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无线基础教材
目录
1GSM数字移动通信发展史1
2GSM通信系统概述2
2.1系统的组成2
2.2交换子系统3
2.3无线子系统3
2.3.1基站系统(BSS)网元4
2.3.2移动台5
2.3.3Um接口5
2.4操作维护子系统5
3GSM关键技术6
3.1GSM900/GSM1800/GSM1900频带6
3.1.1频道间隔6
3.1.2频道配置6
3.1.3干扰保护比7
3.2频率复用(FDMA)7
3.3时分多址(TDMA)帧结构7
3.3.1TDMA信道8
3.3.2TDMA帧9
3.3.3突发脉冲序列(Burst)9
3.4分集技术11
3.5交织技术13
3.6跳频技术14
4基站系统设备介绍16
4.1BSC16
4.2TRAU17
4.3BTSE18
1GSM数字移动通信发展史
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,但上述模拟系统有四大缺点:
1、各系统间没有公共接口;
2、很难开展数据承载业务;
3、频谱利用率低无法适应大容量的需求;
4.、安全保密性差,易被窃听,易做“假机”。
尤其是在欧洲系统间没有公共接口相互之间不能漫游,对客户之间造成很大的不便。
GSM数字移动通信系统史源于欧洲。
早在1982年,欧洲已有几大模拟蜂窝移动系统在运营,例如北欧多国的NMT(北欧移动电话)和英国的TACS(全接入通信系统),西欧其它各国也提供移动业务。
当时这些系统是国内系统,不可能在国外使用。
为了方便全欧洲统一使用移动电话,需要一种公共的系统,1982年北欧国家向CEPT(欧洲邮电行政大)提交了一份建议书,要求制定900MHz频段的公共欧洲电信业务规范。
在这次大会上就成立了一个在欧洲电信标准学会(ETSI)技术委员会下的“移动特别小组(GroupSpecialMobile)简称“GSM”,来制定有关的标准和建议书。
1986年在巴黎,该小组对欧洲各国及各公司经大量研究和实验后所提出的8个建议系统进行了现场实验。
1987年5月GSM成员国就数字系统采用窄带时分多址TDMA、规则脉冲激励线性预测RPE一LTP话音编码和高斯滤波最小移频键控GMSK调制方式达成一致意见。
同年,欧洲17个国家的运营者和管理者签署了谅解备忘录(MoU),相互达成履行规范的协议。
与此同时还成立了MoU组织,致力于GSM标准的发展。
1990年完成了GSM900的规范,共产生大约130项的全面建议书,不同建议书经分组而成为一套12系列。
1991年在欧洲开通了第一个系统,同时MoU组织为该系统设计和注册了市场商标,将GSM更名为“全球移动通信系统”(Globa1systemforMobilecommunications)。
从此移动通信跨入了第二代数字移动通信系统。
同年,移动特别小组还完成了制定1800MHz频段的公共欧洲电信业务的规范,名为DCSI800系统。
该系统与GSM900具有同样的基本功能特性,因而该规范只占GSM建议的很小一部分,仅将GSM900和DCSI800之间的差别加以描述,绝大部分二者是通用的,二系统均可通称为GSM系统。
1992年大多数欧洲GSM运营者开始商用业务。
到1994年5月已有50个GSM网在世界上运营,10月总客户数已超过400万,国际漫游客户每月呼叫次数超过500万,客户平均增长超过50%。
1993年欧洲第一个DCSI800系统投入运营。
到1994年已有6个运营者采用了该系统。
2GSM通信系统概述
2.1系统的组成
PLMN(公用陆地无线网)由交换子系统(SSS)、无线子系统(RSS)和操作维护子系统(OMS)组成。
结构图如下:
2.2交换子系统
交换子系统主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。
NSS由一系列功能实体所构成,各功能实体介绍如下:
MSC:
是GSM系统的核心,是对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制和完成话路交换的功能实体,也是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口。
它可完成网路接口、公共信道信令系统和计费等功能,还可完成BSS、MSC之间的切换和辅助性的无线资源管理、移动性管理等。
另外,为了建立至移动台的呼叫路由,每个MS、还应能完成入口MSC(GMSC)的功能,即查询位置信息的功能。
