1
移动通信系统的特点
传输模式
主要多址方式
带宽
业务种类
网络质量
主要代表
1
模拟
FDMA
窄
语音通信
较差
AMPS美国、TACS欧洲
2
数字
FDMA、TDMA、CDMA
窄
语音为主、数据为辅
较好
GSM欧洲、IS-95(qualcom)
3
数字
CDMA
宽
语音、数据、多媒体
好
WCDMA欧洲日本、Cdma2000北美、TD-SCDMA中国
4
数字
OFDMA(下行) 、SC-FDMA(上行) 、SDMA
宽
语音、数据、多媒体
好
LTE-Advanced
正交频分复用 OFDM orthogonal frequency division multiplexing
正交频分多址 OFDMA orthogonal frequency division multiple access
频分双工和时分双工
频分双工FDD
时分双工TDD
收发信号区分
不同的频率
不同的时隙
收发信号之间
收发频带具有保护频带间隔
收发之间具有保护时间
成对的频率
需要
不需要
所需频带
宽
窄
上下行业务
适合对称业务
支持不对称业务,传输速率不同
频谱利用率
在不对称业务下,频谱利用率低
高
频谱分配
方便
设备成本
高
低
技术
简单
需要更复杂的网络规划和优化技术
抗干扰
收发有保护频带间隔 ,抗干扰能力强
通过收发保护时间隔离 ,容易形成同频干扰
覆盖范围
大
小
发送功率
大
时分双工
收发同一频段,上下行信道特性一致,处于同一频率,对称的电波传播特性便于采用智能天线技术,从而提高性能,降低成本
2
2.2 自由空间电波传播
f 工作频率(单位Hz )λ = c / f \lambda=c/f λ = c / f 工作波长(单位m)
d 发射天线和接收天线之间的距离(单位m )G t G_t G t 发射天线增益G r G_r G r 接收天线增益P t P_t P t 发射功率P r P_r P r 接收功率P r ( d ) = P t G t G r ( λ / ( 4 π d ) ) 2 P_r(d)=P_t G_t G_r (\lambda/(4 \pi d))^2 P r ( d ) = P t G t G r ( λ / ( 4 π d ) ) 2 P r ( d 0 ) = P t G t G r ( λ / ( 4 π d 0 ) ) 2 P_r(d_0)=P_t G_t G_r (\lambda/(4 \pi d_0))^2 P r ( d 0 ) = P t G t G r ( λ / ( 4 π d 0 ) ) 2 P r ( d ) = P r ( d 0 ) ( d 0 / d ) 2 P_r(d)=P_r(d_0)(d_0/d)^2 P r ( d ) = P r ( d 0 ) ( d 0 / d ) 2 P r ( d ) ( d B m ) = P r ( d 0 ) ( d B m ) + 20 l o g 10 ( d 0 / d ) ( d B ) P_r(d)(dBm)=P_r(d_0)(dBm)+20log_{10}(d_0/d)(dB) P r ( d ) ( d B m ) = P r ( d 0 ) ( d B m ) + 2 0 l o g 1 0 ( d 0 / d ) ( d B )
f 工作频率(单位MHz )λ = c / ( f ∗ 1 0 6 ) = ( 3 ∗ 1 0 8 m / s ) / ( f ∗ 1 0 6 ) = 300 / f \lambda=c/(f*10^6)=(3*10^8m/s)/(f*10^6)=300/f λ = c / ( f ∗ 1 0 6 ) = ( 3 ∗ 1 0 8 m / s ) / ( f ∗ 1 0 6 ) = 3 0 0 / f 工作波长(单位m)
d 发射天线和接收天线之间的距离(单位km )
自由空间传播损耗L = P t / P r = ( 4 π d ∗ 1000 / λ ) 2 / ( G t G r ) = ( 4 π ∗ 1000 d f / 300 ) 2 / ( G t G r ) L=P_t/P_r=(4 \pi d*1000/\lambda)^2/(G_t G_r)=(4 \pi *1000df/300)^2/(G_t G_r) L = P t / P r = ( 4 π d ∗ 1 0 0 0 / λ ) 2 / ( G t G r ) = ( 4 π ∗ 1 0 0 0 d f / 3 0 0 ) 2 / ( G t G r ) L d B = 10 l o g 10 ( ( 4 π ∗ 1000 / 300 ) 2 ) + 20 l o g 10 ( f ) + 20 l o g 10 ( d ) − 10 l o g 10 ( G t ) − 10 l o g 10 ( G r ) = 32.45 + 20 l o g 10 ( f ) + 20 l o g 10 ( d ) − 10 l o g 10 ( G t ) − 10 l o g 10 ( G r ) L_{dB}\\=10log_{10}((4 \pi *1000/300)^2)+20log_{10}(f)+20log_{10}(d)-10log_{10}(G_t)-10log_{10}(G_r)\\=32.45+20log_{10}(f)+20log_{10}(d)-10log_{10}(G_t)-10log_{10}(G_r) L d B = 1 0 l o g 1 0 ( ( 4 π ∗ 1 0 0 0 / 3 0 0 ) 2 ) + 2 0 l o g 1 0 ( f ) + 2 0 l o g 1 0 ( d ) − 1 0 l o g 1 0 ( G t ) − 1 0 l o g 1 0 ( G r ) = 3 2 . 4 5 + 2 0 l o g 1 0 ( f ) + 2 0 l o g 1 0 ( d ) − 1 0 l o g 1 0 ( G t ) − 1 0 l o g 1 0 ( G r )
