移动通信课件

第一講

移动通信的发展和分类2主要內容移動通信的發展移動通信的服務區域移動通信的傳輸方式移動通信系統的分類移動通信的發展4簡史回顧現代移動通信技術的發展歷史可以追溯到20世紀20年代,到目前為止,大致經歷了以下五個發展階段：第一階段從20世紀20年代至40年代,為現代移動通信的起步階段。在此期間,主要完成了通信實驗和電波傳播試驗工作,在短波頻段(3～30MHz)上實現了小容量專用移動通信系統,其代表是美國底特律市員警使用的車載無線電系統。這種系統話音品質差,自動化程度低,僅限於專用,不能與公眾網相連。5簡史回顧第二階段是從20世紀40年代中期至60年代初期。在此期間,各種公用移動通信系統相繼建立。首先是1946年,美國貝爾系統在聖路易斯城建立的稱為“城市系統”的公用汽車電話網,這是世界上第一個公用移動通信系統。繼而,西德、法國、英國等國也陸續研製出了公用移動電話系統。這一階段的特點是開始從專用移動網向公用移動網過渡,自動化程度有所提高。第三階段是從20世紀60年代中期至70年代中期。這一階段是移動通信系統改進和完善的階段。在此期間,各國陸續推出了改進的移動通信系統,其代表是美國的改進型移動電話系統——IMTS。這一階段的特點是使用了新頻段,採用大區制,實現了系統的中小容量,自動化程度進一步提高。6簡史回顧第四階段是從20世紀70年代中期至80年代初期。在此期間,由於微電子技術及電腦技術的長足發展和移動用戶數量的急劇增加,促使移動通信得到了蓬勃發展。第五階段是從20世紀80年代中期到現在。這是數字移動通信發展和成熟的時期。在此期間,用戶數量急劇增加,頻率資源相對緊缺,第一代模擬蜂窩移動通信系統的缺陷日益暴露出來。針對這些問題,新一代的數字蜂窩移動通信系統被開發出來並得以廣泛應用。最典型的數字蜂窩移動通信系統是歐洲基於時分多址(TDMA)技術的全球通移動通信系統——GSM。另外還有北美的DAMPS(IS-54)和日本的PDC等。這一階段的特點是用戶數急劇增加,頻率資源日益緊缺,新體制、新技術、新業務層出不窮。

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基於TDMA技術的GSM、DAMPS和PDC系統都屬於第二代數字蜂窩移動通信系統(2G)。在2G發展期間,一方面,移動通信用戶數目突飛猛進,通信產業日益成為各國經濟發展的支柱。另一方面,2G移動通信系統及相應的移動通信技術面臨諸多問題，比如:網路利用空間日益狹小;收益增幅減緩;話音業務和低速數據業務不能滿足用戶需求,急需開發各種新型業務來吸引用戶;網路漫遊只限於國內及部分區域等。現狀縱覽8現狀縱覽針對以上問題,窄帶碼分多址(CDMA)蜂窩移動通信系統日益成為關注的焦點。事實上,當數字蜂窩網剛剛進入實用階段之時,美國Qualcomm公司就已推出了新的移動通信系統——CDMA。CDMA系統採用了擴頻通信技術,大幅度地提高了頻率利用率,具有容量大、覆蓋範圍廣、手機功耗小、話音品質高的突出優點,將移動通信技術推向新的發展階段,被人們稱之為第三代移動通信系統——3G。9現狀縱覽另外,高速移動數據業務日益呈現出強勁態勢,成為僅次於話音業務的另一焦點。在移動數據業務領域中,多媒體資訊服務(MMS)、通用分組無線業務(GPRS)和無線應用協議(WAP)等新技術正在大力推廣之中。10趨勢預測目前對第四代移動通信系統主要有以下幾方面的描述:(1)建立在新的頻段(比如5~8GHz乃至更高)上的無線通信系統;(2)基於分組數據的高速率傳輸(10Mb/s以上);(3)真正的“全球一統”(包括衛星部分)系統;(4)基於全新網路體制的系統,或者說其無線部分將是對新網路(智能的、支持多業務的、可進行移動管理)的“無線接入”(5)不再是單純的(傳統意義上)的“通信”系統,而是融合了數字通信、數字音/視頻接收和因特網接入的嶄新的系統。移動通信的服務區12大區制

大區制概念的提出早於社區制,主要為早期的通信系統所採用,滿足了當時系統中小容量的需求。大區制是指把一個通信服務區域僅規劃為一個或少數幾個無線覆蓋區,簡稱無線區。所謂無線區是指當基站採用全向天線時,在無障礙物的開闊地,以通信距離為半徑所形成的圓形覆蓋區。每個無線區的半徑在25~45km左右,用戶容量為幾十至數百個。每個無線區僅為一個基站所覆蓋,基站基本上是相互獨立的。

13圖借助市話交換局的大區制移動通信示意圖

大區制14

大區制的缺點是:由於一個基站所能提供的通道數有限,因而系統容量不高,不能滿足用戶數目日益增加的需要,這是由制式本身決定的,無法克服。移動臺的天線低,發射功率受限,在大的覆蓋區內,上行鏈路(由移動臺到基站)的通信就無法保證了,為此,常採用分集接收技術。即在服務區內設置若干個分集接收點Rd與基站相連,以保證上行鏈路的通信品質。大區制只適合於在中小城市或專用移動網等業務量不大的情況下使用。為了適應大城市或更大區域的服務要求,必須採用社區制組網方式,以在有限的頻譜條件下,達到擴大容量的目的。

大區制15

根據服務區域的形狀不同,社區制又可分為帶狀區和麵狀區(蜂窩網)等。面狀區的蜂窩網結構又可分為宏蜂窩結構、微蜂窩結構以及智能蜂窩結構三種。社區制是指把一個通信服務區域分為若干個小無線覆蓋區,每個社區的半徑在2~20km左右,用戶容量可達上千個。每個社區設置一個基站,負責本區移動臺的聯繫和控制,各個基站通過移動業務交換中心相互聯繫,並與市話局連接。每個社區只需提供較少的幾個無線電通道(一個通道組)就可滿足通信的要求,鄰近的社區使用不同的通道組。社區制16

社區中的基站天線採用全向天線,在理想情況下,它覆蓋的面積可視為一個以基站為中心,以最大可通信距離為半徑的圓。為了不留空隙地覆蓋整個面狀服務區,各個圓形覆蓋區之間一定存在很多重疊區。通過理論分析,通信系統現在大都採用與圓形較接近的正六邊形作為社區的形狀結構,因為這種結構既避免了相鄰覆蓋區間的重疊,又不會產生空隙,區域銜接更緊密,產生的相互干擾更小。又由於該結構看上去像是蜂窩,所以稱其為“蜂窩式移動通信”。蜂窩結構示意圖如圖所示。社區制17圖蜂窩結構示意圖社區制18

社區制結構的最大特點是:採用通道複用技術,大大緩解了頻率資源緊缺的問題,提高了頻率利用率,增加了用戶數目和系統容量。所謂通道複用技術指的是:相鄰社區不使用相同的通道組,但相隔幾個社區間隔的不相鄰社區可以重複使用同一組通道,以充分利用頻率資源。不使用同一組通道的若干個相鄰社區就組成了一個區群(圖中的陰影區域即為一個區群),即整個通信服務區也可看成是由若干個區群構成的。社區制結構的另一特點是:通道距離縮短,發射機功率降低,於是互調幹擾亦減小。社區制19

