现代移动通信

1、汪丁鼎 2003.7.10 移动通信之路 移动通信的电波传播 移动通信的性能和指标 移动通信组网 移动通信的主要技术 GSM GPRS CDMA 移动通信的未来 主要内容 2 移动通信之路 移动通信的电波传播 移动通信的性能和指标 移动通信组网 移动通信的主要技术 GSM GPRS CDMA 移动通信的未来 主要内容 3 一个古老地梦想 西游记中的一幕：玉皇大帝派二郎神抓拿 孙悟空，众神都在凌霄宝殿上观战，正当底下 打的正厉害的时候，忽然孙悟空不见了，于是 玉皇大帝就叫出“千里眼”和“顺风耳”， “千里眼”和“顺风耳”一个看，一个听，很 快就把孙悟空找到了。 4 移动通信之路 移动通信在最早无

2、线电通信发明之日就产生。 1897年，意大利人 M. G. 马可尼发明了无线 电收报机。 5 第一代移动通信第一代移动通信 以模拟通信为特征的移动通信为第一代移动 通信 q 主要代表：美国AMPS系统，英国TACS系统 q 特点：FDMA、模拟话音与传输、频谱利用 率低、保密性差、技术简单、 6 第二代移动通信第二代移动通信 以数字通信为特征的移动通信为第二代移动通信 q 第二代移动通信主要制式有 欧洲的GSM，TDMA制式 北美的CDMA One(IS-95CDMA)，CDMA制式 北美的DAMPS(IS-54)，TDMA制式 日本的PDC，TDMA制式 q 特点：频谱利用率高、数字话音与传

3、输、多种业务、多种先进技术、保 密性好、集成度高、 q 先进技术：TDMA和CDMA、语音编码、自适应均衡、数字调制、信道 编码、交织、分集接收、功率控制、 7 第第2.52.5代移动通信代移动通信 q GPRS技术(通用无线分组业务)为GSM系统无线商务 提供了高速数据通道; q CDMA 1X开始在中国大规模建设； q 日本在移动通信上实现无线互联网应用(i-mode)的成 功开创了无线数据业务的新时代； q 中国在无线数据应用领域正在起步。 8 第三代移动通信第三代移动通信 v概述 第三代移动通信为IMT-2000； 第三代移动通信的标准已确定； 第三代移动通信的商用已在2001年10月

4、面世； 第三代移动通信的大规模商业应用在2005年以后。 q 总体目标 2000MHz频段、2000年左右商用、2000kbps速率 全球化，要求多种技术在多种环境下统一标准、统一频率，以实现全球无 缝覆盖。 综合化，要求系统能传输话音、宽带数据、视频图像等多种业务，满足信 息化社会的需要。 个人化，系统具有足够的容量潜力和多种用户管理能力，支持个人的移动 性，满足巨大的个人通信的需求。 9 第 代移动通信标准 q IMT-DS UTRA FDD (WCDMA) ( IMT-DS UTRA FDD (WCDMA) (欧洲、日本欧洲、日本) ) IMT-MC cdma2000 ( IMT-MC

5、cdma2000 (北美北美) ) IMT-TC TD-SCDMA ( IMT-TC TD-SCDMA (中国中国) ) 10 移动通信的发展 Voice Wide band Broad band Analog Digital Integrated Data Narrow band 4G 3G 2G Multi-function 1G Multimedia Smart Point frequency 11 Beyond 3G/4GBeyond 3G/4G的研究和个人通信的研究和个人通信 Beyond 3G/4GBeyond 3G/4G的研究的研究 目前国际上有关第四代移动通信的研究还处于初期阶

6、段，其基本 需求、核心技术还处于萌芽阶段。但较为明确的一点是，第四代 移动通信的实用期定在2010年。 个人通信个人通信 移动通信的飞速发展使人类实现个人通信的理想为期不远了 q 任何人在任何时间、任何地点、与任何一个人、实现任何 一种媒体的通信。 q 每个人有唯一的通信号码，通信的个人性代替通信的终端 性 12 主要内容 移动通信之路 移动通信的电波传播 移动通信的性能和指标 移动通信组网 移动通信的主要技术 GSM GPRS CDMA 移动通信的未来 13 移动通信与无线通信 移动通信肯定是无线通信，无线通信侧重于无线，移动通 信更注重于其移动性。强调通信中的移动性，就是移动通 信。 无线

