《蜂窩無(wú)線通信系統(tǒng)概述.ppt》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《蜂窩無(wú)線通信系統(tǒng)概述.ppt（49頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1,通信學(xué)科導(dǎo)論,蜂窩無(wú)線通信系統(tǒng)概述,之,2,內(nèi)容安排,1.無(wú)線網(wǎng)絡(luò)概述1.1無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展史1.2無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的分類1.3無(wú)線信道1.4無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)難點(diǎn)2.蜂窩無(wú)線系統(tǒng)2.1蜂窩的基本概念2.2蜂窩無(wú)線系統(tǒng)的發(fā)展階段2.3GSM系統(tǒng)介紹,3,1.無(wú)線網(wǎng)絡(luò)概述,通信網(wǎng)絡(luò)：由多個(gè)通信點(diǎn)和通信鏈路，按照一定的組織形式所構(gòu)成的通信系統(tǒng)的統(tǒng)一體。廣義地講，它包括一切用于傳遞信息的網(wǎng)絡(luò)，它是實(shí)現(xiàn)信息傳遞的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。通信點(diǎn)和通信鏈路是通信網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)基本要素。如果通信鏈路是有線的(例如雙絞線、光纖等)，則對(duì)應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)為有線網(wǎng)絡(luò)；如果通信鏈路是無(wú)線的(依靠電磁波進(jìn)行傳輸)，則對(duì)應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。,4,1.1無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展史,1895年，馬可尼在懷特島與相距18英里的一艘拖船間實(shí)現(xiàn)了世界上第一次無(wú)線電傳輸，無(wú)線電通信由此誕生。1915年，無(wú)線電與電話結(jié)合，第一次建立了紐約與舊金山之間的無(wú)線音頻傳輸。1946年，公用移動(dòng)電話服務(wù)在橫跨美國(guó)的25個(gè)城市率先使用。20世紀(jì)60年代，蜂窩系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成，并在80年代初期推廣。1971年，夏威夷大學(xué)建成了第一個(gè)分組無(wú)線網(wǎng)：AlohaNet。1985年，聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)規(guī)定了用于工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)藥等公共用途的無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的頻段(ISM)，促進(jìn)了無(wú)線局域網(wǎng)在商業(yè)上的發(fā)展。80年代中期，分組無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通過(guò)DARPA的促進(jìn)達(dá)到巔峰。并于90年代初，服務(wù)商利用分組無(wú)線網(wǎng)提供廣域范圍內(nèi)的無(wú)線數(shù)據(jù)服務(wù)。,5,1.2無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的分類,衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)(SatelliteNetwork)：例如LEO(低地軌道系統(tǒng))和GEO(地球同步軌道系統(tǒng))。這類網(wǎng)絡(luò)能夠提供全球覆蓋，但是其資費(fèi)水平很高，傳輸時(shí)延也很大(LEO的傳輸時(shí)延約為20-25ms，GEO的傳輸時(shí)延約為250-280ms)。,現(xiàn)有的各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)都是針對(duì)某些特定的業(yè)務(wù)類型和用戶群體而專門設(shè)計(jì)的，因此在覆蓋范圍、可用帶寬、計(jì)費(fèi)水平等方面都有差別。