移动通信基站基础知识概括优质PPT.ppt
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高速移动环境144kbit/s；
步行慢速移动环境384kbit/s；
室内静态环境2Mbit/s；
3G世界三大主流标准：
WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA（我国提出的标准）。
2023/5/13,6,第三节数字移动通信技术一、数字调制技术数字调制是使在信道上传送的信号特性与信道特性相匹配的一种技术。
模拟语音信号，经过语音编码所得到的数字信号必须经过调制才能实际传输。
无线传输系统中，是利用载波来携带语音编码信号的，即用语音编码后的数字信号对载波进行调制。
数字调制方式有以下几种：
2023/5/13,7,移频键控（FSK）：
载波的频率按照数字信号“1”、“0”变化而对应变化；
移相键控（PSK）：
载波的相位按照数字信号“1”、“0”变化而对应变化；
振幅键控（ASK）：
载波的振幅按照数字信号“1”、“0”变化而对应变化。
GSM移动通信系统采用高斯预滤波最小移频键控GMSK。
移动通信使用的调制技术还有：
二相移相键控（BPSK）、四相移相键控（QPSK）、正交调幅（QAM）,频谱利用率较高,设计难度和成本较高。
2023/5/13,8,二、多址技术多址技术就是把多个用户接入一个传输媒质实现相互间通信时，给每个用户信号赋予不同的特征，以区分不同的用户的技术。
常用的多址方式：
頻分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）。
GSM系统使用：
频分多址（FDMA）/时分多址（TDMA）混和多址方式，即FDMA/TDMA。
3G系统多址方式使用：
码分多址（CDMA）方式。
2023/5/13,9,1、频分多址（FDMA）FDMA是把工作频段划分成多个无线载频，每一个载频信道可以传输一路语音或控制信息，通信时不同的MS占用不同的频率信道进行通信。
FDMA的特点：
（1）信道的带宽较窄（2530KHz），相邻频道要留有防护频带；
（2）与TDMA系统比，FDMA系统的复杂程度低。
（3）采用单路单载波（SCPC）设计，需使用高性能的射频（RF）带通滤波器来减少邻道干扰，成本较高。
2023/5/13,10,2、时分多址（TDMA）TDMA是把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙，一个时隙就是一个通信信道。
通信时，给每个用户分配一个时隙，使各移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发射或接收信号。
同一个频道就可供几个用户同时进行通信。
GSM系统无线路径上采用TDMA方式，每一个载频可分成8个时隙，一个时隙为一个信道，一个载频最多可有8个移动用户同时进行通信。
2023/5/13,11,供几个用户,如下图所示的频分多址和时分多址方式：
a.FDMAb.TDMA,2023/5/13,12,时分多址（TDMA）的特点
（1）TDMA系统中几个用户共享同一个载频，但每个用户使用彼此互不重叠的时隙。
（2）TDMA系统中的数据发射是不连续的，是以突发方式发射，耗电较少，移动台可在空闲的时隙里监听其他基站，使越区切换大为简化。
（3）共享设备的成本低，每一载频为许多用户提供业务，用户平均成本大大低于FDMA系统。
（4）移动台复杂，它需要处理复杂的数字信号。
2023/5/13,13,3、码分多址（CDMA）移动通信中，多个用户使用的频率和时间都是相同的，而给每个移动台分配一个独立的码序列，这种用不同的正交编码序列来区分不同移动用户的通信方式，称为码分多址。
码分多址（CDMA）的特点
（1）系统容量大。
CDMA无线信道容量比FDMA大近10倍。
（2）有很强的抑制干扰和多径衰落的能力。
CDMA的扩频系统可以把多径干扰信号解扩去除。
（3）具有软容量和小区呼吸功能。
系统忙时只需少许增加系统噪声就可增加通话用户，即所谓软容量。
小区呼吸功能是指负荷量动态控制。
2023/5/13,14,（4）软切换。
当移动台超越小区或扇区时，由于工作频率相同，只是地址码序列不同，不需要频率的切换，称之为软切换。
软切换是先接后断切换，软切换可靠性高。
（5）存在多址干扰和远近效应。
