第9章数字移动通信系统

第9章数字移动通信系统9.1移动通信概述9.2蜂窝模拟移动通信系统TACS9.3蜂窝数字移动通信系统GSM9.4GSM系统的主要技术与设备9.5CDMA移动通信系统9.6数字移动通信的发展从80年代起，移动通信发生了重大的变化并取得迅速的发展。80年代初，引入了利用模拟传输方式实现话音业务的第一代移动系统（美国AMPS、英国TACS等）。80年代末，引入了利用数字传输方式的第二代移动通信系统（GSM、IS－95系统），它们提供更高的频谱利用率、更好的数据业务以及比第一代系统更先进的漫游。第三代移动通信系统（WCDMA、CDMA2000、TD－SCDMA）研究起于1988年，在2002年在全球展开应用，第三代移动通信系统能够提供高比特速率业务来传输和接收高质量的图像和视频，并且还能够提供高数据速率的网络接入。新一代移动通信，我们称其为超三代B3G，或称其为第四代移动通信4G，其业务速率远大于第三代，如100Mbps，承载业务的带宽一般不小于20MHz。9.1移动通信概述9.1.1移动通信特点1移动通信概念移动通信指通信双方至少有一方在移动中进行的信息交换，图9.1为移动通信示意图。2移动通信使用的频段移动通信属于甚高频VHF、特高频UHF及微波频段，公用移动通信使用的频段有150MHz，450MHz，800MHz，900MHz及1.8GHz等。电视频道中分配给移动通信使用频段：5、6频道为150MHz频段；12、13频道为450MHz；48频道以上为800MHz，900MHz，1.8GHz。民用移动通信使用频段：150MHz，450MHz用于无线传呼和集群通信；900MHz，1.8GHz用于蜂窝移动通信。模拟TACS890～905MHz移动发935～950MHz移动收数字GSM（CDMA）905～915MHz移动发950～960MHz移动收数字可用模拟频段1.8GHz联通GSM909～915MHz移动台发954～960MHz移动台收835～839MHz移动台发（军队）880～884MHz移动台收（军队）DCS1.8GHz1805～1880MHz（基台发）1710～1785MHz（移动台发）IMT-20001885~2025MHz移动台发2110~2200MHz移动台收3移动通信的特点1)电波传播条件恶劣电波传播会发生直射、折射、绕射等，收端收到的是不同路径信号的合成波，不同位置、不同方向上合成波信号强度起伏的现象称为衰落。移动通信中接收信号的强弱值称为场强。图9.2为移动通信中的场强实测记录，图9.3为多径传播示意图。描述电波传播特性的数字特征：场强中值、衰落深度、衰落速率以及衰落持续时间。(1)场强中值具有50％的概率场强值。图9.4为场强中值的确定示意图，T为统计时间，E0为规定电平值，T时间内超过E0的概率为%100(%)1TtPini（9.1.2）(2)衰落深度接收电平值与场强中值电平之差。衰落深度=20lgEi：接收电平值；E0：场强中值。(3)衰落速率接收信号场强变化快慢。N==1.85×103·v·f0EEi（9.1.3）2v（9.1.4）N：衰落速率；v：移动体速度（km/h）；λ：工作波长（km）；f：工作频率（MHz）。(4)衰落持续时间场强低于某一给定电平值的持续时间。2)在强干扰条件下工作移动通信电波在地面受到许多干扰和噪声，噪声主要是人为噪声，干扰主要是内部干扰。3)具有多卜勒频移效应移动体运动达一定速度时，设备接收的载波频率随运动速度变化而产生频移的现象。v：运动速度；λ：接收信号波长；θ：电波到达时入射角。4)移动用户经常移动移动体经常移动带来呼叫、接续等的复杂性。cosvfd（9.1.5）9.1.2移动通信系统的发展移动通信系统的发展分为四个阶段：模拟蜂窝移动通信系统，数字蜂窝移动通信系统、国际移动通信系统及第四代移动通信系统。1模拟蜂窝移动通信系统1979年美国开通第一个蜂窝移动通信系统AMPS（高级移动电话业务）。