社區制結構也存在著一些問題:由於通道複用,可能產生同通道干擾,這就涉及到一些相關技術:分集接收技術、功率控制技術、社區半徑最優化技術等。通道複用帶來的另一問題是:當移動臺從一個社區駛入另一個無線區時,即越區過程中必須進行通道自動切換,以保證移動臺越區時通話不間斷,這又涉及到了越區切換技術。為此,還要及時掌握移動臺動態位置——位置登記技術。另外,為進一步提高通道的利用率和通信的品質,可以採用碼分多址(CDMA)方式和通道動態分配方法等。社區制移動通信的傳輸方式21

所謂單工通信是指通信雙方交替進行收信和發信的通信方式,發送時不接收,接收時不發送。單工通信常用於點到點的通信,如圖所示。根據收發頻率的異同,單工通信可分為同頻單工和異頻單工。單工通信22

雙工通信雙工通信的特點是:同普通有線電話很相似,使用方便。其缺點是:在使用過程中,不管是否發話,發射機總是工作的,故電能消耗很大,這對以電池為能源的移動臺是很不利的。針對此問題的解決辦法是:要求移動臺接收機始終保持在工作狀態,而令發射機僅在發話時才工作。這樣構成的系統稱為准雙工系統,也可以和雙工系統相容。這種准雙工系統目前在移動通信系統中獲得了廣泛的應用。23半雙工通信是介於單工通信和全雙工通信之間的一種通信方式。其中,移動臺的工作情況與單工通信時相似:採用“按-講”方式,即按下按講開關,發射機才工作,而接收機總是在工作。基站的工作情況與全雙工通信時相似,只是可以採用雙工器,使收發信機共用一副天線。半雙工通信的特點是:設備簡單，功耗小，克服了單工通信斷斷續續的現象,但操作仍不太方便。所以半雙工方式主要用於專業移動通信系統中,如汽車調度等。半雙工通信移動通信系統的分類25據CCIR的建議,無線尋呼系統可定義為一種非語言單向告警個人選擇呼叫系統。即通過此系統,通信的一方借助於市話電話機能夠向特定的尋呼接收機持有者傳遞一些簡單的個人資訊。在無線尋呼系統中應用的尋呼接收機稱為袖珍鈴,俗稱“BB機”。當接收到資訊時,袖珍鈴以告警的形式通知其持有者。告警方式包括聲音、視覺、振動或是這幾種方式的結合。每個袖珍機都有其特定的“地址編碼”,只有真正發送給它的資訊,持有者才能接收到;同樣,只有知道了特定的“地址編碼”,才能向特定的袖珍機發送資訊。無線尋呼系統26無線尋呼系統27集群移動通信系統集群移動通信系統也稱大區制移動通信系統。CCIR最初稱之為TrunkingSystem(中繼系統),為了避免與無線中繼系統混淆,後又改稱集群系統。集群系統是一種高級移動調度系統,是指揮調度最重要和最有效的通信方式之一,代表著專用移動通信網的發展方向。CCIR對它的定義為“系統所具有的全部可用通道可為系統的全體用戶共用”。即系統內的任一用戶想要和系統內另一用戶通話,只要有空閑通道,就可以在中心控制臺的控制下,利用空閒通道溝通聯絡,進行通話。從某種意義上講,集群通話系統是一個自動共用若干個通道的多通道中繼(轉發)通信系統。它與普通多通道共用的通信系統並無本質的區別,只是更適用於對指揮調度功能要求較高的專門部門或企事業單位。其特點是:資源共用、費用分擔、服務優良、效率高、造價低。28集群移動通信系統29陸地蜂窩移動通信系統

陸地蜂窩移動通信系統也稱社區制移動通信系統,在移動通信中處於統治地位,是目前應用最廣泛、用戶數量最多、與人們日常生活最緊密的移動通信系統。陸地蜂窩移動通信系統的特點是把整個大範圍的無線服務區劃分成許多社區,每個社區設置一個基站,負責本社區各個移動臺的聯絡與控制,各個基站通過移動業務交換中心相互聯繫,並與市話局連接。陸地蜂窩移動通信系統利用超短波電波傳播距離有限的特性及蜂窩狀結構,可有效實現通道複用,在提高頻率利用率的同時,可保證通信的品質。30陸地蜂窩移動通信系統31陸地蜂窩移動通信系統社區是採用基站識別碼(BSIC)或全球社區識別碼(CGIC)進行標識的無線覆蓋區域。在採用全向天線結構的模擬網中,社區即為基站區;在採用120°角天線結構的GSM數字蜂窩移動網中,社區是每個120°角的天線所覆蓋的正六邊形區域的三分之一。基站區指的是一個基站所覆蓋的區域。一個基站區可包含一個或多個社區,故不是所有的社區都設有一個專有的基站,但必須為一個特定的基站所覆蓋。位置區指的是一個移動臺可以自動移動而不必重新“登記”其位置(位置更新)的區域,一個位置區由一個或若干個社區(或基站區)組成。要想向一個位置區中的某個移動臺發出呼叫,可以在這個位置區中向所有基站同時發出尋呼信號。32陸地蜂窩移動通信系統移動業務交換中心簡稱MSC,一個MSC區指的是由一個MSC覆蓋的區域。一個MSC區可由若干個位置區組成。

PLMN(PublicLandMobileNetwork)是公用陸地移動網的簡稱,即陸地蜂窩移動通信系統。在該系統內具有共同的編號制度(比如相同的國內地區號)和共同的路由計畫。例如,整個天津市的移動通信網就是一個PLMN。一個PLMN可以由若干個MSC組成。MSC構成固定網與PLMN移動網之間的功能介面,用於呼叫接續等。業務區指的是由一個或多個移動通信網所組成的區域。只要移動臺在業務區中,就可以被另一個網路的用戶找到,而該用戶也無需知道這個移動臺在該區內的具體位置。這裏的另一個網路可以是另一個PLMN、PSTN(市話網)或ISDN(綜合業務數字網)。一個業務區可由若干個PLMN組成,也可由一個或若干個國家組成,也可能是一個國家的一部分。33陸地蜂窩移動通信系統PLMN(PublicLandMobileNetwork)是公用陸地移動網的簡稱,即陸地蜂窩移動通信系統。在該系統內具有共同的編號制度(比如相同的國內地區號)和共同的路由計畫。例如,整個天津市的移動通信網就是一個PLMN。一個PLMN可以由若干個MSC組成。MSC構成固定網與PLMN移動網之間的功能介面,用於呼叫接續等。業務區指的是由一個或多個移動通信網所組成的區域。只要移動臺在業務區中,就可以被另一個網路的用戶找到,而該用戶也無需知道這個移動臺在該區內的具體位置。這裏的另一個網路可以是另一個PLMN、PSTN(市話網)或ISDN(綜合業務數字網)。一個業務區可由若干個PLMN組成,也可由一個或若干個國家組成,也可能是一個國家的一部分。34移動衛星通信所謂移動衛星通信是指以通信衛星為中繼站,在較大地域及空間範圍內實現移動臺與固定臺、移動臺與移動臺以及移動臺或固定臺與公眾網用戶之間的通信。移動衛星通信是移動通信和衛星通信相結合的產物,兼具衛星通信覆蓋面寬和移動通信服務靈活的優點,是實現未來個人移動通信系統和真正的資訊高速公路的重要手段之一。

