第4章-數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)-人民郵電出版社

第4章數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)4.1移動(dòng)通信概述4.1.1移動(dòng)通信的發(fā)展歷程1.移動(dòng)通信發(fā)展簡(jiǎn)史20世紀(jì)20年代，車(chē)載無(wú)線電系統(tǒng)1946年，“城市系統(tǒng)”1978年，AMPS，蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)20世紀(jì)80年代，TACS20世紀(jì)80年代中期，GSM（我國(guó)從1997年開(kāi)始使用）1993年，IS-95（N-CDMA）1991年，B-CDMA進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段目前，3G（我國(guó)的TD-SCDMA）

4G2.我國(guó)移動(dòng)通信的發(fā)展?fàn)顩r3.移動(dòng)通信的發(fā)展趨勢(shì)寬帶化、智能化、分組化、綜合化、個(gè)人化4.第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)4.1.2無(wú)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(jī)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(jī)與接收機(jī)之間的距離，L為綜合損耗因子，λ為波長(zhǎng)4.1.2無(wú)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(jī)與接收機(jī)之間的距離（d=d1+d2）平坦表面?zhèn)鞑r(shí)的直射波與反射波

4.1.2無(wú)線傳播環(huán)境3、多徑效應(yīng)（1）大尺度衰落引起的信號(hào)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(jī)和接收機(jī)之間的距離。

4.1.2無(wú)線傳播環(huán)境3、多徑效應(yīng)（2）小尺度衰落引起的信號(hào)衰落可分為兩種三個(gè)表現(xiàn)是指無(wú)線電信號(hào)在經(jīng)過(guò)短時(shí)間或短距離傳播以后其幅度快速衰落。①經(jīng)過(guò)短距離或短時(shí)間傳播后信號(hào)強(qiáng)度發(fā)生急劇變化；②在不同多徑信號(hào)上存在著時(shí)變的多普勒頻移引起的隨機(jī)頻率調(diào)制；③多徑傳播延時(shí)引起的擴(kuò)展。4.1.3多址技術(shù)頻分多址、時(shí)分多址、碼分多址、空分多址、時(shí)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(gè)等間隔的頻道分配給不同的用戶(hù)使用，這些頻道互不交疊。頻分多址以頻率來(lái)區(qū)分信道，因此，頻道就是信道。早期的模擬蜂窩移動(dòng)通信采用這種多址方式。4.1.3多址技術(shù)2、時(shí)分多址（TDMA）：將時(shí)間分割成周期性的幀，每一幀再分割成若干個(gè)時(shí)隙（幀或時(shí)隙都互不交疊）,然后根據(jù)一定的時(shí)隙分配原則，使各個(gè)移動(dòng)臺(tái)在每幀內(nèi)按指定的時(shí)隙向基站發(fā)送信號(hào)，在滿足定時(shí)和同步的條件下，基站可以分別在各時(shí)隙中接收各移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)而互不混擾。時(shí)分多址以時(shí)隙（時(shí)間間隔）來(lái)區(qū)分信道，因此，時(shí)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(lái)分割信道，不同用戶(hù)傳輸信息所用的信號(hào)用各不相同的編碼序列來(lái)區(qū)分。此時(shí)，碼型就是信道。實(shí)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(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)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(shí)際應(yīng)用中常采用碼分多址與直擴(kuò)技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)直擴(kuò)CDMA移動(dòng)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(dòng)通信系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)移動(dòng)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(gè)基站覆蓋整個(gè)服務(wù)區(qū)。其特點(diǎn)是基站只有一個(gè)天線，架設(shè)高，功率大，覆蓋半徑大（20~50km），但容納的用戶(hù)數(shù)有限（幾百戶(hù)），擴(kuò)容非常困難。小區(qū)制就是將整個(gè)服務(wù)區(qū)劃分為若干個(gè)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(dòng)通信的聯(lián)絡(luò)和控制。另外設(shè)立移動(dòng)交換中心，負(fù)責(zé)與各基站之間的聯(lián)系和對(duì)系統(tǒng)的集中控制管理。4.1.5數(shù)字蜂窩移動(dòng)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(gè)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(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了它的缺點(diǎn)，而且隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)，因此，地面公用移動(dòng)通信網(wǎng)選用小區(qū)制是無(wú)可爭(zhēng)議的。4.1.5數(shù)字蜂窩移動(dòng)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(dòng)通信服務(wù)區(qū)的主要形式。一個(gè)全向天線輻射的覆蓋區(qū)是個(gè)圓形，為了不留空隙地覆蓋一個(gè)面狀服務(wù)區(qū)，一個(gè)個(gè)圓形輻射區(qū)之間一定會(huì)有很多的重疊區(qū)域。去除重疊之后，每個(gè)輻射區(qū)的有效覆蓋區(qū)是一個(gè)多邊形。4.1.5數(shù)字蜂窩移動(dòng)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(dòng)通信系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)選擇形狀時(shí)考慮的問(wèn)題：鄰接小區(qū)中心間距d越大越好，間隔大則干擾??；單位小區(qū)的有效面積越大越好，面積大則使一個(gè)區(qū)域小區(qū)個(gè)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??；重疊距離要小，使移動(dòng)通信便于跟蹤交接；所需無(wú)線電頻率個(gè)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(dòng)通信網(wǎng)4.1.5數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)（2）無(wú)線區(qū)群的構(gòu)成兩個(gè)條件：（1）區(qū)群之間可以鄰接，且無(wú)空隙無(wú)重疊地進(jìn)行覆蓋；（2）鄰接之后的區(qū)群應(yīng)保證各個(gè)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(shí)為零的正整數(shù)

