项目3--集群移动通信技术.pptx

第3章 集群移动通信技术认知多址方式1信道控制方式2信令技术3CONTENTS目录多址方式1l调制与编码技术l频分多址l时分多址l码分多址l频分多址l时分多址l码分多址调制与编码技术-调制技术数字调制解调技术是集群移动通信系统中接口的重要组成部分，在不同的小区半径和应用环境下，移动信道将呈现不同的衰落特性。数字调制技术应用于集群移动通信需要考虑的因素有：在瑞利衰落条件下误码率应尽量低；占用频带尽量地窄；尽量用高效率的解调技术，以降低移动台的功耗和体积；使用的C类放大器失真要小；提供高传输速率。调制与编码技术-调制技术数字移动通信系统有两类调制技术：一是线性调制技术:PSK、16QAM另一类是恒定包络数字调制技术:MSK、GMSK等(也称连续相位调制技术)。目前国际上选用的数字蜂房系统中的调制解调技术有正交振幅调制(QAM)、正交相移键控(QPSK)、高斯最小频移键控(QMSK)、四电平频率调制(4L-FM)、锁相环相移键控(PLL-QPSK)、相关相移键控(COR-PSK)等。西欧GSM采用GMSK调制技术，北美和日本采用较先进的/4QPSK。QPSK-C频谱效率高且具有灵活性，它使用调制技术在12.5kHz带宽的无线信道上发送9.6bps信息，同时提供与未来线性技术的正向兼容性。美国MOTOROLA新研制生产的800M数字集群移动通信系统，在16QAM调制技术基础上，自己研发的M16QAM技术。调制与编码技术-编码技术在集群移动通信中，使用最多的信息是话音信号。话音编码为信源编码，是将模拟话音信号变成数字信号以便在信道中传输。高质量、低速率的话音编码技术与高效率数字调制技术同时为数字集群移动通信网提供了优于模拟集群移动通信网的系统容量。话音编码方式可直接影响到数字集群移动通信系统的通信质量、频谱利用率和系统容量。话音编码技术通常分为波形编码、声源编码和混合编码三类。混合编码能得到较低的比特速率。在众多的低速率压缩编码中，欧洲GSM选择了RPELTP编码方案，码率为8kb/s；美国和日本的数字蜂窝业选用了矢量和线性预测(VSELP)作为标准的数字编码方式，VSELP使用4.8kb/s数字信息可提高语音质量。调制与编码技术1.波形编码波形编码是将时间域信号直接变换成数字代码。其基本原理是在时间轴上对模拟话音信号按照一定的速率来抽样，然后将幅度样本分层量化，并使用代码来表示。解码即将收到的数字序列经过解码和滤波恢复到原模拟信号。脉冲编起调制(PCM)以及增量调制(AM)和它们的各种改进型均属于波形编码技术。对于比特速率较高的编码信号(16kb/s-64kb/s)，波形编码技术能够提供相当好的话音质量，对于低速话音编码信号(16kb/s)，波形编码的话音质量显著下降。调制与编码技术-编码技术2.声源编码 又称为参量编码，它是对信源信号在频率域或其它正交变换域提取特征参量，并把其变换成数字代码进行传输。其反过程为解码，即将收到的数字序列变换后恢复成特征参量，再依据此特征参量重新建立语音信号。可实现低速率语音编码，比特速率可压缩2kb/s-4.8kb/s。调制与编码技术-编码技术 混合编码 是将波形编码和参量编码相结合而得到的，以达到波形编码的高质量和参量编码的低速率的优点。规则码激励长期预测编码RPELPT即为混合编码技术。混合编码可将比特率压缩到4kb/s-16kb/s，其中在8kb/s-16kb/s内能够达到的话音质量良好，这种编码技术最适于数字移动通信的话音编码技术。移动通信对数字语言编码的要求有如下几条：速率较低，纯编码速率应低于16kb/s。在一定编码速率下话音质量应尽可能高。编解码时延应短，应控制在几十毫秒之内。在强噪声环境中，应具有较好的抗误码性能，从而保证较好的话音质量。算法复杂程度适中，应易于大规模电路集成。