無線通信原理及其應(yīng)用 劉朝洋 101-103

1、無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)劉朝洋 導(dǎo)師：仇英輝第十章 無線系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)10.1 AMPS和ETACS10.2 美國數(shù)字蜂窩標(biāo)準(zhǔn)（IS-54）10.3 全球移動系統(tǒng)（GSM）10.1 AMPS和ETACS10.1.1 AMPS和ETACS系統(tǒng)概述10.1.2 AMPS和ETACS呼叫處理10.1.3 AMPS和ETACS空中接口10.1.4 N-AMPS10.1 AMPS和ETACS70年代末，AT&T貝爾實驗室開發(fā)；1983年實用；800MHz頻段上40MHZ帶寬；大蜂窩和全向基站天線以最小化初始設(shè)備需要；7小區(qū)復(fù)用模式，可采用扇區(qū)和小區(qū)分裂；信道帶寬30KHz，SIR=18dB；ETAC

2、S在80年代中期開發(fā)成功；信道帶寬25KHz;MIN的格式與AMPS不同。10.1.1AMPS和ETACS系統(tǒng)概述是第一代模擬蜂窩移動通信系統(tǒng)；調(diào)制方式：調(diào)頻，最大頻偏:12KHz（ETACS：10KHz）;頻段：上行：824MHz-849MHz，下行：869MHz-894MHz（上行：890MHz-915MHz ，下行： 935MHz-960MHz） 控制信道信息和突發(fā)數(shù)據(jù)流的傳輸：10Kbps（8Kbps），最大頻偏：8KHz（6.4KHz）;發(fā)射天線的有效發(fā)射功率通常為數(shù)百瓦，要建高塔來支持；基站信道配置：FCC，RCC，F(xiàn)VC，RVC；FCC連續(xù)發(fā)射FSK信號，用戶鎖定在最強的FCC上

3、，以發(fā)起或接收呼叫，基站在RCC上持續(xù)監(jiān)聽鎖定在相應(yīng)FCC上的蜂窩用戶發(fā)送的消息；控制信道是全國標(biāo)準(zhǔn)化的，系統(tǒng)中的任何蜂窩電話只需掃描有限數(shù)量的控制信道就可以找到最好的服務(wù)基站。10.1.2 AMPS和ETACS呼叫處理固定電話發(fā)起呼叫，PSTNMSC，每個基站在FCC上同時發(fā)送尋呼消息及MIN，該用戶成功接收到尋呼消息后，在RCC上回應(yīng)一個確認(rèn)消息；接收到用戶的確認(rèn)后，MSC指示BTS分配一個FVC和RVC，同時，分配給用戶一個SAT和VMAC，用戶自動將其頻率頻率改到分配的語音信道上；移動用戶發(fā)起呼叫，MS在RCC上發(fā)送始發(fā)消息，MIN，ESN，站分類標(biāo)識（SCM）和目的電話號碼，BTS接

4、收消息并發(fā)送到MSC PSTN，分配與SAT和VMAC相應(yīng)的FVC和RVC，開始通話 。在語音信道上，以突發(fā)模式使用FSK數(shù)據(jù)發(fā)起切換。影響系統(tǒng)性能（掉話或阻塞）的主要因素：MSC性能，當(dāng)前業(yè)務(wù)流量，信道分配方式，基站數(shù)目，無線電波的傳播，切換門限等。10.1.3 AMPS和ETACS空中接口 AMPS 和和 ETACS 無線接口規(guī)范無線接口規(guī)范 參數(shù) AMPS 規(guī)范 ETACS 規(guī)范 多址方式 FDMA FDMA 雙工方式 FDD FDD 信道帶寬 30kHz 25kHz 業(yè)務(wù)信道/RF 信道 1 1 反向信道頻率 824849MHz 890915MHz 前向信道頻率 869894MHz 9

