第1章绪论tell.docx
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第1章绪论tell
第1章绪论
☐“无线通信系统”的应用例子:
车库门开启器,家庭娱乐设备遥控器,无绳电话,手持对讲机,寻呼机和蜂窝电话都是无线通信系统的例子。
不过各种移动系统成本、复杂度、性能和提供的服务类型大不相同.(可解释)
☐术语“移动”:
曾被用来区分任何在使用中可以移动的无线终端。
近来,“移动”这个术语被用来描述可以在高速移动平台上使用的无线终端(例如,快速运动的汽车上的蜂窝移动电话),
☐术语“便携”:
用来描述可以手持的在行进中使用的无线终端(例如,对讲机或室内的无绳电话)。
☐用户群:
一般来说,无线系统中的用户群叫做用户或移动用户,其中的许多用户使用便携终端。
☐通信过程概述:
移动终端和固定的基站通信,基站被联接到固定的骨干网络上。
☐关于无线系统中的较详细的一般术语:
例表无线系统定义
术语
定义
基站
移动无线系统中的固定站台,用来和移动台进行无线通信。
基站建在覆盖区域的中央或边缘.包含有无线信道和架在塔上的发射、接收天线。
SEEP4->P11
控制信道
用于呼叫建立,呼叫请求,呼叫初始化和其它标志及控制用途。
前向信道
用来从基站向用户传送信息的无线信道。
以基站为主方
全双工系统
同时允许双向通信的通信系统。
发送和接收一般使用两个不同的频道(例如FDD),而新的无绳或个人通信系统使用TDD技术。
半双工系统
使用一条信道来发送和接收,只允许单向通信的通信系统。
在任一个指定的时刻,用户只能发送或接收信息
切换
将移动站从一个信道或基站切换到另一个信道或基站的过程
移动站
在蜂窝移动服务中.计划在不确定的地点并在移动中使用的终端。
移动站可以是便携的手持部件,或是安装在移动车辆上
移动交换中心
在大范围服务区域中协调呼叫路由的交换中心。
在蜂窝系统中,移动交换中心将蜂窝基站和用户连到公用交换电话网上。
移动交换中心也称作移动电话交换局
寻呼
将简短的信息广播到整个服务区域中,一般通过许多基站同时广播的方式进行
反向信道
用来从移动用户向基站传输信息的无线信道以基站为主方
漫游
移动台可以在不是最初登记的其他区域内通信
单工系统
只提供单向通信的通信系统
用户
使用移动通信服务而付费的使用者
收发信机
能同时发送和接收无线信号的设备
注:
TDD:
TimeDivisionDuplex
FDD:
FrequencyDivisionDuplex
无线通信系统分类:
1.寻呼系统:
定义及作用:
寻呼系统是给用户发送简短消息的通信系统。
根据不同的服务种类,消息可以是数字、字母或声音。
寻呼系统一般用来通知用户回应某个电话,或是到一个已知的地方去获得更进一步的信息。
在现代寻呼系统中,也可以发送标题新闻,股票行情和传真。
工作过程:
通过电话或调制解调器拨寻呼台号码(一般都是免费的电话号码)将消息发送到寻呼用户。
给出的消息叫作寻呼信息。
寻呼系统通过基站将携带寻呼信息的载波以广播的方式发送到整个服务覆盖范围内。
覆盖范围:
寻呼系统在它们的复杂性和覆盖区域上有很大不同。
简单的寻呼系统只能覆盖2至5公里的范围,或局限于某一建筑物内,而大范围寻呼系统能覆盖全球。
系统组成及特点:
寻呼机简单又便宜,但所需的发射系统很复杂。
大范围寻呼系统的组成有:
电话线网络、许多基站发射站和能同时将消息发射到每个基站的高无线发射塔(这也叫作广播)。
