移动通信结课报告.docx
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移动通信结课报告
移动通信结课报告
系别:
电子信息工程学院
班级:
10电子信息技术与应用
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学号：
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日期：
2012年5月19日
第一章第2代移动通信系统
1.12G移动通信简介及起源
第二代移动通信比较典型的有两种：
一种是GlobalSystemforMobileCommunication“全球移动通信系统”简称GSM。
它是一种数字移动通信，较之以往的模拟移动通信，有较多的优点。
1991年GSM系统正式在欧洲问世，1992年世界上第一个GSM网在芬兰投入使用。
从此，移动通信跨入了第二代。
而另一种是由美国高通公司提出的窄带CDMA码分多址的数字蜂窝通信系统。
码分多址采用扩频通信技术，大幅度的增加信道带宽，具有高容量、抗干扰、抗衰落、保密性好等优点。
1993年由电信工业协会将IS-95定为CDMA数字蜂窝移动通信系统的技术标准，1995年进入商用市场，并迅速覆盖美、日、韩、欧洲以及南美洲等主要的技术市场。
2002年中国联通“新时空”CDMA网络的开通首次开启了我国的CDMA市场。
图1-1GSM移动通信系统组成
图1-2CDMA移动通信系统组成
1.2GSM移动通信系统结构
GSM系统（图1-1）主要由网络交换子系统（NetworkSwitchingSubsystemNSS）；基站子系统（BaseStationSubsystemBSS）；网络管理子系统（NetworkManagementSubsystemNMS），网络管理子系统（NMS）又叫操作与维护中心（OMC--Operation&MaintenanceCenter）四部分组成。
网络子系统NSS是整个系统的核心。
它对移动用户之间及移动用户与其它通信网用户之间通信起着交换连接与管理的功能。
基站子系统BSS是系统中与无线蜂窝方面关系最直接的基本组成部分，它通过无线接口直接与移动台相连负责无线信息的发送接收，无线资源管理及功率控制等，同时它与NSS相连实现移动用户间或移动用户与固定网络用户之间的通信连接，传送系统信息和用户信息等。
网络管理子系统NMS负责NSS和BSS系统的维护管理工作。
1.2.1、网络交换子系统（NSS）的组成及功能
TMSC
TMSC即TransitMSC，是专门用于转接话务的移动交换中心。
GMSC
GMSC即GatewayMSC,又称移动关口交换中心，主要用于和其它电信运营商设备的互联互通（包括移动运营商内部用于不同业务的互相连接）。
移动交换中心MSC
MSC是整个交换网络的核心，完成或参与网络子系统NSS的全部功能。
对呼叫进行控制与接续，提供计费信息并协调与控制整个GSM网络中的各个功能实体。
拜访位置寄存器VLR
VLR是服务于其控制区域内移动用户的数据库。
系统存储着进入其控制区域内已登记的移动用户相关信息，为已登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要条件。
当某用户进入VLR控制区后，此VLR将向该移动用户的归属位置寄存器HLR获取并存储必要数据，而一旦此用户离开后则取消VLR中此用户的数据。
VLR通常与MSC合设在一起。
归属位置寄存器HLR
HLR是一个存储移动用户数据的静态数据库。
包括用户识别号码，访问能力，用户类别和补充业务等数据。
同时也存储移动用户所在VLR区域的有关动态数据。
鉴权中心AUC
AUC存储着鉴权信息和加密密钥，防止无权用户接入系统和防止无线接口数据被窃。
设备识别寄存器EIR
