移动通信原理浅析(鄢江艳)

移动通信原理浅析武汉铁路职业技术学院鄢江艳本次讲座的目的：让您了解移动通信的网络结构、各部分的作用、通话过程以及移动通信的几种主要技术。本次讲座的内容：1.移动通信的历程及常见的通信系统2.移动通信的特点及发展趋势3.移动通信的主要技术4.移动通信的组网原理5.GSM、GPRS、CDMA、3G等多种系统的原理6.移动通信的应用1.1移动通信的历程1.2常见的通信系统1.3移动通信的基本概念第一章移动通信的历程及常见的通信系统1.1移动通信的历程第一代(1G)第二代(2G)第三代(3G)模拟移动通信系统数字移动通信系统IMT2000(3G)模拟话音数字话音+多种速多媒体服务率数据（64kbps）（2Mbps*）NMT450GSMD-AMPSW-CDMAAMPSIS-136PDCCDMA2000TACSTD-SCDMA第四代（4G）多媒体移动通信第二代(2G)第三代(3G)2.5GGPRSGPRS:通用分组无线业务作为第二代移动通信技术GSM向第三代移动通信（3G）的过渡，是一种基于GSM的移动分组数据业务。第三代(3G)第四代(４G)WCDMA3.5GHSDPAHSDPA（HighSpeedDownlinkPacketAccess）高速下行分组接入，是一种移动通信协议。该协议在WCDMA下行链路中提供分组数据业务，在一个5MHz载波上的传输速率可达8-10Mbit/s。1.2几种常见的通信系统蜂窝移动通信系统：GSM无线寻呼系统：BP机无绳电话系统：小灵通集群移动通信系统：车载电台移动卫星通信系统：GPS1.3移动通信的基本概念一．工作方式1．单工通信：指通信双方交替地进行收信和发信。（需要按讲建切换收或者发）发射机接收机f1(f2)送受话器电台（甲）发射机接收机送受话器f1(f1)f1(f2)f1(f1)PTT电台（乙）PTT1.3移动通信的基本概念2．双工通信：通信双方可以同时进行传输。（讲话同时可以听话，无需切换）发射机接收机f1f2送话器受话器基站双工器发射机接收机f2f1f1送话器受话器移动台1.3移动通信的基本概念3．半双工：一端为双工，一端为单工。基站移动台双工器发射机接收机f2f1送话器受话器发射机接收机送受话器f1(f2)f1(f1)PTT1.3移动通信的基本概念二．多址技术1．频分多址（FDMA）：把频率分割成互不重叠的小带宽频道，分给不同用户。（FDD）基站移动台f1f2f3F1F2F31.3移动通信的基本概念2．时分多址（TDMA）：把时间分割成不同的时间段（时隙），每个时隙分给一个用户。（GSM）基站移动台1.3移动通信的基本概念3．码分多址（CDMA）：不同用户传输信息所用的信号是用不同的编码序列来区分的。用户1用户2…用户N频率时间f0f1Bfn信道1信道2………信道N码字频率时间(a)(b)第二章移动通信的特点及发展趋势2.1移动通信的特点2.2移动通信的发展趋势2.1移动通信的特点优点：使用方便不受地域限制支持多种业务以个人通信为主……2.1移动通信的特点缺点：移动通信的电波传播环境恶劣移动信道受干扰和噪声影响严重频谱资源紧张建网技术复杂对通信终端要求高2.1移动通信的特点外界影响：1．邻道干扰：相邻或邻近频道的信号互相干扰。2．同频干扰：同频电台之间的干扰。3．互调干扰：多个信号进入非线性元件里，发射机和接收机产生的干扰。4．多普勒频移效应：信号源和接收者的相对运动会使接收到的频率发生变化。2.1移动通信的特点5．多径衰落：由于信号进过反射波、直接波、绕射波等多条路径到达接收点，彼此产生干扰。6．远近效益：离接收点近的信号强度盖过离接收点远的信号。7．阴影效应：移动台在运动中,由于大型建筑物和其他物体对电波的传输路径的阻挡而在传播接收区域上形成半盲区,从而形成电磁场阴影。2.2移动通信的发展趋势宽带化：2G(9.6kbps)４G(１００Mbps)分组化:以IP为基础的网络是发展的必然。