1.2 移动通信系统

移动通信系统发展到现在已经历了四代，第一代（1G）为模拟移动通信系统，第二代（2G）为数字移动通信系统，目前处于2G、3G和4G共存阶段。本节简单介绍目前商用的各移动通信系统。

1.2.1 GSM系统

GSM是第二代数字移动通信系统，是泛欧标准，采用开放式结构，各功能实体间采用标准化的接口规范。我国于1994年进行GSM系统的商用，采用900MHz和1800MHz频段。GSM900采用了890～915MHz（上行）、935～960MHz（下行）频段，DCS1800采用了1710～1785MHz（上行）、1805～1880MHz（下行）频段。在模拟网关闭后，部分原模拟网使用频段由GSM系统使用，形成了EGSM工作频段。

GSM系统采用的主要技术和指标如下。

频道间隔：200kHz；双工间隔：45MHz（900MHz系统）/95MHz（1800MHz系统）；调制方式：GMSK；语音编码方式：RPE-LTP（13kbit/s）；多址技术：FDMA/TDMA（每载频8时隙）；双工方式：FDD。

另外，GSM系统中还采用了跳频、功率控制、语音间断传输、信道编码等技术以提高系统的性能。

1．GSM系统的组成

2GSM系统包括网络子系统（NSS，或交换子系统SS）、基站子系统（BSS）、操作维护子系统（OSS）和移动台子系统（MS）4个组成部分，其基本结构如图1-1所示。

图1-1中，MS为移动台，BTS为基站收发信机，BSC为基站控制器，MSC为移动业务交换中心，EIR为移动设备识别寄存器，VLR为访问用户位置寄存器，HLR为归属用户位置寄存器，AUC为鉴权中心，OMC为操作维护中心，ISDN为综合业务数字网，PLMN为公用陆地移动网，PSTN为公共电话交换网，PSPDN为公用分组交换数据网。一般情况下，VLR与MSC常集成在一起，表示为MSC/VLR；HLR与AUC集成在一起，表示为HLR/AUC。

（1）网络子系统

网络子系统（NSS）主要有GSM系统的交换功能和用于用户数据管理、移动性管理、安全性管理、移动设备管理等所需的数据库功能，对GSM移动用户间和GSM移动用户与其他通信网用户间的通信起着管理作用。NSS由一系列功能实体构成。在整个GSM系统内部，NSS的各功能实体间以及NSS与BSS间都通过符合No.7信令系统的协议与GSM规范的No.7信令网络相互通信。

① 移动业务交换中心（MSC）。MSC是网路的核心，完成系统的电话交换功能。MSC可从3种数据库（即HLR、VLR和AUC）获取处理用户位置登记和呼叫请求所需的全部数据，同时根据其最新获取的信息请求更新数据库的部分数据。MSC可为移动用户提供一系列业务，包括电信业务、承载业务和补充业务等。MSC还支持位置登记、越区切换和自动漫游等移动性能和其他网络功能。

对于容量比较大的移动通信网，一个NSS可包括若干个MSC、VLR和HLR。

MSC有3类，分别为普通MSC、GMSC、TMSC。GMSC为入口移动业务交换中心（或网关MSC），其主要用于和其他电信运营商设备的互联互通。TMSC为汇接MSC，专门用于移动业务的长途转接。在网络中，GMSC与TMSC也可兼有普通MSC的交换与控制功能。

② 归属用户位置寄存器（HLR）。HLR是GSM系统的中央数据库，是存储着该HLR管理的所有移动用户的相关数据的静态数据库。存储的数据有用户信息（包括用户的入网信息、注册的有关业务方面的数据）、位置信息等，还存有号码IMSI、MSISDN。

③ 访问用户位置寄存器（VLR）。VLR服务于其控制区域内的移动用户，是存储着进入其控制区域内且已登记的移动用户的相关信息的动态用户数据库。一旦移动用户离开该VLR的控制区域，则重新在另一个VLR登记，原来访问的VLR将取消临时记录的该移动用户数据。

④ 鉴权中心（AUC）。AUC存储着鉴权信息和加密密钥，用来防止无权用户接入系统，并保证通过无线接口的移动用户信息的安全。AUC属于HLR的一个功能单元，专用于GSM系统的安全性管理。

⑤ 移动设备识别寄存器（EIR）。EIR存储着移动设备的国际移动设备识别码（IMEI），通过检查白名单、灰名单和黑名单判别准许使用的、出现故障须监视的、失窃不准使用的移动设备的IMEI，以防止非法使用偷窃的、有故障的或未经许可的移动设备。目前，因GSM系统未安装EIR设备，因此网络中仍有大量非法手机在使用。

（2）基站子系统

基站子系统（BSS）是GSM系统中与无线蜂窝方面关系最直接的基本组成部分，它通过无线接口直接与移动台相接，负责无线信号的收发和无线资源管理。另一方面，BSS与NSS中的MSC相连，实现移动用户间或移动用户与固定网用户间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。

