第7章移动通信系统

现代通信技术概论2第7章移动通信系统7.1移动通信概述7.2GSM数字移动通信系统7.3CDMA数字移动通信系统7.4第三代移动通信系统7.5新一代移动通信系统37.1移动通信概述移动通信指移动用户之间或移动用户与固定用户之间所进行的通信。小区制蜂窝网和码分多址技术是移动通信技术的核心概念。本章将对公用移动通信系统的特点、组成、功能以及工作原理进行说明。重点对基于小区蜂窝网概念的全球移动通信系统（GSM）和基于码分多址技术（CDMA）的数字移动通信系统进行介绍。47.1.1移动通信的特点频率资源有限易受外界干扰存在各种效应：多径、阴影、多普勒、远近效应技术较复杂对设备要求高保密性较差57.1.2移动通信发展历程移动通信六个发展阶段阶段年代划分特点I1920-1940专用系统、小范围、少量用户、低频率。主要在交通运输、军事等领域。II1940-1965由专用移动网向公用移动网过渡。采用人工接续、网的容量较小、成本较高。III1965-1975大区制、中小容量、自动选频、自动接续，450MHz频段。IV1975-1985第一代模拟移动通信系统：蜂窝网概念推进了系统容量大增；微电子技术使得设备趋于小型化；计算机技术的发展为网管提供了强有力的手段。代表体制：美国AMPS，北欧NMTS，英国TACS等。寻呼系统和无绳电话系统伴随着出现。V1985-2005第二代数字移动通信系统：数字蜂窝技术成为当代主流在用移动通信系统。频谱利用率高、系统容量较大，能提供语音、数据等多种通信业务。代表体制：泛欧GSM、北美CDMA、日本PDC等。缺点：无法完全实现全球漫游、仅支持语音、短消息和较低速的数据通信连接、系统容量也不足。VI2005-今第三代移动通信系统：为用户提供全球海陆空三维的无缝隙覆盖，支持全球漫游业务；支持多种话音和非话音业务,特别是多媒体业务；具备足够的系统容量、强大的多种用户管理能力、高保密性能和服务质量。目前主流标准：美国CDMA2000、中国TD-SCDMA、日本W-CDMA67.1.3移动通信系统的组成MSC通过中继线与固定电话网连通，实现移动台用户与公用固定电话用户之间的通信。基站移动网市话交换局MSC基站固定电话网移动业务交换中心移动台移动台77.1.4移动通信的分类按使用区域：陆地、海上和航空移动通信系统按基站配置方式：大区制、中区制和小区制移动通信系统。按传输信号类型：模拟和数字移动通信系统。按运行方式：专用（公安、消防等）和公用移动通信系统。按系统用途：移动电话通信系统、无线寻呼系统、无绳电话通信系统和集群通信系统。87.1.5无线通信的多址方式在无线通信系统中，为了提高系统效率、增加系统容量，让若干个用户共用一个发射台进行相互间的多边通信，称为多址通信。为了使相互间能够区分开来，需要对发送端信号做出分割，使各用户信号有所差异，而接收端则能从这些混合信号中分离出相应的用户信号。9四种多址方式（频分、时分、码分、空分）基站f1f1'f2f2'f3f3'移动台1移动台2移动台3基站T2T3T1T1T2移动台1移动台2移动台3T3ffffff移动台1移动台2移动台3PN1PN2PN3基站基站移动台3移动台2移动台1f3f2f1107.2GSM数字移动通信系统80年代初，欧洲为统一900MHz频段的蜂窝系统，成立了特别移动通信组（GSM：GroupSpecialMobile）制定有关标准和建议书，并于1990年完成了GSM900规范。1991年欧洲开通了第一个数字移动通信系统，同时将GSM更名为全球移动通信系统(GSM：GlobalSystemforMobilecommunications），从此跨入了数字移动通信时代。117.2.1蜂窝系统基本原理无线蜂窝基本原理是：把一个地理区域划分成若干个无线小区，每小区设一个小功率无线基站台，由于基站功率较小，信号强度影响范围有限，因此同一频率的载频可以在一定距离的另一小区重复使用。通话用户从一个小区到下一个小区移动过程中，系统能够自动地为其提供连续不断的信道接续，称为自动越区切换。