数字蜂窝移动通信原理
第7章GSM数字蜂窝移动通信系统
本章提示
GSM系统是个时分多址系统，其功率发射是 在严格规定的时间窗内，以突发形式不停地 发射；所以接收机与发射机要保持严格地定 时同步。
GSM系统是一个数字蜂窝系统。为了便于系 统管理，它有条件安排9种逻辑信道，如何将 这么多逻辑信道映射到TDMA的物理信道上 （即信道组合）是很值得学习的。
2．基站子系统（BSS）
（2）基站控制器（BSC） 基站控制器是基站子系统的控制部分，起着
BSS的变换设备的作用，即承担各种接口及 无线资源和无线参数管理的任务。
2．基站子系统（BSS）
BSC主要由下列部分构成： 朝向与MSC相接的A接口或与码变换器相
接的Ater接口的数字中继控制部分； 朝向与BTS相接的Abis接口或BS接口的
2．基站子系统（BSS）
图7-3 一种典型BSS组成方式
2．基站子系统（BSS）
（1）基站收发信台（BTS）。 由基站控制器（BSC）控制，服务于某个小
区的无线收发设备，完成BSC与无线信道之 间的转换，实现BTS与移动台（MS）之间通 过空中接口的无线传输及相关的控制功能。 BTS主要分为基带单元、载频单元、控制单 元三大部分。
7.1.2 GSM系统与蜂窝结构 的关系
泛欧GSM数字蜂窝移动通信系统是在频分多址下的 时分多址，当它工作在跳频方式时，又引入了码分 多址。
数字移动通信系统也是蜂窝系统，即蜂窝区群结构 和频率复用。
蜂窝区群小区数的多少以及小区半径的大小，取决 于数字系统保证正常通信所需载干比和本地区业务 量的分布和大小。
本章提示
GPRS是GSM网络向3G演进的重要一步，被 称为2.5G技术。GPRS是基于GSM网无线接 口所开发的分组数据传输业务；是按需分配 占用信道资源，频谱利用率高。理论上数据 传输速率最高可达到171.2kbit/s，适合各种 突发性强的数据传输。
蜂窝移动通信技术
高数据速率的需求
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5G技术
为了满足用户对高数据速率的需求，蜂窝移动通 信技术正在向5G演进，5G技术能够提供更高的 数据传输速率和更低的延迟。
毫米波通信
利用毫米波频段进行通信可以提供更高的数据传 输速率，但传输距离较短，需要配合其他技术使 用。
协同通信和多天线技术
通过协同通信和多天线技术可以提高信号覆盖范 围和数据传输速率，同时降低延迟和提高可靠性。
04
蜂窝移动通信技术的应用与发展
4G/5G网络
4G/5G网络
蜂窝移动通信技术经历了从2G到4G的发展，目前正在向5G 过渡。4G网络提供了更高的数据传输速度和更低的延迟，而 5G网络将进一步改善这些性能，并支持更多设备同时连接。
5G应用场景
5G网络将广泛应用于各个领域，如智慧城市、自动驾驶、远 程医疗、工业自动化等，为人们的生活和工作带来更多便利 和效率。
物联网与蜂窝移动通信技术
物联网设备连接
蜂窝移动通信技术为物联网设备提供 了广泛的连接解决方案，使各种设备 能够实时地相互通信和交换数据。
物联网应用
物联网与蜂窝移动通信技术的结合将 推动各种应用的快速发展，如智能家 居、智能农业、智能物流等，提高生 产效率和生活质量。
人工智能与蜂窝移动通信技术
数据处理与分析
网络安全问题
数据隐私保护
随着移动通信技术的发展，用户的个人信息和通信内容越来越容 易受到攻击和窃取。
恶意攻击和病毒传播
移动网络中存在着大量的恶意软件和病毒，会对用户设备和个人信 息安全造成威胁。
网络安全技术
为了保障网络安全，需要采用先进的加密技术、防火墙技术、入侵 检测技术等，提高网络的安全性和可靠性。
用移动数据上网的原理是
用移动数据上网的原理是移动数据上网是指通过移动电话网络获取互联网服务。
它的原理可以分为两个主要部分：无线电传输和数据传输。
首先，无线电传输是指通过无线电波将信号从移动设备发送到基站。
当我们打开移动数据功能时，手机会连接到运营商的基站，该基站通常位于附近的塔或天线上。
这个连接通过无线电传输实现，手机和基站之间使用的是一种名为“蜂窝通信”的技术，这种技术利用了电磁波频谱的特定范围。
在蜂窝通信中，频谱被分成多个频道，每个频道被分配给一个用户或设备。
移动设备将数据转换为无线数字信号，然后通过选定的频道发送给基站。
基站接收到信号后，将其转发到运营商的核心网络。
然后，数据传输是指将数据从基站发送到互联网。
当基站接收到移动设备发送的数据时，它首先将其传送到运营商的核心网络。
