【電信行業(yè)-移動通信原理】

移動通信原理齊美德2009年7月目錄無線通信系統(tǒng)的基本工作原理發(fā)射設備的基本原理和組成接收設備的基本原理和組成典型通信系統(tǒng)介紹無線通信系統(tǒng)的基本工作原理無線通信系統(tǒng)組成框圖2、發(fā)送設備的基本原理和組成半導體存儲器問題的解決——調制什么是調制？把待傳送信號“裝載”到高頻振蕩信號上的過程。三種信號調制信號、載波信號和已調信號三種方式調幅（AM）、調頻（FM）和調相（PM）典型發(fā)送設備的組成框圖信號的“卸載”——解調什么是解調？從高頻已調波信號中“取出”調制信號的過程。解調的三種方式①對調幅波的解調——檢波②對調頻波的解調——鑒頻③對調相波的解調——鑒相典型接收設備的組成框圖3、接收設備的基本原理和組成4、無線電波的基本特點無線電波是一種電磁波，其傳播速度與光速相同，且有λ=c/f。無線電波具有直射、繞射、反射與折射等現(xiàn)象。無線電波的三種傳播途徑（如圖）：無線電波的波段劃分表：波段名稱波長范圍頻段名稱頻率范圍主要用途長波LW103~104m低頻(LF)30~300kHz長距離點與點通信中波MW102~103m中頻(MF)300~3000kHz廣播、船舶、飛行通信短波SW10~102m高頻(HF)3~30kHz短波廣播、軍事通信米波1~10m甚高頻(VHF)30~300MHz電視、調頻廣播、雷達分米波1~10dm特高頻(UHF)300~3000MHz電視、雷達、移動通信厘米波1~10cm超高頻(SHF)3~30GHz雷達、中繼、衛(wèi)星通信毫米波1~10mm極高頻(EHF)30~300GHz射電天文、衛(wèi)星、雷達典型通信系統(tǒng)介紹GSM數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)移動通信系統(tǒng)出現(xiàn)在半個世紀以前，80年代以后得到了迅速發(fā)展。數(shù)字程控交換技術的采用，綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)（ISDN）的開發(fā)成功，智能網(wǎng)研究的新進展，為實現(xiàn)個人通信打下了網(wǎng)絡基礎。特別是隨著蜂窩組網(wǎng)技術的完善和大容量系統(tǒng)的出現(xiàn)，移動通信已經(jīng)成為發(fā)展速度最快、最受歡迎、最靈活方便的通信技術之一。圖12–1數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)組成原理圖GSM系統(tǒng)的主要性能和特點1.工作頻率

GSM900系統(tǒng)：上行鏈路頻率890～915MHz，下行鏈路頻率935～960MHz，雙工間隔為45MHz，工作帶寬為25MHz，載頻間隔200kHz。GSM1800系統(tǒng)：上行鏈路頻率1710～1785MHz，下行鏈路頻率1805～1880MHz，雙工間隔為95MHz，工作帶寬為75MHz，載頻間隔為200kHz；EGSM900系統(tǒng)：上行鏈路頻率880～915MHz，下行鏈路頻率925～960MHz。EGSM900比GSM900在上/下行頻段向下擴展了10MHz工作帶寬，以解決目前GSM900系統(tǒng)頻道擁擠問題。

2.發(fā)射類別271kF7W，即8個基本物理信道采用時分多址(TDMA)方式和高斯濾波最小移頻鍵控(GMSK，BT=0.3)調制，每載波信息速率為270.833kb/s。

3.小區(qū)結構和頻率再用農村地區(qū)可采用宏小區(qū)，小區(qū)半徑可達35km；城市地區(qū)的小區(qū)半徑為10～20km；市中心等業(yè)務量密集地區(qū)可采用微小區(qū)，半徑0.5km左右。地域覆蓋模式為9小區(qū)的區(qū)群，同頻保護比為=9dB。4.業(yè)務信道語音編碼器的基本速率為13.0kb/s，加糾錯保護后的總速率為22.8kb/s；透明數(shù)據(jù)速率2.4kb/s、4.8kb/s和9.6kb/s；非透明數(shù)據(jù)基本速率12.0kb/s。

