《现代通信原理与技术》课件第13章.ppt
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1、第13章典型通信系统介绍 13.1GSM数字蜂窝移动通信系统数字蜂窝移动通信系统 13.2码分多址码分多址(CDMA)蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 13.3卫星通信系统卫星通信系统 第第13章典型通信系统介绍章典型通信系统介绍第13章典型通信系统介绍 13.1GSM数字蜂窝移动通信系统数字蜂窝移动通信系统 移动通信系统出现在半个世纪以前,80年代以后得到了迅速发展。数字程控交换技术的采用,综合业务数字网(ISDN)的开发成功,智能网研究的新进展,为实现个人通信打下了网络基础;特别是随着蜂窝组网技术的完善和大容量系统的出现,移动通信已经成为发展速度最快、最受欢迎、最灵活方便的通信技术之一。第
2、13章典型通信系统介绍 数字蜂窝移动通信系统是将通信范围分为若干相距一定距离的小区,移动用户可以从一个小区运动到另一个小区,依靠终端对基站的跟踪,从而使通信不中断。移动用户还可以从一个城市漫游到另一个城市,甚至到另一个国家与原注册地的用户终端通话。数字蜂窝移动通信系统的组成原理如图13-1所示。主要由三部分组成:控制交换中心、若干基站、诸多移动终端,通过控制交换中心进入公用有线电话网,从而实现移动电话与固定电话、移动电话与移动电话之间的通信。从基站到移动台的传输方向称为下行链路(或前向链路),从移动台到基站的传输方向称为上行链路(或反向链路),目前广泛应用的是第二代移动通信系统,采用窄带时分多
3、址(TDMA)和窄带码分多址(CDMA)数字接入技术,已形成的国家和地区标准有欧洲的GSM系统、美国的IS-54系统和IS-95系统、日本的PDC系统。我国主要采用欧洲的GSM系统。第13章典型通信系统介绍 图13-1数字蜂窝移动通信系统组成原理图 第13章典型通信系统介绍 GSM数字蜂窝移动通信系统(简称GSM系统)是第二代蜂窝系统的标准,它是为了解决欧洲第一代蜂窝系统四分五裂的状态而发展起来的。在GSM之前,欧洲各国采用不同的蜂窝标准,对于用户来说,不可能用一种制式的移动电话在整个欧洲进行通信。为了建立欧洲统一的数字移动通信标准,欧洲邮电联合会(CEPT)于1982年成立了移动通信特别小组
4、(GSM),对开发第二代蜂窝系统的目标进行研究。GSM通过对各个试验系统进行分析、论证和比较,于1988年提出了泛欧数字移动通信网标准,即GSM标准。任何一家厂商提供的GSM数字蜂窝移动通信系统都必须符合GSM技术规范。第13章典型通信系统介绍 13.1.1 GSM系统的主要性能和特点系统的主要性能和特点GSM系统的主要性能如下:1.工作频率工作频率GSM900系统,上行链路频率890915 MHz,下行链路频率935960 MHz,双工间隔为45 MHz,工作带宽为25 MHz,载频间隔为200 kHz;GSM1800系统,上行链路频率为17101785 MHz,下行链路频率为1805188
5、0 MHz,双工间隔为95 MHz,工作带宽为75 MHz,载频间隔为200 kHz;EGSM900系统,上行链路频率为880915 MHz,下行链路频率为925960 MHz,EGSM900比GSM900在上/下行频段向下扩展了10 MHz工作带宽,以解决目前GSM900系统频道拥挤问题。第13章典型通信系统介绍 2.发射类别发射类别271kF7W,即8个基本物理信道采用时分多址(TDMA)方式和高斯滤波最小移频键控(GMSK,BT=0.3)调制,每载波信息速率为270.833 kb/s。3.小区结构和频率再用小区结构和频率再用 农村地区可采用宏小区,小区半径可达35 km;城市地区的小区半
6、径为1020 km;市中心等业务量密集地区可采用微小区,半径0.5 km左右。地域覆盖模式为9小区的区群,同频保护比为C/I=9 dB。第13章典型通信系统介绍 4.业务信道业务信道 语音编码器的基本速率为13.0 kb/s,加纠错保护后的总速率为22.8 kb/s;透明数据速率2.4 kb/s、4.8 kb/s和9.6 kb/s;非透明数据基本速率12.0 kb/s。5.小区选择小区选择 由移动台进行小区选择,小区选择的条件是以路径损耗测量结果为依据。如果传输质量不满足指标要求或者不能对基站发射的寻呼块进行译码或者不能接入上行线路,则移动台就开始重新选择小区。第13章典型通信系统介绍 GSM