频率复用加上自动越区切换是无线蜂窝概念的主体。121.蜂窝小区的概念以正六边形为基本几何形状的小区，状似蜂窝，故名蜂窝移动通信系统。相邻的另一个区群可以重复使用相同的载频。CBEDFGACBEDFGACBEDFGA(a)120度裂向123123123123123(b)60度裂向143256143256143256143256132.小区扩容方法小区分裂：把当前较大小区分割成若干较小的小区并增设基站。扇区化：也称为裂向或空分多址技术。覆盖区域逼近：合理布设基站位置，增加覆盖面积。微小区：把一个小区分成多个微小区，仅设微小区发射机，各发射机共享同一基站。143.越区切换处于移动状态的用户，当从一个小区基站覆盖范围移动到另一个小区时，为了保持不中断通信，需要进行越区信道切换。这个过程应在用户不介入并且察觉不到的情况下完成。硬切换：先中断旧连接再接入新连接（GSM）软切换：维持旧连接的同时建立新连接，然后再中断旧连接（CDMA）157.2.2GSM系统组成与频率配置GSM数字蜂窝移动通信系统主要是由网路子系统、基站子系统和移动台三大部分组成。161.GSM系统的组成归属位置寄存器/鉴权中心设备识别寄存器移动业务交换中心/拜访位置寄存器操作维护中心移动业务交换中心/拜访位置寄存器基站控制器基站收发信台基站收发信台移动台短信息中心公用固定电话网综合业务数据网公用分组交换网17GSM系统的组成移动台(MS):由移动终端设备（手持机）和用户识别模块（SIM卡）组成。基站子系统(BSS)：由基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）组成。网路子系统(NSS)：包括移动业务交换中心（MSC）、拜访位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AUC）和移动设备识别寄存器（EIR）。182.频率配置表7-2我国移动通信网的频率配置系统使用部门上行频率（MHz）下行频率（MHz）中国联通CDMA825-835870-880中国移动GSM室内分布系统885-890930-935中国移动GSM900890-909935-954中国联通GSM900909-915954-960中国移动DCS18001710-17201805-1815中国联通DCS18001745-17551840-1850197.2.3GSM系统主要业务功能GSM数字移动通信系统主要可以为用户提供电话业务（包括语音信箱）和数字业务（也称非话业务）。前者传输的是话音信号，后者传输的是包括文字、图像、传真、计算机文件等在内的综合数字业务，其典型应用是短消息业务。207.3CDMA数字移动通信系统上个世纪80年代初，与GSM几乎同时出现的另一种重要体制是CDMA，依靠其巨大的增容潜力和良好的抗干扰能力，CDMA发展成为具有光明前景的数字移动通信系统，并成为第三代移动通信系统的主流技术。本节将介绍CDMA数字移动通信系统的基本工作原理和关键技术。217.3.1CDMA制式的特点采用扩频通信和码分多址（CDMA）技术。相邻小区使用相同的频率，频率规划简单。话音质量好、掉话率低、发射功率小、省电。采用软切换。在同样带宽条件下提供相同容量所需要的基站较少，可降低网建成本。可提供更高质量的数据传输业务。手机符合环保的要求。227.3.2码分多址原理扩频通信是扩展频谱通信的简称。其过程是在发送端把要传送的窄带信号频谱扩散到相对很宽的一个频带内，让其远大于传输该信号所必需的带宽；而在接收端则通过相关解调把接收到的宽带频谱信号恢复为原来的窄带信号。扩频通信具有高强度的抗干扰能力，其理论依据是前面所提到的香农定理。231.香农定理与扩频通信香农定理：C=Blog2(1+S/N)bit/s，在一个通信系统中，信道容量C、信道带宽B和信噪比S/N可以通过相互提升或降低取得平衡。扩频通信：B很宽，C不变，通过扩展信号带宽可以大大降低对S/N的要求，并实现同样的通信效果。