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现代通信网 教学课件 ppt 作者 王练 第3章移动通信ppt

归档日期:08-04       文本归类:反向复用      文章编辑:爱尚语录

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  第3章 移动通信网 第三代移动电线G) 将国际电信联盟(ITU)正在组织进行研究的未来公众陆地移动通信系统(Future Public Land Mobile Telecommunication System,FPLMTS,之后改名为IMT-2000),为统一标准, 意指在2000年左右提供商用并工作在2000MHz频段上的国际移动电线目标:全球统一频段,统一标准,无缝覆盖;实现高服务质量,高保密性能,高频谱效率;提供多媒体业务,实现高速移动条件下144kbit/s﹑低速移动条件下384kbit/s速率,相对静止条件下2Mbit/s速率的无线多媒体接入通信服务. 三种主流标准:WCDMA﹑CDMA2000和TD-SCDMA等. 移动通信的主要技术 多址调制技术 研究效率高﹑抗干扰能力强﹑频谱利用率高的调制技术和多址接入技术。 多址方式: FDMA, TDMA, CDMA等 频率重用和指配技术 主要是作好蜂窝小区频率规划,以提高频率利用率和减小同频干扰. 空间信号接收技术 包括分集接收﹑自适应均衡﹑差错控制等技术. 天线分集接收是将两路接收信号进行解码,并逐比特选取较好的信号. 均衡就是对波形形成特性的失真进行校正. 信源编码和信道编码技术 研究传送效率高﹑纠错能力强﹑控制开销小的高性能编码方法. 移动交换技术 研究以数字程控交换为基础,具有移动呼叫处理﹑漫游管理﹑自动频道切换﹑网间互连等功能的移动交换机. 信令技术 研究适应于给定移动通信系统业务需要的网络各个接口的信令协议和实现方式,包括不同移动网间互连及移动网和固定通信网间互连的信令. 数字移动通信技术 数字化是移动通信的发展方向和研究热点,它有利于向未来综合业务通信网的演化. 移动通信综合了无线通信﹑交换﹑信令﹑传输﹑数字信号处理等众多领域的技术,尤其是蜂窝式移动电话系统几乎汇集上述所有技术. 图3-1.大区制移动通信系统结构示意图 小区制在服务区内设有多个基站,不同的基站分布可组成带状网(如铁路网)或面状的蜂窝网(如公用网)。 移动通信网必需具有很强的控制功能,如频道的控制和分配,用户的登记和定位,以及越境切换和漫游的控制等,以满足用户的移动要求。 3.5 第三代移动通信系统(3G) 3.5.1 第三代移动通信系统(3G)概况 1.3G的概念及目标 早在1985年ITU-T就提出了第三代移动通信系统的概念,最初命名为FPLMTS(未来公共陆地移动通信系统),后来考虑到该系统将于2000年左右进入商用市场,工作的频段在2000 MHz,且最高业务速率为2000 kb/s,故于1996年正式更名为IMT-2000(International Mobile Telecommunication-2000)。 系统需要具有下述 3 个特性: (1)全球化 (2)综合化 (3)个人化 第三代移动通信系统的目标是能提供多种类型、高质量的多媒体业务;能实现全球无缝覆盖,具有全球漫游能力;与固定网络的各种业务相互兼容,具有高服务质量;与全球范围内使用的小型便携式终端在任何时候任何地点进行任何种类的通信。为了实现上述目标,对第三代无线传输技术(RTT)提出了支持高速多媒体业务(高速移动环境:144 kb/s,室外步行环境:384 kb/s,室内环境:2 Mb/s)的要求。 2.3G的应用 3.3G无线传输技术分类 无线 个标准: CDMA 技术: IMT-2000 CDMA DS,对应于 WCDMA IMT-2000 CDMA MC,对应于cdma2000 IMT-2000 CDMA TDD,对应于 TD-SCDMA 和 UTRA TDD TDMA 技术: IMT-2000 TDMA SC,对应于 UWC-136 IMT-2000 FDMA/TDMA,对应于 DECT 4.三大主流标准的比较 3.6 移动通信的发展趋势-4G 第四代移动通信具有以下特点: 高速化、宽带化,4G其信息传输速率比3G应高一个等级,由2Mbit/s到10Mbit/s。 灵活性强:4G系统能够实现对通信中变化的业务流大小进行相应处理而满足通信要求的功能,系统有很强的适应性和灵活性。 兼容性好,4G技术使之能与现在的GSM、CDMA以及TDMA三大移动技术兼容,互连互通。 用户共有性:4G应使高速用户、低速用户及各种设备的用户并存互通,从而满足系统多用户的不同要求。 业务的多样性:4G应统应照顾各种用户的各种宽带的不同业务的要求。 4G应有其自己高效的、可靠安全的网络结构及随时随地的移动接入。 第四代移动通信系统中的几个关键技术包括: 高速率、高质量、高效率的正交频分复用调制、解调技术(OFDM) 智能无线电技术,使之对信道条件不同的各种复杂环境都能进行信号的正常发送与接收,系统有很强的智能性。 智能天线,此天线能实现抑制信号干线、自动跟踪定位、切换以及数字波来调节等智能功能。 动态分组分配技术,2P分组包交换的路由技术网络与协议。 网络构架中的重构/自愈技术等。 小结 移动通信正在以惊人的速度在发展,为人们随时、随地便捷交流提供了平台。本章重点介绍移动通信网基础、移动通信系统的组网方式、数字蜂窝移动通信网、CDMA数字蜂窝移动通信网,同时还介绍了第三代移动通信系统(3G)。 