频分多址在蜂窝式移动通信系统中，有许多移动用户要同时通过一个基站和其它移动用户进行通信，因而必须对不同移动用户和基站发出的信号赋予不同的特征，使基站能从众多移动用户的信号中区分出是哪一个移动用户发来的信号，同时各个移动用户又能识别出基站发出的信号中哪个是发给自己的信号，解决上述问题的办法就称为多址技术。数字通信系统中采用的多址方式有：频分多址(FDMA)、时分多址（TDMA）、码分多址(CDMA)以及它们组合而成的混合多址(时分多址/频分多址TDMA/FDMA、码分多址/频分多址CDMA/FDMA)等。频分多址是一种调频的多址技术，它在用户请求服务时为用户指定一个特定信道，业务信道在不同的频段分配给不同的用户，并且用户在呼叫的整个过程中独占这一信道，其它用户不能共享。频分多址在频分多址系统中，一个业务信道有一对频谱构成，一个频谱用作前向信道，即基站向移动台方向的信道。另一个用作反向信道，即移动台向基站方向的信道。这种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。在频率轴上，前向信道占有较高的频带，反向信道占有较低的频带，中间为保护频带。在用户频道之间，设有保护频隙，以免因系统的频率漂移造成频道间的重叠。在频分多址系统中，由于是基于频率划分信道，每个用户都需要在一对频道中通信，并且频道之间还需要有一定的空隙，所以频率资源占用较大，用户容量非常小，频谱效率非常低，而且通话时还很容易受到干扰。时分多址时分多址是在一个宽带的无线载波上，把时间分层周期性的帧，再将每一帧分割成若干时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），每个时隙作为一个通信信道分配给一个用户。iDEN系统和TETRA系统都是采用的TDMA技术。我国华为技术有限公司提出的基于集群专网应用的技术体制GT800也是采用的TDMA技术，但在GT800中的TDMA是和TD-SCDMA融合使用的。在时分多址系统中，系统根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内按指定的时隙向基站发射信号。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，各移动台在指定的时隙内接收信号，并在各路的信号中把发给它的信号区分出来。码分多址码分多址是一种扩频的码分多址技术，它的特点是每个用户都有各自特定的地址码并且都是使用公共信道来传输信息。码分多址系统为每一个用户分配一个独立的地址码，所有用户在同一时间、同一频段上，根据不同的编码获得业务信道。我国中兴通讯所提出的基于集群共网应用的集群通信体制GoTa(GlobalopenTrunkingArchitecture)采用的就是CDMA技术。在码分多址系统中，无论系统发射端传送何种信息，都是靠采用不同的码型来区分信道，即不分频道又不分时隙。系统的接收端在收到信息时，根据本地地址码对接收到的信号进行相关检测，并将与本地地址码完全一致的信息解调出来，其他使用不同码型的信号则不能被解调。时分多址码分多址技术是建立在扩频技术基础之上的。扩频技术通过发送端的扩频和接收端的解扩来实现信道通信。扩频是发送端将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个宽带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。解扩是接收端使用与发送端完全相同的伪随机码，对接收的信号作相关处理，把带宽信号还原成原始信息数据的窄带信号。时分多址在CDMA系统中，由于所有用户的地址码都相互独立，用户的信道在频率、时间和空间上都可以重叠，加之使用扩频技术所带来的优势，使得CDMA系统具有了频率利用率高、用户容量大、服务质量好、综合业务能力强等诸多优点，成为了现代数字集群通信的理想选择，扩频技术还根据实现方法的不同分为直接扩频技术和跳频扩频技术两种。