現(xiàn)代通信系統(tǒng)新技術 (第三版) 課件 第5章 移動通信

第5章

移動通信5.1概述5.2移動通信的基本技術5.3GSM移動通信系統(tǒng)5.4第三代移動通信系統(tǒng)5.5第四代移動通信技術簡介5.6第五代移動通信技術簡介5.7正交頻分復用小結

5.1概

述

5.1.1移動通信的特點移動通信是指通信雙方至少有一方在移動中或臨時停留在某非預定位置進行信息傳輸和交換的一種通信手段。與其他通信方式相比，移動通信有如下特點：

(1)移動通信的電波傳播環(huán)境惡劣。

移動通信電波傳播的基本理論模型是超短波在平面大地上直射與反射的矢量合成。分析表明：直射波的擴散損耗正比于收/發(fā)距離的平方d2；而光滑地平面上的路徑損耗正比于d4，與頻率無關。對于不同地形和地物上的移動通信傳播，必須根據(jù)不同的環(huán)境條件，應用統(tǒng)計分析方法來找出傳播規(guī)律，以得出相應的接收場強預測模型。

2)多普勒頻移會產生附加調制。由于移動臺處于運動狀態(tài)中，因此接收信號會有附加的頻率變化，即多普勒頻移fd。fd與移動體的移動速度有關，若電波方向與移動方向之間的夾角為θ，則有

式中，υ為移動臺運動速度；λ為信號工作波長。若運動方向面向基站，則fd為正值；反之，fd為負值。當運動速度較高時，必須考慮多普勒頻移的影響，而且工作頻率越高，頻移越大。

(3)移動通信受干擾和噪聲的影響。移動通信網是多頻道、多電臺同時工作的通信系統(tǒng)。移動臺工作時往往會受到其他電臺的干擾；同時，還可能受到天電干擾、工業(yè)干擾和各種噪聲的影響。

(4)頻譜資源緊缺。在移動通信中，用戶數(shù)與可利用的頻道數(shù)之間的矛盾特別突出。要解決這一問題，除開發(fā)新頻段外，還應該采用頻帶利用率高的調制技術。例如，采用窄帶調制技術以縮小頻道間隔，在空間域上采用頻率復用技術，在時間域上采用多信道共用技術等。頻率擁擠是影響移動通信發(fā)展的主要因素之一。

(5)建網技術復雜。因為移動臺可以在整個移動通信服務區(qū)域內自由運動，所以為實現(xiàn)通信，交換中心必須知道移動臺的位置，為此，需采用“位置登記”技術；移動臺從一個蜂窩小區(qū)駛入另一個小區(qū)時，需進行頻道切換(亦稱過境切換)；移動臺從一個蜂窩網業(yè)務區(qū)移入另一個蜂窩網業(yè)務區(qū)時，被訪蜂窩網亦能為外來用戶提供服務，這種過程稱為漫游。移動通信網為滿足這些要求，必須具有很強的控制功能，如通信的建立和拆除、頻道的控制和分配、用戶的登記和定位以及過境切換和漫游控制。

數(shù)字移動通信系統(tǒng)的特點如下：

(1)頻譜效率高。

(2)容量大。

(3)抗噪性能強。

(4)接口開放。

(5)網絡管理與控制靈活。

(6)安全性能好。

(7)業(yè)務范圍廣。

5.1.2移動通信的分類

1．按設備的使用環(huán)境分類

按設備的使用環(huán)境，移動通信主要有陸地移動通信、海上移動通信和航空移動通信3種類型。作為特殊使用環(huán)境，還有地下隧道/礦井、水下潛艇、太空航天等移動通信。

2．按服務對象分類

按服務對象，移動通信可分為公用移動通信和專用移動通信兩種類型。在公用移動通信中，目前我國有中國移動、中國聯(lián)通經營的移動電話業(yè)務，它面向社會各階層人士，因此稱為公用網。專用移動通信是為保證某些特殊部門的通信所建立的通信系統(tǒng)，由于各部門的性質和環(huán)境有很大區(qū)別，故各部門使用的移動通信網的技術要求有很大差異，如公安、消防、急救、防汛、交通管理、機場調度等對其技術有不同的要求。

3．按系統(tǒng)組成結構分類

(1)蜂窩狀移動電話系統(tǒng)。蜂窩狀移動電話系統(tǒng)是移動通信的主體，它是具有全球性用戶容量的最大移動電話網。

(2)集群調度移動電話。它可將各部門所需的調度業(yè)務進行統(tǒng)一規(guī)劃建設和集中管理，每個部門都可建立自己的調度中心臺。其特點是共享頻率資源、共享通信設施、共享通信業(yè)務及共同分擔費用，是一種專用調度系統(tǒng)的高級發(fā)展階段，具有高效廉價的自動撥號系統(tǒng)，頻率利用率高。

(3)無中心個人無線電話系統(tǒng)。它沒有中心控制設備，這是與蜂窩網和集群網的主要區(qū)別，它將中心集中控制轉化為電臺分散控制。

(4)公用無繩電話系統(tǒng)。公用無繩電話是公共場所使用的無繩電話系統(tǒng)，如商場、機場、火車站等。

(5)移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)。21世紀通信的最大特點是衛(wèi)星通信終端手持化和個人通信全球化。所謂個人通信，是移動通信的進一步發(fā)展，是面向個人的通信。

4．其他分類方法

移動通信的其他一些分類方法如下：

(1)按使用對象，可分為民用設備和軍用設備；

(2)按多址方式，可分為頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)；

(3)按覆蓋范圍，可分為寬域網和局域網；

(4)按業(yè)務類型，可分為電話網、數(shù)據(jù)網和綜合業(yè)務網；

(5)按工作方式，可分為同頻單工、異頻單工、異頻雙工和半雙工；

(6)按信號形式，可分為模擬網和數(shù)字網。

5.1.3移動通信系統(tǒng)的小區(qū)制

移動通信系統(tǒng)一般由移動臺(MobileSet，MS)、基站(BaseStation，BS)、移動業(yè)務交換中心(MobileSwitchCenter，MSC)等組成，如圖5-1所示。圖5-1移動通信系統(tǒng)的組成

小區(qū)制有以下四個特點：

(1)基站只提供信道，其交換、控制都集中在一個移動電話交換局(MobileTelephoneSwitchingOffice，MTSO)，或稱為移動交換中心完成。其作用相當于一個市話交換局。而大區(qū)制的信道交換、控制等功能都集中在基站完成。

(2)具有“過區(qū)切換功能”(Handoff)，簡稱“過區(qū)功能”，即一個移動臺從一個小區(qū)進入另一個小區(qū)時，要從原基站的信道切換到新基站的信道上，而且不能影響正在進行的通話。

(3)具有漫游(Roaming)功能，即一個移動臺從本小區(qū)進入到另一個小區(qū)時，其電話號碼不能變，仍然像在原小區(qū)一樣能夠被呼叫到。

(4)具有頻率再用的特點。所謂頻率再用，是指一個頻率可以在不同的小區(qū)重復使用。由于同頻信道可以重復使用，且再用的信道越多，用戶數(shù)也就越多，因此，小區(qū)制可以提供比大區(qū)制更大的通信容量。

5.2移動通信的基本技術

5.2.1蜂窩組網技術

1．蜂窩網移動通信服務的區(qū)域可以劃分成許多小區(qū)，每個小區(qū)均設立基站來與用戶移動臺之間建立通信；小區(qū)的覆蓋半徑一般為3～10km。如果基站采用全向天線，那么覆蓋區(qū)實際上是一個圓，但從理論上來說，圖形小區(qū)鄰接會出現(xiàn)多重覆蓋或無覆蓋，有效覆蓋整個平面區(qū)域的實際上是圓的內接規(guī)則多邊形，這樣的規(guī)則多邊形有正三角形、正方形、正六邊形三種，如圖5-2所示。圖5-2小區(qū)的形狀

圖5-3給出了一個蜂窩網的展開圖形，其中，A表示一個小區(qū)的中心。圖5-3蜂窩網的展開圖形

構成單元無線區(qū)群的基本條件如下：

(1)區(qū)群之間彼此鄰接且無空隙、無重疊地覆蓋整個面積。

(2)相鄰單元中，同信道小區(qū)之間距離保持相等，且為最大。

滿足上述條件的區(qū)群形態(tài)和區(qū)群內的小區(qū)數(shù)不是任意的，可以證明，區(qū)群內的小區(qū)數(shù)N應滿足

式中，a和b分別是相鄰同頻小區(qū)之間的二維距離，不能同時取0的正整數(shù)。由式(5-2)可計算出N為不同值時正六邊形蜂窩的區(qū)群結構，如圖5-4所示。圖5-4正六邊形區(qū)群的結構

