《现代移动通信》课件第7章

7.1GSM通信系统7.2CDMA技术的基础7.3IS-95CDMA系统第7章2G移动通信系统

7.1GSM通信系统

7.1.1GSM系统概述

1.GSM系统的发展

GSM系统源于欧洲，属于第二代(2G)数字蜂窝移动通信系统，它是为解决欧洲各国第一代(1G)模拟蜂窝移动通信系统之间不兼容问题而发展起来的。

2.GSM系统的主要特点

1)频谱效率

2)容量

3)语音质量

4)开放的接口

5)安全性

6)在SIM卡基础上实现漫游7.1.2GSM系统组成

1.GSM系统结构及功能

GSM系统由一系列功能单元组成，其具体组成如图7-1

所示，分为移动台(MobileStation，MS)、基站子系统(BaseStationSub-system，BSS)、网络交换子系统(Network

SwitchingSub-system，NSS)和操作维护子系统(OperationandMaintenanceSub-system，OMS)等几个主要部分。图7-1GSM系统结构

1)移动台

2)基站子系统

3)网络交换子系统

(1)移动业务交换中心(MobileSwitchingCenter，MSC)。

(2)访问位置寄存器(VisitedLocationRegister，VLR)。

(3)归属位置寄存器(HomeLocationRegister，HLR)。

(4)鉴权中心(AUthenticationCenter，AUC)。

(5)设备识别寄存器(EquipmentIdentifyRegister，EIR)。

4)操作维护子系统

2.接口和接口协议

接口是指通信系统不同模块或设备之间进行信息交换的部分。接口两侧的模块或设备必须使用同一协议。而协议是为不同模块或设备之间进行信息交换的需要，而制定的一系列有关信息格式的规范。不同模块或设备必须使用同一协议才能实现信息的正常交换。在通信系统中广泛使用各种协议。图7-2GSM系统接口名称图7-3GSM系统主要接口的协议分层示意图7.1.3GSM无线接口理论

1.GSM系统工作频段

GSM作为公用陆地移动通信网，其无线传输部分必然要占用频率资源，根据GSM规范及国际上各国频率使用情况来看，GSM系统主要工作频段为900MHz和1800MHz。

2.GSM多址方式

GSM系统采用时分多址TDMA和频分多址FDMA相结合的多址方式。图7-4GSM系统多址方式示意图

3.GSM帧结构

在GSM中，每一个载频被定义为一个TDMA帧，相当于FDMA系统中的一个频道。每帧包括8个时隙(TS0~TS7)并要有一个帧号，这是因为在计算加密序列的A5算法中是以TDMA帧号为一个输入参数。当有了TDMA帧号后，移动台就可以判断控制信道TS0上传送的为哪一类逻辑信道了。图7-5GSM系统帧及时隙格式

4.GSM信道

1)物理信道和逻辑信道

物理信道是支持信息传输的媒质，在GSM系统中它是由相应的载频及时隙所决定。

2)逻辑信道的分类

逻辑信道又分为两大类，业务信道和控制信道。业务信道(TCH)用于传送编码后的语音或客户数据，在上行和下行信道上，点对点(BTS对一个MS，或反之)方式传播；控制信道用于传送信令或同步数据。根据所完成的功能这两类信道又可以进一步划分，如图7-6所示。图7-6GSM逻辑信道分类

5.GSM突发脉冲

TDMA信道上的一个时隙中的消息格式被称为突发脉冲，也就是说每个突发脉冲被发送在TDMA帧的其中一个时隙上。因为在特定突发脉冲上发送的信息内容不同，也就决定了它们格式的不同。GSM系统中定义了5种突发脉冲。图7-7常规突发脉冲格式图7-8接入突发脉冲格式图7-9频率校正突发脉冲格式图7-10同步突发脉冲格式图7-11空闲突发脉冲格式

6.信道组合方式

1)控制信道的映射

从帧的分级结构知道，51个TDMA帧构成控制复帧，对于下行链路，小区中主载频C0上的时隙TS0用于映射广播和公共控制信道(FCCH、SCH、BCCH、CCCH)，该时隙不间断地向该小区的所有用户发送同步信息、系统消息、寻呼消息和指配消息。图7-12BCH和CCCH(下行)在TS0上的映射图7-13RACH(上行)在TS0上的映射图7-14SDCCH和SACCH(下行)在TS1上的映射图7-15SDCCH和SACCH(上行)在TS1上的映射

2)业务信道的映射

小区中携带有BCCH的主载频的TS0和TS1按上述映射安排控制逻辑信道，TS2至TS7以及其他载频的TS0至TS7均可安排业务信道。图7-16业务信道的的映射

7.移动台和基站的时间调整

移动台收发信号要求有3个时隙的间隔，如图7-17所示。图7-17上、下行3时隙偏移时间提前量值可以由0至233μs，该值会影响到小区的无线覆盖。GSM小区的无线覆盖半径最大可达到35km，这个限制值是由于GSM的时间提前量编码是在0～63之间。在空中接口，信号速率为270kb/s，则每比特时间为3.7微秒，基站最大覆盖半径为

