移动通信技术基础教程

12移动通信根本概念移动台

无线基站移动交换中心蜂窝小区切换漫游3蜂窝通信根本原理4GSM蜂窝覆盖示意图室内站微蜂窝宏蜂窝GSM900微蜂窝微蜂窝宏蜂窝DCS18005蜂窝通信根本原理6蜂窝通信几个概念和区别7频率时间TDMA时间频率FDMA频率时间码字CDMA8FDMA信道每次只能传递一个如果一个FDMA信道没有使用，并且处于空闲状态，它不能被其他用户使用以增加共享容量。在分配成语音信道后，基站和移动台就会同时地连续不断地发射。FDMA需要精确的RF滤波器，需要双工器〔单天线〕。非线性效应：许多信道共享一个天线，功率放大器的非线性会产生交调频率〔IM〕，产生额外的RF辐射。FDMA比TDMA简单，同步和组帧比特少，系统开销FDMA通常是窄带系统。9多个用户共享一个载波频率，分享不同时隙。TDMA系统的数据传递是不连续的，是分组发射，可以关闭。不连续发送，可以利用空闲时隙监听其他基站，实现切换处理。需要自适应均衡；需要保护时隙。分组发射需要额外的系统开销，如保护数据同步。按照不同的用户提供不同的带宽。TDMA的效率是指发射的数据中信息所占的百分比。10移动通信电波传播的特点

时间接收信号强度发射信号多径环境11移动通信电波传播的特点

发射信号接收数据信道衰落特性12移动通信电波传播的特点

电磁波多经传播——反射、散射和绕射多普勒频率扩展，运动引起信道变化〔扩散频移〕无线环境中的信号衰减分成三局部：幅度衰减较大的路径损耗伴随中等幅度衰减的具有对数正态分布特性的慢变化成分－大尺度变化衰减幅度较小的快变化成分－小尺度衰落两类典型小尺度衰落包络分布的描述方法：瑞利分布〔非视距传播〕莱斯分布〔视距传播〕13高斯噪声信道模拟当前径权重接收信号发射信号信道模拟当前径权重信道模拟当前径权重信道模拟当前径权重移动通信信道模型

14噪声和干扰

15蜂窝无线区域的组成方法

频率复用的概念〔容量扩充〕呼叫阻塞载频受限频道扩充受限成本受限16无线区域的划分

七小区频率复用17基站天线鼓励方式18效劳小区“扇区化〞19GSM系统频率复用模式4×3标准复用模式〔GSM体制推荐〕无线区族4个基站每基站3扇区基站结构3个120或三叶草扇区C/I12dB20GSM系统频率复用模式复用方式3个基站9个扇区特点不增加新基站容量增加〔有限〕抗干扰措施3×3标准复用模式21GSM常规信道分配方式要求各邻小区禁止使用同频各小区使用的邻频间隔尽可能大链形分配22实际的无线区划和组成

23蜂窝小区规划初步人口密度和居民购置力，用来估计效劳的深度和广度经济活力决定了时间、地点和话务量密度现有的网络规模24兼容性抗噪声与干扰信道扩充标准化开放接口平安与保密越区切换平稳用户识别ISDN兼容语音与数据业务增强型业务与补充业务GSM系统特点25RADIOCOMRTMSTACSC-450NMT2000ITALYU.KSPAINAUSTRIANORWAYFINLANDSWITZERLANDNETHERLANDSDENMARKSWEDENFRANCEPORTUGALGERMANY兼容性26G.703X.25C7ISDNIEEE802.3LAP_BLAP_DV.35标准化开放接口27平安与保密IMEIA5SIM28语音与数据业务普通紧急呼叫短消息业务双号码个人号码公司号码数据业务根本数据速率9.6Kb/s4.8Kb/s2.4Kb/s可视图文与网上浏览用户电报

29增强型业务范围多方通话呼叫转移来显、呼叫等待短消息业务话费查询30MSCBSCBTSBTSHLRVLREIRNSSPSTNIWFECTRAU

SIMMENMCOMCOMCOMSBSSMSGSM网络结构31MSC功能与作用呼叫处理呼叫建立、连接与去除切换过程移动性管理位置更新过程用户身份识别移动设备识别操作与维护数据库管理测量人机接口〔MMI〕网间互通计费

