现代通信网_7第七章 移动网-1-f

现代通信网华中科技大学电子与信息工程互联网技术与工程研究中心2020年1月19日星期日杜旭[e-mail]第七章移动通信网2内容提要1.移动通信网简介2.移动通信网中的基本技术3.GSM系统4.CDMA系统5.卫星移动通信网6.第三代移动通信网31.1移动通信的特点用户的移动性呼叫接续处理复杂系统和网络结构复杂多用户共存与其他多种网络互连电波传播条件复杂直射、反射、折射、绕射、多普勒效应、从而产生多径干扰、信号传播延迟和展宽等噪声和干扰严重工业噪声和天然电噪声、互调干扰，邻道干扰，同频干扰有限的频率资源41.2移动通信系统的种类公用移动通信系统给公众提供移动通信业务的网络集群移动通信系统在一定范围内使用的专用无线调度通信系统卫星移动通信系统利用同步或中低轨道卫星转发信号无绳电话固定电话的延伸，手持终端室内外慢速移动无线寻呼系统单向传递信息的移动通信系统51.3移动通信的发展第一代移动通信系统（已淘汰）模拟移动通信系统，采用频分双工、频分多址制式和蜂窝组网技术，如美国的AMPS(IS-54)和英国的TACS信道利用率不高，通话质量一般，保密性差，标准不统一，难以提供非话数据业务6第一代模拟蜂窝移动通信系统(已淘汰)历史回顾：1978年，美国的贝尔实验室成功开发了AMPS（AdvanceMobilePhoneService）系统，实现了真正意义上的可以随时随地通信的大容量的蜂窝移动通信系统。1987年，中国首个TACS制式模拟移动电话系统建成商用，之后AMPS也曾被引入中国。主要标准：美国的AMPS、欧洲的TACS、英国的ETACS、欧洲的NMT-450和NMT-900、日本的NTT和JTACS/NTACS主要特点：模拟移动通信系统，采用频分双工、频分多址制式（FDMA）和蜂窝组网技术调制方式：FM业务的种类单一，主要是话音业务,系统的保密性较差频谱效率较低，有限频谱资源和无限用户,容量之间的矛盾十分突出标准不统一，难以提供非话数据业务7第二代移动通信系统(应用中)数字移动通信系统，采用频分双工、时分多址和码分多址技术和蜂窝组网技术。如GSM和窄带CDMA系统带宽有限，限制了宽带数据业务的发展各国标准不统一，无法全球漫游8第二代数字蜂窝移动通信系统-GSM历史回顾：1992年，第一个数字蜂窝移动通信系统——欧洲的GSM（GlobalSystemforMobileCommunication）网络在欧洲开始铺设，由于其优越的性能，在全球范围内以惊人的速度得以扩张，目前已是全球最大的蜂窝通信系统。1993年，中国的第一个全数字移动电话GSM系统建成开通，之后中国电信和中国联通都采用了GSM。主要特点：微蜂窝小区结构,FDMA/TDMA新的调制方式---GMSK、QPSK等频谱利用率高，系统容量大便于实现通信安全保密9第二代数字蜂窝移动通信系统-CDMA历史回顾：1995年，美国的高通公司（Qualcomm）提出了一种采用码分多址（CDMA)方式的数字蜂窝系统技术解决方案（IS-95CDMA)，目前已分别在中国香港、韩国、北美等国家和地区投入使用，用户反映良好。CDMA系统的主要特点：用户的接入方式采用码分多址（CDMA）软容量、软切换，系统容量大抗多径衰落可运用话音激活、分集接收等先进技术10第三代移动通信系统(部署和推广中)3G的主要特点：支持移动多媒体业务宽带CDMA技术高频谱效率FDMA/TDMA/CDMA从电路交换到分组交换从媒体(media)到多媒体(Multi-media)高保密性全球范围无缝漫游系统微蜂窝结构主流技术：WCDMACDMA2000TD-SCDMA11蜂窝移动通信的发展1G2G3G模拟系统GSMWCDMAIS-95CDMA2000TD-SCDMAGPRS121.4移动通信系统的组成GMSC至其他网络BSBSBSBSBSBS数据库MSCMSCMSC数据库数据库