第5章 無(wú)線通信系統(tǒng)-1

5.1GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)5.4衛(wèi)星通信5.3第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)5.2CDMA蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)5.5無(wú)線局域網(wǎng)第5章無(wú)線通信系統(tǒng)5.6其他無(wú)線通信系統(tǒng)1

5.1GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)5.1.1概述GSM是GlobalSystemforMobilecommunications(全球移動(dòng)通信系統(tǒng))的縮寫(xiě);是由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)提出的第二代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。GSM有三種不同的版本，分別是GSM900、DCS1800(總的可用帶寬約是900MHz的三倍，且降低了移動(dòng)臺(tái)的最大發(fā)射功率)和PCS1900(個(gè)人通信系統(tǒng)，主要用于美國(guó))，用戶(hù)遍布130多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。GSM系統(tǒng)采用FDD雙工方式，采用TDMA/FDMA多址接入方式，以語(yǔ)音業(yè)務(wù)為主，也支持無(wú)線的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。2

GSM系統(tǒng)由三部分組成，即基站子系統(tǒng)(BSS)【移動(dòng)臺(tái)】，網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)(NSS)和運(yùn)營(yíng)支持子系統(tǒng)(OSS)

。圖5-1GSM系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)3網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)(NSS)主要由移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心(MSC)、訪問(wèn)用戶(hù)位置寄存器(VLR)、歸屬地用戶(hù)位置寄存器(HLR)、鑒權(quán)中心(AUC)、移動(dòng)設(shè)備識(shí)別寄存器(EIR)等幾部分構(gòu)成。4提供各種接口，如與BSC的接口，與內(nèi)部各功能實(shí)體的接口，與PSTN、PLMN等其他通信網(wǎng)絡(luò)的接口。支持電信業(yè)務(wù)，承載業(yè)務(wù)和補(bǔ)充業(yè)務(wù)支持位置登記、越區(qū)切換和自動(dòng)漫游等其它網(wǎng)絡(luò)功能MSC的功能-移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心整個(gè)GSM網(wǎng)絡(luò)的核心5為其控制區(qū)域內(nèi)移動(dòng)用戶(hù)服務(wù)的一個(gè)寄存器存儲(chǔ)進(jìn)入其控制區(qū)域內(nèi)已登記的移動(dòng)用戶(hù)相關(guān)信息，并為已登記的移動(dòng)用戶(hù)提供建立呼叫接續(xù)的必要條件。VLR的功能-

訪問(wèn)用戶(hù)位置寄存器6GSM系統(tǒng)的中央數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)每一個(gè)相同MSC中所有注冊(cè)用戶(hù)的個(gè)人信息和位置信息。包括用戶(hù)識(shí)別號(hào)碼，訪問(wèn)能力、用戶(hù)類(lèi)別和補(bǔ)充業(yè)務(wù)等數(shù)據(jù)，以及漫游移動(dòng)用戶(hù)所在MSC區(qū)域的有關(guān)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)HLR的功能-歸屬地用戶(hù)位置寄存器7屬于HLR的一個(gè)功能單元部分，專(zhuān)用于GSM系統(tǒng)的安全性管理存儲(chǔ)鑒權(quán)信息和加密密鑰，防止非授權(quán)用戶(hù)接入系統(tǒng)和防止無(wú)線接口中數(shù)據(jù)被竊AUC的功能-鑒權(quán)中心8存儲(chǔ)移動(dòng)設(shè)備的國(guó)際移動(dòng)設(shè)備識(shí)別碼(IMEI)，通過(guò)核查三種表格（白名單、灰名單、黑名單）使得網(wǎng)絡(luò)具有防止非授權(quán)用戶(hù)接入、監(jiān)視故障設(shè)備的運(yùn)行和保障網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行安全的功能EIR的功能-移動(dòng)設(shè)備識(shí)別寄存器9NMC：網(wǎng)絡(luò)管理中心DPPS：數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)PCS：用戶(hù)識(shí)別卡個(gè)人化中心SEMC：安全性管理中心 運(yùn)營(yíng)支持子系統(tǒng)OSS是負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組織和運(yùn)行維護(hù)，

