《时分多址tdma数字蜂窝网.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《时分多址tdma数字蜂窝网.ppt（121页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第 6 章 时分多址(TDMA)数字蜂窝网,6.1 GSM系统总体 6.2 GSM系统的无线接口 6.3 GSM系统的控制与管理 6.4 三种TDMA蜂窝系统分析比较,6.1 GSM系统总体,6.1.1 网络结构,表 6 1 GSM 标 准,图 6 1 GSM蜂窝系统的网络结构,1.移动台(MS)移动台是GSM移动通信网中用户使用的设备。移动台类型可分为车载台、便携台和手机。其中，手机本身小型、轻巧，而且功能也较强，因此手机的用户将占移动用户的绝大多数。移动台通过无线接口接入GSM系统，即具有无线传输与处理功能。此外，移动台必须提供与使用者之间的接口。移动台另外一个重要组成部分是用户识别模块(
2、SIM)，亦称SIM卡。,2.基站子系统(BSS)基站子系统(BSS)是GSM系统的基本组成部分。它通过无线接口与移动台相接，进行无线发送、接收及无线资源管理。另一方面，基站子系统与网络子系统(NSS)中的移动交换中心(MSC)相连，实现移动用户与固定网络用户之间或移动用户之间的通信连接。基站子系统主要由基站收发信机(BTS)和基站控制器(BSC)构成。BTS可以直接与BSC相连接，也可以通过基站接口设备(BIE)采用远端控制的连接方式与BSC相连接。此外，基站子系统为了适应无线与有线系统使用不同传输速率进行传输，在BSC与MSC之间增加了码变换器及相应的复用设备。,3.网络子系统(NSS),
3、(1)移动交换中心(MSC)。移动交换中心(MSC)是网络的核心，它提供交换功能并面向下列功能实体：基站子系统(BSS)、原籍位置寄存器(HLR)、鉴权中心(AUC)、移动设备识别寄存器(EIR)、操作维护中心(OMC)和固定网(公用电话网、综合业务数字网等)。从而把移动用户与固定网用户、移动用户与移动用户之间互相连接起来。移动交换中心可以从三种数据库，即原籍用户位置寄存器、访问用户位置寄存器和鉴权中心获取有关处理用户位置登记和呼叫请求等所需的全部数据。作为网络的核心，MSC还支持位置登记和更新、过区切换和漫游服务等项功能。,(2)原籍用户位置寄存器。原籍用户位置寄存器，简称HLR。它可以看作
4、是GSM系统的中央数据库，存储该HLR管辖区的所有移动用户的有关数据。其中，静态数据有移动用户码、访问能力、用户类别和补充业务等。此外，HLR还暂存移动用户漫游时的有关动态信息数据。(3)访问用户位置寄存器。访问用户位置寄存器，简称VLR。它存储进入其控制区域内来访移动用户的有关数据，这些数据是从该移动用户的原籍位置寄存器获取并进行暂存的，一旦移动用户离开该VLR的控制区域，则临时存储的该移动用户的数据就会被消除。因此，VLR可看作是一个动态用户的数据库。,(4)鉴权中心。GSM系统采取了特别的通信安全措施，包括对移动用户鉴权，对无线链路上的话音、数据和信令信息进行保密等。因此，鉴权中心存储着
5、鉴权信息和加密密钥，用来防止无权用户接入系统和保证无线通信安全。(5)移动设备识别寄存器。移动设备识别寄存器(EIR)存储着移动设备的国际移动设备识别码(IMEI)，通过核查白色、黑色和灰色三种清单，运营部门就可判断出移动设备是属于准许使用的，还是失窃而不准使用的，还是由于技术故障或误操作而危及网络正常运行的MS设备，以确保网络内所使用的移动设备的惟一性和安全性。,(6)操作与维护中心。网络操作与维护中心(OMC)负责对全网进行监控与操作。例如，系统的自检、报警与备用设备的激活，系统的故障诊断与处理，话务量的统计和计费数据的记录与传递，以及与网络参数有关的各种参数的收集、分析与显示等。,4.G
6、SM网络接口,图 6-2 GSM系统的接口,(1)主要接口。GSM系统的主要接口是指A接口、Abis接口和Um接口。这三种主要接口的定义和标准化可保证不同厂家生产的移动台、基站子系统和网络子系统设备能够纳入同一个GSM移动通信网运行和使用。A接口。A接口定义为网络子系统(NSS)与基站子系统(BSS)之间的通信接口。从系统的功能实体而言，就是移动交换中心(MSC)与基站控制器(BSC)之间的互连接口，其物理连接是通过采用标准的 2.048 Mb/s PCM数字传输链路来实现的。此接口传送的信息包括对移动台及基站管理、移动性及呼叫接续管理等。,Abis接口。Abis接口定义为基站子系统的基站控制
