蜂窩無線通信系統(tǒng)概述

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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,通信學(xué)科導(dǎo)論,蜂窩無線通信系統(tǒng)概述,之,1,內(nèi)容安排,1.無線網(wǎng)絡(luò)概述,1.1 無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展史,1.2 無線網(wǎng)絡(luò)的分類,1.3 無線信道,1.4 無線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)難點(diǎn),2.蜂窩無線系統(tǒng),2.1 蜂窩的基本概念,2.2 蜂窩無線系統(tǒng)的發(fā)展階段,2.3 GSM,系統(tǒng)介紹,2,1.無線網(wǎng)絡(luò)概述,通信網(wǎng)絡(luò),：由多個通信點(diǎn)和通信鏈路，按照一定的組織形式所構(gòu)成的通信系統(tǒng)的統(tǒng)一體。廣義地講，它包括一切用于傳遞信息的網(wǎng)絡(luò)，它是實(shí)現(xiàn)信息傳遞的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。,通信點(diǎn)和通信鏈路是通信網(wǎng)絡(luò)的兩個基本要素。如果通信鏈路是有線的(例如

2、雙絞線、光纖等)，則對應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)為,有線網(wǎng)絡(luò),；如果通信鏈路是無線的(依靠電磁波進(jìn)行傳輸)，則對應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)為,無線網(wǎng)絡(luò),。,3,1.1 無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展史,1895年，馬可尼在懷特島與相距18英里的一艘拖船間實(shí)現(xiàn)了世界上第一次無線電傳輸，無線電通信由此誕生。,1915年，無線電與電話結(jié)合，第一次建立了紐約與舊金山之間的無線音頻傳輸。,1946年，公用移動電話服務(wù)在橫跨美國的25個城市率先使用。,20世紀(jì)60年代，蜂窩系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成，并在80年代初期推廣。,1971年，夏威夷大學(xué)建成了第一個分組無線網(wǎng)：,AlohaNet,。,1985,年，聯(lián)邦通信委員會(,FCC),規(guī)定了用于工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)藥等

3、公共用途的無線局域網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的頻段(,ISM)，,促進(jìn)了無線局域網(wǎng)在商業(yè)上的發(fā)展。,80年代中期，分組無線網(wǎng)絡(luò)通過,DARPA,的促進(jìn)達(dá)到巔峰。并于90年代初，服務(wù)商利用分組無線網(wǎng)提供廣域范圍內(nèi)的無線數(shù)據(jù)服務(wù)。,4,1.2 無線網(wǎng)絡(luò)的分類,衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)(,Satellite Network)：,例如,LEO(,低地軌道系統(tǒng))和,GEO(,地球同步軌道系統(tǒng))。這類網(wǎng)絡(luò)能夠提供全球覆蓋，但是其資費(fèi)水平很高，傳輸時(shí)延也很大(,LEO,的傳輸時(shí)延約為20-25,ms，GEO,的傳輸時(shí)延約為250-280,ms)。,現(xiàn)有的各種無線網(wǎng)絡(luò)都是針對某些特定的業(yè)務(wù)類型和用戶群體而專門設(shè)計(jì)的，因此在覆蓋范圍、可用帶

4、寬、計(jì)費(fèi)水平等方面都有差別。無線網(wǎng)絡(luò)根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x和網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大致可以分為以下5種類型：,5,1.2 無線網(wǎng)絡(luò)的分類,無線廣域網(wǎng)(,WWAN)：,例如,GSM(,全球移動通信系統(tǒng))、,GPRS(,通用分組無線業(yè)務(wù))以及,cdma2000,等蜂窩無線通信系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的覆蓋范圍可達(dá)省際甚至洲際，支持靜止、步行或者車載的移動用戶，當(dāng)用戶處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)最多能夠獲得2,Mb/s,的數(shù)據(jù)傳輸速率。,無線城域網(wǎng)(,WMAN)：,例如與,IEEE 802.16e,協(xié)議兼容的,WiBro,(,無線因特網(wǎng)接入系統(tǒng))。這類網(wǎng)絡(luò)能夠提供城域覆蓋，峰值傳輸速率可達(dá)70,Mb/s，,能夠支持的最高移動速率約為12