3.7μs/bit×63bit×(3×108)m/s÷2≈35km

(7.1)但在某些情况下，客观需要基站能覆盖更远的地方，比如在沿海地区，如需用来覆盖较大范围的一些海域或岛屿。这

种覆盖在GSM中是能实现的，代价是须减少每载频所容纳

的信道数，办法是仅使用TS为偶数的信道(因为TS0必须用做BCCH)，空出奇数的TS，来获得较大的保持时间。这被称为扩展小区技术，这一技术有专门的接收处理。这样定时提前的编码将会增大一个突发脉冲的时长。即基站的最大覆盖半径为

3.7μs/bit×(63+156.25)bit×(3×108)m/s÷2≈120km

(7.2)7.1.4GSM主要技术

为了学习GSM系统主要技术，我们不妨先了解一下GSM系统对语音传输的实现过程，如图7-18所示。图7-18语音传输的实现过程

1.语音编码

语音编码的目的是在不增加误码的情况下，以较小的速率优化频谱占用，达到与固定电话尽量相接近的语音质量。GSM系统中采用的语音编码方案为规则脉冲激励长期预测(RPE-LTP)，编码器为每一个20ms长的语音块提供260个比特，因此产生的比特速率为13kb/s。

2.信道编码

信道编码的作用是进行差错控制，用于改善传输质量。GSM系统中的信道编码方式包括：奇偶码、卷积码、纠错循环码(FIRECODE)。其中奇偶码和卷积码用于TCH、SCH、RACH信道编码，FIRE码和卷积码用于BCCH、PCH、AGCH、SDCCH、FACCH、SACCH信道编码。

3.交织

交织是将一条消息的相继比特以非相继的方式发送，使突发差错信道变为离散信道。通过交织可将突发的、成串的差错变为独立的、随机的差错，再用信道编解码的纠错功能来纠正差错，恢复原来的消息。图7-19语音信道交织

4.鉴权和加密

1)鉴权

鉴权的计算如图7-20所示。其中RAND是网络侧对用户的提问，只有合法的用户才能够给出正确的回答SRES。图7-20鉴权计算

2)加密

加密和解密是对114个无线突发脉冲编码比特与A5算法产生的114个加密序列比特进行异或运算完成的。上行链路和下行链路上使用两个不同的序列：对每一个突发，一个序列用于移动台内的加密，并作为BTS中的解密序列；而另一个序列用于BTS的加密，并作为移动台的解密序列，如图7-21所示。图中帧号编码成一连串的三个值，总共加起来22比特。用户在通信过程中，突发脉冲的帧号在不断变化，因此每个突发脉冲会使用不同的加密序列。密钥Kc是在GSM鉴权期间通过A8算法产生的，如图7-22所示。图7-21A5算法(加密和解密)图7-22A8算法(Kc计算)

5.调制

GSM所使用的调制是BT=0.3的GMSK技术，BT=0.3表示了高斯滤波器的3dB带宽和比特周期的乘积。

6.跳频技术

跳频是将原信号随机地用不同载波传输发送。跳频所使用的频率往往跨越很宽的带宽，所以跳频也是一种扩频系统。跳频可起到频率分集和干扰源分集的作用。跳频可分为快跳频和慢跳频，两者之间的区别在于频率跳变速率是否大于信息传输速率，对于慢跳频，每跳可连续传输若干个信息比特。

7.2CDMA技术的基础

7.2.1扩频通信的基本概念

移动通信中第二代的IS-95CDMA与第三代中cdma2000与WCDMA均采用CDMA技术，而CDMA是通过扩频通信实现的，扩频通信是CDMA技术的理论基础。

1.扩频通信的定义

扩频通信即扩展频谱(SpreadSpectrum，SS)通信，是将基带信号(即信息)的频谱扩展至很宽的频带上，然后再进行传输的一种通信方式。它与传统的窄带通信系统不同，其主要特征是扩频前信源的码元带宽(或速率)远远小于扩频后进入信道的扩频信号中码片(chip)的带宽(或速率)。扩频通信采用宽带传输可获得众多优势。

2.扩频通信的特点

1)抗干扰能力强

2)安全保密性好

3)可实现多址通信

4)抗衰落

5)抗多径

3.扩频系统的理论基础

扩频通信的基本思想和理论依据是香农(Shannon)公式，即

(7.3)