广播发射站可以建在同一个服务区域,或是在不同的城市,甚至不同的国家。
寻呼系统可设计成能向用户提供可靠的通信,而不管用户在什么地方:
在建筑物内,行驶在公路上,还是在飞机上。
这样,每个基站为了能有最大的覆盖范围,就需要采用大的发射功率(以千瓦计)和低的数据速率。
图1.3显示了一个大范围的寻呼系统图。
举例
寻呼系统用来提供高度可靠的覆盖,甚至包括建筑物内部。
建筑物能削弱无线信号20~30分贝,这使寻呼公司很难选择基站的位置。
因此,寻呼发射站一般建在城市中央高大建筑物的顶部,并且在城市边界上建造额外的基站,再加上采用广播方式来覆盖整个区域。
为了在每个寻呼机上获得最大的信噪比,寻呼系统采用了低射频带宽和只有6400bps或更低的数据速率。
2.无绳电话系统
简单定义:
无绳电话系统是使用无线电来连接便携手持机和专用基站的全双工系统,而专用基站通过电话线连到公用电话交换网上去。
Ø第一代无绳电话系统:
于80年代制造,便携部分只能和专用基站部分通信,并且只能达到几十米远。
早期的无绳电话只能作为连在公用电话交换网用户线上的电话分机。
并且主要是在室内使用。
Ø第二代无绳电话:
最近才引入(90年代末制造)。
允许用户在诸如市中心的许多室外场所使用,现代无绳电话有时可以和寻呼结合使用,以便用户收到寻呼时用无绳电话来回电话。
无绳电话系统向用户提供了有限的范围和移动性,并不能使用户在基站覆盖范围外移动时保持呼叫。
典型的第二代无绳电话基站能覆盖远达几百米的范围。
下图说明了无绳电话系统。
3.蜂窝移动电话系统
市场需求:
对个人通信的广泛需求促进了网络新技术的发展,这些新技术能满足那些经常来往于楼房和街道、城市和国家间的用户进行声音和数据通信的需要。
⏹蜂窝电话系统:
蜂窝电话系统为在无线覆盖范围内的任何地点的用户提供公用电话交换网的无线接入。
蜂窝系统能在有限的频带范围内、在很大地理范围内容纳大量用户。
它提供了和有线电话系统相当的通话质量。
⏹使用技术特点:
小区、切换。
高容量的获得主要是因为将每个基站发射站的覆盖范围限制到称为小区的小块地理区域,这样,相同的无线信道可以在相距不远的另一个基站里使用。
一种称作切换的复杂的交换技术,确保了当用户从一个小区移动到另一个小区时通话不中断。
⏹基本蜂窝系统组成元素:
Ø移动站MS:
包括收发器、天线和控制电路,可以安装在机动车辆上或作为便携手机使用。
Ø基站BS:
基站包括有几个同时处理全双工通信的发送器、接收器和支撑几个发送和接收天线的塔。
基站担当的作用就像桥的功能,将小区中的所有用户的通话通过电话线或微波线路连到MSC。
Ø移动交换中心(MSC):
负责在蜂窝系统中将所有的移动用户连接到公用电话交换网上,有时被称作移动电话交换局(MTS0)。
每个移动用户通过无线电和某一个基站通信,在通话过程中,可能被切换到其他任一个基站去。
MSC协调所有基站的操作,并将整个蜂窝系统连到PSTN上去。
典型的MSC可容纳10万个户,并能同时处理5000个通话,同样还提供计费和系统维护功能。
在大城市里,几个MSC可以使用同一载波。
Ø接口及信道:
基站和移动用户之间的通信接口被定义为标准公共空中接口(CAI),它指定了四个不同的通道。
以基站为基点:
用来从基站向用户传送语音的称为前向语音信道(FVC),用来从用户向基站传送语音的称为反向语音信道(RVC)。
两个负责发起移动呼叫的信道称为前向控制信道(FCC)和反向控制信道(RCC)。
注:
控制信道通常称为建立信道,因为它们只在建立呼叫和将呼叫移到没被占用的信道里去时使用。
控制信道发送和接受进行呼叫和请求服务的数据信息,并由未进行通话的移动台监听。
前向控制信道还作为信道标志,来建立系统中的用户广播通话请求。
值得注意的是:
管理和数据信息以很多方法发送,以实现自动的信道变化和用户通话前、通话中的切换。
例
蜂窝系统建立在频率复用概念之上,这要求相邻小区的前向控制信道(FCC)不同。
通过定义相对少量数目的FCC作为公共空中接口的一部分,可以制造出这样的蜂窝电话,它能迅速检测所有可能的FCC信道,确定任何时刻的信号最强的信道。
一旦发现了最强的信号,蜂窝电话接收器就停留在这个特定的FCC信道。
通过同时在所有的FCC信道里广播相同的建立数据,MSC能够给蜂窝系统中所有用户发信号,并确保任一个用户当有来自PSTN的呼叫时,都能接收到信号。
⏹GSM系统组成元素:
MS,BSS,NSS和OSS。
[见下面例图]
Ø移动台MS(MobileStation):
它主要包含手机、车载台(便携式)两种类型,它们均包含移动设备ME和用户识别模块SIM两个部分,而SIM卡中存有每个用户及其服务的所有信息,它是个人身份的特征。
Ø基站子系统BSS(BaseStationSubsystem):
它由基站收/发信台BTS[BaseTransceiverStation]和基站控制器BSC两个部分组成,是组成蜂窝小区的基本组成部分。
一个BSC可以控制数十个BTS。
BTS可以直接与BSC连接,当距离较远时,也可通过基站接口设备BIE采用远端控制的连接方式。
在BSC与移动业务交换中心的MSC之间的BSC一侧,还应包括码变换器TC和相应子复用设备SM。
有天线、天线共用器、通信频道收发信机、信令频道收发信机、扫描测试接收机、控制接口。
(可补网上定义)
Ø网络子系统NSS(NetworkSubsystem):
它主要满足GSM的语音与数据业务的交换功能及相应的辅助控制功能。
它主要包含有:
移动交换中心MSC(外来用户)、拜访位置[访问位置]的动态寄存器VLR(本地用户)、归属位置静态寄存器HLR、鉴权中心AUC、短消息业务中心SMSC、(移动)设备识别寄存器EIR及网关(入口)移动业务交换中心GMSC。
MSC和GMSC的主要功能有:
对本MSC覆盖区内的移动台业务完成交换与控制功能;完成本MSC覆盖区内无线资源管理和移动性管理;支持智能网业务;是移动通信系统与其它公用固定通信网之间的接口。
Ø操作支持子系统OSS(OperationSupportSystem):
它主要面向运营商而相对独立于GSM的核心BSS与NSS的一个管理服务中心。
它主要包含:
网络管理中心NMC、安全管理中心SEMC、用户识别卡管理中心PCS及用于集中计费管理的数据后处理系统DPPS。
注:
SIM:
SubscriberIdentityModule
注:
图中术语
MSC:
MobileSwitchingCenter
MTSO:
MobileTelephoneSwitchingOffice
PSTN:
PublicSwitchedTelephoneNetwork
补基站结构图
***************************************1st*
通知:
第3周[3月11日]课因出差调至第5周[3月29日]上午第2大节[10:
00-12:
30]进行,地点不变。
另第4周起课改为7:
00or7:
10开始,ok?
?
◆简单系统工作原理:
(蜂窝电话如何接通?
