第六章移动通信48张

第六章移动通信6.1移动通信概述6.2移动通信的基本技术6.3数字蜂窝移动通信系统6.4第三代移动通信系统现代移动通信网络技术1移动通信——“动中通”通信双方或至少其中一方在移动环境下进行信息传递的通信方式，包括移动体之间或移动体与固定体之间的通信。1、什么是移动通信6.1移动通信概述模拟移动通信系统，接续工作由人工操作完成，采用电子管，体积庞大、笨重且昂贵，使用短波段。第一阶段交换系统为自动交换，接续效率高，采用晶体管，体积大为减小，使用甚高频。第二阶段第一代移动通信系统（蜂窝系统）第三阶段第二代移动通信系统广泛应用和第三代移动通信系统的具体的设计、规划和实施阶段。第四阶段3、移动通信的发展历程6.1移动通信概述

1980s，第一代移动通信系统，1983年美国的AMPS，1980年北欧的NMT，1979年日本的NAMTS,1985年英国TACS系统

1990s，第二代移动通信系统，1992年商用的GSM，1991年北美的IS-54，1993年日本的PDC,1993年美国提出的IS-95（N-CDMA）

2000s，第三代移动通信系统，欧洲、日本的WCDMA

，北美的CDMA-2000

，中国的TD-SCDMA6.1移动通信概述3、移动通信的发展历程系统间没有公共接口。无法与固定网迅速向数字化推进相适应，数字承载业务很难开展。频率利用率低，无法适应大容量的要求。安全性差，易于被窃听，易做“假机”。第一代移动通信系统特点6.1移动通信概述3、移动通信的发展历程频谱利用率，系统容量大。

用户能获得多种服务（以话音业务为主，并提供低速率以电路型为主的数据业务）。能自动漫游。话音质量比第一代好。保密性好。可以与ISDN、PSTN等网络互连。第二代移动通信系统优点6.1移动通信概述3、移动通信的发展历程

数据功能差，不能支持多媒体业务。如使用GSM手机上网，理论上只能达到9.6k的上网速度。全球不同的第二代移动通信系统彼此间不能兼容，使用的频率也不一样，全球漫游比较困难。第二代移动通信系统缺点6.1移动通信概述3、移动通信的发展历程具有全球标准使用全球公共频带具有全球使用的小型终端具有全球漫游能力

从媒体（Media）→多媒体（Multi-media）微蜂窝结构提高改良的频率使用效率具有高速的分级数据速率在固定位置环境下能达到2Mbps对步行用户能达到384kbps对车载用户能达到144kbps

第三代移动通信系统特点6.1移动通信概述①信道传输条件恶劣移动台使用无线信道，在电波传播的过程中，由于多径衰落、建筑物阻挡造成的阴影效应、移动台运动引起的多普勒频移等，使接收信号极不稳定。信号起伏幅度可达30dB以上。6.1移动通信概述4、移动通信的特点②强干扰情况下工作

移动通信除受到汽车发动机的火花干扰及工业干扰以外，主要的干扰有互调干扰、邻道干扰及同频干扰。互调干扰：由于部件的非线性引起；非线性部件的输出信号中，会包含输入信号所没有的新的频率成分，如果这些新的频率成分落入其他信号的频率范围之内，就会对该信道造成干扰，称为互调干扰；邻道干扰：相邻或邻近信道之间，由于信道隔离度不够造成的干扰；

