移动通信第四版部分内容摘要.docx

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移动通信第四版部分内容摘要

移动通信组网及传输基本原理

移动通信组网及传输基本原理

摘要:

本文以移动通信组网及传输基本原理为中心依次对组网中的移动通信系

统基本组成及工作原理、信道结构及频率规划、移动通信抗干扰做出了精要的介绍,其次对传输基本原理中的数字调制方式与多址方式两方面进行了阐述,最后分析了移动通信新一代的传输技术的现状与发展前景。

关键词:

组网数字调制方式多址方式4G

1组网

·移动通信系统基本组成及工作原理。

移动通信系统按其经营方式或用户性质可分为专用移动通信系统（专网）和公用移动通信系统（公网）。

随着电子技术、集成电路技术、计算机技术和交换技术的飞速发展,专用移动通信系统的网络结构与公用移动通信系统越来越像,所以掌握公用移动通信系统的网络结构就足以了解整个通信系统。

公用移动通信系统一个交换区由一个移动交换中心（MSC,MobileServiceSwitchingCentre）、一个或若干个归属位置寄存器（HLR,HomeLocationRegister）和访问者位置寄存器（VLR,VisitorLocationRegister,有时几个MSC合用一个VLR）、设备识别寄存器（EIR,EquipmentIdentityRegister）、鉴权中心（AuC,AuthenticationCentre）、操作维护中心（OMC,OperationandMaintenanceCentre）、基站（BS,BaseStation）和移动台（MS,MobileStation）等功能实体组成。

·信道结构及频率规划。

信道（Channel）是通信网中传递信息的通道。

作为移动通信网,为了传递信息和其他控制信号,需要使用很多信道,包括无线信道和移动通信网与市话网之间的有限信道。

在移动通信系统中,无线信道通常有两种类型:

业务信道（TC）和控制信道（CC）。

在以话音业务为主的系统中,业务信道可用话音信道（VC）代替。

话音信道（VC）主要用于传递话音信号,它的占用和空闲是受移动业务交换中心（MSC）控制和管理的。

在MSC中保存有一张所有信道及其状态的表格,状态包括空、忙、阻塞等。

一般控制信道（CC）的下行信道用于寻呼（Page）,上行信道用于接入（Access）。

控制信道还用来传递大量的其他数据。

在每一个无线小区内,通常只有一个控制信道。

所以,一个中心激励的基站,配套一套控制信道单元;一个顶点激励的基站（通常覆盖三个扇形小区）应配备三套控制信道单元。

频率规划是指在移动网络部署过程中,根据某地区的话务量分布而分配相应的频率资源,以实现有效覆盖和业务量的承载。

频率规划包括等频距分配与信道分配策略、CDMA数字蜂窝移动通信系统的频率规划、多信道共用技术。

等频距分配法按频率等间隔分配信道,这样可以有效地避免邻道干扰。

信道分配策略可分为两类:

固定的信道分配策略和动态的信道分配策略,在固定的信道分配策略中,给每个小区分配一组预先确定好的话音信道,前面介绍的等频距分配法采用固定的信道分配策略;在动态的信道分配策略中,各基站在接到呼叫请求后,就向MSC请求一个信道,MSC则根据某种算法给发出请求的小区分配一个信道;CDMA数字蜂窝移动通信系统中,不同基站或同一基站的不同扇区之间不再像GSM系统那样依靠频率来区分,而是依靠PN序列的相位偏置进行区分,即CDMA数字蜂窝移动通信系统变频率规划为PN码规划;多信道共用技术是指在网内的大量用户共享若干无线信道的方法。

·移动通信抗干扰

在移动通信的无线网设计中,进行无线覆盖区设计和解决无线电干扰是两大难题。

对于微蜂窝结构的无线网来说,解决无线电干扰可能比进行覆盖区设计更困难。

在移动通信网内,无线电干扰一般分为同频道干扰、邻频道干扰、互调干扰、阻塞干扰和近端对远端式的干扰等。

同频道干扰是指所有落在收信机通带内的与有用信号频率相同或相近的干扰信号（非有用信号）称为同频道干扰。

由于干扰信号与有用信号以相同的频率及方式进入接收机中频通带,因而无法避免或滤除。

在设台组网过程中,防止同频道干扰的基本措施是通过基站站址布局（即保持同频复用距离）、合理的覆盖区设计及频道配置来满足同频道干扰保护比。

邻频道干扰是指工作在k频道的接收机收受到工作于k+1频道的信号的干扰,即邻道（k+-1）频道的信号的干扰。

解决邻频道干扰的措施包括:

（1）降低发射机落入相邻频道的干扰功率,即减小发射机的带外辐射。

（2）提高接收机的邻频道选择性。

（3）在网络设计中,避免相邻频道在同一小区或相邻小区内使用,以增加同频道干扰保护比。

互调干扰是指在专用网和小容量网中,互调干扰可能成为设台组网过程中较为关心的问题。

互调干扰包括发射机干扰和接收机干扰。

减少发射机互调干扰的措施有:

（1）加大发射机天线之间的距离。

（2）采用单向隔离器件和高Q谐振腔。

（3）提高发射机的互调转换衰耗。

减少接收机互调干扰的措施有:

（1）提高接收机前端电路的线性度。

（2）在接收机前端插入滤波器,提高其选择性。

（3）选用无三阶互调的信道组工作。

在设台组网中对抗互调干扰的措施:

（1）蜂窝移动通信网。

由于需要频道多且采用空腔谐振式合成器,因此只有采用互调最小的等间隔频道配置方式,并依靠设备优良的互调抑制指标来抑制互调干扰。

（2）专用的小容量移动通信网。

对于这种通信网,主要采用不等间隔排列的无三阶互调的频道配置方法来避免发生互调。

阻塞干扰是指当外界存在一个离接收机工作频率较远,但能进入接收机并作用于其前端电路的强干扰信号时,由于接收机前端电路的非线性而造成有用信号增益降低或噪声增高,使接收机灵敏度下降的现象称为阻塞干扰。

这种干扰与干扰信号的幅度有关,幅度越大,干扰越严重。

所以需要尽量不要使接收机靠近高幅度干扰信号。

当基站同时接收从两个距离不同的移动台发来的信号时,距基站近的移动台B到达基站的功率明显大于距离基站远的移动台A到达基站的功率。

若二者频率相近,则距基站近的移动台B就会对接收距离距基站远的移动台A的有用信号的干扰或抑制,甚至将移动台A的有用信号湮没。

这种现象称为近端对远端的干扰。

克服这种干扰的措施有两个:

一是使两个移动台所用频道拉开必要间隔;二是移动台端加自动（发射）功率控制（APC）,使所有工作的移动台到达基站的功率基本一致。

由于频率资源紧张,因此几乎所有的移动通信系统对基站和移动终端都采用APC工作方式。

·移动性管理

移动通信网络与固定通信网络相比·其主要优点址可移动性（Mobility）。

移动性是指对于用户和终端位置的改变而持续接人服务、继续通信的能力。

移动性可划分为两个级别一个称为游牧移动,指用户在移动时能改变其网络接入点·但正在进行的服务会话会完全停止,必须重新启动;另一个称为无缝（seamless）移动。

指当用户或终端移动时能随时改变其网络接人点而不中断正在进行的服务会话。

它们都要求在核心网提供相应的功能。

这些功能应该包括用户鉴别、授权、位置更新、用户信息的下载等,我们称之为移动性管理（MM,MobilityManagement）。

从第一代蜂窝移动通信开始,人们就致力于无线移动。

实际上,一些大范围专用无线通信系统,如早期的DECT系统,已经包含了某些移动性功能,这些功能与蜂窝系统中的移动性有某些相似之处。

用户的移动性和对移动性的自动管理是移动通信网络的基础,因此移动性管理（MM）是移动通信网络必不可少的功能。

移动性管理包括两个方面位置管理和切换管理。

其中,位置管理确保了移动台在移动过程中能被移动通信网络有效地寻呼到;切换管理确保了与网络正在进行业务连接的移动台在跨小区或跨MSC时具有原有业务的连续性。

位置管理

位置管理使得移动通信网络跟踪移动终端的位置,由于移动终端可以在无线覆盖区域内任意移动,因此移动通信网络只能保持该移动终端的近似位置信息。

当有外来呼叫该移动终端时,移动通信网络需要确定该移动终端所在的具体蜂窝,即确定该移动终端的精确的小区位置。

位置管理分为两个部分:

位置更新（LocationUpdate）和寻呼（Paging）

为了减少位置的不确定性,移动终端需要不时地向移动通信系统报告其当前所在位置,这便是位置更新的过程。

在位置更新过程中,移动终端首先通过上行控制信道发送更新消息,然后执行更新数据库的信令过程。

在位置更新阶段,移动终端把它的新的接入点通知网络,使网络能对移动终端进行鉴权和修改数据库中移动终端位置档案和在新的数据库中进行登记。

寻呼则是搜索并确定移动终端所在具体蜂窝位置的过程,寻呼又包括查询移动终端的位置档案,以及找到该移动终端当前位置这两个方面。

在第二代蜂窝移动通信系统中,系统所覆盖的区域被划分为若干个地理区域,称为位置区（LA,LocationArea）。

每个位置区由若干个小区组成,位置区与蜂窝小区的关系可以参看下图5-2。

通常同一个位置区中的所有BTS都连接在同一个MSC上。

并且,移动通信系统采用如下图5-3所示的HLR-VLR双层的网络数据库结构来管理移动用户信息。

一般一个网络拥有一个HLR和若干个VLR,而一个VLR则管理着几个LA内的移动终端的信息。

当然,当某一地区用户数量超过一个HLR所承受的数量时,可以通过多个HLR来分级管理,这样就使得移动通信系统的网络管理更加有效。

切换管理在蜂窝移动通信网络中,由基站（BS）组成无线小区（cell,以下简称小区）按蜂窝状组成通信网络,完成各类移动业务。

图4.1给出了GSM网络结构。

基站负责转移送往或来自该BS覆盖区域移动台（MS）的呼叫。

当一个移动台（MS）正通过无线链路连接到某个BS进行通话时,如果该MS渐渐离开该BS移动到另一个BS覆盖的区域,则连接到原BS的无线链路最终被迫中断,因此,需要及时建立一条到新BS的链路,以保持继续通话,这一过程称之为切换。

切换是蜂窝系统的基本操作,切换按情况不同可分硬切换、软切换和更软切换。

所谓的“硬切换”就是在业务（如通话）过程中离开原工作小区,进入相邻小区时为保持业务的连续性,需将工作信道进行切换,由于使用的工作频率不同,移动台需先中断与

原基站的联系,再与新基站取得联系,即“通前断（breakbeforemake）”的方式保持业务的连续性。

硬切换一个终端一次只能与一个BS进行连接,在与目标BS建立连接之前或之后必须立刻切断与前一BS的连接。

所谓的“软切换”就是在上述切换中,当移动台开始与一个新的基站联系时,并不立即中断与原基站的通信,而是先与新基站（可能不止1个）取得联系,在保证业务切换成功后,才中断与原基站的通信,即所谓的“断前通（makebeforebreak）”。

软切换在进行切换的时候,终端可以同时与多个BS相连,利用信令多样性的一些形式来将多个信号联系在一起。

目前,软切换应用于具有相同载波的CDMA信道之间。

所谓的更软切换是指发生在同一基站具有相同频率的不同扇区之间的切换。

更软切换只由基站完成,一般不通知MSC。

软切换的优点有:

信道转换平滑。

目标小区渐渐接入,在移动台从起始小区走向邻近小区前就己经开始了。

当起始小区的信号功率比目标小区弱很多时,移动台根据收到的导引信号强度或者由起始小区采取行动让移动台脱离此小区。

而且,对任一给定帧,总是用较好的小区并关闭原来的小区。

为避免在小区边界附近的频繁切换,硬切换系统是在信号比第一小区足够高时（6分贝）时再切换。

这样恶化了边界地区的特性。

然而,软切换明显地增加了蜂窝系统的负荷

2传输基本原理

·数字调制方式。

数字调制技术广义上可以分为线性和非线性调制两类。

在线性调制中,发射信号的幅度随调制信号线性变化。

线性调制技术具有频道利用率高的优点,因而,对无线通信系统的应用有很大吸引力。

线性调制方案具有很好的频谱有效性,它必须使用线性RF放大器发射,这时,功率有效性较差。

如使用功率有效性高的非线性放大器,则会导致严重的邻道干扰。

目前,使用比较普遍的线性调制技术有脉冲成形QPSK、OQPSK和兀/4-QPSK。

许多实际的移动无线通信系统都使用非线性调制方式。

不管调制信号的变化,均保证在载波振幅恒定,这就是所谓的恒包络调制,恒包络调制包括最小频移键控（MSK）、高斯滤波最小频移键控（GMSK）。

·多址方式。

1.5多址方式

1.5、1移动通信系统中的多址方式

多址问题可以被认为是一个滤波问题,即许多用户可以同时使用同一个频谱,然后采用不同的滤波器和处理技术,使不同用户信号互不干扰地被分别接受和解调。

蜂窝移动通信系统中,为了使信号仅在要求通信的两者之1司传输而不影响其他用户,就必须选用适当的天线和多址方式。

基站（BS）多数采用定向天线阵,以增加需要方向上的信号强度,减轻其他方向上的干扰,并通过现在的蜂窝移动通信系统中的扇形分区来减少相邻蜂窝共用信道造成的干扰。

现在用到的多址方式主要有四种频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）和空分多址（SDMA）。

下面分别简单介绍一下FDMA.TDMA、CDMA和SDMA.

