蜂窩無線通信系統(tǒng)概述

蜂窩無線通信系統(tǒng)概述1第1頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四內(nèi)容安排1.無線網(wǎng)絡(luò)概述1.1無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展史1.2無線網(wǎng)絡(luò)的分類1.3無線信道1.4無線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)難點2.蜂窩無線系統(tǒng)2.1蜂窩的基本概念2.2蜂窩無線系統(tǒng)的發(fā)展階段2.3GSM系統(tǒng)介紹2第2頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四1.無線網(wǎng)絡(luò)概述

通信網(wǎng)絡(luò)：由多個通信點和通信鏈路，按照一定的組織形式所構(gòu)成的通信系統(tǒng)的統(tǒng)一體。廣義地講，它包括一切用于傳遞信息的網(wǎng)絡(luò)，它是實現(xiàn)信息傳遞的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。通信點和通信鏈路是通信網(wǎng)絡(luò)的兩個基本要素。如果通信鏈路是有線的(例如雙絞線、光纖等)，則對應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)為有線網(wǎng)絡(luò)；如果通信鏈路是無線的(依靠電磁波進行傳輸)，則對應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)為無線網(wǎng)絡(luò)。3第3頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四1.1無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展史1895年，馬可尼在懷特島與相距18英里的一艘拖船間實現(xiàn)了世界上第一次無線電傳輸，無線電通信由此誕生。1915年，無線電與電話結(jié)合，第一次建立了紐約與舊金山之間的無線音頻傳輸。1946年，公用移動電話服務(wù)在橫跨美國的25個城市率先使用。20世紀(jì)60年代，蜂窩系統(tǒng)設(shè)計完成，并在80年代初期推廣。1971年，夏威夷大學(xué)建成了第一個分組無線網(wǎng)：AlohaNet。1985年，聯(lián)邦通信委員會(FCC)規(guī)定了用于工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)藥等公共用途的無線局域網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的頻段(ISM)，促進了無線局域網(wǎng)在商業(yè)上的發(fā)展。80年代中期，分組無線網(wǎng)絡(luò)通過DARPA的促進達到巔峰。并于90年代初，服務(wù)商利用分組無線網(wǎng)提供廣域范圍內(nèi)的無線數(shù)據(jù)服務(wù)。4第4頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四1.2無線網(wǎng)絡(luò)的分類衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)(SatelliteNetwork)：例如LEO(低地軌道系統(tǒng))和GEO(地球同步軌道系統(tǒng))。這類網(wǎng)絡(luò)能夠提供全球覆蓋，但是其資費水平很高，傳輸時延也很大(LEO的傳輸時延約為20-25ms，GEO的傳輸時延約為250-280ms)?，F(xiàn)有的各種無線網(wǎng)絡(luò)都是針對某些特定的業(yè)務(wù)類型和用戶群體而專門設(shè)計的，因此在覆蓋范圍、可用帶寬、計費水平等方面都有差別。無線網(wǎng)絡(luò)根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x和網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大致可以分為以下5種類型：5第5頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四1.2無線網(wǎng)絡(luò)的分類無線廣域網(wǎng)(WWAN)：例如GSM(全球移動通信系統(tǒng))、GPRS(通用分組無線業(yè)務(wù))以及cdma2000等蜂窩無線通信系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的覆蓋范圍可達省際甚至洲際，支持靜止、步行或者車載的移動用戶，當(dāng)用戶處于靜止?fàn)顟B(tài)時最多能夠獲得2Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。無線城域網(wǎng)(WMAN)：例如與IEEE802.16e協(xié)議兼容的WiBro(無線因特網(wǎng)接入系統(tǒng))。這類網(wǎng)絡(luò)能夠提供城域覆蓋，峰值傳輸速率可達70Mb/s，能夠支持的最高移動速率約為120km/h。6第6頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四1.2無線網(wǎng)絡(luò)的分類無線局域網(wǎng)(WLAN)：例如IEEE802.11bWLAN，能夠在較低的資費水平下提供最高可達11Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，但是只能支持低速移動的用戶，而且傳輸距離只有幾十米到幾百米。無線個域網(wǎng)(WPAN)：例如Bluetooth。