35移動衛星通信36無繩電話系統

無繩電話系統指的是以無線電波(主要是微波波段的電磁波)、鐳射、紅外線等作為主要傳輸媒介,利用無線終端、基站和各種公共通信網(如PSTN、ISDN等),在限定的業務區域內進行全雙工通信的系統。無繩電話系統採用的是微蜂窩或微微蜂窩無線傳輸技術。20世紀90年代中期出現的新一代的無繩電話系統,具有容量大、覆蓋面寬、支持數據通信業務等特點,其典型的代表有:泛歐數字無繩電話系統(DECT,DigitalEuropeanCordlessTelephone)、日本的個人手持電話系統(PHS,PersonalHandyphoneSystem)和美國的個人接入通信系統(PACS,PersonalAccessCommunicationSystem)。

37無繩電話系統第二講

移动通信系统组成和特点39主要內容移動通信系統的組成移動通信系統的特點移動通信系統的頻譜分配移動通信系統的組成41移動通信系統組成

移動通信系統主要由移動臺(MS,MobileStation)、基地站(BS,BaseStation)、移動業務交換中心(MSC,MobileTelephoneSwitchingCenterorMobileServicesSwitchingCenter)及傳輸線四個部分組成

42移動通信系統組成移動臺有可攜式、手提式、車載式三種。所以說移動臺不單指手機,手機只是一種可攜式的移動臺。基地站是以多通道共用方式在移動通信中提供通信服務的關鍵設備,其中主要由收發通道盤等組成。移動業務交換中心除具有一般市話交換機的功能之外,還有移動業務所需處理的越區切換、漫遊等處理功能。傳輸線部分主要是指連接各設備之間的中繼線。目前MSC到BS之間的傳輸主要採用小微波及光纜等方式。移動通信系統的特點44電波傳播條件複雜在移動通信系統(特別是陸地移動通信系統)中,由於移動臺可能在各種環境中不斷運動,建築群或障礙物對其的影響不斷變化,電磁波在傳播時會產生反射、折射、繞射等現象,由此會產生多徑干擾、信號傳播延遲和展寬及多蔔勒等效應,從而導致接收信號的強度和相位隨時間、地點而不斷變化。只有充分研究電波傳播的規律,才能進行合理的系統設計。45電波傳播條件複雜所謂多蔔勒效應指的是當移動臺(MS)具有一定速度v的時候,基站(BS)接收到移動臺的載波頻率將隨v的不同,產生不同的頻移。反之也如此。移動產生的多蔔勒頻率為式中,v為移動體速度,λ為工作波長,θ為電波入射角(如圖1-14所示)。此式表明,移動速度越快,入射角越小,則多蔔勒效應就越嚴重。46電波傳播條件複雜47雜訊和干擾嚴重通信品質的好壞與外部的雜訊及干擾有關。雜訊的主要來源是人為雜訊,如來源於城市環境中交通工具的雜訊,房屋裝修過程中的雜訊及各種的工業雜訊。干擾的主要來源有由設備中器件的非線性特性引起的互調幹擾,由移動臺“遠近效應”引起的鄰道干擾及同頻複用所引起的同頻干擾等。因此,在系統設計時,應根據具體情況,採取相應的抗干擾和雜訊的措施48頻帶利用率要求高移動通信,特別是陸地移動通信的用戶數量很大,為了緩和用戶數量大與可利用的頻率資源有限的矛盾,除了開發新頻段之外,還要採取各種措施以圖更加有效地利用頻率資源,如壓縮頻帶、縮小波道間隔、多波道共用等,即採用頻譜和無限頻道有效利用技術。49移動臺的移動性強由於移動臺的移動是在廣大區域內的不規則運動,而且大部分的移動臺都會有關閉不用的時候,它與通信系統中的交換中心沒有固定的聯繫,因此,要實現通信並保證品質,移動通信必須是無線通信或無線通信與有線通信的結合,而且必須要發展自己的跟蹤、交換技術,如位置登記技術、波道切換技術、漫遊技術等。

50通信設備的性能要好不同的移動通信系統有不同的特點,這也是對通信設備性能要求的依據。在陸地移動通信系統中,要求移動臺體積小、重量輕、功耗低、操作方便。同時,在有振動和高、低溫等惡劣的環境條件下,要求移動臺依然能夠穩定、可靠地工作。51系統和網路結構複雜移動通信系統是一個多用戶的通信系統,必須使用戶之間互不干擾,能夠協調一致地工作。此外,移動通信系統還應與公用電話網(PSTN)、綜合業務數字網(ISDN)等互連。移動通信的頻譜安排53頻率資源簡介

54我國蜂窩移動通信系統的頻率系統或使用部門上行頻率/MHz下行頻率/MHz中國聯通CDMA825~835870~880中國移動GSM室內分佈系統885~890930~935中國移動GSM900890~909935~954中國聯通GSM900909~915954~960中國移動DCS18001710~17201805~1815中國聯通DCS18001745~17551840~1850第三講

移动通信的基本技术（一）56主要內容電波傳播分析編碼和解碼技術電波傳播分析58電波傳播方式

59電波傳播方式1)直射波：電波傳播過程中沒有遇到任何的障礙物,直接到達接收端的電波,稱為直射波。直射波更多出現於理想的電波傳播環境中。2)反射波：電波在傳播過程中遇到比自身的波長大得多的物體時,會在物體表面發生反射,形成反射波。反射常發生於地表、建築物的牆壁表面等。3)繞射波：電波在傳播過程中被尖利的邊緣阻擋時,會由阻擋表面產生二次波,二次波能夠散佈於空間,甚至到達阻擋體的背面,那些到達阻擋體背面的電波就稱為繞射波。由於地球表面的彎曲性和地表物體的密集性,使得繞射波在電波傳播過程中起到了重要作用。4)散射波：電波在傳播過程中遇到障礙物表面粗糙或者體積小但數目多時,會在其表面發生散射,形成散射波。散射波可能散佈於許多方向,因而電波的能量也被分散於多個方向。60電波傳播現象

61電波傳播現象移動通信電波傳播最具特色的現象是多徑衰落,或稱多徑效應。無線電波在傳輸過程中會受到地形、地物的影響而產生反射、繞射、散射等,從而使電波沿著各種不同的路徑傳播,這稱為多徑傳播。由於多徑傳播使得部分電波不能到達接收端,而接收端接收到的信號也是在幅度、相位、頻率和到達時間上都不盡相同的多條路徑上信號的合成信號,因而會產生信號的頻率選擇性衰落和時延擴展等現象,這些被稱為多徑衰落或多徑效應。所謂頻率選擇性衰落是指信號中各分量的衰落狀況與頻率有關,即傳輸通道對信號中不同頻率成分有不同的、隨機的回應。由於信號中不同頻率分量衰落不一致,因此衰落信號波形將產生失真。62電波傳播現象

所謂時延擴展是指由於電波傳播存在多條不同的路徑,路徑長度不同,且傳輸路徑隨移動臺的運動而不斷變化,因而可能導致發射端一個較窄的脈衝信s0(t)=a0δ(t)在到達接收端時變成了由許多不同時延脈衝構成的一組信號。時延擴展可直觀地理解為在一串接受脈衝中,最大傳輸時延和最小傳輸時延的差值,即最後一個可分辨的延時信號與第一個延時信號到達時間的差值,記為Δ,Δ就是脈衝展寬的時間。63電波傳播現象