7、系统具有下列主要特点:(1)GSM系统是由几个分系统组成的,并且可与各种公用通信网(PSTN、ISDN、PDN等)互连互通。各分系统之间或各分系统与各种公用通信网之间都明确和详细定义了标准化接口规范,保证任何厂商提供的GSM系统或子系统能互连;(2)GSM系统能提供国际间的自动漫游功能,所有GSM移动用户都可进入GSM系统而与国别无关;(3)GSM系统除了可以提供话音业务外,还可以提供各种数字业务;(4)GSM系统具有加密和鉴权功能,能确保用户保密和网络安全;(5)GSM系统具有灵活和方便的组网结构,频率重复利用率高,业务承担能力强,保证在话音和数据通信两个方面都能满足用户对大容量、高密度业务
8、的要求;(6)GSM系统抗干扰能力强,覆盖区域内的通信质量高等。第13章典型通信系统介绍 13.1.2 GSM系统的结构及功能系统的结构及功能 GSM系统的典型结构如图13-2所示,主要由三个相关的子系统组成,它们是网络子系统(NSS)、操作支持子系统(OSS)和基站子系统(BSS)。移动台(MS)也是一个子系统,但通常被认为是基站子系统的一部分。这些子系统通过一定的网络接口互相连接,并与用户相连。基站子系统也叫无线子系统,提供并管理着移动台和网络子系统之间的无线传输通道,同时也管理着移动台与所有其他GSM子系统的无线接口。基站子系统不直接与公用通信网互通。网络子系统管理着系统的交换功能,保证
9、移动台与相关的公用通信网或与其他移动台之间建立通信,网络子系统不直接与移动台互通。操作支持子系统为运营部门提供一种手段来控制和维护系统的正常运行。第13章典型通信系统介绍 图13-2GSM系统结构第13章典型通信系统介绍 1.基站子系统基站子系统(BSS)基站子系统由多个基站收发信台(BTS)和基站控制器(BSC)组成。基站控制器是基站子系统的控制部分,承担各种接口的管理、无线资源的管理和无线参数的管理。基站收发信台是基站子系统的无线部分,由基站控制器控制,完成基站控制器与无线信道之间的转换,实现基站收发信台与移动台之间通过空中接口的无线传输和相关的控制。基站子系统是GSM系统中最基本的组成部
10、分,它通过无线空中接口与移动台连接,负责无线发送、接收和无线资源管理。另一方面,通过A接口,基站子系统与网络子系统中的移动业务交换中心(MSC)相连接,实现移动用户之间或移动用户和固定网络用户之间的通信连接,传送系统控制信息和用户信息等。第13章典型通信系统介绍 移动台属于基站子系统的一部分,它是GSM系统中用户使用的设备,包括:手持台、便携台和车载台。移动台通过无线空中接口与基站收发信台连接。移动台另外一个重要组成部分是用户识别卡(SIM)。SIM卡是一种存储装置,可存储用户识别卡,为用户提供服务的网络、地区、专用键,以及其他特定用户信息等。没有SIM装置,GSM移动台不会工作。正是SIM使
11、GSM用户能识别自己的身份。第13章典型通信系统介绍 2.网络子系统网络子系统(NSS)网络子系统主要由移动业务交换中心(MSC)、访问用户位置寄存器(VLR)、归属用户位置寄存器(HLR)、移动设备识别寄存器(EIR)和鉴权中心(AUC)等组成。网络子系统通过GSM规范的7号信令实现内部各功能块及与基站子系统的连接。承担GSM系统的交换功能及提供对用户管理和数据库。移动业务交换中心是网络的核心(MSC),它提供基站子系统、归属用户位置寄存器、移动设备识别寄存器、鉴权中心、操作维护中心(OMC)、面向固定网络的接口等的交换。把移动用户之间或移动用户和固定网络用户之间相互连接起来。MSC为移动用
12、户提供电信业务、承载业务和补充业务,同时还支持位置登记、越区切换、自动漫游等其他网络功能。第13章典型通信系统介绍 访问用户位置寄存器(VLR)是为其控制区域内的移动用户服务的。对其控制区域内的移动用户进行登记,并为已登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要条件。访问用户位置寄存器是一个动态数据库,其从已登记移动用户的归属用户位置寄存器获取或存储相关数据。当移动用户离开该VLR的控制区域,进入到另一个VLR的控制区域,则移动用户在新的VLR进行登记,而原VLR将撤销该移动用户数据。归属用户位置寄存器(HLR)是GSM系统的中央数据库,存储该HLR控制区域内所有移动用户的数据。这些数据包括:移动用户