131.5移动通信无线覆盖方式大区制一个基站覆盖整个服务区，负责服务区内所有移动台的通信与控制特点:单基站，天线架设高，功率大，覆盖半径大只能用于小容量网络，如集群通信系统小区制整个服务区划分为若干小区，每个小区的基站负责本小区内移动台的通信与控制同一频率在相邻小区内不得同时使用，但在相隔一定距离的小区可以重用，从而能够提高频率利用率和系统容量特点：多基站系统，网络结构和控制复杂141.6移动通信无线覆盖方式面状服务区：服务区为平面形考虑因素邻接小区中心间距单位小区的有效面积交叠区域面积交叠距离所需无线电频率15内容提要1.移动通信网简介2.移动通信网中的基本技术3.GSM系统4.CDMA系统5.卫星移动通信网6.第三代移动通信网162.1移动通信网中的多址技术由于无线信道的广播特征，移动通信系统中必须区分辨认不同移动台和基站的信息多址技术多个用户通过公共传输媒质相互通信时，给每个用户的信号赋以不同的特征，以区分不同的用户移动通信网中的多址技术频分多址(FDMA，FrequencyDivisionMultipleAccess)时分多址(TDMA，TimeDivisionMultipleAccess)码分多址(CDMA，CodeDivisionMultipleAccess)171)频分多址(FDMA)时间t频率f频道182)时分多址(TDMA)时间t频率f时隙193)FDMA+TDMAFrequencyPowerTimeFDMA/TDMA203)FDMA+TDMA时间t频率f200kHz一帧一个时隙频道200kHz200kHz200kHz214)码分多址(CDMA)码字时间t频率f信道225)CDMA+FDMA码字时间t频率f实例：窄带CDMA•整个频带采用FDMA分割成多个1.25MHz的频段•每个频段采用CDMA形成多个信道232.2双工方式频分双工(FDD，FrequencyDivisionDuplex)利用两个不同的频率来区分收发信道时分双工(TDD，TimeDivisionDuplex)利用同一频率但两个不同的时间段来区分收发信道发射机接收机发射机接收机双工器双工器24内容提要1.移动通信网简介2.移动通信网中的基本技术3.GSM系统4.CDMA系统5.卫星移动通信网6.第三代移动通信网253.1GSM简介GSM(GlobalSystemforMobileCommunication)－全球移动通信系统发展过程1982年，北欧四国提出建议1988年颁布GSM标准1991年投入商用1992年我国建立和开通第一个GSM演示系统1993年我国投入商用GSM标准系统结构、信令和接口能够与其他数字通信网(如PSTN和ISDN)互连GSM900和DCS1800263.1GSM简介GSM系统的优点：(1)频谱效率高。(2)容量大。(3)话音质量高。(4)安全性(5)有一定的业务优势273.2GSM网络系统结构MSBTS基站子系统BSS网络子系统NSSPSTNISDNPDNBTSBSCBSCMSOMCMSCVLRAUCEIRHLRUmAbisAbisAABCD281)移动台(MS，MobileStation)移动设备(ME，MobileEquipment)移动用户识别模块(SIM，SubscriberIdentityModule)292)基站系统(BSS，BaseStationSystem)基站收发台(BTS，BaseTransceiverStation)BSS的无线部分，受控于基站控制器BSC，包括无线传输所需要的各种硬件和软件实现无线传输的空中接口及相关的控制功能基站控制器(BSC，BaseStationController)BSS的控制部分，可控制几个BTS管理无线信道、呼叫和通信链路的建立和拆除，控制本控制区内移动台越区切换等303)网络子系统网络子系统(NSS，NetworkSubSystem)实现GSM系统的交换