蜂窝无线通信系统概述.ppt

通信学科导论 蜂窝无线通信系统概述 之 1 内容安排 1. 无线网络概述 1.1 无线网络的发展史 1.2 无线网络的分类 1.3 无线信道 1.4 无线网络的技术难点 2. 蜂窝无线系统 2.1 蜂窝的基本概念 2.2 蜂窝无线系统的发展阶段 2.3 GSM系统介绍 2 1. 无线网络概述 通信网络：由多个通信点和通信链路， 按照一定的组织形式所构成的通信系统的统 一体。广义地讲，它包括一切用于传递信息 的网络，它是实现信息传递的物质技术基础 。 通信点和通信链路是通信网络的两个基 本要素。如果通信链路是有线的(例如双绞线 、光纤等)，则对应的通信网络为有线网络； 如果通信链路是无线的(依靠电磁波进行传输) ，则对应的通信网络为无线网络。 3 1.1 无线网络的发展史 1895年，马可尼在怀特岛与相距18英里的一艘拖船间实现 了世界上第一次无线电传输，无线电通信由此诞生。 1915年，无线电与电话结合，第一次建立了纽约与旧金山 之间的无线音频传输。 1946年，公用移动电话服务在横跨美国的25个城市率先使 用。 20世纪60年代，蜂窝系统设计完成，并在80年代初期推广 。 1971年，夏威夷大学建成了第一个分组无线网：AlohaNet 。 1985年，联邦通信委员会(FCC)规定了用于工业、科学和 医药等公共用途的无线局域网络产品的频段(ISM)，促进 了无线局域网在商业上的发展。 80年代中期，分组无线网络通过DARPA的促进达到巅峰 。并于90年代初，服务商利用分组无线网提供广域范围 内的无线数据服务。 4 1.2 无线网络的分类 卫星通信网络(Satellite Network)：例如LEO(低地 轨道系统) 和GEO(地球同步轨道系统)。这类网 络能够提供全球覆盖，但是其资费水平很高， 传输时延也很大(LEO的传输时延约为20-25ms， GEO的传输时延约为250-280ms)。 现有的各种无线网络都是针对某些特定的 业务类型和用户群体而专门设计的，因此在覆 盖范围、可用带宽、计费水平等方面都有差别 。无线网络根据数据传输的距离和网络覆盖范 围大致可以分为以下5种类型： 5 1.2 无线网络的分类 无线广域网(WWAN)：例如GSM(全球移动通信 系统)、GPRS(通用分组无线业务)以及cdma2000 等蜂窝无线通信系统。这类系统的覆盖范围可 达省际甚至洲际，支持静止、步行或者车载的 移动用户，当用户处于静止状态时最多能够获 得2Mb/s的数据传输速率。 无线城域网(WMAN)：例如与IEEE 802.16e协议 兼容的WiBro(无线因特网接入系统)。这类网络 能够提供城域覆盖，峰值传输速率可达70Mb/s ，能够支持的最高移动速率约为120 km/h。 6 1.2 无线网络的分类 无线局域网(WLAN)：例如IEEE 802.11bWLAN ，能够在较低的资费水平下提供最高可达 11Mb/s的数据传输速率，但是只能支持低速移 动的用户，而且传输距离只有几十米到几百米 。 无线个域网(WPAN)：例如Bluetooth。该系统的 最高数据传输速率可达3Mb/s，传输距离通常不 超过10米。 7 1.3 无线信道 无线系统使用大气层作为它们的传输媒体，这种传 输媒体被称为无线信道。 无线信号通过尺度与信号波长大致相同的天线产生 一系列足够的振幅来穿过传输媒体。 大多数的陆地移动系统都使用UHF频段(特高频段) ，卫星系统主要使用SHF频段(超高频段)。 8 1.3 无线信道 在 VLF, LF, 和 MF 频段, 无线电波沿地面传播 。 在HF频段,无线电波通过电离层反射。 9 1.3 无线信道 无线信道是一种较弱的媒体，易受噪声、干涉、屏 蔽、多路等的影响，而且这些信道的障碍会因为用 户的移动而随时间改变。 传送信号在传送器和接收器之间有一个被削弱或阻 塞的直路成分。传输信号的其它成分称为多路成分 ，它们被周围的物体反射、散射、衍射，到达接收 器时，相对于直路信号，振幅、相位和时间都会发 生变化。 10 时间 接收信号 强度 发射信号 多径环境多径环境 11 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 无线信道模型 12 美国的ISM频段 ISM(工业、科学、医疗)频段的使用不需要 经过FCC(联邦通信委员会)授权。 不同的国家ISM频段的位置也有所不同。 13 1.3 信道访问 由于无线频谱资源的不足，在不同的应用 中共享带宽的有效技术显的很必要。对于持续 的传输(如视频和语音)，一般分配专用信道。 在专用信道中共享带宽为多路访问。对于突发 性的数据传输，使用随机信道分配，使用随机 信道分配来共享带宽，称为随机访问。 14 1.3.1 多路访问 多路访问技术通过带宽分割将专用信道划分 给多个用户。