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烽火通信工程技术培训教程


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工程技术培训教程(V0.4)

武汉虹信通信技术有限责任公司
地址:武汉市东湖高新东信路 5 号光通信产业楼四楼 网址:www.hxct.com 客户服务电话:027-87692452 客户服务传真:027-87693774

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内容简介



移动通信技术的发展日新月异,从 1978 年第一代模拟蜂窝通信系统诞生至今, 不过 20 多年的时间, 第二代数字蜂窝通信系统已经在全世界的范围内成功应用, 而第三代移动通信也即将启动。面对这种形势,各公司都需要培养此领域的科 技人才,本书的编写任务是为新员工提供一本适于移动通信工程建设教学的教 材,也可作参考书。 全书共计 14 章,分为四篇,第一篇通信理论篇(第 1 章-第 5 章) ,第二篇设 备调测、开通篇与监控改造(第 6 章-第 9 章) ,第三篇网络设计篇(第 10 章 -第 13 章)和第四篇工程管理篇(第 14 章) 。 本书由武汉虹信通信技术有限责任公司市场营销部工程管理部主编。 由于编者水平有限,错误难免,欢迎读者提出宝贵意见。

读者对象
本书适合下列人员阅读: 技术支持工程师 设备开通维护工程师 网络设计工程师 工程建设督导工程师

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本书约定
1. 通用格式 格 宋 黑 体 体 式 正文采用宋体表示 二级标题采用黑体以外,其余各级标题采用宋体加粗 警告、提示等内容一律用楷体,并在前后增加横线与正文隔离 意 义

楷 体 各类标志 一级标题 二级标题 三级标题 三级标题内编号 正文 说明、表格

2.

二号 四号 小四号 五号加粗 五号 小五号

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第 1 章 通信技术...........................................................................................................................12 1.1 信息与信号......................................................................................................................12 1.1.1 信息量...............................................................................................................12 1.1.2 模拟信号...........................................................................................................13 1.1.3 数字信号...........................................................................................................13 1.2 通信系统原理..................................................................................................................14 1.2.1 通信系统的结构...............................................................................................14 1.2.2 通信系统的分类...............................................................................................15 1.3 模拟信号数字化..............................................................................................................16 1.3.1 模拟通信和数字通信.......................................................................................16 1.3.2 话音的脉冲编码调制(PCM)技术...............................................................17 1.4 噪声与通信......................................................................................................................18 1.4.1 外部噪声...........................................................................................................18 1.4.2 内部噪声...........................................................................................................19 1.4.3 信噪比...............................................................................................................20 1.4.4 噪声系数...........................................................................................................20 1.5 时域与频域......................................................................................................................21 1.5.1 滤波器对信号的影响.......................................................................................21 1.6 频谱分析..........................................................................................................................21 1.7 频带宽度表示法..............................................................................................................23 1.7.1 绝对带宽...........................................................................................................23 1.7.2 相对带宽...........................................................................................................23 1.7.3 窄带和宽带.......................................................................................................23 1.8 分贝表示法......................................................................................................................24 1.8.1 对数的复习.......................................................................................................24 1.8.2 分贝...................................................................................................................24 1.9 传输线理论......................................................................................................................28 1.9.1 传输线种类.......................................................................................................28 1.9.2 传输线等效电路...............................................................................................30 1.9.3 传输线方程.......................................................................................................30 1.9.4 特性阻抗定义...................................................................................................30
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第 2 章 移动通信系统...................................................................................................................32 2.1 移动通信简介..................................................................................................................32 2.1.1 移动通信简史...................................................................................................32 2.1.2 移动通信特点...................................................................................................35 2.1.3 移动通信分类...................................................................................................36 2.1.4 工作方式...........................................................................................................36 2.1.5 多址技术...........................................................................................................38 2.1.6 蜂窝技术...........................................................................................................39 2.1.7 频段划分...........................................................................................................42 2.2 无线传播理论..................................................................................................................43 2.2.1 无线传播基本原理...........................................................................................43 2.2.2 无线传播环境...................................................................................................44 2.2.3 无线传播模型...................................................................................................47 2.2.4 多普勒效应.......................................................................................................48 2.3 天线..................................................................................................................................48 2.3.1 天线理论知识...................................................................................................48 2.3.2 常用天线的分类...............................................................................................60 第 3 章 GSM 移动通信系统 ........................................................................................................64 3.1 GSM 系统构成 .................................................................................................................64 3.2 各子系统介绍..................................................................................................................66 3.2.1 移动台...............................................................................................................66 3.2.2 基站子系统.......................................................................................................66 3.2.3 网络子系统.......................................................................................................67 3.2.4 操作支持子系统...............................................................................................68 3.3 GSM 系统工作频段 .........................................................................................................68 3.4 GSM 系统的无线覆盖区结构 .........................................................................................69 3.4.1 小区...................................................................................................................70 3.4.2 基站区...............................................................................................................70 3.4.3 位置区...............................................................................................................70 3.4.4 MSC 区 ..............................................................................................................71 3.4.5 服务区...............................................................................................................71 3.5 系统接口介绍..................................................................................................................71
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3.5.1 GSM 系统的主要接口 ......................................................................................71 3.5.2 网络子系统的内部接口...................................................................................72 3.6 GSM 系统的主要业务 .....................................................................................................73 3.6.1 话音业务...........................................................................................................74 3.6.2 承载业务...........................................................................................................74 3.6.3 补充业务...........................................................................................................74 3.6.4 短消息业务.......................................................................................................75 3.7 GSM 系统的无线接口 .....................................................................................................76 3.7.1 主要特性参数...................................................................................................76 3.7.2 GSM 系统的信道类型和帧结构 ......................................................................77 3.8 呼叫接续过程举例..........................................................................................................84 3.9 信号处理过程..................................................................................................................89 3.10 DCS1800 简介................................................................................................................93 3.11 GSM 系统基站简介 .......................................................................................................95 3.11.1 GSM 系统基站硬件结构 ................................................................................96 3.11.2 GSM 基站合分路单元配置方式 ....................................................................98 第 4 章 CDMA 系统 ...................................................................................................................103 4.1 CDMA 系统简介............................................................................................................103 4.1.1 概述.................................................................................................................103 4.1.2 窄带 CDMA 系统的基本原理 .......................................................................106 4.1.3 CDMA 系统关键技术介绍.............................................................................107 4.1.4 CDMA 工程网络参数说明............................................................................. 110 第 5 章 3G 简介 .......................................................................................................................... 113 5.1 WCDMA 技术简介 ........................................................................................................ 115 5.1.1 WCDMA 概述 ................................................................................................. 115 5.1.2 WCDMA 原理 .................................................................................................120 5.1.3 WCDMA 关键技术特点 .................................................................................123 5.1.4 WCDMA 信源介绍 .........................................................................................128 5.2 CDMA 1X EV-DO 技术简介 .........................................................................................129 5.2.1 EVDO 原理......................................................................................................129 5.2.2 CDMA 1X EVDO 关键技术 ...........................................................................132 5.3 TD-SCDMA 技术简介 ...................................................................................................136 5.3.1 TD-SCDMA 概述 ............................................................................................136
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5.3.2 TD-SCDMA 原理 ............................................................................................138 5.3.3 TD-SCDMA 关键技术 ....................................................................................146 第 6 章 仪器仪表使用.................................................................................................................157 6.1 信号发生器....................................................................................................................157 6.1.1 Agilent E4433B 信号源 ...................................................................................157 6.1.2 公司自产简易信号源.....................................................................................159 6.2 频谱分析仪....................................................................................................................160 6.2.1 Advantest R3131A ...........................................................................................160 6.2.2 Anritsu MS2661C.............................................................................................165 6.3 校线参考步骤................................................................................................................167 6.4 驻波比测试仪表............................................................................................................170 6.4.1 校准操作.........................................................................................................171 6.4.2 驻波比和电缆损耗的测量.............................................................................172 6.4.3 DTF 故障定位测量 .........................................................................................174 6.5 光功率计........................................................................................................................177 6.5.1 按键介绍.........................................................................................................177 6.5.2 注意事项.........................................................................................................178 第 7 章 无源器件原理与测试.....................................................................................................180 7.1 工程常用无源器件........................................................................................................180 7.1.1 功分器.............................................................................................................180 7.1.2 合路器.............................................................................................................184 7.1.3 定向耦合器与电桥.........................................................................................185 7.1.4 负载.................................................................................................................189 7.1.5 衰减器.............................................................................................................189 7.2 设备内部无源器件........................................................................................................190 7.2.1 滤波器.............................................................................................................190 7.2.2 双工器.............................................................................................................192 7.3 射频电缆........................................................................................................................193 7.3.1 射频同轴电缆.................................................................................................193 7.3.2 泄漏电缆.........................................................................................................199 7.4 无源器件指标及测试方法............................................................................................205 7.4.1 功分器指标及测试方法.................................................................................205 7.4.2 耦合器指标及测试方法.................................................................................210
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7.5 接头制作........................................................................................................................215 7.5.1 1/2”普通电缆接头制作 ...................................................................................215 第 8 章 GSM 直放站设备与测试 ..............................................................................................217 8.1 直放站简介....................................................................................................................217 8.1.1 直放站系统.....................................................................................................217 8.1.2 直放站的工作原理.........................................................................................218 8.1.3 直放站分类.....................................................................................................219 8.2 GSM 干线直放站 ...........................................................................................................219 8.2.1 GSM 干线直放站原理 ....................................................................................220 8.2.2 GSM 干线直放站设备介绍 ............................................................................223 8.2.3 GSM 干线直放站开通 ....................................................................................224 8.2.4 GSM 干线直放站调测 ....................................................................................239 8.2.5 GSM 干线直放站常见故障分析 ....................................................................244 8.3 GSM 无线直放站 ...........................................................................................................245 8.3.1 GSM 无线直放站原理 ....................................................................................246 8.3.2 GSM 无线直放站设备介绍 ............................................................................248 8.3.3 GSM 无线直放站开通 ....................................................................................251 8.3.4 GSM 无线直放站调测 ....................................................................................267 8.3.5 GSM 无线直放站常见故障分析 ....................................................................271 8.4 GSM 光纤直放站 ...........................................................................................................274 8.4.1 GSM 光纤直放站原理 ....................................................................................275 8.4.2 GSM 光纤直放站设备介绍 ............................................................................278 8.4.3 GSM 光纤直放站开通 ....................................................................................279 8.4.4 GSM 光纤直放站调测 ....................................................................................296 8.4.5 GSM 光纤直放站常见故障分析 ....................................................................303 8.5 GSM 移频直放站 ...........................................................................................................304 8.5.1 GSM 移频直放站原理 ....................................................................................304 8.5.2 GSM 移频直放站设备介绍 ............................................................................306 8.5.3 GSM 移频直放站开通 ....................................................................................312 8.5.4 GSM 移频直放站调测 ....................................................................................323 8.5.5 GSM 移频直放站常见故障分析 ....................................................................328
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8.6 GSM 数字射频拉远(GRRU) ....................................................................................330 8.6.1 GRRU 数字射频拉远系统组成......................................................................330 8.6.2 GRRU 数字射频拉远原理..............................................................................331 8.6.3 GRRU 数字射频拉远设备介绍......................................................................335 8.7 GSM 数字移频直放站 ...................................................................................................336 8.7.1 GSM 数字移频直放站原理 ............................................................................336 8.7.2 GSM 数字移频直放站设备介绍 ....................................................................340 8.7.3 GSM 数字移频直放站开通 ............................................................................342 8.8 GSM_ICS 干扰消除直放站 ...........................................................................................343 8.8.1 ICS 直放站原理...............................................................................................344 8.8.2 ICS 直放站设备介绍.......................................................................................345 8.9 GSM_NCS 噪声抑制直放站 .........................................................................................346 8.9.1 NCS 直放站原理 .............................................................................................346 8.9.2 NCS 直放站设备介绍 .....................................................................................348 第 9 章 监控 LMS.......................................................................................................................349 9.1 简介................................................................................................................................349 9.1.1 概述.................................................................................................................349 9.1.2 功能介绍.........................................................................................................351 9.2 操作指南........................................................................................................................356 9.2.1 通信方式的选择与设置.................................................................................356 9.2.2 配置文件的管理.............................................................................................358 9.2.3 定制设备参数.................................................................................................363 9.2.4 设备查询设置操作.........................................................................................364 9.2.5 设备上报的触发功能.....................................................................................365 9.2.6 信息记录功能.................................................................................................365 9.3 故障分析........................................................................................................................366 9.3.1 当输入正确的注册码后依然提示注册不成功 .............................................366 9.3.2 打开串口、初始化 Modem、设置 IP 方式或设置 GPRS 失败 ..................366 9.3.3 在设备管理树中看不到设备配置文件 .........................................................367 9.3.4 加载设备配置文件失败.................................................................................367 9.3.5 保存了操作信息或通信信息,但不知文件存放在哪里? ...........................367 9.4 附录................................................................................................................................367
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9.4.1 相关网站地址、技术支持.............................................................................367 9.4.2 用户注册.........................................................................................................367 9.4.3 License 说明 ....................................................................................................368 9.4.4 DCF 文件命名规范 .........................................................................................369 第 10 章 勘测仪器与软件...........................................................................................................370 10.1 勘测手机的使用..........................................................................................................370 10.1.1 NOKIA 3310/6110/6138 的使用 ...................................................................370 10.1.2 SAGEM 76/260 的使用.................................................................................374 10.2 路测软件使用..............................................................................................................376 10.2.1 Premier 的硬件连接 ......................................................................................376 10.2.2 Premier 软件测试的过程 ..............................................................................377 10.2.3 对测试数据进行分析...................................................................................383 10.3 GPS 的使用 ..................................................................................................................384 10.3.1 菜单介绍.......................................................................................................384 10.3.2 面板功能键简介...........................................................................................385 10.3.3 名词解释.......................................................................................................386 10.3.4 GPS 的使用 ...................................................................................................386 第 11 章 制图软件简介...............................................................................................................392 11.1 Microsoft Visio 2003 介绍............................................................................................392 11.1.1 绘制平面布置图 ...........................................................................................392 11.1.2 绘制系统原理图 ...........................................................................................399 11.1.3 Microsoft Visio 2003 的学习 .........................................................................399 11.2 Auto CAD 软件基本操作介绍.....................................................................................400 11.2.1 基本平面图形绘图 .......................................................................................400 11.2.2 Auto CAD 绘图举例......................................................................................403 11.2.3 Auto CAD 常用快捷键..................................................................................404 第 12 章 室内覆盖系统设计.......................................................................................................406 12.1 概述..............................................................................................................................406 12.2 室内覆盖设计流程......................................................................................................409 12.3 室内覆盖设计规范...................................................................................................... 411 12.3.1 站点勘测....................................................................................................... 411 12.3.2 室内覆盖系统设计依据 GSM 系统原则 ....................................................414 12.3.3 室内分布方式的确定...................................................................................414
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12.3.4 室内天馈系统设计.......................................................................................415 12.3.5 设计分析.......................................................................................................417 12.3.6 工程材料及工程费用预算...........................................................................421 12.3.7 室内分布工程的评估...................................................................................421 12.4 室内 3G 改造介绍.......................................................................................................421 12.4.1 TD-SCDMA 与 GSM 合路改造 ...................................................................421 12.4.2 WCDMA 系统的改造 ...................................................................................427 第 13 章 小区覆盖设计...............................................................................................................428 13.1 小区覆盖系统..............................................................................................................428 13.1.1 概述...............................................................................................................428 13.1.2 解决方案.......................................................................................................428 第 14 章 工程实施.......................................................................................................................435 14.1 施工管理和流程控制..................................................................................................435 14.1.1 施工管理.......................................................................................................435 14.1.2 施工流程控制步骤.......................................................................................436 14.1.3 工程实施流程...............................................................................................439 14.2 施工规范......................................................................................................................441 14.2.1 室内分布系统工程施工规范 .......................................................................441 14.2.2 室外工程施工规范.......................................................................................451 14.3 现场物料管理..............................................................................................................455 14.4 小结..............................................................................................................................456 附录 1 ...........................................................................................................................................457 附录 2 ...........................................................................................................................................464 附录 3…………………………………………………………………………………………… 485 大型方案设计…………………………………………………………………………… 485 1 背景介绍…………………………………………………………………………485 2 多系统合路覆盖可行性分析……………………………………………………485

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第1章 通信技术
通信是电子技术的首批实践应用领域之一。今天通信领域已经取得了巨大的发 展。从光纤、卫星电视到传真设备和蜂窝电话,通信系统的发展仍然保持在电 子技术的最前沿。恐怕其他任何一个科学技术都不可能像通信这样对人类的生 活产生如此重大而又意义深远的影响。

1.1 信息与信号
在通信中,通常把语言和声音、音乐、文字和符号、数据、图像等统称为消息 (Message)。这些消息所给予收信者的新知识称为信息(Information) 。这些非电 形式的消息可以变换成相应的电信号。电信号通常分为模拟信号和数字信号两 大类。 如果收信者对传给他(她)的消息或信号事前一无所知,则这样的消息或信号 对收信者而言包含有较多的信息,反之,收信者事前已知的消息或信号就无任 何信息可言。因此,有必要对一个消息或信号所载荷的信息量予以度量。

1.1.1 信息量
信息量可用它所表示事件的发生概率 P (Probability)的倒数之对数来度量:

?1? I = log10 ? ? = ? log10 P = ? lg P ?P?
若对数以 2 为底,则信息量的单位为比特(bit) 。

公式 1-1

假 设 二 进 制 码 元 序 列 中 “ 1 ” 和 “ 0 ” 出 现 的 概 率 各 为 50% ,

I ( P(1) = 1 / 2) = I ( P(0) = 1 / 2) = ? log 2 (1 / 2) = 1bit 那么码元“1”或“0”的
信息量都是 1 比特(bit) 。 传输信号的通道称为信道。信道中每秒钟所传输的信息量称为信息传输速率。 、Mb/s(106 bit/s) 、Gb/s(109bit/s) 、 信息传输速率的单位是 bit/s、kb/s(103 bit/s)
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Tb/s(1012 bit/s)等。

1.1.2 模拟信号
模拟信号是指某一电参量(如幅度、频率、相位)在一定的取值范围内连续变 化的信号,如话筒产生的话音电压信号,摄像机产生的图像电流信号等。 模拟信号通常是时间连续函数,也有时间离散函数(时间离散函数:关于时间 域上取一系列不连续值的函数)的情况。无论时间上是否连续,模拟信号的取 值一定是连续的, 即在一定的取值范围内,可有无限多个取值。最简单的模拟 信号如图 1-1 所示,图 1-2 为时间离散的模拟信号。

图 1-1 连续模拟信号

图 1-2 离散模拟信号

1.1.3 数字信号
模拟信号的结构比较复杂,易受外界干扰,所占用的带宽较窄。数字信号是指 某一电参量在一定的取值范围内跳跃变化,仅有有限个取值的信号,如电报信 号、数据信号、遥测指令等。图 1-3 是二进制数字信号示意图。

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图 1-3 数字信号

数字信号结构简单,抗干扰性强,易整形和再生,所占用的带宽较宽。

1.2 通信系统原理
任何一个通信系统都是将信息从信号源通过一个传输通道送到目的地。现代通 信技术在发送端以发射端用户终端设备将作为信源的消息转换成电信号,并令 其经信道传送到远方的接收端,接收端用户终端设备再从所接收信号中还原出 受信消息(信宿) 。

1.2.1 通信系统的结构
上述通信流程,可用图 1-4 所示一个单向通信系统的基本模型表示。它由信源 (即消息源) 、发送变换器(发送终端) 、信道、接收变换器(接收终端)和信 宿(收信者)等五部分组成。通信过程中的失真和差错一律相当于进入信道的 噪声。

