第五章 移动通信.ppt

1、第五章 移动通信系统,本章内容 移动通信概述 GSM移动通信系统 CDMA移动通信系统 第三代移动通信系统 其他移动通信系统简介,本章重点 移动通信的特点、工作方式和多址方式 GSM移动通信系统的组成 码分多址的基本原理 3G移动通信的制式,5.1.1什么是移动通信,移动通信是指通信双方至少有一方是处在移动状态下进行信息交换的通信方式。通常是一个有线和无线相结合的通信系统。 按照移动体所处运动区域的不同，移动通信可分为 陆地移动通信 海上移动通信 空中移动通信 目前使用的移动通信系统有 航空航天通信系统 航海通信系统 国际卫星移动通信 陆地移动通信系统。 陆地移动通信系统应用最为广泛，主要是蜂

2、窝移动通信系统。,5.1.2 无线通信系统的组成,无线通信系统由发射机、接收机和相连接的天线（含馈线）构成,发射机的主要作用 将所要传送的信号对高频载波进行调制，形成已调载波，已调载波信号经过上变频变成为射频载波信号，再经过功率放大器放大后送至天馈线。 天线主要作用 把射频载波信号转换成电磁波，从天线发射出去，或者将接收的电磁波变成为射频载波信号。 馈线的主要作用 把发射机输出的射频载波信号送至天线。这就要求馈线的衰耗要小，又要求馈线的阻抗与发射机的输出阻抗和天线的输入阻抗相匹配。 接收机的主要作用 把天线接收下来的射频载波信号经过低噪声高频放大，再经过下变频、中频放大和解调后还原出原始信号，

3、最后经低频放大器放大后输出。,用户在移动通信当中遇到的问题？,手机没有信号 呼叫无法接通 通话过程中出现回音 短信会延时 ,5.1.3 移动通信的特点,1电磁波传播具有多径效应 2移动通信是在强干扰环境下工作 互调干扰 邻道干扰 同频干扰 3移动通信具有多普勒效应 4用户在经常地移动,多径效应,互调干扰 发信设备中器件的非线性引起的。如接收输入回路的选择性不好时，就会使不少干扰信号随有用信号一起进入混频级，从而形成对有用信号的干扰。 要求移动通信设备必须具有良好的选择性，对接收机高频和中频放大器的选择性要求更高。 邻道干扰 邻道干扰是指相邻或邻近的信道之间的干扰，邻近信道强的信号压倒邻近信道弱

4、的信号。 为了解决这个问题，在移动通信设备中使用了功率控制电路。当移动台靠近基站台时，控制中心命令降低发射功率，而远离基站时，命令其升高发射功率，这样就可以减少邻道干扰。 同频干扰 同频干扰是指相同载波频率移动台之间的干扰，它是蜂窝式移动通信所特有的，因为窝式的各个小区可以使用相同的载频。,当移动台达到一定速度时，基站台接收到的载波频率将随运动速度 的不同，产生不同的频移，通常把这种现象称为多普勒效应。 在移动台高速移动时，多普勒效应会导致快衰落，速度越高，衰落变换频率越高，衰落深度越深。 采用“锁相技术”解决。,多普勒效应,由于是移动通信，那么通信的双方（或一方）的位置必然不会固定在某一个地

5、方，他会因实际需要而不断移动自己的位置。 发射机在不通话时又处于关闭状态，即没有一条音信道专门配备给一台移动电话机。 为了实现可靠有效的通信，要求移动通信设备必须具位置登记、越区切换及漫游访问等跟踪交换技术。,用户的移动性,5.1.4 移动通信的工作方式,按照通话的状态和频率的使用方法可分为三种工作方式：单工、半双工和全双工。 在移动通信系统中，广泛采用准双工方式。 移动电话的发射机仅在发话时才工作，而移动电台的接收机总是时刻在工作，通常称这种系统为准双工系统 。,目前常见的双工方式有两种 一种是频分双工（FDD），即通过不同频率区分收发信号 另一种为时分双工（TDD），即通过不同时隙区分收发

