无线通信原理及其应用 刘朝洋 10.1-10.3

无线通信系统刘朝洋导师：仇英辉第十章无线系统和标准10.1AMPS和ETACS10.2美国数字蜂窝标准（IS-54）10.3全球移动系统（GSM）10.1AMPS和ETACS§10.1.1AMPS和ETACS系统概述§10.1.2AMPS和ETACS呼叫处理§10.1.3AMPS和ETACS空中接口§10.1.4N-AMPS10.1AMPS和ETACS70年代末，AT&T贝尔实验室开发；1983年实用；800MHz频段上40MHZ带宽；大蜂窝和全向基站天线以最小化初始设备需要；7小区复用模式，可采用扇区和小区分裂；信道带宽＝30KHz，SIR=18dB；ETACS在80年代中期开发成功；信道带宽＝25KHz;MIN的格式与AMPS不同。10.1.1AMPS和ETACS系统概述是第一代模拟蜂窝移动通信系统；调制方式：调频，最大频偏:±12KHz（ETACS：10KHz）;频段：上行：824MHz-849MHz，下行：869MHz-894MHz（上行：890MHz-915MHz，下行：935MHz-960MHz）控制信道信息和突发数据流的传输：10Kbps（8Kbps），最大频偏：±8KHz（6.4KHz）;发射天线的有效发射功率通常为数百瓦，要建高塔来支持；基站信道配置：FCC，RCC，FVC，RVC；FCC连续发射FSK信号，用户锁定在最强的FCC上，以发起或接收呼叫，基站在RCC上持续监听锁定在相应FCC上的蜂窝用户发送的消息；控制信道是全国标准化的，系统中的任何蜂窝电话只需扫描有限数量的控制信道就可以找到最好的服务基站。10.1.2AMPS和ETACS呼叫处理固定电话发起呼叫，PSTN→MSC，每个基站在FCC上同时发送寻呼消息及MIN，该用户成功接收到寻呼消息后，在RCC上回应一个确认消息；接收到用户的确认后，MSC指示BTS分配一个FVC和RVC，同时，分配给用户一个SAT和VMAC，用户自动将其频率频率改到分配的语音信道上；移动用户发起呼叫，MS在RCC上发送始发消息，MIN，ESN，站分类标识（SCM）和目的电话号码，BTS接收消息并发送到MSC→PSTN，分配与SAT和VMAC相应的FVC和RVC，开始通话。在语音信道上，以突发模式使用FSK数据发起切换。影响系统性能（掉话或阻塞）的主要因素：MSC性能，当前业务流量，信道分配方式，基站数目，无线电波的传播，切换门限等。10.1.3AMPS和ETACS空中接口AMPS和ETACS无线接口规范参数AMPS规范ETACS规范多址方式FDMAFDMA双工方式FDDFDD信道带宽30kHz25kHz业务信道/RF信道11反向信道频率824~849MHz890~915MHz前向信道频率869~894MHz935~960MHz语音调制FMFM峰值偏差：语音信道控制/带宽数据kHz12kHz8kHz10kHz4.6数据传输信道编码前向：BCH(40,28)反向：BCH(48,36)前向：BCH(40,28)反向：BCH(48,36)控制/宽带信道上的数据率10kbps8kbps频带效率0.33bps/Hz0.33bps/Hz信道数832100010.1.3AMPS和ETACS空中接口信道：控制信道：FSK调制，速率为10Kbps（8Kbps）语音信道：有三种附加信令（SAT，ST和宽带数据）技术进行检测。语音调制和解调：检测信号（SAT和ST）：3种SAT信号（5970HZ，6000HZ和6030HZ）叠加在语音信号上发送，MS至少每250ms进行SAT检测和再广播；ST是10Kbps的数据码组，用来表明用户呼叫终止，在RVC上连续发送200ms，ST必须与SAT同时发送。突发编码：语音信道还传送速率为10Kbps的数据流作为突发信令，此数据流以Manchester编码，信道码用BCH分组码。压扩器预滤波器限幅器后偏差限幅滤波器频率调制射频载波输入语音信号射频输出信号10.1.4N-AMPS通过10KHz信道和FDMA方式使30KHz带宽服务于3个用户，提供3倍于AMPS的容量；用3个N-AMPS信道代替AMPS信道，运营商可以在人口密集地区提供更多的无线中继信道；信道带宽的降低导致语音质量SNR下降，为此，采用语音压扩来合成语音信道静噪功能；10.2美国数字蜂窝标准（IS-54）10.2.1USDC无线接口10.2.2美国数字蜂窝的派生标准（IS-94和IS-136）10.2美国数字蜂窝标准（IS-54）双模USDC（D-AMPS）/AMPS系统在1990年被EIA/TIA制定为IS-54标准；USDC采用数字调制和TDMA技术，提供6倍于AMPS的容量；USDC与AMPS共享相同的频率、频率复用方案和基站；USDC与AMPS的控制信道相同。10.2.1USDC无线接口USDC信道：USDC控制信道是AMPS的2倍；语音信道支持TDMA结构，提供6个时隙；USDC语音信道同时提供4个数据信道（DTC、CDVCC，SACCH，FACCH）。USDC无线接口规范参数USDCIS-54规范多址方式TDMA/FDD调制4/DQPSK信道带宽30kHz反向信道频带824~849MHz前向信道频带869~894MHz前向和反向信道数据速率48.6kbps谱效率1.62bps/Hz均衡器未指定信道编码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）10.2.1USDC无线接口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6GR数据同步数据SACCHCDVCC数据同步SACCH数据CDVCC数据保留1时隙286616122121212228121301213012移动台到基站的时隙格式基站到移动台的时隙格式10.2.1USDC无线接口语音编码：VSELP。