这个核心网络由许多节点和服务器组成，通过高速光纤传输数据。
核心网络负责处理和管理数据，以确保它们能够正确到达目的地。
在核心网络中，运营商可能会使用一些技术来优化数据传输，例如压缩和数据包分组。
这些技术可以帮助提高数据传输的效率和速度。
一旦数据通过核心网络，它将被转发到互联网上的目标服务器。
这个服务器可能是一个网站、一个应用程序或者是其他数据服务提供者。
一旦数据到达目标服务器，它将被处理和响应，然后将响应数据通过核心网络、基站和无线电传输发送回移动设备。
移动设备接收到响应数据后，会将其转换为可视化的内容，例如网页、视频或者应用程序界面等。
总体上，移动数据上网的过程可以简单描述为：移动设备通过无线电传输将数据发送到基站，然后基站将数据传输到运营商的核心网络，核心网络将数据转发到互联网上的目标服务器，服务器处理和响应数据后，反向传输数据回移动设备。
除了以上主要过程，还有一些其他技术和协议可以增强移动数据上网的性能和安全性，例如LTE（长期演进技术）、IP协议（Internet Protocol）和VPN（虚拟私人网络）等。
总结一下，移动数据上网的原理是通过无线电传输将数据从移动设备发送到基站，然后基站将数据传输到运营商的核心网络，核心网络将数据转发到互联网上的目标服务器，最后服务器处理和响应数据后，反向传输数据回移动设备。
CDMA数字蜂窝移动通信系统
CDMA系统支持多种数据业务，如分组数据和电路数据。通过采用高速数据传输 技术和前向纠错编码技术，CDMA系统可以提供较高的数据传输速率和较低的误 码率。
无线资源管理
功率控制
CDMA系统采用功率控制技术，通过调整移动台的发射功率，降低干扰水平，提高系统容 量和语音与数据业务质量。
呼叫接纳控制
鉴权中心（AUC）
用于用户身份验证和密钥分配，确保网络安 全。
网络接口与协议
A接口
基站与移动交换中心之间的通信接口，采用AT命令集进 行控制。
B接口
移动交换中心与归属位置寄存器之间的通信接口，采用 MAP协议进行通信。
C接口
移动交换中心与拜访位置寄存器之间的通信接口，采用 MAP协议进行通信。
D接口
保密的目的。
扩频通信利用伪随机序列对信息 信号进行扩频调制，将信息信号 扩展到宽频带上，以实现信号的
频谱扩展。
扩频通信具有抗干扰能力强、抗 多径干扰、抗窃听等优点，因此
在移动通信中得到广泛应用。
CDMA编码原理
CDMA（码分多址）是一种多址接入技术，允许多个用户 在同一频段上同时进行通信。
CDMA系统采用伪随机序列对用户信号进行扩频调制，不 同的用户使用不同的伪随机序列，从而实现多用户同时通 信。
容量
CDMA系统采用扩频技术，可以在同一频段上支持更多的用户。CDMA系统的 容量主要受到干扰和多径传播的影响。通过采用功率控制和导频污染控制等措 施，可以提高系统容量。
语音与数据业务质量
语音质量
CDMA系统采用宽带语音编码技术，如EVRC和AMR，可以在较低的比特率下提供 较好的语音质量。此外，CDMA系统还支持语音激活检测技术和可变速率声码器， 以进一步改善语音质量。
数字蜂窝移动通信系统的基本组成及各部分的作用
数字蜂窝移动通信系统的基本组成及各部分的作用数字蜂窝移动通信系统的基本组成及各部分的作用随着移动通信技术的飞速发展，数字蜂窝移动通信系统已经成为了我们生活中不可或缺的一部分。
这一系统以其高效率、便捷性和广泛的覆盖范围，为人们提供了无线通信和数据传输的便利。
但是，对于普通用户来说，对数字蜂窝移动通信系统的基本组成以及各部分的作用，往往显得有些陌生。
本文将通过深度和广度兼具的方式，全面评估数字蜂窝移动通信系统的基本组成及各部分的作用，帮助读者更好地了解这一重要的通信系统。
一、数字蜂窝移动通信系统的基本组成数字蜂窝移动通信系统是由多个基本部分组成的复杂系统，其中包括基站系统、核心网和移动终端三个部分。
1. 基站系统基站系统是数字蜂窝移动通信系统中最为重要的组成部分之一，其主要包括基站、无线传输子系统和控制器等多个子系统。
基站是通信系统中的一个核心设备，用于对移动终端进行信号的发送和接收。
无线传输子系统则负责信号的传输和解调工作，保障了通信的稳定性和可靠性。
控制器则起到了对基站和移动终端的控制和管理作用，确保通信系统的正常运行。
2. 核心网核心网是数字蜂窝移动通信系统的另一个重要组成部分，其主要功能是对移动通信数据进行传输和交换。
它由移动交换中心、业务支撑系统和数据传输网等多个子系统构成。
