通信原理讲稿ppt课件

.,1,通信技术的发展,移动通信系指通信双方或至少一方是处于移动中进行信息交流的通信。20年代开始在军事及某些特殊领域使用，40年代才逐步向民用扩展；最近十年间才是移动通信真正迅猛发展的时期.第一代：1970S末、1980S初出现，为模拟话音通信系统，如AMPS，TACS，NMT，NTT等系统。,.,2,第二代：1980S末出现，传递话音和低速数据，为窄带数字通信系统，如GSM，PDC，D-AMPS，CDMA（IS95）等。第二代半：1996出现，用于解决中速数据传递的数字通信系统，如GPRS，IS95B等。第三代：用于传递高速数据，以支持多媒体应用，如WCDMA，cdma2000、TD-SCDMA等。,.,3,关于3G,第三代移动通信系统能提供多种类型、高质量的多媒体业务，能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力，可与固定网络相兼容，并可以小型便携式终端在任何时候、任何地点进行任何种类的通信。IMT-2000的历史第三代移动通信系统最早由国际电信联盟（ITU）1985年提出，曾被称为未来公众陆地移动通信系统FPLMTS（FuturePublicLandMobileTelecommunicationSystem）。后来考虑到该系统将于2000年左右进入商用市场，并且其工作的频段在2000MHz，故于1996年正式更名为IMT-2000（InternationalMobileTelecommunication-2000）。,.,4,3G的目标,1）能实现全球漫游：用户可以在整个系统甚至全球范围内漫游，且可以在不同的速率、不同的运动状态下获得有质量保证的服务；2）能提供多种业务：提供话音、可变速率的数据、活动视频非话业务，特别是多媒体业务；3）能适应多种环境：可以综合现有的公众电话交换网（PSTN）、综合业务数字网、无绳系统、地面移动通信系统、卫星通信系统、提供无缝隙的覆盖；4）足够的系统容量，强大的多种用户管理能力，高保密性能和服务质量。,.,5,3G对RTT要求,RTT（RadioTransmissionTechnology）无线传输技术高速传输以支持多媒体任务室内环境至少2Mbit/s；室内外步行环境至少384kbit/s；室外车辆运动中至少144kbit/s；卫星移动环境至少9.6kbit/s。传输速率能够按需分配。上下行链路能适应不对称需求。,.,6,多址技术,多址技术使众多的用户共用公共的通信线路。为使信号多路化而实现多址的方法基本上有三种，它们分别采用频率、时间或代码分隔的多址连接方式，即人们通常所称的频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）三种接入方式。FDMA是以不同的频率信道实现通信的，TDMA是以不同的时隙实现通信的，CDMA是以不同的代码序列实现通信的。,.,7,频分多址FDMA,频分，有时也称之为信道化，就是把整个可分配的频谱划分成许多单个无线电信道（发射和接收载频对），每个信道可以传输一路话音或控制信息。在系统的控制下，任何一个用户都可以接入这些信道中的任何一个。模拟蜂窝系统是FDMA结构的一个典型例子，数字蜂窝系统中也同样可以采用FDMA，只是不会采用纯频分的方式，比如GSM和CDMA系统就采用了FDMA。,.,8,时分多址TDMA,时分多址是在一个带宽的无线载波上，按时间（或称为时隙）划分为若干时分信道，每一用户占用一个时隙，只在这一指定的时隙内收（或发）信号，故称为时分多址。GSM系统也采用了此种方式。TDMA是一种较复杂的结构，最简单的情况是单路载频被划分成许多不同的时隙，每个时隙传输一路猝发式信息。TDMA中关键部分为用户部分，每一个用户分配给一个时隙（在呼叫开始时分配），用户与基站之间进行同步通信，并对时隙进行计数。当自己的时隙到来时，移动台就启动接收和解调电路，对基站发来的猝发式信息进行解码。同样，当用户要发送信息时，首先将信息进行缓存，等到自己时隙的到来。在时隙开始后，再将信息以加倍的速率发射出去，然后又开始积累下一次猝发式传输。,.,9,TDMA的一个变形是在一个单频信道上进行发射和接收，称之为时分双工（TDD）。