现代通信技术第3版魏东兴移动CH13章节

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1、第13章 典型的移动通信系统简介,13.1 第二代移动通信系统（2G） GSM系统 CDMA系统（IS-95） 13.2 第三代移动通信系统（3G） WCDMA系统 CDMA2000系统 TD-SCDMA系统,本章的主要内容,13.1.1 概述,从第一代（1G）第二代（2G） 第三代（3G） 第四代（4G）,1G典型系统ETACS、AMPS,1G主要问题： 全球运营的1G系统技术标准不统一，甚至使用的频段也各不相同，各种系统之间没有公共的接口，无法实现漫游业务； 业务种类单一，仅限于话音业务，数字业务很难开展； 频谱利用率较低，不能满足扩容的要求，容量有限与需求日益增长的矛盾突出。 网络安全保

2、密性差，用户的话音易被窃听，移动终端易被并机、盗号。,2G 典型系统GSM、IS-95,主要特点是： 系统灵活。各种功能模块的出现，增强了系统的编程控制能力、增加新功能的能力； 高效的数字调制技术和低功耗系统。利用高效的数字调制技术，提高频谱利用率和分配的灵活性；且采用数字技术，降低了系统功耗，并延长了电池使用时间； 系统的有效容量提高。数字系统除了可以使用FDMA技术外，还可以使用TDMA、CDMA技术等，这些多址技术可大大提高信道资源的利用率。因为频率再用距离受所需载干比的限制，模拟蜂窝系统只能做到l/7的小区共用相同的信道，而数字蜂窝系统采用了有效的数字信号处理技术(如话音编码和信道编码

3、等)，因此在话音质量相同的条件下，可以降低所需载噪比，把每个区群的小区数减少到4，即1/4的小区共用相同的信道，从而使数字蜂窝系统的容量大于模拟蜂窝系统；,2G的特点, 高效的信源及信道编码技术。用信源及信道编码技术实现了数字语音和数据通信的综合，降低了单用户的带宽要求，使多个用户的语音信号复用到一个载波上，采用信道的差错控制技术、编码技术、扩频技术、均衡技术、交织技术、加密技术等，降低了误码率，通信的可靠性和有效性大大提高，并进一步加强了网络的安全性； 灵活的带宽配置。对模拟系统要改变用户的带宽以满足对通信的特殊需要非常困难，而数字系统用计算机管理，很容易实现信道的灵活配置； 新的服务项目

4、包括：鉴权、短消息、WWW浏览、数据服务、语音和数据的保密编码、综合业务等； 更强的接入、切换能力和更高的效率。蜂窝越小，产生的接入申请、漫游注册、过区切换动作就越多，所产生的信令活动更加频繁。,13.1.2 GSM系统,1978年确定了公共频段：在900MHz附近开通了两个带宽为25MHz的频段。1982年CEPT成立了欧洲移动通信特别小组，简称GSM（Group Special Mobile），其任务是起草一个工作在900MHz频段，在全欧洲使用的公众移动通信系统。后来，GSM标准改由ETSI负责管理。 1990年，900MHz的GSM规范基本制订完毕。 同年，更高频率的GSMl800版本

5、的GSM系统被定为标准，到1991年完成了规范的制订工作。 正式的GSM商用系统于1992年首先在芬兰投入运营。由于在投入使用之前，GSM的标准化工作并没有在每个方面都非常完善，所以把GSM的标准化工作又分为两个阶段：phase1和phase2。1992年又提出了phase2+的标准，它实际上就是2.5G标准。 1992年开始制订满足美国市场的标准，PCSl900(即GSMl900)，1996年GSMl900投入使用。,1. GSM的主要业务与特点,GSM的主要业务 (1)电信业务最基本的是话音业务，也包括紧急呼叫、传真、可视图文和电传。 (2) 数据业务相当于开放系统互联（OSI）参考模型的

