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移动通信基础
CM3G_BT001_C1_0移动通信基础
课程目标:
●了解无线通信技术的发展过程
●了解CDMA演进过程、网络结构、网元功能和接口功能
●了解CDMA系统的特点和关键技术
●了解CDMA业务中用到的不同号码
目录
第1章无线通信的发展1
1.1第一代模拟蜂窝移动通信1
1.2第二代数字蜂窝移动通信1
1.2.1TDMA系统2
1.2.2窄带CDMA系统2
1.3第三代移动通信----IMT20002
1.3.1IMT-2000的关键特性3
1.3.2第三代移动通信系统的技术标准3
1.3.32G向3G的演进3
1.3.4IMT-2000的频谱分配4
第2章CDMA技术基础知识5
2.1多址技术5
2.2CDMA基本概念6
2.3CDMA特点6
2.4CDMA关键技术8
2.4.1软切换8
2.4.2功率控制8
2.4.3Rake接收9
2.4.4可变速率编码9
第3章CDMA网络演进和结构11
3.1CDMA网络演进11
3.2CDMA蜂窝移动通讯系统结构13
3.2.1Phase0和Phase1阶段13
3.2.2Phase2阶段21
3.2.3Phase325
3.3LMSD阶段核心网关键技术25
3.3.1TrFO与RTO操作25
3.3.2IP承载27
第4章CDMA号码介绍29
4.1.1移动用户号码(MDN)29
4.1.2国际移动用户识别码(IMSI)和移动台识别码(MIN)29
4.1.3临时本地用户号码(TLDN)30
4.1.4ESN、UIMID、A-KEY、SSD31
4.1.5系统识别码(SID)和网络识别码(NID)32
4.1.6MSCID33
4.1.7HLR号码(HLRIN)34
4.1.8MSC号码(MSCIN)34
第一章无线通信的发展
移动通信的主要目的是实现任何时间、任何地点、任何人之间的通信。
无线移动通信技术基本上是围绕开辟新的移动通信频段、合理有效地利用频率资源和移动台的小型化、轻便化、多功能化为中心而发展的。
从70年代美国贝尔实验室提出“蜂窝”理论开始,蜂窝移动通信得到了广泛地应用。
从理论上,蜂窝系统的本质是在不同的地理位置可重复使用无线电信道,即频分复用。
将服务区分割成一个个抽象的六边形蜂窝状小区,两个不相邻的小区可以使用相同的频率,小区的大小取决于用户密度,因而大大提高了频谱利用率,从而有效地提高了系统的容量。
同时,由于微电子技术、计算机技术、通信网络技术、信号编码技术及其数字信号处理技术的发展,移动通信在交换、信令网络体制和无线调制编码技术等方面都有了长足的发展,从而使蜂窝移动通信系统经历了从模拟到数字、从频分(FDMA)到时分(TDMA)、码分(CDMA)的变化;从第一代蜂窝移动通信系统到第三代蜂窝移动通信系统的演进。
一.1第一代模拟蜂窝移动通信
70年代末,在蜂窝组网技术的基础上第一代蜂窝移动通信系统孕育而生,开创了蜂窝移动通信系统商用化的先锋。
第一个蜂窝系统AMPS(高级移动电话业务)在1979年美国芝加哥成为现实。
这一阶段其它的制式还有英国的TACS、北欧的NMT。
第一代通信的特点是以FDMA和模拟调制(FM)为特征,话音传输为模拟信号。
主要特征表现为频率利用率低、容量小、无统一的国际标准、设备相当复杂、费用较贵、需要一定的保护频带、无十分有效抗干扰抗衰减的措施、话音质量不高、安全性差,易于被窃听,易做“假机”等缺陷,并且用户数受到一定的限制,无法承担非语音业务和数字通信业务,随着业务的发展,已无法满足市场的需求。
这些致命的弱点妨碍其进一步发展,因此模拟蜂窝移动通信逐步被数字蜂窝移动通信所替代。
一.2第二代数字蜂窝移动通信
80年代开发出了时分多址和窄带码分多址为主体的移动电话系统,称之为第二代移动通信系统。
代表产品分为两类:
一.2.1TDMA系统
TDMA系列产品的最大特点是采用时分多址技术并配合频分多址实现移动通信功能。
其中比较成熟和最有代表性的制式有:
泛欧GSM、美国D-AMPS和日本PDC。
上述三种产品的共同点是数字化、时分多址、话音质量比第一代好、保密性好、可传送数据、能自动漫游等。
但三种不同制式各有其优缺点,PDC系统频谱利用率很高,仅在日本本土使用,D-AMPS系统容量最大,但设备复杂,而GSM技术最成熟,技术标准公开,被全世界各地普遍采用。