图 1-4 通信原理模型图

通常,通信具有双向和双工的属性。因此,两端的用户终端设备同时具有发送 和接收功能,而连接两用户终端的信道也同时具有双向传送功能。 此外,为了高效地利用信道资源,以较少的信道为较多的用户服务,信道的两 端应包括具有用户信号汇集、转接和分配功能的交换设备。这样的包括全部通
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信设备和设施的端到端消息传送系统称之为通信系统。 一个实际的通信系统往往由终端设备、交换设备和传输系统或链路三大部分组 成。 1 终端设备

终端设备除完成消息和信号的相互转换功能外,还应该有产生、识别和处理信 令(按某种协议控制交换连接的信号)以及信道适配的功能。不同的通信业务 有不同的终端设备,如电话业务的终端设备电话机,传真业务的传真机,数据 业务的数据终端机等。 2 交换设备

交换设备是现代通信网的核心,其基本功能是汇集、转接和分配用户信号,实 现用户间的选择性连接和自由通信。 3 传输系统和传输网

传输系统或链路是连接交换节点,提供传输信号通道(Path)的系统,通常由置于 系统两端的传输终端设备、通信线路和间插在线路中,补偿线路衰耗,延长传 输距离的中继器组成。 由通信系统或链路按一定的层次连接各级枢纽节点和分支节点以及终端节点所 构成的网络称为传输网。不同层次传输网的组织结构和装备有所不同。 覆盖一个地区,连接区内各级交换节点的传输网称为本地中继传输网(Trunk network) 。 覆盖若干地区或全国,连接各地区中心汇接节点和其上级汇接节点的传输网称 之为骨干传输网(Backbone network)。 处于用户和端局之间,接入用户,汇集用户信号, 扩展端局覆盖的传输网和相 关设施称为接入网。

1.2.2 通信系统的分类
通信系统可按所用的传输媒介、信源的种类、所传信号的属性、结构和复用 方式等特征进行分类。 按传输媒介分有:有线通信系统(包括铜双绞线和电缆,光纤和光缆等)和无 线通信系统(包括微波和卫星通信链路, 无线本地环路 WLL 等) 。
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按信源的种类即业务类别分有:电话通信系统,计算机(数据)通信系统和图 像或多媒体通信系统等。 按传输信号属性分有:电气通信系统,光通信系统等。 按信号的结构分有:模拟通信系统,数字通信系统和分组数据通信系统等。 按复用方式分有:频分复用(FDM)系统,时分复用(TDM)系统和码分复用 (CDM)系统等。 按数字系列和技术体制分有:异步数字系列(PDH) ,同步数字系列(SDH)和 异步转移模式(ATM) ,互连网(Internet or IP)等通信系统。

1.3 模拟信号数字化
模拟信号结构比较复杂、易受外界干扰和占用带宽较窄等属性使模拟通信系统 具有设备复杂,抗干扰性差,噪声沿线累积,复用方式落后等先天性缺点,但 因其带宽利用率高而在带宽资源受限的铜缆传输时代,成为主要的通信系统。 数字信号结构简单,抗干扰性强,易整形、再生和占用带宽较宽等属性虽然使 数据通信系统,特别是基于二进制的系统具有设备简单,抗干扰性好,噪声不 沿线累积,复用方式先进和灵活多样,易加密,安全可靠等先天性优点,但因 其带宽利用率低而在带宽资源受限的铜缆传输时代,难以成为主要的通信系统。 自 20 世纪 80 年代以来,模拟信号数字化技术,数字处理技术,数字集成电路 技术已十分成熟,特别是光纤通信技术的发展和广泛应用突破了带宽资源的瓶 颈,以及因特网日益深入社会生活,迎来了数据通信的辉煌时代,也宣告了模 拟通信时代的结束。 我国已基本完成了通信系统的数字化,除固定电话话机和电视终端以及把它们 接入网络的用户线尚以模拟技术为主外,交换、传输、网管等通信主要设施均 已全部数字化。

1.3.1 模拟通信和数字通信
现代通信所使用的许多信号都是数字式的。另外,数字技术也常用于模拟信号 的传输。对信号进行数字化通常可以改良传输质量、减小信号失真并且提高信
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噪比。 数字系统也会受到噪声和失真的影响,但是和模拟系统相比却可以将这些不良 影响很大程度减小。 数字通信系统另外一个优势就是便于使用多路技术以及交换技术。对数字信号 采用时分多路复用技术非常简单,并且可以将不同类型的信号(例如话音信号 和数据信号)利用一个信道进行多路传输。 数字通信系统惟一的一个缺点就是非常复杂并且需要大量的传输带宽。大规模 的集成电路的出现取代了复杂的电路从而降低了数字系统的技术难度,同时高 效的数据压缩技术以及光纤大容量传输介质的使用正逐渐使带宽问题得到了解 决。因此总的来说,数字传输技术的优势要胜过劣势。

1.3.2 话音的脉冲编码调制(PCM)技术
话音和图像信号都是连续变化的模拟信号,把它们数字化是现代通信网络支持 各种通信业务的基础。 模拟信号数字化必须经过三个过程,即抽样、量化和编码。现以实现话音数字 化的脉冲编码调制(PCM,Pulse Coding Modulation)技术为例简要说明如下: 1. 抽样(Samping)

抽样是把模拟信号以其信号带宽 2 倍以上的频率提取样值,变为在时间轴上离 散的抽样信号的过程。 2. 量化(quantizing)

抽样信号虽然是时间轴上离散的信号,但仍然是模拟信号,其样值在一定的取 值范围内,可有无限多个值。显然,对无限个样值一一给出数字码组来对应是 不可能的。为了实现以数字码表示样值,必须采用“四舍五入”的方法把样值 分级“取整” ,使一定取值范围内的样值由无限多个值变为有限个值。这一过程 称为量化。 3. 编码(Coding)

量化后的抽样信号在一定的取值范围内仅有有限个可取的样值,且信号正、负 幅度分布的对称性使正、负样值的个数相等,正、负向的量化级对称分布。把 量化的抽样信号变换成给定字长的二进制码流的过程称为编码。
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1.4 噪声与通信
通信系统中的噪声既可以来源于传输信道,也可以来自于通信设备。噪声通常 是随机的,形式多样的,它的出现干扰了正常信号的传输和通信的进行。噪声 不能完全被避免,但是可以通过各种手段减少损失,比如减小信道带宽,增加 传输功率,或者对衰减的信号进行低噪声放大。 噪声通常分为两类:内部噪声和外部噪声。内部噪声指包括通信设备在内所带 来的噪声。外部噪声主要是指信号在信道中进行传输时所引入的噪声。

1.4.1 外部噪声
在无线电传输中,噪声来源于很多方面。读者一定熟悉收听 AM 广播时户外的 雷电所带来的干扰。 1 设备噪声

是指一些产生电火花的设备所带来的噪声。比如汽车发动机或者电刷的电动机。 任何电压或电流的瞬时增大都会产生干扰,电灯调光器和计算机所产生的噪声 就属于这种类型。 设备噪声具有很宽的频谱,但是在频带范围内的功率却呈现不均匀分布。这种 类型的干扰对低频影响较严重。 2 大气噪声

大气噪声的主要因素──闪电是由静电造成的,因此大气噪声也常被称为静电。 这样的干扰可以在空间传播很远的距离,其能力分布可以从低频到几兆赫,很 显然,对于这种干扰不适合在噪声源采取措施。但是大气噪声突发性强,会在 很短时间内突然爆发,而且两次爆发之间有很长的时间间隔,功率峰值与平均 值的比值非常高,因此可以利用这个规律制造相应电路,仅在噪声突发的极短 时间内关闭接收部分,这样通信条件可以得到大大改善。 3 宇宙噪声

太阳作为一个强大的辐射源,占有非常宽的频率范围,也包括无线电频率。其 他恒星也具有辐射干扰,一般称为宇宙、星际或太空噪声。宇宙噪声对于较高 频率的影响非常重要,这是因为对于较低频率的影响主要是大气噪声,而宇宙
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噪声的低频部分在穿越地球大气层时已经被上层大气吸收了。

1.4.2 内部噪声
所有的电子器件和电气设备都会产生噪声,无论是无源器件(例如电阻器和电 缆)还是有源器件(例如二极管、晶体管和真空管)都可能成为噪声来源。下 面对一些噪声类型进行介绍,首先是重要的热噪声。 1 热噪声

热噪声是因为大量自由电子在导体中由于热能而随机运动(布朗运动)所产生 的。热噪声由于在电子电路中随处可见,所以“噪声”这个词经常单指这种类 型的噪声。根据热噪声的物理性质可以看出,它服从高斯分布,因为它满足中 心极限定理的条件。根据分析和测量表明,在从直流到微波的频率范围内,电 阻或导体的热噪声具有均匀的功率谱密度。 导体的噪声功率可以用一个温度函数表示,方程式如下:

PN = KTB

公式 1-2

;K 是玻耳兹曼(Boltzmann)常数,数 式中,PN 是噪声功率,单位为瓦(W) ;T ;B 值为 1.38×10-23(J/K) 是热噪声源的绝对温度,单位为开(K) 是噪声功 率带宽,单位为赫(Hz) 。 只要是在绝对零度以上,所有导体和电阻器都存在热噪声功率,我们可以降低 温度或减少电路带宽的方法对其进行抑制。 2 噪声电压

通常我们对噪声的研究更多的是电压而不是功率。前面已经介绍过,噪声功率 仅与带宽和温度有关。一个带阻抗电路的功率方程如下:

P=
对其进行变换还可以得到

V2 R

公式 1-3

V 2 = PR
V = PR
公式 1-4

公式 1-4 说明噪声电压不仅和温度、带宽有关,也和阻抗的大小有关。
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3

散弹噪声

散弹噪声和热噪声的功率谱相类似,在带宽内的每一个频率都有相等的能量分 布,频率范围从直流一直到 GHz,但是它和热噪声的产生的物理过程却不相同。 散弹噪声是由于诸如电子管、晶体管和半导体二极管等有源设备中的电流随机 变化而引起的。随机变化的原因是由于电流实际上是由大量的运载介质组成, 其中每一个介质都携带了一定量的电荷。从这个方面电流也可以看作为一连串 的脉冲,而每个电子所携带的电荷都产生脉冲。

1.4.3 信噪比
在模拟系统中,由于噪声的影响使我们无法收看或收听所接收到的信号,更为 严重的时候,信号根本无法使用。在数字系统中,噪声的存在增加了误码率, 在另外一些情况下,我们真正关心的不是噪声量的多少,而是噪声与有用信号 之间的比例关系。换句话说就是信号与噪声功率的比值要远比噪声功率这个值 重要。这就引出了信噪比的概念,缩写形式为 S/N,常用分贝来表示,对于任何 通信系统,信噪比都是一个最重要的性能参数。

1.4.4 噪声系数
在前面的学习中,我们已经知道所有的导体都产生热噪声,而且有源的设备在 通信过程中会加入自身噪声,因此可以说在通信系统的任何阶段都可能会有噪 声引入。以放大器为例,会把输入的信号和噪声同时放大,而在这个过程中还 会引入放大器的自身噪声,因此输出端的信噪比显然要小于输入端的信噪比。 噪声系数(简写 NF,或者有时仅用 F 来表示)是一个品质因数,表明了信号在 系统的一部分、一段或一系列传输过程中传输时信噪比的减少情况。噪声系数 定义为:

nf =

(s / n )i (s / n )o

公式 1-5

式中, (S/N)i 是输入信号和噪声的功率比;(S/N)o 是输出端信号和噪声的功率 比。
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通常信噪比和噪声系数都用分贝的形式表示,对于这种情况,有如下方程式:

NF (dB) = 10 * lg(nf ) = 10 * lg(s / n) i ? 10 * lg(s / n) o = (S / N )i ? (S / N )o
公式 1-6

噪声系数有时候也称为噪声因子。为方便使用,对于公式 1-5 比值一般称为噪声 比率(NR) ,而噪声系数这个术语则专门用来表示公式 1-6 中的分贝值。

1.5 时域与频域
信号可以利用频域系统进行分析,在频域坐标系中两个参照坐标分别为频率、 振幅或信号电平伏值,频谱分析仪就是用频域的方法表示信号的。 任何信号都可以利用频域和时域的方法来表示。图 1-5 就是一个频率为 1kHz 的 正弦波的时域和频域图。

图 1-5 正弦波在时域和频域的波形

1.5.1 滤波器对信号的影响
我们可以看到,大多数信道的带宽在理论上是无限的。对信道频率响应的限制 去除了一些频谱分量使得信号在时域出现失真。一般而言,带宽越宽效果也越 佳,但是有限带宽信号也可以获得满意效果。这个结论是非常有意义的,因为 在实际系统的应用中信道带宽总是要受到限制的。

1.6 频谱分析
通过本章的学习,我们了解了以下两种处理信号的方法:时域分析法和频域分 析法。普通示波器可以显示电压随时间变化的波形,有助于我们对信号的时域
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进行分析。这时就会产生一个问题:是否应该有一个类似设备可以显示电压(或 功率)随频率变化的波形,以方便我们对信号进行频域分析呢? 问题的答案是肯定的,频谱分析仪就是这样的设备。相关频谱分析仪的使用会 将在后面的章节中介绍。

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1.7 频带宽度表示法
1.7.1 绝对带宽
在射频通信电路设计中,经常涉及频带宽度的问题。例如,在带通或带阻滤波 电路的设计中,需要给出对频带宽度的描述。带宽 BW(Band Width)可以根据 高端截止频率 f H 和低频截止频率 f L 定义为

BW (Hz ) = f H ? f L

公式 1-7

采用绝对带宽表示时,带宽 BW 的量纲为 Hz。例如,某射频放大电路的工作频 率范围为 1~2GHz,则带宽为 1GHz;PAL 制式的电视广播的图像信号带宽为 6MHz。通常以赫兹作为单位表示的带宽是指绝对带宽。

1.7.2 相对带宽
采用绝对带宽表示时,不仅需要指出带宽的数值,还需要指出具体中心频率。 例如,带宽同样为 BW=100MHz,中心频率分别为 fc1=3GHz 和 fc2=300MHz,在 放大电路的设计上存在较大的差异。如果只给出带宽 BW 而不给出中心频率 fc, 则不能完全反映带宽的含义。因此在射频电路的设计中,使用相对带宽的概念 较为方便。 相对带宽常用的表达式有两种,百分比法和倍数法。采用相对带宽表示时,带 宽是无量纲的相对值。百分比法定义为绝对带宽占中心频率的百分数,用 RBW (relatively band width)表示为

RBW =

fH ? fL BW × 100% = × 100% fC fC

公式 1-8

其中 fc 为中心频率。倍数法定义为高端截止频率 fH 与低端截止频率 fL 的比值。

1.7.3 窄带和宽带
窄带和宽带是一个相对的概念,没有十分严格的定义。一般根据相对带宽来定
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义带宽,而不使用绝对带宽来定义。通常认为当相对带宽达到一个倍频程以上, 则属于宽带。如果相对带宽在一个倍频程以内,则属于窄带。

1.8 分贝表示法
1.8.1 对数的复习
对数(log)是指计算底数经过几次乘幂以后可以达到所给定的某个数字。

log a y = x ? a x = y

公式 1-9

虽然任何大于 0 且不等于 1 的数字都可以用做底数,但是在分贝计算中的底数 是 10,即 a=10,这种以 10 为底数的对数称为常用对数,一般缩写 lg。对数计 算的一些性质:

lg ab = lg a + lg b
lg a = lg a ? lg b b

lg a b = b lg a
1.8.2 分贝
分贝就是用对数方法表示两个功率电平的比值。令 P1 和 P2 分别表示两个功率, 两者之间的分贝差表示:

P P2 (dB) = 10 lg 2 P1 P1
问题:根据以下条件计算出 P1 和 P2 的比值,用分贝形式表示。 (a) P1=2W ,P2=3W (b) P1=3W ,P2=2W 1 用分贝表示增益和损耗

公式 1-10

对于某一设备来说,如果 Po 是输出功率,Pi 是输入功率,那么功率增益的分贝 表示方程式是

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AP (dB) = 10 lg

Po Pi

公式 1-11

如果结果为负值的话就说明输出功率小于输入功率,该设备中存在功率损耗。 问题:已知某放大器的输入功率为 100mW,输出功率 4W。用分贝形式表示出 该放大器的增益。 问题:已知某衰减器的损耗为 26dB,如果输入功率为 2W,计算出输出功率。 2 参考功率电平的使用:dBm,dBW,dBf

分贝表示了两个功率电平之间的比值,但从物理上并不需要实际存在两个信号。 我们可以将电路中的功率与 1mW 进行比较,此时电路中并不是存在具体的 1mW 。这种表示功率的方法称为 dBm 形式。

P (dBm) = 10 lg

P 1mW

公式 1-12

在射频信号和音频信号情况下对功率进行测量时通常用 dBm 表示。 问题:用 dBm 的形式表示 0.5W 的功率电平。 值得注意的是,公式 1-12 中的比值必须是无量纲的,也就是说如果所给的功率 电平单位是其他单位而不是 mW 的话,就应当在进行对数计算之前先将其转换 为 mW。 如果方便,可以使用其他的参考功率电平,其中常见的有 fW 和 W。

P(dBf ) = 10 lg

P 1 fW P 1W

公式 1-13

P(dBW ) = 10 lg
3 有关分贝的计算

公式 1-14

(1)分贝增益相加。 已知增益分别为 20dB 和 10dB 的两个放大器通过损耗为 4dB 的传输线相连,该 系统增益为 20-4+10=26dB

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(2)dBm 形式表示的功率可以直接和以分贝形式表示的增益相加,这样得到的 输出功率和输入功率的单位相同。 例:如上例所示系统的输入信号功率电平值为-12dBm,则输出功率为: Po=-12dBm+26dB=14dBm (3)转换参考电平 问题:将 dBW 转换为 dBm。 4 分贝和电压

以上问题面对的都是功率比值,当对电压进行比较的时候,电压比值就是功率 比值的平方,前提是信号电压作用的阻抗相同。如下图:

输入阻抗与负载阻抗都是 50Ω,于是有

Po ? Vo ? =? ? Pi ? Vi ? ? ?