移动交换中心是数字蜂窝移动通信系统中的核心设备，用于对移动通信数据进行交换和路由。
业务支撑系统则用于提供各种业务支持和管理服务，保障了通信系统的正常运行。
数据传输网则负责对移动通信数据进行传输和交换，确保了通信数据的安全性和稳定性。
3. 移动终端移动终端是数字蜂窝移动通信系统中的另一重要组成部分，其主要包括手机、数据卡和调频器等设备。
手机是人们日常生活中最为常见的移动终端设备，用于进行语音通话、发送和数据传输等多种通信功能。
数据卡则是用于将移动通信数据传输到移动终端设备中的重要设备，它能够确保移动终端设备能够正常、稳定地进行通信。
CDMA移动通信系统基本原理
二、多址通信方式
码分多址（CDMA）
C1
c1
MS1
C2
c2
MS2
.
Ck
BS
ck
. .
MSk
在CDMA通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来 区分，而是用各自不同的编码序列来区分，或者说，靠信号的不同波形来区分。
三、CDMA基站子系统
微蜂窝基站支持菊花链 菊花链最大支持3个微基站/E1
Microcell 1
40CH
(23ch)
Microcell 2
40CH
(23ch)
Microcell 3
40CH
(23ch)
From BTS 2Mb/s
三、CDMA基站子系统
模块化基站（宏蜂窝基站）
• 每机架可支持3扇面3载频(3/3/3),或最大全向9载频配置. • 能与现有的基站共存协调发展 • 小型化减少机架占地面积 • 全向、3扇面、6扇面配置(1*1,1*3,1*6) • 每个载频/扇面最大支持40信道单元(工程为20信道单元） • 每架最大支持6个E1 • 最少的天线配置—2或3付天线/每扇面。 • 可同时支持宽带CDMA
微蜂窝基站配置 适合联通网络解决大商场，体育馆等热点区域，可 不占用机房，减少设站费用，微基站共址安装（最大3 个）共享 —T1/E1 —GPS天线 —电源柜 —分散的微基站至GPS天线最大距离为150m 搬运方便，节省时间
三、CDMA基站子系统 微蜂窝基站配置
• 全向配置，3扇面配置 • 标准输出功率2W，特殊情况可提供10W—20W功率输 出，特别适合在农村、山区等低话务区全向配置，安装 简便，迅速开通，方便灵活。
数字蜂窝移动通信系统
（1）人-机接口（Sm接口）
（2）移动台与基站之间的接口（Um 接口）
（3）基站与移动交换中心之间的接 口（A接口）
（4）基站控制器与基站收发信台之 间的接口（Abis接口）
（5）移动交换中心与访问位置寄存 器之间的接口（B接口）
（6）移动交换中心与归属位置寄存 器之间的接口（C接口）
（7）归属位置寄存器与访问位置寄 存器之间的接口（D接口）
（g）定时提前（TA，Timing Advance） （h）无线资源指示 （i）测量 （j）LAPDm功能 （k）寻呼（Paging）
（l）越区切换 （m）加密 （n）移动管理与呼叫控制
（3）基站技术性能
发射频率 接收频率
（4）基站结构
（5）基站收发信台（BTS）结构
· BTS由基带、载频和控制3部分组成。
（1）原理框图
（2）基站系统功能
① 地面信道管理 ② 无线信道管理 （a）信道配置管理 （b）独立专用控制信道（SDCCH）和 业务信道（TCH）管理
跳频管理 信道选择、链路监视和信道释放 功率控制 空闲信道监测
（c）广播控制信道（BCCH）/公共控 制信道（CCCH）管理
（d）随机接入 （e）信道编码/解码 （f）码型变换/速率适配
（8）移动交换中心之间的接口（E接口）
（9）移动交换中心与设备标志寄存器 之间的接口（F接口）
（10）访问位置寄存器（VLR）之间的接口 （G接口）
· 当某个移动台使用临时移动台标志号 （TMSI）在新的。
4．数字移动网与固定网的互通
· 为了实现互通，双方都采用7号信令系统 。
5．公共陆地移动通信网（PLMN）之间 的互通
· 基站系统（Base Station System，BSS） 由可在小区内建立无线覆盖并与移动台 （MS）通信的设备组成。
GSM手机原理框图
蜂窝移动通信系统GSM系统概述GSM数字移动通信系统是由欧洲主要电信运营者和制造厂家组成的标准化委员会设计出来的，它是在蜂窝系统的基础上发展而成。
蜂窝系统的概念和理论在二十世纪六十年代就由美国贝尔实验室等单位提了出来，但其复杂的控制系统，尤其是实现移动台的控制直到七十年代随着半导体技术的成熟，大规模集成电路器件和微处理器技术的发展以及表面贴装工艺的广泛应用，才为蜂窝移动通信的实现提供了技术基础。
