《现代通信技术基础》第6章-移动通信

现代通信技术基础IntroductiontoModernCommunicationTechnology第二版第6章移动通信本章学习目标了解移动通信的分类与特点。理解蜂窝通信的概念及移动通信管理的基本内容。理解移动通信中的无线传输技术和码分多址（CDMA）技术。了解GSM移动通信系统组成、通信过程以及GPRS业务。了解第三代移动通信（3G）系统的基本概念了解TD-SCDMA、WCDMA、cdma2000等3G系统的技术特点。内容简介6.1移动通信概述6.2移动通信的主要关键技术6.3GSM移动通信系统6.4CDMA移动通信系统6.5第三代移动通信系统6.6WCDMA移动通信系统6.7TD-SCDMA移动通信系统6.8cdma2000移动通信系统6.9新一代移动通信技术放映结束内容简介6.1移动通信概述6.1.1移动通信系统的分类6.1.2移动通信的特点6.1.3蜂窝通信的概念6.1.4移动通信的管理返回主目录内容简介6.2移动通信的主要关键技术6.2.1无线传输技术概述6.2.2码分多址（CDMA）返回主目录内容简介6.3GSM移动通信系统6.3.1GSM系统概述6.3.2GSM系统的组成6.3.3GSM系统的通信过程6.3.4通用分组无线业务（GPRS）返回主目录内容简介6.4CDMA移动通信系统6.4.1CDMA系统原理6.4.2CDMA系统的技术体制返回主目录内容简介6.5第三代移动通信系统（3G）6.5.13G概述6.5.23G的关键技术6.5.33G的技术标准返回主目录内容简介6.6WCDMA移动通信系统6.6.1WCDMA的网络特点6.6.2WCDMA网络接口与系统技术返回主目录内容简介6.7TD-SCDMA移动通信系统6.7.1TD-SCDMA的技术特点6.7.2TD-SCDMA网络接口与系统技术返回主目录内容简介6.8cdma2000移动通信系统6.8.1cdma2000的网络特点6.8.2cdma20001x空中接口返回主目录6.1移动通信概述移动通信是指通信双方或至少有一方是在运动中通过通信网络进行信息交换的。例如固定点与移动体之间、移动体与移动体之间、人与人之间或人与移动体之间的通信，都属于移动通信。移动通信主要包括陆地移动通信和卫星移动通信；若无特别说明，一般泛指前者。返回6.1.1移动通信系统的分类1.蜂窝公用移动通信系统2.集群移动通信系统3.无线市话4.无线寻呼系统典型的移动通信系统如图6-1所示。返回6.1.2移动通信系统的特点1.移动通信与其他通信方式的比较（1）无线电波传播模式的复杂性（2）多普勒频移产生调制噪声（3）干扰比较严重（4）信道传输条件恶劣（5）可供使用的频率资源有限（6）需采用跟踪交换技术（7）信令、入网方式和计费方式较复杂移动通信系统的特点2.数字移动通信与模拟通信方式的比较容量大；可提供多种业务，可与ISDN以及局域网互联；可有多种加密措施，容易确保通信的安全；利用窄带调制和低比特率的语音编码技术，可得到较高的频谱利用率；利用高效的差错控制技术，可恢复质量较高的信号；信道利用率高，小区制缩短了频率重复使用距离，信道分配等技术可提高频率资源的有效利用；便于与固定网及ISDN的兼容，较易于实现非话业务传输；便于网络智能化、设备集成化与降低系统成本。返回6.1.3蜂窝通信的概念一个城市被划分为若干个小区域（小区），每个小区有一个发射机，在不同的小区内可再使用相同的频率。小区的大小由容量和应用环境确定。为了获得全覆盖，无死角，小区面积多为正多边型，如正六角型（即蜂窝式）。蜂窝通信的概念1.蜂窝通信的特征（1）低功率的发射机和小的覆盖范围（2）频率再用（3）小区分裂以增加容量（4）切换蜂窝通信的概念（4）切换切换是将正在处于通信状态的移动用户转移到新的业务信道上（新的小区）的过程。切换的目的是实现蜂窝移动通信的“无缝隙”覆盖，即当移动台从一个小区进入另一个小区时，保证通信的连续性。