信道由MSC分配给特定用户。 由于无线信道已被移动用户与MSC间的双向通信所独占,同时也独占了MSC与终

11、端用户间的语音线路,因而在无线通信中是通过电路交换实现面向连接的业务的。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术电路交换在整个呼叫过程中建立了一条固定线路（包括基站与移动用户间的无线信道以及MSC与PSTN之间的独占电话线路）。 即使用户可能越区切换至其他基站,也始终有一条向用户提供服务的专用无线信道,同时MSC独占着一条到PSTN固定的全双工的电话连接。 电路交换只适合于语音传输或持续不断的长时间数据传输。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术2. 分组交换分组交换是无线连接业务中最常见的技术,它允许多用户与同一物理信道保持虚电路连接。 由于用户随时都可能接入网中,当用

12、户要传递数据时无需通过呼叫建立独占线路。 分组交换将每个消息分成小的单元进行传递与恢复。 此时一定数量的控制信息会加到每个数据包中以明确信源、 信宿以及满足纠错的需要。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术图8-2 分组数据格式信 头用 户 数 据信 尾时 间 图8-2为一数据分组的格式,其中信头表示一个新的分组的开始与信源、 信宿地址,分组顺序号以及其他路由和计费信息； 用户数据包含经纠错编码的信息； 信尾则包含了一个循环校验码,用于收端纠错。第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术 图8-3为一个传输中的分组格式, 其中帧标志是一个特殊的顺序号,代表一帧的开始和结束；地

13、址段包括用于传输消息和接收应答的信源和信宿地址；控制段由传输确认信息、 ARQ和分组排序组成；信息段包含用户信息,其长度是不变的； 最后一个是帧段校验字段或CRC,用于校验错误。 帧 标 志地 址 段控 制 段信 息 段帧 顺 序 号信 头信 尾用 户 数 据图8-3 典型分组数据的各个信息域第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术与电路交换相比,分组交换在突发的消息传输中有更高的信道利用率。 此时只在发射和接收时信道才被占用,这在可用带宽受限的移动通信中是非常有用的。 分组交换传输能支持进行流量控制和重传的协议,从而在信道条件恶劣时也能保证高可靠传输。 如X.25协议就是一个广泛应用

14、的无线分组传输协议,它规定了分组交换的数据接口。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术8.1.3 无线数据业务1. 蜂窝数字分组数据（CDPD）蜂窝数字分组数据(CDPD)网中的数字数据业务按分组方式在模拟蜂窝网上的空闲电路传送。 由于是重叠业务,因此CDPD比采用其他技术方式更便宜,且网络运营者不必另外申请频率,可利用已有的蜂窝网络增设移动数据基站（MDBS）和移动数据中解装置(MDIS)等设备,而不必另建一个新的网络。第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术 不论用户在什么位置或采用什么技术,CDPD均可进行移动管理,提供用户计费。 CDPD特别适用于短的、 突发性的信

15、息,如销售点(POS)信用卡证实、 车辆调度、 跟踪包裹投递、 遥测信息传送以及短的电子信箱(E-mail)交换等。第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术CDPD的基本原理：在蜂窝网中的空闲语音信道上发送分组数据,从数据终端(如笔记本电脑)发出的数据被分段、 加密后,由CDPD终端装置形成138个字节的帧,这些帧被送往蜂窝内带宽为30 kHz的信道。 使用的多址访问协议是带冲突检测的数字侦听多址访问协议。 该协议是由发送装置首先进行侦听是否有空闲信道,如果有,则立即发送数据,否则一直等待。 发出的数据帧首先送往MDBS,然后传到MDIS,由它发往有线网或另一个移动用户。 为确保数据的

16、正确传送,CDPD使用了IP高层网间协议,并采用高可靠性的前向纠错技术来提高传输速率。CDPD的框图如图8-4所示。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术图8-4 CDPD框图主计算机公用分组数据网RouterMDISRouterMDISNMSAS移动电话交换中心MDBSAMPS制式移动电话手机MDBSE1(T1)E1(T1)公用电话交换网MDESMDESMDESMDESAS管理服务器NMS网络管理系统Router路由器MDIS移动数据中解装置MDBS移动数据基站MDES移动数据终端E164 kb / sT156 kb / s第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术2. 专

