移動(dòng)通信基礎(chǔ)知識(shí)95896ppt課件

2020 4 25 主講郭雙貴 高級(jí)工程師 2020 4 25 移動(dòng)通信是指通信雙方或至少一方處于移動(dòng)中進(jìn)行信息交互的通信 即移動(dòng)體與移動(dòng)體 移動(dòng)體與固定體之間的通信 按照移動(dòng)體所處的運(yùn)動(dòng)區(qū)域不同 移動(dòng)通信可分為陸地移動(dòng)通信 海上移動(dòng)通信和空中移動(dòng)通信 陸地移動(dòng)通信以蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛 以數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信發(fā)展最為迅速 本章著重介紹數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng) 2020 4 25 2 2020 4 25 第一節(jié)移動(dòng)通信的特點(diǎn)及分類(lèi)移動(dòng)通信系統(tǒng)由于用戶(hù)的移動(dòng)性 管理技術(shù)要比固定通信要復(fù)雜 移動(dòng)通信網(wǎng)中依靠的是無(wú)線(xiàn)電波的傳播 傳播環(huán)境比有線(xiàn)媒質(zhì)的傳播特性復(fù)雜 移動(dòng)通信有著與固定通信不同的特點(diǎn) 一 移動(dòng)通信的特點(diǎn)1 無(wú)線(xiàn)電波傳播環(huán)境復(fù)雜 移動(dòng)通信的電波處在特高頻 300 3000MHz 頻段 電波傳播主要方式是視距傳播 電磁波在傳播時(shí)不僅有直射波信號(hào) 還有經(jīng)地面 建筑群等產(chǎn)生的反射 折射 繞射的傳播 從而產(chǎn)生多徑傳播引起的快衰落 陰影效應(yīng)引起的慢衰落 系統(tǒng)必需配有抗衰落措施 才能保證正常運(yùn)行 2020 4 25 3 2020 4 25 2 噪聲和干擾嚴(yán)重 移動(dòng)臺(tái)在移動(dòng)時(shí)即受到環(huán)境噪聲的干擾 又有系統(tǒng)干擾 由于系統(tǒng)內(nèi)有多個(gè)用戶(hù) 必須采用頻率復(fù)用技術(shù) 系統(tǒng)就有了互調(diào)干擾 鄰道干擾 同頻干擾等主要的系統(tǒng)干擾 這就要求系統(tǒng)有合理的同頻復(fù)用規(guī)劃和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等措施 3 用戶(hù)的移動(dòng)性 用戶(hù)的移動(dòng)性和移動(dòng)的不可預(yù)知性 要求系統(tǒng)有完善的管理技術(shù)對(duì)用戶(hù)的位置進(jìn)行登記 跟蹤 不因位置改變中斷通信 4 頻率資源有限 ITU對(duì)無(wú)線(xiàn)頻率的劃分有嚴(yán)格規(guī)定 要設(shè)法提高系統(tǒng)的頻率利用率 2020 4 25 4 2020 4 25 二 移動(dòng)通信的分類(lèi)1 按服務(wù)對(duì)象分類(lèi) 公用移動(dòng)通信和專(zhuān)用移動(dòng)通信 2 按組網(wǎng)方式分類(lèi) 峰窩狀移動(dòng)通信 移動(dòng)衛(wèi)星通信 移動(dòng)數(shù)據(jù)通信 公用無(wú)繩電話(huà) 集群調(diào)度電話(huà)等 3 按工作方式分類(lèi) 單向和雙向通信方式兩大類(lèi) 雙向通信方式可又分為單工 雙工和半雙工通信方式 4 按采用的技術(shù)分類(lèi) 分為模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)和數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng) 2020 4 25 5 2020 4 25 第二節(jié)移動(dòng)通信的發(fā)展歷程80年代發(fā)展起來(lái)的第一代模擬移動(dòng)通信系統(tǒng) 90年代初發(fā)展為第二代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng) 現(xiàn)正在建設(shè)第三代寬帶數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng) 3G 3G以寬帶多媒體移動(dòng)通信為目標(biāo) 數(shù)據(jù)傳輸速率 高速移動(dòng)環(huán)境 144kbit s 步行慢速移動(dòng)環(huán)境 384kbit s 室內(nèi)靜態(tài)環(huán)境 2Mbit s 3G世界三大主流標(biāo)準(zhǔn) WCDMA CDMA2000 TD SCDMA 我國(guó)提出的標(biāo)準(zhǔn) 2020 4 25 6 2020 4 25 第三節(jié)數(shù)字移動(dòng)通信技術(shù)一 數(shù)字調(diào)制技術(shù)數(shù)字調(diào)制是使在信道上傳送的信號(hào)特性與信道特性相匹配的一種技術(shù) 模擬語(yǔ)音信號(hào) 經(jīng)過(guò)語(yǔ)音編碼所得到的數(shù)字信號(hào)必須經(jīng)過(guò)調(diào)制才能實(shí)際傳輸 無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)中 是利用載波來(lái)攜帶語(yǔ)音編碼信號(hào)的 即用語(yǔ)音編碼后的數(shù)字信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制 數(shù)字調(diào)制方式有以下幾種 2020 4 25 7 2020 4 25 移頻鍵控 FSK 載波的頻率按照數(shù)字信號(hào) 1 0 變化而對(duì)應(yīng)變化 移相鍵控 PSK 載波的相位按照數(shù)字信號(hào) 1 0 變化而對(duì)應(yīng)變化 振幅鍵控 ASK 載波的振幅按照數(shù)字信號(hào) 1 0 變化而對(duì)應(yīng)變化 GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)采用高斯預(yù)濾波最小移頻鍵控GMSK 移動(dòng)通信使用的調(diào)制技術(shù)還有 二相移相鍵控 BPSK 四相移相鍵控 QPSK 正交調(diào)幅 QAM 頻譜利用率較高 設(shè)計(jì)難度和成本較高 2020 4 25 8 2020 4 25 二 多址技術(shù)多址技術(shù)就是把多個(gè)用戶(hù)接入一個(gè)傳輸媒質(zhì)實(shí)現(xiàn)相互間通信時(shí) 給每個(gè)用戶(hù)信號(hào)賦予不同的特征 以區(qū)分不同的用戶(hù)的技術(shù) 常用的多址方式 頻分多址 FDMA 時(shí)分多址 TDMA 和碼分多址 CDMA GSM系統(tǒng)使用 頻分多址 FDMA 時(shí)分多址 TDMA 混和多址方式 即FDMA TDMA 3G系統(tǒng)多址方式使用 碼分多址 CDMA 方式 2020 4 25 9 2020 4 25 1 頻分多址 FDMA FDMA是把工作頻段劃分成多個(gè)無(wú)線(xiàn)載頻 每一個(gè)載頻信道可以傳輸一路語(yǔ)音或控制信息 通信時(shí)不同的MS占用不同的頻率信道進(jìn)行通信 FDMA的特點(diǎn) 1 信道的帶寬較窄 25 30KHz 相鄰頻道要留有防護(hù)頻帶 2 與TDMA系統(tǒng)比 FDMA系統(tǒng)的復(fù)雜程度低 3 采用單路單載波 SCPC 設(shè)計(jì) 需使用高性能的射頻 RF 帶通濾波器來(lái)減少鄰道干擾 成本較高 2020 4 25 10 2020 4 25 2 時(shí)分多址 TDMA TDMA是把時(shí)間分成周期性的幀 每一幀再分割成若干時(shí)隙 一個(gè)時(shí)隙就是一個(gè)通信信道 通信時(shí) 給每個(gè)用戶(hù)分配一個(gè)時(shí)隙 使各移動(dòng)臺(tái)在每幀內(nèi)只能按指定的時(shí)隙向基站發(fā)射或接收信號(hào) 同一個(gè)頻道就可供幾個(gè)用戶(hù)同時(shí)進(jìn)行通信 GSM系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)路徑上采用TDMA方式 每一個(gè)載頻可分成8個(gè)時(shí)隙 一個(gè)時(shí)隙為一個(gè)信道 一個(gè)載頻最多可有8個(gè)移動(dòng)用戶(hù)同時(shí)進(jìn)行通信 2020 4 25 