移動臺接收信號的強度隨移動臺的運動產生隨機變化(即衰落),這種變化的週期從幾分之一秒至幾小時不等。因此移動通信電波傳播中的衰落又分為慢衰落和快衰落兩種。慢衰落(也稱長期衰落)指的是接收信號強度隨機變化緩慢,具有十幾分鐘或幾小時的長衰落週期。慢衰落主要是由電波傳播中的陰影效應以及能量擴散所引起的,具有對數正態分佈的統計特性。快衰落(也稱短期衰落或多徑衰落)指的是接收信號強度隨機變化較快,具有幾秒鐘或幾分鐘的短衰落週期。快衰落主要是由電波傳播中的多徑效應所引起的,具有萊斯分佈或瑞利分佈的統計特性。當發射機和接收機之間有視距路徑時一般服從萊斯分佈,無視距路徑時一般服從瑞利分佈。

64電波傳播現象

路徑損耗是上述現象的一個綜合結果,指的是信號從發射天線經無線路徑傳播到接收天線時的功率損耗,可以用發射天線的絕對功率電平與接收天線的絕對功率電平之差值來表示。路徑損耗的一個主要原因是電波會隨著距離而擴散,從而使接收機的接收功率隨著傳輸距離的增加而減小;路徑損耗的另一個原因是地表以及地表上的各種障礙物的影響。因而,影響路徑損耗的幾點要素是:傳輸距離、天線高度和頻率間隙等。例如,發射機的功率電平是10dB,若路徑損耗為50dB,則接收機的接收功率電平是-40dB。

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典型電波傳播的分析自由空間電波傳播自由空間是指相對介電常數和導磁率為1的均勻介質所存在的空間,該空間具有各向同性、電導率為零的特點,它是一種理想的傳播環境。電波在自由空間傳播時與在真空中傳播一樣,只有直線傳播的擴散損耗。對於移動通信系統而言,其自由空間路徑損耗Lbs僅與傳輸距離d和電波頻率f有關,而與收、發天線增益無關。可用下式來表示:Lbs=32.44+20lgd+20lgf

式中,傳輸距離d的單位為km,電波頻率f的單位為MHz，Lbs單位為dB。66電波傳播的估算

對移動環境中電波傳播特性的研究,可以採用兩種方法:理論分析方法和實測分析方法。理論分析方法通常用射線表示電磁波束的傳播,在確定收發天線的高度、位置和周圍環境的具體特徵後,可根據直射、折射、反射、散射、透射等波動現象,用電磁波理論計算電波傳播路徑損耗及有關通道參數。實測分析方法是在典型的傳輸環境中進行現場測試,並用電腦對大量實測數據進行統計分析。這兩種方法最終都要建立有普遍適用性的數學模型,以進行傳播預測。在實際工作中,人們往往把二者結合起來,從而能夠實現對電波傳播特性更準確的估算。67

常用的電波傳播模型有OkumuraHata模型和WalfishIkegami。

OkumuraHata模型由國際無線電諮詢委員會(CCIR)推薦,其特點是以准平坦地形城市市區環境作為基準,對其他傳播環境和地形條件等因素分別以校正因數的形式進行修正。OkumuraHata模型中值路徑損耗經驗公式為Lb＝69.55＋26.16lgf-13.82lghb-α(hm)＋(44.9-6.55lghb)lgd

其中,Lb為市區准平滑地形電波傳播損耗中值(dB),f是工作頻率(MHz),hb是基站天線有效高度(m),hm是移動臺天線有效高度(m),d為移動臺與基站之間的距離(km),α(hm)是移動臺天線高度因數。電波傳播的估算68電波傳播的估算

WalfishIkegami模型由歐洲電信科學技術研究聯合會推薦,其特點是從對眾多城市的電波實測中得出的一種社區域覆蓋範圍內的電波損耗模式。不管是用哪一種模型來估算電波傳播損耗,只是基於理論分析和實際測試結果的近似計算。由於移動通信的實際環境千差萬別,因而很難用一種數學模型來精確地表征各種不同地區的傳播特性。隨著移動通信的發展,社區半徑越來越小,社區傳播環境的特殊性也越來越突出,也就越難歸納出統一的傳播模型。編碼和解碼技術70信源編、解碼

所謂信源編碼是指將信號源中多餘的資訊除去,從而形成一個適合用來傳輸的信號的過程。信源編碼的目的是提高系統傳輸效率,去除冗餘度。語音編碼屬於信源編碼，移動通信中採用的語音編碼方法主要取決於無線移動通道的條件:由於頻率資源十分有限,因此要求編碼信號的速率較低;由於移動通道的傳播條件惡劣,因而編碼演算法應有較好的抗誤碼特性。另外,從用戶的角度出發,還應有較好的話音質量和較短的時延。移動通信對數字語音編碼的要求如下:

·速率較低,純編碼速率應低於16kb/s;

·在一定編碼速率下的音質應盡可能高;

·編碼時延要短,要控制在幾十毫秒之內;

·編碼演算法應具有較好的抗誤碼性能,計算量小,性能穩定;

·編碼器應便於大規模集成。71信源編、解碼常用數字移動通信系統語音編碼類型72由於通信通道,尤其是無線通信通道,容易受到外界干擾和雜訊的影響,因此導致資訊在傳輸過程中發生改變,從而在接收端接收不到完全正確的資訊。為了保證通信的可靠性,必須採用通道編碼。通道編碼能夠檢查和糾正接收資訊流中的差錯。通道編碼定理指出:在編碼速率小於通道容量的條件下,通過編碼可以使解碼錯誤概率任意小,從而達到可靠通信。該定理證明:確實存在一種編碼方式,其誤碼率隨著碼長n的增長趨於任意小。這說明通道編碼屬於冗餘編碼,而且冗餘度與誤碼率存在一定的反比關係。需要指出的是冗餘度越高,誤碼率就越小,系統的可靠性就越高;但同時,編碼位數就越多,需要的傳輸速率就越高,佔用的通道帶寬就越寬。因此,必須研究編碼技術,在保證系統可靠性的前提下,儘量降低傳輸速率,減小通道帶寬。通道編、解碼73通道編碼的基本思想是按一定規則給數字序列m(稱為資訊碼元)增加一些多餘的碼元(稱為監督碼元),使不具有規律性的資訊序列m變換為具有某種規律性的數碼序列C;數碼序列中C的資訊序列碼元m與多餘碼元之間是相關的。接收端的解碼器利用這種預知的編碼規則進行解碼,檢驗接收到的數字序列R是否符合既定的規則,從而發現R中是否有錯，甚至糾正其中的差錯。根據相關性來發現和糾正傳輸過程中產生的差錯就是通道編碼的基本思想。通道編、解碼74糾錯編碼是應用最廣泛的編碼,又可分為如下幾類:(1)按照糾正差錯的類型可分為糾正隨機錯誤的編碼和糾正突發錯誤的編碼兩種。隨機錯誤是指碼元間的錯誤互相獨立,即每個碼元的錯誤概率與它前後碼元的錯誤與否無關;突發錯誤是指一個碼元的錯誤往往影響其前後碼元的錯誤概率,換句話說,一個碼元產生錯誤,則後面幾個碼元都可能發生錯誤。在移動通信系統中,既要糾正隨機錯誤,又要糾正突發錯誤。通道編、解碼75