VLR:
是一个数据库,是存储MSC为了处理所管辖区域中MS(统称拜访客户)的来话、去话呼叫所需检索的信息,例如客户的号码,所处位置区域的识别,向客户提供的服务等参数。
HLR:
也是一个数据库,是存储管理部门用于移动客户管理的数据。
每个移动客户都应在其归属位置寄存器(HLR)注册登记,它主要存储两类信息:
一是有关客户的参数;二是有关客户目前所处位置的信息,以便建立至移动台的呼叫路由,例如MSC、VLR地址等。
AUC:
用于产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需鉴权、加密的三参数(随机号码RAND,符合响应SRES,密钥Kc)的功能实体。
EIR:
也是一个数据库,存储有关移动台设备参数。
主要完成对移动设备的识别、监视、闭锁等功能,以防止非法移动台的使用。
2.3无线子系统
无线子系统(RSS)包括以下部分:
·移动台(MS)
·基站系统(BSS)
·Um接口
移动台和基站系统通过无线接口进行通信,无线接口也称为空中接口或无线链路。
2.3.1基站系统(BSS)网元
基站系统包括以下网元:
·基站控制器(BSC)
·基站收发设备(BTSE)
·码型转换及速率适配单元(TRAU)
一个BSC可用控制多个BTSE和TRAU。
BSC和BTSE之间接口称作Abis接口,BSC和TRAU之间的接口称作Asub接口。
基站系统与交换子系统之间的接口,也就是TRAU与MSC之间的接口称为A接口。
BSC:
具有对一个或多个BTS进行控制的功能,它主要负责无线网路资源的管理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等,是个很强的业务控制点。
BTS:
无线接口设备,它完全由BSC控制,主要负责无线传输,完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。
TRAU:
对数据进行编码和解码的设备,同时实现速率适配。
TRAU的两个主要功能单元为码型转换器TC(用于语音信号的编码压缩)和速率适配器RA(用于传输数据的速率适配)
2.3.2移动台
移动台就是移动客户设备部分,它由两部分组成,移动终端(MS)和客户识别卡(SIM)。
移动终端就是“机”,它可完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息发射和接收。
SIM卡就是“身份卡”,它类似于我们现在所用的IC卡,因此也称作智能卡,存有认证客户身份所需的所有信息,并能执行一些与安全保密有关的重要信息,以防止非法客户进入网路。
SIM卡还存储与网路和客户有关的管理数据,只有插入SIM后移动终端才能接入进网,但SIM卡本身不是代金卡。
2.3.3Um接口
Um接口是指基站收发设备(天线)与移动台之间的无线接口。
2.4操作维护子系统
通过操作维护子系统(OMS),可以实现对交换子系统(SSS)和无线子系统(RSS)网元的中央监控。
OMS通过操作维护中心(OMC)实现其功能,OMC包括OMC-B和OMC-S,其中OMC-B负责基站系统网元的管理,OMC-S负责交换子系统网元的管理。
OMC-B与基站系统的连接方式有两种:
·专用电缆连接
·通过A口连接(半固定连接)
3GSM关键技术
3.1GSM900/GSM1800/GSM1900频带
GSM900/GSM1800/GSM1900系统分配有特定的频率范围。
我国陆地公用蜂窝数字移动通信网GSM通信系统采用900MHz频段:
上行链路频带:
890~915MHz(移动台发、基站收)
下行链路频带:
935~960MHz(基站发、移动台收)
随着业务的发展,可视需要向下扩展,或向1.8GHz频段的DCSI800过渡,即1800MHz频段:
上行链路频带:
1710~1785MHz(移动台发、基站收)
下行链路频带:
1805~1880MHz(基站发、移动台收)
我国陆地蜂窝移动体系系统频段分配图
3.1.1频道间隔
相邻两频道间隔为200kHz,每个频道采用时分多址接入(TDMA)方式,分为8个时隙,即8个信道(全速率)。
每信道占用带宽200kHz/8=25kHz,同模拟网TACS制式每个信道占用的频率带宽。
从这点看二者具有同样的频谱利用率。
将来GSM采用半速率话音编码后,每个频道可容纳16个半速率信道。
3.1.2频道配置
采用等间隔频道配置方法,频道序号和频点标称中心频率的关系为:
fl(n)=890.200MHz+(n-1)0.200MHz移动台发,基站收
fh(n)=fl(n)+45MHz基站发,移动台收
n=1~124频道
双工收发间隔:
45kHz。
3.1.3干扰保护比
载波干扰保护比(C/I)就是指接收到的希望信号电平与非希望信号电平的比值,此比值与MS的瞬时位置有关。
这是由于地形不规则性及本地散射体的形状、类型及数量不同,以及其它一些因素如天线类型、方向性及高度,站址的标高及位置,当地的干扰源数目等所造成的。
GSM规范中规定:
同频道干扰保护比:
C/I 9dB
邻频道干扰保护比:
C/I-9dB
载波偏离400kHz时的干扰保护比:
C/I-41dB
3.2频率复用(FDMA)
上行链路和下行链路根据200kHz的带宽可划分为若干个载波(C)或无线载频(RFC)。
这种划分方法叫做频分多址(FDMA)。
根据所负担的业务量,每个小区可使用一个或多个RFC。
由于总的RFC数量是有限的,所以不得不重复使用同一个的RFC。
为了避免信道间的干扰,使用同一个RFC的小区间要保持一定的安全距离,这个距离称为复用距离。
3.3时分多址(TDMA)帧结构
在GSM中,无线路径上是采用时分多址(TDMA)方式。
每一频点(频道或叫载频TRX)上可分成8个时隙,每一时隙为一个信道,因此,一个TRX最多可有8个移动客户同时使用,见图。
3.3.1TDMA信道
GSM中的信道分为物理信道和逻辑信道,一个物理信道就为一个时隙(TS),逻辑信道是根据BTS与MS之间传递的信息种类的不同而定义的不同逻辑信道。
这些逻辑信道映射到物理信道上传送。
从BTS到MS的方向称为下行链路,相反的方向称为上行链路。
逻辑信道又分为两类,业务信道和控制信道。
1.业务信道(TCH):
用于传送编码后的话音或客户数据,在上行和下行信道上,点对点(BTS对一个MS,或反之)方式传播。
2.控制信道:
用于传送信令或同步数据。
根据所需完成的功能又把控制信道定义成广播、公共及专用三种控制信道,它们又可细分为:
v广播信道(BCH):
▪频率校正信道(FCCH):
携带用于校正MS频率的消息,下行信道,点对多点(BTS对多个MS)方式传播。
▪同步信道(SCH):
携带MS的帧同步(TDMA帧号)和BTS的识别码(BSIC)的信息,下行信道,点对多点方式传播。
▪广播控制信道(BCCH):
广播每个BTS的通用信息(小区特定信息)。
下行,点对多点方式传播。
v公共控制信道(CCCH):
▪寻呼信道(PCH):
用于寻呼(搜索)MS。
下行,点对多点方式传播。
▪随机接入信道(RACH):
MS通过此信道申请分配一个独立专用控制信道(SDCCH),可作为对寻呼的响应或MS主叫/登记时的接入。
上行信道,点对点方式传播。
▪允许接人信道(AGCH):
用于为MS分配一个独立专用控制信道(SDCCH)。
下行信道,点对点方式传播。
v专用控制信道(DCCH):
▪独立专用控制信道(SDCCH):
用在分配TCH之前呼叫建立过程中传送系统信令。
例如登记和鉴权在此信道上进行。
上行和下行信道,点对点方式传播。
▪慢速随路控制信道(SACCH):
它与一个TCH或一个SDCCH相关,是一个传送连续信息的连续数据信息,如传送移动台接收到的关于服务及邻近小区的信号强度的测试报告。
这对实现移动台参与切换功能是必要的。
它还用于MS的功率管理和时间调整。
上行和下行信道,点对点方式传播。
▪快速随路控制信道(FACCH):
它与一个TCH相关。
工作于借用模式,即在话音传输过程中如果突然需要以比SACCH所能处理的高得多的速度传送信令信息,则借用20ms的话音(数据)来传送。
这一般在切换时发生。
由于语音译码器会重复最后20ms的话音,因此这种中断不被用户查觉。
3.3.2TDMA帧
在TDMA中,每个载频被定义为一个TDMA帧,相当于FDMA系统中的一个频道,每帧包括8个时隙(TS0-7),要有TDMA帧号,这是因为GSM的特性之一是客户保密性好,是通过在发送信息前对信息进行加密实现的。
计算加密序列的算法是以TDMA帧号为一个输入参数,因此每一帧都必须有一个帧号。
有了TDMA帧号,移动台就可判断控制信道TS0上传送的是哪一类逻辑信道。
TDMA帧号是以3.5小时(2715648个TDMA帧)为周期循环编号的。
每2715648个TDMA帧为一个超高帧,每一个超高帧又可分为2048个超帧,一个超帧持续时间为6.12s,每个超帧又是由复帧组成。
时隙是构成物理信道的基本单元;1个时隙=156.25bits,时隙长为0.577ms。