2.6.4 主要参数
均方根时延扩展
∑ i P ( τ i ) = 1 0 − 25 / 10 + 1 0 − 10 / 10 + 1 0 − 10 / 10 + 1 0 0 / 10 = 1.2032 \sum_{i} P\left(\tau_{i}\right)=10^{-25/10}+10^{-10/10}+10^{-10/10}+10^{0/10}=1.2032 ∑ i P ( τ i ) = 1 0 − 2 5 / 1 0 + 1 0 − 1 0 / 1 0 + 1 0 − 1 0 / 1 0 + 1 0 0 / 1 0 = 1 . 2 0 3 2 τ 2 = ∑ i P ( τ i ) τ i 2 ∑ i P ( τ i ) = ( 1 0 − 25 / 10 × 0 2 + 1 0 − 10 / 10 × 1 2 + 1 0 − 10 / 10 × 2 2 + 1 0 0 / 10 × 5 2 ) / 1.2032 = ( 1 0 − 2.5 × 0 2 + 0.1 × 1 2 + 0.1 × 2 2 + 1 × 5 2 ) / 1.2032 = 25.5 / 1.2032 = 21.194 u s 2 \tau^{2}=\frac{\sum_{i} P\left(\tau_{i}\right) \tau_{i}^{2}}{\sum_{i} P\left(\tau_{i}\right)}=(10^{-25/10} \times 0^{2}+10^{-10/10} \times 1^{2}+10^{-10/10} \times 2^{2}+10^{0/10} \times 5^{2})/{1.2032}=(10^{-2.5} \times 0^{2}+0.1 \times 1^{2}+0.1 \times 2^{2}+1 \times 5^{2})/1.2032=25.5/1.2032=21.194 u s^{2} τ 2 = ∑ i P ( τ i ) ∑ i P ( τ i ) τ i 2 = ( 1 0 − 2 5 / 1 0 × 0 2 + 1 0 − 1 0 / 1 0 × 1 2 + 1 0 − 1 0 / 1 0 × 2 2 + 1 0 0 / 1 0 × 5 2 ) / 1 . 2 0 3 2 = ( 1 0 − 2 . 5 × 0 2 + 0 . 1 × 1 2 + 0 . 1 × 2 2 + 1 × 5 2 ) / 1 . 2 0 3 2 = 2 5 . 5 / 1 . 2 0 3 2 = 2 1 . 1 9 4 u s 2 τ = ( 0.0032 × 0 + 0.1 × 1 + 0.1 × 2 + 1 × 5 ) / 1.2032 = 5.3 / 1.2032 = 4.405 u s \tau=(0.0032 \times 0+0.1 \times 1+0.1 \times 2+1 \times 5)/1.2032 = 5.3/1.2032=4.405us τ = ( 0 . 0 0 3 2 × 0 + 0 . 1 × 1 + 0 . 1 × 2 + 1 × 5 ) / 1 . 2 0 3 2 = 5 . 3 / 1 . 2 0 3 2 = 4 . 4 0 5 u s
均方根时延扩展σ τ = τ 2 − ( τ ˉ ) 2 = 21.194 − ( 4.405 ) 2 = 1.338 u s \sigma_{\tau}=\sqrt{\tau^{2}}-(\bar{\tau})^{2}=\sqrt{21.194-(4.405)^{2}}=1.338us σ τ = τ 2 − ( τ ˉ ) 2 = 2 1 . 1 9 4 − ( 4 . 4 0 5 ) 2 = 1 . 3 3 8 u s
相关系数=0.5时的信道相关带宽B c ≈ 1 / ( 2 π × σ τ ) = 1 / ( 2 π × 1.338 ) ≈ 118.9 k H z ≈ 1 / ( 5 × 1.338 ) ≈ 149.5 k H z B_{c} \approx 1/(2 \pi \times \sigma_{\tau})=1/(2 \pi \times 1.338) \approx 118.9 k H z \approx 1/(5 \times 1.338) \approx 149.5 k H z B c ≈ 1 / ( 2 π × σ τ ) = 1 / ( 2 π × 1 . 3 3 8 ) ≈ 1 1 8 . 9 k H z ≈ 1 / ( 5 × 1 . 3 3 8 ) ≈ 1 4 9 . 5 k H z
因为信号带宽B s = 200 k H z B_{s}=200 kHz B s = 2 0 0 k H z >信道相关带宽B c = 118.9 k H z B_{c}=118.9 kHz B c = 1 1 8 . 9 k H z
所以频率选择性衰落