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x和網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大致可以分為以下5種類型：,6,1.2無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的分類,無(wú)線廣域網(wǎng)(WWAN)：例如GSM(全球移動(dòng)通信系統(tǒng))、GPRS(通用分組無(wú)線業(yè)務(wù))以及cdma2000等蜂窩無(wú)線通信系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的覆蓋范圍可達(dá)省際甚至洲際，支持靜止、步行或者車載的移動(dòng)用戶，當(dāng)用戶處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)最多能夠獲得2Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。無(wú)線城域網(wǎng)(WMAN)：例如與IEEE802.16e協(xié)議兼容的WiBro(無(wú)線因特網(wǎng)接入系統(tǒng))。這類網(wǎng)絡(luò)能夠提供城域覆蓋，峰值傳輸速率可達(dá)70Mb/s，能夠支持的最高移動(dòng)速率約為120km/h。,7,1.2無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的分類,無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)：例如IEEE802.11bWLAN，能夠在較低的資費(fèi)水平下提供最高可達(dá)11Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，但是只能支持低速移動(dòng)的用戶，而且傳輸距離只有幾十米到幾百米。無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)：例如Bluetooth。該系統(tǒng)的最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)3Mb/s，傳輸距離通常不超過(guò)10米。,8,1.3無(wú)線信道,無(wú)線系統(tǒng)使用大氣層作為它們的傳輸媒體，這種傳輸媒體被稱為無(wú)線信道。無(wú)線信號(hào)通過(guò)尺度與信號(hào)波長(zhǎng)大致相同的天線產(chǎn)生一系列足夠的振幅來(lái)穿過(guò)傳輸媒體。大多數(shù)的陸地移動(dòng)系統(tǒng)都使用UHF頻段(特高頻段)，衛(wèi)星系統(tǒng)主要使用SHF頻段(超高頻段)。,9,1.3無(wú)線信道,在VLF,LF,和MF頻段,無(wú)線電波沿地面?zhèn)鞑?。在HF頻段,無(wú)線電波通過(guò)電離層反射。,10,1.3無(wú)線信道,無(wú)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(huì)因?yàn)橛脩舻囊苿?dòng)而隨時(shí)間改變。傳送信號(hào)在傳送器和接收器之間有一個(gè)被削弱或阻塞的直路成分。傳輸信號(hào)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(dá)接收器時(shí)，相對(duì)于直路信號(hào)，振幅、相位和時(shí)間都會(huì)發(fā)生變化。,11,,多徑環(huán)境,12,,接收信號(hào),發(fā)射信號(hào),無(wú)線信道模型,13,美國(guó)的ISM頻段,ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療)頻段的使用不需要經(jīng)過(guò)FCC(聯(lián)邦通信委員會(huì))授權(quán)。不同的國(guó)家ISM頻段的位置也有所不同。,14,1.3信道訪問(wèn),由于無(wú)線頻譜資源的不足，在不同的應(yīng)用中共享帶寬的有效技術(shù)顯的很必要。對(duì)于持續(xù)的傳輸(如視頻和語(yǔ)音)，一般分配專用信道。在專用信道中共享帶寬為多路訪問(wèn)。對(duì)于突發(fā)性的數(shù)據(jù)傳輸，使用隨機(jī)信道分配，使用隨機(jī)信道分配來(lái)共享帶寬，稱為隨機(jī)訪問(wèn)。,15,1.3.1多路訪問(wèn),多路訪問(wèn)技術(shù)通過(guò)帶寬分割將專用信道劃分給多個(gè)用戶。劃分頻譜的方法包括頻分(FDMA)、時(shí)分(TDMA)和碼分(CDMA)以及這些方法的結(jié)合。在FDMA中，系統(tǒng)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(shí)間劃分為不重疊的時(shí)隙，并將其分配給不同的用戶。在CDMA中時(shí)間和帶寬同時(shí)被不同的用戶使用，通過(guò)正交或半正交擴(kuò)展編碼進(jìn)行調(diào)制。,16,,17,1.3.1多路訪問(wèn),FDMA是幾種多路訪問(wèn)技術(shù)中最簡(jiǎn)單的。TDMA稍微復(fù)雜一點(diǎn)，它需要所有的用戶間的時(shí)序保持同步。另外，TDMA中用戶間的正交性會(huì)受到符號(hào)間干涉的影響。半正交CDMA是多路訪問(wèn)方法中最復(fù)雜的一種。