確定相鄰區(qū)群同頻小區(qū)的方法是：自某一小區(qū)A出發(fā)，先沿邊的垂線方向跨a個小區(qū)，再按逆時針方向轉60°，然后再跨b個小區(qū)，這樣就可以找出同頻小區(qū)A。在正六邊形的6個方向上，可以找到6個相鄰的同頻小區(qū)，如圖5-4(h)所示(a?=?2，b?=?3，N?=?19)。區(qū)群間同頻復用距離為

式中，N為區(qū)群內的區(qū)數(shù)；r0為小區(qū)的輻射半徑。

當蜂窩移動通信系統(tǒng)覆蓋區(qū)內部分地區(qū)的業(yè)務量增長時，可將該部分的蜂窩小區(qū)分裂成多個較小的區(qū)域，這種做法叫蜂窩小區(qū)的分裂。圖5-5為用戶分布密度不等時基站覆蓋區(qū)劃分的情形，中心區(qū)用戶密度高，基站覆蓋區(qū)小，所提供服務的信道數(shù)相對較多；邊緣區(qū)用戶密度低，基站覆蓋區(qū)大，所提供服務的信道數(shù)相對較少。采用蜂窩分裂的方法，在頻率資源有限的前提下，通過縮小同頻復用距離將使單位面積的頻道數(shù)增多、系統(tǒng)容量增大。圖5-5用戶分布密度不等時基站覆蓋區(qū)的劃分

具體實施方法有兩種：一是在原基站基礎上采用方向性天線將小區(qū)扇形化，如圖5-6(a)、(b)所示；二是將小區(qū)半徑縮小并增加新基站，如圖5-6(c)所示，將原來較大的小區(qū)分裂成4個較小的小區(qū)，采用這種方法時應將基站天線高度適當降低，發(fā)射功率減小，以避免小區(qū)間的同頻干擾。圖5-6小區(qū)分裂方案

2．多信道共用

所謂多信道共用，就是一個無線區(qū)內的n個信道為該區(qū)內所有用戶共用，任何一個移動用戶選取空閑信道及占用時間均是隨機的。多信道共用可以提高信道的利用率，它保證著移動網的呼損率、中斷率、系統(tǒng)容量等指標。下面分別闡述話務量、呼損率、信道利用率的概念及其與同系統(tǒng)用戶數(shù)的關系。

話務量定義為在一特定時間內呼叫次數(shù)與每次呼叫平均占用信道時間的乘積，可分為流入話務量與完成話務量。流入話務量取決于單位時間內(通常為1小時)發(fā)生的平均呼叫次數(shù)與每次呼叫平均占用時間。在系統(tǒng)的流入話務量中，必然有一部分呼叫失敗(信道全部被占用時，新傳入的呼叫不能被接續(xù))，而完成接續(xù)的那部分話務量稱為完成話務量。

如用A表示流入話務量，A0表示完成話務量，C表示單位時間內發(fā)生的平均呼叫次數(shù)，C0表示單位時間內呼叫成功的次數(shù)，t表示每次呼叫平均占用信道時間，則

式中，若t所取的單位與C所用的單位時間相同，則話務量單位稱為“愛爾蘭”(Erlang)，用Erl表示。

損失話務量(呼叫失敗的話務量)與流入話務量之比稱為呼損率，用來說明呼叫損失的概率，用B表示，有

顯然，呼損率越小，呼叫成功的概率就越大，用戶就越滿意。呼損率也稱為系統(tǒng)的服務等級，是衡量通信網接續(xù)質量的主要指標。

根據(jù)話務量理論，話務量、呼損率、信道數(shù)之間存在式(5-7)所示的定量關系，稱為愛爾蘭呼損公式：

采用多信道共用技術能提高信道利用率，信道利用率可以用每個信道平均完成的話務量來表示，有

在工程設計中，計算系統(tǒng)的用戶數(shù)需要知道每戶的忙時話務量(用a表示)。忙時話務量與全天(24小時)話務量之比稱為忙時集中系數(shù)(用K表示)，K一般取10%～15%。假設每戶每天平均呼叫次數(shù)為C，每次呼叫平均占用信道時間為T(s/次)，忙時集中系數(shù)為K，則每戶忙時話務量為

當每戶忙時話務量確定后，每個信道所能容納的用戶數(shù)m可由式(5-10)計算：

若系統(tǒng)有n個信道，則系統(tǒng)所能容納的用戶數(shù)(M)為

那么如何實現(xiàn)多信道共用技術呢？移動通信系統(tǒng)要求每個移動臺都必須具有自動選擇空閑信道的能力，即由控制中心自動發(fā)出信道指令，移動臺自動調諧到被指定的空閑信道上進行通信，這就是信道的自動選擇問題。信道的自動選擇方式有多種，但基本上可以分成兩類。

(1)專用呼叫信道方式。

(2)標明空閑信道方式。

3．位置登記與信道切換

位置登記是指移動臺在所處位置上向控制中心發(fā)送規(guī)定的報文，表明它的位置信息及其被移動網登記存儲的過程。在構造復雜的移動通信服務區(qū)，一般將一個MSC控制作為一個位置區(qū)或劃分成若干個位置區(qū)。移動臺將所處位置的位置信息進行“位置登記”，可以提高尋呼一個移動臺的效率，移動臺的位置登記信息被存儲于MSC內。不同的蜂窩移動通信系統(tǒng)可以使用不同的“位置登記”方式。

信道切換可以分為兩類，即越區(qū)切換和漫游切換。當正在通話的移動臺從一個小區(qū)(扇區(qū))移動到另一個小區(qū)(扇區(qū))時，MSC控制使一個信道上的通話切換到另一個信道上以維持通話的連續(xù)性，這一過程稱為越區(qū)切換。判斷發(fā)生越區(qū)切換的準則：

①

信號電平準則；

②

載干比準則。

其中，信號電平準則是依據(jù)接收信號電平的高低來表征移動臺是否遠離基站；載干比準則是依據(jù)接收端的載波與干擾比的大小來表征移動臺是否遠離基站。

5.2.2多址技術

多址接入是多用戶無線通信網中按用戶地址進行連接的通信技術。在移動通信系統(tǒng)中，基站覆蓋區(qū)內存在著許多移動臺，移動臺必須能識別出基站發(fā)射的信號中哪一個是發(fā)給自己的，基站也必須從眾多移動臺發(fā)射的信號中識別出每一個移動臺所發(fā)射的信號。由此可見，多址(接入)技術在數(shù)字蜂窩移動通信中占有重要的地位。

1．頻分多址

頻分多址是按頻率來區(qū)分信道的。頻分多址方式將移動臺發(fā)出的信息調制到移動通信頻帶內的不同載頻位置上，這些載頻在頻率軸上分別排開，互不重疊?；究梢愿鶕?jù)載波頻率的不同來識別發(fā)射地址，從而完成多址連接。頻分多址方式中，N個波道在頻率軸上嚴格分割，但在時間和空間上是重疊的，此時，“信道”一詞的含義即為“頻道”。模擬信號和數(shù)字信號都可采用頻分多址方式來傳輸。該技術有如下特點：

(1)每路一個載頻。每個頻道只傳送一路業(yè)務信息，所以載頻間隔必須滿足業(yè)務信息傳輸帶寬的要求。

(2)連續(xù)傳輸。系統(tǒng)分配給移動臺和基站一個FDMA信道，移動臺和基站會連續(xù)傳輸，直到通話結束，此時信道收回。

(3)?FDMA蜂窩移動通信系統(tǒng)是頻道受限和干擾受限的系統(tǒng)。其主要干擾有鄰道干擾、互調干擾和同頻干擾。

(4)?FDMA系統(tǒng)需要周密的頻率計劃，頻率分配工作復雜。基站的硬件配置取決于頻率計劃和頻道配置。

(5)頻率利用率低，系統(tǒng)容量小。

2．時分多址

時分多址是按時隙(時間間隔)來區(qū)分信道的。在一個無線頻道上，按時間分割為若干個時隙，每個業(yè)務信道占其中的一個，并在規(guī)定的時隙內收/發(fā)信號。在時分多址方式中，分配給各移動臺的是一個特定的時隙。該技術具有如下特點：

