現(xiàn)代移動通信

汪丁鼎2003.7.10現(xiàn)代移動通信基礎(chǔ)移動通信之路移動通信的電波傳播移動通信的性能和指標移動通信組網(wǎng)移動通信的主要技術(shù)GSMGPRSCDMA移動通信的未來

主要內(nèi)容2移動通信之路移動通信的電波傳播移動通信的性能和指標移動通信組網(wǎng)移動通信的主要技術(shù)GSMGPRSCDMA移動通信的未來主要內(nèi)容3一個古老地夢想《西游記》中的一幕：玉皇大帝派二郎神抓拿孫悟空，眾神都在凌霄寶殿上觀戰(zhàn)，正當?shù)紫麓虻恼齾柡Φ臅r候，忽然孫悟空不見了，于是玉皇大帝就叫出“千里眼”和“順風耳”，“千里眼”和“順風耳”一個看，一個聽，很快就把孫悟空找到了。4移動通信之路移動通信在最早無線電通信發(fā)明之日就產(chǎn)生。

1897年，意大利人M.G.馬可尼發(fā)明了無線電收報機。5第一代移動通信

以模擬通信為特征的移動通信為第一代移動通信主要代表：美國AMPS系統(tǒng)，英國TACS系統(tǒng)特點：FDMA、模擬話音與傳輸、頻譜利用率低、保密性差、技術(shù)簡單、……6第二代移動通信以數(shù)字通信為特征的移動通信為第二代移動通信第二代移動通信主要制式有歐洲的GSM，TDMA制式北美的CDMAOne(IS-95CDMA)，CDMA制式北美的DAMPS(IS-54)，TDMA制式日本的PDC，TDMA制式特點：頻譜利用率高、數(shù)字話音與傳輸、多種業(yè)務、多種先進技術(shù)、保密性好、集成度高、……

先進技術(shù)：TDMA和CDMA、語音編碼、自適應均衡、數(shù)字調(diào)制、信道編碼、交織、分集接收、功率控制、……7第2.5代移動通信GPRS技術(shù)(通用無線分組業(yè)務)為GSM系統(tǒng)無線商務提供了高速數(shù)據(jù)通道;CDMA1X開始在中國大規(guī)模建設(shè)；日本在移動通信上實現(xiàn)無線互聯(lián)網(wǎng)應用(i-mode)的成功開創(chuàng)了無線數(shù)據(jù)業(yè)務的新時代；中國在無線數(shù)據(jù)應用領(lǐng)域正在起步。8

第三代移動通信概述第三代移動通信為IMT-2000；第三代移動通信的標準已確定；第三代移動通信的商用已在2001年10月面世；第三代移動通信的大規(guī)模商業(yè)應用在2005年以后?？傮w目標2000MHz頻段、2000年左右商用、2000kbps速率全球化，要求多種技術(shù)在多種環(huán)境下統(tǒng)一標準、統(tǒng)一頻率，以實現(xiàn)全球無縫覆蓋。綜合化，要求系統(tǒng)能傳輸話音、寬帶數(shù)據(jù)、視頻圖像等多種業(yè)務，滿足信息化社會的需要。個人化，系統(tǒng)具有足夠的容量潛力和多種用戶管理能力，支持個人的移動性，滿足巨大的個人通信的需求。9第代移動通信標準

IMT-DS—UTRAFDD(WCDMA)(歐洲、日本)

IMT-MC—cdma2000(北美)

