无线通信系统与技术-第4章移动通信系统

第4章移动通信系统•随着社会经济的发展，人们的社会活动、信息交流日益频繁，人类社会已进入信息时代。•在这样一个时代，人们对信息获取、交换手段和方式的要求越来越高，人们一直有这样一种美好的愿望，即能实现任何人（Whoever）在任何时候（Whenever）、任何地方（Wherever）以任何方式（Whatever）与任何人（Whomever）进行通信，即通信的“5W”，这便是通信的最高目标。•移动通信则是帮助人们实现这一愿望的有效途径。•飞速发展、广泛普及的移动通信系统，其庞大的系统容量、日益完善的系统覆盖和不断提供的新业务，使得它越来越向着人们期待的通信的最高目标靠近。•什么是移动通信？顾名思义，移动通信就是指通信的一方或双方在移动中（或暂时停留在某一非预定的位置上）进行信息传输和交换的通信方式。它包括移动用户（车辆、船舶、飞机或行人）和移动用户之间的通信，移动用户和固定用户（固定无线电台或有线用户）之间的通信。•按此定义，陆地移动通信、卫星移动通信、舰船通信，航空通信等都属于移动通信的范畴。•由于移动通信采用无线通信方式，用户设备便于移动环境使用，因而具有机动、灵活、受空间限制少和实时性好等特点，因而在军事上和生产实践、社会生活中得到了广泛的应用，逐渐成为我们日常工作、生活不可或缺的部分。•移动通信产业也成为最具活力、发展最为迅速的领域，是全球经济的重要增长点之一。•现代移动通信技术是一门复杂的高新技术，它不但集中了无线通信和有线通信的最新技术成就，而且集中了网络技术和计算机技术的许多成果，其技术仍在不断地演进中，朝着通信的最高目标—“5W”迈进。移动通信概述4.1GSM数字蜂窝移动通信系统4.2CDMA数字蜂窝移动通信系统4.3第三代移动通信系统4.4本章小结4.54.1移动通信概述4.1.1移动通信的特点①移动通信利用无线电波进行信息传输，其电波传播环境复杂，传播条件十分恶劣，特别是陆上移动通信。②干扰问题比较严重。③移动通信可利用的频谱资源非常有限，而移动通信业务量的需求却与日俱增。④移动通信系统的网络结构多种多样，系统交换控制、网络管理复杂，是多种技术的有机结合。⑤移动通信设备（主要是移动台）必须适于在移动环境中使用，其可靠性及工作条件要求较高。4.1.2移动通信的发展1．移动通信发展简史2．移动通信发展趋势（1）小型化（2）宽带化图4-1无线移动通信发展趋势①3G的进一步演进。②B3G/4G。•未来的4G移动通信系统应至少具备以下特征。●具有很高的数据传输速率。●实现真正的无缝漫游。●高度智能化的网络。●良好的覆盖性能。●基于IP的网络。●实现不同QoS的业务。●先进的技术应用。（3）网络融合化、泛在化和业务综合化•随着移动通信和互联网的迅猛发展，以及固定与移动通信宽带化的发展趋势，通信网络和业务正发生着根本性的变化。•体现在两大方面：一是提供的业务将从以传统的话音业务为主向提供综合信息服务的方向发展；二是通信的主体将从人与人之间的通信，扩展到人与物、物与物之间的通信，渗透到人们日常生活的方方面面，最终形成以无所不在、无所不包、无所不能为基本特征，以实现在任何时间、任何地点、任何人、任何物都能顺畅地通信为目标的“泛在网”（U网络）。（4）智能化和软件化图4-2网络融合、业务融合、接入综合（5）个人化4.1.3移动通信新技术•为适应移动通信宽带化发展的趋势，3G+、E3G、B3G、4G等移动通信系统采用了众多的新技术，如OFDM技术、智能天线和空时编码技术、无线链路增强技术、软件无线电技术、自适应编码调制技术、MIMO技术和多用户检测技术等。1．正交频分复用技术图4-3OFDM频谱•是因为OFDM有很多独特的优点。①频谱利用率很高。图4-4OFDM原理框图②抗衰落能力强。③适合高速数据传输。④抗码间干扰能力强。2．无线链路增强技术•可以提高容量和覆盖的无线链路增强技术主要有以下几种。①分集技术：如通过空间分集、时间分集（信道编码）、频率分集和极化分集等方法来获得最好的分集性能。