4.扩频通信的主要性能指标

1)处理增益

处理增益是衡量扩频系统性能的一个重要参数，其定义为接收机相关处理器的输出信噪比与输入信噪比的比值，即

(7.4)处理增益表示经过扩频接收机处理后，使信号增强的同时抑制落入接收机的干扰信号的能力的大小。处理增益GP越大，则系统的抗干扰能力越强。理论分析表明，各种扩频系统的抗干扰能力大体上都与扩频信号带宽B和信息带宽Bm之比成正比，工程上常以分贝(dB)表示，即

(7.5)

2)抗干扰容限

抗干扰容限是指在保证系统正常工作的条件下，接收机能够承受的干扰信号比有用信号高出的分贝数，其定义为

(7.6)

5.扩频系统的分类

扩频系统主要包括以下四类：

(1)直接序列系统(DirectSequence)(简称DS)

(2)跳频系统(FrequencyHopping)(简称FH)

(3)跳时扩频系统(TimeHopping)(简称TH)

(4)线性调频(ChirpModulation)7.2.2直接序列扩频基本原理

1.直扩系统的组成

直接序列扩频系统是将要发送的信息用伪随机(Pseudo-Noise，PN)序列扩展到一个很宽的频带上去，在接收端，用与发送端相同的伪随机序列对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出原来的信息。干扰信号由于与伪随机序列不相关，在接收端被扩展，使落入信号频带内的干扰信号功率大大降低，从而提高了系统的输出信噪(干)比，达到抗干扰的目的。其组成原理如图7-23所示。图7-23直扩系统的组成原理图

2.直扩系统的信号分析

信号源产生的信号a(t)为信息流，码元速率Ra，码元宽度Ta(Ta=1/Ra)，则a(t)为

(7.7)式中：an为信息码，以概率P取＋1和以概率1－P取－1，即

(7.8)

ga(t)为门函数，定义为

(7.9)伪随机序列产生器产生的伪随机序列c(t)，速率为Rc，码片(chip)宽度Tc(Tc=1/Rc)，则c(t)为

(7.10)扩频过程实质上是信息流a(t)与伪随机序列c(t)的模2加或相乘的过程。伪随机码片速率Rc比信息码元速率Ra大得多，一般Rc/Ra的比值为整数，且Rc/Ra>>1，所以扩展后的序列的速率仍为伪随机码片速率Rc。扩展的序列d(t)为

(7.11)

式中，

(7.12)用此扩展后的序列去调制载波，将信号搬移到载频上去。用于直扩系统的调制，原则上讲，大多数数字调制方式均可，但应视具体情况，根据系统的性能要求来确定，用的较多的

调制方式有BPSK、MSK、QPSK等。这里分析采用PSK调制，用一般的平衡调制器就可完成PSK调制。调制后得到的信号

s(t)为

(7.13)接收端天线上感应的信号经高放的选择放大和混频后，得到包括以下几部分的信号：有用信号sI(t)、信道噪声nI(t)、干扰信号JI(t)和其他网的扩频信号sJ(t)等，即收到的信号(经混频后)为

(7.14)接收端的伪随机码产生器产生的伪随机序列与发端产生的伪随机序列相同，但起始时间或初相位可能不同，为c′(t)。解扩的过程与扩频过程相同，用本地的伪随机序列c′(t)与接收到的信号相乘，即

(7.15)下面分别对式(7.15)四个分量进行分析。首先看信号分量sI′(t)，则

(7.16)

若本地产生的伪随机序列c′(t)与发端产生的伪随机序列

c(t)同步，即c(t)=c′(t)，则c(t)·c′(t)=1，这样，信号分量

sI′(t)为

(7.17)图7-24扩频系统波形及频谱示意图7.2.3CDMA中的地址码

1.地址码的特性要求

理想的地址码和扩频码应具有如下特性：

(1)有足够多的地址码码组。

(2)有尖锐的自相关特性。

(3)有处处为零的互相关特性。

(4)不同码元数平衡相等。

(5)尽可能大的复杂度。

1)自相关函数

一般情况下，在数学上是用自相关函数来表示信号与它自身相移后的相似性。对于采用二进制的码序列时，周期长度为N码序列{x}的自相关函数Rx(j)定义为：

(7.18)有时将相关函数的归一化，称为自相关系数ρx=(j)，其定义为：

(7.19)

2)互相关函数

自相关函数表征一个信号与自身延迟j位后的相似性，而两个不同信号的相似性比较则是通过互相关函数来定义的。对于二进制码序列，周期均为N的两个码序列{x}和{y}，其互相关函数定义为

(7.20)

互相关系数定义为

(7.21)

2.地址码的分类与设计

1)用户地址码

主要用于上行(反向)信道，用户地址码由移动台产生，便于区分不同的用户，下行信道中由基站产生的扰码主要用于数据加扰。随着移动用户数日益递增，用户地址码数量是主要矛盾，但亦必须满足各用户间的正交(准正交)性能，以减少用户之间的干扰。图7-25长码发生器图7-26掩码格式

