【通信导论】第八章 移动通信系统

第八章移动通信系统•移动通信及其特点•移动通信的工作方式•移动通信系统的组成•移动通信系统的使用频段•移动通信系统中的多址方式•GSM系统•CDMA系统•第三代移动通信（3G）系统•未来移动通信系统用户在移动通信当中遇到的问题？手机没有信号呼叫无法接通通话过程中出现回音短信为什么会延时···········移动通信及其特点移动通信是指移动用户之间，或移动用户与固定用户之间进行的通信。与其它通信方式相比，具有以下基本特点：1．电波传播条件恶劣。2．具有多卜勒效应。3．干扰严重。4．接收设备动态范围大。5．需要采用位置登记、过境切换等移动性管理技术。6．综合了各种技术：数字信息传输技术、交换机技术、计算机技术。电磁波传播路径示意图多径效应阴影效应障碍物遮挡直射波引起接收信号中值的变化，表现为慢衰落。BSMS障碍物远近效应近处强信号压制远处弱信号移动通信的工作方式•单工制（simplex）:单频（同频）单工，双频（异频）单工。•半双工制（halfduplex）•双工制（duplex）共用装置发信机收信机收信机发信机发信机收信机发信机收信机发信机发信机收信机收信机共用装置共用装置ff2f2f1f2f1f2f1f2f1f2(a)　单工工作方式b半双工工作方式c异频双工工作方式移动台基地台移动台基地单频（同频）单工同频是指通信的双方，使用相同工作频率（f1）；单工是指通信的双方的操作采用“按——讲”（pushtotalk，PTT）方式。平时，双方的接收机均处于守听状态。如果A方需要发话，可按下PTT开关，发射机工作，并使A方接收机关闭。这时由于B方接收机处于守听状态，即可实现由A至B的通话；同理，也可实现B至A的通话。在该方式中，电台的收发信机是交替工作的。故收发信机不需要使用天线共用器，而使用同一副天线。这种工作方式移动台之间可直接通话,不需转接。其优点为：①设备简单；②移动台之间可直接通话，不需基站转接；③不按键时发射机不工作，因此功耗小。缺点:①只适用于组建简单和甚小容量的通信网；②当有两个以上移动台同时发射就会出现同频干扰；③当附近有邻近频率的电台发射时，容易造成强干扰。为了避免干扰，要求相邻频率的间隔大于4MHz，频谱利用率低；④按键发话，松键受话，适用者不习惯。异频单工异频单工是指通信的双方使用两个不同频率f1和f2，而操作仍采用PTT方式。由于收发使用不同的频率，同一部电台的收发信机可以交替工作，也可以收常开，只控制发，即按下PTT发射。其优缺点与同频单工基本相同。在无中心台转发的情况下，电台需配对使用，否则通信双方无法通话。故这种方式主要用于有中心台转发（单工转发或双工转发）的情况。所谓单工转发，中心转信台使用一组频率（如收用f1，发用f2），一旦接收有载波信号即转去发送。所谓双工转发中心转信台使用二组频率（一组收用f1，发用f2；另一组收用f3，发用f4），任一路一旦接收有载波信号即转去发送。由于使用收发频率有一定保护间隔的异频工作，提高了抗干扰能力，从而可用于组建有几个频道同时工作的通信网。半双工制半双工制是指中心转信台使用一组频率，而移动台采用单工制。半双工制的优点是：①移动台设备简单，价格低，耗电少；②收发采用不同频率，提高了频谱利用率；③移动台受邻近电台干扰小。其缺点是移动台仍需按键发话，松键受话，使用不方便。由于收发使用不同的频率，同一部电台的收发信机可以交替工作，也可以收常开，只控制发，即按下PTT发射。在中心台转发的系统中，分台必须使用该方式。双工制双工制是指通信的双方，收发信机均同时工作，即任一方在发话的同时，也能收听到对方的话音，无需按PTT开关，类同平时打市话，使用自然，操作方便。双工制也分为同频双工和异频双工。异频双工制优点：①收发频率分开可大大减小干扰；②用户使用方便。缺点：①移动台在通话过程中总是处于发射状态，因此功耗大；②移动台之间通话需占用两个频道；③设备较复杂，价格较贵。