移动通信系统培训课件

移动通信系统二OO四年二月1主要内容概述移动通信技术GSM数字移动通信系统CDMA移动通信系统第三代移动通信系统网络演进策略个人通信21、概述（1）移动通信的概念通信双方或至少其中一方在运动状态中进行信息传递的通信方式移动通信的发展最早的移动电话是在1921年开始使用的第一个公用移动系统在1946年开办第一个蜂窝系统（AMPS）是在1983年10月在芝加哥地区开始使用，由美国电话电报公司（AT&T）经营管理31、概述（2）现代移动通信的发展阶段第一阶段从本世纪20年代至40年代，为早期发展阶段第二阶段从40年代中期至60年代初期第三阶段从60年代中期至70年代中期第四阶段从70年代中期至80年代中期第五阶段从80年代中期开始，是数字移动通信系统发展和成熟时期41、概述（3）移动通信系统陆地移动通信系统蜂窝移动通信系统寻呼系统无绳电话系统移动集群通信系统卫星移动通信系统海事卫星移动通信系统51、概述（4）第一代蜂窝移动通信系统采用模拟技术频率：800MHz、900MHz主要的制式美国：AMPS欧洲：TACS、NMT-450、NMT-900英国：ETACS西德、葡萄牙：C-450意大利：RTMS日本：NTT、JTACS、NTACS61、概述（5）第二代蜂窝移动通信系统采用数字技术频率：800MHz、900MHz、1800MHz主要的系统美国：DAMPS、CDMA欧洲：GSM日本：PDC71、概述（6）第三代蜂窝移动通信系统将各种业务结合起来，用一个单一的全功能网络来实现主要特点全球普及和全球无缝漫游的系统具有支持多媒体业务的能力，特别是支持Internet业务便于过渡、演进高频谱效率高服务质量低成本高保密性82、移动通信技术蜂窝移动通信网基本概念多址方式陆地无线电波传播语音编码技术数字调制解调技术抗衰落技术92.1蜂窝移动通信网基本概念（1）蜂窝解决限制移动用户数量增加的主要障碍－－无线频率拥挤问题实现频率再用，即在不同的小区使用相同的频率，以便大大增加系统容量同一频率不可能应用于每一个小区，必须间隔一定的空间距离为了实现频率再用，除了正确的频率配置外，在小区内应限制基站发射功率，使其能有效地覆盖整个小区，而对相邻区群内使用同一频率的小区所造成的干扰应低于一定的门限。102.1蜂窝移动通信网基本概念（2）越区切换当移动台从一个小区进入相邻的小区时，其工作频段和接续服务都是不相同的，这就需要在一次通话过程中将移动台的工作频率和接续控制从其离开的小区交换给正在进入的小区，这个过程就称为越区切换。越区切换是在系统控制下完成的。112.1蜂窝移动通信网基本概念（3）用小区分裂方式来增加系统容量当用户数增加并达到每个小区所能提供服务的最大数量时，就要把小区分割成更小的蜂窝状区域，并使用相同的频率再用模式，同样在新的小区内降低基站功率以减少干扰。小区分裂也是有限度的。122.2多址方式多址技术的基础是信号特征上的差异基本类型FDMA：频分多址以频率来区分信道TDMA：时分多址在一个无线频道上，按时间分割为若干个时隙，每个业务信道占有一个时隙，在规定的时隙内收发信号CDMA：码分多址每个用户（收发信机）具有特定的地址码，利用公共频道传输信息13频分多址（FDMA）频分多址是把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的频道（或称信道）分配给不同的用户使用。这些频道互不交叠，其宽度应能传输一路数字话音信息，而在相邻频道之间无明显的串扰。在高低两个频段之间留有一段保护频带基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号14时分多址（TDMA）时分多址是把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），然后根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动台的信号而混扰。