2022年第二代移动通信系统 .pdf

第四章第二代移动通信系统自上世纪90 年代以来，以数字技术为主体的第二代移动通信系统得到了极大的发展，短短的十年，其用户就超过了十亿。在中国，以GSM 为主，IS-95CDMA为辅的第二代移动通信系统只用了十年的时间，就发展了近2.8 亿用户，并超过固定电话用户数，成为世界上最大的移动经营网络。任何一类数字式语音信号在无线环境中传播存在三个挑战:1.选择低速率编码方式,以适应有限带宽的要求;2.选择有效的编码方式降低误码率,以适应恶劣的传播环境;3.选择有效的调制方式和平滑的包络特性,以减少杂散辐射.下面，我们将概述GSM 和 CDMA 系统的特性、信令、系统制式等方面的知识。第一节第二代数字移动通信系统的特性一、时分多址（TDMA）系统特性GSM 系统采用时分多址（TDMA）技术，这种技术在频率时间关系上形成一个矩阵，而每一信道对应于其频率时间矩阵上的一个点，在基站系统的控制和分配下，可为任一移动用户提供电话或非话数据业务。TDMA 系统具有如下特性：1）每载波多路。TDMA系统是一个时分复用系统，如GSM 数字系统中每载波含8 个时隙，即 8 个业务信道。随着技术的发展，半速率业务信道的出现使其设计能力还可翻一倍。2）突发脉冲序列传输。移动台信号功率的发射是不连续的，仅在规定的时隙内发射脉冲序列；或者说，在任何给定的瞬间，占有同一载频而进行通话中的移动台仅有一台在发射信号。3）传输速率和自适应均衡。TDMA 系统中，如果每载波含有的时隙多，则频率间隔宽，传输速率高。当码元持续时间与时延扩展量相当时，务必采用自适应均衡技术。例如当 GSM 系统传输速率达271kbit/s 时，二进制射频数字调制方式码元宽度为3.7s。而城市移动通信的时延扩展通常是3 s，郊区为 0.3 s。随着小区半径扩大和地形地物等因素还有可能增大时延扩展量，因此在 GSM 系统中采用了自适应均衡器，以获得16s 的抗时延扩展能力。4）传输开销大。TDMA 系统分成时隙传输，使得收信机在每一突发脉冲序列上都需要重新获得同步。同时，为了把一个时隙和另一个时隙分开，防护时间也是必须的，因此，TDMA系统通常比FDMA 系统需要更多的传输开销。5）先进的开放的技术规范。许多改进可以通过改变软件的方式实现，对于昂贵的无线设备只有很小的影响。例如话音编码算法的改进而降低比特率时，TDMA系统的信道更容易重新配置以接纳新技术。另外，如GSM 技术规范采用开放互联模式，对于不同供货厂商的互联互通有共同的制约因素，有利于形成一种既竞争又互相促进的机制。这也是GSM 系统能够迅速在全球扩展的一个重要原因。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 26 页 -6）共用设备的成本低。由于每一载波可为多个用户提供业务，所以TDMA系统共用设备的每用户平均成本与FDMA 系统相比是大大地降低了。7）有利于大规模集成。由于TDMA 系统移动台的收发是在各自不同的时隙内进行的，因此可以不使用双工器，既节约了成本，又减小了体积。而大量和复杂的数字信号处理又刺激了大规模集成电路的发展。从而再次促使了移动台制造成本的降低。二、码分多址（CDMA）系统特性1.CDMA 系统一般原理码分多址接续的基础是使用一组正交（或准正交）的伪随机噪声（PN）序列（简称伪码）通过相关处理实现多用户共享频率资源和同时入网接续的功能。码分多址采用扩频技术。扩频技术的概念就是把原始信息的带宽变换成带宽宽得多的类噪声信号。扩频的含义是：假定一基带数据流的速率是Rb bit/s，发信系统将此数据变换为Bc带宽的传输信号。若BcRb（通常达23 个数量级），且扩展编码序列与原始信号不相关，则认为信号获得了频谱扩散。在第一章中，我们介绍了接收机输入端的载干比为：bcobcbobRBIEBRIEIC（41）在 FDMA 或 TDMA 系统中，RbBc，Eb/Io总是大于 1，因此 C/I1 为正的分贝数。而在 CDMA 系统中，BcRb。