5、0,km/h。,6,1.2 無線網(wǎng)絡(luò)的分類,無線局域網(wǎng)(,WLAN)：,例如,IEEE 802.11bWLAN，,能夠在較低的資費(fèi)水平下提供最高可達(dá)11,Mb/s,的數(shù)據(jù)傳輸速率，但是只能支持低速移動的用戶，而且傳輸距離只有幾十米到幾百米。,無線個域網(wǎng)(,WPAN)：,例如,Bluetooth。,該系統(tǒng)的最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)3,Mb/s，,傳輸距離通常不超過10米。,7,1.3 無線信道,無線系統(tǒng)使用大氣層作為它們的傳輸媒體，這種傳輸媒體被稱為無線信道。,無線信號通過尺度與信號波長大致相同的天線產(chǎn)生一系列足夠的振幅來穿過傳輸媒體。,大多數(shù)的陸地移動系統(tǒng)都使用,UHF,頻段(特高頻段)，衛(wèi)星系統(tǒng)

6、主要使用,SHF,頻段(超高頻段)。,8,1.3 無線信道,在,VLF,LF,和,MF,頻段,無線電波沿地面?zhèn)鞑ァ?在,HF,頻段,無線電波通過電離層反射。,9,1.3 無線信道,無線信道是一種較弱的媒體，易受噪聲、干涉、屏蔽、多路等的影響，而且這些信道的障礙會因?yàn)橛脩舻囊苿佣S時(shí)間改變。,傳送信號在傳送器和接收器之間有一個被削弱或阻塞的,直路成分,。傳輸信號的其它成分稱為,多路成分,，它們被周圍的物體反射、散射、衍射，到達(dá)接收器時(shí)，相對于直路信號，振幅、相位和時(shí)間都會發(fā)生變化。,10,時(shí)間,接收信號,強(qiáng)度,發(fā)射信號,多徑環(huán)境,11,高斯噪聲,信道模擬,當(dāng)前徑權(quán)重,接收信號,發(fā)射信號,信道模擬

7、,當(dāng)前徑權(quán)重,信道模擬,當(dāng)前徑權(quán)重,信道模擬,當(dāng)前徑權(quán)重,無線信道模型,12,美國的,ISM,頻段,ISM(,工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療)頻段的使用不需要經(jīng)過,FCC(,聯(lián)邦通信委員會,),授權(quán)。,不同的國家,ISM,頻段的位置也有所不同。,13,1.3 信道訪問,由于無線頻譜資源的不足，在不同的應(yīng)用中共享帶寬的有效技術(shù)顯的很必要。對于持續(xù)的傳輸(如視頻和語音)，一般分配專用信道。在專用信道中共享帶寬為,多路訪問,。對于突發(fā)性的數(shù)據(jù)傳輸，使用隨機(jī)信道分配，使用隨機(jī)信道分配來共享帶寬，稱為,隨機(jī)訪問,。,14,1.3.1 多路訪問,多路訪問技術(shù)通過帶寬分割將專用信道劃分給多個用戶。劃分頻譜的方法包括頻分(

8、,FDMA)、,時(shí)分(,TDMA),和碼分(,CDMA),以及這些方法的結(jié)合。,在,FDMA,中，系統(tǒng)總帶寬被劃分為頻率不重疊的正交信道，并將其分配給不同的用戶。,TDMA,將時(shí)間劃分為不重疊的時(shí)隙，并將其分配給不同的用戶。,在,CDMA,中時(shí)間和帶寬同時(shí)被不同的用戶使用，通過正交或半正交擴(kuò)展編碼進(jìn)行調(diào)制。,15,頻率,時(shí)間,TDMA,時(shí)間,頻率,FDMA,頻率,時(shí)間,碼字,CDMA,16,1.3.1 多路訪問,FDMA,是幾種多路訪問技術(shù)中最簡單的。,TDMA,稍微復(fù)雜一點(diǎn)，它需要所有的用戶間的時(shí)序保持同步。另外，,TDMA,中用戶間的正交性會受到符號間干涉的影響。半正交,CDMA,是多路訪

