移动通信原理移动通信原理 齐美德 2009年7月 目录 无线通信系统的基本工作原理 发射设备的基本原理和组成 接收设备的基本原理和组成 典型通信系统介绍 无线通信系统的基本工作原理 ? 无线通信系统组成框图无线通信系统组成框图 来自 www.cnshu.cn 中国最大的资料库下载 2、发送设备的基本原理和组成、发送设备的基本原理和组成 ?信号在空间直接发送存在的问题 1)天线尺寸 天线尺寸与被辐射信号的波长相比拟时（波长的1/101），信号才能被天线有效的辐射出去。对于音频范围20Hz20kHz来说，这样的天线不可能实现。 2)信号选择来自 www.cnshu.cn 中国最大的资料库下载 如果直接发射，多家电台的发射信号频率范围大致相同，接收机无法区分。 半导体存储器 ?问题的解决调制 1)什么是调制？ 2) 把待传送信号“装载”到高频振荡信号上的过程。 2)三种信号 调制信号、载波信号和已调信号 3)三种方式 调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM） ? 典型发送设备的组成框图典型发送设备的组成框图 ?信号的“卸载”解调 ?什么是解调？ ? 从高频已调波信号中“取出”调制信号的过程。 ?解调的三种方式 ? 对调幅波的解调检波 ? 对调频波的解调鉴频 ? 对调相波的解调鉴相 ? 典型接收设备的组成框图 3、接收设备的基本原理和组成 4、无线电波的基本特点 ?无线电波是一种电磁波，其传播速度与光速相同，且有=c/f。 ?无线电波具有直射、绕射、反射与折射等现象。 ?无线电波的三种传播途径（如图）： ? 无线电波的波段划分表：无线电波的波段划分表： 波段名称 波长范围 频段名称 频率范围 主要用途 长波LW 103104m 低频(LF) 30300kHz 长距离点与点通信 中波MW 102103m 中频(MF) 3003000kHz 广播、船舶、飞行通信 短波SW 10102m 高频(HF) 330kHz 短波广播、军事通信 米波 110m 甚高频(VHF) 30300MHz 电视、调频广播、雷达 分米波 110dm 特高频(UHF) 3003000MHz 电视、雷达、移动通信 厘米波 110cm 超高频(SHF) 330GHz 雷达、中继、卫星通信 毫米波 110mm 极高频(EHF) 30300GHz 射电天文、卫星、雷达 典型通信系统介绍典型通信系统介绍 GSM 移动通信系统出现在半个世纪以前， 80年代以后得到了迅速发展。数字程控交换技术的采用，综合业务数字网（ISDN）的开发成功，智能网研究的新进展，为实现个人通信打下了网络基础。特别是随着蜂窝组网技术的完善和大容量系统的出现，移动通信已经成为发展速度最快、最受欢迎、 最灵活方便的通信技术之一。 图 12 1 数字蜂窝移动通信系统组成原理图 市话局市话用户有线电话网控制交换中心中继线MSCMBS基地站1陆上移动电话网中继线中继线基地站3基地站2MBSMBS中继线无线区1MS车载台无线区2无线区3MS固定台MS手持机手持机MS车载台MSGSM系统的主要性能和特点 1. 工作频率工作频率 GSM900系统：上行链路频率890915MHz，下行链路频率935960 MHz，双工间隔为45 MHz，工作带宽为25 MHz， 载频间隔200 kHz。GSM1800系统：上行链路频率17101785 MHz，下行链路频率18051880 MHz， 双工间隔为95 MHz， 工作带宽为75 MHz， 载频间隔为200 kHz；EGSM900系统： 上行链路频率880915 MHz， 下行链路频率925960 MHz。 EGSM900比GSM900在上/下行频段向下扩展了10 MHz工作带宽，以解决目前GSM900系统频道拥挤问题。 2. 271kF7W，即8个基本物理信道采用时分多址 (TDMA)方式和高斯滤波最小移频键控(GMSK，BT=0.3)调制，每载波信息速率为270.833 kb/s。 3. 小区结构和频率再用小区结构和频率再用 农村地区可采用宏小区，小区半径可达35 km；城市地区的小区半径为1020 km；市中心等业务量密集地区可采用微小区，半径0.5 km左右。地域覆盖模式为9小区的区群， 同频保护比为 =9 dB。 4. 