5.小區(qū)選擇由移動臺進行小區(qū)選擇，小區(qū)選擇的條件是以路徑損耗測量結果為依據(jù)。如果傳輸質量不滿足指標要求或者不能對基站發(fā)射的尋呼塊進行譯碼或者不能接入上行線路，則移動臺就開始重新選擇小區(qū)。GSM系統(tǒng)具有下列主要特點：(1)GSM系統(tǒng)是由幾個分系統(tǒng)組成的，并且可與各種公用通信網(wǎng)(PSTN、ISDN、PDN等)互連互通。各分系統(tǒng)之間或各分系統(tǒng)與各種公用通信網(wǎng)之間都明確和詳細定義了標準化接口規(guī)范，保證任何廠商提供的GSM系統(tǒng)或子系統(tǒng)都能互連；(2)GSM系統(tǒng)能提供國際間的自動漫游功能，所有GSM移動用戶都可進入GSM系統(tǒng)而與國別無關；(3)GSM系統(tǒng)除了可以提供話音業(yè)務外，還可以提供各種數(shù)字業(yè)務；(4)GSM系統(tǒng)具有加密和鑒權功能，能確保用戶保密和網(wǎng)絡安全；(5)GSM系統(tǒng)具有靈活和方便的組網(wǎng)結構，頻率重復利用率高，業(yè)務承擔能力強，保證在話音和數(shù)據(jù)通信兩個方面都能滿足用戶對大容量、高密度業(yè)務的要求；(6)GSM系統(tǒng)抗干擾能力強，覆蓋區(qū)域內的通信質量高等。GSM系統(tǒng)的結構及功能GSM系統(tǒng)的典型結構如圖12-2所示，主要由三個相關的子系統(tǒng)組成，它們是網(wǎng)絡子系統(tǒng)(NSS)、操作支持子系統(tǒng)(OSS)和基站子系統(tǒng)(BSS)。移動臺(MS)也是一個子系統(tǒng)，但通常被認為是基站子系統(tǒng)的一部分。這些子系統(tǒng)通過一定的網(wǎng)絡接口互相連接，并與用戶相連。基站子系統(tǒng)也叫無線子系統(tǒng)，提供并管理著移動臺和網(wǎng)絡子系統(tǒng)之間的無線傳輸通道，同時也管理著移動臺與所有其他GSM子系統(tǒng)的無線接口。基站子系統(tǒng)不直接與公用通信網(wǎng)互通。網(wǎng)絡子系統(tǒng)管理著系統(tǒng)的交換功能，保證移動臺與相關的公用通信網(wǎng)或與其他移動臺之間建立通信。網(wǎng)絡子系統(tǒng)不直接與移動臺互通。操作支持子系統(tǒng)提供給運營部門一種手段來控制和維護系統(tǒng)的正常運行。GSM系統(tǒng)結構基站子系統(tǒng)(BSS)基站子系統(tǒng)由多個基站收發(fā)信臺(BTS)和基站控制器(BSC)組成?；究刂破魇腔咀酉到y(tǒng)的控制部分，承擔各種接口的管理、無線資源的管理和無線參數(shù)的管理。基站收發(fā)信臺是基站子系統(tǒng)的無線部分，由基站控制器控制，完成基站控制器與無線信道之間的轉換，實現(xiàn)基站收發(fā)信臺與移動臺之間通過空中接口的無線傳輸和相關的控制。基站子系統(tǒng)是GSM系統(tǒng)中最基本的組成部分，它通過無線空中接口與移動臺連接，負責無線發(fā)送、接收和無線資源管理。另一方面，通過A接口，基站子系統(tǒng)與網(wǎng)絡子系統(tǒng)中的移動業(yè)務交換中心(MSC)相連接，實現(xiàn)移動用戶之間或移動用戶和固定網(wǎng)絡用戶之間的通信連接，傳送系統(tǒng)控制信息和用戶信息等。移動臺屬于基站子系統(tǒng)的一部分，它是GSM系統(tǒng)中用戶使用的設備，包括：手持臺、便攜臺和車載臺。移動臺通過無線空中接口與基站收發(fā)信臺連接。移動臺另外一個重要組成部分是用戶識別卡(SIM)。SIM卡是一種存儲裝置，可存儲用戶識別卡，為用戶提供服務的網(wǎng)絡、地區(qū)、專用鍵，以及其他特定用戶信息等。沒有SIM裝置，GSM移動臺不會工作。正是SIM使GSM用戶能識別自己的身份。