7、器(BSC)与基站收发信机两个功能实体之间的通信接口，用于BTS(不与BSC放在一处与BSC之间的远端互连方式，它是通过采用标准的 2.048 Mb/s或 64 kb/s PCM数字传输链路来实现的。此接口支持所有向用户提供的服务，并支持对BTS无线设备的控制和无线频率的分配。Um接口(空中接口)。Um接口(空中接口)定义为移动台(MS)与基站收发信机(BTS)之间的无线通信接口，它是GSM系统中最重要、最复杂的接口。,(2)网络子系统内部接口。它包括B、C、D、E、F、G接口。B接口。B接口定义为移动交换中心(MSC)与访问用户位置寄存器(VLR)之间的内部接口。用于MSC向VLR询问有关移
8、动台(MS)当前位置信息或者通知VLR有关MS的位置更新信息等。C接口。C接口定义为MSC与HLR之间的接口，用于传递路由选择和管理信息。两者之间是采用标准的2.048 Mb/s PCM数字传输链路实现的。,D接口。D接口定义为HLR与VLR之间的接口，用于交换移动台位置和用户管理的信息，保证移动台在整个服务区内能建立和接受呼叫。由于VLR综合于MSC中，因此D接口的物理链路与C接口相同。E接口。E接口为相邻区域的不同移动交换中心之间的接口。用于移动台从一个MSC控制区到另一个MSC控制区时交换有关信息，以完成越区切换。此接口的物理链接方式是采用标准的 2.048 Mb/s PCM数字传输链路
9、实现的。,F接口。F接口定义为MSC与移动设备识别寄存器(EIR)之间的接口，用于交换相关的管理信息。此接口的物理链接方式也是采用标准的 2.048 Mb/s PCM数字传输链路实现的。G接口。G接口定义为两个VLR之间的接口。当采用临时移动用户识别码(TMSI)时，此接口用于向分配TMSI的VLR询问此移动用户的国际移动用户识别码(IMSI)的信息。G接口的物理链接方式与E接口相同。,(3)GSM系统与其它公用电话网接口。GSM系统通过MSC与公用电信网互连。一般采用 7 号信令系统接口。其物理链接方式是MSC与 PSTN或ISDN交换机之间采用 2.048 Mb/s的PCM数字传输链路实现
10、的。,6.1.2 GSM的区域、号码、地址与识别,1.区域定义,GSM系统属于小区制大容量移动通信网，在它的服务区，设置很多基站，移动台只要在服务区内，移动通信网就必须具有控制、交换功能，以实现位置更新、呼叫接续、过区切换及漫游服务等功能。在由GSM系统组成的移动通信网络结构中，其相应的区域定义如图 6-3 所示。,图 6-3 GSM的区域定义,2.号码与识别,(1)移动用户识别码。,图 6-4 国际移动用户识别码(IMSI)的格式,(2)临时移动用户识别码。考虑到移动用户识别码的安全性，GSM系统能提供安全保密措施，即空中接口无线传输的识别码采用临时移动用户识别码(TMSI)代替IMSI。两
11、者之间可按一定的算法互相转换。访问位置寄存器(VLR)可给来访的移动用户分配一个TMSI(只限于在该访问服务区使用)。总之，IMSI只在起始入网登记时使用，在后续的呼叫中，使用TMSI，以避免通过无线信道发送其IMSI，从而防止窃听者检测用户的通信内容，或者非法盗用合法用户的IMSI。TMSI总长不超过 4 个字节，其格式可由各运营部门决定。,(3)国际移动设备识别码。国际移动设备识别码(IMEI)是区别移动台设备的标志，可用于监控被窃或无效的的移动设备。,图 6-5 国际移动设备识别码(IMEI)的格式,(4)移动台的号码。移动台国际ISDN号码(MSISDN)。,图 6-6 移动台国际IS
12、DN的格式,移动台漫游号码(MSRN)。当移动台漫游到一个新的服务区时，由VLR给它分配一个临时性的漫游号码，并通知该移动台的HLR，用于建立通信路由。一旦该移动台离开该服务区，此漫游号码即被收回，并可分配给其它来访的移动台使用。漫游号码的组成格式与移动国际(或国内)ISDN号码相同。,(5)位置区和基站的识别码,位置区识别(LAI)码。,图 6-7 位置区识别码的格式,基站识别色码(BSIC)。,图 6-8 基站识别色码(BSIC)的格式,6.1.3 主要业务,1.通信业务分类,表 6-2 GSM电信业务分类,2.业务定义电话业务。(2)紧急呼叫业务。(3)短消息业务。(4)可视图文接入。(
