1、数字蜂窝移动通信系统中直放站的应用数字蜂窝移动通信系统中直放站的应用1绪论1.1 问题提出的背景1.2 研究的现状和存在的问题1.3本文研究的主要问题2 数字蜂窝移动通信的工作原理2.1 数字蜂窝移动通信系统的组成2.2 数字蜂窝移动通信系统的工作原理2.3数字蜂窝移动通信系统中无线覆盖的实现2.4 数字蜂窝移动通信系统无线覆盖中存在的问题3 直放站的工作原理4 直放站在数字蜂窝移动通信系统中的应用5 结论参考文献摘 要 在移动通信迅速发展的今天，无论何种无线通信的覆盖区域都将产生弱信号区和盲区，而对一些偏远地区和用户数不多的盲区，要架设模拟或数字基站成本太高，基础设施也较复杂，为此提供一种成
2、本低、架设简单，却具有小型基站功能的经济有效的设备-直放站是很有必要的。为此，移动通信服务商们开始在基地之外的建筑物内部及地下等电波盲区设置直放站，以最大限度地满足用户对于通话服务的要求。国内直放站市场形成之初，主要是使用消防用无线设备和调频（FM）广播接收直放站。进入90年代后半期以来，在移动通信手机迅速普及的带动下，直放站市场得到了持续的发展。直放站可以扩大已建模拟和数字移动通信基站的覆盖范围，是解决盲区、边远地区移动通信的最经济有效的手段。关键词 绪论随着社会、经济的发展，移动通信得到了越来越广泛的应用。在我国，移动通信发展的起步虽晚，但发展及其迅速。移动通信技术的发展日新月异，从197
3、8年第一代模拟蜂窝网电话系统的诞生至今，不过10多年，第二代、第三代数字蜂窝移动通信系统就以问世。蜂窝移动通信是采用蜂窝无线组网方式，在终端和网络设备之间通过无线通道连接起来，进而实现用户在活动中可相互通信。其主要特征是终端的移动性，并具有越区切换和跨本地网自动漫游功能。蜂窝移动通信业务是指经过由基站子系统和移动交换子系统等设备组成蜂窝移动通信网提供的话音、数据、视频图像等业务。蜂窝通信网络把整个服务区域划分成若干个较小的的区域，各小区均有小功率的发射机进行覆盖，许多小区像蜂窝一样能布满任意形状的服务地区。在移动通信迅速发展的今天，无论何种无线通信的覆盖区域都将产生弱信号区和盲区，而对一些偏远
4、地区和用户数不多的盲区，要架设模拟或数字基站成本太高，基础设施也较复杂，为此提供一种成本低、架设简单，却具有小型基站功能的经济有效的设备直放站。本文简述了第二代和第三代数字蜂窝移动通信系统，并深入讲述了直放站在该系统中的应用。关键词：移动 蜂窝系统 直放站第一章 GSM移动通信系统1.1 GSM通信系统概述 GSM数字移动通信系统是基于TDMA的数字移动通信系统。它是世界上第一个对数字调制、网络层结构和业务做了明确规定，而且技术标准透明化的蜂窝系统。1982年在欧洲邮电行政大会(CEPT)上成立“移动特别小组(Group Special Mobile)”,简称“GSM”，开始制度适应于欧洲各国
5、的一种数字移动通信系统的技术规范。1990年完成了GSM900的规范，并于1991年率先投入商用，随后在整个欧洲，大洋洲以及其他国家和地区得到了广泛应用，随着设备的开发和数字蜂窝移动通信网络的建立，GSM逐渐演变为“全球移动通信系统（Global system for Mobile Communication）”的简称，成为目前覆盖面最大、用户数最多的数字蜂窝移动通讯系统。GSM系列主要有GSM900、DCS1800和PCS1900三部分。如今，GSM系统已遍及全世界。GSM移动通信系统的无线接口采用TDMA技术，核心网移动性管理协议采用MAP协议。 900/1800MHz GSM第二代数字蜂