2.網(wǎng)絡子系統(tǒng)(NSS)

網(wǎng)絡子系統(tǒng)主要由移動業(yè)務交換中心(MSC)、訪問用戶位置寄存器(VLR)、歸屬用戶位置寄存器(HLR)、移動設備識別寄存器(EIR)和鑒權中心(AUC)等組成。網(wǎng)絡子系統(tǒng)通過GSM規(guī)范的7號信令實現(xiàn)內部各功能塊及與基站子系統(tǒng)的連接，承擔GSM系統(tǒng)的交換功能和提供對用戶管理和數(shù)據(jù)庫。移動業(yè)務交換中心是網(wǎng)絡的核心(MSC)，它提供基站子系統(tǒng)、歸屬用戶位置寄存器、移動設備識別寄存器、鑒權中心、操作維護中心(OMC)、面向固定網(wǎng)絡的接口等的交換。把移動用戶之間或移動用戶和固定網(wǎng)絡用戶之間相互連接起來。MSC為移動用戶提供電信業(yè)務、承載業(yè)務和補充業(yè)務，同時還支持位置登記、越區(qū)切換、自動漫游等其他網(wǎng)絡功能。訪問用戶位置寄存器(VLR)是為其控制區(qū)域內的移動用戶服務的。對其控制區(qū)域內的移動用戶進行登記，并為已登記的移動用戶提供建立呼叫接續(xù)的必要條件。訪問用戶位置寄存器是一個動態(tài)數(shù)據(jù)庫，其從已登記移動用戶的歸屬用戶位置寄存器獲取或存儲相關數(shù)據(jù)。當移動用戶離開該VLR的控制區(qū)域，進入到另一個VLR的控制區(qū)域，則移動用戶在新的VLR進行登記，而原VLR將刪除該移動用戶數(shù)據(jù)。歸屬用戶位置寄存器(HLR)是GSM系統(tǒng)的中央數(shù)據(jù)庫，存儲該HLR控制區(qū)域內所有移動用戶的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括：移動用戶識別號碼、用戶類型、訪問能力、補充業(yè)務等。另外，HLR還存儲移動用戶實際漫游所在MSC區(qū)域的有關動態(tài)數(shù)據(jù)。鑒權中心(AUC)是歸屬用戶位置寄存器的一個功能單元，它存儲著用戶鑒權信息和加密密鑰，保證移動用戶通信安全，防止無權用戶接入系統(tǒng)。移動設備識別寄存器(EIR)存儲每個移動用戶的國際移動用戶識別號碼(IMSI),通過白色清單、黑色清單或灰色清單這三種表格，確保網(wǎng)絡內各移動用戶的惟一性和安全性。IMSI由移動國家碼、移動網(wǎng)號和移動用戶識別號三部分組成，其結構如圖12-3所示。圖12-4GSM系統(tǒng)中的各類接口

12.1.3GSM的信道類型GSM邏輯信道可以分為業(yè)務信道（TCH）和控制信道（CCH）。業(yè)務信道攜帶的是用戶的數(shù)字化語音或數(shù)據(jù)，無論是上行還是下行鏈路都有同樣的功能和格式。控制信道在移動站和基站之間傳輸信令和同步信息，在上下行鏈路之間有著不同的信道。在GSM中有6種類型的業(yè)務信道和很多類型的控制信道。

