《通信技术总结》PPT课件

1,移动通信技术(第2版),2,第1章 移动通信概念,内容 移动通信的基本概念 移动通信系统的组成,3,1.1 移动通信的基本概念,移动通信概念 移动通信的特点 移动通信的工作方式,4,移动通信的概念 通信双方或至少有一方在移动中进行信息交换的通信方式如：移动体（车辆、船舶、飞机）与固定点之间的通信、或活动的人与固定点、人与人及人与移动体之间的通信等 可以双向或单向工作 多种信息形式,1.1.1移动通信概念,5,移动通信的类型 按使用对象分 按用途和区域分 按经营方式分 按信号性质分 按无线频段工作方式分 按网络形式分 按多址方式分,1.1.1移动通信概念,6,1.1.2 移动通信的特点,移动通信是有线、无线相结合的通信方式 电波传播条件恶劣，存在严重的多径衰落 强干扰条件下工作 具有多普勒效应 存在阴影（盲区） 用户经常移动，与BS无固定联系,7,1.1.3 移动通信的工作方式,单工 轮流收、发（按-讲） 同频单工、异频单工 例：对讲机 双工 通信双方同时收发 例：移动电话,8,半双工 一方轮流收发(单工)，另一方同时收发(双工) 双工侧采用天线共用器 例：集群调度 准双工-双工方式的一种特殊形式 接收机常开，发射机只在有信号需发射时才开 优点：移动台省电 减少空中干扰电平,1.1.4 移动通信的工作方式,9,1.2 移动通信系统的组成,组成： MSC（Mobile service switching center） BS（Base station） MS（Mobile station） PSTN（Public switched telephone network） 与其他网络相连的中继线,10,1.3 移动通信中信号的基本处理过程,数字移动通信系统中，需把模拟信号转换成适合在空中无线信道中传输的数字信号 发射信号处理 接收信号处理以GSM信号处理为例：,11,本章小结,移动通信概念 移动通信的特点 移动通信的工作方式 移动通信系统的组成,12,第2章 移动通信主要技术,无线区域覆盖结构 频率利用 移动通信中的控制与交换 路由及接续 移动网络的抗衰落、抗干扰技术,13,2.1无线区域覆盖结构,区域覆盖结构 组网制式 正六边形无线区群结构 移动通信网络结构和信道,14,区域覆盖结构,根据其接续、覆盖方式分成多重结构无线小区基站区位置区MSC区PLMN区GSM服务区,15,小区：一个基站或基站的一部分（扇形天线）所覆盖的区域。 基站区域：一个基站的所有小区所覆盖的区域。 位置区：MS（Mobile station，移动台）可任意移动不需要进行位置更新的区域。位置区可由一个或若干个小区组成。 MSC区（Mobile Service Switching Center ，移动业务交换中心 ）：一个MSC所管辖的所有小区共同覆盖的区域。一个MSC可由一个或若干个位置区组成。 PLMN服务区：若干个MSC区组成。（Public Land Mobile Network，公共陆地移动网络 ） 系统服务区：MS可获得服务的区域，无须知道MS实际位置而可马上通信的区域。可由若干个同标准公用移动电话网组成。,16,2.1.1组网制式,按服务区覆盖方式可分为 大区制 小区制 大区制 小区制 小区形状的选择,17,1.大区制,概念 整个服务区内只设一个基站，负责区内联络与控制,R为分集接收台,18,2.小区制,概念 整个服务区划分为若干个小区，每个小区设一个基站，负责本小区的联络与控制，并在MSC的统一控制下，实现小区间转接与其他网络的联系 适用：大容量移动通信系统,19,3.小区形状的选择,服务区形状：线状、面状（无缝覆盖） 相同地形地物、全向天线圆形小区 规划设计中为邻接覆盖服务区，用圆内接正多边形代替圆(正三角形、正方形、正六边形),20,2.1.2正六边形无线区群结构,无线区群的构成 激励方式,21,2.1.3.