同时，基站发向多个移动台的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动台只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分出来。152.3陆地无线电波传播（1）电波的传播方式主要是空间波，即直射波、折射波、散射波以及它们的合成波。传播环境自然地形（高山、丘陵、平原或水域等）人工建筑的数量、高度、分布和材料特性该地区的植被特征天气状况自然和人为的电磁噪声状况162.3陆地无线电波传播（2）影响接收信号功率的因素传输损耗阴影衰落：是由于传播环境中的地形起伏、建筑物及其他障碍物对电波遮蔽所引起的衰落，又称慢衰落。多径衰落：是由于移动传播环境的多径传输而引起的衰落，又称快衰落或短区间衰落。172.3陆地无线电波传播（3）多径效应由于多径现象所引起的衰落称为多径衰落引起多径的主要原因是移动台周围的建筑物和各种反射体，包括车辆、甚至行人模拟移动通信中主要考虑多径效应所引起接收信号的幅度变化，而数字移动通信中主要考虑多径效应所引起的脉冲信号的时延扩展182.3陆地无线电波传播（4）阴影效应当电波在传播路径上遇到起伏地形、建筑物、植被等障碍物的阻挡时，会产生电磁场的阴影。移动台在运动中通过不同障碍物的阴影时，就构成接收天线处场强中值的变化，从而引起衰落，这种衰落因而又称为阴影衰落（慢衰落）。慢衰落速率主要决定于传播环境192.4语音编码技术（1）语音编码：信源编码，是将模拟语音信号变成数字信号以便在信道中传输波形编码是在时间轴上对模拟话音按一定的速率抽样，然后将幅度样本分层量化，并用代码表示。对于比特速率较高的编码信号（例如从16kbit/s到64kbit/s），能够提供相当好的话音质量脉冲编码调制（PCM）202.4语音编码技术（2）参量编码声源编码，是将信源信号在频率域或其他正交变换域提取特征参量，并将其变换为数字代码进行传输可实现低速率语音编码，比特速率可压缩到2~4.8kbit/s，甚至更低，但语音质量只能达到中等线性预测编码（LPC）混合编码将波形编码和参量编码结合起来，高质量、低速率规则码激励长期预测编码（RPE－LPT）212.5数字调制解调技术MSK：最小频移键控GMSK：高斯低通预调制滤波器＋MSKTFM：平滑频率调制GTFM：扩展TFM4-PAM/FM：平滑四电平调频π/4DQPSK：四相相移键控调制16QAM：正交振幅调制222.6抗衰落技术（1）分集技术研究如何利用多径信号来改善系统的性能空间分集：发端采用一副发射天线，接收端采用多副接收天线。极化分集：在发端同一地点分别安装垂直极化天线和水平极化天线，在收端同一位置也分别装上垂直极化天线和水平极化天线，就可得到两路衰落特性不相关的信号。角度分集：在接收端采用方向性天线，分别指向不同的信号到达方向232.6抗衰落技术（2）频率分集：将要传输的信息分别以不同的载频发射出去，只要载频之间的间隔足够大，那么在接收端就可以得到衰落特性不相关的信号。时间分集：将给定的信号在时间上相隔一定的间隔重复传输M次，只要时间间隔大于相干时间，就可以得到M条独立的分集支路。分集信号的合并技术选择式合并、最大比合并、等增益合并、开关式合并隐分集系统编码、交织、跳频242.6抗衰落技术（3）自适应均衡技术均衡技术是指各种用来处理码间干扰的算法和实现方法。在移动环境中，由于信道的时变多径传播特性，引起了严重的码间干扰，这就需要采用自适应均衡技术来克服码间干扰。可分为线性均衡和非线性均衡两类。25GSM数字移动通信系统GSM概述GSM系统结构GSM频率配置GSM无线接口GSM网络结构编号计划呼叫建立流程移动数据通信26GSM概述（1）GSM含义1982年，欧洲邮电大会（CEPT）成立了一个新的标准化实体GSM（GroupSpecialMobile），其目的是制定欧洲900MHz数字TDMA蜂窝移动通信系统技术规范。