直接序列扩频技术使用高速率的伪随机码序列与信息码序列模2加（或波形相乘）后的复合码序列去控制载波的相位来获得直接序列扩频信号；跳频扩频技术则是利用高速率的伪随机码序列与信息码序列模2加（或波形相乘）后的复合码序列去生成跳频图案，然后再由它来随机选择发送频率。混合多址混合多址是指由频分多址、时分多址和码分多址组合而成的混合多址（时分多址/频分多址TDMA/FDMA、码分多址/频分多址CDMA/FDMA等）。空分多址空分多址方式就是通过空间的分割来区分不同的用户。在移动通信中，能实现空间分割的基本技术就是自适应阵列天线，在不同的用户方向上形成不同的波束。不同的波束可采用相同的频率和相同的多址方式，也可采用不同的频率和不同的多址方式。在极限情况下，自适应阵列天线具有极小的波束和无限快的跟踪速度，提供本小区内不受其他用户干扰的唯一信道，从而实现最佳的SDMA。尽管上述理想情况需要无限多个阵元，是不可实现的，但采用适当数目的阵元，也可以获得较大的系统增益。随机多址在分组无线电系统中，任一发送用户的分组在共用信道上发射，使用自由竞争规则随机接入信道，接收方收到后发送确认信息，进而实现了用户之间的联接。这种以自由竞争式的随机接入，采用网络协议形式实现的多址连接方式称为随机多址。信道控制方式2l多信道共用的概念l集群移动通信系统的信道控制方式多信道共用的概念在一个无线小区内有n个信道，为该区内的m个用户所共用，则当k(kn)个信道被占用时，其他需要通话的用户可以选择剩下的任一空闲信道通话，这种信道控制方式称为多信道共用方式。集群移动通信系统的信道控制方式集群移动通信系统的信道控制方式有两种：专用信道控制方式和非专用信道的分布控制方式，前者亦称为集中控制方式，后者亦称为分散控制、方式。1.专用控制信道方式专用控制信道方式采用一条信道作信令信道，并且，必须由系统控制中心集中控制和管理，处理呼叫请求和分配空闲信道。该方式具有许多优点，因为无需信道扫描，可以采用快速信令(如目前有的系统信令速度为3.6kbit/s，有的可达9.6kbit/s)，所以，建立呼叫速度快，入网接续时间短，也就是说，专用控制信道方式主要是接续快。集群移动通信系统的信道控制方式-专用信道控制方式除上述主要优点外，还具有下列功能：（1）专用控制信道功能设置除具有一些专用的功能外，还可以完成紧急呼叫、短数据传输、动态重组、防盗选择、无线电台禁用等功能。（2）连续分配信息更新，提高通信可靠性。（3）遇忙排队，自动回呼等。（4）采用专用控制信道方式，用户的入网和接续都必须通过专用控制信道来完成，这就遇到了两个或两个以上移动台在同一瞬间内发送信令而引起碰接(争用)的问题。完善的系统就要求解决这种“碰撞”(争用)问题。集群移动通信系统的信道控制方式-专用信道控制方式解决方法有两种：一种采用“定时询问”办法。即在此系统中，给每个移动台分配一个专用时隙，若移动台有信息发送就在该相应时隙内发送信令，这种时隙可由同一起始定时信号导出，或由基地台轮流安排各个用户发送，这种方式的缺点是当用户时，效率不高。所以它适用于用户数较少的系统。另一种是采用ALOHA方式或时隙ALOHA入网控制技术。在此系统中，每一消息中都会有若干检错位，使基地台可确定收到的消息是否同移动合同时发送引起碰撞而出错。若所收信令无差错则发送应答信令，否则有关移动台将按随机选择时延重发消息，直到消息发送完了为止。集群移动通信系统的信道控制方式-非专用信道的分布控制方式在这种方式的集群通信系统中，每个基台(又称转发器、中继器)都有一个逻辑板负责信道的控制和信号转发。基地台间的信息交换是通过一条高速数据总线(同轴电缆)进行。移动台可在任何空闲信道上实现接入操作。