11 2020 4 25 如下圖所示的頻分多址和時(shí)分多址方式 a FDMAb TDMA 2020 4 25 12 2020 4 25 時(shí)分多址 TDMA 的特點(diǎn) 1 TDMA系統(tǒng)中幾個(gè)用戶(hù)共享同一個(gè)載頻 但每個(gè)用戶(hù)使用彼此互不重疊的時(shí)隙 2 TDMA系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)發(fā)射是不連續(xù)的 是以突發(fā)方式發(fā)射 耗電較少 移動(dòng)臺(tái)可在空閑的時(shí)隙里監(jiān)聽(tīng)其他基站 使越區(qū)切換大為簡(jiǎn)化 3 共享設(shè)備的成本低 每一載頻為許多用戶(hù)提供業(yè)務(wù) 用戶(hù)平均成本大大低于FDMA系統(tǒng) 4 移動(dòng)臺(tái)復(fù)雜 它需要處理復(fù)雜的數(shù)字信號(hào) 2020 4 25 13 2020 4 25 3 碼分多址 CDMA 移動(dòng)通信中 多個(gè)用戶(hù)使用的頻率和時(shí)間都是相同的 而給每個(gè)移動(dòng)臺(tái)分配一個(gè)獨(dú)立的碼序列 這種用不同的正交編碼序列來(lái)區(qū)分不同移動(dòng)用戶(hù)的通信方式 稱(chēng)為碼分多址 碼分多址 CDMA 的特點(diǎn) 1 系統(tǒng)容量大 CDMA無(wú)線(xiàn)信道容量比FDMA大近10倍 2 有很強(qiáng)的抑制干擾和多徑衰落的能力 CDMA的擴(kuò)頻系統(tǒng)可以把多徑干擾信號(hào)解擴(kuò)去除 3 具有軟容量和小區(qū)呼吸功能 系統(tǒng)忙時(shí)只需少許增加系統(tǒng)噪聲就可增加通話(huà)用戶(hù) 即所謂軟容量 小區(qū)呼吸功能是指負(fù)荷量動(dòng)態(tài)控制 2020 4 25 14 2020 4 25 4 軟切換 當(dāng)移動(dòng)臺(tái)超越小區(qū)或扇區(qū)時(shí) 由于工作頻率相同 只是地址碼序列不同 不需要頻率的切換 稱(chēng)之為軟切換 軟切換是先接后斷切換 軟切換可靠性高 5 存在多址干擾和遠(yuǎn)近效應(yīng) CDMA的地址碼不可能完全正交 在解擴(kuò)過(guò)程中必然帶來(lái)用戶(hù)間的干擾 CDMA的信道也采用地址碼分割 并切公用載波 增加信道的同時(shí)干擾也增加 CDMA系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)功率控制減輕其影響 由于信道地址碼的相互作用 任何一個(gè)信道將受到其他不同地址碼信道的干擾 稱(chēng)為多址干擾 2020 4 25 15 2020 4 25 CDMA系統(tǒng)的多址干擾直接限制容量的擴(kuò)大 碼分多址技術(shù)是基于以下兩種擴(kuò)頻通信方式 1 跳頻技術(shù)跳頻技術(shù)是擴(kuò)頻通信中的一種 GSM系統(tǒng)中使用跳頻技術(shù) 其主要功能是可有效地減小傳播信道對(duì)某個(gè)頻率的選擇性衰落 可避免多徑信號(hào)的干擾 跳頻分為基帶跳頻和射頻跳頻兩種 如圖所示 a 基帶跳頻 b 射頻跳頻 2 擴(kuò)頻技術(shù) 2020 4 25 16 2020 4 25 2020 4 25 17 TRXn TRX2 TRX1 耦合器 基帶信號(hào) 時(shí)隙交叉控制 圖1 2 a 基帶跳頻 2020 4 25 2020 4 25 18 PN碼發(fā)生器 可變頻率合成器 射頻調(diào)制 頻率合成器 射頻調(diào)制 耦合器 基帶信令 基帶信息 F0 F1 Fn 圖1 2 b 射頻跳頻 2020 4 25 擴(kuò)頻通信是將信息信號(hào)的頻譜擴(kuò)展后再進(jìn)行傳輸 提高了系統(tǒng)的抗干擾能力 在強(qiáng)干擾甚至信號(hào)被噪聲淹沒(méi)的情況下 能保證可靠通信 常用的擴(kuò)頻通信技術(shù)如下 直接擴(kuò)頻 DS 將要傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)用高速偽隨機(jī)碼序列調(diào)制 由于偽隨機(jī)序列的速率 帶寬 遠(yuǎn)大于信息數(shù)據(jù)速率 使要傳遞信息數(shù)據(jù)信號(hào)的頻譜被展寬 跳頻 FH 荷載信息的信號(hào)受偽隨機(jī)序列的控制 在一組預(yù)先指定的頻率上離散地跳變 從而擴(kuò)展了發(fā)射信號(hào)的頻譜 2020 4 25 19 2020 4 25 三 雙工方式1 頻分雙工 FDD 收發(fā)信各占用一個(gè)頻率 優(yōu)點(diǎn)是收 發(fā)信號(hào)同時(shí)進(jìn)行 時(shí)延小 技術(shù)成熟 缺點(diǎn)是設(shè)備成本高 2 時(shí)分雙工 TDD 收發(fā)信使用同一個(gè)頻率 但使用不同時(shí)隙 優(yōu)點(diǎn)是頻譜利用靈活 上 下行使用相同的頻率 傳輸特性相同 有利于使用智能天線(xiàn) 無(wú)收發(fā)間隔要求 支持不對(duì)稱(chēng)業(yè)務(wù) 設(shè)備成本低等 缺點(diǎn)是小區(qū)半徑小 抗快衰落和多普勒效應(yīng)的能力低于FDD 終端移動(dòng)速度不能超過(guò)120km h 2020 4 25 20 2020 4 25 四 頻率復(fù)用技術(shù)在移動(dòng)通信系統(tǒng)中 頻率資源有限 為提高頻譜利用率 在相隔一定距離后重新使用相同的頻率組 這種采用同頻復(fù)用和頻率分組來(lái)提高頻率利用率方式 就是頻率復(fù)用技術(shù) 實(shí)際應(yīng)用中常采用4 12和3 9頻率復(fù)用分組方式 即將12組頻率輪流分配到4個(gè)基站和將9組頻率輪流分配到3個(gè)基站 每個(gè)站點(diǎn)可用到3個(gè)頻率組 頻率復(fù)用會(huì)帶來(lái)小區(qū)間的干擾 GSM系統(tǒng)要求 同頻干擾保護(hù)比C I 9dB鄰頻干擾保護(hù)比C I 9dB 2020 4 25 21 2020 4 25 2020 4 25 22 圖1 3按4 12方式復(fù)用的小區(qū)示意圖 2020 4 25 2020 4 25 23 圖1 5按3 9方式復(fù)用的小區(qū)示意圖 2020 4 25 第四節(jié)無(wú)線(xiàn)電頻譜管理與使用1 無(wú)線(xiàn)電頻譜管理2 移動(dòng)通信的頻譜特性和管理 2020 4 25 24 2020 4 25 GSM是全球第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng) 它對(duì)數(shù)字調(diào)制方式 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)種類(lèi)等進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范 GSM系統(tǒng)可以提供全球漫游 主要特點(diǎn)1 頻譜效率高 采用了高效調(diào)制器 信道編碼和語(yǔ)音編碼等技術(shù) 系統(tǒng)具有高頻譜效率 2 容量大 比TACS 模擬移動(dòng)通信系統(tǒng) 高3 5倍3 話(huà)音質(zhì)量好 接收信號(hào)在門(mén)限值以上時(shí) 達(dá)到與有線(xiàn)傳輸相同的水平而與無(wú)線(xiàn)傳輸質(zhì)量無(wú)關(guān) 2020 4 25 25 2020 4 25 4 開(kāi)放的接口 GSM系統(tǒng)從空中接口到網(wǎng)絡(luò)之間以及網(wǎng)絡(luò)中各實(shí)體之間 提供的接口都是開(kāi)放性的 5 安全性高 通過(guò)鑒權(quán) 加密和TMSI 臨時(shí)用戶(hù)識(shí)別碼 號(hào)碼的使用 實(shí)現(xiàn)了安全保護(hù) 鑒權(quán)用來(lái)驗(yàn)證用戶(hù)的入網(wǎng)權(quán)力 加密防止有人跟蹤而泄漏地理位置 6 可與ISDN 綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng) PSTN 公用電話(huà)網(wǎng) 等互連 與其它網(wǎng)絡(luò)互連是利用現(xiàn)有接口 在SIM卡基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)漫游 漫游是移動(dòng)通信的重要特征 GSM系統(tǒng)可以提供全球漫游 2020 4 25 26 2020 4 25 