移动通信系统PPT幻灯片

1、1,第七章 移动通信系统,本章要点： 移动通信概述 GSM数字蜂窝通信网 CDMA系统 3G系统的理论研究和发展概况,2,移动通信概述,移动通信是指移动用户之间，或移动用户与固定用户之间进行的通信。这里所说的通信，不仅指双方的通话，还包括数据、传真、图象等通信业务,动中通,3,移动性包括： 终端的移动性：手机、车载台等 个人的移动性：SIM/UIM卡方式支持的业务 业务的移动性 通信网的智能化和无线化使三者统一起来。 无线通信和有线通信是移动通信的基础。 移动通信卫星通信和光纤通信一起被列为现代通信领域的三大新兴通信技术手段,4,移动通信的特点,电波传播条件恶劣 移动通信使用的是甚高频（VHF

2、,30300MHz）和特高频（UHF,3003000MHz）频段。其特点是传播距离在视距范围内，通常为几千米；天线短；抗干扰能力强；多以地表面波电离层反射波 直射波和散射波等方式传播，受地形地物影响较大。 移动台接收到的电波一般是直射波和随时变化的绕射波反射波散射波的叠加，造成所接收信号的电场强度起伏不定，最大可相差2030dB，这种现象称为衰落。包括长期（慢）衰落和严重频繁的短期（快）衰落,5,慢衰落：电波传播路径上遇到建筑物树林等障碍物阻挡，在阻挡物的后面形成电波阴影区，阴影区的电场强度较弱，移动台穿过阴影区就会发生阴影效应，使接收信号场强中值缓慢变化。阴影效应引起的衰落一般服从正态分布，

3、又称为正态（高斯）衰落。 多径衰落：移动环境中到达移动台的信号是许多路径来的众多电波的合成，由于电波通过各个路径的距离不同，则到达时间不同，相位也就不同，不同相位的多个信号在接收端叠加，使接收信号的幅度急剧变化，这种衰落由多径引起，所以称为多径衰落。又因为其振幅服从瑞利分布，又称为瑞利衰落。是移动环境中最主要的衰落,6,电波的多径传播,7,阴影效应,障碍物遮挡直射波引起接收信号中值的变化，表现为慢衰落,8,移动通信的特点（续,多普勒频移产生调制噪声 多普勒效应：当移动台的运动达到一定速度时，固定点接收到的载波频率将随运动速度v的不同而产生不同的频移，即产生多普勒效应。 多普勒效应与移动物体的运

4、动速度v，接收信号载波的波长，电波到达的入射角有关，即,又,则,9,运动方向面向接收站， 为正值，反之， 为负值。频率越高，频移越大，对信号传输的影响越大,图12 多普勒效应,10,在高速移动通信系统中，多普勒效应可影响300Hz左右的语音，产生附加调频噪声，出现失真。 为防止多普勒效应的影响，通常在地面设备上采用“锁相技术”，加入自动频率跟踪系统，即接收机在捕捉到高速移动物体发来的载频信号后，当发来的载频信号随速度v变化时，地面接收机本振信号频率跟着变，这样就不会使信号丢失；另外还可以利用窄带性能，把淹没在噪声中的微弱信号提取出来。在移动通信系统中，所有移动通信设备都采用锁相技术,11,移动

5、通信的特点（续,移动台在强干扰情况下工作 城市噪声，各种车辆发动机点火噪声，微波炉干扰噪声等; 自然界中如风，雨，雷等自然噪声，由于频率较低，可忽略其影响。 互调干扰，临道干扰及同频干扰等。 在移动通信系统设计中要考虑抗干扰措施,12,远近效应,近处强信号压制远处弱信号,13,移动通信的特点（续,通信系统复杂 移动台在运动过程中要随机选用无线信道进行频率和功率控制； 需要采用位置登记和越区切换等移动性管理技术来实现可靠而有效的通信； 综合了交换机技术，计算机技术和传输技术等多种技术； 在入网和计费方式上也有特殊的要求,14,移动通信的特点（续,对移动设备要求苛刻 移动台长期处于移动状态下，外界

6、影响难预料，因此其适应能力要强； 性能稳定可靠，携带方便，小型，低功耗及能耐低高温等； 要尽量使用户操作方便，适应新业务新技术的发展，满足不同人群的使用,15,移动通信的特点（续,信道容量有限 移动通信的频段只限于UHF和VHF，信道容量很有限，随着用户数的增加，只能在有限的已有频段中采取有效利用频谱措施，如窄带化，缩小频带间隔，频道重复利用等方法来解决。 在通信建设中要作出长期增容的规划，以利于今后发展需要,16,移动通信系统的分类,按使用对象可分为民用设备和军用设备； 按用途和区域可分为陆地通信、 海上通信和航空通信； 按多址方式可分为频分多址(FDMA)、 时分多址(TDMA) 、码分多

7、址(CDMA)和空分多址（SDMA）等； 按基站配置可分为单区制、多区制、 蜂窝制等； 按与地面固定网连接方式可分为人工、半自动、 全自动等连接方式； 按用户的通话状态和频率使用方法可分为单工制、 双工制和半双工制； 按经营方式或用户性质可分为专用网和公用网； 按信号形式可分为模拟网和数字网,17,移动通信的工作方式,共有三种方式： 单工通信 双工通信 半双工通信,18,1. 单工通信,定义：所谓单工通信是指通信双方电台交替地进行收信和发信。根据收、发频率的异同，又可分为同频单工和异频单工。 单工通信常用于点到点通信,19,单工通信,20,同频单工,同频单工是指通信的双方，使用相同工作频率（f