CDMA的地址码不可能完全正交，在解扩过程中必然带来用户间的干扰；
CDMA的信道也采用地址码分割，并切公用载波，增加信道的同时干扰也增加。
CDMA系统通过自动功率控制减轻其影响。
由于信道地址码的相互作用，任何一个信道将受到其他不同地址码信道的干扰，称为多址干扰。
2023/5/13,15,CDMA系统的多址干扰直接限制容量的扩大。
码分多址技术是基于以下两种扩频通信方式：
（1）跳频技术跳频技术是扩频通信中的一种，GSM系统中使用跳频技术，其主要功能是可有效地减小传播信道对某个频率的选择性衰落；
可避免多径信号的干扰。
跳频分为基带跳频和射频跳频两种。
如图所示。
（a）基带跳频（b）射频跳频
（2）扩频技术,2023/5/13,16,2023/5/13,17,TRXn,TRX2,TRX1,耦合器,基带信号,时隙交叉控制,图1.2（a）基带跳频,2023/5/13,18,PN码发生器,可变频率合成器,射频调制,频率合成器,射频调制,耦合器,基带信令,基带信息,F0,F1-Fn,图1.2（b）射频跳频,扩频通信是将信息信号的频谱扩展后再进行传输，提高了系统的抗干扰能力，在强干扰甚至信号被噪声淹没的情况下，能保证可靠通信。
常用的扩频通信技术如下：
直接扩频（DS）将要传输的信息数据用高速伪随机码序列调制，由于伪随机序列的速率（带宽）远大于信息数据速率，使要传递信息数据信号的频谱被展宽。
跳频（FH）荷载信息的信号受伪随机序列的控制，在一组预先指定的频率上离散地跳变，从而扩展了发射信号的频谱。
2023/5/13,19,三、双工方式1、频分双工（FDD）：
收发信各占用一个频率。
优点是收、发信号同时进行，时延小，技术成熟，缺点是设备成本高。
2、时分双工（TDD）：
收发信使用同一个频率,但使用不同时隙。
优点是频谱利用灵活,上、下行使用相同的频率，传输特性相同，有利于使用智能天线,无收发间隔要求,支持不对称业务,设备成本低等。
缺点是小区半径小,抗快衰落和多普勒效应的能力低于FDD,终端移动速度不能超过120km/h。
2023/5/13,20,四、频率复用技术在移动通信系统中，频率资源有限，为提高频谱利用率，在相隔一定距离后重新使用相同的频率组，这种采用同頻复用和頻率分组来提高頻率利用率方式，就是频率复用技术。
实际应用中常采用4/12和3/9频率复用分组方式。
即将12组頻率轮流分配到4个基站和将9组頻率轮流分配到3个基站，每个站点可用到3个频率组。
频率复用会带来小区间的干扰，GSM系统要求：
同频干扰保护比C/I9dB邻频干扰保护比C/I-9dB,2023/5/13,21,2023/5/13,22,图1.3按4/12方式复用的小区示意图,2023/5/13,23,图1.5按3/9方式复用的小区示意图,第四节无线电频谱管理与使用1、无线电频谱管理2、移动通信的频谱特性和管理,2023/5/13,24,GSM是全球第一个标准化的数字蜂窝移动通信系统，它对数字调制方式、网络结构和业务种类等进行标准化规范，GSM系统可以提供全球漫游。
主要特点1、频谱效率高：
采用了高效调制器、信道编码和语音编码等技术，系统具有高频谱效率。
2、容量大：
比TACS（模拟移动通信系统）高3-5倍3、话音质量好：
接收信号在门限值以上时，达到与有线传输相同的水平而与无线传输质量无关。
2023/5/13,25,第2章GSM系统的基本原理,4、开放的接口：
GSM系统从空中接口到网络之间以及网络中各实体之间，提供的接口都是开放性的。
5、安全性高：
通过鉴权、加密和TMSI（临时用户识别码）号码的使用，实现了安全保护，鉴权用来验证用户的入网权力，加密防止有人跟踪而泄漏地理位置。
6、可与ISDN（综合业务数据网）、PSTN（公用电话网）等互连，与其它网络互连是利用现有接口。
在SIM卡基础上实现漫游，漫游是移动通信的重要特征，GSM系统可以提供全球漫游。
2023/5/13,26,第一节GSM系统的结构一、GSM系统的结构主要由移动台（MS）、基站子系统（BSS）和网络子系统（NSS）三部分组成。
GSM系统通过一定的网络接口和用户连接。
其结构方框图见图2.1,2023/5/13,27,2023/5/13,28,SMC,图2.1GSM系统的结构图,1.移动台（MS）：
是移动用户设备部分，由移动终端和用户识别卡（SIM）两部分组成，移动终端是“机”，SIM卡是“身份卡”，存有认证用户身份的所有信息。