2

公式 1-15

由于对数存在运算关系,可以推出

lg a b = b lg a
根据公式 1-11 可以得出

公式 1-16

A p (dB ) = 20 lg

Vo Vi

公式 1-17

上式成立的条件是两个电压所作用的阻抗相等, 我们可以确定电压的增益的分贝 表示为:

AV (dB ) = 20 lg

Vo Vi

公式 1-18

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显然只有阻抗相等时, A p (dB ) 与 AV (dB ) 相等,实际上很少有这种情况。 和功率一样,利用分贝也可以将电压与参考电平进行比较,如

V (dBmV ) = 20 lg
问题:

V 1mV

公式 1-19

已知某有线电视信号的振幅电压为 3mV,阻抗为 75Ω。分别计算出:
2

(a)dBmV, (b)dBm(利用 P = V / R ) 问题: 证明当阻抗为 50Ω,0dBm=107dBuV(思考题) 5 分贝的测量

分贝仅是用对数形式表示功率和电压的比值,因此进行测量时并不需要使用专 用设备。利用常用方法测得功率或电压,然后换算后得到分贝值。另外,很多 仪表也可以直接读出分贝值。当然这些仪表也必须有基准参考量。如 RF 表则使 用 50Ω阻抗或有时使用 75Ω阻抗。

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1.9 传输线理论
随工作频率的升高,电磁波的损耗不断加大。当电磁波的波长与射频电路的几 何尺寸可比拟时,必须考虑电路中电压和电流随空间位置的变化,需要把电压 和电流看作传输的波来处理。因此射频电路不能直接利用基尔霍夫定律进行电 路分析,必须使用传输线理论取代电路理论。

1.9.1 传输线种类
传输线是用来传输电磁能量的装置,用来连接信号源和负载。在传输线的引导 下,电磁能量能够沿一定的方向传播。传输线按其传输电磁波的特性,可分为: 横电磁模式(TEM) 、横电波(TE)模式和横磁波(TM)模式。在微波电路中, 圆柱波导和矩阵波导都工作在 TE 或 TM 模式, 可以作为传输线使用。 或 TM TE 模式的传输线设计都非常复杂,需要很多电磁场的专业知识。 1 双线传输线

双线传输线是典型的工作在 TEM 模式的传输线,在众多场合中得到广泛应用。 图 5-7 给出了平行双线传输线的基本结构,平行双线传输线由两根半径为 a、相 距为 D 的圆柱导体构成。由于平行双线传输线是一个开发的系统,随着工作频 率的升高,会向外辐射更多的电磁能量,也更易受到外界电磁信号的干扰,所 以不适合传输频率很高的电磁波。为了减少双线传输线电磁能量的辐射,可以 在两个导体周围添加高介电常数的介质,将电磁场集中在导体附件。

图 1-6 双传输线的结构

固定电话机使用的电话线、计算机的 USB 延长线和电子设备的电源线等都可以 看作是平行双线传输线的结构。
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2

同轴线

同轴线是一种常用的工作在 TEM 模式的传输线,其结构有些类似于低频电路使 用的单芯屏蔽线,但是几何尺寸和材料的要求都更严格。同轴线通常由内导体、 介质和外导体构成,典型的同轴线结构如图 5-8 所示。 同轴线通常外导体直接接 地,电磁场被限制在内导体和外导体之间,可最大限度地降低传输线的电磁辐 射,也屏蔽了外界电磁场的干扰。

图 1-7 同轴线传输线的结构

由于同轴线良好的信号传输性能,因此得到了非常广泛应用。例如,射频信号 源、射频功率计、频谱分析仪和网络分析仪等射频设备都使用同轴线作为连接 装置。 3 微带传输线

微带传输线的典型结构如图 5-9 所示, 由金属导带和金属底板构成了一个双导体 的传输线,电磁能量会沿着金属导带传输。在微带传输线中,电磁场主要集中 在金属导带和金属底板之间的区域。如果使用高介电常数的介质基板,只有较 少的电磁能量会被泄漏出来。微带线适合传输功率较低的射频信号。如果需要 传输大功率的射频信号,通常需要使用同轴传输线或者平行板传输线。

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图 1-8 微带线传输线的结构

在射频电路设计中,基于微带传输线的结构可以在印刷线路板上构成无源电抗 元件。

1.9.2 传输线等效电路
利用基尔霍夫定律可以非常方便地获得电路中电压和电流的关系,但是当传输 线的长度可以和工作波长比拟时,基尔霍夫定律就不再适用了。如果把一根传 输线分解为很多小段的传输线,每一小段的长度都远远小于工作波长,则在每 一小段传输线上可以应用基尔霍夫定律。每段传输线都可以使用统一的等效电 流来表示,这种等效电路反映了传输线的特性,称为传输线的等效电路。

1.9.3 传输线方程
传输线方程是建立在传输线等效电路基础上的一组微分方程,描述了传输线上 电压和电流的变化规律以及两者的相互关系。

1.9.4 特性阻抗定义
为了描述传输线正向传输波和反向传输波电压和电流之间的关系反映传输线本 身的特征,通常定义

Z0 =

R + jωL G + jω C

公式 1-20

为传输线的特性阻抗,式中 G 为电导。 对于无耗传输线,满足条件 R=G=0,则传输线的特性阻抗 Z 0 简化为
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Z0 =

L C

公式 1-21

无线传输线的特性阻抗 Z 0 与频率 f 无关,只需要计算或者测量传输线单位长度 上的电感 L 和电容 C 就可以确定特征阻抗。 平行线的特征阻抗 Z 0 为:

Z0 =
同轴传输线的特征阻抗 Z 0 为:

120

εr

ln

D 2a

公式 1-22

Z0 =
式中ε为介电常数。

60

εr

ln

a b

公式 1-23

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第2章 移动通信系统
当今的社会已经进入了一个信息化的社会,没有信息的传递和交流,人们就无 法适应现代化的快节奏的生活和工作。人们期望随时随地、及时可靠、不受时 空限制地进行信息交流,提高工作的效率和经济效益。

2.1 移动通信简介
2.1.1 移动通信简史
移动通信可以说从无线电发明之日起就产生了。1897 年,马可尼所完成的无线 通信实验就是在固定站与一艘拖船之间进行的。而蜂窝移动通信的发展是在二 十世纪七十年代中期以后的事。 移动通信综合利用了有线、无线的传输方式,为人们提供了一种快速便捷的通 讯手段。由于电子技术,尤其是半导体、集成电路及计算机技术的发展,以及 市场的推动,使物美价廉、轻便可靠、性能优越的移动通信设备成为可能。现 代的移动通信发展至今,走过了两代,第三代现在正处于预商用阶段,部分国 家甚至推出了商用网络。 第一阶段是模拟蜂窝移动通信网。时间是本世纪七十年代中期至八十年代中期。 1978 年,美国贝尔实验室研制成功了先进移动电话系统(AMPS) ,建成了蜂窝 状移动通信系统。而其它工业化国家也相继开发出蜂窝式移动通信网。这一阶 段相对于以前的移动通信系统,最重要的突破是贝尔实验室在七十年代提出的 蜂窝网的概念。蜂窝网即小区制,由于实现了频率复用,大大提高了系统容量。 第一代移动通信系统的典型代表是美国的 AMPS 系统和后来的改进型系统 TACS,以及 NMT 和 NTT 等。AMPS(先进的移动电话系统)使用模拟蜂窝传 输的 800MHz 频带,在北美、南美和部分环太平洋国家广泛使用;TACS(总接 入通信系统)使用 900MHz 频带,分 ETACS(欧洲)和 NTACS(日本)两种 版本,英国、日本和部分亚洲国家广泛使用此标准。
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第一代移动通信系统的主要特点是采用频分复用,语音信号为模拟调制,每隔 30KHz/25KHz 一个模拟用户信道。第一代系统在商业上取得了巨大的成功,但 是其弊端也日渐显露出来: (1) 频谱利用率低 (2) 业务种类有限 (3) 无高速数据业务 (4) 保密性差,易被窃听和盗号 (5) 设备成本高 (6) 体积大,重量大 为了解决模拟系统中存在的这些根本性技术缺陷,数字移动通信技术应运而生, 并且发展起来, 这就是以 GSM 和 IS-95 为代表的第二代移动通信系统, 时间是 从八十年代中期开始。欧洲首先推出了泛欧数字移动通信网 (GSM)的体系。 随后,美国和日本也制订了各自的数字移动通信体制。数字移动通信网相对于 模拟移动通信,提高了频谱利用率,支持多种业务服务,并与 ISDN 等兼容。第 二代移动通信系统以传输话音和低速数据业务为目的,因此又称为窄带数字通 信系统。 第二代数字蜂窝移动通信系统的典型代表是美国的 DAMPS 系统、 IS-95 和欧洲 的 GSM 系统。 (1) GSM (全球移动通信系统) 发源于欧洲, 它是依据全球数字蜂窝通信的 TDMA 标准而设计的,支持 64Kbps 的数据速率,可与 ISDN 互连。GSM 使用 900MHz 频带, 使用 1800MHz 频带的称为 DCS1800。 GSM 采用 FDD 双工方式和 TDMA 多址方式,每载频支持 8 个信道,信号带宽 200KHz。GSM 标准体制较为完善, 技术相对成熟,不足之处是相对于模拟系统容量增加不多,仅仅为模拟系统的 两倍左右,无法和模拟系统兼容。 (2) DAMPS 先进的数字移动电话系统) ( 也称 IS-54 北美数字蜂窝)使用 800MHz ( , 频带, 是两种北美数字蜂窝标准中推出较早的一种, 指定使用 TDMA 多址方式。 (3) IS-95 是北美的另一种数字蜂窝标准,使用 800MHz 或 1900MHz 频带,指定 使用 CDMA 多址方式,已成为美国 PCS(个人通信系统)网的首先技术。 GSM 发展历程如下:
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1982 年,欧洲邮电行政大会 CEPT 设立了“移动通信特别小组”即 GSM,以开 发第二代移动通信系统为目标。 1986 年,在巴黎,对欧洲各国经大量研究和实验后所提出的八个建议系统进行 现场试验。 1987 年,GSM 成员国经现场测试和论证比较,就数字系统采用频分双工-窄带 时分多址(FDD-TDMA) 、规则脉冲激励-长期预测话音编码(RPE-LTP)和 高斯滤波最小频移键控(GMSK)调制方式达成一致意见。 1988 年,十八个欧洲国家达成 GSM 谅解备忘录(MOU)。 1989 年,GSM 标准生效。 该阶段标准称为 PH ASE I,主要定义了 900M 频段的技术标准。随着系统应用 日益广泛,需求不断增加,GSM 推出了:PHASE II 标准,它除了对 PHASE I 标准进行必要的修正和业务补充外,主要增加了 1800M 频段的技术标准; PHASEII+标准,主要增加了 GPRS 部分的内容。 1991 年,GSM 系统正式在欧洲问世,网路开通运行。移动通信跨入第二代。 由于第二代移动通信以传输话音和低速数据业务为目的,从 1996 年开始,为了 解决中速数据传输问题,又出现了 2.5 代的移动通信系统,如 GPRS 和 IS-95B。 移动通信现在主要提供的服务仍然是语音服务以及低速率数据服务。由于网络 的发展,数据和多媒体通信的发展势头很快,所以,第三代移动通信的目标就 是移动宽带多媒体通信。从发展前景看,由于自有的技术优势,CDMA 技术已 经成为第三代移动通信的核心技术。 为实现上述目标,对 3G 无线传输技术(RTT:Radio Transmission Technology) 提出了以下要求: (1) 高速传输以支持多媒体业务。 室内环境至少 2Mbps; 室内外步行环境至少 384kbps; 室外车辆运动中至少 144kbps; 卫星移动环境至少 9.6kbps。 (2) 传输速率能够按需分配。 (3) 上下行链路能适应不对称需求。
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第三代移动通信系统最早由国际电信联盟(ITU)于 1985 年提出,当时称为未 来 公 众 陆 地 移 动 通 信 系 统 ( FPLMTS , Future Public Land Mobile Telecommunication System) ,1996 年更名为 IMT-2000(International Mobile Telecommunication-2000) ,意即该系统工作在 2000MHz 频段,最高业务速率可 达 2000kbps,主要体制有 WCDMA、CDMA2000 和 TD-SCDMA。1999 年 11 月 5 日,国际电联 ITU-RTG8/1 第 18 次会议通过了“IMT-2000 无线接口技术规范” 建议,其中我国提出的 TD-SCDMA 技术写在了第三代无线接口规范建议的 IMT-2000 CDMA TDD 部分中。2009 年中国已经发放 3G 牌照正式商用。

2.1.2 移动通信特点
移动通信与固定点通信相比有以下特点: ⑴电波传播条件复杂 移动体位置不同而且移动体可能在各种环境中运动,电磁波在传播时会产生反 射、折射、绕射、衍射等现象,产生多径衰落、信号传播延迟和展宽等效应。 接收信号强度不同,严重影响通信质量,所以移动通信系统必须具有抗衰落能 力。 ⑵噪声和干扰严重 移动体周围一般有较强的人为噪声,如在城市环境中的汽车火花噪声、各种工 业噪声,还有同频电台之间的干扰,移动用户之间的互调干扰、邻道干扰、同 频干扰等。这要求移动通信系统具有强抗干扰和抗噪声能力。 ⑶多卜勒效应 移动体发出的信号频率随运动速度变化,所以移动通信系统应具有频率跟踪能 力。 ⑷移动性 保持物体在移动状态中的通信,因而它必须是无线通信,或无线通信与有线通 信的结合。移动通信系统应具有位置登记、越区切换和漫游访问等跟踪交换能 力。 ⑸系统和网络结构复杂 它是一个多用户通信系统和网络,必须使用户之间互不干扰,能协调一致地工
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作。此外,移动通信系统还应与市话网、卫星通信网、数据网等互连,整个网 络结构很复杂。 ⑹频带利用率高、设备性能好 由于存在系统间干扰等问题,频率资源属于有限不可再生的资源,移动系统要 求有非常高的频率利用率;移动通信设备工作环境通常较为复杂,温度、湿度、 供电环境有时无法达到理想的条件,因此对设备的稳定性提出了很高的要求; 移动终端要求能够支持多种业务,对功能和节能提出了较高的标准。 ⑺保密性 由于移动通讯的信号是在空中传播的,因此每个人都有可能接收到信号,这就 对系统的保密性能提出了较高的要求。

2.1.3 移动通信分类
移动通信有以下多种分类方式: 按使用对象可以分为民用设备和军用设备; 按使用环境可以分为陆地通信、海上通信和空中通信; 按多址方式可以分为频分多址、时分多址和码分多址; 按业务类型可以分为电话网、数据网和综合业务网; 按覆盖范围可以分为宽域网和局域网; 按工作方式可以分为同频单工、异频单工、异频双工和半双工; 按服务范围可以分为专用网和公用网; 按信号形式可以分为模拟网和数字网。

2.1.4 工作方式
无线通信的工作方式可分为单向通信方式和双向通信方式两大类别,而后者又 分为单工通信方式、双工通信方式和半双工通信方式三种。 1. 单向通信方式 所谓单向通信方式就是通信双方中的一方只能接收信号,而另一方只能发送信 号,不能互逆。收信方不能对发信方直接进行信息反馈。陆地移动通信系统中
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的无线寻呼系统就采用这种工作方式,BP 机(或称 BB 机)只能收信而不能发信。 2. 双向通信方式 (1) 单工通信方式 所谓单工通信就是指通信的双方只能交替地进行发信和收信,不能同时进行, 如图 2-1 所示。

图 2-1 单工方式通信

常用的对讲机就采用这种通信方式,平时天线与收信机相连接,发信机也不工 作。当一方用户讲话时,接通“按—讲”开关,天线与发信机相连(发信机开 始工作) 。另一方的天线接至收信机,因而可收到对方发来的信号。 (2) 双工通信方式(全双工通信方式) 所谓双工通信就是指移动通信双方可同时进行发信和收信。这时收信与发信必 须采用不同的工作频率,称为频分双工(FDD) 。用户使用时与“打电话”时的 情况一样。这时通信双方的设备一般通过双工器来完成这种功能。图 2-2 给出了 双工通信方式的示意图。

图 2-2 双工通信方式

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(3) 半双工通信方式 这种通信方式与双工通信相类似。其中一方使用双频双工通信方式,另一方 则使用双频单工方式,发信时要按下“按-讲”开关,如图 2-3 所示。

图 2-3 半双工通信方式

2.1.5 多址技术
多址技术即多用户共用公共的通信线路。使信号多路化并实现多址的方法基本 上有三种,频率、时间或代码分隔的多址连接方式,即人们通常所称的频分多 址(FDMA) 、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)三种接入方式。图 2-4 用模型表示了这三种方法简单的一个概念。

图 2-4 各种多址技术

FDMA 是以不同的频率信道实现通信的,TDMA 是以不同的时隙实现通信的, CDMA 是以不同的代码序列实现通信的。 1 频分多址(FDMA)

频分,有时也称之为信道化,就是把整个可分配的频谱划分成许多单个无线电 信道(发射和接收载频对) ,每个信道可以传输一路话音或控制信息。在系统的 控制下,任何一个用户都可以接入这些信道中的任何一个。
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模拟蜂窝系统是 FDMA 结构的一个典型例子,数字蜂窝系统中也同样可以采用 FDMA,只是不会采用纯频分的方式,比如 GSM 系统就采用了 FDMA。 2 时分多址(TDMA)

时分多址是在一个宽带的无线载波上,按时间(或称为时隙)划分为若干时分 信道,每一用户占用一个时隙,只在这一指定的时隙内收(或发)信号,故称 为时分多址。 此多址方式在数字蜂窝系统中采用, GSM 系统也采用了此种方式。 TDMA 是一种较复杂的结构,最简单的情况是单路载频被划分成许多不同的时 隙,每个时隙传输一路猝发式信息。TDMA 中关键部分为用户部分,每一个用 户分配给一个时隙(在呼叫开始时分配) ,用户与基站之间进行同步通信,并对 时隙进行计数。当自己的时隙到来时,手机就启动接收和解调电路,对基站发 来的猝发式信息进行解码。同样,当用户要发送信息时,首先将信息进行缓存, 等到自己时隙的到来。在时隙开始后,再将信息以加倍的速率发射出去,然后 又开始积累下一次猝发式传输。 3 码分多址(CDMA)

码分多址是一种利用扩频技术所形成的不同的码序列实现的多址方式。它不像 FDMA、TDMA 那样把用户的信息从频率和时间上进行分离,它可在一个信道 上同时传输多个用户的信息,也就是说,允许用户之间的相互干扰。其关键是 信息在传输以前要进行特殊的编码,编码后的信息混合后不会丢失原来的信息。 有多少个互为正交的码序列,就可以有多少个用户同时在一个载波上通信。每 个发射机都有自己唯一的代码(伪随机码) ,同时接收机也知道要接收的代码, 用这个代码作为信号的滤波器,接收机就能从所有其他信号的背景中恢复成原 来的信息码(这个过程称为解扩) 。

2.1.6 蜂窝技术
移动通信的飞速发展一大原因是发明了蜂窝技术。移动通信的一大限制是使用 频率资源比较有限,这就限制了系统的容量,为了满足越来越多的用户需求, 必须要在有限的频率范围尽可能大地提高它的利用率,除了采用前面介绍过的 多址技术等以外,还发明了蜂窝技术。那么什么是蜂窝技术呢?