8、1），通信双方的操作采用“按讲”（push to talk，PTT）方式。 优点 ： 设备简单； 移动台之间可直接通话，不需基站转接； 不按键时发射机不工作，因此功耗小。 缺点： 只适用于组建简单和甚小容量的通信网； 当有两个以上移动台同时发射就会出现同频干扰； 当附近有邻近频率的电台发射时，容易造成强干扰。为了避免干扰，要求相邻频率的间隔大于4MHz，频谱利用率低； 按键发话，松键受话，适用者不习惯,21,异频单工,异频单工通信是指通信的双方使用两个不同频率f1和f2，而操作仍采用PTT方式。 其优缺点与同频单工基本相同。 这种方式主要用于有中心台转发（单工转发或双工转发）的情况。分单工转发

9、和双工转发两种情况。所谓单工转发是指中心转信台使用一组频率（如收用f1，发用f2），一旦接收有载波信号即转去发送。所谓双工转发是指中心转信台使用两组频率（一组收用f1，发用f2；另一组收用f3，发用f4），任一路一旦接收有载波信号即转去发送。 由于使用收发频率有一定保护间隔的异频工作，提高了抗干扰能力，从而可用于组建有几个频道同时工作的通信网,22,2. 半双工通信,定义：半双工通信的收发使用不同的频率，同一部电台的收发信机可以交替工作，也可以让移动台采用单工的“按讲”方式，即按下PTT开关，发射机才工作，而接收机总是工作的。基站工作情况与双工方式完全相同,23,优点： 移动台设备简单，价格低

10、，耗电少； 收发采用不同频率，提高了频谱利用率； 移动台受邻近电台干扰小。 缺点： 移动台仍需按键发话，松键受话，使用不方便,24,3 双工通信,定义：双工通信是指通信双方可同时进行传输消息的工作方式，无需按PTT开关，有时亦称全双工通信。 缺点：双工通信在使用过程中,不管是否发话,发射机总是工作，故耗电量大，对以电池为能源的移动台很不利。 解决办法：要求移动台接收机始终保持工作状态，而令发射机仅在发话时才工作。称为准双工系统。目前在移动通信系统中应用广泛,25,双工通信,26,双工制也分为同频双工和异频双工。同频双工采用的是TDD技术，是近年来发展起来的新技术。而异频双工具有以下优缺点,优点

11、： 收发频率分开可大大减小干扰； 用户使用方便。 缺点： 移动台在通话过程中总是处于发射状态，因此功耗大； 移动台之间通话需占用两个频道； 设备较复杂，价格较贵,27,准双工通信,移动台,基站,28,多址方式,多址技术：在移动通信系统中，有许多用户要同时使用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。 多址方式的基本类型有四种，即频分多址(FDMA)、 时分多址(TDMA) 、码分多址(CDMA)和空分多址（SDMA,29,分类,频分多址（FDM

12、A）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，频带共享； 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，时间/频率/码型共享,30,FDMA,31,TDMA,32,33,CDMA,34,SDMA,35,蜂窝的概念,1974，Bell实验室提出蜂窝概念 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，在每个小区设立一个基站为本小区范围内的用户服务。并可通过小区分裂进一步提高系统容量。 “频率复用”的概念：同频干扰的强弱与同频复用小区间距和小区半径的比值有关，信干比可控。 特点：用户容量大，服务

13、性能较好，频谱利用率较高，用户终端小巧且电池使用时间长，辐射小等。 新的问题：系统复杂、越区切换、漫游、位置登记、更新和管理、以及系统鉴权等,36,小区制移动通信网,小区制就是把整个服务区域划分为若干个无线小区，每个小区分别设置一个基站，负责本区移动通信的联络和控制,37,蜂窝的分类,宏蜂窝(Macro-cell)：220km 微蜂窝(Micro-cell)：0.42km 微微（皮）蜂窝(Pico-cell)：400m 分层蜂窝(由多种蜂窝组成) 多维小区,38,蜂窝通信的基本原理,39,蜂窝小区的形状,40,频率复用（频率规划,概念：为整个系统中的所有基站选择和分配信道组的设计过程。 思想：

14、为每一个蜂窝基站分配一组无线信道，这组无线信道用于称作小区的一个小地理范围内，给相邻小区的基站分配另一个信道组，基站天线要设计的能获得某一特定小区内期望的覆盖，这样相同的信道组就可以覆盖不同的小区，只要这些小区两两之间相隔的距离足够远，就可以使相互间的干扰水平在可接受的界限之内。 目的就是使处于不同位置（不同小区）上的用户可以同时使用相同频率的信道,41,簇（cluster）：共同使用全部可用频率的K个小区叫做一簇。频率复用因子为1/K，每个小区都有可用信道总数的1/K,K=3,K=4,K=7,42,频率复用方式,43,44,频率复用可以极大地提高频谱利用率； 如果系统设计不好，会产生严重的干