(1)以每一時隙為一個話路傳輸數(shù)字信號。

(2)各移動臺發(fā)送的是周期性信號，而基站發(fā)送的是時分復用(TDM)信號；發(fā)射信號的速率隨時隙數(shù)的增大而提高。

(3)?TDMA蜂窩移動通信系統(tǒng)是時隙受限和干擾受限的系統(tǒng)。

(4)系統(tǒng)的定時和同步是關鍵問題。定時和同步是TDMA系統(tǒng)正常工作的前提，因為通信雙方只允許在規(guī)定的時隙中收/發(fā)信號，故必須在嚴格的幀同步、時隙同步和比特(位)同步的條件下進行工作。

(5)抗干擾能力強，頻率利用率高，系統(tǒng)容量大。

(6)基站成本低。N個時分信道共用一個載波，占據(jù)相同寬帶，所以只需一部收/發(fā)信機。

3．碼分多址

碼分多址基于碼型分割信道。在CDMA方式中，不同用戶傳輸信息所用的信號不是靠頻率不同或時隙不同來區(qū)分的，而是用兩個不相同的編碼序列來區(qū)分的。如果從頻域或時域來觀察，多個信號是互相重疊的，但是接收機用相關器可以在多個CDMA信號中選出其中使用預定碼型的信號，其他使用不同碼型的信號則不能被解調。它們的存在類似于在信道中引入了噪聲和干擾(稱為多址干擾)。CDMA系統(tǒng)中，無論傳送何種信息的信道都是靠采用不同的碼型來區(qū)分的，所以，此時“信道”一詞的含義為“碼型”。

在移動通信中，要實現(xiàn)碼分多址，必須具備以下三個條件：

(1)要有數(shù)量足夠多、相關性足夠好的地址碼，使系統(tǒng)能通過不同的地址碼建立足夠多的信道。所謂好的相關性，是指有強的自相關性和弱的互相關性。

(2)必須用地址對發(fā)射信號進行擴頻調制，并使發(fā)送的已調波頻譜極大地展寬(幾百倍)、功率譜密度降低。

(3)在碼分多址系統(tǒng)的接收端，必須具有與發(fā)送端完全一致的本地地址碼。用本地地址碼對收到的全部信號進行相關檢測，從中選出所需要的信號。

從實現(xiàn)技術看，只有高速地址碼才能支持大容量CDMA通信，因而CDMA必須采用擴頻傳輸技術，也稱直接序列擴頻(DSSS)技術。

5.2.3調制技術

調制的目的是把要傳輸?shù)男畔⒆兂蛇m合在信道上傳輸?shù)男盘?。模擬移動通信系統(tǒng)中廣泛使用角度調制(調頻或調相)，現(xiàn)代移動通信則已完成由模擬通信到數(shù)字通信的過渡，所以先進的數(shù)字調制技術是移動通信的研究方向之一。

1．數(shù)字調制的要求

數(shù)字調制技術作為數(shù)字移動通信的關鍵技術，主要有如下要求：

(1)頻帶利用率高。

(2)誤碼性能好。

(3)能接受差分檢測，易于解調。

(4)功效高。

2．主要的數(shù)字調制方式

其主要的數(shù)字調制方式如下：

(1)最小頻移鍵控(MSK)；

(2)高斯濾波最小頻移鍵控(GMSK)；

(3)?QPSK調制；

(4)?π/4-QPSK調制。

5.2.4交織技術

交織技術的一般原理：假定有一些比特組成的消息分組，把4個相繼分組中的第1個比特取出來，并讓這4個第1比特組成一個新的4比特分組，稱作第1幀；4個消息分組中的第2～4比特，也做同樣的處理，如圖5-7所示。圖5-7交織技術原理

在GSM交織方案的實施中，交織分兩次進行，第一次為比特間交織—語音編碼器和信道編碼器將每20?ms語音數(shù)字化并進行編碼，編為456?bit，速率為22.8?kb/s，并將

456bit按(57?×?8)交織矩陣分成8組，每組57bit就成為經矩陣交織后的離散編碼比特分布；第二次交織為塊間交織—一個普通突發(fā)脈沖(時隙)中可傳輸2組57bit數(shù)據(jù)，GSM系統(tǒng)將相鄰的兩個語音塊進行交織，每一個20?ms語音已成為8組57bit數(shù)據(jù)，前一個20ms的第5、6、7、8組分別與后一個20ms的第1、2、3、4組結合，構成一個時隙(TS)的語音數(shù)據(jù)，如圖5-8所示。圖5-8GSM系統(tǒng)的語音交織

5.2.5自適應均衡技術

均衡有兩條基本途徑：一是頻域均衡，它使包括均衡器在內的整個系統(tǒng)的總傳輸函數(shù)滿足無失真?zhèn)鬏數(shù)臈l件。頻域均衡往往分別校正幅頻特性和群時延特性。二是時域均衡，就是直接從時間響應的角度來考慮，使包括均衡器在內的整個系統(tǒng)的沖激響應滿足無碼間串擾的條件。數(shù)字通信中面臨的問題是時變信號，因而需采用時域均衡來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的無碼間串擾。

時域均衡的主體是橫向濾波器，它由多級抽頭延遲線、加全系數(shù)相乘器(或可變增益電路)及相加器組成，如圖5-9所示。圖5-9橫向濾波器

自適應均衡技術的目標就是實現(xiàn)最佳抽頭增益系數(shù)。它直接從傳輸?shù)膶嶋H數(shù)字信號中根據(jù)某種算法來不斷調整增益，因而能適應信道的隨機變化，從而使均衡器保持最佳的工作狀態(tài)并有較好的失真補償性能。

自適應均衡器有三個特點：快速初始收斂特性、好的信道跟蹤特性和低運算量。因此，實際使用的自適應均衡器在正式工作前先要發(fā)一定長度的測試脈沖序列，又稱訓練序列，以調整均衡器的抽頭系數(shù)，使均衡器基本上趨于收斂后再自動變?yōu)樽赃m應工作方式，最終使均衡器維持最佳狀態(tài)。

5.2.6信道配置技術

信號傳輸損耗是隨著距離的增加而增加的，并且與地形環(huán)境密切相關，因而移動臺與基站的通信距離是有限的。

當服務區(qū)域呈現(xiàn)條形結構時，通常使用帶狀網實現(xiàn)信道配置。帶狀網主要用于覆蓋公路、鐵路、海岸、狹長城市等的條形服務區(qū)，如圖5-10所示。條形服務區(qū)的基站可以使用定向天線，整個系統(tǒng)由許多細長區(qū)域鏈接而成。圖5-10條形服務區(qū)

帶狀網頻率復用常采用的方法有二頻組和三頻組。二頻組是指采用不同頻率組的兩個小區(qū)組成的一個區(qū)群；三頻組是指采用不同頻率組的三個小區(qū)組成的一個區(qū)群，如圖5-11所示。圖5-11二頻組和三頻組工作方式

5.3GSM移動通信系統(tǒng)

GSM系統(tǒng)具有以下特點：

(1)具有開放的通用接口標準。

(2)提供可靠的安全保護功能。

(3)支持各種電信承載業(yè)務和補充業(yè)務，增值業(yè)務豐富。

(4)具有跨系統(tǒng)、跨地區(qū)、跨國度的自動漫游能力。

(5)容量大、頻譜利用率高、抗衰落和抗干擾能力得到加強。

(6)易于實現(xiàn)向第三代系統(tǒng)的平滑過渡。

5.3.1GSM系統(tǒng)的網絡結構

GSM數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)的主要組成部分為網絡子系統(tǒng)(NSS)、基站子系統(tǒng)(BSS)和移動臺(MS)，如圖5-12所示。圖5-12GSM數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)結構示意圖

1．網絡子系統(tǒng)

網絡子系統(tǒng)由一系列功能實體構成。

(1)移動交換中心(MSC)。

(2)歸屬位置寄存器(HLR)。

(3)訪問位置寄存器(VLR)。

(4)鑒權中心(AUC)。

(5)設備識別寄存器(EIR)。

(6)操作維護中心(OMC)。

2．基站子系統(tǒng)

基站子系統(tǒng)包括基站收/發(fā)信機和基站控制器。該子系統(tǒng)由MSC控制，通過無線信道完成與MS的通信，主要實現(xiàn)無線信號的收/發(fā)以及無線資源管理等功能。

(1)基站收/發(fā)信機(BTS)?；臼?發(fā)信機包括無線傳輸所需的各種硬件和軟件，如多部收/發(fā)信機、支持各種小區(qū)結構(如全向、扇形)所需要的天線、連接基站控制的接口電路以及收/發(fā)信機本身所需要的檢測和控制裝置等。它實現(xiàn)對服務區(qū)的無線覆蓋，并在BSC的控制下提供足夠的、與MS連接的無線信道。