9、問方法中最復(fù)雜的一種。,通過正交編碼的,CDMA，,接收器將所需的信號從其他的,CDMA,用戶中分離出來，用戶間沒有干涉。,17,1.3.2 隨機(jī)訪問,在大多數(shù)無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中，只有一部分很少的、不可預(yù)知的以及時(shí)常變動的用戶群會隨時(shí)有數(shù)據(jù)發(fā)送。如果給每個用戶分配專用信道會很低效，而隨機(jī)分配信道對，則對信道的訪問沒有保證，因此需要一個隨機(jī)訪問協(xié)議。,隨機(jī)訪問協(xié)議主要有兩類：,ALOHA,技術(shù)和預(yù)留分配協(xié)議。,18,純,ALOHA,在純,ALOHA,中，無論何時(shí)有數(shù)據(jù)，發(fā)送器都馬上往信道發(fā)送數(shù)據(jù)分組。這導(dǎo)致在接收端大量的數(shù)據(jù)發(fā)生沖突。發(fā)生沖突的分組必須在下一個時(shí)間內(nèi)重發(fā)。,ALOHA,信道最大吞吐量

10、（正確接收分組的速率）是數(shù)據(jù)速率的18%。,19,純,ALOHA,在純,ALOHA,中，無論何時(shí)有數(shù)據(jù)，發(fā)送器都馬上往信道發(fā)送數(shù)據(jù)分組。這導(dǎo)致在接收端大量的數(shù)據(jù)發(fā)生沖突。發(fā)生沖突的分組必須在下一個時(shí)間內(nèi)重發(fā)。,ALOHA,信道最大吞吐量（正確接收分組的速率）是數(shù)據(jù)速率的18%。,20,分組預(yù)留多路訪問,在分組預(yù)留多路訪問(,PRMA),中，時(shí)隙是分片的，每,N,個時(shí)隙組成一個幀，要發(fā)送分組的終端在每一幀中競爭空閑的時(shí)隙。一旦一個分組在一個時(shí)隙中被成功發(fā)送，在后繼的幀中，只要這個用戶有分組發(fā)送，這個時(shí)隙就預(yù)留給該用戶。,PRMA,需要很少的中央控制，沒有預(yù)留開銷。,21,1.4 無線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)難

11、點(diǎn),當(dāng)前，無線網(wǎng)絡(luò)所面臨的技術(shù)難題包括：,降低移動終端的信號處理和通信硬件的耗電量。,無線頻譜受管制，代價(jià)昂貴。,無線信道由于信號反射角的改變及衰減會產(chǎn)生隨即抖動，可靠性保證困難。,無線和有線網(wǎng)絡(luò)之間的差異很大，給它們的接口協(xié)議帶來很多問題。,22,2.蜂窩無線系統(tǒng),大區(qū)制系統(tǒng)：一個基站覆蓋整個服務(wù)區(qū)域。,優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)簡單。,缺點(diǎn)：,1)通信質(zhì)量差,2)頻率利用率低,3)系統(tǒng)容量小,23,2.1,蜂窩基本概念,蜂窩通信是一種使用頻率復(fù)用的智能方法，以使有限的帶寬可以容納巨大數(shù)量的用戶。,其基本原理是把覆蓋區(qū)域分為大量相連的小區(qū)域，每個小區(qū)域都使用自己的、低功率的無線基站。由于同樣的頻譜在分散的區(qū)

12、域內(nèi)可以被多次復(fù)用，這樣，每次建立一個新的基站（一個小區(qū)域）時(shí)，容量就會增加。,小區(qū)域被稱為小區(qū)或單元(,cell),，一組小區(qū)組成區(qū)群(,cluster,)。,一個區(qū)群中小區(qū)的數(shù)量稱為區(qū)群大小或頻率復(fù)用因子。,需要對這些小區(qū)域以智能的方式分配信道，以避免同頻道干擾(,cochannel,interference,)。,24,蜂窩小區(qū)內(nèi)的頻率劃分,7,小區(qū)頻率復(fù)用,25,2.2,蜂窩無線系統(tǒng)的分代,第一代移動通信系統(tǒng)是面向語音的模擬無線系統(tǒng)，采用了,FDMA,技術(shù)，其主要制式有：,美國的,AMPS(,高級移動電話系統(tǒng))。,歐洲的,TACS(,全選址通信系統(tǒng),)。,缺陷：,網(wǎng)絡(luò)容量小、資源利用的