17、用分组无线系统顾名思义,该系统是用无线频率经专用网络传送分组数据的,用户可通过计算机经过MODEM接入网络。 专用分组无线系统的应用同CDPD相同, 如保险公司、 监视车队的运行、房地产分理处业务等。 Ardis系统框图如图8-5所示。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术图8-5 Ardis系统框图主计算机公用数据网网管中心HUBRNCRNG以太网基站移动用户终端基站移动用户终端终端局域网HUB通信网关RNC无线网络中心RNG无线网络控制器第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术专用无线数据网络的最大缺点是吞吐量小。 Ram网络有效的吞吐量为2.44.8 kb/s。 Ar

18、dis网络吞吐量为28 kb/s。 Ardis网络采用由MOTOROLA和IBM公司专门开发的协议。 Ram网络采用ERICSSON公司的Mobiter标准,这就意味着它们为组网设计的硬件不能与其他网络兼容。 CDPD、 ARDIS与Ram的信道特性如表8-1所示。第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术表8-1 CDPD、 ARDIS与RAM信道特性比较 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术 8.2 8.2 网络拓扑结构网络拓扑结构8.2.1 无线网络拓扑无线网络拓扑（Wireless Network Topology）是一种配置结构,移动终端（MS）在这种结构下彼此通信

19、。 无线网络中使用了两种基本拓扑类型： 基础结构网络拓扑 分布式网络拓扑（ad hoc）。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术图8-6 单个BS/AP下的基础结构网络有 线 骨 干 网移 动 终 端 1移 动 终 端 3移 动 终 端 2BS / AP第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术1. 基础结构网络拓扑在基础结构网络拓扑中,固定（有线）基础结构用来支持MS之间和MS与固定终端之间的通信。 基础结构网络通常设计用于大的覆盖区域和使用多个基站（BS）的情况下。 图8-6为单个BS/AP下的基础结构网络的基本工作情况。BS/AP为网络中心,MS位于覆盖区中。 BS之间

20、的通信,均要通过BS/AP。 中心站控制MS并监控每个MS传输的内容,因此中心站通常被用于管理用户接入网络。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术2. 分布式（ad hoc）网络拓扑分布式（ad hoc）网络拓扑可用于重组网络,它不需要固定的基础结构就能工作。 这种网络主要用于军事领域,也可用在一些商业领域进行语音和数据传输。 这种拓扑适用于在移动或固定情况下快速部署无线网络。 图8-7为两种不同的ad hoc网络拓扑。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术图8-7 两种不同的ad hoc网络拓扑第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术3. 两种网络拓扑的比较基

21、础结构网络拓扑与分布式（ad hoc）网络拓扑的差异体现在以下几个方面：（1） 灵活性： 运行基础结构网络需要部署网络基础设施,通常既费时又费钱； 而ad hoc网络则天生就具有灵活性,可快速组网。 因此,ad hoc网络通常用于最看重灵活性的应用中。 （2） 可控性： 为了协调无线网络的正常工作,需要集中控制它的有些特性,诸如时间同步； 在确定区域工作的移动台发射功率等等。 在一个基础结构网络中,所有对这些特性的控制自然是在BS或AP中实现； 而在ad hoc网络中,实现对这些特性的控制则需要更复杂的结构,要求改变所有的终端。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术（3） 覆盖范围

22、： 在广域网（WLAN）中,网络的覆盖范围是一个受到关注的问题,因为它影响到网络拓扑形式的选择。 在单跳对等网络拓扑中,两个终端之间的最大距离就是终端无线接口的覆盖范围。 在一个基础结构网络中,两个无线终端之间的通信是依靠一个BS或AP来实现的。 这两个终端之间的最大距离是单个无线MODEM覆盖范围的2倍,因为它们可以位于BS或AP覆盖区域的边缘。 实际中的BS或AP通常使用高架固定,以增加无线MODEM的覆盖范围。 这使得在基础结构网络中两终端之间的最大距离为ad hoc网络中使用相同无线MODEM的覆盖范围的2倍。 （4） 可靠性： 固定结构网络是“单点破坏”网络。 如果BS或AP遭到攻击