(2)基站控制器(BSC)?；究刂破魇腔臼?發(fā)信機和移動交換中心之間的連接點，也為BTS和OMC之間交換信息提供接口。一個基站控制器通?？刂贫鄠€BTS，完成無線網絡資源管理、小區(qū)配置數(shù)據(jù)管理、功能控制、呼叫和通信鏈路的建立和拆除、本控制區(qū)內移動臺的越區(qū)切換控制等功能。

3．移動臺

移動臺即便攜臺(手機或車載臺)，它包括移動終端(MT)和用戶識別模塊(SIM卡)兩部分。其中，移動終端可完成語音編碼、信息加密、信息調制和解調，以及信息發(fā)射、接收等功能；SIM卡則存有確認用戶身份所需的認證信息以及與網絡和用戶有關的管理數(shù)據(jù)。只有插入后移動終端才能入網，同時SIM卡上的數(shù)據(jù)存儲器還可用作電話號碼簿，并支持手機銀行、手機證券等MIK增值業(yè)務。

4．移動話路網結構

移動話路網由三級構成，即移動業(yè)務本地網、省內網和全國網。

在各大區(qū)設置一級匯接中心，稱為TMSC1。各省設兩個或兩個以上二級匯接中心，稱為TMSC2，彼此間以網狀相連，并與其歸屬的TMSC1連接，完成省內地區(qū)移動業(yè)務本地網的話路匯接，構成省內網。

通常，長途區(qū)號為兩位或三位的地區(qū)設為一個移動業(yè)務本地網，每個移動業(yè)務本地網中可以設立一個或幾個移動端局(MSC)，并設立一個或多個HLR，用于存儲歸屬于該移動業(yè)務本地網的所有用戶的有關數(shù)據(jù)。移動端局與其歸屬的二級匯接中心間以星狀相連，如果兩個移動端局間的業(yè)務量較大，則可申請建立直達專線。移動本地網與其他固定網市話端局(LS)、匯接局(TM)和長途局(TS)的互連互通是通過各自的關口局實現(xiàn)的。我國移動通信網的網絡結構如圖5-13所示。圖5-13我國移動通信網的網絡結構

5．移動信令網結構

為了提高傳輸?shù)目煽啃?，MSC、VLR、AUC、EIR等的每個SP至少應連接到兩個省內的LSTP上；省內LSTP之間以網狀相連，同時還與它們歸屬的兩個HSTP相連；根據(jù)省際話務量的大小，還可將本地網的信令點直接與相應的LSTP相連；HSTP之間以網狀相連接。移動信令網的結構如圖5-14所示。圖5-14移動信令網結構

6．編號方式

GSM蜂窩電話系統(tǒng)中移動用戶的編碼與ISDN網的一致。我國國家碼為86，國內移動用戶ISDN號碼為一個11位數(shù)字的等長號碼：

相應的撥號程序如下：

·移動用戶→固定用戶：0?+?長途區(qū)號?+?固定用戶電話號碼。

·移動用戶→移動用戶：移動用戶電話號碼。

·固定用戶→本地移動用戶：移動用戶電話號碼。

·固定用戶→其他區(qū)移動用戶：0?+?移動用戶電話號碼。

5.3.2GSM系統(tǒng)的無線空中接口(Um)

在制定技術規(guī)范時，對GSM子系統(tǒng)之間及各功能實體之間的接口和協(xié)議也作了比較具體的定義，使不同的設備供應商提供的系統(tǒng)基礎設備能夠符合統(tǒng)一的GSM技術規(guī)范而達到互通/組網的目的。根據(jù)GSM系統(tǒng)技術規(guī)范，系統(tǒng)內部的主要接口有4個，如圖5-15所示。除Abis接口外，其他接口都是標準化接口，這樣有利于實現(xiàn)系統(tǒng)設備的標準化、模塊化與通用化。圖5-15GSM系統(tǒng)內的接口

1．GSM系統(tǒng)無線傳輸特性

1)工作頻段

GSM使用的900MHz、1800MHz頻段介紹如表5-1所示。

2)多址方式

GSM蜂窩系統(tǒng)采用時分多址/頻分雙工(TDMA/FDMA/FDD)制式。頻道間隔為200kHz，每個頻道采用多址接入方式，共分為8個時隙，時隙寬度為0.577ms；8個時隙構成一個TDMA幀，幀長為4.615ms。

3)頻率配置

在FDMA網絡中進行組網和頻率分配時，為了防止同頻和鄰頻干擾，應遵循以下原則：

(1)在滿足同頻抑制要求的條件下，減少小區(qū)數(shù)N值，即盡量減少一簇內的小區(qū)數(shù)，以提高頻率利用率。

(2)同一簇內的小區(qū)不得使用相同頻率，只有不同簇中的小區(qū)才能使用相同的頻率。

(3)在同一個基站或同一個小區(qū)內，應盡量使用相隔頻率以避免鄰頻引起的干擾。

常用的頻分復用模式有：21小區(qū)形式，即一簇中有7個基站，每個基站有3個扇區(qū)；12小區(qū)形式，即一簇中有4個基站，每個基站有3個扇區(qū)；9小區(qū)形式，即一簇中有3個基站，每個基站有3個扇區(qū)。12小區(qū)和9小區(qū)形式示意圖如圖5-16(a)、(b)所示。在12小區(qū)形式(4基站、3扇區(qū))中，可使用36個連續(xù)頻道號，按照上述頻率分配原則，各基站的每個扇區(qū)分配的頻道號如表5-2所示。當采用跳頻技術時，多采用9小區(qū)(3基站、3扇區(qū))頻率復用方式。圖5-16小區(qū)中頻分復用示意圖

2．無線空中接口信道定義

1)物理信道

GSM的無線空中接口采用TDMA接入方式，即在一個載頻上按時間劃分為8個時隙，構成一個TDMA幀。每個時隙稱為一個物理信道，每個用戶按指定載頻和時隙的物理信道接入系統(tǒng)，并周期性地發(fā)送和接收脈沖突發(fā)序列，完成無線接口上的信道交互。

2)邏輯信道

根據(jù)無線接口上MS與網絡間傳送的信息種類，GSM定義了多種邏輯信道來傳送這些信息。邏輯信道在傳輸過程中映射到某個物理信道上，最終實現(xiàn)信號的傳輸。邏輯信道可分為兩類，即業(yè)務信道(TCH)和控制信道(CCH)。

(1)業(yè)務信道。業(yè)務信道主要傳送數(shù)字語音或用戶數(shù)據(jù)，在前向鏈路和反向鏈路上具有相同的功能和格式。GSM業(yè)務信道又分為全速率業(yè)務信道(TCH/F)和半速率業(yè)務信道(TCH/H)。當以全速率傳送時，用戶數(shù)據(jù)包含在每幀的一個時隙內；當以半速率傳送時，用戶數(shù)據(jù)映射到相同的時隙上，但是在交替幀內發(fā)送。也就是說，兩個半速率信道用戶將共享相同的時隙，但是每隔一幀交替發(fā)送。目前使用的是全速率業(yè)務信道，將來采用低比特率語音編碼器后可使用半速率業(yè)務信道，從而在信道傳輸速率不變的情況下，信道數(shù)目將加倍，也就是系統(tǒng)容量加倍。

(2)控制信道?？刂菩诺烙糜趥魉托帕詈屯叫盘?。某些類型的控制信道只定義給前向鏈路或反向鏈路。GSM系統(tǒng)中有三種主要的控制信道，即廣播信道(BCH)、公用控制信道(CCCH)和專用控制信道(DCCH)，每個信道由幾個邏輯信道組成，這些邏輯信道按時間分布給GSM提供必要的控制功能，如圖5-17所示。表5-3總結了CCH類型，并對每個信道及其任務進行了詳細的說明。圖5-17GSM系統(tǒng)的信道分類

3．無線空中接口技術

1)無線空中接口上的信息傳輸

GSM無線接口上的信息需經多個處理才能安全可靠地送到空中無線信道上傳輸。

2)語音編碼與信道編碼

GSM語音編碼器采用規(guī)則脈沖激勵-長期預測編碼(RPE-LTP)，其處理過程是先對模擬語音進行8kHz抽樣，將其調整為一幀后再進行編碼，編碼后的語音幀幀長為20ms，含260bit，因而語音的純比特率為13kb/s。