7、通信 移动通信 14 衰 耗 衰耗：大范围变化距离变化的损耗规律。 传播模型 Okumura-Hata模型 ： Loss = K1 + K2 log10 d + K3 log10 (Heff) + K4 Diffraction+ K5 log10 (Heff) log10 d + K6 (hmeff) + Kclutter 15 衰 落 慢衰落和快衰落： 16 多径传播 时间 接收信号 强度 发射信号 17 多普勒频移 在移动通信中，当 移动台移向基站时， 频率变高，远离基 站时，频率变低。 900Mhz系统， 60km/h的移动速度 产生50hz的频移。 18 主要内容 移动通信之路 移动通

8、信的电波传播 移动通信的性能和指标 移动通信组网 移动通信的主要技术 GSM GPRS CDMA 移动通信的未来 19 移动通信网性能指标移动通信网性能指标 v 话音质量和信噪比要求 q 话音传输质量以接收机输出端音频频带内的信噪比 S/N或载噪比C/N来表示，业务种类不同，要求不同 （公网高，专网低）。 q 移动数据传输常用误码率，一般只有10-4左右，常用纠 错等方法提高。 q 误码率一般用Eb/No（归一化信噪比）作为常数来计 算，Eb/No为折合到接收机输入端的比特能量Eb与噪声 的单边功率谱密度No之比值。 q 话音质量的评定往往采用主观评定的办法，ITU将评 分质量分为五级： 20

9、 话音质量分级 一般要求 q 公网一般要求4级，专网3级 q 对于不同的移动业务，各国对S/N或C/N的规 定不一样。 q 中国：移动用户与固定市话、长话用户通话时， 要求S/N为大于29dB或C/N为17dB，相当于4级 话音。 22 服务指标 v 服务等级 q 服务等级用呼损率B表示 B：在一个正常运行的系统中，忙时呼叫被阻塞的概率。 q 服务等级决定于系统中同时发出的呼叫数、总话务量、信道数量、 系统设计等 q 呼损率包括无线信道呼损和中继电路呼损。 q 我国规定：无线信道B0.05，在话务密度高的地区B0.02，中 继电路B应更低。 v 呼叫中断概率 在一个小时内建立的Q次呼叫中，若N

10、次丢失，则呼叫中断概率为 N/Q，呼叫中断概率跟系统设计、严重干扰、越区切换等有关。 23 通信概率 v 通信概率 q 移动通信由于受地形的影响和无线信号传播裒落影响，不可能达到覆 盖范围的100。 q 通信概率是指移动用户在给定服务区域进行成功通话（达到规定通话 质量）的概率，它包括位置概率和时间概率。 q 我国公网规定：城市通信概率90%，农村通信概率50%。 q 专网则要求较高，如铁路通信要求通信概率(在3级话音质量下)95%。 24 主要内容 移动通信之路 移动通信的电波传播 移动通信的性能和指标 移动通信组网 移动通信的主要技术 GSM GPRS CDMA 移动通信的未来 25 移动

11、通信组网大区制 第一代模拟移动通信网一般采用大区制 主要特点：主要特点： q基站天线很高：几十米至几百米； q基站发射功率大：50200W； q覆盖半径：3050公里； q网络结构简单、成本低； q容量小，一般用户几十至几百个，一 般用于专网； 主要问题：主要问题：覆盖半径有限 26 移动通信组网小区制 基本小区分类：（r：小区半径） 超小区： r 20km（农村） 宏小区： r 1-20km（人口稠密地区） 微小区： r 0.1-1km（城市繁华区） 皮小区： r 0.1km（办公室、家庭） q特点： 频率利用率较高 组网灵活 网络复杂 6 12 32 1 4 5 9 8 7 12 1310

12、 10 11 5 6 3 7 12 8 5 6 9 2 27 同频干扰与同频复用比 频率复用 28 小区分裂 29 划分扇区 利用定向天线来改变同频干扰，从而可选较 小簇，一般用120扇区 30 切 换 v 正在通信的移动台与基站之间的链路转移到另一个基 站的过程。 v 分类： q可分为硬切换和软切换 硬切换：新的连接建立前，先中断旧的连接。例 如GSM系统。 软切换：指既维持旧的连接，又同时建立新的连 接。例如CDMA系统。 31 主要内容 移动通信之路 移动通信的电波传播 移动通信的性能和指标 移动通信组网 移动通信的主要技术 GSM GPRS CDMA 移动通信的未来 32 多址技术 F

