第1章 移动通信基本原理

第1章移动通信基本原理第1章移动通信基本原理1.1手机发展概况1.2移动通信网的组成1.3多址接入技术1.4语音处理技术1.5数字调制与解调技术1.6用户通信终端设备1.7SIM卡与UIM卡习题一第1章移动通信基本原理1.1手机发展概况1.模拟式手机模拟式手机泛指第一代移动通信的终端设备。第一代移动通信俗称“本地通”，多采用TACS制，频分多址（FDMA）方式。第1章移动通信基本原理2.数字式手机现在正处于移动通信的第二阶段，数字式手机泛指第二代移动通信的终端设备。第二代数字式手机，俗称“全球通”，我国现有GSM、CDMA两种制式。我国首先采用GSM制，它属时分多址（TDMA）方式。第1章移动通信基本原理3.第三代手机实用的第三代手机已经问世，主要采用CDMA2000技术。显然，它必须与第三代移动通信相适应，第三代手机应具备以下几个特点：（1）不仅能传送语音信号，也为传递图像信号奠定了基础。（2）手机中可加装微型摄像头，可实时拍摄景物，使可视通信成为可能，可随意拨打可视电话。第1章移动通信基本原理（3）由于通频带拓宽，通过无线电网络技术，能轻松地上网，能浏览网页，收发电子邮件，能下载网上文件和图片，实现多媒体通信。（4）手机与商务通浑然一体，能以手写体录入文字。第1章移动通信基本原理4.第四代手机第三代手机以能达到3G频段为主要特征，第四代移动电话机的4G技术已经问世。美国AT&T实验室正在研究第四代移动通信技术，其研究的目标是提高手机访问互联网的速率。目前，手机上网的连接速率大约为调制解调器的1/4，而采用4G技术的连接速率一开始就能达到拨号调制解调器的十几倍，但现在还不能将这种技术转向实用化。表1-1为三代移动通信的主要特点。第1章移动通信基本原理表1-1三代移动通信的比较第1章移动通信基本原理5．小灵通PHS小灵通又叫无线市话，英文简称为PHS(PersonalHandphoneSystem)，是一种个人无线接入系统。在不少城市，“小灵通”已成为人们日常生活中不可缺少的通信工具。“小灵通”采用的是微蜂窝技术，将用户终端以无线的方式接入固定电话网，使传统意义上的电话不再固定在某个位置，用户可在小灵通网络覆盖范围内自由移动实现通信。正是由于无线市话小巧、价廉、环保的特点，人们亲切地称之为“小灵通”。第1章移动通信基本原理小灵通定位在对固定电话的补充与延伸上。它的最大特点是通信费用低廉，其手机发射功率小，平均发射功率为10mW，手机通话时间较长。但其室内信号覆盖比较差，且它的移动速度一般不能超过35km/h。在最后一章将详细讨论其工作原理。第1章移动通信基本原理1.2移动通信网的组成1.2.1数字移动通信系统基本组成一个数字移动通信系统主要由交换网络子系统NSS、基站子系统BSS和手机MS组成。基站子系统与移动电话机之间依赖无线信道来传输信息。移动通信系统与其他通信系统如PSTN固定电话网之间，需要通过中继线相连，实现系统之间的互连互通，其组成框图如图1-1所示。当然，对整个通信网络需要进行管理和监控，这是由操作维护子系统OMS来完成的。第1章移动通信基本原理图1-1移动通信系统组成框图第1章移动通信基本原理1.手机MS终端设备就是移动客户设备部分，它由两部分组成：移动终端(MS)和客户识别模块（SIM）。移动终端在早期是以车载台、便携台形式出现的，现在多为大众化的移动电话机——手机所取代，车载台仍有少量生产，主要用于通信部门和军事上。第1章移动通信基本原理2.基站子系统BSS基站又称基地台，它是一个能够接收和发送信号的固定电台，负责与手机进行通信。基站（BSS）系统是在一定的无线覆盖区中由MSC控制，与MS进行通信的系统设备，它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。功能实体可分为基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。第1章移动通信基本原理1）基站收发信台BTSBTS完全由BSC控制，主要负责无线传输，完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。