23、,整个通信网络都会瘫痪,而这种情形在ad hoc网络中就不会出现。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术8.2.2 蜂窝网络拓扑 1. 蜂窝概念蜂窝无线通信是指在传输中使用大量低功率的BS,每个BS只覆盖有限的区域。 用这种方式,每次建立一个新的BS时,容量就会增加,因为同样的频谱在指定的区域内可以被复用几次。 蜂窝的基本原理：把覆盖区域分为大量相连的小区域,每个小区域都使用自己的无线基站。对这些小区域以智能的方式分配信道,这样可以减小干扰、 提供充分的性能以及满足这些区域的通信量。 这种小区域被称为小区,一组小区组成区群。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术 在每个

24、区群中使用相同的频谱,因此可以把整个频带分成频带组,并分配给区群中的小区使用。 在区域中无线频率组的空间分布必须采用某种方式,以便获得理想的性能,这是蜂窝无线通信网络规划的重要内容。 一个区群中小区的数量称为区群大小或频率复用因子。第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术蜂窝结构拓扑能有效地增加可用频率所能支持的用户数量。 例如在一个城市中,可供使用的总带宽为25 MHz,每个用户需要30 kHz带宽。 如果使用单个天线覆盖整个城市,就只能同时支持25 MHz /30 kHz =833个用户。 如使用蜂窝结构，会有如何改进？第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术1.将可用频带

25、分成五部分,每个小区分配一部分,每个小区分配到的频谱为25 MHz/5=5 MHz。 2.使用包含5个小区的区群,每个小区同时支持的用户数量为5 MHz/30 KHz =166,每个区群的用户数量为5166=830。 3.如果城市中有4个包含5个小区的区群,则同时可支持的总的用户数量为8304=3320,约为单个天线所支持容量的4倍。第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术如果可用总频谱为W,每个用户需要的带宽为B,频率复用因子为N,覆盖区域所需的小区数目为m,则同时支持的用户数量为 (8-1) 通常增加容量的方式有： （1） 增加m,通过减小每个小区的大小来实现； (2） 减小频率复

26、用因子N。 BNWnn)/(第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术2. 蜂窝小区的分类在现代蜂窝网络中,出现了一系列支持各种不同应用的小区,这些小区如下定义： (1) 大小区： 用于覆盖全国性的区域,覆盖范围为几百公里,主要应用在卫星通信方面。 (2) 宏小区： 用于覆盖大城市地区,覆盖范围为几公里,天线安装在覆盖区主要建筑物的房顶上。 (3) 微小区： 用于覆盖街道之内,覆盖范围为几百米,天线高度低于沿街两侧建筑物房顶的高度。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术(4) 微微小区： 主要是在建筑内使用的小型小区,支持本地室内网络,覆盖范围为几十米内,例如无线LAN。 (

27、5) 毫微微小区： 这是蜂窝中最小的单元,用于连接个人设备,覆盖范围为几米以内,例如笔记本电脑和蜂窝电话。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术8.2.4 容量扩展技术在20世纪90年代,蜂窝移动电话发展非常迅速,为适应激烈的市场竞争和获取更大的运营利润,产生了不少用于扩展蜂窝移动电话网络的方法。 目前,用于容量扩展的方法有三种。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术第一种方法是改变蜂窝结构。 包括小区分裂、 小区划分扇区使用定向天线、 Lee微小区区域技术和使用多个复用因子。 它们通过增加小区站点或修改天线特性改变了小区覆盖的大小和形状,从而增加了能量。 这些技术不需

28、要额外的频谱,也不需要对无线MODEM或系统接入技术作任何重大改变,因而不需用户购买新的终端。 这些特点证明了它们是一种实用的、 廉价的扩展网络容量的方法。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术第二种方法是改变频率的分配方案,根据不同小区流量需求动态地分配频率。 每个小区的通信量都随着服务区的地形和与通信量有关的时间动态地变化。 例如： 在大部分城市地区,高峰时间的通信量最大,而晚上或节假日的通信量相对较小； 而在住宅地区恰与此相反。 将信道动态地分配给不同的小区,就可增加网络的容量。 这些技术不需要改变终端或系统的物理体系结构,只需要改变相应的软件程序就可以。 第第8 8章章 无

