Transcript 09 移动通信系统
现代通信概论 电子信息工程学院 霍炎 [email protected] 第9章 移动通信系统 • 9.1 移动通信概述 • 9.2 GSM数字移动通信系统 • 9.3 CDMA数字移动通信系统 • 9.4 第三代移动通信系统 • 9.5 新一代移动通信系统 2 9.1 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。 3 9.1.1 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 4 9.1.2 移动通信发展历程 阶段 年代划分 I 1920-1940 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。 II 1940-1965 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。 III 1965-1975 大区制、中小容量、自动选频、自动接续，450MHz频段。 1975-1985 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。 IV V VI 特点 1985-2005 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。 2005-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-CDMA 5 9.1.3 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。 移动台 基站 固定电话网 市话交换局 移动网 MSC 移动业务 交换中心 基站 移动台 6 9.1.4 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。 7 9.1.5 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。 8 四种多址方式（频分、时分、码分、空分） T1 T2 T3 T1 f3' 移动台1 f3 移动台1 T2 f2' 基站 f2 基站 移动台2 T3 移动台2 f1' f1 移动台3 移动台3 PN1 f 移动台2 移动台1 f PN2 f 基站 f f f1 f2 移动台1 基站 移动台2 PN3 f 移动台3 移动台3 f3 9 9.2 GSM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 ： Group Special Mobile）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：Global System for Mobile communications），从此跨入了数字移 动通信时代。 10 9.2.1 蜂窝系统基本原理 • 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。 11 1. 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。 B B G G C A F C A F D E D E B G C A F D E 12 2. 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。 4 3 5 2 3 2 4 1 5 4 3 1 1 2 5 2 3 1 2 3 1 2 3 2 6 1 6 2 4 6 3 1 5 3 (a)120度裂向 6 1 2 3 1 (b)60度裂向 13 3. 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） 14 9.2.2 GSM系统组成与频率配置 • GSM数字蜂窝移动通信系统主要包括： • 网路子系统 • 基站子系统 • 移动台 15 1. GSM系统的组成 移动台 基站收发 信台 基站收发 信台 归属位置寄存器/ 鉴权中心 基站控 制器 设备识别 寄存器 移动业务交换中心/拜 访位置寄存器 移动业务交换中心/拜 访位置寄存器 公用固定电话网 综合业务数据网 公用分组交换网 短信息中心 操作维护中心 • • • 移动台(MS): 移动终端设备（手持机）、用户识别模块（SIM卡） 基站子系统(BSS) ：基站控制器（BSC）、基站收发信台（BTS） 网路子系统(NSS) ：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）。 16 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CDMA 825-835 870-880 中国移动GSM室内分布系统 885-890 930-935 中国移动GSM900 890-909 935-954 中国联通GSM900 909-915 954-960 中国移动DCS1800 1710-1720 1805-1815 中国联通DCS1800 1745-1755 1840-1850 17 9.2.3 GSM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。 18 9.3 CDMA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。 19 9.3.1 CDMA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。 20 9.3.2 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。 21 1. 香农定理与扩频通信 • 香农定理： • C=B log2(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。 22 2. 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。 23 3. 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) 信息数据流b(t) 扩频信号流Ci(t)b(t) × 1 1 0 0 1 1 b(t) 频谱 -1 1 Ci(t) 频谱 -1 1 -1 Ci(t)b(t) 混合频谱 24 4. CDMA发送和接收系统原理图 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。 用户1 b1(t) C1(t)b1(t) × 发送 PN1 用户2 b2(t) × C2(t)b2(t) bn(t) × PNn Vin（t） + PN2 用户n 接收 × × × ∫Tb0 Vout（t） t=Tb时取样 Cn(t)bn(t) Acos(ωct+φ) Acos(ωct+φ) Ck(t) PNk 25 5. 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 PN1 用户数据码 发端调制后 收端解调后 积分后 b1 相关性最强的 码元得以解出 PN2 b2 PN3 b3 PN4 b4 26 9.3.3 CDMA数字移动通信系统 • CDMA数字移动通信系统主要包括： • 由网络交换子系统（NSS） • 基站子系统（BSS） • 移动台子系统（BS） 27 1. CDMA数字移动通信系统组成框图 NSS AUC VLR HLR MC SME PSTN ISDN MS BSS MSC PLMN IWF ... ... MSC 28 CDMA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） • 操作系统中心（OMC） • 基站子系统（BSS）： • 基站控制器（BSC） • 基站收发信台（BTS） 移动台子系统（MS）： • 用户手持机 29 2. 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。 30 CDMA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。 31 3. CDMA移动通信系统信道划分 • 以IS-95A CDMA数字蜂窝移动通信系统为例 • • • • • • • 其工作频段为800 MHz 上行频段是825~850 MHz 下行频段是870~895 MHz 双工间隔是45MHz 频道间隔是1.25MHz 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/1.25 MHz=20个载频。 32 9.4 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 TDSCDMA。 • WCDMA是由欧洲和日本共同提出。 • cdma2000(Code Division Multiple Access2000)是以 美国高通公司为代表提出的。 • TD-SCDMA时分同步码分多址是由我国于1998年 提出。 33 3G中的关键技术 • 3G发展创新了许多关键技术： ① Rake 接收：一种降低多径衰落影响的技术。 ② 信道编译码技术：改善通信质量克服衰落效应。 ③ 功率控制技术：克服宽带CDMA系统的远近效应 ，保证基站接收到的所有移动台信号具有相同的 功率。 34 3G中的关键技术 ④ 多用户检测技术：降低多径多址干扰，提高系统容量。 ⑤ 智能天线：智能天线用于增强所需信号，抑制干扰信 号，可以显著地扩展通信系统的容量。 ⑥ 软件无线电技术：在一个可编程的通用硬件平台上， 装载相应的软件就可以适应不同标准的移动终端和基 站，从而保证各种移动设备之间的无缝互联。我国提 出的TD - SCDMA标准就采用了软件无线电技术。 35 9.5 新一代移动通信系统 • 从技术角度，3G系统有很多需要改进的地方， 因此，有必要进行4G的研究和开发工作。 • 4G至今没有一个确切的定义，一般描述为： 4G在概念上是广带接入和分布网络，具有非对 称的和超过2Mbit/s的数据传输能力。 • 世界各国在对4G的设想上存在着巨大的差异。 36 1. 4G的目标要求和特点 1）更高的数据速率和传输质量、更好的业务质量 （QoS）、更高的频谱利用率和更高的安全性智能性 和灵活性； 2）可以容纳更多的用户，支持多种业务； 3）体现出移动网和IP网络不断融合的发展趋势； 4）能实现全球范围内无缝漫游； 5）将是多功能集成的宽带移动通信系统。 37 2. 4G的一些具体指标 1）传输速率更快：2Mbit/s~ 100Mbit/s。 2）带宽更宽：100MHz以上。 3）容量更大：用户数量剧增。 4）智能性更高：自适应地进行资源分配、处理节点故障等。 5）更高质量的多媒体通信：无缝覆盖的多媒体移动通信。 6）兼容性能更平滑：轻易地过渡、全球漫游。 7）业务的多样性：比以往更广泛的服务与应用。 8）灵活性：很强适应性和灵活性。 9）用户共存性：低速与高速用户以及各种各样的用户设备 能够并存与互通 38 本章小结和知识点 移动通信的特点 移动通信系统的组成与分类 移动通信的多址方式 小区蜂窝网概念 小区制扩容方式 扩频通信与码分多址 CDMA移动通信系统制式的原理 3G中的关键技术 39