通過(guò)正交編碼的CDMA，接收器將所需的信號(hào)從其他的CDMA用戶中分離出來(lái)，用戶間沒(méi)有干涉。,18,1.3.2隨機(jī)訪問(wèn),在大多數(shù)無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中，只有一部分很少的、不可預(yù)知的以及時(shí)常變動(dòng)的用戶群會(huì)隨時(shí)有數(shù)據(jù)發(fā)送。如果給每個(gè)用戶分配專用信道會(huì)很低效，而隨機(jī)分配信道對(duì)，則對(duì)信道的訪問(wèn)沒(méi)有保證，因此需要一個(gè)隨機(jī)訪問(wèn)協(xié)議。隨機(jī)訪問(wèn)協(xié)議主要有兩類：ALOHA技術(shù)和預(yù)留分配協(xié)議。,19,純ALOHA,在純ALOHA中，無(wú)論何時(shí)有數(shù)據(jù)，發(fā)送器都馬上往信道發(fā)送數(shù)據(jù)分組。這導(dǎo)致在接收端大量的數(shù)據(jù)發(fā)生沖突。發(fā)生沖突的分組必須在下一個(gè)時(shí)間內(nèi)重發(fā)。ALOHA信道最大吞吐量（正確接收分組的速率）是數(shù)據(jù)速率的18%。,20,純ALOHA,在純ALOHA中，無(wú)論何時(shí)有數(shù)據(jù)，發(fā)送器都馬上往信道發(fā)送數(shù)據(jù)分組。這導(dǎo)致在接收端大量的數(shù)據(jù)發(fā)生沖突。發(fā)生沖突的分組必須在下一個(gè)時(shí)間內(nèi)重發(fā)。ALOHA信道最大吞吐量（正確接收分組的速率）是數(shù)據(jù)速率的18%。,21,分組預(yù)留多路訪問(wèn),在分組預(yù)留多路訪問(wèn)(PRMA)中，時(shí)隙是分片的，每N個(gè)時(shí)隙組成一個(gè)幀，要發(fā)送分組的終端在每一幀中競(jìng)爭(zhēng)空閑的時(shí)隙。一旦一個(gè)分組在一個(gè)時(shí)隙中被成功發(fā)送，在后繼的幀中，只要這個(gè)用戶有分組發(fā)送，這個(gè)時(shí)隙就預(yù)留給該用戶。PRMA需要很少的中央控制，沒(méi)有預(yù)留開(kāi)銷。,22,1.4無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)難點(diǎn),當(dāng)前，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)所面臨的技術(shù)難題包括：,降低移動(dòng)終端的信號(hào)處理和通信硬件的耗電量。無(wú)線頻譜受管制，代價(jià)昂貴。無(wú)線信道由于信號(hào)反射角的改變及衰減會(huì)產(chǎn)生隨即抖動(dòng)，可靠性保證困難。無(wú)線和有線網(wǎng)絡(luò)之間的差異很大，給它們的接口協(xié)議帶來(lái)很多問(wèn)題。,23,2.蜂窩無(wú)線系統(tǒng),大區(qū)制系統(tǒng)：一個(gè)基站覆蓋整個(gè)服務(wù)區(qū)域。優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：1)通信質(zhì)量差2)頻率利用率低3)系統(tǒng)容量小,24,2.1蜂窩基本概念,蜂窩通信是一種使用頻率復(fù)用的智能方法，以使有限的帶寬可以容納巨大數(shù)量的用戶。其基本原理是把覆蓋區(qū)域分為大量相連的小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域都使用自己的、低功率的無(wú)線基站。由于同樣的頻譜在分散的區(qū)域內(nèi)可以被多次復(fù)用，這樣，每次建立一個(gè)新的基站（一個(gè)小區(qū)域）時(shí)，容量就會(huì)增加。小區(qū)域被稱為小區(qū)或單元(cell)，一組小區(qū)組成區(qū)群(cluster)。一個(gè)區(qū)群中小區(qū)的數(shù)量稱為區(qū)群大小或頻率復(fù)用因子。需要對(duì)這些小區(qū)域以智能的方式分配信道，以避免同頻道干擾(cochannelinterference)。,25,蜂窩小區(qū)內(nèi)的頻率劃分,7小區(qū)頻率復(fù)用,26,2.2蜂窩無(wú)線系統(tǒng)的分代,第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)是面向語(yǔ)音的模擬無(wú)線系統(tǒng)，采用了FDMA技術(shù)，其主要制式有：美國(guó)的AMPS(高級(jí)移動(dòng)電話系統(tǒng))。歐洲的TACS(全選址通信系統(tǒng))。缺陷：網(wǎng)絡(luò)容量小、資源利用的不夠充分。安全性差，容易發(fā)生盜號(hào)并機(jī)。,27,數(shù)字蜂窩系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì),能有效地利用無(wú)線頻率資源，系統(tǒng)容量大。呼叫質(zhì)量高。能向用戶提供話音以外的多種非話業(yè)務(wù)。