相当1bit的持续时间约为3.69um。
在时隙内传送的脉冲串叫“突发”burst。
v26帧的复帧---它包括26个TDMA帧,持续时长120ms,51个这样的复帧组成一个超帧。
这种复帧用于携带TCH(和SACCH加FACCH)。
v51帧的复帧---它包括51个TDMA帧,持续时长3060/13ms。
26个这样的复帧组成一个超帧。
这种复帧用于携带BCH和CCCH。
3.3.3突发脉冲序列(Burst)
TDMA信道上一个时隙中的信息格式称为突发脉冲序列。
共有五种类型。
1.普通突发脉冲序列(NB):
用于携带TCH及除RACHA,SCH和FCCH以外的控制信道上的信息,“57个加密比特”是客户数据或话音,再加“1”个比特用作借用标志。
借用标志是表示此突发脉冲序列是否被FACCH信令借用。
“26个训练比特”是一串已知比特,用于供均衡器产生信道模型(一种消除时间色散的方法)。
“TB”尾比特总是000帮助均衡器判断起始位和中止位。
“GP”保护间隔,8.25个比特(相当于大约30s),是一个空白空间。
由于每载频最多8个客户,因此必须保证各自时隙发射时不相互重迭。
尽管使用了时间调整方案,但来自不同移动台的突发脉冲序列彼此间仍会有小的滑动,因此8.25个比特的保护可使发射机在GSM建议许可范围内上下波动。
普通突发脉冲序列
2.频率校正突发脉冲序列(FB):
用于移动台的频率同步,它相当于一个带频移的未调载波。
此突发脉冲序列的重复称FCCH。
图中“固定比特”全部是0,使调制器发送一个未调载波。
“TB”和“GP”同普通突发脉冲序列中的“TB”和“GP”。
频率校正突发脉冲序列
3.同步突发脉冲序列(SB):
用于移动台的时间同步,它包括一个易被检测的长同步序列并携带有TDMA帧号和基站识别码(BSIC)信息。
这种突发脉冲序列的重复称为SCH。
同步突发脉冲序列
4.接入突发脉冲序列(AB):
用于随机接入,它有一个较长的保护间隔,这是为了适应移动台首次接入(或切换到另一个BTS)后不知道时间提前量而设置的。
移动台可能远离BTS,这意味着初始突发脉冲序列会迟一些到达BTS,由于第一个突发脉冲序列中没有时间调整,为了不与下一时隙中的突发脉冲序列重叠,此突发脉冲序列必须短一些。
接入突发脉冲序列
5.空闲突发脉冲序列(DB):
此突发脉冲序列在某些情况下由BTS发出,不携带任何信息。
它的格式与普通突发脉冲序列相同,其中加密比特改为具有一定比恃模型的混合比特。
3.4分集技术
多径衰落和阴影衰落产生原因是不相同的。
随着移动台的移动,瑞利衰落随信号瞬时值快速变动,而对数正态衰落随信号平均值(中值)变动。
这两者是构成移动通信接收信号不稳定的主要因素,使接收信号被大大地恶化,虽然通过增加发信功率、天线尺寸和高度等方法能取得改善,但采用这些方法在移动通信中比较昂贵,有时也显得不切实际。
而采用分集方法即在若干个支路上接收相互问相关性很小的载有同一消息的信号,然后通过合并技术再将各个支路信号合并输出,那么便可在接收终端上大大降低深衰落的概率。
分集技术分集就是指通过两条或两条以上途径传输同一信息,以减轻衰落影响的一种技术措施。
分集技术包括分集发送技术和分集接收技术,从分集的类型看,使用较多的是空间分集和频率分集,除此之外,还有以下几种:
把空间分集和频率分集组合起来,即发站用两个频率发送同一信息,收站用垂直分隔的两副天线各自接收不同频率的信号,再进行合成或选择,就称为混合分集。
此外还有站址分集、时间分集、角度分集等。
由于传播环境的恶劣,微波信号会产生深度衰落和多普勒频移等,使接收电平下降到热噪声电平附近,相位亦随时间产生随机变化,从而导致通信质量下降。
对此,采用分集接收技术减轻衰落的影响,获得分集增益,提高接收灵敏度。
1.空间分集
分为空间分集发送和空间分集接收两个系统,本文以空间分集接收为例说明这种技术。
空间分集接收:
在空间不同的垂直高度上设置几副天线,同时接收一个发射天线的微波信号,然后合成或选择其中一个强信号,这种方式称为空间分集接收。
示意图如下。
空间分集接受是利用多副接收天线来实现的。
在发射端采用一副天线发射,而在接收端采用多副天线接收。
接收端天线之间的距离d≥λ/2(λ为工作波长),以保证接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的,也就是说,当某一副接收天线的输出信号很低时,其他接收天线的输出则不一定在这同一时刻也出现幅度低的现象,经相应的合并电路从中选出信号幅度较大、信噪比最佳的一路,得到一个总的接收天线输出信号。