IMT-TC—TD-SCDMA(中國)10移動通信的發(fā)展VoiceWidebandBroadbandAnalogDigitalIntegratedDataNarrowband4G3G2GMulti-function1GMultimediaSmartPointfrequency11Beyond3G/4G的研究和個人通信Beyond3G/4G的研究目前國際上有關(guān)第四代移動通信的研究還處于初期階段，其基本需求、核心技術(shù)還處于萌芽階段。但較為明確的一點是，第四代移動通信的實用期定在2010年。個人通信移動通信的飛速發(fā)展使人類實現(xiàn)個人通信的理想為期不遠了任何人在任何時間、任何地點、與任何一個人、實現(xiàn)任何一種媒體的通信。每個人有唯一的通信號碼，通信的個人性代替通信的終端性12主要內(nèi)容移動通信之路移動通信的電波傳播移動通信的性能和指標移動通信組網(wǎng)移動通信的主要技術(shù)GSMGPRSCDMA移動通信的未來13移動通信與無線通信移動通信肯定是無線通信，無線通信側(cè)重于無線，移動通信更注重于其移動性。強調(diào)通信中的移動性，就是移動通信。無線通信移動通信14衰耗衰耗：大范圍變化距離變化的損耗規(guī)律。傳播模型Okumura-Hata模型：Loss=K1+K2log10d+K3log10(Heff)+K4Diffraction+K5log10(Heff)log10d+K6(hmeff)+Kclutter15衰落慢衰落和快衰落：16多徑傳播時間接收信號強度發(fā)射信號17多普勒頻移在移動通信中，當移動臺移向基站時，頻率變高，遠離基站時，頻率變低。900Mhz系統(tǒng)，60km/h的移動速度產(chǎn)生50hz的頻移。18主要內(nèi)容移動通信之路移動通信的電波傳播移動通信的性能和指標移動通信組網(wǎng)移動通信的主要技術(shù)GSMGPRSCDMA移動通信的未來19移動通信網(wǎng)性能指標話音質(zhì)量和信噪比要求話音傳輸質(zhì)量以接收機輸出端音頻頻帶內(nèi)的信噪比S/N或載噪比C/N來表示，業(yè)務種類不同，要求不同（公網(wǎng)高，專網(wǎng)低）。移動數(shù)據(jù)傳輸常用誤碼率，一般只有10-4左右，常用糾錯等方法提高。誤碼率一般用Eb/No（歸一化信噪比）作為常數(shù)來計算，Eb/No為折合到接收機輸入端的比特能量Eb與噪聲的單邊功率譜密度No之比值。話音質(zhì)量的評定往往采用主觀評定的辦法，ITU將評分質(zhì)量分為五級：20話音質(zhì)量分級一般要求

公網(wǎng)一般要求≥4級，專網(wǎng)≥3級對于不同的移動業(yè)務，各國對S/N或C/N的規(guī)定不一樣。中國：移動用戶與固定市話、長話用戶通話時，要求S/N為大于29dB或C/N為17dB，相當于4級話音。22服務指標

服務等級服務等級用呼損率B表示

B：在一個正常運行的系統(tǒng)中，忙時呼叫被阻塞的概率。服務等級決定于系統(tǒng)中同時發(fā)出的呼叫數(shù)、總話務量、信道數(shù)量、系統(tǒng)設(shè)計等呼損率包括無線信道呼損和中繼電路呼損。我國規(guī)定：無線信道B≤0.05，在話務密度高的地區(qū)B≤0.02，中繼電路B應更低。呼叫中斷概率在一個小時內(nèi)建立的Q次呼叫中，若N次丟失，則呼叫中斷概率為N/Q，呼叫中斷概率跟系統(tǒng)設(shè)計、嚴重干擾、越區(qū)切換等有關(guān)。23通信概率

通信概率移動通信由于受地形的影響和無線信號傳播裒落影響，不可能達到覆蓋范圍的100％。通信概率是指移動用戶在給定服務區(qū)域進行成功通話（達到規(guī)定通話質(zhì)量）的概率，它包括位置概率和時間概率。我國公網(wǎng)規(guī)定：城市通信概率≥90%，農(nóng)村通信概率≥50%。專網(wǎng)則要求較高，如鐵路通信要求通信概率(在3級話音質(zhì)量下)≥95%。24主要內(nèi)容移動通信之路移動通信的電波傳播移動通信的性能和指標移動通信組網(wǎng)移動通信的主要技術(shù)GSMGPRSCDMA移動通信的未來25移動通信組網(wǎng)－大區(qū)制第一代模擬移動通信網(wǎng)一般采用大區(qū)制主要特點：基站天線很高：幾十米至幾百米；基站發(fā)射功率大：50~200W；覆蓋半徑：30~50公里；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、成本低；容量小，一般用戶幾十至幾百個，一般用于專網(wǎng)；主要問題：覆蓋半徑有限26移動通信組網(wǎng)－小區(qū)制基本小區(qū)分類：（r：小區(qū)半徑）超小區(qū)：r