所以需要均衡器才能正常工作
相关时间
均方根时延扩展σ τ \sigma_{\tau} σ τ
信道相关带宽B c = 1 / ( 5 σ τ ) B_{c}=1/(5\sigma_{\tau}) B c = 1 / ( 5 σ τ )
多普勒扩展f m f_m f m
(2.56)信道相关时间T c = 0.423 / f m T_{c}=0.423/f_m T c = 0 . 4 2 3 / f m
码元周期T s T_{s} T s
信号带宽B s = 1 / T s B_{s}=1/T_{s} B s = 1 / T s
如果
信道相关带宽太窄
信道相关带宽B c B_{c} B c <发送信号带宽B s B_{s} B s
发送信号周期太短
时延扩展σ τ \sigma_{\tau} σ τ >发送信号周期T s T_{s} T s
那么频率选择性衰落
如果
信道相关时间T c T_{c} T c <发送信号周期T s T_{s} T s
多普勒扩展f m f_m f m >基带信号带宽B s B_{s} B s
那么快衰落,时间选择性衰落
4
合并
f ( t ) = ∑ k = 1 M a k ( t ) f k ( t ) f(t)=\sum_{k=1}^{M} a_{k}(t) f_{k}(t) f ( t ) = ∑ k = 1 M a k ( t ) f k ( t )
选择合并
选择具有最大信噪比的分支G S = Γ M / γ c ‾ = ∑ k = 1 M 1 k G_{S}=\overline{\Gamma_{M} / \gamma_{c}}=\sum_{k=1}^{M} \frac{1}{k} G S = Γ M / γ c = ∑ k = 1 M k 1
等增益合并
所有分支等权重加权合并G E = Γ M ‾ / γ c ‾ = 1 + ( M − 1 ) π 4 G_{E}=\overline{\Gamma_{M}} / \overline{\gamma_{c}}=1+(M-1) \frac{\pi}{4} G E = Γ M / γ c = 1 + ( M − 1 ) 4 π
最大比合并
所有分支根据信噪比加权合并
可以获得最大输出信噪比
采用同相和加权的技术
利用了每一条分支
所以可以在接收的每一时刻都达到可实现的最大信噪比G M = Γ M ‾ / γ c ‾ = M G_{M}=\overline{\Gamma_{M}} / \overline{\gamma_{c}}=M G M = Γ M / γ c = M
跳频
跳频系统
跳频驻留时间 跳频周期T h T_{h} T h
符号调制周期 码元周期T s T_{s} T s
符号调制速率R s = 1 / T s R_{s}=1/T_{s} R s = 1 / T s
非频率选择性衰落要求发送信号周期够长
时延扩展<发送信号周期
当均方根时延扩展σ \sigma σ >跳频周期T h T_{h} T h 时
非频率选择性衰落
即便当均方根时延扩展σ \sigma σ <跳频周期T h T_{h} T h 时,如果( B c ≈ 1 / ( 5 σ ) ) > (B_c \approx 1/(5 \sigma))> ( B c ≈ 1 / ( 5 σ ) ) > 符号调制速率R s = 1 / T s R_{s}=1/T_{s} R s = 1 / T s ,那么也是非频率选择性衰落
6
6.2 GSM系统的结构
移动台 MS (mobile subscriber)
无线接入GSM数字移动通 信网,并完成各种控制功能,支持各种基本业务和补充业务。
移动客户的设备部分
基站子系统 BSS (base station sub-system)
BSS是在一定 的无线覆盖区中由MSC(mobile switching center)控制,与MS进 行通信的系统设备,它主要负责完成无线发送接收(BTS完成) 和无线资源管理(BSC完成)等功能。
网络子系统 NSS (network sub-system)
完成GSM系统的交 换功能和用于用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库 功能
操作支持子系统或操作子系统OSS(Operation Support System)
对整个GSM网络进行管理和监控。包括移动用户数据管理、计费 管理、故障管理等。
6.3.3 突发脉冲
突发脉冲序列
TDMA信道上1个时隙中的信息格式
常规突发脉冲序列(NB,Normal Burst)
用于广播控制信道,寻呼信道,允许接入信道,专用控制信道和业务信道
频率校正突发脉冲序列(FB,Frequency Correction Burst)
携带频率校正信息
用于频率校正信道
同步突发脉冲序列(SB,Synchronisation Burst)
携带系统的同步信息
用于同步信道
接入突发脉冲序列(AB,Access Burst)
用于随机接入信道
空闲突发脉冲序列(DB,Dummy Burst)
用于填空
6.6.5 安全措施
鉴权三参数
鉴权中心产生的3参数
伪随机数RAND
符号响应SRES
**Kc
6.6.2 位置更新
在移动台的实时位置信息已知的情况下,更新位置数据库(VLR和HLR)和认证移动台。
一旦移动台发现其用户身份识别(SIM)卡中的LAI与接收到的当前小区的LAI发生了变化,便执行登记
周期性登记
越区位置登记