因此 C/I19+10.3*采用奥村（Okumura-Hata）传播模式*为了达到与话音一样的覆盖范围，基站需增加的功率名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 17 页，共 26 页 -第三节C 网概要一、空中接口参数表 412 列出了 IS-95CDMA 系统空中接口的主要参数。表 412 IS-95 空中接口参数带宽1.25MHz 码片速率1.2288Mchip/s 下行频段（MHz）869894 19301980（我国用：870880）上行频段（MHz）824849 18501910（我国用：825835）帧长度20ms 比特率kbit/s 9.6/14.4/115.2 功率控制上行：开环快速闭环；下行：慢速控制环RAKE 指针数目4 软切换支持语音编码器QCELP 8 kbit/s EVRC 8 kbit/s ACELP 13kbit/s 扩展码Walsh长 M 序列系统的载波间距是1.25MHz，考虑到 IS-95 标准与 D-AMPS 共用一个频段，而 D-AMPS的频道间隔是30kHz，所以中国联通CDMA 系统的工作频率为：上行FU8250.03N 下行FD8700.03N（44）收发间隔为45MHz，N1333，以 41 为步级，共有七对信道。从 N283 开始，Fu833.49MHz FD878.49MHz 二、信道结构（1）下行链路的信道结构1控制信道：在下行链路有三类控制信道：导频信道、同步信道和寻呼信道。上行825MHz 835MHz 下行870MHz 880MHz 37 78 119 160 201 242 283 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 18 页，共 26 页 -*导频信道（Pilot Channel）。导频信道发送的是一个非调制的扩频信号。它对其它63个信道的相干解调起到相位基准的作用。另外，当移动台从一个覆盖区至另一覆盖区时，导频信道可用作探测新基站的搜索目标。与其他信号相比，导频信号的发射功率较大，便于移动台准确跟踪。*同步信道(Sync Channel)。同步信道所载的信息允许移动台确定系统时间和基站导频偏置，为系统接入作准备。在完成同步过程后，就利用导频信号作为参考相干载波相位，实现移动台接收解调。同步信道在捕捉导频时使用，一旦捕获，就不再使用，同步信道的数据速率为 1200bit/s。*寻呼信道（Paging Channel）。每个基站有一个或n 个寻呼信道，当有输入呼叫时，寻呼信道广播移动台的识别码。在寻呼信道上，收到它们识别码的移动台，经上行链路接入信道作出响应。在寻呼信道上的数据速率是4800 或 9600bit/s。2业务信道（Traffic Channel）每个下行业务信道包含一个首选编码信道和17 个补充编码信道。业务信道有两种速率集合。速率集合 1 支持数据速率9.6、4.8、2.4 和 1.2 kbit/s；速率集合 2 支持数据速率14.4、7.2、3.6 和 1.8 kbit/s。在补充业务编码信道上仅可实现全速率（9.6 或 14.4 kbit/s）。移动台必须支持速率集合1，但也可任选支持速率集合2。（2）上行链路的信道结构上行链路有两种逻辑信道，即接入信道和业务信道。1接入信道（Access Channel）移动台使用接入信道发起呼叫，对从基站来的寻呼信道消息进行响应，进行位置更新。每个接入信道与一个下行链路寻呼信道相关，因此最多可以有7 个接入信道。在接入信道上的数据速率是4800 bit/s。2业务信道上行业务信道与下行业务信道基本相似，也包含一个单一首选编码信道和07 个辅助编码信道。同样，业务信道必须支持速率集合1，也可任选支持速率集合2；而辅助信道只能使用全速率（14.4 或 9.6 kbit/s）。（3）导频 PN 码相位偏置规划导频 PN 码数目共 512 个（0 511），规划者要对系统中不同的基站和扇区赋于PN 码的偏置，这是C 网小区规划的主要环节。通常使用导频增量因子（pilot-inc）来决定选取PN码相位偏置，导频增量因子取决于搜索窗参数和小区半径，如表413 所示。