《現(xiàn)代移動通信》課件第7章

7.1GSM通信系統(tǒng)7.2CDMA技術(shù)的基礎(chǔ)7.3IS-95CDMA系統(tǒng)第7章2G移動通信系統(tǒng)

7.1GSM通信系統(tǒng)

7.1.1GSM系統(tǒng)概述

1.GSM系統(tǒng)的發(fā)展

GSM系統(tǒng)源于歐洲，屬于第二代(2G)數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)，它是為解決歐洲各國第一代(1G)模擬蜂窩移動通信系統(tǒng)之間不兼容問題而發(fā)展起來的。

2.GSM系統(tǒng)的主要特點

1)頻譜效率

2)容量

3)語音質(zhì)量

4)開放的接口

5)安全性

6)在SIM卡基礎(chǔ)上實現(xiàn)漫游7.1.2GSM系統(tǒng)組成

1.GSM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

GSM系統(tǒng)由一系列功能單元組成，其具體組成如圖7-1

所示，分為移動臺(MobileStation，MS)、基站子系統(tǒng)(BaseStationSub-system，BSS)、網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)(Network

SwitchingSub-system，NSS)和操作維護子系統(tǒng)(OperationandMaintenanceSub-system，OMS)等幾個主要部分。圖7-1GSM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1)移動臺

2)基站子系統(tǒng)

3)網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)

(1)移動業(yè)務(wù)交換中心(MobileSwitchingCenter，MSC)。

(2)訪問位置寄存器(VisitedLocationRegister，VLR)。

(3)歸屬位置寄存器(HomeLocationRegister，HLR)。

(4)鑒權(quán)中心(AUthenticationCenter，AUC)。

(5)設(shè)備識別寄存器(EquipmentIdentifyRegister，EIR)。

4)操作維護子系統(tǒng)

2.接口和接口協(xié)議

接口是指通信系統(tǒng)不同模塊或設(shè)備之間進行信息交換的部分。接口兩側(cè)的模塊或設(shè)備必須使用同一協(xié)議。而協(xié)議是為不同模塊或設(shè)備之間進行信息交換的需要，而制定的一系列有關(guān)信息格式的規(guī)范。不同模塊或設(shè)備必須使用同一協(xié)議才能實現(xiàn)信息的正常交換。在通信系統(tǒng)中廣泛使用各種協(xié)議。圖7-2GSM系統(tǒng)接口名稱圖7-3GSM系統(tǒng)主要接口的協(xié)議分層示意圖7.1.3GSM無線接口理論

1.GSM系統(tǒng)工作頻段

GSM作為公用陸地移動通信網(wǎng)，其無線傳輸部分必然要占用頻率資源，根據(jù)GSM規(guī)范及國際上各國頻率使用情況來看，GSM系統(tǒng)主要工作頻段為900MHz和1800MHz。

2.GSM多址方式

GSM系統(tǒng)采用時分多址TDMA和頻分多址FDMA相結(jié)合的多址方式。圖7-4GSM系統(tǒng)多址方式示意圖

3.GSM幀結(jié)構(gòu)

在GSM中，每一個載頻被定義為一個TDMA幀，相當于FDMA系統(tǒng)中的一個頻道。每幀包括8個時隙(TS0~TS7)并要有一個幀號，這是因為在計算加密序列的A5算法中是以TDMA幀號為一個輸入?yún)?shù)。當有了TDMA幀號后，移動臺就可以判斷控制信道TS0上傳送的為哪一類邏輯信道了。圖7-5GSM系統(tǒng)幀及時隙格式

4.GSM信道

1)物理信道和邏輯信道

物理信道是支持信息傳輸?shù)拿劫|(zhì)，在GSM系統(tǒng)中它是由相應(yīng)的載頻及時隙所決定。

2)邏輯信道的分類

邏輯信道又分為兩大類，業(yè)務(wù)信道和控制信道。業(yè)務(wù)信道(TCH)用于傳送編碼后的語音或客戶數(shù)據(jù)，在上行和下行信道上，點對點(BTS對一個MS，或反之)方式傳播；控制信道用于傳送信令或同步數(shù)據(jù)。根據(jù)所完成的功能這兩類信道又可以進一步劃分，如圖7-6所示。圖7-6GSM邏輯信道分類