一.2.2窄带CDMA系统
码分多址(CDMA)无线技术是继GSM等数字通信技术之后,发展起来的一种新型数字蜂窝区技术。
N-CDMA(码分多址)系列主要是以高通公司为首研制的基于IS-95的N-CDMA(窄带CDMA)。
它利用数字传输方法,采用扩频通信,功率控制、软容量、软切换、话音激活、语音编码、多址、分集接收、RAKE接收等关键技术使得CDMA系统具有突出的优点,将移动通信技术推向一个新的发展阶段。
CDMA系统由于采用了先进技术,使得其在很多方面具有了TDMA系统所不能比的优势。
如频谱利用率高,覆盖范围广,系统容量大,频率规划简单,话音质量高。
抗干扰性能好,辐射功率小,省电,待机时间长,穿透能力强,室内覆盖好,保密安全性好、不易盗号等。
CDMA的发展是一个渐进的过程,目前市场商用的产品基本上都是基于IS-95A的窄带N-CDMA技术。
在现有窄带N-CDMA的基础上,实现低成本、高质量、互联互通、支持IP和数据业务,实现无线智能网(WIN)业务,向用户提供方便、有效的通信服务。
从通信技术和人们的需求来看,未来的无线通信世界将是一个宽带、综合、数据、多媒体网络。
宽带CDMA技术将是支撑这个网络的重要支柱。
一.3第三代移动通信----IMT2000
随着用户的不断增长和数字通信的发展,第二代移动电话系统逐渐显示出它的不足之处。
首先是频带太窄,不能提供如高速数据、慢速图像与电视图像等的各种宽带信息业务;其次是GSM虽然号称“全球通”,实际未能实现真正的全球漫游,尤其是在移动电话用户较多的国家如美国、日本均未得到大规模的应用。
而随着科学技术和通信业务的发展,需要的将是一个综合现有移动电话系统功能和提供多种服务的综合业务系统,所以国际电联要求在2000年实现商用化的第三代移动通信系统,即IMT-2000。
一.3.1IMT-2000的关键特性
包含多种系统;
世界范围设计的高度一致性;
IMT-2000内业务与固定网络的兼容;
高质量;
世界范围内使用小型便携式终端。
一.3.2第三代移动通信系统的技术标准
目前,具有代表性的第三代移动通信系统技术主要存在以下三个标准:
以Qualcomm公司为代表提出的与IS-95系统反向兼容的宽带CDMA2000建议。
欧洲考虑在IMT-2000网络发展目标上,支持宽带分组交换网为核心,将当前的从功能上分层的网络模式演变成端到端的客户-服务器模式,专门开发与GSM系统反向兼容的WCDMA标准。
此方案便于由GSM平滑过渡到第三代,故受到很多GSM供应商支持。
我国向ITU-R提交了TD-SCDMA技术。
一.3.32G向3G的演进
第三代移动通信网络的建设是一个长期的过程。
由于建设初期存在网络覆盖问题,并且同时大规模建设核心网和接入网需要很高的投入,因此,世界各国普遍采用了以第二代移动通信网络为基础发展第三代移动通信的演进策略,即尽量与2G系统兼容,实现2G到3G的平滑过渡,以解决3G建设初期的漫游问题和第三代网络建设的庞大投入问题。
同时对于新的网络运营商会直接建设新的3G网络。
由于目前存在两大主要制式GSM和IS-95CDMA,所以从2G向3G的演进分为从GSM向3G的演进和从IS-95CDMA向3G的演进。
两种制式向3G的演进路径如图1.31所示,
图1.31第二代移动通信向3G的演进
GSM向3G演进一般需经过GPRS(2.5G)阶段,然后演进到WCDMA。
IS-95CDMA向3G的演进先发展到cdma2000-1X(单载波,速率最高为384kb/s),下一步是从cdma2000-1X演进到增强型cdma2000-1XEV。
一.3.4IMT-2000的频谱分配
根据1992年世界无线电管制大会的规定,IMT-2000频谱分配如下:
上行频段:
1885~2025MHz;下行频段:
2110~2200MHz;
移动卫星业务频段:
1980~2010MHz;2170~2200MHz。
第二章CDMA技术基础知识
二.1多址技术
众所周知,在无线通信环境的电波覆盖区,如何建立网内终端用户间的信道的连接,是任何一个传输系统考虑的首要问题。
该问题的本质是一个多址移动通信问题。
目前使用的无线多址方式有:
模拟系统中的FDMA,数字系统中的TDMA和CDMA。
实现多址连接的理论基础是信号分割技术,即在发送端进行恰当的信号设计,使各站所发射的信号有所差异;在收端有信号识别能力,能从混合信号中分离选择出相应的信号。