图3-21 IMT-2000无线地面接口标准 卷积码 Turbo码 卷积码 Turbo码 卷积码 Turbo码 编码方式 前向、反向导频 DwPCH、UpPCH、中间码 公共导频 信道估计 相干解调 联合检测 相干解调 检测方式 支持 支持,可用空闲时隙进行测量 支持,可用压缩模式进行测量 频率间切换 支持 支持 支持 下行发射分集 反向:800Hz 前向:慢速、快速功控 0~200Hz 快速功控:上、下行1500Hz 功率控制 需要,典型方法是GPS 需要 不需要 基站同步 20ms 10ms(分为两个子帧) 10ms 帧长 1.2288 Mc/s 1.28 Mc/s 3.84Mc/s 码片速率 1.25MHz 1.6MHz 5MHz 载频间隔 CDMA-2000 TD-SCDMA WCDMA 图3-17 CDMA系统结构 2.CDMA系统的逻辑信道 CDMA系统采用的是频分双工FDD方式,即收发采用不同的载频。 从基站到移动台方向的链路称为正向链路或下行链路 从移动台到基站方向的信道称为反向链路或上行链路 由于上下行链路传输的要求不同,因此上下行链路上信道的种类及作用也不同。 (1)正向链路中的逻辑信道包括正向业务信道(F-TCH)、导频信道(PiCH)、同步信道(SyCH)和寻呼信道(PaCH)等。 ①导频信道(PiCH: Pilot Channel):基站在此信道发送导频信号(其信号功率比其他信道高20dB),供移动台识别基站并引导移动台入网。 ②同步信道(SyCH: Synchronization Channel):基站在此信道发送同步信息供移动台建立与系统的定时和同步。一旦同步建立,移动台就不再使用同步信道。 ③寻呼信道(PaCH: Paging Channel):基站在此信道寻呼移动台,发送有关寻呼指令及业务信道指配信息。当有用户呼入移动台时,基站就利用此信道来寻呼移动台,以建立呼叫。 ④正向业务信道(F-TCH: Forward Traffic Channel):用于基站到移动台之间的通信,主要传送用户业务数据,同时也传送随路信令。例如功率控制信令信息、切换指令等就是插入在此信道中传送的。 (2)反向链路中的逻辑信道由反向业务信道(B-TCH)和接入信道(AcCH)等组成。 ① 反向业务信道(B-TCH: Backward Traffic Channel):供移动台到基站之间通信,它与正向业务信道一样,用于传送用户业务数据,同时也传送信令信息,如功率控制信息等。 ② 接入信道(AcCH: Access Channel):一个随机接入信道,供网内移动台随机占用,移动台在此信道发起呼叫或对基站的寻呼信息进行应答。 3.4.3 CDMA系统的关键技术 CDMA系统中的关键技术包括以下几种: (1)同步技术—捕获与跟踪 (2)Rake接收 (3)功率控制 (4)软切换 1.同步技术 PN码序列同步是扩频系统特有的,也是扩频技术中的难点。 CDMA系统要求接收机的本地伪随机码PN序列与接收到的PN码在结构、频率和相位上完全一致,否则就不能正常接收所发送的信息,接收到的只是一片噪声。 若PN码序列不同步,即使实现了收发同步,也不能保持同步,也无法准确可靠地获取所发送的信息数据。 因此,PN码序列的同步是CDMA扩频通信的关键技术。 CDMA系统中的PN码同步过程分为PN码捕获和PN码跟踪两部分。 PN码序列捕获指接收机在开始接收扩频信号时,选择和调整接收机的本地扩频PN序列相位,使它与发送端的扩频PN序列相位基本一致(码间定时误差小于1个码片间隔),即接收机捕捉发送的扩频PN序列相位,也称为扩频PN序列的初始同步。捕获的方法有多种,如滑动相关法、序贯估值法及匹配滤波器法等,滑动相关法是最常用的方法。 PN码跟踪则是自动调整本地码相位,进一步缩小定时误差,使之小于码片间隔的几分之一,达到本地码与接收PN码频率和相位精确同步。 2.Rake接收技术 移动通信信道是一种多径衰落信道,Rake接收技术就是分别接收每一路的信号进行解调,然后叠加输出达到增强接收效果的目的,这里多径信号不仅不是一个不利因素,反而在CDMA系统中变成了一个可供利用的有利因素。 3.功率控制 功率控制技术是CDMA系统的核心技术。 CDMA系统是一个自扰系统,所有移动用户都占用相同带宽和频率,“远近效用”问题特别突出。 CDMA功率控制的目的就是克服“远近效用”,使系统既能维持高质量通信,又不对其他用户产生干扰。 功率控制分为正向功率控制和反向功率控制,反向功率控制又可分为仅有移动台参与的开环功率控制和移动台、基站同时参与的闭环功率控制。 1) 反向开环功率控制 小区中的移动台接收并测量基站发来的导频信号,根据接收的导频信号的强弱估计正确的路径传输损耗,并根据这种估计来调节移动台的反向发射功率。若接收信号很强,表明移动台距离基站很近,移动台就降低其发射功率,否则就增强其发射功率。小区中所有的移动台都有同样的过程,因此,所有移动台发出的信号在到达基站时都有相同的功率。开环功率控制有一个很大的动态范围,根据IS-95标准,它要达到正负32 dB的动态范围。 反向开环功率控制方法简单、直接,不需要在移动台和基站之间交换信息,因而控制速度快并节省开销。对于某些情况,例如车载移动台快速驶入或驶出地形起伏区或高大建筑物遮蔽区而引起的信号强度变化是十分有效的。 2) 反向闭环功率控制 闭环功率控制的设计目标是使基站对移动台的开环功率估计迅速做出纠正,以使移动台保持最理想的发射功率。 对于信号因多径传播而引起的瑞利衰落变化,反向开环功率控制的效果不好。因为正向传输和反向传输使用的频率不同,IS-95中,上下行信道的频率间隔为45 MHz,大大超过信息的相干带宽,它使得上行信道和下行信道的传播特性成为相互独立的过程,因而不能认为移动台在前向信道上测得的衰落特性,就等于反向信道上的衰落特性。为了解决这个问题,可以采用反向闭环功率控制。