信道,传输信息的通道（双向）有线信道、无线信道（根据媒介不同分） 无线信道：MS与BS间的一条双向传输通道 FDD方式时双向使用分开的两个无线频率上行：MS BS下行：BS MS 双工间隔：上下行频率的差值 信道的含义 模拟系统：信道=频道（波道）-FDMA 数字GSM：信道=时隙 -TDMA CDMA： 信道=地址码 -CDMA,22,2.2频率利用,频率资源 同频复用 多信道共用 多址技术,23,2.2.2同频复用,同频复用概念 同频复用方式,24,同频复用 同一载波的无线信道用于覆盖相隔一定距离的不同区域（相当于频率资源再生）即：小区制中间隔一定距离重复使用相同频率 蜂窝移动通信网络由若干个无线小区构成，区群内使用不同频率，不同的区群可使用相同的频率假设每个群N个小区，则需N组频率 同频复用须考虑同频干扰问题,25,2.同频复用方式,43 、33、26、13方式 43方式指4个基站组成一个无线区群，每个基站3个扇区即至少需12个载频构成一个区群覆盖的频道组 复用越紧密，频率利用率越高但需考虑同频干扰问题 选择复用方式需考虑网络具体情况,26,2.2.3多信道共用,占用信道方式 独立信道方式 多信道方式 多信道共用：多个用户共同享用多个信道,思考：多少用户共用多少信道最佳？,27,1.话务理论,呼叫话务量A 度量通话业务量或繁忙程度 单位时间内呼叫次数与每次呼叫平均占时的乘积 A=Ct (Erl) 1Erl：一个信道被连续占用1小时的话务量一个信道的最大话务量多个信道或中继线上的话务量可能大于1Erl,28,类型 完成话务量A0 损失话务量AL ( AL=A-A0 ) 呼损：多信道共用时，由于用户数大于信道数， 多个用户同时需要通话时可能由于信道数 不够而使一部分用户不能通话，导致 呼叫失败 损失话务量：呼叫失败损失的话务量,29,呼损率B 多信道共用时呼叫失败的概率 B=(AL/A)100% =(CL/C)100% A、B在需求上是一对矛盾服务质量、用户需要B减小 需减小流入话务量需减小用户数,运营商不愿意,30,呼损率的计算 爱尔兰公式 条件：呼叫的随机性、同时间概率 爱尔兰呼损表：A、B、n的关系 n：共用信道数 工程上使用,31,32,繁忙小时集中率K 忙时：一天中最繁忙的一小时非忙时： K=忙时话务量/全日话务量,33,每用户忙时话务量A用户 A用户=CTK/3600 (Erl/用户) C：每天平均呼叫的次数T(秒)：每次呼叫平均占用信道时间CK：可视为忙时呼叫次数 专用系统：0.06 Erl/用户公用系统：0.01 Erl/用户 例2-1,34,2.2.4多址技术,多路复用 发端：用专门的合路设备将多用户信号 合在一条路径上传输收端：用分路设备将各用户的信号分开 适用于有线传输提高中继线路的利用率,35,多址技术 发端：给用户信息赋予不同的特征， 然后向空中发射，自然合路收端：根据不同的特征，从空中提取自己的信号 适用于无线传输提高频率利用率 类型（不同特征） FDMA（频率） TDMA（时间） CDMA（编码） SDMA（空间方向）,36,37,1. FDMA,概念：以频率区分不同的用户信号 每个用户占用一个频道传输信息 区别于FDD（频分双工） FDM（频分复用） 原理： 发端：每个用户的信息调制到不同载频上传输收端：接收解调获取自己的信息,38,39,特点： 频率利用率低，系统容量有限每个频道一对频率，只可送一路话音 信息连续传输。,40,2.TDMA,概念：以传输时间区分不同的用户信号 每个用户占用一个频道的不同时间段传输信息 区别于TDD（时分双工） TDM（时分复用） 原理： 发端：每个用户的信息调制到一个载频上 在规定的时间段传输收端：在规定的时间段接收 解调获取自己的信息,41,特点 抗干扰能力强，保密性好 不存在频率分配问题，对时隙的管理和分配简单而经济。