GSM-R系统维护与应用全套课件.ppt

GSM-R系统维护与应用系统维护与应用第1章概论2第第1章章 概论概论1.1移动通信概述1.1.1无线通信与移动通信的关系1.1.2移动通信的发展简史1.1.3移动通信系统的特点和分类1.2GSM-R系统概述1.2.1GSM-R与GSM的关系1.2.2GSM-R系统简介1.2.3GSM-R系统在我国的应用31.1 移动通信概论移动通信概论l移动通信是指通信双方至少有一方在移动状态中进行信息传输和交换，这包括移动体（车辆、船舶、飞机或行人）和移动体之间的通信，移动体与固定点（固定无线台或有线用户）之间的通信。41.1 移动通信概论移动通信概论“无线电之父”马可尼于1895年设计出大功率的发射机和接收机，可收发远距离的电磁波，发送莫斯密码。l无线电原理：导体中电流强弱的变化会产生无线电波。利用这一现象，通过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达接收端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。通过解调将信息从电流变化中提取出来，就达到了信息传递的目的。51.1.1无线通信与移动通信的关系1.无线电波的特点：l无线电波在自然空间传播的电磁波，是无线通信信息传输的载体。无线电波主具有以下特点：（1）无线电波是正弦波，具有波的一切特性。它和水波一样能向四周传播，在传播的过程中能够发生折射、反射，它也具有一定的频率、波长和波速。无线电波的传播过程如图1.1所示。6图1.1无线电波的传播过程71.无线电波的特点：无线电波的特点：（2）无线电波不像其它波那样容易被人们的感官所接收。（3）无线电波具有惊人的运动速度，是世界上跑得最快的物质。每秒钟能跑30万公里，而其他物质，比如声波，在空气中每秒只能传播340米。81.无线电波的特点：无线电波的特点：（4）无线电波可以在真空中传播。（5）无线电波的频率往往比其它波的频率高得多。无线电波的频率可以达到几万赫兹、几十兆赫兹。无线电波的波长、频率和振幅还可以按照人们的需要用机器来调节。9表1.1无线电波谱的频率、波段、传播特性及主要用途名称甚低频低频中频高频甚高频超高频特高频极高频符号VLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF频率3-30KHz30-300KHz0.3-3MHz3-30MHz30-300MHz0.3-3GHz3-30GHz30-300GHz波段超长波长波中波短波米波分米波厘米波毫米波波长100-1000Km1-10Km100-1000m10-100m1-10m0.1-1m1-10cm1-10mm传播特性空间波为主地波为主地波与天波天波与地波空间波空间波空间波空间波主要用途海岸潜艇通信；远距离通信超远距离导航；越洋通信中距离通信；地下岩层通信；远距离导航；船用通信业务；无线电通信移动通信中距离导航；远距离短波通信；国际定点通信；电离层散射(30-60MHz)流星余迹通信人造电离层通信（30-144MHz）；对空间飞行体通信；移动通信；小容量微波中继通信(352-420MHz)对流层散射通信（700-10000MHz）中容量微波通信；大容量微波中继通信(3600-4200MHz)、(5850-8500MHz)；数字通信；卫星通信；国际海事卫星通信（1500-1600MHz）；再入大气层时的通信；波导通信；102.无线通信与移动通信的相互关系无线通信与移动通信的相互关系l移动通信就是要保持物体在移动状态中的通信，因而它必须是无线通信。短距离无线通信我们通常称为无线通信；长距离无线通信我们通常称为移动通信，移动通信可以算作无线通信的一个大的分支。111.1.2移动通信发展简史l第一代移动通信系统(1G)是在20世纪80年代初提出的，它完成于20世纪90年代初，如NMT和AMPS，NMT于1981年投入运营。第一代移动通信系统是基于模拟传输的，其特点是业务量小、质量差、交全性差、没有加密和速度低。1G主要基于蜂窝结构组网，直接使用模拟语音调制技术，传输速率约24kbit/s。不同国家采用不同的工作系统。l第二代移动通信系统(2G)起源于90年代初期。欧洲电信标准协会在1996年提出了GSMPhase2+，目的在于扩展和改进GSMPhase1及Phase2中原定的业务和性能。121.1.2移动通信发展简史l第三代移动通信系统(3G)，也称IMT2000，是正在全力开发的系统，其最基本的特征是智能信号处理技术，智能信号处理单元将成为基本功能模块，支持话音和多媒体数据通信，它可以提供前两代产品不能提供的各种宽带信息业务，例如高速数据、慢速图像与电视图像等。