（1）FDMA.图1-5（a）所示为FDMA的频段划分方法。

当前应用这种多址方式的主要蜂窝系统有美国的AMpS和英国的TAcs,它们均为第一代模拟移动通信系统（1G）。

在我国这两种制式都曾商用过,但TACS占绝大多数。

所谓FDMA,就是指在频域中一个相对窄带信道里,不同信号被分配到不同频率的信道里,发往和来自邻近信道的干扰用带通滤波器限制,这样在规定的窄带里只能通过有用信号,而任何其他频率的信号被排斥在外。

（2）TDMA.丁DMA示意图如图1-5（b）所示。

当前应用这种多址方式的主要蜂窝系统有北美的DAMPS和欧洲的GSM,为第二代数字移动通信系统（2G）。

其中,GSM在我国从1994年以后一直商用至今。

所谓TDMA,就是指一个信道由一连串周期性的时隙构成,不同信号被分配到不同的时隙里,利用定时选通来限制邻近信道的干扰,从而在规定时隙中只让有用的信号通过。

现在使用的TDMA蜂窝系统实际上都是FDMA和TDMA的组合,如美国TIA建议的DAMPS数字蜂窝系统是先使用了30kHz的频分信道,再把它分成6个时隙进行TDMA传输,而GSM数字蜂窝系统是先使用了200kHz的频分信道,再把它分成8个时隙（全速）或16个时隙（半速）进行TDMA传输。

（3）CDMA.CDMA示意图如图1-5（c）所示,当前应用这种多址方式的主要蜂窝系统有北美的日CDMA（IS-95）,为第二代数字移动通信系统（2G）,在我国目前正在商用。

所谓CDM八,就是指每一个信号被分配一个伪随机二进制序列进行扩频,不同信号被分配到不同的伪随机序列里。

在接收机里,信号用相关器加以分离,这种相关器只接收选定的

二进制序列并压缩其频谱,凡不符合该用户二进制序列的信号,其带宽不被压缩,结果只有有用信号的信息才被识别和提取出来。

（4）SDMA。

它是二种较新的多址技术。

在由中国提出的的第三代移动通信（3G）标准

TD-SCDMA中就应用了SDMA技术。

SDMA实现的核心技术是智能天线的应用,理想情况下它要求天线给每个用户分配一个点波束,这样根据用户的空间位置就可以区分每个用户的无线信号。

换向话说,处于不同位置的用户可以

在同一时间使用同一频率和同一码型,而不会相互干扰。

实际上,SDMA使用的,而是与其他多址方式（如FDMA.TDMA和CDMA等）结合使用的。

也就是说,对于处于同一波束内的不同用户,可用这些多址方式加以区分。

sDMA的优势是很明显的:

①可以提高天线增益,使得功率控制更加合理有效,显形地提升了系统容量;②可以削弱

来自外界的干扰,降低对其他电子系统的干扰,SDMA实现的关键是智能天线技术,这也

正是当前应用SD八￠AMA的难点。

特别是对于移动用户,由于移动无线信道的复杂性、使的智

能天线中关于多用户信号的动态捕获、识别与跟踪以及信道的辨识等算法极为复杂,从而

对DSP（数字信号处理）提出了极高的要求,这对于当前的技术水平是个严峻的挑战。

所

以,虽然人们对于智能天线的研究已经取得了不少鼓舞人心的进展,但由于存在上述目物

难以克服的问题而未得到广泛应用。

不过可以预见,由于SDMA的诸多优点,SDMA的推

广是必然的。

·传输新技术

虽然3G系统能够提供比2G更高的数据速率,更好的话音质量,但仍然不能满足公众

对多媒体业务的需求I同时,由于CDMA通信系统形成的特定历史背景,3G所涉及的核

心专利被少数公司持有,在知识产权保护上形成了一家独大的局面,专利授权费用已成为

厂家的沉重负担。

这样3G厂商和运营商在专利问题上处处受到限制,业界迫切需要改变

这种不利局面。

另外,从长远规划的角度来看,现有的3G、3.5G技术不能成为最终的解

决方案,面对宽带无线接入技术的竞争,特别是JEEE802.16/20技术的发展,3G必须加

快后续技术的研究。

后3G技术的演进主要是三个国际组织负责标准的制定3GPP负责将WCDMA和

TD-SCDMA分别演进为I.TE-FDD（LongTermEvolution-FDD）和LTE-TDD（LongTermEvolution-FDD）,最终演进为LTE+,TD-LTE-Advanced（LTE-AdvancedTDD制式）是中国继TD-SCDMA之后,提出的具有自主知识产权的新一代移动通信技术。