242.码分多址与扩频通信在CDMA移动通信中，选用一组自相关性很强，互相关性很弱的伪随机序列码，称为扩频码，每一个扩频码具有唯一性。给每个用户分配一个扩频码就可以通过码序列的不同区分不同用户。当码序列长度足够长时可以实现足够多的用户码分多址通信。CDMA移动通信系统中，扩频的目的并非是为了提高抗干扰能力，而是为了利用其中的码分多址技术实现用户容量的极大扩展。253.直接序列扩频调制扩频序列码具有很窄的脉冲宽度τ，其有效频带非常宽，数字信号码元调制扩频序列码，产生频带很宽的调制信号，可送入宽带信道传送。×伪随机码Ci(t)扩频信号流Ci(t)b(t)信息数据流b(t)1b(t)1100频谱1-11-1Ci(t)频谱Ci(t)b(t)1-1混合频谱264.CDMA发送和接收系统原理图用户1C1(t)b1(t)×+×××PN1∫Tb0PNnPN2b1(t)用户n用户2b2(t)bn(t)C2(t)b2(t)Cn(t)bn(t)Acos(ωct+φ)××Acos(ωct+φ)PNkCk(t)t=Tb时取样Vout（t）Vin（t）发送接收只有与PNk相关性最强的一路信号才能够被恢复出来，其余信号被认为是噪声过滤掉。275.直接序列扩频原理波形示意图四路信号被同时接收，但只有相关性最强的码元被保留下来，最终输出得到的是S2。地址码相关性最强的码元得以解出PN1用户数据码发端调制后收端解调后积分后b2b3b4b1PN4PN3PN2287.3.3CDMA数字移动通信系统CDMA数字移动通信系统主要是由网络交换子系统（NSS）、基站子系统（BSS）和移动台子系统（BS）三大部分组成。291.CDMA数字移动通信系统组成框图VLRHLRMCSMEMSCMSCPSTNISDNPLMNIWF......BSSMSNSSAUC30CDMA数字移动通信系统组成网络交换子系统（NSS）：移动交换中心（MSC）、归属位置寄存器（HLR）、拜访位置寄存器（VLR）、鉴权中心（AUC）、短消息中心（MC）、短消息实体（SME）和操作系统中心（OMC）组成。基站子系统（BSS）：由基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）组成。移动台子系统（MS）：用户手持机组成。312.CDMA制式中的关键技术在CDMA移动通信系统中，地址码的选择、地址码的同步、发送功率的控制以及软切换技术等都是系统能够正常工作的关键技术。1）地址码的选择：地址码要足够长、自相关性高确保能够正确地解扩，互相关性低确保不会产生相互干扰。2）地址码的同步：指发送和接收端的地址码在结构、频率和相位上保持严格一致。手机通过接收、跟踪、捕获、比较并锁定地址码来确定是否继续接收，还是过滤掉基站发来的信号。32CDMA制式中的关键技术3）发送功率的控制：功率控制最主要的目的是为了克服“远近效应”的影响。无论是移动台还是基站都应具有自动调节能力，在靠近基站天线时会自动降低功率，而在远离天线时又会自动加大功率。4）软切换：“先连接后者，再断开前者”的一种无缝连接技术，确保通话和数据传输不会发生短暂的中断现象。5）话音编码：话音编码技术确保在好的话音质量前提下，尽量压缩数码率，以提高频道利用率。333.CDMA移动通信系统信道划分以IS-95ACDMA数字蜂窝移动通信系统为例，其工作频段为800MHz。上行频段是825~850MHz，下行频段是870~895MHz，双工间隔是45MHz，频道间隔是1.25MHz，采用直接序列扩频技术。每1.25MHz频带内的载频点上再采用码分多址。理论上总共可以支持25MHz/1.25MHz=20个载频。347.4第三代移动通信系统3G的目标是实现全球化、综合化和个人化。3G主流制式:WCDMA、cdma2000和TD-SCDMA。WCDMA是由欧洲和日本共同提出。cdma2000(CodeDivisionMultipleAccess2000)是以美国高通公司为代表提出的。二者