負(fù)責(zé)調(diào)整所有基站參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)計(jì)費(fèi)過(guò)程。10運(yùn)營(yíng)支持子系統(tǒng)OSS的主要功能如下：

①維護(hù)特定區(qū)域中所有的通信硬件和網(wǎng)絡(luò)操作；

②管理所有收費(fèi)過(guò)程；某特定用戶(hù)的一次具體的呼叫要花費(fèi)多少錢(qián)?同時(shí)還存在著大量的不同業(yè)務(wù)類(lèi)型和功能選項(xiàng)，每個(gè)用戶(hù)都可以在運(yùn)營(yíng)商指定的消費(fèi)方案中作出自己的個(gè)性化選擇。

③管理網(wǎng)絡(luò)中的所有移動(dòng)設(shè)備。如果網(wǎng)絡(luò)中存在造成全系統(tǒng)干擾的移動(dòng)終端設(shè)備，則這些設(shè)備必須被識(shí)別出來(lái)，并禁止其繼續(xù)運(yùn)行于網(wǎng)絡(luò)中。

OSS支持一個(gè)或多個(gè)操作維護(hù)中心(OMC)。

操作維護(hù)中心(OMC)用于管理網(wǎng)絡(luò)中的所有MS、BTS、BSC和MSC的性能，負(fù)責(zé)調(diào)整所有基站參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)計(jì)費(fèi)過(guò)程。GSM網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)任務(wù)都有一個(gè)特定的OMC負(fù)責(zé)。11移動(dòng)臺(tái)的功能 移動(dòng)臺(tái)由SIM卡與物理設(shè)備組成，二者是分離的物理設(shè)備可以是手持機(jī)、車(chē)載機(jī)或是由移動(dòng)終端直接與終端設(shè)備相連而構(gòu)成.SIM卡上包含所有與用戶(hù)有關(guān)的無(wú)線接口一側(cè)的信息，也含有鑒權(quán)和加密實(shí)現(xiàn)的信息。固化數(shù)據(jù)：IMSI、Ki、安全算法（A3、A8)臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)：TMSI、LAI、KC、被禁止的PLMN業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)：PIN(個(gè)人識(shí)別號(hào))

12無(wú)線子系統(tǒng)包括基站子系統(tǒng)(BSS)和移動(dòng)臺(tái)(MS)兩部分。

基站子系統(tǒng)BSS：基站控制器BSC和基站收發(fā)信機(jī)BTS。通常一個(gè)BSC可以控制多個(gè)BTS。

5.1.2GSM無(wú)線子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理13Um接口：BTS與MS之間的接口；Abis接口：BSC與BTS之間的接口；A接口：BSC與MSC之間的接口。GSM系統(tǒng)主要接口14圖5-2無(wú)線子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖15接口管理BTS的管理操作與維護(hù)支持呼叫控制切換話務(wù)量統(tǒng)計(jì)無(wú)線鏈路的測(cè)量無(wú)線參數(shù)及無(wú)線資源管理BSC的功能16

基站控制器BSC主要完成如下功能：

(1)接口管理。支持與MSC間的A接口、與BTS間的Abis接口及與OMC間的X.25接口。

(2)BTS之間的信道管理。BSC對(duì)BTS間的無(wú)線信令鏈路、操作維護(hù)鏈路進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)無(wú)線業(yè)務(wù)信道進(jìn)行分配管理。

(3)無(wú)線參數(shù)及無(wú)線資源管理。無(wú)線參數(shù)包括BTS載頻頻率、空中接口是否應(yīng)用了非連續(xù)接收/發(fā)射、移動(dòng)臺(tái)接入網(wǎng)最小電平設(shè)置、邏輯信道與物理信道的映射關(guān)系等。無(wú)線資源管理(RRM)包括小區(qū)內(nèi)信道配置、專(zhuān)用信道與業(yè)務(wù)信道的分配管理、切換資源管理等。17