13、5)智能用户电报传送。(6)传真。,6.2 GSM系统的无线接口,6.2.1 GSM系统无线的传输特征,表 6-3 GSM等三种数字蜂窝网主要参数,1.TDMA/FDMA接入方式,图 6-9 TDMA/FDMA接入方式,2.频率与频道序号 GSM系统工作在以下射频频段：上行(移动台发、基站收)890915 MHz 下行(基站发、移动台收)935960 MHz 收、发频率间隔为 45 MHz。移动台采用较低频段发射，传播损耗较低，有利于补偿上、下行功率不平衡的问题。,由于载频间隔是0.2MHz，因此GSM系统整个工作频段分为 124 对载频，其频道序号用n表示，则上、下两频段中序号为n的载频可用
14、下式计算：下频段 fl(n)=(890+0.2 n)MHz 上频段fh(n)=(935+0.2 n)MHz式中，n=1124。例如 n=1,fl(1)=890.2MHz,fh(1)=935.2 MHz，其它序号的载频依次类推。每个载频有8个时隙，因此GSM系统总共有1248=992 个物理信道，有的书籍中简称GSM系统有1 000个物理信道。,3.调制方式 GSM的调制方式是高斯型最小移频键控(GMSK)方式。矩形脉冲在调制器之前先通过一个高斯滤波器。这一调制方案由于改善了频谱特性，从而能满足CCIR提出的邻信道功率电平小于-60 dBW的要求。高斯滤波器的归一化带宽 BT=0.3。基于200
15、 kHz的载频间隔及 270.833 kb/s的信道传输速率，其频谱利用率为 1.35 b/s/Hz。,4.载频复用与区群结构 GSM系统中，基站发射功率为每载波 500 W，每时隙平均为 500/8=62.5 W。移动台发射功率分为 0.8 W,2 W,5 W,8 W和20 W五种，可供用户选择。小区覆盖半径最大为 35 km，最小为 500 m，前者适用于农村地区，后者适用于市区。由于系统采取了多种抗干扰措施(如自适应均衡、跳频和纠错编码等)，同频道射频防护比可降到C/I=9 dB，因此在业务密集区，可采用 3 小区 9 扇区的区群结构。,6.2.2 信道类型及其组合,1.帧结构,蜂窝通信
16、系统要传输不同类型的信息，按逻辑功能而言，可分为业务信息和控制信息。因而在时分、频分复用的物理信道上要安排相应的逻辑信道。在时分多址的物理信道中，帧的结构或组成是基础。,图 6-10 GSM系统各种帧和时隙的格式,每一个TDMA帧分07共8个时隙，帧长度为 120/264.615 ms。每个时隙含156.25个码元，占 15/260.577 ms。由若干个TDMA帧构成复帧，其结构有两种：一种是由 26 帧组成的复帧，这种复帧长 120 ms，主要用于业务信息的传输，也称作业务复帧；另一种是由 51 帧组成的复帧，这种复帧长 235.385 ms，专用于传输控制信息，也称作控制复帧。,由 51
17、 个业务复帧或 26 个控制复帧均可组成一个超帧，超帧的周期为 1 326个TDMA帧，超帧长 51264.61510-36.12 s。由 2 048 个超帧组成超高帧，超高帧的周期为 2 0481 326=2 715 648 个TDMA 帧，即12 533.76 秒，即 3 小时 28 分 53 秒 760 毫秒。帧的编号(FN)以超高帧为周期，从 0 到 2 715 647。,图 6-11 上行帧号和下行帧号所对应的时间关系,2.信道分类,图 6-12 GSM系统的信道分类,(1)业务信道。业务信道TCH主要传输数字话或数据，其次还有少量的随路控制信令。业务信道有全速率业务信道(TCH/F
18、)和半速率业务信道(TCH/H)之分。半速率业务信道所用时隙是全速率业务信道所用时隙的一半。话音业务信道。载有编码话音的业务信道分为全速率话音业务信道(TCH/FS)和半速率话音业务信道(TCH/HS)，两者的总速率分别为 22.8 kb/s和11.4 kb/s。对于全速率话音编码，话音帧长 20ms，每帧含 260 bit 话音信息，提供的净速率为 13 kb/s。,数据业务信道。在全速率或半速率信道上，通过不同的速率适配和信道编码，用户可使用下列各种不同的数据业务：9.6 kb/s,全速率数据业务信道(TCH/F9.6)4.8 kb/s,全速率数据业务信道(TCH/F4.8)4.8 kb/