語音信號的信道編碼過程如圖5-18所示。經過信道編碼后，GSM一個語音幀的數(shù)據(jù)比特達到456bit，速率為22.8kb/s。圖5-18語音信號的信道編碼過程

3)交織

雖然信道編碼為語音信號傳輸提供了糾錯功能，但它只能糾正一些隨機突發(fā)誤碼；由于移動傳播環(huán)境的惡劣和移動用戶移動的復雜性，常會遇到連續(xù)突發(fā)誤碼的情況，如MS快速通過大樓底部或快速穿過短隧道等，此時就無法充分發(fā)揮信道編碼的糾錯性能。因此，語音信號通過信道編碼后，還需進行交織處理，以提高抗御連續(xù)突發(fā)誤碼影響的能力。

4)不連續(xù)發(fā)射(DTX)

DTX是通過語音激活，在語音幀有信息時開啟發(fā)送，而無信息時關閉發(fā)送的系統(tǒng)傳輸控制技術。其目的在于降低空中干擾，提高系統(tǒng)容量和質量，降低電源消耗，增加移動臺電池的使用壽命。

舒適噪聲有兩個用途：抑制發(fā)射機開關造成的干擾和防止發(fā)射機關閉期間可能產生的電路中斷錯覺。

5)跳頻

所謂跳頻，是指按跳頻序列隨機地改變一個信道占有頻道頻率的技術。在一個頻道組內各跳頻序列應是正交的，而且各信道在跳頻傳輸過程中不應出現(xiàn)碰撞現(xiàn)象。跳頻技術首先使用在軍事通信領域以確保通信的保密性和抗干擾性能，如短波電臺通過改變頻率的方法來躲避干擾和防止被敵方竊聽。

通過跳頻，系統(tǒng)可以得到以下特性：

(1)改善衰落，提高系統(tǒng)性能。

(2)起到干擾分集的作用。

6)?GSM900/DCS1800雙頻組網

經過十多年的飛速發(fā)展，GSM移動通信網絡已經具有了相當大的規(guī)模，而且擁有龐大的用戶群。隨著網絡的逐期建設、用戶數(shù)的不斷增加，GSM900網絡變得越來越擁擠，其有限的頻率資源已無法適應用戶數(shù)的快速增長和數(shù)據(jù)業(yè)務及其他新業(yè)務的出現(xiàn)，所以開辟新的頻段即建設DCS1800網絡是解決這個矛盾的有效方法。

雙頻移動終端可以使用兩個頻段的資源，并在兩個頻段中自由切換。

(1)獨立建網。獨立建網方式是完全新建一個網絡，使用不同的網號、不同的號碼段，獨立發(fā)展用戶，與原有的GSM900網絡沒有任何的資源共享。這種方式的好處在于技術方案簡單，但不利于資源的有效利用和業(yè)務的發(fā)展。

(2)獨立MSC組網。獨立MSC組網是指DCS1800和GSM900網絡各自擁有獨立的MSC、BSC和BTS，但使用相同的網號，構成統(tǒng)一的網絡。

(3)獨立BSC組網。獨立BSC組網方式是指DCS1800和GSM900系統(tǒng)的BTS、BSC各自獨立，二者通過A接口(網絡系統(tǒng)(NSS)與基站子系統(tǒng)(BSS)之間的通信接口)連到同一個MSC上。

(4)共BSC組網。DCS1800基站與GSM900網使用相同的BSC的方式徹底解決了雙頻切換的問題。

綜上所述，4種方式各有優(yōu)、缺點，獨立建網方式適合新運營商的建網；獨立MSC方式適合大規(guī)模的DCS1800網的建設，且需要良好的DCS1800無線覆蓋的場合；獨立BSC方式可以減少一定的系統(tǒng)投資，但會引發(fā)A接口配合問題；共BSC組網方式則較為節(jié)約投資，網絡質量也有一定的保證，具有較明顯的優(yōu)勢。

5.3.3移動用戶的接續(xù)過程

1．開機進入空閑模式

(1)移動臺開機后搜索最強的BCCH載頻，然后讀取BCCH信道信息，并使移動臺的頻率與之同步。

(2)移動臺先讀取SCH信道信息，然后再找出基站識別碼(BSIC)和幀同步信息，并同步到超高幀TDMA幀號上。

(3)移動臺讀取系統(tǒng)信息，如鄰近小區(qū)情況、現(xiàn)所處小區(qū)使用頻率及小區(qū)是否可用、移動系統(tǒng)的國家號碼和網絡號碼等，這些信息都可在BCCH上得到。

2．位置登記

移動臺向網絡登記的方式有如下兩種：

(1)開機登記。移動臺登記后，接收廣播信息LAI(位置區(qū)域識別碼)，并更新位置儲存器的內容；接著向MSC/VLR發(fā)送位置登記報文，MSC/VLR接收并存儲該移動臺的位置信息，這時MSC/VLR認為此MS被激活，在其IMSI號碼上作“附著”標記。

(2)周期性登記。MS關機時向網絡發(fā)送最后一條消息，其中包含“使IMSI分離”的處理請求；MSC收到后，即通知VLR在該MS對應的IMSI上作“分離”標記。但是此時如果無線鏈路質量不好，MSC/VLR就有可能收不到分離處理請求而仍認為MS處于“IMSI附著”狀態(tài)。另外，MS進入盲區(qū)時，MSC/VLR卻不知道，也會認為MS處于“附著”狀態(tài)。此時，該用戶被尋呼時，系統(tǒng)就會不斷發(fā)出尋呼消息，無限占用無線資源。鑒于上述原因，系統(tǒng)采用強迫登記的措施，例如，要求移動臺30s便周期性登記一次，若系統(tǒng)收不到周期性登記消息，就給此移動臺以“IMSI分離”標記。

移動用戶的登記過程如下：

(1)移動臺在RACH上發(fā)出接入請求；

(2)系統(tǒng)通過AGCH分配給移動用戶一個SDCCH信道；

(3)移動臺在SDCCH上與系統(tǒng)交換信息(如鑒權)，完成登記；

(4)移動臺返回空閑狀態(tài)，并監(jiān)聽BCCH和CCCH信道。

3．移動臺被呼(以固定用戶呼叫MS為例)

圖5-19為入局呼叫建立的方案，過程如下：

(1)從ISDN/PSTN來的呼叫通過固定途徑送到最近的入口局MSC(GMSC)(①②)。

(2)?GMSC詢問該用戶的HLR，以獲得呼叫來建立路由(③)。

(3)?HLR詢問當前為該用戶服務的VLR(④⑤)，請求VLR為該用戶分配一個漫游號碼(MSRN)，然后HLR將漫游號碼及訪問MSC(VMSC)地址發(fā)給GMSC(⑥)。

(4)?GMSC根據(jù)從HLR獲得的信息建立起到VMSC的呼叫(⑦)。

(5)?VMSC咨詢VLR，以便與被呼用戶建立聯(lián)系(⑧⑨)。

(6)?VMSC/VLR通過PCH呼叫被呼移動用戶(⑨⑩)。移動用戶在RACH上通過發(fā)尋呼響應來應答(?)，在SDCCH上發(fā)測試報告和功率控制。

(7)系統(tǒng)通過AGCH為移動臺分配一個SDCCH。

(8)系統(tǒng)與移動臺在SDCCH上交換必要的信息，如鑒權、加密模式等。

(9)系統(tǒng)通過SDCCH為移動臺分配一個TCH，并在TCH上開始通話。圖5-19入局呼叫建立的方案

4．移動臺主呼(以MS呼叫固定用戶為例)

(1)?MS在RACH上發(fā)送呼叫請求。

(2)系統(tǒng)通過AGCH為MS分配一個SDCCH信道。

(3)?MSC/VLR與MS經SDCCH交換必需的信息，如鑒權、加密模式、TMSI再分配等。

(4)系統(tǒng)通過SDCCH為移動臺分配一個TCH，并建立與PSTN/ISDN的連接信道。

(5)被叫用戶摘機，進入通話狀態(tài)。

5.4第三代移動通信系統(tǒng)

5.4.1CDMA2000系統(tǒng)簡介

CDMA2000系統(tǒng)是在窄帶CDMA移動通信系統(tǒng)基礎上發(fā)展起來的。CDMA2000系統(tǒng)又分成兩類，一類是CDMA20001X，另一類是CDMA20003X。CDMA20001X屬于2.5代移動通信系統(tǒng)，與GPRS移動通信系統(tǒng)屬同一類；CDMA20003X則是第三代移動通信系統(tǒng)。