制式比較統(tǒng)一，能方便地提供自動(dòng)漫游業(yè)務(wù)（包括國(guó)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(shù)字網(wǎng)要求的功率較低。,28,第二代移動(dòng)通信系統(tǒng),第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)是面向語(yǔ)音的數(shù)字無(wú)線系統(tǒng)，采用了TDMA技術(shù)或窄帶CDMA技術(shù)。典型的2G數(shù)字蜂窩移動(dòng)制式包括：歐洲的GSM(全球移動(dòng)通信系統(tǒng))；北美的IS-54、IS-136(最初被稱為D-AMPS)和IS-95(窄帶CDMA)；PDC(個(gè)人數(shù)字蜂窩)等。其中最受歡迎的是GSM。,29,第三代移動(dòng)通信系統(tǒng),第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)最早1985年由國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)提出，當(dāng)時(shí)稱為未來(lái)公眾陸地移動(dòng)通信系統(tǒng)(FPLMTS)，1996年更名為IMT-2000(國(guó)際移動(dòng)通信-2000)，意即該系統(tǒng)工作在2000MHz頻段，最高業(yè)務(wù)速率可達(dá)2000kb/s，預(yù)期在2000年左右得到商用。從1997年開(kāi)始，由于第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)的巨大成功，用戶的高速增長(zhǎng)與有限的系統(tǒng)容量和有限的業(yè)務(wù)之間的矛盾漸趨明顯，第三代移動(dòng)通信的標(biāo)準(zhǔn)化工作開(kāi)始逐漸進(jìn)入實(shí)質(zhì)階段。目前，第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的框架已確定，將以衛(wèi)星移動(dòng)通信網(wǎng)與地面移動(dòng)通信網(wǎng)結(jié)合，形成一個(gè)對(duì)全球無(wú)縫覆蓋的立體通信網(wǎng)絡(luò)，滿足城市和偏遠(yuǎn)地區(qū)不同密度用戶的通信需求，支持話音、數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)人類個(gè)人通信的理想。,30,第三代移動(dòng)通信系統(tǒng),三種方案的性能比較,31,Beyond3G,32,2.3GSM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu),,GSM系統(tǒng)由四個(gè)相互獨(dú)立的子系統(tǒng)構(gòu)成：移動(dòng)臺(tái)、基站子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和交換子系統(tǒng)和操作支持子系統(tǒng)。,33,移動(dòng)臺(tái)子系統(tǒng)(MSS),移動(dòng)臺(tái)是GSM蜂窩無(wú)線系統(tǒng)中用戶使用的設(shè)備，也是用戶直接接觸的整個(gè)GSM系統(tǒng)中的唯一設(shè)備。移動(dòng)臺(tái)由兩部分組成：移動(dòng)設(shè)備(ME)和特訊(SIM)。SIM卡上存儲(chǔ)與用戶相關(guān)的身份特征、安全認(rèn)證和加密悉尼。一個(gè)移動(dòng)臺(tái)應(yīng)具備以下的基本功能：,支持各種基本業(yè)務(wù)和補(bǔ)充業(yè)務(wù)。加密，對(duì)用戶數(shù)據(jù)，對(duì)用戶數(shù)據(jù)和信元進(jìn)行加入。無(wú)線接入GSM移動(dòng)網(wǎng)，并完成各種控制功能。無(wú)線信道速率和用戶數(shù)據(jù)之間的適配。,34,,基站子系統(tǒng)(BSS),基站子系統(tǒng)的組成：,,,OMC-R,,TC,,BSC,,BTS,,BTS,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,MS,MS,UM接口,Abis接口,A接口,基站控制器—BSC基站收發(fā)信機(jī)—BTS無(wú)線操作維護(hù)中心—OMC-R碼變換器—TC（Transcoder）,35,BSC(基站控制器)的作用功能:,實(shí)現(xiàn)A接口物理層規(guī)定（PCM/E1）實(shí)現(xiàn)A接口No.7號(hào)信令功能（SP）實(shí)現(xiàn)Abis接口物理層規(guī)定（PCM/E1）實(shí)現(xiàn)Abis接口數(shù)據(jù)鏈路層（LAPD）實(shí)現(xiàn)A接口與Abis接口間信道交換功能實(shí)現(xiàn)部分網(wǎng)絡(luò)層的功能實(shí)現(xiàn)無(wú)線資源管理（RR）實(shí)現(xiàn)BSS管理應(yīng)用部分的功能實(shí)現(