19、s,半速率数据业务信道(TCH/H4.8)2.4 kb/s,全速率数据业务信道(TCH/F2.4)2.4 kb/s,半速率数据业务信道(TCH/H2.4),(2)控制信道。控制信道(CCH)用于传送信令和同步信号。广播信道(BCH)。广播信道是一种“一点对多点”的单方向控制信道，用于基站向移动台广播公用的信息。传输的内容主要是移动台入网和呼叫建立所需要的有关信息。其中又分为：频率校正信道(FCCH)：传输供移动台校正其工作频率的信息；同步信道(SCH)：传输供移动台进行同步和对基站进行识别的信息，即基站识别码是在同步信道上传输的；广播控制信道(BCCH)：传输系统公用控制信息，例如公共控制信道
20、(CCCH)号码以及是否与独立专用控制信道(SDCCH)相组合等信息。,公用控制信道(CCCH)。CCCH是一种双向控制信道，用于呼叫接续阶段传输链路连接所需要的控制信令。其中又分为：寻呼信道(PCH)：传输基站寻呼移动台的信息；随机接入信道(RACH)：这是一个上行信道，用于移动台随机提出的入网申请，即请求分配一个独立专用控制信道(SDCCH)；准许接入信道(AGCH)：这是一个下行信道，用于基站对移动台的入网申请作出应答，即分配一个独立专用控制信道。,专用控制信道(DCCH)。DCCH是一种“点对点”的双向控制信道，其用途是在呼叫接续阶段以及在通信进行当中，在移动台和基站之间传输必需的控制
21、信息。其中又分为：独立专用控制信道(SDCCH)：用于在分配业务信道之前传送有关信令。例如，登记、鉴权等信令均在此信道上传输，经鉴权确认后，再分配业务信道(TCH)；,慢速辅助控制信道(SACCH)：在移动台和基站之间，需要周期性地传输一些信息。例如,移动台要不断地报告正在服务的基站和邻近基站的信号强度，以实现“移动台辅助切换功能”。此外，基站对移动台的功率调整、时间调整命令也在此信道上传输，因此SACCH是双向的点对点控制信道。SACCH可与一个业务信道或一个独立专用控制信道联用。SACCH安排在业务信道时，以SACCH/T表示；安排在控制信道时，以SACCH/C表示。,快速辅助控制信道(F
22、ACCH)：传送与SDCCH相同的信息，只有在没有分配SDCCH的情况下，才使用这种控制信道。使用时要中断业务信息，把FACCH插入业务信道，每次占用的时间很短，约18.5 ms。,3.时隙的格式 在GSM系统中，每帧含 8 个时隙，时隙的宽度为 0.577 ms，其中包含156.25 bit。TDMA信道上一个时隙中的信息格式称为突发脉冲序列。根据所传信息的不同，时隙所含的具体内容及其组成的格式也不相同。(1)常规突发(NB,Normal Burst)脉冲序列。,图 6-13 常规突发脉冲等序列的格式,(2)频率校正突发(FB,Frequency Correction Burst)脉冲序列。
23、频率校正突发脉冲序列用于校正移动台的载波频率，其格式比较简单，参见图 6-13 所示。起始和结束的尾比特各占 3 bit，保护时间 8.25 bit，它们均与普通突发脉冲序列相同，其余的 142 bit，均置成“0”，相应发送的射频是一个与载频有固定偏移(频编)的纯正弦波，以便于调整移动台的载频。,(3)同步突发(SB，Synchronisation Burst)脉冲序列。同步突发脉冲序列用于移动台的时间同步。主要组成包括 64 bit的位同步信号，以及两段各39bit数据，用于传输TDMA帧号和基站识别码(BSIC)。基站识别码(BSIC)用于移动台进行信号强度测量时区分同一个载频而不同的基
24、站。,(4)接入突发(AB,Access Burst)脉冲序列。接入突发脉冲序列用于上行传输方向，在随机接入信道(RACH)上传送，用于移动用户向基站提出入网申请。,图 6-14 接入突发脉冲序列的格式,4.信道的组合方式,(1)业务信道的组合方式。,图 6 15 业务信道的组合方式,(2)控制信道的组合方式。控制信道的复帧含 51 帧，其组合方式类型较多，而且上行传输和下行传输的组合方式也是不相同的。BCCH和CCCH在TS0上的复用。,图 6-16 BCCH和CCCH在TS0上的复用,图 6-17 TS0上RACH的复用,SDCCH和SACCH在TS1上的复用。,图 6-18 SDCCH和
25、SACCH(下行)在TS1上的复用,公用控制信道和专用控制信道均在TS0上的复用。,图 6-19 TS0上控制信道综合复用,6.2.3 话音和信道编码,数字化话音信号在无线传输时主要面临三个问题：一是选择低速率的编码方式，以适应有限带宽的要求；二是选择有效的方法减少误码率，即信道编码问题；三是选用有效的调制方法，减小杂波辐射，降低干扰。,图 6-20 GSM系统的话音和信道编码组成方框图,图 6-21 GSM的编码流程,图 6-22 GSM的交织方式,6.2.4 跳频和间断传输技术,1.跳频,图 6-23 GSM系统的跳频示意图,跳频系统的抗干扰原理与直接序列扩频系统是不同的。直扩是靠频谱的扩