6、信号。 目前3G制式中WCDMA和CDMA2000使用的双工方式是FDD，TD-SCDMA使用的双工方式是TDD。,5.1.5 移动通信中的多址方式,频分多址(FDMA) 时分多址(TDMA) 码分多址(CDMA),频分多址(FDMA) 把通信系统的总频段划分成若干等间隔的互不重叠的频道，分配给不同的用户使用。 为了实现双工通信，收、发使用不同的频率(称为双频双工)。早期时模拟移动通信系统采用频分多址方式。 FDMA的缺点是频率利用率低。,时分多址(TDMA) 时分多址是把时间分割成周期性帧，每一帧又分割成若干个时隙(无论帧或时隙都互不重叠)，然后根据一定的时隙分配原则，使移动台在每帧中按指定

7、的时隙向基站发送信号，而基站可以分别在各时隙中接收到各移动台的信号而互不混扰，同时，基站向多个移动台发送的信号都按规定的时隙发射，各移动台在指定的时隙中接收，从各路的信号中提取发给它的信息。 优点 频率利用率高，在同一频道可供几个移动台同时进行通信。抗干扰能力强。 缺点 时分多址移动通信系统需要全网同步，技术比较复杂。,码分多址(CDMA) 码分多址是各发送端用各不相同、相互正(准)交的地址码调制其所发送的信号。在接收端利用码型的正(准)交性，通过地址识别(相关检测)，从混合信号中选出相符的信号。 在(CDMA)移动通信中，各移动用户传输信息所用的信号，不是靠频率的不同或时隙的不同来区分的，而

8、是用各自不同的编码序列(地址码)来区分的。 特点 网内所有用户使用同一载波，共同占用整个带宽，各个用户可以同时发送或接收信号，所以各用户的发射信号，在时间上，频率上都可以互相重叠。,频分多址、时分多址和码分多址的比较,5.1.6 移动通信服务区体制,1.移动通信网体制 2.无线覆盖的区域结构,1.移动通信网体制,根据无线电波的传输特性一个基站台发射的电磁波只能在有限的地理区域内被移动台接收，这个能为移动用户提供服务的范围称为无线覆盖区。 按照无线覆盖区的范围，移动通信网的体制分为小容量的大区制和大容量的小区制两大类。,（1）大区制,大区制，就是在一个服务区(如一个小城市)内，只设有一个基站，并

9、由它负责移动通信的联络和控制 。 通常为了扩大服务区域的范围，基地站天线架设得很高，发射机输出功率也较大，覆盖半径大（服务区半径通常可为2050 km ）。 在服务区内的所有信道的频率都不能重复 。 优点 简单、投资少、见效快。 在客户较少的地区，或在开展移动通信业务的初期使用。 缺点 频率利用率低、通信容量小（容纳的用户数有限，通常只有几百用户 ）。,（2）小区制,小区制 把整个服务区域划分为若干个小区，每个小区分别设置一个基地站，负责本区移动通信的联络和控制。 每个小区的半径可视用户的分布密度在一至数十公里左右。 每个小区和相隔较远的其他小区可再重复使用相同频率，称为频率复用。 优点 频率

10、利用率高（不相邻小区频率重复使用）、整体容量大。,（3）小区制的形式,面状服务区 面状服务区有正三角形、正方形、正六边形等。 用正六边形无线小区邻接构成整个面状服务区是最好的，形状很像蜂窝，所以又称为蜂窝式网。 带状服务区 带状网主要用于覆盖公路、铁路、海岸等，其服务区内的用户呈带状分布。,2无线覆盖的区域结构,为便于控制和交换，公用移动电话一般包括小区、基站区、位置区、移动业务交换区、服务区及系统区六个区域。 (1)小区：是一个基站或基站的一部分(120度扇形天线，一付天线)所覆盖的区域。 (2)基站区：是一个基站所覆盖的区域。 (3)位置区：可由几个基站区组成，移动台在该区内可自由移动而无