划分频谱的方法包括频分 (FDMA)、时分(TDMA)和码分(CDMA)以及 这些方法的结合。 在FDMA中，系统总带宽被划分为频率不重叠 的正交信道，并将其分配给不同的用户。 TDMA将时间划分为不重叠的时隙，并将其分 配给不同的用户。 在CDMA中时间和带宽同时被不同的用户使用 ，通过正交或半正交扩展编码进行调制。 15 频率 时 间 TDMA 时 间 频率 FDMA 频率 时 间 码字 CDMA 16 1.3.1 多路访问 FDMA是几种多路访问技术中最简单的。 TDMA稍微复杂一点，它需要所有的用户间 的时序保持同步。另外，TDMA中用户间的 正交性会受到符号间干涉的影响。半正交 CDMA是多路访问方法中最复杂的一种。 通过正交编码的CDMA，接收器将所需的信 号从其他的CDMA用户中分离出来，用户间 没有干涉。 17 1.3.2 随机访问 在大多数无线数据网络中，只有一部分很少 的、不可预知的以及时常变动的用户群会随时有 数据发送。如果给每个用户分配专用信道会很低 效，而随机分配信道对，则对信道的访问没有保 证，因此需要一个随机访问协议。 随机访问协议主要有两类：ALOHA技术和 预留分配协议。 18 纯ALOHA 在纯ALOHA中，无论何时有数据，发送器 都马上往信道发送数据分组。这导致在接收端大 量的数据发生冲突。发生冲突的分组必须在下一 个时间内重发。ALOHA信道最大吞吐量（正确 接收分组的速率）是数据速率的18%。 19 纯ALOHA 在纯ALOHA中，无论何时有数据，发送器 都马上往信道发送数据分组。这导致在接收端大 量的数据发生冲突。发生冲突的分组必须在下一 个时间内重发。ALOHA信道最大吞吐量（正确 接收分组的速率）是数据速率的18%。 20 分组预留多路访问 在分组预留多路访问(PRMA)中，时隙是分 片的，每N个时隙组成一个帧，要发送分组的终 端在每一帧中竞争空闲的时隙。一旦一个分组在 一个时隙中被成功发送，在后继的帧中，只要这 个用户有分组发送，这个时隙就预留给该用户。 PRMA需要很少的中央控制，没有预留开销。 21 1.4 无线网络的技术难点 当前，无线网络所面临的技术难题包括： 降低移动终端的信号处理和通信硬件的耗电 量。 无线频谱受管制，代价昂贵。 无线信道由于信号反射角的改变及衰减会产 生随即抖动，可靠性保证困难。 无线和有线网络之间的差异很大，给它们的 接口协议带来很多问题。 22 2. 蜂窝无线系统 大区制系统：一个基站覆盖整个服务区域。 优点：技术简单。 缺点： 1)通信质量差 2)频率利用率低 3)系统容量小 23 2.1 蜂窝基本概念 蜂窝通信是一种使用频率复用的智能方法 ，以使有限的带宽可以容纳巨大数量的用 户。 其基本原理是把覆盖区域分为大量相连的小区 域，每个小区域都使用自己的、低功率的无线 基站。由于同样的频谱在分散的区域内可以被 多次复用，这样，每次建立一个新的基站（一 个小区域）时，容量就会增加。 小区域被称为小区或单元(cell)，一组小区组成区群 (cluster)。 一个区群中小区的数量称为区群大小或频率复用因 子。 需要对这些小区域以智能的方式分配信道，以 避免同频道干扰(cochannel interference)。 24 蜂窝小区内的频率划分 7小区频率复用 25 2.2 蜂窝无线系统的分代 第一代移动通信系统是面向语音的模拟无 线系统，采用了FDMA技术，其主要制式 有： 美国的AMPS(高级移动电话系统)。 欧洲的TACS(全选址通信系统 )。 缺陷： 网络容量小、资源利用的不够充分。 安全性差，容易发生盗号并机。 26 数字蜂窝系统的优势 能有效地利用无线频率资源，系统容量大。 呼叫质量高。 能向用户提供话音以外的多种非话业务。 制式比较统一，能方便地提供自动漫游业务（ 包括国际漫游）。 易于加密，提供较完善的保密方法（如话音、 接入加密等）。 数字网要求的功率较低。 27 第二代移动通信系统 第二代移动通信系统是面向语音的数字无线 系统，采用了TDMA技术或窄带CDMA技术 。 典型的2G数字蜂窝移动制式包括： 欧洲的GSM(全球移动通信系统)； 北美的IS-54、IS-136(最初被称为D-AMPS)和IS- 95(窄带CDMA)； PDC(个人数字蜂窝)等。 其中最受欢迎的是GSM。 28 第三代移动通信系统 第三代移动通信系统最早1985年由国际电信联盟(ITU)提 出，当时称为未来公众陆地移动通信系统(FPLMTS)，1996年 更名为 IMT-2000(国际移动通信-2000)，意即该系统工作在 2000MHz频段，最高业务速率可达2000 kb/s，预期在2000年左 右得到商用。从1997年开始，由于第二代移动通信系统的巨大 成功， 用户的高速增长与有限的系统容量和有限的业务之间 的矛盾渐趋明显，第三代移动通信的 标准化工作开始逐渐进 入实质阶段。 