1.GSM中的業(yè)務信道（TCH）GSM的業(yè)務信道攜帶用戶數(shù)字化語音或數(shù)據(jù)信息，可分為全速率或半速率兩種類型。全速率傳送時，用戶數(shù)據(jù)在一個時隙(TS)中傳送。而半速率傳輸時，用戶數(shù)據(jù)映射到同一時隙上，但是采用隔幀傳送的方式，因此兩個半速率的用戶可以共享同一個時隙，但是每隔一幀交替發(fā)送。碼分多址(CDMA)蜂窩移動通信系統(tǒng)

CDMA是一種以擴頻技術為基礎的調制和多址接入技術，因其保密性能好,抗干擾能力強而廣泛應用于軍事通信領域，并且早在19世紀40年代就有過商用的嘗試。經(jīng)過了四十幾年的努力，克服了一個又一個的關鍵技術問題，直到1993年7月由美國Qualcomm公司開發(fā)的CDMA蜂窩體制被采納為北美數(shù)字蜂窩標準，定名為CDMA，CDMA蜂窩移動通信系統(tǒng)才正式走上商業(yè)通信市場。1995年我國香港建立了世界上第一個CDMA移動通信系統(tǒng),而后韓國、美國等國家先后建立了CDMA移動通信系統(tǒng),到2000年底,全球的CDMA用戶已超過4000萬。CDMA蜂窩移動通信系統(tǒng)與FDMA模擬蜂窩移動通信系統(tǒng)或TDMA數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)相比有更大的系統(tǒng)容量、更高的話音質量以及抗干擾能力強、保密性能好等諸多優(yōu)點，因而CDMA也成為第三代蜂窩移動通信系統(tǒng)的方式。