11、需更新位置登记。 (4)移动业务交换区：是一个移动业务交换中心覆盖的网络中的一部分范围，可以由一个或几个位置区组成。 (5)服务区：由几个移动业务交换区组成，在该服务区内，固定客户无需知道移动台的实际位置即可与该移动台建立连接。如中国移动和中国联通分别属于两个服务区。 (6)系统区：由一个或几个服务区所组成，它可容纳全部制式相同的移动台。例如GSM系统区包括中国移动GSM服务区和中国联通GSM服务区。,无线覆盖区域结构,小区,小区,基站区,位置区,移动业务交换区,服务区,5.1.7 我国蜂窝移动通信系统的频率分配,无线电频率是是全人类共享的有限自然资源。 1993年国务院中央军委颁布中华人民共

12、和国无线电管理条例明确提出：“无线电管理实行统一领导、统一规划、分工管理、分级负责的原则，贯彻科学管理、促进发展的方针。” 2002年，经国务院批准，信息产业部发布了中华人民共和国无线电频率划分规律该频率划分规定是参照国际电信联盟无线电规则，结合我国无线电技术应用的市场需求制定的，是我国使用无线电频率、从事无线电设备研制、生产、进口、销售、试验和设置使用的基础性和纲领性法规文件。,12G移动通信系统频率分配,图例：,（1）GSM900MHz频率分配 我国GSM900MHz系统可用频段规定为： 905 MHz915MHz 移动台发、基站收， 950 MHz960MHz 基站发、移动台收。 可用频

13、段为10MHz。 双工间隔为45 MHz。 相邻频道间隔为200KHz。 每个频道采用时分多址接入（TDMA）方式，分8个时隙，即8个信道。每信道占用带宽200kHz8=25kHz 采用半速率话音编码，每个频道可容纳16个半速率信道。,（2）DCSl800频率分配 DCS1800使用1800MHz频段，频率范围是 1710 MHz1785MHz 移动台发、基站收， 1805 MHz1880MHz 基站发、移动台收。 可用频段为75MHz。 双工间隔为95MHz。 频道间隔为200kHz。,（3）CDMA频率分配 825 MHz835MHz 移动台发、基站收， 870 MHz880MHz 基站发

14、、移动台收。 频段宽度为10MHz。 双工间隔为45MHz。 频道间隔为1.25MHz。,频率分配举例,采用等间隔频道配置方法，频道序号为76124，共49个频点,对于GSM900 FL(n)= 890.200MHz +(n-1) 0.200MHz （移动台发，基站收），上行。 FH(n)= fl(n) + 45MHz （基站发，移动台收），下行。 n= 76124共49个频道 例如： n=76，FL(76)=905.2MHz；FH(76)=950.2MHz n=124，FL(124)=914.8MHz；FH(76)=959.8MHz 其中76-95给移动,96-124给联通 。 2001年度

15、模拟退网后，1124均可使用。,GSM1800MHz频段为： FL(n)=1710.2MHz + (n-512) 0.2MHz (移动台发,基站收） FH(n)=fl(n)+95MHz (基站发,移动台收） n=512 885 例如： n=512，FL(512)=1710.2MHz；FH(512)=1805.2MHz。 n=885，FL(885)=1805.2MHz；FH(885)=1879.8MHz。,900MHz,1800MHz,23G移动通信系统的频率分配,依据国际电联有关第三代公众移动通信系统（IMT-2000） 频率划分和技术标准，按照我国无线电频率划分规定，结合我国无线电频谱使用的

16、实际情况，信息产业部于2002年12月23日公布了我国第三代公众移动通信系统频率规划（信息产业部无2002479号文件）。 目前在800MHz/900MHz频段及1800MHz频段的2G/2.5G相应频带，规划为向3G演进的扩展频带。,主要工作频段有 IMT2000 FDD方式为1920 MHz1980MHz/21102170MHz； TDD方式为1880 MHz1920MHz、20102025MHz。 补充工作频段： 对FDD方式为1755 MHz1785MHz/18501880MHz； 对TDD方式为2300 MHz2400MHz。 卫星移动通信系统3GMSS工作频段： 1980 MHz2