6、第一、二和三层。支持数据率为300-9600bps的分组交换，数据的传输既可以采用透明模式（GSM为用户数据提供标准的信道编码），也可以采用非透明模式（GSM采用特定的数据接口提高编码效率）。 (3)补充业务是对前两类基本业务的补充和改进，必须与基本业务一起提供给用户。补充业务与基本业务的区别在于用户的参与程度。GSM是全数字的系统，可提供的补充业务包括：登记、询问、删除、请求、呼叫转移、主叫识别等业务。补充业务还包括短消息业务（SMS），SMS业务允许用户在进行话音通信的同时，利用信令信道传送有限长度的字符消息（160个ASCII码字符）。SMS业务还提供小区广播功能，允许GSM基站重复传送

7、多达15组长度为93个ASCII码字符的消息。,GSM中国国际移动资费标准,(1) GSM主要特点,一、GSM系统最显著的特点是它的用户识别模块（SIM智能卡），SIM卡存贮了用户的各种信息，包括：用户识别码、用户的归属网络、个人接入密码和其它的用户特定信息。SIM卡代表了用户使用GSM服务的权限许可，用户可以在任何一部GSM终端上通过4位数字的密码激活SIM卡获得服务，所发生的通信费用与所使用的终端没有关系，只与SIM卡上的用户帐户有关。 SIM（Subscriber Identify Module）卡，智能IC卡， SIM卡由五部分组成， CPU 程序存储器（ROM） 工作存储器(RAM)

8、 数据存储器(EPROM) 串行通信单元,SIM卡功能,SIM卡的主要4种功能： 第一 使用者的身份号(PIN) PIN码是一个4位到8位的个人输入密码，用户只有输入此码，手机才能对SIM卡进行数据存取。假如用户连续3次错误输入PIN码，那SIM卡将会被阻塞。 第二 使用者的身份号码可移动(IMSI)或者临时移动(TMSI) 移动用户身份码可唯-确认移动用户，它只在用户第-次接人进网时通过无线信道传送一次。另外，情况异常时也传送IMSI。用户经常使用的是临时移动用户身份码TMSI。TMSI是不断变化的，并且经过加密后由基站传给用户。 第三 加密方式 由于密钥不在无线信道上传输，而是存于SIM卡

9、和AUC中。加密的密钥产生过程是：通过网络发送-随机数，移动台与网络同时将该随机数用移动台的鉴权密钥进行计算，得到的为数据加密的密钥，同时储存起来。 第四 鉴权过程数据。 鉴权是在网络与SIM卡之间进行的。这个过程是在移动用户登记人网和呼叫时进行的。在用户身份识别后，网络产生一随机的鉴权参数(128bit)，移动台将SIM卡中的密钥作为鉴权算法，对收到参数进行计算，得出鉴权响应参数传回网络，在那里与鉴权中心(AUC)计算出的参数相比较，只有两者相同才是合法用户。由于密钥不能从卡中读出。SIM卡接口传出的是鉴权响应参数，保证了合法用户的权益。,GSM主要特点（二）,GSM第二个显著的特点是其个人

10、信息安全性。 模拟调频制的移动电话很容易被监听，但在GSM系统中这是不可能的。用户的密码在传送前通过密钥进行了有效加密，这个密钥由GSM网络运营商掌握，对每个用户来说，其加密的密码序列随时间变化。 每个运营商和设备供应商必须在签署了谅解备忘录后才能运营GSM网络或生产GSM设备。该谅解备忘录允许各国的运营商之间共用加密算法和其它特定信息。,2. GSM的系统结构,三部分构成： 基站子系统（BSS） 网络与交换子系统（NSS） 运行支持子系统（OSS）。 移动终端（MS）可看成是BSS的一部分。,(1)基站子系统BSS,即无线子系统，是移动终端（MS）与移动交换中心(MSC)之间的桥梁，也是MS

11、与其它所有GSM子系统之间的接口。 BSS中含有多个基站控制器BSC组成，BSC通过MSC将MS连到NSS上。 MS通过空中无线接口与BSS通信。BSS中的每个BSC都连接到MSC上，通常一个BSC控制数百个基站收发信机（BTS）。 BTS可能与BSC安装在同一位置，也可能与BSC有一定的距离，BSC通过微波或地面光缆等线路与BTS相连。,(2) 网络与交换子系统（NSS）,处理外部网络与GSM内部网络用户之间的呼叫，同时完成管理和向其它网络提供访问用户信息数据库的功能。 核心部分：MSC 管理三种数据库： 归属位置寄存器（HLR） 记录了用户的信息和其所属运营商的信息（归属位置），对每个特定