26、展和解扩处理来提高抗干扰能力的，而跳频是靠躲避干扰来达到抗干扰能力的。抗干扰性能用处理增益GP表征，G的表达式为,式中：BW是跳频系统的跳变频率范围；BC是跳频系统的最小跳变的频率间隔(GSM的BC=200 kHz)。若BW取15 MHz，则GP=18 dB。,2.间断传输 了提高频谱利用率，GSM系统还采用了话音激活技术。这个被称为间断传输(DTx)技术的基本原则是只在有话音时才打开发射机，这样可以减小干扰，使频率复用面积减小，提高系统容量。采用DTx技术，对移动台来说是更有意义，因为在无信息传输时立即关闭发射机，可以减少电源消耗。GSM中，话音激活技术是采用一种自适应门限话音检测算法。当发
27、端判断出通话者暂停通话时，立即关闭发射机，暂停传输;在接收端检测出无话音时，在相应空闲帧中填上轻微的“舒适噪声”，以免收听者造成通信中断的错觉。,6.3 GSM系统的控制与管理,6.3.1 位置登记,所谓位置登记(或称注册)是通信网为了跟踪移动台的位置变化，而对其位置信息进行登记、删除和更新的过程。由于数字蜂窝网的用户密度大于模拟蜂窝网，因而位置登记过程必须更快、更精确。位置信息存储在原籍位置寄存器(HLR)和访问位置寄存器(VLR)中。,图 6-24 位置区划分的示意图,图 6-25 位置登记过程举例,6.3.2 鉴权与加密,由于空中接口极易受到侵犯，GSM系统为了保证通信安全，采取了特别的
28、鉴权与加密措施。鉴权是为了确认移动台的合法性，而加密是了为防止第三者窃听。鉴权中心(AUC)为鉴权与加密提供了三参数组(RAND#,SRES和Kc)，在用户入网签约时，用户鉴权键Ki连同IMSI一起分配给用户，这样每一个用户均有惟一的Ki和IMSI，它们存储于AUC数据库和SIM卡中。根据HLR的请求，AUC按下列步骤产生一个三参数组，参见图 6-26。,图 6-26 AUC产生三参数组,1.鉴权,图 6-27 鉴权程序,2.加密,图 6-28 加密程序,3.设备识别 每一个移动台设备均有一个惟一的移动台设备识别码(IMEI)。在EIR中存储了所有移动台的设备识别码，每一个移动台只存储本身的I
29、MEI。设备识别的目的是确保系统中使用的设备不是盗用的或非法的设备。为此，EIR中使用三种设备清单：白名单：合法的移动设备识别号；黑名单：禁止使用的移动设备识别号；灰名单：由运营者决定，例如有故障的或未经型号认证的移动设备识别号。,图 6-29 设备识别程序,4.用户识别码,为了防止非法监听进而盗用IMSI，在无线链路上需要传送IMSI时，均用临时移动用户识别码(TMSI)代替IMSI。仅在位置更新失败或MS得不到TMSI时，才使用IMSI。MS每次向系统请求一种程序，如位置更新、呼叫尝试等，MSC/VLR将给MS分配一个新的TMSI。,图 6-30 位置更新时产生新的TMSI,6.3.3 呼
30、叫接续,1.移动用户主呼 移动用户向固定用户发起呼叫的接续过程如图 6-31 所示。,图 6-31 移动用户主呼时的接续过程,2.移动用户被呼,图 6-32 移动用户被呼时的接续过程,6.3.4 过区切换 所谓过区切换是在通话期间，当移动台从一个小区进入另一个小区时，网络能进行实时控制，把移动台从原小区所用的信道切换到新小区的某一信道，并保证通话不间断(用户无感觉)。如果小区采用扇区定向天线，当移动台在小区内从一个扇区进入另一扇区时，也要进行类似的切换。,(1)同一个BSC控制区内不同小区之间的切换，也包括不同扇区之间的切换。,图 6-33 同一个BSC的过区,图 6-34 同一个MSC/VL
31、R区，不同切换示意BSC间切换示意,图 6-35 同一MSC的BSC间的切换流程,(3)不同MSC/VLR的区间切换。,图 6-36 不同MSC/VLR的切换示意,图 6-37 不同MSC/VLR的切换流程,6.4 三种TDMA蜂窝系统分析比较,6.4.1 D-AMPS的特征 美国的TDMA蜂窝移动系统(D-AMPS)采用美国电子工业协会(EIA)制定的IS-54标准。该标准规定的频道间隔(30kHz)是与AMPS一致的，而且移动台的工作模式是数/模兼用的，或称双模方式。因此，D-AMPS和AMPS可以在同样的无线环境中并存，有利于逐步扩大数字用户，以实现模拟通信系统向数字通信系统的平滑过渡。
