电信行业-移动通信原理

移动通信原理齐美德2009年7月目录无线通信系统的基本工作原理发射设备的基本原理和组成接收设备的基本原理和组成典型通信系统介绍无线通信系统的基本工作原理无线通信系统组成框图2、发送设备的基本原理和组成半导体存储器问题的解决——调制什么是调制？把待传送信号“装载”到高频振荡信号上的过程。三种信号调制信号、载波信号和已调信号三种方式调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）典型发送设备的组成框图信号的“卸载”——解调什么是解调？从高频已调波信号中“取出”调制信号的过程。解调的三种方式①对调幅波的解调——检波②对调频波的解调——鉴频③对调相波的解调——鉴相典型接收设备的组成框图3、接收设备的基本原理和组成4、无线电波的基本特点无线电波是一种电磁波，其传播速度与光速相同，且有λ=c/f。无线电波具有直射、绕射、反射与折射等现象。无线电波的三种传播途径（如图）：无线电波的的波段划分分表：波段名称波长范围频段名称频率范围主要用途长波LW103~104m低频(LF)30~300kHz长距离点与点通信中波MW102~103m中频(MF)300~3000kHz广播、船舶、飞行通信短波SW10~102m高频(HF)3~30kHz短波广播、军事通信米波1~10m甚高频(VHF)30~300MHz电视、调频广播、雷达分米波1~10dm特高频(UHF)300~3000MHz电视、雷达、移动通信厘米波1~10cm超高频(SHF)3~30GHz雷达、中继、卫星通信毫米波1~10mm极高频(EHF)30~300GHz射电天文、卫星、雷达典型通信系系统介绍GSM数字字蜂窝移动动通信系统统移动通信系系统出现在在半个世纪纪以前，80年代以以后得到了了迅速发展展。数字程程控交换技技术的采用用，综合业业务数字网网（ISDN）的开开发成功，，智能网研研究的新进进展，为实实现个人通通信打下了了网络基础础。特别是是随着蜂窝窝组网技术术的完善和和大容量系系统的出现现，移动通通信已经成成为发展速速度最快、、最受欢迎迎、最灵灵活方便的的通信技术术之一。图12––1数数字蜂蜂窝移动通通信系统组组成原理图图GSM系统统的主要性性能和特点点1.工作作频率GSM900系统：：上行链路路频率890～915MHz，下行链链路频率935～960MHz，双双工间隔为为45MHz，工工作带宽为为25MHz，载载频间隔隔200kHz。。GSM1800系系统：上行行链路频率率1710～1785MHz，下行行链路频率率1805～1880MHz，双双工间隔为为95MHz，工工作带宽宽为75MHz，，载频间间隔为200kHz；EGSM900系统：：上行链链路频率880～915MHz，下下行链路路频率925～960MHz。EGSM900比GSM900在上/下行频段段向下扩展展了10MHz工工作带宽，，以解决目目前GSM900系系统频道拥拥挤问题。。2.发射射类别271kF7W，即即8个基本本物理信道道采用时分分多址(TDMA)方式和高高斯滤波最最小移频键键控(GMSK，BT=0.3)调制制，每载波波信息速率率为270.833kb/s。3.小区区结构和频频率再用农村地区可可采用宏小小区，小区区半径可达达35km；城市市地区的小小区半径为为10～20km；市中心心等业务量量密集地区区可采用微微小区，半半径0.5km左左右。地域域覆盖模式式为9小区区的区群，，同频保保护比为=9dB。。4.业务务信道语音编码器器的基本速速率为13.0kb/s，，加纠错保保护后的总总速率为22.8kb/s；透明明数据速率率2.4kb/s、4.8kb/s和9.6kb/s；非非透明数据据基本速率率12.0kb/s。5.小区区选择由移动台进进行小区选选择，小区区选择的条条件是以路路径损耗测测量结果为为依据。如如果传输输质量不满满足指标要要求或者不不能对基站站发射的寻寻呼块进行行译码或者者不能接入入上行线路路，则移动动台就开始始重新选择择小区。