②多天线技术：如采用2或4天线来实现发射分集，或者采用多输入多输出（MIMO）技术来实现发射和接收分集。图4-5MIMO原理框图3．链路自适应技术•实际的无线信道具有两大特点：时变特性和衰落特性，这是由通信双方、反射体、散射体之间的相对运动或者传输媒质本身的变化引起的。（1）自适应调制和编码技术•自适应编码调制（AMC）就是通过改变调制和编码的格式并使它在系统限制范围内和当前的信道条件相适应，以便能最大限度地发送信息，实现比较高的通信速率。（2）快速混合自动重传•快速混合自动重传（HARQ）也是一种链路自适应的技术，是ARQ和FEC相结合的纠错方法，与FEC共同完成无差错数据传输保护；是指接收方在检出传输错误的情况下，保存接收到的数据，并要求发送方重传刚刚传输错误的数据。4．智能天线与空分多址技术（1）智能天线•智能天线是一个由多组独立天线组成的天线阵列、自适应信号处理器构成的天线系统，如图4-6所示。图4-6智能天线原理框图（2）空分多址（SDMA）•随着智能天线技术的发展成熟和在移动通信中的应用，空分多址技术开始在数字蜂窝移动通信中得到应用。•在蜂窝系统中，天线阵元可以由基站用自适应的方法加以控制，使得波束始终指向移动台，能够跟踪它的运动。•这种技术就是所谓的自适应SDMA，这种方法有以下优点：①波束直接对准用户，多径和信道之间的干扰大量地减少；②由于波束对准用户减少了电磁污染，所需功率也减少；③直达波束提高了通信的保密性，除非在波束辐射的方向上，否则，通信不可能被截获。图4-7SDMA技术的原理5．软件无线电技术6．多用户检测技术4.2GSM数字蜂窝移动通信系统4.2.1系统组成•GSM数字蜂窝通信系统的主要组成部分可分为移动台（MS）、基站子系统（BSS）和网络子系统（NSS），图4-8GSM蜂窝移动电话系统结构示意图1．网络子系统•网络子系统（NSS）主要提供交换功能以及用于进行用户数据与移动管理、安全管理等所需的数据库功能，它由一系列功能实体构成。（1）移动业务交换中心（2）归属位置寄存器（3）访问位置寄存器（4）鉴权中心（5）设备识别寄存器（6）操作维护中心2．基站子系统•基站子系统（BSS）包括基站收发信机（BTS）和基站控制器（BSC）。•该子系统由MSC控制，通过无线信道完成与MS的通信，主要负责无线信号的收发以及无线资源管理等功能。（1）基站收发信机（2）基站控制器3．移动台•移动台即便携台（手机）或车载台，它包括移动终端（MT）和用户识别模块（SIM卡）两部分，其中移动终端可完成话音编码、信道编码、信息加密、信息调制和解调以及信息发射和接收等功能，SIM卡则存有确认用户身份所需的认证信息以及与网络和用户有关的管理数据。4．系统接口•GSM系统在制定技术规范时对其子系统之间及各功能实体之间的接口和协议作了比较具体的定义，使不同的设备供应商提供的GSM系统基础设备能够符合统一的GSM技术规范而达到互通、组网的目的。图4-9GSM系统接口示意图（1）Um接口（2）Abis接口（3）A接口（4）子系统内部接口（5）MSC/VLR、HLR、AUC、BSC与OMC之间的接口4.2.2无线空中接口1．GSM系统无线传输特性（1）工作频段•GSM系统包括900MHz和1800MHz两个频段。（2）多址方式•GSM蜂窝系统采用时分多址/频分多址、频分双工（TDMA/FDMA/FDD）制式。（3）频率配置图4-104×3频率复用2．无线空中接口信道定义（1）物理信道①信道划分：GSM的无线接口采用TDMA接入方式，即在一个载频上按时间划分8个时隙构成一个TDMA帧，每个时隙称为一个物理信道，通常，一个物理信道的时隙在时间上不是邻接的。②帧结构：图4-11给出了TDMA帧的完整结构。图4-11GSMTDMA帧的完整结构（2）逻辑信道图4-12GSM系统的信道分类①业务信道：业务信道（TCH）主要传送数字话音或用户数据，在前向链路和反向链路上具有相同的功能和格式。