语音编码器的基本速率为13.0 kb/s，加纠错保护后的总速率为22.8 kb/s； 透明数据速率2.4 kb/s、4.8 kb/s和9.6 kb/s；非透明数据基本速率12.0 kb/s。 5. 由移动台进行小区选择，小区选择的条件是以路径损耗测量结果为依据。 如果传输质量不满足指标要求或者不能对基站发射的寻呼块进行译码或者不能接入上行线路，则移动台就开始重新选择小区。 GSM系统具有下列主要特点： (1) GSM系统是由几个分系统组成的， 并且可与各种公用通信网(PSTN、 ISDN、 PDN等)互连互通。 各分系统之间或各分系统与各种公用通信网之间都明确和详细定义了标准化接口规范，保证任何厂商提供的 GSM系统或子系统都能互连； (2) GSM系统能提供国际间的自动漫游功能，所有GSM移动用户都可进入GSM系统而与国别无关； (3) GSM系统除了可以提供话音业务外， 还可以提供各种数字业务； (4) GSM系统具有加密和鉴权功能， 能确保用户保密和网络安全； (5) GSM系统具有灵活和方便的组网结构， 频率重复利用率高， 业务承担能力强，保证在话音和数据通信两个方面都能满足用户对大容量、 高密度业务的要求； (6) GSM系统抗干扰能力强， 覆盖区域内的通信质量高等。 GSM系统的结构及功能系统的结构及功能 GSM系统的典型结构如图12 - 2所示，主要由三个相关的子系统组成，它们是网络子系统(NSS) 、操作支持子系统(OSS)和基站子系统(BSS)。移动台(MS)也是一个子系统，但通常被认为是基站子系统的一部分。这些子系统通过一定的网络接口互相连接，并与用户相连。 基站子系统也叫无线子系统，提供并管理着移动台和网络子系统之间的无线传输通道，同时也管理着移动台与所有其他GSM子系统的无线接口。基站子系统不直接与公用通信网互通。网络子系统管理着系统的交换功能，保证移动台与相关的公用通信网或与其他移动台之间建立通信。网络子系统不直接与移动台互通。操作支持子系统提供给运营部门一种手段来控制和维护系统的正常运行。 GSM系统结构 NMCDP PSPCSSEMCOSSMSCVLRBSCBTSBSSBTSHLRAUCOMCEIR PSTN ISDN PDNNSSA接口MS基站子系统基站子系统(BSS) 基站子系统由多个基站收发信台 (BTS)和基站控制器(BSC)组成。基站控制器是基站子系统的控制部分，承担各种接口的管理、无线资源的管理和无线参数的管理。基站收发信台是基站子系统的无线部分，由基站控制器控制，完成基站控制器与无线信道之间的转换，实现基站收发信台与移动台之间通过空中接口的无线传输和相关的控制。 基站子系统是GSM系统中最基本的组成部分，它通过无线空中接口与移动台连接，负责无线发送、接收和无线资源管理。另一方面，通过A接口，基站子系统与网络子系统中的移动业务交换中心 (MSC)相连接，实现移动用户之间或移动用户和固定网络用户之间的通信连接，传送系统控制信息和用户信息等。 移动台属于基站子系统的一部分，它是 GSM系统中用户使用的设备，包括：手持台、 便携台和车载台。移动台通过无线空中接口与基站收发信台连接。移动台另外一个重要组成部分是用户识别卡 (SIM)。SIM卡是一种存储装置， 可存储用户识别卡，为用户提供服务的网络、地区、 专用键， 以及其他特定用户信息等。没有SIM装置，GSM移动台不会工作。 正是SIM使GSM用户能识别自己的身份。 2. 网络子系统(NSS) 网络子系统主要由移动业务交换中心 (MSC)、访问用户位置寄存器(VLR)、 归属用户位置寄存器 (HLR)、移动设备识别寄存器 (EIR)和鉴权中心(AUC)等组成。网络子系统通过GSM规范的7号信令实现内部各功能块及与基站子系统的连接，承担 GSM系统的交换功能和提供对用户管理和数据库。 移动业务交换中心是网络的核心(MSC)， 它提供基站子系统、归属用户位置寄存器、移动设备识别寄存器、鉴权中心、 操作维护中心(OMC)、面向固定网络的接口等的交换。把移动用户之间或移动用户和固定网络用户之间相互连接起来。 MSC为移动用户提供电信业务、 承载业务和补充业务，同时还支持位置登记、越区切换、自动漫游等其他网络功能。 访问用户位置寄存器(VLR)是为其控制区域内的移动用户服务的。对其控制区域内的移动用户进行登记，并为已登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要条件。