FDMA:
频分多址,就是在频域中一个相对窄带信道里,信号功率被集中起来传输,不同信号被分配到不同频率的信道里,发往和来自邻近信道的干扰用带通滤波器限制,这样在规定的窄带里只能通过有用信号的能量,而任何其它频率的信号被排斥在外。
TDMA:
时分多址,就是一个信道由一连串周期性的时隙构成,不同信号的能量被分配到不同的时隙里里,利用定时选通来限制邻近信道的干扰,从而只让在规定时隙中有用信号的能量通过。
CDMA:
码分多址,就是每一个信号被分配一个伪随机二进制进行扩频,不同信号能量被分配到不同的伪随机序列里。
在接收机里,信号用相关器加以分离,这种相关器只接收选定的二进制序列并压缩其频谱,凡不符合该用户二进制序列的信号就不被压缩带宽。
结果只有有用信号的信息才被识别和提取出来。
图2.11分别给出了FDMA、TDMA、CDMA在频域和时域的对应关系。
图2.11FDMA,TDMA,CDMA时域和频域示意图
二.2CDMA基本概念
CDMA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。
说明
所谓扩频技术,即是将原始信号的带宽变换为比原始带宽宽得多的传输信号,以来达到提高通信系统的抗干扰目的。
其数学模型即为信息论中的香农(Shannon)公式,即在白噪声干扰的条件下,信道容量为:
C=Blog2(1+S/N)
其中:
B:
信道带宽;S:
信号平均功率;N:
噪声平均功率;C:
信道容量。
从上面的公式中可以看出:
即使信噪比S/N比较低,但只要增大带宽B,同样可以在不降低系统容量的情况下达到高质量的通信目的
CDMA是一个自扰系统,所有移动用户都占用相同带宽和频率,用一个比较形象的例子来说明CDMA的工作机理。
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。
二.3CDMA特点
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。
二.3.1.1覆盖范围大
在移动通信系统领域,如果对CDMA和GSM系统做一个对比,CDMA系统理论上覆盖半径是标准GSM的2倍。
如果覆盖1000km2,CDMA只需要50个基站,GSM则需要200个。
在相同的覆盖条件下,基站数量大为减少,对运营商而言,设备的投资会大为减少。
二.3.1.2大容量
在相同的频谱利用率下,CDMA的容量是GSM的4-5倍,是模拟网的10倍。
二.3.1.3语音质量高
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。
CDMA可变速率声码器8K编码所提供的语音质量至少不比GSM的13K编码差,而13K编码所能提供的语音服务已经非常接近有线电话,甚至有些方面如:
背景噪生等已经超过有线质量。
同时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。
说明
所谓软切换,即终端在同一频率不同信道间的切换。
而同一基站不同扇区之间的信道切换称为更软切换,而硬切换与软切换正好相反,不同频率不同信道间的切换称硬切换。
二.3.1.4绿色手机
CDMA采用不同的功率控制技术,使得CDMA的平均功率和GSM相比有了大幅度的下降,从而降低了辐射,为安全使用系统提供了保障。
二.3.1.5频率利用率高
由于CDMA系统采用不同的伪随机码对用户信号进行调制,从频域的角度去看,所有信号的频谱是重叠在一起的,因此频谱的利用率非常高。
二.3.1.6频率规划简单,扩容方便
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。
二.3.1.7隐蔽性和保密性强
二.3.1.8抗干扰和抗多径能力强
二.4CDMA关键技术
3G标准普遍采用CDMA技术,是因为CDMA的一些关键技术在频率使用效率、传输可靠性和系统容量方面带来的优异特性。
二.4.1软切换
软切换是CDMA移动通信系统所特有的。
其基本原理如下:
当移动台处于同一个BSC(基站控制器)控制下的相邻BTS(基站收发信机)之间的区域时,移动台在维持与源BTS无线连接的同时,又与目标BTS建立无线连接,之后再释放与源BTS的无线连接。
发生在同一个BSC控制下的同一个BTS的不同扇区间的软切换又称为更软切换。
