移动通信基础知识(初级)

1、移动通信基础知识（初级）移动通信基础知识（初级）广东省电信工程有限公司广东省电信工程有限公司GUANGDONG TELECOM ENGINEERING CO,LTD 2010.052010.051 1.1 .1 移动通信的发展移动通信的发展1 1. .2 2 移动通信的分类移动通信的分类v 按按工作方式工作方式分类：单工，双工（分类：单工，双工（FDD,TDD)，半双工，半双工v 按按多址方式多址方式分类：分类：FDMA、TDMA、CDMA、SDMAv 按按信号形式信号形式分类：模拟网和数字网分类：模拟网和数字网v 按按覆盖范围覆盖范围分类：城域网、局域网、广域网分类：城域网、局域网、广域网v

2、 按按业务类型业务类型分类：电话网、数据网、综合业务网、多媒体网分类：电话网、数据网、综合业务网、多媒体网v 按按服务特性服务特性分类：专用网、公用网分类：专用网、公用网v 按按使用环境使用环境分类：陆地通信、海上通信、空中通信分类：陆地通信、海上通信、空中通信v 按按使用对象使用对象分类：民用系统、军用系统分类：民用系统、军用系统通信网通信网核心网核心网接入网接入网有线接入有线接入无线接入无线接入光纤接入：光纤接入： PON、APON FTTB/C/H/R混合光纤同轴网混合光纤同轴网Cable ModemDSL(ADSL、HDSL)卫星接入卫星接入高空平台高空平台蜂窝接入蜂窝接入微波接入微波

3、接入FWA、WLLWLANPAN 移动通信的多址方式移动通信的多址方式模拟模拟FDMAFDMA数字数字TDMATDMACDMACDMA信道带宽信道带宽窄窄宽宽更宽更宽系统容量系统容量较小较小大大更大更大话音质量话音质量一般一般较好较好更好、更稳定可靠更好、更稳定可靠安全保密性安全保密性易截获易截获加密和鉴权安全加密和鉴权安全加密和鉴权更安全加密和鉴权更安全基站覆盖范围基站覆盖范围小小较大较大更大更大系统规划系统规划较复杂较复杂较复杂较复杂简单简单 高级功能高级功能较较 少少较多较多更多更多手机通话时间手机通话时间较短较短较短较短较长较长下面我们将生活化地描述下面我们将生活化地描述CDMA与其他

4、通信技术的区别：与其他通信技术的区别： 模拟系统模拟系统：采用：采用FDMA（频分多址）技术。我们可以想象一个很大的房间被（频分多址）技术。我们可以想象一个很大的房间被做成很多的隔断，每一个隔断里有一对人正在交谈。由于隔断的分隔，谈话者做成很多的隔断，每一个隔断里有一对人正在交谈。由于隔断的分隔，谈话者不会听到其他人的交谈，这就是不会听到其他人的交谈，这就是FDMA频分多址系统。这是我国最早采用的移频分多址系统。这是我国最早采用的移动通信技术。它的缺点是系统受房间面积（也就是频率）的限制很大，无线频动通信技术。它的缺点是系统受房间面积（也就是频率）的限制很大，无线频率的利用率很低。率的利用率很

5、低。 GSM蜂窝数字系统蜂窝数字系统：采用：采用TDMA（时分多址）技术。我们可以想象把隔断作（时分多址）技术。我们可以想象把隔断作得大些，这样一个隔断可容纳几对交谈者。但大家交谈有一个原则：只能同时得大些，这样一个隔断可容纳几对交谈者。但大家交谈有一个原则：只能同时有一对人讲话。如果再把交谈的时间按交谈者的数目分成若干等分，就成为一有一对人讲话。如果再把交谈的时间按交谈者的数目分成若干等分，就成为一个个TDMA（时分多址）系统。这种系统受容量的限制很大，即一个隔断中有几（时分多址）系统。这种系统受容量的限制很大，即一个隔断中有几个人是确定的，如果人数已满，则无法进入。个人是确定的，如果人数已