访问用户位置寄存器是一个动态数据库，其从已登记移动用户的归属用户位置寄存器获取或存储相关数据。当移动用户离开该 VLR的控制区域， 进入到另一个VLR的控制区域，则移动用户在新的VLR进行登记，而原VLR将删除该移动用户数据。 归属用户位置寄存器(HLR)是GSM系统的中央数据库， 存储该HLR控制区域内所有移动用户的数据。这些数据包括： 移动用户识别号码、用户类型、访问能力、补充业务等。另外，HLR还存储移动用户实际漫游所在MSC区域的有关动态数据。 鉴权中心(AUC)是归属用户位置寄存器的一个功能单元， 它存储着用户鉴权信息和加密密钥，保证移动用户通信安全， 防止无权用户接入系统。 移动设备识别寄存器(EIR)存储每个移动用户的国际移动用户识别号码(IMSI), 通过白色清单、黑色清单或灰色清单这三种表格， 确保网络内各移动用户的惟一性和安全性。 IMSI由移动国家码、移动网号和移动用户识别号三部分组成，其结构如图12 - 3所示。 图 12- 4 GSM系统中的各类接口 BTS移动台BTSBTSBSCMSCPSTNA接口（标准化）Abis接口（标准化）SS7Um(GSM无线空中)接口（标准化）移动台 12.1.3GSM的信道类型 GSM逻辑信道可以分为业务信道（TCH）和控制信道（CCH）。业务信道携带的是用户的数字化语音或数据，无论是上行还是下行链路都有同样的功能和格式。控制信道在移动站和基站之间传输信令和同步信息，在上下行链路之间有着不同的信道。 在GSM中有6种类型的业务信道和很多类型的控制信道。 1. GSM中的业务信道（TCH） GSM的业务信道携带用户数字化语音或数据信息， 可分为全速率或半速率两种类型。全速率传送时，用户数据在一个时隙 (TS)中传送。而半速率传输时，用户数据映射到同一时隙上，但是采用隔帧传送的方式，因此两个半速率的用户可以共享同一个时隙，但是每隔一帧交替发送。 码分多址(CDMA)蜂窝移动通信系统 CDMA是一种以扩频技术为基础的调制和多址接入技术， 因其保密性能好, 抗干扰能力强而广泛应用于军事通信领域， 并且早在 19 世纪 40 年代就有过商用的尝试。经过了四十几年的努力，克服了一个又一个的关键技术问题，直到1993年7月由美国Qualcomm公司开发的 CDMA蜂窝体制被采纳为北美数字蜂窝标准，定名为CDMA，CDMA蜂窝移动通信系统才正式走上商业通信市场。 1995年我国香港建立了世界上第一个CDMA移动通信系统, 而后韩国、美国等国家先后建立了CDMA移动通信系统 , 到2000年底, 全球的CDMA用户已超过4000万。 CDMA蜂窝移动通信系统与 FDMA模拟蜂窝移动通信系统或TDMA数字蜂窝移动通信系统相比有更大的系统容量、 更高的话音质量以及抗干扰能力强、保密性能好等诸多优点， 因而CDMA也成为第三代蜂窝移动通信系统的方式。 12.2.1CDMA系统原理及特点系统原理及特点 CDMA系统是以扩频调制技术和码分多址接入技术为基础的数字蜂窝移动通信系统。在CDMA系统中，不同用户传输的信息是靠各自不同的编码序列来区分的。CDMA的示意图如图下较图所示，可以看出信号在时间域和频率域是重叠的， 用户信号是靠各自不同的编码序列ci 来区分的。 S-95标准的全称是“双模宽带扩谱蜂窝系统的移动台-基站兼容标准”，这说明CDMA标准是一个公共空中接口(CAI)。它没有完全规定一个系统如何实现，而只是提出了信令协议和数据结构的特点和限制，不同的制造商可采用不同的技术和工艺制造出符合CDMA标准规定的系统和设备。 图 12 10 CDMA的示意图 tci CDMA系统网络结构与一般数字蜂窝移动通信系统的网络结构相同，包括基站子系统、移动台子系统、 网络子系统和操作支持子系统等。CDMA系统与TDMA系统的主要差别在于无线信道的构成、相关的无线接口和无线设备、特殊的控制功能等。 CDMA系统的主要性能指标如下： (1) 工作频率： CDMA下行链路的频率为824849 MHz， 上行链路的频率为869894MHz, 一对下行链路频率和上行链路频率的频率间隔为45 MHz，带宽1.25 MHz (2) 码片速率： 1.2288 Mc/s； (3) 比特率： 速率集1为9.6 kb/s，速率集2为14.4 kb/s，CDMAB为115.2 kb/s； (4) 帧长度： 20 ms； (5) 语音编码器：QCELP 8 kb/s，EVRC 8 kb/s，ACELP 13 kb/s； (6) 功率控制：上行链路采用开环+快速闭环， 下行链路采用慢速闭环； (7) 扩展码： Walsh+M的序列。 