2）基站控制器BSC基站控制器是基站的智能控制部分，负责本基站的收发信机的运行、呼叫管理、信道分配、呼叫接续等。一个基站控制器可以控制管理最多可达256个基站收发器。第1章移动通信基本原理3．交换网络子系统NSS交换网络子系统（NSS）主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。交换网络子系统NSS能在任意选定的两条用户线（或信道）之间建立和（而后）释放一条通信链路，并实现整个通信系统的运行、管理。第1章移动通信基本原理1）移动交换中心MSCMSC是计算机控制的全自动交换系统。MSC与基站以光缆相连进行通信，一个MSC可以管理数十个基站，并组成局域网。第1章移动通信基本原理MSC支持的呼叫业务是：（1）本地呼叫、长途呼叫和国际呼叫。（2）通过MSC进行移动用户与市话、长话之间的联系，控制不同蜂窝小区的运营。（3）支持移动电话机的越区切换、漫游、入网登录和计费。第1章移动通信基本原理2）访问位置寄存器VLR访问位置寄存器VLR是一个用于存储来访用户信息的数据库。一个VLR通常为一个MSC控制区服务，也可以为几个相邻的MSC控制区服务。移动台MS的不断移动导致了其位置信息的不断变化，这种变化的位置信息在VLR中进行登记。第1章移动通信基本原理3）归属位置寄存器HLRHLR是一种用来储存本地用户位置信息的数据库。当一个移动用户购机后首次使用SIM卡加入蜂窝系统时，必须通过MSC在该地的HLR中登记注册，把其有关参数存放在HLR中。4）鉴权中心AUC鉴权中心AUC的作用是可靠地识别用户的身份，只允许有权用户接入网络并取得服务。第1章移动通信基本原理5）设备号识别寄存器EIR设备号识别寄存器EIR存放设备类型信息，每个移动电话机都有一个国际移动设备识别码IMEI，EIR用来监视和鉴别移动设备，并拒绝非法移动台入网。第1章移动通信基本原理6）操作维护子系统OMS操作维护子系统OMS，又称操作维护中心。其任务主要是对整个GSM网络进行管理和监控。通过OMS实现对GSM网内各种部件功能的监视、状态报告、故障诊断等功能。第1章移动通信基本原理1.2.2CDMA数字移动通信系统的基本组成各种CDMA系统的主要技术、具体构成不完全相同，我国主要是联通的800MHzCDMA数字系统。一种CDMA数字移动通信系统的基本组成如图1-2所示。第1章移动通信基本原理图1-2CDMA数字移动通信系统基本组成第1章移动通信基本原理CDMA的基本组成与GSM的大同小异，交换网络子系统NSS、基站子系统BSS、操作维护子系统OMS和手机MS是必不可少的组成部分。图1-2中，PCF部分主要实现对分组数据业务的处理功能。它能够提供强大的分组数据处理能力，满足用户对高速分组数据的传输要求，能适应目前和将来不断增长的业务需要。OMC-R部分主要是对整个BSS子系统来进行管理和控制，它是整个BSS子系统的操作维护中心。第1章移动通信基本原理1.3多址接入技术多址技术就是要使众多的客户共用公共通信信道所采用的一种技术。实现多址的方法基本上有三种，即采用频率、时间或码元分割的多址方式，人们通常称它们为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）。第1章移动通信基本原理1.3.1频分多址（FDMA）FDMA是把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的频道（或称信道）分配给不同的用户使用。这些频道互不交叠，其宽度应能传输一路话音或数据信息，而在相邻频道之间无明显的串扰。如图1-3所示。第1章移动通信基本原理图1-3频分多址的频道划分第1章移动通信基本原理1.3.2时分多址（TDMA）TDMA将每个频带信道分成若干时隙（时间片），然后把每个时隙再分配给每个用户，根据一定的时隙分配原则，使各个移动用户在每帧内只能按指定的时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各个移动用户的信号而不混扰。