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无线通信技术基础第13章、第二代移动通信系统内容介绍第一代移动通信系统（1G）的用户容量和通信质量受到模拟调制技术的限制，无法满足大城市中移动用户数量急剧增加的需要，如何提高蜂窝系统的用户容量和通信质量成为移动通信发展的主要问题，采用大量数字技术的蜂窝移动通信系统在这两个方面可以提供很大程度的改善。第二代移动通信系统（2G）的主要特征是完全采用数字技术，包括：数字话音编码、数字信号处理、数字调制等等。2G系统在20世纪90年代初开始投入商用，最典型的系统是欧洲的GSM系统和北美的CDMAIS-95系统。其主要技术特点是：采用了抗干扰性能良好的数字调制技术。采用了功率控制技术解决大尺度衰落和远近效应问题。采用了均衡、分集、信道编码等技术解决小尺度多径衰落问题。采用了数字话音编码技术提供低码率、高质量的话音通信。本章重点一．USDC移动通信系统。二．GSM移动通信系统。三．CDMA（IS-95）移动通信系统。第13.1节、概述第二代移动通信系统（2G）是以传送话音和数据业务为主的窄带数字通信系统，典型系统包括：USDC、GSM、CDMAIS-95和PHS等。2G系统除了可以提供话音服务之外，还可以提供低速率数据和短消息服务。2G系统普遍采用了数字话音编码、信道编码、数字调制和先进的呼叫处理技术，同时采用了新的网络结构。从GSM系统开始，在BTS和MSC之间引入了一个新的设备：基站控制器（BSC）。BSC设置在MSC与多个BTS之间，可以分担大量原来需要MSC进行处理的工作，使MSC的运算量大大降低。这种结构上的更新还使得MSC和BSC之间的数据接口完全标准化，标准化和互操作性是第二代移动通信系统的新特征，系统运营商可以使用不同制造商提供的的MSC和BSC设备。这一改革促进了竞争，推动了技术进步，大大降低了设备价格。它最终使得MSC、BSC和BTS、MS等设备成为可以直接现货采购的标准设备，类似于PSTN中的交换机和电话机。第13.1节、概述2G系统在空中接口中引入了专用控制信道（公共信道信令），话音信息和控制信息可以同时在MS、BTS、BSC和MSC之间传输。2G系统还在MSC之间以及MSC与PSTN之间提供了专用的话音信道和信令信道。与主要用于话音通信的1G系统相比，2G系统增加了传输寻呼及其它数据业务的功能，如传真、短消息和数据接入等。网络的控制功能则被分散于整个系统的不同设备中，包括做为用户终端的移动台在内也承担了更多的控制功能，2G系统的越区切换主要由移动台来控制，称为移动台辅助切换（MAHO）。2G系统的移动台有许多1G系统的用户终端所不具备的功能，如：接收功率报告、邻近基站搜索、信道编码、交织和加密等。2G系统中也包含了数字无绳电话的标准，典型系统是欧洲的数字增强无绳电话（DECT）。它允许无绳电话通过自动选择信号最强的基站来进行通信。在DECT中，基站更多地用于控制交换、信令及越区切换。第13.2节、USDC系统美国数字蜂窝（USDC）系统是20世纪80年代末期由美国的技术人员开发出的2G系统。USDS与AMPS使用相同频段，同样使用45MHz间隔的FDD双工方式和30KHz的FDMA载频。但是，USDC采用了时分多址（TDMA）技术，可以在每个AMPS信道上支持3个全速率或6个半速率用户，因此，USDC系统最高可以提供的用户容量是AMPS系统的6倍。USDC系统与AMPS共享相同的频带、蜂窝频率复用方案和基站站点，用户可以使用一个双模移动终端接入AMPS和USDC信道。USDC也被称为数字AMPS（D-AMPS），采用双模技术，AMPS向USDC的演进可以逐渐进行。这种后向兼容的方式成为北美移动通信系统技术演进的特点，在从2G的CDMAIS-95向3G的CDMA2000的演进中仍然采用这种方式。由于另外一个非常具有竞争力的数字扩频移动通信系统CDMAIS-95投入商用，延缓并最后终止了USDC在美国的使用。