6、满，则无法进入。 CDMA数字通信系统数字通信系统：采用：采用CDMA（码分多址）技术。可以想象一个宽敞的（码分多址）技术。可以想象一个宽敞的房间内正在进行一个聚会，宾客在两两一对进行交谈。假设每一对人使用一种房间内正在进行一个聚会，宾客在两两一对进行交谈。假设每一对人使用一种语言，有说中文的，有说英语的，也有日语的等等，所有交谈的人都只懂一种语言，有说中文的，有说英语的，也有日语的等等，所有交谈的人都只懂一种语言。于是对于正在交谈的每一对人来说，别人的交谈声就成了一个背景噪声。语言。于是对于正在交谈的每一对人来说，别人的交谈声就成了一个背景噪声。在这里在这里“宽敞的房间宽敞的房间”就是就是C

7、DMA扩频通信所采用的宽带载波，交谈者所有的语扩频通信所采用的宽带载波，交谈者所有的语言就是区分不同的用户的码，交谈者就是言就是区分不同的用户的码，交谈者就是CDMA的用户，这就是一个的用户，这就是一个CDMA（码分多址）通信系统。如果能够很好的控制住背景噪声，那么这个系统中就（码分多址）通信系统。如果能够很好的控制住背景噪声，那么这个系统中就可以容纳很多的用户，而不受容量的限制。可以容纳很多的用户，而不受容量的限制。3G systemCDMA20003GPP2FDD mode WCDMA 3GPPFDD modeTD-SCDMA CWTSTDD mode1 1. .3 3 CDMA 1XCD

8、MA 1X网络结构网络结构无线网络无线网络iManager M2000移动综合网管平台移动综合网管平台BSC/PCFBTSBTS SoftSiteSoftSiteiSiteC光纤光纤计费系统计费系统核心网分组域核心网分组域 HA 数据业务平台数据业务平台PDSN/FAIPIP骨干网骨干网AAAPLMN/PSTN/ ISDN核心网电路域核心网电路域HLR/AC GMSC/SSP SCP MSC/SSP/VLR/IPSTPMC华为CDMA 1X BSS组网结构光纤光纤E1iSiteCTM： 一体化小基站一体化小基站 SoftSiteTM： 单载波软基单载波软基站站BTS3612：12载波基站载波基

9、站BTS3606： 6载波基站载波基站BSCBSC/PCFPDSN/FAMSC/SSP/VLRGMSC/SSPAAAHA INTERNETPLMNPSTNISDNAbisAbisA3/A7A1/A2A10/A11BTS3606BTS3612SoftSite无线接入电路域iSiteCAbisHLR/ACAbisA1/A2MSC/SSP/VLR分组域AbisSoftSiteiSiteCBTS3612BTS3612各模块功能电路域：MS (Mobile Station)：移动台，实现移动终端功能。BTS (Base Transceiver Station)：基站收发信台，通过无线接口，实现移动通信系

10、统与MS之间的无线通信。BSC (Base Station Controller)：基站控制器，实现无线系统到交换系统的集线功能、无线资源管理功能以及其它与无线相关的控制功能。分组域：AT：接入终端，与IS2000系统中的MS是同一个概念；AN：接入网络，包含BSC和BTS；AN AAA：接入网络侧的AAA服务器；MSC主要功能：主要功能：控制呼叫建立、连接、释放，呼叫选路；计费，提供补充业务，处理SMS业务；与HLR进行通信，如在呼叫到MS时HLR要求MSC提供路由信息；与VLR进行通信，如在呼叫建立期间要求VLR提供用户信息；与其他MSC进行通信，如在两个MSC间进行小区切换；控制与其连接

11、的BSC；直接接入Internet；GMSC主要功能：主要功能：在呼叫建立期间GMSC要求HLR提供呼叫路由信息；根据路由信息进行呼叫选路；HLR (Home Location Register)：归属位置登记处。实际上是一个数据库，主要储存两类数据： 用户数据，主要包括： 用户的身份IMSI 用户ISDN号码 补充业务 鉴权信息 用户的位置信息 如MSC/VLR地址VLR (Visitor Location Register)：拜访位置登记处。实际上是一个分布式HLR数据库，临时储存用户信息，主要包括： MSRN (Mobile Station Roaming Number) 移动台漫游号码