如WCDMA的传输速率在用户静止时最大为2Mbps，在用户高速移动是最大支持144Kbps，所占频带宽度5MHz左右l第四代4G是第四代移动通信及其技术的简称，是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。4G系统能够以100Mbps的速度下载，比拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到20Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。131.1.3移动通信系统的特点和分类1.移动通信系统的特点：移动通信系统的特点：（1）移动通信必须利用无线电波进行信息传输移动通信必须利用无线电波进行信息传输通信中的用户可以在一定范围内自由活动，其位置不受束缚，但传输特性差，有各种损秏且大。会产生多径效应,阴影效应,多普勒效应等。（2）通信是在复杂的干扰环境中运行的通信是在复杂的干扰环境中运行的除去一些常见的外部干扰（如天电干扰、工业干扰和信道噪声）外，系统本身和不同系统之间还会产生这样和那样的干扰。如：（各种）多用户之间、基站与用户之间、各种收发信机之间等产生的干扰，主要有：邻道干扰、互调干扰、共道干扰、多址干扰、（以及近地无用强信号压制远地有用弱信号地现象）远近效应等。14（3 3）移动通信业务量的需求与日俱增移动通信业务量的需求与日俱增如何提高系统的容量，始终是移动通信发展中的重点。解决的方法是：一方面开辟和启用新的频段；另一方面研究各种新技术和新措施，以压缩信号所占的频带宽度和提高频谱利用率，如：信号处理技术,新的调制解调技术，多址技术，等等。（4 4）移动通信系统的网络结构多种多样，网络管理和控制必须有效）移动通信系统的网络结构多种多样，网络管理和控制必须有效根据通信地区、地形的不同，移动通信网络可以组成带状（如铁路沿线、隧道等）、面状（覆盖一整个城市和地区）、立体状（地面通信设施与中低轨道卫星通信系统一起组网或由微微蜂窝、微蜂窝和宏蜂窝组成的），等等。（5 5）移动通信设备（主要是移动台）必须适于在移动环境中使用）移动通信设备（主要是移动台）必须适于在移动环境中使用1.1.移动通信系统的特点：移动通信系统的特点：152.移动通信系统的分类移动通信系统的分类移动通信系统主要有以下分类：（1）按使用对象可分为民用设备和军用设备；（2）按使用环境可分为陆地通信、海上通信和空中通信；（3）按多址方式可分为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）等；（4）按接入方式可分为频分双工（FDD）和时分双工（TDD）；（5）按覆盖范围可分为宽域网和局域网；16（6）按业务类型可分为电话网、数据网和综合业务网；（7）按工作方式可分为同频单工、异频单工、异频双工和半双工；（8）按服务范围可分为专用网和公用网；（9）按信号形式可分为模拟网和数字网。173.常见的移动通信系统常见的移动通信系统（1）蜂窝移动通信系统183.常见的移动通信系统常见的移动通信系统（1）蜂窝移动通信系统术 语定 义移动台 MS是在移动服务网中，在不确定的地点并在移动使用的终端。移动台可以是手持设备，或是安装在移动车辆上的设备。具有收、发信机和天馈线等设备基站BS移动无线系统中的固定站，用来和移动台进行无线通信。基站建在蜂窝小区内，设有收、发信机和架在塔上的发射、接收天线等设备移动交换中心MSC在大范围服务区域中协调通信的中心、能将基站和移动台连到公用电话网上。无线小区每个基站发射机所覆盖范围的小块地理区域。无线小区的大小取决于基站的发射机功率和天线的高度用户使用移动通信服务而付费的使用者操作维护中心OMS负责管理维护移动交换网络193.常见的移动通信系统常见的移动通信系统（2）无绳电话系统203.常见的移动通信系统常见的移动通信系统（2）无绳电话系统无绳电话是指用无线信道代替普通电话线，在限定的业务区内给无线用户提供移动或固定公共交换电话网（PSTN）业务的电话系统，也是一种无线接入系统。它由一个或若干个基站和多部手机组成，允许手机在一组信道内任选一个空闲信道进行通信。一个基站形成一个微蜂窝，多个微蜂窝构成一个服务区，区内的手机都可通过基站得到服务。213.常见的移动通信系统常见的移动通信系统（3）集群移动通信系统集群移动通信系统（简称集群系统）是一种共用无线频道的专用调度移动通信系统，它采用多信道共用和动态分配信道技术。