移动通信基站基础知识

主讲郭双贵高级工程师移动通信是指通信双方或至少一方处于移动中进行信息交互的通信，即移动体与移动体、移动体与固定体之间的通信。按照移动体所处的运动区域不同，移动通信可分为陆地移动通信、海上移动通信和空中移动通信。陆地移动通信以蜂窝移动通信系统应用最为广泛，以数字蜂窝移动通信发展最为迅速，本章着重介绍数字蜂窝移动通信系统。2020/2/102第一节移动通信的特点及分类移动通信系统由于用户的移动性，管理技术要比固定通信要复杂，移动通信网中依靠的是无线电波的传播，传播环境比有线媒质的传播特性复杂，移动通信有着与固定通信不同的特点。一、移动通信的特点1、无线电波传播环境复杂：移动通信的电波处在特高频（300－3000MHz）频段，电波传播主要方式是视距传播。电磁波在传播时不仅有直射波信号，还有经地面、建筑群等产生的反射、折射、绕射的传播，从而产生多径传播引起的快衰落、阴影效应引起的慢衰落，系统必需配有抗衰落措施，才能保证正常运行。2020/2/1032、噪声和干扰严重：移动台在移动时即受到环境噪声的干扰，又有系统干扰。由于系统内有多个用户，必须采用频率复用技术，系统就有了互调干扰、邻道干扰、同频干扰等主要的系统干扰，这就要求系统有合理的同频复用规划和无线网络优化等措施。3、用户的移动性：用户的移动性和移动的不可预知性，要求系统有完善的管理技术对用户的位置进行登记、跟踪，不因位置改变中断通信。4、频率资源有限：ITU对无线频率的划分有严格规定，要设法提高系统的频率利用率。2020/2/104二、移动通信的分类1.按服务对象分类：公用移动通信和专用移动通信。2.按组网方式分类：峰窝状移动通信、移动卫星通信、移动数据通信、公用无绳电话、集群调度电话等。3.按工作方式分类：单向和双向通信方式两大类，双向通信方式可又分为单工、双工和半双工通信方式。4.按采用的技术分类：分为模拟移动通信系统和数字移动通信系统。2020/2/105第二节移动通信的发展历程80年代发展起来的第一代模拟移动通信系统。90年代初发展为第二代数字移动通信系统。现正在建设第三代宽带数字移动通信系统（3G）。3G以宽带多媒体移动通信为目标，数据传输速率：高速移动环境－144kbit/s；步行慢速移动环境－384kbit/s；室内静态环境－2Mbit/s；3G世界三大主流标准：WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA（我国提出的标准）。2020/2/106第三节数字移动通信技术一、数字调制技术数字调制是使在信道上传送的信号特性与信道特性相匹配的一种技术。模拟语音信号，经过语音编码所得到的数字信号必须经过调制才能实际传输。无线传输系统中，是利用载波来携带语音编码信号的，即用语音编码后的数字信号对载波进行调制。数字调制方式有以下几种：2020/2/107移频键控（FSK）：载波的频率按照数字信号“1”、“0”变化而对应变化；移相键控（PSK）：载波的相位按照数字信号“1”、“0”变化而对应变化；振幅键控（ASK）：载波的振幅按照数字信号“1”、“0”变化而对应变化。GSM移动通信系统采用高斯预滤波最小移频键控GMSK。移动通信使用的调制技术还有：二相移相键控（BPSK）、四相移相键控（QPSK）、正交调幅（QAM）,频谱利用率较高,设计难度和成本较高。2020/2/108二、多址技术多址技术就是把多个用户接入一个传输媒质实现相互间通信时，给每个用户信号赋予不同的特征，以区分不同的用户的技术。常用的多址方式：頻分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）。GSM系统使用：频分多址（FDMA）/时分多址（TDMA）混和多址方式，即FDMA/TDMA。3G系统多址方式使用：码分多址（CDMA)方式。2020/2/1091、频分多址（FDMA）FDMA是把工作频段划分成多个无线载频，每一个载频信道可以传输一路语音或控制信息，通信时不同的MS占用不同的频率信道进行通信。