由基站检测来自移动台的信号强度,并根据测得的结果,形成功率调整指令,通知移动台增加或减小其发射功率,移动台根据此调整指令来调节其发射功率。实现这种办法的条件是传输调整指令的速度要快,处理和执行调整指令的速度也要快。一般情况下,这种调整指令每毫秒发送一次就可以了。 3) 正向功率控制 正向功率控制是指基站调整每个移动台的发射功率。其目的是对路径衰落小的移动台分派较小的前向链路功率,而对那些远离基站的和误码率高的移动台分派较大的前向链路功率,使任一移动台无论处于小区中的什么位置,收到基站发来的信号电平都恰好达到信干比所要求的门限值。在正向功率控制中,移动台监测基站送来的信号强度,并不断地比较信号电平和干扰电平的比值,如果小于预定门限,则给基站发出增加功率的请求。 4.软切换 与我们前面介绍的FDMA系统和GSM系统不同,CDMA系统中越区切换可分为两大类:软切换和硬切换。 1) 软切换 软切换是CDMA系统中特有的。 在软切换过程中,移动台与原基站和新基站都保持着通信链路,可同时与两个(或多个)基站通信。 在软切换中,不需要进行频率的转换,而只有导频信道PN序列偏移的转换。软切换在两个基站覆盖区的交界处起到了业务信道的分集作用,这样可大大减少由于切换造成的通话中断,因此提高了通信质量。同时,软切换还可以避免小区边界处的“乒乓效应”(在两个小区间来回切换)。 2) 更软切换 更软切换是指在一个小区内的扇区之间的信道切换。因为这种切换只需通过小区基站便可完成,而不需通过移动业务交换中心的处理,故称之为更软切换。 3) 硬切换 硬切换是指在载波频率不同的基站覆盖小区之间的信道切换。在CDMA系统中,一个小区中可以有多个载波频率。例如在热点小区中,其频率数要多于相邻小区。因此,当进行切换的两个小区的频率不同时,就必须进行硬切换。在这种硬切换中,既有载波频率的转换,又有导频信道PN序列偏移的转换。在切换过程中,移动用户与基站的通信链路有一个很短的中断时间。 3.4.4 呼叫处理及移动性管理 1.越区切换 CDMA软切换是移动台辅助的切换。 移动台要及时了解各基站发射的信号强度来辅助基站决定何时进行切换,并通过移动台与基站的信息交换来完成切换。 下面给出在同一个MSC内的切换过程。 (1)移动台首先搜索所有导频信号并测量它们的强度,测量导频信号中的PN序列偏移,当某一导频强度大于某一特定值(上门限)时,移动台认为此导频的强度已经足够大,能够对其进行正确解调。 若尚未与该导频对应的基站相联系时,它就向原基站发送一条导频强度测量消息,将高于上门限的导频信号的强度信息报告给基站,并将这些导频信号作为候选导频。原基站再将移动台的报告送往移动交换中心,移动交换中心则让新的基站安排一个前向业务信道给移动台。 (2)移动交换中心通过原小区基站台向移动台发送一个切换导向的消息。 (3)移动台依照切换导向的指令跟踪新的目标小区的导频信号,将该导频信号作为有效导频,开始对新基站和原基站的正向业务信道同时进行解调。同时,移动台在反向信道上向新基站发送一个切换完成的消息。这时,移动台除仍保持与原小区基站的链路外,与新小区基站也建立了链路。此时移动台同时与两基站进行通信。 (4) 随着移动台的移动,当原小区基站的导频信号强度低于某一特定值(下门限)时,移动台启动切换定时器开始计时。 (5)切换定时器到时,移动台向基站发送一个导频强度测量消息。 (6)基站接收到导频强度测量消息后,将此消息送至MSC,MSC再返回相应切换指示消息,基站将该切换指示消息发给移动台。 (7)移动台依照切换指示消息拆除与原基站的链路,保持与新基站的链路。而原小区基站的导频信号由有效导频变为邻近导频。这时,就完成了越区软切换的全过程。 实际上,在实际系统运行时,可能同时有软切换、更软切换和硬切换。更软切换是由基站完成的,并不需要MSC的参与。 例如,一个移动台处于一个基站的两个扇区和另一个基站交界的区域内,这时将发生软切换和更软切换。若处于三个基站交界处,又会发生三方软切换。上面两种软切换都是基于具有相同载频的各方容量有余的条件下,若其中某一相邻基站的相同载频已经达到满负荷,MSC就会让基站指示移动台切换到相邻基站的另一载频上,这就是硬切换。在三方切换时,只要另两方中有一方的容量有余,都优先进行软切换。也就是说,只有在无法进行软切换时才考虑使用硬切换。当然,若相邻基站恰巧处于不同MSC,这时即使是同一载频,也要进行硬切换。 2.位置登记 位置登记又称为注册(Register),是移动台向基站报告自己的位置、状态、身份等特性的过程。通过登记,当要建立一个移动台的呼叫时,基站能有效地寻呼移动台并发起呼叫。CDMA系统中可以支持多种注册。 CDMA系统位置登记的基本处理过程与GSM系统基本类似,故略去。 3.呼叫处理 移动台通话是通过业务信道和基站之间互相传递信息的。但在接入业务信道时,移动台要经历一系列的呼叫处理状态,包括系统初始化状态、系统空闲状态、系统接入状态,最后进入业务信道控制状态。 图3-18 移动台呼叫处理状态 (1) 移动台呼叫处理状态。 ① 移动台初始化状态。移动台接通电源后就进入“初始化状态”。 在此状态中,移动台不断地检测周围各基站发来的导频信号,各基站使用相同的引导PN序列,但其偏置各不相同,移动台只要改变其本地PN序列的偏置,很容易测出周围有哪些基站在发送导频信号。移动台比较这些导频信号的强度,即可捕获导频信号。此后,移动台要捕获同步信道,同步信道中包含有定时信息,当对同步信道解码之后,移动台就能和基站的定时同步。 ② 移动台空闲状态。移动台在完成同步和定时后,即由初始化状态进入“空闲状态”。 在此状态中,移动台要监控寻呼信道。此时,移动台可接收外来的呼叫或发起呼叫,还可进行登记注册,接收来自基站的消息和指令。 ③ 系统接入状态。如果移动台要发起呼叫,或者要进行注册登记,或者接收呼叫时,即进入系统接入状态,并在接入信道上向基站发送有关的信息。这些信息可分为两类:一类属于应答信息(被动发送);一类属于请求信息(主动发送)。 ④ 移动台在业务信道控制状态。当接入尝试成功后,移动台进入业务信道状态。在此状态中,移动台和基站之间进行连续的信息交换。移动台利用反向业务信道发送语音和控制数据,通过正向业务信道接收语音和控制数据。 (2) 基站呼叫处理主要包括以下处理: ① 导频和同步信道处理。在此期间,基站发送导频信号和同步信号,使移动台捕获和同步到CDMA信道,此时移动台处于初始化状态。 ② 寻呼信道处理。在此期间,基站发送寻呼信号。同时移动台处于空闲状态,或系统接入状态。 ③ 接入信道处理。在此期间,基站监听接入信道,以接收来自移动台发来的消息。同时,移动台处于系统接入状态。 ④ 业务信道处理。在此期间,基站用正向业务信道和反向业务信道与移动台交换信息。同时,移动台处于业务信道状态。 图3-19 2G与3G支持的业务速率 图3-20 3G提供业务支持及其所需的信息速率范围 位置登记过程是指移动通信网对系统中的移动台进行位置信息的更新过程,它包括旧位置区的删除和新位置区的注册两个过程。 移动台的信息存储在HLR、VLR两个存储器中。当移动台从一个位置区进入另一个位置区时,就要向网络报告其位置的移动,使网络能随时登记移动用户的当前位置,利用位置信息,网络可以实现对漫游用户的自动接续,将用户的通话、分组数据、短消息和其他业务数据送达漫游用户。 移动台一旦加电开机后,就搜寻BCCH信道,从中提取所在位置区标识(LAI)。 如果该LAI与原来的LAI相同,则意味着移动台还在原来的位置区,不需要进行位置更新; 若不同,意味着移动台已离开原来的位置区,则必须进行位置登记。 为了减少对HLR的更新过程,HLR中只保存了用户所在的MSC/ VLR的信息,而VLR中则保存了用户更详细的信息(如位置区的信息)。 在每一次位置变化时VLR都要进行更新,而只有在MSC/ VLR发生变化时(用户进入新的MSC/ VLR区时)才更新HLR中的信息。 位置登记可能在同一个MSC/VLR中进行,也可能在不同MSC/ VLR之间进行。 用户由一个MSC/VLR管辖的区域进入另一个MSC/VLR管辖的区域时,移动用户可能用IMSI来标识自己,也可能用TMSI来标识自己。 这些不同的情况处理过程均有所不同。 1) 移动台用IMSI来标识自己时的位置登记和删除 当移动台用IMSI来标识自己时,仅涉及VLR用户新进入区域的VLR和用户所注册的HLR。 当移动台进入某个MSC/VLR控制的区域时,MS通过BS向MSC发出位置登记请求消息。 若MS用IMSI标识自己,则新的VLR在收到MSC“更新位置区”的消息后,可根据IMSI直接判断出该MS的HLR地址。 VLR给该MS分配漫游号码MSRN,并向该HLR发送“更新位置区”的消息。 HLR收到后,将该MS的当前位置记录在数据库中,同时用“插入用户数据”消息将该MS的相关用户数据发送给VLR。 当收到VLR发来的“用户数据确认”消息后,HLR回送“位置更新确认”消息,然后VLR通过MSC和BS向MS回送确认消息,位置更新过程结束。 典型的两种位置登记过程: 图3-13 移动台用IMSI来标识自己时的位置登记和删除 2) 移动台用TMSI来标识自己时的位置登记和删除 当移动台进入一个新的MSC/VLR区域时,若MS用原来的VLR(PVLR)分配给它的临时号码TMSI来标识自己,则新的VLR在收到MSC“更新位置区”的消息后,不能直接判断出该MS的HLR。 新的VLR要求原来的PVLR“发送身份识别信息”消息,要求得到该用户的IMSI PVLR用身份识别信息响应消息将该用户的IMSI送给新的VLR VLR再给该用户分配一个新的TMSI 其后的过程与图3.13一样 图3-14 移动台用TMSI来标识自己时的位置登记和删除 2.呼叫接续 图3.15给出一次成功的移动用户呼出的接续过程,可以概括为以下的步骤: (1) 首先移动台与基站之间建立专用控制信道。 MS在“随机接入信道(RACH)”上,向BS发出“请求分配信令信道”信息,申请入网; 若BS接收成功,就给这个MS分配一个“专用控制信道(DCCH)”,用于在后续接续中MS向BS传输必需的控制信息; 并在“准许接入信道”(AGCH)上,向MS发送“指配信令信道”消息。 图 呼叫接续过程 (2) 完成鉴权和有关密码的计算。 MS收到“指配信令信道”消息后,利用“专用控制信道(DCCH)”和BS建立起信令链路,经BS向MSC发送“业务请求”信息。 MSC向有关的VLR发送“开始接入请求”信令。 VLR收到后,经过MSC和BS向MS发出“鉴权请求”,其中包含一随机数,MS按规定算法对此随机数进行处理后,向MSC发回“鉴权响应”信息。 若鉴权通过,承认此MS的合法性,VLR就给MSC发送“置密模式”命令,由MSC向MS发送“置密模式”指令。MS收到后,要向MSC发送“置密模式完成”的响应信息。同时VLR要向MSC发送“开始接入请求应答”信息。VLR还要给MS分配一个TMSI号码。 (3) 呼叫建立过程。 MS向MSC发送“建立呼叫请求”信息。 MSC收到后,向VLR发出“要求传送建立呼叫所需的信息”指令。如果成功,MSC即向MS发送“呼叫进展”的信令,并向BS发出分配无线业务信道的“信道指配”指令,要求BS给MS分配无线) 建立业务信道。 如果BS找到可用的业务信道(TCH),即向MS发出“信道指配”指令,当MS得到信道时,向BS和MSC发送“信道指配完成”的信息。 MSC把呼叫接续到被叫用户所在的移动网的MSC或固定网的交换局,并和对方建立信令联系。