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数字移动通信基础知识

1．移动通信的发展

　　1．1．移动通信的定义

　　现代社会是信息的社会，而信息的转输需要进行大量的通信。

由于人们对通信的要求越来越高，任何时间、任何地点、向任何个人提供快速可靠的通信服务已成为未来通信的目标。

要实现这个目标，移动通信起到了非常重要的作用。

　　所谓移动通信，指移动体之间或移动体与固定体之间的通信，即通信中至少有一方可移动。

　　常见的移动通信系统有：

无线寻呼、无绳电话、对讲机、集群系统、蜂窝移动电话（包括模拟移动电话、GSM数字移动电话等）、卫星移动电话等。

　　移动通信经历了近一百年的发展，特别是近十年来，其发展速度惊人。

移动通信从最初的单电台对讲方式发展到现在的系统和网络方式；从小容量到大容量；从模拟方式到数字方式。

可以说，现代的通信是当代电子技术、计算机技术、无线通信、有线通信和网络技术的产物。

　　1．2．模拟移动通信系统的现状

　　模拟移动通信技术的发展大致经历了以下几个阶段：

　　第一阶段在本世纪40年代，其代表是美国底特律市警察使用的车载无线电系统，工作频率在2MHz，属于专用移动系统。

　　第二阶段从40年代到60年代，从专用移动网向公用移动网过渡，采用人工接续，容量小。

　　第三阶段从60年代到70年代中期，实现了无线频道自动选择，自动接续，采用小区制，容量大，管理完善，提供的服务多。

到94年底，全世界模拟移动电话用户超过3000万。

　　目前，模拟蜂窝移动通信系统主要有三种制式：

TACS（ETACS）、AMPS、NMT450／900。

这三种制式的用户数占整个模拟移动用户的90％以上。

系统名称

技术特征

AMPS

TACS

NMT

450

900

工作频段（MHz）

890－890

825－845

945－950

890－905

464－467.5

453－457.5

935－960

890－915

频道间隔（kHz）

12.5

频道总数（对）

666（2个系统各用333）

600（2个系统各用300）

180

1999

基站有效辐射功率（W）

最大100

100

移动台发射功率（W）

7－10

车台：

手持台：

基站覆盖区或小区半径（km）

2－20

1－40

0.5－20

音频信号调制方式

控制信号调制方式

FSK

FFSK

FSK

控制信号码型

曼彻斯特码

NRZ

信号传输速率（kbit/s）

1.2

有效信息传输速率

0.27－1.2

0.22－0.96

约0.46

　　虽然模拟蜂窝网络取得了很大的成功，但也逐渐暴露不少问题，如：

安全保密性差，数据承载业务难开展，特别是随着用户数增加，其容量已无法适应市场需求，因此模拟蜂窝系统已逐渐被数字蜂窝移动通信所取代。

　　1．3．数字移动通信的现状及发展

　　70年代末，由于考虑到模拟蜂窝系统存在的问题，一些发达国家着手数字蜂窝移动通信系统的研究。

80年代中期，欧洲首先推出GSM数字通信网系统。

随后，美国（ADC）、日本（JDC）也制定了各自的数字通信体系。

由于数字通信系统的优点，如：

频谱效率高、容量大、业务种类多、保密性好、话音质量好、网络管理能力强等，使得数字通信网得到迅猛发展。

特别是GSM系统，技术成熟、管理灵活、有完善的技术规范，在泛欧取得很大的成功之后，在世界许多国家更是得到广泛的应用，已成为陆地公用移动通信的主要系统。

　　与其它现代技术的发展一样，移动通信技术的发展呈加快趋势。

在数字蜂窝网正刚刚进入实用阶段时，对未来移动通信的研究已开展。

不同厂家提出了不同的方案，都想主导未来的个人通信。

到底采用那种技术，那种方案，目前尚未清楚，但有一点可以肯定，未来的通令要求真正实现任何时间，任何地点，向任何人提供通信这一最高目标。

项目

GSM

ADC

JDC

