蜂窝无线通信系统概述

在纯ALOHA中，无论何时有数据，发送器 都马上往信道发送数据分组。这导致在接收端大 量的数据发生冲突。发生冲突的分组必须在下一 个时间内重发。ALOHA信道最大吞吐量（正确 接收分组的速率）是数据速率的18%。 18%
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纯ALOHA
在纯ALOHA中，无论何时有数据，发送器 都马上往信道发送数据分组。这导致在接收端大 量的数据发生冲突。发生冲突的分组必须在下一 个时间内重发。ALOHA信道最大吞吐量（正确 接收分组的速率）是数据速率的18%。 18%
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基站子系统(BSS)
基站子系统的组成：
OMC-R
MS
BTS BSC BTS TC
MS UM接口 接口 Abis接口 接口 A接口 接口
基站控制器 — BSC 基站收发信机 — BTS 无线操作维护中心 — OMC-R 码变换器 — TC（Transcoder）
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BSC(基站控制器)的作用功能:
• 欧洲的GSM(全球移动通信系统)； • 北美的IS-54、IS-136(最初被称为D-AMPS)和IS95(窄带CDMA)； • PDC(个人数字蜂窝)等。
其中最受欢迎的是GSM。
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第三代移动通信系统
第三代移动通信系统最早1985年由国际电信联盟(ITU)提 出，当时称为未来公众陆地移动通信系统(FPLMTS)，1996年 更名为 IMT-2000(国际移动通信-2000)，意即该系统工作在 2000MHz频段，最高业务速率可达2000 kb/s，预期在2000年左 右得到商用。从1997年开始，由于第二代移动通信系统的巨大 成功， 用户的高速增长与有限的系统容量和有限的业务之间 的矛盾渐趋明显，第三代移动通信的 标准化工作开始逐渐进 入实质阶段。 目前，第三代移动通信系统的框架已确定，将 以卫星移动通信网与地面移动通信网结合，形成一个对全球 无缝覆盖的立体通信网络，满足城市和偏远地区不同密度用 户的通信需求，支持话音、数据和多媒体业务，实现人类个 人通信的理想。
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1.3.1 多路访问
FDMA是几种多路访问技术中最简单的。 TDMA稍微复杂一点，它需要所有的用户间 的时序保持同步。另外，TDMA中用户间的 正交性会受到符号间干涉的影响。半正交 CDMA是多路访问方法中最复杂的一种。 通过正交编码的CDMA，接收器将所需的信 号从其他的CDMA用户中分离出来，用户间 没有干涉。
当前，无线网络所面临的技术难题包括： 降低移动终端的信号处理和通信硬件的耗电量。 无线频谱受管制，代价昂贵。 无线信道由于信号反射角的改变及衰减会产生 随即抖动，可靠性保证困难。 无线和有线网络之间的差异很大，给它们的接 口协议带来很多问题。
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2. 蜂窝无线系统
大区制系统：一个基站覆盖整个服务区域。 优点：技术简单。 缺点： 1)通信质量差 2)频率利用率低 3)系统容量小
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多径环境
发射信号
接收信号 强度 时间
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无线信道模型
发 射 信 号
当前径权重 当前径权重 当前径权重 高斯噪声 接 收 信 号 当前径权重
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美国的ISM频段
ISM(工业、科学、医疗)频段的使用不需要经 过FCC(联邦通信委员会)授权。 不同的国家ISM频段的位置也有所不同。
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1.3 信道访问
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1.2 无线网络的分类
无线局域网(WLAN)：例如IEEE 802.11bWLAN， 能够在较低的资费水平下提供最高可达11Mb/s 的数据传输速率，但是只能支持低速移动的用 户，而且传输距离只有几十米到几百米。 无线个域网(WPAN)：例如Bluetooth。该系统的 最高数据传输速率可达3Mb/s，传输距离通常不 超过10米。
PSTN
EC
NSS
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ME
移动台子系统(MSS)
移动台是GSM蜂窝无线系统中用户使用的设备， 也是用户直接接触的整个GSM系统中的唯一设备。 移动台由两部分组成：移动设备(ME)和特讯(SIM)。 SIM卡上存储与用户相关的身份特征、安全认证 和加密悉尼 。 一个移动台应具备以下的基本功能：
支持各种基本业务和补充业务。 加密，对用户数据，对用户数据和信元进行加入。 无线接入GSM移动网，并完成各种控制功能。 无线信道速率和用户数据之间的适配。
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数字蜂窝系统的优势
能有效地利用无线频率资源，系统容量大。 呼叫质量高。 能向用户提供话音以外的多种非话业务。 制式比较统一，能方便地提供自动漫游业务 （包括国际漫游）。 易于加密，提供较完善的保密方法（如话音、 接入加密等）。 数字网要求的功率较低。
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第二代移动通信系统
第二代移动通信系统是面向语音的数字无线 系统，采用了TDMA技术或窄带CDMA技术。 典型的2G数字蜂窝移动制式包括：
1.1 无线网络的发展史