4.1.5數(shù)字蜂窩移動(dòng)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(dòng)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(dòng)通信系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)3.激勵(lì)方式在每個(gè)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(chēng)為“中心激勵(lì)”。將基站設(shè)計(jì)在每個(gè)小區(qū)六邊形的三個(gè)頂點(diǎn)上，每個(gè)基站采用三副120度扇形輻射的定向天線，分別覆蓋三個(gè)相鄰小區(qū)的各三分之一區(qū)域，每個(gè)小區(qū)由三副120度扇形天線共同覆蓋，稱(chēng)為“頂點(diǎn)激勵(lì)”。4.1.5數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)中心激勵(lì)與頂點(diǎn)激勵(lì)(a)中心激勵(lì)(b)頂點(diǎn)激勵(lì)4.1.5數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)4.小區(qū)的分裂因各個(gè)服務(wù)區(qū)內(nèi)的用戶(hù)密度不均勻，原來(lái)的低用戶(hù)密度區(qū)可能變成高用戶(hù)密度區(qū)，這時(shí)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(shí)現(xiàn)。4.1.5數(shù)字蜂窩移動(dòng)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(dòng)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(wú)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(lái)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(dòng)通信系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)7.多波道共用移動(dòng)通信可用的信道有限，通常采用按需分配的方式，在用戶(hù)發(fā)出呼叫時(shí)才分配空閑信道使用。這種從多個(gè)無(wú)線信道中捕獲某信道用于通信的方法，稱(chēng)為“多信道選取”。信道選取控制方式可以是“爭(zhēng)用”，也可以是“詢(xún)問(wèn)”。4.1.5數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)1.固定信道分配專(zhuān)用控制信道方式：在系統(tǒng)所使用的信道中，設(shè)置專(zhuān)用控制信道，呼叫和被叫都在專(zhuān)用控制信道上進(jìn)行?；靖鶕?jù)通話信道的空閑情況，通過(guò)呼叫向摘機(jī)的移動(dòng)用戶(hù)送出信道指令。移動(dòng)臺(tái)根據(jù)指令轉(zhuǎn)入指定的信道，再撥號(hào)通話。特點(diǎn)：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(dòng)通信系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)2.動(dòng)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(jìn)行。特點(diǎn)：接續(xù)速度快，爭(zhēng)搶概率大時(shí)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(diǎn)：接續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，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(jìn)。4.2GSM移動(dòng)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(gè)頻道采用TDMA方式，分為8個(gè)時(shí)隙4.2.1GSM系統(tǒng)頻率配置

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

移動(dòng)臺(tái)（MS）：手機(jī)，由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、邏輯控制單元、按鍵式電話撥號(hào)盤(pán)和送受話器等組成。移動(dòng)交換中心（MSC）：由專(zhuān)用的數(shù)字程控交換機(jī)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(dòng)臺(tái)的雙向通信，由多部信道機(jī)組成。4.2GSM移動(dòng)通信網(wǎng)1、網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)（NSS）

NSS的核心是移動(dòng)交換中心（MSC）。MSC可以從三種數(shù)據(jù)庫(kù)（HLR、VLR和AUC）獲取有關(guān)處理用戶(hù)位置登記和呼叫請(qǐng)求等所需的全部數(shù)據(jù)，支持位置登記和更新、過(guò)區(qū)切換和漫游服務(wù)等項(xiàng)功能。HLR：歸屬地用戶(hù)位置數(shù)據(jù)庫(kù)VLR：外來(lái)用戶(hù)位置數(shù)據(jù)庫(kù)EIR：存儲(chǔ)移動(dòng)臺(tái)設(shè)備參數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)AUC：鑒權(quán)中心4.2GSM移動(dòng)通信網(wǎng)2、基站子系統(tǒng)（BSS）