工作频段

BS发

935－960

869－894

1477－1489

940－956

1501－1513

MS发

890－915

824－849

1429－1441

810－826

1453－1465

频段宽度（MHz）

16　　　　24

多址方式

TDMA

传输方式

FDD

载频间隔（kHz）

200

每载频信道数

8（16）

3（6）

频道数据速率

270.8kbit.s

48.6kbit/s

42kbit/s

调制方式

GMSK

BbTb＝0.3

∏/4－DQPSK

a=0.25

∏/4－DQPSK

a=0.5

频谱效率（bit/s.Hz）

1.35

1.62

1.68

话音编码

RPE－LPT－LPC

13kbit/s

VSELPC

8kbit/s

VSELP

6.5－9.6kbit/s

信道编码

卷积码

编码语音速率

22.8kbit/s

13kbit/s

11.2kbit/s

频率复用模式

帧长度（ms）

4.615

帧内时隙数

小区半径（km）

最大（最大）

35（0.5）

20（0.5）

国际漫游能力

有

　　2．蜂窝移动通信

　　2．1．大区制移动通信系统

　　早期蛛移动通信系统都采用大区制场强覆盖区，一个基站覆盖很大的服务区，半径约30km－50km。

这使使得基站、手机的发射功率要很大，基站的发射功率高达几十到几百瓦，且要很高的天线塔。

大区制系统的特点是：

整体覆盖范围小、频道数目少（容量小）、移动台体积大，特别是用户密度高，业务量大时，整个系统根本无法满足用户要求。

　　2．2．蜂窝小区移动通信系统

　　为了提高系统容量，有效利用频率资源，现代移动通信在场强覆盖区的规划上多采用小区蜂窝结构。

其特点是：

小区覆盖半径小，一般为1km－20km，所以可用较小的发射功率实现双向通信。

若干个小区构成大面积的覆盖，相距足够远（即同频干扰足够小）的小区可重复使用通信频率，即频率复用。

采用这种方法，可以对无限广大的地域进行覆盖，从而提高了频谱的利用率。

　　MS――移动台

　　BS――基站

　　MSC――移动交换中心

　　小区制蜂系统的最大优点是频率复用，使系统容量大大提高，有效地利用了频率资源。

但伴随而来的是技术实现上的复杂性，主要包括以下几个方面：

（1）小区的规划。

（2）越区切换技术。

　　（3）漫游技术。

　　（4）无线信道资源管理和网络管理。

　　3．数字蜂窝移动通信系统采用的技术

　　3．1．数字化与语音编码技术

　　1．数字化

　　数字化是当代通信技术发展的总趋势，在数字通信中，信息的传输是以数字信号的形式进行的。

在移动通信系统中，最基本的业务是传递话音。

对于话音的传递来说，在发送端必须将模拟话音信号变为数字话音信号，通过射频电路调制后发射出去；在接收端通过相应的解调电路将数字话音信号还原成模拟话音信号。

数字通信与模拟通信相比有许多显著优点：

（1）数字信号传输性能好，能提供高质量服务。

（2）用户信息保密好。

　　（3）能提供多种服务，包括话音与非话音服务。

　　2．语音编码技术

　　模拟话音信号变为数字信号涉及到语音编码技术。

众所周知，在数字移动通信系统中，频率资源非常有限。

对GSM系统来说，收信频段在935MHz－960MHz，若语音编码的数字信号速率太高，会占用过宽的频段，无疑会降低系统容量。

但若语音编码的速率过低，又会使话音质量降低，所以采用一种高质量低速率的语音编码技术是是非常关键的。

对欧洲的GSM系统来说，采用的是一种称为规则脉冲激励――长期预测的语音编码方案（RPE－LTP）。

语音编码技术有三种类型：

波形编码、参量编码和混合编码。

　　波形编码：

是在时域上对模拟话音的电压波形按一定的速率抽样，再将幅度量化，对每个量化点用代码表示。

解码是相反过程，将接收的数字序列经解码和滤波后恢复成模拟信号。