5、35960MHz 語音調(diào)制 FM FM 峰值偏差：語音信道控制 /帶寬數(shù)據(jù) kHz12 kHz8 kHz10 kHz4 . 6 數(shù)據(jù)傳輸信道編碼 前向：BCH(40,28) 反向：BCH(48,36) 前向：BCH(40,28) 反向：BCH(48,36) 控制/寬帶信道上的數(shù)據(jù)率 10kbps 8kbps 頻帶效率 0.33bps/Hz 0.33bps/Hz 信道數(shù) 832 1000 10.1.3 AMPS和ETACS空中接口信道：控制信道：FSK調(diào)制，速率為10Kbps（8Kbps）語音信道：有三種附加信令（SAT，ST和寬帶數(shù)據(jù)）技術(shù)進行檢測。語音調(diào)制和解調(diào)：檢測信號（SAT和ST）：3

6、種SAT信號（5970HZ， 6000HZ和6030HZ ）疊加在語音信號上發(fā)送，MS至少每250ms進行SAT檢測和再廣播；ST是10Kbps的數(shù)據(jù)碼組，用來表明用戶呼叫終止，在RVC上連續(xù)發(fā)送200ms， ST 必須與SAT同時發(fā)送。突發(fā)編碼：語音信道還傳送速率為10Kbps的數(shù)據(jù)流作為突發(fā)信令，此數(shù)據(jù)流以Manchester編碼，信道碼用BCH分組碼。壓擴器預(yù)濾波器限幅器后偏差限幅濾波器頻率調(diào)制射頻載波輸入語音信號射頻輸出信號10.1.4 N-AMPS通過10KHz信道和FDMA方式使30KHz帶寬服務(wù)于3個用戶，提供3倍于AMPS的容量；用3個N-AMPS信道代替AMPS信道，運營商可

7、以在人口密集地區(qū)提供更多的無線中繼信道；信道帶寬的降低導(dǎo)致語音質(zhì)量SNR下降，為此，采用語音壓擴來合成語音信道靜噪功能；10.2 美國數(shù)字蜂窩標(biāo)準(zhǔn)（IS-54）10.2.1 USDC無線接口10.2.2 美國數(shù)字蜂窩的派生標(biāo)準(zhǔn)（IS-94和IS-136）10.2 美國數(shù)字蜂窩標(biāo)準(zhǔn)（IS-54）雙模USDC（D-AMPS）/AMPS系統(tǒng)在1990年被EIA/TIA制定為IS-54標(biāo)準(zhǔn)；USDC采用數(shù)字調(diào)制和TDMA技術(shù)，提供6倍于AMPS的容量；USDC與AMPS共享相同的頻率、頻率復(fù)用方案和基站；USDC與AMPS的控制信道相同。10.2.1 USDC無線接口USDC信道： USDC控制信道是

8、AMPS的2倍；語音信道支持TDMA結(jié)構(gòu)，提供6個時隙； USDC語音信道同時提供4個數(shù)據(jù)信道（DTC、CDVCC，SACCH，F(xiàn)ACCH）。 USDC 無線接口規(guī)范無線接口規(guī)范 參數(shù) USDC IS-54 規(guī)范 多址方式 TDMA/FDD 調(diào)制 4/DQPSK 信道帶寬 30kHz 反向信道頻帶 824849MHz 前向信道頻帶 869894MHz 前向和反向信道數(shù)據(jù)速率 48.6kbps 譜效率 1.62bps/Hz 均衡器 未指定 信道編碼 7 比特 CRC 和 1/2 比率、 約束長度為 6 的卷積編碼 交織 2 時隙交織器 每信道用戶 3（全速率話音編碼器，7.95kbps/用戶）