GSM系统统具有下列列主要特点点：(1)GSM系统统是由几个个分系统组组成的，并并且可与与各种公用用通信网(PSTN、ISDN、PDN等等)互连互互通。各各分系统之之间或各分分系统与各各种公用通通信网之间间都明确和和详细定义义了标准化化接口规范范，保证任任何厂商提提供的GSM系统或或子系统都都能互连；；(2)GSM系统统能提供国国际间的自自动漫游功功能，所有有GSM移移动用户都都可进入GSM系统统而与国别别无关；(3)GSM系统统除了可以以提供话音音业务外，，还可以以提供各种种数字业务务；(4)GSM系统统具有加密密和鉴权功功能，能能确保用户户保密和网网络安全；；(5)GSM系统统具有灵活活和方便的的组网结构构，频率率重复利用用率高，业业务承担担能力强，，保证在话话音和数据据通信两个个方面都能能满足用户户对大容量量、高密密度业务的的要求；(6)GSM系统统抗干扰能能力强，覆覆盖区域域内的通信信质量高等等。GSM系统统的结构及及功能GSM系统统的典型结结构如图12-2所示，，主要由三三个相关的的子系统组组成，它们们是网络子子系统(NSS)、、操作支支持子系统统(OSS)和基站站子系统(BSS)。移动台台(MS)也是一个个子系统，，但通常被被认为是基基站子系统统的一部分分。这些子子系统通过过一定的网网络接口互互相连接，，并与用户户相连。基站子系统统也叫无线线子系统，，提供并管管理着移动动台和网络络子系统之之间的无线线传输通道道，同时也也管理着移移动台与所所有其他GSM子系系统的无线线接口。基基站子系统统不直接与与公用通信信网互通。。网络子系系统管理着着系统的交交换功能，，保证移动动台与相关关的公用通通信网或与与其他移动动台之间建建立通信。。网络子系系统不直接接与移动台台互通。操操作支持子子系统提供供给运营部部门一种手手段来控制制和维护系系统的正常常运行。GSM系统统结构构基站子子系统统(BSS)基站子子系统统由多多个基基站收收发信信台(BTS)和基基站控控制器器(BSC)组组成。。基站站控制制器是是基站站子系系统的的控制制部分分，承承担各各种接接口的的管理理、无无线资资源的的管理理和无无线参参数的的管理理。基基站收收发信信台是是基站站子系系统的的无线线部分分，由由基站站控制制器控控制，，完成成基站站控制制器与与无线线信道道之间间的转转换，，实现现基站站收发发信台台与移移动台台之间间通过过空中中接口口的无无线传传输和和相关关的控控制。。基站子子系统统是GSM系统统中最最基本本的组组成部部分，，它通通过无无线空空中接接口与与移动动台连连接，，负责责无线线发送送、接接收和和无线线资源源管理理。另另一方方面，，通过过A接接口，，基站站子系系统与与网络络子系系统中中的移移动业业务交交换中中心(MSC)相连连接，，实现现移动动用户户之间间或移移动用用户和和固定定网络络用户户之间间的通通信连连接，，传送送系统统控制制信息息和用用户信信息等等。移动台台属于于基站站子系系统的的一部部分，，它是是GSM系系统中中用户户使用用的设设备，，包括括：手手持台台、便便携携台和和车载载台。。移动动台通通过无无线空空中接接口与与基站站收发发信台台连接接。移移动台台另外外一个个重要要组成成部分分是用用户识识别卡卡(SIM)。。SIM卡卡是一一种存存储装装置，，可可存储储用户户识别别卡，，为用用户提提供服服务的的网络络、地地区、、专专用键键，以以及及其他他特定定用户户信息息等。。没有有SIM装装置，，GSM移移动台台不会会工作作。正正是是SIM使使GSM用用户能能识别别自己己的身身份。。2.网网络络子系系统(NSS)网络子子系统统主要要由移移动业业务交交换中中心(MSC)、访访问用用户位位置寄寄存器器(VLR)、、归归属用用户位位置寄寄存器器(HLR)、、移动动设备备识别别寄存存器(EIR)和鉴鉴权中中心(AUC)等组组成。。网络络子系系统通通过GSM规范范的7号信信令实实现内内部各各功能能块及及与基基站子子系统统的连连接，，承担担GSM系系统的的交换换功能能和提提供对对用户户管理理和数数据库库。