＞20km（農(nóng)村）宏小區(qū)：r

＝1-20km（人口稠密地區(qū)）微小區(qū)：r

＝0.1-1km（城市繁華區(qū)）皮小區(qū)：r

＜0.1km（辦公室、家庭）特點：頻率利用率較高組網(wǎng)靈活網(wǎng)絡(luò)復雜6123214598712131010115637128569227同頻干擾與同頻復用比頻率復用28小區(qū)分裂29劃分扇區(qū)利用定向天線來改變同頻干擾，從而可選較小簇，一般用120°扇區(qū)30切換正在通信的移動臺與基站之間的鏈路轉(zhuǎn)移到另一個基站的過程。分類：可分為硬切換和軟切換硬切換：新的連接建立前，先中斷舊的連接。例如GSM系統(tǒng)。軟切換：指既維持舊的連接，又同時建立新的連接。例如CDMA系統(tǒng)。31主要內(nèi)容移動通信之路移動通信的電波傳播移動通信的性能和指標移動通信組網(wǎng)移動通信的主要技術(shù)GSMGPRSCDMA移動通信的未來32多址技術(shù)FDMA頻分多址AMPSTDMA時分多址GSMCDMA碼分多址IS-95用戶1用戶2用戶3頻率時間碼FDMA用戶1用戶2用戶3頻率TDMA時間頻率CDMA用戶1用戶2用戶3時間33語音編碼波形編碼PSTN聲源編碼RPE－LTP話音編碼器GSMQCELP話音編碼IS95tAtA34信道編碼卷積編碼，卷積編碼的編碼效率定義為R＝ko／no，對于具有良好糾、檢錯性能并能合理而又簡單實現(xiàn)的大多數(shù)卷積碼。Turbo編碼，對于非實時業(yè)務具有很好的糾錯性能，但解碼時延長，不適合語音業(yè)務。交織，把一條消息中的相繼錯誤比特分散開，解決突發(fā)性連續(xù)錯誤。35數(shù)字調(diào)制QPSK和OQPSK4相相移鍵控和偏移4相相移鍵控，CDMA使用；MSK最小移頻鍵控；GMSK高斯MSK，GSM使用；π/4-QPSKTIA使用；36分集接收RAKE接收機接收機單徑接收電路單徑接收電路單徑接收電路搜索器計算信號強度與時延合并合并后的信號tts(t)s(t)空間分集，時間分集，頻率分集37主要內(nèi)容移動通信之路移動通信的電波傳播移動通信的性能和指標移動通信組網(wǎng)移動通信的主要技術(shù)GSMGPRSCDMA移動通信的未來38GSM蜂窩移動通信系統(tǒng)GSM數(shù)字移動通信系統(tǒng)1982年源于歐洲。當時這些系統(tǒng)是國內(nèi)系統(tǒng)，不可能在國外使用。為了方便全歐洲統(tǒng)一使用移動電話，需要一種公共的系統(tǒng)，1982年北歐國家向CEPT提交了一份建議書，要求制定900MHz頻段的公共歐洲電信業(yè)務規(guī)范。在這次大會上就成立了一個在歐洲電信標準學會（ETSI）技術(shù)委員會下的“移動特別小組＼GroupSpecialMobile）簡稱“GSM”，來制定有關(guān)的標準和建議書。1986年在巴黎，該小組對歐洲各國及各公司經(jīng)大量研究和實驗后所提出的8個建議系統(tǒng)進行了現(xiàn)場實驗。1991年將GSM更名為“全球移動通信系統(tǒng)”(Globa1systemforMobilecommunications)。39GSM系統(tǒng)的運行1991年在歐洲開通了第一個系統(tǒng);1992年大多數(shù)歐洲GSM運營者開始商用業(yè)務；1994年5月已有50個GSM網(wǎng)在世界上運營，10月總用戶數(shù)已超過400萬，國際漫游用戶每月呼叫次數(shù)超過500萬，用戶平均增長超過50％；1993年歐洲第一個DCS1800系統(tǒng)投入運營。到1994年已有6個運營者采用了該系統(tǒng)。中國1992年在嘉興地區(qū)引入第二代數(shù)字移動蜂窩網(wǎng)GSM系統(tǒng)40GSM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)GSM系統(tǒng)包括NSS、BSS、MS和操作維護中心。MSBSSNSSBSCBTSUmAbisBSSFHLRDEIRAUCAFADEMSC/VLRHUmMSISDNPSTNPSPDNPLMNMESIM-MEi/fSIMMSBTSBTSBSCBSCMESIM-MEi/fSIMMSMSC/VLRAbisAbisABSSOMCOSS41交換網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)MSC：是GSM系統(tǒng)的核心，是對位于它所覆蓋區(qū)域中的移動臺進行控制和完成話路交換的功能實體，為移動通信系統(tǒng)與其它公用通信網(wǎng)提供接口。它完成網(wǎng)絡(luò)接口、公共信道信令系統(tǒng)和計費等功能，完成BSS、MSC之間的切換和輔助性的無線資源管理、移動性管理。