现存的较实用、容量较大系统有：北美的AMPS、北欧的NMT-450/900以及英国的TACS，工作频带均在450MHz和900MHz附近，载频间隔30kHz以下。2数字蜂窝移动通信系统数字蜂窝移动通信系统以数字传输、时分多址和窄带码分多址为主体，代表产品有两类：TDMA系统和N-CDMA系统。TDMA系统：TDMA系列中较成熟且最有代表性的制式有泛欧GSM、美国D-AMPS和日本PDC。N-CDMA系统：N-CDMA（码分多址）系列主要是基于IS-95的N-CDMA，北美地区基于N-CDMA的PCS1900。3国际移动通信系统IMT-2000第二代移动电话系统频带太窄，不能提供如高速数据、慢速图像与电视图像等的各种宽带信息业务，并且不能实现真正的全球漫游，国际电联要求在2000年实现商用化的第三代移动通信系统IMT-2000。第三代移动通信系统的三大主流标准：WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。关键特性：包含多种系统；世界范围设计的高度一致性；IMT-2000内业务与固定网络的兼容；高质量；世界范围内使用小型便携式终端。IMT-2000的频谱分配：上行频段：1885~2025MHz；下行频段：2110~2200MHz；移动卫星业务频段：1980~2010MHz；2170~2200MHz。4第四代移动通信系统4G(B3G)4G是指移动时通信达到100Mbps，静止时达到1Gbps速度的无线通信技术。频率：带宽将有所变化(频率尚未最后确定)备选频率:410~470MHz614~806/862MHz3.4~4.2GHz-可选带宽:5/10/20/40/100MHz。4G核心技术：OFDM技术、SDR技术、MIMO技术、SmartAntenna技术等。9.1.3蜂窝移动通信概念1移动通信系统组成图9.5为陆地移动通信系统组成示意图。移动通信网PLMN由移动台MS，基站BS及移动交换中心MSC组成，移动通信网通过中继线与市话通信网PSTN连接。无线小区：每个基站的可靠通信服务范围。业务区：移动交换中心、基站区、位置小区组成一个移动通信的业务区。图9.6为移动通信网的结构示意图。2蜂窝移动通信无线覆盖区结构1)大区制一个基站天线覆盖区内的移动用户只能在该区域进行联络控制。特点：基站只有一个天线，频率利用率低，不能漫游，常用于集群通信。2)小区制业务区划分为若干小区，各小区分别设置基站来负责本小区移动通信的联络控制，如图9.7所示。特点：各基站频率组配备要使相邻基站天线覆盖区不同，基站使用3对频率。3)小区制的划分方法小区制分为：带状服务区和面状服务区。带状服务区：图9.8为带状网络示意图，图9.9为同频干扰示意图。为避免邻接小区使用相同频率造成的同频干扰，可配备双组、三组或四组频率。面状服务区：图9.10为组成面状服务区各种小区的形状示意图，各小区可用三角形、圆形、正方形及正多边形等形状。小区形状选取原则：①邻接小区中心间距要大；②单位小区的有效面积要大；③交叠区域面积要小；④交叠距离要小；⑤所需无线电频率个数要少。图9.11为图9.10中各小区形状对应的最少无线频率个数，正六边形需要的频率个数最少。正六边形最适合构成面状服务区，因正六边形构成的面状服务区状似蜂窝，所以称蜂窝式移动通信网。4）蜂窝无线区移动通信网若干正六边形邻接小区组成一个无线覆盖区群，若干无线区群构成整个服务区。单位无线区群小区个数：N=a2+ab+b2图9.12为各种单位无线区群的结构示意图。单位邻接无线区群中，同频无线小区中心间距dg、小区个数N、小区半径r关系:Nrdg3（9.1.7）（9.1.6）3移动通信中的切换与漫游图9.13为三叶草形结构，无线区群由三个无线小区组成，基站设置在三个小区顶点，用120°定向天线向三个方向以不同频率组覆盖。切换：移动体从一个小区向另一个小区运动时发生的信道转换，切换可发生在同一基区、不同基区及不同移动交换区。