信道编码：FACCH：16bitCRC，r=1/4，k=6,卷积码SACCH：r=1/2，k=5，卷积码交织：语音、FACCH：相邻语音帧数据交织到两个时隙上；SACCH：跨度为12个连续时隙的增量交织器。调制：控制信道：BFSK；语音信道：脉冲成型的π/4DQPSK。均衡：σ/T=0.1（T=24.3Kbps,σ=4.12μs）时，ISI产生的BER不能忍受，USDC中采用DFE，自适应滤波器的系数用RLS算法得到。话音编码器2时隙交织器7bitCRC发生器R=1/2K=6卷积编码器5尾比特7717826082第一类比特第二类比特10.2.2美国数字蜂窝的派生标准（IS-94和IS-136）在IS-136中加入网络特性就产生了新型的无线业务和传输结构。IS-94标准（1994年）利用了IS-54提供的系统能力，使蜂窝电话直接连到专用交换机（PBX）上。将MSC的功能移到基站中，则有可能提供建筑物或校园内的无线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蜂窝系统。IS-136提供了一组新的性能和业务，可以与IS-95和GSM2G竞争。IS-136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应用和寻呼应用。IS-136用户终端与IS-54不兼容(控制信道速率为48.6Kbps)。10.3全球移动系统（GSM）§10.3.1GSM业务和功能§10.3.2GSM系统体系结构§10.3.3GSM无线子系统§10.3.4GSM信道类型§10.3.5GSM的一个呼叫实例§10.3.6GSM帧结构§10.3.7GSM中的信号处理10.3全球移动系统（GSM）GSM是世界上第一个对数字调制、网络层结构和业务作了规定的蜂窝系统。1991年出现在欧洲市场。GSM标准由欧洲技术标准协会（ETSI）完成。GSM的等效技术标准（DCS1800），在1.8GHz到2.0GHz频段上提供PCS。10.3.1GSM业务和功能电话业务：标准移动电话业务。紧急呼叫和传真。也提供可是图文和图文电视。承载业务或数据业务：OSI模型中的第1、2、3层业务，包括分组交换协议，数据速率为300bps到9.6Kbps。补充ISDN业务：本质上是数字业务，包括：呼叫转换、封闭用户群和呼叫者识别、短消息。特点：SIM卡，空中保密性（MoU）。10.3.2GSM系统体系结构GSM系统体系结构主要包括3个相关子系统：BSS（提供并管理无线传输通道），NSS（交换），和OSS。BTSBTSBTSBSCBTSBTSBTSBSCHLRVLRAUCMSCOMCPSTNISDN数据网公共网操作支持子系统网络交换子系统基站子系统GSM无线空中接口（标准化）Abis接口（标准化）A接口（标准化）SS710.3.3GSM无线子系统频段：890MHz-915MHz(上行)，935MHz-960MHz(下行)；多址方式：TDMA/FDMA混合，FDD；信道带宽：200KHz，ARFCN（绝对无线频率信道数）标志，上、下行信道间隔45MHz；调制方式：GMSK，BT=0.3；信道速率：270.833kbps/8个用户；帧长：4.615ms。10.3.3GSM无线子系统1TS0TS2TS4TS5TS6TS7TS3TS0T..............I/S1T10T11T12T14T15T22T23T24T576.92(156.25)s比特，有8比特保护和6比特开始和停止时间4.615ms13T2T120ms:nTSn第个时隙（标准）语音复帧＝26个帧:nTnTCH第个时隙，S:慢速辅助控制信道，I:空闲帧语音专用控制信道帧和复帧结构10.3.3GSM无线子系统GSM空中接口规范参数规范反向信道频率890-915MHz前向信道频率935~960MHzARFCN数0~124和975~1023XXRT/频率间隔XXRT/时隙间隔45MHz3个时隙调制数据速率270.833333kbps帧长4.615ms每帧用户数（全速率）8时隙长576.9s比特长3.692s调制0.3GMSKARFCN信道间隔200kHz交织（最大延迟）40ms话音编码比特速率13.4kbps10.3.4GSM信道类型时隙号码和ARFCN组合构成一个物理信道；物理信道在不同时间可以映射成不同的逻辑信道；GSM逻辑信道类型：TCH和CCH。§9.3.4.1GSM业务信道（TCH）§9.3.4.2GSM控制信道（CCH）10.3.4.1GSM业务信道（TCH）全速率TCH（一个用户每帧占一个时隙）全速率语音信道（TCH/FS）:13kbps/22.8kbps，全速率9600bps数据信道（TCH/F9.6）:9600bps/22.8kbps，全速率4800bps数据信道（TCH/F4.8）:4800bps/22.8kbps，全速率2400bps数据信道（TCH/F2.4）:2400bps/22.8kbps，半速率TCH（2个用户共享同一时隙，单在每帧交替传）半速率语音信道（TCH/HS）:6.5kbps/11.4kbps，半速率4800bps数据信道（TCH/H4.8）:4800bps/11.2kbps，半速率2400bps数据信道（TCH/H2.4）:2400bps/11.2kbps。10.3.4.2GSM控制信道（CCH）GSM控制信道：BCH，CCCH，DCCH；BCH：指定各小区内的ARFCN在一定的GSM帧的TS0发送数据，前向信道，作为一个TDMA信标，提供同步。BCCH：广播消息（小区和网络识别，小区运行特征（当前控制信道结构，信道可用性，阻塞情况），当前小区中使用的信道列表）。FCCH：特定的数据突发序列，在控制信道复帧中每10帧重复一次。SCH：用来识别服务基站，帧号（FN）和基站识别码（BSID）在SCH发送，在控制信道复帧中每10帧发送一次