32、,工作频段移动台发射频段：824849 MHz;基站发射频段：869894 MHz;频道间隔：30 kHz;双工频率间隔：45 MHz。,2.多址方式 采用时分多址/频分多址/频分双工(TDMA/FDMA/FDD)制式。时分多址帧长为 40 ms,每帧含 6个时隙。与GSM通信系统一样，D-AMPS系统也定义了全速率与半速率两种物理信道，目前使用的全速率信道占 2 个时隙，相当于每载波含 3 个物理信道。将要开发的半速率信道只占一个时隙，相当于每载波含 6 个物理信道。每个时隙含 324 bit，即系统的信道传输速率为 3246/40=48.6 kb/s，帧和时隙的格式如图 6-38 所示。,
33、图 6-38 D-AMPS的帧和时隙格式,G:保护时间；R:功率上升时间；SACCH:慢速辅助控制信道；SYNC:同步信道；DATA:业务信道(含快速辅助控制信道)；DVCC:数字识别色码；RSVD:保留(备用)时间。,这里，SACCH安排在各个业务时隙之中，不同于GSM系统那样在业务复帧中专门安排 1 帧或 2 帧。同步信道传输的信息用于时隙同步、均衡训练和时隙识别。因此，同步序列应具有良好的相关特性。IS-54 定义了 6 种同步序列，可分别指配给不同的时隙，使接收机可以锁定在指定的时隙上。数字识别色码用作不同基站的标志，便于移动台区别不同的基站，它用 8 bit可编成 28=256 个不
34、同的码字。为了防止传输中发生错误，8 bit的码字采用缩短汉明码(12，8)形成 12 bit的数字识别色码。,此外，由图6-38 可见，上行时隙的格式与下行时隙的格式有所不同，其主要原因是下行传输时，可不设保护时间与功率上升时间。而上行传输时，占用 6 bit的保护时间，是为了避免传播时延而发生的时间交叠问题；而功率上升时间(6 bit)是不发射信息的，它用于满足移动台发射机达到额定功率所需要的时间。需要指出的是，与GSM系统类似，上行帧与下行帧的偏移量是一个时隙再加 88 bit，共计 412 bit,约8.48 ms。,3.话音编码 D-AMPS系统话音编码采用“矢量和激励线性予测(VS
35、ELP)”编码方式，编码速率为 7.95 kb/s。在20 ms的话音编码帧中，共有 159 个信息比特，分为两类：1 类是对差错敏感的 77 bit；2 是对差错不敏感的 82 bit。1 类比特加上CRC校验位(7 bit)和尾比特(5 bit)，进行码率为 1/2和约束长度为 5 的卷积编码，变成 178 个传输比特；2 类比特不进行差错保护。两类比特之和为 260 bit，相应的话音速率为 260/20=13 kb/s。为防止突发性干扰的影响，这些传输比特在发送之前还要在 40 ms的时间间隔中进行交织编码。,4.控制信道 双模系统的移动台因为要与模拟系统相通，因而系统中必须保留AMP
36、S原有的控制信道，但为了对数字传输进行必要的控制，就必须在业务信道中设置必须的专用控制信道。与GSM系统相似，IS-54 标准的双模系统也设置了慢速辅助控制信道(SACCH)和快速辅助控制信道(FACCH)。由图 6-38 可见，在每一时隙中SACCH占有 12 bit，其中 6 bit是信息位，另加 6 位是经码率为 1/2、约束长度为 6 的卷积编码器产生的，以提高抗干扰能力。经编码后SACCH的速率为 122/40=0.6 kb/s(全速率传输时，每帧用 2个时隙)。FACCH同样采用占用业务信道的办法，即通常所说的中断-猝发模式，占用一个时隙中的 260 个业务比特。,如上所述，一个T
37、DMA帧包括 6 个时隙，每时隙长为 6.67 ms，包含 324 bit。因此数据总速率是 48.6 kb/s，平均每用户的总速率是 16.2 kb/s，其中：话音编码：13 kb/s；SACCH:0.6 kb/s；DVCC:0.6 kb/s;保护时间、上升时间及同步：2.0 kb/s。,5.调制方式 D-AMPS系统使用的调制方式为/4偏置的差分四相相移键控(/4-DQPSK),并采用平方根升余弦的基带滤波器，滚降系数为 0.35。这种调制方式在 30 kHz的频道间隔中传输48.6kb/s的信息，频带利用率达到 48.6/30=1.626 b/s/Hz，比GSM系统的频带利用率高。不过这
