第4章-數(shù)字移動通信網(wǎng)-人民郵電出版社

第4章數(shù)字移動通信網(wǎng)4.1移動通信概述4.1.1移動通信的發(fā)展歷程1.移動通信發(fā)展簡史20世紀(jì)20年代，車載無線電系統(tǒng)1946年，“城市系統(tǒng)”1978年，AMPS，蜂窩移動通信網(wǎng)20世紀(jì)80年代，TACS20世紀(jì)80年代中期，GSM（我國從1997年開始使用）1993年，IS-95（N-CDMA）1991年，B-CDMA進入實驗階段目前，3G（我國的TD-SCDMA）

4G2.我國移動通信的發(fā)展?fàn)顩r3.移動通信的發(fā)展趨勢寬帶化、智能化、分組化、綜合化、個人化4.第四代移動通信系統(tǒng)4.1.2無線傳播環(huán)境1、自由空間傳播Pr為接收天線的接收功率，Pt為發(fā)射機的發(fā)射功率，Gt為發(fā)射天線增益，Gr為接收天線增益，d為發(fā)射機與接收機之間的距離，L為綜合損耗因子，λ為波長4.1.2無線傳播環(huán)境2、平坦表面的傳播ht為發(fā)射天線的高度，hr為接收天線的高度，d為發(fā)射機與接收機之間的距離（d=d1+d2）平坦表面?zhèn)鞑r的直射波與反射波

4.1.2無線傳播環(huán)境3、多徑效應(yīng)（1）大尺度衰落引起的信號衰落可分為兩種為平均大尺度路徑損耗，單位為dB；n為路徑損耗指數(shù)；d0為近地參考距離；d為發(fā)射機和接收機之間的距離。

4.1.2無線傳播環(huán)境3、多徑效應(yīng)（2）小尺度衰落引起的信號衰落可分為兩種三個表現(xiàn)是指無線電信號在經(jīng)過短時間或短距離傳播以后其幅度快速衰落。①經(jīng)過短距離或短時間傳播后信號強度發(fā)生急劇變化；②在不同多徑信號上存在著時變的多普勒頻移引起的隨機頻率調(diào)制；③多徑傳播延時引起的擴展。4.1.3多址技術(shù)頻分多址、時分多址、碼分多址、空分多址、時分/頻分多址、碼分/頻分多址等。1、頻分多址（FDMA）：將通信系統(tǒng)的總頻段劃分為若干個等間隔的頻道分配給不同的用戶使用，這些頻道互不交疊。頻分多址以頻率來區(qū)分信道，因此，頻道就是信道。早期的模擬蜂窩移動通信采用這種多址方式。4.1.3多址技術(shù)2、時分多址（TDMA）：將時間分割成周期性的幀，每一幀再分割成若干個時隙（幀或時隙都互不交疊）,然后根據(jù)一定的時隙分配原則，使各個移動臺在每幀內(nèi)按指定的時隙向基站發(fā)送信號，在滿足定時和同步的條件下，基站可以分別在各時隙中接收各移動臺的信號而互不混擾。時分多址以時隙（時間間隔）來區(qū)分信道，因此，時隙就是信道。這種方式只能傳送數(shù)字信息。4.1.3多址技術(shù)3、碼分多址（CDMA）：基于碼型來分割信道，不同用戶傳輸信息所用的信號用各不相同的編碼序列來區(qū)分。此時，碼型就是信道。實現(xiàn)條件：（1）要有數(shù)量足夠多、相關(guān)性能足夠好的地址碼；（2）必須用地址碼對發(fā)射信號進行擴頻調(diào)制；（3）在接收端，必須具有與發(fā)送端完全一致的本地地址碼。實際應(yīng)用中常采用碼分多址與直擴技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)直擴CDMA移動通信。4.1.3多址技術(shù)4.1.4抗衰落技術(shù)分集技術(shù)交織編碼技術(shù)RAKE接收技術(shù)自適應(yīng)均衡技術(shù)4.1.5數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)移動通信網(wǎng)的服務(wù)區(qū)體制可分為大區(qū)制和小區(qū)制兩種。1.大區(qū)制和小區(qū)制大區(qū)制就是用一個基站覆蓋整個服務(wù)區(qū)。其特點是基站只有一個天線，架設(shè)高，功率大，覆蓋半徑大（20~50km），但容納的用戶數(shù)有限（幾百戶），擴容非常困難。小區(qū)制就是將整個服務(wù)區(qū)劃分為若干個小區(qū)，在各小區(qū)中分別設(shè)置基站，負(fù)責(zé)本小區(qū)移動通信的聯(lián)絡(luò)和控制。另外設(shè)立移動交換中心，負(fù)責(zé)與各基站之間的聯(lián)系和對系統(tǒng)的集中控制管理。4.1.5數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)在小區(qū)制中，可以應(yīng)用頻率復(fù)用技術(shù)，提高頻帶利用率。小區(qū)數(shù)目越多，整個通信系統(tǒng)的容量就越大。小區(qū)制比大區(qū)制在技術(shù)上要復(fù)雜得多。但小區(qū)制的優(yōu)點遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了它的缺點，而且隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，復(fù)雜的控制和電路設(shè)備都已經(jīng)可以實現(xiàn)，因此，地面公用移動通信網(wǎng)選用小區(qū)制是無可爭議的。4.1.5數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)（1）小區(qū)形狀的選擇2.區(qū)域覆蓋小區(qū)制的服務(wù)區(qū)有帶狀服務(wù)區(qū)和面狀服務(wù)區(qū)兩種，面狀服務(wù)區(qū)是地面移動通信服務(wù)區(qū)的主要形式。一個全向天線輻射的覆蓋區(qū)是個圓形，為了不留空隙地覆蓋一個面狀服務(wù)區(qū)，一個個圓形輻射區(qū)之間一定會有很多的重疊區(qū)域。去除重疊之后，每個輻射區(qū)的有效覆蓋區(qū)是一個多邊形。4.1.5數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)