VLR：存儲MSC所管轄區(qū)域中MS（統(tǒng)稱拜訪用戶）的來話、去話呼叫所需檢索的信息。HLR：存儲管理部門用于移動用戶管理的數(shù)據(jù)。每個移動用戶都應在其歸屬位置寄存器（HLR）注冊登記AUC：用于產(chǎn)生為確定移動用戶的身份和對呼叫保密所需鑒權(quán)、加密的三參數(shù)的功能實體。

EIR：存儲有關(guān)移動臺設(shè)備參數(shù)。主要完成對移動設(shè)備的識別、監(jiān)視、閉鎖等功能，以防止非法移動臺的使用。42無線基站子系統(tǒng)BSS系統(tǒng)是在一定的無線覆蓋區(qū)中由MSC控制，與MS進行通信的系統(tǒng)設(shè)備，它主要負責完成無線發(fā)送接收和無線資源管理等功能。功能實體可分為基站控制器（BSC）和基站收發(fā)信臺（BTS）：

BSC：具有對一個或多個BTS進行控制的功能，它主要負責無線網(wǎng)絡(luò)資源的管理、小區(qū)配置數(shù)據(jù)管理、功率控制、定位和切換等，是一個功能很強的業(yè)務控制點。

BTS：無線接口設(shè)備，它完全由BSC控制，主要負責無線傳輸，完成無線與有線的轉(zhuǎn)換、無線分集、無線信道加密、跳頻等功能。43移動臺

移動臺就是移動用戶設(shè)備部分，它由移動終端(MS)和用戶識別卡（SIM）兩部分組成：。

MS移動終端就是“機”，它可完成話音編碼、信道編碼、信息加密、信息的調(diào)制和解調(diào)、信息發(fā)射和接收。

SIM卡就是“身份卡”，存有認證用戶身份所需的所有信息，并能執(zhí)行一些與安全保密有關(guān)的重要信息，以防止非法用戶進入網(wǎng)絡(luò)。SIM卡還存儲與網(wǎng)絡(luò)和用戶有關(guān)的管理數(shù)據(jù)，只有插入SIM后移動終端才能接入進網(wǎng)，但SIM卡本身不是代金卡。44操作維護子系統(tǒng)操作維護子系統(tǒng)（OMC）主要對整個GSM網(wǎng)絡(luò)進行管理和監(jiān)控，可實現(xiàn)對GSM網(wǎng)內(nèi)各種部件功能的監(jiān)視、狀態(tài)報告、故障診斷等。45主要內(nèi)容移動通信之路移動通信的電波傳播移動通信的性能和指標移動通信組網(wǎng)移動通信的主要技術(shù)GSMGPRSCDMA移動通信的未來46GPRS交換技術(shù)電路交換：面向聯(lián)接，獨占線路、效率低、設(shè)備復雜、適合話音、長數(shù)據(jù)、無時延、QoS高、安全性好分組交換：虛連接、共用線路、數(shù)據(jù)分組、效率高、適合數(shù)據(jù)傳輸、傳長數(shù)據(jù)時存在時延問題、QoS問題、安全問題。分組交換技術(shù)X.25是一個廣泛應用的無線分組傳輸協(xié)議；支持點對點和點對多點的分組；GPRS依托電路交換為主的GSM系統(tǒng)進行改進；GPRS常稱為2.5代系統(tǒng)。47GPRS的特點采用分組方式，更有效地利用資源，多用戶可以共享一個物理信道；高數(shù)據(jù)率：最高171.2kbps；快速的呼叫建立/清除時間；引入新業(yè)務簡單、方便，支持TCP/IP和X.25業(yè)務；支持數(shù)據(jù)網(wǎng)；可提供按時間、數(shù)據(jù)量、內(nèi)容等靈活的計費方式48GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在GSM網(wǎng)絡(luò)中增加兩個節(jié)點GPRS服務節(jié)點（SGSN，ServingGPRSSupportNode）網(wǎng)關(guān)GPRS節(jié)點（GGSN，GatewayGPRSSupportNode）MS

BSS

SGSN

GGSN

數(shù)據(jù)網(wǎng)