EIR存储着移动设备的国际移动设备识别码。
IMEI通过核查三种表格：
白名单、灰名单、黑名单，使网络具有防止无权用户接入。
监视故障设备的运行和保障网络运行安全的功能。
1.2.2、基站子系统（BSS）的组成及功能
基站控制器BSC
BSC是基站子系统BSS的控制部分。
主要完成接口管理，BTS--BSC之间的地面信道管理，无线参数及无线资源管理测量和统计切换支持呼叫控制操作与维护等功能。
基站收发信台BTS
BTS受控于基站控制器BSC。
属于基站子系统BSS的无线部分，是服务于某小区的无线收发信台设备。
实现BTS与移动台MS空中接口的功能，BTS主要分为基带单元、载频单元、控制单元三部分。
基带单元主要用于话音数据速率适配以及信道编解码等。
载频单元主要用于调制/解调与发射机/接收机间的耦合。
控制单元则用于BTS的操作与维护。
1.2.3、GSM特点
特点之一，客户与设备分离（人机分开）。
在GSM通信中，SIM卡与移动设备之间已设置一个开放式的公共接口，这样，使用者与自己的设备之间没有互相依存的关系。
在SIM卡中存储有持卡者的客户数据、保安数据、鉴权加密算法等，只要客户手持此卡就可以借用、租用不同厂家的移动台，得到卡内存储的各种业务的服务，大大方便了客户，大大增强了GSM通信的移动性，也大大地增强了各生产厂家的设备的共享性。
特点之二，通信安全可靠。
因为在SIM卡中有一个永久性的存储器，既有存储能力，又有进行计算的能力，所以它属于智能卡。
当客户建立呼叫时，首先要客户输入个人身份号码（PIN），此码由4～8位数字组成，由移动台的键盘键入。
若输入三次不正确的PIN码后，PIN码被锁，通信终止，这是防范那些伪客户盗用通信的方法之一。
若有权客户忘记了码或一时疏忽，输入三次错误，可利用SIM卡中存储的0～9位数字的个人解锁钥（PUK）来解锁PIN码，使之恢复正常。
但也要特别注意，若输入十次错误的PUK，整个SIM卡就报废了，只有重新购置一个SIM卡才能再进行通信。
在呼叫建立过程中PIN码正确时，网路开始对客户身份进行鉴权，利用存储在SIM卡中的A3、A8算法，移动台与网路把计算结果进行比较，相同鉴权成功，这又是防范盗用通信的第二道防线。
鉴权成功之后，为了对客户信息保密，安全传送至被叫，则又采用了一套加解密的方法，即采用了A5的算法，防止了非法客户窃密。
另外，在鉴权和加解密过程中的密钥（KC）和鉴权钥（K1）参数在空中接口上是不传输的，只有国际移动客户识别码（IMSI）传输一次，以后完全采用不断变化的临时移动客户识别码（TMSI）来代替，因此GSM通信比模拟移动通信安全可靠。
特点之三，成本低。
它比电话磁卡的成本低，并且质地结实耐用，易于推广。
1.3窄带CDMA系统结构
CDMA数字蜂窝移动通信系统（图1-2）的组成与GSM数字蜂窝移动通信系统类似，主要由网络交换子系统（NetworkSwitchingSubsystemNSS）；基站子系统（BaseStationSubsystemBSS）；网络管理子系统（NetworkManagementSubsystemNMS），网络管理子系统（NMS）又叫操作与维护中心（OMC--Operation&MaintenanceCenter）四部分组成。
1.3.1CDMA系统的特点
（1）同一频率可以在所有小区重复使用，大大提高了频谱利用率。
CDMA蜂窝通信系统的所有用户可共享一个无线信道，用户信号的区分只是所用的码型不同
（2）抗干扰能力强，误码率低。
由于CDMA系统采用扩频技术，在空间传输时所占有的带宽相对较宽，而接收端通过解扩，使有用带宽信息信号恢复成窄带信号，而把非所需信号扩展成宽带信号，然后通过窄带滤波技术提取有用的信号。
（3）抗多径干扰性能好。
由于扩频后的信号是宽带的，它能起到频率分解分集的作用，它比窄带信号具有更强的扩频选择性衰落的特征。
（4）具有保密性。