第一節(jié)GSM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一 GSM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由移動(dòng)臺(tái) MS 基站子系統(tǒng) BSS 和網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng) NSS 三部分組成 GSM系統(tǒng)通過(guò)一定的網(wǎng)絡(luò)接口和用戶(hù)連接 其結(jié)構(gòu)方框圖見(jiàn)圖2 1 2020 4 25 27 2020 4 25 2020 4 25 28 SMC 圖2 1GSM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 2020 4 25 1 移動(dòng)臺(tái) MS 是移動(dòng)用戶(hù)設(shè)備部分 由移動(dòng)終端和用戶(hù)識(shí)別卡 SIM 兩部分組成 移動(dòng)終端是 機(jī) SIM卡是 身份卡 存有認(rèn)證用戶(hù)身份的所有信息 SIM卡還存儲(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)和用戶(hù)有關(guān)的管理數(shù)據(jù) 只有插入SIM卡后移動(dòng)臺(tái)才能接入進(jìn)網(wǎng) 2 基站子系統(tǒng) BSS 由基站控制器 BSC 和基站收發(fā)信機(jī) BTS 兩部分組成 是GSM系統(tǒng)的基本組成部分 基站控制器 BSC 具有對(duì)一個(gè)或多個(gè)BTS進(jìn)行控制的功能 主要負(fù)責(zé)無(wú)線(xiàn)資源管理 小區(qū)配置數(shù)據(jù)管理 功率控制 定位和切換等 基站控制器 BSC 是一個(gè)很強(qiáng)的業(yè)務(wù)控制點(diǎn) 2020 4 25 29 2020 4 25 基站收發(fā)信臺(tái) BTS 是無(wú)線(xiàn)接口設(shè)備 主要包括無(wú)線(xiàn)發(fā)射和接收設(shè)備 天線(xiàn)設(shè)備及信號(hào)處理部分 完成無(wú)線(xiàn)傳輸 有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)轉(zhuǎn)換 分集 加密 跳頻等 實(shí)現(xiàn)BTS與MS之間無(wú)線(xiàn)傳輸和相關(guān)控制功能 3 網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng) NSS 由移動(dòng)業(yè)物交換中心 MSC 來(lái)訪(fǎng)用戶(hù)位置寄存器 VLR 歸屬用戶(hù)位置寄存器 HLR 鑒權(quán)中心 AUC 和移動(dòng)設(shè)備識(shí)別寄存器 EIR 短消息業(yè)物中心 SMC 等單元組成 主要完成交換功能和用戶(hù)數(shù)據(jù)與移動(dòng)性管理 安全性管理所需的數(shù)據(jù)庫(kù)功能 2020 4 25 30 2020 4 25 1 移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心 MSC 是GSM系統(tǒng)的核心 它一側(cè)和BSS接口 另一側(cè)與外部網(wǎng)絡(luò)接口 主要提供交換功能 MSC可以從HLR VLR和AUC中獲取有關(guān)處理用戶(hù)位置登記和呼叫請(qǐng)求的全部數(shù)據(jù) 支持位置登記和更新 越區(qū)切換 漫游和計(jì)費(fèi)功能 外部網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)與GSM用戶(hù)之間呼叫時(shí) 外部網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)首先被接到入口移動(dòng)交換中心 GMSC 網(wǎng)關(guān)移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心 它負(fù)責(zé)獲取移動(dòng)用戶(hù)的位置信息 并把呼叫轉(zhuǎn)移到可向被叫用戶(hù)提供服務(wù)的MSC 2020 4 25 31 2020 4 25 2 來(lái)訪(fǎng)用戶(hù)位置寄存器 VLR 是一個(gè)動(dòng)態(tài)用戶(hù)數(shù)據(jù)庫(kù) 存儲(chǔ)著進(jìn)入其控制區(qū)域內(nèi)來(lái)訪(fǎng)的移動(dòng)用戶(hù)的有關(guān)數(shù)據(jù) 這些數(shù)據(jù)是從該用戶(hù)的歸屬位置寄存器獲得并暫存的 當(dāng)該用戶(hù)離開(kāi)它的控制區(qū)域時(shí) 暫時(shí)存儲(chǔ)的該用戶(hù)數(shù)據(jù)即被刪除 VLR可以看作是一個(gè)動(dòng)態(tài)用戶(hù)數(shù)據(jù)庫(kù) VLR總是和MSC集成在一起的 MSC VLR 3 歸屬用戶(hù)位置寄存器 HLR 它也是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù) 存儲(chǔ)著該GSM系統(tǒng)業(yè)務(wù)區(qū)內(nèi)所有移動(dòng)用戶(hù)的有關(guān)數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)的靜態(tài)數(shù)據(jù)有 移動(dòng)用戶(hù)號(hào)碼 訪(fǎng)問(wèn)能力 用戶(hù)類(lèi)別和補(bǔ)充業(yè)務(wù)等 還暫存移動(dòng)用戶(hù)漫游時(shí)的有關(guān)動(dòng)態(tài)信息數(shù)據(jù) 2020 4 25 32 2020 4 25 2020 4 25 33 4 鑒權(quán)中心 AUC 用于產(chǎn)生為確定移動(dòng)用戶(hù)的身份和對(duì)呼叫保密所需監(jiān)權(quán) 加密的3個(gè)參數(shù) 隨機(jī)數(shù)RAND 響應(yīng)數(shù)SRES 密鑰Kc 5 移動(dòng)設(shè)備識(shí)別寄存器 EIR 也是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù) 存儲(chǔ)有關(guān)移動(dòng)臺(tái)設(shè)備識(shí)別碼 IMSI 通過(guò)核查白色 黑色和灰色三種清單 完成對(duì)移動(dòng)設(shè)備的識(shí)別 監(jiān)視 閉鎖功能 以防止非法移動(dòng)臺(tái)的使用 6 短消息業(yè)務(wù)中心 SMC 短消息業(yè)務(wù)是一種類(lèi)似傳呼機(jī)的業(yè)務(wù)功能 在移動(dòng)用戶(hù)和移動(dòng)用戶(hù)之間或移動(dòng)用戶(hù)和固定用戶(hù)之間發(fā)送較短的信息 2020 4 25 4 操作維護(hù)中心 OMC 操作維護(hù)中心 是對(duì)整個(gè)GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制和操作 通過(guò)它實(shí)現(xiàn)對(duì)GSM系統(tǒng)內(nèi)的自檢 故障診斷和處理 話(huà)務(wù)量統(tǒng)計(jì)和計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)的記錄和傳遞 以及各種參數(shù)的收集 分析與顯示等 5 GSM的網(wǎng)絡(luò)接口如圖5 2所示 1 主要接口GSM主要接口是指A接口 Abis接口和Um接口 這三種接口可保證不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的MS BSS及NSS等設(shè)備能夠納入GSM系統(tǒng)中正常運(yùn)行和使用 2020 4 25 34 2020 4 25 2020 4 25 35 圖2 2GSM系統(tǒng)的接口 2020 4 25 1 A接口 A接口為NSS與BSS之間的通信接口 從系統(tǒng)實(shí)體來(lái)看 就是MSC與BSC之間的互連接口 其網(wǎng)絡(luò)連接是通過(guò)采用標(biāo)準(zhǔn)的2 048Mbit s的PCM數(shù)字傳輸鏈路來(lái)實(shí)現(xiàn)的 A接口傳送的信息包括對(duì)移動(dòng)臺(tái)和基站的管理 移動(dòng)性及呼叫接續(xù)管理等 2 Abis接口 是基站子系統(tǒng)的BSC與BTS之間的通信接口 