移动业务务交换中中心是网网络的核核心(MSC)，它它提供基基站子系系统、归归属用户户位置寄寄存器、、移动设设备识别别寄存器器、鉴权权中心、、操作作维护中中心(OMC)、面向向固定网网络的接接口等的的交换。。把移动动用户之之间或移移动用户户和固定定网络用用户之间间相互连连接起来来。MSC为为移动用用户提供供电信业业务、承承载业业务和补补充业务务，同时时还支持持位置登登记、越越区切换换、自动动漫游等等其他网网络功能能。访访问用户户位置寄寄存器(VLR)是为为其控制制区域内内的移动动用户服服务的。。对其控控制区域域内的移移动用户户进行登登记，并并为已登登记的移移动用户户提供建建立呼叫叫接续的的必要条条件。访访问用户户位置寄寄存器是是一个动动态数据据库，其其从已登登记移动动用户的的归属用用户位置置寄存器器获取或或存储相相关数据据。当移移动用户户离开该该VLR的控制制区域，，进入入到另一一个VLR的控控制区域域，则移移动用户户在新的的VLR进行登登记，而而原VLR将删删除该移移动用户户数据。。归属用户户位置寄寄存器(HLR)是GSM系系统的中中央数据据库，存存储该该HLR控制区区域内所所有移动动用户的的数据。。这些数数据包括括：移移动用户户识别号号码、用用户类型型、访问问能力、、补充业业务等。。另外，，HLR还存储储移动用用户实际际漫游所所在MSC区域域的有关关动态数数据。鉴权中心心(AUC)是是归属用用户位置置寄存器器的一个个功能单单元，它它存储储着用户户鉴权信信息和加加密密钥钥，保证证移动用用户通信信安全，，防止止无权用用户接入入系统。。移动设备备识别寄寄存器(EIR)存储储每个移移动用户户的国际际移动用用户识别别号码(IMSI),通过过白色清清单、黑黑色清单单或灰色色清单这这三种表表格，确确保网网络内各各移动用用户的惟惟一性和和安全性性。IMSI由移动动国家码码、移动动网号和和移动用用户识别别号三部部分组成成，其结结构如图图12-3所示。。图12-4GSM系系统中的的各类接接口12.1.3GSM的的信道类类型GSM逻逻辑信道道可以分分为业务务信道（（TCH）和控控制信道道（CCH）。。业务信信道携带带的是用用户的数数字化语语音或数数据，无无论是上上行还是是下行链链路都有有同样的的功能和和格式。。控制信信道在移移动站和和基站之之间传输输信令和和同步信信息，在在上下行行链路之之间有着着不同的的信道。。在GSM中中有6种种类型的的业务信信道和很很多类型型的控制制信道。。1.GSM中中的业务务信道（（TCH）GSM的的业务信信道携带带用户数数字化语语音或数数据信息息，可可分为全全速率或或半速率率两种类类型。全全速率传传送时，，用户数数据在一一个时隙隙(TS)中传传送。而而半速率率传输时时，用户户数据映映射到同同一时隙隙上，但但是采用用隔帧传传送的方方式，因因此两个个半速率率的用户户可以共共享同一一个时隙隙，但是是每隔一一帧交替替发送。。码分多址(CDMA)蜂窝移移动通信系系统CDMA是是一种以扩扩频技术为为基础的调调制和多址址接入技术术，因其其保密性能能好,抗抗干扰能力力强而广泛泛应用于军军事通信领领域，并并且早在19世世纪40年代就就有过商用用的尝试。。经过了四四十几年的的努力，克克服了一个个又一个的的关键技术术问题，直直到1993年7月月由美国Qualcomm公公司开发的的CDMA蜂窝体制制被采纳为为北美数字字蜂窝标准准，定名为为CDMA，CDMA蜂窝移移动通信系系统才正式式走上商业业通信市场场。1995年年我国香港港建立了世世界上第一一个CDMA移动通通信系统,而后韩韩国、美国国等国家先先后建立了了CDMA移动通信信系统,到到2000年底,全球的的CDMA用户已超超过4000万。CDMA蜂蜂窝移动通通信系统与与FDMA模拟蜂窝窝移动通信信系统或TDMA数数字蜂窝移移动通信系系统相比有有更大的系系统容量、、更高的的话音质量量以及抗干干扰能力强强、保密性性能好等诸诸多优点，，因而CDMA也也成为第三三代蜂窝移移动通信系系统的方式式。