目前，第三代移动通信系统的框架已确定，将 以卫星移动通信网与地面移动通信网结合，形成一个对全球 无缝覆盖的立体通信网络，满足城市和偏远地区不同密度用 户的通信需求，支持话音、数据和多媒体业务，实现人类个 人通信的理想。 29 第三代移动通信系统 三种方案的性能比较 30 Beyond 3G 31 2.3 GSM系统的基本结构 GSM系统由四个相互独立的子系统构成：移动台 、基站子系统、网络和交换子系统和操作支持子系统 。 MSC BSC BTS BTS HLR VLR EIR NSS PSTN IWF EC TRAU SIM ME NMC OMC OMC OMS BSS MS 32 移动台子系统(MSS) 移动台是GSM蜂窝无线系统中用户使用的设备， 也是用户直接接触的整个GSM系统中的唯一设备。 移动台由两部分组成：移动设备(ME)和特讯(SIM)。 SIM卡上存储与用户相关的身份特征、安全认证 和加密悉尼 。 一个移动台应具备以下的基本功能： 支持各种基本业务和补充业务。 加密，对用户数据，对用户数据和信元进行加入。 无线接入GSM移动网，并完成各种控制功能。 无线信道速率和用户数据之间的适配。 33 基站子系统(BSS) 基站子系统的组成： OMC-R TCBSC BTS BTS MS MS UM接口Abis接口A接口 n基站控制器 BSC n基站收发信机 BTS n无线操作维护中心 OMC-R n码变换器 TC（Transcoder） 34 BSC(基站控制器)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 实现部分网络层的功能 实现无线资源管理（RR） 实现BSS管理应用部分的功能 实现切换功能等 35 BTS(基站收发信机)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 实现部分无线资源管理（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 36 网络和交换子系统 MSC的功能作用： 呼叫处理 呼叫建立、连接 与清除 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 37 网络和交换子系统 HLR的功能与作用： HLR: Home Location Register 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：当前转移的电话号码） 用户状态（registered/deregistered） 鉴权key和AUC功能 移动用户漫游号（MSRN） 38 网络和交换子系统 VLR的功能与作用： nVLR：Visitor Location Register n移动台状态 n部分补充业务数据 n移动站的位置登记（LAI） n临时移动用户识别号（TMSI）管理 n移动用户漫游号MSRN 管理 39 2.4 GSM系统的频率配置 GSM系统既可以工作在900MHz的频段，也可以工 作在1800MHz的频段上。 45 MHz 双工间隔 960950935917 915905890872 基 站 发射频率 基 站 接收频率 2 MHz保护频带 （单位：MHz ） 925880 GSMTACS/GSMEGSMETACS 40 DCS1800的频率配置： 95 MHz 双工间隔 18801805 17851710 基 站 发射频率 基 站 接收频率 20 MHz保护频带 （频率单位：MHz ） DCS1800 41 无线信道编号N GSM900主频段（P-GSM） 上行：Fl = 890 + 0.2 N (MHz) (1 N 124) 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) (975 N 1023) DCS1800频段 上行：Fl = 1710.2 + 0.2 (N-512) (MHz) 下行：Fh = Fl + 95 (MHz) (512 N 885) 42 2.5 GSM系统的频率复用模式 “扇区化”，就是将一个基站分成多个小区，每个小区都有自己 的发射和接收天线，相当于一个独立的小区。 扇区化的小区使用特制的定向天线，使该小区发射的无线电波 集中在一个特定的方向上。这样做有很多优点，首先小区发射 的无线电波能量集中到了一个更小的区域如60度，120度或180 度，而不是以360度全向发射，这样可以获得更强的信号，有利 于“室内覆盖”等。另外，更好地防止同信道干扰和邻信道干扰 ，同频复用距离缩短，在同一地理区域可以有更多的小区，可 以支持更多的移动用户。 小区的扇区化： 43 2.5 GSM系统的频率复用模式 43标准复用模式(GSM体制推荐)： 无线小区簇： 4个基站 每基站3扇区 基站结构： 3个120度或三叶草扇区 C/I 大于或者等于12