它是采用標(biāo)準(zhǔn)的2 048Mbit s或64Kbit s的PCM數(shù)字傳輸鏈路來(lái)實(shí)現(xiàn) Abis接口支持所有向用戶(hù)提供的服務(wù) 支持對(duì)BTS無(wú)線(xiàn)設(shè)備的控制和無(wú)線(xiàn)資源的分配 2020 4 25 36 2020 4 25 3 Um接口 空中接口 Um接口定義為MS和BTS之間的無(wú)線(xiàn)通信接口 是GSM系統(tǒng)中最重要 最復(fù)雜的接口 包含信令接口和物理接口兩方面的含義 網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng) NSS 內(nèi)部接口 NSS內(nèi)部接口有 B接口 C接口 D接口 E接口 F接口 G接口 GSM系統(tǒng)與其它公用網(wǎng)絡(luò)接口 GSM通過(guò)移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心MSC與PSTN ISDN等公用網(wǎng)絡(luò)連接 一般采用No 7信令接口 其物理連接是2 048Mbit s的PCM數(shù)字傳輸鏈路 2020 4 25 37 2020 4 25 第二節(jié)GSM的TDMA信道GSM系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò) 由小區(qū)構(gòu)成 每個(gè)小區(qū)有多個(gè)載頻 每個(gè)載頻又有8個(gè)時(shí)隙 即8個(gè)物理信道 GSM采用FDMA TDMA的混和接入方式 下面介紹FDMA TDMA接入方式中的無(wú)線(xiàn)信道 一 TDMA信道TDMA信道 可分為物理信道和邏輯信道 物理信道 一個(gè)物理信道就是一個(gè)時(shí)隙 邏輯信道 是根據(jù)BTS與MS之間傳遞的消息種類(lèi)不同而定義的不同邏輯信道 邏輯信道要通過(guò)BTS影射到不同的物理信道上來(lái)傳送 從BTS到MS的方向稱(chēng)為下行鏈路 從MS到BTS方向稱(chēng)為上行鏈路 2020 4 25 38 2020 4 25 邏輯信道又可分為業(yè)務(wù)信道和控制信道 1 業(yè)務(wù)信道 TCH 用于傳送數(shù)字話(huà)音或數(shù)據(jù) 還有少量控制信令 業(yè)務(wù)信道可分為 語(yǔ)音業(yè)務(wù)信道和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道 在TCH中可安排慢速隨路控制信道 SACCH 或快速隨路控制信道 FACCH 2 控制信道 CCH 用于傳送信令或同步數(shù)據(jù) 根據(jù)所完成的功能把控制信道分為 廣播信道 BCH 公共控制信道 CCCH 和專(zhuān)用控制信道 DCCH 1 廣播信道 BCH 用于基站向移動(dòng)臺(tái)廣播公用 2020 4 25 39 2020 4 25 用于基站向移動(dòng)臺(tái)廣播公用信息 BCH包括廣播控制信道 BCCH 頻率校正信道 FCCH 和同步信道 SCH 它們攜帶的信息目標(biāo)是小區(qū)內(nèi)所有手機(jī) 是一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的單向的下行信道 2 公共控制信道 CCCH 用于傳輸MS接入過(guò)程中所需的控制指令 接入許可信道 AGCH 尋呼信道 PCH 小區(qū)廣播控制信道 CBCH 和隨機(jī)接入信道 RACH 3 專(zhuān)用控制信道 DCCH 是一種雙向控制信道 其用途是在呼叫接續(xù)階段以及在通信進(jìn)行中 在MS和BTS之間傳輸必需的控制信息 又分為SDCCH SACCH和FACCH 2020 4 25 40 2020 4 25 二 TDMA幀結(jié)構(gòu)GSM系統(tǒng)TDMA的物理信道 是用幀來(lái)描述的 每一個(gè)載頻被定義為一個(gè)幀 每個(gè)幀的周期是4 615ms 包括8個(gè)時(shí)隙 TS0 TS7 每個(gè)時(shí)隙占0 577ms TDMA幀的編號(hào)以超高幀為周期的 從0 2715647 每2715648個(gè)TDMA幀為一個(gè)超高幀 一個(gè)超高幀由2048個(gè)超幀組成 一個(gè)超幀的幀長(zhǎng)為6 12s 它由51業(yè)務(wù)復(fù)幀或26個(gè)控制復(fù)幀組成 2020 4 25 41 2020 4 25 第三節(jié)話(huà)音 信道編碼和交織一 話(huà)音編碼1 GSM是全數(shù)字系統(tǒng) 話(huà)音或其他信號(hào)都要進(jìn)行數(shù)字化處理 第一步就是要把話(huà)音模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào) 2 PCM編碼是波形編碼 可分為三個(gè)步驟 采樣 量化 編碼3 采用PCM方式編碼數(shù)字話(huà)信號(hào)的速率是 8bit 一個(gè)字節(jié) 8000次 s 64Kbit s8個(gè)時(shí)隙的速率 64kbit s 8 512kbit s 2020 4 25 42 2020 4 25 GSM系統(tǒng)若采用這種編碼方式 則8個(gè)語(yǔ)音信道的比特率就是64kbt s 8 512Kbit s GSM系統(tǒng)的載頻間隔為200KHz 要保持在規(guī)定的頻帶內(nèi) 必需大大降低每路語(yǔ)音信道的編碼的比特率 4 GSM采用了規(guī)則脈沖激勵(lì)長(zhǎng)期預(yù)測(cè)編碼器 RPE LTP編碼器 來(lái)降低每路語(yǔ)音信道編碼比特率 這種混和編碼一路數(shù)字話(huà)的比特率為13Kbt s 混合編碼的優(yōu)點(diǎn) 編碼速率低 語(yǔ)音質(zhì)量好 8路數(shù)字話(huà)的速率是 13Kbit s 8 104Kbit s 滿(mǎn)足了無(wú)線(xiàn)信道帶寬 200Kbit s 的傳輸要求 2020 4 25 43 2020 4 25 2020 4 25 44 圖2 4GSM話(huà)音編碼器框圖 2020 4 25 二 信道編碼信道編碼的目的信道編碼用于改善信道的傳輸質(zhì)量 克服各種干擾因素對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的不良影響 是以增加比特而降低信息量為代價(jià)的 編碼的基本原理在所傳送的數(shù)據(jù)上增加一些冗余比特信息 進(jìn)行糾錯(cuò)編碼 減少傳輸過(guò)程中比特差錯(cuò)率 信道編碼的糾錯(cuò)方式1 塊卷積碼 主要用于糾錯(cuò) 糾錯(cuò)效果好 2 糾錯(cuò)循環(huán)碼 用于檢測(cè)和糾正成組的誤碼 3 奇偶校驗(yàn)碼 常用最簡(jiǎn)單的檢測(cè)誤碼的方法 2020 4 25 45 2020 4 25 三 交織技術(shù)無(wú)線(xiàn)電信道是變參信道 比特差錯(cuò)經(jīng)常是成串發(fā)生的 這是由于持續(xù)的深衰落會(huì)影響到相繼一串的比特 辦法是信息中的相繼比特分開(kāi) 把順序相關(guān)的比特非相關(guān)化 使突發(fā)差錯(cuò)信道變?yōu)殡x散信道 再用信道編碼的糾錯(cuò)功能來(lái)糾正差錯(cuò) 這種辦法就是交織技術(shù) 交織可以把碼字順序相關(guān)的bit非相關(guān)化 把m個(gè)bit的碼字分布到n個(gè)傳輸單元之中 n越大 非相關(guān)性越好 持續(xù)誤碼越少 傳輸質(zhì)量越高 但會(huì)增加傳輸時(shí)延 移動(dòng)臺(tái)和中繼電路上增加了回波抵消器 改善由時(shí)延引起的通話(huà)回音 2020 4 25 46 2020 4 25 第四節(jié)GSM的調(diào)制技術(shù)一 GSM調(diào)制方式GSM采用的是高斯濾波最小移頻鍵控GMSK 工作原理 在保持MSK較好的頻譜特性和較低的誤碼率基礎(chǔ)上 在MSK之前加入一高斯濾波器 輸入的基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)高斯濾波器形成的高斯脈沖包絡(luò)無(wú)陡峭沿 拐點(diǎn) 經(jīng)調(diào)制后的信號(hào)比較平滑 改善了頻譜特性 GMSK調(diào)制方式 改善了頻譜特性 加快帶外衰減 滿(mǎn)足了相鄰信道干擾電平小于 60dB要求 2020 4 25 47 2020 4 25 二 GMSK的解調(diào)可以采用正相干解調(diào) 但相干載波提取比較難 GMSK信號(hào)的解調(diào)常采用差分解調(diào)和鑒頻器解調(diào)等非相干解調(diào) 