12.2.1CDMA系统原原理及特点点CDMA系系统是以扩扩频调制技技术和码分分多址接入入技术为基基础的数字字蜂窝移动动通信系统统。在CDMA系统统中，不同同用户传输输的信息是是靠各自不不同的编码码序列来区区分的。CDMA的的示意图如如图下较图图所示，可可以看出信信号在时间间域和频率率域是重叠叠的，用用户信号是是靠各自不不同的编码码序列ci来区分的。。S-95标标准的全称称是“双模模宽带扩谱谱蜂窝系统统的移动台台-基站兼兼容标准””，这说明明CDMA标准是一一个公共空空中接口(CAI)。它没有有完全规定定一个系统统如何实现现，而只是是提出了信信令协议和和数据结构构的特点和和限制，不不同的制造造商可采用用不同的技技术和工艺艺制造出符符合CDMA标准规规定的系统统和设备。。图12––10CDMA的的示意图CDMA系系统网络结结构与一般般数字蜂窝窝移动通信信系统的网网络结构相相同，包括括基站子系系统、移动动台子系统统、网络络子系统和和操作支持持子系统等等。CDMA系统与与TDMA系统的主主要差别在在于无线信信道的构成成、相关的的无线接口口和无线设设备、特殊殊的控制功功能等。CDMA系系统的主要要性能指标标如下：(1)工工作频率：：CDMA下行链链路的频率率为824～849MHz，上行行链路的频频率为869～894MHz,一一对下行链链路频率和和上行链路路频率的频频率间隔为为45MHz，带带宽1.25MHz；(2)码码片速率：：1.2288Mc/s；(3)比比特率：速速率集1为9.6kb/s，速率率集2为14.4kb/s，CDMAB为115.2kb/s；(4)帧帧长度：20ms；(5)语语音编码器器：QCELP8kb/s，EVRC8kb/s，ACELP13kb/s；；(6)功功率控制：：上行链路路采用开环环+快速闭闭环，下下行链路采采用慢速闭闭环；(7)扩扩展码：Walsh+长M的序序列。CDMA系系统具有以以下主要特特点：(1)系系统容量大大，根据理理论计算和和实际测试试表明，CDMA系统容量量是模拟系系统的10～20倍倍，是TDMA系统统的4倍。。(2)CDMA系系统具有软软容量特性性。在FDMA和TDMA系系统中，当当所有频道道或时隙被被占满以后后，再无法法增加一个个用户。此此时若有有新的用户户呼叫，只只能遇忙等等待产生阻阻塞现象。。而CDMA系统的的全部用户户共享一个个无线信道道，用户信信号是靠编编码序列区区分的，当当系统负荷荷满载时，，再增加少少量用户只只会引起话话音质量的的轻微下降降，而不会会产生阻塞塞现象。CDMA系系统的这一一特性，使使系统容量量和用户数数之间存在在一种“软软”关系。。在业务高高峰期间，，可以通过过稍微降低低系统的误误码性能，，达到增多多系统用户户数目。系系统软容量量的另一种种形式是小小区呼吸功功能。所谓谓小区呼吸吸功能是指指各个小区区的覆盖区区域大小是是动态的。。当相邻的的两个小区区负荷一轻轻一重时，，负荷重的的小区通过过减小导频频发射功率率，使本小小区边缘的的用户由于于导频功率率强度不够够而切换到到相邻小区区，使重负负荷小区的的负荷得到到分担，从从而增加了了系统的容容量。(3)CDMA系统具具有软切换功功能。所谓软软切换是指当当移动台需要要切换时，先先与新小区的的基站连通，，再与原来小小区的基站切切断联系。在在切换过程中中，原小区的的基站和新小小区的基站同同时为过区的的移动台服务务。软切换功功能可以使过过区切换的可可靠性提高。。(4)CDMA系统具具有话音激活活功能。由于于人类通话过过程中话音是是不连续的，，占空比小于于35%。CDMA系统统采用可变速速率声码器，，在不讲话时时传输速率降降低，减小对对小区其他用用户的影响，，从而增加系系统的容量。。(5)CDMA系统是是以扩频技术术为基础的，，因此具有抗抗干扰、抗抗多径衰落、、保密性强等等优点。CDMA系统统的无线链路路与GSM系统统相同，在CDMA系统统中，除了传传输业务信息息的业务信道道之外，还有有传输控制信信息的控制信信道。前向链链路最多可以以有64条同同时传输的逻逻辑信道。信信道类型共有有4种：：导频信道、、同步信道、、寻呼信道和和业务信道。。