)
✧初始化阶段:
当蜂窝电话打开但还没有进行通话时,它首先检查前向控制信道组来确定信号最强的一个。
接着监视该控制信道直至信号降到不可使用的水平。
在此基础上,它再检测该控制信道以确定哪个基站信号最强。
[目前全球已研究出的每一个蜂窝系统中,控制信道在整个地理区域内被确定和标准化了,一般占用系统中所有信道的5%(其他95%用来为终端用户进行语音和数据传输)。
由于控制信道已经标准化了,在一个国家或大洲内不同地区是相同的,每个电话在空闲时检测相同的信道。
]
✧情况1:
当有电话呼叫某用户时[蜂窝电话系统中,设PSTN为主叫],将电话拨到移动用户过程中涉及到的事件顺序是在用户没有感觉的情况下于几秒钟内完成。
1)MSC向蜂窝系统里的所有基站发送请求。
移动识别数(MIN),[即用户的电话号码],作为寻呼内容广播到蜂窝系统内的所有前向控制信道内。
2)移动终端接收到它监视的基站发送的寻呼信息,并通过反向信道向基站响应。
3)基站传递移动终端发送的确认信息并提示MSC进行切换。
4)MSC指示基站将该呼叫移动到该小区内没有使用的信道上去(一般来说,每个小区内有一个控制信道和10至60个语音通道),
5)基站通知移动终端将频率改到一个没被使用的前向和反向语音信道上去,在此基础上,另一个数据信息(称为警告)通过前向语音信道发送到移动手机通知它振铃,以提示用户接电话。
6)一旦通话开始了,为了保证用户在移进及移出基站时的通话质量,基站调整移动终端的发送功率和移动终端与基站间的信道,即“切换”。
语音信道使用了特殊的控制信号来使基站和MSC在通话过程中控制移动终端。
✧当移动终端主呼时
1)在反向控制信道中发送通话初始请求。
通过这个请求,移动终端将电话号码、电子序列号(ESN)和被叫方电话号码发送出去,[移动终端还发送基站分类标识(SCM),表明该用户最大发送功率水平]。
2)小区基站接收到这些信息并将其发送给MSC。
3)MSC在校验该请求后,通过PSTN连接到被叫方,同时通知基站和主叫用户将信道移到没被使用的前向和反向语音信道上去,以便开始通话。
图1.7说明蜂窝系统中移动用户主叫时所牵涉到的事件发生的顺序。
✧漫游服务:
所有蜂窝系统都提供了漫游服务,这允许用户可以在不是归属位置的服务区域里能使用移动服务。
当用户进入了不是他的归属服务区域的城市或地区,他在这个新的服务区域中注册为漫游者。
这些是通过FCC完成的,因为每个漫游者一直都预占一个FCC信道。
每隔几分钟,MSC在系统中每个FCC信道中发送一个全局命令,要求所有先前没有注册的用户通过RCC报告他们的移动台识别号MIN和ESN。
系统中新的未注册的用户手机在收到注册要求后定期地报告用户信息,同时MSC用MIN/ESN数据向归属位置登记请求进入计费状态。
如果一个特定的漫游者已通过了漫游计费的授权(鉴权),MSC就将该用户登记为合法的漫游者。
一旦被登记了,漫游移动用户在该区域收发电话,计费自动传送到服务归属位置提供商那里。
其中牵涉到的网络概念在第9章中会讲到。
注:
FCC:
ForwardControlChannel
(FederalCommunicationCommission)
RCC:
ReverseControlChannel
MIN:
MobileIdentificationNumber
◆移动通信系统的协议栈(GSM协议分层结构):
(1)L1层,又称为物理层,它是无线接口的最低层,提供传送比特流所需的物理(无线)链路、为高层提供各种不同功能的逻辑信道,它包含业务与控制信道。
(2)L2层,又称为链路层,其主要目的是在移动台与基站之间建立可靠的专用数据链路。
L2层的协议是基于ISDN的D信道链路接入协议LAPD,但为了空中接口Um,需要做适当的修改,称它为LAPDm。
(3)L3层,又称为网络高层,它主要是负责控制和管理的协议层。
它把用户和系统控制过程的特定信道按一定的协议分组安排到指定的逻辑信道上。
L3层包含下列3个子层:
无线资源管理RR;移动性管理MM;接续呼叫管理CM,它含有并行呼叫处理、补充业务管理和短消息业务管理。
1.1移动通信的主要特点
移动通信,确切地说蜂窝式移动通信。
分为本地移动通信网和漫游移动通信网。
移动通信的主要特点:
具有三重动态特性
●信道动态性=>指导移动通信技术发展的原动力。
●用户动态性=>指导移动通信技术发展的原动力。
●业务动态性;对3G。
移动通信3个发展阶段的主要特色
●第一代(1G)蜂窝式网络结构