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移动通信系统是采用一个叫基站的设备来提供无线服务范围的。基站的覆盖范 围有大有小,我们把基站的覆盖范围称之为蜂窝。采用大功率的基站主要是为 了提供比较大的服务范围,但它的频率利用率较低,也就是说基站提供给用户 的通信通道比较少,系统的容量也就大不起来,对于话务量不大的地方可以采 用这种方式,我们也称之为大区制。采用小功率的基站主要是为了提供大容量 的服务范围,同时它采用频率复用技术来提高频率利用率,在相同的服务区域 内增加了基站的数目,有限的频率得到多次使用,所以系统的容量比较大,这 种方式称之为小区制或微小区制。下面我们简单介绍频率复用技术的原理。 1 频率复用的概念

在全双工工作方式中,一个无线电信道包含一对信道频率,每个方向都用一个 频率作发射。在覆盖半径为 R 的地理区域 C1 内呼叫一个小区使用无线电信道 F1,也可以在另一个相距 D、覆盖半径也为 R 的小区内再次使用 F1。 频率复用是蜂窝移动无线电系统的核心概念。在频率复用系统中,处在不同地 理位置(不同的小区)上的用户可以同时使用相同频率的信道(见图 2-5) ,频 率复用系统可以极大地提高频谱效率。但是,如果系统设计得不好,将产生严 重的干扰,这种干扰称为同信道干扰。这种干扰是由于相同信道公共使用造成 的,是在频率复用概念中必须考虑的重要问题。 2 频率复用方案

可以在时域与空间域内使用频率复用的概念。在时域内的频率复用是指在不同 的时隙里占用相同的工作频率,叫做时分多路(TDM) 。在空间域上的频率复用 可分为两大类: 1、两个不同的地理区域里配置相同的频率。例如在不同的城市中使用相同频率 的 AM 或 FM 广播电台。 2、在一个系统的作用区域内重复使用相同的频率——这种方案用于蜂窝系统 中。蜂窝式移动电话网通常是先由若干邻接的无线小区组成一个无线区群,再 由若干个无线区群构成整个服务区。为了防止同频干扰,要求每个区群(即单 位无线区群)中的小区,不得使用相同频率,只有在不同的无线区群中,才可 使用相同的频率。单位无线区群的构成应满足两个基本条件: 若干个单位无线区群彼此邻接组成蜂窝式服务区域
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邻接单位无线区群中的同频无线小区的中心间距相等 一个系统中有许多同信道的小区, 整个频谱分配被划分为 K 个频率复用的模式, 即单位无线区群中小区的个数,如图 2-5 所示,其中 K=3、4、7,当然还有其它 复用方式,如 K=9、12 等。

图 2-5 小区复用方式

3

频率复用距离

允许同频率重复使用的最小距离取决于许多因素,如中心小区附近的同信道小 区数,地理地形类别,每个小区基站的天线高度及发射功率。 频率复用距离 D 由下式确定:

D = 3K R
其中,K 是图 2-5 中所示的频率复用模式。则 D=3.46R D=4.6R K=4 K=7

公式 2-1

如果所有小区基站发射相同的功率,则 K 增加,频率复用距离 D 也增加。增 加了的频率复用距离将减小同信道干扰发生的可能。 从理论上来说,K 应该大些,然而,分配的信道总数是固定的。如果 K 太大, 则 K 个小区中分配给每个小区的信道数将减少,如果随着 K 的增加而划分 K 个小区中的信道总数,则中继效率就会降低。同样道理,如果在同一地区将一 组信道分配给两个不同的工作网络,系统频率效率也将降低。 因此,现在面临的问题是,在满足系统性能的条件下如何得到一个最小的 K 值。
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解决它必须估算同信道干扰, 并选择最小的频率复用距离 D 以减小同信道干扰。 在满足条件的情况下,构成单位无线区群的小区个数 K= i2 + ij + j2(i、j 均为正 整数, 其中一个可为零, 但不能两个同时为零) 取 i = j = 1, , 可得到最小的 K 值 为 K=3(见图 2-5)

2.1.7 频段划分
无线电通信是传递信息的重要手段,为全社会提供着各类信息传递服务,但是 无线电频率是不可再生资源,频段的使用必须由国家无线电主管部门划分和分 配。 我国移动通信使用频段的规定如下 150 MHz:138 MHz~149.9 MHz;150.05 MHz~167 MHz(无线寻呼业务) 450 MHz:403 MHz~420 MHz;450~470 MHz(移动业务) 800 MHz:806 MHz~821 MHz;851 MHz~866 MHz(集群移动通信) 825 MHz~835 MHz;870 MHz~880 MHz(蜂窝移动业务) 900 MHz:885 MHz~915 MHz;930~960 MHz(蜂窝移动业务) 在民用的移动通信中,用于蜂窝通信使用的频段具体安排如下: 中国移动 GSM:885 MHz~909 MHz/930 MHz~954 MHz DCS:1710 MHz~1725 MHz/1805 MHz~1820 MHz 中国联通 GSM:909 MHz~915 MHz /954 MHz~960 MHz DCS:1745 MHz~1755 MHz/1840 MHz~1850 MHz 中国电信 CDMA:825 MHz~835 MHz/870 MHz~880 MHz 为了满足第三代蜂窝移动通信技术和业务发展要求,中国于 2002 年对 3G 系统 使用频谱作出规则如下: 主要工作频段: 频分双工:1920 MHz~1980 MHz/2110 MHz~2170 MHz; 时分双工:1880 MHz~1920 MHz;2010 MHz~2025 MHz
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补充工作频段: 频分双工:1755 MHz~1785 MHz;1850 MHz~1880 MHz; 时分双工:2300 MHz~2400 MHz 商用频段:TD-SCDMA 1880 MHz~1920MHz 2010 MHz~2025 MHz 2300 MHz~2400 MHz WCDMA CDMA2000 1940-1955 MHz~2130-2145 MHz 1920-1935 MHz~2110-2125 MHz

2.2 无线传播理论
2.2.1 无线传播基本原理
在规划和建设一个移动通信网时,从频段的确定、频率分配、无线电波的覆盖 范围、计算通信概率及系统间的电磁干扰,直到最终确定无线设备的参数,都 必须依靠对电波传播特性的研究、了解和据此进行的场强预测。它是进行系统 工程设计与研究频谱有效利用、电磁兼容性等课题所必须了解和掌握的基本理 论。 众所周知,无线电波可通过多种方式从发射天线传播到接收天线:直达波或自 由空间波、地波或表面波、对流层反射波、电离层波。如图 2-6 所示。

(a) (b) (c) (d) (e)

直达波沿直线传 视距通信的应用 地波传播 对流层对无线电波的不规则散 无线电波通过电离层反射传播

图 2-6 不同传播模式

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2.2.2 无线传播环境
1. 频段划分介绍 无线电波分布在 3Hz 到 3000GHz 之间,在这个频谱内划分为 12 个带,如下表。 在不同的频段内的频率具有不同的传播特性。对于移动通信来讲,我们只关心 UHF 的频段。

Frequency 3~30Hz 30~300Hz 300~3000Hz 3~30KHz 30~300KHz 300~3000KHz 3~30MHz 30~300MHz 300~3000MHz 3~30GHz 30~300GHz 300~3000GHz

Classification Extremely Low Frequency Super Low Frequency Ultra Low Frequencey Very-low Frequency Low Frequency Medium Frequency High Frequency Very High Frequency Ultra High Frequency Super High Frequency Extremely High Frequency

Designation ELF SLF ULF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF

2.

快衰落与慢衰落 在一个典型的蜂窝移动通信环境中,由于接收机与发射机之间的直达路径被建 筑物或其他物体所阻碍,所以,在蜂窝基站与移动台之间的通信不是通过直达 路径,而是通过许多其他路径完成的。在 UHF 频段,从发射机到接收机的电磁 波的主要传播模式是散射,即从建筑物平面反射或从人工、自然物体折射,如 图 2-7 所示。

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图 2-7 电波传输

所有的信号分量合成产生一个复驻波,它的信号的强度根据各分量的相对变化 而增加或减小。其合成场强在移动几个车身长的距离中会有 20~30dB 的衰落, 其最大值和最小值发生的位置大约相差 1/4 波长。 大量传播路径的存在就产生了 所谓的多径现象,其合成波的幅度和相位随移动台的运动产生很大的起伏变化, 通常把这种现象称为多径衰落或快衰落,如图 2-7 所示。在性质上,多径衰落属 于一种快速变化。此外,这种传播特点还产生了时间色散的现象。 多径衰落也称瑞利衰落。 对于这种快衰落, 基站采取的措施就是采用时间分集、 频率分集和空间分集(极化分集)的办法。 大量研究结果表明,移动台接收的信号除瞬时值出现快速瑞利衰落外,其场强 中值随着地区位置改变出现较慢的变化,这种变化称为慢衰落,见图 2-8。它是 由阴影效应引起的,所以也称作阴影衰落。电波传播路径上遇有高大建筑物、 树林、地形起伏等障碍物的阻挡,就会产生电磁场的阴影。当移动台通过不同 障碍物阻挡所造成的电磁场阴影时,就会使接收场强中值的变化。变化的大小 取决于障碍物的状况和工作频率,变化速率不仅和障碍物有关,而且与车速有 关。研究这种慢衰落的规律,发现其中值变动服从对数正态分布。 在陆地移动通信中,通常信号中值随时间的变动远小于随地点的变动,因此可 以忽略慢衰落的影响。但是在定点通信中,需要考虑慢衰落。

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图 2-8 快衰落和慢衰落

在蜂窝环境中有两种影响:第一种是多路径,由于从建筑物表面或其他物体反 射、散射而产生的短期衰落,通常移动距离几十米;第二种是直接可见路径产 生的主要接收信号强度的缓慢变化,即长期场强变化。也就是说,信道工作于 符合瑞利分布的快衰落并叠加有信号幅度满足对数正态分布的慢衰落。 3. 传播损耗 在研究传播时,特定收信机功率接收的信号电平是一个主要特性。由于传播路 径和地形干扰,传播信号减小,这种信号强度减小称为传播损耗。 在研究电波传播时,首先要研究两个天线在自由空间(各向同性,无吸收,电 导率为零的均匀介质)条件下的特性。以理想全向天线为例。经推导,自由空 间的传播损耗为:

Lp = 32.4 + 20 * lg( fMHz ) + 20 * lg(dkm)

公式 2-2

其中,f 为频率,d 为距离(公里) 。上式与距离 d 成反比。当 d 增加一倍,自由 空间路径损耗增加 6 分贝。同时,当减小波长λ(提高频率 f) ,路径损耗增大。 我们可以通过增大辐射和接收天线增益来补偿这些损耗。当已知工作频率时, 公式 2-2 还可以写成

Lp = L0 + 10 ? γ ? lg(dkm)

公式 2-3

式中 γ= 2。γ 称为路径损耗斜率。在实际的蜂窝系统中,根据测量结果显示,γ 的取值范围一般在 3~5 之间。 有了自由空间的路径损耗公式后,可以考虑在平坦的,但不理想的表面上 2 个 天线之间的实际传播情况。假设在整个传播路径表面绝对平坦(无折射) 。基站
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和移动台的天线高度分别为 hc 和 hm(A 处为 hc,B 处为 hm) ,如图 2-9。

(a) (b) (c)

多反射情况 单反射情况 找出视距和地面反射的路径差的映象方法

图 2-9 平坦表面的传播

与自由空间的路径损耗相比,平坦地面传播的路径损耗为:

Lp = 10 ? γ ? lg d ? 20 ? lg hc ? 20 ? lg hm

公式 2-4

式中 γ = 4。该式表明增加天线高度一倍,可补偿 6dB 损耗;而移动台接收功率 随距离的 4 次方变化,即距离增大一倍,接收到的功率减小 12dB。 地形地物的种类千差万别,对移动通信电波传播损耗的影响也是错综复杂的。 在实际应用中是不可能存在绝对的平坦地形的。对于复杂的地形一般可分为两 类,即“准平滑地形”和“不规则地形” 。 “准平滑地形”指表面起伏平缓,起伏高度小于或等于 20 米的地形,平均表面 高度差别不大。除此以外的其它地形统称为“不规则地形” ,按其状态可分为: 丘陵地形、孤立山岳、倾斜地形和水陆混合地形等。

2.2.3 无线传播模型
传播模型是非常重要的。传播模型是移动通信网小区规划的基础。 多数模型是预期无线电波传播路径上的路径损耗的。所以传播环境对无线传播 模型的建立起关键作用,确定某一特定地区的传播环境的主要因素有: 1. 2. 3. 4.
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自然地形(高山、丘陵、平原、水域等) ; 人工建筑的数量、高度、分布和材料特性; 该地区的植被特征; 天气状况;
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5.

自然和人为的电磁噪声状况。

另外,无线传播模型还受到系统工作频率和移动台运动状况的影响。在相同地 区,工作频率不同,接收信号衰落状况各异;静止的移动台与高速运动的移动 台的传播环境也大不相同。一般分为:室外传播模型和室内传播模型。 常用的模型如表 1 所示。
表 1 几种常见传播模型 模型名称 Okumura-Hata Cost231-Hata Cost231 Walfish-Ikegami Keenan-Motley 适用范围 适用于 900MHz 宏蜂窝预测 适用于1800MHz 宏蜂窝预测 适用于900和1800MHz 微蜂窝预测 适用于900和1800MHz 室内环境预测

2.2.4 多普勒效应
在移动通信中信号的相位不断变化,产生附加频移,这种频移称为多普勒效应 在 GSM 系统中多普勒效应引起频率变化的关系可以通过下面的公式给出: (1) 基站为频率源 f,基站接收到的频率 fˊ为

f ' = f (1 ± v / c)

公式 2-5

式中:v 为 MS 的移动速度,c 为空中信号传播速度(设为 3×108m/s)当 MS 向基站方向移动时取“+”号,远离基站时取“-”号。 (2) MS 为频率源 f,基站接收到的频率 fˊ为

f ' = f /(1 ± u / c)

公式 2-6

式中:u 为 MS 的移动速度,c 为空中信号传播速度(设为 3×108m/s)当 MS 向基站方向移动时取“-”号,远离基站时取“+”号。

2.3 天线
2.3.1 天线理论知识
天线是将射频信号转化为无线信号的关键器件,其质量的优良和是否合理使用 对无线通信工程的成败起到重要作用。
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1、天线的方向性

图 2-10 天线的方向

天线辐射电磁波是有方向性的,它表示天线向一定方面辐射电磁波的能力。反 之,作为接收天线的方向性表示了它接收不同方向来的电磁波的能力。 天线方向性定义:天线的辐射电磁场在一定距离上随空间角坐标分布的图形。 由于电磁场的矢量特征包含了幅度、相位、极化方向等信息,因此,对应有: 幅度方向图、相位方向图。而电磁场的幅度可用场强和功率密度表示,所以, 幅度方向图又分为场强方向图和功率方向图。除非特殊说明,在一般情况下, 通常天线方向图指的是功率方向图,幅度以 dB 为单位。 根据定义,天线的方向图是三维立体图,但实际获得完整的三维方向图是非常 困难的。通常根据天线的结构特点,选择两个或多个特征面测得该平面内的二 维方向图如:

图 2-11 天线三维方向图

E 面方向图:通过最大辐射方向并与电场矢量平行的平面; H 面方向图:通过最大辐射方向并与磁场矢量平行的平面; 水平面方向图(Horizontal) :是指与地面平行的平面内的方向图; 垂直面方向图(Vertical) :是指与地面垂直的平面内的方向图。

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图 2-12 无线电波的传播

当天线为垂直极化时,H 面近似为水平面,E 面近似为垂直面,如果天线为水平 极化则情况正好相反。 E 面图和 H 面图只是描述了天线的功率密度的分布情况,但不能定量的反映天 线的主要特征。为了更好的描述天线的方向图,常使用半功率波束宽度、副瓣 电平、前后比、第一上副瓣抑制、第一下零点填充等都是描述方向图特征的指 标。 2、波瓣 零功率点波瓣宽度:主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角。 半功率点波瓣宽度:在 E 面或 H 面的等距线上,主瓣最大值两边场强等于最大 场强的 0.707 倍(或一半功率密度)的两辐射方向之间的夹角。 副瓣电平:在 E 面或 H 面的等距线上,副瓣最大值与主瓣最大值之比,通常用 dB 表示。 后瓣:与主瓣相反方向上的副瓣。

图 2-13 天线的波瓣

前后比:等距线上,主瓣功率密度最大值和后瓣功率密度最大值之比(dB)
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在实际应用中由于天线的上副瓣信号不能起到覆盖的作用,且常常造成越区覆 盖的问题,所以我们会想方设法抑制这个方向上信号的发射,而一般与主瓣方 向夹角较小的第一上副瓣的功率密度最大,影响最坏,所以我们以对它的抑制 为考察指标:第一上副瓣抑制(First Upper Side Lobe Suppression) 。 与之相反,在主瓣与第一下副瓣之间的第一下零点方向的功率密度非常的低, 常会产生天线下面信号很弱甚至无法通话的现象,所以我们有会对这部分的信 号做增强处理:第一下零点填充(First Down Null-Fill) 。

3、天线的增益 定义:在相同输入功率、相同距离条件下、天线在最大辐射方向上的功率密度 与无方向性天线在该方向上的功率密度之比定义为天线的增益 Gi(单位 dBi),有 时也以无耗半波振子的增益系数(1.64)作比较标准,记为 Gd(单位 dBd)。

Gd =
或 G d (dBd ) = Gi (dBi ) ? 2.17 例如:1dBd=3.17dBi 2dBd=4.17dBi

Gi 1.64

公式 2-5

天线通常是无源器件,它并不放大电磁信号,天线的增益是将天线辐射电磁波 进行聚束以后比起理想的参考天线,在输入功率相同条件下,在同一点上接收 功率的比值,显然增益与天线的方向图有关。方向图中主波束越窄,副瓣尾瓣 越小,增益就越高。可以看出高的增益是以减小天线波束的照射范围为代价的。 由同轴线到对称振子的演变过程:

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图 2-14 振子的演变

电信号在电缆中传播,电场方向与外导体垂直随着传输电缆的端口张开,电场 也发生改变当端口完全张开后,形成的振子长度为波长的一半就形成了半波振 子或称偶极子,天线的增益越高说明天线对能量的集中程度越高。

增益与波束宽度的关系 当只有一对半波振子时,垂直面半功率波束宽度为 78°,天线增益为 0dB。每 增加一倍的半波振子,天线增益增加 3dBi(如下图) 。

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水平波瓣宽度与增益的关系也基本相同

天线辐射的水平波束宽度决定了天线辐射的电磁波水平覆盖的范围天线垂直波 束宽度决定了传输距离及纵向覆盖。
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为了增强天线的方向性,提高天线的增益,得到所需要的辐射特性,把若干个 相同的天线按一定的规律排列起来,并给予适当的激励,这样组成的天线系统 称为天线阵。组成天线阵的独立单元称为阵元或天线单元。天线阵可分为线阵、 面阵、立体阵。 天线阵的辐射特性取决于阵元的类型、数目、排列方式、阵元间距以及阵元上 电流的幅度和相位分布、反射板形状及单元离反射板的高度等。 4、天线的下倾角与方向图 在实际工程中我们常常遇到需要调整天线的下倾角的情况。当天线下倾角为 0 时,覆盖的区域较大,使各个小区之间的覆盖重叠区较大,为减小天线的覆盖 区我们会采用减小基站输出功率的方式或增大天线下倾角。当覆盖区比基站地 势低时,天线需要作下倾处理。 以下图纸为没有下倾、电调下倾和机械下倾情况下方向图在地面上的映像图:

图 2-15 下倾斜角度调整

图 2-16 不同下倾角天线方向图

通过两副图的比较我们可以发现在下倾角为 0~6°时电调和机械下倾角天线的方
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向图区别不大。下倾角大于 6°后电调下倾角天线的方向图基本保持了原有方向 图的结构,机械下倾天线的方向图发生严重的变形,在原中心覆盖方向信号覆 盖非常近,而在侧向覆盖距离较远。由此可知,15dBi 天线机械下俯角度不应大 于 6°,18dBi 天线机械下俯角度不应大于 4°,否则主瓣严重变形。 在需要较大下倾时,我们可以改用垂直波瓣宽度较大的天线进行覆盖,以弥补 下倾角不足的问题。 5、天线的极化 天线的极化是指该天线在给定空间方向上远区无线电波的极化,即时变电磁场 矢量端点运动轨迹的形状、取向和旋转方向。根据电场矢量端点呈直线、圆形 、圆极化 和椭圆形,天线的极化可分为线极化(水平、垂直以及 + 45 / ? 45 )
0 0

和椭圆极化(左旋、右旋)三种。一般我们使用的天线采用的是线极化方式。 通常,天线的辐射除辐射预定极化的波以外,还辐射非预定极化的波,前者称 为主极化,后者称为交叉极化。线极化天线的交叉极化方向与主极化方向垂直; 圆极化天线的交叉极化与主极化方向旋向相反的圆极化分量。

垂直极化

水平极化

+ 45 度倾斜的

- 45 度倾斜的双极化

双极化 为了实现不同方向的极化,天线在天线单元的排列方式上做了一定的处理。半
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波振子安装方向与极化方式相同。 (eg: 当半波振子垂直安装时,天线为垂直 极化方式)

图 2-17 天线振子

不同极化方式的信号之间由于传播方式的不同而使相互之间有一定的隔离效 果。在理想情况下垂直极化和水平极化方式之间的隔离度达到 30dB。

图 2-18 天线的隔离

但是在实际条件下天线在预定极化方式发射的同时还会进行其交叉极化方向的 发射。所以在一般环境下我们作测试时会发现垂直极化和水平极化之间的隔离 度只有 24~26dB。