5.GSM突發(fā)脈沖

TDMA信道上的一個時隙中的消息格式被稱為突發(fā)脈沖，也就是說每個突發(fā)脈沖被發(fā)送在TDMA幀的其中一個時隙上。因為在特定突發(fā)脈沖上發(fā)送的信息內(nèi)容不同，也就決定了它們格式的不同。GSM系統(tǒng)中定義了5種突發(fā)脈沖。圖7-7常規(guī)突發(fā)脈沖格式圖7-8接入突發(fā)脈沖格式圖7-9頻率校正突發(fā)脈沖格式圖7-10同步突發(fā)脈沖格式圖7-11空閑突發(fā)脈沖格式

6.信道組合方式

1)控制信道的映射

從幀的分級結(jié)構(gòu)知道，51個TDMA幀構(gòu)成控制復(fù)幀，對于下行鏈路，小區(qū)中主載頻C0上的時隙TS0用于映射廣播和公共控制信道(FCCH、SCH、BCCH、CCCH)，該時隙不間斷地向該小區(qū)的所有用戶發(fā)送同步信息、系統(tǒng)消息、尋呼消息和指配消息。圖7-12BCH和CCCH(下行)在TS0上的映射圖7-13RACH(上行)在TS0上的映射圖7-14SDCCH和SACCH(下行)在TS1上的映射圖7-15SDCCH和SACCH(上行)在TS1上的映射

2)業(yè)務(wù)信道的映射

小區(qū)中攜帶有BCCH的主載頻的TS0和TS1按上述映射安排控制邏輯信道，TS2至TS7以及其他載頻的TS0至TS7均可安排業(yè)務(wù)信道。圖7-16業(yè)務(wù)信道的的映射

7.移動臺和基站的時間調(diào)整

移動臺收發(fā)信號要求有3個時隙的間隔，如圖7-17所示。圖7-17上、下行3時隙偏移時間提前量值可以由0至233μs，該值會影響到小區(qū)的無線覆蓋。GSM小區(qū)的無線覆蓋半徑最大可達到35km，這個限制值是由于GSM的時間提前量編碼是在0～63之間。在空中接口，信號速率為270kb/s，則每比特時間為3.7微秒，基站最大覆蓋半徑為

3.7μs/bit×63bit×(3×108)m/s÷2≈35km

(7.1)但在某些情況下，客觀需要基站能覆蓋更遠的地方，比如在沿海地區(qū)，如需用來覆蓋較大范圍的一些海域或島嶼。這

種覆蓋在GSM中是能實現(xiàn)的，代價是須減少每載頻所容納

的信道數(shù)，辦法是僅使用TS為偶數(shù)的信道(因為TS0必須用做BCCH)，空出奇數(shù)的TS，來獲得較大的保持時間。這被稱為擴展小區(qū)技術(shù)，這一技術(shù)有專門的接收處理。這樣定時提前的編碼將會增大一個突發(fā)脈沖的時長。即基站的最大覆蓋半徑為

3.7μs/bit×(63+156.25)bit×(3×108)m/s÷2≈120km

(7.2)7.1.4GSM主要技術(shù)

為了學(xué)習(xí)GSM系統(tǒng)主要技術(shù)，我們不妨先了解一下GSM系統(tǒng)對語音傳輸?shù)膶崿F(xiàn)過程，如圖7-18所示。圖7-18語音傳輸?shù)膶崿F(xiàn)過程

1.語音編碼

語音編碼的目的是在不增加誤碼的情況下，以較小的速率優(yōu)化頻譜占用，達到與固定電話盡量相接近的語音質(zhì)量。GSM系統(tǒng)中采用的語音編碼方案為規(guī)則脈沖激勵長期預(yù)測(RPE-LTP)，編碼器為每一個20ms長的語音塊提供260個比特，因此產(chǎn)生的比特速率為13kb/s。

