《移动通信》PPT课件.ppt

2023/7/31,现代通信网技术,第四章 移动通信,2023/7/31,现代通信网技术,移动通信是当前发展最快、应用最广和最前沿的通信领域之一，第一代移动通信技术在上个世纪末已被淘汰，第二代移动通信（2G）技术方兴未艾，第三代移动通信（3G）技术的热潮又滚滚而来。近年来，我国移动通信发展迅猛，具有代表第二代移动通信系统的是GSM、GPRS、CDMA。无线市话（小灵通）实际上是固定电话网的一种补充和延伸，它将固定电话的最后一段线路由电缆连接改为无线连接方式进行通信，由于终端的可移动性，我们也将此内容纳入本章。,2023/7/31,现代通信网技术,第一节 第二代移动通信 一、GSM系统 GSM数字移动通信系统是由欧洲主要电信运营者和制造厂家组成的标准化委员会设计出来的，它是在蜂窝系统的基础上发展而成。主要采用时分多址技术（TDMA），即每一个频点上分为8个时隙，每个时隙为一个信道供一个用户使用。,2023/7/31,现代通信网技术,2023/7/31,现代通信网技术,PLMNPublic Land Mobile NetworkQ.1000系列建议对PLMN的结构、接口、功能等及公用电话网的互通作了规定综合式：MSC，HLR，VLR位于同一物理设备中，即移动交换机具有登记器的功能部分分离式：NSC，HLR位于同一设备中，VLR单独，较多使用。完全分离式：MSC，HLR，VLR均为独立物理实体。HLR，VLR为独立的网络数据库，控制移动业务的处理，MSC则完成单纯的话路接续任务，与智能网结构一致，MSP相当于SSP（业务交换点）,2023/7/31,现代通信网技术,GSM帧结构图,2023/7/31,现代通信网技术,1个帧=8个时隙，帧长为4.61ms1个业务复帧=26个帧，帧长为120ms1个控制复帧=51个帧，帧长为235.4ms1个超帧=51个业务复帧=26个控制复帧 帧长为51X26X4.615=6.12s 1个超高帧=2048个超帧=2715648个帧 帧长为2048X6.12=3h28min53.76s,GSM帧结构,2023/7/31,现代通信网技术,二、CDMA 不分时隙和频段，是用各不相同的编码序列（地址码）来区分的。用时域，频域来观察，CDMA是相互重叠的，接收机可以在多个CDMA信号中选出其中使用预定码型的信号，而其它使用不同码型的信号不能被解调。由于重叠原因，存在多址干扰问题，限制了容量的发展，但与TCMA比具有更大的通信容量。,2023/7/31,现代通信网技术,“软容量”或“软过载”特性。在短时间内可提供更多的信道数。可适当降低系统的的误码性能，提高系统的用户数目。“软切换”功能。过去切换初始，只止移动台与新基站通信连接后，才与原基站断开。采用话音激活技术，提高系统通信质量。以扩频技术为基础，具有扩频的优点，如抗干扰.抗多径衰落和具有保密性等。,CDMA特点,2023/7/31,现代通信网技术,CDMA网络参考模型定义了网中的功能实体和相互间的接口，见图4.3。从图中可看出CDMA网络参考模型与GSM网相似。,图4.3 CDMA网络参考模型,2023/7/31,现代通信网技术,其中，MSC：移动交换中心、HLR：归属位置寄存器、VLR：拜访位置寄存器、AC：鉴权中心、MC：短消息中心、SME：短消息实体、PSTN：公用交换电话网、MS：移动、EIR：设备识别寄存器、BS：基站系统、OMC：操作维护中心、IWF：互连功能。,2023/7/31,现代通信网技术,图4.4 功率控制示意图,2023/7/31,现代通信网技术,三、PLMN蜂窝小区：r=1几十公里，每个小区分配一个信道。基站区：一个基站管辖的区域。全向天线：一基站含一小区；扇型天线：一基站含数小区。位置区：可有若干个基站区组成，在一同位置区移动不必进行登记。移动交换业务区：一个MSC管辖，一个公共移动网含多个业务区。