29、线通信组网技术无线通信组网技术第三种方法也是最有效的扩展网络容量的方法,即改变MODEM和接入技术。 蜂窝移动产业的空中接口最初使用FM模拟调制技术,现在发展成为使用TDMA技术,接下来是使用数字MODEM的CDMA技术。 数字技术增加了网络容量,同时也为语音和数据业务的结合提供了一个良好的环境,但是,这种技术上的改变既需要用户购买新的终端,又需要服务提供商安装新的基础设备。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术 8.3 全球数字移动电话系统（全球数字移动电话系统（GSM）8.3.1 GSM业务和功能先前的模拟蜂窝系统是只为通话而设计的,GSM则综合了语音和数据业务,不仅提供移动电

30、话服务,还提供其他一系列的相关业务（见表8-2）。 这些业务可分为三类： 用户终端业务、 承载业务以及补充业务。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术表表8-2 GSM 业业 务务第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术用户终端业务供两个终端用户之间依据协议标准进行通信,包括电话、 紧急呼叫、 自动传真、 短消息（单播和多播）和可视图文。 标准协议的最上层协议要规定好,以便应用程序依据上层协议进行通信。 承载业务提供在用户网络接口或应用程序之间传递信息的能力。 传统的承载业务包括不同的同步或异步数据对PSTN/ISDN和分组交换的公共数据网的访问。 为了实现承载业务,标准的

31、底层协议和帧格式中要规定如何通过空中接口实现数据传输。 补充业务是对用户终端业务和承载业务的补充,包括呼叫转发、 呼叫阻塞等。 这些业务都是由蜂窝网络的有线基础结构实现的。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术8.3.2 GSM系统体系结构描述无线网络标准是一个复杂的过程,需要具体描述终端的标准、 固定硬件骨干和支持系统运行的软件数据库。 为了描述这种复杂的系统,需要有一个参考模型或全面的体系结构,通过它全面地理解网络的部件和运行,并把系统划分为子系统。 与此相似,将GSM系统划分为三个主要的部分（如图8-8所示）： 移动台（MS）、 基站子系统（BSS）、 网络和交换子系统（NS

32、S）。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术图8-8 GSM的体系结构用 户MESIM移 动 台(MS)BTSBSCPD N基 站 子 系 统 (BSS)V LRH LRMSCA U CEIR网 络 和 交 换 子 系 统 (N SS)PSIN其 他 MSC第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术1. 移动台（MS）当MS与用户通信时,为适应空中接口的传输协议,需改变信号的格式。 用户和MS通信,语音通信可借助于麦克风和扬声器来实现,短消息可通过键盘来实现,对于其他的数据终端的通信可通过有线连接来实现。 MS由两部分组成： 一部分为移动设备（ME）,包括扬声器、 麦克风、

33、键盘和无线MODEM； 另一部分为用户识别模块（SIM）, 惟一识别用户,包括用户地址和用户申请的服务类型。 SIM卡携带了用户的私有信息,在GSM中采用了安全机制,用户使用卡时需要输入4位PIN码。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术2. 基站子系统（BSS）BSS通过无线空中接口与用户进行通信,借助于有线协议和有线基础结构进行通信。 对于无线和有线介质要求不同,因为无线介质是不可靠的,带宽有限并需支持移动性。 因此在无线介质和有线介质中,采用的协议不同,BSS可为这些协议间提供转换。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术 BSS包括BTS和BSC两部分。 BTS是

34、系统与MS通过空中接口通信的物理部分。 BTS包括发送器、 接收器以及通过空中接口运行的信令设备,信令设备位于各种安装有天线的小区中心。 一个BSS中可能有一个或几百个BTS。 BSC相当于BSS内的一个小型的交换机,主要的功能是管理频率,完成BSS内BSC间的越区切换。 在单个BTS站点中,BSC的硬件部分位于天线上,在多BTS系统中,NSS的其他一些硬件位于交换中心。第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术3. 网络和交换子系统（NSS）NSS负责网络的运行,它提供与有线和无线网的通信,支持MS的登记和维持与MS建立的连接。 NSS为无线交换方式,需与PSTN的其他交换方式进行通信

35、,同时也支持在蜂窝移动环境下进行通信。 GSM中的NSS通过ISDN协议与PSTN相连,实际上,在GSM发展的过程中,尽量使用与ISDN兼容的协议。 在GSM网络中,NSS是最重要的部分,NSS的硬件为MSC,软件包括： 访问位置寄存器(VLR)、 原籍位置寄存器(HLR)、 设备标示寄存器(EIR)和鉴权中心(AUC)。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术MSC通过7号信令协议与PSTN通信,同时与服务提供商所覆盖范围内的其他MSC进行通信。 有时称与PSTN进行通信的MSC为网关MSC,同时MSC给网络提供移动终端状态的特定信息。 HLR是管理移动用户的数据库,存储的数据有用