FDMA的特点：（1）信道的带宽较窄（25－30KHz），相邻频道要留有防护频带；（2）与TDMA系统比，FDMA系统的复杂程度低。（3）采用单路单载波（SCPC）设计，需使用高性能的射频（RF）带通滤波器来减少邻道干扰，成本较高。2020/2/10102、时分多址（TDMA）TDMA是把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙，一个时隙就是一个通信信道。通信时，给每个用户分配一个时隙，使各移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发射或接收信号。同一个频道就可供几个用户同时进行通信。GSM系统无线路径上采用TDMA方式，每一个载频可分成8个时隙，一个时隙为一个信道，一个载频最多可有8个移动用户同时进行通信。2020/2/1011供几个用户如下图所示的频分多址和时分多址方式：a.FDMAb.TDMA2020/2/1012时分多址（TDMA）的特点（1）TDMA系统中几个用户共享同一个载频，但每个用户使用彼此互不重叠的时隙。（2）TDMA系统中的数据发射是不连续的，是以突发方式发射，耗电较少，移动台可在空闲的时隙里监听其他基站，使越区切换大为简化。（3）共享设备的成本低，每一载频为许多用户提供业务，用户平均成本大大低于FDMA系统。（4）移动台复杂，它需要处理复杂的数字信号。2020/2/10133、码分多址（CDMA）移动通信中，多个用户使用的频率和时间都是相同的，而给每个移动台分配一个独立的码序列，这种用不同的正交编码序列来区分不同移动用户的通信方式，称为码分多址。码分多址（CDMA)的特点（1）系统容量大。CDMA无线信道容量比FDMA大近10倍。（2）有很强的抑制干扰和多径衰落的能力。CDMA的扩频系统可以把多径干扰信号解扩去除。（3）具有软容量和小区呼吸功能。系统忙时只需少许增加系统噪声就可增加通话用户，即所谓软容量。小区呼吸功能是指负荷量动态控制。2020/2/1014（4）软切换。当移动台超越小区或扇区时，由于工作频率相同，只是地址码序列不同，不需要频率的切换，称之为软切换。软切换是先接后断切换，软切换可靠性高。（5）存在多址干扰和远近效应。CDMA的地址码不可能完全正交，在解扩过程中必然带来用户间的干扰；CDMA的信道也采用地址码分割，并切公用载波，增加信道的同时干扰也增加。CDMA系统通过自动功率控制减轻其影响。由于信道地址码的相互作用，任何一个信道将受到其他不同地址码信道的干扰，称为多址干扰。2020/2/1015CDMA系统的多址干扰直接限制容量的扩大。码分多址技术是基于以下两种扩频通信方式：（1）跳频技术跳频技术是扩频通信中的一种，GSM系统中使用跳频技术，其主要功能是可有效地减小传播信道对某个频率的选择性衰落；可避免多径信号的干扰。跳频分为基带跳频和射频跳频两种。如图所示。（a）基带跳频（b）射频跳频（2）扩频技术2020/2/10162020/2/1017TRXnTRX2TRX1耦合器基带信号时隙交叉控制图1.2（a）基带跳频2020/2/1018PN码发生器可变频率合成器射频调制频率合成器射频调制耦合器基带信令基带信息F0F1-Fn图1.2（b）射频跳频扩频通信是将信息信号的频谱扩展后再进行传输，提高了系统的抗干扰能力，在强干扰甚至信号被噪声淹没的情况下，能保证可靠通信。常用的扩频通信技术如下：直接扩频（DS）－将要传输的信息数据用高速伪随机码序列调制，由于伪随机序列的速率（带宽）远大于信息数据速率，使要传递信息数据信号的频谱被展宽。跳频（FH）－荷载信息的信号受伪随机序列的控制，在一组预先指定的频率上离散地跳变，从而扩展了发射信号的频谱。2020/2/1019三、双工方式1、频分双工（FDD）：收发信各占用一个频率。优点是收、发信号同时进行，时延小，技术成熟，缺点是设备成本高。2、时分双工（TDD）：收发信使用同一个频率,但使用不同时隙。