2.信道編碼

信道編碼的作用是進行差錯控制，用于改善傳輸質(zhì)量。GSM系統(tǒng)中的信道編碼方式包括：奇偶碼、卷積碼、糾錯循環(huán)碼(FIRECODE)。其中奇偶碼和卷積碼用于TCH、SCH、RACH信道編碼，F(xiàn)IRE碼和卷積碼用于BCCH、PCH、AGCH、SDCCH、FACCH、SACCH信道編碼。

3.交織

交織是將一條消息的相繼比特以非相繼的方式發(fā)送，使突發(fā)差錯信道變?yōu)殡x散信道。通過交織可將突發(fā)的、成串的差錯變?yōu)楠毩⒌?、隨機的差錯，再用信道編解碼的糾錯功能來糾正差錯，恢復(fù)原來的消息。圖7-19語音信道交織

4.鑒權(quán)和加密

1)鑒權(quán)

鑒權(quán)的計算如圖7-20所示。其中RAND是網(wǎng)絡(luò)側(cè)對用戶的提問，只有合法的用戶才能夠給出正確的回答SRES。圖7-20鑒權(quán)計算

2)加密

加密和解密是對114個無線突發(fā)脈沖編碼比特與A5算法產(chǎn)生的114個加密序列比特進行異或運算完成的。上行鏈路和下行鏈路上使用兩個不同的序列：對每一個突發(fā)，一個序列用于移動臺內(nèi)的加密，并作為BTS中的解密序列；而另一個序列用于BTS的加密，并作為移動臺的解密序列，如圖7-21所示。圖中幀號編碼成一連串的三個值，總共加起來22比特。用戶在通信過程中，突發(fā)脈沖的幀號在不斷變化，因此每個突發(fā)脈沖會使用不同的加密序列。密鑰Kc是在GSM鑒權(quán)期間通過A8算法產(chǎn)生的，如圖7-22所示。圖7-21A5算法(加密和解密)圖7-22A8算法(Kc計算)

5.調(diào)制

GSM所使用的調(diào)制是BT=0.3的GMSK技術(shù)，BT=0.3表示了高斯濾波器的3dB帶寬和比特周期的乘積。

6.跳頻技術(shù)

跳頻是將原信號隨機地用不同載波傳輸發(fā)送。跳頻所使用的頻率往往跨越很寬的帶寬，所以跳頻也是一種擴頻系統(tǒng)。跳頻可起到頻率分集和干擾源分集的作用。跳頻可分為快跳頻和慢跳頻，兩者之間的區(qū)別在于頻率跳變速率是否大于信息傳輸速率，對于慢跳頻，每跳可連續(xù)傳輸若干個信息比特。

7.2CDMA技術(shù)的基礎(chǔ)

7.2.1擴頻通信的基本概念

移動通信中第二代的IS-95CDMA與第三代中cdma2000與WCDMA均采用CDMA技術(shù)，而CDMA是通過擴頻通信實現(xiàn)的，擴頻通信是CDMA技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

1.擴頻通信的定義

擴頻通信即擴展頻譜(SpreadSpectrum，SS)通信，是將基帶信號(即信息)的頻譜擴展至很寬的頻帶上，然后再進行傳輸?shù)囊环N通信方式。它與傳統(tǒng)的窄帶通信系統(tǒng)不同，其主要特征是擴頻前信源的碼元帶寬(或速率)遠遠小于擴頻后進入信道的擴頻信號中碼片(chip)的帶寬(或速率)。擴頻通信采用寬帶傳輸可獲得眾多優(yōu)勢。

2.擴頻通信的特點

1)抗干擾能力強

2)安全保密性好

3)可實現(xiàn)多址通信

4)抗衰落

5)抗多徑

3.擴頻系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)

擴頻通信的基本思想和理論依據(jù)是香農(nóng)(Shannon)公式，即

(7.3)