　　波形编码能提供很好的话音质量，但编码信号的速率较高，一般应用在信号带宽要求不高的通信中。

　　脉冲编码调制（PCM）和增量调制（ΔM）常见的波形编码，其编码速率在16kbit/s－64kbit/s。

　　参量编码：

又称声源编码，是以发音模型作基础，从模拟话音提取各个特征参量并进行量化编码，可实现低速率语音编码，达到2kbit/s－4.8kbit/s。

但话音质量只能达到中等。

　　混合编码：

是将波形编码和参量编码结合起来，既有波形编码的高质量优点又有参量编码的低速率优点。

其压缩比达到4kbit/s－16kbit/s。

泛欧GSM系统的规则脉冲激励――长期预测编码（RPE－LTP）就是混合编码方案。

在语音编码中，对话音质量的评价一般按听音者的主观感觉来定级。

质量等级

分数

收听注意力等级

优

可完全松驰，不需要注意力

良

需要注意，但不需要明显集中注意力

满意（正常）

需要中等程度注意力

差 2 需要集中注意力

劣

即使努力去听，也很难听懂

　上面提到的RPE－LTP编码可达到4分。

（1）脉冲编码调制（PCM编码）

　　脉冲编码调制有如下三个步骤：

　　1）抽样　抽样定理：

对一个时间上连续的信号，若频带限制在Fm内，要完全恢复原信号，必须以大于或等于2Fm的频率进行抽样。

　　例如，一般话音的频率为300Hz－3400Hz，如要完全不失真恢复话音信号，抽样频率至少为6800Hz，为保险起见，一般取8000Hz。

　　2）量化　模拟信号经抽样后在时间上是离散的，但其幅度的取值仍是连续的，为了使模拟信号变成数字信号，还必须将幅度离散化，即将幅度用有限个电平来表示，实现样值幅度离散化的过程称为量化。

量化犹如数学上的四舍五入，即将样值幅度用规定的量化电平表示。

　　3）编码　将模拟信号抽样量化再编码成数字代码，称为脉冲编码调制（PCM）。

64kbit/s的PCM是最成熟的数字语音系统，主要用于有线电话网，它的话音质量好，可与模拟语音相比，其抽样速率为8kHz，每个抽样脉冲用八位二进制代码表示，每一路标准话路的比特率为8000×8＝64kbit/s。

对无线传输系统来说，由于频带的限制，必须采用低速高质的编码技术。

（2）参量编码

　　前面所述的波形编码的话音质量较高，技术实现上也较简单，但其速率较高。

这意味着信号所占频带较宽，严重影响系统的容量，不能应用于频率资源有限的无线通信系统。

为提高系统容量，必须采用低速高质的语音编码方法。

　　人们对语音的研究发现，提取出语音信号的特征参量进行编码，而不是对语音信号的时域波形本身编码，可以大大降低编码信号的速率，这种语音编码方式称为参量编码。

　　参量编码的基础是语音信号特征参量的提取与语音信号的恢复，这涉及到语音产生的物理模型。

　　为提取特征参量作语音分析，利用了语音信号的平稳特征，即认为语音在10ms－20ms的时间内其特征参数不变。

这样，可将实际语音信号划分为10ms－20ms的时间段，对每个段内分别进行参量提取。

　　参量编码可达到很低的速率，但其语音质量较差，主观评定等级低于3分。

　　（3）混合编码

　　这是近年来发展的一类新的语音编码技术。

在这种编码信号中，既含有语音特征参量信息，又含有部分波形编码信息，其编码速率达8kbit/s－16kbit/s，语音质量可达到商用话音标准。

　　GSM数字蜂窝移动系统中的语音编码技术采用混合编码，称之为规则脉冲激励――长期预测（RPE－LTP）编码，其速率为13kbit/s，语音质量达到4分。

　　进行混合编码的器件称之为语音编码器。

其输入信号是模拟信号的PCM信号，对移动台来讲，抽样速率为8000Hz，采用13比特均匀量化，则速率为8000×13＝104kbit/s。

　　在编码器中，编码处理是按帧进行的，每帧为20ms，即对104kbit/s语音数据流取20ms一段，然后分析并编码，编码后形成260比特的净话音数据块，编码后的速率为260/20ms＝13kbit/s。