(2)按照資訊碼元和監督碼元之間的約束方式不同可分為分組碼和卷積碼兩種。分組碼是指編碼的規則僅局限於本碼組之內,本碼組的監督碼元僅和本碼組的資訊碼元相關;卷積碼是指本碼組的監督碼元不僅和本碼組的資訊碼元相關,還與本碼組相鄰的前n-1個碼組的資訊碼元相關。

(3)按照資訊碼元和附加的監督碼元之間的檢驗關系可分為線性碼和非線性碼兩種。線性碼是指資訊碼元與監督碼元之間的關係為線性關係,即監督碼元是線性碼元的線性組合,編碼規則可用線性方程來表示;非線性碼的資訊碼元與監督碼元之間不存在線性關係。通道編、解碼76

(4)按照碼字的結構不同,可分為系統碼和非系統碼兩種。系統碼是指前k個碼元與資訊碼組一致的編碼;非系統碼不具有系統碼的特性。

(5)按照碼字中每個碼元的取值可分為二進位碼和多進制碼。二進位碼的碼元有0和1兩個取值,M進制碼的碼元有M個取值。二進位碼是應用最廣泛的編碼制式。通道編、解碼77通道編、解碼根據發送端通道編碼的特性,接收端在解碼後採取的差錯控制方式有:·前向糾錯(FEC)。發送端的通道編碼器將資訊碼組編成具有一定糾錯能力的碼。接收端通道解碼器對接收碼字進行解碼,若傳輸中產生的差錯數目在碼的糾錯能力之內時,解碼器對差錯進行定位並加以糾正。

·自動請求重發(ARQ)。用於檢測的糾錯碼在解碼器輸出端只給出當前碼字傳輸是否可能出錯的指示,當有錯時按某種協議通過一個反向通道請求發送端重傳已發送碼字的全部或部分。78通道編、解碼·混合糾錯(HEC)是FEC與ARQ方式的結合。發端發送同時具有自動糾錯和檢測能力的碼組,收端收到碼組後,檢查差錯情況,如果差錯在碼的糾錯能力以內,則自動進行糾正。如果通道干擾很嚴重,錯誤很多,超過了碼的糾錯能力,但能檢測出來,則經回饋通道請求發端重發這組數據。·資訊回饋(IRQ)也稱回程校驗方式。收端把收到的數據,原封不動地通過回饋通道送回到發端,發端比較發的數據與回饋來的數據,從而發現錯誤,並且把錯誤的消息再次傳送,直到發端沒有發現錯誤為止。第四講

移动通信的基本技术（二）80主要內容調製與解調技術多址技術調製與解調技術82高斯最小頻移鍵控(GMSK)

最小頻移鍵控(MSK)調製是調製指數(βFM)為0.5的二元數字頻率調製,其調頻帶寬較窄,且具有恒定的包絡,因而可以在接收端採用相干檢測法進行解調。但是對於數字移動通信系統,對信號帶外輻射功率的限制十分嚴格,如帶外衰減要求在70~80dB以上,再採用MSK就不能滿足要求了。這時,可採用MSK的改進型——GMSK作為替代的調製方法。83高斯最小頻移鍵控(GMSK)以高斯低通濾波器的歸一化3dB帶寬BbTs為參變數(Ts為碼元寬度,T=1/fb),以歸一化頻差(f-fc)·Ts為橫坐標(fc為載波功率)的功率譜特性曲線如圖所示。由圖可知,BbTs越小,功率譜越集中，當BbTs=0.2時,GMSK的頻譜與平滑調頻(TFM)的頻譜幾乎相同;當BbTs=∞時,GMSK就蛻變為MSK。84高斯最小頻移鍵控(GMSK)

85高斯最小頻移鍵控(GMSK)需要指出的是,GMSK信號的頻譜特性的改善是通過降低誤碼率性能換來的。前置濾波器的帶寬越窄,輸出功率譜就越緊湊,但誤碼率性能就變得越差。

GMSK信號的解調可採用正交相干解調,也可採用鑒相器或差分檢測器。

GMSK在移動通信中有著廣泛的應用,如GSM系統就採用這種方法。GSM的通道傳輸速率1/Ts=1625/6kb/s,BbTs=0.3。研究證明,當BbTs=0.3時,GMSK的功率譜完全滿足GSM標準的要求。86四相相移鍵控(QPSK)

QPSK調製器的原理框圖如圖所示。它可以看成由兩個BPSK調製器構成,輸入的串行二進位資訊序列經串/並變換,分成兩路速率減半的序列,電平發生器分別產生雙極性電平信號I(t)和Q(t),然後分別對Acosωct和Asinωct進行調製,相減後即得QPSK信號。87四相相移鍵控(QPSK)

QPSK調製器原理框圖88四相相移鍵控(QPSK)

信號波形圖89

該QPSK調製器的原理:把相繼兩個二進位碼元(an,an-1)的四種組合對應於正弦波si(t)=Acos(ωct+Qi)的四個相位(其中-T/2≤t≤T/2),則調製器的輸出為四相相移鍵控(QPSK)s1(t)=Acos(ωct+Q1)Q1=+π/4;(an,an-1)=(+1,+1)s2(t)=Acos(ωct+Q2)Q2=-π/4;(an,an-1)=(-1,+1)s3(t)=Acos(ωct+Q3)Q3=+3π/4;(an,an-1)=(-1,-1)s4(t)=Acos(ωct+Q4)Q4=-3π/4;(an,an-1)=(+1,-1)

90π/4-QPSK

π/4-QPSK是QPSK的改進型,改進之一是將QPSK的最大相位跳變由±π降為±3/4π,從而減小了信號的包絡起伏,改善了頻譜特性。具體來看,π/4-QPSK可以看成是在QPSK的基礎上,每個碼元週期內其相位旋轉π/4而形成的。QPSK共有四個狀態,由其中一個狀態可以轉換為其他三個狀態中的任何一個,因而存在180°的相位變化(即相位遷移通過原點)。π/4-QPSK共有八個狀態,分為兩組,相位相差45°,在圖中分別以白點和黑點表示。π/4-QPSK向量轉換,只能在這兩組之間進行,也就是說,如果現在的碼元週期內,相位狀態是白點中的一個,在下一個碼元週期內相位狀態只能是黑點中的某一個。可見π/4-QPSK中可能出現的最大相位變化是135°。因此,π/4-QPSK已調信號的包絡起伏比原型QPSK要小,經非線性放大後的頻譜特性也優於原型QPSK。91

π/4-QPSKπ/4QPSK星座圖和相位轉移圖92

π/4-QPSK對QPSK的改進之二是解調方式。QPSK只能採用相干解調,而π/4-QPSK既可以採用相干解調,也可以採用非相干解調,如差分檢測和鑒頻器檢測等。π/4-QPSK相位調製技術是近幾年來移動通信中使用較多的一種調製方式,美國的IS-136數字蜂窩系統、日本的個人數字蜂窩系統(PDC)和美國的個人接入通信系統(PACS)都採用這種調製技術。π/4-QPSK93正交振幅調製(QAM)

正交振幅調製是二進位PSK和四進制QPSK調製的進一步推廣,通過相位和振幅的聯合控制,可以得到更高頻譜效率的調製方式,從而可在限定的頻帶內傳輸更高速率的數據。正交振幅調製的一般運算式為