MSC32HLR功能与作用HLR:HomeLocationRegister用户识别号〔IMSI,MSISDN〕当前用户的VLR〔当前位置〕业务限制信息用户申请的补充业务补充业务信息〔例：当前转移的号码〕用户状态〔registered/deregistered〕鉴权key和AUC功能移动用户漫游号〔MSRN〕HLR33VLR功能与作用VLRVLR：VisitorLocationRegister移动台状态局部补充业务数据移动站的位置登记〔LAI〕临时移动用户识别号〔TMSI〕管理移动用户漫游号MSRN管理34AUC功能与作用MSCBSCBTSBTSMSCHLRVLREIRVLRABCDEFGAUCH

鉴权和加密数据

Ki,RANDA3,A8算法

Kc,SRES35EIR功能与作用包含所有经注册登记的合法移动设备包含所有被禁止使用的移动设备包含所有要跟踪的移动设备36IMEI查询流程

呼叫建立 在EIR查询IMEI请求IMEI传送 查询结果送MSCMS发送IMEIMSBSSMSCEIR

37基站子系统〔BSS〕的组成OMC-RTCBSCBTSBTSMSMSUM接口Abis接口A接口基站控制器—BSC基站收发信机—BTS无线操作维护中心—OMC-R码变换器—TC〔Transcoder〕38BSC的一般结构数字中继交换网络控制网络数字中继A接口Abis接口39BSC的作用功能实现A接口物理层规定〔PCM/E1〕实现A接口No.7号信令功能〔SP〕实现Abis接口物理层规定〔PCM/E1〕实现Abis接口数据链路层〔LAPD〕实现A接口与Abis接口间信道交换功能实现局部网络层的功能实现无线资源管理〔RR〕实现BSS管理应用局部的功能实现切换功能等40BTS的一般结构基站接口设备信令处理编码与交织译码与解交织加密解密调制均衡解调发信机收信机天线跳频控制时钟AbisUmBTS的功能模块41BTS的作用功能实现Abis接口物理层规定〔PCM/E1〕实现Abis接口数据链路层〔LAPD〕实现BTS管理功能实现局部无线资源管理〔RR〕实现Um接口物理层规定〔PCM/E1〕实现Um接口数据链路层〔LAPDm〕实现实现跳频功能实现信道加密、解密功能实现信道编译码、交织与解交织功能实现调制与解调功能42移动台〔MS〕的组成

MESIM43移动台的电原理图语音编码信道编码交织加密TDMA突发序列形成调制TxRx双工器解调均衡解密解交织语音解码信道解码VCO频率合成器定时与控制44功率控制与DTX〔不连续发射〕DTX克服远近效应减少频率污染节省电力1W4W30mW45功率控制与接收灵敏度0 43dBm1 41dBm2 39dBm 3 37dBm4 35dBm. .. .15 13dBm功率控制电平等级：步长：2dB;容限：2.0dB接收灵敏度：移动台：-102dBm基站：-102dBm46用户识别卡〔SIM〕用户固定数据IMSIKi接入控制级安全算法网络临时数据TMSILAIKc选择的PLMN业务相关数据使用的语言话费数据47GSM网络的接口GAAbisUmAUCHLRMSCEIRIWFTCBSCBTSBTSBTSECNMCOMCVLRMSCIWFTCECVLRTCPSTNBSCBTSBTSBTSBTSBTSBTSBSSBCHDEF48GSM系统的频率配置45MHz双工间隔960950935917915905890872基站发射频率基站接收频率2MHz保护频带（单位：MHz）925880GSMTACS/GSMEGSMETACS49DCS1800的频率配置95MHz双工间隔1880180517851710