9、6（半速率話音編碼器，3.975kbps/用戶） 10.2.1 USDC無線接口USDC業(yè)務(wù)信道的幀結(jié)構(gòu)：時隙1時隙2時隙3時隙4時隙5時隙6G R 數(shù)據(jù) 同步 數(shù)據(jù) SACCHCDVCC 數(shù)據(jù)同步 SACCH 數(shù)據(jù) CDVCC 數(shù)據(jù) 保留1時隙286 616122121212228121301213012移動臺到基站的時隙格式基站到移動臺的時隙格式10.2.1 USDC無線接口語音編碼：VSELP。信道編碼：FACCH：16bitCRC，r=1/4，k=6,卷積碼 SACCH：r=1/2，k=5，卷積碼交織：語音、 FACCH ：相鄰語音幀數(shù)據(jù)交織到兩個時隙上； SACCH：跨度為12個連續(xù)

10、時隙的增量交織器。調(diào)制：控制信道：BFSK；語音信道：脈沖成型的/4DQPSK。均衡： /T=0.1（T=24.3Kbps,=4.12s）時，ISI產(chǎn)生的BER不能忍受，USDC中采用DFE，自適應(yīng)濾波器的系數(shù)用RLS算法得到。話音編碼器2時隙交織器7bitCRC發(fā)生器R=1/2K=6卷積編碼器5尾比特7717826082第一類比特第二類比特10.2.2美國數(shù)字蜂窩的派生標(biāo)準(zhǔn)（IS-94和IS-136）在IS-136中加入網(wǎng)絡(luò)特性就產(chǎn)生了新型的無線業(yè)務(wù)和傳輸結(jié)構(gòu)。IS-94標(biāo)準(zhǔn)（1994年）利用了IS-54提供的系統(tǒng)能力，使蜂窩電話直接連到專用交換機（PBX）上。將MSC的功能移到基站中，則有

11、可能提供建筑物或校園內(nèi)的無線PBX業(yè)務(wù)。IS-94規(guī)定了一項技術(shù)，用來提供使用非標(biāo)準(zhǔn)控制信號的專用或封閉式蜂窩系統(tǒng)。IS-136提供了一組新的性能和業(yè)務(wù)，可以與IS-95和GSM 2G競爭。IS-136規(guī)定了短消息功能和專用用戶組特性，使其更適合于無線PBX應(yīng)用和尋呼應(yīng)用。IS-136用戶終端與IS-54不兼容(控制信道速率為48.6Kbps)。10.3 全球移動系統(tǒng)（GSM）10.3.1 GSM業(yè)務(wù)和功能10.3.2 GSM系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)10.3.3 GSM無線子系統(tǒng)10.3.4 GSM信道類型10.3.5 GSM的一個呼叫實例10.3.6 GSM幀結(jié)構(gòu)10.3.7 GSM中的信號處理10.3

12、 全球移動系統(tǒng)（GSM）GSM是世界上第一個對數(shù)字調(diào)制、網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)作了規(guī)定的蜂窩系統(tǒng)。1991年出現(xiàn)在歐洲市場。GSM標(biāo)準(zhǔn)由歐洲技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ETSI）完成。GSM的等效技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（DCS1800），在1.8GHz到2.0GHz頻段上提供PCS。10.3.1 GSM業(yè)務(wù)和功能電話業(yè)務(wù)：標(biāo)準(zhǔn)移動電話業(yè)務(wù)。緊急呼叫和傳真。也提供可是圖文和圖文電視。承載業(yè)務(wù)或數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)：OSI模型中的第1、2、3層業(yè)務(wù)，包括分組交換協(xié)議，數(shù)據(jù)速率為300bps到9.6Kbps。補充ISDN業(yè)務(wù)：本質(zhì)上是數(shù)字業(yè)務(wù)，包括：呼叫轉(zhuǎn)換、封閉用戶群和呼叫者識別、短消息。特點：SIM卡，空中保密性（MoU）。10.3.2 G