智能化：以智能网为核心。综合化：实施各种业务的多样化传输。个人化：全球个人通信的发展。第三章移动通信的主要技术GSMCDMAGSMCDMA语音数字化和信源编码信道编码交织突发脉冲调制加密扩频信道解扩解调解密突发脉冲去交织信道译码信源译码语音移动通信的主要技术编码：信源编码+信道编码交织：以离散的方式传输加密：保护用户通话的安全性调制：信号频谱的搬移，适于信道传输扩频：CDMA的特点移动通信的主要技术-编码数字化：把模拟的语音信号变成数字信号。（64kbps）信源编码：把64kbps的信号降速，以满足无线通信的频谱分配。（有效的频带间隔）GSM:13kbpsCDMA：8kbps语音数字化和信源编码移动通信的主要技术-编码001001111信道编码：在信号后面增加一部分冗余比特，称作监督码元，在终端对信号进行检错、纠错。数字化和信源编码信道编码移动通信的主要技术-交织交织：把相继的信号以离散的形式传送，提高系统的抗干扰能力。信道编码交织121212333123123123移动通信的主要技术-加密突发脉冲：把信号与报头和中间序列组合构成突发脉冲。加密：给信号加密，以免被窃听。交织突发脉冲加密移动通信的主要技术-调制调制：把信号进行频谱的搬移，更适于信道的传输。（高频）调制加密移动通信的主要技术-扩频扩频：使信号频谱扩展，由窄带变为宽带，抗干扰性强、抗多径衰落。（CDMA特有技术）调制扩频第四章移动通信的组网原理4.1移动通信的分类4.2移动通信的体制4.1移动通信网的分类公用移动电话网：直接向社会公众提供移动通信业务，与公共交换电话网（PSTN）联系密切，需经过专门的线路进入公共交换电话网的移动通信网。专用的移动通信网：自己组成一个网后，不再进入电话网，或仅仅和电话网保持一定的关系。例如，工业企业中的无线电调度网、公安指挥、交通管理、海关缉私、医疗救护等部门使用的无线电话网。（ＧＳＭ-Ｒ）4.2移动通信的体制一．蜂窝的概念1974，Bell实验室提出蜂窝概念蜂窝系统---“小区制”系统■将所要覆盖的地区划分为若干个小区，每个小区的半径可视用户的分布密度在2～20km左右。在每个小区设立一个基站为本小区范围内的用户服务。并可通过小区分裂进一步提高系统容量。■特点：用户容量大，服务性能较好，频谱利用率较高，用户终端小巧且电池使用时间长，辐射小等。二．蜂窝的分类宏蜂窝(Macro-cell)：2～20km微蜂窝(Micro-cell)：0.4～2km皮蜂窝(Pico-cell)：400m分层蜂窝(由多种蜂窝组成)多维小区三、蜂窝小区的形状六边形在三种几何形状当中具有最大的中心间隔和覆盖面积，而重叠区域宽度和重叠区域的面积又最小。所以小区都采用正六边形小区结构，形成蜂窝状分布。这意味着对于同样大小的服务区域，采用正六边形构成小区所需的小区数最少，所需频率组数最少，各基站间的同频干扰最小。BSMSMTSOAMTSOA公共陆地移动网PSTN电话网MTSO—移动电话交换局BS—基站MS—移动台四．激励方式中心激励方式：用正六边形来模拟覆盖范围时，将基站发射机安置在小区的中心，采用全向天线。顶点激励方式：将基站发射机安置在六个小区顶点的三个点上，采用扇形天线。中心激励（全向天线）顶点激励（定向天线）第五章GSM、GPRS、CDMA、3G、4G等多种系统的原理5.1GSM：全球蜂窝移动通信系统5.2GPRS：通用无线分组业务5.3CDMA：码分多址蜂窝通信系统5.43G：第三代移动通信5.54G：第四代移动通信5.1全球蜂窝移动通信系统GSM:全球蜂窝移动通信系统组成结构：NSS网络子系统BSS基站子系统MS移动台0SS操作支持子系统MSC/VLRHLR/AUCEIR网络子系统NSSISDNPLMNPSTNPSPDN操作支持子系统(OSS)Um接口A接口基站子系统BSSBTSBTSBSCAbis接口5.1全球蜂窝移动通信系统MS5.1.1网络子系统网络子系统MSC：移动交换中心（核心）HLR：归属位置寄存器VLR：访问位置寄存器AUC：鉴权中心EIR：移动设备识别寄存器MSC是网络的核心。