第13.2节、USDC系统1、USDC的无线接口参数USDC（IS-54）双工和多址方式TDMA/FDMA/FDD反向信道频带824~849MHz前向信道频带869~894MHz信道带宽30KHz调制π/4DQPSK谱效率1.62bps/Hz信道编码7比特CRC和1/2比率、约束长度为6的卷积编码交织2时隙交织器每信道用户数量3（全速率话音编码器，7.95Kbps/用户）6（半速率话音编码器，3.975Kbps/用户）第13.2节、USDC系统USDC的无线信道控制信道：USDC的控制信道与AMPS的控制信道基本相同。除了AMPS原有的42个控制信道以外，USDC还指定了42个附加控制信道，称为辅助控制信道，因此USDC的控制信道是AMPS的两倍，可以寻呼双倍的控制信道业务。话音信道：USDC的话音信道在每个前向链路和反向链路中仍然都占30KHz的频段，每个话音信道采用时分多址（TDMA）方式，提供6个时隙。对于全速率话音，3个用户以等间隔方式占用6个时隙中的两个，可以支持3个用户同时通话；对于半速率话音，6个用户分别占用一个时隙，可以支持6个用户同时通话（AMPS只支持1个用户通话，因此USDC的最大通话容量是AMPS的6倍）。在每个USDC的30KHz话音信道上，还可以同时提供3个数据信道。第13.2节、USDC系统USDC业务信道的帧结构时隙1时隙2时隙3时隙4时隙5时隙6一帧=1944bits（972符号）=40ms；25帧/秒GR数据同步数据SACCHCDVCC数据1个时隙6616281221212122反向链路的时隙格式同步SACCH数据CDVCC数据保留28121301213012前向链路的时隙格式第13.2节、USDC系统USDC的话音编码：USDC采用矢量和激励线性预测编码器（VSELP），属于码本激励线性预测编码器（CELP）的一种变形。这类编码器是以码本为基础来确定如何量化差值激励信号的。IS-54标准选取的是Motorola公司的算法，VSELP编码器输出速率为7.95Kbps，每20ms为一个话音帧，每秒为一个用户产生50个话音帧，每帧包含159话音比特。USDC的信道编码：话音编码帧中的159个比特根据它们在话音识别时的重要性分为两类：77个第一类比特和82个第二类比特。第一类比特是重要比特，由一个比率为1/2，约束长度K=6的卷积码来保护。除了卷积编码外，第一类比特中的12个最重要比特用7比特CRC检错码来进行分组编码。这就保证了重要的话音编码比特在接收器中被检测到的概率较高。第二类比特是不太重要的比特，没有对它们进行差错保护。经过信道编码后，每个话音编码帧的159比特用260个信道编码比特来表示，总速率为13Kbps。第13.2节、USDC系统USDC的交织编码：在发送之前，经过信道编码的话音数据与邻近话音帧的数据交织到两个时隙上，每个时隙只包含每个话音帧的一半数据。话音数据被放到26×10交织器中。x1123456789101y122625x13y13x14y14x26y26x27x39x40x52x53x66x79x92x105x118x130x65x78x91.............................................................................x104x117y27y40y53y66y79y92y105y118y39y52y130y65y78y91y104y117第13.2节、USDC系统USDC的调制：在控制信道上，与AMPS使用相同的调制方式（10Kbps二进制FSK调制）。在话音信道上，USDC用总比特速率为48.6Kbps的数字调制代替了AMPS的模拟FM调制。为了限制相邻信道的干扰，还采用了频谱成形技术。由于对称差分相移键控调制（通常叫做π/4-DQPSK）在移动无线环境中有许多优点，所以USDC采用了这种调制方式，信道的符号速率为24.3Kbps（总速率48.6Kbps），符号持续时间为41.1523μs。