其最简单的结构就是利用两个时隙，一个发一个收。当移动台发射时基站接收，基站发射时移动台接收，交替进行。TDD具有TDMA结构的许多优点：猝发式传输、不需要天线的收发共用装置等等。它的主要优点是可以在单一载频上实现发射和接收，而不需要上行和下行两个载频，不需要频率切换，因而可以降低成本。TDD的主要缺点是满足不了大规模系统的容量要求。,.,10,码分多址CDMA,码分多址是一种利用扩频技术所形成的不同的码序列实现的多址方式。它不像FDMA、TDMA那样把用户的信息从频率和时间上进行分离，它可在一个信道上同时传输多个用户的信息，也就是说，允许用户之间的相互干扰。其关键是信息在传输以前要进行特殊的编码，编码后的信息混合后不会丢失原来的信息。有多少个互为正交的码序列，就可以有多少个用户同时在一个载波上通信。每个发射机都有自己唯一的代码（伪随机码），同时接收机也知道要接收的代码，用这个代码作为信号的滤波器，接收机就能从所有其他信号的背景中恢复成原来的信息码（这个过程称为解扩）。,.,11,调制技术,为什么要调制？调制的目的调制的目的的有以下三个:1.将基带信号变换成适合在信道中传输的已调信号2.改善系统的抗噪声性能3.实现信道的多路复用将信号所具有的频谱搬移到某频率w0处,使之与信道可传输的频谱相适应。例如,人们发出的语音信号的频率在几十Hz到十几kHz范围内,这种信号从工程角度看，不可能通过天线进行无线电传输,这是因为天线的辐射效率取决于天线的几何尺寸与工作波长之比,一般要求天线长度应在发射信号波长十分之一以上,因此语音信息信号必须通过调制,也就是将具有频谱为的搬移到在工程上能实现传播的信道频谱范围内。,.,12,通过调制,增强信息信号的抗噪声能力。例如,在某种情况下,频率调制(FM)比幅度调制(AM)抗噪声的能力强。提高通信的可靠性必须以降低其有效性为代价，反之也是一样。这就是通常所说的信噪比和带宽的互换,而这种互换,而这种互换是通过不同的调制方式来实现的。如当信道噪声比较严重时,为了确保通信的可靠,可以选择某种合适的调制方式(例如调频)来增加信号频带的宽度。这样，虽然传输信息的速率相同而所需的频带却加宽,显然信息传输的效率(有效性)降低了,但抗干扰能力却增强了。信道的频率资源十分宝贵,在一个物理信道上，如一根电缆中或一个波束上,仅传输一个信息信号则极大地浪费了这一物理信道上远比的频率范围宽的其他频率范围。这时可以采用调制的方法将多个信号的频谱按一定的规则排列在信道带宽的相应频段内,从而实现同一信道中多个信号互不干扰地同时传输,这称为频分复用。此外,还可对多个信号在不同时间顺序取样,然后依次送入同一信道,实现信道的时分复用。当然，复用的方法和允许复用的路数(信号数)与调制方式及信道本身的特性有关。,.,13,解调,解调:在接收端将收到的数字频带信号还原成数字基带信号。在某些有线信道中，若传输距离不太远且通信容量不太大时，数字基带信号可以直接传送，我们称之为数字信号的基带传输。而在另外一些信道，特别是无线信道和光信道中，数字基带信号则必须经过调制将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输，我们把这种传输称为数字信号的频带传输。,.,14,GSM原理,GSM是GlobalSystemforMobileCommunication的缩写。意思是全球移动通信系统。GSM系统是第二代数字蜂窝移动通信系统,它采用900MHz频段,在后期又加入了1800MHz频段及1900MHz频段,为便于区别,分别称为GSM900、DCS1800及PCS1900.一般的所谓的双频手机就是在GSM900和DCS1800频段切换的手机。PCN1900则是别的一些国家使用的频段(如美国)。GSM900的手机最大功率是8W（实际中移动台没这么大的功率，一般的手机最大功率是2W，车载台功能大），而DCS1800的手机的最大功率是1W。初期的GSM900的工作频率是890915MHz(移动台发),935960MHz(基站发)共25MHz的双工频率;后加入了EGSM(扩展GSM)其频段为880890MHz(移动台发),925935MHz(基站发),为与EGSM区别,把前者称之为PGSM。