6、窝移动通信业务包括以下主要业务类型： 1）端到端的双向话音业务。 2）移动消息业务，利用GSM网络和消息平台提供的移动台发起、移动台接收的消息业务。 3）移动承载业务及其上移动数据业务。 4）移动补充业务，如主叫号码显示、呼叫前转业务等。 5）经过GSM网络与智能网共同提供的移动智能网业务，如预付费业务等。 6）国内漫游和国际漫游业务。 1.2 GSM系统的基本特点GSM数字蜂窝移动通信系统（简称GSM系统）是完全依据欧洲通信标准委员会（ETSI）制定的GSM技术规范研制成的，任何一家厂商提供的GSM数字蜂窝移动通信系统都必须符合GSM技术规范。GSM系统作为一种开放式结构和面向未来设计的系统
7、，具有下列主要特点：1） GSM系统是由几个分系统组成的，并且可与各种公用通信网（如PSTN、ISDN、PDN等）互联互通，各分系统之间或各分系统与各种公用通信网之间都明确和详细定义了标准化接口规范，保证任何厂商提供的GSM系统或子系统能互联。2） GSM系统能提供穿过国际边界的自动漫游功能，全部GSM移动用户都可进入GSM系统而与国别无关。3） GSM系统除了可以开放语音业务外，还可以开放各种承载业务、补允业务和与ISDN相关的业务。4） GSM系统具有加密和鉴权功能，能确保用户保密和网络安全。5） GSM系统具有灵活和方便的组网结构，频率重复利用率高，移动业务交换机的话务承担能力一般都很强
8、，保证在语音和数据通信两个方面都能满足用户对大容量、高密度业务的要求。6） GSM系统抗干扰能力强，覆盖区域内的通信质量高。7） GSM系统终端设备（手持机和车载机），随着大规模集成电路技术的进一步发展，移动机将向更小型、更轻巧和增强功能趋势发展。1.3 GSM系统的组成GSM数字蜂窝通信系统的主要组成部分可分为移动台、基站子系统和网络子系统，如图所示： 图1.3.1 GSM数字蜂窝通信系统的网络结构1.3.1 基站子系统（BSS）BSS包含了GSM系统中无线通信备份的所有地面基础设施。一方面，它通过无线接口与MS相连，负责无线发送、接收和无线资源管理；另一方面，BSS通过接口与MSC相连，并
9、接受MSC控制，传送用户信息和控制信息。BSS分为两部分，即基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。（1）基站控制器（BSC） BSC是BSS的控制部分，具有对一个或多个BTS进行控制的功能，主要负责完成信息交换、无线资源管理、无线参数管理、移动性管理、功率控制等。（2）基站收发信台（BTS） BTS是BSS的无线部分，由BSC控制，它是为一个小区提供服务的无线收发信设备，其主要功能是提供无线电发送和接收，BTS包括发射机、接收机、天线、接口电路等设备。图1.3.2一种典型BSS组成方式1.3.2 移动台（MS） 移动台是GSM移动通信网中用户使用的设备，通过无线接口接入GSM系统，具有
10、无线传输与处理功能。此外，移动台必须提供与使用者之间的接口，比如，为完成通话呼叫所需要的话筒。扬声器、显示屏和各种按键；或者提供与其他一些终端设备（TE）之间的接口，如与个人计算机或传真机之间的接口。根据应用与服务情况，移动台可以是单独的移动终端（MT）、手持机、车载机，或者是由移动终端（MT）直接与终端设备（TE）传真机相连接而构成，或者是由移动终端（MT）通过相关终端适配器（TA）与终端设备（TE）相连接而构成。移动台另外一个重要的组成部分是用户识别模块（SIM），它基本上是一张符合ISO标准的“智慧”卡，它包含所有与用户有关的被储存在用户无线接口一边的信息，其中也包括鉴权和加密信息。移动