这样就降低了信道衰落的影响,改善了传输的可靠性。
空间分集接收的优点是分集增益高,缺点是还需另外单独的接收天线。
2.极化分极
两个在同一地点、极化方向相互正交的天线发出的信号呈现出互不相关衰落特性。
利用这一特点,在发射端同一地点装上垂直极化和水平极化两副发射天线,在接收端同一地点装上垂直极化和水平极化两副接收天线,就可以得到两路衰落特性互不相关的极化分量Ex和Ey。
所谓定向双极化天线就是把垂直极化和水平极化两副接收天线集成到一个物理实体中,通过极化分集接收来达到空间分集接收的效果,所以极化分集实际上是空间分集的特殊情况。
这种方法的优点是它只需一根天线,结构紧凑,节省空间,缺点是它的分集接收效果低于空间分集接收天线,并且由于发射功率要分配到两副天线上,将会造成3dB的信号功率损失。
分集增益依赖于天线间不相关特性的好坏,通过在水平或垂直方向上天线位置间的分离来实现空间分集。
空间上的位置分离保证两面接收天线分别接收不同路径来的微波信号,同时也使两面天线间满足一定隔离度的要求。
若采用交叉极化天线,同样需要满足这种隔离度要求。
对于极化分集的双极化天线来说,天线中两个交叉极化辐射源的正交性是决定微波信号上行链路分集增益的主要因素。
该分集增益依赖于双极化天线中两个交叉极化辐射源是否在相同的覆盖区域内提供了相同的信号场强。
两个交叉极化辐射源要求具有很好的正交特性,并且在整个120°扇区及切换重叠区内保持很好的水平跟踪特性,代替空间分集天线所取得的覆盖效果。
为了获得好的覆盖效果,要求天线在整个扇区范围内均具有高的交叉极化分辨率。
双极化天线在整个扇区范围内的正交特性,即两个分集接收天线端口信号的不相关性,决定了双极化天线总的分集效果。
为了在双极化天线的两个分集接收端口获得较好的信号不相关特性,两个端口之间的隔离度通常要求达到30dB以上。
分集天线把多径信号分离出来,使其互不相干,然后通过合并技术将分离出来的信号合并起来,获得最大的信噪比收益。
常用的合并方法有选择性合并、切换合并、最大比合并、等增益合并等。
3.频率分集
频率分集是采用两个或两个以上具有一定频率间隔的频率同时发送和接收同一信息,然后进行合成或选择,以减轻衰落影响,这种工作方式叫做频率分集。
当采用两个微波频率时,称为二重频率分集。
同空间分集系统一样,在频率分集系统中也要求两个分集接收信号相关性较小(即频率相关性较小),只有这样,才不会使两个微波频率在给定的路由上同时发生深衰落,并获得较好的频率分集改善效果。
在一定的范围内两个微波频率f1与f2相差,即频率间隔△f=f2-f1越大,两个不同频率信号之间衰落的相关性越小。
无论何种分集方式,都是利用在不同的传播条件下,几个微波信号同时发生深衰落的概率小于单一微波信号同一衰落深度的概率来取得分集改善效果的。
分集增益是指在某一累积时间百分比内,分集接收与单一接收时的收信电平差。
这一电平差越大,分集增益越高,说明分集改善效果越好。
例如上图中,对应50%、5%、0.1%的累积时间百分比时,这一电平差分别为3dB、5.5dB、14dB。
累积时间百分比越小,分集增益越高。
0.1%时间百分比的分集增益为14dB意味着:
无分集时由曲线A查出此时的衰深深度比自由空间收信电平低30dB;采用分集技术后,由曲线B查出此时的衰落深度仅比自由空间收信电平低16dB。
可见分集接收使衰落深度减轻了14dB。
分集改善度是指在某一相对的收信电平时,单一接收与分集接收的衰落累积时间百分比之比。
其比值越大,说明分集改善效果越好。
在上图中,当收信电平低于自由空间收信电平20dB时,单一接收与分集接收对于同一收信电平,其衰落的累积时间百分比分别为1%和0.01%,两者的比值为100,亦即分集改善为100。
3.5交织技术
在陆地移动通信这种变参信道上,比特差错经常是成串发生的。
这是由于持续较长的深衰落谷点会影响到相继一串的比特。
然而,信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长的差错串时才有效。
为了解决这一问题,希望能找到把一条消息中的相继比特分散开的方法,即一条消息中的相继比特以非相继方式被发送。
这样,在传输过程中即使发生了成串差错,恢复成一条相继比特串的消息时,差错也就变成单个(或长度很短),这时再用信道编码纠错功能纠正差错,恢复原消息。
这种方法就是交织技术。
假定由一些4比特组成的消息分组,把4个相继分组中的
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