Y(t)＝Amcosωt+Bmsinωt,0＜t＜Ts

上式由兩個相互正交的載波構成,每個載波被一組離散的振幅{Am}、{Bm}所調製,故稱這種調製方式為正交振幅調製。式中,Ts為碼元寬度,m＝1,2,…M;而M為Am和Bm的電平數。94正交振幅調製(QAM)QAM調製和相干解調的原理框圖95正交振幅調製(QAM)

經分析可知,QAM具有更高的頻譜效率,這是由於它具有更大的符號數。對於給定的系統,所需要的電平數為2n,這裏n是每個電平的比特數。每個電平包含的比特(基本資訊單位)越多,效率就越高。如16QAM在25kHz通道中可實現64kb/s的傳輸速率,其頻譜利用率高達2.56b/s·Hz;而64QAM的頻帶利用率可達5b/s·Hz。但需要指出的是,QAM的高頻帶利用率是以犧牲其抗干擾性來獲得的,電平數越大,信號星座點數越多,其抗干擾性能就越差。因為隨著電平數的增加,電平間的間隔減小,雜訊容限減小,同樣雜訊條件下誤碼也就增加。多址技術97多址技術的含義

所謂多址技術就是使多個用戶接入並共用同一個無線通信通道,以提高頻譜利用率的技術。即把同一個無線通道按照時間、頻率等進行分割,使不同的用戶都能夠在不同的分割段中使用這一通道,而又不會明顯地感覺到他人的存在,就好像自己在專用這一通道一樣。佔用不同的分割段就像是擁有了不同的地址,使用同一通道的多個用戶就擁有了多個不同的地址。這就是多址技術,亦稱多址接入技術。如在蜂窩移動通信系統中,多個移動用戶要同時通過一個基站和其他移動用戶進行通信,就必須對基站和不同的移動用戶發出的信號賦予不同的特徵,使基站能從眾多移動用戶的信號中區分出是哪一個移動用戶發來的信號,同時各個移動用戶又能夠識別出基站發出的信號中哪個是發給自己的。

98頻分多址(FDMA)

頻分多址技術按照頻率來分割通道,即給不同的用戶分配不同的載波頻率以共用同一通道。頻分多址技術是模擬載波通信、微波通信、衛星通信的基本技術,也是第一代模擬移動通信的基本技術。在FDMA系統中,通道總頻帶被分割成若干個間隔相等且互不相交的子頻帶(地址),每個子頻帶分配給一個用戶,每個子頻帶在同一時間只能供給一個用戶使用,相鄰子頻帶之間無明顯的干擾。99頻分多址(FDMA)

100時分多址技術按照時隙來劃分通道,即給不同的用戶分配不同的時間段以共用同一通道。時分多址技術是數字數據通信和第二代移動通信的基本技術。在TDMA系統中,時間被分割成週期性的幀,每一幀再分割成若干個時隙(地址)。無論幀或時隙都是互不重疊的。然後,根據一定的時隙分配原則,使各個移動臺在每幀內只能按指定的時隙向基站發送信號,在滿足定時和同步的條件下,基站可以分別在各時隙中接收到各移動臺的信號而互不混擾。同時,基站發向多個移動臺的信號都按順序安排,在預定的時隙中傳輸。各移動臺只要在指定的時隙內接收,就能在合路的信號中把發給它的信號區分出來。時分多址(TDMA)101時分多址(TDMA)

102與FDMA技術相比,TDMA具有如下特性:

(1)每載頻多路。TDMA系統能夠在每一載頻上產生多個時隙,而每個時隙都是一個通道,因而能夠進一步提高頻譜利用率,增加系統容量。

(2)傳輸速率高。每一載頻含有時隙多,則頻率間隔寬,傳輸速率就高。

(3)對新技術開放。例如當因語音編碼演算法的改進而降低比特速率時,TDMA系統的通道很容易重新配置以接納新技術

(4)共用設備成本低。由於每一載頻為許多客戶提供業務,因此TDMA系統共用設備的每客戶平均成本與FDMA系統相比是大大降低了。

(5)不存在頻率分配問題。對時隙的管理和分配通常要比對頻率的管理與分配簡單而經濟，所以,TDMA系統更容易進行時隙的動態分配。

(6)基站可以只用一臺發射機。可以避免像FDMA系統那樣因多部不同頻率的發射機同時工作而產生的互調幹擾。

時分多址(TDMA)103

時分多址(TDMA)同時,TDMA也具有一定的缺陷:(1)必須有精確的定時和同步。(2)移動臺較複雜。(3)傳輸開銷大。104碼分多址(CDMA)

碼分多址技術按照碼序列來劃分通道,即給不同的用戶分配一個不同的編碼序列以共用同一通道。碼分多址技術是第二代移動通信的演進技術和第三代移動通信的基本技術。在CDMA系統中,每個用戶被分配給一個惟一的偽隨機碼序列(擴頻序列),各個用戶的碼序列相互正交,因而相關性很小,由此可以區分出不同的用戶。與FDMA劃分頻帶和TDMA劃分時隙不同,CDMA既不劃分頻帶又不劃分時隙,而是讓每一個頻道使用所能提供的全部頻譜,因而CDMA採用的是擴頻技術,它能夠使多個用戶在同一時間、同一載頻以不同碼序列來實現多路通信。CDMA示意圖如圖所示。105碼分多址(CDMA)

106碼分多址(CDMA)

以上三種多址技術相比較,CDMA技術的頻譜利用率最高,所能提供的系統容量最大,它代表了多址技術的發展方向;其次是TDMA技術,目前技術比較成熟,應用比較廣泛;FDMA技術由於頻譜利用率低,將逐漸被TDMA和CDMA所取代,或者與後兩種方式結合使用,組成TDMA/FDMA、CDMA/FDMA方式。第五講

移动通信的基本技术（三）108主要內容抗雜訊和干擾技術交織技術分集技術抗雜訊和干擾技術110同頻道干擾

在移動通信系統中,為了提高頻率利用率,相隔一定距離要重複使用相同的頻道,這種方法稱作同頻道再用。同頻道再用帶來的問題是同頻道干擾,再用距離越近,同頻道干擾越大;再用距離越遠,同頻道干擾越小,但頻率利用率也會降低。實際情況下,隨著系統規模不斷擴大,頻率複用度必然增加,從而同頻道干擾的產生機率也會大大增加。此外,在移動通道中,還存在著其他各種各樣的干擾信號,凡是與有用信號具有相同頻率的無用信號(如多徑傳輸形成的多徑信號)或者與有用信號具有不同頻率,但頻差不大,能進入同一接收機通帶的無用信號,都能產生同頻道干擾。構成同頻道干擾的頻率範圍為f0±Bi/2,f0為載波頻率,Bi為接收機的中頻帶寬。111同頻道干擾改善同頻道干擾主要採用以下幾種措施:(1)調整基站發動機功率或天線高度,使重疊區落在人煙稀少的地區,但實際操作很難把握

(2)使用頻率偏置技術。

(3)使用黑雜訊技術。

(4)採用時延均衡技術。112互調幹擾

互調幹擾是由發射機中的非線性電路產生的。例如,當多部不同頻率的發射機設置在同一地點時,它們的信號都可能通過電磁耦合或其他途徑竄入其他發射機中。在發射機非線性器件的作用下,會產生許多諧波和組合頻率分量,其中與接收機所需信號頻率ω0相鄰近的組合頻率分量會順利地進入接收機而形成干擾。近年來,移動通信發展迅猛,競爭日趨激烈,為提高競爭力,擴大覆蓋範圍,必然要增加發射機數量,天線架設越來越密集,互調幹擾不可避免。