异频双工制在无中心台转发的情况下，电台需配对使用，否则通信双方无法通话。同频双工同频双工采用时分双工（TDD）技术，是近年来发展起来的新技术。欧洲数字无绳电话（DECT）、日本手持系统（PHS）、第二代数字无绳电话系统（CT-2）和我们目前使用的PAS（即“小灵通”无线市话）均采用该（TDD）技术。移动通信系统的组成移动通信系统按其经营方式或用户性质可分为专用移动通信系统和公共移动通信系统。专用移动通信系统的最大功能要求是调度，它经历了一对一的单机对讲系统，单信道一呼百应系统及选呼系统，后来又发展到多信道多用户共享的专用调度系统，模拟集群（Trunking）移动通信系统和数字集群移动通信系统。目前，数字集群移动通信主要有欧洲的TETRA标准和Motorola的iDEN标准。公共移动通信系统•蜂窝移动通信系统的基本系统结构如下图所示。•一个交换区由以下功能实体组成：•一个移动交换中心（MSC，MobileServiceSwitchingCentre）、•一个或若干个归属位置寄存器（HLR,HomeLocationRegister）•访问者位置寄存器（VLR，VisitorLocationRegister）、•设备识别寄存器（EIR,EquipmentIdentityRegister）、•鉴权中心（AC,AuthenticationCentre）、•移动台（MS,MobileStation）、•基地站（BS,BaseStation,简称基站）、•操作维护中心（OMC,OperationandMaintenanceCentre）等。蜂窝移动通信系统的基本结构MSCMSCBSHLRVLRACMSEIRPSTNMSC移动交换中心HLR归属位置寄存器VLR访问者位置寄存器EIR设备识别寄存器AC鉴权中心MS移动台BS基地站PSTN固定公众电信网OMC操作维护中心移动交换中心（MSC）•MSC对位于其服务区内的MS进行交换和控制，同时提供移动网与固定公众电信网的接口。MSC是移动网的核心。•作为交换设备，MSC具有完成呼叫接续与控制的功能，这点与固定网交换中心相同。作为移动交换中心，MSC又具有无线资源管理和移动性管理等功能，例如移动台位置登记与更新、越区切换等。•为了建立从固定网至某个移动台的呼叫路由，固定网就近进入关口MSC（GMSC），由该GMSC查询有关的HLR，并建立至移动台当前所属的MSC的呼叫路由。归属位置寄存器（HLR）•HLR是用于移动用户管理的数据库。每个移动用户必须在某个HLR中登记注册。HLR所存储的用户信息分为两类：一类是有关用户参数的信息，例如用户类别，所提供的服务，用户的各种号码、识别码，以及用户的保密参数等。另一类是有关用户当前位置的信息，例如移动台漫游号码、VLR地址等，用于建立至移动台的呼叫路由。访问者位置寄存器（VLR）•VLR是存储用户位置信息的动态数据库。当漫游用户进入某个MSC区域时，必须向该MSC相关的VLR登记，并被分配一个移动用户漫游号（MSRN），在VLR中建立该用户的有关信息，其中包括移动用户识别码（MSI）、移动用户漫游号（MSRN），所在位置区的标志以及向用户提供的服务等参数，这些信息是从相应的HLR中传递过来。MSC在处理入网出网呼叫时需要查询VLR中的有关信息。一个VLR可以负责一个或若干个MSC区域。鉴权中心(AC）•AC鉴权中心是认证移动用户的身份以及产生相应认证参数的功能实体。AC对任何试图入网的用户进行身份认证，只有合法用户才能接入网中并得到服务。•EIR是存储有关移动台设备参数的数据库。EIR实现对移动设备的识别、监视、闭锁等功能。•OMC操作维护中心是网络操作维护人员对全网进行监控和操作的功能实体。移动通信系统的频段使用移动通信主要使用VHF和UHF频段,其主要原因:1)VHF/UHF频段较适合移动通信从VHF/UHF频段的电波传播特性来看,主要是在视距范围内,一般为几到几十公里。比较适合移动通信（无线电波覆盖区域可控）。