6、分集 在移动通信系统中,移动台工作在复杂的地理环境中,移动的方向和速度是任 意的、发送的信号经过附近各种物体的反射、散射等而形成多路径传播,使得 到达接收机的信号往往是多个幅度和相位各不相同的叠加,从而形成快衰落。 同时还有慢衰落,慢衰落的信号电平起伏相对较缓。分集接收就是克服各种衰 落,提高系统性能的一种技术:把接收到的多径信号分离成不相关的多路信号, 然后将这些信号的能量按一定规则合并起来,使接收的有用信号能力最大,对
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数字系统,可使接收端的误码率最小,对模拟系统,可提高接收端的信噪比。 按分集的目的分类: (1)宏观分集:采用两个独立天线场地来发射和接收两个或多个不同信号,并 组合这些信号,以降低慢衰落,该技术意味着总是选择两个衰落信号中最强的 一个。 (2)微观分集:采用同一天线场地的分集技术:可分为:时间分集、空间分集、 频率分集、极化分集、角度分集和多径分集。 (下面对空间、时间分集单独介绍) 按信号传输的方式分类: (1)显分集:构成明显的分集信号的传输方式,使用多副天线接收信号的分集。 (2)隐分集:分集作用隐含在传输信号之中的方式,在接收端利用信号处理技 术实现分集,隐分集是只需一副天线来接收信号的分集,隐分集技术主要有交 织编码技术、调频技术、直接扩频技术。 空间分集: 是利用多副天线来实现的。在发射端用一副天线发射,而在接收端用多副天线 接收。接收端天线之间的距离大于 8~10 个工作波长,以保证接收天线输出信号 的衰落特性是相互独立的,即: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 从中选出信号幅度最大、信躁比最佳的一路,得到一个总的接收天线的输出信 号, 从而降低了信道衰落的影响, 改善传输的可靠性, FDMA、 在 TDMA、 CDMA 中都有应用。 。 极化分集: 在移动通信信道中,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 出互不相关的衰落特性,利用这一点,在发端同一地点装上垂直极化和水平极 化两副天线,在收端同一地点装上垂直极化和水平极化两副天线,就可以得到 两路衰落特性互不相关的极化分量。极化分集实际上是空间分集的特殊情况。 这种方法的优点是结构紧凑、节省空间、缺点是由于发射功率要分配到两副天 线上,将有 3dB 的信号功率损失。现在常用的 + 45 / ? 45 双极化天线可克服
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这一缺点。 7、天线驻波比
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天线驻波比表示天馈线与基站(收发信机)匹配程度的指标。 驻波比的定义: Umax——馈线上波腹电压;

Umax——馈线上波腹电压; Umin——馈线上波节电压。 上表中,s 为频率驻波比,r 为反射系数 ar 为回波损耗

驻波比的产生,是由于入射波能量传输到天线输入端未被全部吸收(辐射) ,产 生反射波,迭加而形成的。VSWR 越大,反射越大,匹配越差。 那么,驻波比差,到底有哪些坏处?在工程上可以接受的驻波比是多少?一个 适当的驻波比指标是要在损失能量的数量与制造成本之间进行折中权衡的。 ⑴ VSWR>1, 说明输入天线的功率有一部分被反射回来, 从而降低了天线的辐 射功率; ⑵ 增大了馈线的损耗。Eg:7/8"电缆损耗 4dB/100m,是在 VSWR=1(全匹配) 情况下测的;有了反射功率,就增大了能量损耗,从而降低了馈线向天线的输 入功率; ⑶ 在馈线输入端失配严重时,发射机 T 的输出功率达不到设计额定值。但是, 现代发射机输出功率允许在一定失配情况下如 (VSWR<1.7 或 2.0) 达到额定功 率。 经过计算, ⑴ VSRW=3.0 时,天线反射 25%的功率(1.25dB) ,馈线新增损耗 0.9dB,与完
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全匹配(VSRW=1)相比,功率多损失 40%(2.15dB); ⑵ VSWR=1.5 时,天线反射 4%的功率(0.17dB) ,馈线新增损耗 0.19dB,与完 全匹配(VSWR=1)相比,功率多损失 8%(0.36dB); ⑶ VSWR=1.4 时,天线反射 2.8%的功率(0.12dB) ,馈线新增损耗 0.09dB,与 完全匹配(VSWR=1)相比,功率多损失 4.7%(0.21dB); ⑷ VSWR=1.3 时,天线反射 1.7%的功率(0.07dB) ,馈线新增损耗 0.06dB,与 完全匹配(VSWR=1)相比,功率多损失 2.9%(0.13dB)。 可见,VSWR=1.3 与 VSWR=1.5 相比,功率损失仅减少了 0.23dB,这在移动通 信的衰落传播中,影响基本可以忽略。 天线的效率是表征天线将高频电流或导波能量转化为无线电电波能量的有效程 度。 天线通过馈线系统和发射机相连,天线作为发射机的负载,它把从发射机得到 的功率辐射到空间。这就有个天线和传输线阻抗匹配问题。天线和馈线连接处 称为天线的输入端,输入端呈现的阻抗值定义为天线的输入阻抗。 天线的输入端输入信号功率=反射信号功率+端口耗散功率+天线发射信号功 率 损耗功率 其中输入信号与反射信号的功率比为反射系数,其分贝表示为回波损耗

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2.3.2 常用天线的分类
1 室内天线 120 150 0dB -3 -10 -20 180? -3 60 30 16?

1)全向吸顶天线

0

210? 240? 300

330

270? 垂直面方向图 E-Plane Pattern 全向吸顶天线由于其波瓣的形状所决定,其覆盖区基本为圆形,常用于小面积 的集中区域覆盖,例如酒店、写字楼的覆盖。但是正是因为其为是全向覆盖所 以信号容易从楼内泄露出去,造成对其它基站的干扰。 2)平板天线

平板天线的方向性较强,覆盖区域多为狭长的通道和大面积的规则的室内空旷 场所。其要求按照规范安装成垂直极化方式。 2 室外天线

1)全向玻璃钢天线(Omnidirection Antenna)

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垂直面方向图 全向玻璃钢天线具有覆盖范围广的特点,其波瓣为 360°角,常用于小型村庄等 需要全向覆盖的地方,天线置于要求覆盖区域的中心。 2)定向抛物面天线 (directional Paraboloid Antenna)

垂直面方向图 定向抛物面天线前后比较大,隔离效果好,可作为施主天线引入信号用,也可 作为重发天线对较长的狭窄地段进行覆盖,如高速公路等。 3)角反射天线(Panel Corner Antenna)

角反射天线前后比较大,隔离效果好,可作为施主天线引入信号用,也可作为 重发天线对较长的狭窄地段进行覆盖,如高速公路等。
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4)定向板状天线(Direction Panel Antenna)

定向板状天线前后比较大,隔离效果好,可作为重发天线对较长的狭窄地段进 行覆盖,如高速公路等。 5)八木天线(Yagi Antenna)

八木天线因其波瓣较窄,占用横向空间较小,常作为重发天线对狭窄地段进行 覆盖,如电梯井道和小段公路或铁路等。但其增益一般不超过 14dB,且前后比 较差,不适合用作施主天线。 6)短背射天线(Short Backfire Antenna)

垂直面方向图 短背射前后比较大,可获得较大的隔离度。方向性强,波瓣宽度较窄可减少对 施主基站以外基站下行信号的增益,减少对施主基站以外基站上行信号的干扰,
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是优良的施主天线,也可作为重发天线对较长的狭窄地段进行覆盖,如高速公 路等。

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第3章 GSM 移动通信系统
GSM 数字蜂窝移动通信系统(简称 GSM 系统)是完全依照欧洲通信标准化委 员会(ETSI)制定的 GSM 规范研制而成的,任何 GSM 数字蜂窝移动通信系统 都必须符合 GSM 技术规范。

3.1 GSM 系统构成
GSM 的典型系统组成如下图所示:

图 3-1 GSM 系统结构图

一个 GSM 系统可由三个子系统组成, 即操作支持子系统(OSS), 基站子系统(BSS) 和网路子系统(NSS)三部分组成。其中,基站子系统 BSS 是 GSM 系统中与无 线蜂窝方面关系最直接的基本组成部分,它通过无线接口直接与移动台相连, 负责无线发送接收和无线资源的管理。 网路子系统是整个系统的核心, 它对 GSM 移动用户之间及移动用户与其它通信网用户之间通信起着交换、连接与管理的 功能。主要负责完成呼叫处理、通信管理、移动管理、部分无线资源管理、安 全性管理、用户数据和设备管理、计费记录处理、公共信道、信令处理和本地 运行维护等。 基站子系统 BSS 主要负责无线信息的发送与接收及无线资源管理; 同时,它与 NSS 相连,实现移动用户间或移动用户与固定网路用户之间的通信 连接,传送系统信息和用户信息等;当然,也要与操作支持子系统 OSS 之间实
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现互通。

图 3-2 GSM 系统详细说明
MSC:移动交换中心 HLR:归属位置寄存器 AUC:鉴权中心 VLR:拜访位置寄存器 BSC:基站控制器 BTS:基站收发信台 MS:移动台(手机) EIR:设备识别寄存器 SMC:短消息中心 VM:语音信箱 OMC:操作维护中心

GSM 系统是一种典型的开放式结构,作为一种面向未来的通信系统,它具有下 列主要特点: 1) GSM 系统由几个分系统组成,各分系统之间都能有定义明确且详细的标准 化接口方案,保证任何厂商提供的 GSM 系统设备可以互连。同时,GSM 系统与各种公用通信网之间也都详细定义了标准接口规范, GSM 系统可 使 以与各种公用通信网实现互连互通。 2) GSM 系统除了可以开放基本的话音业务外,还可以开放各种承载业务、补 充业务以及与 ISDN 相关的各种业务。 3) GSM 系统采用 FDMA/TDMA 及跳频的复用方式,频率重复利用率高,同 时它还具有灵活方便的组网结构,可以满足用户的不同容量要求。 4) GSM 系统具有较强的鉴权和加密功能,能确保用户和网络的安全需求。 GSM 系统抗干扰能力较强,系统的通信质量较高。

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3.2 各子系统介绍
3.2.1 移动台
移动台是整个系统中直接由用户使用的设备,可分为车载型,便携型和手持型 三种。应当指出的是,在 GSM 系统中,物理设备与移动用户是相互独立的。也 就是说,用户的所有信息都存储在 SIM 卡(用户识别卡)上,系统中的任何一 个移动台都可以利用 SIM 卡来识别移动用户。由网络来进行相关的认证,保证 使用移动网的是合法用户。移动台有自己的识别码 IMEI,称为国际移动台设备 识别号。每个移动台的 IMEI 都是唯一的,网络对 IMEI 进行检查,可以保证移 动台的合法性。 SIM 卡中存储着用户的所有信息, 包括国际移动用户识别码 IMSI 等。

3.2.2 基站子系统
基站子系统包括了 GSM 数字移动通信系统中无线通信部分的所有基础设施, 它 通过无线接口直接与移动台实现通信连接,同时又连到网络端的交换机,为移 动台和交换子系统提供传输通路,因此,BSS 可以看作移动台与交换机之间的 桥梁。按 GSM 规范提出的基本结构,BSS 由两个基本部分组成:通过无线接口 与移动台一侧相连的基站收发信机(BTS)和与交换机一侧相连的基站控制器 (BSC) 。从功能上看,BTS 主要负责无线传输,BSC 主要负责控制和管理。值 得指出的是,在 GSM 规范中,一个基站子系统是指一个 BSC 以及由它所管辖 的所有 BTS,而不是一个交换机所带的无线系统。 BTS 在网络的固定部分和无线部分之间提供中继, 移动用户通过空中接口与 BTS 相连。BTS 包括收发信机和天线,以及与无线接口有关的信号处理电路等,它 也可以看作是一个复杂的无线解调器。在 GSM 系统中,为了保持 BTS 尽可能 的简单,BTS 往往只包含那些靠近无线接口所必须的功能。 BSC 通过 BTS 和移动台的远端命令管理所有的无线接口,主要是进行无线信道 的分配,释放以及越区信道切换的管理等,起着 BSS 系统中交换设备的作用。 BSC 由 BTS 控制部分, 交换部分和公共处理器部分组成。 根据 BTS 的业务能力,
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一台 BSC 可以管理多达几十个 BTS。 此外, BSS 还包括码型变换器 TC。 码型变换器在实际中一般是置于 BSC 和 MSC 之间,完成 16kbit/s RPE-LTP 编码和 64kbir/s A 律 PCM 之间的码型转换。

3.2.3 网络子系统
网络与交换子系统包括实现 GSM 的主要交换功能的交换中心以及管理用户数据 和移动性的所需的数据库,有时也称之为交换子系统。它由一系列功能实体构 成,各功能实体间以及 NSS 与 BSS 之间通过符合 CCITT 信令系统 No.7 协议规 范的 7 号信令网络互相通信。 它的主要作用是管理 GSM 用户和其他网络用户之 间的通信。NSS 可分为如下几个功能单元: 移动业务交换中心 MSC:MSC 是网络核心,它完成最基本的交换功能,即实现 移动用户与其他网络用户之间的通信连接。为此,它提供面向系统其他功能实 体的接口, 到其他网络的接口以及与其他 MSC 互连的接口。 MSC 从 HLR, VLR, AUC 这三个数据库中取得处理用户呼叫请求所需的全部数据,同时这三个数据 库也会根据 MSC 最新信息进行自我更新。MSC 为用户提供承载业务,基本业 务和补充业务等一系列服务。作为网络的核心,MSC 还支持位置登记,越区切 换和自动漫游等移动性能及其他网络功能。对于容量较大的通信网,一个 NSS 可以包括若干个 MSC,HLR 和 VLR,在建立固定网用户与 GSM 移动用户之间 的呼叫时,呼叫往往首先被接到入口 MSC(GMSC) ,再由入口 MSC 负责获取 位置信息然后进行接续。GMSC 具有与固定网和其他 NSS 实体互通的接口,也 就是我们通常所说的关口局。 拜访位置寄存器 VLR:VLR 存储进入其覆盖区的所有用户的全部有关信息,为 已经登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要条件。VLR 是一个动态数据库, 需要随时与有关的 HLR 进行大量的数据交换以保证数据的有效性。当用户离开 其覆盖区时,用户的有关信息被删除。 VLR 在物理实体上总是与 MSC 一体,这样可以尽量避免由于 MSC 与 VLR 之 间频繁联系所带来的接续时延。 归属位置寄存器 HLR: HLR 是系统的中央数据库, 存放与用户有关的所有信息, 包括用户的漫游权限,基本业务,补充业务及当前位置信息等,从而为 MSC 提
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供建立呼叫所需的路由信息等相关数据。一个 HLR 可以覆盖几个移动交换区域 甚至整个移动网络。 鉴权中心 AUC:AUC 存储用户的加密信息,用以保护用户在系统中的合法地位 不受侵犯。由于空中接口的开放性,经由空中接口传送的信息极易受到侵犯, 因此 GSM 采用了严格的保密措施如用户鉴权,信息的加密等。这些鉴权信息和 加密密钥均存放在 AUC 中,因此,AUC 是一个受到严格保护的数据库。在物 理实体上,AUC 和 HLR 共存。 设备识别寄存器 EIR:EIR 存储与移动台 IMEI 有关的信息。它可以对移动台的 IMEI 进行核查,以确定移动台的合法性,防止未经许可的移动台设备使用移动 网。

3.2.4 操作支持子系统
OSS 是操作人员与系统设备之间的中介,它实现了系统的集中操作与维护,完 成包括移动用户管理,移动设备管理及网络操作维护等功能。它的一侧与设备 相连, (但并不包括 BTS,因为在 GSM 技术规范中明确指出,对 BTS 的操作维 护是经过 BSC 进行管理) ,另一侧是作为人-机接口的计算机工作站。这些专门 用于操作维护的设备称为操作维护中心 OMC。GSM 系统的每个组成部分都可 以通过特有的网络连接至 OMC,从而实现集中维护。OMC 由两个功能单元构 成。OMC-S(操作维护中心-系统部分)用于 MSC,HLR,VLR 等交换子系统 各功能单元的维护和操作。OMC-R(操作维护中心-无线部分)用于实现整个 BSS 系统的操作与维护,它一般是通过 SUN 工作站在 BSS 上的应用来实现。 OMC 也可以作为进入更高一层管理网络的关口设备。

3.3 GSM 系统工作频段
我国 GSM 通信系统采用 900MHz 和 1800MHz 频段。 GSM900 频段为: 890-915MHz(移动台发,基站收) ,935-960MHz(基站发,移动台收) ; DCS1800 频段为:
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1710-1785MHz(移动台发,基站收) ,1805-1880MHz(基站发,移动台收) 。 由于现有的 GSM900 频段不够用, 所以在 GSM900 频段往下扩 10M 作为 EGSM 频段,其中移动使用了 5M。 EGSM 频段: 880-890MHz(移动台发,基站收) ,925-935MHz(基站发,移动台收) ; 绝对频点号和频道标称中心频率的关系为: (1) GSM900MHz 频段: –上行(移动台发)fl(n)= 890.2MHz +(n-1)× 0.2MHz –下行(移动台收)fh(n)= fl(n)+ 45MHz; 1<= n <= 124 (2) GSM1800MHz 频段: –上行(移动台发)fl(n)= 1710.2MHz +(n-512)× 0.2MHz –下行(移动台收)fh(n)= fl(n)+ 95MHz; 512<= n <= 885 (3) EGSM 频段 –上行(移动台发)fl(n)= 880.2MHz +(n-975)× 0.2MHz –下行(移动台收)fh(n)= fl(n)+ 45MHz; 975<= n <= 1024 例如:山东省电视大厦所用频点为 23,32,83。即所用频率为: 890.2MHz +(23-1)× 0.2MHz=894.6MHZ 890.2MHz +(32-1)× 0.2MHz=896.4MHZ 890.2MHz +(83-1)× 0.2MHz=906.6MHZ

3.4 GSM 系统的无线覆盖区结构
GSM 系统采用蜂窝小区结构,基站设置很多,移动台又没有固定的位置,移动 用户只要在其覆盖区域内, 无论移动到何处, GSM 网络都必须能对其进行监视、 管理和控制,以实现位置更新、越区切换和自动漫游等性能。 GSM 系统的无线覆盖区域结构如图 3-3 所示。

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服务区 MSC 区 位置区 基站区 小区 小区 基站区 小区 小区 MSC 区 位置区 基站区 小区 小区 基站区 小区 小区

位置区 基站区 小区 小区 基站区 小区 小区

位置区 基站区 小区 小区 基站区 小区 小区

图 3-3 GSM 无线覆盖区域结构

3.4.1 小区
采用基站识别码或全球小区识别码进行标识的无线覆盖区域称为小区,当基站 采用全向天线结构时,小区即为基站区。GSM 小区也有大小之分,大者,小区 半径可达 35km,适用于农村地区;小者,小区半径可降至 2km 左右,适用于城 市;再小者,小区半径可降到几百米,适用于城市高密度业务区。

3.4.2 基站区
由位于同一基站点的一个或若干个基站收发信台(BTS)包括的所有小区覆盖的 区域称为基站区。

3.4.3 位置区
位置区是指移动台可以任意移动而不需要进行位置更新的区域,由一个或若干 个小区(或基站区)组成。为了呼叫移动台,一般在一个位置区内的所有基站 同时发送寻呼信号。
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3.4.4 MSC 区
MSC 区是指由一个 MSC 所控制的所有小区共同覆盖的区域的总和,由一个或 若干个位置区组成。

3.4.5 服务区
服务区是指移动网内所有 MSC 区的总和。服务区可能完全覆盖一个国家或是一 个国家的一部分,也可能覆盖若干个国家。

3.5 系统接口介绍
为了保证网络运营商能在充满竞争的市场条件下灵活选择不同供应商提供的系 统设备,GSM 系统在制定技术规范时就对其子系统之间及各功能实体之间的接 口和协议作了明确的、规范性的严格定义,使不同供应商提供的 GSM 系统设备 能够符合统一的 GSM 技术规范而达到互连、 互通和灵活组网的目的。 为使 GSM 系统实现国际自动漫游功能和提供面向 ISDN 的数据通信业务,GSM 系统引入 了 No.7 信令系统,GSM 系统的信令系统是以 No.7 信令系统为基础的。

3.5.1 GSM 系统的主要接口
GSM 系统的主要接口是指 A 接口、Abis 接口和 Um 接口,如图 3-4 所示。这三 种主要接口的定义和标准化能保证不同供应商生产的移动台、基站子系统和网 络子系统设备可纳入同一个 GSM 移动网内运行和使用。