集群是指无线信道不是仅给某一用户群所专用，而是若干个用户群共同使用。集群移动通信系统所采用的基本技术是频率共用技术。它的一个最重要的目的是尽可能地提高系统的频率利用率，以便在有限的频率空间内为更多用户服务。223.常见的移动通信系统常见的移动通信系统（4）移动卫星通信系统卫星控制中心基站关口站PSTN手机空中移动体海上移动体陆地移动体图1.5移动卫星通信系统234.移动通信系统的业务移动通信系统的业务 图1.6移动通信业务种类241.2GSM-R系统概述GSM-R（GlobalSystemForMobileCommunicationsForRailway）系统是铁路综合调度移动通信系统的简称，专门针对铁路对移动通信的需求而推出的专用系统，它基于GSM并在功能上有所超越，是成熟的技术是通过无线通信方式实现移动话音和数据传输的一种技术体制。251.2.1 GSM-R与与GSM的关系的关系 1.铁路相对铁路相对GSM公网的特殊需求：公网的特殊需求：（1）用户级别不同（高级语音呼叫，包括：组呼、小区广播、增强多优先级与强拆）（2）功能寻址（调度）（3）基于位置的寻址（机车呼叫前方车站、后方车站）（4）高速情况下的移动通信（5）大量特殊的数据业务需求（列控、列尾、车次号等）262.GSM与与GSM-R的关系的关系GSM基础平台增强型语音呼叫功能增强型语音呼叫功能ASCI优先权eMLPP语音广播VBS语音组呼VGCS铁路特有的应用铁路特有的应用无线列调 无线车次号传递等严格的服务质量要求严格的服务质量要求铁路特有频段铁路特有频段GSM-R图1.7GSM-R与GSM的关系271.2.2GSM-R系统简介1.GSMR系统组成GSM-R通信系统包括：交换机、基站、机车综合通信设备、手机等设备组成。交换机是GSM-R系统的核心，其主CPU处理器及各个功能模块的CPU处理器，交换矩阵，内部总线等都是双备份配置。281.2.3 GSM-R系统在我国的应用系统在我国的应用 GSM-R技术顺应时代的发展，其固有的“网络”特性，是铁路信息化和自动化发展的基础。291.2.3 GSM-R系统在我国的应用系统在我国的应用 GSM-R（GlobalSystemForMobileCommunicationsForRailway）系统是铁路综合调度移动通信系统的简称。是专门为铁路通信设计的综合专用数字移动通信系统。它是在8时隙/200KHzTDMA(885-889MHz/930-934MHz)多址方式GSM蜂窝系统上增加调度通信功能构成的一个综合专用移动通信系统。它基于GSM的基础设施及其提供的高级语音呼叫业务，提供铁路特有的调度业务，并以此为信息化平台，使铁路部门可以在这个平台上实现铁路管理信息的共享。301.2.3 GSM-R系统在我国的应用系统在我国的应用 1993年国际铁路联盟(UIC)与欧洲电信标准组织(ETSI)协商，提出了欧洲各国铁路下一代无线通信以GSMPhase2+为标准的GSM-R技术，这一提议在1995年经UIC评估并最终确认。1997年，24个国家的32个组织共同签署了谅解备忘录，决定采用GSM-R作为铁路专用通信技术，并至少要将GSM-R用于过境运输通信。311.2.3 GSM-R系统在我国的应用系统在我国的应用 采用GSM-R的国家1999年2个国家2002年7个国家2005年15个国家德国、瑞典、意大利、英国、荷兰、西班牙、比利时、芬兰、法国、挪威、斯洛伐克、瑞士、捷克、印度、中国2008年达到30多个国家321.2.3 GSM-R系统在我国的应用系统在我国的应用 欧洲GSM-R系统的成功运用，为我国铁路通信信号技术发展提供了良好的技术借鉴。2006年7月1日，随着青藏铁路的全线通车，标记着我国铁路采用GSM-R移动通信系统的正式启动。331.2.3 GSM-R系统在我国的应用系统在我国的应用 GSM-R网络设备供应商GSM-R网络设备商有西门子、北电和华为等，三个厂商在GSM都有着丰富的工程经验。西门子在运输、车辆、通信信号等交通领域综合实力很强，其GSM-R设备已经应用在瑞典、荷兰、英国等国家和我国胶济铁路。北电网络公司的GSM-R设备已应用到德国、法国、英国等国家和我国青藏铁路。华为公司是国内能够提供GSM-R成套设备的厂商，其设备已应用于大秦铁路。GSM-R固定用户接入交换机(FAS)供应商有北京佳讯飞鸿公司、北京中软公司、济南天龙公司等，他们完成了和GSM-R交换子系统的互联互通。341.2.3 GSM-R系统在我国的应用系统在我国的应用 GSM-R终端设备供应商GSM-R终端设备供应商有法国萨基姆（smrdn）、奥地利电信公司卡普施(Kapsch)、英国马可尼公司和北京中电华大公司等。