38、种调制方式不属于恒包络数字调制，通常对传输信道的线性度有较高要求。,6.4.2 JDC系统的特征,1.工作频段移动台发射频率：940956 MHz/1 4291 453 MHz;基站发射频率：810826 MHz/1 4771 501 MHz;收发双工频率间隔：130 MHz/48 MHz;频道间隔：25 kHz。,2.多址方式 采用TDMA/FDMA制式，每载频分 3 个时隙(全速率)或 6 个时隙(半速率)，信道传输速率4.2 kb/s。3.信道分类 RCR-STD-27B定义了两类逻辑信道，即业务信道(TCH)和控制信道(CCH)，其分类方法见图 6-39。,图 6-39 JDC系统的信
39、道分类,4.时隙格式 JDC的TDMA帧长为 20 ms，在全速率情况下，分为 3 个时隙，时隙长为20/3=6.67 ms。时隙结构与逻辑信道类型及传输方向有关。图 6-40 示出了两种典型的时隙格式，其中上部为业务时隙，且上行传输(或称反向传输)。下部为控制时隙，且下行传输(或称正向传输)。其中，移动台发往基站时，保护时间占 6 bit。功率上升时间为 4 bit;帧同步 20 bit，位于时隙中部;8 bit的数字色码用来别基站。1 bit的挪用标志用来区分业务信道中是否包含FACCH。15 bit为实时控制信令。每用户总数据速率280/0.02=14 kb/s，其中业务数据率为是 22
40、4/0.02=11.2 kb/s，其余 2.8 kb/s用于各种开销。,图 6-40 JDC的时隙格式,5.话音编码和调制方式 采用VSELP话音编码技术，话音编码比特率为 6.7 kb/s，加差错保护比特率为 4.5 kb/s，总的话音传输速率为 11.2 kb/s。调制方式为/4-DQPSK,采用平方根升余弦基带滤波器，滚降系数为 0.5。GSM、D-AMPS和JDC三种TDMA蜂窝移动通信系统由于在开发背景、时间及要求等方面不尽相同，因而在技术性能和服务功能上，三种系统也各有差异。,表 6-4 三种TDMA蜂窝通信系统的主要参数,6.4.3 蜂窝系统的通信容量,1.FDMA蜂窝系统的通信
41、容量 蜂窝通信系统由若干个小区构成一个区群，区群之间实现频率再用，使用相同频率的小区称为共道小区，共道小区之间存在相互干扰称为共道干扰。,图 6-41 共道小区分布,若蜂窝网的每个区群含 7 个小区和各基站采用全向天线时，共道小区的分布如图 6-41 所示。共道小区以某一小区(图中为 1 号小区)为中心可分成许多层：第层 6个；第层 6 个；第层 6个 因为来自第层共道小区的干扰最强，起主导作用，故在进行分析时，可以只考虑这一 6 个共道小区所产生的干扰。令小区半径为r，两个相邻共道小区之间的距离为。为把共道干扰控制在允许的数量而需要的 值称为共道干扰抑制因子(或称共道再用因子)，即共道再用因
42、子为,(6-4),图 6-42 FDMA蜂窝系统的共道干扰分布,根据图 6-42 可得载干比的表示式为,式中，C是信号功率；n0是背景噪声功率(这里可忽略不计)；Ii是来自第i个共道小区的干扰功率。假如传播损耗与传播距离的4次方成比例，接收机收到的信号功率与第 i 个共道小区的干扰功率可分别写成：,式中，A为比例常数。因此,式中，取信号的传播距离等于小区半径 r(移动台处于小区边缘)，是考虑到载干比在最不利的情况下也要达到预定的门限值。此外，由图 6-42 可见，共道干扰的传播距离Di在i的取值不同时不会完全相等，但其差异并不太大，因而为了分析方便，可以令Di=D，于是有,假如规定的载干比门限
43、值为(C/I)S,则,当蜂窝系统的总频道数M=W/B(W为频段宽度，B为频道间隔)和区群小区数N确定后，每一小区的可用频道数n可以求出为,由式(6-4)可知,可得,上式说明：蜂窝系统可以分配给每个小区的信道数除了取决于总信道数之外，还取决于要求的载干比。换句话说，为了保证某一载干比，需要通过选择合适的共道再用因子或区群小区数。,基站若采用定向天线把小区分成多扇区进行工作，可以减小系统中的共道干扰。因为定向天线具有方向性，共道干扰只能在一定位置上和一定范围内才能产生干扰作用，因而共道小区的有效数目要减小。由图 6-43 可见，采用 120定向天线的三扇区，其共道干扰源将由原来的 6 个减少到 2
44、 个，六扇区的共道干扰源由原来的 6 个减少到 1 个。干扰源的减少意味着实际的载干比得以提高，如果保持要求的载干比(C/I)S不变，则可以减小共道再用因子，即减少每个区群的小区数N，从而增加每小区的可用信道数目，即提高系统的通信容量。,2.TDMA蜂窝系统的通信容量 TDMA蜂窝系统的通信容量也可以用式(6-10)进行计算，但是式中的信道宽度，在FDMA中即为频道宽度。在TDMA中，一个频道包含若干信道，为此采用等效信道宽度概念。TDMA系统划分信道的办法是首先把频段W划分成若干频道，然后在每一频道上再划分成若干时隙。用户使用的信道是在某一频道上的某一时隙。若TDMA系统的频道宽度为B0，而