基站发射频率基站接收频率20MHz保护频带（频率单位：MHz）DCS180050无线信道编号〔N〕GSM900主频段〔P-GSM〕上行：Fl=890+0.2×N(MHz)(1N124)下行：Fh=Fl+45(MHz)GSM扩展频段〔E-GSM〕上行：Fl=890+0.2×(N-1024)(MHz)下行：Fh=Fl+45(MHz)(975N1023)DCS1800频段上行：Fl=1710.2+0.2×(N-512)(MHz)下行：Fh=Fl+95(MHz)(512N885)51空间接口信道类型物理信道：一个载频上的TDMA帧的一个时隙(TS)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播送控制信道公共控制信道专用控制信道52业务信道〔TCH〕TCHTrafficChannelsSpeechDataTCH/FSTCH/HSTCH/9.6TCH/2.4TCH/9.6TCHSACCHFACCH53控制信道〔CCH〕CcHControlChannelDCCHACCHSDCCHFACCHSACCHBCCHSCHBCCHCCCHRACHPCH/AGCHCBCHBCCHNBNBNBFBNBABSBNB/ABNB/DB注：*B为突发脉冲序列类型5455GSM的FDMA/TDMA结构时间频率f5f4f3f2f0f1TS0TS1TS2TS3TS4TS5TS6TS7TS0TS1TS2TS3TS4TS5TS6TS7TS0TS1TS2TS3TS4TS5TS6TS7TS0TS1TS2TS3TS4TS5TS6TS7TS0TS1TS2TS3TS4TS5TS6TS7TS0TS1TS2TS3TS4TS5TS6TS7TDMA帧56时隙与TDMA帧0123456701234567TDMAFRAME1TDMAFRAME2时隙突发序列（BURST）57突发脉冲序列〔NB〕与帧NORMALBURST0123456701234567TDMAFRAME1TDMAFRAME2TRANINGSEQUENCESTEALINGFLAGTAILBITSTAILBITSGUARDPERIDGUARDPERIDINFOINFO58GSM复帧〔业务信道〕TRAFFICCHANNELS120TDMAMultiframes01234567012345670123456701234567891011121314151617181920212223242526-TDMAMultiframes59GSM复帧〔控制信道〕CONTROLCHANNELS120TDMAMultiframes012345670123456701234567012345

3839404142434445464748495051-TDMAMultiframes60GSM的时帧结构26-Frame复帧204720462045012……504901…………………484723252401………...252401…………24504801…………480123456751-Frame复帧1超高帧=2048超帧=2715648TDMA帧（3h28mn53s760ms）4.615msTDMAframe120ms1超帧=1326TDMA帧（6.12s）235.38ms业务信道控制信道61基站与移动台间的时间调整

移动台收3TSOFFSET0123456701234567TDMAFRAMENTDMAFRAMEN移动台发TIMEADVANCE3TSOFFSETTDMAFRAMEN0123456701234567TDMAFRAMEN移动台收移动台发62空间分集

10个波长左右比较/合路合成信号63频域均衡法时域均衡法00011164语音编码260bit20ms规则脉冲激励长期预测编码器(RPE-LTP)原理图

65信道编码50bitsClass1aClass1aClass1a132bitsClass278bits378bits卷积编码（ConverlutionalCoder）501323478校验比特

尾比特456bits260bits66信道交织SpeechBlocks456123456712345670234567012345670FRAME1FRAME2FRAME3Bursts11767移动台跳频工作过程Af2`Af1`移动台接收—BCCH移动台发射—TCH012345670123456701234567移动台接收—TCH01234567Af1Af2Bf0Bf168鉴权(Authentication)A3A8SresKcRANDKiAUCA3A8SresKcKiSIMSresKcRANDVLR=?69加密(Ciphering)A3A8SresKcKiSIMSresKcRANDVLRA5Speech,DataMSA5Speech,DataBTS无线通路70公众陆地移动网(PLMN)结构SPSPSPSP数据库层信令层用户层GMSCMSCMSCBSCBTSBTSSPSPSPSPLEPSTNPLMNCBDEFGHLRVLRVLREIRAuCHMS网络层71GSM网路连接示意MSCTMSCTMSCHLRHSTPLSTPC1C2C3C4C5PSTNPLMNCCS7NBSS72公众陆地移动网(PLMN)的组网MSCHLRBSSMSCBSSMSCBSSHLRTS2TS1TS3LSLSLS长途编号区1长途编号区3长途编号区273省内PLMN的组网TMSCTMSCTMSCMSCBSSHLRMSCBSSHLRMSCBSSHLR74GSM信令网络结构75编号方案移动台国际ISDN号码(MSISDN)国际移动用户识别码(IMSI)临时移动用户识别码(TMSI)移动用户漫游号码(MSRN)国际移动台设备识别码〔IMEI〕位置区识别码(LAI)全球小区识别码(CGI)基地站识别码(BSIC)MSC/VLR号码HLR号码切换号码(HON)76PSTNMS呼叫流程HLRBSSGMSCMSC/VLR移动用户漫游号码(MSRN)CCNDC00M1M2M3ABCMSISDNMSISDNMSRNIMSIMSRNMSRN