GSM900上行与下行频段的间隔为45MHz,信道间隔为200KHz,可分为124个信道（EGSM加入了9751023共49个信道）；因此E-GSM共有174个信道。小区半径35km,.,15,DCS1800的频段为17101785MHz(移动台发),18051880MHz(基站发),上行与下行频段的间隔为95MHz，频带宽度为75M，可分为374个信道（512至885）。小区半径2km(由于1800mhz手机的低功率)PCS1900的频段分为上行：18501910MHz，下行：19301990MHz，上行与下行频段的间隔为80MHz，频带宽度为60M，可分为300个信道。低发高收原则现在GSM向前发展开发了GPRS业务，作为2G向3G的过渡方式。GPRS（GeneralPacketRadioService，通用无线分组业务）作为第二代移动通信技术GSM向第三代移动通信（3G）的过渡技术，是由英国BTCellnet公司早在1993年提出的，是GSMPhase2+(1997年)规范实现的内容之一，是一种基于GSM的移动分组数据业务，面向用户提供移动分组的IP或者X.25连接。,.,16,GSM是采用FDMA（频分）与TDMA（时分）制式相结合的一种通信技术，其网络中所有用户分时使用不同的频率进行通信。在GSM900频段，25MHZ的频率范围划分为124个不同的信道，每个信道带宽为200K，每个信道含8个时隙，即GSM900M频段在同一区域内，可同时供近1000个用户使用。而CDMA是采用码分多址技术的一种通信系统，在这个系统中所有用户都使用同一频率。,.,17,GSM通信系统网络组成,.,18,网络组成：BTS基站：basetransceiverstation基站首要是收发器，收发器的多少决定小区的容量，一个收发器能支持8个用户。一个小区由3个天线，一个发射，两个接收（分级接收）。每个BTS都会有一套收发器。一个BTS覆盖一个小区，BTS发送BCH信号在RF信道的0时隙。BCH帮助Mobile识别/寻找网络。小区的手机用户容量依靠信道数GSM空中接口的数据传输速率是13Kbps,即BTS收发语音数据速率是13KB/S.有BTS命令手机设置其发射功率、迁时、切换。BSCbasestationcontroller基站控制器：几个BTS基站连接一个BSC,基站安排信道配置、切换、和BTS连接BSC;所有的BSC连接至MSC,每个BTS连结BSC用abis接口，是2Mbps的连接。使用microwavelink、opticalfiber、co-axialline等方式连接.Microwavelink经常是最好的连接方式选择。BSC连结MSC使用的是A口在BSC可提供小区广播等服务。,.,19,MSCmobileswitchingcenter是网络的核心，呼叫建立、保持、和释放；链接BSC和PSTN、认证、呼叫转接、短信息、收费等。当用户增加到一定数量时，可增加MSC；MSC与MSC之间使用GMSC连结（GATEWAY）当呼叫建立时，MSC起到保持通话和断开通话的功能。存储所有的用户数据和它们的相关特征。介于MS和PSTN之间，交换通信数据.MSC是GSM网络的心脏。是与别的GSM网络、非GSM网络的连接口。MSC主要功能：认证、位置更新、连接、收费、呼叫转接、SMS。当用户增加时，超过一个MSC的容量，就需要多一个MSC，就增加一倍的用户,.,20,TRAN-Transcoding/rateadapterunit速率适配器。TRAN转换13KB/S（因为GSM空中接口的数据传输速率是13Kbps,即BTS收发语音数据速率是13KB/S）的GSM速率为标准的64KB/S;TRAN作为一MSC的一部分。Transcoding也使用在下行时，将64kbps转换成16kbps.Transcoding在MSCBSCBTS中。HLRHomelocationregister归属位置寄存器。在MSC中有所有的用户数据库存在于HLR。HLR中有永久用户数据库。用户发出呼叫时，MSC从HLR之中获得用户数据。是用户核心数据库，大部分在SIM卡中的数据都可以在HLR中获得。VLRvisitinglocationregister访问位置寄存器。在VLR中有被激活的所有的用户号码。