15、扰,45,定位同频小区的方法。图中 K=19,i3，j2,寻找同频相邻小区的步骤：沿着任何一条六边形链移动i个小区；顺（逆）时针旋转60度再移动j个小区,46,实际增大蜂窝系统容量的方法,最常用的方法为： 小区分裂； 小区扇形化； 覆盖区域逼近,47,小区分裂,思想：将拥塞的小区分成更小的小区，每个小区都有自己的基站并相应的降低天线的高度和减小发射机功率。 优点：小区分裂能提高信道的复用次数，从而提高系统容量。 实际问题： -过区切换； -过渡区域（功率如何改变,48,小区分裂示意图,49,小区扇形化,思想：依靠基站方向性天线来减少同频干扰以提高系统容量。使用定向天线来减小同频干扰，从而提高系

16、统容量的技术也叫做裂向。通常将一个小区分成3个120度的扇区或是6个60度的扇区。 优点：裂向使同频干扰减小，也可在设计时减小簇的大小K，进而增加系统容量。 缺点：由于每个基站的天线数目的增加，和由于基站的信道也要划分而使中继效率降低。且裂向减小了每个信道组的覆盖面积，也使切换次数增加,50,扇区的裂向,51,小区分裂和裂向,52,覆盖区域逼近：通过合理的布设基站来增加覆盖面积，相应地增加系统容量,53,移动通信网的频率配置,表 我国无线电委员会分配给蜂窝移动通信系统的频率,54,表 GSM蜂窝移动通信系统的收发频差表,55,蜂窝移动通信系统结构,56,蜂窝移动通信系统的基本结构,57,常用术

17、语的英文缩写 MSCMobile Service Switching Centre HLR Home Location Register VLRVisitor Location Register EIR Equipment Identity Register AUC Authentication Centre OMC Operation and Maintenance Centre BTS Base Transceiver Station MS Mobile Station,58,组成结构,一个交换区的组成： 1个移动交换中心MSC； 1个或若干个归属位置寄存器HLR； 访问者位置寄存器VLR

18、(有时几个MSC合用一个VLR）； 设备识别寄存器EIR； 鉴权中心AUC； 操作维护中心OMC； 基地站BS（简称基站）和移动台MS等功能实体,59,各部分功能,MSC对位于其服务区内的MS进行交换和控制，同时提供移动网与固定公众电信网的接口。 作为交换设备，MSC具有完成呼叫接续与控制的功能，这点与固定网交换中心相同。 作为移动交换中心，MSC又具有无线资源管理和移动性管理等功能。 为了建立从固定网至某个移动台的呼叫路由，固定网就近进入关口MSC（GMSC），由该GMSC查询有关的HLR，并建立至移动台当前所属的MSC的呼叫路由,60,HLR是用于移动用户管理的数据库。 HLR所存储的用户

19、信息分为两类：一类是有关用户参数的信息；另一类是有关用户当前位置的信息 。 VLR是存储用户位置信息的动态数据库。一个VLR可以负责一个或若干个MSC区域。 EIR是存储有关移动台设备参数的数据库。EIR实现对移动设备的识别、监视、闭锁等功能。 AUC鉴权中心是认证移动用户的身份以及产生相应认证参数的功能实体。 OMC操作维护中心是网络操作维护人员对全网进行监控和操作的功能实体,61,移动通信系统的发展史萌芽阶段,1880年，最初的无线传输设备“光话机”将反射光耦合到光电硒接收器，通话距离700英尺，比无线电方式早25年。后经过改进，通话距离长达15km。缺点：光线易受雨、雾、建筑物等障碍物的

20、阻挡。 19世纪末，赫兹发现电磁波辐射，称为“以太”。 1897年，马可尼在陆地和一艘拖船上完成莫尔斯电码无线通信实验，标志无线电通信的开始，开创了海上通信业。1912年泰坦尼克号底的沉没突出了无线电通信在航海中的重要性，使海上无线通信得到广泛应用。 1905年，费森堡首次进行无线电传输话音及音乐的实验,62,移动通信的发展史开拓阶段,19211945：受军事或半军事（警察）应用限制。 1928年，美国底特律警察局率先使用装备贝茨发明的能适应移动车辆震动影响的无线电收发信机超外差AM接收机的警用车辆无线电移动系统（单向），标志移动通信开始。 30年代初，第一个双向移动通信系统在新泽西的贝尼尔警

21、察局投入运行（半双工）。 1935年，阿姆斯特朗发明了FM方式无线电，是移动通信中地第一个大分水岭。 大大提高灵敏度或动态范围（3倍） 具有“捕获效应” 能更有效地对抗“快衰落”或波动性,63,移动通信的发展史-商业阶段,19461968：移动电话需求强烈，然而与电视相比，其发展速度非常缓慢。 1946年，Bell实验室在圣路易斯建立第一个公用汽车话网，不久就出现长期的频谱资源短缺问题。因此技术研究主要集中在： 减小传输带宽频道分割。一开始，FM采用120kHz传输带宽仅3kHz的话音（AM只需3kHz带宽），到60年代FM带宽减为30kHz/25kHz。 将自动中继引入移动通信集群应用，以增

22、加系统容量，提高频谱利用率。 在这些技术发展的基础上，60年代中期，开发出了“IMTS改进的移动电话服务”系统（模拟FM，大区制，使用150/450MHz频段，实现无线频道自动选择，并与公用电话网自动拨号连接） ，使模拟FM技术达到了30年发展的顶峰,64,移动通信的发展蜂窝思想,19491982：低功率发射机和小覆盖区域或蜂窝、频率复用、蜂窝裂变提高容量、越区切换和中央控制。 早在40年代末，美国Bell实验室提出蜂窝构想；60年代出台研究计划；1974年正式提出了蜂窝移动通信的概念。 1978年底，贝尔实验室研制成功模拟蜂窝移动通信系统先进移动电话系统（AMPS），比预期晚了整整10年，导

