《移动通信基站》PPT课件.ppt

移动通信基站安装与维护技术,主讲 郭双贵,华北局中职评委,高级工程师,2019/8/7,2,第1章 移动通信系统概述,移动通信是指通信双方或至少一方处于移动中进行信息交互的通信，即移动体与移动体、移动体与固定体之间的通信。 按照移动体所处的运动区域不同，移动通信可分为陆地移动通信、海上移动通信和空中移动通信。 陆地移动通信以蜂窝移动通信系统应用最为广泛，以数字蜂窝移动通信发展最为迅速，本章着重介绍数字蜂窝移动通信系统。,2019/8/7,3,第一节 移动通信的特点及分类 移动通信系统由于用户的移动性，管理技术要比固定通信要复杂，移动通信网中依靠的是无线电波的传播，传播环境比有线媒质的传播特性复杂，移动通信有着与固定通信不同的特点。 一、移动通信的特点 1、无线电波传播环境复杂： 移动通信的电波处在特高频（3003000MHz）频段，电波传播主要方式是视距传播。电磁波在传播时不仅有直射波信号，还有经地面、建筑群等产生的反射、折射、绕射的传播，从而产生多径传播引起的快衰落、阴影效应引起的慢衰落，系统必需配有抗衰落措施，才能保证正常运行。,2019/8/7,4,2、噪声和干扰严重： 移动台在移动时即受到环境噪声的干扰，又有系统干扰。由于系统内有多个用户，必须采用频率复用技术，系统就有了互调干扰、邻道干扰、同频干扰等主要的系统干扰，这就要求系统有合理的同频复用规划和无线网络优化等措施。 3、用户的移动性：用户的移动性和移动的不可预知性，要求系统有完善的管理技术对用户的位置进行登记、跟踪，不因位置改变中断通信。 4、频率资源有限： ITU对无线频率的划分有严格规定，要设法提高系统的频率利用率。,2019/8/7,5,二、移动通信的分类 1. 按服务对象分类： 公用移动通信和专用移动通信。 2. 按组网方式分类： 峰窝状移动通信、移动卫星通信、移动数据通信、公用无绳电话、集群调度电话等。 3. 按工作方式分类： 单向和双向通信方式两大类，双向通信方式可又分为单工、双工和半双工通信方式。 4. 按采用的技术分类： 分为模拟移动通信系统和数字移动通信系统。,2019/8/7,6,第二节 移动通信的发展历程 80年代发展起来的第一代模拟移动通信系统。 90年代初发展为第二代数字移动通信系统。 现正在建设第三代宽带数字移动通信系统（3G）。 3G以宽带多媒体移动通信为目标，数据传输速率： 高速移动环境 144kbit/s； 步行慢速移动环境 384kbit/s； 室内静态环境 2Mbit/s； 3G世界三大主流标准： WCDMA、CDMA 2000、TD-SCDMA（我国提出的标准）。,2019/8/7,7,第三节 数字移动通信技术 一、数字调制技术 数字调制是使在信道上传送的信号特性与信道特性相匹配的一种技术。 模拟语音信号，经过语音编码所得到的数字信号必须经过调制才能实际传输。 无线传输系统中，是利用载波来携带语音编码信号的，即用语音编码后的数字信号对载波进行调制。 数字调制方式有以下几种：,2019/8/7,8,移频键控（FSK）： 载波的频率按照数字信号 “1”、“0”变化而对应变化； 移相键控（PSK）： 载波的相位按照数字信号“1”、“0”变化而对应变化； 振幅键控（ASK）： 载波的振幅按照数字信号“1”、“0”变化而对应变化。 GSM移动通信系统采用高斯预滤波最小移频键控GMSK。 移动通信使用的调制技术还有： 二相移相键控（BPSK）、四相移相键控（QPSK）、正交调幅（QAM）,频谱利用率较高,设计难度和成本较高。,2019/8/7,9,二、多址技术 多址技术就是把多个用户接入一个传输媒质实现相互间通信时，给每个用户信号赋予不同的特征，以区分不同的用户的技术。 常用的多址方式： 頻分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）。 GSM系统使用：频分多址（FDMA）/时分多址（TDMA）混和多址方式，即 FDMA/TDMA。 3G系统多址方式使用：码分多址（CDMA)方式。,2019/8/7,10,1、频分多址（FDMA） FDMA是把工作频段划分成多个无线载频，每一个载频信道可以传输一路语音或控制信息，通信时不同的MS占用不同的频率信道进行通信。 FDMA的特点： （1）信道的带宽较窄（2530KHz），相邻频道要留有防护频带； （2）与TDMA系统比，FDMA系统的复杂程度低。 （3）采用单路单载波（SCPC）设计，需使用高性能的射频（RF）带通滤波器来减少邻道干扰，成本较高。,2019/8/7,11,2、时分多址（TDMA） TDMA是把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙，一个时隙就是一个通信信道。 通信时，给每个用户分配一个时隙，使各移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发射或接收信号。同一个频道就可供几个用户同时进行通信。 GSM系统无线路径上采用TDMA方式，每一个载频可分成8个时隙，一个时隙为一个信道，一个载频最多可有8个移动用户同时进行通信。