由于每个信道既要作话音传输，又要传输信令，所以它用低于话音频带(300Hz以下)的亚音频(如150Hz)调制数字随路信令，它可与话音同时传输，不占信道。在此系统中，由于移动台可预先获得可用信道而无需扫描，因而接入时间短。另外，由于每个信道独立完成信令交换，可在任何空闲信道上实现接入系统的操作。减少系统的交换负荷，提高可靠性。这种方式阻塞率低，等待时间短。信令技术3l信令的作用与分类l集群移动通信系统的信令信令技术-信令的作用与分类集群通信就是多个用户共用少数几个无线信道。为了确保通信中的保密和有秩序，保证系统有机协调地工作，系统必须要有完善的控制功能并遵循某些规定。这样就需要一些用来表示控制和状态的信号及指令。为了将集群通信系统中用于通话的有用信号区别开来，我们把话音信号以外用于控制系统正常工作的非话音信号及指令系统称为“信令”。各种各样的信令组合成集群通信系统的信令系统，它可以称为集群通信系统的神经。由信令系统可决定集群通信系统功能的好坏，信令系统复杂是移动通信系统与普通通信系统的重要区别，同时，集群通信系统为了实现其强大的调度功能，信令系统会更加复杂。信令技术-信令的作用与分类集群通信系统的信令主要有下列两种分类方式：一是按信令功能可分为控制信令、选呼信令、拨号信令三种；另一种是按信令形式分类，可分为模拟信令和数字信令两大类。集群通信系统中控制技术包括空闲信道的检测以及通话信道的指配和控制，利用微处理机的通信控制等。控制和信令是不可分的。一种性能优良的信令系统将会大大提高整个集群通信系统的效率。对信令的要求主要是便于无线传输，实现起来简单，组合数量多，且与市话兼容性好等。集群移动通信系统的信令-三种不同功能的信令(1)控制信令控制信令用来控制基地台与移动台之间信道的连接、断开以及移动台无线信道的转换。此外，还用来作为监控和状态显示。它包括各种状态监视信号、空闲信号、分配信道、拆线、强插、强拆、限时、位置登记、遥毙、报警信令等。信令可以利用专用信令信道传输，也可以通过话音信道传输。集群移动通信系统的信令-三种不同功能的信令(2)选呼信令选呼信令用来控制移动台按自己的身份码接入系统，它包括单呼、组呼、群呼信令等。一个集群通信系统拥有许多移动用户，为了在众多用户中呼出其中某一用户而不至造成一呼百应的状态，给每个移动台规定一个确定的地址码，其他控制台按照地址码选呼，这样就可建立与该移动用户的通信。对选呼信令的要求是，既组成简单又能获得尽量多的号码数，同时又要求可靠性高，抗干扰性能好。集群移动通信系统的信令-三种不同功能的信令(3)拨号信令拨号信令是移动用户通过基地台呼叫另一移动用户或市话网用户而使用的信令。因此要求拨号信令与市话网具有兼容性，并适于在无线信道中传输。集群移动通信系统的信令-两种形式的信令(1)模拟信令利用模拟信令实现集群控制，一般情况采用DTMF信令、CTCSS信令、五音调信令等，它们可以单独使用，亦可以几种搭配混和使用。DTMF信令DTMF信令是一种双音多频信号，它在市话程控交换机上被广泛使用。它是一种带内信令即在3003400Hz音频范围内，选择8个单音频率，分为高频率群(4个或3个频率)和低频率群(4个频率)，每次从高频率群和低频率群各取出一个频率，由高低两个频率信号叠加在一起构成一个DTMF信号。在集群通信系统中，DTMF信号用作系统的识别、拨号、控制以及状态等各种信令。集群移动通信系统的信令-两种形式的信令在集群通信系统中，目前还没有统一规定DTMF双音多频信令的具体定义，大部分生产厂商都有自己的设定，实际中可根据具体设计，对已使用的信号种类适当增减。特殊功能信号，如缩位拨号、呼叫转移信号等，可自行规定，但不能与之相矛盾。通常可参考我国移动通信90系列标准中小容量自动拨号无线电话系统中关于DTMF双音多频信令的统一规定。集群移动通信系统的信令-两种形式的信令CTCSS信令这种信令是指亚音频控制静噪选呼信令，又称为音锁或单音静噪。