萨基姆和马可尼提供GSM-R手机和模块。Kapsch公司提供GSM-R模块。北京中电华大公司提供GSM-RSIM卡和SIM卡管理维护系统。另外，国内已有11家机车综合通信设备供应商，实现了与GSM-R网络的互联互通。351.2.3 GSM-R系统在我国的应用系统在我国的应用 GSM-RGSM-R科研、设计、施工和验收单位科研、设计、施工和验收单位GSM-R科研单位有铁道部GSM-R实验室，北京交通大学和铁道科学研究院等单位，承担了铁道部一系列科研项目，取得了很多研究成果。GSM-R设计单位有第一、第二、第三、第四铁路勘测设计院、北京全路通号设计院和电化局设计院。参与GSM-R施工的单位有二十多个工程局，GSM-R验收单位有电化局测试中心、中国铁道通信信号上海电信测试中心、铁道部GSM-R实验室。361.2.3 GSM-R系统在我国的应用系统在我国的应用 GSM-R运营和维护单位通信段可以为GSM-R的建设和发展提供可靠的传输网、同步网，在无线列调和有线调度通信方面有着丰富的运营维护经验，对铁路运输行业、现代铁路对通信的要求有着深刻的认识，经过GSM-R人才队伍的培养，能够承担GSM-R运营和维护工作。371.2.3 GSM-R系统在我国的应用系统在我国的应用 我国GSM-R系统的发展目标在我国，发展GSM-R的目标是：在全路建立一张移动通信网络，利用通信的手段实现铁路移动设施和固定设施的无缝连接，确保列车平稳、高速、安全地运行。GSM-R技术顺应时代的发展，其固有的“网络”特性，是铁路信息化和自动化发展的基础。GSM-R系统维护与应用系统维护与应用第二章GSM-R数字移动通信的关键技术第第2章章 GSM-R数字移动通信的关键技术数字移动通信的关键技术 2.1 GSM-R无线信道电波传播与干扰 2.1.1 电波传播特性 2.1.2 噪声与干扰2.2 GSM-R 语音处理的主要过程 2.2.1 编码技术 2.2.2 交织技术 2.2.3 加密技术 2.2.4 调制解调技术2.3 无线信道的空中接口技术 2.3.1 多址方式 2.3.2 分集接收技术 2.3.3 跳频技术 2.3.4 信道均衡 2.3.5 不连续发射DTX和不连续接收DRX2.1 GSM-R无线信道电波传播与干扰无线信道电波传播与干扰2.1.1 电波传播特性电波传播特性 1.路径传播损耗路径传播损耗光波也是电磁波，只不过是频率不同的电磁波而已，电磁波的电场会因为距离而衰减是显然易见的，光波也是如此束手电筒的光照向夜空，要不了多远就基本看不到了。一是因为电磁波在空中四散传播，发散了，另一点是因为路径造成了能量的损耗，在无线通信中也有类似的效果，这是因为路径造成的场强的损耗遵循自由空间传播模型。1.路径传播损耗路径传播损耗假设无线电波是在完全无阻挡的视距内传播，没有反射、绕射和散射，这种理想的情形叫做自由空间的传播。自由空间的传播是电波传播最基本也是最简单的一种理想情况，电磁波在自由空间中信号的强度将以距离平方的倒数衰减，这种损耗称为自由空间的传播损耗。假设收发天线之间的距离为d，发射频率为f，自由空间的损耗可由以下公式计算：（式2-1）其中，d的单位为km，f的单位为MHz。自由空间的损耗为路径传播损耗。2.衰落衰落 电磁波有三种基本的传播机制：反射、绕射和散射。当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射，反射发生于地面、建筑物表面、水面。当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射。由阻挡产生的二次波散布于空间，甚至阻挡体的背面。当电磁波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时，发生散射。散射产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体，如树叶。电磁波在传播的过程中会经历两种类型的衰落：大尺度衰落（也称慢衰落）和小尺度衰落（也称快衰落）。大尺度和小尺度是按照波长来进行划分的。（1）大尺度衰落）大尺度衰落 大尺度衰落主要是指电磁波在传播路径上受到建筑物行的阻挡而产生的损耗，它反映了在中等范围内（数百波长级）的接收信号电平平均值起伏变化的趋势，其变化率比传送信息率慢，故称为慢衰落。阴影效应是产生慢衰落的主要原因。移动台在运动中，由于大型建筑物和其他物体对电波的传输路径的阻挡而在传播接收区域上形成半盲区，从而形成电磁场阴影，这种随移动台位置的不断变化而引起的接收点场强中值的起伏变化叫做阴影效应。