导频信道是基基站连续发送送的导频信号号，为移动台台提供解调用用的相干载波波，并作为移移动台过境切切换的测量信信号。同步信信道是基站连连续发送的同同步信号，为为移动台提提供同步信息息。第三代移动通通信系统(3G)1.第三代代移动通信系系统的主要特特点随着世界范围围通信领域的的迅猛发展，，移动通信已已逐渐成为通通信领域的主主流。到目前前为止，商用用移动通信系系统已经发展展了两代。第第一代移动通通信系统是采采用FDMA方式的模拟拟移动蜂窝系系统，如AMPS、TACS等。由由于其系统容容量小，不能能满足移动通通信业务的迅迅速发展，目目前已逐步被被淘汰。第二二代移动通信信系统采用TDMA或窄窄带CDMA方式的数字字移动蜂窝系系统，如GSM、CDMA等等，它是目前前世界各国所所广泛采用的的移动通信系系统。第二二代移动通信信系统在系统统容量、通信信质量、功能能等方面比第第一代移动通通信系统有了了很大提高。。随着移动通信信终端的普及及，移动用户户数量成倍地地增长，第二二代移动通信信系统的缺陷陷也逐渐显现现，如全球漫漫游问题、系系统容量问题题、频谱资源源问题、支持持宽带业务问问题等。为此此，从20世纪90年代开开始，各国和和世界组织又又开展了对第第三代移动通通信系统的研研究，它包括括地面系统和和卫星系统，，移动终端既既可以连接到到地面的网络络，也可以连连接到卫星的的网络。第三三代移动通信信系统工作在在2000MHz频段段，预期在2002年左左右投入商用用，为此1996年国际际电信联盟正正式将其命名名为IMT-2000。。第三代移动通通信系统的框框架结构是将将卫星网络与与地面移动通通信网络相结结合，形成一一个全球无缝缝覆盖的立体体通信网络，，以满足城市市和偏远地区区不同密度用用户的通信要要求，支持话话音、数据和和多媒体业务务，实现人类类个人通信的的愿望。作为下一代移移动通信系统统，第三代代移动通信系系统的主要特特点有:(1)第二二代移动通信信系统一般为为区域或国家家标准，而而第三代移动动通信系统将将是一个在全全球范围内覆覆盖和使用的的系统。它它将使用共同同的频段，全全球统一标准准或兼容标准准，实现全球球无缝漫游。。(2)具有有支持多媒体体业务的能力力，特别是支支持Internet业业务。现有有的移动通信信系统主要以以提供话音业业务为主，随随着发展一般般也仅能提供供100～200kb／s的数据据业务，GSM演进到最最高阶段的速速率能力为384kb／s。而第第三代移动通通信的业务能能力将比第二二代有明显的的改进。它应能支持从从话音、分组组数据到多媒媒体业务；应应能根据需要要提供带宽。。ITU规定定的第三代移移动通信无线线传输技术的的最低要求中中，必须满满足在以下三三个环境的三三种要求。即即：(5)更高高的频谱效率率。通过相干干检测、Rake接收收、软切换、、智能天线、、快速精确的的功率控制等等新技术的应应用，有效地地提高系统的的频谱效率和和高服务质量量。2.第三代代移动通信系系统的研究进进展无线传输技术术（RTT））是第三代移移动通信系统统的重要组成成部分，其主主要包括调制制解调技术、、信道编解码码技术、复用用技术、多址址技术、信道道结构、帧帧结构、RF信道参数等等。无线传输输技术的标准准化工作主要要由ITU-R完成，网网络部分由ITU-T负负责。ITU还专门成成立了一个中中间协调组(ICG),使ITU-R和ITU-T之间间定期进行交交流，并协调调在制定IMT-2000技术标准准中出现的各各种问题。根根据国际电联联对第三代移移动通信系统统的要求，各各大电信公司司联盟均已提提出了自己的的无线传输技技术提案。至1998年年9月，包括括移动卫星业业务在内的RTT提案多多达16个，，它们基本来来自IMT-2000的的16个RTT评估组成成员。其中有有10个是IMT-2000地面系系统提案(表表12-1)，6个是卫星系系统提案。到到2000年年初已完成了了IMT-2000的无无线技术详细细规范。从市场基础、、后向兼容及及总体特征看看，这10个个候选方案中中欧洲ETS