对时隙动态分配，有利于提高容量，系统容量较FDMA大 需要严格定时与同步，以免信号重叠或混淆因为信道时延不固定 可提高频谱利用率，减少BS工作频道数，从而降低BS造价，方便非话业务的传输 GSM中采用FDMA/TDMA方式,42,3. CDMA,概念：以不同编码特征区分不同的用户信号 每个用户、信息、基站用不同的编码调制（地址调制）,43,(1)原理,发端：不同用户信息用不同的地址码调制后传输收端：用与发送端相同的地址码解调获取自己的信息,44,频率利用率高 使用相同频率，占用相同带宽，同时收发信号 容量大 容量：CDMATDMAFDMA CDMA约是TDMA的46倍 约是FDMA的20倍,(2)特点,45,(3)CDMA系统容量,容量：CDMATDMAFDMA CDMA与GSM的容量比较 CDMA的容量不固定（软容量）,46,4. SDMA,定向天线多波束天线 概念：以不同空间方向性区分不同的用户信号 每个用户占用不同的空间波束 原理：（波束赋形） 根据来波方向角估算确定定向发射方向 自适应阵列天线,47,类型 多波束天线（2G） 自适应阵列天线（3G） 应用 TDD方式易实现（上下行空间传播特性接近） FDD方式较难（上下行空间传播特性差异大） 一般不单独使用例：TD-SCDMA,48,2.3移动通信中的控制与交换,移动交换系统的特殊要求 位置登记 越区切换 漫游,49,2.3.1移动交换系统的特殊要求,设备：数字程控交换机（特殊要求） （软交换设备） 对移动交换机的特殊要求 用户数据存储 用户位置登记 寻呼用户的信令系统识别及处理 越区切换 过荷控制 远距离档案存取 路由控制,50,2.3.2位置登记（位置更新）,概念：MS向BS发送报文表明自己所处位置的过程归属用户位置寄存器HLR、访问用户位置寄存器VLR中存储 位置区家区(归属区)-HLR被访区-VLR,51,类型 强制登记-开机或进入新的位置区 周期性登记-表明MS仍处于工作状态 一齐呼叫 概念：在有某MS的呼叫时，根据位置信息表明被呼用户在某个位置区，但不知其所处的具体小区时，则位置区内所有基站一齐发出被呼移动台识别码 位置区小区 MS在收到被呼信息后自动应答，其他由应答小区提供接续服务 延迟拨发：MS主叫时先拨号再按发射键发射 节省占用信道的时间,52,2.3.3越区切换,概念 通常：通话过程中，MS由一个小区进入另一个小区时，为保持通话不断，进行的频道转换 空闲状态下的切换（控制信道） 类型 根据控制区域划分 同一BSC下小区间的切换 同一MSC，不同BSC下小区间的切换 不同MSC小区间的切换,53,根据切换实现过程分 硬切换：在切换时先中断与原基站的通信，再建立与新基站的通信 软切换：在切换时先不中断与原基站的通信，与目标基站取得可靠通信后再中断与原基站的通信,54,硬切换：信号有短时中断（GSM中要求800ms）易发生乒乓效应，产生掉话 软切换：信号不中断，同时有多个基站为一个MS提供接续服务不易产生乒乓效应，不易掉话CDMA中在相同MSC的同频小区间进行,55,2.3.4漫游,概念：MS离开注册入网的服务区域仍能获得入网通话服务的功能 实现过程：位置登记、呼叫转移、呼叫建立 归属区-归属局-本局用户被访区-被访局-漫游用户,56,2.4路由及接续,周期性位置登记： 概念：每隔一定时间进行一次位置登记，表明MS仍处于工作状态 原因：为避免MS关机信息未被系统正确解调，误以为MS仍开机，有呼叫时盲目寻呼，浪费资源 方法：每次登记须连续发送报文，直到收到系统的响应,57,本章小结,为了提高频谱的利用率，大容量移动通信系统采用正六边形无线小区制结构，并进行多频道共用和同频复用，专用呼叫信道方式可用于提高呼叫接续的速度。 移动通信系统中常用的多址技术有FDMA、TDMA、CDMA和SDMA等，不同的系统可组合应用，以提高系统容量 由于用户的可移动性，移动交换机必须具有特定的功能，移动通信网必须具有如位置登记、越区切换、漫游等跟踪交换技术。 MS开关机时，在系统会对其作附着或分离标记，以标明MS状态。