　　3．2．信道编码

　　我们知道，无线信道的环境是很恶劣的，如果语音编码之后的13kbit/s净话音数据流直接调制后送入无线信道，那么会受到各种干扰而丢失许多有用的信息，因为这些净话音数据本身对干扰不具有纠错能力。

　　而信道编码可以解决这一问题，信道编码是一门专门的技术，其作用在于改善传输质量，克服无线信道上的各种干扰因素对有用信号产生的不良影响。

　　具体来讲，是对有用信号（原始数据）附加一些冗余信息，这些增加的数据位是通过从原始数据计算产生的，这个过程称为信道编码；而接收端利用这些冗余位检测出误码并尽可能予以纠正，这个过程称为信道解码。

信道编码的方式有以下三种：

　　块卷积码：

主要用于纠错，具有十分有效的纠错能力。

　　纠错循环码：

主要用于检测和纠正成组出现的误码，常与前一种方法混使使用。

　　奇偶码：

最简单的、普遍使用的检测误码的方法。

　　我们来看一下GSM移动台的信道编码：

　　前面讲到的语音编码后的语音数据流为13kbit/s，即每20ms为260bit的数据块，每个数据块的260位中，根据重要性不同，分成三类，其中：

50位称为Ia类话音数据；132位称为Ib类话音数据；78位称为II类话音数据。

　　对Ia类数据采用循环冗余码（CRC）来保护，形成53位数据，这53位数据和132位Ib类数据一起采用1/2卷积码来保护，形成378位数据，而78位II类数据不加保护，则经信道编码后的数据扩展到378＋78＝456位，亦即编码后的话音数据速率变为456bit/20ms＝22.8kbit/s

　　3．3．交织

　　我们知道，在无线信道中，差错（干扰）出现的概率是突发性的，且带有一定的持续性，并不是随机的。

而目前还没有一种有效的编码方法可以克服几个相邻位的连续误码，只有误码是随机出现时，才能执行较好的纠错功能。

　　解决方法是把连续的话音比特流交错排列形成新的比特流，在传输信道中，即使出现突发性待续差错，在接收端将受到干扰的比特流恢复排列后，这些突发差错会分散形成随机差错，从而得以纠正。