服务区：若干个相互连网的PLMN覆盖区组成，此区内，可以漫游。系统区：同制式的移动通信覆盖区，在此区域Um接口技术完全相同。,2023/7/31,现代通信网技术,4、区域划分,2023/7/31,现代通信网技术,移动通信网络结构,由移动交换中心（MSC）、基站（BS）和移动台（MS）组成移动通信网络结构一个系统区由若干个服务区组成一个服务区由若干个陆地移动通信网（PLMN）组成一个PLMN由一个或若干个MSC组成一个MSC由若干个位置区组成一个位置区由若干个BS组成一个基站由若干个蜂窝小区组成,2023/7/31,现代通信网技术,移动通信是在指定的频段上设计而成的，公共陆地移动网大多采用800MHz和900MHz频段，少数采用450MHz频段；欧洲推出DSC的数字系统采用1800Hz频段。目前大容量移动通信系统均使用900MHz频段，频率分配如图4.6所示。,2023/7/31,现代通信网技术,图4.6 900MHz 频段频率分配,2023/7/31,现代通信网技术,图4.7 PLMN三级网络结构,2023/7/31,现代通信网技术,MS-PSTN示意图,2023/7/31,现代通信网技术,移动台发号，向基站发出“初试接入”。基站将移动台试呼叫消息转送给移动交换机。移动交换机根据IMSI检索用户数据，判断是否有权此类呼叫。若有权，分配空闲业务信道。基站开启该波道射频发射机，并向移动台发送“初始业务信道指配”消息。,MS-PSTN,2023/7/31,现代通信网技术,移动台收到此消息后，即调谐到指定波道，并按要求调整发射电平。基站确认业务信道建立成功后，将此消息通知移动交换机移动交换机分析被叫号码，选定路由，建立与PSTN交换局的中继连接。若被叫空闲，终局回送指示消息（如ACM），同时经话路返送回铃音。被叫摘机后与移动用户通话。,2023/7/31,现代通信网技术,第二节 GPRS GSM只能提供基于电路交换的9.6kb/s的数据业务;GSM推出了两种高速移动数据业务:高速电路交换数据业务(HSCSD)和通用分组无线业务(GPRS).HSCSD采用无线链路的多时隙技术,可以同时利用多个时隙建立链路,最多可以同时用到6个时隙(64kbit/s).,2023/7/31,现代通信网技术,GPRS(General Packet Radio Service)是GSM Phase2.1规范实现的内容之一,采用与GSM相同的频段频带宽度突发结构无线调制标准跳频规则和帧结构是基于现有的GSM网络网络来实现的,容许终端在端到端分组交换的模式下完成数据业务的收发(2.5G)适合于间断的多发型的和频繁的少量的数据传输,也适合于偶尔的大数据量传输,2023/7/31,现代通信网技术,图4.12 GPRS网络基本组成,2023/7/31,现代通信网技术,在GSM上构建GORS时需要的功能模块主要包括:1.GPRS交换设备有网关支持节点GGSN和业务支持节点SGSN及域名服务器DNS计费网关CG和边界网关BG等.GGSN:Gata GPRS Supporting Node SGSN:Serving Support Node 2.GPRS基站子系统附加设备:增加硬件设备PCU(Packet Control Unit)3.原HLR,VLR,MSC,SMS-GMSC,SMS-IWMSC等要升级支持GPRS,2023/7/31,现代通信网技术,GPRS的主要特点 在整个连接期内,为电路交换模式,用户占用独立的无线信道,使其“永远在线”;在数据发/收时,引入分组交换传输模式,无线信道的灵活调用;计费按流量支付.