若对方用户可以接受呼叫,则通过BS向MS送回铃音。 当被叫用户摘机应答后,MSC通过BS向MS送“连接”指令,MS则发送“连接确认”进行响应,即进入通线) 话终挂机。 通话结束,当MS挂机时,MS通过BS向MSC发送“断开连接”消息 MSC收到后,一方面向BS和MS发送“释放”消息,另一方面与对方用户所在网络联系,以释放有线或无线资源; MS收到“释放”消息后,通过BS向MSC发送“释放完成”消息,此时通信结束,BS和MS之间释放所有的无线.越区切换 越区切换是指当通话中的移动台从一个小区进入另一个小区时,网络能够把移动台从原小区所用的信道切换到新小区的某一信道,而保证用户的通话不中断。 越区切换可能有两种不同的情况: (1)同一MSC内的基站之间的切换,称为MSC内部切换(Intra-MSC)。可进一步分为: 同一BSC控制区内不同小区之间(Intra-BSS)的切换 不同BSC控制区内(Inter-BSS)小区之间的切换 (2)不同MSC的基站之间的切换,称为MSC间切换(Inter-MSC)。 越区切换是由网络发起,移动台辅助完成的。 MS周期性地对周围小区的无线信号进行测量,及时报告给所在小区,并送给MSC。 网络会综合分析移动台送回的报告和网络所监测的情况,当网络发现符合切换条件时,进行越区切换的有关信令交换,然后释放原来所用的无线信道,在新的信道上建立连接并进行通线) MSC内部切换(Intra-MSC)的过程 图3-16 Intra-MSC切换过程 MS周期性地对周围小区的无线信号进行测量,并及时报告给所在小区。 当信号强度过弱时,该MS所在的基站(BSS-A)就向MSC发出“越区切换请求”消息,该消息中包含了MS所要切换的小区列表。 MSC收到该消息后,就开始向新基站(BSS-B)转发该消息,要求新基站分配无线资源,BSS-B开始分配无线资源。 BSS-B若分配无线信道成功,则给MSC发送“切换请求应答”消息。 MSC收到后,通过BS向MS发“切换命令”,该命令中包含了由BSS-B分配的一个切换参考值,包括所分配信道的频率等信息。 MS将其频率切换到新的频率点上,向BSS-B发送“切换接入(Handover-Access)”消息。 BSS-B检测MS的合法性,若合法,BSS-B发送“切换检测(Handover-Detect)”消息给MSC。同时,MS通过BSS-B送“切换完成”给MSC,MS与BSS-B正常通信。 当MSC收到“切换完成”消息后,通过“清除命令(Clear-Command)”释放BSS-A上的无线资源,完成后,BSS-A送“清除完成”给MSC。至此,一次切换过程完成。 2) MSC之间切换(Inter-MSC)的过程 MSC之间切换的基本过程与Intra-MSC的切换基本相似,所不同的是,由于是在MSC之间进行的,因此,移动用户的漫游号码要发生变化,要由新的VLR重新进行分配。因此,这里不再给出详细的过程。 3.4 CDMA 系 统 3.4.1 CDMA系统概述 1.CDMA技术的发展历程及标准 CDMA系统,即采用CDMA技术的数字蜂窝移动通信系统。 扩频通信技术 扩频技术具有抗干扰能力强、保密性能好的特点 20世纪80年代在军事通信领域获得了广泛的应用 为了提高频率利用率,在扩频的基础上,人们又提出了码分多址的概念 利用不同的地址码来区分无线信道 CDMA技术的标准化经历了几个阶段: IS-95标准 IS-95是CDMA系列标准中最先发布的标准,而真正在全球得到广泛应用的第一个CDMA标准是IS-95A,这一标准支持8kb/s编码线kb/s话音编码器。 随着移动通信对数据业务需求的增长,1998年2月,美国高通公司宣布将IS-95B标准用于CDMA基础平台上。 IS-95B是IS-95A的进一步发展,可提供CDMA系统性能,并提供对64kb/s数据业务的支持。 IS-95A和IS-95B均有一系列标准,其总称为IS-95。 CDMA one是基于IS-95标准的各种CDMA产品的总称,即所有基于CDMA one技术的产品,其核心技术均以IS-95为标准。 窄带CDMA IS-95建议的CDMA技术扩频带宽约为1.25 MHz,信息数据速率最高为13kb/s,它属于窄带CDMA范畴。 窄带CDMA的缺点 传输能力有限 不能提供多媒体业务 扩频增益不高 不能充分地利用扩频通信的优点 宽带CDMA系统 ITU制定了第三代移动通信的标准,统称为IMT-2000(开始的名称是FPLMTS,欧洲叫UMTS)。 IMT-2000空中接口的设计目标是在移动台高速运动时,用户的最高速率要达到144kb/s,更高可达到384 kb/s;在有限的覆盖区域内,移动台以一定的速率运动时,用户的速率最高可达到2Mb/s,包括提供Internet接入、电视会议和其他宽带业务。 这种CDMA系统称为宽带CDMA系统,其中最具代表性的技术是WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA技术。 自1995年美国通信工业协会(TIA)正式颁布窄带CDMA标准IS-95A以来,CDMA技术得到了迅速发展。 在3G标准中,将采用CDMA作为空中接口标准,这也进一步确立了CDMA为商业移动通信网的主流方向。 1995年9月,世界上第一个商用 CDMA移动网在香港地区开通 1996年在韩国汉城附近开通世界上最大的商用CDMA网 新加坡的CDMA个人通信网于1997年开通,这也是亚洲第一个CDMA个人通信网。 2001年12月31日,中国联通CDMA网在全国开通运营 CDMA移动通信系统是继模拟系统和GSM系统之后,备受人们关注的移动通信系统,除了技术本身的优势之外,重要的是国际电信联盟已将CDMA定为未来的移动通信的统一标准之一。 