,58,第3章IS-95CDMA到cdma2000的发展及技术应用,内容 IS-95 CDMA网络结构及基本原理 IS-95 CDMA的无线接口及关键技术 IMT2000的系统组成 CDMA2000的网络演进 CDMA2000的无线接口及关键技术,59,3.1 IS-95CDMA(CMS),CDMA系统组成及网络结构 上、下行链路工作原理 CDMA中的关键技术,60,3.1.1 CDMA系统组成及网络结构,典型的数字蜂窝移动通信网络结构 系统组成 网络子系统NSS（或交换子系统SS） MSC HLR、VLR、AUC、EIR 基站子系统（BSS） BSC BTS 操作维护子系统（OSS） 移动台子系统（MS）,61,3.1.1 CDMA系统组成及网络结构,62,1. 网络子系统NSS,功能：系统交换（MSC） 用户数据管理（HLR） 移动性管理（VLR） 安全性管理（AC） 移动设备管理（EIR）,63,MSC：电话交换功能-核心功能 呼叫建立，路由选择，控制、终止呼叫 交换区内切换 业务提供，费用信息 信令及网络接口 类型：普通MSC 网关MSC（GMSC） -选路 汇接MSC（TMSC） -汇接,1. 网络子系统NSS,64,HLR：存所有被管理用户的数据 -静态数据库 功能：用户数据管理 存储信息：用户信息（入网、业务） 位置信息（LAI） 号码：MDN（GSM中为MSISDN）、IMSI VLR：临时存储进入被控区域的移动用户的信息-动态数据库 功能：移动性管理 用户离开时，信息即被删除,1. 网络子系统NSS,65,EIR：存移动设备的ESN 功能：防止非法设备入网使用比较白、灰、黑名单 移动设备管理 AC：存鉴权信息和加密密钥等用于安全方面的信息 功能：安全性管理 注：HLR/AC MSC/VLR,1. 网络子系统NSS,66,组成：无线信号收发（BTS） 无线资源管理（BSC） BSC：功能：各种接口管理， 无线资源和无线参数管理 如：切换定位、时间确定；功率控制；时间提前量确定 BTS： 功能：提供与MS的接口及无线链路 由BSC控制并服务于某小区的无线收发设备，完成信道转接，与MS间无线传输及相关控制,2.基站子系统BSS,67,功能：操作控制、维护管理 主要管理项目及功能单元： 移动用户管理-HLR计费管理 -MSC、GMSC 移动设备管理-EIR移动网络管理-OMC OMC： 网络监视、操作 无线规划 交换系统管理 性能管理 ,3.操作维护子系统OSS,68,MS：提供用户接入系统的接口 用户设备：手机、车载台、MT MS=ME+UIM(GSM中为SIM) 移动台必须插入UIM才能正常呼叫 在紧急呼叫时可不插UIM如：119、120、110、122、112,4.移动台MS,69,3.1.2 上、下行链路工作原理,无线信道 下行链路（前向：BTS发往MS） 上行链路（反向：MS发往BTS）,70,3.1.3 CDMA中的关键技术,越区切换,71,1.越区切换,同一载频、同一MSC下的小区间的软切换 同一载频在同一基站扇区间的更软切换 不同载频或不同MSC下小区间的硬切换 CDMA与AMPS系统间的切换（*美国：数、模系统间的切换）,72,3.2 cdma2000,3G概述 cdma2000标准的演进 cdma2000无线接入技术 cdma2000关键技术,73,3.2.1 3G概述,IMT2000：预计2002年左右商用 使用2GHz频段 家族概念,74,IMT-2000系统结构,组成： 由四个功能子系统组成：核心网CN、无线接入网RAN、移动台MT和用户识别模块UIM,75,3.2.2 cdma2000标准的演进,cdma2000的发展 cdma2000的特点 cdma2000网络侧标准的演进 网络结构的演进,76,1. cdma2000的发展,cdma2000无线侧标准演进过程 cdma2000宽带CDMA技术数据速率：室内：2Mbit/s 室外车辆：144kbit/s 室外步行：384kbit/s IS-95IS-2000CDMAoneIMT2000 cdma2000 1x, cdma2000 1xEV-DO, cdma2000 1xEV-DV, cdma2000 3x,77,2. cdma2000的特点,cdma2000 1x 使用1.25MHz带宽的载波 相同条件下，语音容量是IS-95的2倍，数据业务容量是IS-95的3.2倍,78,本章小结,IS-95 CDMA系统(CMS)由NSS、BSS、MS和OSS组成 CDMA是用编码区分不同用户的，可以用同一频率、相同带宽同时为用户提供收发双向的通信服务。