USDC的解调和解码：解调和解码可以在中频或基带上完成。在基带上实现可以采用DSP技术，这样不仅可以降低了设备成本，而且可以大大简化射频电路。DSP技术还可以支持USDC均衡器和双模式功能的实现。USDC的均衡：如果均方时延扩展超过4.12μs，就需要采用均衡技术来减少误比特率。IS-54标准中没有确定具体的均衡实现方式，但是为USDC系统规定了均衡器。第13.2节、USDC系统IS-94标准：利用了IS-54提供的系统功能，将蜂窝电话直接连到专用交换机上，将MSC的智能功能前移到基站系统中，这样就有可能利用放置于建筑物内的小型基站来构成微小区，在一个建筑或园区内提供无线PBX业务。IS-94规定了一项技术，用来提供使用非标准控制信号的专用或封闭式的蜂窝系统。IS-94系统于1994年提出并迅速用于办公建筑和饭店等场合。IS-136：提供了一组新的性能和业务，规定了短消息功能和专用用户组特性，使其更适合于无线PBX的应用和寻呼应用。而且，IS-136规定了一种“休眠”模式，可以使蜂窝电话大大节省电池能量。IS-136的用户终端与IS-54的用户终端不兼容，IS-136对全部控制信道均采用了48.6Kbps速率（不支持10KbpsFSK），每个移动终端只需要使用48.6Kbps的调制解调器，这样可以降低IS-136用户终端的成本。第13.3节、GSM系统全球移动通信系统（GSM：GlobalSystemforMobileCommunications）是全世界范围内应用最广泛的第二代移动通信系统，GSM系列主要包括GSM900、DCS1800和PCS1900三部分，三者之间的主要区别是无线信道的工作频段不同，其它技术完全相同，用户只需要一个GSM标准的多频用户终端，就可以自动选择三者中最好的服务。GSM是世界上第一个对数字调制技术、网络层结构和业务类型等作出了详细规定的数字蜂窝移动通信系统。在GSM之前，欧洲各国在整个欧洲大陆上采用不同的标准建立了很多互不兼容的第一代移动通信系统，往来于欧洲各国之间的用户无法用一种标准手机进行通信，这在一定程度上影响了欧洲的一体化进程。GSM就是为了解决欧洲第一代蜂窝系统五花八门的状况而发展起来的，它制订了一个统一标准，通过ISDN得到大范围的移动通信业务，力求建立一个统一的泛欧第二代数字蜂窝移动通信系统。第13.3节、GSM系统GSM的原意是“GroupSpecialMobile：移动特别小组”，是欧洲电信管理部门（CEPT）下设的移动通信特别小组委员会的简称，这个小组负责在900MHz频段为欧洲制定一个公共的移动通信系统。后来，出于商业上的原因，GSM改名为现在的“全球移动通信系统”。GSM于1991年开始在欧洲市场投入商用，随后南美、亚洲和澳洲的几个国家也相继采用GSM系统建设自己的第二代数字蜂窝移动通信系统。我国最早引进的第二代移动通信系统就是GSM系统，中国移动和中国联通分别建设了两个覆盖全国的GSM网络。随着GSM用户数量的日益增长，900MHz频段提供的容量已经不能满足需求，又制定了GSM的等效技术标准：DCS1800，它在1800MHz的频段上提供与GSM900完全相同的移动通信业务。北美（美国、加拿大）国家根据自己的频率资源，制定了1900MHz频段的GSM标准（PCS1900）。第13.3节、GSM系统1、GSM的用户业务GSM的用户业务按照ISDN的原则分为：电信业务、数据业务和补充业务。电信业务主要是标准的移动电话业务；数据业务包括计算机之间的通信和分组交换业务；除此之外，GSM还可以提供一些ISDN补充业务。电信业务：主要包括电话呼叫和传真业务，电信业务还包括短消息业务（SMS），允许移动台传送一定长度的字母或数字消息。数据业务：数据业务可以用透明方式或非透明方式传送，数据速率从300bps到9.6Kbps。（这里的数据业务不包括GPRS业务）。ISDN补充