,供几个用户,2019/8/7,12,如下图所示的频分多址和时分多址方式： a. FDMA b. TDMA,2019/8/7,13,时分多址（TDMA）的特点 （1）TDMA系统中几个用户共享同一个载频，但每个用户使用彼此互不重叠的时隙。 （2）TDMA系统中的数据发射是不连续的，是以突发方式发射，耗电较少，移动台可在空闲的时隙里监听其他基站，使越区切换大为简化。 （3）共享设备的成本低，每一载频为许多用户提供业务，用户平均成本大大低于FDMA系统。 （4）移动台复杂，它需要处理复杂的数字信号。,2019/8/7,14,3、码分多址（CDMA） 移动通信中，多个用户使用的频率和时间都是相同的，而给每个移动台分配一个独立的码序列，这种用不同的正交编码序列来区分不同移动用户的通信方式，称为码分多址。 码分多址（CDMA)的特点 （1）系统容量大。CDMA 无线信道容量 比 FDMA大近10倍。 （2）有很强的抑制干扰和多径衰落的能力。CDMA的扩频系统可以把多径干扰信号解扩去除。 （3）具有软容量和小区呼吸功能。系统忙时只需少许增加系统噪声就可增加通话用户，即所谓软容量。小区呼吸功能是指负荷量动态控制。,2019/8/7,15,（4）软切换。当 移动台超越小区或扇区时，由于工作频率相同，只是地址码序列不同，不需要频率的切换，称之为软切换。软切换是先接后断切换，软切换可靠性高。 （5）存在多址干扰和远近效应。CDMA的地址码不可能完全正交，在解扩过程中必然带来用户间的干扰；CDMA的信道也采用地址码分割，并切公用载波，增加信道的同时干扰也增加。 CDMA系统通过自动功率控制减轻其影响。 由于信道地址码的相互作用，任何一个信道将受到其他不同地址码信道的干扰，称为多址干扰。,2019/8/7,16,CDMA系统的多址干扰直接限制容量的扩大。 码分多址技术是基于以下两种扩频通信方式： （1）跳频技术 跳频技术是扩频通信中的一种，GSM系统中使用跳频技术，其主要功能是可有效地减小传播信道对某个频率的选择性衰落；可避免多径信号的干扰。 跳频分为基带跳频和射频跳频两种。 如图所示。（a）基带跳频 （b）射频跳频 （2）扩频技术,2019/8/7,17,TRXn,TRX2,TRX1,耦 合 器,基带信号,时隙 交叉 控制,图 1.2（a）基带跳频,2019/8/7,18,PN码发生器,可变频率合成器,射频调制,频率合成器,射频调制,耦 合 器,基带信令,基带信息,F0,F1-Fn,图 1.2（b）射频跳频,2019/8/7,19,扩频通信是将信息信号的频谱扩展后再进行传输，提高了系统的抗干扰能力，在强干扰甚至信号被噪声淹没的情况下，能保证可靠通信。 常用的扩频通信技术如下： 直接扩频（DS） 将要传输的信息数据用高速伪随机码序列调制，由于伪随机序列的速率（带宽）远大于信息数据速率，使要传递信息数据信号的频谱被展宽。 跳频（FH） 荷载信息的信号受伪随机序列的控制，在一组预先指定的频率上离散地跳变，从而扩展了发射信号的频谱。,2019/8/7,20,三、双工方式 1、频分双工（FDD）： 收发信各占用一个频率。 优点是收、发信号同时进行，时延小，技术成熟，缺点是设备成本高。 2、时分双工（TDD）： 收发信使用同一个频率,但使用不同时隙。 优点是频谱利用灵活,上、下行使用相同的频率，传输特性相同，有利于使用智能天线,无收发间隔要求,支持不对称业务,设备成本低等。 缺点是小区半径小,抗快衰落和多普勒效应的能力低于FDD,终端移动速度不能超过120km/h。,2019/8/7,21,四、频率复用技术 在移动通信系统中，频率资源有限，为提高频谱利用率，在相隔一定距离后重新使用相同的频率组，这种采用同頻复用和頻率分组来提高頻率利用率方式，就是频率复用技术。 实际应用中常采用 4/12 和 3/9 频率复用分组方式。即将12组頻率轮流分配到4个基站和将9组頻率轮流分配到3个基站，每个站点可用到3个频率组。 频率复用会带来小区间的干扰，GSM系统要求： 同频干扰保护比 C/I9dB 邻频干扰保护比 C/I-9dB,2019/8/7,22,图 1.3 按4/12方式复用的小区示意图,2019/8/7,23,图1.5 按3/9方式复用的小区示意图,2019/8/7,24,第四节 无线电频谱管理与使用 1、无线电频谱管理 2、移动通信的频谱特性和管理,2019/8/7,25,第2章 GSM系统的基本原理,GSM是全球第一个标准化的数字蜂窝移动通信系统，它对数字调制方式、网络结构和业务种类等进行标准化规范，GSM系统可以提供全球漫游。 主要特点 1、频谱效率高：采用了高效调制器、信道编码和语音编码等技术，系统具有高频谱效率。 2、容量大：比TACS（模拟移动通信系统）高3-5倍 3、话音质量好： 接收信号在门限值以上时，达到与有线传输相同的水平而与无线传输质量无关。,2019/8/7,26,4、开放的接口： GSM系统从空中接口到网络之间以及网络中各实体之间，提供的接口都是开放性的。 5、安全性高： 通过鉴权、加密和TMSI（临时用户识别码）号码的使用，实现了安全保护，鉴权用来验证用户的入网权力，加密防止有人跟踪而泄漏地理位置。 6、可与ISDN（综合业务数据网）、PSTN（公用电话网）等互连，与其它网络互连是利用现有接口。 在SIM卡基础上实现漫游，漫游是移动通信的重要特征，GSM系统可以提供全球漫游。