直到1979年美国在芝加哥开通了第一个AMPS(先进的移动电话业务)模拟蜂窝系统，而北欧也于1981年9月在瑞典开通了NMT(Nordic 移动电话)系统，接着欧洲先后在英国开通TACS系统，德国开通C－450系统等。
蜂窝移动通信的出现可以说是移动通信的一次革命。
其频率复用大大提高了频率利用率并增大系统容量，网络的智能化实现了越区转接和漫游功能，扩大了客户的服务范围。
GSM系统的组成蜂窝移动通信系统主要是由交换网路子系统（NSS）、无线基站子系统(BSS)和移动台（MS）三大部分组成，如图1所示。
其中NSS与BSS之间的接口为“A”接口，BSS与MS之间的接口为“Um”接口。
在模拟移动通信系统中，TACS规范只对Um接口进行了规定，而未对A接口做任何的限制。
因此，各设备生产厂家对A接口都采用各自的接口协议，对Um接口遵循TACS规范。
也就是说，NSS系统和BSS系统只能采用一个厂家的设备，而MS可用不同厂家的设备。
图1 蜂窝移动通信系统的组成由于GSM规范是由北欧一些运营公司“炒”出的规范，运营公司当然喜欢花最少的投资，用最好的设备来建最优良的通信网，因此GSM规范对系统的各个接口都有明确的规定。
也就是说，各接口都是开放式接口。
GSM系统框图如图2，A接口往右是NSS系统，它包括有移动业务交换中心（MSC）、拜访位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AUC）和移动设备识别寄存器（EIR），A接口往左Um接口是BSS系统，它包括有基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。
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三.移动信道
5.多径传播对数字传输的影响
(1)接收信号产生的时延扩展⊿引起码间串扰 为避免码间串扰应使码元周期大于时延扩展
Rb < 1/⊿
(2)相关带宽(Bc) 当信号带宽小于(Bc)时,发生非频率选择性衰落 当信号带宽大于(Bc)时,发生频率选择性衰落
数字蜂窝移动通信基本原理
一.移动通信的发展简史与现状 二.蜂窝移动通信的基本慨念 三.移动信道 四.语音编码技术 五.数字调制解调技术 六.抗衰落技术 七.多址方式和系统容量 八.第三代蜂窝移动通信展望
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一.移动通信的发展简史与现状
1.现代移动通信的发展
本世纪20 _ 40 年代 专用网开发
* 用查图表求不同传播环境的中值路径损耗 * 使用传播损耗的经验公式求中值路径损耗
Lm = 69.55+26.16log(f)-13.82log(hb)-a(hm)+[44.96.55log(hb)]
根据Lm可得到移动台接收的信号功率:
Pr(dbm ) = Pt+Gb+Gm-Lb-Lm-Ld-Lm
(2)Egli模型
(3)随机调相 由多径效应产生的多普勒频展,频率的这种随机变化称随机 调相
(4)抗多径衰落的技术 分集/自适应均衡技术/差错控制编码/跳频/扩频
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四.语音编码技术
1.语音编码的基本慨念
(1)波形编码
(2)参量编码
(3)混合编码
2.数字移动通信系统对语音编码的要求
速率较低,纯编码速率应低于16Kbit/s 语音质量应尽可能高(MOS大于3.5) 编解码延时较短,控制在几十毫秒内
本世纪40中 _ 60 年代初 公用移动通信业
务问世
本世纪60中 _ 70 年代中 移动通信系统改
进完善
本世纪70中 _ 80 年代中 第一代 模拟蜂窝移 动通信系统迅速发展
本世纪80中 _ 至今 第二代数字蜂窝移动通信 系统发展和成熟
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一.移动通信的发展简史与现状
2.现状
数字制式的蜂窝移动通信系统正逐步的替代模拟制 式的蜂窝系统
3
二.蜂窝移动通信的基本慨念
1.频率复用
在不同的小区使用相同的频率,解决系统容量 与频率有限的矛盾
2.越区切换
在通话过程中将移动台的工作频率和接续控 制从其离开的小区交换给正在进入的小区