2020 4 25 48 預(yù)調(diào)制濾波器 MSK 輸入 GMSK h 0 5 圖5 5GMSK調(diào)制原理框圖 2020 4 25 第五節(jié)GSM的控制和管理控制和管理對(duì)GSM系統(tǒng)的正常運(yùn)行是至關(guān)重要 本節(jié)僅就位置登記和更新 鑒權(quán)與保密 呼叫接續(xù)和越區(qū)切換等控制和管理進(jìn)行討論 一 位置登記和更新GSM為了跟蹤MS的位置變化 對(duì)其位置信息進(jìn)行登記 刪除和更新的過(guò)程 二 鑒權(quán)與加密GSM系統(tǒng)為了保證安全 采取了鑒權(quán)與加密 1 鑒權(quán) 確認(rèn)MS的合法性 2 加密 防止第三者竊聽(tīng) 2020 4 25 49 2020 4 25 3 設(shè)備識(shí)別碼 IMEI 每個(gè)移動(dòng)臺(tái)均有一個(gè)惟一的設(shè)備識(shí)別碼IMEI EIR中存儲(chǔ)了所有入網(wǎng)移動(dòng)臺(tái)設(shè)備的IMEI 目的是確保系統(tǒng)中使用的設(shè)備不是盜用或非法的 EIR中存有3種名單 即白名單 合法 黑名單 禁用 灰名單 由運(yùn)營(yíng)商決定 4 臨時(shí)識(shí)別碼 TMSI 是為防止非法監(jiān)聽(tīng)或盜用用戶(hù)識(shí)別碼IMSI 在無(wú)線(xiàn)鏈路上需要傳送IMSI時(shí) 均用臨時(shí)用戶(hù)識(shí)別碼TMSI代替IMSI 由MSC VLR分配并定期更換TMSI 在無(wú)線(xiàn)信道上傳送的是TMSI 確保了IMSI的安全性 2020 4 25 50 2020 4 25 三 GSM用戶(hù)呼叫接續(xù)過(guò)程1 移動(dòng)用戶(hù)主叫固定用戶(hù) 移動(dòng)臺(tái)在 隨機(jī)信道RACH 向基站發(fā)出 信道請(qǐng)求 信息 若BS接收成功 給MS分配一個(gè) 專(zhuān)用接入信道DCCH 即在 準(zhǔn)許接入信道AGCH 上 向MS發(fā)出 立刻分配 指令 MS在發(fā)起呼叫的同時(shí) 設(shè)置一定時(shí)器 在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)可重復(fù)呼叫 MS收到 立即分配 的信令后 利用分配的DCCH與BS建立起信令鏈路 經(jīng)BS向MSC發(fā)送 業(yè)務(wù)請(qǐng)求信息 MSC向VLR發(fā)送 開(kāi)始接入請(qǐng)求 應(yīng)答信令 VLR收到后 經(jīng)MSC和BS向MS發(fā)出 鑒權(quán)請(qǐng)求 其中包含一隨機(jī)數(shù) RAND MS按鑒權(quán)算法A3進(jìn)行處理后 向MSC發(fā)回 鑒權(quán) 響應(yīng)信息 2020 4 25 51 2020 4 25 若鑒權(quán)通過(guò) 承認(rèn)MS的合法性 VLR就給MSC發(fā)送 置密模式 信息 由MSC經(jīng)BS向MS發(fā)送 置密模式 指令 MS收到并完成置密后 要向MSC發(fā)送 置密模式完成 的相應(yīng)信息 經(jīng)鑒權(quán) 置密完成后 VLR才向MSC作出 開(kāi)始接入請(qǐng)求 應(yīng)答 為了保護(hù)IMSI不被監(jiān)聽(tīng)或盜用 VLR將給MS分配一個(gè)新的TMSI 接著MS向MSC發(fā)出 建立呼叫請(qǐng)求 MSC收到后 向VLR發(fā)出指令 要求它傳送建立呼叫所需的信息 2020 4 25 52 2020 4 25 如果成功 MSC即向MS發(fā)送 呼叫開(kāi)始 的指令 并向BS發(fā)出分配無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)信道的 信道指配 指令 如果BS有空閑 業(yè)務(wù)信道TCH 即向MS發(fā)出 信道指配 指令 當(dāng)MS得到業(yè)務(wù)信道時(shí) 向BS和MSC發(fā)送 信道指配完成 的信息 MSC在無(wú)線(xiàn)鏈路和地面有線(xiàn)鏈路建立后 把呼叫接續(xù)到固定網(wǎng)絡(luò) 并和被叫的固定用戶(hù)建立連接 然后給MS發(fā)送回鈴音 當(dāng)被叫固定用戶(hù)摘機(jī)后 MSC向BS和MS發(fā)送 連接 指令 待MS發(fā)回 連接 確認(rèn)后 即轉(zhuǎn)入通話(huà)狀態(tài) 完成整個(gè)接續(xù)過(guò)程 2020 4 25 53 2020 4 25 2 固定用戶(hù)主叫移動(dòng)用戶(hù) 固定用戶(hù)向移動(dòng)用戶(hù)撥出號(hào)碼后發(fā)起呼叫后 固定網(wǎng)絡(luò)把呼叫接續(xù)到就近入口移動(dòng)交換中心GMSC GMSC即向相應(yīng)的HLR查詢(xún)路由信息 HLR在保存的用戶(hù)位置數(shù)據(jù)庫(kù)中 查出被叫MS所在的地區(qū) 并向該區(qū)VLR查詢(xún)?cè)揗S的漫游號(hào)碼MSRN VLR把該MS的MSRN送到HLR 并轉(zhuǎn)發(fā)給查詢(xún)路由信息的GMSC GMSC即把呼叫接續(xù)到被叫MS所在地區(qū)的移動(dòng)交換中心VMSC VMSC向該VLR查詢(xún)有關(guān)的 呼叫參數(shù) 獲得成功后 再向相關(guān)的基站BS發(fā)出 尋呼請(qǐng)求 2020 4 25 54 2020 4 25 基站控制器BSC根據(jù)MS所在的小區(qū) 確定所用的收發(fā)臺(tái)BTS 在 尋呼信道BCH 上發(fā)送此 尋呼要求 信息 MS收到尋呼請(qǐng)求信息后 在 隨機(jī)信道RACH 向BS發(fā)送 信道請(qǐng)求 由BS分配 專(zhuān)用控制信道DCCH 在 公用控制信道CCCH 上給MS發(fā)送 立即分配 指令 MS利用分配到的DCCH與BS建立起信令鏈路 然后向VMSC發(fā)回 尋呼響應(yīng) VMSC接到MS的 尋呼相應(yīng) 后 向VLR發(fā)送 開(kāi)始接入請(qǐng)求 按著啟動(dòng)常規(guī)的 鑒權(quán) 和 置密模式 的過(guò)程之后 VLR即向VMSC發(fā)回 開(kāi)始接入應(yīng)答 和 完成呼叫 的請(qǐng)求 2020 4 25 55 2020 4 25 VMSC向BS及MS發(fā)送 呼叫建立 的信令 被叫MS收到信令后 向BS和VMSC發(fā)回 呼叫證實(shí) 信息 表明MS已可進(jìn)入通信狀態(tài) VMSC收到MS的 呼叫證實(shí) 信息后 向BS發(fā)出信道 指配請(qǐng)求 要求BS給MS分配無(wú)線(xiàn) 業(yè)務(wù)信道TCH 接著 MS向BS及VMSC發(fā)回 指配完成 響應(yīng)和回鈴音 VMSC向固定用戶(hù)發(fā)送 連接完成 信息 被叫MS摘機(jī)時(shí) 向VMSC發(fā)送 連接 信息 VMSC向主叫固定用戶(hù)發(fā)送 撥號(hào)應(yīng)答 信息 并向MS發(fā)送 連接 確認(rèn)信息 整個(gè)接續(xù)過(guò)程全部完成 2020 4 25 56 2020 4 25 四 越區(qū)切換越區(qū)切換是指通信期間 當(dāng)MS從一個(gè)小區(qū)進(jìn)入另一個(gè)小區(qū)時(shí) 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制把MS在原小區(qū)所用的信道轉(zhuǎn)換到新小區(qū)的某一信道的過(guò)程 1 同一個(gè)BSC 不同BTS之間的切換 包括不同扇區(qū)的切換 2 同一個(gè)MSC VLR 不同BSC之間的切換 3 不同的MSC VLR之間的切換 GSM系統(tǒng)采取了移動(dòng)臺(tái)輔助切換法 MAHO MS測(cè)量本基站和周?chē)镜男盘?hào)強(qiáng)度 把測(cè)得的結(jié)果送給MSC分析和處理 從而作出越區(qū)切換的決定 如果不能進(jìn)行切換 BS會(huì)向MS發(fā)出拒絕切換的決定 2020 4 25 57 2020 4 25 第六節(jié)GPRS系統(tǒng)GPRS是通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)的英文簡(jiǎn)寫(xiě) 是GSM向3G演進(jìn)的第一階段 GPRS也稱(chēng)為2 5G 一 特點(diǎn) 1 GPRS數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)100kbit