移動通信理論

移動通信理論簡明培訓教材內部資料嚴禁翻印第5頁共10頁移動通信理論簡明培訓教材福建郵科通信技術有限公司版權所有侵權必究

1．移動通信概述移動通信是在運動中完成用戶之間的實時通信。由于廣泛地利用了通信工具，替代了出差、聯系工作，即可大量節(jié)約能源，又可節(jié)約大量的旅途時間，提高了社會生產、流通領域各個環(huán)節(jié)的速度和效率，創(chuàng)造出更多、更高的社會經濟價值。1.1移動通信發(fā)展移動通信起始于本世紀初，在1895年發(fā)明了無線電之后，有關人士將莫爾斯電報用于船舶通信上，曾在1912年的一次海難中起到了通信作用，使得695人獲救生還。從此開始了移動通信的發(fā)展。我國模擬蜂窩移動電話網1986年開始組建，郵電部于1987年引進了美國Motorola公司、瑞典Ericsson公司的900MHzTACS體制系統(tǒng)。1995年以前，我國主要發(fā)展900MHzTACS模擬蜂窩移動電話。數字移動電話網的建設，起步于1994年9月。廣東率先建成特區(qū)及珠江三角洲數字移動電話網，初期容量為5萬戶，10月份試運行。我國CDMA網絡于2002年初正式開網放號,按照中國聯通的發(fā)展計劃，我國將建世界最大、最好的CDMA網絡，其中第一期工程網絡容量1515萬，覆蓋全國31個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）的300多個地級市和2000多個縣級市。1.2我國移動通信發(fā)展過程第一代移動通信技術主要指蜂窩式(TACS)模擬移動通信，其載波間隔25kHz，技術特征是蜂窩網絡結構克服了大區(qū)制容量低、活動范圍受限的問題。第二代移動通信是蜂窩數字移動通信，使蜂窩系統(tǒng)具有數字傳輸所能提供的綜合業(yè)務等種種優(yōu)點。第二代半移動通信可以說是CDMA了，只有CDMA能實現二代到二代半、二代半到三代的平滑過渡，因此“二代半”具有不同的含義。它能提供7到10倍于模擬技術、6倍于TDMA數字移動通信技術的容量。第三代移動通信的主要特征使除了能提供第二代移動通信系統(tǒng)所擁有的各種優(yōu)點，克服了其缺點外，還能夠提供寬帶多媒體業(yè)務能提供高質量的視頻寬帶多媒全綜合業(yè)務，并能實現全球漫游。核心技術上從第二代到第三代有著重大的變遷。1.3移動通信的特點.2電波傳播有嚴重的衰落現象。1.3.3遠近效應。移動通信是在運動過程中進行通信的，大量的移動臺之間會出現近處移動臺干擾遠距離移動臺的通信現象。因此要求移動臺發(fā)射功率具有自動調整功能。1.3.4經常處于強干擾條件下工作。1.3.5陰影區(qū)（盲區(qū)）。1.3.6多普勒效應。指當波源與觀察者有相對運動時，觀察者接收到的波的頻率和波源發(fā)出的頻率不同的現象。兩者相互接近時，觀察者接收到的頻率升高，相互遠離時，頻率降低。1.4移動通信分類1.4.1按設備的使用環(huán)境分為：陸地移動通信、海上移動通信、航空移動通信。1.4.2按服務對象分為：公用移動通信和專用移動通信。公用移動通信是目前我國由中國移動和中國聯通經營的移動電話業(yè)務。1.4.3按移動通信設備分：1、蜂窩狀移動電話系統(tǒng)。2、專用調度電話。3、集群調度移動電話。4、無中心個人無線電話系統(tǒng)。5、公用無繩電話系統(tǒng)。6、移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)。7、移動數據通信。1.4.4通信按工作頻段分：根據通信設備的工作頻率不同，通信通常可分為長波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。