同频干扰：相同频率的无用信号造成的干扰。6.1移动通信概述③可供使用的频率资源有限移动通信的可用频率范围有限，而移动通信的用户数却在猛增，故有效地利用频率资源是移动通信系统的一个重要研究课题。④建网技术复杂由于移动台在通信区域内随时运动，需要随机选用无线通道，同时需支持位置登记、越区切换及漫游存取的跟踪技术，这使其信令种类比固定网要复杂得多。此外，在入网和计费方式也有其特殊的要求。所以移动通信系统相当的复杂。6.1移动通信概述6.1移动通信概述5、移动通信的工作方式双工通信方式通信双方在通话时收发信机同时工作，即任意一方在发话的同时，也能收听到对方的信息，与普通有线电话的使用情况类似；通信双方通过双工器来完成双工通信；分为频分双工（FDD）和时分双工（TDD）。6.1移动通信概述5、移动通信的工作方式信道间隔：200kHz1710178518051880双工距离:95MHz890915935960双工距离:45MHzGSM900:GSM1800:6.1移动通信概述5、移动通信的工作方式频分双工通信方式（FDD）收、发信机所用频率不同，一般双工频差为几MHZ

到几十MHZ，即从频率上来区分收发信道。优点：使用方便，收发信机自身的干扰较小。缺点：需占用两个频段才能工作，占用频谱资源多，

MS在通信中发射机经常处于发射状态，耗电大。6.1移动通信概述时分双工通信方式（TDD）信号的接收和传送在同一频率的信道即载波的不同时隙，用保证时间来分离接收与传输信道。我国的3G技术标准TD-SCDMA中就采用了此技术。与FDD模式相比具有以下五个方面优势：频谱灵活性高频谱利用率高支持不对称数据业务有利于采用新技术成本低6.1移动通信概述蜂窝移动通信系统无线寻呼系统无绳电话系统

6、常见的移动通信系统集群移动通信系统6.1移动通信概述蜂窝移动通信系统

把整个服务区划分成若干个较小的区域（小区），各小区均用小功率的基站发射机覆盖，许多小区像蜂窝一样覆盖任意形状的服务地区。6.1移动通信概述公用电话网无线电寻呼控制中心及主发射台用户回路市话中心要呼叫某一“袖珍玲”用户，可拨寻呼中心的专用号码，寻呼中心的话务员记录所要寻找的用户号码及要代传的号码及要代传的消息，并自动在无线信道上发出呼叫.被呼用户的袖珍接收机发出呼叫声，并在液晶屏上显示主呼用户的电话号码及简单消息。袖珍玲用户利用邻近市话电话机与主呼用户通话。无线寻呼系统6.1移动通信概述普通话机座机市话局用户线无绳电话系统普通的电话单机分成座机和手机两部分座机与有线电话网连接，手机与座机间用无线电连接。因手机与座机间不用电线相连，故称为“无绳”电话。

以有线电话网为依托的通信方式，是有线电话网的无线延伸普通的电话单机分成座机和手机两部分座机与有线电话网连接，手机与座机间用无线电连接。因手机与座机间不用电线相连，故称为“无绳”电话。6.1移动通信概述集群移动通信系统用于集团调度指挥；可用信道为系统的全体用户共用，具有自动选择信道功能，是共享资源、分担费用、共用信道设备及服务的多用途、高效能的无线调度通信系统。6.1移动通信概述6.2.2移动通信的组网技术6.2.1移动信道特征及抗衰落方法6.2移动通信的基本技术

6.2.1移动信道特征及抗衰落方法

移动信道电波传播原理移动信道特征抗衰落方法

蜂窝无线移动通信系统中，电磁波传播机理多种多样，但总体上可归结为：反射、绕射和散射。在城区，发射机和接收机之间一般无直射路径，而高层建筑产生强烈的绕射损耗。另外，由于不同物体的多路径反射，经过不同长度路径的电磁波相互作用引起多径损耗。同时，随着发射机和接收机之间距离的不断增加，引起电磁波强度的衰减。

移动信道电波传播原理接收信道统计分析曲线移动环境的场强特性移动通信环境下场强变化剧烈场强变化的平均值随距离增加而衰减场强特性曲线的中值呈慢速变化（慢衰落）场强特性曲线的瞬时值呈快速变化（快衰落）

移动信道电波传播原理空间传播损耗------路径损耗阴影效应------由地形结构引起，表现为慢衰落多径效应------由移动体周围的局部散射体引起的多径传播，表现为快衰落多普勒效应------由于移动体的运动速度和方向引起，多径条件下将引起多普勒频谱展宽