13、DMA 频分多址 AMPS TDMA 时分多址 GSM CDMA 码分多址 IS-95 用户用户1 用户用户2 用户用户3 频率频率 时间时间 码码FDMA 用户用户1 用户用户2 用户用户3 频率频率 TDMA 时间时间 频率频率 CDMA 用户用户1 用户用户2 用户用户3 时间时间 33 语音编码 波形编码 PSTN 声源编码 RPELTP话音编码器 GSM QCELP话音编码 IS95 t A t A 34 信道编码 卷积编码，卷积编码的编码效率定义为Rkono， 对于具有良好纠、检错性能并能合理而又简单实现的 大多数卷积码。 Turbo编码，对于非实时业务具有很好的纠错性能， 但解码

14、时延长，不适合语音业务。 交织，把一条消息中的相继错误比特分散开，解决 突发性连续错误。 35 数字调制 QPSK和OQPSK 4相相移键控和偏移4相相移键 控，CDMA使用； MSK 最小移频键控； GMSK 高斯MSK， GSM使用； /4-QPSK TIA 使用； 36 分集接收 RAKE接收机 接收机 单径接收电路 单径接收电路 单径接收电路 搜索器 计算信号强度 与时延 合 并 合并后 的信号 t t s(t)s(t) 空间分集，时间分集，频率分集 37 主要内容 移动通信之路 移动通信的电波传播 移动通信的性能和指标 移动通信组网 移动通信的主要技术 GSM GPRS CDMA 移

15、动通信的未来 38 GSM蜂窝移动通信系统 GSM数字移动通信系统1982年源于欧洲。当时这些系统是 国内系统，不可能在国外使用。为了方便全欧洲统一使用 移动电话，需要一种公共的系统，1982年北欧国家向 CEPT提交了一份建议书，要求制定900MHz频段的公共 欧洲电信业务规范。在这次大会上就成立了一个在欧洲电 信标准学会（ETSI）技术委员会下的“移动特别小组 Group Special Mobile）简称“GSM”，来制定有关的标准 和建议书。 1986年在巴黎，该小组对欧洲各国及各公司经大量研究和实 验后所提出的8个建议系统进行了现场实验。 1991年将 GSM更名为“全球移动通信系统

16、”(Globa1 system for Mobile communications) 。 39 GSMGSM系统的运行系统的运行 1991年在欧洲开通了第一个系统; 1992年大多数欧洲GSM运营者开始商用业务； 1994年5月已有50个GSM网在世界上运营，10月总用户数已 超过400万，国际漫游用户每月呼叫次数超过500万，用 户平均增长超过50； 1993年欧洲第一个DCS1800系统投入运营。到1994年已有6 个运营者采用了该系统。 中国 1992年在嘉兴地区引入第二代数字移动蜂窝网GSM 系统 40 GSMGSM系统的网络结构系统的网络结构 GSM系统包括NSS、 BSS、MS和操

17、作维护中心。 MSBSSNSS BSCBTS Um Abis BSS F HLR D EIR AUC A F A D E MSC/ VLR H Um MS ISDN PSTN PSPDN PLMN ME SIM-ME i/f SIM MS BTS BTS BSC BSC ME SIM-ME i/f SIM MS MSC/ VLR Abis Abis A BSS OMC OSS 41 交换网络子系统交换网络子系统 MSCMSC：是GSM系统的核心，是对位于它所覆盖区域中的移动台进 行控制和完成话路交换的功能实体，为移动通信系统与其它 公用通信网提供接口。它完成网络接口、公共信道信令系统 和计费等

18、功能，完成BSS、MSC之间的切换和辅助性的无线资 源管理、移动性管理。 VLRVLR：存储MSC所管辖区域中MS（统称拜访用户）的来话、去话 呼叫所需检索的信息。 HLRHLR：存储管理部门用于移动用户管理的数据。每个移动用户都 应在其归属位置寄存器（HLR）注册登记 AUCAUC：用于产生为确定移动用户的身份和对呼叫保密所需鉴权、 加密的三参数的功能实体。 EIREIR：存储有关移动台设备参数。主要完成对移动设备的识别、 监视、闭锁等功能，以防止非法移动台的使用。 42 无线基站子系统无线基站子系统 BSS系统是在一定的无线覆盖区中由MSC控制，与MS进行通信 的系统设备，它主要负责完成无