12、 TMSI、IMSI 移动台登记的位置区（LAC） 与补充业务有关的数据 MS的状态1 1. .4 4 CDMACDMA系统介绍系统介绍CDMA发展历程CDMA技术的特点 频谱利用率高频谱利用率高 频谱复用系数为1 系统容量大系统容量大 多种分集方式解决多径衰落多种分集方式解决多径衰落 时间分集：符号交织、卷积编码等 频率分集：正交扩频、1.25MHz宽带传输 空间分集：RAKE接收 话音质量好话音质量好 QCELP可变速率声码器 8K、EVRC、13K三种算法 功率控制功率控制 反向开环功率控制、反向闭环功率控制 前向功率控制 移动台辅助切换移动台辅助切换 更软切换、软切换、硬切换 小区呼吸

13、功能小区呼吸功能 移动台发射功率小移动台发射功率小 可实现向可实现向3G的平滑过渡的平滑过渡CDMA频段我国为中国电信cdma2000分配的频率是19201935MHz(上行)/21102125MHz(下行)，共15MHz2。目前实际在使用的是上行825MHz 835MHz、下行870MHz 880MHz的800M A段频带，每载波宽度为1.25MHz，共有283、242、201、160、119、78、37七个频点。其中283为1X网络主用频点，37一般是给3G的EV-DO使用的。CDMA通信模型Interleaving信源解码deinterleaving信源编码信道编码交织去交织信道解码加扰

14、解扰扩频解扩调制解调射频发射射频接收几个常用术语 爱尔兰爱尔兰爱尔兰是衡量话务量大小的一个指标，是话务量的单位爱尔兰是衡量话务量大小的一个指标，是话务量的单位（Erl）。）。1Erl表示一条信道在表示一条信道在1小时内被完全占用。小时内被完全占用。 阻塞率阻塞率阻塞率是衡量系统服务等级阻塞率是衡量系统服务等级GOS（Grade Of Service）的一个概念，就是表示系统的信道数少于用户数目的情的一个概念，就是表示系统的信道数少于用户数目的情况，通常用百分比表示。况，通常用百分比表示。GOS=2就表示你拨打就表示你拨打100次次电话，有两次可能会遇到系统拥塞的情况。电话，有两次可能会遇到系统

15、拥塞的情况。 漫游漫游漫游是指移动台（用户）离开开户区域而继续使用移动漫游是指移动台（用户）离开开户区域而继续使用移动通信网络的能力。通信网络的能力。 切换切换切换是指将移动台从一个信道或基站转移到另一个信道切换是指将移动台从一个信道或基站转移到另一个信道或基站的过程，在切换过程中并不会中断通话或数据业或基站的过程，在切换过程中并不会中断通话或数据业务的连接。务的连接。2 2. .1 1 无线传播的特点无线传播的特点建筑物反射波建筑物反射波绕射波绕射波直射波直射波地面反射波地面反射波陆地移动通信的电波传播机制陆地移动通信的电波传播机制实际环境的无线实际环境的无线传播传播LOS和和NLOS移动信

16、道是最复杂的通信信道，因为无线信号在传播时会受到各种各样的干扰。除了有线信道中的干扰外，在无线信号的传播途中会有各种各样的障碍物使信号产生多径效应、阴影效应、散射和衍射产生衰落，导致信号受到地形的影响。此外天气的变化也会使无线信号产生慢衰落。当移动台处于高速移动的状态下情况会更糟，信号还会产生多普勒频移效应。所有的这些因素又会因为移动台的移动而变化，因此移动通信信道具有以下特点：多径传播由多径传播传播引起的多径干扰，是指无线电波因传输路径的不同引起到达时间的不同而导致接收端码元的相互干扰。它可使所传输的数据信号幅度衰落，可能引起波形展宽，因而数据传输速率会受到限制。移动信道中多径的产生主要是因

17、为庞大建筑物对信号的反射造成的。从移动台的角度看，就是相同的信号以不同的时间和方向到达移动台。多径信号不但显著地分散了信号的能量，使移动台接收到的信号能量仅是发射信号能量的一部分，并且因为多径信号到达移动台所传输的路径不同和到达时间的不同，而造成相位的不同。这样多径信号之间就会产生相互抵消的效应，造成极其严重的衰落现象，使信号的信噪比严重下降，影响接收效果。另外，如果是宽带通信，信号的频谱较宽，还会发生频率选择性衰落。这主要是因为针对不同的多径情况，不同频率产生的衰落深度也不同，造成有的频率分量完全被多径抵消掉。所谓的瑞利衰落是指信号的电场强度的概率密度函数服从瑞利概率分布的多径衰落。另一个对