由于码分多址的码是采用为随机码，这样就给信号带上了伪装，如果对方不知道所用的码，是很难破解的。
即便知道码，窃听者也必须非常靠近移动台才能收到信号。
因此，要破解密码或者窃听通话内容是非常困难的。
（5）系统容量大，且具有软容量特性。
由于CDMA采用码分多址方式，在相同的频率资源下，CDMA蜂窝移动网容量是GSM网容量的4~5倍，是FDMA系统的20倍。
（6）具有软切换特性。
在其他蜂窝通信系统中，当用户越区切换而找不到空闲频道或时隙时，通信必然中断。
CDMA软容量特性使系统可以支持越区切换的用户。
越区切换时，只需改变码型，用不着切换频率，相对而言，切换的控制和操作比较简单。
在切换中采用“先通后断”方式，即切换初期，移动太与新、老基站同时保持链路，只有当切换成功后才断开与老基站的链路。
（以上文字由海祥搜集排版）
第二章第三代移动通信系统3G
2.13G移动通信系统的简介及起源
第三代移动通信，即国际电信联盟（ITU）定义的IMT-2000（InternationalMobileTelecommunication-2000）,简称3G，相对第一代模拟通信系统（1G）和第二代GSM、CDMA等通信系统（2G），3G一般地讲是指将无线通信与国际因特网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。
第三代移动通信系统能够提供更大的通信容量和覆盖范围，具有可变的高速数据率、同时能提供高速电路交换和分组交换业务、具有更高的频谱利用率等特点。
另外，3G系统还能提供更为可靠的信道编码、灵活配置的传输信道和逻辑信道，支持多种语言编码方案，为用户提供更为灵活的接入服务；与此同时，3G系统还继承了窄带CDMA系统容易使用软件无线电实现、语音质量高、手机功耗小等优点。
当前，3G存在三大主流标准：
一是WCDMA标准，也称为“宽带码分多址接入”，支持者主要是以GSM系统为主的欧洲厂商；二是CDMA2000标准，也称为“多载波码分多址接入”，由美国高通北美公司为主导提出，韩国现在成为该标准的主导者；三是TD-SCDMA标准，中文含义为“时分同步码分多址接入”，是我国独自制定的3G标准，它在频谱利用率、对业务的支持、频率灵活性及成本等方面都具有独特的优势，全球一半以上的设备厂商都宣布可以支持TD-SCDMA标准。
在中国这几年通信技术进入了空前的高速发展，并且在保证了2G通信系统的存在的同时，大力发展和实现3G的应用，在许多地方开通了3G的业务并且得到了很好的评价，相信在最近的几年里，3G会完全进入到我们的生活，给我们带来本质的通信变化和发展。
种信息服务，同时也要考虑与已有第二代系统的良好兼容性。
图2-13G移动通信系统组成
2.2、3G通信系统的组成
IMT-2000系统的组成，IMT-2000系统构成如（图2-1）所示它主要由三个功能子系统构成。
即核心网CN、无线接入网RAN、移动台MS组成。
分别对应于GSM系统的交换子系统NSS、基站子系统BSS移动台MS和SIM卡。
无限接入网（RAN）提供灵活的无线接入功能，核心网（CN）提供一致的网络传输功能。
2.2.1系统各组成部分的作用
（1）移动台
移动台有包括移动终端（MT）与用户识别卡（UIM）分别对应GSM系统的移动中端（ME）与SIM卡。
（2）无线接入网（RAM）
它相当于GSM系统的网络子系统（BBS）,主要完成用户接入的全部功能，包括所有空中接口的功能。
（3）核心网（CN））
它相当于GSM系统的网络子系统（NSS），由用来传输话音的电路交换子网络（CS）和用来传输数据的分组交换子网络（PS）两部分构成。
2.2.2系统各部分的标准接口
（1）网络与网络接口（NMI），指的是IMT-2000的核心网（CN）与其他IMT-2000的核心网（CN）之间的接口，是保证互通和漫游的关键接口。
