蜂窩無線通信系統概述1第1頁，課件共49頁，創作于2023年2月內容安排1.無線網絡概述1.1無線網絡的發展史1.2無線網絡的分類1.3無線信道1.4無線網絡的技術難點2.蜂窩無線系統2.1蜂窩的基本概念2.2蜂窩無線系統的發展階段2.3GSM系統介紹2第2頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.無線網絡概述

通信網絡：由多個通信點和通信鏈路，按照一定的組織形式所構成的通信系統的統一體。廣義地講，它包括一切用于傳遞信息的網絡，它是實現信息傳遞的物質技術基礎。通信點和通信鏈路是通信網絡的兩個基本要素。如果通信鏈路是有線的(例如雙絞線、光纖等)，則對應的通信網絡為有線網絡；如果通信鏈路是無線的(依靠電磁波進行傳輸)，則對應的通信網絡為無線網絡。3第3頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.1無線網絡的發展史1895年，馬可尼在懷特島與相距18英里的一艘拖船間實現了世界上第一次無線電傳輸，無線電通信由此誕生。1915年，無線電與電話結合，第一次建立了紐約與舊金山之間的無線音頻傳輸。1946年，公用移動電話服務在橫跨美國的25個城市率先使用。20世紀60年代，蜂窩系統設計完成，并在80年代初期推廣。1971年，夏威夷大學建成了第一個分組無線網：AlohaNet。1985年，聯邦通信委員會(FCC)規定了用于工業、科學和醫藥等公共用途的無線局域網絡產品的頻段(ISM)，促進了無線局域網在商業上的發展。80年代中期，分組無線網絡通過DARPA的促進達到巔峰。并于90年代初，服務商利用分組無線網提供廣域范圍內的無線數據服務。4第4頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.2無線網絡的分類衛星通信網絡(SatelliteNetwork)：例如LEO(低地軌道系統)和GEO(地球同步軌道系統)。這類網絡能夠提供全球覆蓋，但是其資費水平很高，傳輸時延也很大(LEO的傳輸時延約為20-25ms，GEO的傳輸時延約為250-280ms)?，F有的各種無線網絡都是針對某些特定的業務類型和用戶群體而專門設計的，因此在覆蓋范圍、可用帶寬、計費水平等方面都有差別。無線網絡根據數據傳輸的距離和網絡覆蓋范圍大致可以分為以下5種類型：5第5頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.2無線網絡的分類無線廣域網(WWAN)：例如GSM(全球移動通信系統)、GPRS(通用分組無線業務)以及cdma2000等蜂窩無線通信系統。這類系統的覆蓋范圍可達省際甚至洲際，支持靜止、步行或者車載的移動用戶，當用戶處于靜止狀態時最多能夠獲得2Mb/s的數據傳輸速率。無線城域網(WMAN)：例如與IEEE802.16e協議兼容的WiBro(無線因特網接入系統)。這類網絡能夠提供城域覆蓋，峰值傳輸速率可達70Mb/s，能夠支持的最高移動速率約為120km/h。6第6頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.2無線網絡的分類無線局域網(WLAN)：例如IEEE802.11bWLAN，能夠在較低的資費水平下提供最高可達11Mb/s的數據傳輸速率，但是只能支持低速移動的用戶，而且傳輸距離只有幾十米到幾百米。無線個域網(WPAN)：例如Bluetooth。該系統的最高數據傳輸速率可達3Mb/s，傳輸距離通常不超過10米。7第7頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.3無線信道無線系統使用大氣層作為它們的傳輸媒體，這種傳輸媒體被稱為無線信道。無線信號通過尺度與信號波長大致相同的天線產生一系列足夠的振幅來穿過傳輸媒體。