4.擴頻通信的主要性能指標

1)處理增益

處理增益是衡量擴頻系統(tǒng)性能的一個重要參數(shù)，其定義為接收機相關(guān)處理器的輸出信噪比與輸入信噪比的比值，即

(7.4)處理增益表示經(jīng)過擴頻接收機處理后，使信號增強的同時抑制落入接收機的干擾信號的能力的大小。處理增益GP越大，則系統(tǒng)的抗干擾能力越強。理論分析表明，各種擴頻系統(tǒng)的抗干擾能力大體上都與擴頻信號帶寬B和信息帶寬Bm之比成正比，工程上常以分貝(dB)表示，即

(7.5)

2)抗干擾容限

抗干擾容限是指在保證系統(tǒng)正常工作的條件下，接收機能夠承受的干擾信號比有用信號高出的分貝數(shù)，其定義為

(7.6)

5.擴頻系統(tǒng)的分類

擴頻系統(tǒng)主要包括以下四類：

(1)直接序列系統(tǒng)(DirectSequence)(簡稱DS)

(2)跳頻系統(tǒng)(FrequencyHopping)(簡稱FH)

(3)跳時擴頻系統(tǒng)(TimeHopping)(簡稱TH)

(4)線性調(diào)頻(ChirpModulation)7.2.2直接序列擴頻基本原理

1.直擴系統(tǒng)的組成

直接序列擴頻系統(tǒng)是將要發(fā)送的信息用偽隨機(Pseudo-Noise，PN)序列擴展到一個很寬的頻帶上去，在接收端，用與發(fā)送端相同的偽隨機序列對接收到的擴頻信號進行相關(guān)處理，恢復(fù)出原來的信息。干擾信號由于與偽隨機序列不相關(guān)，在接收端被擴展，使落入信號頻帶內(nèi)的干擾信號功率大大降低，從而提高了系統(tǒng)的輸出信噪(干)比，達到抗干擾的目的。其組成原理如圖7-23所示。圖7-23直擴系統(tǒng)的組成原理圖

2.直擴系統(tǒng)的信號分析

信號源產(chǎn)生的信號a(t)為信息流，碼元速率Ra，碼元寬度Ta(Ta=1/Ra)，則a(t)為

(7.7)式中：an為信息碼，以概率P?。?和以概率1－P?。?，即

(7.8)

ga(t)為門函數(shù)，定義為

(7.9)偽隨機序列產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機序列c(t)，速率為Rc，碼片(chip)寬度Tc(Tc=1/Rc)，則c(t)為

(7.10)擴頻過程實質(zhì)上是信息流a(t)與偽隨機序列c(t)的模2加或相乘的過程。偽隨機碼片速率Rc比信息碼元速率Ra大得多，一般Rc/Ra的比值為整數(shù)，且Rc/Ra>>1，所以擴展后的序列的速率仍為偽隨機碼片速率Rc。擴展的序列d(t)為

(7.11)

式中，

(7.12)用此擴展后的序列去調(diào)制載波，將信號搬移到載頻上去。用于直擴系統(tǒng)的調(diào)制，原則上講，大多數(shù)數(shù)字調(diào)制方式均可，但應(yīng)視具體情況，根據(jù)系統(tǒng)的性能要求來確定，用的較多的

調(diào)制方式有BPSK、MSK、QPSK等。這里分析采用PSK調(diào)制，用一般的平衡調(diào)制器就可完成PSK調(diào)制。調(diào)制后得到的信號

s(t)為

(7.13)接收端天線上感應(yīng)的信號經(jīng)高放的選擇放大和混頻后，得到包括以下幾部分的信號：有用信號sI(t)、信道噪聲nI(t)、干擾信號JI(t)和其他網(wǎng)的擴頻信號sJ(t)等，即收到的信號(經(jīng)混頻后)為

(7.14)接收端的偽隨機碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機序列與發(fā)端產(chǎn)生的偽隨機序列相同，但起始時間或初相位可能不同，為c′(t)。解擴的過程與擴頻過程相同，用本地的偽隨機序列c′(t)與接收到的信號相乘，即