最多可有8个时隙组合在一起,给用户提供171.2kbit/s的带宽;无线接口资源在语音业务和数据业务共享,上行链路和下行链路的分配是独立的.,2023/7/31,现代通信网技术,每个用户可以有多个无线信道,而同一信道又可以由多个用户使用;采用了与GSM不同的四种信道编码方案,每个用户可达到9-150kbit/s的比特;支持IP协议和X.25协议;短消息业务(SMS)也可以通过GPRS无线信道传输;接入时间短(小于1s);支持突发数据传输(0.5-1s恢复数据的重新传输);安全功能与GSM同相同.,2023/7/31,现代通信网技术,SGSN是移动台和GSM网络的接口,是GSM网络中的一个节点,与MSC网络体系中的同一层.GGSN是连接GSM网络和外部分组交换网的网关,是通过基于IP协议的GPRS骨干网连到SGSN.GPRS的服务支持节点网关支持接点使用户能够在端到端分组模式下发/收数据.它们利用GPRS隧道协议(GTP)对IP或X.25进行封装,实现传输.,2023/7/31,现代通信网技术,GPRS主要实体及功能 1 SGNG:记录移动台的当前位置消息,并在移动台和SGSN之间移动分组数据的收/发;向MSC/VLR发送定位消息和接收来自MSC/VLR的寻呼请求;对MS进行服务。其功能：鉴权、加密、计费、维护SGSN PDN（分组数据地址）上下文提供寻路功能等。2 GGNS：起网观关作用，它可以和多种不同的数据网络相连，如ISDN、PSPDN、LAN、DDN、ATM、以太网等等，也就是说可以对移动网中的数据包进行协议转换后送往数据网，一般连接到TCP/IP或X.25网络。其功能：选路由、分配IP地址、协议转换、计费等。,2023/7/31,现代通信网技术,3 PDN：提供数据分组的外部网络。注意：接入不同的网络采用不同的分组数据协议地址（PDP地址），如接入IP网时采用不同的IP地址，接入X.25/X.75网时采用X.121地址等。4 HLR：在HLR中含有GPRS数据和路由信息。SGSN或GGSN都可访问。对漫游MS来说，HLR可能位于不同位置的移动网中。5 SMS-GMGS和SMS-IWMSC：分别指短消息业务网关和互通移动交换中心，与SGSN相连，使GPRS MS 通过GPRS通过无线信道收/发短消息。,2023/7/31,现代通信网技术,6 MSC/VLR：用于GPRS与其他GSM业务进行配合时使用MSC/VLR。如利用GPRS实现电路交换业务的寻呼，GPRS与GSM联合进行位置更新等。这时，MSC/VLR存储的有移动用户识别码IMSI和附著在GPRS和GSM电路业务上的MS的SGSN编号。7 GPRS-MS：有三类。A类（class-A）操作模式：同时运行GPRS和GSM服务。B类（class-B）操作模式：同一时刻只运行一种。C类（class-C）操作模式：只运行GPRS服务。,2023/7/31,现代通信网技术,图4.13 PCU的实现方式,2023/7/31,现代通信网技术,图4.14 通过MSC采用半永久连接方式,2023/7/31,现代通信网技术,图 4.20 GPRS协议结构,2023/7/31,现代通信网技术,在GPRS骨干网中IP分组被用来传送GTP分组。这样GTP分组含有用户分组，或者说用户分组被嵌入到GTP分组，即“容器”中传输。如图4.21所示。,2023/7/31,现代通信网技术,4.22 GGSN与MS之间的传输,2023/7/31,现代通信网技术,第三节 无线市话系统 无线市话简称“小灵通”，是一种新型的个人无线接入系统。按我国信息产业部规定,移动市话系统是固定电话网的补充和延伸,定位于“小范围低速移动无线接入”,它的移动性是受限的。小灵通可以提供优质的语音服务，高速的无线数据上网和丰富多彩的短信、电子邮件和内容浏览等增值服务。,2023/7/31,现代通信网技术,组成网络的各部份作用如下:,图4.24 无线市话系统基本结构,2023/7/31,现代通信网技术,图4.25 射频信道分配图,2023/7/31,现代通信网技术,图4.26 直放站在无线市话系统中的位置,2023/7/31,现代通信网技术,图4.27 无线市话系统接入方式,2023/7/31,现代通信网技术,第四节 第三代移动通信 一、3G概述 第二代的不足之处:(1)系统容量还不够大,不能满足手机用户高密度的要求;(2)速率低,不能提供高速数据和多媒体服务;(3)不能实现全球覆盖无缝连接.