大多數的陸地移動系統都使用UHF頻段(特高頻段)，衛星系統主要使用SHF頻段(超高頻段)。8第8頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.3無線信道在VLF,LF,和MF頻段,無線電波沿地面傳播。在HF頻段,無線電波通過電離層反射。9第9頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.3無線信道無線信道是一種較弱的媒體，易受噪聲、干涉、屏蔽、多路等的影響，而且這些信道的障礙會因為用戶的移動而隨時間改變。傳送信號在傳送器和接收器之間有一個被削弱或阻塞的直路成分。傳輸信號的其它成分稱為多路成分，它們被周圍的物體反射、散射、衍射，到達接收器時，相對于直路信號，振幅、相位和時間都會發生變化。10第10頁，課件共49頁，創作于2023年2月時間接收信號強度發射信號多徑環境11第11頁，課件共49頁，創作于2023年2月高斯噪聲信道模擬當前徑權重接收信號發射信號信道模擬當前徑權重信道模擬當前徑權重信道模擬當前徑權重無線信道模型12第12頁，課件共49頁，創作于2023年2月美國的ISM頻段ISM(工業、科學、醫療)頻段的使用不需要經過FCC(聯邦通信委員會)授權。不同的國家ISM頻段的位置也有所不同。13第13頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.3信道訪問由于無線頻譜資源的不足，在不同的應用中共享帶寬的有效技術顯的很必要。對于持續的傳輸(如視頻和語音)，一般分配專用信道。在專用信道中共享帶寬為多路訪問。對于突發性的數據傳輸，使用隨機信道分配，使用隨機信道分配來共享帶寬，稱為隨機訪問。14第14頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.3.1多路訪問多路訪問技術通過帶寬分割將專用信道劃分給多個用戶。劃分頻譜的方法包括頻分(FDMA)、時分(TDMA)和碼分(CDMA)以及這些方法的結合。在FDMA中，系統總帶寬被劃分為頻率不重疊的正交信道，并將其分配給不同的用戶。TDMA將時間劃分為不重疊的時隙，并將其分配給不同的用戶。在CDMA中時間和帶寬同時被不同的用戶使用，通過正交或半正交擴展編碼進行調制。15第15頁，課件共49頁，創作于2023年2月頻率時間TDMA時間頻率FDMA頻率時間碼字CDMA16第16頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.3.1多路訪問FDMA是幾種多路訪問技術中最簡單的。TDMA稍微復雜一點，它需要所有的用戶間的時序保持同步。另外，TDMA中用戶間的正交性會受到符號間干涉的影響。半正交CDMA是多路訪問方法中最復雜的一種。通過正交編碼的CDMA，接收器將所需的信號從其他的CDMA用戶中分離出來，用戶間沒有干涉。17第17頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.3.2隨機訪問在大多數無線數據網絡中，只有一部分很少的、不可預知的以及時常變動的用戶群會隨時有數據發送。如果給每個用戶分配專用信道會很低效，而隨機分配信道對，則對信道的訪問沒有保證，因此需要一個隨機訪問協議。隨機訪問協議主要有兩類：ALOHA技術和預留分配協議。18第18頁，課件共49頁，創作于2023年2月純ALOHA在純ALOHA中，無論何時有數據，發送器都馬上往信道發送數據分組。這導致在接收端大量的數據發生沖突。發生沖突的分組必須在下一個時間內重發。ALOHA信道最大吞吐量（正確接收分組的速率）是數據速率的18%。19第19頁，課件共49頁，創作于2023年2月純ALOHA在純ALOHA中，無論何時有數據，發送器都馬上往信道發送數據分組。這導致在接收端大量的數據發生沖突。發生沖突的分組必須在下一個時間內重發。