,2019/8/7,27,第一节 GSM系统的结构 一、GSM系统的结构 主要由 移动台（MS）、基站子系统 （BSS）和 网络子系统（NSS）三部分组成。 GSM系统通过一定的网络接口和用户连接。 其结构方框图见图2.1,2019/8/7,28,SMC,图2.1 GSM系统的结构图,2019/8/7,29,1.移动台（MS）： 是移动用户设备部分，由移动终端和用户识别卡(SIM)两部分组成，移动终端是“机”，SIM卡是“身份卡”，存有认证用户身份的所有信息。SIM卡还存储与网络和用户有关的管理数据，只有插入SIM卡后移动台才能接入进网。 2.基站子系统（BSS）： 由基站控制器（BSC）和基站收发信机（BTS）两部分组成，是GSM系统的基本组成部分。 基站控制器（BSC）：具有对一个或多个BTS进行控制的功能，主要负责无线资源管理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等。 基站控制器（BSC)是一个很强的业务控制点。,2019/8/7,30,基站收发信台（BTS）： 是无线接口设备，主要包括无线发射和接收设备、天线设备及信号处理部分。完成无线传输、有线与无线转换、分集、加密、跳频等。实现BTS 与 MS 之间无线传输和相关控制功能。 3.网络子系统（NSS）： 由移动业物交换中心（MSC）、来访用户位置寄存器（VLR）、归属用户位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AUC）和移动设备识别寄存器（EIR）、短消息业物中心（SMC)等单元组成。主要完成交换功能和用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。,2019/8/7,31,（1） 移动业务交换中心（MSC）： 是GSM系统的核心，它一侧和 BSS接口，另一侧与外部网络接口，主要提供交换功能，MSC可以从HLR、VLR和AUC中获取有关处理用户位置登记和呼叫请求的全部数据，支持位置登记和更新、越区切换、漫游和计费功能。 外部网络用户与GSM用户之间呼叫时，外部网络用户首先被接到入口移动交换中心（GMSC网关移动业务交换中心），它负责获取移动用户的位置信息，并把呼叫转移到可向被叫用户提供服务的 MSC。,2019/8/7,32,（2）来访用户位置寄存器（VLR）： 是一个动态用户数据库，存储着进入其控制区域内来访的移动用户的有关数据。这些数据是从该用户的归属位置寄存器获得并暂存的，当该用户离开它的控制区域时，暂时存储的该用户数据即被删除。VLR可以看作是一个动态用户数据库。 VLR总是和MSC集成在一起的（MSC/VLR）。 （3）归属用户位置寄存器（HLR）：它也是一个数据库，存储着该GSM系统业务区内所有移动用户的有关数据。 存储的静态数据有：移动用户号码、访问能力、用户类别和补充业务等，还暂存移动用户漫游时的有关动态信息数据。,2019/8/7,33,（4）鉴权中心（AUC）：用于产生为确定移动用户 的身份和对呼叫保密所需监权、加密的3个参数（随机数RAND. 响应数SRES. 密钥Kc）。 （5）移动设备识别寄存器（EIR）：也是一个数据库，存储有关移动台设备识别码（IMSI）。 通过核查白色、黑色和灰色三种清单，完成对移动设备的识别、监视、闭锁功能，以防止非法移动台的使用。 （6）短消息业务中心（SMC）：短消息业务是一 种类似传呼机的业务功能，在移动用户和移动用户之间或移动用户和固定用户之 间发送较短的信息。,2019/8/7,34,4. 操作维护中心（OMC） 操作维护中心，是对整个GSM网络进行控制和操作。通过它实现对GSM系统内的自检、故障诊断和处理、话务量统计和计费数据的记录和传递，以及各种参数的收集、分析与显示等。 5. GSM的网络接口 如图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。 这三种接口可保证不同厂商生产的MS、BSS及NSS等设备能够纳入GSM系统中正常运行和使用。,2019/8/7,35,图2.2 GSM系统的接口,2019/8/7,36,1）A接口。 A接口为NSS与BSS之间的通信接口。 从系统实体来看，就是MSC与BSC之间的互连接口，其网络连接是通过采用标准的2.048Mbit/s的PCM数字传输链路来实现的。 A接口传送的信息包括对移动台和基站的管理、移动性及呼叫接续管理等。 2）Abis接口。 是基站子系统的BSC与BTS之间的通信接口。它是采用标准的2.048Mbit/s或64Kbit/s的PCM数字传输链路来实现。 Abis接口支持所有向用户提供的服务，支持对BTS无线设备的控制和无线资源的分配。,2019/8/7,37,3）Um接口（空中接口）。 Um接口定义为 MS 和 BTS 之间的无线通信接口，是GSM系统中最重要、最复杂的接口，包含信令接口和物理接口两方面的含义。 网络子系统（NSS）内部接口。 NSS内部接口有：B接口、C接口、D接口、E接口、F接口、G接口。 GSM系统与其它公用网络接口。 