现代移动通信

汪丁鼎2003.7.10现代移动通信基础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GSMGPRSCDMA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GSMGPRSCDMA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

以模拟通信为特征的移动通信为第一代移动通信主要代表：美国AMPS系统，英国TACS系统特点：FDMA、模拟话音与传输、频谱利用率低、保密性差、技术简单、……6第二代移动通信以数字通信为特征的移动通信为第二代移动通信第二代移动通信主要制式有欧洲的GSM，TDMA制式北美的CDMAOne(IS-95CDMA)，CDMA制式北美的DAMPS(IS-54)，TDMA制式日本的PDC，TDMA制式特点：频谱利用率高、数字话音与传输、多种业务、多种先进技术、保密性好、集成度高、……

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2.5代移动通信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;CDMA1X开始在中国大规模建设；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；中国在无线数据应用领域正在起步。8

第三代移动通信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月面世；第三代移动通信的大规模商业应用在2005年以后。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

IMT-DS—UTRAFDD(WCDMA)(欧洲、日本)

IMT-MC—cdma2000(北美)

IMT-TC—TD-SCDMA(中国)10移动通信的发展VoiceWidebandBroadbandAnalogDigitalIntegratedDataNarrowband4G3G2GMulti-function1GMultimediaSmartPointfrequency11Beyond3G/4G的研究和个人通信Beyond3G/4G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。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GSMGPRSCDMA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+K2log10d+K3log10(Heff)+K4Diffraction+K5log10(Heff)log10d+K6(hmeff)+Kclutter15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GSMGPRSCDMA移动通信的未来19移动通信网性能指标话音质量和信噪比要求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）。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。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。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话音质量分级一般要求

公网一般要求≥4级，专网≥3级对于不同的移动业务，各国对S/N或C/N的规定不一样。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

服务等级服务等级用呼损率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。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、系统设计等呼损率包括无线信道呼损和中继电路呼损。我国规定：无线信道B≤0.05，在话务密度高的地区B≤0.02，中继电路B应更低。呼叫中断概率在一个小时内建立的Q次呼叫中，若N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

通信概率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％。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。我国公网规定：城市通信概率≥90%，农村通信概率≥50%。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GSMGPRSCDMA移动通信的未来25移动通信组网－大区制第一代模拟移动通信网一般采用大区制主要特点：基站天线很高：几十米至几百米；基站发射功率大：50~200W；覆盖半径：30~50公里；网络结构简单、成本低；容量小，一般用户几十至几百个，一般用于专网；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）特点：频率利用率较高组网灵活网络复杂6123214598712131010115637128569227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。分类：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GSMGPRSCDMA移动通信的未来32多址技术FDMA频分多址AMPSTDMA时分多址GSMCDMA码分多址IS-95用户1用户2用户3频率时间码FDMA用户1用户2用户3频率TDMA时间频率CDMA用户1用户2用户3时间33语音编码波形编码PSTN声源编码RPE－LTP话音编码器GSMQCELP话音编码IS95tAtA34信道编码卷积编码，卷积编码的编码效率定义为R＝ko／no，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OQPSK4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；π/4-QPSKTIA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tts(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GSMGPRSCDMA移动通信的未来38GSM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＼GroupSpecialMobile）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”(Globa1systemforMobilecommunications)。39GSM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40GSM系统的网络结构GSM系统包括NSS、BSS、MS和操作维护中心。MSBSSNSSBSCBTSUmAbisBSSFHLRDEIRAUCAFADEMSC/VLRHUmMSISDNPSTNPSPDNPLMNMESIM-MEi/fSIMMSBTSBTSBSCBSCMESIM-MEi/fSIMMSMSC/VLRAbisAbisABSSOMCOSS41交换网络子系统MSC：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。

VLR：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。HLR：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AUC：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。