面狀服務(wù)區(qū)的小區(qū)形狀4.1.5數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)選擇形狀時考慮的問題：鄰接小區(qū)中心間距d越大越好，間隔大則干擾?。粏挝恍^(qū)的有效面積越大越好，面積大則使一個區(qū)域小區(qū)個數(shù)少，使用頻率數(shù)少；重疊區(qū)域面積小為好，重疊的地方少使得同頻干擾減小；重疊距離要小，使移動通信便于跟蹤交接；所需無線電頻率個數(shù)越少越好。綜合結(jié)論：采用正六邊形面狀服務(wù)區(qū)

——蜂窩式移動通信網(wǎng)4.1.5數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)（2）無線區(qū)群的構(gòu)成兩個條件：（1）區(qū)群之間可以鄰接，且無空隙無重疊地進行覆蓋；（2）鄰接之后的區(qū)群應(yīng)保證各個相鄰?fù)诺佬^(qū)之間的距離相等。區(qū)群內(nèi)的小區(qū)數(shù)N應(yīng)滿足下式：式中，，為不能同時為零的正整數(shù)

4.1.5數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)

N=3N=4N=7不同小區(qū)數(shù)N構(gòu)成的區(qū)群形狀

4.1.5數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)同頻小區(qū)的距離

同信道小區(qū)中心之間的距離為4.1.5數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)3.激勵方式在每個小區(qū)中，基站可設(shè)在小區(qū)的中央，用全向天線形成圓形覆蓋區(qū)，稱為“中心激勵”。將基站設(shè)計在每個小區(qū)六邊形的三個頂點上，每個基站采用三副120度扇形輻射的定向天線，分別覆蓋三個相鄰小區(qū)的各三分之一區(qū)域，每個小區(qū)由三副120度扇形天線共同覆蓋，稱為“頂點激勵”。4.1.5數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)中心激勵與頂點激勵(a)中心激勵(b)頂點激勵4.1.5數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)4.小區(qū)的分裂因各個服務(wù)區(qū)內(nèi)的用戶密度不均勻，原來的低用戶密度區(qū)可能變成高用戶密度區(qū)，這時相應(yīng)地在該地區(qū)設(shè)置新的基站，將小區(qū)面積劃小，可采用小區(qū)分裂的方法實現(xiàn)。4.1.5數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)5.直放站4.1.5數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)6.信道(頻率)配置分區(qū)分組配置法：總的所占頻段窄，以提高頻段的利用率；同一區(qū)群內(nèi)不能使用相同的信道，以避免同頻干擾；小區(qū)內(nèi)采用無三階互調(diào)的相容信道組，以避免互調(diào)干擾。等頻距配置法：按等頻率間隔來配置信道，只要頻距選得足夠大，就可有效地避免鄰道干擾。4.1.5數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)7.多波道共用移動通信可用的信道有限，通常采用按需分配的方式，在用戶發(fā)出呼叫時才分配空閑信道使用。這種從多個無線信道中捕獲某信道用于通信的方法，稱為“多信道選取”。信道選取控制方式可以是“爭用”，也可以是“詢問”。4.1.5數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)1.固定信道分配專用控制信道方式：在系統(tǒng)所使用的信道中，設(shè)置專用控制信道，呼叫和被叫都在專用控制信道上進行?；靖鶕?jù)通話信道的空閑情況，通過呼叫向摘機的移動用戶送出信道指令。移動臺根據(jù)指令轉(zhuǎn)入指定的信道，再撥號通話。特點：處理呼叫的速度快，適合信道較多的系統(tǒng)。4.1.5數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)2.動態(tài)信道分配①循環(huán)定位：選擇呼叫與通話是在同一信道上進行。特點：接續(xù)速度快，爭搶概率大時易出現(xiàn)沖突，適用于小容量系統(tǒng)。②循環(huán)不定位方式特點：接續(xù)時間長，不宜用在信道數(shù)多的系統(tǒng)。③循環(huán)分散定位方式：是以上兩種循環(huán)方式的改進。4.2GSM移動通信網(wǎng)GSM上行頻段為890MHz～915MHz,