GSM通过移动业务交换中心 MSC 与 PSTN、ISDN等公用网络连接，一般采用No.7信令接口，其物理连接是2.048Mbit/s的PCM数字传输链路。,2019/8/7,38,第二节 GSM的 TDMA 信道 GSM系统的无线网络，由小区构成，每个小区有多个载频，每个载频又有8个时隙，即8个物理信道。 GSM 采用 FDMA/TDMA 的混和接入方式。 下面介绍FDMA/TDMA接入方式中的无线信道。 一、TDMA 信道 TDMA信道：可分为物理信道和逻辑信道。 物理信道：一个物理信道就是一个时隙。 逻辑信道：是根据 BTS 与 MS 之间传递的消息种类不同而定义的不同逻辑信道，逻辑信道要通过BTS影射到不同的物理信道上来传送，从BTS到MS的方向称为下行链路，从MS到BTS方向称为上行链路。,2019/8/7,39,逻辑信道又可分为业务信道和控制信道。 1、业务信道（TCH） 用于传送数字话音或数据，还有少量控制信令。 业务信道可分为：语音业务信道和数据业务信道，在TCH中可安排慢速随路控制信道（SACCH)或快速随路控制信道（FACCH)。 2、控制信道（CCH） 用于传送信令或同步数据。根据所完成的功能把 控制信道分为：广播信道 (BCH)、公共控制信道(CCCH)和专用控制信道 (DCCH)。 （1）广播信道（BCH）：用于基站向移动台广播公用,2019/8/7,40,用于基站向移动台广播公用信息。 BCH包括广播控制信道（BCCH）、频率校正信道（FCCH）和同步信道（SCH）。 它们携带的信息目标是小区内所有手机，是一点 对多点的单向的下行信道。 （2）公共控制信道（CCCH）：用于传输MS接入过程中所需的控制指令。接入许可信道（AGCH）、寻呼信道（PCH）、小区广播控制信道（CBCH）和随机接入信道（RACH）。 （3）专用控制信道（DCCH）：是一种双向控制信道，其用途是在呼叫接续阶段以及在通信进行中，在 MS 和 BTS 之间传输必需的控制信息。 又分为SDCCH、SACCH 和 FACCH。,2019/8/7,41,二、TDMA 帧结构 GSM系统TDMA的物理信道，是用帧来描述的，每一个载频被定义为一个帧。 每个帧的周期是4.615ms，包括8个时隙： TS0 TS7, 每个时隙占 0.577ms。 TDMA帧的编号以超高帧为周期的： 从 02715647，每2715648个TDMA帧为一个超高帧。 一个超高帧由2048个超帧组成，一个超帧的帧长为6.12s，它由51业务复帧或26个控制复帧组成。,2019/8/7,42,第三节 话音、信道编码和交织 一、话音编码 1.GSM 是全数字系统，话音或其他信号都要进行数字化处理，第一步就是要把话音模拟信号转换成数字信号。 2.PCM编码是波形编码，可分为三个步骤： 采样 量化 编码 3.采用PCM方式编码数字话信号的速率是： 8bit（一个字节） 8000次/s64Kbit/s 8个时隙的速率：64kbit/s8=512kbit/s。,2019/8/7,43,GSM系统若采用这种编码方式，则8个语音信道的比特率就是 64kbt/s8 512Kbit/s，GSM系统的载频间隔为200KHz,要保持在规定的频带内，必需大大降低每路语音信道的编码的比特率。 4、GSM采用了规则脉冲激励长期预测编码器（RPE-LTP编码器）,来降低每路语音信道编码比特率。 这种混和编码一路数字话的比特率为 13Kbt/s； 混合编码的优点：编码速率低,语音质量好。 8路数字话的速率是：13Kbit/s8104Kbit/s,满足了无线信道带宽(200Kbit/s)的传输要求。,2019/8/7,44,图2.4 GSM话音编码器框图,2019/8/7,45,二、信道编码 信道编码的目的 信道编码用于改善信道的传输质量，克服各种干扰因素对信号产生的不良影响。是以增加比特而降低信息量为代价的。 编码的基本原理 在所传送的数据上增加一些冗余比特信息，进行纠错编码，减少传输过程中比特差错率。 信道编码的纠错方式 1.块卷积码：主要用于纠错，纠错效果好。 2.纠错循环码：用于检测和纠正成组的误码。 3.奇偶校验码：常用最简单的检测误码的方法。,2019/8/7,46,三、交织技术 无线电信道是变参信道，比特差错经常是成串发生的，这是由于持续的深衰落会影响到相继一串的比特。 办法是信息中的相继比特分开，把顺序相关的比特非相关化，使突发差错信道变为离散信道，再用信道编码的纠错功能来纠正差错，这种办法就是交织技术。 交织可以把码字顺序相关的bit非相关化，把 m 个bit的码字分布到 n 个传输单元之中,n 越大，非相关性越好,持续误码越少,传输质量越高。 但会增加传输时延，移动台和中继电路上增加了回波抵消器，改善由时延引起的通话回音。,2019/8/7,47,第四节 GSM的调制技术 一、GSM调制方式 GSM采用的是高斯滤波最小移频键控GMSK。 工作原理： 在保持MSK较好的频谱特性和较低的误码率基础上，在MSK之前加入一高斯滤波器，输入的基带信号经过高斯滤波器形成的高斯脉冲包络无陡峭沿、拐点，经调制后的信号比较平滑，改善了频谱特性。 GMSK调制方式，改善了频谱特性，加快带外衰减，满足了相邻信道干扰电平小于-60dB要求。