本节中我们主要介绍IS-95标准。 2.CDMA蜂窝移动通信网的特点 CDMA数字蜂窝系统是在FDMA和TDMA技术的基础上发展起来的,与FDMA和TDMA相比,CDMA具有许多独特的优点,其中一部分是扩频通信系统所固有的,另一部分则是由软切换和功率控制等技术所带来的。 CDMA移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再用等几种技术结合而成的,因此它具有抗干扰性好,抗多径衰落,保密安全性高和同频率可在多个小区内重复使用的优点,所要求的载干比(C/I)小于1,容量和质量之间可做权衡取舍等属性。 (1)系统容量大。 一个简单的比较: 考虑总频带为1.25 MHz FDMA(如AMPS)系统每小区的可用信道数为7; TDMA(GSM)系统每小区的可用信道数为12.5; CDMA(IS-95)系统每小区的可用信道数为120。 同时,在CDMA系统中,还可以通过话音激活检测技术进一步提高容量。 理论上CDMA移动网容量比模拟网大20倍,实际要比模拟网大10倍,比GSM要大4~5倍。 CDMA系统的优势: (2)保密性好。 在CDMA系统中采用了扩频技术,可以使通信系统具有抗干扰、抗多径传播、隐蔽、保密的能力。 (3)软切换。 CDMA系统中可以实现软切换。 所谓软切换,是指先与新基站建立好无线链路之后才断开与原基站的无线链路。因此,软切换中没有通信中断的现象,从而提高了通信质量。 (4) 软容量。 CDMA系统中容量与系统中的载干比有关,当用户数增加时,仅仅会使通话质量下降,而不会出现信道阻塞现象。 系统容量不是定值,而是可以变动的。 在CDMA系统中,所有移动用户都占用相同带宽和频率。 我们打个比方,将带宽想像成一个大房子,所有的人将进入惟一的一个大房子。如果他们使用完全不同的语言,就可以清楚地听到同伴的声音,而只受到一些来自别人谈话的干扰。 在这里,屋里的空气可以被想像成宽带的载波,而不同的语言即被当作编码,我们可以不断地增加用户,直到整个背景噪音限制住了我们。如果能控制住每个用户的信号强度,在保持高质量通话的同时,我们就可以容纳更多的用户了。 (5) 频率规划简单。 用户按不同的序列码区分,所以相同CDMA载波可在相邻的小区内使用,网络规划灵活,扩展简单。 3.4.2 CDMA网络结构及信道类型 1.CDMA网络结构 CDMA网中的功能实体和相互间的接口见图3.17。 从图中可看出CDMA网络结构与GSM网相似,因此,这里不再赘述其各部分的功能。 1.移动台(MS) 移动台是移动网中的用户终端,包括移动设备(ME:Mobile Equipment)和移动用户识别模块SIM卡(Subscriber Identity Module,通常称为SIM卡)。 2.基站系统(BSS: Base Station System) 基站系统(BSS)负责在一定区域内与移动台之间的无线通信。一个BSS包括一个基站控制器(BSC: Base Station Controller)和一个或多个基站收发台(BTS: Base Transceiver Station)两部分组成。 1) 基站收发台(BTS) BTS是BSS的无线部分,受控于基站控制器BSC,包括无线传输所需要的各种硬件和软件,如发射机、接收机、天线、连接基站控制器的接口电路以及收发台本身所需要的检测和控制装置等。它完成BSC与无线信道之间的转换,实现BTS与MS之间通过空中接口的无线传输及相关的控制功能。 2) 基站控制器(BSC) BSC是BSS的控制部分,处于基站收发台BTS和移动交换中心MSC之间。一个基站控制器通常控制几个基站收发台,主要功能是进行无线信道管理、实施呼叫和通信链路的建立和拆除,并为本控制区内移动台越区切换进行控制等。 3.网络子系统(NSS: Network SubSystem) 网络子系统主要包含GSM系统的交换功能和用于用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能,它对GSM移动用户之间通信和GSM移动用户与其他通信网用户之间通信起着管理作用。 NSS由一系列功能实体构成,各功能实体之间和NSS与BSS之间都通过No.7信令系统互相通信。 (1) 移动交换中心MSC是蜂窝通信网络的核心,如3.2节所述,它为本MSC区域内的移动台提供所有的交换和信令功能。 (2) 网关MSC(GMSC:Gateway MSC)是完成路由功能的MSC,它在MSC之间完成路由功能,并实现移动网与其他网的互连。 (3) 归属位置寄存器HLR是一种用来存储本地用户位置信息的数据库。每个用户都必须在某个HLR(相当于该用户的原籍)中登记。登记的内容主要有: 用户信息:如用户号码、移动设备号码等; 位置信息:如用户的漫游号码、VLR号码、MSC号码等,这些信息用于计费和用户漫游时的接续。这样可以保证当呼叫任一个不知处于哪一个地区的移动用户时,均可由该移动用户的HLR获知它当时处于哪一个地区,进而建立起通信链路。 业务信息:用户的终端业务和承载业务信息、业务限制情况、补充业务情况等。 (4) 访问位置寄存器VLR是一个用于存储进入其覆盖区的用户位置信息的数据库。 当移动用户漫游到新的MSC控制区时,由该区的VLR来控制。 当移动台进入一个新的区域时,首先向该地区的VLR申请登记,VLR要从该用户的HLR中查询,存储其有关的参数,并要给该用户分配一个新的漫游号码(MSRN),然后通知其HLR修改该用户的位置信息,准备为其他用户呼叫此移动用户时提供路由信息。 移动用户一旦由一个VLR服务区移动到另一个VLR服务区时,移动用户则重新在新的VLR上登记,原VLR将取消临时记录的该移动用户数据。 