36、户地址、 服务类型、 当前的位置信息、 转发地址、 鉴权/密钥和计费信息。 SIM卡除了需要终端的ISDN电话号码外,还需要国际移动用户识别(IMSI)号码。 AUC包含对用户进行鉴权和信息加密的各种不同的算法。 不同类型的SIM卡,其鉴权和信息加密的算法也不同,因此AUC应包括所有的算法,从而NSS可对不同地理位置的不同终端进行操作。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术 EIR为存储移动台设备识别码的数据库,功能是拒绝非法的移动台入网。 数据库存储的信息有国际移动设备识别码(IMEI),IMEI包括制造商、 生产的国家和终端类型。 这些信息可反映有故障的移动台或用来对正在使用的

37、移动台进行校验看是否与类型一致,EIR的使用与否是由服务提供商决定的。 与HLR相似,VLR为临时数据库软件,用于识别在MSC覆盖区内访问的用户。 VLR分配临时移动用户识别码(TMSI),从而可避免在空中接口使用IMSI。 用户在不同的MSC间漫游时,如采用本地和访问位置的数据库,可支持呼叫中路由和拨号。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术8.3.3 支持移动环境的机制1. 位置登记在有线网络中,用户安装电话后,便可以在其数据库中登记此电话号码,同时登记的信息是固定的,因此,有线接入网络的连接和登记过程只需占用1时隙,就一直处于激活状态。而在蜂窝网络的无线接入中,每次开启MS后

38、,都需重新建立连接,并且还可能需在网络内重新进行位置登记过程。 与网络建立连接可以通过不同位置的BS来完成。 因此,无线网络的位置登记的过程复杂度远远大于在有线网的环境下的复杂度。 在GSM中,MS开机后位置登记过程如表8-3所示。第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术表8-3 位置登记过程第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术2. 呼叫建立在有线网络中,呼叫建立是以拨号过程开始的,采用路由选择算法寻找由本地交换局到目的地最佳路由,并将号码传送给最近的PSTN交换局。当建立链路后,目的端的最后一个交换局给源端发送一个信号来通知主叫方被叫方是处于空闲状态还是处于忙状态。当被叫

39、方处于摘机状态时,将发送一个信号给源端局让其停止发送等待音,从而建立业务链路。 在移动环境中,存在两种独立的呼叫建立过程： 一种为MS到固定用户的呼叫,另一种为固定用户到MS的呼叫,MS之间的呼叫建立则为这两者的总和。 移动用户为主叫方的呼叫建立过程可分为15步,如表8-4所示。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术表8-4 移动用户为主叫方的呼叫建立过程第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术图8-9 漫游用户为被叫方的情况HLRMSCMSCVLRBSSE.OPSTNGSM基础结构 呼叫建立过程中最复杂的情况为固定用户呼叫漫游的移动用户,如图8-9所示。第第8 8章章 无

40、线通信组网技术无线通信组网技术固定用户拨号后,根据目的端地址,PSTN将呼叫转发给相应的MSC,MSC从HLR中获取路由信息,原因在于在新的情况下,移动用户在不同的MSC内漫游,新的MSC需将地址传送给原来的MSC,以供两者联系。 在目的MSC内,在MSC控制下根据位置登记的信息,VLR向所有的BSS发出寻呼请求。 收到从MS来的应答以后,VLR发出必要的参数给MSC建立到MS的连接。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术3. 越区切换越区切换包括两种类型： 内部越区切换和外部越区切换。 内部越区切换发生在同一BSS内的不同BTS之间,外部越区切换发生在同一MSC的不同BSS之间。

41、 越区切换非常有必要,其原因是： 第一,由于蜂窝小区边缘信号强度的减弱； 第二,通过越区切换可将阻塞小区的呼叫转移到负荷较轻的蜂窝小区中,从而减少网络业务的阻塞,平衡通信。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术在同一MSC控制下的两个不同小区的BSS之间的切换过程如图8-10所示。 MS监控相邻小区信道的信号强度值, 将结果报告给MSC。 BTS同时也监控MS的信号强度值,从而做出是否需进行越区切换的判断。如需进行越区切换,MSC需与具有新BSS的新信道协商,并需采用越区切换命令通知MS发生蜂窝小区越区切换。完成蜂窝小区越区切换后,MS发送蜂窝小区越区切换完成消息给MSC。 第第8