它吸纳了TD-SCDMA的主要技术元素,体现了我国通信产业界在宽带无线移动通信领域的最新自主创新成果。

2004年,中国在标准化组织3GPP提出了第三代移动通信TD-SCDMA的后续演进技术TD-LTE,主导完成了相关技术标准。

目前,TD-LTE-Advanced已获得欧洲标准化组织3GPP和亚太地区通信企业的广泛认可和支持。

在4G国际标准制定过程中,TD-LTE-Advanced将面临其他候选技术的挑战。

中国将全力推动TD-LTE-Advanced成为4G国际标准,积极推进相关产业发展。

回顾第三代移动通信标准（3G）,国际电信联盟曾确定了10种候选技术,并批准其中的5项为国际标准。

经过市场选择,最后TD-SCDMA、WCDMA和cdma2000三种主流技术成功实现商用。

在4G国际标准制定中,国际电信联盟在候选技术阶段确定两种候选技术,成功实现了技术聚焦,进一步明确了4G国际标准的技术路线,这必将对未来4G国际标准和产业发展产生重大影响。

核心技术

接入方式和多址方案

（正交频分复用）是一种无线环境下的高速传输技术,其主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道,在每个子信道上使用一个子载波进行调制,各子载波并行传输。

尽管总的信道是非平坦的,即具有频率选择性,但是每个子信道是相对平坦的,在每个子信道上进行的是窄带传输,信号带宽小于信道的相应带宽。

OFDM技术的优点是可以消除或减小信号波形间的干扰,对多径衰落和多普勒频移不敏感,提高了频谱利用率,可实现低成本的单波段接收机。

OFDM的主要缺点是功率效率不高。

调制与编码技术

4G移动通信系统采用新的调制技术,如多载波正交频分复用调制技术以及单载波自适应均衡技术等调制方式,以保证频谱利用率和延长用户终端电池的寿命。

4G移动通信系统采用更高级的信道编码方案（如Turbo码、级连码和LDPC等）、自动重发请求（ARQ）技术和分集接收技术等,从而在低Eb/N0条件下保证系统足够的性能。

高性能的接收机

4G移动通信系统对接收机提出了很高的要求。

Shannon定理给出了在带宽为BW的信道中实现容量为C的可靠传输所需要的最小SNR。

按照Shannon定理,可以计算出,对于3G系统如果信道带宽为5MHz,数据速率为2Mb/s,所需的SNR为l.2dB;而对于4G系统,要在5MHz的带宽上传输20Mb/s的数据,则所需要的SNR为12dB。

可见对于4G系统,由于速率很高,对接收机的性能要求也要高得多。

智能天线技术

智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能,被认为是未来移动通信的关键技术。

智能天线应用数字信号处理技术,产生空间定向波束,使天线主波束对准用户信号到达方向,旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向,达到充分利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号的目的。

这种技术既能改善信号质量又能增加传输容量。

MIMO技术

（多输入多输出）技术是指利用多发射、多接收天线进行空间分集的技术,它采用的是分立式多天线,能够有效的将通信链路分解成为许多并行的子信道,从而大大提高容量。

信息论已经证明,当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时,MIMO系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能,从而获得巨大的容量。

例如:

当接收天线和发送天线数目都为8根,且平均信噪比为20dB时,链路容量可以高达42bps/Hz,这是单天线系统所能达到容量的40多倍。

因此,在功率带宽受限的无线信道中,MIMO技术是实现高数据速率、提高系统容量、提高传输质量的空间分集技术。

在无线频谱资源相对匮乏的今天,MIMO系统已经体现出其优越性,也会在4G移动通信系统中继续应用。

软件无线电技术

软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台,利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技术。

软件无线电的核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带A/D和D/A变换器,并尽可能多地用软件来定义无线功能,各种功能和信号处理都尽可能用软件实现。

其软件系统包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、信源编码软件、信道纠错编码软件、调制解调算法软件等。

软件无线电使得系统具有灵活性和适应性,能够适应不同的网络和空中接口。

软件无线电技术能支持采用不同空中接口的多模式手机和基站,能实现各种应用的可变QoS。

基于IP的核心网

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