11、设备主要完成信息发送和接收，SIM卡存与用户相关的信息，如鉴权和加密信息、位置信息、业务级别信息等。使用GSM标准的移动台都需要插入SIM卡，只有当处理异常的紧急呼叫时，可以在不用SIM卡的情况下操作移动台。1.3.3 网络子系统（NSS）NSS具有系统交换功能和管理控制功能。NSS由移动服务交换中心（MSC）、归属位置寄存器(HLR)、访问位置寄存器(VLR)、鉴权中心(AUC)、设备识别寄存器(EIR)和操作维护中心(OMC)组成。1） 移动服务交换中心（MSC）MSC是整个GSM网路的核心，对它所覆盖的区域中的移动台进行控制和管理。它除了完成呼叫转接、路由控制等功能外，还要完成无线资源的
12、管理、移动性管理、安全性管理等功能，如信道分配、鉴权、越区切换、漫游等。MSC还起到GSM网络和公众电信网络的接口作用。当其他网络的用户呼叫GSM网络用户时，首先将呼叫接入道关口MSC(GMSC).由GMSC负责获取位置信息，并把呼叫转移到用户所在的MSC。GMSC具有与固定网或其他NSS实体互通的接口，其功能一般在MSC中实现。根据网络的需要，GMSC功能也可以在固定网交换机中综合实现。2） 归属位置寄存器（HLR）HLR是管理本地移动用户的主要数据库，每个移动用户都应该在某HLR注册登记。HLR主要存储两类信息数据：登记在该HLR中有关用户的参数，如：MSLSDN、IMSI、MS类别，接入
13、优先等级等；登记在该HLR中用户注册的有关电信业务、承载业务和附加业务等方面的数据，用户位置信息等。3） 访问位置寄存器（VLR）VLR也是一个用户数据库，用于存储当前位于该MSC服务区域内所有移动用户的动态信息，如用户的号码、所处位置区域的识别 、向用户提供的服务等参数。每个MSC都有一个它自己的VLR。当移动用户漫游到新的MSC服务区时，它必须向该区的VLR申请登记。VLR要向该用户归属的HLR查询其有关的参数，要给该用户分配一个新的漫游号码（MSRN）,并通知HLR修改该用户的位置信息。HLR在修改该用户的位置信息后，好要通知原来的VLR,删除此用户的有关参数。4） 鉴权中心（AUC）A
14、UC负责确认移动用户的身份，产生相应的认证参数。AUC对任何试图入网的移动用户进行身份你认证，只有合法用户才能接入网中并得到服务。5） 设备识别寄存器（EIR）EIR是存储有关移动台设备参数的数据库，主要完成对移动设备的识别、监视、闭锁等功能。每个移动台有一个唯一的国际移动识别号（IMEI）,以防止被偷窃的、有故障的或未经许可的移动设备非法使用本GSM系统，移动台的IMEI要在EIR中登记。6） 操作维护中心 （OMC）OMC的任务是对全国进行监控和操作，例如系统的自检、报警与备用设备的激活、系统故障诊断与处理、话务量统计、计费数据的统计，以及各种资源的收集、分析与显示等。1.4 GSM系统的
15、工作原理第二章 CDMA移动通信系统2.1 CDMA通信系统概述CDMA第二代数字蜂窝移动通信(简称CDMA移动通信)业务是指利用工作在800MHz 频段上的CDMA移动通信网络提供的话音和数据业务。CDMA移动通信的无线接口采用窄带码分多址CDMA技术，核心网移动性管理协议采用IS-41协议。 800MHz CDMA第二代数字蜂窝移动通信业务包括以下主要业务类型： 1）端到端的双向话音业务。 2）移动消息业务，利用CDMA网络和消息平台提供的移动台发起、移动台接收的消息业务。 3）移动承载业务及其上移动数据业务。 4）移动补充业务，如主叫号码显示、呼叫前转业务等。 5）经过CDMA网络与智能
16、网共同提供的移动智能网业务，如预付费业务等。 6）国内漫游和国际漫游业务。 800MHz CDMA 第二代数字蜂窝移动通信业务的经营者必须自己组建CDMA移动通信网络，所提供的移动通信业务类型可以是一部分或全部。提供一次移动通信业务经过的网络，可以是同一个运营者的网络，也可以由不同运营者的网络共同完成。提供移动网国际通信业务，必须经过国家批准设立的国际通信出入口。 2.2 CDMA通信系统的基本原理CDMA即码分多址，它是利用相互正交的的编码来区分不同的用户、基站、信道的。CDMA系统的基本原理如图2.1.1所示在发送端，利用自相关性很强而互相关值为0或很小的周期性码序列作为地址码，与用户信息