13、SM系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)GSM系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)主要包括3個相關(guān)子系統(tǒng)：BSS（提供并管理無線傳輸通道），NSS（交換），和OSS。BTSBTSBTSBSCBTSBTSBTSBSCHLRVLRAUCMSCOMCPSTNISDN數(shù)據(jù)網(wǎng)公共網(wǎng)操作支持子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)基站子系統(tǒng)GSM無線空中接口（標(biāo)準(zhǔn)化）Abis接口（標(biāo)準(zhǔn)化）A接口（標(biāo)準(zhǔn)化）SS710.3.3 GSM無線子系統(tǒng)頻段：890MHz-915MHz(上行)，935MHz-960MHz(下行)；多址方式：TDMA/FDMA混合，F(xiàn)DD；信道帶寬：200KHz，ARFCN（絕對無線頻率信道數(shù)）標(biāo)志，上、下行信道間隔45MHz；調(diào)制方式：GMSK，BT=

14、0.3；信道速率：270.833kbps/8個用戶；幀長：4.615ms。10.3.3 GSM無線子系統(tǒng)1TS0TS2TS4TS5TS6TS7TS3TS0T.I/S1T10T11T12T14T15T22T23T24T576.92(156.25)s比特，有8比特保護和6比特開始和停止時間4.615ms13T2T120ms:nTSn第 個時隙（標(biāo)準(zhǔn)）語音復(fù)幀26個幀:nTnTCH第 個時隙，S:慢速輔助控制信道，I:空閑幀語音專用控制信道幀和復(fù)幀結(jié)構(gòu)10.3.3 GSM無線子系統(tǒng)GSM 空中接口規(guī)范空中接口規(guī)范 參數(shù) 規(guī)范 反向信道頻率 890-915MHz 前向信道頻率 935960MHz AR

15、FCN 數(shù) 0124 和 9751023 XXRT/頻率間隔 XXRT/時隙間隔 45MHz 3 個時隙 調(diào)制數(shù)據(jù)速率 270.833333kbps 幀長 4.615ms 每幀用戶數(shù)（全速率） 8 時隙長 576.9s 比特長 3.692s 調(diào)制 0.3GMSK ARFCN 信道間隔 200kHz 交織（最大延遲） 40ms 話音編碼比特速率 13.4kbps 10.3.4 GSM信道類型時隙號碼和ARFCN組合構(gòu)成一個物理信道；物理信道在不同時間可以映射成不同的邏輯信道；GSM邏輯信道類型：TCH和CCH。9.3.4.1 GSM業(yè)務(wù)信道（TCH）9.3.4.2 GSM控制信道（CCH）10.

16、3.4.1GSM業(yè)務(wù)信道（TCH）全速率TCH（一個用戶每幀占一個時隙）全速率語音信道（TCH/FS）:13kbps/22.8kbps，全速率9600bps數(shù)據(jù)信道（TCH/F9.6）:9600bps/22.8kbps，全速率4800bps數(shù)據(jù)信道（TCH/F4.8）:4800bps/22.8kbps，全速率2400bps數(shù)據(jù)信道（TCH/F2.4）:2400bps/22.8kbps，半速率TCH（2個用戶共享同一時隙，單在每幀交替?zhèn)鳎┌胨俾收Z音信道（TCH/HS）:6.5kbps/11.4kbps，半速率4800bps數(shù)據(jù)信道（TCH/H4.8）:4800bps/11.2kbps，半速率24

17、00bps數(shù)據(jù)信道（TCH/H2.4）:2400bps/11.2kbps。10.3.4.2GSM控制信道（CCH）GSM控制信道：BCH，CCCH，DCCH；BCH：指定各小區(qū)內(nèi)的ARFCN在一定的GSM幀的TS0發(fā)送數(shù)據(jù)，前向信道，作為一個TDMA信標(biāo)，提供同步。BCCH：廣播消息（小區(qū)和網(wǎng)絡(luò)識別，小區(qū)運行特征（當(dāng)前控制信道結(jié)構(gòu)，信道可用性，阻塞情況），當(dāng)前小區(qū)中使用的信道列表）。FCCH：特定的數(shù)據(jù)突發(fā)序列，在控制信道復(fù)幀中每10幀重復(fù)一次。SCH：用來識別服務(wù)基站，幀號（FN）和基站識別碼（BSID）在SCH發(fā)送，在控制信道復(fù)幀中每10幀發(fā)送一次SCH。10.3.4.2GSM控制信道（C