1992年，GSM系统重新命名为全球移动通信系统（GlobalSystemForMobileCommunication）。27GSM概述（2）GSM特点具有开放的接口和通用的接口标准用户权利的保护和传输信息的加密支持电信业务、承载业务和补充业务具有跨国漫游能力容量大（为模拟系统的3~5倍）频谱利用率高抗干扰能力强28GSM系统结构NSS：网络子系统MSC/VLR：移动交换中心/拜访位置寄存器HLR/AUC：归属位置寄存器/鉴权中心EIR：设备识别寄存器BSS：基站子系统BSC：基站控制器BTS：基站收发信台MS：移动台OMC：操作维护中心29GSM频率配置（1）工作频段900MHz：905~915MHz、950~960MHz1800MHz：1710~1785MHz、1805~1880MHz频道间隔相邻频道间隔为200KHz每个频道采用TDMA方式分为8个时隙，即8个信道频道配置采用等间隔频道配置方法复用方式：7小区、4*3、3*3、2*630GSM频率配置（2）干扰保护比同频道干扰保护比：C/I≥9dB邻频道干扰保护比：C/I≥-9dB载波偏离400KHz时的干扰保护比：C/I≥-41dB工程设计时，必须对以上C/I值附加3dB余量保护频带数字蜂窝系统与模拟蜂窝系统共用频段时，两系统相邻频道中心频率之间应留大约400KHz保护频带31GSM无线接口（1）Um接口分为3层第一层是物理层，为最低层。包括各类信道，为高层信息的传输提供基本的无线信道。第二层是数据链路层，为中间层，记为LAPDm。包括各种数据传输结构，对数据传输进行控制。第三层为最高层。包括各类消息和程序，对业务进行控制。第三层包括无线资源管理（RM）、移动特性管理（MM）和呼叫管理3个子层。32GSM无线接口（2）时隙结构时隙：长度为576.9μs（15/26ms）帧：每载波有8个基本物理信道，即相邻的8个时隙构成一个基本单元，称为帧。时隙和帧是无线物理信道的基本结构。超帧：间隔为6.12s，是最小的公共利用时隙结构。可分为若干复帧。复帧有26帧复帧和56帧复帧两种。超高帧：重复周期时间最长的结构称为超高帧。分为2048个超帧，含有2715648个TDMA帧。33GSM无线接口（3）物理信道一个载频上的TDMA帧的一个时隙逻辑信道根据传递信息的种类来定义业务信道TCH：传输编码及加密后的话音或数据控制信道CCH：传输信令或同步数据广播信道BCH：FCCH、SCH、BCCH公共控制信道CCCH：PCH、RACH、AGCH、CBCH专用控制信道DCCH：SDCCH、SACCH、FACCH34GSM无线接口（4）广播信道频率校正信道FCCH：用于移动台频率校正同步信道SCH：用于移动台的帧同步和基站识别广播控制信道BCCH：用于发送一般信息35GSM无线接口（5）公共控制信道CCCH寻呼信道PCH：用于基站寻呼移动台随机接入信道RACH：用于移动台随机接入网络的上行信道准予接入信道AGCH：用于给成功的接续分配专用控制信道的下行信道36GSM无线接口（6）专用控制信道DCCH独立专用控制信道SDCCH：用于传送移动台与基站连接以及分配信道的信令，其指配与业务信道的指配没有联系。快速辅助控制信道FACCH：用于传送某些特定信息，例如功率和帧调整控制信息，测量数据等，其指配总是和业务信道的指配相联系。慢速辅助控制信道SACCH：总是与TCH或SDCCH一起被指配和使用，所携带的信令与FACCH相同，但速率较慢。37GSM无线接口（7）信道组织实际应用中，各类信道是组合在一起的。组合的基本单元是复帧，各类信道有不同配置，称为信道组织。TCH+SACCHBCCH+CCCHSDCCH+SACCHBCCH+CCCH+SDCCH38相关名词解释（1）小区一个基站或该基站的一部分（扇形天线）所覆盖的区域。基站区由一个基站的所有小区所覆盖的区域。位置区移动台可任意移动不需要进行位置更新的区域；位置区可以由一个或若干个小区组成。39相关名词解释（2）MSC区一个MSC所管辖的所有小区共同覆盖的区域。