12、的GSM运营地区的每个用户，GSM均提供一个唯一的国际移动用户识别码（IMSI），该号码可以区分每个用户所属的运营商 访问位置寄存器（VLR） 数据库用于暂时存贮用户的IMSI和用户漫游到其它BSC通信覆盖区的位置信息。漫游用户的每一次呼叫都要通过VLR完成归属BSC和漫游BSC间的连接，传输必要的用户信息，实现漫游用户的正常通信。 鉴权中心（AUC） AUC是被严格保护的数据库，用于存贮在HLR和VLR中的每个用户的密钥和鉴权信息。AUC中包含一个设备识别寄存器（EIR）,存贮用户的IMEI，运营商可以通过它判断移动设备是合法的还是因失窃而不准使用的。,(3)运行支持子系统（OSS）,OSS

13、包含一个或多个操作维护中心(OMC)，OMC用于监控和维护GSM系统中各MS、BTS、BSC和MSC的状况。 OSS有三个主要功能： 完成运营商全部电信网络的硬件设施和系统的运行； 记录和管理所有发生的各种费用； 管理网络中的所有移动设备。,(4) GSM系统中的接口,大致共有10种接口,3. GSM的无线子系统,(1) 频率分配,GSM900系统：890-915MHz用于移动终端到基站的上行链路，935-960MHz用于基站到移动终端的下行链路。 GSM1800系统的频段：上行频段1710-1785MHz，下行频段为1805-1880MHz，各75MHz的带宽。 GSM系统采用频分双工（FD

14、D）， 多址方式以TDMA为主并结合了跳频技术实现多用户接入。 上行链路和下行链路中每个信道的载波间隔为200kHz，为了便于使用和管理，每个信道均有明确的物理号码，称为绝对射频信道号码（ARFCN），每个ARFCN号标识一对上下行信道，间隔为45MHz，每8个GSM用户通过时分复用共用一对信道，每个用户占用8个时隙中的1个，称之为物理信道。,其中在25MHz上下行频带的低端和高端各留出100kHz作为保护频带，所以实际共有124个带宽为200kHz的信道。,RFCN号码对应上下行信道的载波频率值fu(n)和fd(n)，可由下式确定：,GSM无线接口主要参数见表13-1,GSM系统中，基站的发

15、射功率为最大每载波640W，每时隙平均为640/8=80W。 移动终端的发射功率分为0.8W、2W、5W、8W和20W五种规格。小区半径最大为35km，最小为500m。 功率值TABLE,中国移动 GSM900：上行885909MHz；下行930954MHz GSM1800:上行17101725MHz;下行18051820MHz 中国联通 GSM900：上行909915MHz；下行954960MHz GSM1800:上行17451755MHz;下行18401850MHz,885915MHz,930915MHz,中国的频段,13.1.4 GSM系统的信道类型,复帧，结构有两种： 业务复帧:由26

16、帧组成的复帧，如图13-3所示，这种复帧长120ms，主要用于业务信息的传输. 控制复帧:是由51帧组成的复帧，这种复帧长235.385ms，专用于传输控制信息。,13.1.4 GSM系统的信道类型,由51个业务复帧或26个控制复帧均可组成一个超帧，超帧长为51264.6151036.12s，如图13-4所示。,GSM系统上行传输所用的帧号和下行传输所用的帧号相同，但上行帧相对于下行帧在时间上延迟3个时隙，以允许移动终端在这三个时隙的时间内进行帧调整以及对收发信机的频率调谐和转换。,GSM时隙的格式,GSM 每帧含8个时隙或突发 ,主要类型： 常规突发、频率校正突发、同步突发、接入突发、虚设突发,(3) GSM系统的各种信道,5. GSM系统的信号处理,图13-6为GSM系统中的话音信号从发射到接收的全部处理过程,(1)语音编码,采用的语音编码技术为RPE-LTP 20ms音节周期的模拟信号变成260比特的数字信号，所以净语音编码速率为13kbps 编码器中设置了一个话音激