3.小区分裂
宏蜂窝 微蜂窝 微微蜂窝
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三.移动信道
1.移动信道的特点
移动信道传播条件的复杂性和恶劣性
2. 对移动信道的研究方法
3. 陆地移动无线电波传播
移动信道是一种时变信道
无线信号通过移动信道遭遇不同途径的衰减
P(d)=|d|-n* S(d) * R(d)
|d| -n 自由空间的传播损耗与弥散
S(d) 阴影衰落
R(d) 多径衰落
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三.移动信道
4.电波传播的路径损耗预测 (1)Okumura(奥村)模型
把系统的总频段分成若干个等间隔的频道分配给不同用户使 用
2.时分多址(TDMA)
把时间分成帧、时隙。用户在每帧的指定时隙通信
3.码分多址(CDMA)
用户传输信息通过不同的编码序列来区分
低功率谱密度传输、抗干扰，抗多径干扰能力强、具有“软 容量”的过载特性
4.系统容量的比较
理论上CDMA的容量是FDMA的20倍，最TDMA的4 _ 6倍
通过语音块内和语音块之间的交织,将衰落引起的错误分散到各个 语音块
(2)GSM的慢跳频
提供了传输链路上的分集,将干扰的影响分散到所有话路上
(3)自适应均衡技术
在发端插入训练比特序列，收端进行动态均衡提高传输质量
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七.多址方式和系统容量
多址技术的关键是利用信号特征上的差异
1.频分多址(FDMA)
具有单一的通信号码
保证高的服务质量,按需分配带宽
有多频/多模通用的手机
频谱利用率高,容量大
网络结构能适用无线,有线多种业务要求
系统起始配置能充分利用第二代设备和设施(互联和兼容),随
后可平滑升级
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八.第三代移动通信展望
2.第三代移动通信系统的综合功能
* 无线网与无线网的综合,首先是与第二代系统的互联和兼容 * 移动网和固定网,数据网的融合.为用户提供统一的业务使用方
较好抑术
1.分集技术的基本慨念
利用多条传输相同信息,但相互独立衰落特性的信号路径,在接 收端对这些信号进行适当使合并,以降低多径衰落的影响
空间分集/极化分集/频率分集/其它 分集信号的合并技术
2. 编码,交织及跳频相结合的抗衰落
(1)GSM交织编码
算法应有较好抗误码性能 算法复杂程度适中,易于大规模电路集成
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五.数字调制解调技术
性能优越的高效调制方式是数字移动通信的重 要研究课题 几种主要调制方式: 1. MSK
频移指数为0.5的最小频移键控调制
2. GMSK(高斯滤波最小频移键控调制)
优点是减小调制带宽，改善信道有效性
3. ∏/4 DQPSK
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八.第三代移动通信展望
第三代移动通信系统是指国际电信联盟(ITU)正在组织进行研究的,未 来公用陆地移动通信系统(FPLMTS),1996年更名为IMT-2000
1.第三代移动通信系统的主要目标
提供全球无缝覆盖和漫游
提供多媒体业务(速率可高达2Mb/s)
适应多种业务环境:蜂窝、无绳、卫星移动、PSTN 、数据、IP
目前全球蜂窝移动电话超过1.5亿，其中GSM用户已超过1个 亿
到2000年底全球蜂窝移动电话将达到3亿，其中GSM用户将 达到2.35亿
数字蜂窝移动通信系统在快速发展的同时,不断的提 高技术性能和发展新的业务
对实现个人通信为目标的第三代移动通信已从评估 和制定标准阶段提高到具体设计、规划和实施阶段
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式
• 同一交换机能支持移动用户和固定用户的接入
• 交换机都应采用ATM技术
• 宽带无线接入网能和固定网、分组网、IP网连通
• 建立统一的用户数据库
• 建立统一的智能网平台
* 陆地网与卫星网的综合
IMT-2000的无线接口综合了卫星移动通信系统
铱系统/全球星/ICO
* 多种终端集成
GSM900/DCS1800 GSM/DECT 兼容多种制式多频/多模手机