一个MSC区可由一个或若干个位置区组成。当MS被叫时，只须在位置区内寻呼而不要在整个覆盖区一齐呼叫，可减轻控制信道的负荷。服务区移动台可获得服务的区域。40相关名词解释（3）位置更新当移动台进入新的位置区（LA）以后，收到的LAI与存储的LAI不一致，即发出位置更新请求，将其新位置区信息通知网络。切换一个已沟通移动信道的移动台，网络为它提供新的频道，以维持通信连续性的系统功能称为切换漫游在联网的移动交换局之间，移动用户由归属交换局控制区进入被访交换局控制区以后，仍然能获得移动业务服务的网络功能即是漫游业务。41相关名词解释（4）话音信号间断发送DTX和间断接收DRX根据话音信号激活程度，在话音帧有信息时开启发送和无信息时关闭发送的系统传输控制技术目的：降低空中干扰，提高系统容量和质量；降低电源消耗，增加移动台电池使用寿命跳频按跳频序列随机地改变一个信道占有频道频率（频隙）的技术42GSM网络结构话路网结构信令网结构43话路网结构三级结构一级汇接局TMSC1负责省际移动业务汇接二级汇接局TMSC2负责省内移动业务汇接每个TMSC2分别与一对TMSC1相连端局MSC每个MSC分别与一对TMSC1相连每个MSC分别与所在汇接区的一对TMSC2相连44话路网结构45信令网结构七号信令网三级结构，准直联为主，直联为辅高级信令转接点HSTP，24位编码低级信令转接点LSTP，24位编码信令点SPMSC/VLR，既有24位编码，又有14位编码HLR/AUC、GW、VMS，24位编码BSC，14位编码SCCP寻址方式DPC寻址、GT寻址46信令网结构47编号计划（1）MSISDN：移动用户的ISDN号码8613SH0H1H2H3ABCD（S=5~9）IMSI：国际移动用户识别码46000H1H2H3SABCDEF（H0=0，S=5~9）46000H1H2H3SH0ABCDE（H0=1~9，S=S-5，S=5~9）TMSI：临时移动用户识别码仅在本地使用，由各MSC/VLR自行分配48编号计划（2）MSC/VLR号码13SM00M1M2M3（S=5~9，M0、M1、M2、M3同H0、H1、H2、H3）MSRN：移动用户漫游号码13S0M0M1M2M3ABCHON：切换号码为MSRN的一部分HLR/AUC号码13SH0H1H2H30000（S=5~9）49编号计划（3）位置区识别（LAI）LAI=MCC+MNC+LAC，用于位置区识别和位置更新。

LAC为一个2字节的BCD编码，表示为X1X2X3X4全球小区识别码（GCI）GCI=MCC+MNC+LAC+CI。CI为一个2字节的BCD编码，由各MSC自定。基站识别码（BSIC）用于识别相邻国家相邻基站，为6比特编码。BSIC=NCC（3bits）+BCC（3bits）50呼叫建立流程例：北京PSTN用户呼叫漫游至福州的广州GSM用户GMSCMSC/VLRHLRBTSBSC福州北京广州PSTN①MSISDN②MSISDN③IMSI④MSRN⑤MSRN⑥MSRN⑦TMSI+LAI⑧TMSIMS⑨TMSI51移动数据通信发展历程2GGSMOperatorGSM900GSM1800UMTS

GSM

GPRS

PacketdatasupportCommonPlatform3G

EDGEEDGE

W-CDMATD-CDMA4G52GPRS（1）MSC(Circuit)BSSVoicePSTNInternetBeforeGPRS53GPRS（2）MSC(Circuit)GSN(Packet)BSSPSTNInternetVoiceDataAfterGPRS54GPRS（3）BSSGSN(Packet)InternetVoiceDataPSTNUMTS55GPRS（4）56CDMA移动通信系统几种多址方式比较CDMA技术标准的发展历程CDMA关键技术cdma20001x系统57几种多址方式比较（1）频分多址（FDMA）方式每信道占用一个载频，每个信道的每