ALOHA信道最大吞吐量（正確接收分組的速率）是數據速率的18%。20第20頁，課件共49頁，創作于2023年2月分組預留多路訪問在分組預留多路訪問(PRMA)中，時隙是分片的，每N個時隙組成一個幀，要發送分組的終端在每一幀中競爭空閑的時隙。一旦一個分組在一個時隙中被成功發送，在后繼的幀中，只要這個用戶有分組發送，這個時隙就預留給該用戶。PRMA需要很少的中央控制，沒有預留開銷。21第21頁，課件共49頁，創作于2023年2月1.4無線網絡的技術難點當前，無線網絡所面臨的技術難題包括：降低移動終端的信號處理和通信硬件的耗電量。無線頻譜受管制，代價昂貴。無線信道由于信號反射角的改變及衰減會產生隨即抖動，可靠性保證困難。無線和有線網絡之間的差異很大，給它們的接口協議帶來很多問題。22第22頁，課件共49頁，創作于2023年2月2.蜂窩無線系統大區制系統：一個基站覆蓋整個服務區域。優點：技術簡單。缺點：1)通信質量差2)頻率利用率低3)系統容量小23第23頁，課件共49頁，創作于2023年2月2.1蜂窩基本概念蜂窩通信是一種使用頻率復用的智能方法，以使有限的帶寬可以容納巨大數量的用戶。其基本原理是把覆蓋區域分為大量相連的小區域，每個小區域都使用自己的、低功率的無線基站。由于同樣的頻譜在分散的區域內可以被多次復用，這樣，每次建立一個新的基站（一個小區域）時，容量就會增加。小區域被稱為小區或單元(cell)，一組小區組成區群(cluster)。一個區群中小區的數量稱為區群大小或頻率復用因子。需要對這些小區域以智能的方式分配信道，以避免同頻道干擾(cochannelinterference)。24第24頁，課件共49頁，創作于2023年2月蜂窩小區內的頻率劃分7小區頻率復用25第25頁，課件共49頁，創作于2023年2月2.2蜂窩無線系統的分代第一代移動通信系統是面向語音的模擬無線系統，采用了FDMA技術，其主要制式有：美國的AMPS(高級移動電話系統)。歐洲的TACS(全選址通信系統)。缺陷：網絡容量小、資源利用的不夠充分。安全性差，容易發生盜號并機。26第26頁，課件共49頁，創作于2023年2月數字蜂窩系統的優勢能有效地利用無線頻率資源，系統容量大。呼叫質量高。能向用戶提供話音以外的多種非話業務。制式比較統一，能方便地提供自動漫游業務（包括國際漫游）。易于加密，提供較完善的保密方法（如話音、接入加密等）。數字網要求的功率較低。27第27頁，課件共49頁，創作于2023年2月第二代移動通信系統第二代移動通信系統是面向語音的數字無線系統，采用了TDMA技術或窄帶CDMA技術。典型的2G數字蜂窩移動制式包括：歐洲的GSM(全球移動通信系統)；北美的IS-54、IS-136(最初被稱為D-AMPS)和IS-95(窄帶CDMA)；PDC(個人數字蜂窩)等。其中最受歡迎的是GSM。28第28頁，課件共49頁，創作于2023年2月第三代移動通信系統第三代移動通信系統最早1985年由國際電信聯盟(ITU)提出，當時稱為未來公眾陸地移動通信系統(FPLMTS)，1996年更名為IMT-2000(國際移動通信-2000)，意即該系統工作在2000MHz頻段，最高業務速率可達2000kb/s，預期在2000年左右得到商用。從1997年開始，由于第二代移動通信系統的巨大成功，用戶的高速增長與有限的系統容量和有限的業務之間的矛盾漸趨明顯，第三代移動通信的標準化工作開始逐漸進入實質階段。目前，第三代移動通信系統的框架已確定，將以衛星移動通信網與地面移動通信網結合，形成一個對全球無縫覆蓋的立體通信網絡，滿足城市和偏遠地區不同密度用戶的通信需求，支持話音、數據和多媒體業務，實現人類個人通信的理想。29第29頁，課件共49頁，創作于2023年2月第三代移動通信系統三種方案的性能比較30第30頁，課件共49頁，創作于2023年2月Beyond3G31第31頁，課件共49頁，創作于2023年2月2.3GSM系統的基本結構