(7.15)下面分別對式(7.15)四個分量進行分析。首先看信號分量sI′(t)，則

(7.16)

若本地產(chǎn)生的偽隨機序列c′(t)與發(fā)端產(chǎn)生的偽隨機序列

c(t)同步，即c(t)=c′(t)，則c(t)·c′(t)=1，這樣，信號分量

sI′(t)為

(7.17)圖7-24擴頻系統(tǒng)波形及頻譜示意圖7.2.3CDMA中的地址碼

1.地址碼的特性要求

理想的地址碼和擴頻碼應(yīng)具有如下特性：

(1)有足夠多的地址碼碼組。

(2)有尖銳的自相關(guān)特性。

(3)有處處為零的互相關(guān)特性。

(4)不同碼元數(shù)平衡相等。

(5)盡可能大的復(fù)雜度。

1)自相關(guān)函數(shù)

一般情況下，在數(shù)學(xué)上是用自相關(guān)函數(shù)來表示信號與它自身相移后的相似性。對于采用二進制的碼序列時，周期長度為N碼序列{x}的自相關(guān)函數(shù)Rx(j)定義為：

(7.18)有時將相關(guān)函數(shù)的歸一化，稱為自相關(guān)系數(shù)ρx=(j)，其定義為：

(7.19)

2)互相關(guān)函數(shù)

自相關(guān)函數(shù)表征一個信號與自身延遲j位后的相似性，而兩個不同信號的相似性比較則是通過互相關(guān)函數(shù)來定義的。對于二進制碼序列，周期均為N的兩個碼序列{x}和{y}，其互相關(guān)函數(shù)定義為

(7.20)

互相關(guān)系數(shù)定義為

(7.21)

2.地址碼的分類與設(shè)計

1)用戶地址碼

主要用于上行(反向)信道，用戶地址碼由移動臺產(chǎn)生，便于區(qū)分不同的用戶，下行信道中由基站產(chǎn)生的擾碼主要用于數(shù)據(jù)加擾。隨著移動用戶數(shù)日益遞增，用戶地址碼數(shù)量是主要矛盾，但亦必須滿足各用戶間的正交(準正交)性能，以減少用戶之間的干擾。圖7-25長碼發(fā)生器圖7-26掩碼格式

2)基站地址碼

基站地址碼在數(shù)量上也有一定要求，而沒有用戶地址碼數(shù)量要求多，但是在質(zhì)量上要求各基站之間正交(準正交)，以減少基站間的干擾。在IS-95中，基站地址碼采用15位移位寄存器產(chǎn)生的m序列，該序列稱為引導(dǎo)PN序列，其作用是給不同基站發(fā)出的信號賦以不同的特征。在基站中通常使用兩個引導(dǎo)PN序列，即

I支路PN序列和Q支路PN序列，其特征多項式分別為

(7.22)

(7.23)不同的基站使用相同的引導(dǎo)PN序列，但各自卻采用不同的時間(相位)偏置(即不同的移位)。為了有效防止多徑干擾，每個基站間至少相差64位，因此共計可產(chǎn)生的基站數(shù)為

(7.24)

3)信道地址碼

CDMA是干擾受限系統(tǒng)，且實際用戶之間的干擾主要取決于信道間的隔離度，因此，信道地址碼的選取直接決定用戶的數(shù)量和質(zhì)量。一般要求各信道之間正交、互不干擾。

IS-95中，在同步情況下，采用完全正交的64位Walsh碼作為前向信道地址碼，它由基站產(chǎn)生并在下行中實現(xiàn)。Walsh函數(shù)有多種等價的構(gòu)造方法，而最常用的是采用Hadamard編號法，IS-95所采用的就是這一方法。一般地，哈達碼(Hadamard)矩陣為一方陣，并具有下列遞推關(guān)系

(7.25)

其中r=1，2，…。當r=1時，

(7.26)

當r=2時，

(7.27)圖7-27OVSF碼的碼樹結(jié)構(gòu)圖7.3IS-95CDMA系統(tǒng)