MSC/VLR

GMSC（IP網(wǎng)關(guān)交換機）

HLR

EIR

SGSN

GGSN

Um

Gb

Gn

Gi

Gp

Gs

Gr

Gc

49GPRS工作過程SGSN：對MS用戶進行鑒權(quán)和移動性管理，進行路由選擇，建立MS到GGSN的傳輸通道，接收BSS透明傳送來的MS數(shù)據(jù)，進行協(xié)議轉(zhuǎn)換后通過GPRS骨干網(wǎng)傳送給GGSN或反向工作，并進行計費和業(yè)務統(tǒng)計。GGSN：接入外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，對于外部網(wǎng)絡(luò)，它是一個子網(wǎng)路由器，GGSN接收MS發(fā)送的數(shù)據(jù)，選路到相應的外部網(wǎng)絡(luò)，或接收外部子網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，根據(jù)其地址選擇GPRS網(wǎng)內(nèi)的傳輸通道，傳給相應的SGSN。其它設(shè)備域名服務器（DNS）：將邏輯名稱轉(zhuǎn)化為IP地址邊界網(wǎng)關(guān)（BG）用于兩個網(wǎng)互連，具有安全功能防火墻計費關(guān)口（CG），收集SGSN和GGSN的計費信息50

從GSM升級到GPRS增加新設(shè)備，SGSN可以是新的（如路由器一樣的設(shè)備，也可與MSC做在一起）BTS不用改硬件，只需軟件升級BSC需要增加處理分組數(shù)據(jù)及無線分組信道管理的模塊PCU（PacketControlUnit）如果需要MSC與SGSN直接接口，則需對MSC軟件升級（利用GPRS信道進行電路型業(yè)務尋呼，發(fā)送短消息），如不直接相連，則不用改造。HLR需支持GPRS的用戶數(shù)據(jù)和路由信息及需有Gr接口，因此需軟件升級。OMC需要增加對新的網(wǎng)絡(luò)單元進行管理的功能GPRS與GSM可共用物理信道，也可單獨用一載頻。需改造或新建GPRS計費系統(tǒng)。需采用支持GPRS的終端51主要內(nèi)容移動通信之路移動通信的電波傳播移動通信的性能和指標移動通信組網(wǎng)移動通信的主要技術(shù)GSMGPRSCDMA移動通信的未來52CDMA什么是CDMA？碼分多址(CodeDivisionMultipleAccess)技術(shù)：是一種數(shù)字擴頻技術(shù)采用1.23MHz的無線載波間隔多個用戶可同時占用1.23MHz無線載波同一載波資源內(nèi)不同的用戶通過分配不同的碼區(qū)分相同的載波能在相鄰小區(qū)或扇區(qū)使用53CDMA用戶1用戶2用戶3用戶1用戶2用戶3頻率時間時間頻率頻率碼業(yè)務信道在不同頻段分配給不同用戶如：AMPS、TACS業(yè)務信道在不同時間分配給不同用戶如：DAMPS、GSMFDMATDMACDMA用戶1用戶2用戶3所有用戶在同一時間、同一頻段上、根據(jù)編碼獲得業(yè)務信道54CDMA

多個用戶使用不同的語言（符號代碼）同時通話，音量足夠小時互相之間不影響正常通話，某個用戶音量過大將導致其它用戶的通話無法進行?！癐loveyou”“私はあなたが好きです”“IchlibenSie”“我喜歡你”55CDMA擴頻DATA

(9.6Kbps)DATA

(9.6Kbps)10KHz1.25MHz1.25MHz10KHzENCODING&INTERLEAVINGPNSOURCE1.2288MbpsCARRIERBPF1.25MHzDATAWIDEBAND

SPECTRUMBPF1.25MHzCORRELATORDIGITALFILTERDEINTERLEAVE&DECODEPNSOURCECARRIER1.228MbpsChannelChannel=–169dB/HzBACKGROUNDNOISEEXTERNALINTERFERENCEOTHERUSERNOISE(ISC)56流程信源編碼信息流信息流卷積交織加擾擴頻調(diào)制射頻發(fā)射信源解碼譯碼反交織解擾解擴解調(diào)射頻接收57擴頻特點擴頻通信系統(tǒng)的主要特點：抗干擾和抗多徑衰落能力強；隱蔽性和保密性；容易實現(xiàn)大容量多址通信；低功率譜密度；占用頻帶較寬，系統(tǒng)復雜性增加；適合變參信道的無線傳輸。58CDMA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（IS－95）593G標準組織TIATTAT1P1ARIB/TTCGSM-basedUMTSMobileIPOHGIS-41+CDMA2000+M-IPArchitectureIMT-2000ITU-TSSGITU-RWP8F60WCDMA強調(diào)寬帶技術(shù)，最小帶寬5MHzBTS見不需要同步和GPS正反向信道相干