阴影效应在光波里也有，比如你拿一张纸遮住日光灯的灯光那从背面透过来的灯光就明显弱了很多。（2）小尺度衰落）小尺度衰落小尺度效应又称小尺度衰落，它反映了移动台的移动距离只有几个波长时，移动时接收电平平均值的起伏变化趋势。小尺度效应一般由是由多径传播引起的。由于到达移动台天线的信号不是单一路径来的，而是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各个路径来的反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端迭加，有时迭加而加强（方向相同），有时迭加而减弱（方向相反）。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由多径引起的，所以称为多径衰落。（3）多普勒效应）多普勒效应 另一种类型的衰落时由于移动台相对于发射机的运动产生的。这种相对运动导致了无线信道的快慢变化，从而引起了对信号的随机频率调制，即多普勒频移。多普勒频移是多普勒效应在无线电领域的一种体现。多普勒效应定义多普勒效应定义：由于发射机和接收机间的相对运动，接收机接收到的信号频率将与发射机发出的信号频率之间产生一个差值，该差值就是多普勒频移。（4）远近效应）远近效应 由于手机用户在一个小区内是随机分布的，而且是经常变化的，同一手机用户可能有时处在小区的边缘，有时靠近基站。如果手机的发射功率按照最大通信距离设计，则当手机靠近基站时，功率必定有过剩，而且形成有害的电磁辐射。解决这个问题的方法是根据通信距离的不同，实时地调整手机的发射功率，即功率控制。2.1.2 噪声与干扰无线通信信道中的噪声干扰，是指无意或有意产生，随机性很强，影响无线通信接收机信号接收准确性的信道中产生的信号。噪声噪声主要可按以下两种进行分类：一是按按噪声来源分类，可分为人为噪声和自然噪声；二是按噪声性质分类，可分为脉冲噪声（突发性地产生的，幅度很大，其持续时间短，频谱宽）、窄带噪声（频谱或频率位置通常是确知或可测）和起伏噪声（包括热噪声、电子管内产生的散弹噪声和宇宙噪声等）。2.1.2 噪声与干扰干扰干扰是制约蜂窝系统容量的一个重要因素。话音信道上的干扰会造成串话，或者用户听到很大的背景噪声；信令信道上的干扰则会导致误码率的升高，使呼叫遗漏或阻塞。蜂窝系统中的干扰主要由两种类型：同频干扰和邻道干扰。针对这两种类型的干扰，在蜂窝系统中采取了调节天线覆盖方式，发射功率，合理分配频率的方法来对干扰进行防护。1.同频干扰同频干扰 同频干扰是由于采用了频率复用，在同频小区之间产生的干扰。同频干扰不能简单的通过增大发射机的功率来克服，因为这样会导致相邻小区之间的干扰。解决同频干扰可以采取以下几种措施：（1）定向天线覆盖。使用定向天线可以减少同频干扰的小区数i0，从而提高接收信噪比，减小同频干扰。（2）优化同频复用距离和频率分配方案。根据传播环境和业务量的变化情况，调整同频复用距离和频率分配方案，以适应不同的C/I。（3）天线高度和倾角的调整。调整天线高度和倾角可以改变小区的覆盖范围和小区形状，减小同频干扰。2.邻道干扰邻道干扰 由于所使用频率是相邻的频率而产生的信号干扰称为邻道干扰。邻道干扰的产生主要是因为接收滤波器的阻带衰减不够陡峭引起了相邻频带信号的泄漏。只有当两个相邻频率的接收机距离很近，干扰信号的强度超过了接收机灵敏度时，邻道干扰才会对接收机的正常工作造成影响。邻道干扰可以通过提高滤波器的精度和合理的信道分配而减到最小程度。通常用接收机的邻道选择性来表示抗邻道干扰的能力，它主要由接收中频滤波器的阻带衰减特性决定。因为每个小区只是分给所有可用信道中的一部分，因此在可以通过避免在相邻小区之间分配连续的频率，同时使相邻小区之间的频率间隔最大来减小邻道干扰。3.互调干扰互调干扰 当两个或多个干扰信号同时加到接收机时，由于非线性的作用，这两个干扰的组合频率有时会恰好等于或接近有用信号频率而顺利通过接收机，其中三阶互调最严重。三阶互调是指当两个信号在一个线性系统中，由于非线性因素存在使一个信号的二次谐波与另一个信号的基波产生差拍（混频）后所产生的寄生信号。比如F1的二次谐波是2F1，他与F2产生了寄生信号2F1-F2。由于一个信号是二次谐波（二阶信号），另一个信号是基波信号（一阶信号），他们俩合成为三阶信号,其中2F1-F2被称为三阶互调信号，它是在调制过程中产生的。又因为是这两个信号的相互调制而产生差拍信号，所以这个新产生的信号称为三阶互调失真信号。产生这个信号的过程称为三阶互调失真。