SIM卡还存储与网络和用户有关的管理数据，只有插入SIM卡后移动台才能接入进网。
2.基站子系统（BSS）：
由基站控制器（BSC）和基站收发信机（BTS）两部分组成，是GSM系统的基本组成部分。
基站控制器（BSC）：
具有对一个或多个BTS进行控制的功能，主要负责无线资源管理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等。
基站控制器（BSC）是一个很强的业务控制点。
2023/5/13,29,基站收发信台（BTS）：
是无线接口设备，主要包括无线发射和接收设备、天线设备及信号处理部分。
完成无线传输、有线与无线转换、分集、加密、跳频等。
实现BTS与MS之间无线传输和相关控制功能。
3.网络子系统（NSS）：
由移动业物交换中心（MSC）、来访用户位置寄存器（VLR）、归属用户位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AUC）和移动设备识别寄存器（EIR）、短消息业物中心（SMC）等单元组成。
主要完成交换功能和用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。
2023/5/13,30,
（1）移动业务交换中心（MSC）：
是GSM系统的核心，它一侧和BSS接口，另一侧与外部网络接口，主要提供交换功能，MSC可以从HLR、VLR和AUC中获取有关处理用户位置登记和呼叫请求的全部数据，支持位置登记和更新、越区切换、漫游和计费功能。
外部网络用户与GSM用户之间呼叫时，外部网络用户首先被接到入口移动交换中心（GMSC网关移动业务交换中心），它负责获取移动用户的位置信息，并把呼叫转移到可向被叫用户提供服务的MSC。
2023/5/13,31,
（2）来访用户位置寄存器（VLR）：
是一个动态用户数据库，存储着进入其控制区域内来访的移动用户的有关数据。
这些数据是从该用户的归属位置寄存器获得并暂存的，当该用户离开它的控制区域时，暂时存储的该用户数据即被删除。
VLR可以看作是一个动态用户数据库。
VLR总是和MSC集成在一起的（MSC/VLR）。
（3）归属用户位置寄存器（HLR）：
它也是一个数据库，存储着该GSM系统业务区内所有移动用户的有关数据。
存储的静态数据有：
移动用户号码、访问能力、用户类别和补充业务等，还暂存移动用户漫游时的有关动态信息数据。
2023/5/13,32,2023/5/13,33,（4）鉴权中心（AUC）：
用于产生为确定移动用户的身份和对呼叫保密所需监权、加密的3个参数（随机数RAND.响应数SRES.密钥Kc）。
（5）移动设备识别寄存器（EIR）：
也是一个数据库，存储有关移动台设备识别码（IMSI）。
通过核查白色、黑色和灰色三种清单，完成对移动设备的识别、监视、闭锁功能，以防止非法移动台的使用。
（6）短消息业务中心（SMC）：
短消息业务是一种类似传呼机的业务功能，在移动用户和移动用户之间或移动用户和固定用户之间发送较短的信息。
4.操作维护中心（OMC）操作维护中心，是对整个GSM网络进行控制和操作。
通过它实现对GSM系统内的自检、故障诊断和处理、话务量统计和计费数据的记录和传递，以及各种参数的收集、分析与显示等。
5.GSM的网络接口如图5.2所示。
（1）主要接口GSM主要接口是指A接口、Abis接口和Um接口。
这三种接口可保证不同厂商生产的MS、BSS及NSS等设备能够纳入GSM系统中正常运行和使用。
2023/5/13,34,2023/5/13,35,图2.2GSM系统的接口,1）A接口。
A接口为NSS与BSS之间的通信接口。
从系统实体来看，就是MSC与BSC之间的互连接口，其网络连接是通过采用标准的2.048Mbit/s的PCM数字传输链路来实现的。
A接口传送的信息包括对移动台和基站的管理、移动性及呼叫接续管理等。
2）Abis接口。
是基站子系统的BSC与BTS之间的通信接口。
它是采用标准的2.048Mbit/s或64Kbit/s的PCM数字传输链路来实现。
Abis接口支持所有向用户提供的服务，支持对BTS无线设备的控制和无线资源的分配。
2023/5/13,36,3）Um接口（空中接口）。
Um接口定义为MS和BTS之间的无线通信接口，是GSM系统中最重要、最复杂的接口，包含信令接口和物理接口两方面的含义。
网络子系统（NSS）内部接口。