第三代移动通信是ITU组织各国共同研究的末来公用陆地移动通信系统(FPLMTS)1985年国际电联无线通信部开始研究适于全球运营的FPLMTS 1992年在世界无线电行政大会(WARC92)上,为3G系统分配了1.82.2GHz的频谱,2023/7/31,现代通信网技术,它将适应个人通信的需要,建立相应的准则,协调末来公众移动系统与目前及末来固定网之间的全世界互连与综合.这些固定网包括PSTN),ISDN及B-ISDN等 1994年,ITU-T(电联电信标准部)和ITU-R合作研究FPLMTS.1996年FPLMTS正式更名为IMT-2000(International Mobile Telecommunica-tion-2000),即国际移动通信系统,工作于2000MHz频段,最高速率达2Mbit/s,2023/7/31,现代通信网技术,IMT-2000的目标(1)统一全球使用的频率,满足系统的无线兼容问题.IMT-2000使用的频段为18852025MHz；2110 2200MHz。频谱的利用率高。(2)统一标准：第三代移动通信系统将是一个在全球范围内覆盖和使用的系统，它将使用共同的频段，全球统一标准。不要求各系统在无线传输设备及网络内部技术完全一致，而要求在网络接口.互通及业务能力方面的统一或协调。(3)便于从第二代移动通信系统演进：网络一定要能在第二网络的基础上逐渐灵活演进，并应与固定网各种业务相互兼容。,2023/7/31,现代通信网技术,（4）全球无缝覆盖，可实现全球漫游。（5）对第三代无线传输技术（RTT）提出了支持从语音到分组数据到多媒体业务。3G应能支持语音.分组数据及多媒体业务,为此,ITU规定的3G无线传输技术的最低要求中,满足在以三个环境的三种要求：快速移动环境，最高速率达成144kbit/s;室外到室内或步行环境,最高速率达384 kbit/s;室内环境,最高速率达2Mbit/s.,2023/7/31,现代通信网技术,二、TD-SCDMA TD-SCDMA系统的研制开发主要由大唐电信与西门子公司以合作方式进行，已取得重要阶段性进展。实验系统TD-SCDMA是由中国大唐提出的IMT-2000，具有中国自主的知识产权,是近20年多年来中国电信技术飞速发展的标志。它的核心网络基于GSM/GPRS的演进,充分考虑了与GSM系统的互操作性和对GSM核心网络的兼容性。,TD-SCDMA简介,2023/7/31,现代通信网技术,TD-SCDMA技术部分采用了智能天线和上行同步技术,适合高密度低速接入，小范围覆盖，不对称数据传输。它的每一个帧分成8个时隙,每个时隙携带许多使用码分技术分离的多个交叠的信道。每个时隙分配一个方向用于上行通信或下行通信。然而时隙的分配不是预先定义的。因此,TDD模式与TDMA、CDMA具有相同的持性。与cdma2000和WCDMA采用频分双工(FDD)模式不同,TD-SCDMA采用时分双工(TDD)模式,这使它具有独特的优势。,2023/7/31,现代通信网技术,TD-SCDMA的技术特点信号带宽:1.6MHz;码片速率为1.28Mchip/s单载波直接序列扩频时分多址 同步CDMA多址接入;帧长10ms;调制方式为下行QPSK.上行BPSK;内环.外环功率控制,控制速率200次/秒.与CDMA2000和CDMA采用频分双工(FDD)模式不同,TD-SCDMA采用时分双工(TDD)模式,这使它具有独特的优势.FDD模式因为其上行链路的下行链路是相互独立的,资源不能相互利用.对于对称业务,FDD有很好的频谱利用率,而对于不对称业务,其频谱利用将有所降低.,2023/7/31,现代通信网技术,TDD系统的主要问题 允许终端移动的速度较低:目前ITU要求TDD系统允许速度达到120km/h,而FDD系统则要求达到500 km/h.