●第二代(2G)数字化技术
●第三代(3G)业务的多样性和多媒体化。
●第四代、五代。
通信方式:
●传统的固定式通信,又称为有线通信。
其终端(如电话机)固定在某一地点(如房间),其线路采用基本固定不动的全封闭式传输线,比如双绞线、电缆、光缆等。
其网络也是适应固定终端、固定传输线路的有线交换网络。
特点为:
Ø静态的,信道是封闭的,且是人造的,从而是优质的。
Ø容量、质量飞速提高,并基本满足了人类不断增长的通信需求。
Ø有线通信发展的瓶颈不在于传输,而主要在于交换方式与网络结构。
●无线通信针对上述静态的缺点,以开放式传播来传递信息。
特点为:
Ø通信方式从静态推至可移动式的准动态。
Ø无须采用固体介质专用线路->开放式传输的灵活性。
Ø信道的开放性必然会引起信道的时变性和随机性,从而大大降低了通信容量和质量。
●移动通信则是在无线通信的基础上,又进一步引入了用户的移动性,从而使终端从可移动的准动态进一步发展到真正的全动态。
特点为:
Ø在无线通信的一重信道动态的基础上:
又加入了第二重用户的动态性,这实质是两重动态性。
Ø移动通信技术的发展就是围绕着如何适应信道、用户二重动态性来进行的。
Ø这种二重动态性,成为指导移动通信技术发展的原动力。
Ø第三代(3G)移动通信技术中:
进一步引入的第三重动态性一一业务类型动态选择特性
1.2移动通信的发展
Ⅰ.总体方面及国内
◆总体方面
就正式商业运营而言,至今也不过只有30多年的历史,就其发展历程看,大约每十年就更新一代。
目前正处于第二代(2G)与第三代(3G)的交接期。
⏹第一代(1G)以模拟式蜂窝网为主要特征,是20世纪70年代末80年代初开始商用化的。
其中最具代表性的是北美的AMPS(AdvancedMobilePhoneSystem)[=世界第一个可商用系统]、欧洲的TACS(TotalAccessCommunicationSystem)两大系统,另外还有北欧NMT及日本的HCMTS系统等。
解决问题及技术措施:
Ø动态性问题:
解决最基本的用户这一重动态性、适当考虑到第二重信道动态性。
Ø用户的动态寻址问题:
采用频分多址FDMA方式。
Ø扩大覆盖服务范围和满足用户数量增长的需求问题:
以蜂窝式网络结构和频率规划实现载频再用方式。
主要解决技术问题=资源有限,蜂窝由贝尔实验室提出。
Ø在信道动态特性匹配问题:
◆干扰:
适当采用了性能优良的模拟调频方式。
◆空间选择性衰落:
利用基站二重空间分集方式抵抗。
⏹第二代(2G)以数字化为主要特征,构成数字式蜂窝移动通信系统,它于20世纪90年代初正式走向商用。
其中最具代表性的有欧洲的时分多址(TDMA)GSM[=率先,解决漫游->统一标准问题]、北美的码分多址(CDMA)的IS-95两大系统,另外还有日本的PDC系统等。
注:
GSM:
原意为GroupSpecialMobile,1989年以后改为GlobalSystemforMobileCommunications
解决问题及技术措施:
Ø动态性问题:
以数字化为基础,较全面考虑信道与用户的二重动态特性及相应的匹配措施。
Ø用户的动态寻址问题:
采用TDMA(GSM)、CDMA(IS-95)方式。
Ø扩大覆盖服务范围和满足用户数量增长的需求问题:
数字式蜂窝网络结构和频率(相位)规划实现载频(相位)再用方式。
注:
GMSK:
GaussianMinimumShiftKeying[=高斯滤波的最小移频键控,高斯最小频移键控]
DECT:
DigitalEuropeanCordlessTelephone
Ø在信道动态特性匹配问题:
◆干扰:
采用抗干扰性能优良的数字式调制:
GMSK(GSM)、QPSK(IS-95),性能优良的抗干扰纠错编码:
卷积码(GSM、IS-95)、级联码(GSM);
◆慢衰落与远近效应:
采用功率控制技术抵抗,这对于CDMA方式的IS-95尤为重要;
◆频率选择性衰落与多径干扰:
采用自适应均衡(GSM)和Rake接收(IS-95)抵抗
◆时间选择性衰落:
采用信道交织编码,如采用帧间交织方式(GSM)和块交织方式(IS-95)抵抗;
◆空间选择性衰落:
基站采用空间或极化分集方式抵抗。
⏹第三代(3G)以多媒体业务为主要特征,它于本世纪初刚刚投入商业化运营。
其中最具有代表性的有北美的CDMA2000、欧洲与日本的WCDMA及我国提出的TD-SCDMA三大系统,另外还有欧洲的DECT及北美的UMC-136。
与无绳DECT的区别?