,2019/8/7,48,预调制滤波器,MSK,输入,GMSK,h=0.5,图5.5 GMSK调制原理框图,二、GMSK的解调 可以采用正相干解调，但相干载波提取比较难。 GMSK信号的解调常采用差分解调和鉴频器解调等非相干解调。,2019/8/7,49,第五节 GSM的控制和管理 控制和管理对GSM系统的正常运行是至关重要，本节仅就位置登记和更新、鉴权与保密、呼叫接续和越区切换等控制和管理进行讨论。 一、位置登记和更新 GSM为了跟踪 MS 的位置变化,对其位置信息进行登记、删除和更新的过程。 二、鉴权与加密 GSM系统为了保证安全，采取了鉴权与加密。 1.鉴权：确认 MS 的合法性。 2.加密：防止第三者窃听。,2019/8/7,50,3.设备识别码（IMEI) 每个移动台均有一个惟一的设备识别码 IMEI，EIR中存储了所有入网移动台设备的IMEI，目的是确保系统中使用的设备不是盗用或非法的。 EIR中存有3种名单：即白名单（合法）、黑名单（禁用）、灰名单（由运营商决定）。 4.临时识别码（TMSI） 是为防止非法监听或盗用用户识别码 IMSI，在无线链路上需要传送IMSI时，均用临时用户识别 码TMSI代替IMSI。 由 MSC/VLR 分配并定期更换TMSI,在无线信道上传送的是TMSI,确保了IMSI的安全性。,2019/8/7,51,三、GSM用户呼叫接续过程 1、移动用户主叫固定用户： 移动台在 “ 随机信道RACH ”向基站发出 “信道请求” 信息，若BS接收成功，给 MS 分配一个“ 专用接入信道 DCCH ”，即在“准许接入信道 AGCH ”上，向MS发出“立刻分配”指令。 MS在发起呼叫的同时，设置一定时器，在规定的时间内可重复呼叫。 MS 收到 “ 立即分配 ”的信令后，利用分配的DCCH与 BS 建立起信令链路，经 BS 向 MSC 发送“ 业务请求信息 ”。 MSC向VLR发送“开始接入请求”应答信令，VLR收到后，经MSC和BS向MS发出“鉴权请求”，其中包含一随机数（RAND），MS按鉴权算法A3进行处理后，向MSC发回“鉴权”响应信息。,2019/8/7,52,若鉴权通过，承认MS的合法性，VLR就给MSC发送“置密模式”信息，由 MSC 经 BS 向 MS 发送“置密模式”指令。 MS 收到并完成置密后，要向 MSC 发送“置密模式完成”的相应信息，经鉴权、置密完成后，VLR才向 MSC 作出“开始接入请求”应答。 为了保护 IMSI 不被监听或盗用，VLR 将给 MS分配一个新的TMSI。 接着 MS 向 MSC 发出“建立呼叫请求”，MSC收到后，向 VLR 发出指令，要求它传送建立呼叫所需的信息。,2019/8/7,53,如果成功，MSC 即向 MS 发送“呼叫开始”的指令，并向 BS 发出分配无线业务信道的“信道指配”指令。 如果 BS 有空闲“ 业务信道 TCH ”，即向 MS 发出“ 信道指配 ” 指令，当 MS 得到业务信道时，向 BS 和 MSC 发送“ 信道指配完成 ”的信息。 MSC 在无线链路和地面有线链路建立后，把呼叫接续到固定网络，并和被叫的固定用户建立连接，然后给 MS 发送回铃音。 当被叫固定用户摘机后，MSC 向 BS和 MS 发送“连接”指令，待 MS 发回 “ 连接 ”确认后，即转入通话状态，完成整个接续过程。,2019/8/7,54,2、固定用户主叫移动用户： 固定用户向移动用户拨出号码后发起呼叫后，固定网络把呼叫接续到就近入口移动交换中心 GMSC。 GMSC即向相应的 HLR 查询路由信息，HLR 在保存的用户位置数据库中，查出被叫 MS 所在的地区，并向该区 VLR 查询该 MS 的漫游号码MSRN，VLR 把该 MS 的 MSRN 送到 HLR,并转发给查询路由信息的GMSC。 GMSC 即把呼叫接续到被叫 MS 所在地区的移动交换中心 VMSC。 VMSC 向该 VLR 查询有关的“ 呼叫参数 ”，获得成功后，再向相关的基站BS 发出“ 寻呼请求 ”。,2019/8/7,55,基站控制器 BSC 根据 MS 所在的小区，确定所用的收发台 BTS，在“ 寻呼信道BCH ”上发送此“ 寻呼要求 ” 信息。MS 收到寻呼请求信息后，在“ 随机信道 RACH ”向 BS 发送“ 信道请求 ”，由 BS 分配“专用控制信道 DCCH ”，在“公用控制信道CCCH ”上给 MS 发送“ 立即分配 ” 指令。MS 利用分配到的 DCCH 与 BS 建立起信令链路，然后向 VMSC 发回 “ 寻呼 响应 ”。 VMSC接到 MS 的 “ 寻呼相应 ”后，向 VLR 发送“ 开始接入请求 ”，按着启动常规的“鉴权”和“置密模式”的过程之后，VLR 即向 VMSC 发回“ 开始接入应答 ” 和 “ 完成呼叫 ” 的请求。,2019/8/7,56,VMSC 向 BS 及 MS 发送“呼叫建立”的信令。 被叫 MS 收到信令后，向 BS和VMSC 发回“呼叫证实” 信息，表明 MS 已可进入通信状态。 VMSC收到 MS 的“呼叫证实”信息后，向 BS发出信道 “指配请求”，要求BS给MS分配无线“业务信道TCH”，接着，MS 向BS及VMSC发回“指配完成”响应和回铃音，VMSC 向固定用户发送 “连接完成” 信息。 被叫MS摘机时，向 VMSC 发送“连接”信息。