13、识别号码、用户类型、访问能力、补充业务等。另外,HLR还存储移动用户实际漫游所在MSC区域的有关动态数据。第13章典型通信系统介绍 鉴权中心(AUC)是归属用户位置寄存器的一个功能单元,它存储着用户鉴权信息和加密密钥,保证移动用户通信安全,防止无权用户接入系统。移动设备识别寄存器(EIR)存储每个移动用户的国际移动用户识别号码(IMSI),通过白色清单、黑色清单或灰色清单这三种表格,确保网络内各移动用户的唯一性和安全性。IMSI由移动国家码、移动网号和移动用户识别号三部分组成,其结构如图13-3 所示。第13章典型通信系统介绍 图13-3IMSI结构 第13章典型通信系统介绍 3.操作支持子系
14、统操作支持子系统(OSS)操作支持子系统是管理和服务中心,主要包括:网络管理中心(NMC)、安全性管理中心(SEMC)、用户识别卡管理的个人化中心(PCS)、计费管理的数据后处理系统(DPPS)等。实现对移动用户管理、移动设备管理及网络操作和维护。GSM系统各子系统之间通过相应的接口连接,其原理如图13-4所示。主要接口包括:Um接口(无线空中接口)、Abis接口和A接口。这三种主要接口的标准化能保证不同厂商生产的GSM设备和系统能够互连。第13章典型通信系统介绍 图13-4GSM系统中的各类接口 第13章典型通信系统介绍 连接移动台和基站收发信台之间的接口称为Um接口,用于移动台和基站子系统
15、之间的互通,其传递的信息有:无限资源管理、移动性管理和接续管理。连接基站收发信台(BTS)和基站控制器(BSC)之间的接口称为Abis接口,通过标准的64 kb/s或2.048 Mb/s PCM数字传输链路实现 BTS与BSC之间的互连。此接口支持所有向用户提供的服务,并支持对BTS无线设备的控制和无线频率的分配。连接基站控制器和移动业务交换中心(MSC)之间的接口称为A接口,通过标准的2.048 Mb/s PCM数字传输链路实现BSC与MSC之间的连接。此接口传递的信息有:移动台管理、基站管理、移动性管理和接续管理。第13章典型通信系统介绍 13.1.3GSM的信道类型的信道类型 1.GSM
16、中的业务信道中的业务信道(TCH)GSM的业务信道携带用户数字化语音或数据信息,可分为全速率或半速率两种类型。全速率传送时,用户数据在一个时隙(TS)中传送。而半速率传输时,用户数据映射到同一时隙上,但是采用隔帧传送的方式,因此两个半速率的用户可以共享同一个时隙,但是每隔一帧交替发送。在GSM标准中,TCH数据不会在作为广播信道的频点的TDMA帧的TS0上传播。此外,TCH复帧(包含26帧)在第13和第26帧中会插入慢速辅助控制信道(SACCH)数据或空闲帧(IDLE)。如果第26帧中包含IDLE数据位,则为全速率TCH,如果包含SACCH数据则为半速率的TCH。业务信道复帧结构如图13-5所
17、示。第13章典型通信系统介绍 图13-5业务信道复帧结构 第13章典型通信系统介绍 全速率语音信道(TCH/FS)包含13kb/s的语音编码数据,信道速率为22.8kb/s;全速率9600b/s数据信道(TCH/F9.6)包含9600b/s的用户数据,信道速率为22.8kb/s;全速率4800b/s数据信道(TCH/F4.8)包含4800b/s的用户数据,信道速率为22.8kb/s;全速率2400b/s数据信道(TCH/F2.4)包含2400b/s的用户数据,信道速率为22.8kb/s;半速率语音信道(TCH/HS)包含6.5kb/s的语音编码数据,信道速率为11.4kb/s;半速率4800b
18、/s数据信道(TCH/H4.8)包含4800b/s的用户数据,信道速率为11.4kb/s;半速率2400b/s数据信道(TCH/H2.4)包含2400b/s的用户数据,信道速率为11.4kb/s。第13章典型通信系统介绍 2.GSM中的控制信道中的控制信道(CCH)GSM中有三种主要的控制信道:广播信道(broadcast channel-BCH),公共控制信道(commmon control channel-CCCH),专用控制信道(dedicated control channel-DCCH)。在GSM中每个控制信道由几个时分逻辑信道组成。BCH和CCCH的前向控制信道分配在指定频点的专用
19、时隙中,它们一般只在51帧(控制信道复帧)的指定帧的TS0中发送,这个频点我们称之为广播信道。其他7个时隙TS1到TS7可用来支持7个全速率的用户。在广播信道中,第51帧不包含BCH/CCCH前向链路数据,是一个空闲帧。在反向链路上,CCCH可以接受从移动台传来的包含TS0中的任何一帧中的信息。DCCH可以在每一帧的每一个时隙上传输。控制信道复帧结构如图13-6所示。第13章典型通信系统介绍 图13-6控制信道复帧结构 第13章典型通信系统介绍 1)广播信道(BCH)广播信道在一个小区的指定频点的前向链路发送的特定帧的TS0中传播。与TCH不同,BCH仅使用前向链路。BCH不但给小区内的移动用