由于F2，F1信号比较接近，也造成2F1-F2，2F2-F1会干扰到原来的基带信号F1，F2。这就是三阶互调干扰。2.2 GSM-R 语音处理的主要过程语音处理的主要过程 信源信源编码编码信道信道编码编码信源信源译码译码信道信道译码译码去去交织交织信信道道突发突发脉冲脉冲加加密密突发突发脉冲脉冲解解密密解解调调交交织织调调制制话话音音话话音音图2.2语音信号处理原理图2.2.1编码技术1.信源编码信源编码也叫语音编码，是将模拟语音信号转变为数字信号以便在信道中传输。语音编码的目的是在保持一定的算法复杂程度和通信时延的前提下，占用尽可能少的信道容量，传送尽可能高质量的语音。信源编码要求尽可能简洁，尽量减少冗余信息。语音编码技术又可分为波形编码、参量编码和混合编码三大类。2.信道编码信道编码 我们发出去的编码一路上会受到噪声的干扰，也许会丢失不少信息，到了目的地后，我们期望接收端可以根据编码所包含的一些内容，对信息的完整性作出一个判断，尽量恢复还原原来的信息，对这一块内容的探讨，我们称之为信道编码。信道编码是以提高信息传输的可靠性为目的编码。通常通过在有用信号后面添加监督码元从而达到检错纠错的能力。图2.3数字信息传输方框图图2.3表示了数字信号传输的这一过程，其中信源可以是语音、数据或图像的电信号“s”，经信源编码构成一个具有确定长度的数字信号序列“m”，人为地在按一定规则加进非信息数字序列，以构成一个一个码子“C”（信道编码），然后再经调制器变换为适合信道传输的信号。经信道传输后，在接收端经解调器判决输出的数字序列称为接收序列“R”，再经信道译码器译码后输出信息序列“m”，而信源译码器则将“m”变换成客户需要的信息形式“s”。接收端根据什么来识别有无错码？由发送端的信道编码器在信息码元序列中增加一些监督码元。这些监督码和信码之间有确定的关系，使接收端可以利用这种关系由信道译码器来发现或纠正可能存在的错码。在信息码元序列中加入监督码元就称为差错控制编码，有时也称纠错编码。差错控制编码原则上是以降低信息量为代价来换取传输可靠性的提高。在数字通信中，要利用信道编码对整个通信系统进行差错控制。差错控制编码可以分为分组编码和卷积编码两类。图2.4分组编码原理图2.2.2 交织技术交织技术 在GSM-R系统中，信道编码后进行交织，交织分为两次，第一次交织为内部交织，第二次交织为块间交织。话音编码器和信道编码器将每20ms话音数字化并编码，提供456个比特。首先对它进行内部交织，即将456个比特分成8帧，每帧57比特，如果将同一20ms话音的2组57比特插入到同一普通突发脉冲序列中，那么该突发脉冲串丢失则会导致该20ms的话音损失25的比特，显然信道编码难以恢复这么多丢失的比特。因此必须在两个话音帧间再进行一次交织，即块间交织。交织原理如图2.5所示二次交织经得住丧失一整个突发脉冲串的打击，但增加了系统时延。因此，在GSM-R系统中，移动台和中继电路上增加了回波抵消器，以改善由于时延而引起的通话回音。图2.5交织原理图2.2.3 加密技术加密技术 lGSM-R系统在安全性方面有了显著的改进，GSM-R与保密相关的功能有两个目标：第一，包含网络以防止未授权的接入，同时保护用户不受欺骗性的假冒；第二，保护用户的隐私权。l防止未授权的接入是通过鉴权（即插入的SIM卡与移动台提供的用户标识码是否一致的安全性检查）实现的。从运营者方面看，该功能是头等重要的，尤其在国际漫游情况下，被访问网络并不能控制用户的记录，也不能控制它的付费能力。l保护用户的隐私是通过不同手段实现时，对传输加密可以防止在无线信道上窃听通信。大多数的信令也可以用同样方法保护，以防止第三方了解被叫方是谁。另外，以一个临时代号替代用户标识是使第三方无法在无线信道上跟踪GSM用户的又一机制。l在无线通信中，电磁波在空间中传输采用的是公共介质，不仅要接收的对象可以收到，其他的人也可以收到，因此对于用户的个人通信和网络专用的一些重要信息必须采用一定的加密/解密技术。加密/解密的本质是对信号进行特殊的编码变换，只有知道变换方法的对方才能正确地接收到信息并获得信息的真实内容。在移动通信中加密/解密为用户提供了一个附加的安全保障。l在信息处理的过程中有两种加密的类型，一种是将加密与信道编码分开，在信道编码和交织之后再进行加密。在GSM-R中，将信息比特序列与加密序列（密钥）进行异或运算，得到加密后的信息序列。“密钥”是由A5算法产生的一个为随机序列。在接收端密钥是已知的，接收时再将加密后的序列与密钥做异或运算，就可得到原始的信息序列。这种方法的优点是简单易行，可以产生多个互不相关的伪随机序列。