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Um 接口

Abis 接口

A 接口

MS

BTS

BSC

BS 接口 MS BTS BSC

MSC

移动台 (MS)

基站子系统 (BSS)

网络子系统 (NSS)

图 3-4 GSM 系统的主要接口

a) A 接口 A 接口定义为网络子系统(NSS)与基站子系统(BSS)之间的通信接口。从系 统的功能实体来说,就是移动交换中心(MSC)与基站控制器(BSC)之间的 互连接口,其物理连接通过采用标准的 2.048Mbit/s PCM 数字传输链路来实现。 此接口传输的信息包括移动台管理、基站管理、移动性管理和接续管理等。 b) Abis 接口 Abis 接口定义为 BSS 内部的两个功能实体即基站控制器(BSC)和基站收发信 台(BTS)之间的接口,用于实现 BTS(不与 BSC 并置)与 BSC 之间的远端互 连。其物理连接通过采用标准的 2.048Mbit/s 或 64kbit/s PCM 数字传输链路来实 现。此接口支持所有向用户提供的业务,并支持对 BTS 无线设备的控制以及无 线频率的分配和管理。 c) Um 接口(空中接口) Um 接口定义为移动台与 BTS 之间的无线接口, 用于移动台与 GSM 系统的固定 部分之间的互通。其物理连接通过无线链路来实现。此接口传递的信息包括无 线资源管理、移动性管理、接续管理以及用户的话音和数据信息等。

3.5.2 网络子系统的内部接口
NSS 由移动交换中心 (MSC) 拜访位置寄存器 、 (VLR) 归属位置寄存器 、 (HLR) 等功能实体组成。因此,GSM 技术规范定义了不同的接口以保证各功能实体之
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间的接口标准化,其示意图如图 3-5 所示。
F接口 MSC C接口 B接口 D接口 VLR

EIR

HLR/AUC

E 接口

G接口

VLR B接口

MSC

图 3-5 NSS 内部接口示意图

根据我国目前固定网的现状和发展前景,GSM 系统和固定网的互连采用 No.7 信令系统接口,其物理连接通过 MSC 与固定网交换机之间的标准 2.048Mbit/s PCM 数字传输链路实现。 如果具备 ISDN 交换机,HLR 与 ISDN 网间可建立直接的信令接口,使 ISDN 交 换机可以通过移动用户的 ISDN 号码直接向 HLR 询问移动台的位置信息,以建 立至移动台当前登记的 MSC 之间的呼叫路由。

3.6 GSM 系统的主要业务
GSM 系统的所有业务是基于 ISDN 的概念定义的,考虑到移动通信的特点,相 应地作了一些修改。有一些在 ISDN 中已经实现的业务,考虑到移动网实现的复 杂程度和成本问题,在 GSM 系统中并未引入。因此,GSM 系统在业务种类上 是面向 ISDN 的,但并不提供 ISDN 的全部业务。 GSM 系统提供的业务种类主要有话音业务、 承载业务、 补充业务和短消息业务。

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3.6.1 话音业务
a) 电话业务 电话业务是 GSM 系统提供的最重要的业务,经过 GSM 网络和固定网,为移动 用户之间或移动用户与固定网用户之间提供实时的双向话音通信。 b) 紧急呼叫 根据 GSM 的专用术语,紧急呼叫是由电话业务演变来的一项独立业务,它允许 移动用户在紧急情况下通过一种简单的拨号方式将紧急呼叫接入紧急服务中 心。这种简单拨号方式可以拨叫紧急服务中心的号码(欧洲统一使用 112,我国 统一使用火警中心特服号 119) ,有些 GSM 移动台具备 SOS 键,一按此键就可 接入紧急服务中心。此业务优先于其它业务,在移动台没有插入 SIM 或移动台 处于锁定状态时,也可按此键接入紧急服务中心。

3.6.2 承载业务
GSM 系统从一开始就考虑兼容多种在 ISDN 中定义的承载业务, 满足 GSM 移动 用户对数据通信服务的要求。GSM 系统设计的承载业务不仅使移动用户之间的 数据通信成为可能, 更为重要的是能为移动用户与 PSTN 和 ISDN 用户之间通过 数据通信服务,还能够实现 GSM 网络和公用数据网(PDN)的互通。在无线传 输许可的条件下,GSM 规范定义了 10 大类 30 多种数据业务,为用户提供多种 速率的透明或不透明数据通信服务。

3.6.3 补充业务
补充业务可丰富 GSM 的基本业务, 主要是允许用户选择怎样由网络处理呼入和 呼出,或者给用户提供一些信息以使其能充分利用基本业务。 补充业务并不是 GSM 系统所特有的,也不是其它移动通信系统所特有的,其绝 大部分直接由固定网络继承而来,少部分在需要适应移动性时作了修改。GSM 的目标是提供最广泛的补充业务。常用的补充业务有呼入/呼出限制、主叫号码 显示、恶意呼叫识别、呼叫转移、呼叫等待、呼叫保持、三方通话、会议电视、 闭合用户群和计费通知等,GSM 规范定义了 8 大类近 30 种不同的补充业务。
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3.6.4 短消息业务
承载业务中的各项数据通信业务往往并不适合于移动环境,它们只是将适用于 固定用户的业务延伸到 GSM 移动用户。 其主要原因在于这些数据业务通常需要 相对较大的数据终端(与手机相比) ,所以只适合于半固定场合。 像寻呼业务这样的简单数据通信业务乃是大家都很感兴趣的。GSM 在设计时就 考虑到用户的这种需要,因而把 GSM 设计成支持这种业务的系统,以免 GSM 用户要携带两个终端(一个用于话音通信,一个用于寻呼) 。 GSM 能传输短消息,这主要包括两种短消息业务,一种是点对点的送到移动台 的短消息和由移动台发起的短消息。另一种短消息业务是“小区广播短消息服 务” ,即每隔一定时间间隔对所在地理区域内的所有用户广播的短消息。 a) 点对点短消息 GSM 系统提供的这一业务与寻呼业务相似,但有许多改进。它利用了 GSM 的 其它性能,特别是移动台和网络之间的双向通信能力(而寻呼业务是一种单向 业务) 。这样,系统可以确认移动台是否已收到此信息和收到的信息是否正确, 若未收到或收到的信息有误,系统可以重新传送。当移动台处于关机状态时, 系统暂不传送对它的短消息,一旦移动台开机,系统马上传送对它的短消息。 点对点短消息业务是由短消息业务中心完成存储并进行前转的,短消息业务中 心是与 GSM 系统相分离的一个独立实体,它不仅可服务于 GSM 用户,也可服 务于具备接收短消息业务功能的固定网用户。尤其是其把短消息业务与语言信 箱业务相结合更能发挥这两种业务的优势。点对点短消息的传送应该在系统和 移动台处于空闲或呼叫状态时进行,由控制信道传送短消息业务的信息,其信 息量限制为 160 个 ASCII 字符(每个字符 7 比特) 。 b) 小区广播短消息业务 小区广播短消息业务是在 GSM 网络某一特定区域内以一定的时间间隔向移动台 重复广播一些具有通用意义的短消息,如道路交通信息和气象信息等。移动台 连续不断地监视广播信息,并在移动台上向用户显示广播信息。小区广播短消 息也在控制信道上传送,其信息量限制为 93 个 ASCII 字符。

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3.7 GSM 系统的无线接口
GSM 系统的无线接口即 Um 接口,也就是通常所说的空中接口(Air Interface)

3.7.1 主要特性参数
GSM 系统占有两个 25MHz 的频带, 890~915MHz 用于移动台到基站的传输 (反 向链路) ,935~960MHz 用于基站到移动台的传输(前向链路) 。GSM 的双工方 式为频分双工(FDD) ,多址方式为 TDMA 和 FDMA 混合多址方式,调制方式 为 BT=0.3 的高斯预滤波移频键控(GMSK) 。前向和反向频带分成一系列带宽 为 200kHz 的宽带通道,每一宽带通道用绝对射频信道号码(ARFCN)表示。 ARFCN 实际上为一前向和反向通道对,其间隔为 45MHz,每一宽带通道通过 TDMA 方式最多为 8 个移动台共享。 8 个移动用户使用同一个 ARFCN,每一个用户占用每帧的一个时隙(TS) 。前 向和反向链路上无线传输的数据速率为 270.833kbit/s,考虑到 GSM 系统的一些 附加控制信息,用户数据的实际传输速率为 22.8kbit/s。每一个时隙(TS)的周 期相等,均为 576.92μs,含有 156.25 比特,其中包括 8.25 比特的保护时间和总 共 6 比特的发射机开、启时间。一个 GSM 帧的时长为 4.615ms,其帧结构如图 3-6 所示。在 25MHz 的频带内,可用宽带通道的总数为 125,由于每一宽带通道 含 8 个时隙,故 GSM 系统总的业务信道数为 1000。但实际上,GSM 系统在其 指配频谱的高端和低端,还各留了 100kHz 的保护频带,所以实际仅有 124 个宽 带通道可用。表中列出了 GSM 空中接口的主要参数。
反向信道频段 前向信道频段 宽带通道数 收、发频率间隔 收、发时隙间隔 调制速率 帧周期 每帧用户数(全速) 时隙周期 2009-04-20 版权所有,未经许可不得扩散 890~915MHz 935~960MHz 124×2 45MHz 3时隙 270.833kbit/s 4.615ms 8 576.9?s 第 76 页 共 483 页

工程技术修订版本 工程技术培训教程(V0.4).doc 比特时长(宽度) 调制方式 宽带通道载频间隔 交织(最大延时) 话音编码比特率(全速)
156.25 bits 576.92us

3.692?s GMSK( BT=0.3) 200kHz 40ms 13kbit/s

TS 0 TS 1

TS 2 TS 3 TS 4 TS 5 TS 6 4.615 ms TSn : 第 n 个时隙

TS 7

一话音复帧= 26个TDMA帧 120ms T0 T1 T2 …… T1 1 T1 2 S T1 3 T1 4 …… I:空闲帧 T 23 T 24 I/S

Tn:第n个TCH帧

S:慢速辅助控制帧

图 3-6 话音信道帧和复帧结构

3.7.2 GSM 系统的信道类型和帧结构
a) GSM 系统的信道类型 不同的时隙号码与不同 ARFCN 可构成不同的前向和反向链路的双向物理信道。 在 GSM 系统中,每一物理信道又可分时映射为不同的逻辑信道。也就是说,每 一特定的时隙或帧,既可用来传输业务数据(话音、传真、可视图文之类的用 户数据) 也可用于传输信令数据或控制信道数据 , (来自 MSC、 或移动用户) BS 。 GSM 特别定义了许多不同的逻辑信道用于 GSM 网络物理层和数据链路层的连 接。这些逻辑信道在高效地传输用户数据的同时,还可在第一 ARFCN 上提供一 些网络的控制信息。GSM 明确指配了一些时隙和帧用作特定的逻辑信道。 GSM 的逻辑信道可分为业务信道(TCH)和控制信道(CCH)两大类。业务信 道载有编码的话音或用户数据,其在前向和反向链路上的功能和格式是一致的。 控制信道在基站和移动台间传送信令和同步数据,某些类型的控制信道仅定义 在前向或反向链路上。在 GSM 系统中,TCH 有 6 种不同的类型,CCH 的类型
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则更多。下面,我们分别讨论。 1. GSM 业务信道(TCH)

GSM 业务信道既可全速率工作,也可半速率工作;既可传送编码的话音,也可 传送用户数据。若以全速率工作,用户信码包含在每帧的一个时隙中;若以半 速率工作,用户信码映射到同一时隙,但交替在不同的帧中发射。也就是说, 两个半速率信道用户可共享同一时隙,但交替在不同帧中发射。 在 GSM 系统中, 对每个小区用作广播的 ARFCN, TDMA 帧的 TS0 不能用于 其 传送 TCH 信码(因为在多数情况下,该时隙留作传送突发控制信道信码) 。每 传送 13 个 TCH 的信码帧后,需传送 1 帧 SACCH 数据或空闲帧,图 3-6 说明了 连续帧的传送过程。每 26 个连续的 TDMA 帧称为 1 个复帧,其中,第 13 帧和 26 帧用于传送 SACCH 数据或空闲帧。若采用全速 TCH,则第 26 帧为空闲帧; 若采用半速 TCH,则第 26 帧为 SACCH 数据帧。 全速业务信道: 全速话音信道(TCH/FS) 全速话音信道传送用户话音,其数字编码后的原始信码速率为 13kbit/s,经信道 编码后,全速话音信道传送速率为 22.8 kbit/s。 9600bit/s 全速数据信道(TCH/F9.6) 全速数据业务信道传送用户数据的原始速率为 9600bit/s, GSM 规范进行前向 按 纠错编码后,9600bit/s 的数据以 22.8kbit/s 发送。 4800bit/s 全速数据信道(TCH/F4.8) 全速数据业务信道传送用户数据的原始速率为 4800bit/s, GSM 规范进行前向 按 纠错编码后,4800bit/s 的数据以 22.8kbit/s 发送。 2400bit/s 全速数据信道(TCH/F2.4) 全速数据业务信道传送用户数据的原始速率为 2400bit/s, GSM 规范进行前向 按 纠错编码后 2400bit/s 的数据以 22.8kbit/s 发送。 半速业务信道 半速话音信道(TCH/HS) 半速话音信道以全速率一半的速率传送数字话音信码。GSM 规范对声码器性能 作了预先考虑,使之能以 6.5kbit/s 的速率输出数字话音信码,经信道编码后,
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半速话音信码以 11.4kbit/s 的速率传送。 4800bit/s 半速数据信道(TCH/H4.8) 半速数据业务信道传送用户数据的原始速率为 4800bit/s, GSM 规范进行前向 按 纠错编码后,4800bit/s 的数据以 11.4kbit/s 的速率传送。 2400bit/s 半速数据信道(TCH/F2.4) 半速数据业务信道传送用户数据的原始速率为 2400bit/s, GSM 规范进行前向 按 纠错编码后,2400bit/s 的数据以 11.4kbit/s 的速率传送。 2. GSM 控制信道(CCH)

GSM 系统主要有三种控制信道(CCH) ,即广播信道(BCH) 、公共控制信道 (CCCH)和专用控制信道(DCCH) 。每一控制信道由一系列逻辑信道构成, 每一逻辑信道完成一些必要的 GSM 控制功能。 GSM 的 BCH 和前向 CCCH 仅在一定 ARFCN 通道的特定时隙上传送,特定的 BCH 和前向 CCCH 分配在 TS0, 且仅在那些 ARFCN 通道用作广播信道的 51 帧 的帧序列(称为控制信道复帧)的一定帧中广播。TS1 到 TS7 仍传送 TCH 业务 信码。这样,用作控制信道的那些 ARFCN 信道仍然能够有 7 个时隙传送全速用 户信码。 GSM 特别指定第 34 个 ARFCN 宽带通道作为广播信道。对每一广播信道,第 51 帧不含任何 BCH /前向 CCCH 数据,可视为空闲帧。但是,反向 CCCH 能够 接受移动用户在任意帧甚至空闲帧的在 TS0 发射的数据。另一方面,DCCH 数 据可在任一帧的任一时隙发送,甚至整个帧都可用于 DCCH 数据传输。下面, 我们将详细描述 GSM 控制信道。 3. 广播信道(BCH)

每一小区的广播信道仅在特定 ARFCN 的前向链路上工作,且仅在一定 GSM 帧 的第 1 时隙(TS0)传送数据。与双向链路的 TCH 不同,BCH 仅用于前向链路。 BCH 用作基站附近移动台识别和锁定 TDMA 信道的标志信道。BCH 为小区内 所有移动台提供同步信息,并能被相邻小区的移动台接收并监视,这样,需越 区切换的用户可判断接收到的功率并作出移动分配指针偏移(MAHO)决定。 TS0 用于传送 BCH 数据,同一 ARFCN 上 GSM 帧的其它 7 个时隙可用于传送 TCH 信码、DCCH 数据,或填入“假”突发数据。小区内其它 ARFCN 的所有 8
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个时隙都可用于传送 TCH 信码或 DCCH 数据。 BCH 分为三种信道,公用 51 帧序列的不同帧的 TS0,如图 3-7 所示。下面,我 们描述这三种类型的 BCH。
1控制信道复帧=51个TDMA帧 235ms 0 F 1 S 2 B 3 B 4 B 5 B 49 50 6 20 21 22 39 40 41 42 … … … C I C F S C C F S C (a) 1控制信道复帧=51个TDMA帧 235ms 0 R 1 R 1 R 1 R 1 R 1 R 1 R (b) F=FCCH S=SCH B=BCCH C=CCCH空闲帧 …… 46 47 48 49 50 R R R R R

(a)控制信道复帧(TS0前向链路) (b)控制信道复帧(TS0反向链路)

图 3-7 控制信道帧和复帧结构

广播控制信道(BCCH) BCCH 在前向控制信道上广播系统信息,如小区和网络识别信息,小区的工作 参数(现行控制信道结构、可用信道和阻塞信息)等,BCCH 也广播小区内正 在使用的信道清单, 控制信道复帧的第 2 到第 5 帧 (每 51 帧中的 4 帧) 传送 BCCH 数据。注意图 3-7 中,传送 BCCH 数据的 TS0 在一些特定帧中,而其它 BCH 信 道(FCCH 和 SCH) 、公共控制信道(CCCH)或空闲帧(第 51 帧)在其它帧中。 频率校正信道(FCCH) FCCH 传送一种特殊的突发数据,它占用第 1 个 GSM 帧(0 帧)的 TS0,在控 制信道的复帧中,每隔 10 帧重复一次。FCCH 使每一移动台的本振频率与基站 严格同步。 同步信道(SCH) SCH 在紧随 FCCH 帧的下一个帧的 TS0 进行广播,其载有供移动台帧同步和基 站收发信台识别的信息。帧号码(0~2715647)和基站识别码(BSIC)同时在 SCH 突发数据块中传送。在一个 GSM 系统中,每个 BTS 的 BSIC 是唯一的。由 于移动台与基站的距离可能远达 35km,移动用户的定时常需调整,以便基站接
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收到的信号能与基站时钟同步。基站通过 SCH 向移动台传送粗略的定时步进命 令。在控制信道复帧中,每隔 10 帧传送一次 SCH,如图 3-8 所示。 公共控制信道(CCCH) 公共控制信道占用那些用来作 BCH 或空闲帧的 TS0。CCCH 由三种不同的信道 组成,即寻呼信道(PCH) 、随机接入信道(RACH)和允许接入信道(AGCH) , 第一种和第三种信道是前向信道,第二种信道是反向信道。CCCH 是一个最常 用的控制信道,用于寻呼某一移动用户,为用户指配信令信道和接收移动台的 服务要求。下面,我们分别描述这些信道。 寻呼信道(PCH) PCH 用于寻呼基础小区内的所有移动台,通知某一被叫移动台表明有对它的呼 叫。PCH 发送被叫移动台的国际移动用户识别号(IMSI) ,移动台通过 RACH 做出应答。PCH 也可用作小区广播,向小区内的所有移动台广播 ASCII 文本消 息,作为 GSM 系统短消息业务(SMS)性能的一部分。 随机接入信道(RACH) RACH 是一个反向连接信道,用于移动台应答 PCH 对其的寻呼,也可用于移动 台主叫。所有移动台的接入要求或对 PCH 寻呼的响应都在 GSM 帧的 TS0 内完 成,BTS 能接收每一帧(即使是空闲帧)TS0 的 RACH 的要求,并指配一个独 立专用控制信道(SDCCH)作为通话时的信令信道。这一过程由基站通过允许 接入信道(AGCH)完成。 允许接入信道(AGCH) AGCH 用于从基站到移动台的前向信道, 用于给移动台分配特定的物理信道 (时 隙和 ARFCN)或专用控制信道。在移动台关闭控制信道以前,基站通过 AGCH 发出最后的 CCCH 信息,对移动台在前一 CCCH 中所发出的信息作出响应。 专用控制信道(DCCH) 在 GSM 系统中专用控制信道共有 3 种。其与业务信道(见图 3-8)一样,专用 控制信道也是双向的, 其前向和反向传输信息的格式和功能也是一样的。 TCH 和 一样,除了 BCH 的 ARFCN 的 TS0 以外,DCCH 可占用任一 ARFCN 的任一时 隙。独立专用控制信道(SDCCH)用于提供必要的信令服务,慢速和快速辅助 控制信道(SACCH 和 FACCH)用于监测通信过程中基站和移动台之间的数据
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传输。 独立专用控制信道(SDCCH) SDCCH 用于基站完成 TCH 分配之前的移动台和基站间的信号传输。一旦基站 和 MSC 校验完移动台的合法性并为之分配信道之后,SDCCH 当前的任务就已 完成。SDCCH 可确保移动台和基站的正常连接。SDCCH 可看作等待基站分配 TCH 之前,通过 BCH 建立一个新的呼叫并保持呼叫的一种临时信道。当移动台 与基站完成帧同步后,SDCCH 就用于发送鉴权信息和其它告警信息(非话音) 。 SDCCH 自身可占用一物理信道传输信息,若 BCH 或 CCCH 业务要求较低时, 也可占用 BCH 的 TS0 传输。 慢速辅助控制信道(SACCH) SACCH 总是映射到同一物理信道上辅助 TCH 或 SDCCH 工作,因此,在每一 ARFCN 上,系统自动传送其所有现行用户的 SACCH 数据,SACCH 传送 MS 和 BTS 间的一般信息。 在前向信道上, SACCH 传送慢速但有序变化的控制信息 给移动台,如发射功率电平指标、ARFCN 上每一用户的特殊定时调整信息;在 反向信息上, SACCH 传送关于 TCH 的接收信号强度和质量以及相邻小区对 TCH 测量结果。SACCH 在话音/专用控制信道复帧(图 3-8)中的第 13 帧(若半速 率传输则为第 26 帧)传输,这一帧的 8 个时隙为该 ARFCN 上的 8 个全速率用 户(或 16 个半速率用户)传送 SACCH 数据。 快速辅助控制信道(FACCH) FACCH 传送紧急信息, 其传送的信息类型和 SACCH 基本一致, 但仅在由 SDCCH 来分配且有紧急信息需传送时(如越区切换)才分配 FACCH。其通过从业务信 道“借取”的帧来实现接续。具体方法是在 TCH 前向信道设置两个称为“借用” 比特,以表示该帧传送的是 FACCH 数据而不是 TCH 信码。 b) GSM 系统的帧结构 GSM 系统的每一个用户在分配给它的时隙内传送突发数据序列共有 5 种可能的 格式。图 3-8 为用于不同控制和业务信道的 5 种突发数据格式。通用突发序列用 于双向链路的 TCH 和 DCCH 的信息传输;频率校正信道(FCCH)和同步信道 (SCH)突发序列用于在前向信道上特定帧(如图 3-7a 所示)的 TS0 内广播频 率和同步控制信息的传输;随机接入信道(RACH)突发序列用于所有移动台向
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基站提出入网请求;虚拟突发序列用于填充前向信道上未用时隙。
通用突发序列 3 位起始比特 58 位信息比特 26 位训练比特 58 位信息比特 3 位尾比特 8.25 比特保护时间