移动信道特征

分集接收技术：接收端对它收到的多个衰落特性互相独立（携带同一信息）的信号进行待定的处理，以降低信号的电平起伏。

抗衰落方法空间分集技术---用2个以上的天线接收同一个信号频率分集技术---用2个以上的载波频率传输时间分集技术---在不同时间接收同一个信号极化分集技术---接收垂直和水平极化信号常用的分集技术

抗衰落方法

6.2.2

移动通信的组网技术

区域覆盖技术

多址技术蜂窝系统---“小区制”系统将所要覆盖的地区划分为若干个小区，每个小区的半径可视用户的分布密度在1-10km左右,在每个小区设立一个基站为本小区范围内的用户服务。

-蜂窝分类宏蜂窝(Macro-cell)2-20km

微蜂窝(Micro-cell)0.4－2km

微微蜂窝(Pico-cell)<400m

区域覆盖技术频率复用：处在不同位置(不同小区)上的用户可以同时使用相同频率的信道可以极大地提高频谱利用率如果系统设计得不好，将产生严重的同频干扰C1C1f1P0f1P0RRDD：同频复用距离R：小区半径

区域覆盖技术区群？ 通常由若干个邻接小区构成区群，再由区群披此邻接构成整个服务区；为防止同频干扰，同一区群中的小区，不得使用相同的频率；且邻接区群中的同频小区中心间距相等；

区域覆盖技术N=3N=4N=7

区域覆盖技术小区分裂随着城市建设的发展，为适应新的用户密度变化，可采用“小区分裂”的方法，即将原有的无线小区进一步细分，以增大系统的容量和密度。图

增加新基站的分裂

区域覆盖技术

多址技术多址技术：在移动通信系统中，有许多用户都要同时通过同一个基站和其他用户进行通信，因而，必须对不同用户和基站发出的信号赋予不同特征，使基站能从众多用户台的信号中区分出是哪一个用户台发出来的信号，而各用户台又能识别出基站发出的信号中哪个是发给自己的信号。多址方式的类型有：即频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)和空分多址(SDMA)。频分多址(FDMA)：按频道划分用户，频带独享，时间共享时分多址(TDMA)：按时隙划分用户，时隙独享，频率共享码分多址(CDMA)：按码型划分用户，时隙/频率共享空分多址(SDMA)：按空间角度划分用户，频率/时隙/码型共享

多址技术（1）频分多址（FDMA）PowerFrequencyTimeFDMA

将给定的频谱资源划分为若干个等间隔的频道供不同的用户使用。

多址技术（1）频分多址（FDMA）用户识别：频道号（在频谱域实现了用户的正交分割）；特点：简单、容易实现，以频道区分用户地址，一个频道传输一路模拟/数字话路；以频率复用为基础，需严格的频率规划，是频率受限和干扰受限系统；对功控的要求不高，硬件设备取决于频率规划和频道设置；应用：模拟/数字蜂窝移动通信系统；

多址技术（2）时分多址（TDMA）FrequencyPowerTimeFDMA/TDMA

把时间分成周期性的帧，每一帧再分为若干个时隙供用户作信道使用。

多址技术（2）时分多址（TDMA）用户识别：时隙（在时间域实现了用户的正交分割）；特点：以频率复用为基础，小区内以时隙区分用户；每个时隙传输一路数字信号，软件对时隙动态配置；系统要求严格的系统定时同步；是时隙受限和干扰受限系统；应用：GSM系统（载频间隔：200KHz，每频道8个时隙）；

多址技术

在CDMA通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分，而是用各自不同的编码序列来区分，或者说，靠信号的不同波形来区分。（3）码分多址（CDMA）FrequencyCDMAPowerTime

多址技术用户识别：码型（在码域实现用户的正交分割）；特点：每个基站只需一个射频系统；每个码传输一路数字信号，每个用户共享时间和频率；是一个多址干扰受限系统；需要严格的功率控制；需要定时同步；软容量、软切换，系统容量大；抗衰落、抗多径能力强；应用：IS-95CDMA系统、cdma2000系统、WCDMA系统；（3）码分多址（CDMA）