42、 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术图8-10 单MSC和两个BSS的越区切换测量报告要求越区切换越区切换请求越区切换请求ACK越区切换命令越区切换命令越区切换越区切换完成清除命令清除完成越区切换完成MSBSS1MCSBSS2第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术8.3.4 网络基础结构中的通信前面讨论了GSM的服务、 体系结构以及为支持移动性而采用的一些机制。 接下来将讨论网络各部件通信是如何通过协议来完成的。 GSM标准指定前面所讨论的体系结构的所有部件之间通信的接口。主要的硬件和相关软件接口之间通信协议的体系结构如图8-11所示。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信

43、组网技术图8-11 GSM协议的体系结构RadioLAPDMRRMMMUm空中接口A-bitCMMSRadioLAPDMBTS64 kb / sLAPDRRMLAPDBSC64 kb / sMTPRRM64 kb / sAMTPRRMMMCMMSC64 kb / sCM：连接管理 MM：移动性管理SCCP：信令连接控制部分RRM：天线资源管理 MTP：消息传输部分LAPD：链路接入协议-D第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术 MS和BTS通信的空中接口Um,是指与无线相关的接口,其定义最为复杂。BTS和BSC间的接口为A-bit,BSC和MSC之间的接口为A,这两者采用的协议与现有

44、的ISDN协议类似。 协议可分为三层。 第一层： 物理层;第二层： 数据链路层（DLL）;第三层： 网络层。第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术 8.4 CDMA数字蜂窝系统（数字蜂窝系统（IS-95）8.4.1 频率和信道规范CDMA系统与模拟系统和TDMA系统相比其系统的容量大大提高。 CDMA采用性能更好的声码器来提高语音的质量,可抑制多径效应和衰落,使用软切换,功率消耗更小（平均为67 MW）,由于采用功率控制而使其为模拟系统和TDMA系统消耗功率的10%,而且不需要对频率进行分配,因为所有的蜂窝小区在同一时间采用同一频率。 尽管CDMA系统具有很大的优势,但其缺点在于功率

45、控制和实现的复杂性上。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术CDMA数字蜂窝系统（IS-95）是一个能同目前的模拟AMPS系统兼容的双模式系统,其频率设置成同AMPS系统相互错开的方式,以减少干扰。 小区内基站与移动台之间采用频分双工（FDM）方式,基站还可通过使用定向天线将小区划分成几个扇区。 基站一般有两根接收天线,以增加信号的分集效果。 基站通过微波局域网同移动电话交换中心（MTSO）用时分双工（TDM）方式连接起来,最后,MTSO通过7号信令与当地的公众电话网联络。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术IS-95CDMA系统有如下主要指标： （1） 频段：下行8

46、69894 MHz（发）,824849 MHz（收）； 上行824849 MHz（发）,869894 MHz（收）。（2） 信道数： 64个（码分信道）/每1.25 MHz（RF）； 每一小区（cell）可分为3个扇区,可共用一个RF； 每一网络分9个RF,其中收发各占12.5 MHz,共占25 MHz。（3） RF带宽： 第一信道为21.77 MHz; 其他信道为21.23 MHz。第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术（4） 扩频调制： QPSK（基站）； OQPSK（移动台）。（5） 扩频方式： DSPN。（6） 数字滤波器带宽1.25 MHz。（7） 语音编码： 可变速率CE

47、LP,最大速率为8 kb/s,最大数据速率9.6 kb/s,每帧20 ms。（8） 信道编码采用卷积码和维特比译码。（9） PN码： 频率为1.2288 MHz ,基站识别码为（215-1）b,用户识别码为（242-1）b, 64个正交Walsh函数组成64个信道。第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术 （10） 交织编码： 采用交织编码作为时间分集，20 ms间距。 （11）接收方式：采用RAKE接收,移动台为3RAKE,基站为4RAKE。8.4.2 前向CDMA信道前向CDMA信道共有64个,包括导频信道1个； 同步信道（必要时可改作业务信道,因为移动台在获得同步后不再监听同步信