17、010 MHz /2170 MHz2200MHz。,TD-SCDMA 2010MHz-2025MHz 1880MHz-1920MHz 2300MHz-2400MHz 共155MHZ,我国目前给无线局域网规划频率已有2400MHz2483.5MHz和57255850MHz。 在2003年召开的世界无线电通信大会（WRC03）上，无线电局域网为主要应用的移动业务新增加了5150MHZ5350MHz和54705725MHz共计455MHz的频率资源。 我国根据技术发展和市场需求适时调整频率规划，目前规划的无线电移动和固定通信频率资源从400MHZ和1800MHz无线接入，到3.5GHz和5.8GHz

18、的中宽带无线接入，一直到26GHz LMDS宽带无线接入等，涵盖了各个层面的需要。,5.2 GSM移动通信系统,GSM是全球移动通信系统（Global systerm for mobile communication）简称，是20世纪80年代中期，欧洲首先推出的数字蜂窝移动电话系统，它采用时分多址/频分双工（TDMA/FDD）方式入网，即用户在不同频道上通信，而且每一频道上可分为8个时隙，每一时隙为一个信道，又称物理信道。 世界上第一个GSM网络于1992年在芬兰投入使用，揭开了第二代移动通信的序幕，成为陆地公用移动通信的主要系统。,5.2.1 GSM网络系统的组成,GSM移动电话系统由网络交

19、换子系统（NSS）、基站子系统（BSS）、操作维护中心（OMC）和移动台（MS）等四大部分组成 .,5.2.2 GSM的网络结构,本地网 省内网 全国网,1.本地网的网络结构,全国划分为若干个移动业务本地网，原则上长途编号区编号为二位、三位的地区建立移动业务本地网。 每个移动业务本地网设一个HLR，可设一个或若干MSC,2.省内网的网络结构,省内设若干移动业务汇接中心 省内每个MSC至少与省内两个二级汇接中心相连 二级汇接中心之间网状网连接,3.全国网的网络结构,在大区设立一级汇接中心 各省二级汇接中心与其相应的一级汇接中心相连 一级汇接中心之间为网状网,4移动网（PLMN）与固定网（PSTN

20、）的连接,5.2.3 移动电话的编号方式,在移动通信系统中不同的用户如何区分？ 移动电话号码有什么规定？,1移动用户号码,用户向电信经营部门申请数字移动电话使用权时，电信部门就会给每位用户指定一个移动用户号码，每一个数字移动用户号码在全国范围内是惟一的，不会有重复。,2国际用户识别码（IMSI）,每一个用户，当他申请GSM使用权时，就被指配了一个与他的移动用户号码相对应的惟一的国际移动用户识别码（IMSI）。 实际上，IMSI是一小段信息，IMSI和与之对应的一个密钥（Ki）被分别储存在SIM卡和系统的“鉴权中心（AUC）”这个密钥是在保密的情况下按一定的保密算法产生的，不同的用户具有不同的个

21、人识别号码和密钥。 当用户鉴权中心对用户进行身份鉴别时，首先产生一个随机数自己作鉴别运算，同时也送给移动台。 用户鉴权中心与SIM计算的结果一致为有权用户，否则就反之。,3国际设备识别码（IMEI）,每一个移动台设备本身就具有一个惟一的国际移动设备识别码（IMEI），用户可以用 *#06# 读出自已手机的IMEI码。 世界上每一个生产数字移动台的厂家在生产时必须给每个移动台输入一个设备识别码方能出厂。 设备识别码共有15位数组成，是全球统一编制的惟一的号码，而且是无法更改的。 在“GSM”数字蜂窝移动电话系统中有一个移动台识别中心（EIR），它是一个数据库，存储着移动台识别号码。,4移动台漫游

22、号（MSRN）,移动台漫游号是系统赋给来访用户的一个临时号码，其作用是供移动交换机路由选择用。 移动台的位置是不确定的，它的用户号码只反映其原籍地，当它漫游至其他地区时，该地区的移动系统分配给一个漫游号，并通知其原籍地。 当移动台离开该访问区域后，该漫游号将被释放，可再分配给其它用户。,5.2.4 数字移动台的构成,数字移动台（MS）包括两部分：ME和SIM。 ME是移动台设备， SIM卡是数字蜂窝移动电话的用户识别卡 。 SIM卡所存储的内容 （1）用户识别号码 （2）用户的密钥和保密算法 （3）个人密码（PIN）和SIM卡解锁密码（PUK） （4）用户使用的存储空间,手机电池和充电器 手机