23、致（模拟FM蜂窝系统）技术落后了，几乎丧失了市场。原因是频段争夺（与广播）和工业政策（反垄断1982年ATDCS1800:95MHz 占有25MHz带宽，包含124对频道，频道间隔200kHz。 每个载频含8个时隙，时隙从0-7编码。这相同频率的8个时隙被称为一个TDMA帧。用户在某一时隙发送被称为突发时隙(burst)。一个突发时隙长度为577S，一帧为4.615ms。 共992个物理信道。 区群由347个小区组成，区群内不使用相同频道，每个小区含多个载频,75,GSM 频率划分,76,GSM - TDMA/FDMA,77,GSM 上下行链路的时隙同步,注：上行下行的时隙并不是出现在同一时刻

24、。时隙0的上行 发射出现在接收下行时隙的三个时隙之后。这样的好处 是移动台不需要双工器。但它需要同步发射和接收,78,79,GSM 的调制,调制方式：0.3GMSK 高斯最小频移键控 原因：邻信道干扰小于-60dB。 BT = 0.3 (由标准定义)= (BWFilter)(Bit 周期) 频谱利用率= 1.35bps/Hz 速率= 270.833 bps = Bit 周期= 3.692 us = BWFilter = 81.3 kHz,80,语音编码和信道编码,81,GSM 话音信号处理,话音编码的目的： 压缩(具有质量要求)，以时隙方式发送 不连续发送(DTX) 具有这种功能的器件被称为是

25、语音编解码器。 每一个移动台都有一个语音编解码器。在网络这一边，语音编解码器形成TRA。TRA在BSS中存在， GSM支持各种语音编解码器,82,在GSM的第1阶段定义支持全速语音编解码，所谓全速编码是指该编译码器在语音传送时每帧均占有一个时隙。该编译器使用RPELTP长期预测的规律脉冲激励。全速编码器输出是13kbps，EFR输出也为13kbps，但具有更高的语音质量。 GSM的第二阶段定义支持半速编解码。半速编解码器每隔二帧使用一个TDMA时隙。半速编码输出6.5kbps，采用半速编码可以支持二倍的全速编码用户，在另一方面，半速的语音质量差一些,83,84,用户,不同GSM接口的语音传输示

26、意,BTS增加速率为3kbs的信令，用于BTS控制远端码型变换器单元TCU的工作，称为带内信息，包括同步和控制比特（包括坏帧指示、编码器类型、DTX指示等,85,GSM 信道编码,目标：在传输的数据中选择性地引入冗余，保护数据传输不出差错(检错和纠错编码)。 话音和数据的编码类型: 分组编码 卷积码 从语音编解码器来的260bit数据块按照重要性和作用被分成三类。重要的信息进行重点保护，非重要的进行非重点保护。三类信息分别分为a、b和类。 a类是最重要的， b类第二重要， II类不重要（78bits）末受到任何保护。 用户数据速率= 456 bits/20 ms =22.8 kbps (13k

27、bps 原始数据+9.8 kbps 奇偶校验和信道编码,86,4尾比特,语音编解码的前向纠错（全速业务信道,87,GSM 话音编码后的数据复接,456bits 4 114bits 在复接和交织之后安放在4个时隙的数据域中,88,交织器原理,89,GSM 系统中的交织,交织：在信道编码之前打乱源信息比特的时间顺序，把一个较长的突发差错离散成随机差错，再利用纠正随机差错的编码技术消除随机误差。 交织的处理可以抗端利衰落。 在空中接口中使用的交织深度有4（多数据控制信道）、8（全速语音）、19（数字信道）。 GSM所采用的交织是一种既有块交织又有比特交织的交织技术。全速语音的时块被交织成8个突发时隙

28、，即，从语音编码器来的456bits输出被分裂成8个时块，每个子块57个比特，再将每57个比特进行比特交织，然后再根据奇偶原则分配到不同的突发块口，交织造成65个突发周期或37.5ms滞后,90,交织深度越大，离散度越大，抗突发差错能力越强。 交织深度越大，交织编码处理时间越长，抗差错能力是以时间为代价的。 所有的交织器都有一个固定延时，实际中，所有的无线数据交织器的延时都不超过40ms，这种延时是人们可以忍受的,91,跳频技术,采用慢跳频技术，每帧跳频一次，每秒217跳，可确保通信的秘密性和抗干扰性,92,跳频技术,发射机发射的频率不断跳变，使包含字码部分的所有突发脉冲在两个完全独立(相距1

29、MHz)的频率上传输。 由于不同频率的信号遭受衰落的影响不同，消除衰落对信号的影响，提高系统的抗干扰能力,93,跳频作用：改善衰落。 多径环境中的慢速移动的移动台，通过采用跳频技术，大大改善移动台的通信质量，相当于频率分集。 GSM系统中的跳频分为基带跳频和射频跳频两种,94,不连续发送和话音激活检测,GSM的话音编解码器，当它检测到话音的间隙后，在间隙期不发送。这就是GSM所谓的不连续发送（DTX）。 DTX能在通话期对话音进行13kbps编码，在停顿期用500bps编码。 在停顿期要用500bps发送，GSM称之为发送舒适的噪声。在讲话停顿时，对讲话者的背景噪声进行编码。背景噪声往往不同，