19、线发送接收和无线资源管 理等功能。功能实体可分为基站控制器（BSC）和基站收 发信台（BTS）： BSCBSC：具有对一个或多个BTS进行控制的功能，它主要负责无 线网络资源的管理、小区配置数据管理、功率控制、定位 和切换等，是一个功能很强的业务控制点。 BTSBTS：无线接口设备，它完全由BSC控制，主要负责无线传输， 完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频 等功能。 43 移动台移动台 移动台就是移动用户设备部分，它由移动终端(MS)和用户 识别卡（SIM）两部分组成：。 MS MS 移动终端就是“机”，它可完成话音编码、信道编码、 信息加密、信息的调制和解调、信息发射和接收。

20、 SIMSIM卡卡 就是“身份卡”，存有认证用户身份所需的所有信息， 并能执行一些与安全保密有关的重要信息，以防止非法用 户进入网络。SIM卡还存储与网络和用户有关的管理数据， 只有插入SIM后移动终端才能接入进网，但SIM卡本身不是 代金卡。 44 操作维护子系统操作维护子系统 操作维护子系统（OMC）主要对整个GSM网络进行管理 和监控，可实现对GSM网内各种部件功能的监视、状 态报告、故障诊断等。 45 主要内容 移动通信之路 移动通信的电波传播 移动通信的性能和指标 移动通信组网 移动通信的主要技术 GSM GPRS CDMA 移动通信的未来 46 GPRS v 交换技术 q电路交换：

21、面向联接，独占线路、效率低、设备复杂 、适合话音、长数据 、无时延、QoS高、安全性好 q分组交换：虚连接、共用线路、数据分组、效率高、 适合数据传输、传长数据时存在时延问题、QoS问题 、安全问题。 v 分组交换技术 qX.25是一个广泛应用的无线分组传输协议； q支持点对点和点对多点的分组； qGPRS依托电路交换为主的GSM系统进行改进； qGPRS常称为2.5代系统。 47 GPRS的特点 q采用分组方式，更有效地利用资源 ，多用户可以共享 一个物理信道； q高数据率：最高171.2kbps ； q快速的呼叫建立/清除时间 ； q引入新业务简单、方便，支持TCP/IP和X.25业务；

22、q支持数据网； q可提供按时间、数据量、内容等灵活的计费方式 48 GPRS网络结构 v 在GSM网络中增加两个节点 q GPRS服务节点（SGSN，Serving GPRS Support Node） q 网关GPRS节点（GGSN，Gateway GPRS Support Node） MS BSS SGSN GGSN 数据网数据网 MSC/VLR GMSC （IP 网关交换机）网关交换机） HLR EIR SGSN GGSN Um Gb Gn Gi Gp Gs Gr Gc 49 GPRS v 工作过程 q SGSN：对MS用户进行鉴权和移动性管理，进行路由 选择，建立MS到GGSN的传输通

23、道，接收BSS透明传 送来的MS数据，进行协议转换后通过GPRS骨干网传 送给GGSN或反向工作，并进行计费和业务统计。 qGGSN：接入外部数据网络的节点，对于外部网络， 它是一个子网路由器，GGSN接收MS发送的数据，选 路到相应的外部网络，或接收外部子网络的数据，根 据其地址选择GPRS网内的传输通道，传给相应的 SGSN。 v 其它设备 q域名服务器（DNS）：将逻辑名称转化为IP地址 q边界网关（BG）用于两个网互连，具有安全功能 q防火墙 q计费关口（CG），收集SGSN和GGSN的计费信息 50 从GSM升级到GPRS v增加新设备，SGSN可以是新的（如路由器一样的设备，也可与

24、MSC做在一起） vBTS不用改硬件，只需软件升级 vBSC需要增加处理分组数据及无线分组信道管理的模块PCU（Packet Control Unit） v如果需要MSC与SGSN直接接口，则需对MSC软件升级（利用GPRS信道进行 电路型业务寻呼，发送短消息），如不直接相连，则不用改造。 vHLR需支持GPRS的用户数据和路由信息及需有Gr接口，因此需软件升级。 vOMC需要增加对新的网络单元进行管理的功能 vGPRS与GSM可共用物理信道，也可单独用一载频。 v需改造或新建GPRS计费系统。 v需采用支持GPRS的终端 51 主要内容 移动通信之路 移动通信的电波传播 移动通信的性能和指标 移动通信组网 移动通信的主要技术 GSM