它是多个通信系统公用一个信道，为防止互相干扰而使用的一种亚音频信令。它还可以有效地防止非法用户进入系统。CTCSS信令是在发射载波上叠加低电平亚音频单音，每个系统有自己特定单音，用户每次呼叫开启发射机时使发出该频率的单音，并在整个通话期间持续发送。在简单的集群通信系统中，常用该信令实现组呼或作为系统识别音。集群移动通信系统的信令-两种形式的信令五音调信令五音调信令属于单音顺序编码信令。CCIR规定五音调非序码单音频率稳定度应优于土510-3，标准码长时间为10010ms，码字之间不间断排列，间断误差时间约为20ms。集群移动通信系统的信令-两种形式的信令(2)数字信令数字信令是随着计算机技术的发展而飞速发展起来的，数字信令由于传输速度快、组码数量大，便于集成化，可以使设备小型化，近几年在集群通信系统中被广泛应用。数字信令大体可分为低速和高速两类。低速数字信令要进行两次调制，第一次调制在一个或几个音频频率上，在无线信道中仍以模拟方式进行第二次调制。高速信令一般是直接调制在无线信道上，由于速度较高，通常采取多次重发和较复杂的纠错编码方法，以解决传输中出现的差错问题。集群移动通信系统的信令-两种形式的信令数字信令格式在传输数字信令时，为了便于收端解码，通常要求数字信令按一定格式编码。常用的数字传令格式有两种，如图3.5(a)、(b)所示。图3.5数字信令格式集群移动通信系统的信令-两种形式的信令第一种格式，每发送一组地址或数据信息时都要发送同步码和纠错码。第二种格式每发送一次同步码和纠错码时，可以发送几组信息码。位同步码(P)：又叫码头、前置码或同步码。它是将收发两端的时钟对齐，以便给出每个码元的判决时刻。字同步码(SW)：又叫帧同步码。它表示信息的开始，相当于时分多路通信中的帧同步。常选用相关性好的不归零巴克码来做字同步码。信息码(A和D)：传输数字信令的具体内容包括地址码和控制、寻呼、分配信道、拔号等数据信息，它是数字信令的核心。纠错码：又称监督码，是为了防止信令在传输中出错而加的冗余码。一般情况采用BCH码，它不仅可以发现错误，还可以实现前向纠错。集群移动通信系统的信令-两种形式的信令数字信令的传输方法基带数字信令是二进制的数据流，只有通过调制才能发射出去。考虑到与现有模拟系统的兼容性，数字信令要适应25kHz的信道间隔要求，能够在16kHz带宽的信道内可靠传输，用于数字信令的调制方式有ASK、FSK、PSK三大类。ASK体制抗干扰和抗衰落性能差，在移动通信中基本不予以采用。FSK和PSK方式具有较好的适应性。在选择调度方式时，主要从信令速率、调制带宽和抗干扰能力(即误码率)上来考虑。通常使用的调制方法有两种：一种是基带调制，它适用于高速率；另一种是副载波二次调制，造用于较低速率。集群移动通信系统的信令-数字信令规约(1)MPT1327数字信令MPT1327：集群系统信令标准规约。这个标准是经英国贸易工业部、英国邮电部、11家制造工厂、2个用户协会，经1982年、1983年和1984年三年的三次讨论，于1985年公布。它在世界上已标准化和公开化，MPT1327是一种承前启后的标准，世界上许多国家和公司都采用这种信令开发了各种集群移动通信系统。通常MPT1327数字信令是利用专用信令信道传输。集群移动通信系统的信令-数字信令规约MPT1327信令规约是建立在不对称控制信道基础上的。如图3.6所示，在下行链路中，信道连续传输两组64bit码字，一组由控制信道系统码(CCSC)组成，用于系统同步和系统识别。另一组码(1NFO)由地址码和其它规约信息构成，这两组码字构成一个时隙。下行信道第一个码字的第一位为“0”。另有15位系统识别码，而后是16位信息码。第三个16位码为前置码，然后在校核的16位上给出一同步序列。与此相反，在上行链路里，移动台采用动态帧长ALOHA技术，分时操作，与下行链路同步接入信道，以提高信道的利用率。