IMSIMSRN77越区切换模式BSC-B1BSC-A1BSC-A2MSC/VLR-BMSC/VLR-AGMSC78越区切换示意BSSBSSBSSBSSBSSMSC/VLRMSC/VLRMSC/VLRPSTNMSC内MSC间后续MSC间交换点79位置更新示意图LA1LA2LA3HLRnewMSC/VLR123456oldMSC/VLR80移动被叫计费原那么LEGMSCHLRMSC/VLR归属PLMN访问PLMNMSC/VLR123456支付:1、2、3支付:5－3、6支付:48182GPRS开展背景Internet数据业务的推动原有GSM系统支持数据业务的缺点无线/网络资源利用率低，费用昂贵数据速率低，HSCSD最高64kbit/s移动数据通信市场的巨大需求向第三代移动通信迈进

83GPRS的优势无线/网络资源利用率高，计费方式灵活，价格合理速率较高：1-8个时隙，CS1-CS4，可达约10kbit/s-170kbit/s分组交换平台为多种业务提供承载可以逐步向3G、全IP网演进84GPRS的特点上下行链路可不对称，数据速率可变“永远在线〞：在不进行数据传输时可将数据业务挂起，不占用无线/网络资源，再进行数据传输时能较快恢复，无需重新发起业务一个MS可同时进行多个数据会话根据网络和MS的工作模式，用户可以分别/交替/同时进行话音和分组数据业务85GPRS的业务86GPRS业务例如GPRSPDNGGSNPOSME银行主机远端遥测单元ME监测主机监测主机1287GPRS调度业务例如GPRSPDNGGSNTEMEPTM服务器调度中心主机88GPRS的网络结构BG边界网关CG收费网关DNS域名效劳器DHCP动态主机配置协议GINGPRS截获节点MFS多功能效劳器TC码型变换器W@P无线应用协议GPRS网络可以看作是一个IP子网

89接口或参考点说明R非ISDN终端与移动终端之间的参考点GbSGSN与BSS之间的接口GcGGSN与HLR之间的接口GdSMS-GMSC之间的接口，SMS-IWMSC与SGSN之间的接口GiGPRS与外部分组数据之间的参考点Gn同一GSM网络中两个GSN之间的接口Gp不同GSM网络中两个GSN之间的接口GrSGSN与HLR之间的接口GsSGSN与MSC/VLR之间的接口GfSGSN与EIR之间的接口UmMS与GPRS固定网部分之间的无线接口GPRS逻辑体系结构GfSGSNDGiGnGbGcCEGpGsMSC/VLRTEMEBSSTEPDNRUmGrAHLR其他PLMNSGSNGGSNGdSM-SCSMS-GMSCSMS-IWMSCGGSNEIRSGSNGrBTS软件升级BSC增加PCU及软件升级ME为具有GPRS能力A/B/C类的MS与原GSM共用软件升级新增网元软件升级90GPRS网络骨干网的组成

GPRS网络的主要实体

GPRS支持节点〔GSN〕GPRS骨干网本地位置存放器〔HLR〕短消息业务网关移动交换中心(SMS-GMSC)短消息业务互通移动交换中心(SMS-IWMSC)移动台〔MS〕移动交换中心(MSC)/拜访位置存放器(VLR)分组数据网络(PDN)91GPRS无线网络结构