48、道）1个,传输数据率为1.2 kb/s； 寻呼信道（必要时可改作业务信道,直至全部用完）7个,传输数据率为9.6/4.8 kb/s； 前向业务信道（最多63个）55个,传输数据率为9.6/4.8/2.4/1.2 kb/s可变。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术1. 前向导频信道前向导频信道发送的是不包含信息数据的扩频信号。 它始终在发送。 与其他信道的信号相比,导频信号的发射功率较大,以便于移动台对基站发送的两个相位与该基站对应的扩频伪随机序列的捕获和跟踪。 当移动台和基站同步后,导频信号对其他信道的相干解调起到相位基准的作用。 此外,导频信号也是移动台判断是否要越区切换的一个

49、基准。 前向导频信道非常简单,不传输任何数据信息（或者说,输入的数据信息为全“0”或全“1”）,因而没有卷积编码、 码元重复和分组交织等过程。 另外它使用的Walsh码W0是全0（或全1）序列（64个“0”或者64个“1”）。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术2. 前向同步信道基站在此信道发送同步信息,供移动台建立与系统的定时和同步。 移动台通过导频信道与基站发送的两个相位与该基站相对应的扩频伪随机序列同步后,开始解调同步信道的信息数据。 同步信道的信息数据主要包括系统时间和导频偏置,使移动台确知正在接入的是哪一个基站。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术3. 前

50、向寻呼信道 基站在此信道寻呼移动台,发送寻呼指令及业务信道支配信息。 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以前,基站通过寻呼信道向移动台传送控制信息（信令）。 当需要时,寻呼信道可以变成业务信道,用于传输用户业务数据。 所传输的数据经过与用户号码所对应的长伪随机码的变换序列调制后再传输,以使通信保密。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术4. 前向业务信道 基站在前向业务信道中的业务帧给移动台发送报文信息。 在业务信道中传输的是用户语音编码数据或其他业务数据。 为了通信保密,所传输的业务数据经过与用户号码所对应的长伪随机码的变换序列调制后再传输。 此外

51、,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。 另外,业务信道还传输如越区切换等控制信息。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术图8-13 CDMA前向业务信道卷积解码和符号重复r1 / 2 K9来自基站的用户数据块交织长码发生器19.2 kb / s第n个用户的长码抽取器1.2288 Mc / s数据扰频抽取器MUX功率控制比特800 Hz符号覆盖1.2288 Mc / s沃尔什码I导频信道序列基带滤波基带滤波Q导频信道序列9600 b / s4800 b / s2400 b / s1200 b / s4第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信

52、组网技术表8-5 IS-95前向业务信道调制参数 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术8.4.3 后向CDMA信道后向CDMA信道（移动台基站）由若干业务信道和接入信道组成,每个CDMA信道能有高达62个的业务信道,每个寻呼信道能支持高达32个接入信道。 其中,每个业务信道用不同的用户长伪随机码序列加以识别； 每个接入信道用不同的接入信道长伪随机码序列加以识别。 后向CDMA信道的结构如图8-14所示。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术图8-14 IS-95后向信道一 条 CD MA 反 向 链 路 占 用869 894 MH z频 段 内 的 1.25 MH z接

53、 入 信 道PH CP接 入 信 道1接 入 信 道PH CP接 入 信 道PH CP业 务 信 道1业 务 信 道1基 本 码信 道 数 据补 充 码信 道 数 据补 充 码信 道 数 据第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术与前向信道相似,后向信道中也采用PN码扩频调制,此PN码的长度也与前向信道中的相同,为215； 不同的是,在这里使用了一个固定的相位偏差。移动台发送的数字信号也进行了卷积编码、 码组交织、 64元Walsh函数正交调制、 长PN码扩频和四相扩频调制。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术1. 后向接入信道后向接入信道是一个随机接入信道,供网内移动台

54、随机占用。 移动台在此信道发起呼叫及传送应答信息。 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。 当呼叫时,在移动台没有转入业务信道以前,移动台通过接入信道向基站传送控制信息（信令）。 当需要时,接入信道可以变成业务信道,用于传输用户业务数据。 所传输的数据经过与用户号码所对应的长伪随机码的变换序列调制后再传输,以使通信保密。 在一个CDMA频道中,最多可有32个接入信道,最少是0。 每个接入信道用不同的接入信道长伪随机码序列加以识别。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术2. 后向业务信道后向业务信道是移动台是移动台通过业务帧给基站发送报文信息的信道。