解决问题及技术措施:
Ø动态性问题:
在2G系统适配信道与用户二重动态特性的基础上又引入了业务的动态性,即在3G系统中,用户业务既可以是单一的语音、数据、图像,也可以是多媒体业务,且用户选择业务是随机的。
全面考虑并完善对信道、用户二重动态特性匹配特性,并适当考虑到业务的动态性能。
Ø继续采用第二代(2G)中所采用的所有行之有效的措施。
Ø与业务动态特性的匹配问题:
3G中采用了可实现对不同速率业务(不同扩频比)间仍具有正交性能的OVSF(可变扩频比正交码)多址码;
Ø用户的动态寻址问题:
CDMA(IS-95)方式。
为了克服CDMA中的多址干扰,在3G系统中,上行链路建议采用多用户检测与智能天线技术;下行链路采用发端分集、空时编码技术;
Ø满足数据业务要求误码率低且实时性要求不高的特点:
3G中对数据业务采用了性能更优良的Turbo码。
Ø在信道动态特性匹配问题:
=checkorinqury
◆干扰:
采用抗干扰性能优良的数字式调制:
GMSK(GSM)、
Ø网络结构:
功能也在逐步完善,具体有以下
(1)网络协议逐步走向规范化,到了第三代(3G)已初步形成了横向?
三层:
物理层、链路层、网络高层;纵向?
两个平面:
用户业务平面与控制平面的初步规范结构。
(2)逐步增强并完善网络层辅助物理层实现对三重动态性的匹配功能,加强并完善对无线资源管理、移动性管理及接入分配、调度算法的实现。
(3)第二代(2G)开始逐步引入智能网,实现交换与控制的分离,并通过业务生成系统快速生成新业务。
◆国内的发展
自20世纪80年代我国引入模拟式(TACS)移动通信网以来,经过短短20多年的发展,截至2002年底,我国已拥有2亿以上的移动通信用户,成为全球头号移动用户大国。
我国的第一代移动通信TACS系统目前已完成其历史任务而被淘汰;第二代移动通信GSM系统是全球第一,规模最大、用户最多,CDMA系统目前也是数一数二的,并即将成为全球第一;第三代移动通信系统,我国目前还处于即将投入运营的阶段[=试验网阶段]。
◆
附:
标准方面的发展、作用
✓北美主要移动无线标准
✓欧洲主要移动无线标准
✓日本主要移动无线标准
世界上最普遍的寻呼标准是邮局编码标准咨询组(POCSAG)[CCI86]、[San82]。
POCSAG由英国邮电部在70年代后期发展起来,并支持二进制的频移键控(FSK),其信号速率为512bps、1200bps和2400bps。
诸如FLEX和ERMES的新的寻呼系统,通过使用四级调制提供多达6400bps传输速率,现正在全球内得到发展。
表1.1北美主要移动无线标准
标准
类型
年份
多址接入
频段
调制
信道带宽
AMPS
蜂窝
1983
FDMA
824—894MHz
FM
30kHz
NAMPS
蜂窝
1992
FDMA
824—894MHz
FM
10kHz
USDC
蜂窝
1991
TDMA
824—894MHz
π/4-DQPSK
30kHz
CDPD
蜂窝
1993
FH/分组
824—894MHz
GMSK
30kHz
IS-95
PCS
1993
CDMA
824—894MHz
1.8—2.0GHz
QPSK/BPSK
1.25MHz
GSC
寻呼
1970’s
单工
若干
FSK
12.5kHz
POCSAG
寻呼
1970’s
单工
若干
FSK
12.5kHz
FLEX
寻呼
1993
单工
若干
4-FSK
15kHz
DCS-1900
(GSM)
PCS
1994
TDMA
1.85—1.99GHz
GMSK
200kHz
PACS
无
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