多址技术（4）空分多址（SDMA）

通过空间的分割来区别不同的用户，即通过控制用户的空间辐射能量，使用定向波束天线来服务于不同的用户。依靠智能天线实现。

多址技术第六章移动通信6.1移动通信概述6.2移动通信的基本技术6.3数字蜂窝移动通信系统6.4第三代移动通信系统现代移动通信网络技术446.3.2CDMA蜂窝移动通信系统6.3.1GSM系统6.3数字蜂窝移动通信系统

GSM原意为“GroupSpecialMobile”移动特别小组，1991年在欧洲开通了第一个系统，工作频率为900MHz。同时MoU组织为该系统设计和注册了市场商标，将GSM更名为GlobalSystemforMobileCommunication，俗称“全球通”。同年，移动特别小组还完成了制定1800MHz频段的公共欧洲电信业务的规范，名为DCS1800系统。

GSM900和DCS1800就是我们平常讲的“双频网络”，两系统功能相同，主要是工作频率不同。

6.3.1GSM系统GSM网络结构移动台（MS）GSM移动通信网中用户使用的设备；用户识别模块（SIM）卡:一张符合ISO标准的“智慧”磁卡，包含与用户有关的无线接口信息以及用于鉴权和加密的信息；系统的结构与功能

6.3.1GSM系统基站子系统（BSS）构成：BTS（基站收发台）、BSC（基站控制器）、天线公用器、天线等。在一定无线覆盖区中，由MSC控制与MS进行通信的系统设备。在BSC中增加码变换器及相应的复用设备，完成PRE-LTP编码与PCM码之间的转换。系统的结构与功能

6.3.1GSM系统网络子系统(NSS)对GSM中MS之间通信和MS与其它通信网中用户通信起着控制管理作用；主要功能包括：交换、移动性管理、安全性管理及负责收集计费、账单信息等。系统的结构与功能

6.3.1GSM系统（1）MSC（移动交换中心）

主要完成呼叫接续和交换任务；

MSC支持移动性管理、计费管理等网络功能；PSTNGMSCVMSCBSS系统的结构与功能

6.3.1GSM系统（2）HLR（归属位置寄存器）中央数据库，存储其所辖区的所有移动用户的有关数据。用户数据包括静态数据：移动用户码、访问能力、用户类别和补充业务等；动态数据：MS目前所处的位置信息，以便建立至MS的呼叫路由；系统的结构与功能

6.3.1GSM系统（3）VLR（访问位置寄存器）动态用户数据库，存储进入其控制区域内来访移动用户的有关数据；这些数据是从该移动用户的HLR中获取并进行暂存的，一旦移动用户离开该VLR的控制区域，则临时存储的该移动用户的数据就会被消除；系统的结构与功能

6.3.1GSM系统（4）鉴权中心（AUC）对移动用户鉴权，防止无权用户接入系统；对无线链路上的话音、数据和信令信息进行保密等，保证无线通信安全；AUC中存储着鉴权信息和加密密钥。系统的结构与功能

6.3.1GSM系统（5）移动设备识别寄存器（EIR）存储移动设备的国际移动设备识别码（IMEI），对移动设备进行识别、监视、闭锁等功能；有三种表格清单白色清单：移动设备准许使用；灰色清单：可使用，但处于监测状态下；黑色清单：失窃而不准使用；系统的结构与功能

6.3.1GSM系统操作支持子系统（OSS）操作支持子系统（OSS）需完成许多任务，包括移动用户管理、移动设备管理以及网路操作和维护。包括网路管理中心（NMC）、安全性管理中心（SEMC）、用于用户识别卡管理的个人化中心（PCS）、用于集中计费管理的数据后处理系统（DPPS）等功能实体。系统的结构与功能