12.2.1CDMA系統(tǒng)原理及特點

CDMA系統(tǒng)是以擴頻調制技術和碼分多址接入技術為基礎的數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)。在CDMA系統(tǒng)中，不同用戶傳輸?shù)男畔⑹强扛髯圆煌木幋a序列來區(qū)分的。CDMA的示意圖如圖下較圖所示，可以看出信號在時間域和頻率域是重疊的，用戶信號是靠各自不同的編碼序列ci來區(qū)分的。S-95標準的全稱是“雙模寬帶擴譜蜂窩系統(tǒng)的移動臺-基站兼容標準”，這說明CDMA標準是一個公共空中接口(CAI)。它沒有完全規(guī)定一個系統(tǒng)如何實現(xiàn)，而只是提出了信令協(xié)議和數(shù)據(jù)結構的特點和限制，不同的制造商可采用不同的技術和工藝制造出符合CDMA標準規(guī)定的系統(tǒng)和設備。圖12–10CDMA的示意圖CDMA系統(tǒng)網(wǎng)絡結構與一般數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構相同，包括基站子系統(tǒng)、移動臺子系統(tǒng)、網(wǎng)絡子系統(tǒng)和操作支持子系統(tǒng)等。CDMA系統(tǒng)與TDMA系統(tǒng)的主要差別在于無線信道的構成、相關的無線接口和無線設備、特殊的控制功能等。CDMA系統(tǒng)的主要性能指標如下：(1)工作頻率：CDMA下行鏈路的頻率為824～849MHz，上行鏈路的頻率為869～894MHz,一對下行鏈路頻率和上行鏈路頻率的頻率間隔為45MHz，帶寬1.25MHz；(2)碼片速率：1.2288Mc/s；(3)比特率：速率集1為9.6kb/s，速率集2為14.4kb/s，CDMAB為115.2kb/s；(4)幀長度：20ms；(5)語音編碼器：QCELP8kb/s，EVRC8kb/s，ACELP13kb/s；(6)功率控制：上行鏈路采用開環(huán)+快速閉環(huán)，下行鏈路采用慢速閉環(huán)；(7)擴展碼：Walsh+長M的序列。CDMA系統(tǒng)具有以下主要特點：(1)系統(tǒng)容量大，根據(jù)理論計算和實際測試表明，CDMA系統(tǒng)容量是模擬系統(tǒng)的10～20倍，是TDMA系統(tǒng)的4倍。(2)CDMA系統(tǒng)具有軟容量特性。在FDMA和TDMA系統(tǒng)中，當所有頻道或時隙被占滿以后，再無法增加一個用戶。此時若有新的用戶呼叫，只能遇忙等待產生阻塞現(xiàn)象。而CDMA系統(tǒng)的全部用戶共享一個無線信道，用戶信號是靠編碼序列區(qū)分的，當系統(tǒng)負荷滿載時，再增加少量用戶只會引起話音質量的輕微下降，而不會產生阻塞現(xiàn)象。CDMA系統(tǒng)的這一特性，使系統(tǒng)容量和用戶數(shù)之間存在一種“軟”關系。在業(yè)務高峰期間，可以通過稍微降低系統(tǒng)的誤碼性能，達到增多系統(tǒng)用戶數(shù)目。系統(tǒng)軟容量的另一種形式是小區(qū)呼吸功能。所謂小區(qū)呼吸功能是指各個小區(qū)的覆蓋區(qū)域大小是動態(tài)的。當相鄰的兩個小區(qū)負荷一輕一重時，負荷重的小區(qū)通過減小導頻發(fā)射功率，使本小區(qū)邊緣的用戶由于導頻功率強度不夠而切換到相鄰小區(qū)，使重負荷小區(qū)的負荷得到分擔，從而增加了系統(tǒng)的容量。(3)CDMA系統(tǒng)具有軟切換功能。所謂軟切換是指當移動臺需要切換時，先與新小區(qū)的基站連通，再與原來小區(qū)的基站切斷聯(lián)系。在切換過程中，原小區(qū)的基站和新小區(qū)的基站同時為過區(qū)的移動臺服務。軟切換功能可以使過區(qū)切換的可靠性提高。(4)CDMA系統(tǒng)具有話音激活功能。由于人類通話過程中話音是不連續(xù)的，占空比小于35%。CDMA系統(tǒng)采用可變速率聲碼器，在不講話時傳輸速率降低，減小對小區(qū)其他用戶的影響，從而增加系統(tǒng)的容量。(5)CDMA系統(tǒng)是以擴頻技術為基礎的，因此具有抗干擾、抗多徑衰落、保密性強等優(yōu)點。CDMA系統(tǒng)的無線鏈路與GSM系統(tǒng)相同，在CDMA系統(tǒng)中，除了傳輸業(yè)務信息的業(yè)務信道之外，還有傳輸控制信息的控制信道。前向鏈路最多可以有64條同時傳輸?shù)倪壿嬓诺馈Ｐ诺李愋凸灿?種：導頻信道、同步信道、尋呼信道和業(yè)務信道。導頻信道是基站連續(xù)發(fā)送的導頻信號，為移動臺提供解調用的相干載波，并作為移動臺過境切換的測量信號。同步信道是基站連續(xù)發(fā)送的同步信號，為移動臺提供同步信息。第三代移動通信系統(tǒng)(3G)