為了較全面對通信中所使用的頻段有所了解，下面把通信使用的頻段及說明列入下表：表1-1通信使用的頻段及主要用途頻率范圍（f）波長（λ）符號常用傳輸媒介用途3Hz~30kHz10*8~10*4m甚低頻VLF有線線對長波無線電音頻、電話、數據終端、長距離導航、時標30Hz~300kHz10*4~10*3m低頻LF有線線對長波無線電導航、信標、電力線通信300kHz~3MHz10*3~10*2m中頻MF同軸電纜中波無線電調幅廣播、移動陸地通信、業(yè)余無線電3~30MHz10*2~10m高頻HF同軸電纜短波無線電移動無線電話、短波廣播、定點軍用通信、業(yè)余無線電30~300MHz10~1m甚高頻VHF同軸電纜米波無線電電視、調頻廣播、空中管制、車輛通信、導航、集群通信、無線尋呼300MHz~3GHz100~10cm特高頻UHF波導分米波無線電電視、空間遙測、雷達導航、點對點通信、移動通信3~30GHz10~1cm超高頻SHF波導厘米波無線電微波接力、衛(wèi)星和空間通信、雷達30~300GHz10~1mm極高頻EHF波導毫米波無線電雷達、微波接力、射電天文學10*5~10*7GHz3*10-4~3*10-6cm紫外、可見光紅外光纖激光空間傳播光通信通信中工作頻率和工作波長可互換，公式為λ=C/f式中，λ為工作波長；f為工作頻率；C為電波在自由空間中的傳播速度，通常認為C=3×10*8m/s1．5移動通信無線設備的工作方式1.5.1無線電通信工作方式有以下幾種：(1)單向通信方式。這是最簡單的一種工作方式，也是最原始的通信方式，即兩個移動電臺，一個作發(fā)射臺，一個作接收臺。(2)雙向通信方式。這種方式通信雙方可以相互對話，即固定臺（基站）或移動臺與移動臺之間互作發(fā)射臺或接收臺進行通信。如常見的對講機。(3)中繼通信方式。當兩用戶相距較遠時，或受地形影響，如建筑物、高山等，可以通過中繼轉發(fā)即中繼方式，以擴大移動通信的服務范圍。1.5.2按頻率不同的無線通信方式有以下幾種：(1)單頻單工(2)異頻單工方式(3)雙頻雙工方式即在收發(fā)信機和天線之間插入一個雙工器以實現共用一副天線，可同時完成發(fā)射和接收信號。(4)中繼轉發(fā)方式。1.6干擾和噪聲概述：外部噪聲和干擾是使通信性能變壞的重要因素。接收機能否正常工作，不僅取決于接收機輸入信號的大小，而且取決于噪聲和干擾的大小。比如說，在接收機靈敏度很高的情況下，當外部噪聲和干擾遠高于接收機的固有噪聲時，接收機的實際靈敏度就會大大降低。外部噪聲分自然噪聲和人為噪聲。自然噪聲主要是天電噪聲、宇宙噪聲和太陽噪聲；人為噪聲是各種電氣設備所產生的噪聲。自然噪聲一般比接收機固有噪聲低得多，故可忽略不計。通常，僅需考慮人為噪聲。1.6.1移動通信系統(tǒng)中的主要干擾(1)發(fā)射機互調和接收機互調在移動通信系統(tǒng)中，三階互調是主要考慮的內容。(2)鄰道干擾由于移動臺有可能與基站靠得很近，這樣一來鄰近信道的信號就可能很大，這種干擾的產生，主要是發(fā)射機帶外輻射造成的。(3)同頻干擾由于移動通信采用信道地區(qū)復用，因此在系統(tǒng)設計時要考慮同頻復用的距離，和地理條件等因素。除以上三方面主要干擾外，還有發(fā)射機寄生輻射、接收機寄生靈敏度、接收機阻塞等。2互調干擾的起因互調的產生是由于多個信號加至非線性器件(有源器件)上產生大量的互調產物。這些新的頻率成分的產生是由于器件的非線性特性造成的。1.6.3發(fā)射機互調為了提高效率，發(fā)射機輸出級通常是工作于C類的非線性狀態(tài)。當一臺發(fā)射機輸出級與另一臺或多臺發(fā)射機的輸出信號耦合時，通常它本身的非線性作用將產生很多互調產物，互調產物又通過天線輻射出去，因而造成對接收機的干擾，這種由于發(fā)射機末級的非線性產生的互調，稱為發(fā)射機互調。1.6.4減小發(fā)射機互調干擾的措施(1)盡量增大發(fā)射機間的耦合損耗，當發(fā)射機輸出端串接環(huán)行單向器和高Q帶通濾波器時，要盡量增大頻率隔離度。(2)為了減小移動臺發(fā)射機互調干擾，可采用自動功率控制系統(tǒng)。當移動臺距離基站較近時，移動臺功率自動下降。(3)系統(tǒng)設計時，選用無三階互調信道組工作。1.6.4接收機互調由于接收機前端射頻通帶較寬，假如有兩個或多個干擾信號進入高放或混頻級。