下行頻段為935MHz～960MHz，收發(fā)雙工頻率間隔為45MHz，相鄰頻道間隔為200KHz,

每個頻道采用TDMA方式，分為8個時隙4.2.1GSM系統(tǒng)頻率配置

4.2GSM移動通信網(wǎng)4.2.2GSM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

移動臺（MS）：手機，由發(fā)射機、接收機、邏輯控制單元、按鍵式電話撥號盤和送受話器等組成。移動交換中心（MSC）：由專用的數(shù)字程控交換機組成，是蜂窩網(wǎng)的控制中心，與公用電話交換網(wǎng)（PSTN）或綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN）以及所轄的基站相連。

基站（BS）：完成與移動臺的雙向通信，由多部信道機組成。4.2GSM移動通信網(wǎng)1、網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)（NSS）

NSS的核心是移動交換中心（MSC）。MSC可以從三種數(shù)據(jù)庫（HLR、VLR和AUC）獲取有關(guān)處理用戶位置登記和呼叫請求等所需的全部數(shù)據(jù)，支持位置登記和更新、過區(qū)切換和漫游服務(wù)等項功能。HLR：歸屬地用戶位置數(shù)據(jù)庫VLR：外來用戶位置數(shù)據(jù)庫EIR：存儲移動臺設(shè)備參數(shù)的數(shù)據(jù)庫AUC：鑒權(quán)中心4.2GSM移動通信網(wǎng)2、基站子系統(tǒng)（BSS）

移動通信系統(tǒng)中，基站是移動用戶與移動交換中心的橋梁和紐帶。

BSS由基站控制部分（BSC）和基站發(fā)射部分（BTS）兩大部分組成。4.2GSM移動通信網(wǎng)3、移動終端設(shè)備（MS）MS主要由三大功能部分組成：（1）無線部分包括高頻系統(tǒng)（天線和發(fā)送、接收模塊）、調(diào)制與解調(diào)器和振蕩源等。（2）基帶信號處理和控制部分基帶信號處理部分涉及發(fā)送通道和接收通道。控制部分實現(xiàn)對移動臺自身的控制管理。4.2GSM移動通信網(wǎng)3、移動終端設(shè)備（MS）MS主要由三大功能部分組成：（3）接口部分包括語音接口、數(shù)字接口和人機接口。分別用以實現(xiàn)A/D、D/A變換、語音傳輸、數(shù)字終端的適配、以及顯示器和鍵盤接入等功能。移動臺的信息管理與控制是通過設(shè)備中的SIM卡來實現(xiàn)的。SIM卡是移動用戶的識別卡，它是帶有微處理器的智能卡片，存儲了該用戶個人信息與GSM網(wǎng)有關(guān)的管理數(shù)據(jù)。4.2GSM移動通信網(wǎng)4.2.3無線空中接口4.2GSM移動通信網(wǎng)4.2.4GSM系統(tǒng)的信道4.2.5GSM系統(tǒng)的幀