(4)無(wú)線鏈路測(cè)量與話務(wù)量統(tǒng)計(jì)。根據(jù)移動(dòng)臺(tái)和BTS送上的無(wú)線鏈路測(cè)量報(bào)告(通過(guò)對(duì)業(yè)務(wù)信道的阻塞率、呼叫成功率、越區(qū)切換頻度等作出統(tǒng)計(jì))，決定是否需調(diào)整BTS和移動(dòng)臺(tái)的功率或是否需要切換。

(5)控制小區(qū)切換。根據(jù)小區(qū)功率電平、話音質(zhì)量及干擾情況，選擇切換的目的對(duì)象，同一BSC控制的小區(qū)間切換由BSC完全控制。

(6)支持呼叫控制。通過(guò)移動(dòng)交換中心實(shí)現(xiàn)話路連接，還可提供主、被叫排隊(duì)機(jī)制。

(7)操作與維護(hù)。收集BSC及BTS告警，并傳至OMC，同時(shí)更新自身內(nèi)部資源表，配合OMC實(shí)現(xiàn)對(duì)BSS的軟件升級(jí)。18BSC機(jī)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)BSC機(jī)柜頂板19BSC主要性能指標(biāo)20

1)基站收發(fā)信機(jī)BTS

BTS是服務(wù)于某蜂窩小區(qū)的無(wú)線收發(fā)信號(hào)設(shè)備，通過(guò)Abis標(biāo)準(zhǔn)接口與BSC互連，通過(guò)Um接口與MS通信，從而實(shí)現(xiàn)BSC與MS之間的信息轉(zhuǎn)換。

BTS主要由公共子系統(tǒng)、載頻子系統(tǒng)、射頻前端子系統(tǒng)和天饋?zhàn)酉到y(tǒng)四個(gè)功能子系統(tǒng)組成。

BTS中有4類(lèi)總線：數(shù)據(jù)總線(DBUS)、控制總線(CBUS)、時(shí)鐘總線(TBUS)和跳頻總線(FHBUS)。21圖5-3典型BTS的邏輯功能框圖22BTS機(jī)框布局23

(1)公共子系統(tǒng)。

公共子系統(tǒng)內(nèi)配置有：定時(shí)/傳輸和管理單元(DTMU)、環(huán)境監(jiān)控單元(DEMU)、天線與塔放控制單元(DATU)。

信號(hào)防護(hù)部分主要完成進(jìn)出機(jī)柜信號(hào)的防雷保護(hù)，包括E1信號(hào)、監(jiān)控信號(hào)、開(kāi)關(guān)量信號(hào)等擴(kuò)展信號(hào)的防雷防護(hù)。

公共子系統(tǒng)主要的功能：E1信號(hào)接入和防雷，環(huán)境告警采集和監(jiān)控，基站時(shí)鐘供給，開(kāi)關(guān)量接入和電調(diào)天線控制及塔放饋電等。24

(2)載頻子系統(tǒng)。

載頻子系統(tǒng)分為基帶部分和射頻部分。主要功能：實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)處理、射頻信號(hào)的收發(fā)處理、功率放大、支持發(fā)射分集和接收分集等。

基帶處理部分功能：實(shí)現(xiàn)信令處理、信道編譯碼、交織和反交織、調(diào)制與解調(diào)等。

射頻發(fā)送部分功能：實(shí)現(xiàn)兩個(gè)載波基帶信號(hào)到射頻信號(hào)的調(diào)制、上變頻、濾波、射頻跳頻、信號(hào)放大、合路輸出等；

射頻接收部分功能：實(shí)現(xiàn)兩個(gè)載波的射頻信號(hào)分路、接收分集、射頻跳頻以及解調(diào)等。25

(3)射頻前端子系統(tǒng)。

射頻前端子系統(tǒng)通過(guò)CBUS3總線與收發(fā)信機(jī)通信，完成多載波合路輸出、收發(fā)信號(hào)雙工、前端低噪聲放大器增益控制、支持在線軟件升級(jí)等功能。