（2）无线接入网（RAN）与核心网（CN）之间的接口（RAN-CN），对应于GSM系统的A接口。
（3）移动台与无线接入网之间的接口（UNI）
（4）用户识别模块（UIM）和移动台（MT）之间的接口（UIM-MT）。
图2-2IMT-2000功能模型及接口
2.33G的频段划分
1992年世界无线电行政大会（WARC）根据ITU对于IMT-2000的业务量和所需的频谱的估计，划分了230MHz带宽给IMT-2000.1885~2025MHz及2110~2200MHZ频带为全球基础上可用于IMT-2000的业务；1980~2010MHz和2170~2200MHz为卫星移动业务频段。
共分60MHz；其余170MHz为陆地移动业务频段，其中对频段是2*60MHz，不对称的频段是50MHz。
2.4实现3G的关键技术
1.初始同步与Rake多径分集接收技术
CDMA通信系统接收机的初始同步包括PN码同步，符号同步、帧同步和扰码同步等。
CDMA2000系统采用与IS-95系统相类似的初始同步技术，即通过对导频信道的捕获建立PN码同步和符号同步，通过同步信道的接收建立帧同步和扰码同步。
WCDMA系统的初始同步则需要通过“三步捕获法”进行，即通过对基本同步信道的捕获建立PN码同步和符号同步，通过对辅助同步信道的不同扩频码的非相干接收，确定扰码组号等，最后通过对可能的扰码进行穷举搜索，建立扰码同步。
2.高效信道编译码技术
第三代移动通信的另外一项核心技术是信道编译码技术。
在第三代移动通信系统主要提案中（包括WCDMA和CDMA2000等），除采用与IS-95CDMA系统相类似的卷积编码技术和交织技术之外，还建议采用Turbo编码技术及RS-卷积级联码技术。
3.智能天线技术
从本质上来说，智能天线技术是雷达系统自适应天线阵在通信系统中的新应用。
由于其体积及计算复杂性的限制，目前仅适应于在基站系统中的应用。
4.多用户检测技术
在传统的CDMA接收机中，各个用户的接收是相互独立进行的。
在多径衰落环境下，由于各个用户之间所用的扩频码通常难以保持正交，因而造成多个用户之间的相互干扰，并限制系统容量的提高。
解决此问题的一个有效方法是使用多用户检测技术，通过测量各个用户扩频码之间的非正交性，用矩阵求逆方法或迭代方法消除多用户之间的相互干扰。
2.5、WCDMA移动通信技术
2.5.1WCDMA移动通信技术的特点
（1）调制方式：
上行为HPSK，下行为QPSK；
（2）解调方式：
导频辅助的相干解调；
（3）接入方式：
DS-CDMA方式；
（4）三种编码方式：
在话音信道采用卷积码（R=1/3，K=9）进行内部编码和Viterbi译码；在数据信道上采用ReedSolomon编码；在控制信道采用卷积码（R=1/2，K=9）进行内部编码和Viterbi译码；
（5）适应多种速率的传输，可灵活地提供多种业务，并根据不同的业务质量和业务速率分配不同的资源。
同时对多速率、多媒体的业务，可通过改变扩频比（对于低速率的32kbit/s，64kbit/s，128kbit/s的业务）和多码并行传送（对于高于128kbit/s的业务）的方式来实现；
（6）上下行快速、高效的功率控制大大减少了系统的多址干扰，提高系统的容量，同时也降低了传输的功率；
（7）核心网基于GSM/GPRS网络的演进，并保持与GSM/GPRS网络的兼容性；
（8）基站之间无需同步。
因为基站可以收发异步的PN码，即基站可跟踪对方发出的PN码，同时移动终端也可额外的PN码进行捕获与跟踪，因此可获得同步，支持越区切换及宏分集，而在基站之间不必进行同步；
（9）支持软切换和更软切换，切换方式包括三种，即：
扇区间软切换、小区间软切换和载频间的硬切换。
2.5.2WCDMA系统空中接口
1.WCDMA的主要参数
WCDMA是一个宽带直扩码分多址（DS-CDMA）系统，为了支持很高的比特速率（最高可达2Mbit/s）,采用可变扩频因子和多码连接。