4.2.6GSM網(wǎng)絡(luò)編號計劃4.2GSM移動通信網(wǎng)4.2.7GSM系統(tǒng)的的呼叫過程1.固定用戶至移動用戶的入局呼叫4.2GSM移動通信網(wǎng)4.2.7GSM系統(tǒng)的的呼叫過程2.移動用戶至固定用戶的出局呼叫4.2GSM移動通信網(wǎng)4.2.8GSM系統(tǒng)的移動性管理1.位置管理2.切換功能4.2GSM移動通信網(wǎng)按照發(fā)起方式不同，可以把切換分為硬切換和軟切換兩種。硬切換：指移動臺先切斷與舊基站的連接，再與新基站建立連接，移動臺在同一時刻只能與一個基站通信；軟切換：指移動臺先與新基站建立連接，再切斷與舊基站的連接，移動臺在同一時刻可以與一個以上基站通信。4.2GSM移動通信網(wǎng)目前研究提出的一些新的切換算法：1、基于移動環(huán)境的切換控制2、平衡式切換控制3、具有優(yōu)先權(quán)的切換控制4、動態(tài)分配資源的切換方案5、基于信道借用的切換方案6、模糊邏輯在切換中的應(yīng)用3.漫游功能

4.2GSM移動通信網(wǎng)4.2.9GSM的安全性管理

4.2.10GSM通向3G的一個重要里程碑——GPRS

GPRS（GeneralPacketRadioService）：通用分組無線業(yè)務(wù)1993年，由英國BTCellnet

公司提出，是一種基于GSM的面向用戶提供移動分組的IP或者X.25連接的移動分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)網(wǎng)。GPRS是對GSM網(wǎng)絡(luò)的補充，是第二代GSM系統(tǒng)過渡到第三代WCDMA系統(tǒng)的必經(jīng)之路，又被稱為“2.5G”。4.2.10GSM通向3G的一個重要里程碑——GPRSGPRS的主要特點和應(yīng)用優(yōu)點：(1)資源利用率高(2)數(shù)據(jù)傳輸速率高(3)永遠(yuǎn)在線(4)支持IP協(xié)議和X.25協(xié)議可開展的業(yè)務(wù)：移動互連網(wǎng)業(yè)務(wù)（web瀏覽、E-mail、FTP和Telnet等）；移動辦公；電子商務(wù)和電子銀行；信息點播；家庭監(jiān)視與控制；多媒體聊天、娛樂游戲等。缺點：(1)網(wǎng)絡(luò)資源有限(2)實際數(shù)據(jù)傳輸速率低(3)調(diào)制方式不理想(4)沒有存儲和發(fā)送功能4.2.10GSM通向3G的一個重要里程碑——GPRSGPRS網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)是在GSM網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)，對原有GSM網(wǎng)絡(luò)的基站子系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的設(shè)備及功能進行改進和增強。4.2.10GSM通向3G的一個重要里程碑——GPRSGPRS網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)1、GPRS服務(wù)支持結(jié)點SGSNSGSN主要負(fù)責(zé)傳輸GPRS網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)分組，對移動終端進行鑒權(quán)和移動性管理，建立移動終端到GGSN的傳輸通道，接收從BSS傳送來的移動終端分組數(shù)據(jù)，通過GPRS骨干網(wǎng)傳送給GGSN或者將分組發(fā)送到同一服務(wù)區(qū)內(nèi)的移動終端。此外，還負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)傳輸有關(guān)的會話管理、手機上的邏輯頻道管理以及統(tǒng)計傳輸數(shù)據(jù)量用于收費等功能2、GPRS網(wǎng)關(guān)支持結(jié)點GGSNGGSN是GPRS網(wǎng)絡(luò)接連外部因特網(wǎng)的一個網(wǎng)關(guān)。4.3CDMA移動通信網(wǎng)4.3.1CDMA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)1993年美國電信工業(yè)協(xié)會TIA公布了代號為IS-95的窄帶碼分多址（N-CDMA）蜂窩移動通信標(biāo)準(zhǔn)，又稱為“雙模式寬帶擴頻蜂窩移動臺——兼容標(biāo)準(zhǔn)”。1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4.3CDMA移動通信網(wǎng)N-CDMA系統(tǒng)的主要特色技術(shù)1、語音激活技術(shù)2、扇區(qū)劃分技術(shù)3、軟容量、軟切換技