　　GSM交织编码器的输入码是20ms的帧，每帧含456位，每两帧（40ms）共912位，按每行8位写入，共写入114行，输出时按列进行，每次读出114位。

若在传输中受到突发性干扰，经去交织译码后，则将突发差错变成随机差错。

　3．4．加密

　　GSM的数据传输有一个很大的优点，就是对传输的数据加密，从而保护数据不被第三方窃听。

　　一个简单的加密过程是通过一个伪随机比特序列与普通突发脉冲的114个有用比特作"异或"操作实现的，伪随机列由突发脉冲信号和事先通过信令方式建立的会话密钥得到。

解密通过相同的操作，因为与相同的数据"异或"两次又得到原始值。

这里给出一个简单的例子：

　　原始数据：

01001011010……

　　密钥：

　　10010110101……

　　加密数据：

11011101111……

　　解密数据：

01001011010……

　　3．5．多址方式

　　在蜂窝移动通信系统中，有许多用户要同时通过一个基站和其它用户进行通信。

因此存在这样的问题：

怎样从众多用户中区分出是哪一个用户发出的信号，以及用户怎样识别出基站发出的信号中哪一个是给自己的。

这个问题的解决方法就是多址技术。

　　我们设想，不论是用户发出的信号，还是基站发出的信号，若每个信号都具有不同的特征，则根据不同的特征我们就能区分出不同的信号来。

　　信号的特征表现在这样几个方面：

信号的工作频率、信号出现的时间、信号具有的波形。

根据这三种特征，相对应的有三种多址方式，即：

频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）。

　　在实际应用中，还包括这三种基本多址方式的混合方式，如GSM系统采用的就是FDMA／TDMA多址方式。

　　1．频分多址

　　频分多址，始是用信号的不同频率来区分信号。

对一个通信系统，对给定的一个总的频段，划分成若干个等间隔的频道（又叫信道），每个不同频道分配给不同的用户使用。

信道的划分要注意几点：

相邻频道之间无明显串扰、每个频道宽度能传输一路信息、收发信息之间要留一段保护频带，防止收发频率干扰。

　　一般情况下，将高频段作为移动台的接收频段，因为信号方向是从基站到移动台，接收信道又称前向信道。

将低频段作为移动台的发射频段，信号方向是从移动台到基站，所以发射信道又称反向信道。

　　2．时分多址

　　时分多址是基于时间分割信道。

即把时间分割成周期性的时间段（时帧），对一个时帧再分割成更小的时间段（间隙），然后根据一定的分配原则，使每个用户在每个时帧内只能按指定的时隙收发信号。

以一个8小时隙的时分多址系统为例。

　　比如，有8个用户都处于相同的工作频率，按频分多址系统来看，他们不能同时工作，只能是一个用户工作后，别一个用户才能工作，否则会造成同频干扰。

但若按图的时分多址方式，把T0时隙分配给第一个用户，或者说第一个用户在时帧1到T0工作后隔T1－T7时隙，又在时帧2的T0时隙工作。

以此类推，把T1时隙分配第二个用户工作……把T7时隙分配给第八个用户。

用这种"分时复用"的方式，可以使同频率的用户"同时"工作，有效地利用频率资源，提高了系统的容量。

　　例如，一个系统的总频段划分成124个频道，若只能按FDMA方式，则只有124个信道。

若在FDMA基础上，再采用时分多址，每个频道容纳8个时隙，则系统信道总的容量为124×8＝992个信道。

时分多址系统中有一个关键的问题是系统的"定时"问题。

要保证整个时分多址系统有条不紊地工作，包括信号的传输、处理、交换等，必须要有一个统一的时间基准。

　　要解决上述问题，大家很容易想到的方法是系统中的各个设备内部设置一个高精度时钟，在通信开始时，进行一次时钟校正，只要时钟不发生明显漂移，系统都能准确定时。

但真正的情况不是这样，因为要使系统的时钟很精确，无论从技术还是价格方面考虑都不适合。

　　GSM系统的定时采用的是主从同步法。

即系统所有的时钟均直接或间接从属于某一个主时钟信息。

主时钟有很高的精度，其时钟信息以广播的方式传送到系统的许多设备，或以分层方式逐层传送给系统的其他设备。

各设备收到上层的时钟信号后，提取出定时信息，与上层时钟保持一致，这个过程又称之为时钟锁定。

（1）GSM的信道

　　在GSM系统规范中，对总的频谱划分成200kHz为单位的一个个频段，称为频段，而对每一个频隙，允许8个用户使用，即从时分多址方式来看，每个时帧有8个时隙（Time Slot），每个时隙的长度为BP＝15/26＝0.577ms，而每一个时帧长度为15/26×8＝4.615ms。

　　上面所讲的时隙长度是GSM规范定义的，而移动台在无线路径上的传输的实际情况又是怎样的呢？

　　前面讲到的经交织加密后的数据块为114位，这些位加上其它一些信息位元共组成156.25位，以脉冲串的形成调制到某一个频率上，并限定在一个时隙范围内进行传输，这些脉冲串称为"Burst"（突发）。