WCDMA支持各种可变的用户数据速率，既可以很好地支持带宽需要，WCDMA主要参数表2-1。
表2-1WCDMA主要参数
多址接入方式
DS-CDMA
双工方式
FDD/TDD
基站同步
异步方式
码片速率
3.84Mchip/s
帧长
10ns
业务复用
有不同的服务质量要求的业务复用在一个连接
多速率
可变的扩频因子和多码
检测
使用导频符号或公共导频进行相关检测
接收机理念
标准支持多用户检测和智能天线，应用时可选
2.WCDMA的信道
MAC层通过逻辑信道给RLC层提供服务，逻辑信道用来描述传输的类型是什么。
物理层通过传输信道向MAC层提供服务，传输信道用来描述怎样的传输数据以及数据的特征是什么，物理层之间通过物理信道进行对等实体之间的通信。
下面介绍逻辑信道、传输信道和物理信道的分类和功能。
（1）逻辑信道
（2）传输信道
（3）物理信道
3.扩频与调制
WCDMA的扩频编码分为信道化编码和扰码两个过程，如图2-3所示。
图2-3扩频与加扰
（1）信道化编码
信道化编码用于区分来自同一信源的传输，即区分一个扇区内的下行链路连接，以及来自某一终端的所有上行链路专用物理信道。
WCDMA在信道化编码过程中采用可变码速的正交扩频序列（OVSF）码进行序列扩频，OVSF码的长度决定了信息的扩频增益，在传递码片的速率固定（对WCDMA为3.84Mchip/s）的情况下，OVSF码越短，传递信息的速率就越高，信道化编码过程与CDMA2000系统的扩频编码过程相同。
（2）扰码
加扰的目的是为了将不同的终端或基站区分开来。
加扰在扩频之后，它不会改变信号的带宽，而只是用来区分来自不同信源的信号，即使多个发射机使用相同码字扩频也不会出现问题。
如图2-4所示，在扰码过程之前，经过信道化编码，需要传送的信息已经别被扩频，以需要的码片速率进行传送，所以在扰码过程中不再改变信号的带宽和扩频增益。
图2-4信道化编码和加扰过程
WCDMA有个非常重要的特征就是无需GPS，其原因就是WCDMA是通过正交的扰码来区分扇区和用户，不同于CDMA2000系统采用PN码的不同偏置相位区分扇区和用户，所以不需要基站之间的严格同步，WCDMA基站也不需要GPS，这使得基站的选址和安装更加方便，可以实现分层组网等更加灵活的组网方式，而且WCDMA不需要进行PN偏置规划，取而代之的是扰码规划。
表2-2信道化编码和扰码的功能与特征
信道化编码
扰码
用途
上行链路：
区分同一终端的物理数据信道和控制信道
下行链路：
区分同一小区中不同用户的下行链路连接
上行链路：
区分终端
下行链路：
区分扇区（小区）
长度
4个码片-256个码片（1.0μs-66.7μs）
下行链路还包括512个码片
上行链路：
（1）10ms=38400chip
（2）66.7μs=256个码片
下行链路：
10ms=38400chip
码字数目
一个扰码下的码字数=扩频因子
上行链路：
几百万
下行链路：
512
码族
正交可变扩频因子
长码（10ms）:
Gold
短码：
扩展的S
（2）码族
2.5.3WCDMA系统无线接口Uu的协议结构
1.系统结构概述
UMTS系统由三个部分构成，即CN（核心网）、UTRAN（无线接入网）和UE（用户装置）组成，此外核心网还可以与外部通信，以提供更丰富的业务，如许多基于Internet的业务。
CN与UTRAN的接口定义为Iu接口，UTRAN与UE的接口定义为Uu接口，如图2-5所示
图2-5UMTS系统结构
（1）核心网（CN）
核心网（CoreNetwork,CN）负责处理WCDMA系统内语音呼叫（call）、数据会话（session）以及与外部网络的交换和路由。
（2）用户设备（UE）
用户设备（UserEquipment,UE）主要包括基带处理单元、射频单元、协议栈模块以及应用层软件模块，其物理实体包括移动设备（MobileEquipment,ME）和UMTS用户识别模块（UMTSSubscriberIdentityModule,USIM）两部分。