这是因为FDD系统是连续控制,而TDD系统是时分控制的.在高速移动时,多普效应将导致快衰落,速度越高,衰落深度越深.基于目前芯片的处理速度和算法,TD-SCDMA只能做到数据率为144kbit/s时,移动速度最大可达250km/h.,2023/7/31,现代通信网技术,三、cdma2000 cdma2000由北美最早提出,能与现有的IS-95CDMA后向兼容。cdma 2000技术得到主要分布在北美和亚太地区运营商的支持。北美电信标准组织TIA/EIA向ITU提出的RTT方案cdma2000,其核心Wideband CDMAone技术，CDMAone是以IS-95为标准的各种CDMA产品的总称。IS-2000是宽带CDMA技术，cdma2000技术的正式标准总称。,cdma2000简述,2023/7/31,现代通信网技术,北美电信标准组织TIA/EIA向ITU提出的RTT方案为cdma2000,其核心Wideband CDMAone技术.IS-95A和IS-95B:第二代CDMA技术标准CDMAone是以IS-95为标准的各种CDMA产品的总称。cdma2000和IS-2000：第三代CDMA技术标准 cdma2000是美国向ITU提出的3G无线输标准，是IS-95标准向第三代演进的体制方案，是宽带CDMA技术。cdma2000在室内环境时，速率为2Mbit/s以上;步行环境时速率为38 kbit/s;车载环境时速为144 kbit/s;以上.,2023/7/31,现代通信网技术,图4.28 cdma2000-1X系统网络示意图,2023/7/31,现代通信网技术,IS-2000是宽带CDMA技术.CDMA2000技术的正式标准总称.CDMA2000-1X CDMA2000-1X指CDMA2000的第一阶段(速率高于IS-95,低于2Mbit/s),可支持 308kbit/s速率的数据传输.网络部分引入分组交换,可支持移动IP业务.,2023/7/31,现代通信网技术,CDMA2000-3X/IS-2000-ACDMA2000-3X(3GPP2规范为IS-2000-A),也称为宽带CDMAone，是基于IS-95标准演化的一重要组成部分。它与CDMA2000-1X的主要区别是下行CDMA信道采用3载波方式，而CDMA2000-1X用单载波方式。因此它的优势在于能提供更高的数据速率。3X表示3载波，即3个125MHz,共3.75MHz的频带宽度。与其他的标准类似，CDMA2000-3X将在CDMA2000-1X标准的基础上提供附加的功能和相应的业务支持。,2023/7/31,现代通信网技术,这些特性包括：。提供比CDMA2000-1X更大的系统容量；。提供2Mbit/s的数据速率；。实现与CDMA2000-1X和CDMAone系统的向后兼容性等。增加CDMA2000的载波数量可以提向系统的传输速率，但载波数量的增加，将使系统硬件复杂和成本提高。CDMA2000-3X的前景还难以预测。,2023/7/31,现代通信网技术,CDMA2000-1X的主要技术特点 CDMA2000-1X信号带宽为1.25MHz,码片速率1.2288Mchip/s;采用单载波直接序列扩频CDMA多址接入方式;帧长20ms;调制方式为:QPSK(下行).BPSK(上行);CDMA2000-1X容量是IS-95A系统的两倍,可支持144kbit/s的数据传输；兼容IS95A/B。CDMA2000-1X要求完全兼容CDMAone,因此，它支持ANSI-41作为自己的核心网络协议并与其兼容。,2023/7/31,现代通信网技术,CDMA2000-1X引入了分组交换方式。在上下行信道，通过发辅助信道指配消息，可以建立辅助码分信道，使数据在消息指定的时间段内，通过辅助码分信道发送给移动台或基站。如果反向链路需要的分组数据传输量很多，移动台通过发送辅助信道请求消息与基站建立。