VMSC 向主叫固定用户发送 “拨号应答” 信息，并向MS发送 “连接” 确认信息，整个接续过程全部完成。,2019/8/7,57,四、越区切换 越区切换是指通信期间，当 MS从一个小区进入另一个小区时，网络进行实时控制把 MS 在原小区所用的信道转换到新小区的某一信道的过程。 1、同一个 BSC、不同 BTS之间的切换，包括不同扇区的切换； 2、同一个 MSC/VLR、不同 BSC 之间的切换； 3、不同的 MSC/VLR 之间的切换。 GSM系统采取了移动台辅助切换法（MAHO）,MS测量本基站和周围基站的信号强度,把测得的结果送给MSC分析和处理,从而作出越区切换的决定。如果不能进行切换,BS会向MS发出拒绝切换的决定。,2019/8/7,58,第六节 GPRS 系统 GPRS是通用分组无线业务的英文简写，是GSM向3G演进的第一阶段，GPRS 也称为 2.5 G 。 一、特点： （1）GPRS数据传输速率可达100kbit/s以上，比GSM网的数据传输速率9.6Kbit/s 高的多。 实际的非对称速率只有14-43kbit/s ，但仍使图片、视频等多媒体业务的应用成为现实。 （2）GPRS采用分组交换技术，网络信道只在用户需要时分配，提高了信道利用率，充分利用了网络资源。 （3）GPRS用户访问互联网时，保持着逻辑上的连接，可使GPRS用户“实时在线”,按用户下载流量计费。,2019/8/7,59,二、GPRS的网络结构 （1）在 GSM 网络基础上：增加 SGSN（GPRS服务支持节点）和 GGSN（GPRS网关支持节点）两个节点，构成了移动分组数据网络。 如图2.10所示。 （2）SGSN 的功能：类似于MSC，与MSC同一级别，记录移动台当前的位置信息，执行安全功能和接入控制，在MS和GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收。 （3）GGSN 的功能：是网关作用，可以和多种不同的数据网连接，如 ISDN、LAN、PSPDN 等，GPRS 提供了移动网到 TCP/IP 或 X.25 的网络接口。 可把 GPRS网络 看作是一个 IP子网。,2019/8/7,60,图2.10 GPRS的网络结构,2019/8/7,61,三、GPRS的网络接口和参考点 （1）Um接口： 无线空中接口，射频部分与 GSM 相同，逻辑信道增加了分组信道 PDCH, 采用了4种新的编码方式，并支持多时隙传输方式，最多可传输8个时隙。 （2）Gb接口： SGSN与BSS之间的接口。 Gb接口 即传送信令又传送话务信息，提供流量控制，支持移动管理和会话功能，如GPRS 附着/分离、安全、路由更新、数据连接信息的激活/去活等，支持移动台分组业务经BSS到SGSN的传输。 （3）Gn接口： 同一个PLMN中的两个GSN（GPRS支持节点）之间的接口，支持用户数据和有关信令的传输，支持移动性管理。,2019/8/7,62,（4）Gp接口。不同PLMN中的两个GSN的接口。Gp接口的功能与Gn相似，它还提供边缘网关（BG）、防火墙及不同PLMN间互联功能，如安全和路由等。 （5）Gr接口。SGSN与HLR之间的接口。 Gr接口为SGSN提供了接入HLR并获得用户管理数据和位置信息的接口，通过MAP信令进行传送,该HLR可以属于不同PLMN。 （6）Gs接口。SGSN与MSC/VLR之间的接口。 是用来支持SGSN和MSC/VLR配合工作的，使SGSN可以向MSC/VLR发送MS的位置信息或接收来自MSC/VLR的寻呼信息。Gs接口能使网络为一个MS同时提供电路和分组业务服务。,2019/8/7,63,（7）Gc接口。 GGSN 与 HLR之间的接口。选用Gc接口，GGSN可直接从HLR中获得MS的位置信息。 （8）Gi参考点。GGSN与外部分组数据网络 IP、X.25 之间的接口参考点。GPRS可支持各种数据网络，Gi不是标准接口，是一个参考点。 （9）Gf接口。SGSN 与 EIR之间的接口，交换有关数据、认证 MS 的 IMSI 信息。 （10）Gd接口。SMS-GMSC（短消息业务网关移动交换中心）和SGSN之间的接口，SMS-IWMSC（短消息业务互通移动交换中心）和SGSN之间的接口，可以提高SMS的使用效率。,2019/8/7,64,第3章 码分多址系统 和移动通信的发展,码分多址（CDMA)系统,是在数字技术的分支扩频通信技术上发展起来的一种无线通信技术，它源自于人类对无线通信更高质量的要求，全球许多国家都已建有CDMA网络。 第一节 码分多址（CDMA)技术 码分多址（CDMA）采用的关键技术有： 扩频技术、码分多址技术、信道技术、功率控制技术、切换技术等。,2019/8/7,65,一、CDMA扩频通信技术 1、扩频通信的基本原理 扩频通信技术是CDMA的关键技术之一。 CDMA 采用的是直接扩频： 发送端：将需传送的窄带信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使窄带数据信号的带宽被扩展，称为扩频，再经调制载波后发送出去。 接收端：使用完全相同的伪随机码，与接收的被扩展的宽带信号作相关解调，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩,以实现信息通信。