2)天线较短便于携带和移动天线长度决定于波长,移动台中使用最多的是λ/4的鞭状天线。例如,当频率为150MHz时,约为50cm;450MHz时约为17cm,900MHz约为8cm便于移动,携带方便。3)抗干扰能力强由于工业火花干扰及天电干扰等属脉冲干扰,随着频率增高,干扰幅度越小。120MHz以上，就很小了。因而VHF/UHF频段设备,可以用较小的发射功率获得较好的信噪比。大容量移动通信系统均采用小区制，正六边形小区酷似蜂窝，故称为蜂窝移动通信系统。采用了频率复用技术。频率规划我国无线电委员会分配给蜂窝移动通信系统的频率系统或使用部门上行频率(MHz)下行频率(MHz)中国联通CDMA825835870880中国联通835839880884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GSM18001710172018051815中国联通GSM18001745175518401850信道间隔•对于数字蜂窝系统，不同设备的信道间隔不同。如GSM信道间隔200kHz，每个信道8个时隙；而美国的D-AMPS信道间隔30kHz，每个信道3个时隙。。•以联通GSM为例，6MHz带宽，收发频差为45MHz，信道间隔200kHz，即200kHz一个频点，共30个频点。除去工作频点首尾各一个保护频点，共28个频点。移动通信系统中的多址方式（1）频分多址FDMA所谓FDMA，就是不同信号被分配到不同频率的信道里，发往和来自邻近信道的干扰用带通滤波器限制，这样在规定的窄带里只能通过有用信号的能量，而任何其它频率的信号被排斥在外。（2）时分多址（TDMA）所谓时分多址TDMA，就是一个信道由一连串周期性的时隙构成。不同信号的能量被分配到不同的时隙里，利用定时选通来限制邻近信道的干扰，从而只让在规定时隙中有用的信号能量通过。现在使用的TDMA蜂窝系统实际上都是FDMA和TDMA的组合，如GSM数字蜂窝系统就是先使用了200kHz的频分信道，再把它分成8个时隙进行TDMA传输。当前应用这种多址方式的主要蜂窝系统有北美的DAMPS和欧洲的GSM，我国这两种制式也都有，但GSM占绝大多数。（3）码分多址CDMA所谓CDMA，就是每一个信号被分配一个伪随机二进制序列进行扩频，不同信号的能量被分配到不同的伪随机序列里。在接收机里，信号用相关器加以分离，这种相关器只接收选定的二进制序列并压缩其频谱，凡不符合该用户二进制序列的信号就不被压缩带宽。结果只有有用信号的信息才被识别和提取出来。（4）空分多址SDMA空分多址主要通过空间的隔离或天线技术来获取地址的复用。如目前BS最常见的采用定向天线组成不同的扇区，卫星天线采用点波束实现相同频率信号的复用。在目前智能天线技术商未大量商用之前，SDMA主要和其他三种多址方式配合使用。智能天线技术也是第三代移动通信系统的关键技术之一，在未来将得到大量使用。移动通信系统中不同多址方式的频谱效率（频谱效率取决于每赫兹带宽信息比特率和频率复用系数）不同。表7-4数字蜂窝系统的主要参数系统名称GSMDCS-1800IS-54IS-95JDC多址方式TDMA/FDMATDMA/FDMATDMA/FDMACDMA/FDMATDMA/FDMA工作频带（上行）(MHz)（下行）890-915935-9601710-17851805-1880824-849869-894824-849869-894810-8301429-1453940-9601477-1501双工方式FDDFDDFDDFDDFDD射频信道间隔（kHz）20020030125025调制方式GMSKGMSKπ/4DQPSKQPSKπ/4DQPSK手机发射功率（最大值/平均）1W/125mW1W/125mW600mW/200mW600mW语音编码（kbit/s）RPE-LTP13RPE-LTP13VSELP7.95QCELP8VSELP11.2每个射频载波的话