113互調幹擾減小發射機互調幹擾的措施有:(1)儘量增大基站發射機之間的耦合損耗Le。各發射機分用天線時,要增大天線間的空間隔離度;在發射機的輸出端接入高質量的帶通濾波器,增大頻率隔離度;避免饋線相互靠近和平行敷設。

(2)改善發射機非線性器件的性能,提高其線性動態範圍。

(3)在共用天線系統中,各發射機與天線之間加入單向隔離器或高質量的諧振腔。114鄰道干擾

所謂鄰道干擾是指相鄰的或鄰近頻道信號的相互干擾。目前,移動通信系統廣泛使用VHF、UHF,其都有一定的頻道間隔,但是,調頻信號的頻譜是很寬的,理論上說,調頻信號含有無窮多個邊頻分量,當其中某些邊頻分量落入鄰道接收機的通帶內,而鄰道接收機的濾波性能不夠好時,就會造成鄰道干擾。115鄰道干擾

由以上分析可知,克服鄰道干擾有下列措施:(1)降低基站的發射功率;(2)移動臺採用自動功率控制裝置;(3)在無線近區設置強信號吸收裝置。交織技術117交織過程示意圖

118交織排列方式應考慮的因素

交織的排列方式可以有多種方案,但在具體情況下究竟採用何種方案,要綜合考慮以下幾個因素及參數:(1)通道參數電平通過率。

(2)平均衰落持續時間。

(3)衰落持續時間分佈。

(4)糾錯能力。

(5)編碼種類。分集技術120分集技術的含義

分集技術(DiversityTechniques)是一種利用多徑信號來改善系統性能的技術。其理論基礎是認為不同支路的信號所受的干擾具有分散性,即各支路信號所受的干擾情況不同,因而,有可能從這些支路信號中挑選出受干擾最輕的信號或綜合出高信噪比的信號來。其基本思想是利用移動通信的多徑傳播特性,在接收端通過某種合併技術將多條符合要求的支路信號合併且輸出,從而大大降低多徑衰落的影響,改善傳輸的可靠性。對這些支路信號的基本要求是:傳輸相同資訊、具有近似相等的平均信號強度和相互獨立衰落特性。121空間分集

在移動通信中,空間略有變動就可能出現較大的場強變化,空間分集就是利用場強隨空間的隨機變化而實現的。空間距離越大,多徑傳播的差異就越大,所接收場強的相關性就越小。具體來講,空間分集是在發射端採用一副發射天線,接收端採用多副接收天線。只要接收端天線之間的間隔d足夠大,就能保證各接收天線輸出信號衰落特性的相互獨立性。經過測試和統計,CCIR建議為了獲得滿意的分集效果,接收天線之間的間距應大於0.6個波長,即d＞0.6λ,並且最好選在λ/4的奇數倍附近。當然,在實際環境中,接收天線之間的間距要視地形、地物等具體情況而定。空間分集的原理如圖所示。對於空間分集而言,分集的支路數m越大,分集效果越好。但當m較大(如m>3)時,分集的複雜度增加,分集增益的增加隨著m增大而變得緩慢。空間分集是移動通信系統中最常用的分集技術。

122空間分集

123頻率分集

頻率分集就是在發射端將要傳輸的資訊分別以不同的載頻發射出去,只要載頻之間的間隔足夠大(大於相干帶寬),那麼在接收端就可以得到衰落特性互不相關的信號,從而減小信號的衰落,提高通信品質。相干帶寬指的是頻帶最大帶寬,在此帶寬內,兩個信號的傳輸係數的統計特性是強相關的,但當兩個頻率之間的間隔超過相干帶寬時就不相關了。相干帶寬Bc可用下式估計:

式中,Δ為多徑時延擴展的脈衝展寬時間。

124頻率分集

125

時間分集是將給定的信號在時間上相隔一定的間隔ΔT重複發送(m次),只要這些時間間隔大於通道的相干時間,就能保證信號衰落的不相關性,從而在接收端得到條獨立的分集支路。RAKE接收是時間分集在移動通信系統中的典型應用。時間分集的原理如圖所示。時間分集126時間分集

127

時間分集有利於克服移動通信中由多蔔勒效應引起的信號衰落現象。由於該衰落速率與移動臺的運動速度及工作波長有關,因此為了保證重複發送的信號具有相互獨立性,必須要使信號的重發時間間隔ΔT滿足如下關係:

式中,fm為衰落速率,v為車速,λ為工作波長。可見,當移動臺處於靜止狀態(即v=0)時,要求ΔT為無窮大,因而此時的時間分集基本上是沒有用處的。時間分集128極化分集極化分集的理論依據是兩個在同一地點極化方向相互正交的天線發出的信號具有不相關的衰落特性。具體來講,在發射端的同一地點分別裝上垂直極化天線和水準極化天線,在接收端的同一位置也分別裝上垂直極化天線和水準極化天線,就可得到兩路衰落特性不相關的信號。極化分集實際上是空間分集的特殊情況——分集支路只有兩路且相互正交。極化分集的優點是結構比較緊湊,節省空間。其缺點是由於發射功率被分配到兩副天線上,因而信號功率將有3dB的損失。129合併技術

接收端接收到m(m≥2)個分集信號後,如何利用這些信號以減小衰落的影響,這就是合併問題。對分散的信號進行合併的方法通常有以下幾種:(1)最佳選擇式:從幾個分散的信號中選擇信噪比最好的一個作為接收信號。

(2)等增益相加式:把幾個分散信號以相同的支路增益直接相加的結果作為接收信號。

(3)最大比值合併:控制各支路增益,使它們分別與本支路的信噪比成正比,即根據各支路的信噪比來設置增益值,然後再相加以獲得接收信號。第六講

GSM系統組成（一）131主要內容GSM系統結構GSM系統主體部分GSM系統介面GSM系統結構133GSM系統結構

GSM系統主體部分135網路交換子系統(NSS)

1)移動業務交換中心(MSC,MobileServicesSwitchingCenter)：MSC是GSM系統的核心,是對位於它所覆蓋區域中的移動臺進行控制和完成話路交換的功能實體,也是移動通信系統與其他公用通信網之間的介面。它使用戶使用各種業務成為可能。136網路交換子系統(NSS)

MSC的具體功能如下:·MSC可從三種資料庫(HLR、VLR和AUC)中獲取處理用戶位置登記和呼叫請求所需的全部數據。反之,MSC也可根據其最新得到的用戶請求資訊(如位置更新,越區切換等)更新資料庫的部分數據。

·MSC作為網路的核心,應能完成位置登記、越區切換和自動漫遊等移動管理工作。同時具有電話號碼存儲編譯、呼叫處理、路由選擇、回波抵消、超負荷控制等功能。

·MSC還支持通道管理、數據傳輸以及包括鑒權、資訊加密、移動臺設備識別等安全保密功能。

137網路交換子系統(NSS)對於容量比較大的GSM系統,一個網路子系統NSS可包括若干個MSC、VLR和HLR,當固定網用戶呼叫GSM移動用戶時,無需知道移動用戶所處的位置,此呼叫首先被接入到入口移動業務交換中心(亦稱移動關口局,簡稱GMSC)中,入口交換機負責從HLR中獲取移動用戶位置資訊,且把呼叫轉接到移動用戶所在的MSC那裏。138網路交換子系統(NSS)