,79,CDMA系统支持硬切换、软切换、与模拟AMPS系统间的切换。但是，CDMA系统优先使用软切换，软切换根据导频信号的强度和持续时间决定切换的,80,IMT2000由CN、RAN、MT和UIM组成，并定义了4个标准接口。 3G标准中最受关注的是基于GSM系统的WCDMA、基于IS-95 CDMA的cdma2000和TD-SCDMA,81,第4章 GSM、GPRS到WCDMA的发展及技术应用,内容 GSM主要技术及无线接口 GPRS无线接口和关键技术 WCDMA的无线接口和关键技术,82,4.1 GSM,GSM系统组成及网络结构 GSM数字信号的处理 GSM中的频率利用 无线接口 SIM及安全技术,83,GSM技术指标及参数,频段： GSM900：下行：935960MHz 上行：890915MHz双工间隔：45MHz 频带宽度：25MHz 载频间隔：200KHz （频道间隔） 信道分配：每载频8时隙；全速信道8个通信方式：全双工 （准双工） 调制方式：GMSK,84,4.1.1 GSM系统组成及网络结构,GSM系统 (符合典型2G数字移动通信系统结构) 网络子系统NSS（或交换子系统SS） MSC HLR、VLR、AUC、EIR 基站子系统（BSS） BSC BTS 操作维护子系统（OSS） OMC 移动台子系统（MS）,85,2.频道序号对应工作频率的计算,已知n为频道序号 GSM900 n：1124 上行：fl(n)=890.2+(n-1)*0.2MHz 下行：fh(n)=935.2+(n-1)*0.2MHz = fl(n)+45MHz *实际工作中的“信道”往往指的是频道，请注意区分使用场合 DCS1800 n：512885 上行：fl(n)=1710.2+(n-512)*0.2MHz 下行：fh(n)=1805.2+(n-512)*0.2MHz = fl(n)+95MHz,86,4.1.2 SIM及安全技术,SIM（用户识别模块） 功能 数据存储：IMSI、TMSI、鉴权键Ki、密钥Kc、密钥序号n、加密算法A3、A5、A8、PIN、PUK、PLMN号、LAI、BSIC、业务、个人信息 执行安全操作：鉴权、加密、IMSI的保密、PIN操作,87,4.2 GPRS,GPRS概述 GPRS的结构 无线接口 GPRS功能及实现,88,GPRS概念：在GSM Phase2+阶段引入的通用分组无线数据业务，核心网采用基于分组交换的IP传输技术，传送不同速率的数据及信令。 GPRS是对GSM的升级，应用于GSM，不会替代GSM；是2.5G的过渡技术。,4.2.1 GPRS概述,89,4.2.2 GPRS的结构,基于GSM的GPRS网络结构,90,组成（在GSM网络结构上的改造） 新增节点 业务支持节点SGSN：鉴权、移动性管理、防火墙、位置登记、传输、计费 网关支持节点GGSN：转发、协议转换、防火墙、地址分配、计费 分组控制单元PCU：信道管理、（对分组数据）接入控制 -设在BSC中,1.基于GSM的GPRS网络结构,91,4.3 WCDMA,WCDMA标准的演进 WCDMA无线接入技术 WCDMA中的关键技术,92,4.3.1 WCDMA无线接入技术,UMTS系统结构,93,1UMTS系统结构,UMTS是采用WCDMA空中接口技术的3G，通常也把UMTS系统称为WCDMA通信系统 由核心网CN、UMTS陆地无线接入网UTRAN和用户设备UE组成 UMTS网络在设计时遵循以下原则 RAN与CN功能尽量分离，即对无线资源的管理集中在RAN完成，而与业务和应用相关功能在CN执行其中，CN与UTRAN的接口定义为Iu，UTRAN与UE的接口为Uu接口,94,95,4.3.2 WCDMA中的关键技术,主要技术及参数,96,1.