6.3.1GSM系统（1）移动台国际ISDN号码（MSISDN）

MSISDN=CC+NDC+SN

CC：国家代号，中国为86；NDC：国内地区码，中国移动为139、…；SN：移动用户号码（包含HLR识别码）；

GSM系统的编号计划

6.3.1GSM系统

GSM系统的编号计划（2）国际移动用户识别码（IMSI）IMSI=MCC+MNC+MSIN

MCC：移动用户所属国家代号，中国为460；MNC：移动网号码，中国移动为00；MSIN：移动用户识别码，由10位数字组成；

6.3.1GSM系统（3）移动台漫游号码（MSRN）这是针对移动用户的移动特性而设置的号码，其组成如下：OXYZ为被访地的长途区号；PQR为被访地未使用的一个端局号；ABCD为临时分配给移动用户的漫游号码。当一个HLR管辖多个MSC时，它们可公用一个端局号。

GSM系统的编号计划

6.3.1GSM系统（4）移动用户临时识别码（TMSI）使用TMSI代替IMSI，保证IMSI码的安全；不超过4个字节，格式由各运营商决定；

GSM系统的编号计划

6.3.1GSM系统（5）国际移动设备识别码（IMEI）IMEI是唯一用来识别移动台设备的号码，称作系列号或串号，它可防止非法移动台设备使用移动台业务。

GSM系统的编号计划

6.3.1GSM系统（6）位置区识别码（LAI）LAI=MCC+MNC+LAC

MCC：移动用户所属国家代号，中国460；MNC：移动网号码，中国移动00；LAC：位置区码，2字节16进制编码；

GSM系统的编号计划

6.3.1GSM系统

GSM系统的主要参数发射频带(MHZ)基站935～960移动台890～915双工间隔45MHZ载频带宽200KHZ射频双工信道总数124

小区半径（KM）最小0.5最大35多址接入方式

TDMA/FDMA传输速率（kbps）

270.833全速率话音编译码比特率（kbps）13国际漫游能力有每载频信道数全速率8半速率16

6.3.1GSM系统多址技术：FDMA/TDMA

6.3.1GSM系统工作频段

信道间隔：200kHz1710178518051880双工距离:95MHz890915935960双工距离:45MHzGSM900:GSM1800:

6.3.1GSM系统信道分类物理信道：一个载频上的TDMA帧的一个时隙；逻辑信道：根据在某个物理信道上传输信息类型不同，定义了若干逻辑信道；逻辑信道分类如下：

6.3.1GSM系统信道分类

6.3.1GSM系统（1）业务信道（TCH）用于传送编码后的语音或用户数据，分上行信道和下行信道。（2）控制信道（CCH）控制信道用于传送控制呼叫进程的信令或同步数据。信道分类

6.3.1GSM系统

控制信道（CCH）广播信道（BCH）“一点对多点”单向控制信道，用于BS向MS广播公用信息；频率校正信道（FCCH）同步信道（SCH）广播控制信道（BCCH）

6.3.1GSM系统控制信道（CCH）共用控制信道（CCCH）“一点对多点”双向控制信道，用于呼叫接续阶段传输链路连接所需的控制信令；寻呼信道（PCH）随机接入信道（RACH）准许接入信道（AGCH）

6.3.1GSM系统控制信道（CCH）专用控制信道（DCCH）“点对点”双向控制信道，传输在呼叫接续阶段和通信进行当中所需的控制信息；独立专用控制信道（SDCCH）慢速辅助控制信道（SACCH）快速辅助控制信道（FACCH）

6.3.1GSM系统

GSM系统的工作过程呼叫接续

越区切换

位置更新

6.3.1GSM系统位置更新定义：移动通信网为了跟踪移动台的位置变化，而对其位置信息进行登记、删除和更新的过程；在GSM系统中，位置信息存储在HLR和VLR中；（1）位置区