切换分为硬切换和软切换。蜂窝通信的概念硬切换是指移动终端被连接到不同的移动通信系统、不同的频率分配或不同的空中接口特性时，必须断掉原来小区的无线信道，才能使用新小区的无线信道进行通信；硬切换在空中接口是先断后通的过程。软切换是当移动终端的通信被连到另一个小区的业务信道时，不需要中断当前服务小区的业务信道。如图6-2所示。蜂窝通信的概念2.蜂窝式移动通信系统的组成蜂窝式移动通信系统由移动业务交换中心（MSC）、基站（BS）、移动台（MS）及与市话网相连接的中继线等组成，如图6-3所示。返回6.1.4移动通信系统的管理1.无线资源管理2.移动性管理3.安全性管理返回6.2移动通信的关键技术分集技术调制技术均衡技术信道编码技术跳频技术直接序列扩频技术码分多址技术智能天线技术…返回6.2.1无线传输技术1.分集技术分集技术的作用是通过两个或更多的接收支路（基站和移动台的接收机）来补偿信道损耗，其作用一是分散传输，使接收端能获得多个统计独立的携带统一信息的衰落信号，另一作用是集中处理，接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并，以降低衰落影响，此时合并方式有3种，即选择性合并、最大比合并和等增益合并。无线传输技术（1）显分集和隐分集显分集：也称为空间分集，其工作原理是将若干个天线分隔开来，然后连接到一个公共的接收系统，当任一天线监测到信号峰值，接收机即可选择接收到的最佳信号作为输入。隐分集：在接收端利用信号处理技术实现分集，其分集作用隐蔽于传输的信号中（如交织编码、直接序列扩频技术等），隐分集技术只需单一天线来接收信号，因而广泛应用于数字移动通信系统中。无线传输技术（2）宏分集和微分集宏分集：是把多个基站设备安放在不同的地理位置和不同的方向上，同时和小区内的一个移动台进行通信，接收机选择信号最好的基站接收，这种方式可减少慢衰落。微分集：是一种减少快衰落的技术，常用的实现方法有多种，如天线分集技术、时间分集技术、频率隐分集技术、多径分集技术等。无线传输技术2.调制技术GSM系统用高斯滤波最小移频键控（GMSK）调制。3.均衡技术4.信道编码技术5.跳频技术6.直接序列扩频技术无线传输技术7.智能天线技术智能天线是利用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达的方向，副波束对准干扰信号到达方向，以充分利用移动用户信号并抑制干扰信号。智能天线的有效实现是利用数字方法形成数字波束，由软件进行自适应处理，增加系统的灵活性高效性。无线传输技术开关多波束智能天线：结构较简单，整个区域由数目确定的多个并行波束覆盖，每个波束的指向和宽度是固定的，用户在小区内移动，基站选择某个波束使接收信号最强。自适应阵天线：采用多天线阵元结构形成全向天线，系统采用数字信号处理技术识别用户信号的到达方向，并在此方向形成天线主波束。返回6.2.2码分多址1.CDMA基本原理CDMA扩频通信系统原理图如图6-4所示。CDMA是一种以扩频通信为基础的调制和多址连接技术。扩频通信技术在信号发端用一高速伪随机序列与数字信号相乘，由于伪随机码的速率比数字信号的速率大得多，因此扩展了信息传输带宽。在收信端，则用相同的伪随机序列与接收信号相乘，进行相关运算，将扩频信号进行解扩。扩频通信具有隐蔽性、保密性、抗干扰等优点。码分多址（1）m序列扩频通信中用的伪随机码常采用m序列，其自相关特性优良，且易于产生。在扩频通信中，只有当收端和发端的伪随机码m序列相位相同时，才能恢复发送信号。CDMA技术就是利用了这一特点，采用不同相位的相同m序列作为多址通信的地址码。码分多址（2）交织编码交织编码是在发送数据前改变数字信息的时间顺序，以减少信道中的突发差错的影响；其编码方式是把待发送数据序列按行排成一个m×n的矩阵，然后按列顺序传送，收端则按接收的列顺序重新恢复出原来矩阵，再按行顺序进行译码。