s以上 比GSM網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率9 6Kbit s高的多 實(shí)際的非對(duì)稱(chēng)速率只有14 43kbit s 但仍使圖片 視頻等多媒體業(yè)務(wù)的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí) 2 GPRS采用分組交換技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)信道只在用戶(hù)需要時(shí)分配 提高了信道利用率 充分利用了網(wǎng)絡(luò)資源 3 GPRS用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)時(shí) 保持著邏輯上的連接 可使GPRS用戶(hù) 實(shí)時(shí)在線(xiàn) 按用戶(hù)下載流量計(jì)費(fèi) 2020 4 25 58 2020 4 25 二 GPRS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 1 在GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上 增加SGSN GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn) 和GGSN GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn) 兩個(gè)節(jié)點(diǎn) 構(gòu)成了移動(dòng)分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò) 如圖2 10所示 2 SGSN的功能 類(lèi)似于MSC 與MSC同一級(jí)別 記錄移動(dòng)臺(tái)當(dāng)前的位置信息 執(zhí)行安全功能和接入控制 在MS和GGSN之間完成移動(dòng)分組數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收 3 GGSN的功能 是網(wǎng)關(guān)作用 可以和多種不同的數(shù)據(jù)網(wǎng)連接 如ISDN LAN PSPDN等 GPRS提供了移動(dòng)網(wǎng)到TCP IP或X 25的網(wǎng)絡(luò)接口 可把GPRS網(wǎng)絡(luò)看作是一個(gè)IP子網(wǎng) 2020 4 25 59 2020 4 25 2020 4 25 60 圖2 10GPRS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 2020 4 25 三 GPRS的網(wǎng)絡(luò)接口和參考點(diǎn) 1 Um接口 無(wú)線(xiàn)空中接口 射頻部分與GSM相同 邏輯信道增加了分組信道PDCH 采用了4種新的編碼方式 并支持多時(shí)隙傳輸方式 最多可傳輸8個(gè)時(shí)隙 2 Gb接口 SGSN與BSS之間的接口 Gb接口即傳送信令又傳送話(huà)務(wù)信息 提供流量控制 支持移動(dòng)管理和會(huì)話(huà)功能 如GPRS附著 分離 安全 路由更新 數(shù)據(jù)連接信息的激活 去活等 支持移動(dòng)臺(tái)分組業(yè)務(wù)經(jīng)BSS到SGSN的傳輸 3 Gn接口 同一個(gè)PLMN中的兩個(gè)GSN GPRS支持節(jié)點(diǎn) 之間的接口 支持用戶(hù)數(shù)據(jù)和有關(guān)信令的傳輸 支持移動(dòng)性管理 2020 4 25 61 2020 4 25 4 Gp接口 不同PLMN中的兩個(gè)GSN的接口 Gp接口的功能與Gn相似 它還提供邊緣網(wǎng)關(guān) BG 防火墻及不同PLMN間互聯(lián)功能 如安全和路由等 5 Gr接口 SGSN與HLR之間的接口 Gr接口為SGSN提供了接入HLR并獲得用戶(hù)管理數(shù)據(jù)和位置信息的接口 通過(guò)MAP信令進(jìn)行傳送 該HLR可以屬于不同PLMN 6 Gs接口 SGSN與MSC VLR之間的接口 是用來(lái)支持SGSN和MSC VLR配合工作的 使SGSN可以向MSC VLR發(fā)送MS的位置信息或接收來(lái)自MSC VLR的尋呼信息 Gs接口能使網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)MS同時(shí)提供電路和分組業(yè)務(wù)服務(wù) 2020 4 25 62 2020 4 25 7 Gc接口 GGSN與HLR之間的接口 選用Gc接口 GGSN可直接從HLR中獲得MS的位置信息 8 Gi參考點(diǎn) GGSN與外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)IP X 25之間的接口參考點(diǎn) GPRS可支持各種數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò) Gi不是標(biāo)準(zhǔn)接口 是一個(gè)參考點(diǎn) 9 Gf接口 SGSN與EIR之間的接口 交換有關(guān)數(shù)據(jù) 認(rèn)證MS的IMSI信息 10 Gd接口 SMS GMSC 短消息業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)移動(dòng)交換中心 和SGSN之間的接口 SMS IWMSC 短消息業(yè)務(wù)互通移動(dòng)交換中心 和SGSN之間的接口 可以提高SMS的使用效率 2020 4 25 63 2020 4 25 碼分多址 CDMA 系統(tǒng) 是在數(shù)字技術(shù)的分支 擴(kuò)頻通信技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的一種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù) 它源自于人類(lèi)對(duì)無(wú)線(xiàn)通信更高質(zhì)量的要求 全球許多國(guó)家都已建有CDMA網(wǎng)絡(luò) 第一節(jié)碼分多址 CDMA 技術(shù)碼分多址 CDMA 采用的關(guān)鍵技術(shù)有 擴(kuò)頻技術(shù) 碼分多址技術(shù) 信道技術(shù) 功率控制技術(shù) 切換技術(shù)等 2020 4 25 64 2020 4 25 一 CDMA擴(kuò)頻通信技術(shù)1 擴(kuò)頻通信的基本原理擴(kuò)頻通信技術(shù)是CDMA的關(guān)鍵技術(shù)之一 CDMA采用的是直接擴(kuò)頻 發(fā)送端 將需傳送的窄帶信息數(shù)據(jù) 用一個(gè)帶寬遠(yuǎn)大于信號(hào)帶寬的高速偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制 使窄帶數(shù)據(jù)信號(hào)的帶寬被擴(kuò)展 稱(chēng)為擴(kuò)頻 再經(jīng)調(diào)制載波后發(fā)送出去 接收端 使用完全相同的偽隨機(jī)碼 與接收的被擴(kuò)展的寬帶信號(hào)作相關(guān)解調(diào) 把寬帶信號(hào)換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號(hào)即解擴(kuò) 以實(shí)現(xiàn)信息通信 2020 4 25 65 2020 4 25 發(fā)送端 帶有用戶(hù)信息的窄帶數(shù)據(jù)信號(hào)d t 通過(guò)偽隨機(jī)碼c t 擴(kuò)頻后 在頻域內(nèi)被擴(kuò)展成寬帶頻譜信號(hào)s t 經(jīng)調(diào)制載波后發(fā)射出去 接收端 接收機(jī)接收到的寬帶信息 經(jīng)載波同步解調(diào)后不僅有用戶(hù)信息的寬帶信號(hào)s t 而且還有窄帶干擾噪聲n t 因此 合成信號(hào)為s t n t 如圖3 1和圖3 2所示 2020 4 25 66 2020 4 25 對(duì)合成信號(hào)s t n t 解擴(kuò)過(guò)程 用同樣的偽隨機(jī)碼c t 進(jìn)行解擴(kuò) 由于偽隨機(jī)碼c t 具有尖銳的自相關(guān)特性 即可認(rèn)為c t c t 1 得到 s t n t c t s t c t n t c t d t c t c t n t c t d t n t c t n t c t 實(shí)際是對(duì)窄帶干擾噪聲的擴(kuò)頻操作 結(jié)果n t 被擴(kuò)展成寬帶頻譜 單位頻帶內(nèi)的噪聲功率降低了 