一载波仅支持一个电路连接信号速率低基站设备复杂庞大，重复设置收发信设备越区切换较为复杂和困难58几种多址方式比较（2）时分多址（TDMA）方式突发传输的速率很高，远大于语音编码速率用不同的时隙来发射和接收，不需双工器基站复杂性减小，互调干扰小抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量大越区切换简单59几种多址方式比较（3）码分多址（CDMA）方式CDMA系统的许多用户共享同一频率通信容量大容量的软特性由于信号被扩展在一较宽频谱上而可以减小多径衰落信道数据速率很高平滑的软切换和有效的宏分集低信号功率谱密度60CDMA技术标准的发展历程窄带CDMA（N-CDMA）由美国高通（Qualcomm）公司提出，1980年11月进行了首次现场实验1995年正式的N-CDMA标准出台，即IS-95A1998年制定了IS-95B标准1998年3月提出了一种向后兼容IS-95的宽带CDMA框架，称为cdma20002000年3月通过cdma2000的标准IS-200061CDMA技术标准的发展历程IS-95B标准的核心思想在不改变IS-95A物理层的前提下通过自适应信道捆绑技术提供高速数据业务9.6~76.8kbit/s（RS1）14.4~115.2kbit/s（RS2）62CDMA技术标准的发展历程cdmaOne是基于IS-95的各种CDMA制造厂家的产品和不同运营商的网络构成的一个家族概念国际CDMA发展组织的一个品牌名称cdma2000是IS-95标准向第三代演进的技术体制方案美国在制定第三代移动通信空中接口标准过程中提出的技术建议63CDMA关键技术CDMA信道设置CDMA编码CDMA功率控制CDMA呼叫处理CDMA切换64CDMA信道设置导频信道（PilotChannel）同步信道（SyncChannel）寻呼信道（PagingChannel）前向业务信道（ForwardTrafficChannel）接入信道（AccessChannel）反向业务信道（ReverseTrafficChannel）65CDMA编码Walsh码64位（128位），在前向信道中用于区分信道，在反向信道中用于正交调制PN短码（2）215=32,768，在前向信道中用于区分基站小区，在反向信道中作为扰码PN长码242=4400Billion，用于区分用户66CDMA功率控制前向功率控制（ForwardPowerControl）闭环（Closedloop）反向功率控制反向开环功率控制（ReverseOpenLoopPowerControl）反向闭环功率控制（FastReverseClosedLoopPowerControl）反向外环功率控制（ReverseOuterLoopPowerControl）67CDMA呼叫处理（1）68CDMA呼叫处理（2）69CDMA切换软切换（“Soft”Handoff）同一BSC中不同基站之间更软切换（“Softer”Handoff）同一基站不同小区之间硬切换（“Hard”Handoff）同一系统内不同MSC之间、不同BSC之间不同载频之间不同系统之间70cdma20001x系统主要采用的新技术丰富的信道结构引入新的编码方式快速前向功率控制反向相干解调不同的无线配置，适应不同需求完善体系结构，考虑向第三代演进EV-DO及EV-DV标准71cdma20001x系统72第三代蜂窝移动通信系统IMT-2000：国际移动电信2000系统将支持速率高达2Mb/s的业务业务种类将涉及话音、数据、图像以及多媒体等由包括连接至地面和卫星网络的各种移动终端以及相应的网络基础设施等构成系统结构上采用模块化概念，将无线接入网络与核心网络这两个系统部件进行清晰的分离IMT-2000家族：允许各地区标准化组织有一定的灵活性，可根据市场、业务需求的不同，提出各自向第三代系统演进的策略73第三代移动通信无线传输技术10种提案日本：W-CDMA欧洲：ETSI-UTRA-U