17、数据相乘进行地址调制后输出；在接收端，以本地产生的已知地址码为参考，根据相关性的差异对收到的信号进行相关检测，提取与本地地址码一致的信号，而与本地地址码不一致的信号则被滤除。实现码分多址的几个必备条件是 ：1）要达到多路多用户的目的要有足够的地址码，地址码间有良好的自相关特性和互相关特性。2）各接收端必须产生与发送端一致的本地地址吗，且在相位上完全同步。3）网内所有用户使用同一载波、相同带宽，同时收发信号，使系统成为一个自干扰系统，为把各用户间的相互干扰降到最低，码分系统必须和扩频技术相结合，为接收端的信号分离做准备。图2.1.1所示的系统既是码分多址系统，同时也是扩频通信系统。发送端的数据与
18、对应的PN码相乘，进行地址调制的同时又进行扩频调制；在接收端，扩频信号经过与发送端完全相同的本地PN码解扩，相关检测得到所需的用户信息。在这种方式中，PN码既用作地址码又用作扩频码。此外，也可以单独设置地址码和扩频码，分别进行地址调制和扩频调制，则系统性能会更好，但系统的复杂性也会提高。2.3 CDMA系统的特点与TDMA和FDMA相比，CDMA通信系统的优势在于：1） 抗多径衰落的能力强，CDMA系统中的信号以频谱扩展形式传播，信号能量分布于整个工作频带。有地面移动信道多径反射造成的频率选择性衰落只能影响信号的某一部分而不致对信号造成整体性的损害，可以大大降低多径衰落的影响。2） 系统容量大
19、。CDMA系统是一种不受频道和时隙划分成制约的自干扰系统，系统容量仅受限于系统运行时的总平均干扰，任何使干扰降低的措施都有助于提高系统的容量。理论分析表明，在相同的频率带宽下，CDMA系统是模拟FDMA系统的10倍以上，是数字GSM系统的3倍以上。3） 话音质量高。CDMA的话音编码采用码激励线性预测方式，编码速率为13Kb/s的话音质量已达到有线长话的话音水平。同时，CDMA体制的抗多径衰落能力也保证了较好的话音质量。4） 保密性能好，允许低功率谱密度，首先，在CDMA系统中使用扩频技术，使它所发信号频谱被扩展的很宽，从而使信号完全隐蔽在噪声、干扰声中，不易被发现和接收，因此也就实现了保密通
20、信。其次，在通信过程中，各用户所使用的地址码各不相同，在接收端只有完全相同的地址码的用户才能收到相应的发送数据，对非相关的用户来说是一种背景噪声，所以CDMA系统可以防止有意或无意的的窃取，具有很好的保密性能。5） 软容量。CDMA通信系统的性能主要取决于系统中的多址干扰。用户数的增加只会引起系统性能的逐步变坏，不会出现因没有信道而不能通话的现象，因此它是一种“柔性容量”系统。当系统容量达到饱和时，可以让通信质量稍有变坏作为代价来增加少量用户。6） 软切换。软切换就是当移动台需要跟一个新的基站通信时，并不先中断与原基站的联系，当与新基站的连接完成以后，在断开与原基站的连接，即“先连接在断开”。
21、当然，CDMA系统也具有一些缺陷：如存在远近效应、系统实现复杂等。第三章 直放站技术3.1直放站的定义 直放站（中继器）属于同频放大设备，是指在无线通信传输过程中起到信号增强的一种无线电发射中转设备。直放站的基本功能就是一个射频信号功率增强器。直放站在下行链路中，由施主天线现有的覆盖区域中获取信号，通过带通滤波器对带通外的信号进行极好的隔离，将滤波的信号经功放放大后再次发射到待覆盖区域。在上行链接路径中，覆盖区域内的移动台手机的信号以同样的工作方式由上行放大链路处理后发射到相应基站，从而达到基地站与手机的信号传递。直放站是一种中继产品，衡量直放站好坏的指标主要有，智能化程（如远程监控等）、低I