一般的,一个MSC对应一个VLR,记作MSC/VLR。 (5) 鉴权认证中心AUC与HLR相关联,是为了防止非法用户接入GSM系统而设置的安全措施。 AUC可以不断为用户提供一组参数(包括随机数RAND、符号响应SRES和加密键Kc三个参数),该参数组可视为与每个用户相关的数据,在每次呼叫的过程中可以检查系统提供的和用户响应的该组参数是否一致,以此来鉴别用户身份的合法性,从而只允许有权用户接入网络并获得服务。AUC 只与它相关的HLR之间进行通信。 (6) 设备识别寄存器EIR是存储移动台设备参数的数据库,用于对移动设备的鉴别和监视,并拒绝非法移动台入网。 (7) 操作和维护中心(OMC: Operation & Maintenance Center)对全网中每一个设备实体进行监控和操作,实现对GSM网内各种部件的功能监视、状态报告、故障诊断、话务量的统计和计费数据的记录与传递等功能。 4.接口 移动业务的国际漫游要求各个厂家生产的移动设备之间必须能够进行互通。因此,GSM系统在制定技术规范时就对其子系统之间及各功能实体之间的接口和协议作了比较具体的定义,使不同供应商提供的GSM系统基础设备能够符合统一的GSM技术规范而达到互通、组网的目的。 图3-11 GSM网络结构 GSM系统的主要接口有A接口、Abis接口和Um接口等。 (1)A接口定义为网络子系统(NSS)与基站子系统(BSS)之间的通信接口,从系统的功能实体来说,就是移动业务交换中心(MSC)与基站控制器(BSC)之间的互连接口。其物理链接通过采用标准的2.048 Mb/s的PCM数字传输链路来实现。此接口传递的信息包括移动台管理、基站管理、移动性管理和接续管理等。 (2)Abis接口定义为基站子系统的两个功能实体基站控制器BSC和基站收发信台(BTS)之间的通信接口,用于BTS与BSC之间的远端互连,物理链接通过采用标准的2.048 Mb/s或64 kb/s的PCM数字传输链路来实现。 (3)Um接口(空中接口)定义为移动台MS与基站收发台BTS之间的通信接口,用于移动台与GSM系统的固定部分之间的互通,其物理链接通过无线方式实现。此接口传递的信息包括无线资源管理,移动性管理和接续管理等。 此外还有网络子系统内部接口,这里只作简单叙述: ● B接口:MSC 和与它相关的VLR之间的接口; ● C接口:MSC 和HLR之间的接口; ● D接口:HLR 和VLR之间的接口; ● E接口:MSC之间的接口; ● G接口:VLR之间的接口; ● H接口:HLR 和AUC之间的接口。 3.3.2 移动通信网中的几种号码 移动通信中,由于用户的移动性,需要有多种号码对用户进行识别、登记和管理。下面介绍几种常用的号码。 1.移动台国际ISDN号码(MSISDN) MSISDN是指主叫用户为呼叫GSM PLMN中的一个移动用户所拨打的号码,其编号计划独立于PSTN/ISDN编号计划,编号结构为: CC + NDC(N1N2N3+H1H2H3) + SN 其中CC为国家码(如中国为86),NDC为国内地区码,SN为用户号码,号码总长不超过15位数字。 国际移动用户 ISDN号码 国内有效移动用户ISDN号码 1.移动台国际ISDN号码(MSISDN) CC + NDC(N1N2N3+H1H2H3) + SN 其中CC为国家码(如中国为86) 国内有效移动用户ISDN号码为一个10位数字的等长号码。 数字蜂窝移动业务接入号N1N2N3:139、138、136、135等 HLR识别号H1H2H3:全国H1H2H3分配见表,H3由各省自行分配; 移动用户号SN:× × × ×,由各HLR自行分配。 国际移动用户 ISDN号码 国内有效移动用户ISDN号码 新疆 青海 宁夏 甘肃 陕西 陕西 9 西藏 云南 贵州 四川 四川 四川 四川 8 广西 广西 广西 海南 海南 湖南 湖南 湖北 湖北 江西 7 福建 浙江 浙江 山东 山东 江苏 江苏 福建 6 福建 浙江 浙江 安徽 安徽 山东 山东 江苏 江苏 福建 5 内蒙 黑龙江 黑龙江 吉林 辽宁 辽宁 辽宁 4 河南 河南 山西 河北 河北 3 广东 广东 广东 广东 广东 广东 广东 广东 天津 天津 2 上海 上海 上海 北京 北京 北京 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 H1H2 H1H2的分配 2.国际移动用户标识号(IMSI:International Mobile Subscriber Identification) IMSI是网络惟一识别一个移动用户的国际通用号码,对所有的GSM网来说它是惟一的,并尽可能保密。 移动用户以此号码发出入网请求或位置登记,移动网据此查询用户数据。此号码也是HLR和VLR的主要检索参数。 根据GSM 建议,IMSI最大长度为15位十进制数字。 具体分配如下: 3位数字 1或2位数字 10-11位数字 MCC + MNC + MSIN/NMSI MCC:移动国家码,3位数字,唯一识别移动用户所属的国家,如 中国的MCC为460。 MNC:移动网号,最多2位数字,用于识别归属的移动通信网。 我国900MHzTDMA数字蜂窝移动通信网为00 MSIN:移动用户识别码,用于识别移动通信网中的移动用户。 唯一识别国内900M TDMA数字蜂窝移动通信网中的用户,H1H2H3 9 × × × × × × ,H1H2H3同移动用户ISDN号码中的H1H2H3 NMSI:国内移动用户识别码,由移动网号和移动用户识别码组成。 IMSI编号计划国际统一,由ITU-T E.212建议规定,以适应国际漫游的需要。 