l另一种方法是将加密与信道编码和交织结合在一起，在使用的信道编码方案中，采用只有收发方才知道的编码规则或码字，在接收端再采用相应的译码方法来解密。这种方法的优点是减少了处理步骤，加密的码字可以具有一定的抗干扰能力。2.2.4 调制解调技术调制解调技术 1.调制的目的低频信号不利于传输，需要将其调制到高频信号。所谓调制，简单的说就是频谱的搬移，以GSM-R为例，就是将频率3003400HZ，搬迁到900MHZ上去，这个频谱搬移的过程就称之为调制，频率搬迁到900MHZ上去的好处是：（1）调制技术是为了和信道匹配。比如说无线通信，走的信道就是大气层，对大气层而言，低频信号传输将急剧衰减，而较高频率范围的信号可以传输到很远的距离（2）采用调制方式以后，由于传送的是高频振荡信号，所需天线尺寸便可大大下降。由天线理论可知，要将无线电信号有效地发射电配，一般天线尺寸为电磁信号的波长1/4为佳，调制可以全来将频带变换为更高的频率，以减小天线的，以4KHZ的原始语音为例，=c/f，天线的尺寸是多少呢？3108m/s/4000次/s1/4=1875（m），波长很长。要制造出相应的巨大天线是不现实的。（3）同时，不同的发射台可以采用不同频率的高频振荡信号作为载波，这样在频谱上就可以互相区分开了。若各发射台发射的均为同一频段的低频信号，信道中会互相重叠、干扰，接收设备也无法接收信号2.调制的原理前面经过抽样、量化、信源编码、信道源码得到了一条长串的“0101110100”的比特流，该怎么把这串比特流的信息嵌入一个电磁波中，从而在空中发送出去呢？这个信息嵌入的过程称为调制。一个电磁信号可以用一个正弦波来表达，而正弦波无非就是3个参数：振幅、频率和相位，想把比特流信息嵌进去，也只能从这3个参数上打主意。所以将数字数据转换为电磁信号的基本编码或者调制相应技术有三种，分别得到幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK），调制的原理如图2.6所示。图2.6调制的原理经信道编码后得到的一串信息嵌入到一个电磁波的过程称之为调制。也就是说谓调制就是按调制信号（基带信号）的变化规率去改变载波某些参数的过程。按调制信号控制载波参数的形式可分为：l幅度调制：调制信号改变载波信号的幅度参数，即幅移键控（ASK）l频率调制：调制信号改变载波信号的频率参数，即频移键控（FSK）l相位调制：调制信号改变载波信号的相位参数，即相移键控（PSK）l从高频已调波信号中“取出”调制信号的过程称为解调。在移动通信中主要是对所传输的数字信号进行调制。对调制方式的选择主要有三条：首先是可靠性，即抗干扰性能，选择具有低误比特率的调制方式，其功率谱密度集中于主瓣内；其次是有效性，它主要体现在选取频谱有效的调制方式上，特别是多进制调制；第三是工程上易于实现，它主要体现在恒包络与峰平比的性能上。l在这里主要介绍一下GSM-R的调制方式：高斯最小频移键控（GMSK）调制。GMSK是由MSK演变来的一种简单的二进制调制方法，是连续相位的恒包络调制。将输入端接有高斯低通滤波器的MSK调制器，称为高斯最小频移键控（GMSK）。由于GMSK具有极好的功率效率（恒包络特性）和极好的频谱效率而备受青睐。GMSK成形后的高斯脉冲包络无陡峭边沿，亦无拐点，因此频谱特性优于MSK信号的频谱特性。在移动通信中，对信号带外辐射功率的限制十分严格，一般要求必须衰减70dB以上。因为MSK信号不能满足上述的要求，所以，针对上述要求，提出了GMSK。GMSK是将调制的不归零(NRZ)数据通过预调制高斯低通滤波器来降低频谱上的旁瓣。因为调制信号在跨越零点时不但相位连续，而且过滤也很平滑，所以GMSK调制的信号就拥有了频谱紧凑，误码特性好，带外辐射低等特点。图2.7GMSK调制器的原理图图中Bb为高斯低通滤波器的3dB带宽。2.3 无线信道的空中接口技术无线信道的空中接口技术 2.3.1多址方式1.频分多址（FDMA）在频分多址系统中，把可以使用的总频段划分为若干占用较小带宽的频道，这些频道在频域上互不重叠，每个频道就是一个通信信道，分配给一个用户。一个典型的FDMA频道划分如图2.8所示。在接收设备中使用带通滤波器允许指定频道里的能量通过，但滤除其他频率的信号，从而限制临近信道之间的相互干扰。FDMA通信系统工作示意图，如图2.9所示。由图可见，FDMA通信系统的基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号；任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转，因而必须占用4个频道才能实现双工通信。