当别的MSC中的用户漫游到新的MSC时，MSC和HLR之间通信，新的MSC就将漫游的用户注册到它的VLR中。当手机漫游时，用户访问区被别的网络覆盖，而且归属位置网络批准它使用被访问的网络，它的用户信息将从HLR被拷贝到VLR(访问位置寄存器)中暂存。,.,21,鉴权中心AUC-Authenticationcenter是SIM卡的验证过程。每个SIM卡有一个IMSI，在IMSI有加密码在HLR中有IMSI和密码手机通信时，首先验证SIM卡的合法性，由AUC进行验证。装备身份注册：EIR-Equipmentidentifyregister包含了IMEI信息。所有的手机IMEI都存储在EIR中，是手机的数据库。在GSM中有助于验证当手机遗失时，运营商可以禁止已经报失手机的使用。EIR分类：Permittedlistevaluationliststolenlistunknown收费中心BC-BillingcenterBC产生每一个用户的费用状况.直接连到MSC,由MSC发送收费信息给BC（通话时）BC处理按单位计费。,.,22,操作运营中心：OMC-operationandmaintenancecenter.每个GSM网络超过100个BTS组成，每一个实体需要操作和维护。一些远程操纵是必要的，检测和远程进入。有时有两种OMC(不同的供应商)，OMC-S:Dealwithswitch;OMC-R:dealwithradionetwork。短信中心：SMSC信息通过短信息中心发到指定的手机。信息通过SMSC传输信息可通过人工终端（连到SMSC）发送。短信中心SMSCENTER-MSC/VLR-BSC-BTS.-MS,.,23,语音服务中心：它拥有所有语音用户的数据库；它也存储了语音信息。设备报警：BTS,BSC,Transcoderfailure.LinkfailureModulefailure(transceiver,processor),.,24,信道介绍,BCH广播信道BCH就象灯塔,在每一小区的任何时候,都有BCH在ARFCN（绝对无线频道编号）上，使手机能发现网络,并使手机同步于网络，并且BCH信号的强度告诉手机那个是距它最近的GSM网络;手机几乎每30秒会报告相邻小区的BCH功率,以便于由基站决定是否切换.每一小区使用的BCH频率通道都不同,通道被远距离的小区重复使用;小区中的所有的手机接收BCH.在ARFCN上有BCH信道.BCH的信息在下行的通道0时系,其他时系用于业务信息TCH;使MS同步,运载控制信息和呼叫信息.和网络身份信息。所有手机的呼叫信息都在BCH上。BCH由FCH、SCH、BCCH、CCCH、SDCCH、SACCH组成。FCH:frequencycorrectionchannel在BCH上重复使用特别的BURST,让手机开机时调整它的频率.SCH:synchronizationchannel,在FCH后,调整时间.BCCH:广播控制信道,带有网络身份.,.,25,CCCH:共用控制信道,它的子通道PCH(PAGINGCHANNEL寻呼信道)在CCCH上.手机能认出并用一个RACH作出反应.;还有子通道AGCH访问认可通道,命令手机进入SDCCH或TCH.CCCH共用控制信道:是双向控制信道,CCCH和BCH在多帧上分享0时隙；CCCH包括RACH;PCH;AGCH;CBCH;PCH呼叫通道用于运载IMSI报知手机有呼叫、PCH是下行通道DCCH专用控制信道:双向控制信道,由三个子通道组成：SDCCH,FACCH,SACCH。SDCCH独立专用控制信道：指定TCH之前的过渡信道，话务建立和用户验证.SDCCH独立专用控制信道:在呼叫建立时,于BCH和TCH之间起连接作用.SACCH慢速相关控制信道:,.,26,上行:接收信号质量报告、接收信号RXLEVEL报告、相邻小区的BCH功率报告。通道功率;手机的状态下行：命令MS的TX功率控制的命令、小区信道配置、迁时、跳频。FACCH快速相关控制信道：由BTS用作命令手机切换上行：中断TCH信号、切换时快速信息交换。下行：中断TCH.控制BITSSACCH和FACCH的区别:SACCH报告基站所有另外的小区可提供给手机更好的信号质量,切换是必要的.