22、P3（无委规定小于-36dBm）、低噪声系数(NF)、整机可靠性、良好的技术服务等。使用直放站作为实现“小容量、大覆盖”目标的必要手段之一，主要是由于使用直放站一是在不增加基站数量的前提下保证网络覆盖，二是其造价远远低于有同样效果的微蜂窝系统。直放站是解决通信网络延伸覆盖能力的一种优选方案。它与基站相比有结构简单、投资较少和安装方便等优点，可广泛用于难于覆盖的盲区和弱区，如商场、宾馆、机场、码头、车站、体育馆、娱乐厅、地铁、隧道、高速公路、海岛等各种场所，提高通信质量，解决掉话等问题。 3.2直放站的作用1) 补盲 在基站覆盖扇区中某处电波被阻隔，就形成了盲区。直放站将盲区外的信号经放大辐射到
23、盲区，使盲区变为非盲区。直放站的这个作用称补盲。如图3.2.1所示：基站覆盖区直放站覆盖区盲区 图3.2.1 补盲示意图2) 延伸覆盖在基站覆盖扇区外的某个区域有一些用户群，但又不值得专为这些用户群增添一个基站，就用直放站将某基站信号辐射到该区域，起到了基站延伸覆盖的作用。如图3.2.2所示：基站覆盖区直放站延伸区 图3.2.2延伸覆盖示意图需要说明的一点，直放站的建立，并不增加基站的通信容量，因为直放站没有产生新的频率（或信道），所以容量不会增加但它帮助基站吸收用户，提高了基站的工作效率。3.3 直放站的类型 1）从传输信号分有GSM直放站和CDMA直放站GSM直放站：GSM移动通信直放站是
24、解决基站覆盖而存在信号盲区的一种方式。通过架设直放站不但能改善覆盖效果，同时能大大减少投资基站之成本。GSM直放站是为消除GSM900MHz/1800MHz频段移动通信网的小范围信号盲区或弱信号区而设计生产的通信设备。被广泛应用于地下商场、停车场、地铁、隧道、高层建筑的办公室、娱乐场所、电梯或私人住宅等基站信号所无法到达的信号盲区，同时对于消除城市因受高楼大厦影响而产生的室外局部信号阴影区或边远郊区个别村镇的弱信号区也具有相当好的覆盖效果。CDMA直放站CDMA直放站可以扩大CDMA基站的覆盖范围，大大节省CDMA网络建设的投资(一个CDMA直放站的投资约为一个CDMA基站的十分之一)。特别是
25、在高层楼宇、地下(如地铁)、以及盲区等特殊环境下，CDMA 直放站将充分发挥它的优势。由于各种地理环境和用户的要求不同，所需的CDMA直放站的类型也不同。 CDMA直放站是为了消除移动通信网覆盖盲区或弱信号，延伸基站信号覆盖的一种中继设备，它能解决消除城市因受高楼大厦影响而产生的室外局部信号阴影区，地下停车场、地下隧道、商场、电梯等基地无法到达信号的盲区，提高了覆盖范围增强了信号覆盖延伸。2）从安装场所来分有室外型机和室内型机;3）从传输带宽来分有宽带（选带）直放站和选频（选信道）直放站。宽带（选带）直放站是工作于某个频段的全部或任选部份频段的直放站；选频直放站是工作于某制式频段内1个或多个信
26、道的直放站。4）从传输方式来分有直放式直放站、光纤传输直放站和移频传输直放站。移频传输直放站是将基站某制式频段上移或下移到另一频段或将本频段内的一个或多个信道的信号移至到另外的信道发送到补盲区或延伸区的直放站，如图3.3.1所示：900MHZ（90045）MHZ（90045）MHZ（150045）MHZBS手机远端机近端机 图3.3.1移频直放站系统框图移频或移信道的主要目的为了解决同频直放站的施主天线与业务天线的隔离度问题。移频的结果使直放站的输入/输出频率不相同了，加大了输出与输入的隔离，天线安装不再受距离的限制，方便了、甚至远端机的业务天线用全向的都可以。3.4直放站的组成3.4.1普通