18、瑞利衰落的主要贡献者则是多普勒频率效应。在移动通信中，多径是不可避免的，尽管它严重干扰通信，但人们也可以对其加以利用。比如当移动台移动到大型建筑物后面，进入信号阴影区的时候，无线信号只能通过反射信号到达移动台，人们可借以这种反射波和/或绕射波来保证语音的连续性。在GSM和CDMA移动通信中针对多径传输的技术措施分别是时域均衡和分集接收。 多普勒频移在生活中我们常会遇到这样的情形，当一辆警车迎面急驶而来时我们会觉得警笛的声音越来越刺耳尖利，而当其远离驶去时又变得缓和起来。这就是多普勒频移造成的频率变化。多普勒频移是指多径效应不仅可使发射信号的振幅发生变化，而且可使发射信号的频率结构发生变化，造成

19、相位起伏不定，它导致数据信号的错误接收。信号阴影与传输损耗衰落指在接收端信号的振幅总是呈现出忽大忽小的随机变化的现象。依据持续时间长短，衰落一般有快慢之分。当移动台进入建筑物阴影时，因为大部分信号能量被建筑物阻挡，所以也会发生衰落，移动台仅能接收到从其它物体反射来的信号或绕射来的信号。但这种衰落相对多径引起的衰落来说变化速度要慢的多，所以称之为慢衰落，它不像快衰落那样难以对付。快衰落大部分是由于多径传播引起，它使得信号严重失真。慢衰落是由不同类型的大气折射或行进过程中地形等其它障碍物的影响而产生的。随着频率的增加信号电平随时间变化的分布曲线逐渐接近瑞利分布，因此可用瑞利分布作为快衰落的最坏情况

20、估计。 2 2. .2 2 三种基本传播机制三种基本传播机制 在移动通信中，影响传播的三种最基本的机制为反射、绕射和散射。接收功率（或它的反面，路径损耗）是基于反射、散射和绕射的大尺度传播模型预测的最重要的参数。这三种传播机制也描述了小尺度衰弱和多径传播。当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射，反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面。当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射。由阻挡表面产生的二次波散布于空间，甚至于阻挡体的背面。当接收机和发射机之间不存在视距路径，围绕阻挡体也产生波弯曲。在高频波段，绕射与反射一样，依赖于物体的形状，以及绕射点入射波振幅、相位和极化的情况。当电磁

21、波穿行的介质中存在小于或等于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时，发生散射。散射波产生于粗糙表面、小物体或其它不规则物体。在实际通信系统中，树叶、街道标志和灯柱都会引发散射。 1反射电波在不同性质的介质交界处，会有一部分发生反射，一部分通过。如果平面波入射到理想电介质的表面，则一部分能量进入第二个介质中，一部分能量反射回到第一介质，没有能量损耗。如果第二介质为理想发射体，则所有能量被反射回第一介质，无能量损耗。反射波和传输波的电场强度取决于反射系数。反射系数为材料的函数，并与极性、入射角和频率有关。 2绕射绕射使得无线电信号绕地球曲线表面传播，能够传播到阻挡物后面。尽管接收机移动到阻

22、挡体的阴影区时，接收场强衰减非常迅速，但绕射场依然存在并常常具有足够的强度。3散射在实际移动无线环境中，接收信号比单独绕射和反射模型预测的要强。这是因为当电波遇到粗糙表面时，反射能量由于散射而散布于所有方向。像树、街道标志和灯柱这样的物体在所有的方向上散射能量，这就给接收机提供了额外的能量。 3 3. .1 1 分集技术分集技术分集技术是指系统能同时接收并有效利用两个或更多个输入信号，这些输入信号的衰落互不相关。系统分别解调这些信号然后将它们相加，这样可以接收到更多的有用信号，克服衰落。 移动通信信道是一种多径衰落信道，发射的信号要经过直射、反射、散射等多条传播路径才能到达接收端，而且随着移动