②控制信道：控制信道（CCH）用于传送信令和同步信号。•某些类型的控制信道只定义给前向链路或反向链路。3．无线空中接口技术•GSM无线接口上的信息传输需经多个处理单元处理才能安全可靠地送到空中无线信道上传输。图4-13GSM语音输入到输出的处理过程4.2.3GPRS•GSM系统在全球范围内取得了超乎想象的成功，但是GSM系统的最高数据传输速率为9.6kbit/s且只能完成电路型数据交换，远不能满足迅速发展的移动数据通信的需要。1．GPRS网络结构图4-14GPRS网络结构简图•同原GSM网络相比，新增或升级的设备有以下几种。（1）服务支持节点（SGSN）（2）网关支持节点（GGSN）（3）分组控制单元（PCU）（4）原GSM网设备升级（5）GPRS终端•GPRS移动台有3种类型：A类—可同时提供GPRS服务和电路交换承载业务的能力，即在同一时间内既可进行行的GSM语音业务又可以接收GPRS数据包。B类—可同时侦听GPRS和GSM系统的寻呼信息，同时附着于GPRS和GSM系统，但同一时刻只能支持其中的一种业务；C类—要么支持GSM网络，要么支持GPRS网络，通过人工方式进行网络选择更换。2．GPRS的特点•GPRS系统具有以下特点。①传输速率快。②可灵活支持多种数据应用。③网络接入速度快。④可长时间在线连接。⑤计费更加合理。图4-15GPRS的特点⑥高效地利用网络资源，降低通信成本。⑦利用现有的无线网络覆盖，提高网络建设速度，降低建设成本。⑧GPRS的核心网络顺应通信网络的发展趋势，为GSM网向第三代演进打下基础。4.2.4EDGE1．EDGE的概念与特点•与以前的系统相比，EDGE有以下几方面的优点。①系统操作更加灵活。②数据传输方式多样。③支持高速分组接入。④通信系统性能更好。⑤支持对称和非对称传输。⑥完全后向兼容GSM/GPRS，原有GSM/GPRS用户无需更换终端仍可照常使用。⑦有效降低运行和接入费用。2．EDGE的主要技术特性（1）空中接口（2）编码方式（3）EDGE与其他技术的比较4.3CDMA数字蜂窝移动通信系统•CDMA蜂窝移动通信系统是以码分多址技术为核心的公用蜂窝移动通信系统，又称码分多址移动通信系统。4.3.1CDMA蜂窝移动通信技术的演进与标准图4-16CDMA蜂窝移动通信技术的演进1．IS-95A和IS-95B2．cdma20004.3.2系统结构与特点1．CDMA的系统结构图4-17CDMA系统结构①移动台（MS）：包括车载台和手持机，由移动终端（MT）和用户识别模块（UIM）组成，通过Um接口接入网络。②基站子系统（BSS）：基站子系统是由一个基站控制器（BSC）和若干个基站收发信台（BTS）组成。③移动业务交换中心（MSC）：它是对其所覆盖区域中的移动台进行交换、移动性管理控制的功能实体，也是移动通信系统与其他公共通信网络实现互连的接口。④拜访位置寄存器（VLR）：VLR中存放着其控制区域内所有拜访的移动用户信息，这些信息含有MS建立和释放呼叫以及提供漫游和补充业务管理所需的全部数据。⑤归属位置寄存器（HLR）：运营者用于管理移动用户的数据库。•HLR中存放着该HLR控制的所有移动用户数据以及每个移动用户的路由信息和状态信息。•每个移动用户都应在其入网地的HLR进行注册登记。⑥鉴权中心（AC）：它是用来进行移动用户的身份认证和产生相应鉴权参数的功能实体。⑦设备识别寄存器（EIR）：存储有关移动台设备参数的数据库。•主要完成对移动设备的识别、监视及闭锁等功能。⑧操作维护中心（OMC）：操作维护数字蜂窝移动网的功能实体。⑨消息中心（MC）：存储和转发短消息的功能实体。⑩短消息实体（SME）：即合成和分解短消息的实体，它位于移动业务交换中心、归属位置寄存器和MC中。2．CDMA蜂窝系统的特点•CDMA数字蜂窝移动通信系统的主要特点如下。（1）频谱利用率高，系统容量较大•在CDMA数字蜂窝移动通信系统中，采用了话音激活、功率控制、扇区划分等技术来