,2019/8/7,66,发送端： 带有用户信息的窄带数据信号 d(t)，通过伪随机码c(t)扩频后，在频域内被扩展成宽带频谱信号s(t),经调制载波后发射出去。 接收端： 接收机接收到的宽带信息,经载波同步解调后不仅有用户信息的宽带信号 s(t)，而且还有窄带干扰噪声n(t)。 因此，合成信号为 s(t)+ n(t) 如图3.1和图3.2所示。,2019/8/7,67,对合成信号 s(t)+ n(t)解扩过程： 用同样的伪随机码c(t)进行解扩，由于伪随机码c(t)具有尖锐的自相关特性，即可认为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)实际是对窄带干扰噪声的扩频操作，结果 n(t)被扩展成宽带频谱，单位频带内的噪声功率降低了，对有用信号的干扰减小了，通过带通滤波器后，宽带低功率噪声干扰大部分被滤除，只输出用户信号d(t)和滤波器带通内干扰噪声。,2019/8/7,68,2019/8/7,69,图 3.2 扩频和解扩过程示意图,2019/8/7,70,2.处理增益和抗干扰容限 处理增益（Gp）和抗干扰容限（Mj）是扩频通信系统的两个重要指标。 处理增益（Gp）：又称扩频增益，它定义为扩频信号带宽（Bw）与信息带宽（Bs）之比。 即： Gp = Bw/Bs 扩频增益Gp表示扩频系统输出信噪比改善的程度，是扩频系统的一个重要指标。 Gp 值越大，系统的信噪比改善程度越大，通信质量也越好。,2019/8/7,71,抗干扰容限： 反映了扩频通信系统抗干扰能力，表示在保证系统所要求的信噪比（S/Nout）时，系统能够承受的最大干扰值。 就是接收机输入端能承受的干扰信号比有用信号高出的分贝数。 其数学表达式为： Mj=Gp-Ls+(S/Nout) 式中：Gp为处理增益， Ls为系统损耗， S/Nout 为系统所要求的信噪比。 一般要求接收机输出信噪比 S/Nout10dB。,2019/8/7,72,二、码分多址通信技术 码分多址技术是CDMA通信的基本技术，是区别于TDMA、FDMA的重要标志。如图3.3所示。 CDMA引入了码域概念，在同时同频下完成通信，不同的用户被不同的地址码所区分，这些地址码彼此都是正交的。 当用这样的地址码对于不同的低频用户信息进行扩频后,被调制的高频信号就可以在空中传播，接收端接收到已调制高频信号，经载波同步解调后，再用同样的地址码对扩频的宽带信号进行解扩处理，就可以正确地获得低频用户信息。 CDMA技术实现了频率在多个小区内重复使用。,2019/8/7,73,图3.3 码分多址原理示意图,2019/8/7,74,在选择用户的地址码或扩频码时，自相关特性和互相关特性是两个重要标准。 要求自相关性尖锐： 码序列本身相乘叠加后归一化值为 1，称为自相关性尖锐。 要求互相关特性良好： 任意两个不同码序列相乘后积分的值为 0，称互相关性良好（称两个码序列为正交）。 扩频码的互相关性良好，有利于消除码间干扰；扩频码的自相关性尖锐，有利于同步和消除多径干扰。,2019/8/7,75,CDMA系统里常用Walsh函数正交码，作为扩频码。 CDMA系统里常用伪随机序列（PN码）作为地址码。伪随机序列是一种貌似随机但实际上是有规律的周期性二进制序列。 在 CDMA 系统中常用M序列来用来区分用户； 用Gold序列来区分用户或基站。 M 序列：是“最大长度线性移位寄存器序列”简称。 Gold序列：是一种基于M序列优选对的码序列，序列资源丰富。,2019/8/7,76,三、CDMA 信道 通信系统都有不同用途的信道，以完成复杂的信令和业务的传输。CDMA不用开辟不同的频段或时隙来作信道，CDMA的信道是通过码来区分的，分成前向信道和反向信道分别描述 CDMA信道的作用。 1、CDMA 前向信道 ( BS 到 MS方向 ) CDMA 前向信道由导频信道、同步信道、寻呼信道和业务信道组成。 每个信道有特定的 Walsh 序列码调制（W0W63)。 每个信道的基带速率有多种，最高达到19.2kbit/s, 每个基带数据流与64码片长的 Walsh序列相乘后，总速率为19.2kbit/s641.2288Mbit/s数据流。,2019/8/7,77,（1）导频信道： 始终发送一个不含信息的扩频信号，导频信号发射功率比其他信道大，以便MS对BS的捕获和跟踪。 导频信号也是MS判断是否要越区切换的基准。 （2）同步信道（SCH）：作用是发送基站的同步消息。包括系统时间和导频偏置，使MS确认正在接入的是哪一个BS。 （3）寻呼信道（PCH）： 每个BS有一个或几个PCH，用于发送系统信息和指令，在MS接入信道发出接入请求后对消息进行确认。 （4）前向业务信道（F-TCH）：用于传送用户数字语音和其他业务信息。还包括功率控制子信道，还传输越区切换等控制信息。,2019/8/7,78,2、CDMA 反向信道 （MS 到 BS方向） CDMA有两种反向信道：接入信道和业务信道。 （1）接入信道（ACH）： 反向信道中有1个到32个接入信道。 前向信道中每个寻呼信道，对应一个接入信道。 接入信道用于MS初始化呼叫、响应基站的寻呼要求和信息要求等。当需要时，接入信道可变成业务信道，传输用户业务信息。 （2）反向业务信道（R-TCH）： 反向业务信道与前向业务信道类似，主要用于传送业务信息和信令。,2019/8/7,79,四、CDMA 功率控制技术 功率控制技术是 CDMA 的基本技术之一。 率控制目的：克服远近效应；提高系统容量。 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 反向功率控制的对象： 是控制 MS 的发射功率，控制依据是前向信道的接收信号强度、前向信道的误帧率等参数。 反向功率控制有：开环功率控制、闭环功率控制和外环功率控制。,2019/8/7,80,反向开环功率控制： 当 MS发起呼叫或者响应 BS 的呼叫时首先工作的，目的是使所有 MS发出的信号在到达BS时都有相同的功率。 基本方法：MS 测量接收的导频信号的功率电平，估算出前向链路路径损耗，调整 MS发射功率。 反向闭环功率控制： 反向闭环功率控制是反向功率控制的核心,是由 BS 协助 MS，对MS的开环功率估测作出校正,使MS始终保持理想发射功率的一种技术。,2019/8/7,81,2、前向功率控制 前向功率控制的实现是 BS 根据 MS 提供的测量结果，调整对每个MS的发射功率。 对路径衰耗小的MS分配比较小的前向发射功率；对较远及解调信噪比较低的MS分配较大的前向发射功率，前向功率控制也采取了闭环控制。 结论：CDMA 功率控制是一种合并机制，在几种机制共同作用下，不断地调整发射功率以弥补无线信道的衰减变化，保证通信质量和提高系统容量。,2019/8/7,82,五、切换技术 CDMA的切换技术包括软切换和硬切换。 1、软切换技术 软切换技术是CDMA系统的又一关键技术。 软切换： 软切换是先通后断的切换方式。 软切换是指 MS 在具有相同频率CDMA频道中的小区或扇区之间进行的切换，软切换不需要MS变更收发频率。 更软切换：更软切换是指在同一个小区内不同扇区之间的切换，不需要MS变更收发频率，切换是由BS完成，BS只是报MSC备案。,2019/8/7,83,2.硬切换技术 硬切换：是指 MS在不同系统的BS之间、不同 CDMA频道或不同帧偏移量之间进行的切换。 硬切换是先断后接的切换方式。硬切换需要 MS变更收发频率，即先切断原来的收发频率，再搜索使用新的频道，会造成无线链路的瞬间中断，如切换时间大于200ms，将影响用户通信。 CDMA系统的切换绝大部分是通过软切换实现的，可以保证很高的切换成功率。 硬切换成功率相对于软切换低，提高硬切换成功率一直是网络优化和系统调整的一个重点。,2019/8/7,84,第二节 CDMA系统的特点 （1）发射功率低 CDMA手机采用完备的功率控制算法,使手机的发射功率刚好满足正常通信，通过扩频通信方式抑制窄带干扰，使手机发射功率降低，大约是 GSM 手机的 1/10。 （2）通话质量优： CDMAD 扩频码分通信制式，可以过滤环境中的背境噪声，使用户语音更为清晰，采用软切换算法提高了切换成功率，使得小区交界处语音质量得以保证。,2019/8/7,85,（3）保密性能好 CDMA系统在空中传输的是高速扩频信号，扩频码是很复杂的伪随机码，具有非常好的保密性。 （4）更好的用户容量 CDMA系统小区容量是柔性的，通过功率控制技术应用，可以限制单个用户前向功率的控制范围，保证容量。 （5）CDMA技术提高了语音和数据传输的可靠性。 结论：CDMA是宽带系统，有较高的扩频增益，在C/I为负值时仍能得到较好的服务质量，在同等条件下比 GSM 传播距离大 1.3-2.1 倍左右。 在郊区开阔地，基站覆盖半径可达 50km 以上。,2019/8/7,86,第三节 移动通信无线频率的分配 一、GSM 900MHz系统的工作频率（载频） 上行(MS发，BS收）工作频率范围： 890915MHz 下行（BS发，MS收）工作频率范围： 935960MHz 工作带宽：25MHz 双工间隔：45MHz 载频间隔：200KHz 共有124个载频频道，频道号为1124。 载频频道：每个载频信道带宽 200KHz。,2019/8/7,87,中国移动占用低端94个频道，中国联通占 用高端30个频道。 二、GSM 1800MHz系统的工作频率 上行频率范围：17101785MHz 下行频率范围：18051880MHz 双工间隔：95 MHz 工作带宽：75 MHz 载频间隔：200 MHz，共有374个载频频道。 三、CDMA 800MHz系统的工作频率 上行频率范围： 825835MHz 下行频率范围： 870880MHz,2019/8/7,88,第四节 第三代移动通信的发展 在GSM和窄带CDMA的第二代移动通信时期，实现了部分国家和地区的漫游，也暴露出一些问题,如系统容量小，频谱利用率不高，不适合于传输高速数据和多媒体业务等。 第三代移动通信系统（3G）是在ITU IMT2000建议基础上,工作在2GHz频段,最高速率可达2Mbit/s的宽带移动通信系统。 其基本特征如下： （1）全球普及和全球无缝漫游的系统。2G系统一般为区域或国家标准，而3G系统是在全球范围内覆盖和使用的系统，全球统一的标准。,2019/8/7,89,（2）具有支持多媒体业务能力。 2G系统主要提供语音业务为主，GSM 演进到最高阶段的速