對(duì)有用信號(hào)的干擾減小了 通過(guò)帶通濾波器后 寬帶低功率噪聲干擾大部分被濾除 只輸出用戶(hù)信號(hào)d t 和濾波器帶通內(nèi)干擾噪聲 2020 4 25 67 2020 4 25 2020 4 25 68 2020 4 25 2020 4 25 69 圖3 2擴(kuò)頻和解擴(kuò)過(guò)程示意圖 2020 4 25 2 處理增益和抗干擾容限處理增益 Gp 和抗干擾容限 Mj 是擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的兩個(gè)重要指標(biāo) 處理增益 Gp 又稱(chēng)擴(kuò)頻增益 它定義為擴(kuò)頻信號(hào)帶寬 Bw 與信息帶寬 Bs 之比 即 Gp Bw Bs擴(kuò)頻增益Gp表示擴(kuò)頻系統(tǒng)輸出信噪比改善的程度 是擴(kuò)頻系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo) Gp值越大 系統(tǒng)的信噪比改善程度越大 通信質(zhì)量也越好 2020 4 25 70 2020 4 25 抗干擾容限 反映了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)抗干擾能力 表示在保證系統(tǒng)所要求的信噪比 S Nout 時(shí) 系統(tǒng)能夠承受的最大干擾值 就是接收機(jī)輸入端能承受的干擾信號(hào)比有用信號(hào)高出的分貝數(shù) 其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 Mj Gp Ls S Nout 式中 Gp為處理增益 Ls為系統(tǒng)損耗 S Nout為系統(tǒng)所要求的信噪比 一般要求接收機(jī)輸出信噪比S Nout 10dB 2020 4 25 71 2020 4 25 二 碼分多址通信技術(shù)碼分多址技術(shù)是CDMA通信的基本技術(shù) 是區(qū)別于TDMA FDMA的重要標(biāo)志 如圖3 3所示 CDMA引入了碼域概念 在同時(shí)同頻下完成通信 不同的用戶(hù)被不同的地址碼所區(qū)分 這些地址碼彼此都是正交的 當(dāng)用這樣的地址碼對(duì)于不同的低頻用戶(hù)信息進(jìn)行擴(kuò)頻后 被調(diào)制的高頻信號(hào)就可以在空中傳播 接收端接收到已調(diào)制高頻信號(hào) 經(jīng)載波同步解調(diào)后 再用同樣的地址碼對(duì)擴(kuò)頻的寬帶信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)處理 就可以正確地獲得低頻用戶(hù)信息 CDMA技術(shù)實(shí)現(xiàn)了頻率在多個(gè)小區(qū)內(nèi)重復(fù)使用 2020 4 25 72 2020 4 25 2020 4 25 73 圖3 3碼分多址原理示意圖 2020 4 25 在選擇用戶(hù)的地址碼或擴(kuò)頻碼時(shí) 自相關(guān)特性和互相關(guān)特性是兩個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn) 要求自相關(guān)性尖銳 碼序列本身相乘疊加后歸一化值為1 稱(chēng)為自相關(guān)性尖銳 要求互相關(guān)特性良好 任意兩個(gè)不同碼序列相乘后積分的值為0 稱(chēng)互相關(guān)性良好 稱(chēng)兩個(gè)碼序列為正交 擴(kuò)頻碼的互相關(guān)性良好 有利于消除碼間干擾 擴(kuò)頻碼的自相關(guān)性尖銳 有利于同步和消除多徑干擾 2020 4 25 74 2020 4 25 CDMA系統(tǒng)里常用Walsh函數(shù)正交碼 作為擴(kuò)頻碼 CDMA系統(tǒng)里常用偽隨機(jī)序列 PN碼 作為地址碼 偽隨機(jī)序列是一種貌似隨機(jī)但實(shí)際上是有規(guī)律的周期性二進(jìn)制序列 在CDMA系統(tǒng)中常用M序列來(lái)用來(lái)區(qū)分用戶(hù) 用Gold序列來(lái)區(qū)分用戶(hù)或基站 M序列 是 最大長(zhǎng)度線(xiàn)性移位寄存器序列 簡(jiǎn)稱(chēng) Gold序列 是一種基于M序列優(yōu)選對(duì)的碼序列 序列資源豐富 2020 4 25 75 2020 4 25 三 CDMA信道通信系統(tǒng)都有不同用途的信道 以完成復(fù)雜的信令和業(yè)務(wù)的傳輸 CDMA不用開(kāi)辟不同的頻段或時(shí)隙來(lái)作信道 CDMA的信道是通過(guò)碼來(lái)區(qū)分的 分成前向信道和反向信道分別描述CDMA信道的作用 1 CDMA前向信道 BS到MS方向 CDMA前向信道由導(dǎo)頻信道 同步信道 尋呼信道和業(yè)務(wù)信道組成 每個(gè)信道有特定的Walsh序列碼調(diào)制 W0 W63 每個(gè)信道的基帶速率有多種 最高達(dá)到19 2kbit s 每個(gè)基帶數(shù)據(jù)流與64碼片長(zhǎng)的Walsh序列相乘后 總速率為19 2kbit s 64 1 2288Mbit s數(shù)據(jù)流 2020 4 25 76 2020 4 25 1 導(dǎo)頻信道 始終發(fā)送一個(gè)不含信息的擴(kuò)頻信號(hào) 導(dǎo)頻信號(hào)發(fā)射功率比其他信道大 以便MS對(duì)BS的捕獲和跟蹤 導(dǎo)頻信號(hào)也是MS判斷是否要越區(qū)切換的基準(zhǔn) 2 同步信道 SCH 作用是發(fā)送基站的同步消息 包括系統(tǒng)時(shí)間和導(dǎo)頻偏置 使MS確認(rèn)正在接入的是哪一個(gè)BS 3 尋呼信道 PCH 每個(gè)BS有一個(gè)或幾個(gè)PCH 用于發(fā)送系統(tǒng)信息和指令 在MS接入信道發(fā)出接入請(qǐng)求后對(duì)消息進(jìn)行確認(rèn) 4 前向業(yè)務(wù)信道 F TCH 用于傳送用戶(hù)數(shù)字語(yǔ)音和其他業(yè)務(wù)信息 還包括功率控制子信道 還傳輸越區(qū)切換等控制信息 2020 4 25 77 2020 4 25 2 CDMA反向信道 MS到BS方向 CDMA有兩種反向信道 接入信道和業(yè)務(wù)信道 1 接入信道 ACH 反向信道中有1個(gè)到32個(gè)接入信道 前向信道中每個(gè)尋呼信道 對(duì)應(yīng)一個(gè)接入信道 接入信道用于MS初始化呼叫 響應(yīng)基站的尋呼要求和信息要求等 當(dāng)需要時(shí) 接入信道可變成業(yè)務(wù)信道 傳輸用戶(hù)業(yè)務(wù)信息 2 反向業(yè)務(wù)信道 R TCH 反向業(yè)務(wù)信道與前向業(yè)務(wù)信道類(lèi)似 主要用于傳送業(yè)務(wù)信息和信令 2020 4 25 78 2020 4 25 四 CDMA功率控制技術(shù)功率控制技術(shù)是CDMA的基本技術(shù)之一 率控制目的 克服遠(yuǎn)近效應(yīng) 提高系統(tǒng)容量 功率控制方式 前向功率控制和反向功率控制 1 反向功率控制反向功率控制的對(duì)象 是控制MS的發(fā)射功率 控制依據(jù)是前向信道的接收信號(hào)強(qiáng)度 前向信道的誤幀率等參數(shù) 反向功率控制有 開(kāi)環(huán)功率控制 閉環(huán)功率控制和外環(huán)功率控制 2020 4 25 79 2020 4 25 反向開(kāi)環(huán)功率控制 當(dāng)MS發(fā)起呼叫或者響應(yīng)BS的呼叫時(shí)首先工作的 目的是使所有MS發(fā)出的信號(hào)在到達(dá)BS時(shí)都有相同的功率 基本方法 MS測(cè)量接收的導(dǎo)頻信號(hào)的功率電平 估算出前向鏈路路徑損耗 調(diào)整MS發(fā)射功率 反向閉環(huán)功率控制 反向閉環(huán)功率控制是反向功率控制的核心 是由BS協(xié)助MS 對(duì)MS的開(kāi)環(huán)功率估測(cè)作出校正 使MS始終保持理想發(fā)射功率的一種技術(shù) 2020 4 25 80 2020 4 25 2 前向功率控制前向功率控制的實(shí)現(xiàn)是BS根據(jù)MS提供的測(cè)量結(jié)果 調(diào)整對(duì)每個(gè)MS的發(fā)射功率 對(duì)路徑衰耗小的MS分配比較小的前向發(fā)射功率 對(duì)較遠(yuǎn)及解調(diào)信噪比較低的MS分配較大的前向發(fā)射功率 前向功率控制也采取了閉環(huán)控制 結(jié)論 CDMA功率控制是一種合并機(jī)制 在幾種機(jī)制共同作用下 