該系統(tǒng)的最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達3Mb/s，傳輸距離通常不超過10米。7第7頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四1.3無線信道無線系統(tǒng)使用大氣層作為它們的傳輸媒體，這種傳輸媒體被稱為無線信道。無線信號通過尺度與信號波長大致相同的天線產(chǎn)生一系列足夠的振幅來穿過傳輸媒體。大多數(shù)的陸地移動系統(tǒng)都使用UHF頻段(特高頻段)，衛(wèi)星系統(tǒng)主要使用SHF頻段(超高頻段)。8第8頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四1.3無線信道在VLF,LF,和MF頻段,無線電波沿地面?zhèn)鞑?。在HF頻段,無線電波通過電離層反射。9第9頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四1.3無線信道無線信道是一種較弱的媒體，易受噪聲、干涉、屏蔽、多路等的影響，而且這些信道的障礙會因為用戶的移動而隨時間改變。傳送信號在傳送器和接收器之間有一個被削弱或阻塞的直路成分。傳輸信號的其它成分稱為多路成分，它們被周圍的物體反射、散射、衍射，到達接收器時，相對于直路信號，振幅、相位和時間都會發(fā)生變化。10第10頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四時間接收信號強度發(fā)射信號多徑環(huán)境11第11頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四高斯噪聲信道模擬當(dāng)前徑權(quán)重接收信號發(fā)射信號信道模擬當(dāng)前徑權(quán)重信道模擬當(dāng)前徑權(quán)重信道模擬當(dāng)前徑權(quán)重?zé)o線信道模型12第12頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四美國的ISM頻段ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療)頻段的使用不需要經(jīng)過FCC(聯(lián)邦通信委員會)授權(quán)。不同的國家ISM頻段的位置也有所不同。13第13頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四1.3信道訪問由于無線頻譜資源的不足，在不同的應(yīng)用中共享帶寬的有效技術(shù)顯的很必要。對于持續(xù)的傳輸(如視頻和語音)，一般分配專用信道。在專用信道中共享帶寬為多路訪問。對于突發(fā)性的數(shù)據(jù)傳輸，使用隨機信道分配，使用隨機信道分配來共享帶寬，稱為隨機訪問。14第14頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四1.3.1多路訪問多路訪問技術(shù)通過帶寬分割將專用信道劃分給多個用戶。劃分頻譜的方法包括頻分(FDMA)、時分(TDMA)和碼分(CDMA)以及這些方法的結(jié)合。在FDMA中，系統(tǒng)總帶寬被劃分為頻率不重疊的正交信道，并將其分配給不同的用戶。TDMA將時間劃分為不重疊的時隙，并將其分配給不同的用戶。在CDMA中時間和帶寬同時被不同的用戶使用，通過正交或半正交擴展編碼進行調(diào)制。15第15頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四頻率時間TDMA時間頻率FDMA頻率時間碼字CDMA16第16頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四1.3.1多路訪問FDMA是幾種多路訪問技術(shù)中最簡單的。TDMA稍微復(fù)雜一點，它需要所有的用戶間的時序保持同步。另外，TDMA中用戶間的正交性會受到符號間干涉的影響。半正交CDMA是多路訪問方法中最復(fù)雜的一種。通過正交編碼的CDMA，接收器將所需的信號從其他的CDMA用戶中分離出來，用戶間沒有干涉。17第17頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四1.3.2隨機訪問在大多數(shù)無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中，只有一部分很少的、不可預(yù)知的以及時常變動的用戶群會隨時有數(shù)據(jù)發(fā)送。如果給每個用戶分配專用信道會很低效，而隨機分配信道對，則對信道的訪問沒有保證，因此需要一個隨機訪問協(xié)議。隨機訪問協(xié)議主要有兩類：ALOHA技術(shù)和預(yù)留分配協(xié)議。18第18頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四純ALOHA在純ALOHA中，無論何時有數(shù)據(jù)，發(fā)送器都馬上往信道發(fā)送數(shù)據(jù)分組。這導(dǎo)致在接收端大量的數(shù)據(jù)發(fā)生沖突。發(fā)生沖突的分組必須在下一個時間內(nèi)重發(fā)。ALOHA信道最大吞吐量（正確接收分組的速率）是數(shù)據(jù)速率的18%。19第19頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四純ALOHA在純ALOHA中，無論何時有數(shù)據(jù)，發(fā)送器都馬上往信道發(fā)送數(shù)據(jù)分組。這導(dǎo)致在接收端大量的數(shù)據(jù)發(fā)生沖突。發(fā)生沖突的分組必須在下一個時間內(nèi)重發(fā)。ALOHA信道最大吞吐量（正確接收分組的速率）是數(shù)據(jù)速率的18%。