在段时间内,由于SACCH没有足够的带宽,所以在短时间内由FACCH取代TCH;切换就发生了.FACCH象一个TCH.当听到语音有小的中断时,可能发生了切换.,.,27,TCH业务信道:通话时使用的信道.运载语音信息、是双向的用于手机和基站交换语音信息,RACH随机接入信道:由手机发送短的突发给基站，即呼叫需求；由MS使用来从基站获取注意;手机并不知道路经的迟延,所以手机发短的BURST,当手机在下行的RACH上获得迁时时,手机才发正常的BURST.手机测量报告：SACCH的测量报告提供给GSM系统。每个手机测量服务小区的功率，也测量相邻小区的BCH功率；手机也测量在TCH上接收的信号的强度和质量。通过SACCH将接收RxLev（dbm）和RXQuaL(bemappeddirectlytobiterrorratio)报告给所在服务小区。7接收表现：GSM接收器要在复杂的无限环境中有效的操作。接收器要适应多径和多普勒衰减，低信号、高信号、以及别的收发射器或别的用户的干扰。要能以最小的比特误码率解调0.3GMSK信号。GSM的语音通道的语音信息编码为Ia和Ib带有错误纠正，而bits没有错误纠正。互调测试手机在GSM波段的对两个干扰的选择,.,28,手机通信过程,手机开机后的步骤:首先搜索124个信道，即所有的BCH通道,决定收到的广播信道BCH强度,(BCH承载的信息是距Mobile最近的BTS;呼叫信息);跟网络同步时间和频率,由FCH/SCH调整频率和时间解码BCH的子通道BCCH.网络检查SIM卡的合法身份.是否是网络允许的SIM卡。手机的位置更新.网络鉴权,.,29,手机主叫(MOC)过程:手机给基站发送通道需求，即手机发送一个短的随即接入突发脉冲.(RACHBurst)由BCH指定传输信道.SDCCH手机和基站在独立专用信道(SDCCH)上通信.权限认证指定手机在一个业务信道(TCH)上通信.在TCH上进行语音通信.手机被叫BTS在PCH呼叫通道上使用SIM中的IMSI号码来呼叫用户。由手机发送RACH由BCH指定传输信道.SDCCH手机和基站在SDCCH上通信手机用户被鉴权手机被指定TCH通道。在TCH通道上进行语音和数据通信。,.,30,紧急呼叫：GSM规格定义了112为紧急呼叫号码112在手机有无SIM卡的情况下均可呼叫。在RACH上,手机112建立紧急呼叫。Authentication鉴权：目的：验证用户身份（IMSI/SIM）;提供手机新的加密键。鉴权是在什么情况下：每一次注册、每次呼叫或被叫企图、执行一些增值服务、漫游时的位置更新。切换handover:切换是手机通信从一个小区/信道到另外一个小区/信道。上行和下行的接收质量报告上行和下行的接收信号强度距离，迁时干扰层。功率预算。切换包括：同一小区内部信道/时隙之间的切换。小区于小区之间。加密ciphering:语音和数据的保密、信号信息的保密；,.,31,手机位置更新locationupdate:MSC应知道呼叫手机的位置。手机连续的改变位置，手机在改变位置时通知MSC关于新位置。由MSC处理位置更新。手机位置更新过程：（locationareaidentityLAI）手机改变位置区手机从BCCH上读新的位置区发送RACH,为通道需求。在AGCH上获得一个SDCCH.在SDCCH发送IMSI和新旧LAI位置更新需求给MSCMSC开始认证如果认证成功，更新手机位置在VLR上发送确认信息给手机手机离开SDCCH,进入空闲模式。,.,32,功率等级：由于手机在小区内移动，它的发射功率要随着移动，当他靠近基站时，防止干扰别的用户功率要减小，当他远离基站是为防止衰减要增大发射功率。总共有19个功率等级,功率等级存于手机的EEPROM中.功率控制的好处是：手机可以省电、基站减少干扰。由基站在SACCH上发送命令手机改变发射功率改变功率是和路径的衰减成比例。TXLevel533dbm，19-5dbm。每个等级之间是间隔2dbm.BTS需要在上行开始的Rxlev、Rxqual每480ms发送报告给BSC关于Rxlev、Rxqual。每一定时间跟初始的进行比较。,.,33,时迁（定时提前）,时迁（定时提前）:Timingadvance就是为了保证信号能在准确的时间内到达