27、直放站基本组成如图3.4.1所示：下行下行放大链路含LNA，XP（XD）,PA双工器（2）双工器（1）CPUMSBSRCUCDCDY含LNA，XP（XD）,PA上行上行放大链路 图3.4.1组成框图双工器（1）、（2） 双工器由上/下行两个带通滤波器一端共接组成。由于滤波器的相互隔离作用，完成了上/下行共用天线或共用电缆网的收发双工功能。下行放大链路或称前向链路 完成下行信号的低噪、选频（XP）或选带（XD）、AGC、DGC、功放的功能和达到线性等指标的要求上行链路（反向链路）是与下行链路完全对称的链路，完成对上行信号的放大并达到所要求的指标。CPU数据处理器在直放站中完成各部件的状态监视与控
28、制，并与RCU（远程控制单元）连接完成对直放站的远程监控。电源（DY）直放站的能源供给，应能适应220v或-48v或24v输入至输出的转换。具有防雷、浪涌、过欠压等保护，满足电磁荣要求等。3.4.2 光纤直放站基本组成如图3.4.2所示 下行下行链路ALC、DGCPA双工器（2）光模块BSC双工器（1）光模块光缆CPU天线（电缆网）LNA、XPALC、DGC上行上行链路DCDYmodemCPUDYACAC近端机远端机 图3.4.2光纤直放站框图C是定向耦合器。一般宏基站接40dB的，链路计算是基于40dB的耦合信号进行的。基站输出功率按20W。双工器（1）、（2）提供上/下行链路隔离，实现收发
29、共天线或共电缆网。光模块一对（近、远端）、实现射频信号的电光转换及光传输（光缆）。光模块中有FSK信号的发送和接收，有FSK的调制与解调，完成监控数据的传送。远端机中的下行链路含DGC、ALC和功放。远端机中的上行链路含LNA、XP（或选带（XD）、DGC等。 远端机中的CPU将远端机中的各部件监控项目数据送给光模块，并以FSK的调制方式，电光转换后通过光纤到达近端，从近端光模块送给近端的CPU，可在近端实现本地监控，通过无线猫可在监控中心实行远控。电源（DY），近端供电可能是48V或220V，远端一般是220V或24V（太阳能）。3.4.3移频直放站1）基站无线接入的其近端机和远端机与普通直
30、放站组成相同，设计思路也一样。2）基站耦合式移频直放站的组成框图与普通型光纤直放站基本一样，只是去掉光模块、改光缆传输为无线传输下行移频放大双工器（1）双工器（2）BS RCUCPUCDC上行移频放大DY 图3.4.3移频直放站远端机框图下行移频放大双工器（2）双工器（1）CCPURCUACDY移频放大上行DC 图3.4.4移频直放站远端机框图在转移单元中由于近、远端本振不共源，因此输入输出频率存在频差，必须限定在5108的范围内。于是近、远端的本振参考晶振的准稳度要保证在1108量级，一般用恒温晶振。3.4.4时分制式的直放站时分制式中上/下行同频，由时间来区分上/下行。用双工器来分离上/下
31、行就不能用了，唯一的办法就是开关倒换。开关倒换要解两个问题：其一是同步问题。其二是倒换时间长短问题。 众所周知，一个区域内有很多时分基站，它们之间都同步在GPS的时间基准上，如果直放站也从GPS上获取时间基准，自行产生上/下行同步信号去开/关上/下行信道，应该是可以的，PHS直放站用这种同步方式成功了，TDSCDMA也应该没有问题。这种同步方式只适用于上/下行时隙对称的业务，好在TDSCDMA运营的前期都是对称业务，是否出现不对称业务现在大唐也说不清。要能适应不对称业务，直放站必须与基站同步，那就是从基站下行数字基带信号中获取同步信号。与制造商合作开发要几百万人民币，将来肯定会有这种芯片。 用GPS同步的时分直放站组成如图3.4.5所示：MS 下行放大链路开/关GPS接收机分频处理关/开上行放大链路秒信号输出图3.4.5 TDD直放站框图