18、CH）CCCH：存在于BCH ARFCN上，沒有被BCH用的每個 GSM幀和空閑幀的TS0，前向信道。PCH：通知指定的移動臺接收發(fā)自PSTN的呼叫，PCH發(fā)送目標(biāo)用戶的IMSI，并請求在用戶RACH上應(yīng)答。RACH：slotted ALOHA接入方法，用戶應(yīng)答PCH上的尋呼，發(fā)起呼叫。AGCH：基站用來指定用戶工作在特定的物理信道（TS和 ARFCN），響應(yīng)在前一個CCCH幀內(nèi)移動臺發(fā)的RACH。DCCH：存在于除BCH ARFCN的TS0之外的任何TS上，雙向信道。SDCCH：載有移動臺和基站相連之后，TCH分配之前的信令數(shù)據(jù)。可以被認(rèn)為是一個中間的、暫時的信道。SACCH：總是與TCH或

19、SDCCH相關(guān)聯(lián)，并映射在相同的物理信道上，攜帶MS和BTS之間的一般信息，在復(fù)幀的第13幀（和第26幀半速率用戶）上傳輸。FACCH：攜帶緊急信息，本質(zhì)上包含有與SDCCH相同類型的信息。10.3.4.2GSM控制信道（CCH）0F1S3B2B5B6C7C8C9C10F11S13C20F14C4B.21S22C.39C40F41S42C.12C49C50I控制復(fù)幀=51DMA幀235ms0R1R2R3R4R5R6R.46R47R48R49R50R控制復(fù)幀=51DMA幀235ms(a)前向鏈路控制信道復(fù)幀(b)反向鏈路控制信道復(fù)幀F(xiàn)：FCCH突發(fā)序列（BCH）S：SCH突發(fā)序列（BCH）B：B

20、CH突發(fā)序列（BCH）C：PCH/AGCH突發(fā)序列（CCCH）I：空閑10.3.5 GSM的一個呼叫實例1.檢測BCH，與相近的基站取得同步（通過接收FCCH，SCH，BCCH信息）；2.撥號，用同步的基站的ARFCH發(fā)射RACH；3.基站以CCCH上的AGCH信息來響應(yīng)，CCCH指定一個新的信道進行SACCH連接；4.檢測BCH中TS0的用戶，從接收到它的ARFCH和TS，并立即轉(zhuǎn)到新的ARFCH和TS上（SDCCH）；5.等待傳給他的SACCH幀，得到定時提前量和發(fā)射機功率，并處理數(shù)據(jù)；6.PSTN從撥號端連接到MSC，且MSC將語音路徑接到服務(wù)基站時，SDCCH檢查用戶的合法性及有效性；7.基站經(jīng)由SDCCH告知重新轉(zhuǎn)到為TCH分配的ARFCH和TS，通話開始；8.呼叫成功后，SDCCH被清空。10.3.6 GSM幀結(jié)構(gòu)正常突發(fā)序列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下圖所示：每個用戶用1時隙發(fā)送，1時隙接收，6個時隙檢測。第13和26幀用于控制數(shù)據(jù)。每一個標(biāo)準(zhǔn)語音幀集合形成復(fù)幀、超幀和巨幀（巨幀2715648幀）。6.12s120ms021345674.615ms3571261573 8.25576.92s超幀復(fù)幀幀時隙51時隙26幀8時隙156.25bits尾比特編碼數(shù)據(jù)挪用標(biāo)志中間段挪用標(biāo)志編碼數(shù)據(jù)尾比特保護時間1