2)來訪位置寄存器(VLR,VisitorLocationRegister)

VLR是一個資料庫,負責存儲MSC為了處理所管轄區域中MS(統稱來訪用戶)的來話接聽和去話呼叫所需檢索的資訊,例如用戶的號碼,所處位置區域的識別,向用戶提供的服務等參數。具體來講,VLR是為其控制區域內的移動用戶服務的,它存儲著進入其控制區域內的已登記的移動用戶的相關資訊,從而為該用戶以後的呼叫連接創造了前提條件。VLR從該移動用戶所在的歸屬位置寄存器(HLR)處獲得並存儲該用戶的數據。一旦用戶離開該VLR的控制區域,則重新在他所進入的另一個VLR登記,原VLR將取消臨時記錄的該移動用戶的數據。因此,VLR可看作是一個動態的用戶數據庫。139網路交換子系統(NSS)

3)歸屬位置寄存器(HLR,HomeLocationRegister)HLR是GSM系統的中央資料庫,主要存儲著管理部門用於移動用戶管理的相關數據,具體包括兩類資訊:一是有關用戶的參數,即該用戶的相關靜態數據,包括移動用戶識別號碼、訪問能力、用戶類別和補充業務等;二是有關用戶目前所處狀態的資訊,即用戶的有關動態數據,如用戶位置更新資訊或漫遊用戶所在的MSC/VLR地址及分配給用戶的補充業務等。每個移動用戶都應在其HLR處註冊登記。HLR可以與MSC/VLR一一對應,也可以一個HLR控制若干個MSC/VLR或整個區域的移動網。

140網路交換子系統(NSS)

4)鑒權中心(AUC,AuthenticationCenter)

AＵC也是一個資料庫,保存著關於用戶的三個參數(隨機號碼RAND、回應數SRES和密鑰Kc)。其作用是:通過鑒權能夠確定移動用戶的身份是否合法,還能夠進一步滿足用戶的保密性通信等要求。鑒權是GSM系統採取的一種安全措施,用來防止無權用戶接入系統和保證通過無線介面的移動用戶通信的安全。任何手機在通話前都要先經過鑒權,待得到系統確認,承認其為合法用戶後,方可進入通話接續。在此過程中,AUC起到了關鍵的141網路交換子系統(NSS)

5)設備識別寄存器(EIR,EquipmentIdentityRegister)

對移動臺身份的核准包括三個組成部分:入網許可證的核准號碼、裝配工廠號和手機專用號。針對不同的核准結果,移動臺的IMEI會分列於白色清單、黑色清單或灰色清單這三種表格之一。白色清單中收錄了所有的核准號碼,擁有該清單中的號碼的移動臺可以正常使用網路;黑色清單中收錄了所有的掛失移動臺和禁止入網移動臺的號碼,擁有這些號碼的移動臺會被暫時禁用(閉鎖);灰色清單收錄了所有的出現異常或功能不全,但不足以禁用的移動臺的號碼,擁有這些號碼的移動臺會受到網路的監視,隨時可能被鑒別出其非法身份。這樣便可以確保入網移動設備不是被盜用的或是故障設備,確保註冊用戶的安全性。一旦手機丟失,只要向系統報告該手機的IMEI號碼,EIR就會將其列入黑色清單,使得盜用者空歡喜一場。142基站子系統(BSS)

1)基站收發信臺(BTS,BaseTransferandReceiveStation)BTS屬於基站子系統的無線介面設備,完全由BSC控制,主要負責無線傳輸,完成無線與有線的轉換、無線分集、無線通道加密、無線調製、編碼等功能。具體來說,它可以接收來自移動臺的信號,也可以把BSC提供的信號發送給移動臺,從而完成BSC與無線通道之間的信號轉換。143基站子系統(BSS)

2)基站控制器(BSC,BaseStationControl)BSC在BSS子系統內充當控制器和話務集中器,它主要負責管理BTS,而且當BSC與MSC之間的通道阻塞時,由它進行指示。BSC同時具有對各種通道的資源管理、社區配置的數據管理、操作維護、觀察測量和統計、功率控制、切換及定位等功能,是一個很強的功能實體。144

1)移動終端(MT,MobileTerminal)

移動終端就是“機”,它是移動臺的主體,是完成語音編碼、通道編碼、資訊加密、資訊的調製和解調、信號的發射和接收的主要設備。它可以通過天線接收來自外界無線通道的信號,然後經過一系列的變換和處理,還原成話音信號,供用戶接聽;相反的,它也可以將用戶的話音信號,經過一系列相反的變換和處理,轉變成適合無線通道傳輸的信號形式,通過天線發送出去。移動終端的組成原理框圖如圖所示。

移動臺(MS)145移動臺(MS)

146移動臺(MS)2)用戶識別卡(SIM)

用戶識別卡中存儲著有關用戶的個人資訊和網路管理的一些資訊以及加密、解密演算法等,通過這些資訊可以驗證用戶身份、防止非法盜用、提供特殊服務等,因而又稱為智能卡。GSM系統介面148GSM系統介面

第七講

GSM系統組成（二）150主要內容GSM系統的通道GSM系統的幀GSM系統的通道152GSM系統通道概述

GSM系統中既包含有線通道,又包含無線通道。一般來講,移動臺與基站之間的通信通道屬於無線通道;而基站與網路交換子系統之間以及網路交換子系統內部的通信通道都屬於有線通道,如光纜。在不同的體制中,通道又可以體現為不同的形式。在FDMA中,通道是電磁信號的一個特定頻率區域,稱為頻帶;在TDMA中,通道指的是信號的一個特定時間片段,稱為時隙;在CDMA中,一個通道針對著一個特定的編碼序列,稱為偽隨機序列。上述這些形式的通道都稱為物理通道。GSM系統採用的就是TDMA體制,其物理通道指的是對應1個載頻上的TDMA的1個時隙(TS)。因為GSM的1個TDMA中包含8個時隙,因而1個載頻對應8個通道(依次稱為通道0、通道1、…、通道7)。153GSM系統通道概述

與物理通道相對應的還有邏輯通道。GSM中的邏輯通道是根據BTS與MS之間傳輸的資訊種類的不同而定義的。這些邏輯通道在傳輸過程中都要被放到相應的物理通道上去,這稱為映射。另外,從BTS到MS方向的通道稱為下行通道或稱通道的下行鏈路,反之則稱為上行通道或通道的上行鏈路。根據資訊種類的不同,邏輯通道大體可分為兩類:業務通道和控制通道。而這兩類通道又有具體的劃分,如圖所示。154業務通道(TCH）業務通道主要用於傳輸客戶編碼及加密後的話音和數據,其次還傳輸少量的隨路控制信令。業務通道採用的是點對點的傳輸方式,即一個BTS對一個MS(下行通道),或是一個MS對一個BTS(上行通道)。根據傳輸速率不同,業務通道有全速率業務通道(TCH/F)和半速率業務通道(TCH/H)之分。半速率業務通道所用時隙是全速率業務通道所用時隙的一半。目前使用的是全速率業務通道,將來採用低比特率語音編碼器後可使用半速率業務通道,從而可以在通道傳輸速率不變的情況下,使時隙的數目加倍。