xiàn)切換功能等,36,BTS(基站收發(fā)信機(jī))的作用功能:,實(shí)現(xiàn)Abis接口物理層規(guī)定（PCM/E1）實(shí)現(xiàn)Abis接口數(shù)據(jù)鏈路層（LAPD）實(shí)現(xiàn)BTS管理功能實(shí)現(xiàn)部分無(wú)線資源管理（RR）實(shí)現(xiàn)Um接口物理層規(guī)定（PCM/E1）實(shí)現(xiàn)Um接口數(shù)據(jù)鏈路層（LAPDm）實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)跳頻功能實(shí)現(xiàn)信道加密、解密功能實(shí)現(xiàn)信道編譯碼、交織與解交織功能實(shí)現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)功能,37,網(wǎng)絡(luò)和交換子系統(tǒng),MSC的功能作用：,呼叫處理呼叫建立、連接與清除切換過(guò)程移動(dòng)性管理位置更新過(guò)程用戶身份識(shí)別移動(dòng)設(shè)備識(shí)別,操作與維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)管理測(cè)量人機(jī)接口(MMI)網(wǎng)間互通計(jì)費(fèi),38,網(wǎng)絡(luò)和交換子系統(tǒng),HLR的功能與作用：,HLR:HomeLocationRegister用戶識(shí)別號(hào)（IMSI,MSISDN）當(dāng)前用戶的VLR（當(dāng)前位置）業(yè)務(wù)限制信息用戶申請(qǐng)的補(bǔ)充業(yè)務(wù)補(bǔ)充業(yè)務(wù)信息（例：當(dāng)前轉(zhuǎn)移的電話號(hào)碼）用戶狀態(tài)（registered/deregistered）鑒權(quán)key和AUC功能移動(dòng)用戶漫游號(hào)（MSRN）,39,網(wǎng)絡(luò)和交換子系統(tǒng),VLR的功能與作用：,VLR：VisitorLocationRegister移動(dòng)臺(tái)狀態(tài)部分補(bǔ)充業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)移動(dòng)站的位置登記（LAI）臨時(shí)移動(dòng)用戶識(shí)別號(hào)（TMSI）管理移動(dòng)用戶漫游號(hào)MSRN管理,40,,2.4GSM系統(tǒng)的頻率配置,GSM系統(tǒng)既可以工作在900MHz的頻段，也可以工作在1800MHz的頻段上。,41,,DCS1800的頻率配置：,42,,無(wú)線信道編號(hào)N,GSM900主頻段（P-GSM）上行：Fl=890+0.2N(MHz)(1?N?124)下行：Fh=Fl+45(MHz)GSM擴(kuò)展頻段（E-GSM）上行：Fl=890+0.2(N-1024)(MHz)下行：Fh=Fl+45(MHz)(975?N?1023)DCS1800頻段上行：Fl=1710.2+0.2(N-512)(MHz)下行：Fh=Fl+95(MHz)(512?N?885),43,2.5GSM系統(tǒng)的頻率復(fù)用模式,“扇區(qū)化”，就是將一個(gè)基站分成多個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)都有自己的發(fā)射和接收天線，相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的小區(qū)。扇區(qū)化的小區(qū)使用特制的定向天線，使該小區(qū)發(fā)射的無(wú)線電波集中在一個(gè)特定的方向上。這樣做有很多優(yōu)點(diǎn)，首先小區(qū)發(fā)射的無(wú)線電波能量集中到了一個(gè)更小的區(qū)域如60度，120度或180度，而不是以360度全向發(fā)射，這樣可以獲得更強(qiáng)的信號(hào)，有利于“室內(nèi)覆蓋”等。另外，更好地防止同信道干擾和鄰信道干擾，同頻復(fù)用距離縮短，在同一地理區(qū)域可以有更多的小區(qū)，可以支持更多的移動(dòng)用戶。,小區(qū)的扇區(qū)化：,44,2.5GSM系統(tǒng)的頻率復(fù)用模式,43標(biāo)準(zhǔn)復(fù)用模式(GSM體制推薦)：,無(wú)線小區(qū)簇：4個(gè)基站每基站3扇區(qū)基站結(jié)構(gòu)：3個(gè)120度或三葉草扇區(qū)C/I大于或者等于12dB,45,GSM空中接口的信道類型,物理信道：一個(gè)載頻上的TDMA幀的一個(gè)時(shí)隙(TS)。邏輯信道：業(yè)務(wù)信道語(yǔ)音信道數(shù)據(jù)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,46,2.6GSM空中接口的信道類型,GSM系統(tǒng)采用的多接入策略是TDMA與FDMA的完美結(jié)合。,47,,時(shí)隙與TDMA幀,48,業(yè)務(wù)信道(TCH),49,控制信道(CCH),