软切换有以下几种方式:
同一BTS内不同扇区相同载频之间的切换,也就是通常说的更软切换(SofterHandoff);
同一BSC内,不同BTS之间相同载频的切换;
同一MSC内,不同BSC之间相同载频的切换。
二.4.2功率控制
如果小区中的所有用户均以相同功率发射,则靠近基站的移动台到达基站的信号强;远离基站的移动台到达基站的信号弱,导致强信号掩盖弱信号。
在CDMA系统中某个用户信号的功率较强,对该用户的信号被正确接收是有利的,但却会增加对共享频带内其它的用户的干扰,甚至淹没有用信号,结果使其它用户通信质量劣化,导致系统容量下降。
为了克服这个问题,必须根据通信距离的不同,实时地调整发射机所需的功率,这就是“功率控制”。
CDMA的功率控制包括反向功率控制、前向功率控制和小区呼吸功率控制。
功率控制可以使每个用户用最小的功率收发信息,既减小对其它用户的干扰,又可以减少手机的充电次数。
二.4.3Rake接收
无线发射机发射的无线信号遇到障碍物会发生反射,由于反射波、直射波和移动的收发信机等因素,产生了信号从发射机到接收机的不同传输路径,到达接收机的不同路径的信号之间有延迟。
当两条路径的信号之间的延迟满足一定条件时,两路信号即可看成不相关信号,CDMA系统利用这一特性,在接收机上构造出多径接收来,这种接收方式被称为RAKE接收。
RAKE接收机同时使用多个解扩器,对接收信号先做适当的延迟,对应多个路径。
然后对这些延迟信号进行解调解扩处理,最后将解调解扩后的信号合成。
二.4.4可变速率编码
充分利用语音激活因子,减少发射功率、提高系统容量。
CDMA有三种标准的语音编码技术,具有良好的背景噪音抑制功能:
8KQCELP(QualcommCodeExcitedLinearPrediction)
13KQCELP
8KEVRC(EnhancedVariableRateCodec)
第三章CDMA网络演进和结构
三.1CDMA网络演进
CDMA技术体制从最初的IS-95向CDMA2000系列演进,CDMA2000向ALL-IP网络演进分为Phase0、Phase1、Phase2和Phase3四个阶段。
1.Phase0
该阶段为传统的电路模式无线网,支持电路交换和分组交换技术。
核心网
支持TIA-41网络,对分组数据网络的支持由IS-707规定的serviceoption33能力集来提供,不提供基于TIA-41网络的分组数据切换的支持。
分组数据网络实现标准是P.R0001ReleaseA,实现simpleIP和mobileIP接入技术,由AAA实现鉴权认证计费服务器功能。
接入网
由IOS4.0定义,详细定义了基于传统TIA-41网络的MSC与BSC间的接口以及PCF与PDSN间的接口。
空中接口
由CDMA2000Release0定义。
2.Phase1
该阶段支持电路交换和最初的基于网络的分组交换技术,具体包括:
支持分组数据会话切换;
支持电路模式呼叫切换后发起分组数据的会话;
支持分组会话切换后发起或终结电路模式的话音呼叫;
支持电路交换话音呼叫与激活的分组会话的并发业务。
此阶段支持的协议标准有N.S0005、N.S0029-0、CDMA2000ReleaseA、IOS4.1,具体如下:
核心网
支持传统的TIA-41网络,由N.S0005和N.S0029-0共同定义,对于分组数据网络来说,其支持的无线IP网络数据标准协议为P.S0001ReleaseB。
接入网
提供接入到传统TIA-41网络和分组数据网的接入网使用IP传输信令,信令链路和承载流相分离,承载的传输由IOS4.1标准来具体规定。
空中接口
空中接口的演化独立于核心网的演化,基于CDMA2000Release0或ReleaseA。
3.Phase2
该阶段引入传统的MS域LMSD概念,是向All-IP网络演进的第一步,信令和传输承载独立演进,核心网与接入网独立演进,核心网可继续使用已有的承载架构,提供对传统的TIA-41网络已有的业务的支持。
核心网
核心网在Phase2阶段又细分为Step-1、Step-2和Step-N,分别对应于LMSD-Step1、LMSD-Step2和LMSD-StepN,每个Step其系统要求都有所差别。
在Phase2阶段,MSC演进为MSCe和MGW/MRFP两个网络实体,新增加了一些接口,如xx、yy、zz和39,原有接口在功能上有所加强,承载方式发生了改变,如27接口对应于A2和A5接口、48接口对应于A1接口等。