20第20頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四分組預(yù)留多路訪問在分組預(yù)留多路訪問(PRMA)中，時隙是分片的，每N個時隙組成一個幀，要發(fā)送分組的終端在每一幀中競爭空閑的時隙。一旦一個分組在一個時隙中被成功發(fā)送，在后繼的幀中，只要這個用戶有分組發(fā)送，這個時隙就預(yù)留給該用戶。PRMA需要很少的中央控制，沒有預(yù)留開銷。21第21頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四1.4無線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)難點當(dāng)前，無線網(wǎng)絡(luò)所面臨的技術(shù)難題包括：降低移動終端的信號處理和通信硬件的耗電量。無線頻譜受管制，代價昂貴。無線信道由于信號反射角的改變及衰減會產(chǎn)生隨即抖動，可靠性保證困難。無線和有線網(wǎng)絡(luò)之間的差異很大，給它們的接口協(xié)議帶來很多問題。22第22頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四2.蜂窩無線系統(tǒng)大區(qū)制系統(tǒng)：一個基站覆蓋整個服務(wù)區(qū)域。優(yōu)點：技術(shù)簡單。缺點：1)通信質(zhì)量差2)頻率利用率低3)系統(tǒng)容量小23第23頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四2.1蜂窩基本概念蜂窩通信是一種使用頻率復(fù)用的智能方法，以使有限的帶寬可以容納巨大數(shù)量的用戶。其基本原理是把覆蓋區(qū)域分為大量相連的小區(qū)域，每個小區(qū)域都使用自己的、低功率的無線基站。由于同樣的頻譜在分散的區(qū)域內(nèi)可以被多次復(fù)用，這樣，每次建立一個新的基站（一個小區(qū)域）時，容量就會增加。小區(qū)域被稱為小區(qū)或單元(cell)，一組小區(qū)組成區(qū)群(cluster)。一個區(qū)群中小區(qū)的數(shù)量稱為區(qū)群大小或頻率復(fù)用因子。需要對這些小區(qū)域以智能的方式分配信道，以避免同頻道干擾(cochannelinterference)。24第24頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四蜂窩小區(qū)內(nèi)的頻率劃分7小區(qū)頻率復(fù)用25第25頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四2.2蜂窩無線系統(tǒng)的分代第一代移動通信系統(tǒng)是面向語音的模擬無線系統(tǒng)，采用了FDMA技術(shù)，其主要制式有：美國的AMPS(高級移動電話系統(tǒng))。歐洲的TACS(全選址通信系統(tǒng))。缺陷：網(wǎng)絡(luò)容量小、資源利用的不夠充分。安全性差，容易發(fā)生盜號并機。26第26頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四數(shù)字蜂窩系統(tǒng)的優(yōu)勢能有效地利用無線頻率資源，系統(tǒng)容量大。呼叫質(zhì)量高。能向用戶提供話音以外的多種非話業(yè)務(wù)。制式比較統(tǒng)一，能方便地提供自動漫游業(yè)務(wù)（包括國際漫游）。易于加密，提供較完善的保密方法（如話音、接入加密等）。數(shù)字網(wǎng)要求的功率較低。27第27頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第二代移動通信系統(tǒng)第二代移動通信系統(tǒng)是面向語音的數(shù)字無線系統(tǒng)，采用了TDMA技術(shù)或窄帶CDMA技術(shù)。典型的2G數(shù)字蜂窩移動制式包括：歐洲的GSM(全球移動通信系統(tǒng))；北美的IS-54、IS-136(最初被稱為D-AMPS)和IS-95(窄帶CDMA)；PDC(個人數(shù)字蜂窩)等。其中最受歡迎的是GSM。28第28頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三代移動通信系統(tǒng)第三代移動通信系統(tǒng)最早1985年由國際電信聯(lián)盟(ITU)提出，當(dāng)時稱為未來公眾陸地移動通信系統(tǒng)(FPLMTS)，1996年更名為IMT-2000(國際移動通信-2000)，意即該系統(tǒng)工作在2000MHz頻段，最高業(yè)務(wù)速率可達2000kb/s，預(yù)期在2000年左右得到商用。從1997年開始，由于第二代移動通信系統(tǒng)的巨大成功，用戶的高速增長與有限的系統(tǒng)容量和有限的業(yè)務(wù)之間的矛盾漸趨明顯，第三代移動通信的標(biāo)準(zhǔn)化工作開始逐漸進入實質(zhì)階段。目前，第三代移動通信系統(tǒng)的框架已確定，將以衛(wèi)星移動通信網(wǎng)與地面移動通信網(wǎng)結(jié)合，形成一個對全球無縫覆蓋的立體通信網(wǎng)絡(luò)，滿足城市和偏遠地區(qū)不同密度用戶的通信需求，支持話音、數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)，實現(xiàn)人類個人通信的理想。29第29頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三代移動通信系統(tǒng)三種方案的性能比較30第30頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四Beyond3G31第31頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四2.3GSM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