EIR：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）：

BSC：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。

BTS：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。

SIM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（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GSMGPRSCDMA移动通信的未来46GPRS交换技术电路交换：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。分组交换技术X.25是一个广泛应用的无线分组传输协议；支持点对点和点对多点的分组；GPRS依托电路交换为主的GSM系统进行改进；GPRS常称为2.5代系统。47GPRS的特点采用分组方式，更有效地利用资源，多用户可以共享一个物理信道；高数据率：最高171.2kbps；快速的呼叫建立/清除时间；引入新业务简单、方便，支持TCP/IP和X.25业务；支持数据网；可提供按时间、数据量、内容等灵活的计费方式48GPRS网络结构在GSM网络中增加两个节点GPRS服务节点（SGSN，ServingGPRSSupportNode）网关GPRS节点（GGSN，GatewayGPRSSupportNode）MS

BSS

SGSN

GGSN

数据网

MSC/VLR

GMSC（IP网关交换机）

HLR

EIR

SGSN

GGSN

Um

Gb

Gn

Gi

Gp

Gs

Gr

Gc

49GPRS工作过程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。GGSN：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。其它设备域名服务器（DNS）：将逻辑名称转化为IP地址边界网关（BG）用于两个网互连，具有安全功能防火墙计费关口（CG），收集SGSN和GGSN的计费信息50

从GSM升级到GPRS增加新设备，SGSN可以是新的（如路由器一样的设备，也可与MSC做在一起）BTS不用改硬件，只需软件升级BSC需要增加处理分组数据及无线分组信道管理的模块PCU（PacketControlUnit）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。HLR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。OMC需要增加对新的网络单元进行管理的功能GPRS与GSM可共用物理信道，也可单独用一载频。需改造或新建GPRS计费系统。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GSMGPRSCDMA移动通信的未来52CDMA什么是CDMA？码分多址(CodeDivisionMultipleAccess)技术：是一种数字扩频技术采用1.23MHz的无线载波间隔多个用户可同时占用1.23MHz无线载波同一载波资源内不同的用户通过分配不同的码区分相同的载波能在相邻小区或扇区使用53CDMA用户1用户2用户3用户1用户2用户3频率时间时间频率频率码业务信道在不同频段分配给不同用户如：AMPS、TACS业务信道在不同时间分配给不同用户如：DAMPS、GSMFDMATDMACDMA用户1用户2用户3所有用户在同一时间、同一频段上、根据编码获得业务信道54CDMA

多个用户使用不同的语言（符号代码）同时通话，音量足够小时互相之间不影响正常通话，某个用户音量过大将导致其它用户的通话无法进行。“Iloveyou”“私はあなたが好きです”“IchlibenSie”“我喜欢你”55CDMA扩频DATA

(9.6Kbps)DATA

(9.6Kbps)10KHz1.25MHz1.25MHz10KHzENCODING&INTERLEAVINGPNSOURCE1.2288MbpsCARRIERBPF1.25MHzDATAWIDEBAND

SPECTRUMBPF1.25MHzCORRELATORDIGITALFILTERDEINTERLEAVE&DECODEPNSOURCECARRIER1.228MbpsChannelChannel=–169dB/HzBACKGROUNDNOISEEXTERNALINTERFERENCEOTHERUSERNOISE(ISC)56流程信源编码信息流信息流卷积交织加扰扩频调制射频发射信源解码译码反交织解扰解扩解调射频接收57扩频特点扩频通信系统的主要特点：抗干扰和抗多径衰落能力强；隐蔽性和保密性；容易实现大容量多址通信；低功率谱密度；占用频带较宽，系统复杂性增加；适合变参信道的无线传输。58CDMA网络结构（IS－95）593G标准组织TIATTAT1P1ARIB/TTCGSM-basedUMTSMobileIPOHGIS-41+CDMA2000+M-IPArchitectureIMT-2000ITU-TSSGITU-RWP8F60WCDMA强调宽带技术，最小带宽5MHzBTS见不需要同步和GPS正反向信道相干