(4)天饋?zhàn)酉到y(tǒng)。

天饋?zhàn)酉到y(tǒng)是射頻信號(hào)發(fā)射和接收的通道，由天線、饋線、跳線和塔頂放大器等組成。26

饋線：為減少傳輸損耗，BTS采用低損耗射頻電纜，主饋線電纜有7/8英寸(20-80米)、5/4英寸(超過(guò)80米)等多種規(guī)格可供選擇。

天線到饋線、天線到塔放、機(jī)柜到避雷器之間采用1/2英寸(20米以?xún)?nèi))超柔電纜連接。

天線：位于發(fā)射的最后端和接收的最前端的一種轉(zhuǎn)換器，將饋線中傳輸?shù)碾姶拍芰哭D(zhuǎn)換為在空間中傳播的電磁波，同時(shí)也將在空間中傳播的電磁波轉(zhuǎn)換為饋線中傳輸?shù)碾姶拍芰?。天線的類(lèi)型、增益、方位角等都會(huì)影響系統(tǒng)性能。

27

塔頂放大器:簡(jiǎn)稱(chēng)塔放(TMA)，是安裝在天線塔頂上的低噪聲放大器模塊。常選用三工塔放。

功能：將天線接收到的上行信號(hào)在經(jīng)過(guò)饋線傳輸衰耗之前進(jìn)行放大；

作用：提高系統(tǒng)的上行覆蓋范圍；

大大降低熱噪聲，改善了上行信號(hào)的傳輸質(zhì)量。

提高基站系統(tǒng)的接收靈敏度；

可有效降低手機(jī)的發(fā)射功率；

提高通話質(zhì)量。

2)BSS的操作維護(hù)子系統(tǒng)

操作維護(hù)子系統(tǒng)通過(guò)OMC對(duì)基站進(jìn)行遠(yuǎn)端操作維護(hù)的功能，或是通過(guò)人機(jī)接口(MMI)終端對(duì)BSS進(jìn)行本地近端操作維護(hù)的功能。兩者都需要BSS操作維護(hù)程序的支持。282930

2. 無(wú)線子系統(tǒng)的組網(wǎng)

基站子系統(tǒng)BSS組網(wǎng)指的是BTS與BSC的網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系。

由于一個(gè)BSC可以控制多個(gè)BTS，所以他們之間的連接方式就有不同的形式。此外，一般BSS都內(nèi)置多種傳輸方式，可以有E1、STM-1等傳輸方式，還有外置的衛(wèi)星傳輸方式及微波傳輸方式等，從而提供靈活的組網(wǎng)方式。

按網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢苑譃椋盒切徒M網(wǎng)、鏈型組網(wǎng)、樹(shù)型組網(wǎng)和環(huán)型組網(wǎng)。31

1)星型組網(wǎng)

適用于一般的應(yīng)用場(chǎng)合，尤其是在城市人口稠密的地區(qū)。

優(yōu)點(diǎn)：組網(wǎng)中每個(gè)BTS都有E1線直接和BSC相連，組網(wǎng)方式簡(jiǎn)單，維護(hù)、工程施工、擴(kuò)容等都很方便。由于信號(hào)經(jīng)過(guò)的環(huán)節(jié)少，因此，線路可靠性較高。

缺點(diǎn)：對(duì)傳輸線的需求量比其他組網(wǎng)方式大。圖5-6星型組網(wǎng)示意圖32

2)鏈型組網(wǎng)

適用于呈帶狀分布的業(yè)務(wù)區(qū)域，或用戶(hù)密度較小的特殊地區(qū)，如高速公路沿線、鐵路沿線等。

優(yōu)點(diǎn)：可以降低傳輸設(shè)備成本、工程建設(shè)成本和傳輸鏈路租用成本。

缺點(diǎn)：鏈型組網(wǎng)信號(hào)經(jīng)過(guò)的環(huán)節(jié)較多，線路可靠性較差；上級(jí)BTS的故障可能會(huì)影響下級(jí)BTS的正常運(yùn)行；