GSM系統由四個相互獨立的子系統構成：移動臺、基站子系統、網絡和交換子系統和操作支持子系統。MSC

BSC

BTS

BTSHLRVLREIRNSS

PSTN

IWF

ECTRAU

SIM

ME

NMC

OMC

OMCOMSBSSMS32第32頁，課件共49頁，創作于2023年2月移動臺子系統(MSS)移動臺是GSM蜂窩無線系統中用戶使用的設備，也是用戶直接接觸的整個GSM系統中的唯一設備。移動臺由兩部分組成：移動設備(ME)和特訊(SIM)。SIM卡上存儲與用戶相關的身份特征、安全認證和加密悉尼。一個移動臺應具備以下的基本功能：支持各種基本業務和補充業務。加密，對用戶數據，對用戶數據和信元進行加入。無線接入GSM移動網，并完成各種控制功能。無線信道速率和用戶數據之間的適配。33第33頁，課件共49頁，創作于2023年2月基站子系統(BSS)

基站子系統的組成：OMC-RTCBSCBTSBTSMSMSUM接口Abis接口A接口基站控制器—BSC基站收發信機—BTS無線操作維護中心—OMC-R碼變換器—TC（Transcoder）34第34頁，課件共49頁，創作于2023年2月BSC(基站控制器)的作用功能:實現A接口物理層規定（PCM/E1）實現A接口No.7號信令功能（SP）實現Abis接口物理層規定（PCM/E1）實現Abis接口數據鏈路層（LAPD）實現A接口與Abis接口間信道交換功能實現部分網絡層的功能實現無線資源管理（RR）實現BSS管理應用部分的功能實現切換功能等35第35頁，課件共49頁，創作于2023年2月BTS(基站收發信機)的作用功能:實現Abis接口物理層規定（PCM/E1）實現Abis接口數據鏈路層（LAPD）實現BTS管理功能實現部分無線資源管理（RR）實現Um接口物理層規定（PCM/E1）實現Um接口數據鏈路層（LAPDm）實現實現跳頻功能實現信道加密、解密功能實現信道編譯碼、交織與解交織功能實現調制與解調功能36第36頁，課件共49頁，創作于2023年2月網絡和交換子系統MSC的功能作用：呼叫處理呼叫建立、連接與清除切換過程移動性管理位置更新過程用戶身份識別移動設備識別操作與維護數據庫管理測量人機接口(MMI)網間互通計費37第37頁，課件共49頁，創作于2023年2月網絡和交換子系統HLR的功能與作用：HLR:HomeLocationRegister用戶識別號（IMSI,MSISDN）當前用戶的VLR（當前位置）業務限制信息用戶申請的補充業務補充業務信息（例：當前轉移的電話號碼）用戶狀態（registered/deregistered）鑒權key和AUC功能移動用戶漫游號（MSRN）38第38頁，課件共49頁，創作于2023年2月網絡和交換子系統VLR的功能與作用：VLR：VisitorLocationRegister移動臺狀態部分補充業務數據移動站的位置登記（LAI）臨時移動用戶識別號（TMSI）管理移動用戶漫游號MSRN管理39第39頁，課件共49頁，創作于2023年2月2.4GSM系統的頻率配置

GSM系統既可以工作在900MHz的頻段，也可以工作在1800MHz的頻段上。45MHz雙工間隔960950935917915905890872基站發射頻率基站接收頻率2MHz保護頻帶（單位：MHz）925880GSMTACS/GSMEGSMETACS40第40頁，課件共49頁，創作于2023年2月

DCS1800的頻率配置：95MHz雙工間隔1880180517851710

基站發射頻率基站接收頻率20MHz保護頻帶（頻率單位：MHz）DCS180041第41頁，課件共49頁，創作于2023年2月

無線信道編號NGSM900主頻段（P-GSM）上行：Fl=890+0.2×N(MHz)(1N124)下行：Fh=Fl+45(MHz)GSM擴展頻段（E-GSM）上行：Fl=890+0.2×(N-1024)(MHz)下行：Fh=Fl+45(MHz)(975N1023)DCS1800頻段上行：Fl=1710.2+0.2×(N-512)(MHz)下行：Fh=Fl+95(MHz)(512N885)42第42頁，課件共49頁，創作于2023年2月2.5GSM系統的頻率復用模式“扇區化”，就是將一個基站分成多個小區，每個小區都有自己的發射和接收天線，相當于一個獨立的小區。扇區化的小區使用特制的定向天線，使該小區發射的無線電波集中在一個特定的方向上。這樣做有很多優點，首先小區發射的無線電波能量集中到了一個更小的區域如60度，120度或180度，而不是以360度全向發射，這樣可以獲得更強的信號，有利于“室內覆蓋”等。另外，更好地防止同信道干擾和鄰信道干擾，同頻復用距離縮短，在同一地理區域可以有更多的小區，可以支持更多的移動用戶。小區的扇區化：43第43頁，課件共49頁，創作于2023年2月2.5GSM系統的頻率復用模式4×3標準復用模式(GSM體制推薦)：無線小區簇：4個基站每基站3扇區基站結構：3個120度或三葉草扇區C/I大于或者等于12dB44第44頁，課件共49頁，創作于2023年2月GSM空中接口的信道類型物理信道：一個載頻上的TDMA幀的一個時隙(TS)。邏輯信道：業務信道語音信道數據信道隨路控制信道控制信道廣播控制信道公共控制信道專用控制信道45第45頁，課件共49頁，創作于2023年2月2.6GSM空中接口的信道類型

GSM系統采用的多接入策略是TDMA與FDMA的完美結合。時間頻率f5f4f3f2f0f1TS0TS1TS2TS3TS4