30、由于同样的背景噪声在讲话者实际讲话中同样部分编码，在停顿时编码对用户可提供连续感,95,为了实现DTX，要使用话音激活检测（VAD），一旦讲话出现停顿能给出指示。 DTX的作用： 1、使用DTX可以减小系统中的干扰等级，并提高系统有效性。 2、由于使用了DTX发射机，发射总时间下降了，功率损耗降低的同时延长了MS的电池寿命,96,定时前置和功率控制,如果在任何距离上所有移动台同时发送信息，这些信息到达的BTS时间由于距离上的变化而有轻微的变化。 如果所有移动台均用同样的功率发射。接近BTS的MS要比在小区边缘的MS在BTS上的接收要强。 定时前置和功率控制的目的：在GSM系统中，通过这些参数的

31、控制使所有的发送时隙在时间和功率上在BTS的接收端保持同步,97,定时前置（Timing advance,如果考虑可能的最大传输时延。在每个时隙片的结尾要留有足够的保护时间作补偿。MS在保护期内不能发送用户数据，即使两个时间出现重叠只能在保护时间内重叠。由于在该时间内无用户信息发送,就无数据丢失。这一方案虽然具有简单及信令要求最小的优点，但降低了系统的频谱的利用率。 GSM具有非常严格的时间同步系统， GSM选择了小的保护周期和对各时隙的定时进行动态控制的方案。定时前置允许对每个时隙的上行发送时间独立控制，远离BTS的MS要求比离BTS近的MS发射早。在GSM中最大的定时前置限制小区尺寸在35

32、Km左右,98,功率控制,为了补偿小区的不同距离造成的衰落。BTS能够指导MS改变它的发射功率，以使到达BTS接收机的功率在每个时隙相同。这样可以减少整个系统的干扰电平，提高频谱效率。 BTS能够独立控制每一条上行和下行链路时隙的功率电平，即在GSM系统中，上行和下行链路的功率控制是彼此独立的。功率电平控制方案由BSC完成。 在GSM中，功率电平每60ms变化台阶为2dB（步长）。上行功率控制范围是20-30dB，步长2 dB；下行功率控制范围一般可达30 dB，步长也是2 dB。BTS是功率控制的管理者，通过指令规定BTS和MS的功率,99,GSM 的信道类型和组成,100,业务信道,业务信

33、道TCH传输话音和数据 话音业务信道按速率的不同，可分为全速率话音业务信道TCH/FS和半速率话音业务信道TCH/HS。 数据业务信道按速率的不同，也分为全速率数据业务信道(TCH/F9.6，TCH/F4.8，TCH/F2.4)和半速率数据业务信道(如TCH/H4.8, TCH/H2.4)，这里的数字9.6、4.8和2.4表示数据速率，单位为kb/s,101,GSM 的控制信道,控制信道（CCH）传输各种信令信息 广播信道（BCH） 频率校正信道（FCCH） 同步信道（SCH） 广播控制信道（BCCH） 公共控制信道（CCCH ） 呼叫信道（PCH） 随机接入信道（RACH） 接入许可信道（A

34、GCH） 专用控制信道（DCCH） 独立专用控制信道（SDCCH） 慢相关控制信道（SACCH） 快相关控制信道（FACCH,102,广播控制信道（BCCH,单向下行信道，传输系统公用控制信息。如网络同步信息，建立在该信息上，MS能够决定是否和如何通过现行小区接入系统，该信道的信息还可以使MS识别网络，接入网络等等,103,广播信息可分成下面几组： 给出网络和相邻小区的唯一识别信息，小区识别移动网编码（形成IMSI的部分），位置地区识别（LAI）和相邻小区广播控制信道的频率信息等。 描述当前控制信道结构的信息，用于小区的控制信道配置，周期位置更新计时器和类似信息。 定义小区所支持选择信息，是否

35、允许不连续发送（DTX）；小区重新选择的滞后，MS在接入控制信道时可使用的最大发射功率级，MS允许接入系统所需要的最小接收信号级别，是否支持半速编解码或者支持扩展的GSM频率。 控制接入的信息，最多的试呼次数，试呼的平均间隔小区是否禁止接入，小区是否允许重建，是否允许紧急呼叫等,104,频率校正信道（FCCH,传输供MS校正其工作频率的信息。 MS使用FCCH来纠正它内部的时钟基准，使其容易定位并解调出同一小区的其他信息。 该信道同时也给MS提供一个指示的同步信道（SCH）。因为一个SCH总跟着FCCH同样频率的8个时隙,105,同步信道（SCH,该信道提供MS有关MS接收另外信道突发时隙所必

36、须的训练序列。 因为MS和BTS预先都知道训练序列，MS可以调整它的内部定时方案，并正确进行解码。 该信道提供有关BS使用训练序列的信息码，国家彩色码和TDMA帧号,106,公共控制信道（CCCH,CCCH是一种双向控制信道，用于呼叫接续阶段传输链路连接所需要的控制信令。其中又分为： 随机接入信道（RACH）：这是一个上行信道， 用于移动台随机提出的入网申请，即请求分配一个独立专用控制信道(SDCCH)。 寻呼信道(PCH)： 传输基站寻呼移动台的信息。寻呼标识为TMSI或IMSI。 接入许可信道(AGCH)： 这是一个下行信道， 用于基站对移动台的入网申请作出应答，即分配一个独立专用控制信道