1．物理信道

(1)上行鏈路物理信道。

(2)下行鏈路物理信道。

當前，下行鏈路存在兩種主要方式：多載頻和直接擴頻。

2．擴頻

CDMA2000移動通信系統(tǒng)在無線接口方面有以下特征：

(1)無線信道的帶寬可以是N?×?1.25MHz，其中N可為1、3、5、9、12，即帶寬可選擇1.25MHz、3.75MHz、7.5MHz、11.25MHz、15MHz中的一種。但目前僅支持1.25MHz和3.75MHz兩種帶寬。

(2)在前向信道上，CDMA20001X系統(tǒng)用的是單載頻，頻寬是1.25MHz，CDMA20003X用的則是三載頻；在反向信道上用的都是單載頻。

(3)對于帶寬為N?×?1.25?MHz的載頻，擴頻的碼片速率為N

×?1.2288Mchip/s。

(4)在前向鏈路上采用了發(fā)射分集方式。對多載波，使用不同的載波發(fā)射到不同的發(fā)射天線上；對單載波，采用正交分集發(fā)射。

(5)用Turbo編碼。

(6)在前向信道上用了變長的Wald函數(shù)。碼片速率為1.2288Mchip/s時，Wald長128；碼片速率為3.6864Mchip/s時，Wald長256。

(7)不僅前向鏈路上用了導頻信道，反向鏈路上也使用了導頻信道。

CDMA20001X的網絡結構如圖5-20所示。CDMA20001X的網絡分成兩大部分：基站子系統(tǒng)和核心網?；咀酉到y(tǒng)包括基站控制器(BSC)和基站(BTS)，它們的作用與WCDMA系統(tǒng)中的基站子系統(tǒng)一樣；核心網分成電路域核心網和分組域核心網。電路域核心網包括移動交換中心(MSC)、訪問位置寄存器(VLR)、歸屬位置寄存器(HLR)和鑒權中心。這部分設備的功能與第二代移動通信系統(tǒng)中的基本相同，但在歸屬位置寄存器中增加了與分組業(yè)務有關的用戶信息；分組域核心網包括分組控制節(jié)點(PCF)、分組數(shù)據(jù)服務節(jié)點(PDSN)、歸屬代理(HA)和認證、授權、計費器(AAA)。圖5-20CDMA20001X的網絡結構

CDMA20001X網絡各設備的主要功能如下：

(1)分組控制節(jié)點(PCF)管理與分組業(yè)務相關的無線資源和與基站子系統(tǒng)的通信，以便傳送來自或送給移動臺的數(shù)據(jù)，并負責建立、保持和終止至分組數(shù)據(jù)服務節(jié)點(PDSN)的連接，實現(xiàn)與分組數(shù)據(jù)服務節(jié)點(PDSN)的通信。

(2)分組數(shù)據(jù)服務節(jié)點(PDSN)負責為移動臺建立與終止分組數(shù)據(jù)業(yè)務的連接，為簡單的IP用戶終端分配一個動態(tài)IP地址，與認證服務器(RADIVS服務器)配合向分組數(shù)據(jù)用戶提供認證服務，以確認用戶的身份與權限。

(3)認證、授權、計費服務器(AAA)負責移動臺使用分組數(shù)據(jù)業(yè)務的認證、授權和計費。

(4)歸屬代理(HA)主要負責鑒別來自移動臺的移動IP注冊和動態(tài)分配歸屬IP地址。

1998年3月在美國負責IS-95標準的通信工業(yè)協(xié)會(TIA)TR45.5委員會采用了一種向后兼容IS-95的寬帶CDMA框架，稱為CDMA2000。但是，CDMA2000最終的正式標準是2000年3月通過的。CDMA2000的目標是提供較高的數(shù)據(jù)速率以滿足IMT-2000的性能需求，即車輛環(huán)境下至少為144kb/s，室外環(huán)境下為384kb/s，室內辦公環(huán)境下為2048kb/s。表5-4給出了CDMA2000的主要特點。

3．CDMA2000的主要內容

CDMA2000系列標準是為了滿足3G無線通信系統(tǒng)的要求而提出的，其無線接口采用了碼分多址(CDMA)擴譜技術。該標準包括以下部分：

(1)?IS-2000-1.A，IntroductiontoCDMA2000StandardsforSpreadSpectrumSystems。這部分是對CDMA2000標準整體的簡要介紹。

(2)?IS-2000-2.A，PhysicalLayerStandardforCDMA2000SpreadSpectrumSystems。這部分是對CDMA2000物理層標準的描述，主要包括空中接口的各種信道的調制結構和參數(shù)，是整個標準中的關鍵部分。

(3)?IS-2000-3.A，MediumAccessControl(MAC)StandardforCDMA2000SpreadSpectrumSystems。這部分是對CDMA2000第二層標準中的媒體接入控制(MAC)子層的描述。

(4)?IS-2000-4.A，SignalingLinkAccessControl(LAC)StandardforCDMA2000SpreadSpectrumSystems。這部分是對CDMA2000第二層標準中的鏈路接入控制(LAC)子層的

描述。

(5)?IS-2000-5.A，UpperLayer(Layer3)SignalingStandardforCDMA2000SpreadSpectrumSystems。這部分是對CDMA2000高層(層3)信令標準的描述。

(6)?IS-2000-6.A，AnalogSignalingStandardforCDMA2000SpreadSpectrumSystems。這部分是對模擬工作方式的規(guī)定，用以支持雙模的移動臺(MS)基站(BS)。

4．CDMA2000的主要技術特點

CDMA2000具有一些新的技術特點：

(1)多種信道寬帶，帶寬可以是N?×?1.2288MHz；

(2)快速前向功率控制；

(3)前向發(fā)送分集；

(4)?Turbo碼；

(5)輔助導頻信道；

(6)反向鏈路相干解調；

(7)靈活的幀長(5ms、10ms、20ms、40ms、80ms、160ms)；

(8)可選擇較長的交織器；

(9)改進的媒體接入控制(MAC)方案。

5．CDMA2000系統(tǒng)主要的新增業(yè)務功能

由于使用了上述的一些新技術，CDMA2000系統(tǒng)可以為用戶提供一些新的服務，如：

(1)新的物理層技術能支持多種傳輸速率和QoS指標，每信道傳輸速率可達1Mb/s，每用戶傳輸速率可達2Mb/s。

(2)新的鏈路接入控制(LAC)和媒體接入控制(MAC)協(xié)議結構可以更加有效地使用無線資源，并支持靈活有效的復用控制與QoS管理。

(3)新的頻帶和帶寬選擇可以滿足運營商的多種需要，從而實現(xiàn)CDMAOne向CDMA2000系統(tǒng)的平滑過渡。

(4)核心網協(xié)議除使用IS-41標準外，還可以使用GSM-MAP標準，以及新型的IP骨干網標準。

5.4.2TD-SCDMA系統(tǒng)簡介

TD-SCDMA是我國提出的經國際電聯(lián)批準的第三代移動通信中的三種主要技術之一。

1．TD-SCDMA采用的技術

TD-SCDMA主要采用了如下技術：

(1)采用時分雙工TDD模式，不但能在不同的時隙中發(fā)送上行業(yè)務或下行業(yè)務，而且可以根據(jù)上、下行業(yè)務量的多少來分配不同數(shù)量的時隙。這樣，TD-SCDMA在上、下行非對稱業(yè)務中可實現(xiàn)最佳的頻譜利用率，而頻分雙工FDD在上、下行非對稱業(yè)務中則不能實現(xiàn)最佳的頻譜利用率。

(2)同時采用了FDMA、CDMA和TDMA三種多址技術。

(3)采用了智能天線技術。把不同方向性的波束分配給不同的用戶，可以有效減弱用戶間的干擾，并擴大小區(qū)的覆蓋范圍和系統(tǒng)的容量。

(4)采用了多用戶聯(lián)合檢測技術。多用戶信號經聯(lián)合處理后可精確地解調出用戶信號，可以降低對功率控制的要求。

(5)采用了軟件無線技術。

(6)一個載波的寬帶為1.6MHz，擴頻的碼片速率是1.2288Mchip/s。

(7)對高速率的數(shù)據(jù)編碼采用Turbo碼。

(8)保持與GSM/GPRS網絡的兼容性。這樣可以從GSM/GPRS系統(tǒng)平滑過渡到TD-SCDMA。

2．TD-SCDMA的特點

TD-SCDMA即時分同步碼分多址接入，該項通信技術也屬于一種無線通信的技術標準，它是由中國第一次提出并在此無線傳輸技術(RTT)的基礎上與國際合作，完成了TD-SCDMA標準，成為CDMATDD標準的一員。這是中國移動通信界的一次創(chuàng)舉，也是中國對第三代移動通信發(fā)展所作出的貢獻。