第1章移动通信基本原理图1-4(a)FDMA；(b)TDMA第1章移动通信基本原理图1-4中所示（(a)为FDMA，(b)为TDMA）是一个方向的情况，在相反方向上必定有一组对应的频率/时隙（FDMA/TDMA）。TDMA信道的划分如图1-5所示。现在正广泛使用的GSM数字移动通信系统采用的就是TDMA/FDMA相结合的方式。第1章移动通信基本原理图1-5TDMA信道的划分第1章移动通信基本原理TDMA系统具有如下特性：(1)每载频多路。（2）突发脉冲序列传输。（3）传输速率高，自适应均衡。（4）传输开销大。(5)对于新技术是开放的。（6）共享设备的成本低。第1章移动通信基本原理1.3.3码分多址（CDMA）在码分多址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的，而是用不同的编码序列来区分的，或者说，靠信号的不同波形来区分。如果从频率域或时间域来观察，多个CDMA信号是互相重叠的。第1章移动通信基本原理在FDMA和TDMA系统中，为了扩大通信用户容量，都尽力压缩信道带宽，但这种压缩是有限度的，因为信道带宽的变窄将导致通话质量的下降。而CDMA却相反，可大幅度地增加信道宽度，这是因为它采用了扩频通信技术。第1章移动通信基本原理CDMA的关键是所用扩频码有多少个不同的互相正交的码序列，就有多少个不同的地址码，也就有多少个码分信道。为了扩大系统容量，人们正在致力于这种正交码序列的编码研究。CDMA按照其采用的扩频调制方式的不同，可以分为直接序列扩频（DS）、跳频扩频（FH）、跳时扩频（TH）和复合式扩频，如图1-6所示。直接序列扩频（DS-SS）CDMA发射和接收电路构成如图1-7所示。第1章移动通信基本原理图1-6CDMA扩频调制方式第1章移动通信基本原理图1-7直接序列扩频（DS-SS）发射和接收电路构成框图第1章移动通信基本原理CDMA技术近年得到了迅速的发展，正在成为一项全球性的无线通信技术，它具有如下优点：（1）系统具有软容量。（2）能实现多媒体通信。（3）语音质量高。（4）无需防护间隔。（5）能实现软切换。（6）保密性强。（7）实现低功耗。（8）建网成本下降。第1章移动通信基本原理1.4语音处理技术1.4.1语音编码由于GSM系统是一种全数字系统，语音或其它信号都要进行数字化处理，因而第一步要把语音模拟信号转换成数字信号（即1和0的组合）。语音信号有多种编码方式，但最基本的是脉冲编码调制PCM。典型的脉冲编码调制电路组成如图1-8所示。第1章移动通信基本原理图1-8脉冲编码调制电路组成第1章移动通信基本原理PCM编码是采用A律波形编码，分为三步：(1)采样。(2)量化。(3)编码。第1章移动通信基本原理声码器编码可以是很低的速率（可以低于5kb／s），虽然不影响语音的可懂性，但语音的失真很大，很难分辨是谁在讲话。波形编码器语音质量较高，但要求的比特速率相应的较高。因此GSM系统语音编码器是采用声码器和波形编码器的混合物——混合编码器，全称为线性预测编码-长期预测编码-规则脉冲激励编码器（LPC-LTP-RPE编码器），见图1-9。第1章移动通信基本原理图1-9GSM语音编码器框图第1章移动通信基本原理1.4.2信道编码1.信道编码的基本原理语音信号经过语音编码后，紧接着还要进行信道编码。由语音编码过程可以看出，采用LPC-LTP-RPE编码方案，可以降低数字信号的传输速率，实现数字信号压缩。第1章移动通信基本原理采用数字传输时，所传信号的质量常常用接收比特中有多少是正确的来表示，并由此引出比特差错率(BER)的概念。BER表明总比特率中有多少比特被检测出错误，差错比特数目或所占的比例要尽可能小。为了有所补益，可使用信道编码。信道编码能够检出和校正接收比特流中的差错。这是因为加入一些冗余比特，把几个比特上携带的信息扩散到更多的比特上。为此付出的代价是必须传送比该信息所需要的更多的比特，但这种方法可以有效地减少数据差错。第1章移动通信基本原理为了便于理解，我们举一个简单的例子加以说明。假定要传输的信息是一个“