表 413 导频增量因子与小区半径导频增量因子偏移指数增量小区半径（km）1 64 5 2 128 510 3 192 1016 4 256 1621 5 320 2126 6 384 2631 7 448 3137 8 521 3742 对于 IS-95CDMA 系统，码片速率为1.2288Mchip/s，所以每一码片对应244m 的传播距离，一个 PN 偏移指数（64 码片）对应15.6km 的传播距离。因此，规划设计人员应避免使名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 19 页，共 26 页 -两个基站之间的传播时延超出导频信号的相位偏移，否则就会出现所谓的PN 混乱。PN 混乱的后果，就是使用户接收到来自另一基站的干扰太强，或切换到错误目标小区上而引起掉话。（4）功率控制在 DS-CDMA系统中，最难实现的是功率控制要求，这主要有多路接入的干扰造成的。因为该系统中，所有用户使用相同的频率同时发送信息，彼此间必然存在相互干扰。而移动台位置的随机性，使远端用户的信号被近端用户的干扰所覆盖，这种传播现象称为远近效应，是移动通信系统特有的。为了获得高的容量，必须克服远近效应，所有的信号不管离基站的远近，到达基站的信号功率都应当相同，这就是DS-CDMA系统实现功率控制的目的，发信机功率控制的好坏是决定DS-CDMA系统容量的关键因素。与上行链路相比，下行链路中所有信道通过相同的路径传播，移动台接收到的信号与干扰相对值是不变的，因此不存在消除远近效应进行功率控制的问题。下行链路中功率控制的目的是为了减小对邻近小区的干扰。并补偿从其它小区来的干扰。另外，功率控制还可以通过补偿衰落来提高系统的抗衰落能力，对于提高移动台抗干扰性能很有用。现有的两种功率控制方法是：开环控制和闭环控制。开环控制是移动台根据在小区接收功率的变化，迅速调节移动台发射功率以符合规定的电平（保证误码性能）。但是因为上、下行链路之间的快衰落是非相关的，因此，开环功率控制仅是获得适当的平均功率。还需要闭环功率控制，闭环功控是根据测量的信干比（SIR），发送指令给发信机，纠正开环功率控制，使移动台保持最理想的发射功率。IS-95CDMA有三种不同的功率控制：上行链路使用开环和闭环功率控制；下行链路使用相对较慢的功率控制。1开环功率控制开环功率控制有两个功能：调整移动台的初始接入信道传输功率，并补偿路径衰落中大的突发衰落。移动台在移动时使用自动增益控制（AGC）电路测量的接收信号强度，决定移动台和基站之间的路径衰耗的估计值。此估计值只是给出了每个用户的一个大概的传输衰落的估计。接收到的功率愈小，传输损耗愈大。移动台的传输功率由下式决定：平均输出功率（dBm）平均输入功率（dBm）偏置功率参数（45）800MHz 频段移动台（类别 0）的偏置功率是73dBm 用于调整开环功率控制的参数是:小区尺寸，小区有效发射功率（ERP）和接收机灵敏度。这些参数均在同步信道上传输。开环功率控制原理如图49 所示。因为移动台1 到基站（BTS）的距离d1比移动台2到基站的距离d2短，所以移动台1 接收到的信号传输损耗较小。假定移动台1 的平均输入功率是 70dBm，移动台 2 的平均输入功率是90dBm。因为类别0 移动台没有纠错参数，为了在基站获得相同的接收功率，移动台的传输功率可由（45）式计算，分别为17dBm和 7dBm。图 49 上行链路开环功率控制原理名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 20 页，共 26 页 -2闭环功率控制因为 IS-95CDMA 上、下行链路之间的频率间隔是45MHz，所以它们之间的衰落处理相关性不强。为了很好地补偿上行链路的传输衰落，基站也控制移动台的传输功率。这就是闭环功率控制。图410 所示是闭环功率控制原理，基站每1.25ms（等于 6 个调制符号）测量接收到的SIR，与目标 SIR 相比较，决定是增加移动台功率还是降低移动台功率。功率控制比特每 1.25ms 通过抽取数据符号，在下行首选编码信道上传输。图 410 闭环功率控制原理移动台根据功率控制比特相应地调整它的发射功率。调整的幅度可以由系统设定为0.25，0.5 或 1dB。闭环功率控制动态范围是24dB，移动台工作在类别0 时，闭环功率控制和开环功率控制合起来的动态控制范围是32dB；（类别1 对应的动态控制范围是40dB）。