則通過他們自身的非線性作用。各干擾信號就會彼此混頻。若互調產物落入接收機帶內。就會造成接收機的互調干擾。1.6.5減小接收互調主要措施有以下幾個方面(1)提高接收機的射頻互調抗拒比，一般要求優(yōu)于70dB。為此，相應的措施有：高放、混頻級采用具有平方律特性的器件（如結型場效應管）；在接收機前端插入濾波器提高前端的選擇性，不使強干擾進入高放?；祛l級：高放級增益不宜太大，并采用自動增益控制（AGC）以降低混頻級的輸入電平；高放、混頻級選用適當的工作狀態(tài)，使三階非線性項最??；電路上采用交流負反饋，擴大放大器動態(tài)范圍；接收機采用抗干擾強的方案等。(2)移動臺發(fā)射機采用自動功率控制，可以減小基站接收的互調干擾；減小無線區(qū)半徑，降低接收最大電平，對減小基站接收機的互調也有利。(3)選用無三階互調信道組，在系統(tǒng)設計時要考慮。2GSM移動通信2.1.GSM泛歐數字蜂窩系統(tǒng)1982年歐洲郵電主管部門會議建立了移動通信特別組（GSM），著手進行泛歐蜂窩狀移動通信系統(tǒng)標準工作。1987年GSM就泛歐數字蜂窩移動通信采用時分多址（TDMA）規(guī)則脈沖激勵長期線性預測編碼（RPELTP）的高斯基帶濾波最小移頻鍵控調制方式（GMSK）取得一致意見，并提出主要參數如下：頻段：935~960MHz（基站發(fā)）；890~915MHz（移動臺發(fā)）；頻帶寬度：25MHz；通信方式：全雙工；載波間隔：200KHz；信道分配TDMA每載波8時隙，全速信道8個，半速信道16個；信道總速率：270.83Kbit/s；調制方式：GMSK調制指數0.3；話音RPELTP13Kbit/s規(guī)則脈沖激勵線性預測編碼；數據9.6kbit/s；分集接收：跳頻217跳/s，交錯信道編碼，自適應均衡，判決反饋自適應均衡器（16us以上）；每個時隙信道比特率：22.8kbit/s。2.2.網絡結構 2.2.1.數字蜂窩網絡系統(tǒng)由三個部分組成2.2.2.交換系統(tǒng)由五部分組成：移動業(yè)務交換中心（MSC），本地用戶位置寄存器（HLR），外來用戶位置寄存器（VLR），鑒別中心（AUC）和設備識別寄存器（

EIR2.2.3.基站系統(tǒng)（BSS）包含兩部分：基站控制器（BSC）和基站收發(fā)信機（BTS）。從功能上看，BTS主要負責無線傳輸，BSC主要負責控制和管理。通常，交換系統(tǒng)中一個MSC監(jiān)控一個或多個BSC，每個BSC控制多個BTS。BTSBTSBTSBTSBSCMSC/VLRHLR/AUCEIROMCISDNPLMNISDNPLMNPSTNPSPDNISDN綜合業(yè)務數字網 OMC操作和維護中心PLMN公共陸地移動網 EIR設備識別寄存器PSTN公共交換電話網 BSC基站控制器PSPDN分組交換公用數據網 BTS基站收發(fā)信臺MSC移動交換中心 VLR外來用戶位置寄存器AUC鑒別中心 HLR本地用戶位置寄存器2.3.頻率配置2.3.1.數字公用陸地蜂窩網移動通信網采用900MHz頻段：890~915MHz（移動臺發(fā)，基站收）;935~960MHz（基站發(fā)，移動臺收）;隨著業(yè)務的發(fā)展可視需要向下擴展是向前1.8GHz頻段擴展。2.3.2.頻道間隔相鄰頻道間隔200kHz,每個頻道采用時分多址接入(TDMA)方式分為8個時隙,即8個信道,如果采用半速率話音編碼后,每個頻道可容納16個半速率信道。2.3.3.頻道序號與頻道標稱中心頻率的關系為：下行：F(n)=935.2MHz+(n-1)*0.2MHz上行：F(n)=890.2MHz+(n-1)*0.2MHz2.3.4.干擾保護比同頻干擾保護比：C/I（載頻/干擾）≥9dB鄰頻干擾保護比：C/I（載頻/干擾）≥-9dB載頻偏離400kHz時的干擾保護比：C/I（載頻/干擾）≥-41dB工程設計時需對以上C/I值另加3dB。2.4.接口與信令2.4.1.MSC與BSC之間的接口亦稱A接口，用A—BIS表示。