37、,107,专用控制信道（Dedicated Control Channels,DCCH是一种“点对点”的双向控制信道，其用途是在呼叫接续阶段以及在通信进行当中， 在移动台和基站之间传输必需的控制信息。其中又分为： 独立专用控制信道(SDCCH)： 用于在分配业务信道之前传送有关信令。主要传送建立连接的信令信息、位置更新信息、短消息、鉴权消息、加密命令及处理各种附加业务。 慢相关控制信道（SACCH）：SACCH结合TCH或SDCCH进行分配。它是双向的专用信道，它携带控制和测量参数及用于保持MS和BTS之间无线链路必要的路由数据。现主要用于短信，手机测量下行信道的测量参数，功率控制等等,108

38、,快相关控制信道（FACCH）： FACCH是一个需要时才出现的信道，与业务信道TCH相关。在该信道所能携带的信息与SDCCH一样。与SDCCH不同的是被分配和固定了时间间隙直到网络或用户释放它。在另一方面，一个FACCH通过从借用20ms的TCH突发脉冲序列来传送信令。当MS和网络需要交换关键定时信息时才采用。主要用于切换、短信及通知手机测试哪些邻区等场合,109,表51 逻辑信道的主要功能,110,移动台接入,MS接入系统的原因有以下几种： 试图发起呼叫； 对网络请求的响应（如被呼）； MS周期性位置更新。 在GSM中有单独一个信道用于MS在该小区的接入。GSM的接入模型可用著名的ALOH

39、A模型来代替。ALOHA系统是不相关用户同抢一个共享信道,111,ALOHA系统的基本概念：用户有接入请求时通知它们发送。如果二个用户同时发送将造成碰撞，二个请求都失效。虽然二个请求同时发送，有可能由于FM的捕捉效应接收机可以解出一个接入请求。如果发射方未收到接收方的确认信号它将等一个随机时间重新发送。等待时间必须是随机数，否则将一直碰撞下去。进入死循环。由于GSM的时隙碰撞只在时隙期间发生，这就是时隙ALOHA。 时隙ALOHA的有效性，接近于信道利用率的37%。该方案相对简单。 提高信道通过率的方法：一是提高信道容量 ；二是缩短信息长度,112,当碰撞出现之后，GSM的补偿机制是在每个小区

40、的基础上进行设计，每次碰撞一旦出现，MS试图重送接入信息。GSM支持频率和网络重试次数的控制。 每个小区在BCCH上发送参数。BCCH在MS不得不停止任何进一步试呼前，指示在试呼前要等待的时隙数和允许最大的试呼次数,113,接入信道的设计在系统性能中扮演一个重要的角色。整个系统的性能反应在MS如何接入和得到服务上，需了解系统资源（如业务信道情况），综合考虑。 接入信道容量越大，接入用户越多，但系统由于缺少足够的业务信道不能够支持它们服务，最终还是被拒绝。越早拒绝效率越高，可避免不必要的系统资源浪费。 另外一方面，接入信道太少，就会拒绝本可以得到服务的用户,114,GSM为了在高峰业务量的条件下

41、保持满意水平。系统能够明显地送一个信息给部分MS使其在某一特定的时间段不能接入系统工作。通过在BCCH送出一个信息，指示允许入网的有权MS接入群（classes） GSM操作者的整个移动用户随机分成10个群。用户的接入群存贮在SIM中。 在正常的情况下，所有接入群均允许接入系统。 在过荷条件下，系统对被选的用户群拒绝其入网，这是一条解决业务过荷非常有效的方法。因为它需要最小的信令负荷。 为了在过荷情况下保证紧急呼叫和其它一些政府机构入网工作，增加了65个附加的优先移动用户群。12群对于保密人员，13群对于公共部门，14群对于紧急个人，15群对GSM维护管理人员，11群给一网络运营者作为特殊用处

42、,115,越区切换,位置更新 移动台在同一个基站控制下的不同小区间切换 移动台在两个基站之间进行移动 移动台在两个交换局之间进行移动 越区切换过程： 移动台离基站较远时，传输质量急剧下降，移动台通过语音信道向BSS发送自己信号强弱信息，以及一些信令信息，BSC根据这些信息对移动台进行定位，并比较相邻基站的信号，决定是否进行切换,116,切换方式比较,软切换,硬切换,117,GSM 面临的问题和解决方法,用户容量问题扩容 小区分裂技术(多小区扇区化) 频段扩展 更紧密的频率复用技术 高效的语音编码技术 分层小区结构，微蜂窝与微微蜂窝技术 采用GSM900/1800双频系统 定期进行网络优化 业务

43、容量问题 GPRS EDGE 3G,118,GSM 的演进,119,CDMA系统,码分多址是以扩频技术为基础的。 所谓扩频是把信息的频谱扩展到宽带中进行传输的技术。即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，即扩频，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信,120,扩频技术用于通信系统具有抗干扰、抗多径、隐蔽、保密和多址能力。 适用于码分多址蜂窝通信系统的扩频技术是直接序列扩频(DS)或简称直扩。 扩频信号的产生包括调制和扩频两个