CDMA系统具有以下主要特点： (1) 系统容量大，根据理论计算和实际测试表明， CDMA系统容量是模拟系统的1020倍，是TDMA系统的4倍。 (2) CDMA系统具有软容量特性。在FDMA和TDMA系统中，当所有频道或时隙被占满以后，再无法增加一个用户。 此时若有新的用户呼叫，只能遇忙等待产生阻塞现象。而 CDMA系统的全部用户共享一个无线信道，用户信号是靠编码序列区分的，当系统负荷满载时，再增加少量用户只会引起话音质量的轻微下降，而不会产生阻塞现象。 CDMA系统的这一特性，使系统容量和用户数之间存在一种“软”关系。在业务高峰期间，可以通过稍微降低系统的误码性能，达到增多系统用户数目。系统软容量的另一种形式是小区呼吸功能。所谓小区呼吸功能是指各个小区的覆盖区域大小是动态的。当相邻的两个小区负荷一轻一重时，负荷重的小区通过减小导频发射功率，使本小区边缘的用户由于导频功率强度不够而切换到相邻小区，使重负荷小区的负荷得到分担，从而增加了系统的容量。 (3) CDMA系统具有软切换功能。所谓软切换是指当移动台需要切换时，先与新小区的基站连通，再与原来小区的基站切断联系。在切换过程中，原小区的基站和新小区的基站同时为过区的移动台服务。软切换功能可以使过区切换的可靠性提高。 (4) CDMA系统具有话音激活功能。由于人类通话过程中话音是不连续的，占空比小于35%。CDMA系统采用可变速率声码器，在不讲话时传输速率降低，减小对小区其他用户的影响，从而增加系统的容量。 (5) CDMA系统是以扩频技术为基础的，因此具有抗干扰、 抗多径衰落、保密性强等优点。 CDMA系统的无线链路系统的无线链路 与GSM系统相同，在CDMA系统中，除了传输业务信息的业务信道之外，还有传输控制信息的控制信道。前向链路最多可以有 64条同时传输的逻辑信道。信道类型共有 4 种：导频信道、同步信道、寻呼信道和业务信道。 导频信道是基站连续发送的导频信号，为移动台提供解调用的相干载波，并作为移动台过境切换的测量信号。同步信道是基站连续发送的同步信号， 为移动台提供同步信息。 第三代移动通信系统第三代移动通信系统 (3G) 1. 随着世界范围通信领域的迅猛发展，移动通信已逐渐成为通信领域的主流。到目前为止，商用移动通信系统已经发展了两代。第一代移动通信系统是采用FDMA方式的模拟移动蜂窝系统，如 AMPS、TACS等。由于其系统容量小，不能满足移动通信业务的迅速发展，目前已逐步被淘汰。第二代移动通信系统采用TDMA或窄带CDMA方式的数字移动蜂窝系统， 如G SM、 CDMA等，它是目前世界各国所广泛采用的移动通信系统。 第二代移动通信系统在系统容量、通信质量、功能等方面比第一代移动通信系统有了很大提高。 随着移动通信终端的普及，移动用户数量成倍地增长，第二代移动通信系统的缺陷也逐渐显现，如全球漫游问题、系统容量问题、频谱资源问题、支持宽带业务问题等。为此，从 20 世纪 90 年代开始，各国和世界组织又开展了对第三代移动通信系统的研究，它包括地面系统和卫星系统，移动终端既可以连接到地面的网络，也可以连接到卫星的网络。第三代移动通信系统工作在2000 MHz频段，预期在2002年左右投入商用，为此 1996年国际电信联盟正式将其命名为IMT-2000。 第三代移动通信系统的框架结构是将卫星网络与地面移动通信网络相结合，形成一个全球无缝覆盖的立体通信网络，以满足城市和偏远地区不同密度用户的通信要求，支持话音、数据和多媒体业务，实现人类个人通信的愿望。 作为下一代移动通信系统， 第三代移动通信系统的主要特点有: (1) 第二代移动通信系统一般为区域或国家标准， 而第三代移动通信系统将是一个在全球范围内覆盖和使用的系统。 它将使用共同的频段，全球统一标准或兼容标准，实现全球无缝漫游。 (2) 具有支持多媒体业务的能力，特别是支持 Internet业务。 现有的移动通信系统主要以提供话音业务为主，随着发展一般也仅能提供 100200 kbs的数据业务，GSM演进到最高阶段的速率能力为 384 kbs。