①GPRS效劳区(SA)②公共陆地移动网(PLMN)③SGSN效劳区④SGSN路由区(RA)⑤位置更新区(LAC)⑥BSC控制区⑦基站小区92GPRS逻辑信道分组数据信道〔PDCH〕业务信道(PDTCH)→TCH控制信道播送控制信道：PBCCH→BCCH公共控制信道：PPCH，PRACH，PAGCH，PNCH→PCH，RACH，AGCH专用控制信道：PACCH，PTCCH→SACCH93分组业务工作流程

MSBSSSGSNHLREIRGGSNPDN2.执行附着规程①MS发出附着请求 ②获取标识③加密、鉴权 ④IMEI校验（可选）⑤必要时，位置更新⑥必要时，P-TMSI重新分配4.进行分组数据的传送

PDP转入激活状态MS转入准备就绪状态或待命状态1.建立无线链路连接3.执行PDP上下文激活规程①MS发出激活PDP上下文请求②加密、鉴权③建立无线承载链路④SGSN根据APN进行地址解析，确定GGSN⑤建立SGSN与GGSN之间的连接⑥SGSN和GGSN创建PDP上下文，分配IP地址，启动计费等94GPRS的局限性与开展前景GPRS的局限性小区总容量有限实际传输速率和理论值之间存在着较大的差距GPRS使用的调制方式还有待改进存在转接时延

GPRS的开展前景95CDMA的根本概念扩频多址〔SSMA〕所传信号的带宽必须远大于信息的带宽。所产生的射频信号的带宽与所传信息无关。通信原理与信息论的著名Shannon公式：C=FTLg(1+S/N)；其中：F为限频带宽；

T为限时带宽；S/N为信号功率信噪比；

C为信道容量。

一个限时(T)限频(F)限功率(S)的连续白色高斯信道，其信道容量C可以形象的用3个主要信号参量所决定的体积来表示。扩频通信的根本原理，就是用频带换取信噪比。96频率选择性衰落窄带系统大衰落发射信号接收到的衰落信号频率频率强度强度大衰落发射信号接收到的衰落信号频率频率强度强度宽带系统97扩频码扩频码信号合并窄带信号fP(f)宽带信号P(f)f噪声P(f)f噪声+宽带信号P(f)f信号与噪声分离P(f)f98扩频通信的种类99扩频通信发射接收机框图〔1〕DS－CDMA信号发射/接收机100扩频通信发射接收机框图〔2〕FH－CDMA信号发射/接收机上变频频率合成伪码产生数据载波发生伪码产生同步跟踪解调下变频数据基带调制101扩频通信发射接收机框图〔3〕TH－CDMA信号发射/接收机随机编码发生器数据随机编码发生器同步电路脉码调制解调器数据脉码调制发射机102CDMA移动通信系统的特点

103DS—CDMA的根本单元1、在发送端：设计一组相互正交的信号参量X(t)=其中Xi(t)为第i个用户地址的信号；λi为第i个用户信号的正交参量。2、那么正交参量应满足：3、在接受端设计一个正交信号识别器如下图104远近效应PowerfPowerf每个用户对于其他用户都相当于干扰，远近效应严重影响系统容量105功率控制小区发射功率上报功率控制比特手机发射信号功率控制命令克服远近效应和多径衰落减小多址干扰，保证网络容量延长电池使用时间前向功率控制反向功率控制106功率控制效果决定了DS－CDMA系统的容量；多址干扰－远近效应功率控制的目标：所有的信号到达基站的功率相同〔上行〕；减少对其他基站的干扰〔下行〕功率控制可以补偿衰落有三种功率控制原理：开环、闭环和外环开环：从信道中测量干扰条件，并调整发射功率，以到达期望的误帧率〔误块率〕闭环：测量信噪比，并向移动台发送指令调整它的发射功率外环：测量误帧率〔误块率〕，调整目标信噪比107地址码的选择与实现