1895年，马可尼在怀特岛与相距18英里的一艘拖船间实现 了世界上第一次无线电传输，无线电通信由此诞生。 1915年，无线电与电话结合，第一次建立了纽约与旧金山 之间的无线音频传输。 1946年，公用移动电话服务在横跨美国的25个城市率先使 用。 20世纪60年代，蜂窝系统设计完成，并在80年代初期推广。 1971年，夏威夷大学建成了第一个分组无线网：AlohaNet。 1985年，联邦通信委员会(FCC)规定了用于工业、科学和医 药等公共用途的无线局域网络产品的频段(ISM)，促进了无 线局域网在商业上的发展。 80年代中期，分组无线网络通过DARPA的促进达到巅峰。 并于90年代初，服务商利用分组无线网提供广域范围内的 无线数据服务。
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分组预留多路访问
在分组预留多路访问(PRMA)中，时隙是分 片的，每N个时隙组成一个帧，要发送分组的终 端在每一帧中竞争空闲的时隙。一旦一个分组在 一个时隙中被成功发送，在后继的帧中，只要这 个用户有分组发送，这个时隙就预留给该用户。 PRMA需要很少的中央控制，没有预留开销。
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1.4 无线网络的技术难点
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1.3 无线信道
无线系统使用大气层作为它们的传输媒体，这种传输 媒体被称为无线信道。 无线信号通过尺度与信号波长大致相同的天线产生一 系列足够的振幅来穿过传输媒体。 大多数的陆地移动系统都使用UHF频段(特高频段) ， 卫星系统主要使用SHF频段(超高频段)。
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1.3 无线信道
在 VLF, LF, 和 MF 频段, 无线电波沿地面传播。 在HF频段,无线电波通过电离层反射。
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2.1 蜂窝基本概念
蜂窝通信是一种使用频率复用的智能方法， 以使有限的带宽可以容纳巨大数量的用户。
其基本原理是把覆盖区域分为大量相连的小区 域，每个小区域都使用自己的、低功率的无线 基站。由于同样的频谱在分散的区域内可以被 多次复用，这样，每次建立一个新的基站（一 个小区域）时，容量就会增加。
由于无线频谱资源的不足，在不同的应用 中共享带宽的有效技术显的很必要。对于持续 的传输(如视频和语音)，一般分配专用信道。 在专用信道中共享带宽为多路访问。对于突发 性的数据传输，使用随机信道分配，使用随机 信道分配来共享带宽，称为随机访问。
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1.3.1 多路访问
多路访问技术通过带宽分割将专用信道划分 给多个用户。划分频谱的方法包括频分 (FDMA)、时分(TDMA)和码分(CDMA)以及这 些方法的结合。
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1.2 无线网络的分类
现有的各种无线网络都是针对某些特定的 业务类型和用户群体而专门设计的，因此在覆 盖范围、可用带宽、计费水平等方面都有差别。 无线网络根据数据传输的距离和网络覆盖范围 大致可以分为以下5种类型：
卫星通信网络(Satellite Network)：例如LEO(低地 轨道系统) 和GEO(地球同步轨道系统)。这类网 络能够提供全球覆盖，但是其资费水平很高， 传输时延也很大(LEO的传输时延约为20-25ms， GEO的传输时延约为250-280ms)。
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1.3.2 随机访问
在大多数无线数据网络中，只有一部分很少 的、不可预知的以及时常变动的用户群会随时有 数据发送。如果给每个用户分配专用信道会很低 效，而随机分配信道对，则对信道的访问没有保 证，因此需要一个随机访问协议。 随机访问协议主要有两类：ALOHA技术和 预留分配协议。
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纯ALOHA
• 在FDMA中，系统总带宽被划分为频率不重叠的 正交信道，并将其分配给不同的用户。 • TDMA将时间划分为不重叠的时隙，并将其分配 给不同的用户。 • 在CDMA中时间和带宽同时被不同的用户使用， 通过正交或半正交扩展编码进行调制。
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频率
频率
FDMA
时 间
TDMA
时 间
频率
时间 码字 CDMA
通信学科导论
之 蜂窝无线通信系统概述
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内容安排
1. 无线网络概述
1.1 无线网络的发展史 1.2 无线网络的分类 1.3 无线信道 1.4 无线网络的技术难点
2. 蜂窝无线系统
2.1 蜂窝的基本概念 2.2 蜂窝无线系统的发展阶段 2.3 GSM系统介绍
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1. 无线网络概述
通信网络：由多个通信点和通信链路， 按照一定的组织形式所构成的通信系统的统 一体。广义地讲，它包括一切用于传递信息 的网络，它是实现信息传递的物质技术基础。 通信点和通信链路是通信网络的两个基 本要素。如果通信链路是有线的(例如双绞线、 光纤等)，则对应的通信网络为有线网络；如 果通信链路是无线的(依靠电磁波进行传输)， 则对应的通信网络为无线网络。 3
实现Abis接口物理层规定（PCM/E1） 实现Abis接口数据链路层（LAPD） 实现BTS管理功能 实现部分无线资源管理（RR） 实现Um接口物理层规定（PCM/E1） 实现Um接口数据链路层（LAPDm） 实现实现跳频功能 实现信道加密、解密功能 实现信道编译码、交织与解交织功能 实现调制与解调功能