频率校正信道突发序列 3 位起始比特 同步信道突发序列 3 位起始比特 39 位信息比特 64 位扩展训练比特 39 位信息比特 3 位尾比特 8.25 比特保护时间 142 位固定比特 3 位尾比特 8.25 比特保护时间

随机接入信道突发序列 8 位起始比特 虚拟突发序列 8 位起始比特 58 位混合比特 26 位训练比特 58 位混合比特 3 位尾比特 8.25 比特保护时间 41 位同步比特 36 位信息比特 3 位尾比特 68.25 比特保护时间

图 3-8 GSM 的突发序列

图 3-8 为通用突发序列的数据结构, 其长度为 148 比特, 传输速率为 270.833 kbit/s (每个突发序列的末尾还有 8.25 比特的保护时间) 。在每个 TS 的 148 比特中, 载有信息的比特共 114 个, 分成两个位于突发序列头部和尾部的 58 比特的序列, 中间部分为 26 比特的训练比特,移动台或基站在对用户数据解码前,利用接收 到的训练序列来分析无线信道的特性以便进行自适应均衡。在训练序列的两边 是称为借用标志的控制比特,这两个标志用来区分该 TS 传输的是话音(TCH) 还是控制(FACCH)数据。在一帧内,GSM 移动台利用一个 TS 发射,一个 TS 接收,还有 6 个共享 TS 可用于测量 5 个相邻基站及自身基站的信号强度。

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1 超高帧=2018 超帧=2715 648TDMA 帧 (3 小时 28 分 53 秒 760 毫秒)

TCH SACCH/T FACCH

0

1

2

3

2044 2045 2046 2047

1 超帧=1326TDMA 帧(6.12 秒)

BCCH CCCH SDCCH

0 0

1

2 1

3

47

48 24

49 25

50

1 复帧=26TDMA 帧(120ms)

1 复帧=51TDMA 帧(3060/13ms)

0

1

24

25

0

1

49

50

1TDMA 帧=8 时隙(120/26=4.615ms)

0

1

2

3

4

5

6

7

1 时隙=156.25 比特 持续期(1526=0.577ms) (1 比特持续期:48/43=3.68μS 常规突发序列(NB)

TB 3 3 3

58 信息比特

26 训练序列 固定比特 142

58 信息比特

TB 3 TB 3

GP 8.25 GP 8.25 GP 8.25

TB:尾比特 GP:保护期

频率校正突发序列(FB) TB

同步突发序列(SB) TB 信息比特 39 扩展的训练序列 64 接入突发序列(AB) TB

信息比特 39 TB 3

TB 3

同步序列 41

信息比特 36

GP 68.25

图 3-9 GSM 帧结构

由图 3-9,每 TDMA 帧有 8 个时隙,帧周期为 4.615ms,一帧共有 8×156.25= 1250 比特,其中有一些比特周期是作为保护时间系统来使用。帧比特率为 270.833kbit/s,或每秒 216.66 帧。第 13 帧或 26 帧不用于业务传输,作为控制信 道使用。多个 TDMA 帧结构成复帧,多个复帧又构成超帧,多个超帧又构成超 高帧(超高帧图 3-9 中未画出) 个复帧含有 26 个 TDMA 帧或 51 个 TDMA 。1 帧。一个超帧含有 1326 个 TDMA 帧。1 超高帧含有 2048 超帧或 2,715,648 个 TDMA 帧。1 个完整的超高帧大约持续 3 小时 28 分 54 秒,用于 GSM 的话音和 数据加密。由于加密算法有赖于具体的帧号,1 个超高帧含有相当多的帧号,故 安全性能得到保证。 图 3-9 所示控制信道复帧含有 51 个 TDMA 帧(235.365ms) ,不同于业务/专用 控制信道复帧含有 26 个 TDMA 帧(120ms) 。这样,进一步加强了 GSM 的安全 性,任一个 GSM 移动用户(无论在本小区或相邻小区) ,不论他们是否正在使 用特定的帧或时隙,通过 BCH 都能接收到 SCH 和 FCCH 传送的信息。

3.8 呼叫接续过程举例
为了进一步加深对 GSM 系统的认识,下面对 GSM 系统的四种主要接续流程作
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一简单介绍。 1 位置更新基本流程

一种典型的位置更新基本流程如图 3-10 所示。图中流程说明如下:
2 MS 3 1 BS BS 9 8 VLR 10 MS BS MSC-B 7 4 MSC-A 6 5 HLR

BS

VLR

图 3-10 位置更新基本流程

1.

移动台从一个位置区 (属于 MSC-B 的覆盖区) 移动到另一个位置区 (属 于 MSC-A 的覆盖区) 。

2.

移动台通过检测由基站不断发送的广播信息,发现新收到的位置区识 别码与目前所使用的位置区识别码不同。

3. 4.

移动台通过该基站向 MSC-A 发送位置更新请求,表明“我在这里” 。 MSC-A 把含有 MSC-A 标识和移动台识别码的位置更新信息送给 HLR (鉴权和加密计算过程,图中未作描述) 。

5. 6. 7.

HLR 发回响应信息,其中包含有与用户相关的全部数据。 在被访问的 VLR 中进行用户数据登记。 把有关位置更新响应信息通过基站送给移动台(如果重新分配 TMSI, 此时一起送给移动台) 。

8. 2

通知原来的 VLR,删除与此移动用户相关的用户数据。

移动用户至固定用户出局呼叫的基本流程

移动用户至固定用户的出局呼叫流程如图 3-11 所示。图中流程说明如下:

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HLR BS 3 VLR 6 1 2 3 4 2 6 MSC 5 E X C H

PSTN/ISDN

6 2 BS 3 4

MS

BS

图 3-11 移动用户出局呼叫基本流程

1.

在小区覆盖范围内,一旦移动用户拨号后,移动台向基站请求随机接 入信道。

2. 3.

在移动台与 MSC 之间建立信令连接。 对移动台的识别码进行鉴权,如果需要加密,则设置加密模式等,进 入呼叫建立开始阶段。

4. 5.

分配业务信道。 采用 No.7 信令系统的 ISUP/TUP,通过固定网(ISDN/PSTN)建立至 被叫用户的通路,并向被叫用户振铃,向移动台送回铃音。

6. 3

被叫用户取机应答,向移动台发送应答(连接)消息,进入通话阶段。

固定用户至移动用户入局呼叫的基本流程

一种典型的固定用户至移动用户的入局呼叫流程如图 3-12 所示。图中流程说明 如下:

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8 BS 3 7

HLR PSTN/ISDN 3

VLR

2

4

5

6 4 G M S C 1 E X C H

8 MS 9 BS

7 10

MSC 11

11

8 BS 7

图 3-12 移动用户入局呼叫基本流程

1. 通过 No.7 信令系统的 ISUP/TUP,网关 MSC(GMSC)接受来自固定网 (ISDN/PSTN)的呼叫。 2. GMSC 向 HLR 询问有关被叫移动用户正在访问的 MSC 地址(即 MSRN) 。 3. HLR 请求被访问 VLR 分配 MSRN,MSRN 是在每次呼叫的基础上,由 被访问的 VLR 分配并通知 HLR。 4. GMSC 从 HLR 获得 MSRN 后,重新寻找路由,建立至被访问 MSC 的 通路。 5. 被访 MSC 向 VLR 申请并从 VLR 中获取有关用户数据。 6. 被访 MSC 通过移动台上次登记位置区内的所有基站向被叫移动台发送 寻呼消息。 7. 被叫移动台发回寻呼响应信息, 然后执行与出局呼叫流程中的 1~4 完全 相同的过程,直到移动台振铃,向主叫用户送回铃音(图中省略) 。 8. 移动用户取机应答,向固定网发送应答(连接)消息,最后进入通话阶 段。 4
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切换基本流程
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一种典型的 MSC 之间切换的基本流程如图 3-13 所示。图中流程说明如下:
3 1 5 0 2 5 MSC-A 0 EXCH

MS

BSS

BSS VLR 4 6 PSTN/ ISDN

BSS 4 BSS 6 VLR MSC-B

4 BSS 6

图 3-13 MSC 之间切换的基本流程

1. 移动台对邻近基站发出的无线信号进行测量,主要测量功率、距离和话音 质量这三个决定切换门限的量。测量结果通过信令信道报告给基站子系统 中的基站收发信台。 2. 测量结果经过基站收发信台预处理后送给基站控制器,基站控制器综合功 率、距离和话音质量进行计算且与切换门限进行比较,决定是否需要进行 切换。在决定需要切换后,向 MSC-A 发出切换请求。 3. MSC-A 决定进行 MSC 之间的切换。 4. MSC-A 请求在 MSC-B 区域内建立无线链路, 然后在 MSC-A 与 MSC-B 之 间建立连接。 5. MSC-A 向移动台发出切换命令,移动台切换到已准备好的无线链路的基 站。 6. 移动台发出切换成功的确认信息传送给 MSC-A,以释放原来占用的资源。 5 接续过程中各类信道的作用

为了更好地理解不同业务信道和控制信道的作用, 我们考虑 GSM 移动用户主叫
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的情况。 首先, 移动台必须监听附近基站的 BCH, 以取得同步。 通过接收 FCCH、 SCH 和 BCCH 信息,移动台能够锁定在合适的 BCH 上。为发起呼叫,用户应 拨入被叫号码,然后再按 GSM 手机上的“发送(send) ”键。这样,移动台在 与其锁定基站对应的 ARFCN 上, 发出突发 RACH 信息。 基站收到后, CCCH 在 上发出 AGCH 响应信息,给移动台指配新的信道进行 SDCCH 连接。监听 BCH 的 TS0 的移动台通过 AGCH 能够收到指配给它的 ARFCN 和 TS,并立即切换 到新的 ARFCN 和 TS 上监听。这一新分配的 ARFCN 和 TS 是一个物理 SDCCH (非 TCH) 。切换到 SDCCH 以后,移动台首先搜寻 SACCH(最多等待 26 帧或 120ms, 如图 3-6 所示) SACCH 中含有移动台需要的定时信息和发射控制命令。 , 基站能够作出合适的定时调整,测出移动台通过早先 RACH 发射过来的信号强 度,并将结果通过 SACCH 回送给移动台。直到移动台在 SACCH 上收到定时调 整信息后,移动台才能发出申请业务信道的请求。SDCCH 在移动台和基站间进 行信息传递,进行用户鉴权,同时,PSTN 通过 MSC 选择合适的路由。几秒钟 后,基站命令移动台从 SDCCH 切换到指配的 TCH 上(即对应新的 ARFCN 和 新的 TS) ,移动台切换到 TCH 后,话音信码开始在前向和反向链路上传送,这 时呼叫已成功地建立,SDCCH 关闭。 若 PSTN 用户为主叫,处理过程完全类似。基站在 BCH 合适帧的 TS0 上广播 PCH 信息,锁定在同一 ARFCN 上的移动台检测到对它的呼叫,通过 RACH 发 出收到寻呼的证实信息,然后基站通过 AGCH 给移动台分配新的物理信道实现 SDCCH 和 SACCH 连接,同时,完成 PSTN 和基站的连接。一旦移动台通过 SDCCH 完成了定时调整和鉴权,基站通过 SDCCH 分配新物理信道,完成 TCH 的分配。

3.9 信号处理过程
图 3-14 为 GSM 系统话音信号从发射到接收的处理过程。

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工程技术修订版本 工程技术培训教程(V0.4).doc 话音 话音

信源编码

信源解码

信道编码

信道解码

交织

反交织

突发格式

突发格式

加密

解密

调制

解调

图 3-14 话音输入和输出的流程图

1

话音编码

GSM 声码器采用规则脉冲激励长时线性预测编码 (RPE-LPC) 声码器将话音分 , 成 20ms 的块,每块共有 260 比特,传输速率为 13kbit/s。80 年代后期,经过对 各种不同声码器的综合性能评估,选定了这种类型的声码器。对半速率声码器 也作了预先考虑,也包括在 GSM 规范内。 GSM 采用声码器是利用了这样一个实际情况,在一般私人谈话中,每人平均讲 话时间少于总时间的 40%。在声码器中,利用话音激活检测(DTX) ,这样可延 长移动台电池工作寿命,又由于 GSM 系统发射机在寂静期不工作,可降低瞬时 无线电干扰。GSM 采用舒适噪声子系统(comfort noise subsystem)可在接收机 末端产生背景噪声来补偿由于 DTX 而形成的静寂。 2 信道编码

a) TCH/FS、SACCH 及 FACCH 信道编码 为改善话音质量,对声码器输出的信码再进行信道编码。在 1 帧 260 比特中, 最重要的有 50 比特,称为 Ia 类比特,外加 3 比特校验位作保护。这样,在接收 机中错误检查很方便。 紧接着第一个 53 比特 (50 个 Ia 类比特+3 奇偶校验比特) 的 132 重要比特,被重新排序,并在其尾部加入 4 个零比特,形成一个 189 比
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特的数据块。对这数据块,进行码率为 1/2,约束长度为 5 的卷积编码,得到一 个 378 比特的序列。 最不重要的 78 比特不加任何保护, 直接传输, 这样, 20ms 在 的 1 帧内,形成 456 比特的数据块。对声码器输出的信码再进行信道编码改善 了 GSM 话音信号的质量,但经过信道编码,其速率变为 22.8kbit/s。具体的信道 编码方式见图 3-15。
1a 类 50bit 1b 类 132bit 1c 类 78bit

奇偶 校验

50

3

132

4

卷积码 R=1/ 2,K=5 378 78

图 3-15 GSM 全速率话音的纠错编码

b) 数据信道的信道编码 GSM 全速数据信道按修改后的 ITU-T V.110 协议,对 60 比特的用户信码进行 5 ms 交织。240 比特的用户信码加上 4 个尾比特后,进行码率为 1/2,约束长度为 456 比特的信道编码,并将之分成 4 个 114 比特的突发码块,用于连续时隙的交 织。 c) 控制信道编码 GSM 控制信道信码的长度为 184 比特,先利用截矩 Fire 循环码进行编码,然后 再进行半速卷积编码, 编码所用的生成多项式为 G5 (X)(X23+1) = (X17+X3+1) = X40+X26+X23+X17+X3+1,产生 184 比特的信码和 40 比特的校验码。再加上 4 位的尾比特产生 228 比特的数据块。然后,再对其进行 k=5 的半速卷积编码 (CC(2,1,5),卷积编码的生成多项式为 G0(X)=1+X3+X4 和 G1(X) ) =1+X+X3+X4(和 Ia 类 TCH 数据编码所用的多项式一致) 。卷积编码后得到的 456 比特,再利用同样方法得到的其它 8 个连续帧内的 TCH 信码进行交织。
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3

调制和解调

a) 调制 GSM 所用的调制方式为 BT=0.3 的 GMSK,此处 0.3 表示高斯(Gaussian)脉冲 成形滤波器 3dB 带宽与比特率的关系,即 BT=0.3。GMSK 是一种特殊类型的 数字 FM 方式。 GMSK 系统中, 在 二进制 1 和 0 相对于射频载波偏移 (67.708kHz) , GSM 的通道的传输速率为 270.833kbit/s。 MSK 已调信号通过 Gaussian 滤波器后, 频率的迅速变化被平滑,这样就会减小信码的能量扩散到相邻信道。 b) 解调 在前向信道上传输信号的一部分是我们所需的用户信码,其处在指配的 TS 和 ARFCN 上。利用突发数据序列中的提供的同步数据,先确定对应的 TS,然后 再进行解调,解调输出的二进制信号再进行解密、去交织,信道解码,最后还 原成话音信号。 4 交织、加密和跳频

a) 交织 为了使突发误码对接收信号的影响尽量降低,采用交织技术。在每 20ms 的话音 数据帧或控制信息帧的 456 比特的已编码数据块,再分成 8 个 57 比特的子数据 块,将这 8 个子块分别置于 8 个连续的 TCH 时隙内。若一个突发数据块受到干 扰或衰落的影响产生突发误码时,信道编码通过纠错仍能保证足够的信息被正 确接收。 每个 TCH 时隙载有 2 个 57 比特的数据块, 它们分别属于 2 个不同 20ms (456 比特)的话音(或数据)信息。图 3-16 说明了话音帧如何在时隙内交织。 注意,TS0 数据由声码器第几帧(图中以“a”表示)的第零个子块和声码器的 (n-1)帧(图中以“b”表示)的第 4 子块的各 57 比特构成。
I+0 0a 4b I+1 1a I+2 5b 2a 6b I+3 3a 7b I+4 4a I+5 0b 5a I+6 1b 6a I+7 2b 7a 3b

114 bit

114 bit

图 3-16 TCH/SACCH/FACCH 数据交织

b)