GSM蜂窝系统把整个网络的覆盖区划分为许多位置区，并以不同的LAI码进行标识，此标识在BCCH信道中传送。

6.3.1GSM系统位置更新

6.3.1GSM系统（2）位置登记的三个步骤：在管理新LA的VLR中登记MT；修改HLR中记录服务该MT的新VLR的ID号；在旧VLR和MSC中注销该MT。位置更新

6.3.1GSM系统

GSM系统的工作过程呼叫接续

越区切换位置更新

6.3.1GSM系统

越区切换（1）定义将当前正在进行的移动台与BS之间的通信链路从当前BS转移到另一个BS的过程；该过程也称为自动链路转移ALT（automaticlinktransfer）。

6.3.1GSM系统（2）越区切换方式硬切换：在新连接建立以前，先中断旧的连接。（eg，TACS、GSM系统）

越区切换

6.3.1GSM系统（2）越区切换方式软切换：在与新BS建立可靠连接之后再中断旧链路。（eg，IS-95系统）

越区切换要求：软切换只能在同一频率的信道间进行。

6.3.1GSM系统同一个BSC，不同小区同一个MSC/VLR，不同BSC不同MSC/VLR的区间切换（3）GSM系统中的越区种类

越区切换

6.3.1GSM系统同一BSC的越区切换同一个MSC/VLR，不同BSC间的越区切换

不同MSC的越区切换

6.3.1GSM系统

GSM系统的工作过程呼叫接续

越区切换位置更新

6.3.1GSM系统呼叫接续（1）移动用户主呼移动用户向固定用户发起呼叫。（2）移动用户被呼固定用户向移动用户发起呼叫。

6.3.1GSM系统（1）移动用户主呼若MS处于激活且空闲状态，要建立一个呼叫，只需拨被叫用户号码，再按“发送”键，MS便开始启动呼叫程序：MS进入“初始化”过程；网络对MS进行“鉴权”、“加密”处理；建立至被叫用户的呼叫；

6.3.1GSM系统（2）移动用户被呼首先，完成对MS的位置定位；其次，对MS进行“寻呼”；再次，MS收到寻呼后，进入“初始化”过程；最后，完成“呼叫接续”；

6.3.1GSM系统

CDMA蜂窝移动通信系统概述CDMA蜂窝通信系统的无线传输

6.3.2CDMA蜂窝移动通信系统几种流行的多址技术：

FDMA

频分多址每个用户使用不同的频率一个信道对应一个频率TDMA

时分多址每个用户使用不同的时隙一个信道就是特定频率的特定时隙CDMA

码分多址一个信道对应一种独特的码序列。每个用户使用相同的频率，但采用不同的码序列。FrequencyTimePowerFrequencyTimePowerFrequencyTimePowerFDMATDMACDMA信道：通过传输媒介为一个用户传送信息的专用通路。CDMA蜂窝移动通信系统概述多址干扰

CDMA蜂窝移动通信系统中，所有用户在通信过程中都使用同一载波，占用相同的带宽，即共享同一无线频道，所以其中任一用户的通信均会对其他用户造成干扰，即“多址干扰”；且同时通话的用户数越多，相互间的干扰越大。CDMA蜂窝通信系统特点远近效应由于系统中的许多电台共用一个频率发送或接收信号，因而近地强信号压制远地弱信号的现象；CDMA蜂窝通信系统特点K信道K+1信道功率控制为了获得高质量和高的容量，所有的信号不管离基站远近，到达基站的信号功率都应该相同，且刚达到BS所需的信噪比；反之一样。CDMA蜂窝通信系统特点

在CDMA系统中，除要传输业务信息外，还要传输各种控制信息，即CDMA系统配置了各种逻辑信道，它们均是由不同的码序列区分。CDMA蜂窝通信系统的无线传输1、正向逻辑信道导频信道（Pilotchannel）传输由BS连续发送的不包含信息数据的导频信息；同步信道（Syncchannel）主要用于传输同步信息，MS利用它进行同步捕获；寻呼信道（Pagingchannel）供BS在呼叫建立阶段传输寻呼控制信息给MS；正向业务信道（ForwardTrafficchannel）