CDMA采用交织编码方式的目的，是把一个由衰落造成的较长的突发差错离散成随机差错，再用纠正随机差错的编码（FEC）技术消除随机差错。码分多址2.CDMA的主要特点抗干扰能力强抗多径衰落能力强、信息传输可靠性高抗多普勒效应好抗阴影效应强信号功率密度低、相关特性好系统容量大系统容量具有软特性具有软切换的功能码分多址3.CDMA的主要问题与关键技术（1）远近效应与自动功率控制（2）多径衰落与分集接收技术（3）地址码的选择（4）相关接收技术（5）同步技术码分多址4.OFDM与CDMA技术比较（1）调制技术（2）峰均功率比（3）抗窄带干扰能力（4）抗多径干扰能力（5）功率控制技术（6）网络规划（7）均衡技术返回6.3GSM移动通信系统GSM系统是基于时分多址（TDMA）的数字蜂窝系统，属于第二代移动通信系统。与第一代移动通信系统（语音传输采用模拟调频方式的模拟蜂窝网）不同，GSM系统信道中传输的全部是数字信号，其采用窄带时分复用（TDMA）、线性预测语音编码和高斯滤波最小移频键控（GMSK）结合的方式，使用户容量扩大，保密性能提高。返回6.3.1GSM系统概述我国的GSM蜂窝移动通信系统以GSM900系统（工作频率为900MHz）为依托、DCS1800系统（工作频率为1800MHz）为补充，构成GSM900／DCS1800双频网。GSM系统概述1.GSM系统基本原理GSM系统基于时分多址（TDMA），按时序组成信号的帧结构。移动台在收发的同时，还要接收基站发送的指令，GSM帧结构比PCM帧结构复杂。GSM的帧结构示意图如图6-5所示。GSM系统概述基本思想：小区中各移动台占用同一频带不同时隙。各移动台只在规定时隙内，以突发形式发射它的信号，这些信号通过基站控制在时间上依次排列、互不重叠；同样，各移动台只要在指定时隙内接收信号，就能从合路信号中将发给它的信号区分出来。GSM系统概述2.GSM系统的特点（1）系统灵活（2）采用数字通信方式，提高通信质量（3）FDMA与TDMA方式结合，频率利用率提高（4）保密性能好（5）多业务与漫游功能GSM系统概述3.GSM系统的区域定义小区：一个基站或基站一部分的扇区覆盖区域。基站区：由一个基站（一个或数个基站收发信台）提供服的所有小区覆盖区域。位置区：移动台可任意移动而不需位置更新的区域。GSM系统概述移动交换（MSC）区：由一个MSC所控制的所有小区共同覆盖的区域。服务区：指移动台在该区域内可被另一通信网中用户找到、无需知道移动台实际位置即可通信的区域。服务区由若干个公用移动通信网组成。返回6.3.2GSM系统的组成GSM系统由交换系统（即移动交换中心，MSC）、基站系统（BSS）、移动台（MS）、操作维护中心（OMC）等部分组成，如图6-6所示。GSM系统的组成1.交换系统移动业务交换中心（MSC）/访问用户位置寄存器（VLR）本地用户位置寄存器（HLR）鉴权中心（AUC）短消息业务中心（SC）操作维护中心（OMC）GSM系统的组成2.基站子系统基站收发信机（BTS）基站控制器（BSC）GSM系统的组成3.移动台移动台（MS）是通信网络的终端无线设备，也是用户能与GSM系统中直接接触的唯一设备。移动台的类型不仅包括手持台（手机），还包括车载台和便携式台，目前手机功能丰富使用方便，手机用户已占整个用户的极大部分。移动台由移动终端（MS）和客户识别卡（SIM）两部分组成GSM系统的组成4.GSM系统信道连接在GSM系统中，移动用户通过基站与移动交换局（即移动交换中心MSC）相连，基站只提供信道，包括移动用户与基站间的无线信道和基站与MSC间的中继线。图6-7示出了GSM系统信道连接示意图。返回6.3.3GSM系统的通信过程1.移动用户的小区选择移动台扫描GSM系统中所有高频信道，调到最强的一个载频，并判别该载频是否有广播控制信道。若有该信道数据，移动台则选取，并判别是否可以锁定在此小区。若该移动通