加密

GSM 采用仅由特定移动台和基站收发信台掌握的加密算法对 8 个已交织处理的
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数据块进行加密,为了进一步保证通信的保密性能,每次通话的加密算法是不 同的。GSM 采用两种称为 A3 和 A5 的加密算法,防止无权用户接入网络,并对 无线传输进行保密。A3 算法通过利用 MSC 的密钥校验用户 SIM 内的密码,对 每个移动台进行鉴权,A5 算法用于对每 TS 内发送的 114 比特的已编码数据进 行特定的变换。 c) 跳频 采用调频技术是为了确保通信的秘密性和抗干扰性,它首先被用于军事通信, 后来在 GSM 标准中也被采纳。 跳频的主要功能是:用于改善衰落,处于多径环境中慢速移动的移动台通过采 用跳频技术,可以大大改善移动台的通信质量,跳频相当于频率分集。跳频分 为基带跳频和射频跳频两种。 1. 基带跳频的原理是将话音信号随着时间的变换使用不同频率发射机发射。 2. 射频跳频的原理是将话音信号用固定的发射机,由跳频序列控制,采用不同 频率发射。 d) 均衡 在每时隙中间发射的训练序列有助于均衡的实现,GSM 技术规范对所用均衡器 的类型未作明确规定,这可由制造商自行决定。

3.10 DCS1800 简介
在 GSM 的有限频段内,采用各种新技术虽然能够提高系统容量,但此有限容量 的增加仍然不能满足用户的需求。 所以, 开发、 使用新的频段是必要的。 DCS1800 由 GSM 标准演变而来,是与 GSM 兼容的微蜂窝系统,其网络结构、语言编码、 调制技术、信令规程等绝大部分与 GSM 相同,仅在工作频段和某些射频技术上 与 GSM 不同。DCS1800 系统的基站或基站控制器可通过 A 接口或 Abis 接口接 入 GSM 网络的移动交换机上。 DCS1800 的工作频分段为两段:1805~1850MHz 用于前向链路(基站发,移动 台收) ,1710~1755MHz 用于反向链路(基站收,移动台发) 。DCS1800 系统在 1.8GHz 的工作频段上支持 GSM 空中接口规范,其电波传播方式为直接波传播,
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小区覆盖半径约为 100~300m。所以我们说 DCS1800 是一种微蜂窝系统。 GSM 与 DCS1800 可以独立组网, 也可以有机地混合在一个网络内。 DCS1800 若 独立组网,需要建立一个新的全覆盖网,这是非常不经济的,也是不现实的。 将 DCS1800 与 GSM 混合组网,能够以 GSM 为依托,根据容量的要求,逐步引 入 DCS1800 系统,构成 GSM 和 DCS1800 双频网。这一方案既经济、又现实, 显然比较符合我国的实际情况。其应用形式主要有两种,即“热点”微蜂窝和 复合小区(分层小区)的体系结构。通常,现有移动通信网络的设计方法是平 均分配小区区域内的话务量。然而,实际上一些区域的话务量远远超过平均值。 “热点”一般是指宏蜂窝小区内一个范围相对较小、但话务密度相对较高的区 域。通过在“热点”区域安装 DCS1800 微蜂窝系统,对于容量达到饱和的网络, 可以增加系统容量,提高整个系统的服务等级(GOS) 。分层小区体系结构是在 采用了“热点”微蜂窝技术后,为了进一步增加系统容量,对覆盖区进行分层 覆盖,将 DCS1800 微蜂窝系统安装在宏蜂窝的下层。这样,宏蜂窝完成上层较 大范围的覆盖,为城市内高架桥和高层建筑物内的移动用户提供服务;而下层 微蜂窝仅完成对地面较小范围的覆盖。 DCS1800 与 GSM 混合组网时,应考虑 DCS1800 和已形成相当规模的 GSM 网 络的双频兼容问题。其主要技术问题有: 1.双频手机问题 DCS1800 尽管支持 GSM 的空中接口协议,但两者的工作频段相差很大,因此, 为了使用户在两个系统下都能工作,必须采用双频手机。双频手机用户的多少, 将直接影响到网络容量增加的程度和网络服务质量。 2.双频段小区之间的小区切换 在 DCS1800 和 GSM 混合网络中,无线覆盖情况比较复杂,既有 DCS1800 和 GSM 分别覆盖的区域,也有两者都覆盖的区域。因此,切换问题也相应的比较 复杂,切换原则和切换处理程序必须慎重考虑。 要实现这一切换,必须具备两个基本条件:一是能够在两个频段间进行自动切 换的双频手机;二是 BSS 能够支持 DCS1800 和 GSM 间的自动切换。

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3.11 GSM 系统基站简介
GSM 基站厂商众多,各种基站内部模块的型号和名称会有不同,我们将各模块 按功能分类,方便工程人员在勘测基站时,即使遇到不同的基站,也能够正确 识别其内部模块。一般我们将基站划分为射频子系统,基带子系统,公共资源 子系统三个子系统,这些子系统可以根据实际需求灵活配置。

图 3-17 基站内部结构

射频子系统包括合分路单元、收发信机单元、功放单元。 合分路单元:主要完成收发信双工、发射信号合路、滤波以及接收信号的 滤波、低噪声放大和上行信号分路;采用同频合路器使多个发射信号和多 个接收信号共用一个天线单元。 收发信机单元:接收基带子系统送过来的基带信号,通过解复用、滤波、 变频等操作将其转换成射频信号,通过合分路单元送往天线发射出去。接 收主、分集接收信号,对信号进行变频、滤波、复用等操作将其转换成基 带信号,送往基带子系统处理。TRX 的无线接口有 1 个发送端和 2 个接收 端,2 个接收端的作用是主接收与分集接收。TRX 的无线接口接到合分路 单元。
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功放单元:主要完成对射频信号的放大。 基带子系统主要是对基带数据进行处理,如信道编码、数据调制、解调、译码 等。 公共资源子系统包括供电单元、电源监控单元、传输单元、控制单元等。 供电单元: 主要为收发信机单元供电。 根据系统供电方式 (220V AC 或-48V DC)会配置不同型号的电源模块。 电源监控单元:主要提供电源管理功能。 传输单元:主要用于数据传输,提供 E1、SDH 等各种接口,便于基站灵活 组网。 控制单元:主要实现对基站的各种管理功能,提供人机接口,用于对基站 的操作维护。

3.11.1 GSM 系统基站硬件结构
下图为我们通常见到的 GSM 900/1800 型 BTS, 3 个载频合分路子系统和 1 个 由 公共资源子系统以及时钟分配板 (TDU) 开关盒 、 (SWITCH BOX) 风扇盒 、 (FAN BOX) 、进风盒(AIR BOX)等组成。

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图 3-18 GSM 基站硬件结构框图
CDU:合分路单元 PMU:电源监控板 TEU:传输扩展板 TRX:收发信机单元 TMU:定时传输管理板 FAN BOX:风扇盒 PSU:供电单元 TES:传输扩展供电板 TDU:时钟分配板

该 BTS 载频合分路子系统中每排有 6 个槽位。左边 2 个槽位可配置合分路单元 (CDU) ,右边 4 个槽位可配置收发信机单元(TRX) 。这里的 CDU 采用发射二 合一和接收双路一分四的形式(也可单路一分八) ,对于载频数较多的情况,需 将多个 CDU 连接使用。 CDU 的结构原理如下图所示:

图 3-19 CDU 结构框图
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公共资源子框中配置有供电单元(PSU) 、电源监控单元(PMU) 、定时传输管 理板(TMU) 、传输扩展板(TEU) 、传输扩展供电板(TES) 。 供电单元(PSU) :内置式电源模块。 电源监控单元(PMU) :主要提供电源管理功能。 定时传输管理板(TMU) :提供多路复用、E1 接口、人机接口等。 传输扩展板(TEU) :提供 SDH 接口。 传输扩展供电板(TES) :主要为 TEU 提供工作电源。

3.11.2 GSM 基站合分路单元配置方式
如果 GSM 基站采用多载频的话,考虑分集接收那么每个 TRX 都要接一副天线 (采用双工器)用于收发信号,一副天线用于分集接收,这样做很不实际。用 CDU 就可以将多路信号合路后通过一个天线单元发射出去,接收到的多个信号 (包括分集接收的信号)通过分路后发送回各 TRX。在多载频的情况下需要将 多个 CDU 连接起来使用, 这样合分路单元的配置方式就有不同, 同时基站每载 频输出一般为 45dBm,通过 CDU 内的同频合路器(插损值为 3.3dB)合路后就 会有损耗,导致 BTS 天馈口输出功率也不同。下面以八载频 GSM 基站,有分 集接收为例,说明合分路单元的配置方式。

a) 采用三级合路方式

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图 3-20 三级合路方式

说明: 上图 3-20 中,共有八个 TRX,每两个 TRX 的发射信号通过一个同频合路器进 行合路,合路之后再两两合路,最后通过三级合路方式将八路载频信号合成一 路进双工器后至天线 ANT1 发射出去。天线 ANT1 接收的信号通过双工器后, 低噪放对上行信号进行放大,再进入分路器对不同频率信号进行分离,最后输 入到各个 TRX 上的 RX0 口,分集接收天线 ANT2 接收的信号经低噪放放大后 进入分路器对不同频率信号进行分离,最后输入到各个 TRX 上的 RX1 口。 这种基站配置的两个天馈接口,分别为 TX/RX 和 RX,接一副双极化天线或两 副单极化天线,通常使用前者。 TX/RX:收发合一口。既接收又发送信号。 RX:分集接收口。基站采用的是分集接收的方式,这是因为无线传播条件 比较复杂,导致一路接收信号较差时,另一路接收信号由于来自另一个不 相关的传播路径就会有不同的信号质量。基站 BTS 接收主、分集两路信号, 通过合并算法合并后进行解调,可以提供 3~5dB 的分集增益,较大程度地 提高通信质量。这 2 个接口都能用于接收信号,没有主收和从收之分。

b) 采用二级合路方式
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图 3-21 二级合路方式

说明: 上图 3-21 中的八个 TRX,每两个 TRX 的发射信号通过一个同频合路器进行合 路,合路之后再两两合路,最后两路发射信号分别通过双工器,由天线 ANT1 和 ANT2 发射出去。天线 ANT1 接收的信号通过双工器后,低噪放对上行信号 进行放大,再进入分路器对不同频率信号进行分离,最后输入到各个 TRX 上的 RX0 口,分集接收天线 ANT2 接收的信号也通过双工器后,低噪放对上行信号 进行放大,再进入分路器对不同频率信号进行分离,最后输入到各个 TRX 上的 RX1 口。 这种基站配置的 2 个天馈接口都为 TX/RX,即都为收发合一口,接一副双极化 天线或两副单极化天线,通常使用前者。 此方案能够保证基站的输出功率较前面介绍的情况大 3.3dB, 是实际工程中使用 最多的一种方式。

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c) 采用一级合路方式

图 3-22 一级合路方式

说明: 上图 3-22 中八个 TRX,每两个 TRX 的发射信号通过一个同频合路器进行合路, 最后四路发射信号中的两路分别通过双工器,由天线 ANT1 和 ANT2 发射出去, 另两路则分别由天线 ANT3 和 ANT4 发射出去,天线 ANT1 接收的信号通过双 工器后,低噪放对上行信号进行放大,再进入分路器对不同频率信号进行分离, 最后输入到各个 TRX 上的 RX0 口,分集接收天线 ANT2 接收的信号也通过双 工器后,低噪放对上行信号进行放大,再进入分路器对不同频率信号进行分离, 最后输入到各个 TRX 上的 RX1 口。 这种基站配置的天馈接口有 2 个 TX/RX 口,2 个 TX 口,则 2 个 TX/RX 口接一 副双极化天线,2 个 TX 口接另一副双极化天线。 d) 小结: 上述三种八载频基站合分路单元配置方式是按照发射信号的合路级数划分。不 同配置方式下基站天馈口输出功率及覆盖范围比较如下表所示。
载频输出功率 45dBm 合分路单元配置方式 三级合路 损耗 9.9dB 基站天馈口输出 35.1dBm 基站覆盖范围 最小 第 101 页 共 483 页

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工程技术修订版本 工程技术培训教程(V0.4).doc 45dBm 45dBm 二级合路 一级合路 6.6dB 3.3 dB 38.4dBm 41.7dBm 其次 最大

当基站为多个载频的(每扇区最多 12 个载频)情况,都可以通过上述三种合分 路单元配置方式对发射信号进行合路。

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第4章 CDMA 系统
4.1 CDMA 系统简介
4.1.1 概述
1 CDMA 系统简介

CDMA 码分多址技术的原理是基于扩频技术,即将需传送的具有一定信号带宽 信息数据,用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制,使原数据信 号的带宽被扩展,再经载波调制并发送出去。接收端由使用完全相同的伪随机 码,与接收的带宽信号作相关处理,把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即 解扩,以实现信息通信。

图 4-1 扩频通信原理图

带来了两大突出优点:一是系统抗干扰能力增强,特别对移动通信系统中普遍 存在的频率选择性衰落、多径衰落有着极好的抵抗能力;二是系统容量增大。 CDMA 系统所有用户在一定区域内。使用同一个频段,他们通过使用互不相关 的伪随机(PN)码作为扩频序列来相互区分,系统容量最终取决于载波干扰比 (C/I) ,而不直接受带宽的限制,因此,借助于功率控制等技术,CDMA 系统 的容量一般是模拟系统的 l0~20 倍,是 GSM 系统的 2 倍左右。而且在系统工
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作时,CDMA 小区内同时通话的用户数可以在满负荷情况下适当地有所增加, 代价只是各用户的通话质量略有下降,这就是所谓的软容量。 与 FDMA 和 TDMA 相比,CDMA 具有许多独特的优点,其中一部分是扩频通 信系统所固有的,另一部分则是由软切换和功率控制等技术所带来的。CDMA 移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再用等几种技术结合而成, 含有频域、时域和码域三维信号处理的一种协作,因此它具有抗干扰性好,抗 多径衰落,保密安全性高,同频率可在多个小区内重复使用,所要求的载干比 (C/I)小于 l,容量和质量之间可做权衡取舍等属性。这些属性使 CDMA 比其它 系统有非常重要的优势。 1.系统容量大理论上 CDMA 移动网比模拟网大 20 倍。 2.系统容量的灵活配置在 CDMA 系统中,用户数的增加相当于背景噪声的增 加,造成话音质量的下降。但对用户数并无限制,操作者可在容量和话音质量 之间折衷考虑。另外,多小区之间可根据话务量和干扰情况自动均衡。 3.系统性能质量更佳这里指的是 CDMA 系统具有较高的话音质量,声码器可 以动态地调整数据传输速率,并根据适当的门限值选择不同的电平级发射。同 时门限值根据背景噪声的改变而变,这样即使在背景噪声较大的情况下,也可 以得到较好的通话质量。另外,CDMA 系统“掉话”的现象明显减少,CDMA 系 统采用软切换技术,“先连接再断开”,这样完全克服了硬切换容易掉话的缺点。 4.频率规划简单用户按不同的序列码区分,所以不相同 CDMA 载波可在相邻 的小区内使用,网络规划灵活,扩展简单。 5. 延长手机电池寿命采用功率控制和可变速率声码器, 手机电池使用寿命延长。 2 CDMA 技术的发展趋势

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图 4-2 CDMA 技术的发展

CDMA 由最初的 IS95A 发展至今,放弃了 CDMA 3x 和 CDMA 1x EV-DV 技术, 在 CDMA 1x 的方向上得到了较大发展。CDMA 1x EV-DO 的 3G 制式在全球得 到大规模的部署和商用。CDMA 1x EV-DO 将在后续章节专门介绍。 目前在我国频率配置上电信 CDMA800MHz 系统被分配的工作频率为: 820MHz-835MHz 865MHz-880MHz 实际工作频率为: 825MHz-835MHz 870MHz-880MHz (基站收); (基站发); (基站收); (基站发);

即 10MHz 频率带宽,上下行频率间隔为 45MHz。 CDMA 基本频道为 283 号频道(833.49MHz)。 频点和频率对应公式: F 前向=870+n×0.03=F 反向+45(MHz) F 反向=825+ n×0.03(MHz) n:频点号 全网共有 7 个可用 CDMA 频道。频道间隔为 1.23MHz,不同小区可以共用一个 频点组网。

37

78

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160

201

242

283

825

826.11

827.34

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835

800MHz CDMA上行链路频点位置关系及中心频率

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201

242

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870

871.11

872.34

873.57

874.80

876.03

877.26

878.49

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800MHz CDMA下行链路频点位置关系及中心频率

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图 4-3 CDMA 频率分布情况

4.1.2 窄带 CDMA 系统的基本原理
1 CDMA 的基本概念

CDMA 给每一用户分配一个唯一的码序列(扩频码) ,并用它对承载信息的信号 进行编码。知道该码序列用户的接收机对收到的信号进行解码,并恢复出原始 数据,这是因为该用户码序列与其它用户码序列的互相关是很小的。由于码序 列的带宽远大于所承载信息的信号的带宽,编码过程扩展了信号的频谱,所以 也称为扩频调制,其所产生的信号也称为扩频信号。CDMA 通常也用扩频多址 (SSMA)来表征。对所传信号频谱的扩展给予 CDMA 以多址能力。因此,对 扩频信号的产生及其性能的了解就十分重要。扩频调制技术必须满足两条基本 要求: 1.所传信号的带宽必须远大于信息的带宽。 2.所产生的射频信号的带宽与所传信息无关。 所传信号的带宽 Bt 与信息带宽 Bi 之比称为扩频系统的处理增益 Gp Gp=Bt/Bi 接收机采用相同的扩频码与收到的信号进行相关运算恢复出所携带的原始信 息。 由于扩频信号扩展了信号的频谱,所以它具有一系列不同于窄带信号的性能: ● 多址能力 ● 抗多径干扰的能力 ● 具有隐私性能 ● 抗人为干扰的能力 ● 具有低载获概率的性能 ● 具有抗窄带干扰的能力 2 CDMA 蜂窝移动通信网的特点

与 FDMA 和 TDMA 相比,CDMA 具有许多独特的优点,其中一部分是扩频通 信系统所固有的,另一部分则是由软切换和功率控制等技术所带来的。CDMA 移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再用等几种技术结合而成, 含有频域、时域和码域三维信号处理的一种协作,因此它具有同频率可在多个
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小区内重复使用,所要求的载干比(C/I)<1,容量和质量之间可做权衡取舍等 属性。这些属性使 CDMA 比其它系统有非常重要的优势。 系统容量的灵活配置:这与 CDMA 的机理有关。CDMA 是一个自扰系统,所有 移动用户都占用相同带宽和频率。如图所示,我们将带宽想象成一个大房子。 所有的人将进入唯一的大房子。如果他们使用完全不同的语言,他们就可以清 楚地听到同伴的声音而只受到一些来自别人谈话的干扰。在这里,屋里的空气 可以被想象成宽带的载波,而不同的语言即被当作编码,我们可以不断地增加 用户直到整个背景噪音限制住了我们。如果能控制住用户的信号强度,在保持 高质量通话的同时,我们就可以容纳更多的用户。

图 4-4 CDMA 自扰说明

通话质量好:CDMA 系统话音质量很高,声码器可以动态地调整数据传输速率, 并根据适当的门限值选择不同的电平级发射。同时门限值根据背景噪声的改变 而改变,这样即使在背景噪声较大的情况下,也可以得到较好的通话质量。另 外 CDMA 系统采用软切换技术, “先连接再断开” ,这样完全克服了硬切换容易 掉话的缺点。 频率规划简单用户按不同的序列码区分,所以不相同 CDMA 载波可在相邻的小 区内使用,网络规划灵活,扩展简单。

4.1.3 CDMA 系统关键技术介绍
1 功率控制技术

功率控制技术是 CDMA 系统的核心技术。CDMA 系统是一个自扰系统,所有移 动用户都占用相同带宽和频率, “远近效用”问题特别突出。CDMA 功率控制的 目的就是克服“远近效用” ,使系统既能维护高质量通信,又不对其他用户产生
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干扰。功率控制分为前向功率控制和反向功率控制

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