44、步骤。比如，先用要传送的信息比特对载波进行调制，再用伪随机序列(PN序列)扩展信号的频谱；也可以先用伪随机序列与信息比特相乘(把信息的频谱扩展)，再对载波进行调制。二者是等效的,121,CDMA技术的标准化,CDMA技术的标准化经历了以下几个阶段： 第一阶段：融合了IS-95 CDMA标准的cdmaone系统 IS-95是cdmaONE系列标准中最先发布的标准，真正在全球得到广泛应用的第一个CDMA标准是IS-95A，这一标准支持8K编码话音服务。 其后又分别出版了13K话音编码器的TSB74标准，支持1.9GH的CDMA PCS系统的STD-008标准，其中13K编码话音服务质量已非常接近有

45、线电话的话音质量。 1998年2月，美国高通公司宣布将IS-95B标准用于CDMA基础平台上。IS-95B可提供CDMA系统性能，并增加用户移动通信设备的数据流量，提供对64kbps数据业务的支持,122,第二阶段：从窄带cdmaOne向第三代cdma2000过渡。 cdma2000 1X是cdma2000第三代无线通信系统的第一个阶段。主要特点是与IS-95A/B完全兼容，并可与IS-95B系统的频段共享或重叠。 cdma2000-X向cdma2000-1X-EV演进代表了未来发展方向。 cdma2000 3X（3GPP2规范为IS-2000-A），也称为宽带cdmaOne，是基于IS-95

46、标准演化的一个重要部分。3X表示3载波，即3个1.25MHz 共3.75MHz的频率宽度。提供达到2Mbps的数据速率，实现与cdma2000 1X和cdmaOne系统的后向兼容性等,123,CDMA2000 系统结构,124,CDMA和GSM的比较,CDMA是移动通信技术的发展方向。 在2G阶段，CDMA增强型IS-95A与GSM技术体制基本处于同一体制； 在2.5G阶段，cdma2000-1.x RTT（无线传输技术）与通用无线分组技术GPRS相比，在传输速率及承载业务上更先进； 在从2.5G到3G的过渡阶段，cdma2000-1.x向cdma2000-3.x过渡比GPRS向WCDMA过渡

47、更为平滑,125,CDMA系统的特点,CDMA移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率复用等几种技术结合而成，含有频域、时域和码域三维信号处理的一种协作，因此它具有抗干扰性好，抗多径衰落，保密安全性高，同频率可在多个小区内重复使用，容量和质量之间可做权衡取舍等属性,126,1、系统容量大,系统容量大即频谱利用率高，指的是CDMA在与GSM同样的频段下可以允许更多的用户使用。理论上使用相同频率资源的情况下，CDMA移动网比模拟网容量大20倍，实际使用中比模拟网大10倍，比GSM要大45倍。 在CDMA系统中，由于不同的扇区也可以使用相同频率，当小区使用定向天线（即120扇形天线）时，干扰减为

48、1/3，整个系统所提供的容量又可提高约3倍。并且小区容量将随着扇区数的增大而增大,127,2、软容量,CDMA系统是一个自干扰系统，用户数和服务级别之间有着更灵活的关系，用户数的增加相当于背景噪声的增加，造成话音质量的下降。如果能控制住用户的信号强度，在保持高质量通话的同时，我们就可以容纳更多的用户。 体现软容量的另一种形式是小区呼吸功能。所谓小区呼吸功能是指各个小区的覆盖大小是动态的。当相邻两小区负荷一轻一重时，负荷重的小区通过减少导频发射功率 ，使本小区的边缘用户由于导频强度不足，切换到邻小区。使负荷分担，即相当于增加了容量。 另外，CDMA系统还提供多级别服务，例如现在已经有了两种语音编

49、码13kbit/s和8kbit/s。如果用户支付较高费用，则可获得高级别服务,128,3、通话质量更佳,CDMA系统的声码器可以动态地调整数据传输速率，并根据适当的门限值选择不同的电平级发射。同时门限值根据背景噪声的改变而变，这样即使在背景噪声较大的情况下，也可以得到较好的通话质量。 目前CDMA系统普遍采用8kbit/s的可变速率声码器，声码器使用的是码激励线性预测（CELP）和CDMA特有的算法，称为QCELP。 可变速率声码器的一个重要特点是使用适当的门限值来决定所需速率。门限值随背景噪声电平的变化而变化。即使在喧闹的环境下，也能得到良好的话音质量,129,4、移动台辅助软切换,CDMA

50、移动通信系统使用硬切换、软切换和更软切换，FDMA和TDMA移动通信系统使用硬切换。 软切换就是当移动台需要跟一个新的基站通信时，CDMA系统采用软切换技术和先进的数字话音编码技术，并使用多个接收机同时接收不同方向的信号。“先连接再断开（make before break）”，并不先中断与原基站的联系。移动台在切换过程中与原小区和新小区同时保持通话，以保证电话的畅通。 软切换只能在具有相同频率的CDMA信道间进行。 更软切换是一种蜂窝内的切换，发生在两个扇区或三个扇区之间。这种类型的切换只发生在蜂窝内，而不涉及移动交换中心,130,软切换的主要优点： 无缝切换，保持通话的连续性。 减少掉话可能

