第5章 無線通信系統(tǒng)-1

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

5.1GSM移動通信系統(tǒng)5.1.1概述GSM是GlobalSystemforMobilecommunications(全球移動通信系統(tǒng))的縮寫;是由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會提出的第二代數(shù)字蜂窩移動通信系統(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，且降低了移動臺的最大發(fā)射功率)和PCS1900(個人通信系統(tǒng)，主要用于美國)，用戶遍布130多個國家和地區(qū)。GSM系統(tǒng)采用FDD雙工方式，采用TDMA/FDMA多址接入方式，以語音業(yè)務(wù)為主，也支持無線的數(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)【移動臺】，網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)(NSS)和運營支持子系統(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)主要由移動業(yè)務(wù)交換中心(MSC)、訪問用戶位置寄存器(VLR)、歸屬地用戶位置寄存器(HLR)、鑒權(quán)中心(AUC)、移動設(shè)備識別寄存器(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)切換和自動漫游等其它網(wǎng)絡(luò)功能MSC的功能-移動業(yè)務(wù)交換中心整個GSM網(wǎng)絡(luò)的核心5為其控制區(qū)域內(nèi)移動用戶服務(wù)的一個寄存器存儲進(jìn)入其控制區(qū)域內(nèi)已登記的移動用戶相關(guān)信息，并為已登記的移動用戶提供建立呼叫接續(xù)的必要條件。VLR的功能-

訪問用戶位置寄存器6GSM系統(tǒng)的中央數(shù)據(jù)庫存儲每一個相同MSC中所有注冊用戶的個人信息和位置信息。包括用戶識別號碼，訪問能力、用戶類別和補(bǔ)充業(yè)務(wù)等數(shù)據(jù)，以及漫游移動用戶所在MSC區(qū)域的有關(guān)動態(tài)數(shù)據(jù)HLR的功能-歸屬地用戶位置寄存器7屬于HLR的一個功能單元部分，專用于GSM系統(tǒng)的安全性管理存儲鑒權(quán)信息和加密密鑰，防止非授權(quán)用戶接入系統(tǒng)和防止無線接口中數(shù)據(jù)被竊AUC的功能-鑒權(quán)中心8存儲移動設(shè)備的國際移動設(shè)備識別碼(IMEI)，通過核查三種表格（白名單、灰名單、黑名單）使得網(wǎng)絡(luò)具有防止非授權(quán)用戶接入、監(jiān)視故障設(shè)備的運行和保障網(wǎng)絡(luò)運行安全的功能EIR的功能-移動設(shè)備識別寄存器9NMC：網(wǎng)絡(luò)管理中心DPPS：數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)PCS：用戶識別卡個人化中心SEMC：安全性管理中心 運營支持子系統(tǒng)OSS是負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組織和運行維護(hù)，

負(fù)責(zé)調(diào)整所有基站參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)計費過程。10運營支持子系統(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管理所有收費過程；某特定用戶的一次具體的呼叫要花費多少錢?同時還存在著大量的不同業(yè)務(wù)類型和功能選項，每個用戶都可以在運營商指定的消費方案中作出自己的個性化選擇。

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

OSS支持一個或多個操作維護(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)計費過程。GSM網(wǎng)絡(luò)中的每一個任務(wù)都有一個特定的OMC負(fù)責(zé)。11移動臺的功能 移動臺由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)、車載機(jī)或是由移動終端直接與終端設(shè)備相連而構(gòu)成.SIM卡上包含所有與用戶有關(guān)的無線接口一側(cè)的信息，也含有鑒權(quán)和加密實現(xiàn)的信息。固化數(shù)據(jù)：IMSI、Ki、安全算法（A3、A8)臨時網(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(個人識別號)

12無線子系統(tǒng)包括基站子系統(tǒng)(BSS)和移動臺(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BSC可以控制多個BTS。

5.1.2GSM無線子系統(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)計無線鏈路的測量無線參數(shù)及無線資源管理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BTS間的無線信令鏈路、操作維護(hù)鏈路進(jìn)行監(jiān)測，并對無線業(yè)務(wù)信道進(jìn)行分配管理。

(3)無線參數(shù)及無線資源管理。無線參數(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、移動臺接入網(wǎng)最小電平設(shè)置、邏輯信道與物理信道的映射關(guān)系等。無線資源管理(RRM)包括小區(qū)內(nèi)信道配置、專用信道與業(yè)務(wù)信道的分配管理、切換資源管理等。17

(4)無線鏈路測量與話務(wù)量統(tǒng)計。根據(jù)移動臺和BTS送上的無線鏈路測量報告(通過對業(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)，決定是否需調(diào)整BTS和移動臺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。通過移動交換中心實現(xiàn)話路連接，還可提供主、被叫排隊機(jī)制。

(7)操作與維護(hù)。收集BSC及BTS告警，并傳至OMC，同時更新自身內(nèi)部資源表，配合OMC實現(xiàn)對BSS的軟件升級。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)的無線收發(fā)信號設(shè)備，通過Abis標(biāo)準(zhǔn)接口與BSC互連，通過Um接口與MS通信，從而實現(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)和天饋子系統(tǒng)四個功能子系統(tǒng)組成。

BTS中有4類總線：數(shù)據(jù)總線(DBUS)、控制總線(CBUS)、時鐘總線(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/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)。