2)基站地址码

基站地址码在数量上也有一定要求，而没有用户地址码数量要求多，但是在质量上要求各基站之间正交(准正交)，以减少基站间的干扰。在IS-95中，基站地址码采用15位移位寄存器产生的m序列，该序列称为引导PN序列，其作用是给不同基站发出的信号赋以不同的特征。在基站中通常使用两个引导PN序列，即

I支路PN序列和Q支路PN序列，其特征多项式分别为

(7.22)

(7.23)不同的基站使用相同的引导PN序列，但各自却采用不同的时间(相位)偏置(即不同的移位)。为了有效防止多径干扰，每个基站间至少相差64位，因此共计可产生的基站数为

(7.24)

3)信道地址码

CDMA是干扰受限系统，且实际用户之间的干扰主要取决于信道间的隔离度，因此，信道地址码的选取直接决定用户的数量和质量。一般要求各信道之间正交、互不干扰。

IS-95中，在同步情况下，采用完全正交的64位Walsh码作为前向信道地址码，它由基站产生并在下行中实现。Walsh函数有多种等价的构造方法，而最常用的是采用Hadamard编号法，IS-95所采用的就是这一方法。一般地，哈达码(Hadamard)矩阵为一方阵，并具有下列递推关系

(7.25)

其中r=1，2，…。当r=1时，

(7.26)

当r=2时，

(7.27)图7-27OVSF码的码树结构图7.3IS-95CDMA系统

7.3.1系统概述

1.IS-95CDMA的发展

CDMA蜂窝系统最早由美国高通(Qualcomm)公司成功开发的，Qualcomm公司于1990年7月公布了最早的CDMA标准，经过许多移动通信运营商和制造厂家的协商讨论，于1990年9月发布了建议标准的修订版本，并于1990年10月公布了暂行规定，1993年7月，美国TIA再次征集各方面的建议，经会议讨论后正式将其确定为IS-95标准(InterimStandard，暂定标准)，即“双模式宽带扩频蜂窝系统的移动台-基站兼容标准”。

2.IS-95标准

IS-95是TIA定义的空中接口标准，其主要包括下列几部分。

1)频段

2)信道数

3)射频带宽

4)调制方式

5)扩频方式

6)语音编码

7)信道编码

8)PN码

9)导频、同步信道

10)多径利用

3.网络结构

1)移动台

2)基站子系统

3)网络交换子系统

4)操作与维护子系统7.3.2IS-95CDMA系统的无线链路

1.正向链路

IS-95CDMA系统的正向信道可分为控制信道和业务信道，其中控制信道包括：导频信道、同步信道和寻呼信道组成，如图7-28所示。图7-28IS-95系统正向信道的组成

1)导频信道(PilotChannel)

2)同步信道(SynchronousChannel)

3)寻呼信道(PagingChannel)

4)正向业务信道(TrafficChannel)图7-29IS95CDMA系统正向信道结构图

2.反向链路

在IS-95CDMA系统中，反向信道由接入信道和业务信道组成。反向信道利用具有不同相位偏移量的长码序列(242-1)作为用户地址码，多个用户共享CDMA频道。图7-30是IS-95系统反向信道的组成。图7-30IS-95系统反向信道的组成

1)接入信道(AccessChannel)

调制码元的传输速率为28800/6＝4800s/s，调制码元时间宽度为1/4800＝207.333μs。每一调制码元含64个子码，因此Walsh码的子码速率为64×4800＝307.2kc/s，相应的子码宽度为3.25μs。将64个Walsh函数码编成号码为0，1，…，63，则可按式(7.28)计算调制码元的号码，以选用不同的Walsh码。调制码元的号码为

i=C0+2C1+4C2+8C3+16C4+32C5

(7.28)

2)反向业务信道(TrafficChannel)

反向业务信道用于在呼叫建立阶段传输用户业务和信令信息，其特点和作用与正向业务信道基本相同。图7-31IS95CDMA系统正向信道结构图7.3.3IS-95CDMA中的切换和功率控制

1.切换

1)硬切换

硬切换是指移动台在不同频道之间的切换，如同一MSC或不同的MSC之间的不同频道之间的切换、CDMA系统到模拟系统的切换等。这些切换需要移动台变更收发频率，即先切断原来的收发频率，再搜索、使用新的频道。硬切换会造成通话短暂中断，当切换时间较长时(大于200ms)，将影响用户通话。

2)软切换

软切换是指相同CDMA频道中的切换，不需要变换收发频率，只需对引导PN码的相位做一调整。软切换包括不同基站的小区之间、不同基站的两个扇区之间、不同基站的小区和扇区三方之间的切换。