A接口用2Mbit/s數字接口。2.4.2.BSS與MS之間的空中接口亦稱Um接口，此接口習慣上也稱無線接口。無線接口是移動臺（MS）與基站收發(fā)信機（BTS）之間接口的統(tǒng)稱。它使用了每個載頻占用一個TDMA幀的時分多址的概念，每幀包括8時隙（TS），從BTS到MS的方向定為下行，相反的方向稱為上行。2.4.3.信道的定義(1).物理信道：一個載頻上的TDMA幀的一個時隙稱為一個物理信道。它相當于FDMA系統(tǒng)中的一個頻道，每個用戶通過一系列頻率的一個接入系統(tǒng)，因此，GSM中每個載頻有8個物理信道，信道0~7（時隙0~7）。(2).邏輯信道：大量的信息傳遞于BTS與MS之間，根據傳遞信道的種類，我們定義不同的邏輯信道。邏輯信道在傳輸過程中要被放在某個物理信道上。邏輯信道可分為兩類，業(yè)務信道和控制信道。a.業(yè)務信道（TCH）：用于傳送編碼后的話音或用戶數據。b.控制信道（CCH）：用于傳送信令或同步數據?？刂菩诺婪秩N：廣播、公共及專用控制信道。2.4.4廣播信道可分為(1).頻率校正信道（FCCH）：此信道供用戶傳送校正MS頻率的信息。(2).同步信道（SCH）：此信道傳送給MS的幀同步（TDMA幀號）和BTS的識別碼（BSC）信息。(3).廣播控制信道（BCCH）：此信道廣播每個BTS的通用信息（小區(qū)特定信息）(4).公共控制信道（CCCH）可分為：尋呼信道（PCH）：此信道用于尋呼（搜索）MS。下行隨機接入信道（RACH）：MS通過此信道申請分配一個SDCCH，它可作為對尋呼的響應或MS主叫登記時的接入。上行允許接入信道（AGCH）：此信道用于為MS分配一個SDCCH。2.4.5專用控制信道（DCCH）可分為：(1).獨立專用控制信道（SDCCH）：用于在分配TCH之前呼叫建立過程中傳送系統(tǒng)信令。例如登記和鑒權在此信道上進行。(2).慢速隨路控制信道（SACCH）：與一個業(yè)務信道TCH或一個獨立專用控制信道SCDDH相關。它是一個傳送連接信息的連續(xù)數據信道；如傳送移動臺接收到的關于服務及鄰近小區(qū)的信號強度的測試報告。這對實現移動臺參與的切換功能是必要的，它還用于MS的功率管理和時間的調整。上、下行，點對點（移動對移動）(3).快速隨路控制信道（FACCH）：與一個業(yè)務信道TCH相關。FACCH在話間傳輸過程中，如果突然需要以比慢速隨路控制信道SACCH所能處理的高得多的速度傳送信令信息，則借用20ms的話音（數據）突發(fā)脈沖序列來傳信令。這種情況通常在切換時使用。由于話音譯碼器會重復最后20ms的話音，所以這種中斷不被用戶查覺。2.5通用分組無線業(yè)務（GPRS）通用分組無線業(yè)務（GPRS，GeneralPacketRadioService）是GSM標準化組織制定的一套標準，以實現移動分組數據業(yè)務。GPRS網絡是一個傳輸承載平臺，提供的是端分組交換方式下數據的發(fā)送和接收。GPRS的實現是在GSM網絡上增加分組數據服務設備，并對GSM無線網絡設備進行升級，從而利用現有的GSM無線覆蓋提供分組數據業(yè)務。2.5.1(1).速度快GPRS在傳輸上支持4種編碼方式并采用多時隙（最多8個時隙）合并傳輸技術，使數據速率最高可達171Kbit/s。在網絡接入上，由于GPRS網本身就是一個分組型數據網，提供較高的接入速率，支持IP協議，因此與數據網絡建立連接的時間僅幾秒鐘，而且支持一個用戶占用多個信道，快于電路型數據業(yè)務。(2).利用率高“分組”的固有特點使得GPRS具有按需分配頻率資源和網絡傳輸資源的能力，即資源利用率高。因此也使得用戶時間利用率高、資金利用率高（GPRS可按流量計費）。同時使GPRS更適應數據通信的突發(fā)性的特點。(3).近況和前景都看好。GPRS充分利用現有的無線網絡覆蓋，投資少，功能強，近期容易鋪開。技術上是分組與IP結合，順應了通信網的發(fā)展趨勢，是第二代向第三代過渡的主力軍。