它和各国的MSISDN编号计划互相独立,这样使得各国电信管理部门可以随着移动业务类别的增加独立发展其自己的编号计划,不受IMSI的约束。 每个移动台可以是多种移动业务的终端(如话音、数据等),相应地可以有多个MSISDN,但是IMSI只有一个,移动网据此受理用户的通信或漫游登记请求,并对用户计费。 IMSI由电信经营部门在用户开户时写入移动台的EPROM。当任一主叫按MSISDN拨叫某移动用户时,终接MSC将请求HLR或VLR将其翻译成IMSI,然后用IMSI在无线信道上寻呼该移动用户。 3.国际移动台设备标识号(IMEI:International Mobile Equipment Identification) IMEI是惟一标识移动台设备的号码,又称移动台电子串号。该号码由制造厂家永久性地置入移动台,用户和网络运营部门均不能改变它,其作用是防止有人使用非法的移动台进行呼叫。 根据需要,MSC可以发指令要求所有的移动台在发送IMSI的同时发送其IMEI,如果发现两者不匹配,则确定该移动台非法,应禁止使用。 在EIR中建有一张“非法IMEI号码表”,俗称“黑表”,用以禁止被盗移动台的使用。 ITU-T建议IMEI的最大长度为15位。其中,设备型号占6位,制造厂商占2位,设备序号占6位,另有1位保留。我国数字移动网即采用此结构。 4.移动台漫游号码(MSRN:Mobile Station Roaming Number) MSRN是系统分配给来访用户的一个临时号码,供移动交换机路由选择使用。 移动台的位置是不确定的,它的MSISDN中的移动网号和H1H2H3只反映它的原籍地。当它漫游进入另一个移动交换中心业务区时,该地区的移动系统必须根据当地编号计划赋予它一个MSRN,经由HLR告知MSC,MSC据此才能建立至该用户的路由。 当移动台离开该区后,访问位置寄存器(VLR)和归属位置寄存器(HLR)都要删除该漫游号码,以便再分配给其他移动台使用。MSRN由被访地区的VLR动态分配,它是系统预留的号码,一般不向用户公开。 5.临时移动用户识别码(TMSI:Temporary Mobile Subscriber Identities) 为了对IMSI保密,在空中传送用户识别码时用TMSI来代替IMSI。 TMSI是由VLR给用户临时分配的,只在本地有效(即在该MSC/VLR区域内有效)。 3.3.3 信道类型及时隙结构 1.逻辑信道 GSM通信系统中,根据所传输的信息不同,将逻辑信道分为业务信道(TCH: Traffic Channel)和控制信道(CCH: Control Channel)。 1) 业务信道TCH 业务信道传输编码的话音或用户数据,按速率的不同分为全速率业务信道(TCH/F)和半速率业务信道(TCH/H)。 2) 控制信道CCH 控制信道传输各种信令信息。控制信道分为以下三类: 广播信道(BCCH):一种一点到多点的单方向控制信道,用于基站向移动台的下行方向。BS在BCCH中向所有MS广播一系列的信息,用于移动台入网、位置登记和呼叫建立(如同步信息)。 公共控制信道(CCCH):一种一点对多点的双向控制信道,用于传送呼叫接续阶段所必需的各种信令信息。其中,CCCH又可以分为以下三种: 随机接入信道(RACH):上行信道,用于移动台在申请入网时,向基站发送入网请求信息。 接入允许信道(AGCH):下行信道,用于基站向移动台发送指配专用控制信道DCCH的信息。 寻呼信道(PCH):下行信道,传送基站对移动台的寻呼信息。 2) 控制信道CCH 专用控制信道(DCCH):一种“点对点”的双向控制信道,其用途是在呼叫接续阶段和在通信进行当中,在移动台和基站之间传输必需的控制信息。 2) 控制信道CCH 2.物理信道 GSM系统采用时分多址、频分多址、频分双工方式(TDMA、FDMA、FDD)。 采用频段为:上行890~915MHz,下行935~960 MHz;双工间隔45 MHz。 首先在25 MHz的频段内进行频分复用,分为125个载频,载频间隔为200 kHz;再在每个载频上进行时分复用,分为8个时隙。 这样,共有1000个物理信道,根据需要分给不同的用户使用,移动台在特定的频率上和时隙内,向基站传输信息,基站也在相应的频率上和相应的时隙内,以时分复用方式向各个移动台传输信息。 图3-12 GSM系统的时隙结构示意图 GSM的帧结构分为帧、复帧、超帧、超高帧。下面给出GSM系统的时隙结构. 在GSM中,基本的无线资源单位是一个时隙(Slot),每个时隙含156.25个码元,占15/26 ms (576.9 μs),传输速率为1625/6≈270.833 kb/s。 每一个TDMA基本帧(Frame)含8个时隙,共占60/13≈4.615 ms。 多个TDMA基本帧构成复帧(Multiframe),其结构有如下两种: (1) 26-帧的复帧,即含26帧的复帧,其周期为120 ms,这种复帧主要用于承载TCH业务信道。 (2) 51-帧的复帧,即含51帧的复帧,其周期为3060/13≈235.385 ms,用于承载控制信道、BCCH、CCCH和DCCH等。 多个复帧又构成超帧(Super Frame),它是一个连贯的 51×26TDMA帧,即一个超帧可以是包括51个26-帧的复帧,也可以是包括26个51-帧的复帧。超帧的周期均为1326个TDMA帧,即 6.12秒。 多个超帧构成超高帧(Hyper Frame)。它是帧结构最长的重复周期,包括 2048个超帧,周期为12 533.76秒,即3小时28分53秒760毫秒。用于加密的话音和数据,超高帧每一周期包含2 715 648个TDMA帧,这些TDMA帧按序

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