7.3.1系統(tǒng)概述

1.IS-95CDMA的發(fā)展

CDMA蜂窩系統(tǒng)最早由美國高通(Qualcomm)公司成功開發(fā)的，Qualcomm公司于1990年7月公布了最早的CDMA標準，經(jīng)過許多移動通信運營商和制造廠家的協(xié)商討論，于1990年9月發(fā)布了建議標準的修訂版本，并于1990年10月公布了暫行規(guī)定，1993年7月，美國TIA再次征集各方面的建議，經(jīng)會議討論后正式將其確定為IS-95標準(InterimStandard，暫定標準)，即“雙模式寬帶擴頻蜂窩系統(tǒng)的移動臺-基站兼容標準”。

2.IS-95標準

IS-95是TIA定義的空中接口標準，其主要包括下列幾部分。

1)頻段

2)信道數(shù)

3)射頻帶寬

4)調(diào)制方式

5)擴頻方式

6)語音編碼

7)信道編碼

8)PN碼

9)導(dǎo)頻、同步信道

10)多徑利用

3.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1)移動臺

2)基站子系統(tǒng)

3)網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)

4)操作與維護子系統(tǒng)7.3.2IS-95CDMA系統(tǒng)的無線鏈路

1.正向鏈路

IS-95CDMA系統(tǒng)的正向信道可分為控制信道和業(yè)務(wù)信道，其中控制信道包括：導(dǎo)頻信道、同步信道和尋呼信道組成，如圖7-28所示。圖7-28IS-95系統(tǒng)正向信道的組成

1)導(dǎo)頻信道(PilotChannel)

2)同步信道(SynchronousChannel)

3)尋呼信道(PagingChannel)

4)正向業(yè)務(wù)信道(TrafficChannel)圖7-29IS95CDMA系統(tǒng)正向信道結(jié)構(gòu)圖

2.反向鏈路

在IS-95CDMA系統(tǒng)中，反向信道由接入信道和業(yè)務(wù)信道組成。反向信道利用具有不同相位偏移量的長碼序列(242-1)作為用戶地址碼，多個用戶共享CDMA頻道。圖7-30是IS-95系統(tǒng)反向信道的組成。圖7-30IS-95系統(tǒng)反向信道的組成

1)接入信道(AccessChannel)

調(diào)制碼元的傳輸速率為28800/6＝4800s/s，調(diào)制碼元時間寬度為1/4800＝207.333μs。每一調(diào)制碼元含64個子碼，因此Walsh碼的子碼速率為64×4800＝307.2kc/s，相應(yīng)的子碼寬度為3.25μs。將64個Walsh函數(shù)碼編成號碼為0，1，…，63，則可按式(7.28)計算調(diào)制碼元的號碼，以選用不同的Walsh碼。調(diào)制碼元的號碼為

i=C0+2C1+4C2+8C3+16C4+32C5

(7.28)

2)反向業(yè)務(wù)信道(TrafficChannel)

反向業(yè)務(wù)信道用于在呼叫建立階段傳輸用戶業(yè)務(wù)和信令信息，其特點和作用與正向業(yè)務(wù)信道基本相同。圖7-31IS95CDMA系統(tǒng)正向信道結(jié)構(gòu)圖7.3.3IS-95CDMA中的切換和功率控制

1.切換

1)硬切換

硬切換是指移動臺在不同頻道之間的切換，如同一MSC或不同的MSC之間的不同頻道之間的切換、CDMA系統(tǒng)到模擬系統(tǒng)的切換等。這些切換需要移動臺變更收發(fā)頻率，即先切斷原來的收發(fā)頻率，再搜索、使用新的頻道。硬切換會造成通話短暫中斷，當切換時間較長時(大于200ms)，將影響用戶通話。

2)軟切換

軟切換是指相同CDMA頻道中的切換，不需要變換收發(fā)頻率，只需對引導(dǎo)PN碼的相位做一調(diào)整。軟切換包括不同基站的小區(qū)之間、不同基站的兩個扇區(qū)之間、不同基站的小區(qū)和扇區(qū)三方之間的切換。