NSS内部接口有：
B接口、C接口、D接口、E接口、F接口、G接口。
GSM系统与其它公用网络接口。
GSM通过移动业务交换中心MSC与PSTN、ISDN等公用网络连接，一般采用No.7信令接口，其物理连接是2.048Mbit/s的PCM数字传输链路。
2023/5/13,37,第二节GSM的TDMA信道GSM系统的无线网络，由小区构成，每个小区有多个载频，每个载频又有8个时隙，即8个物理信道。
GSM采用FDMA/TDMA的混和接入方式。
下面介绍FDMA/TDMA接入方式中的无线信道。
一、TDMA信道TDMA信道：
可分为物理信道和逻辑信道。
物理信道：
一个物理信道就是一个时隙。
逻辑信道：
是根据BTS与MS之间传递的消息种类不同而定义的不同逻辑信道，逻辑信道要通过BTS影射到不同的物理信道上来传送，从BTS到MS的方向称为下行链路，从MS到BTS方向称为上行链路。
2023/5/13,38,逻辑信道又可分为业务信道和控制信道。
1、业务信道（TCH）用于传送数字话音或数据，还有少量控制信令。
业务信道可分为：
语音业务信道和数据业务信道，在TCH中可安排慢速随路控制信道（SACCH）或快速随路控制信道（FACCH）。
2、控制信道（CCH）用于传送信令或同步数据。
根据所完成的功能把控制信道分为：
广播信道（BCH）、公共控制信道（CCCH）和专用控制信道（DCCH）。
（1）广播信道（BCH）：
用于基站向移动台广播公用,2023/5/13,39,用于基站向移动台广播公用信息。
BCH包括广播控制信道（BCCH）、频率校正信道（FCCH）和同步信道（SCH）。
它们携带的信息目标是小区内所有手机，是一点对多点的单向的下行信道。
（2）公共控制信道（CCCH）：
用于传输MS接入过程中所需的控制指令。
接入许可信道（AGCH）、寻呼信道（PCH）、小区广播控制信道（CBCH）和随机接入信道（RACH）。
（3）专用控制信道（DCCH）：
是一种双向控制信道，其用途是在呼叫接续阶段以及在通信进行中，在MS和BTS之间传输必需的控制信息。
又分为SDCCH、SACCH和FACCH。
2023/5/13,40,二、TDMA帧结构GSM系统TDMA的物理信道，是用帧来描述的，每一个载频被定义为一个帧。
每个帧的周期是4.615ms，包括8个时隙：
TS0TS7,每个时隙占0.577ms。
TDMA帧的编号以超高帧为周期的：
从02715647，每2715648个TDMA帧为一个超高帧。
一个超高帧由2048个超帧组成，一个超帧的帧长为6.12s，它由51业务复帧或26个控制复帧组成。
2023/5/13,41,第三节话音、信道编码和交织一、话音编码1.GSM是全数字系统，话音或其他信号都要进行数字化处理，第一步就是要把话音模拟信号转换成数字信号。
2.PCM编码是波形编码，可分为三个步骤：
采样量化编码3.采用PCM方式编码数字话信号的速率是：
8bit（一个字节）8000次/s64Kbit/s8个时隙的速率：
64kbit/s8=512kbit/s。
2023/5/13,42,GSM系统若采用这种编码方式，则8个语音信道的比特率就是64kbt/s8512Kbit/s，GSM系统的载频间隔为200KHz,要保持在规定的频带内，必需大大降低每路语音信道的编码的比特率。
4、GSM采用了规则脉冲激励长期预测编码器（RPE-LTP编码器）,来降低每路语音信道编码比特率。
这种混和编码一路数字话的比特率为13Kbt/s；
混合编码的优点：
编码速率低,语音质量好。
8路数字话的速率是：
13Kbit/s8104Kbit/s,满足了无线信道带宽（200Kbit/s）的传输要求。
2023/5/13,43,2023/5/13,44,图2.4GSM话音编码器框图,二、信道编码信道编码的目的信道编码用于改善信道的传输质量，克服各种干扰因素对信号产生的不良影响。
是以增加比特而降低信息量为代价的。
编码的基本原理在所传送的数据上增加一些冗余比特信息，进行纠错编码，减少传输过程中比特差错率。
信道编码的纠错方式1.块卷积码：
主要用于纠错，纠错效果好。
2.纠错循环码：
用于检测和纠正成组的误码。
3.奇偶校验码：
常用最简单的检测误码的方法。
2023/5/13,45,三、交织技术无线电信道是变参信道，比特差错经常是成串发生的，这是由于持续的深衰落会影响到相继一串的比特。