而第三代移动通信的业务能力将比第二代有明显的改进。 它应能支持从话音、分组数据到多媒体业务；应能根据需要提供带宽。ITU规定的第三代移动通信无线传输技术的最低要求中， 必须满足在以下三个环境的三种要求。即： 快速移动环境， 最高速率达144 kbs 室外到室内或步行环境， 最高速率达384 kbs 室内环境， 最高速率达2 Mbs。 (3) 便于过渡、演进。由于第三代移动通信引入时， 第二代网络已具有相当规模，所以第三代的网络一定要能在第二代网络的基础上逐渐灵活演进而成，并应与固定网兼容。 (4) 支持非对称传输模式。由于新的数据业务， 比如WWW浏览等具有非对称特性，上行传输速率往往只需要几千比特每秒，而下行传输速率可能需要几百千比特每秒，甚至上兆比特每秒才能满足需要。 (5) 更高的频谱效率。通过相干检测、 Rake接收、软切换、智能天线、快速精确的功率控制等新技术的应用，有效地提高系统的频谱效率和高服务质量。 2. 第三代移动通信系统的研究进展第三代移动通信系统的研究进展 无线传输技术（RTT）是第三代移动通信系统的重要组成部分，其主要包括调制解调技术、信道编解码技术、复用技术、多址技术、信道结构、 帧结构、RF信道参数等。无线传输技术的标准化工作主要由 ITU-R完成，网络部分由ITU-T负责。 ITU还专门成立了一个中间协调组(ICG),使ITU-R和ITU-T之间定期进行交流，并协调在制定 IMT-2000技术标准中出现的各种问题。根据国际电联对第三代移动通信系统的要求，各大电信公司联盟均已提出了自己的无线传输技术提案。 至1998年9月，包括移动卫星业务在内的 RTT提案多达16个，它们基本来自IMT-2000的16个RTT评估组成员。其中有10个是IMT-2000地面系统提案(表 12 - 1)，6个是卫星系统提案。到2000年初已完成了IMT-2000的无线技术详细规范。 从市场基础、后向兼容及总体特征看，这10个候选方案中欧洲ETSI的UTRA和美国的 cdma2000最具竞争力，它们都是采用宽带CDMA技术。cdma2000主要由 CDMA和IS-41标准发展而来，与AMPS、 DAMPS、 CDMA都有较好的兼容性，同时又采用了一些新技术，以满足 IMT-2000的要求。 正式向正式向ITU提交的候选提交的候选RTT 方案方案 序号 提交者 候选RTT方案 1 日本ARIB W-CDMA 2 欧洲ESA SW-CDMA&SW -CTDMA 3 ICO ICO RTT 4 中国CATT TD-SCDMA 5 韩国TTA Global CDMA &, Satellite RTT 6 欧洲ETSI-DECT EP-DECT 7 欧洲ETSI-UTRA UTRA 8 美国TLA UWC-136, cdma2000, WIMSW-CDMA 9 美国TIP1-ATIS WCDMA/NA 10 INMARSAT Horizons 3G主流方案的技术比较主流方案的技术比较 W-CDMA CDMA2000 TD-SCDMA 信道带宽 5/10/20 MHz 1.25/5/10/15/20 MHz 1.2 MHz Chip速率 N3.84 Mc/s N1.2288 1.28 Mc/s 帧长 10 ms 20 ms 10 ms FEC编码 (r=1/2, 1/3, k=9)RS码(数据) 卷积码(r=1/2, 1/3, 3/4, k=9)Turbo 码(数据) 卷积码(r=1/41, k=9)RS码(数据) 交织 卷积码： RS码： 帧间交织 块交织 卷积码：帧内交织RS码：帧间交织 扩频 Walsh+Gold 序列 Walsh+M 序列 Walsh+PN 序列 W-CDMA cdma2000 TD-SCDMA 调制 数据调制： QPSK/BPSK 扩频调制：QPSK 数据调制： QPSK/BPSK扩频调制： QPSK/OQPSK DQPSK/16QAM 相干解调 专用导频信道 前向：公共导频信 反向：专用导频信道专用导频信道 专用导频信道 双工方式 FDD-TDD FDD TDD 多址方式 DS-CDMA DS-CDMA， MC-CDMA TD-SCDMA 功率控制 FDD： 开环+快速闭环TDD：开环+慢速闭环 开环+快速闭环 开环+快速闭环 基站间同步 异步，同步 (可选) 同步(GPS) 同步(GPS或其他)