23、采用可充放电电池，有三种：镍镉电池（Nicd）、镍氢电池（Nimh）和锂离子电池（Li-Lon）。 手机电池充电器，主要有旅行充电器、座式充电器和车载充电器等三种。在选用充电器时，尽量采用原厂配置充电器。,个人密码PIN若连续三次输入错误，则SIM卡被锁。需要到移动营业厅解锁。 SIM卡解锁密码PUK若连续十次输入错误，则SIM卡自动报废。 充放电电池前三次充足14小时。,5.2.5 GSM无线接口信令,对于一个公用移动电话网，基站台到移动台之间的信令属于无线传输，所以是无线接口信令。 无线接口是移动台与基站收发信台之间接口的统称，从基站到移动台的方向称为下行，移动台到基站的方向称为上行。 移

24、动台和基站之间传递信息的通道，统称为信道，GSM的信道分为两类：物理信道和逻辑信道。 逻辑信道分两大类：业务信道和控制信道。,5.3 CDMA移动通信系统,CDMA是“Code Divison Multiple Access”的缩写，译为“码分多址”，CDMA移动通信系统（以下简称为CDMA系统）是一种以扩频通信为基础，载波调制和码分多址技术相结合的移动通信系统。,5.3.1 码分多址技术的基本原理,码分多址的基础是要有足够的周期性码序列作为地址码，各码片必须不同，该序列码应具有很强的自相关性和互相关性。 即码组内只有本身码相乘叠加后为1（自相关值为1），任意两个不同的码相乘叠加后为0（互相关

25、值为0）。 基本原理：“1”乘以任何数为本身，“0”乘以任何数为0。,地址码,用户数据,用户数据与地址码相乘,检测信息,5.3.2 扩频通信的基本原理,扩展频谱（简称扩频）通信技术是一种信息传输方式。其系统占用的频带宽度远远大于要传输的原始信号带宽（或信息比特速率）且与原始信号带宽（或信息比特速率）无关。 在发送端，频带的展宽是通过编码及调制（扩频）的方法来实现的。在接收端，则用与发送端完全相同的扩频码进行相关解调（解扩）来恢复信息数据。 设W代表系统占用带宽，B代表信息带宽，则一般认为：W与B的比值12为窄带通信，100以上为扩频通信。,5.3.3 码分多址直接序列扩频通信系统,直接序列扩频

26、，简称直扩（DS），它是直接用高速率的伪随机码在发端去扩展信息数据的频谱。在收端，用完全相同的伪随机码进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始信号。 由于码分多址通信系统中的各个用户，同时工作于同一载波，占用相同的带宽，这样各用户之间必然相互干扰。为了把干扰降到最低限度，码分多址必须与扩频技术结合起来使用。 码分多址与直接序列扩频技术相结合，构成码分多址直接序列扩频通信系统。,5.3.4 CDMA系统的主要优势,1. 系统容量高 2. 越区软切换，切换的成功率高 3. CDMA的保密性好 4. CDMA手机符合环保的要求 5. 覆盖范围大 6. CDMA的话音音质好 7. 可提供数据业务 8. C

27、DMA系统可以实现向第三代移动通信系统平滑过渡,5.4 第三代移动通信系统,第三代移动通信提出背景 日益增长的无线业务需求 希望更高质量的语音业务和在无线网络中引入高速收据和多媒体业务。 1985年ITU提出 “未来公用陆地移动通信系统”（FPLMTS），1996年， ITU将FPLMTS正式更名为IMT-2000（Intetnational Mobile Telecommunication-2000） IMT-2000 中文含义为2000年国际移动通信计划。 含义为系统将工作在2000MHz，2000年左右进入商用市场，而且最高业务速率为2000kbit/s。 IMT-2000成为“第三代移动通信（俗称3G）”的正式名称。,5.4.1 3G发展概述,GPRS(General Packet Radio Service)是通用无线分组业务。 EDGE是增强型数据速率GSM演进技术。 CDMA1X是指CDMA2000的第一阶段 。 3G