优点是频谱利用灵活,上、下行使用相同的频率，传输特性相同，有利于使用智能天线,无收发间隔要求,支持不对称业务,设备成本低等。缺点是小区半径小,抗快衰落和多普勒效应的能力低于FDD,终端移动速度不能超过120km/h。2020/2/1020四、频率复用技术在移动通信系统中，频率资源有限，为提高频谱利用率，在相隔一定距离后重新使用相同的频率组，这种采用同頻复用和頻率分组来提高頻率利用率方式，就是频率复用技术。实际应用中常采用4/12和3/9频率复用分组方式。即将12组頻率轮流分配到4个基站和将9组頻率轮流分配到3个基站，每个站点可用到3个频率组。频率复用会带来小区间的干扰，GSM系统要求：同频干扰保护比C/I≥9dB邻频干扰保护比C/I≥-9dB2020/2/10212020/2/1022A3D2B1C3B2D1D3A2C1B3C2A1B3C2A1A3A1B1D1D3D2C3B2A1C3D2C3C1D2B1C2A1A2C1D3图1.3按4/12方式复用的小区示意图2020/2/1023A3C2B1B3A2C1C3B2A1A3C2B1B3A2C1B3A1C1A1A3A2C3B2A1A3A3C3C1B2A1B2A1A2C1B3图1.5按3/9方式复用的小区示意图第四节无线电频谱管理与使用1、无线电频谱管理2、移动通信的频谱特性和管理2020/2/1024GSM是全球第一个标准化的数字蜂窝移动通信系统，它对数字调制方式、网络结构和业务种类等进行标准化规范，GSM系统可以提供全球漫游。主要特点1、频谱效率高：采用了高效调制器、信道编码和语音编码等技术，系统具有高频谱效率。2、容量大：比TACS（模拟移动通信系统）高3-5倍3、话音质量好：接收信号在门限值以上时，达到与有线传输相同的水平而与无线传输质量无关。2020/2/10254、开放的接口：GSM系统从空中接口到网络之间以及网络中各实体之间，提供的接口都是开放性的。5、安全性高：通过鉴权、加密和TMSI（临时用户识别码）号码的使用，实现了安全保护，鉴权用来验证用户的入网权力，加密防止有人跟踪而泄漏地理位置。6、可与ISDN（综合业务数据网）、PSTN（公用电话网）等互连，与其它网络互连是利用现有接口。在SIM卡基础上实现漫游，漫游是移动通信的重要特征，GSM系统可以提供全球漫游。2020/2/1026第一节GSM系统的结构一、GSM系统的结构主要由移动台（MS）、基站子系统（BSS）和网络子系统（NSS）三部分组成。GSM系统通过一定的网络接口和用户连接。其结构方框图见图2.12020/2/10272020/2/1028BTSBSCBTSOMCMSC/VLRHLR/AUCEIR基站子系统（BSS）交换子系统（NSS）MSUm接口A接口Abis接口7号信令MS—移动台BTS-基站收发信系统BSC-基站控制器MSC-移动交换中心VLR-来访位置寄存器HLR-归属位置寄存器AUC—鉴权中心EIR-设备识别寄存器OMC-操作管理接口PSTN-公用电话交换网ISDN－综合业务数字网PDN－公用数据网PSTNISDNPDNSMC图2.1GSM系统的结构图1.移动台（MS）：是移动用户设备部分，由移动终端和用户识别卡(SIM)两部分组成，移动终端是“机”，SIM卡是“身份卡”，存有认证用户身份的所有信息。SIM卡还存储与网络和用户有关的管理数据，只有插入SIM卡后移动台才能接入进网。2.基站子系统（BSS）：由基站控制器（BSC）和基站收发信机（BTS）两部分组成，是GSM系统的基本组成部分。基站控制器（BSC）：具有对一个或多个BTS进行控制的功能，主要负责无线资源管理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等。基站控制器（BSC)是一个很强的业务控制点。2020/2/1029基站收发信台（BTS）：是无线接口设备，主要包括无线发射和接收设备、天线设备及信号处理部分。完成无线传输、有线与无线转换、分集、加密、跳频等。实现BTS与MS之间无线传输和相关控制功能。3.网络子系统（NSS）：由移动业物交换中心（MSC）、来访用