對(duì)串聯(lián)的級(jí)數(shù)有限制，串聯(lián)的節(jié)點(diǎn)數(shù)一般要求不超過(guò)5級(jí)。圖5-7鏈型組網(wǎng)示意圖33

3)樹(shù)型組網(wǎng)

適用于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、站點(diǎn)及用戶(hù)密度分布較復(fù)雜的情況，比如大面積用戶(hù)熱點(diǎn)地區(qū)或小面積用戶(hù)交錯(cuò)的地區(qū)。

優(yōu)點(diǎn)：傳輸線的消耗量小于星型組網(wǎng)。

缺點(diǎn)：由于信號(hào)經(jīng)過(guò)的環(huán)節(jié)多，因此線路可靠性相對(duì)較低，工程施工難度較大，維護(hù)相對(duì)困難；上級(jí)BTS的故障可能會(huì)影響下級(jí)BTS的正常運(yùn)行；擴(kuò)容

不方便，可能會(huì)引起對(duì)網(wǎng)絡(luò)的

較大改造。

樹(shù)型組網(wǎng)對(duì)串聯(lián)的級(jí)數(shù)有限制，

一般要求串聯(lián)不超過(guò)5級(jí)，

即樹(shù)的深度不要超過(guò)5層。34

4)環(huán)型組網(wǎng)

適用于一般的應(yīng)用場(chǎng)合。環(huán)型組網(wǎng)有較強(qiáng)的自愈能力，如果某處的E1損壞，則環(huán)型網(wǎng)可以自愈成一個(gè)鏈型網(wǎng)，業(yè)務(wù)不會(huì)受到任何影響。一般情況下，只要路由允許，都應(yīng)盡可能組建環(huán)型網(wǎng)。圖5-9環(huán)型組網(wǎng)示意圖在實(shí)際的工程應(yīng)用中，往往是以上各種組網(wǎng)方式的綜合使用。合理地應(yīng)用各種組網(wǎng)方式，可以在提供合格的服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)，節(jié)省大量的傳輸設(shè)備投資。35

3.無(wú)線子系統(tǒng)的信號(hào)流

主要有下行業(yè)務(wù)信號(hào)流、上行業(yè)務(wù)信號(hào)流和基站的信令處理信號(hào)流三部分。

1)下行業(yè)務(wù)信號(hào)流（BS→MS）

DTMU接收來(lái)自BSC的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，然后把業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送給相應(yīng)的收發(fā)信機(jī)DTRU。DTRU完成數(shù)字濾波，經(jīng)過(guò)射頻電路進(jìn)一步上變頻、濾波、放大，

最后把信號(hào)傳送給DDPU。

DDPU內(nèi)的雙工器對(duì)信號(hào)進(jìn)行

雙工濾波，然后把信號(hào)通過(guò)

饋線和塔頂天線發(fā)射出去。36

2)上行業(yè)務(wù)信號(hào)流（MS→BS

）

天線接收MS發(fā)射的上行信號(hào)，經(jīng)過(guò)塔頂放大器TMA對(duì)接收信號(hào)放大，然后通過(guò)饋線傳送給DDPU。DDPU完成雙工器接收濾波和低噪聲放大后，傳送給收發(fā)信機(jī)DTRU。DTRU進(jìn)一步對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和下變頻處理，輸出至DTMU。DTMU把信號(hào)通過(guò)Abis接

口傳輸給基站控制器BSC。37

3)基站的信令處理信號(hào)流

Abis接口接收來(lái)自BSC信令面的數(shù)據(jù)，并把這些信令數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給DTMU。DTMU對(duì)信令進(jìn)行判決和處理，然后把信令傳送給DTRU、DDPU。DTRU、DDPU分別把單元狀態(tài)信息上報(bào)給DTMU。DTMU收集所有單元的狀態(tài)信息后，進(jìn)行分析和處理得出BTS的狀態(tài)，然后把BTS狀態(tài)通過(guò)Abis接口傳送給BSC。38