m序列由移位存放器生成是最大长度的线性移位存放器序列，周期是2n-1〔n为移位存放器长度〕按照m序列定义：m=7，n=3即它可以由最简单的三级移位存放器产生7位的m序列的伪随机码序列：1110010108地址码的选择与实现这时可利用DS-CDMA的m序列自相关特性来区分与识别用户多址。上述七位m序列扩频码的自相关函数F=，如下图。假设我们取此m序列七位码元的不同移位(向左移)构成7个不同用户的地址码，那么有：C1=1110010C2=1100101C3=1001011C4=0010111C5=0101110C6=1011100C7=0111001C8=1110010只有当发端、收端是同一用户地址码时(即时间移位对齐时i=j〕，自相关函数输出最大为7，当收、发不是同一用户地址码时(即时间移位错开一至六位时)，其自相关函数输出均为-1。109软切换当邻近小区的强度超过本小区信号强度一个给定的门限时，移动台执行切换，－硬切换〔FDMA、TDMA〕CDMA系统小区的频率一致，软切换时，移动台同时与多个基站相连接当邻近小区的信号强度超过一个门限，但仍然低于当前小区基站的强度时，那么进入软切换状态在上行链路，二个或多个基站可以接收同样的信号，在下行链路移动台可以相干地合并来自不同基站的信号，即宏分集由于新基站发射额外的信号给移动台，在下行链路，软切换增加了对系统的干扰110软切换ABCABCABCABCABCABC改善话音质量；控制干扰降低掉话率；提高容量与覆盖范围111接收机单径接收电路单径接收电路单径接收电路搜索器计算信号强度与时延合并合并后的信号tts(t)s(t)112智能天线113智能天线的覆盖全向小区三扇区小区智能天线小区114智能天线的优点高速率用户带来很大的干扰，动态调整的智能天线阵列的波束跟踪高速率用户，起到空间隔离、消除干扰的作用；动态调整的智能天线阵列的性能优于固定的多波束天线增加系统容量增加覆盖范围，改善建筑物中和高速运动时的信号接收质量提高信号接收质量，降低掉话率，提高语音质量减少发射功率，延长移动台电池寿命提高系统设计时的灵活性115基站用215长度的短扰码来区分，不同的基站用不同的相位上行用非相干解调，采用Walsh调制〔6-64符号变换〕，性能低于相干解调各个用户用242长度的长扰码区分，不同的用户采用不同的扰码下行快速功控比特在数据比特中打孔传输IS-95A支持语音业务，IS-95B开始支持数据业务，采用补充码分信道，是多码传输的方式116基站同步方式：需GPS/GLONASS信道带宽：N*1.25Mhz码片速率：N*1.2288McpsN=1,3,6,9,12语音编码：8K/13KQCELP8KEVRC发射分集方式：OTD，STS调制方式：上行QPSK下行BPSK功率控制：上、下行闭环功率控制，外环功率控制信道编码：卷积码和TURBO码解调方式：导频辅助的相干解调CDMACDMA20002000117IS-95A/B是cdma2000的子集码片速率1.2288Mcps扩频调制：前向QPSK，反向HPSK反向导频，相干解调快速前向和反向功率控制前向发射分集：OTD、STS信道编码增加Turbo码可变帧长，5ms,10ms,20ms,40ms,80ms支持F-QPCH，延长待机时间速率最大可达307.2kbps支持QoS协商支持多媒体业务支持8K/13KQCELP8kbpsEVRC信道容量是IS-95A/B的2倍118cdma2000网络结构ss7MSC/VLRHLR

PSTNISDNcdma2000BSSBTSBSCBTSBSC/PCFcdma2000BSSHAPDSNIPBackboneInternet,Intranet,etc.RadiusGMSC119三种主要3G体制比较采用国家欧洲，日本美国，韩国中国继承基础GSM窄带CDMAGSM试用期日本2002年韩国2001年底同步方式异步同步异步码片速率(Mcps)3.84N*1.22881.28空中接口WCDMAcdma2000，兼容IS95TD-SCDMA核心网GSMMAPANSI-41GSMMAPWCDMAcdma2000TD-SCDMA1203G使用的频段ITU