1.第三代移動通信系統(tǒng)的主要特點隨著世界范圍通信領域的迅猛發(fā)展，移動通信已逐漸成為通信領域的主流。到目前為止，商用移動通信系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展了兩代。第一代移動通信系統(tǒng)是采用FDMA方式的模擬移動蜂窩系統(tǒng)，如AMPS、TACS等。由于其系統(tǒng)容量小，不能滿足移動通信業(yè)務的迅速發(fā)展，目前已逐步被淘汰。第二代移動通信系統(tǒng)采用TDMA或窄帶CDMA方式的數(shù)字移動蜂窩系統(tǒng)，如GSM、CDMA等，它是目前世界各國所廣泛采用的移動通信系統(tǒng)。第二代移動通信系統(tǒng)在系統(tǒng)容量、通信質量、功能等方面比第一代移動通信系統(tǒng)有了很大提高。隨著移動通信終端的普及，移動用戶數(shù)量成倍地增長，第二代移動通信系統(tǒng)的缺陷也逐漸顯現(xiàn)，如全球漫游問題、系統(tǒng)容量問題、頻譜資源問題、支持寬帶業(yè)務問題等。為此，從20世紀90年代開始，各國和世界組織又開展了對第三代移動通信系統(tǒng)的研究，它包括地面系統(tǒng)和衛(wèi)星系統(tǒng)，移動終端既可以連接到地面的網(wǎng)絡，也可以連接到衛(wèi)星的網(wǎng)絡。第三代移動通信系統(tǒng)工作在2000MHz頻段，預期在2002年左右投入商用，為此1996年國際電信聯(lián)盟正式將其命名為IMT-2000。第三代移動通信系統(tǒng)的框架結構是將衛(wèi)星網(wǎng)絡與地面移動通信網(wǎng)絡相結合，形成一個全球無縫覆蓋的立體通信網(wǎng)絡，以滿足城市和偏遠地區(qū)不同密度用戶的通信要求，支持話音、數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務，實現(xiàn)人類個人通信的愿望。作為下一代移動通信系統(tǒng)，第三代移動通信系統(tǒng)的主要特點有:(1)第二代移動通信系統(tǒng)一般為區(qū)域或國家標準，而第三代移動通信系統(tǒng)將是一個在全球范圍內覆蓋和使用的系統(tǒng)。它將使用共同的頻段，全球統(tǒng)一標準或兼容標準，實現(xiàn)全球無縫漫游。(2)具有支持多媒體業(yè)務的能力，特別是支持Internet業(yè)務。現(xiàn)有的移動通信系統(tǒng)主要以提供話音業(yè)務為主，隨著發(fā)展一般也僅能提供100～200kb／s的數(shù)據(jù)業(yè)務，GSM演進到最高階段的速率能力為384kb／s。而第三代移動通信的業(yè)務能力將比第二代有明顯的改進。它應能支持從話音、分組數(shù)據(jù)到多媒體業(yè)務；應能根據(jù)需要提供帶寬。ITU規(guī)定的第三代移動通信無線傳輸技術的最低要求中，必須滿足在以下三個環(huán)境的三種要求。即：(5)更高的頻譜效率。通過相干檢測、Rake接收、軟切換、智能天線、快速精確的功率控制等新技術的應用，有效地提高系統(tǒng)的頻譜效率和高服務質量。

2.第三代移動通信系統(tǒng)的研究進展無線傳輸技術（RTT）是第三代移動通信系統(tǒng)的重要組成部分，其主要包括調制解調技術、信道編解碼技術、復用技術、多址技術、信道結構、幀結構、RF信道參數(shù)等。無線傳輸技術的標準化工作主要由ITU-R完成，網(wǎng)絡部分由ITU-T負責。ITU還專門成立了一個中間協(xié)調組(ICG),使ITU-R和ITU-T之間定期進行交流，并協(xié)調在制定IMT-2000技術標準中出現(xiàn)的各種問題。根據(jù)國際電聯(lián)對第三代移動通信系統(tǒng)的要求，各大電信公司聯(lián)盟均已提出了自己的無線傳輸技術提案。至1998年9月，包括移動衛(wèi)星業(yè)務在內的RTT提案多達16個，它們基本來自IMT-2000的16個RTT評估組成員。其中有10個是IMT-2000地面系統(tǒng)提案(表12-1)，6個是衛(wèi)星系統(tǒng)提案。到2000年初已完成了IMT-2000的無線技術詳細規(guī)范。從市場基礎、后向兼容及總體特征看，這10個候選方案中歐洲ETSI的UTRA和美國的cdma2000最具競爭力，它們都是采用寬帶CDMA技術。cdma2000主要由CDMA和IS-41標準發(fā)展而來，與AMPS、DAMPS、CDMA都有較好的兼容性，同時又采用了一些新技術，以滿足IMT-2000的要求。正式向ITU提交的候選RTT方案序號提交者候選RTT方案1日本ARIBW-