45、每一频道包含m个时隙，则等效信道宽度为B0/m,相应的信道总数为M=mW/B0。,尽管TDMA系统在每一频道上可以分成m个时隙作为m个信道使用，但是不能由此而说其等效信道总数比FDMA系统的信道总数增大m倍。因为，话音编码速率确定后，传输一路话音所需要的频带也是确定的。TDMA系统在一个频道上用m个时隙传输m路话音，它所占用的频道宽度必然比FDMA系统传输一路话音所需要的频道宽度大m倍。从原理上说，在系统总频段相同的条件下，数字TDMA系统的等效信道总数和数字FDMA系统的信道总数是一样的。如果二者所要求的载干比(C/I)S也是相同的话，则二者的通信容量也是一样的。,例如，设通信系统的总频段为
46、96 kHz，各路数字话音速率为 16 kb/s，传输一路话音需要的带宽为 16 kHz。采用FDMA方式时，可划分的频道(即信道)总数为 96/16=6。采用TDMA方式时，如每个频道分 3 个时隙，则所需频道宽度为 316=48 kHz，因而只能把总频段划分为 2 个频道，即等效信道总数也是 23=6。,要提高数字蜂窝系统的通信容量，必须采用先进的技术措施。其中，最基本的办法是采用先进的话音编码技术。这种编码技术不仅要降低话音编码的数据率，而且要有效地进行差错保护。比如，在一个话音帧中，根据各类比特对差错敏感程度的不同分类进行编码保护，对差错敏感的比特(这些比特发生错误后会明显降低话音质量
47、)要采用纠错能力较强的编码，而对差错不敏感的比特可以不进行编码保护。这样，采用先进话音编码的数字通信系统与模拟通信系统相比，在话音质量要求相同的情况下，所需的载干比(C/I)S值可以降低，比如从 18 dB降低到 1012 dB，因而其共道再用因子可以减小，从而提高了通信系统的通信容量。,一般来说，在系统的总信道数目不变和每小区的可用信道数目不变的条件下，小区的半径越小，则单位面积的通信容量越大。但是小区半径的减小是以增加基站数目和以缩短移动台过区切换时间为前提的。例如，小区半径减小到原来的 1/5，每小区覆盖面积要减小到原来的 1/25,原来由一个小区覆盖的地区必须由 25 个小区进行覆盖。
48、这样，当移动台在快速移动中通信时，其过境切换的频度必然增大，这就要求通信网络以更快的速度进行信号强度测量以及进行切换信令的传输、处理和操作。TDMA蜂窝网络由于采用了移动台辅助切换技术(MAHO)，能明显加快移动台的过区切换速度，其小区半径可以减小到0.5 km，因而其单位面积的通信容量或者说通信系统的总容量可以提高。,3.三种TDMA蜂窝系统的容量比较 要对任何蜂窝通信系统容量进行评估，重要而可靠的办法是对通信和话音质量进行标准的主观测试，从而准确地确定这种通信系统所需要的载干比(C/I)S。根据(C/I)S不难求出区群的小区数N。三种TDMA蜂窝系统的(C/I)S及N如表 6-5 所示。,
49、表 6-6 三种TDMA蜂窝系统与模拟蜂窝系统的容量比较,AMPS:信道总数,分三个扇区，每扇区的信道数n=119/340;由n=40,B=2%,查表可得A0=31 Erl/扇区；每小区的话务量A=3A0=93 Erl/cell;,小区半径r=1 km，按正六边形计算，小区面积S=2.6 km2，每平方公里的话务量为,GSM:信道总数,N=4 时，,扇,n=83,B=2%，查表得A0=71.6 Erl/扇区，A=3A0=215(Erl/Cell);,每平方公里的话务量,归一化容量,由表中的计算结果可知：数字蜂窝系统的容量均大于模拟蜂窝系统的容量，最大可达AMPS系统的7.6倍，最小也有2.3
50、倍；三种TDMA蜂窝系统中，ADC和JDC的容量增益都大于GSM系统。不过，应该指出的是，影响数字蜂窝系统通信容量的重要因素之一是所用话音编码的比特率。三种系统中，话音编码速率(包括差错编码)是：GSM为 22.8 kb/s，ADC为 13 kb/s，JDC为 11.2 kb/s。其中，GSM的话音编码速率是JDC的 2 倍。显然，就进一步降低话音编码速率而言，GSM系统的潜力较大，更容易进一步提高它的通信容量。此外，由表可见，数字蜂窝系统采用跳频和分集等抗干扰技术，均有利于降低所需的载干比，减小共道再用因子，从而提高系统的容量。,两种高速移动数据业务：HSCSD：高速电路交换数据业务 GPR