闭环功率控制导致的功率控制标准偏差的典型值是1.1 1.5dB。3下行链路低速功率控制基站依据路径损耗和干扰环境，控制一个给定的移动台的发射功率，称为下行链路低速功率控制。在小区边缘基站信号弱并且近端的干扰信号强，下行链路低速功率控制的目的是提高小区边缘的移动台的功率以确保链路的信号质量。下行链路功率控制的机制是：基站周期性地降低发射到移动台的发射功率，移动台测量误帧率（FER），当 FER超过预定义值时，移动台要求基站对它的发射功率增加1，每 1520ms进行一次调整。下行链路低速功率控制调整的动态范围是6dB。（5）RAKE接收机DS扩频信号非常适合多径信道传输。在多径信道中，源传输信号被障碍物和山丘反射，接收机就会收到多个不同时延的拷贝信号。如果时延拷贝信号之间的时延超过一个码片，接收机就可以分别对它们进行解调。实际上，从每一个多径信号的角度看，其它多径信号都是干扰并被处理增益抑制，但是对于RAKE接收机可以对多个信号进行分别处理合成而获得益处。因此 DS-CDMA 的信号波形很容易实现多路分集。RAKE 接收机包含多个相关器，每个相关器接收一个多路信号。在相关器进行取扩展后，信号进行合成，例如，采用最大比率合成。因为接收的多路信号是衰落不相关的，因此进行分集可以提高接收性能。图410 所示是 RAKE接收机的基本原理。在扩频和调制后，信号被发送，通过多径信道传输，如图411 中，列举了三个多径路径，对应的时延是1，2，3和衰落因子 1，2，3。RAKE接收机相对于每个多径元件有一个接收指针，在每个接收指针中，接收到的信号由扩展码进行相关处理，接收到的信号是用多径信号的时延时间校正的。在去扩展后，信号被加权和合成。在图411 中，使用的是最大速率合成，即每个信号由路径增益（衰落因子）加权。小于一个码片的小范围变化由一个编码追踪环路负责处理，名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 21 页，共 26 页 -编码追踪环路用于追踪每个信号的时延。图 411 RAKE接收机的原理（6）软切换在同频的二个以上基站之间的切换称为软切换，在同一基站小区内的不同扇区之间的切换称为更软切换。在 CDMA 系统中，因为邻近小区的频率和现有小区的频率相同，在两小区接近时，将可能对邻近小区产生强干扰，从而使系统容量下降。为了避免这种干扰，当邻近小区的信号强度超过现有小区的信号强度时，从现有小区到邻近小区需要进行无间断切换，这在实践中是可以实现的。切换机制容许移动台在接收到更强的信号（更低的传输损耗）时，可以切换到该小区。在软切换中，移动台是连接到多个基站上的（同时可连接至6 个基站），它的功率控制由它接收到的最强信号的小区决定。同样，在更软切换中，移动台是连接到同一基站的多个（23 个）扇区上的。工程上，导频组依据切换参数转移如图412 所示：图 412 导频组转移示例工程上移动台实用的切换参数是：TADD（导频检测门限）：12dB；TDROP（导频丢弃门限）：14dB；TComp（活动组与候补组间的比较门限）：2.5dB；TTDROP（丢弃计时器值）：3dB，对应时间4秒。活动组郊外组邻近组剩余组导频被候补导频替换T-TDROP 超过导频低于 T-DROP 时间超过 T-TDROP 活动组未满且导频超过 T-ADD 导频超过T-ADD 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 22 页，共 26 页 -第四节小灵通（PHS）的特性小灵通源于日本的PHS（Personal Handy-phone System），是一个时分双工时分多址（TDD-TDMA）技术为基础的数字无绳电话系统，可用于家庭、办公室和有限的室外范围。其基本结构示于图412 中图 412 PHS 系统结构一、空中接口参数PHS 空中接口标准的主要参数列于表414 中，它是一个多载频的TDD-TDMA系统，每载频复用4 个全速率时隙信道，调制方式为/4 相移的 QPSK，下降系数为 0.5，调制信号是192 千字符/秒的字符流，相当于384kb/s 的比特流。