CDMA系統(tǒng)是一個干擾受限的系統(tǒng)，干擾的大小對系統(tǒng)容量至關重要。智能天線和上行同步技術的結合，可極大地降低多址干擾；同時，智能天線技術還可有效地降低系統(tǒng)內的自干擾，從而有效提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率。TD-SCDMA是第三代移動通信系統(tǒng)中系統(tǒng)容量最大的一種。

綜上所述，TD-SCDMA技術特別適合于用戶密度較高的城市及近郊地區(qū)，因為這些地區(qū)的人口密度高，頻率資源很緊張，系統(tǒng)容量是最關鍵的問題；此外，這些地區(qū)對數(shù)據(jù)業(yè)務(特別是因特網等非對稱數(shù)據(jù)業(yè)務)的需求較大。除高密度的城市小區(qū)應用外，TD-SCDMA也適合大區(qū)制覆蓋組網；與FDD模式一樣，也適合大面積覆蓋組全國大網。

由于中國移動通信業(yè)務分布極其不均勻：在大中城市等人口密度大的區(qū)域，頻譜資源緊張，問題突出，高速移動數(shù)據(jù)業(yè)務需求大；而在其他地區(qū)頻率緊張程度并不嚴重，數(shù)據(jù)業(yè)務的需求也不是很大，因此在中國第三代移動通信的組網初期不必進行全覆蓋，而是以第三代移動通信孤島方式建網來解決大城市語音頻率緊張和高速數(shù)據(jù)業(yè)務移動接入的問題。但它必須具備良好的后向兼容性，而依托現(xiàn)有的GSM系統(tǒng)混合組網，采用3G/GSM雙頻雙模終端能有效解決上述問題。

由此可見，TD-SCDMA技術所具備的頻譜利用率高、系統(tǒng)容量大、支持不對稱業(yè)務、能在GSM網絡基礎上平滑過渡、設備成本低等特點與中國第三代移動通信發(fā)展的要求一致，優(yōu)勢明顯，所以是中國第三代移動通信組網的極佳選擇。

5.5第四代移動通信技術簡介

第一代移動通信基于模擬幅度調制(AmplitudeModulation，AM)，與傳統(tǒng)的銅線電話類似，資源按照固定頻率劃分，即采用頻分多址(FrequencyDivisionMultipleAccess，F(xiàn)DMA)技術。第二代移動通信采用數(shù)字調制，語音經過信源壓縮成為數(shù)字信號，并加入信道編碼進行糾錯，而且運用功率控制，使得信道的傳輸效率大大提高，系統(tǒng)容量也有很大提升。

第三代移動通信有兩大標準，即cdma2000/EV-DO和UMTS/HSPA。在第三代移動通信中大規(guī)模應用了碼分多址(CodeDivisionMultipleAccess，CDMA)技術。通過頻率擴展，信道的抗干擾能力大大增強，從而提升了系統(tǒng)容量。系統(tǒng)容量的提高很大程度上得益于信道編碼技術的突破，1993年TurboCodes的出現(xiàn)使信道鏈路性能逼近香農極限容量(ShannonCapacity)，因此迅速地在第三代移動通信中得到應用。

5.5.1第四代移動通信的系統(tǒng)要求

第四代移動通信是全InteractProtocol(IP)的系統(tǒng)，全部是分組交換業(yè)務(PacketSwitchedService)，語音全部通過VoiceoverInteractProtocol(VoIP)技術進行傳輸，達到了數(shù)據(jù)和語音的完全融合，實現(xiàn)了大容量和高速數(shù)據(jù)業(yè)務的移動通信。無線網絡的部署在第四代移動通信中體現(xiàn)出多樣性，場景比以前的系統(tǒng)更加復雜，包括異構網，具有各自的獨特性。因此場景的定義、模型的建立和參數(shù)的設置成為關鍵技術研究的重要部分。

5.5.2第四代移動通信標準的發(fā)展

1.?IEEE802.16家族

IEEE早在1999年就已經成立了802.16工作組，負責制定固定無線接入空中接口標準的規(guī)范。

2.?3GPP努力發(fā)展IP業(yè)務

3GPP和3GPP2都已認識到其系統(tǒng)提供互聯(lián)網接入業(yè)務的局限性，試圖在原來的體系框架內，在下行鏈路中采用分組接入技術，大幅度提高IP數(shù)據(jù)下載和流媒體速率。

5.5.3第四代移動通信主要技術簡介

第四代移動通信標準一方面繼承了前幾代移動通信中的一些經典技術，另一方面融入了前沿無線通信的研究突破。其中的經典技術主要包括第三代移動通信中的Turbo信道編碼、鏈路自適應、HARO、多天線發(fā)射分集(TransmitDiversity)、VoIP等。

1.?OFDM/OFDMA/SC-FDMA

第四代移動通信的幾大標準都采用了OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交頻分復用)技術，這體現(xiàn)了移動通信技術發(fā)展的必然性。首先，4G的帶寬要求為20～100MHz，遠遠超過3G的帶寬1.2～5MHz。大帶寬意味著更精細的時間采樣粒度和更多的多徑分量。

2.軟件無線電

軟件無線電的概念是由MITRE公司的美國人JeeMitala在1992年5月的美國電信會議上首次明確提出的。其主要目的是解決美國軍方不同軍種之間由于通信裝備不同而引起的通信不暢的問題，后來則逐漸引起了民用研究機構的廣泛注意。軟件無線電的出現(xiàn)是無線通信從模擬到數(shù)字、從固定到移動后，從硬件到軟件的第三次變革。

軟件無線電的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)系統(tǒng)結構通用，功能實現(xiàn)靈活，改進升級方便。

(2)提供了不同系統(tǒng)間互操作的可能性。

(3)由于通過軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的主要功能，因此更易于采用新的信號處理手段，從而提高了系統(tǒng)抗干擾的性能。

(4)擁有較強的跟蹤新技術的能力。

但軟件無線電的實現(xiàn)還需要克服以下技術難點：

(1)多頻段天線的設計。

(2)寬帶A/D、D/A轉換。

(3)高速DSP(數(shù)字信號處理器)。

3.智能天線和MIMO技術

MIMO技術是無線通信領域智能天線技術的重大突破。該技術能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。

分集模式的主要原理：多個天線分別產生不同信號，無線信號在復雜無線信道中傳播會產生多徑瑞利衰落，在不同空間位置上，其衰落特性是不同的，因此不同的天線接收的信號也各不相同。

分集發(fā)射(TransmitDiversity)是一種更復雜的技術，發(fā)射端需要確認接收端的優(yōu)先級，然后提供最優(yōu)的傳輸路徑。其最簡單的實現(xiàn)思路是在選擇之前已經成功實現(xiàn)了信號收/發(fā)的路徑，在此基礎上，通過在多個天線上傳輸信號，從而提供“備份線路”來傳輸，使得路徑更加穩(wěn)定。在這種情況下，同樣的信息必須首先轉換為不同的RF信號以避免相互干擾。復雜的信號變換技術需要接收端采用相應的“反變換”算法。

分集模式最大化了無線范圍和覆蓋范圍，通過尋找較高質量的通路來提升網絡的吞吐量，也能降低產生錯包和重發(fā)的概率。一般來說，所使用的非關聯(lián)天線的數(shù)量、分集次序同性能的關系大致是對數(shù)的關系。

空分復用模式的主要原理：在室內，電磁環(huán)境較為復雜，多徑效應、頻率選擇性衰落和其他干擾源的存在使實現(xiàn)無線信道的高速數(shù)據(jù)傳輸比有線信道困難。通常多徑效應會引起衰落，被視為有害因素。

4.?CoMP技術

協(xié)調多點傳輸與接收(CoordinatedMultiplePointstransmission/reception，CoMP)是指地理位置上分離的多個傳輸點，利用多個具有共同特點的相同技術或者不同技術，協(xié)同參與為一個終端的數(shù)據(jù)傳輸和/或接收一個終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，從而增強系統(tǒng)性能和終端用戶的感知。

無線系統(tǒng)是個時滯系統(tǒng)。聯(lián)合發(fā)送/聯(lián)合接收就是盡最大可能地避免在發(fā)送/接收的環(huán)節(jié)造成信息的積壓和時間的浪費。實現(xiàn)用戶的最小時間等待，甚至“零”等待是“無線人”的夢想，但這一夢想對通信鏈路上的各網絡節(jié)點、性能各異的接收/發(fā)射天線等的低時延，提出了更高的要求。