4.BTS軟件結(jié)構(gòu)

1)信令處理軟件

信令處理是BTS業(yè)務(wù)處理的核心內(nèi)容，完成BTS的絕大部分業(yè)務(wù)處理功能。信令處理軟件運(yùn)行于DTRU上。

2)基帶信號(hào)處理軟件

運(yùn)行于DTRU上，并與DTRU數(shù)字信號(hào)處理部分一起實(shí)現(xiàn)無(wú)線信道上的語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和信令的編碼、譯碼以及接收信號(hào)的解調(diào)工作。

3)操作維護(hù)和傳輸設(shè)備控制軟件

運(yùn)行于DTMU上，是BTS軟件的公共控制部分。傳輸設(shè)備控制軟件：控制BSC和BTS之間的地面?zhèn)鬏旀溌贰?95.1.3GSM系統(tǒng)的主要規(guī)格參數(shù)

GSM系統(tǒng)的主要規(guī)格參數(shù)如表5-1所示。40GSM無(wú)線接口（Um接口）Um接口頻率規(guī)劃GSM系統(tǒng)頻點(diǎn)分配Um接口物理信道物理信道幀結(jié)構(gòu)突發(fā)脈沖種類(lèi)與功能Um接口邏輯信道邏輯信道的作用邏輯信道的分類(lèi)邏輯信道的功能邏輯信道的組合41

1.TDMA/FDMA多址接入方式

GSM蜂窩系統(tǒng)采用時(shí)分多址、頻分多址和頻分雙工(TDMA/FDMA/FDD)體制。每載頻帶寬為200kHz。

對(duì)GSM900，將25MHz的頻段分為125個(gè)射頻信道，去掉上下各一個(gè)100kHz的保護(hù)帶寬，實(shí)際可用的射頻信道是124個(gè)。這124個(gè)射頻信道以絕對(duì)射頻信道號(hào)(ARFCN)標(biāo)識(shí)。一個(gè)ARFCN代表一對(duì)前向和反向射頻信道。

對(duì)GSM900，前向和反向信道的頻率間隔為45MHz；對(duì)DCS1800和PCS1900，前向和反向信道的頻率間隔為95MHz。42每載波都在時(shí)間上劃分成時(shí)隙(TS)，一個(gè)時(shí)隙號(hào)碼和ARFCN相結(jié)合構(gòu)成前向鏈路和反向鏈路中的一個(gè)物理信道。一個(gè)時(shí)隙的時(shí)間寬為0.577ms，8個(gè)時(shí)隙構(gòu)成一個(gè)TDMA幀，一個(gè)TDMA幀長(zhǎng)為4.615ms。43GSM無(wú)線接口幾個(gè)基本概念：突發(fā)脈沖序列：占有一個(gè)限定的持續(xù)時(shí)間和占有限定的無(wú)線頻譜，它們?cè)跁r(shí)間和頻率窗上輸出時(shí)隙是隙縫的時(shí)間間隔，它的持續(xù)時(shí)間被用于作為時(shí)間單元BP，意為突發(fā)脈沖序列周期（BurstPeriod）.使用一個(gè)給定的信道就意味著在特定的時(shí)刻和特定的頻率中傳送突發(fā)脈沖序列200KHz帶寬稱(chēng)為頻隙，相當(dāng)于GSM規(guī)范書(shū)中的無(wú)線頻道，也稱(chēng)射頻信道TDMA幀通常被表示為接連發(fā)生的i個(gè)時(shí)隙。GSM系統(tǒng)目前采用全速率業(yè)務(wù)信道，i取為844突發(fā)脈沖（Burst）GSM的每個(gè)載頻是時(shí)分復(fù)用，每個(gè)載頻分給八個(gè)全速