移动设备（ME）是进行无线通信的无线终端，用户识别模块（USIM）是一张智能卡，记载用户标识、执行鉴权算法、存储鉴权、密钥及终端所需的一些预约信息。
用户设备（UE）为用户提供电路域和分组域的各种业务功能，包括语音、短信、移动数据业务。
WCDMA终端和双模终端更可以提供宽带语音和高速的数据通信。
（3）无线接入网（UTRAN）
无线接入网连接到移动用户设备和核心网，实现无线接入和无线资源管理。
由于采用了UMTS的陆地无线接入网络技术，所以又称为UMTS陆地无线接入网络（UMTSTerrestrialRadioAccessNetwork,UTRAN）。
UTRAN包括许多通过Iu接口连接到CN的RNS。
一个RES包括一个RNC和一个或多个NodeB。
NodeB通过Iub接口连接到RNC上，它支持FDD模式与TDD模式或者双模式。
NodeB包括一个或多个小区。
在UTRAN结构中，Iu、Iur、Iub接口分别为CN与RNC、RNC与RNC、RNC与NodeB之间的接口。
UTRAN结构如图2-6所示。
图2-6UTRAN结构
2.WCDMA的开放接口
WCDMA主要的开放接口包括：
Cu接口、Uu接口、Iu接口、Iur接口和Iub接口。
（1）Cu接口
Cu接口是USIM智能卡和ME间的电气接口，它遵循智能卡的标准格式。
（2）Uu接口
Uu（UE-UTRAN）接口被称为WCDMA的空中接口，是指用户设备（UE）和UMTS地面无线接入网（UTRAN）之间的接口，通常也被称为无线接口。
无线接口使用无线传输技术（RTT）将用户设备接入到系统固定网络部分。
（3）Iu接口
Iu（UTRAN-CN）接口连接UTRAN和CN，它是一个开放接口，将系统分成专用于无线通信的UTRAN和负责处理交换、寻找路由和业务控制的CN两部分。
Iu可以有两种主要的不同实体，它们分别是用于将UTRAN连接至电路交换（CS）CN的IuCS（IuCircuitSwitched）和连接至分组交换（PS）CN的IuPS（IuPacketSwitched）。
还有一种Iu实体称为IuBC，连接UTRAN和核心网的广播域，用于支持小区广播业务。
这样相应的传输网络控制平台也就不同。
但设计指导的一个主要原则仍然是：
用于IuCS和IuPS的控制平面应尽量相同，它们之间的差别应该很小。
（4）Iur接口
尽管Iur（RNC-RNC）接口最初设计是为了支持RNC之间的软切换，但随着标准的发展，更多的特性被加了进来，目前Iur接口可以提供如下4种功能：
①支持基本的RNC之间的移动性；
②支持专用信道业务；
③支持公共信道业务；
④支持全局资源管理。
一般来说，根据运营商的需要，在两个无线网络控制器之间可以只实现4个Iur功能模块中的某些部分就可以了。
（5）Iub接口
Iub（RNC-NodeB）接口信令可以分成两个基本部分：
公共B接点协议和专用B接点协议。
公共B接点协议定义了经由公共信令链路的信令过程，而专用B接点协议则应用于专用信令链路中。
2.6CDMA2000移动通信系统
2.6.1CDMA2000系统结构
CDMA2000系统将IS-95从一个话音、低速数据系统改进为一个无线多媒体系统，使之能够提供基本满足ITM-2000要求的容量和服务，同时优化了语音和数据业务，并能支持高速的电路和分组业务，提供平滑的后兼容（与IS-95），其网络结构也与IS-95兼容。
1.概述
CDMA20001x的系统结构如图2-7所示。
图中：
MSC/VLR——移动交换中心/拜访位置寄存器
HLR/AC——归属位置寄存器/鉴权中心
PDSN/FA——分组数据服务节点/外地
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