移動(dòng)通信系統(tǒng)中，基站是移動(dòng)用戶(hù)與移動(dòng)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(dòng)通信網(wǎng)3、移動(dòng)終端設(shè)備（MS）MS主要由三大功能部分組成：（1）無(wú)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(hào)處理和控制部分基帶信號(hào)處理部分涉及發(fā)送通道和接收通道?？刂撇糠謱?shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)臺(tái)自身的控制管理。4.2GSM移動(dòng)通信網(wǎng)3、移動(dòng)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(yǔ)音接口、數(shù)字接口和人機(jī)接口。分別用以實(shí)現(xiàn)A/D、D/A變換、語(yǔ)音傳輸、數(shù)字終端的適配、以及顯示器和鍵盤(pán)接入等功能。移動(dòng)臺(tái)的信息管理與控制是通過(guò)設(shè)備中的SIM卡來(lái)實(shí)現(xiàn)的。SIM卡是移動(dòng)用戶(hù)的識(shí)別卡，它是帶有微處理器的智能卡片，存儲(chǔ)了該用戶(hù)個(gè)人信息與GSM網(wǎng)有關(guān)的管理數(shù)據(jù)。4.2GSM移動(dòng)通信網(wǎng)4.2.3無(wú)線空中接口4.2GSM移動(dòng)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(hào)計(jì)劃4.2GSM移動(dòng)通信網(wǎng)4.2.7GSM系統(tǒng)的的呼叫過(guò)程1.固定用戶(hù)至移動(dòng)用戶(hù)的入局呼叫4.2GSM移動(dòng)通信網(wǎng)4.2.7GSM系統(tǒng)的的呼叫過(guò)程2.移動(dòng)用戶(hù)至固定用戶(hù)的出局呼叫4.2GSM移動(dòng)通信網(wǎng)4.2.8GSM系統(tǒng)的移動(dòng)性管理1.位置管理2.切換功能4.2GSM移動(dòng)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(dòng)臺(tái)先切斷與舊基站的連接，再與新基站建立連接，移動(dòng)臺(tái)在同一時(shí)刻只能與一個(gè)基站通信；軟切換：指移動(dòng)臺(tái)先與新基站建立連接，再切斷與舊基站的連接，移動(dòng)臺(tái)在同一時(shí)刻可以與一個(gè)以上基站通信。4.2GSM移動(dòng)通信網(wǎng)目前研究提出的一些新的切換算法：1、基于移動(dòng)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(dòng)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(dòng)通信網(wǎng)4.2.9GSM的安全性管理

4.2.10GSM通向3G的一個(gè)重要里程碑——GPRS

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

公司提出，是一種基于GSM的面向用戶(hù)提供移動(dòng)分組的IP或者X.25連接的移動(dòng)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)網(wǎng)。GPRS是對(duì)GSM網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充，是第二代GSM系統(tǒng)過(guò)渡到第三代WCDMA系統(tǒng)的必經(jīng)之路，又被稱(chēng)為“2.5G”。4.2.10GSM通向3G的一個(gè)重要里程碑——GPRSGPRS的主要特點(diǎn)和應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)：(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(kāi)展的業(yè)務(wù)：移動(dòng)互連網(wǎng)業(yè)務(wù)（web瀏覽、E-mail、FTP和Telnet等）；移動(dòng)辦公；電子商務(wù)和電子銀行；信息點(diǎn)播；家庭監(jiān)視與控制；多媒體聊天、娛樂(lè)游戲等。缺點(diǎn)：(1)網(wǎng)絡(luò)資源有限(2)實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率低(3)調(diào)制方式不理想(4)沒(méi)有存儲(chǔ)和發(fā)送功能4.2.10GSM通向3G的一個(gè)重要里程碑——GPRSGPRS網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)是在GSM網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)，對(duì)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(jìn)行改進(jìn)和增強(qiáng)。4.2.10GSM通向3G的一個(gè)重要里程碑——GPRSGPRS網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)1、GPRS服務(wù)支持結(jié)點(diǎn)SGSNSGSN主要負(fù)責(zé)傳輸GPRS網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)分組，對(duì)移動(dòng)終端進(jìn)行鑒權(quán)和移動(dòng)性管理，建立移動(dòng)終端到GGSN的傳輸通道，接收從BSS傳送來(lái)的移動(dòng)終端分組數(shù)據(jù)，通過(guò)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(dòng)終端。此外，還負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)傳輸有關(guān)的會(huì)話管理、手機(jī)上的邏輯頻道管理以及統(tǒng)計(jì)傳輸數(shù)據(jù)量用于收費(fèi)等功能2、GPRS網(wǎng)關(guān)支持結(jié)點(diǎn)GGSNGGSN是GPRS網(wǎng)絡(luò)接連外部因特網(wǎng)的一個(gè)網(wǎng)關(guān)。4.3CDMA移動(dòng)通信網(wǎng)4.3.1CDMA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)1993年美國(guó)電信工業(yè)協(xié)會(huì)TIA公布了代號(hào)為IS-95的窄帶碼分多址（N-CDMA）蜂窩移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，又稱(chēng)為“雙模式寬帶擴(kuò)頻蜂窩移動(dòng)臺(tái)——兼容標(biāo)準(zhǔn)”。1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4.3CDMA移動(dòng)通信網(wǎng)N-CDMA系統(tǒng)的主要特色技術(shù)1、語(yǔ)音激活技術(shù)2、扇區(qū)劃分技術(shù)3、軟容量、軟切換技