功能、用户数据与移动性管理、安全性管理各功能实体之间、NSS与BSS之间通过No.7信令互相通信移动交换中心(MSC)为本MSC区域内的移动台提供所有的交换和信令功能网关MSC(GMSC)在MSC之间完成路由功能，并实现移动网与其他网的互连313)网络子系统归属位置寄存器(HLR)存储本地用户位置信息的数据库内容主要包括：用户信息、位置信息、业务信息访问位置寄存器(VLR)用于存储进入其覆盖区的用户位置信息的数据库移动用户由当前位置所在MSC控制区的VLR控制鉴权认证中心(AUC)与HLR相关联，鉴别用户身份的合法性设备识别寄存器(EIR)存储移动台设备参数的数据库操作和维护中心(OMC)实现对GSM网内各实体的功能监视、状态报告、故障诊断、话务量的统计和计费数据的记录与传递等功能324)GSM系统接口A接口网络子系统(NSS)与基站子系统(BSS)之间的通信接口包括移动台管理、基站管理、移动性管理和接续管理等采用2.048Mb/s的PCM数字传输链路Abis接口基站控制器(BSC)和基站收发信台(BTS)之间的通信接口采用2.048Mb/s或64kb/s的PCM数字传输链路Um接口(空中接口)移动台MS与基站收发台BTS之间的无线通信接口包括无线资源管理，移动性管理和接续管理等网络子系统内部接口：B、C、D、E、G、H接口333.3GSM网络系统中的号码移动台号簿号码(MSISDN)：手机号码国际移动用户标识号(IMSI)MCC(3位)+NMSI(MNC(1~2位)+MSIN(10~11位))编号计划国际统一，与各国MSISDN编号计划相独立用于GSM网络系统中的用户标识国际移动台设备标识号(IMEI)移动台设备的唯一标识，生产过程中永久性置入移动台移动台漫游号码(MSRN)被访地区的VLR分配的临时号码，供MSC路由选择使用临时移动用户识别码(TMSI)由VLR给用户临时分配，在空中传送用户识别码时用TMSI来代替IMSI，以隐藏IMSI343.4GSM信道物理信道FDD：上行890～915MHz，下行935～960MHz，双工间隔45MHzFDMA：每个25MHz的频段分为125个载频，间隔200kHzTDMA：每个载频分为8个时隙逻辑信道业务信道(TCH，TrafficChannel)：传输编码的话音或用户数据控制信道(CCH，ControlChannel)广播信道(BCCH)：BS用于广播网络、位置和同步信息公共控制信道(CCCH)：传送呼叫接续阶段的信令信息专用控制信道(DCCH)：在呼叫接续阶段和通信过程中，在移动台和基站之间传输必需的控制信息35信道间隔：200kHz1710178518051880双工距离:95MHz双工距离:45MHz890915935960GSM900:GSM1800:GSM系统采用了FDMA、TDMA混合方式：FDD－TDMAGSM系统频率资源36GSM系统时隙结构25(51个(26-帧)或26个(51-帧))5049484732101超高帧＝2048超帧＝2715648个TDMA帧（3h28min53s760ms)2047204620452044204320426543210024232205049484746(51-帧)的复帧＝51个TDMA帧(3060/13ms)76543210TDMA帧＝8时隙(60/13或4.615ms)1超帧＝1326个TDMA帧(6.12s)124251234(26-帧)的复帧＝26个TDMA帧(120ms)01234373.5GSM呼叫接续(1)移动台与基站之间建立专用控制信道(2)完成鉴权和有关密码的计算(3)呼叫建立过程(4)建立业务信道(5)话终挂机38(1)(2)(3)(4)(5)MSBSMSCVLR连接确认连接指令回铃音信道分配请求立即分配指令业务请求鉴权请求鉴权响应置密模式完成TMSI指令TMSI响应建立呼叫请求TMSI指令TM