　　根据用途不同，Burst有许多格式，如接入Burst、Fburst、Sburst、常规Burst等。

我们仅介绍常规Burst的内容。

　　在Burst之间，即每个时隙之间要有一定的保护间隔，即147位有用信息的前后有一段保护时间，一般取信号小于-59dB的部分为保护时间，约30μs。

（2）GSM的时帧结构

　　GSM的时帧结构有5个层次，分别是高帧、超帧、复帧、TDMA时帧和时隙。

　　时隙是构成物理信道的基本单元，8个时隙构成一个TDMA时帧。

TDMA时帧构成复帧，复帧是业务信道和控制信道进行组合的基本单元。

由复帧构成超帧，超帧构成高帧，高帧是TDMA帧编号的基本单元，即在高帧内对TDMA帧顺序进行编号。

　　1高帧＝2048个超帧＝2715648个TDMA帧，高帧的时长为3小时28分53秒760毫秒。

高帧周期与加密及跳频有关，每经过一个高帧时长会重新启动密码与跳频算法。

　　1个超帧＝1326个TDMA帧，超帧时长为6.12秒。

　　复帧有两种结构，一种用于业务信道，其结构形式是由26个TDMA帧构成的复帧；另一种用于控制信道，其结构为51个TDMA帧构成的复帧。

　　1个TDMA帧＝8个时隙，其时帧长度为4.615毫秒，1个时隙长度为0.577ms，在时隙内传送数据脉冲串，称为突发（Burst），一个突发包含156.25位数据。

　　（3）数字调制技术

　　我们前面讨论过的话音信息（控制信息也一样）是经模／数转换、语音编码、信道编码、交织、加密、时帧形成等过程形成的脉冲数据流。

这些基带数据信号含有丰富的低频成分，不能在无线信道中传输，必须将数字基带信号的频谱变为适合信道转输的频谱，才能进行传输，这一过程称为数字调制。

　　数字调制是用正弦高频信号为载波，用基带信号控制载波的三个基本参量（幅度、相位、频率），使载波的幅度、相位、频率随基带信号的变化而变化，从而携带基带信号的信息。

相对应的三种调制方式是最基本的数字调制方式，称为幅度键控（ASK）、频率键控（FSK）、和相位键控（PSK）。

　　我们知道，对相同频率的基带数据，采用不同的调制方式可以使调制后的频谱的有效带宽不同，而无线系统的频谱资源非常有限（如GSM系统每个信道频谱宽度为200kHz），所以采用何种调制技术使得调制后的频谱适合无线信道的有限带宽要求是非常重要的，在泛欧的GSM系统规范中，采用的是GMSK（最小高斯滤波频移键控）调制技术，这种调制方式使得调制后的频谱的主瓣宽度窄、旁瓣衰落快，对相邻信道的干扰小，其调制的速率为270.833kbit/s。

　　4．GSM系统

　　4．1．GSM系统结构

　　GSM系统由三个分系统组成，即移动台、基站子系统（BSS）、网络子系统（NSS）

　　1．移动台

　　移动台是GSM系统中的用户设备，可以车载型、便携型和手持型。

　　移动台并非固定于一个用户，在系统中的任何一个移动台都可以利用用户识别卡（SIM卡）来识别移动用户，保证合法用户使用移动网。

　　移动台也有自己的识别码，称为国际移动设备识别号（IMEI）。

网络可以对IMEI进行检查，比如关断有故障的移动台或被盗的移动台，检查移动台的型号许可代码等。

　　GSM移动台不仅能完成传统的电话业务、数字业务，如传输文字、图像、传真等，还能完成短消息业务等非传统的业务。

　　2．基站子系统（BSS）

　　基站子系统包含了GSM数字移动通信系统的无线通信部分，它一方面通过无线接口直接与移动台连接，完成无线信道的发送、和管理，另一方面连接到网络子系统的交换机。

　　基站子系统可以分为两部分：

一是基站收、发台（BTS），一是基站控制器（BSC）。

BTS负责无线传输，BSC负责控制和管理。

　　3．网络子系统（NSS）

　　网络子系统分为六个功能单元，即移动交换中心（MSC）、归属位置寄存器（HLR）、拜访位置寄存器（VLR）、鉴权中心（AUC）、设备识别寄存器（EIR）、操作与维护中心（OMC），现分别介绍：

（1）移动交换中心（MSC

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