51、性，由于在软切换过程中，在任何时候移动台至少可跟一个基站保持联系，减少了掉话的可能性。 处于切换区域的移动台发射功率降低，减少发射功率是通过分集接收来实现的，降低发射功率有利于增加反向容量。 软切换的缺点： 导致硬件设备（即信道卡）的增加。 降低了前向容量，但由于CDMA系统前向容量大于反向容量，所以适量减少前向容量不会导致整个系统容量的降低,131,5、频率规划简单:用户按不同的序列码区分，所以不相同CDMA载波可在相邻的小区内使用，网络规划灵活，扩展简单。 6、建网成本低 7、“绿色手机”：CDMA系统发射功率最高只有200毫瓦，普通通话功率可控制在零点几毫瓦，其辐射作用可以忽略不计。 8

52、、保密性强，通话不会被窃听：CDMA信号的扰频方式提供了高度的保密性，CDMA码址是个伪随机码，而且共有4.4万亿种可能的排列，因此，要破解密码或窃听通话内容是很困难的,132,9、多种形式的分集,分集的概念：如果一条无线传播路径中的信号经历了深度衰落，而另一条相对独立的路径中可能仍包含着较强的信号。因此可以在多径信号中选择两个或两个以上的信号，这样做的好处是它对于接收端的瞬时信噪比的平均信噪比都有提高，并且通常可以提高20dB到30dB。 有有三种主要分集方式：时间分集、频率分集和空间分集,133,时间分集：以超过信道相干时间的时间间隔重复发送信号，以便让再次收到的信号具有独立的衰落环境，从

53、而产生分集效果。目前，这种分集技术已经被大量用于扩频CDMA的RAKE接收机中，以处理多径信号,134,频率分集：在多于一个载频上传送信号。 工作原理：在信道相干带宽之外的频率上不会出现同样的衰落。在理论上，不相关信道产生同样衰落的概率是各自产生的衰落概率的乘积。 应用：频率分集经常用在频分双工（FDD）方式的视距微波链路中。在实际应用中，有一种工作方式称为1：N保护交换方式。在这种方式中，有一个频道是空闲的，但它实际上是一个备用频道，可以用来提供和同一链路上N个载频（这些载频上的业务是相互独立的）中任一个载频间的频率分集切换。当需要分集时，相应的业务被切换到备用频率上。这项技术的缺点是：它不

54、仅需要备用带宽，而且需要有和频率分集中采用的频道数相等的若干个接收机。但是对于特殊业务，这个费用也许是划算的,135,空间分集：也称为天线分集，是无线通信中使用的最多的分集形式。 理论上，如果天线间的相隔距离等于或大于半波长，那么从不同的天线上收到的信号包络将基本上是非相关的。 天线分集的概念用于基站的设计是这样的：在每个蜂窝小区的中心，为了进行分集接收，装备了多个基站接收天线。但是，由于移动台接近于地面，容易产生严重的信号散射现象，因而在基站处的分集天线之间必须隔的相当远（通常是波长的几十倍）才能实现信号的非相关。 天线分集即可用于基站，也可用于移动台，或两者同时采用,136,分集是对付多径

55、衰落很好的办法，CDMA采用了三种分集方式：时间分集、频率分集和空间分集 时间分集采用了符号交织、检错和纠错编码等方法。 频率分集本身是1.25MHz宽带的信号，起到了频率分集的作用。 空间分集基站使用两付接收天线，基站和移动台都采用了Rake接收机技术，软切换也起到了空间分集的作用,137,CDMA系统采用并联相关器的方法解决了多径问题。移动台和基站分别配备三个和四个相关器。基站和移动台所用的Rake接收机，能独立跟踪各个不同路径，将收到的信号强度矢量相加，然后再进行解调。这样，虽然每条路径都有衰落，但各自独立，因此基于各信号之和的解调就更为可靠,138,10、CDMA的功率控制,CDMA系

56、统的容量主要受限于系统内移动台的相互干扰。如果每个移动台的信号到达基站时都达到最小的信噪比，系统容量将会达到最大值。 CDMA功率控制的目的就是既维持高质量通信，又不对占用同一信道的其它用户产生不应有的干扰。 CDMA系统的功率控制也能降低为克服噪声和干扰所需的发射功率。工作范围更大。 CDMA系统引入了功率控制，一个很大的好处是降低了平均发射功率而不是峰值功率,139,功率控制的原则: 当信道的传播条件突然改善时，功率控制应作出快速反应(例如在几微秒时间内)，以防止信号突然增强而对其它用户产生附加干扰；相反，当传播条件突然变坏时，功率调整的速度可以相对慢一些。 也就是说，宁愿单个用户的信号质

57、量短时间恶化，也要防止许多用户都增大背景干扰,140,11、话音激活,CDMA在不讲话时传输速率降低，减轻了对其它用户的干扰，这就是CDMA系统中的话音激活技术。 人类对话的特征是不连续的，对话的激活期（占空比）通常只有35%左右。在许多用户共享一个无线信道时，如果利用话音激活技术，使通信中的用户有话音才发射信号，没有话音就停止发射信号，那么任一用户在话音发生停顿时，所有其他通信中的用户都会因为背景干扰减小而受益。话音停顿可以使背景干扰减小65%，能提高系统容量到1/0.35=2.86倍,141,第三代移动通信系统理论研究和发展概况,已提出的第三代移动通信系统主要有： 国际电联（ITU）早在1985年就提出了第三代移动通信系统的概念，当时称为未来公共陆地移动通信系统（FPLMTS），后考虑到该系统预计