上行链路信令格式为32bit同步码(SYNC)加上64bit信息码(1NOF)。纠错编码采用特殊的BCH(63，64)循环码加1位奇偶校验位。其生成多项式为：X15+X14+X13+X11+X4+X2+X1集群移动通信系统的信令-数字信令规约图3.6信令基本格式集群移动通信系统的信令-数字信令规约上式能检测出所有的奇数位错误和5位随机错误或16位长的突发错误，可以纠正两位随机错和检测3个错误或一组4位长的突发错误等，不需要重发。利用上述的纠错方法，可马上判决出该时隙是否存在碰撞，若发现长的突发错，立即发出一碰撞信号，表示移动台发出的呼叫已受到碰撞，并保持在下一接入时隙重发。这时，基地台则指定下一接入帧增加时隙，而在应答帧中减少时隙，这样的结果使信令信道不致阻塞，延迟不致加长。利用BCH(63，48)加1位编码还有便于计算机处理的优点。集群移动通信系统的信令-数字信令规约MPT1327是一种为集群专用陆地移动通信系统应用的信令标准。它规定了集群系统控制器和用户无线单元之间的通信协议准则。该信令中还包括长、短数据信息，可用来直接传输协议准则。MPT1327标准可用于实现多种系统，这些系统小到只有几个无线信道(单信道也可)，大到可以由多个集群系统控制器组成的网络。集群移动通信系统的信令-数字信令规约MPT1327信令系统最大容量范围为：每个系统1036800个地址。1024个信道号码。32768个系统识别码。该协议使用了1200bit/s的信令，这种信令用快速移频键控(FFSK也即MSK)副载波调制方式。它是为异频半双工无线单元和全双工集群系统控制器TSC(Trunkingsystemcontroller)设计的。协议提供了广泛的用户设备和系统选择。但可以实现一部分适当的协议，也可以再将新的规定加入到协议中，因而信令系统具有很强的可扩充性。集群移动通信系统的信令-数字信令规约(2)LTR数字信令LTR是LogicTrunkedRadio的缩写，该信令是非专用信令信道的分布控制系统。它采用300bit/s亚音频(低于150Hz)调制的数字式随路信号，与话音信号同时传送，不占用专门信道。采用传输集群技术，即讲话时占用信道，讲话空余时，利用按讲方式释放信道，此时信道可被别的用户通话使用。每次移动台发射可在任一信道上进行，不固定分配信道。这样能充分利用传输空余时间，提高信道的负载能力。集群移动通信系统的信令-数字信令规约LTR信令系统中每个信道需要一个转发器，转发器之间通过高速同轴电缆数据链路传输数据信息流，传输速率为9600bit/s，信息以时分多址共用数据总线方式交换。每个转发器都有控制头，可分布控制，即每个信道独立完成信令交换，减小系统信令的负荷，从而提高系统的可靠性。移动台与转发台之间采用应答式交换信令。转发台有五种工作方式：空闲、转发、只发、双工、松键(hang，即只发数据不发话音)。信令格式有三种：转发器之间高速传输信令、转发器到移动台的信令以及移动台到转发器的信令。集群移动通信系统的信令-数字信令规约信令通常包含宿主(home)信道(主信道)号、状态信道号、被呼用户的识别ID码(单人及群ID)、空闲信道号以及其它参数等。移动台到转发器用速率为300bit/s亚音频数字信令(约63比特BCH码)。它与话音同传，且持续不断地实时更新参数。移动台可预先获得可用信道，无需扫描，因此接续时间短，仅约300ms。通常每个移动台都被编程设置两个信道号。一个宿主信道号，另一个是状态信道号，当检测到有合法的数据信令时，该信道即为监控信道。这是防止宿主信道出现故障时，失去信息，以便通过监控信道获得收发呼叫的最新信息。LTR信令的五种主要信令格式如图3.7所示。一个完整的信令发送时间为130ms。集群移动通信系统的信令-数字信令规约 图3.7LTR信令的五种主要信令格式THANK YOU谢谢观看2020年