核心网Step-2及后续阶段提供对基于分组的TrFO和RTO的支持。
接入网
支持LMSD,接入网与LMSDS(LegacyMSDomainSupport)间的接口支持独立的信令链路和承载流传输,在Step-2和Step-N阶段向IP传输演进。
空中接口
独立于核心网演进。
4.Phase3
该阶段被称为MMD(多媒体域),是向ALL-IP演进过程的顶点,其显著标志是空中接口的扩展IP传输。
三.2CDMA蜂窝移动通讯系统结构
三.2.1Phase0和Phase1阶段
三.2.1.1概述
CDMA网络的基本结构如下图所示。
图3.21CDMA蜂窝移动通信系统结构图
网元名称及其功能:
缩写
英文含义
中文含义
MS
MobileStation
移动台
BTS
BaseTransceiverStation
基站收发信机
BSC
BaseStationController
基站控制器
MSC
MobileservicesSwitchingCenter
移动交换中心
VLR
VistorLocationRegister
拜访位置登记器
HLR
HomeLocationRegister
归属位置登记器
AUC
AuthenticationCentre
鉴权中心
PCF
PacketControlFunction
分组控制功能
PDSN
PacketDataServingNode
分组数据服务节点
AAA
Authentication,Authorization,AccountingServer
鉴权、授权与计账服务器
OMC
OperationandMaintenanceCenter
操作维护中心
DAS
DispatchingAgentServer
调度台服务器
PDC
PTTDispatchingClient
PTT调度客户端
PDS
PTTDispatchingServer
PTT调度服务器
PHR
PTTHomeRegister
PTT归属寄存器
PLMN
PublicLandMobileNetwork
公共陆地移动网
PSTN
PublicSwitchingTelephoneNetwork
公用电话交换网
SC
ShortMessageCenter
短消息中心
SCP
Servicecontrolpoint
业务控制点
CDMA系统包含下列子系统:
基站子系统(BSS)
网络交换子系统(MSS)
分组数据业务子系统(PDSS)
集群调度子系统(DSS)
操作维护中心子系统(OMC)
MSC/VLR、HLR/AUC、SCP、SC、BSC、BTS一起和PSTN、PLMN网络实现传统电路域的话音业务和短信业务。
PDSN、AAA、PCF(内置在BSC中)、BSC、BTS一起和Internet网络实现分组域的数据业务,也是实现其他所有的数据业务的基础。
PDS、PHR、DAS、PDC(内置在BSC中)、BSC、BTS一起实现集群通信业务。
OMC管理各个网元(如MSC、HLR、BSC等),并且提供标准的Q3网管接口,以便与上级网管中心连接。
MSC和VLR一般合设,二者之间采用内部接口。
HLR和AUC一般合设,二者之间采用内部接口。
另外,可以在此基础上增加必要设备,提供各种增值业务,如基于位置的业务、流媒体业务等。
三.2.1.2基站子系统(BSS)
基站子系统是对服务于一个或几个蜂窝小区的无线设备及无线信道控制设备的总称,在一定的无线覆盖区中由MSC控制,完成信道的分配、用户的接入和寻呼、信息的传送等功能。
BSS一般包括一个或多个基站控制器(BSC)及基站收发信机(BTS)。
BTS负责无线传输,BSC完成控制与管理。
1.基站收发信机(BTS)
基站收发信台(BTS)属于基站系统的无线部分,是由基站控制器控制,服务于某个小区的无线收发信设备,完成BSC与无线信道之间的转换,实现BTS与MS之间通过空中接口的无线传输及相关的控制功能。
通过Abis接口与BSC进行通信。
2.基站控制站(BSC)
BSC一端可与多个BTS相连,另一端与MSC和操作维护中心OMC相连,BSC面向无线网络,主要负责完成无线网络管理、无线资源管理及无线基站的监视管理,控制移动台和BTS无线连接的建立、接续和拆除等管
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