GSM系統(tǒng)由四個相互獨立的子系統(tǒng)構(gòu)成：移動臺、基站子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和交換子系統(tǒng)和操作支持子系統(tǒng)。MSC

BSC

BTS

BTSHLRVLREIRNSS

PSTN

IWF

ECTRAU

SIM

ME

NMC

OMC

OMCOMSBSSMS32第32頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四移動臺子系統(tǒng)(MSS)移動臺是GSM蜂窩無線系統(tǒng)中用戶使用的設(shè)備，也是用戶直接接觸的整個GSM系統(tǒng)中的唯一設(shè)備。移動臺由兩部分組成：移動設(shè)備(ME)和特訊(SIM)。SIM卡上存儲與用戶相關(guān)的身份特征、安全認(rèn)證和加密悉尼。一個移動臺應(yīng)具備以下的基本功能：支持各種基本業(yè)務(wù)和補充業(yè)務(wù)。加密，對用戶數(shù)據(jù)，對用戶數(shù)據(jù)和信元進行加入。無線接入GSM移動網(wǎng)，并完成各種控制功能。無線信道速率和用戶數(shù)據(jù)之間的適配。33第33頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四基站子系統(tǒng)(BSS)

基站子系統(tǒng)的組成：OMC-RTCBSCBTSBTSMSMSUM接口Abis接口A接口基站控制器—BSC基站收發(fā)信機—BTS無線操作維護中心—OMC-R碼變換器—TC（Transcoder）34第34頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四BSC(基站控制器)的作用功能:實現(xiàn)A接口物理層規(guī)定（PCM/E1）實現(xiàn)A接口No.7號信令功能（SP）實現(xiàn)Abis接口物理層規(guī)定（PCM/E1）實現(xiàn)Abis接口數(shù)據(jù)鏈路層（LAPD）實現(xiàn)A接口與Abis接口間信道交換功能實現(xiàn)部分網(wǎng)絡(luò)層的功能實現(xiàn)無線資源管理（RR）實現(xiàn)BSS管理應(yīng)用部分的功能實現(xiàn)切換功能等35第35頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四BTS(基站收發(fā)信機)的作用功能:實現(xiàn)Abis接口物理層規(guī)定（PCM/E1）實現(xiàn)Abis接口數(shù)據(jù)鏈路層（LAPD）實現(xiàn)BTS管理功能實現(xiàn)部分無線資源管理（RR）實現(xiàn)Um接口物理層規(guī)定（PCM/E1）實現(xiàn)Um接口數(shù)據(jù)鏈路層（LAPDm）實現(xiàn)實現(xiàn)跳頻功能實現(xiàn)信道加密、解密功能實現(xiàn)信道編譯碼、交織與解交織功能實現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)功能36第36頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四網(wǎng)絡(luò)和交換子系統(tǒng)MSC的功能作用：呼叫處理呼叫建立、連接與清除切換過程移動性管理位置更新過程用戶身份識別移動設(shè)備識別操作與維護數(shù)據(jù)庫管理測量人機接口(MMI)網(wǎng)間互通計費37第37頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四網(wǎng)絡(luò)和交換子系統(tǒng)HLR的功能與作用：HLR:HomeLocationRegister用戶識別號（IMSI,MSISDN）當(dāng)前用戶的VLR（當(dāng)前位置）業(yè)務(wù)限制信息用戶申請的補充業(yè)務(wù)補充業(yè)務(wù)信息（例：當(dāng)前轉(zhuǎn)移的電話號碼）用戶狀態(tài)（registered/deregistered）鑒權(quán)key和AUC功能移動用戶漫游號（MSRN）38第38頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四網(wǎng)絡(luò)和交換子系統(tǒng)VLR的功能與作用：VLR：VisitorLocationRegister移動臺狀態(tài)部分補充業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)移動站的位置登記（LAI）臨時移動用戶識別號（TMSI）管理移動用戶漫游號MSRN管理39第39頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四2.4GSM系統(tǒng)的頻率配置