话音编码采用IT4G.721/726 所建议的 32kb/s 的 ADPCM 方法，有利于低的时延处理时间和提高话音质量。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 23 页，共 26 页 -表 414 PHS系统主要参数参数规范无线接入和双工方式TDMA/TDD 每载频时隙数4（当使用全速率编码器时）载频间隔300 kHz 调制方式/4 QPSK 0.5比特率384 kb/s 话音编码32 kb/s ADPCM G.726 分集在小区站提供：对上行链路选择后检波方式对下行链路选择发信天线方式帧持续时间5 ms 小区站 RF功率平均值（峰值）室外 CS 高功率室外 CS 标准功率室内 CS 低功率100500 mW（最大 4W）20 mW（160mW）10mW（80mW）最大天线增益2.14 dBi（私人基站或 PS）10 dBi（公共小区基站）手持台（PS）平均（峰值）射频功率10 mW（80mW）接收机灵敏度95 dBm（相对于 103BER）同频干扰保护比17 dB 杂散发射90 dBc 互调干扰保护比65 dB 阻塞干扰保护比90 dB 二、无线工作频段在日本 PHS 系统分配到的射频频段在1.9GHz，共 23MHz 带宽，即 18951918.1MHz，而 RPC（无线电规划委员会）建议报告中分配给它的工作频段是11MHz，即 18951906MHz，用于公共和私人业务包括手持台之间的直接通信；另外还有 12MHz，即 1906.11918.1MHz用于私人业务。所以共有77 个通信信道（包括控制信道和话务信道），其编号计划示于表4名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 24 页，共 26 页 -15 中表 415 PHS 频道编号计划我国给小灵通系统指定的临时工作频段是19001915MHz，它与第三代的TD-SCDMA低端工作频段重叠，且与WCDMA/cdma2000的上行频段（19201980MHz）相邻，因此，无线管理部门曾明文规定PHS 系统在一定的时限内应给3G 系统让路。但目前，小灵通系统还有进一步发展的趋势，我们还必须考虑其与其它2G 系统、以及WCDMA/cdma2000和WLAN 等 3G 系统的合路问题。三、无线信道结构空中接口的信道结构功能示于图413 中图 413 信道结构功能空中接口的无线信道由控制信道和信息信道组成。控制信道由一个公共控制信道（CCCH）和一个接续控制信道（ACCH）的组合信道所组成。1）广播信道（BCCH）这是一个单向下行信道，用来报告从基站到移动台的控制信息，包括信道结构、系统信息等。2）公共控制信道（CCCH）CCCH 实现必要的控制信息的传输，用于呼叫连接，采用随机接入方式完成。无线信道CCH（控制信道）TCH（信息信道）BCCH（广播信道）CCCH（公共控制信道）UPCH（用户打包信道）ACCH（辅助控制信道）独立信道PCH（寻呼信道）SCCH（专用小区信道）SACCH（慢速 ACCH）FACCH（快速 ACCH）名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 25 页，共 26 页 -3）寻呼信道（PCH）寻呼信道隶属于公共控制信道，它是一个单向下行，点到多点的信道，用于瞬时地发送某小区的识别信息到移动台。4）专用小区信道（SCCH）它也隶属于公共控制信道，但是一个双向的点到多点的信道，用于传输小区基站和移动台之间呼叫连接所必须的信息；其上行链路信道是随机接入方式。5）用户打包信道（UPCH）这是一个双向点到多点的信道，载有控制信号信息并实现用户打包数据的传输。6）接续（辅助）控制信道（ACCH）这是一个双向信道用于对话务信道（TCH）的接续。它实现对呼叫连接必须的控制信息和用户打包数据的传输。通常，对TCH 的辅助信道是采用慢速（SACCH），当需要实现高速数据传输时采用FACCH。7）话务信道（TCH）话务信道发送用户话务信息，它是一个点到多点的双向信道。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 26 页，共 26 页 -