23、台的移动，各条传播路径上的信号负担、时延及相位随时随地发生变化，所以接收到的信号的电平是起伏的、不稳定的，这些不同相位的多径信号相互迭加就形成衰落。迭加后的信号幅度变化符合瑞利分布，因而又称瑞利衰落。瑞利衰落随时间急剧变化时，称为“快衰落”。而阴影衰落是由于地形的影响（例如建筑物的阻挡等）而造成的信号中值的缓慢变化。 分集接收是克服多径衰落的一个有效方法，采用这种方法，接收机可对多个携有相同信息且衰落特性相互独立的接收信号在合并处理之后进行判决。由于衰落具有频率、时间和空间的选择性，因此分集技术包括频率分集、时间分集和空间分集。 减弱慢衰落的影响可采用空间分集，即用几个独立天线或在不同的场地分

24、别发送和接收信号，以保证各信号之间的衰落独立。由于这些信号在传输过程中的地理环境不同，所以各信号的衰落各不相同。采用选择性合成技术选择较强的一个输出，降低了地形等因素对信号的影响。 根据衰落的频率选择性，当两个频率间隔大于信道的相关带宽时，接收到的此两种频率的衰落信号不相关。市区的相关带宽一般为 50kHz左右，郊区的相关带宽一般为 250kHz左右。而码分多址的一个信道带宽为 1.23MHz，无论在郊区还是在市区都远远大于相关带宽的要求，所以码分多址的宽带传输本身就是频率分集。时间分集是利用基站和移动台的 Rake接收机来完成的。对于一个信道带宽为1.23MHz的码分多址系统，当来自两个不同

25、路径的信号的时延差为1us，也就是这两条路径相差大约为 0.3Km时，Rake就可以将它们分别提取出来而不互相混淆。CDMA系统对多径的接收能力在基站和移动台是不同的。在基站处，对应与每一个反向信道，都有四个数字解调器，而每个数字数字解调器又包含两个搜索单元和一个解调单元。搜索单元的作用是在规定的窗口内迅速搜索多径，搜索到之后再交给数字解调单元。这样对于一条反向业务信道，每个基站都同时解调四个多径信号，进行矢量合并，再进行数字判决恢复信号。如果移动台处在三方软切换中，三个基站同时解调同一个反向业务信道（空间分集），这样最多时相当于 12个解调器同时解调同一反向信道，这在 TDMA中是不可能实现

26、的。而在移动台里，一般只有三个数字解调单元，一个搜索单元。搜索单元的作用也是迅速搜索可用的多径。当只接收到一个基站的信号时，移动台可同时解调三个多径信号进行矢量合并。如果移动台处在三方软切换中，三个基站同时向该移动台发送信号，移动台最多也只能同时解调三个多径信号进行矢量合并，也就是说，在移动台端，对从不同基站来的信号与从不同基站来的多径信号一起解调。但这里也有一定的规则，如果处在三方软切换中，即使从其中一个基站来的第二条路径信号强度大于从另外两个基站来的信号的强度，移动台也不解调这条多径信号，而是尽量多地解调从不同基站来的信号，以便获得来自不同基站的功率控制比特，使自身发射功率总处于最低的状态

27、，以减少对系统的干扰。这样就加强了空间分集的作用。CDMA系统中就这样综合利用了频率分集、空间分集和时间分集来抵抗衰落对信号的影响，从而获得高质量的通信性能。3 3. .2 2 信道编码技术信道编码技术移动通信系统由于信道的特殊性，为了达到一定的比特误码率（BER）指标，对信道编码要求很高，主要是差错控制编码，也称为纠错编码。差错控制编码的方法有：循环冗余校验、卷积、块交织、Turbo码和扰码。不同的系统中采用了不同的差错控制编码： PHS采用了循环冗余校验和扰码。 GSM采用了卷积、块交织。 CDMAOne采用了循环冗余校验、卷积、块交织和扰码。 CDMA2000采用了循环冗余校验、卷积、块交织、Turbo码和扰码。 3.2.1循环冗余校验循环冗余校验（CRC）利用循环码，不仅可以用于检查和纠正独立的随机错误，而且也可以用于检查和纠正突发错误。在硬