MSC从HLR、VLR、AUC这三种数据库中取得处理用户呼叫请求所需的数据并进行呼叫处理。同时这三个数据库也会根据MSC最新信息进行自我更新。MSCHLRVLRAUC5.1.1网络子系统一、MSC（移动交换中心）5.1.1网络子系统二、HLR（归属位置寄存器）可看做是GSM系统的中央数据库，存储HLR管辖区的所有移动用户的有关数据。一般是一台独立的计算机。包括：移动用户码、访问能力、用户类别、补充业务和用户漫游时的动态数据。三、VLR（访问位置寄存器）存储进入其控制区域内来访移动用户的有关数据，是从移动用户的归属位置寄存器（HLR）获取并进行暂存的。与MSC合置与一个物理实体。5.1.1网络子系统5.1.1网络子系统四、AUC（鉴权中心）存储着鉴权信息和加密密钥，用来防止无权用户接入系统和保证无线通信安全。属于归属位置寄存器（HLR）的一个功能单元，用于GSM系统的安全性管理。5.1.1网络子系统五、EIR（移动设备识别寄存器）存储移动设备的国际移动设备识别码。运营部门可针对该识别码判断用户移动台的合法性，以确保网络内所使用的移动设备的唯一性和安全性。基站子系统：BSC（基站控制器）：具有对一个或多个BTS进行控制的功能，实际上它是一台具有很强处理能力的小型交换机。BTS（基站收发信机）：是无线接口设备，由BSC控制，主要负责无线传输，完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。5.1.2基站子系统5.1.3MS移动台MS移动台是GSM移动通信网中用户使用的设备，可分为车载台、便携台和手机。通过无线接口接入GSM系统，具有无线传输与处理功能。移动终端（机）：编码译码、信息加密、信息调制解调、信息发射和接收。用户识别卡（SIM卡）：存有认证用户身份所需的所有信息，能执行与安全保密有关的重要信息。5.1.4操作维护子系统网络操作与维护中心（OMC）负责对全网进行监控与操作。例如：系统的自检、报警与备用设备的激活、系统故障诊断与处理、话务量的统计和计费数据的记录与传递，以及与网络参数有关的各种参数的手机、分析与显示等。5.2通用无线分组业务5.2.1分组交换的原理5.2.2GPRS的概念与特点5.2.3GPRS的结构5.2.1分组交换的原理电路交换：收、发两端建立具体的物理路由。（市话）分组交换：是一种存储转发的交换方式，将用户的信息划分成一定长度的分组，以分组为存储转发，因此，它比电路交换的利用率高。（数据通信）ATM交换：把信号分成固定大小的信元（53个字节），以分组的形式传送。（ISDN）5.2.1分组交换的原理分组交换网具有如下特点：分组交换具有多逻辑信道的能力，故中继线的电路利用率高。可实现分组交换网上的不同码型、速率和规程之间的终端互通。由于分组交换具有差错检测和纠正的能力，故电路传送的误码率极小。分组交换的网络管理功能强。5.2.2GPRS的概念与特点GPRS:通用分组无线业务是2.5G移动通信的代表。是3G移动通信的过渡系统。实施：在现有GSM网络基础上叠加了一个新的网络，同时在网络上总价一些硬件设备和软件升级，形成了一个新的网络逻辑实体，提供端到端的、广域的无线IP连接。5.2.2GPRS的概念与特点特点：1.瞬间上网（2～3秒）2.永远在线（随时与移动GPRS网络保持联系）3.快速传输（56Kbps--114Kbps）4.按流量计费（数据实现分组发送和接收）5.自由切换（数据传输与话音传输可同时进行或切换）5.2.2GPRS的概念与特点5.2.3GPRS的结构GPRS=GSM+SGSN+GGSN服务GPRS支持节点（SGSN）：执行移动性管理、安全功能和接入控制和路由选择等功能。网关GPRS支持节点（GGSN）：负责提供GPRS网与外部分组数据网的接口，并提供必要的网间安全机制