图9.14为同一交换区不同基区切换示意图，移动体从BS1向BS2过渡时发生信道切换。图9.15为不同交换区切换示意图，移动体从MSCA的BSA3向MSCB的BSB4过渡时发生信道切换。漫游：在某地登记进网的移动台可在异地进行呼叫处理通信。漫游可发生在不同地区、不同省以及不同国家之间，漫游由移动通信网实现，有人称小区制蜂窝移动通信网为全球通。世界上有多种制式的蜂窝移动通信系统，切换与漫游在同一制式容易实现。9.1.4移动通信分类1寻呼系统点对面单向呼叫系统，由寻呼控制中心、基站和寻呼接收器（BP机）组成，图9.16为无线寻呼系统的组成框图。2集群移动通信专用调度系统，由调度台、基站、移动台、控制中心组成，常采用大区制覆盖，图9.17为集群系统组成示意图。3无绳电话系统市话网延伸的双工无线通信系统，由基站和手机组成。图9.18为无绳电话系统组成示意图，图9.19为公用无绳电话系统（英国CT-2系统）组成示意图。4陆地蜂窝移动通信系统公用的、广泛采用的移动通信系统，可分为模拟移动通信系统和数字移动通信系统，表9.1为模拟系统中美国AMPS制式与欧州TACS制式比较，表9.2为数字移动通信系统中欧洲GSM制式、美国D-AMPS制式和日本D-NTT制式比较。5卫星移动通信系统卫星移动通信分两种：静止卫星(同步卫星)通信系统：典型系统有海事移动通信系统。低轨道卫星通信系统：典型系统有美国摩托罗拉公司推出的铱卫星移动通信系统。6其他移动通信系统无线通信的迅猛发展扩大了移动通信应用领域，蓝牙技术的移动接入系统已经商用。9.2蜂窝模拟移动通信系统TACS9.2.1TACS制式特点●模拟移动通信制式（话音采用模拟制式，带宽3kHz，无线传输采用调频方式）；●数字式公共控制信道（速率8kb/s，FSK调制）；●三种不同频率监测音（不同无线区群用不同频率监测音，分别为：5.97kHz、6kHz和6.03kHz）；●900MHz频段（信道间隔25kHz，双工频率间隔45MHz，带宽25MHz）。9.2.2TACS制式信道结构1TACS系统信道构成TACS系统信道由有线信道和无线信道构成。有线信道：主要指移动交换中心与市话网间信道，移动交换中心与基站间一般也是有线信道。无线信道：分为话音信道VC和控制信道CC。1)话音信道VC主要传递话音信号，还传递监测音、数据及信号音信息。每个无线小区配有若干条(15～30条)话音信道，图9.20为话音信道示意图。监测音：通话期内基站发出的带外单音，用于了解话音信道的传输质量；数据：特殊情况下传送话音的话音信道暂时中断，中断时间传输必要的数据指令；信号音：移动台发出的带内单音信号，呼叫过程中用于表明振铃成功、越区切换的切换认可等，不同设备使用不同的频率，一般为300Hz以下。2)控制信道CC主要传送寻呼和接入信号，还有指定话音信道、重新试呼等功能。该信道只传送数据信号，每个无线小区通常有一条控制信道，控制该小区所有话音信道的信号，图9.21为控制信道示意图。寻呼:基站通过控制信道发呼叫移动台信号，在基站覆盖区内寻找呼叫移动台；接入：移动台主呼时在控制信道上发主呼信号,通过移动台所在基站向移动交换中心发入网信号。2TACS系统的编号计划移动通信用户编号分为网号和局号。我国TACS制式采用全国统一的移动电话局局号90(R)ABCD，其中90(R)为局号。移动通信系统除了用户号码外，还有移动台识别码、移动台系列号码和移动台漫游号码。1)移动台识别码移动通信呼叫过程中，移动台的用户号码要变换成移动台识别码。我国TACS制式国家识别码：460+长途区号+移动台号码用户号码为900ABCD，长途号则为20900ABCD，移动台识别码为46020900ABCD。2)移动台系列号码每个移动台都有唯一的系列号码，入网时预先登记在移动交换中心存储。3)移动台漫游号码为来访漫游移动台准备的临时号码，登记时在注册的移动通信系统存储，分为国内移动台漫游号码和国际移动台漫游号码。3模拟移动通信的发展模拟移动通信系统技术成熟、价格便宜，在20世