5.載波聚合

提高系統(tǒng)和用戶吞吐量最直接的途徑是使用更多的頻率資源。LTE終端需要支持20MHz帶寬，而IMT-Advanced鼓勵帶寬延展至100MHz。

載波聚合(CarrierAggregation)對射頻器件的影響很大，功率放大、濾波器設計等都要引入新的設計以滿足性能要求。所以很多的標準化工作涉及射頻/基帶性能指標的制定，而射頻器件等的工程實現(xiàn)水平也是載波聚合標準的研究和制定的重要考慮因素。

6.無線中繼

無線中繼(Relay)是一種特殊的異構網節(jié)點，與其他類型的低功率節(jié)點不同，中繼與宏站的連接使用無線回傳(WirelessBackhaul)，這樣就大大地增加了節(jié)點部署的靈活性。無線回傳也可以通過微波進行點對點發(fā)送，但是微波回傳需要視距傳播條件，再加上易受雨雪天氣的影響，部署很受限制。LTE-Advanced所研究的中繼是通過解碼轉發(fā)(Decode-and-Forward)方式傳輸?shù)?。不同于傳統(tǒng)的直放站(Repeater)，中繼依靠解碼再傳輸，從而可提高目的地接收器的信干噪比，提升系統(tǒng)容量。

LTE-Advanced中繼的研究階段定義了兩種類型中繼：類型1(Type1relay)和類型2(Type2relay)。前者相當于一個獨立的低功率基站，主要用于覆蓋增強；而后者屬于協(xié)同類中繼，適于容量提升。其中類型1中繼在版本10(Release10)形成標準。因為類型1中繼必須能與LTERelease8的終端兼容，其標準化的重點在無線回傳鏈路上，包括下行物理控制信道(R-PDCCH)設計和回傳子幀的配置。

7.?ePDCCH

ePDCCH是指加強的下行物理控制信道，旨在提高控制信道的頻譜效率。隨著異構網、多用戶MIMO和CoMP等技術的迅速發(fā)展，下行控制信道逐漸成為系統(tǒng)容量的瓶頸。另外，同頻異構網的研究表明，小區(qū)間下行物理控制信道(PDCCH)的干擾問題比下行物理共享信道(PDSCH)的干擾問題更難解決，即使采用幾乎空白的子幀，小區(qū)公共參考信號仍然會對PDCCH造成嚴重的干擾。

8.云計算

云計算的特點如下：

(1)超大規(guī)模。

(2)虛擬化。

(3)高可靠性。

(4)通用性。

(5)高可擴展性。

(6)按需服務。

(7)極其廉價。

5.6第五代移動通信技術簡介

第五代移動通信系統(tǒng)又稱為5G移動網絡，是在已經普及的4G通信系統(tǒng)的基礎上全方位地提升技術水平，使用戶獲得更快速、更穩(wěn)定的通信體驗，從而實現(xiàn)商用目的。與4G相比，5G具有更高的速率、更寬的帶寬、更高的可靠性、更低的時延等，能夠滿足未來虛擬現(xiàn)實、超高清視頻、智能制造、自動駕駛等方面的應用需求。

1.?5G發(fā)展現(xiàn)狀

當前，各國通信行業(yè)均將5G技術當作研發(fā)的重點。我國移動通信技術起步雖晚，但在5G的研發(fā)上正逐漸成為全球的領跑者。

政府層面，頂層前沿布局已逐步展開，明確了5G技術的突破方向。

1)從國家宏觀層面明確了5G的發(fā)展目標和方向

2)依托國家重大專項等方式，積極組織推動5G核心技術的突破

2.?1G到5G的演進

5G具有以下特點：

(1)高速率。5G的網絡傳輸速率是4G的10倍以上，在5G網絡環(huán)境比較好的情況下，1GB文件只需1～3s就能下載完成。

(2)低時延。5G的網絡時延已達到毫秒級，僅為4G的十分之一。

(3)大容量。5G網絡容量更大，即使50個用戶在一個地方同時上網，也能有100Mb/s以上的速率。

從1G到5G的演進可以看到移動通信的發(fā)展歷程：

(1)起始/部署時間：1970/1980年→1980/1990年→1990/2000年→2000/2010年→2015/2020年。

(2)理論下載速度(峰值)：2kb/s→384kb/s→21Mb/s→1Gb/s→10Gb/s。

(3)無線網往返時延：N/A→600ms→200ms→10ms→≤1ms。

(4)單用戶體驗速率：N/A→440kb/s→10Mb/s→100Mb/s。

(5)標準：AMPS→TDMA/CDMA/GSM/EDGE/GPRS/1xRTT→WCDMA/CDMA2000/TD-SCDMA→FDD-LTE/TD-LTE/WIMAX→5GNR。

(6)支持服務：模擬通信(語音)→數(shù)字通信(語音、短信、全IP包交換)→高質量數(shù)字通信(音頻、短信、網絡數(shù)據(jù))→高速數(shù)字通信(VoLTE、高速網絡數(shù)據(jù))→eMBB、mMTC、uRLLC。

(7)多址方式：FDMA→TDMA/CDMA→CDMA→OFDM→F-OFDM/FBMC/PDMA/SCMA。

(8)信道編碼：N/A→Turbo→Turbo→LDPC/Polar。

(9)核心網：PSTN(公共交換電話網)→PS-CSCore(包-電路交換核心網)→EPC(全IP分組網)→5GC(虛擬化、網絡切片、邊緣計算)。

(10)天線技術：全向天線→60°/90°/120°定向天線→±45°雙極化、多頻段天線→MIMO天線→MassiveMIMO天線(16T16R以上)。

(11)單載波：N/A→200kHz→5MHz→20MHz→根據(jù)場景可變(10～200MHz)。

(12)數(shù)字調制技術(最高)：N/A→GMSK/8PSK/16QAM→32QAM→256QAM→1024QAM。

5G網絡端到端的技術，從新終端、新無線網、新傳輸網到新核心網、新業(yè)務都有不同程度的創(chuàng)新和發(fā)展。

(1)新終端：更高功率(26dBm)，更多天線(2個發(fā)射天線、4個接收天線)，更多形態(tài)(智能手機、AR/VR眼鏡、無人機、機器人等)。

(2)新無線網：更大帶寬(100?MHz@3.5/4.9?GHz，400?MHz@26/39?GHz)，更多天線(標配天線64通道、192陣子)，系統(tǒng)設計(波束管理、新參考信號、新編碼等)，靈活參數(shù)(短幀結構、短調度等(空口時延1～3.5ms))，更新結構(CU/DU分離、超密集組網)。

(3)新傳輸網：更大交換容量(核心層由640GB提升至12.8TB)，更高性能(節(jié)點時延達10ps級，時間誤差為ns級)，切片支持(支持分組，實現(xiàn)軟、硬融合切片)，智慧運維(引入SDN，實現(xiàn)全局視角智能調度)。

(4)新核心網：IT化(軟件功能化、C/D(計算與數(shù)據(jù))分離)，極簡化(CP/UP(控制平面與用戶平面)分離)，服務化(網絡切片、邊緣計算)。

(5)新業(yè)務：eMBB、uRLLC、mMTC。

5G網絡的關鍵能力指標包括用戶體驗速率、峰值速率、流量密度、連接密度、時延、移動速度、頻譜效率和能耗效率，如表5-5所示。

3．5G核心網的網絡架構

1)?5G核心網絡架構的兩種呈現(xiàn)方式

通過不同的用戶面，網元可同時建立多個不同的會話并由多個控制面網元同時管理，實現(xiàn)本地分流和遠端流量的并行操作。5G核心網網絡架構的呈現(xiàn)方式有參考點架構和服務化架構兩種，分別如圖5-21(a)、(b)所示。圖5-215G核心網網絡架構的呈現(xiàn)方式圖5-215G核心網網絡架構的呈現(xiàn)方式

2)?5G核心網的兩種狀態(tài)模型

(1)注冊管理模型。5G核心網定義了兩種注冊管理(RM)狀態(tài)，用于反映UE與網絡側的注冊狀態(tài)：一是取消RM注冊狀態(tài)。此狀態(tài)下，UE沒有注冊核心網，AMF不知道UE在哪兒，沒有UE的上下文，即UE對AMF來說是不可達的。二是RM注冊狀態(tài)。此狀態(tài)下，UE注冊到核心網，可訪問5G核心網提供的業(yè)務，AMF知道用戶具體位置，并建立UE的上下文。

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