2.5.2GPRS的業(yè)務GPRS是一個采用業(yè)務承載平臺，提蒼茫的是數據終端到業(yè)務平臺的傳輸通道。真正業(yè)務是依靠業(yè)務開發(fā)平臺實現，提供豐富的基于IP的移動的業(yè)務，GPRS幾乎可以支持除交互式多媒體業(yè)務以外的所有數據應用業(yè)務。GPRS業(yè)務可分為點以點業(yè)務和點對多點業(yè)務。目前點對多點規(guī)范尚未完成。點對點業(yè)務包括但不限于以下業(yè)務：(1).TERNET業(yè)務，向用戶提供便捷和高速的移動INTERNET業(yè)務，如Web瀏覽，E—mail，TELNET，FTP，目錄服務，遠程監(jiān)控，在線數據庫，信息查詢，電子商務等。(2).移動辦公業(yè)務（提供與企業(yè)內部網Intranet互通）(3).WAP業(yè)務(4).GPRS傳短消息(5).遠程操作（在線股票交易、移動銀行等）(6).定位業(yè)務（GPS定位信息傳輸）(7).信息服務，如新聞、股市行情、調度管理、訂票、天氣預報、電子郵件、娛樂等。2.5.3GPRS對GSM網絡的影響(1).現在設備的改造 BTS：需升級支持新的邏輯信道結構和編碼方式。對于編碼方式CS1和CS2，目前廠家的設備絕大部分只需軟件升級即可。BSC：需要增加新的分組數據處理單元PCU模塊。部分廠家采用的是在BSC中插入單元的方式，部分是采用分立設備。HLR：需要支持GPRS的用戶數據和路由信息及與SGSN的Gr接口，因此需要軟件升級。MSC/VLR：如果需要MSC與SGSN的Gs接口，則需要對MSC做軟件升級，如果不采用Gs接口，則MSC無需改造。OMC：需要增加對新的網絡單元進行管理的功能。計費系統(tǒng)：由于GPRS采用了與電路型業(yè)務完全不同的計費信息，因此需要改造原計費系統(tǒng)。終端：需要引入支持GPRS的終端。GPRS定義了三類終端：A類：GPRS和GSM電路型業(yè)務可同時工作；B類：可同時附著在GPRS和GSM電路型業(yè)務上，但兩者不能同時工作，只能交替工作；C類：只能附著在一類業(yè)務上，需要人工切換工作。2.6增強型數據業(yè)務（EDGE）增強型數據業(yè)務（EnhancedDateforGSMEvolution-EDGE）采用一種改進的GSM調制技術，目前處于研究階段。EDGE通過在無線信道上將原來的GMSK調制技術改為QAM，與GSM相比，在相同的帶寬條件下可以提供比原來高3倍的吞吐量，每時隙的速率提高到48Kbit/s，同時允許集中使用多達8個時隙，即在使用8個時隙的情況下速率可以達到384kbit/s。EDGE是GPRS的升級，是GPRS向前演進的一個過程，兩者本質上沒有什么變化，屬于增強型GPRS數據業(yè)務，只是信號方式發(fā)生改變，能夠充分保證GPRS與第三代移動通信的并存和兩者之間的漫游切換。GPRS技術規(guī)范的著眼點與CDMA完全相反。大家知道，GSM網絡在全球有著最廣泛的應用，如何保證全球眾多的GSM運營商不被移動通信技術發(fā)展所淘汰是一個非?，F實的技術難題。這就是GPRS技術的初衷，也就注定它難免會受到許多技術的制約。所以，GPRS至今在全球范圍仍未有一個切實的平滑過渡到3G的技術解決方案。GSM、GPRS、CDMA20001X的比較對比項目GSMGPRSCDMA20001X向3G過渡的技術解決方案交換網絡;采用GPRS過渡.無線網絡:需重建;用戶手機更換沒有即將商用過渡中運行商需更換主設備需要不需要過渡后現在的手機仍能通話不能不能數據傳輸的理論極限9.6kbps171kbps6Mbps已實現的傳輸速率9.6kbps25~50kbps2.4Mbps局部話務量激增的智能平衡無無有手機最大發(fā)射功率2W2W2W手機最小發(fā)射功率200mW200mW＜0.1mW固定電話的通話質量不可能達到不可能達到可以達到在嘈雜環(huán)境清晰通話不能不能能移動中掉話率有有理論上無解密通話內容的難度較難較難基本不可能支持短消息能力強強非常強支持WAP上網能力弱強非常強支持