不斷地調(diào)整發(fā)射功率以彌補(bǔ)無(wú)線(xiàn)信道的衰減變化 保證通信質(zhì)量和提高系統(tǒng)容量 2020 4 25 81 2020 4 25 五 切換技術(shù)CDMA的切換技術(shù)包括軟切換和硬切換 1 軟切換技術(shù)軟切換技術(shù)是CDMA系統(tǒng)的又一關(guān)鍵技術(shù) 軟切換 軟切換是先通后斷的切換方式 軟切換是指MS在具有相同頻率CDMA頻道中的小區(qū)或扇區(qū)之間進(jìn)行的切換 軟切換不需要MS變更收發(fā)頻率 更軟切換 更軟切換是指在同一個(gè)小區(qū)內(nèi)不同扇區(qū)之間的切換 不需要MS變更收發(fā)頻率 切換是由BS完成 BS只是報(bào)MSC備案 2020 4 25 82 2020 4 25 2 硬切換技術(shù)硬切換 是指MS在不同系統(tǒng)的BS之間 不同CDMA頻道或不同幀偏移量之間進(jìn)行的切換 硬切換是先斷后接的切換方式 硬切換需要MS變更收發(fā)頻率 即先切斷原來(lái)的收發(fā)頻率 再搜索使用新的頻道 會(huì)造成無(wú)線(xiàn)鏈路的瞬間中斷 如切換時(shí)間大于200ms 將影響用戶(hù)通信 CDMA系統(tǒng)的切換絕大部分是通過(guò)軟切換實(shí)現(xiàn)的 可以保證很高的切換成功率 硬切換成功率相對(duì)于軟切換低 提高硬切換成功率一直是網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和系統(tǒng)調(diào)整的一個(gè)重點(diǎn) 2020 4 25 83 2020 4 25 第二節(jié)CDMA系統(tǒng)的特點(diǎn) 1 發(fā)射功率低CDMA手機(jī)采用完備的功率控制算法 使手機(jī)的發(fā)射功率剛好滿(mǎn)足正常通信 通過(guò)擴(kuò)頻通信方式抑制窄帶干擾 使手機(jī)發(fā)射功率降低 大約是GSM手機(jī)的1 10 2 通話(huà)質(zhì)量?jī)?yōu) CDMAD擴(kuò)頻碼分通信制式 可以過(guò)濾環(huán)境中的背境噪聲 使用戶(hù)語(yǔ)音更為清晰 采用軟切換算法提高了切換成功率 使得小區(qū)交界處語(yǔ)音質(zhì)量得以保證 2020 4 25 84 2020 4 25 3 保密性能好CDMA系統(tǒng)在空中傳輸?shù)氖歉咚贁U(kuò)頻信號(hào) 擴(kuò)頻碼是很復(fù)雜的偽隨機(jī)碼 具有非常好的保密性 4 更好的用戶(hù)容量CDMA系統(tǒng)小區(qū)容量是柔性的 通過(guò)功率控制技術(shù)應(yīng)用 可以限制單個(gè)用戶(hù)前向功率的控制范圍 保證容量 5 CDMA技術(shù)提高了語(yǔ)音和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?結(jié)論 CDMA是寬帶系統(tǒng) 有較高的擴(kuò)頻增益 在C I為負(fù)值時(shí)仍能得到較好的服務(wù)質(zhì)量 在同等條件下比GSM傳播距離大1 3 2 1倍左右 在郊區(qū)開(kāi)闊地 基站覆蓋半徑可達(dá)50km以上 2020 4 25 85 2020 4 25 第三節(jié)移動(dòng)通信無(wú)線(xiàn)頻率的分配一 GSM900MHz系統(tǒng)的工作頻率 載頻 上行 MS發(fā) BS收 工作頻率范圍 890 915MHz下行 BS發(fā) MS收 工作頻率范圍 935 960MHz工作帶寬 25MHz雙工間隔 45MHz載頻間隔 200KHz共有124個(gè)載頻頻道 頻道號(hào)為1 124 載頻頻道 每個(gè)載頻信道帶寬200KHz 2020 4 25 86 2020 4 25 中國(guó)移動(dòng)占用低端94個(gè)頻道 中國(guó)聯(lián)通占用高端30個(gè)頻道 二 GSM1800MHz系統(tǒng)的工作頻率上行頻率范圍 1710 1785MHz下行頻率范圍 1805 1880MHz雙工間隔 95MHz工作帶寬 75MHz載頻間隔 200MHz 共有374個(gè)載頻頻道 三 CDMA800MHz系統(tǒng)的工作頻率上行頻率范圍 825 835MHz下行頻率范圍 870 880MHz 2020 4 25 87 2020 4 25 第四節(jié)第三代移動(dòng)通信的發(fā)展在GSM和窄帶CDMA的第二代移動(dòng)通信時(shí)期 實(shí)現(xiàn)了部分國(guó)家和地區(qū)的漫游 也暴露出一些問(wèn)題 如系統(tǒng)容量小 頻譜利用率不高 不適合于傳輸高速數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)等 第三代移動(dòng)通信系統(tǒng) 3G 是在ITUIMT 2000建議基礎(chǔ)上 工作在2GHz頻段 最高速率可達(dá)2Mbit s的寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng) 其基本特征如下 1 全球普及和全球無(wú)縫漫游的系統(tǒng) 2G系統(tǒng)一般為區(qū)域或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 而3G系統(tǒng)是在全球范圍內(nèi)覆蓋和使用的系統(tǒng) 全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn) 2020 4 25 88 2020 4 25 2 具有支持多媒體業(yè)務(wù)能力 2G系統(tǒng)主要提供語(yǔ)音業(yè)務(wù)為主 GSM演進(jìn)到最高階段的速率能為384kbit s 而3G系統(tǒng)的業(yè)務(wù)從支持語(yǔ)音業(yè)務(wù)到分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)到多媒體業(yè)務(wù) 根據(jù)具體業(yè)務(wù)需要 提供必要的帶寬 ITU規(guī)定的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)RTT必需滿(mǎn)足以下3種環(huán)境的最低要求 即 快速移動(dòng)環(huán)境 傳輸速率達(dá)144kbit s 室外到室內(nèi)或步行環(huán)境 傳輸速率達(dá)384kbit s 室內(nèi)環(huán)境 傳輸速率達(dá)2Mbit s 2020 4 25 89 2020 4 25 3 便于過(guò)渡 演進(jìn) 3G系統(tǒng)引入時(shí) 2G網(wǎng)絡(luò)已具有相當(dāng)規(guī)模 3G網(wǎng)絡(luò)一定要在2G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上逐漸靈活過(guò)渡 并應(yīng)與固定網(wǎng)絡(luò)兼容 4 高頻譜效率 5 高服務(wù)質(zhì)量 6 低成本 7 高保密性 2020 4 25 90 2020 4 25 一 ITU對(duì)3G的基本要求3G系統(tǒng)有衛(wèi)星通信網(wǎng)和地面移動(dòng)通信網(wǎng)組成 將成為全球無(wú)縫覆蓋的立體通信網(wǎng)絡(luò) 適用于多種無(wú)線(xiàn)運(yùn)營(yíng)環(huán)境 支持多種業(yè)務(wù) 如移動(dòng)高速業(yè)務(wù) 實(shí)時(shí)圖像傳輸 流媒體傳輸和移動(dòng)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng) 移動(dòng)性個(gè)人業(yè)務(wù) 交互視頻業(yè)務(wù) TV Radio Data和Internet增值業(yè)務(wù)等 第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)頻普利用率高 有高度的靈活性和較強(qiáng)的抗干擾能力 并且具有從2G系統(tǒng)平滑演進(jìn)到3G系統(tǒng)的特點(diǎn) 2020 4 25 91 2020 4 25 二 3G的核心網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn) 1 EvolvedGSMMAP標(biāo)準(zhǔn) 是基于GSM的MAP 移動(dòng)應(yīng)用部分 信令所開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn) 它用于無(wú)線(xiàn)接入為UMTS 通用移動(dòng)通信系統(tǒng) 的網(wǎng)絡(luò) 包括 WCDMA和TD SCDM