55、图8-15为后向业务信道的调制过程。 后向信道上的用户数据被分成20 ms的帧。 后向信道上的所有传输数据在传输之前都要经过卷积编码、 块交织、64阶正交调制和扩频。 表8-6为后向业务信道的调制参数。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术图8.15 CDMA后向业务信道的调制过程信息比特块交织28.8 ks / s用户 n的长码掩码1.2288 Mc / s307.2 kc / s基带滤波器Q信道零偏移导频序列9600 b / s4800 b / s2400 b / s1200 b / s卷积解码和符号重复r1 / 3 K9码符号码符号 64阶正交调制器沃尔什码片数据突发序列随机

56、化器PN码片I信道零偏移导频序列基带滤波器D1 / 2 PN码片延时406.9 ns长码发生器PN码片I(t)Q(t)第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术表8-6 IS-95后向业务信道调制参数 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术8.4.4 CDMA的移动性和无线资源管理1. 软切换软切换是建立在CDMA系统宏分集接收基础上的一项技术,已成功应用于IS-95CDMA系统。 软切换是IS-95系统引入的一个崭新的概念,除了技术实现上的改善外,还给通信话音质量、 系统容量等方面带来了突破。 IS-95中支持三种类型的切换： 软切换；CDMA与CDMA的硬切换；CDMA至模

57、拟的切换。第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术当移动台开始与一个新的基站联系时,并不立即中断与原来基站之间的通信,这种切换方式即为软切换。软切换仅仅能运用于具有相同频率的CDMA信道之间。 FDMA、 TDMA系统中广泛采用硬切换技术,当硬切换发生时,因为原基站与新基站的载波频率不同,移动台必须在接收新基站的信号之前,中断与原基站的通信。 往往由于在与原基站链路切断后,移动台不能立即得到与新基站之间的链路而中断通信。 另外,当硬切换区域面积狭窄时,会出现新基站与原基站之间来回切换的“乒乓效应”,影响业务信道的传输。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术在CDMA系统中提

58、出的软切换技术,很好地利用了直接扩频系统的特点,与硬切换技术相比,具有以下更好的性能：（1) 软切换发生时,移动台只有在取得了与新基站的链接之后,才会中断与原基站的联系,通信中断的概率大大降低。 （2) 软切换进行过程中,移动台和基站均采用了分集接收的思想,有抵抗衰落的能力,不用过多增加移动台的发射功率； 同时,基站宏分集接收保证在参与软切换的基站中,只要有一个基站能正确接收移动台的信号就可以进行正常的通信,由于通过反向功率控制,可以使移动台的发射功率降至最低,这进一步降低了移动台对系统的干扰。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术（3) 进入软切换区域的移动台即使不能立即得到与新

59、基站的链路,也可以进入切换等待的排队队列,从而减少了系统的阻塞率。 软切换的过程从移动台开始,它必须不断测量系统内导频信道的信号强度。 为了有效地对导频信道进行搜索,IS-95中的导频信道被分为活动集、 候选集、 邻近集和剩余集四个集合。 第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术 活动集由具有足够强度,并正在参与移动台接收的导频组成。 候选集是由曾经在活动集中,或是强度超过T_ADD的有关导频构成。 邻近集是由不在活动集与候选集中的,但有可能参与软切换的导频构成。 剩余集是由目前频率上的除了活动集、 候选集、 邻近集以外的其他导频构成。第第8 8章章 无线通信组网技术无线通信组网技术2

60、. 功率控制跟所有的蜂窝电话系统相同,CDMA系统也受干扰的限制。 然而,同频道干扰和邻道干扰并不是主要的问题。 事实上,CDMA的干扰来自同一时间采用同一频率传输的其他所有用户的信息。 为了避免“远-近”效应,采用很好的功率控制相当重要。 同时为了获得良好的链路质量,并考虑到衰落和阴影效应,需增加发射的功率。 在CDMA中,即使信号的强度很强,由于存在干扰,所接收到的帧也可能出错,因此在CDMA中的功率控制策略借助于帧差错比率（FER）,在其他的系统中借助于信号强度。 功率控制保证每一用户到达基台的信号具有相同的功率,以便获得最佳的信号干扰比,提供系统的信道容量。 第第8 8章章 无线通信组