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

公共子系統(tǒng)主要的功能：E1信號接入和防雷，環(huán)境告警采集和監(jiān)控，基站時鐘供給，開關(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：實現(xiàn)基帶信號處理、射頻信號的收發(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：實現(xiàn)兩個載波基帶信號到射頻信號的調(diào)制、上變頻、濾波、射頻跳頻、信號放大、合路輸出等；

射頻接收部分功能：實現(xiàn)兩個載波的射頻信號分路、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)信號雙工、前端低噪聲放大器增益控制、支持在線軟件升級等功能。

(4)天饋子系統(tǒng)。

天饋子系統(tǒng)是射頻信號發(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米以內(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?。天線的類型、增益、方位角等都會影響系統(tǒng)性能。

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塔頂放大器:簡稱塔放(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在經(jīng)過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OMC對基站進(jìn)行遠(yuǎn)端操作維護(hù)的功能，或是通過人機(jī)接口(MMI)終端對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BSC可以控制多個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)用場合，尤其是在城市人口稠密的地區(qū)。

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

缺點：對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：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：鏈型組網(wǎng)信號經(jīng)過的環(huán)節(jié)較多，線路可靠性較差；上級BTS的故障可能會影響下級BTS的正常運行；

對串聯(lián)的級數(shù)有限制，串聯(lián)的節(jié)點數(shù)一般要求不超過5級。圖5-7鏈型組網(wǎng)示意圖33

3)樹型組網(wǎng)

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

優(yōu)點：傳輸線的消耗量小于星型組網(wǎng)。

缺點：由于信號經(jīng)過的環(huán)節(jié)多，因此線路可靠性相對較低，工程施工難度較大，維護(hù)相對困難；上級BTS的故障可能會影響下級BTS的正常運行；擴(kuò)容

不方便，可能會引起對網(wǎng)絡(luò)的

較大改造。

樹型組網(wǎng)對串聯(lián)的級數(shù)有限制，

一般要求串聯(lián)不超過5級，

即樹的深度不要超過5層。34

4)環(huán)型組網(wǎng)

適用于一般的應(yīng)用場合。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)可以自愈成一個鏈型網(wǎng)，業(yè)務(wù)不會受到任何影響。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，節(jié)省大量的傳輸設(shè)備投資。35

3.無線子系統(tǒng)的信號流

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

1)下行業(yè)務(wù)信號流（BS→MS）

DTMU接收來自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)過射頻電路進(jìn)一步上變頻、濾波、放大，

最后把信號傳送給DDPU。

DDPU內(nèi)的雙工器對信號進(jìn)行

雙工濾波，然后把信號通過

饋線和塔頂天線發(fā)射出去。36

2)上行業(yè)務(wù)信號流（MS→BS

）

天線接收MS發(fā)射的上行信號，經(jīng)過塔頂放大器TMA對接收信號放大，然后通過饋線傳送給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)一步對信號進(jìn)行放大和下變頻處理，輸出至DTMU。DTMU把信號通過Abis接

口傳輸給基站控制器BSC。37

3)基站的信令處理信號流

Abis接口接收來自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。信令處理軟件運行于DTRU上。

2)基帶信號處理軟件

運行于DTRU上，并與DTRU數(shù)字信號處理部分一起實現(xiàn)無線信道上的語音、數(shù)據(jù)和信令的編碼、譯碼以及接收信號的解調(diào)工作。

3)操作維護(hù)和傳輸設(shè)備控制軟件

運行于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無線接口（Um接口）Um接口頻率規(guī)劃GSM系統(tǒng)頻點分配Um接口物理信道物理信道幀結(jié)構(gòu)突發(fā)脈沖種類與功能Um接口邏輯信道邏輯信道的作用邏輯信道的分類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GSM900，將25MHz的頻段分為125個射頻信道，去掉上下各一個100kHz的保護(hù)帶寬，實際可用的射頻信道是124個。這124個射頻信道以絕對射頻信道號(ARFCN)標(biāo)識。一個ARFCN代表一對前向和反向射頻信道。

對GSM900，前向和反向信道的頻率間隔為45MHz；對DCS1800和PCS1900，前向和反向信道的頻率間隔為95MHz。42每載波都在時間上劃分成時隙(TS)，一個時隙號碼和ARFCN相結(jié)合構(gòu)成前向鏈路和反向鏈路中的一個物理信道。一個時隙的時間寬為0.577ms，8個時隙構(gòu)成一個TDMA幀，一個TDMA幀長為4.615ms。43GSM無線接口幾個基本概念：突發(fā)脈沖序列：占有一個限定的持續(xù)時間和占有限定的無線頻譜，它們在時間和頻率窗上輸出時隙是隙縫的時間間隔，它的持續(xù)時間被用于作為時間單元BP，意為突發(fā)脈沖序列周期（BurstPeriod）.使用一個給定的信道就意味著在特定的時刻和特定的頻率中傳送突發(fā)脈沖序列200KHz帶寬稱為頻隙，相當(dāng)于GSM規(guī)范書中的無線頻道，也稱射頻信道TDMA幀通常被表示為接連發(fā)生的i個時隙。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的每個載頻是時分復(fù)用，每個載頻分給八個全速