办法是信息中的相继比特分开，把顺序相关的比特非相关化，使突发差错信道变为离散信道，再用信道编码的纠错功能来纠正差错，这种办法就是交织技术。
交织可以把码字顺序相关的bit非相关化，把m个bit的码字分布到n个传输单元之中,n越大，非相关性越好,持续误码越少,传输质量越高。
但会增加传输时延，移动台和中继电路上增加了回波抵消器，改善由时延引起的通话回音。
2023/5/13,46,第四节GSM的调制技术一、GSM调制方式GSM采用的是高斯滤波最小移频键控GMSK。
工作原理：
在保持MSK较好的频谱特性和较低的误码率基础上，在MSK之前加入一高斯滤波器，输入的基带信号经过高斯滤波器形成的高斯脉冲包络无陡峭沿、拐点，经调制后的信号比较平滑，改善了频谱特性。
GMSK调制方式，改善了频谱特性，加快带外衰减，满足了相邻信道干扰电平小于-60dB要求。
2023/5/13,47,二、GMSK的解调可以采用正相干解调，但相干载波提取比较难。
GMSK信号的解调常采用差分解调和鉴频器解调等非相干解调。
2023/5/13,48,预调制滤波器,MSK,输入,GMSK,h=0.5,图5.5GMSK调制原理框图,第五节GSM的控制和管理控制和管理对GSM系统的正常运行是至关重要，本节仅就位置登记和更新、鉴权与保密、呼叫接续和越区切换等控制和管理进行讨论。
一、位置登记和更新GSM为了跟踪MS的位置变化,对其位置信息进行登记、删除和更新的过程。
二、鉴权与加密GSM系统为了保证安全，采取了鉴权与加密。
1.鉴权：
确认MS的合法性。
2.加密：
防止第三者窃听。
2023/5/13,49,3.设备识别码（IMEI）每个移动台均有一个惟一的设备识别码IMEI，EIR中存储了所有入网移动台设备的IMEI，目的是确保系统中使用的设备不是盗用或非法的。
EIR中存有3种名单：
即白名单（合法）、黑名单（禁用）、灰名单（由运营商决定）。
4.临时识别码（TMSI）是为防止非法监听或盗用用户识别码IMSI，在无线链路上需要传送IMSI时，均用临时用户识别码TMSI代替IMSI。
由MSC/VLR分配并定期更换TMSI,在无线信道上传送的是TMSI,确保了IMSI的安全性。
2023/5/13,50,三、GSM用户呼叫接续过程1、移动用户主叫固定用户：
移动台在“随机信道RACH”向基站发出“信道请求”信息，若BS接收成功，给MS分配一个“专用接入信道DCCH”，即在“准许接入信道AGCH”上，向MS发出“立刻分配”指令。
MS在发起呼叫的同时，设置一定时器，在规定的时间内可重复呼叫。
MS收到“立即分配”的信令后，利用分配的DCCH与BS建立起信令链路，经BS向MSC发送“业务请求信息”。
MSC向VLR发送“开始接入请求”应答信令，VLR收到后，经MSC和BS向MS发出“鉴权请求”，其中包含一随机数（RAND），MS按鉴权算法A3进行处理后，向MSC发回“鉴权”响应信息。
2023/5/13,51,若鉴权通过，承认MS的合法性，VLR就给MSC发送“置密模式”信息，由MSC经BS向MS发送“置密模式”指令。
MS收到并完成置密后，要向MSC发送“置密模式完成”的相应信息，经鉴权、置密完成后，VLR才向MSC作出“开始接入请求”应答。
为了保护IMSI不被监听或盗用，VLR将给MS分配一个新的TMSI。
接着MS向MSC发出“建立呼叫请求”，MSC收到后，向VLR发出指令，要求它传送建立呼叫所需的信息。
2023/5/13,52,如果成功，MSC即向MS发送“呼叫开始”的指令，并向BS发出分配无线业务信道的“信道指配”指令。
如果BS有空闲“业务信道TCH”，即向MS发出“信道指配”指令，当MS得到业务信道时，向BS和MSC发送“信道指配完成”的信息。
MSC在无线链路和地面有线链路建立后，把呼叫接续到固定网络，并和被叫的固定用户建立连接，然后给MS发送回铃音。
当被叫固定用户摘机后，MSC向BS和MS发送“连接”指令，待MS发回“连接”确认后，即转入通话状态，完成整个接续过程。
2023/5/13,53,2、固定用户主叫移动用户：
固定用户向移动用户拨出号码后发起呼叫后，固定网络把呼叫接续到就近入口移动交换中心GMSC。
GMSC即向相应的HLR查询路由信息，HLR在保存的用户位置数据库中，查出被叫MS所在的地区，并向该区VLR查询该MS的漫游号码MSRN，VLR
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