GSM系統(tǒng)既可以工作在900MHz的頻段，也可以工作在1800MHz的頻段上。45MHz雙工間隔960950935917915905890872基站發(fā)射頻率基站接收頻率2MHz保護頻帶（單位：MHz）925880GSMTACS/GSMEGSMETACS40第40頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四

DCS1800的頻率配置：95MHz雙工間隔1880180517851710

基站發(fā)射頻率基站接收頻率20MHz保護頻帶（頻率單位：MHz）DCS180041第41頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四

無線信道編號NGSM900主頻段（P-GSM）上行：Fl=890+0.2×N(MHz)(1N124)下行：Fh=Fl+45(MHz)GSM擴展頻段（E-GSM）上行：Fl=890+0.2×(N-1024)(MHz)下行：Fh=Fl+45(MHz)(975N1023)DCS1800頻段上行：Fl=1710.2+0.2×(N-512)(MHz)下行：Fh=Fl+95(MHz)(512N885)42第42頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四2.5GSM系統(tǒng)的頻率復(fù)用模式“扇區(qū)化”，就是將一個基站分成多個小區(qū)，每個小區(qū)都有自己的發(fā)射和接收天線，相當(dāng)于一個獨立的小區(qū)。扇區(qū)化的小區(qū)使用特制的定向天線，使該小區(qū)發(fā)射的無線電波集中在一個特定的方向上。這樣做有很多優(yōu)點，首先小區(qū)發(fā)射的無線電波能量集中到了一個更小的區(qū)域如60度，120度或180度，而不是以360度全向發(fā)射，這樣可以獲得更強的信號，有利于“室內(nèi)覆蓋”等。另外，更好地防止同信道干擾和鄰信道干擾，同頻復(fù)用距離縮短，在同一地理區(qū)域可以有更多的小區(qū)，可以支持更多的移動用戶。小區(qū)的扇區(qū)化：43第43頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四2.5GSM系統(tǒng)的頻率復(fù)用模式4×3標(biāo)準(zhǔn)復(fù)用模式(GSM體制推薦)：無線小區(qū)簇：4個基站每基站3扇區(qū)基站結(jié)構(gòu)：3個120度或三葉草扇區(qū)C/I大于或者等于12dB44第44頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四GSM空中接口的信道類型物理信道：一個載頻上的TDMA幀的一個時隙(TS)。邏輯信道：業(yè)務(wù)信道語音信道數(shù)據(jù)信道隨路控制信道控制信道廣播控制信道公共控制信道專用控制信道45第45頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四2.6GSM空中接口的信道類型

GSM系統(tǒng)采用的多接入策略是TDMA與FDMA的完美結(jié)合。時間頻率f5f4f3f2f0f1TS0TS1TS2TS3TS4