使CDMA2000-1X能更灵活地支持分组业务。CDMA2000-1X采用开环.闭环功率控制,速率为800次/秒.CDMA2000-1X上下行同时采用导频辅助相干解调.网络采用全球定位系统GPS同步,给组网带来一定的复杂性.CDMA2000-1X的信道编码采用卷积码和Turbo码.支持软切换.频间切换与IS_95B间切换.前向分集：OTD、STS。,2023/7/31,现代通信网技术,图4.29 IS-2000的体系,2023/7/31,现代通信网技术,图4.30 cdma2000的移动交换机接口,2023/7/31,现代通信网技术,图4.31 MSC-BS接口间的协议参考模型,2023/7/31,现代通信网技术,图4.32 A3信令及协议栈,2023/7/31,现代通信网技术,图4.33 A7、A9、A11接口协议栈,2023/7/31,现代通信网技术,四、WCDMA WCDMA（Wideband CDMA）也称宽带码分多址，是一种全新第三代移动通信系统，与窄带CDMA相比具有更大的系统容量和更大的覆盖区域，可适应多种速率传输和提供多种业务。WCDMA主要由欧洲ETSI、日本ARIB和中国提出，系统的核心网是基于GSM-MAP，可支持384kbit/s到2Mbit/s不等的数据传输速率及未来高速无线数据业务的需求。,2023/7/31,现代通信网技术,通用移动通信系统（UMTS，Universal Mobile Telecommunications System）是采用WCDMA空中接口技术的第三代移动通信系统，通常也把UMTS系统称为WCDMA通信系统。UMTS系统采用了与第二代移动通信系统类似的结构，包括无线接入网络（RAN，Radio Access Network）和核心网络（CN，Core Network）。,2023/7/31,现代通信网技术,图4.34 WCDMA系统结构,2023/7/31,现代通信网技术,无线网络控制器（RNC）RNC（相当于GSM中的BSC）采用了通用的ATM结构，各种器件及处理器都通过ATM交换机来连接，以便于功能的扩充。其主要功能为：无线电资源和宏分集组合功能（也称软切换功能）；“Iu”接口功能（155Mbit/s的ATM链路上传送）；基于1.5Mbit/s或2Mbit/sATM的“Iub”传送与ATM适配层2（AAL2）链路层的连接功能；符合G.729的语音编码/译码功能等。一个RNC至少可以连接三个基站，每个基站可以有一条1.5Mbit/s或两条2Mbit/s的“Iub”链路。,2023/7/31,现代通信网技术,移动业务交换中心（MSC）MSC也是在ATM交换结构的基础上设计而成的，所以与RNC有很多相同的特点，MSC与RNC的某些功能还可以互用，如编译码器既可以放在MSC，又可以放在RNC，这完全符合“Iu”接口标准，MSC可处理与RNC的“Iu”接口以及与ISDN和ATM LAN的固定网络接口。MSC通过空中接口传输的用于位置更新、授权、加密的目的的基本序列及用于移动台呼叫的建立与释放,2023/7/31,现代通信网技术,图4.35 UTRAN结构图,2023/7/31,现代通信网技术,图4.37 UTRAN接口通用模型,2023/7/31,现代通信网技术,图4.38 R5的网络结构,2023/7/31,现代通信网技术,图4.39 无线接口协议结构,2023/7/31,现代通信网技术,图4.40 Iub接口协议,2023/7/31,现代通信网技术,五、3G的比较及问题 虽然CDMA2000、WCDMA和TD-SCDMA同属3G的主流技术标准，但也可以将其分为两类：CDMA2000、WCDMA并作一类，采用FDD的标准；TD-SCDMA则为另一类，采用TDD标准。在表4-1中进行了简单比较。,2023/7/31,现代通信网技术,表4-1 WCDMA、cdma2000和TD-SCDMA的比较表,