20、户提供同步信息,同时也被邻接小区的移动用户监测。所以接收电平和MAHO(Mobile Asitant Hand Over)判决可以来自小区外用户。BCH在51TDMA帧序列的不同帧的TS0中分为3种信道。(1)广播控制信道(BCCH-Broadcast Control CHannel),该信道广播BTS的一般信息如小区和网络的特征、小区内其他可用的信道等等。在51帧控制复帧的第2帧到第5帧包含BCCH数据。第13章典型通信系统介绍(2)频率校正信道(FCCH-Frequency Correction CHannel),该信道用于移动台的频率与基站的频率同步。占用51帧控制复帧的第0帧,每隔10
21、帧重复一次。(3)同步信道(SCH-Synchronization CHannel),在51帧控制复帧的FCCH帧后就紧接着有一帧SCH,每隔10帧重复一次。载有移动台帧同步和基站收发信机识别、BSIC码、时间提前量等信息。第13章典型通信系统介绍 2)公共控制信道(CCCH-Common Control CHannel)公共控制信道为网络中移动台所共用,分三种类型信道。(1)寻呼信道(PCH),PCH是一个前向信道用于基站寻呼移动台,通知移动台有来自PSTN的呼叫。同时PCH在随机接入信道(RACH)上传送目标用户的IMSI,并要求移动台在RACH上提供认证信息,短消息也在PCH上发送。(2
22、)随机接入信道(RACH),RACH是一个反向信道用于移动台对PCH的回应,或随机提出入网申请,即请求分配独立专用控制信道(SDCCH)。(3)接入认可信道(AGCH),AGCH是一个反向信道用于基站对移动台的随机接入请求作出应答,即给移动台分配一个SDCCH或直接分配一个TCH。第13章典型通信系统介绍 3)专用控制信道(DCCH-Dedicated Control CHannel)GSM中有三种类型的专用控制信道,和TCH一样它们也是双向传送,在上下行链路中有相同的功能和格式,并可存在于除了BCH ARFCN的TS0之外的任何时隙中。(1)独立专用控制信道(SDCCH-Stand-alon
23、e Dedicated Control CHannel),它携带分配TCH之前移动台和基站连接的信令数据。SDCCH确保在BTS和MSC验证移动台并为它分配资源前移动台和BTS的连接不中断。SDCCH可以看做为一个中间的暂时信道。SDCCH可有专门的物理信道,也可和BCH共用。第13章典型通信系统介绍(2)慢速辅助控制信道(SACCH-Slow Associated CHannel),用来传送用户信息期间某些特定信息,例如:功率和帧调整控制信息、测量数据等。(3)快速辅助控制信道(FACCH-Fast Associated CHannel),用来传送用户的紧急信息,携带的信息基本上与SDCCH
24、相同。当没有为移动用户分配SDCCH,且需要处理紧急事务(如切换请求等),FACCH通过业务信道“偷”帧来实现。当TCH中的两个STEALING BIT被置位,则表明这个时隙中包含FACCH,而不是TCH。第13章典型通信系统介绍 13.1.4 GSM的帧结构的帧结构 GSM900工作带宽为25 MHz,每个载频为200 kHz,因此可以获得124个载频频道,考虑到第一个、最后一个作为保护频道不用,因此GSM900共有122个载频频道可用。GSM1800则有374个载频频道。EGSM在GSM900基础上增加了50个频道。通常将频道称为信道,即每个信道带宽为200 kHz。在上述三种系统中,为便
25、于无线管理,对每一信道都有明确的信道编号,同时不同的系统不同的频率内信道是不同的,具体计算方法如下:GSM900系统上行信道:(13.1-1)第13章典型通信系统介绍 下行信道:(13.1-2)式中,n为绝对射频频道(信道),即ARFCN,其取值范围为1n124。EGSM900系统上行信道:(13.1-3)(13.1-4)第13章典型通信系统介绍 下行信道:(13.1-5)GSM1800系统上行信道:(13.1-6)下行信道:(13.1-7)第13章典型通信系统介绍 由此可见,每个信道都对应有一个ARFCN,也即不同的n是只能应用于属于它的那个频道。GSM系统中一个信道在时域和频域的平面结构如
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