图2.8FDMA频道划分方法图2.9FDMA通信系统工作原理图2.时分多址（时分多址（TDMA）在时分多址系统中，把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），每一个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户。一个典型的TDMA频道划分如图2.10所示。TDMA通信系统是根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发射信号，满足定时和同步的条件下，基站可以在各时隙中接收到各移动台的信号而互不干扰。同时，基站发向各个移动台的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动台只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分出来。其系统工作示意图，如图2.11所示。图2.10TDMA频道划分方法图2.11TDMA通信系统工作示意图TDMA通信系统和FDMA通信系统相比具有以下主要特点：（1）TDMA通信系统中一个频率能够被多个用户使用，频率利用率比FDMA高，则用户容量大。（2）用户根据不同时隙区分，TDMA系统对时间要求高，需要严格的同步保证。3.码分多址（码分多址（CDMA）在码分多址（CDMA）通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分，而是用各自不同的编码序列来区分，或者说，靠信号的不同波形来区分。如果从频域或时域来观察，多个CDMA信号是互相重叠的。接收机的相关器可以在多个CDMA信号选出使用的预定码型的信号。其他使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声或干扰，通常称之为多址干扰。这一特点与CDMA的机理有关。CDMA是一个背景噪声受限的系统，所有移动用户都占用相同带宽和频率，打个比方，将带宽想像成一个大房子，所有的人将进入这个大房子。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像成宽带的载波，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。一个典型的CDMA频道划分如图2.12所示。图2.12CDMA频道划分方法CDMA蜂窝移动通信系统与FDMA模拟蜂窝通信系统或TDMA数字蜂窝移动通信系统相比具有更大的系统容量、更高的语音质量以及抗干扰、保密等优点，因而近年来得到各个国家的普遍重视和关注。三种多址方式可按以下方式类比：FDMA（频分多址）：我们可以想象一个很大的房间被做成很多的隔断，每一隔段里有一对人正在交谈。这样由于隔断的分隔，谈话者不会听到其他人的交谈。TDMA（时分多址）：TDMA可以在FDMA的基础上进一步类比，我们可以把隔断做得大些，这样一个隔段可容纳几对交谈者。但在每一个隔段中大家交谈有一个原则：只能同时有一对人讲话。如果再把交谈的时间按交谈者的数目分成若干等分，就成为一个“TDMA”系统。CDMA（码分多趾）：我们可以想象一个宽敞的房间，在这里正进行着一个聚会，其中的宾客正两两一对进行着交谈。假设每一对人使用一种语言，有说英语的、中文的、日语的等等，所有交谈的人都只懂一种语言。于是，对于正在交谈中的任何一对来说，别人的交谈声无疑是一种背景噪声。通过这个场景，我们可以使用以下几个类比：每一对宾客交谈使用的语言相当于区分用户信道的码；交谈中的人就如同CDMA系统中正在通话的用户。这就是一个“CDMA”系统。2.3.2 分集接收技术分集接收技术 分集接收技术是一项主要的抗信号衰落技术，它可以大大提高多径衰落信道下的传输可靠性，其本质就是采用两种或两种以上的不同方法接收同一信号以克服衰落，其作用是在不增加发射机功率或信道带宽的情况下充分利用传输中的多径信号能量，以提高系统的接收性能。移动通信网中如何保证信号传输链路的可靠性，是一项重要指标。为了达到这一目的，可以通过多种技术来实现，从影响接收端信号功率的三个主要因素来分析：第一、自由空间的传播损耗和弥散，这可通过加大发射机功率来改善；第二、地形起伏、建筑物及障碍物的遮挡引起的阴影衰落，这可通过“宏分集”技术来改善；第三、在传输路径中各种物体产生的直射波、反射波和散射波的相互影响，即多径衰落，以及多普勒频移产生的损耗，这可通过“微分集”技术来改善。从以上的分析可以看出，分集技术对改善无线传输链路的性能可以起到很大