主要技术及参数,基站同步方式：支持异步和同步的基站运行 信号带宽：5MHz 调制方式：QPSK 解调方式：导频辅助的相干解调方式 语音编码：AMR（自适应多速率话音编码）,97,WCDMA与GSM指标的比较,98,本章小结,GSM与CMS具有相同的网络结构。 GSM系统采用FDMA/TDMA两种多址技术，先把总频段按200KHz的间隔划分频道，再把每个频道划分为8个时隙。 GSM系统中用户侧的所有用户信息存储在SIM卡中，GSM系统用SIM卡中的信息来区分用户，用户在使用时必须插入SIM卡,99,GPRS是GSM在Phase2+阶段引入的通用分组无线数据业务，其核心网采用基于分组交换模式的IP技术，传送不同速率的数据及信令，是对GSM的升级，应用于GSM，不会替代GSM GPRS须在GSM基础上新增SGSN、GGSN节点，在BSC上增加PCU模块，同时对GSM的BTS、HLR、MSC/VLR、OMC、计费系统、终端作软件升级或改造 GSM到WCDMA的演进经历了多个版本，最初由GSM和GPRS合并升级而成。,100,第5章TD-SCDMA的发展及技术应用,内容 TD-SCDMA的发展及演进 TD-SCDMA的无线接入技术 TD-SCDMA的关键技术,101,1.SDMA与CDMA的互补作用,当用户靠得很近时，纯SDMA无法精确分辨用户位置，利用CDMA可准确实现 SDMA采用CDMA技术后，运算量降低 CDMA中采用SDMA可精确定位MS，扩大系统容量,102,2.TD-SCDMA中“S”的含义,空分多址Space Division Multiple Access（智能天线Smart Antenna） 软件无线电Soft Radio 同步Synchronous (Sync),103,5.1.1 TD-SCDMA的发展及特点,TD-SCDMA标准提案由我国原无线通信标准组（CWTS，现更名为中国标准化协会，CCSA）于1998年6月提交到ITU和相关国际标准组织，成为IMT-2000无线传输技术候选方案之一 2001年3月在美国加利福尼亚州举行的3GPP RSG RAN第11次全会将TD-SCDMA列为第三代移动通信系统标准之一，包含在3GPP Release 4（R4）中,104,TD-SCDMA标准与其他3G标准相比具有较明显的优势 频谱分配的灵活性 高频谱利用率 更适合未来非对称业务的特点,105,5.2 TD-SCDMA的系统结构,TD-SCDMA与UMTS具有一样的网络结构 由CN、UTRAN和UE三个部分组成。 CN和UTRAN间的接口为Iu接口，是有线接口UTRAN和UE间的接口为Uu接口，即空中接口 各组成部分的功能和接口（除空中接口）的含义、分层等均相同,106,5.3 TD-SCDMA的关键技术,智能天线技术 联合检测 接力切换技术 动态信道分配 软件无线电技术 其他技术：系统码道 同步码分多址技术,107,本章小结,在TD-SCDMA中充分利用了TDMA、CDMA和SDMA等多址技术。TD-SCDMA中“S”的含义包括：同步、智能天线和软件无线电三种 为提高系统性能，TD-SCDMA采用了很多关键技术：智能天线、联合检测、接力切换、动态信道分配、软件无线电、系统码道、同步码分多址技术,108,作业小结,1、移动通信的特点 2、移动通信系统的组成 3、什么是小区制 4、蜂窝系统中常用的多址方式有哪些 5、移动交换系统的特殊要求有哪些 6、3-1 画出典型的第二代数字移动通信系统框图，并说明各组成部分的作用。,109,作业小结,7、3-10 画出IMT-2000功能模型并简述其系统组成。 8、与GSM相比，GPRS新增的主要设备有哪些，并简述其功能 9、4-3计算第121号频道上、下行工作频率 10、为了提高系统性能，TD-SCDMA采用了哪些关键技术 11、画出UMTS系统结构，并说明UMTS系统组成,