13、不夠充分。,安全性差，容易發(fā)生盜號并機(jī)。,26,數(shù)字蜂窩系統(tǒng)的優(yōu)勢,能有效地利用無線頻率資源，系統(tǒng)容量大。,呼叫質(zhì)量高。,能向用戶提供話音以外的多種非話業(yè)務(wù)。,制式比較統(tǒng)一，能方便地提供自動漫游業(yè)務(wù)（包括國際漫游）。,易于加密，提供較完善的保密方法（如話音、接入加密等）。,數(shù)字網(wǎng)要求的功率較低。,27,第二代移動通信系統(tǒng),第二代移動通信系統(tǒng)是面向語音的數(shù)字無線系統(tǒng)，采用了,TDMA,技術(shù)或窄帶,CDMA,技術(shù)。,典型的2,G,數(shù)字蜂窩移動制式包括：,歐洲的,GSM(,全球移動通信系統(tǒng))；,北美的,IS-54、IS-136(,最初被稱為,D-AMPS),和,IS-95(,窄帶,CDMA)；,PD

14、C(,個人數(shù)字蜂窩)等。,其中最受歡迎的是,GSM。,28,第三代移動通信系統(tǒng),第三代移動通信系統(tǒng)最早1985年由國際電信聯(lián)盟(,ITU),提出，當(dāng)時(shí)稱為未來公眾陸地移動通信系統(tǒng)(,FPLMTS)，1996,年更名為,IMT-2000(,國際移動通信-2000)，意即該系統(tǒng)工作在2000,MHz,頻段，最高業(yè)務(wù)速率可達(dá)2000,kb/s，,預(yù)期在2000年左右得到商用。從1997年開始，由于第二代移動通信系統(tǒng)的巨大成功，用戶的高速增長與有限的系統(tǒng)容量和有限的業(yè)務(wù)之間的矛盾漸趨明顯，第三代移動通信的 標(biāo)準(zhǔn)化工作開始逐漸進(jìn)入實(shí)質(zhì)階段。目前，第三代移動通信系統(tǒng)的框架已確定，將以衛(wèi)星移動通信網(wǎng)與地面移

15、動通信網(wǎng)結(jié)合，形成一個對全球無縫覆蓋的立體通信網(wǎng)絡(luò)，滿足城市和偏遠(yuǎn)地區(qū)不同密度用戶的通信需求，支持話音、數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)人類個人通信的理想。,29,第三代移動通信系統(tǒng),三種方案的性能比較,30,Beyond 3G,31,2.3 GSM,系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu),GSM,系統(tǒng)由四個相互獨(dú)立的子系統(tǒng)構(gòu)成：移動臺、基站子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和交換子系統(tǒng)和操作支持子系統(tǒng),。,MSC,BSC,BTS,BTS,HLR,VLR,EIR,NSS,PSTN,IWF,EC,TRAU,SIM,ME,NMC,OMC,OMC,OMS,BSS,MS,32,移動臺子系統(tǒng)(,MSS),移動臺是,GSM,蜂窩無線系統(tǒng)中用戶使用的設(shè)備，也是用

16、戶直接接觸的整個,GSM,系統(tǒng)中的唯一設(shè)備。移動臺由兩部分組成：移動設(shè)備(,ME),和特訊(,SIM)。,SIM,卡上存儲與用戶相關(guān)的身份特征、安全認(rèn)證和加密悉尼。,一個移動臺應(yīng)具備以下的基本功能：,支持各種基本業(yè)務(wù)和補(bǔ)充業(yè)務(wù)。,加密，對用戶數(shù)據(jù)，對用戶數(shù)據(jù)和信元進(jìn)行加入。,無線接入,GSM,移動網(wǎng)，并完成各種控制功能。,無線信道速率和用戶數(shù)據(jù)之間的適配。,33,基站子系統(tǒng)(,BSS),基站子系統(tǒng)的組成：,OMC-R,TC,BSC,BTS,BTS,MS,MS,UM,接口,Abis,接口,A,接口,基站控制器,BSC,基站收發(fā)信機(jī),BTS,無線操作維護(hù)中心,OMC-R,碼變換器,TC（,Transcoder,）,34,BSC(,基站控制器)的作用功能:,實(shí)現(xiàn),A,接口物理層規(guī)定（,PCM/E1）,實(shí)現(xiàn),A,接口,No.7,號信令功能（,SP）,實(shí)現(xiàn),Abis,接口物理層規(guī)定（,PCM/E1）,實(shí)現(xiàn),Abis,接口數(shù)據(jù)鏈路層（,LAPD）,實(shí)現(xiàn),A,接口與,Abis,接口間信道交換功能,實(shí)現(xiàn)部分網(wǎng)絡(luò)層的功能,實(shí)現(xiàn)無線資源管理（,RR）,實(shí)現(xiàn),BSS,管理應(yīng)用部分的功能,實(shí)現(xiàn)切換功能等,35