① 基站控制器（BSC）是BSS的控制部分，具有BSS的交换设备的作用，进行各种接口的管理、无线资源和无线参数的管理，例如切换控制、功率控制、时间提前量控制等。

② 基站收发信机（BTS）属于BSS的无线部分，是由BSC控制并服务于某个小区的无线收发信设备，实现BTS与移动台间的无线传输及相关的控制功能。

通常，NSS中的一个MSC监控一个或多个BSC，每个BSC控制多个BTS。

（3）操作维护子系统

操作维护子系统（OSS）需完成许多任务，包括移动用户管理、移动设备管理及网络操作和维护等。

此处所介绍的OSS功能主要指完成对BSS和NSS进行操作及维护的管理功能。完成网络操作与维护管理的设施称为操作与维护中心（OMC），具体功能包括网络的监视和操作（告警、处理等）、无线规划（增加载频、小区等）、交换系统的管理（软件、数据的修改等）、性能管理（产生统计报告等）。GSM网络中的每个部件都有机内状态监视和报告功能，OMC对其反馈结果进行分析、诊断，并自动解决问题，如将业务切换至备份设备、针对故障情况采取适当的维护措施等。

移动用户管理包括用户数据管理和呼叫计费。用户数据管理一般由HLR来完成，用户识别模块（SIM）的管理通过专门的SIM个人化设备完成。呼叫计费可由移动用户所访问的各个MSC和GMSC分别处理，也可通过HLR或独立的计费设备来集中处理计费数据。

移动设备管理是由EIR完成的。

（4）移动台子系统

移动台子系统（MS）是公用GSM移动通信网中用户使用的设备。移动台可以是单独的移动终端MT、手机、车载台，或者由MT直接与终端设备TE（如传真机等）相连接而构成，或者由MT通过相关终端适配器TA与TE相连接而构成。移动台必须插入SIM卡才能进行正常呼叫，SIM存储所有与用户有关的信息和某些无线接口的信息，其中也包括鉴权和加密信息，用户可以根据自己的需要更换手机，而不用重新注册入网。

2．GSM网络结构

我国的GSM网络采用二、三级混合结构，在无线区域覆盖时采用无线小区、基站小区、位置区、MSC区、PLMN服务区、GSM服务区的层次结构，如图1-2所示。

3．GSM系统中的接口

GSM系统对各功能实体间的接口进行了具体的定义，如图1-3所示。与BSS密切相关的接口主要有A接口（MSC与BSC间的接口）、Abis接口（BSC与BTS间的接口，是非标准接口，由厂家自定义）、Um接口（BTS与MS间的接口）。

GSM系统终端设备信号的处理过程与移动台类似，只是移动台中的发送信号来自话筒，而系统终端的发送信号（64kbit/s的信号）来自交换机数据经对数线性变换器转换成的8kHz（13bit）的信号。移动台原理框图如图1-4所示。

发送部分：模/数变换后的8kHz（13bit）的均匀量化数字信号按20ms分段，每20ms段160个采样；分段后按有声段和无声段对信号进行分开处理，有声段进行后续的语音编码处理，无声段按语音间断传输DTX的要求处理；数字信号经过信道编码、交织、加密、突发脉冲串形成、调制及上变频、功率放大后，由天线将信号发射出去。

GSM系统采用DTX方式，在语音信号分段后，按有声段和无声段分开进行信号处理。无声段并不是简单地关闭发射机，而是要求在发射机关闭之前，必须把发端背景噪声参数形成静寂描述帧（SID）传送给接收端，接收端利用这些参数合成与发送端相类似的噪声（通常称为“舒适噪声”）。为了完成语音信号间断传输，在发送端应有语音活动检测器，有背景噪声的评价，而接收端有噪声发生器。

接收部分：从天线接收的射频信号经双工器进入接收通路，高频放大后经一混频、二混频得到中频信号，数字解调后进行Viterbi均衡、解密、去交织、信道解码，恢复出数字化语音信号。

BSS中，语音编码过程在BSC侧完成，其余数字信号处理和射频部分信号处理则在BTS中进行。另外，由于基站需要多发射机共用天线、收发共用天线，因此天线共用部分包括合路器和双工器。

（1）信道

GSM系统中，一个载频上的TDMA帧的一个时隙（TS）为一个物理信道。GSM中的每个载频分为8个时隙，有8个物理信道，每个用户占用一个时隙，用于传递信息，在一个TS中发送的信息称为一个突发脉冲序列。

大量的信息传递于BTS与移动台间，GSM系统根据传递信息的种类定义了不同的逻辑信道。逻辑信道是一种人为的定义，在传输过程中要被映射到某个物理信道上才能实现信息的传输。逻辑信道可分为两类，即业务信道（TCH）和控制信道（CCH）。业务信道用于传送编码后的语音或用户数据；为了建立呼叫，GSM设置了多种控制信道，用于传递信令或同步数据，可分为广播信道（BCH）、公共控制信道（CCCH）及专用控制信道（DCCH）3类。

广播信道可分为频率校正信道（FCCH）、同步信道（SCH）和广播控制信道（BCCH）；公共控制信道是基站与移动台间的点到多点的双向信道，可分为寻呼信道（PCH）、随机接入信道（RACH）和允许接入信道（AGCH）；专用控制信道可分为独立专用控制信道（SDCCH）、慢速随路控制信道（SACCH）和快速随路控制信道（FACCH）。

在传输过程中，传递各种信息的逻辑信道要放在不同载频的某个时隙上才能实现信息的传送。用于映射控制信道的一般是C0载波，在TS0下行信道上映射的主要是FCCH、SCH、BCCH、PCH、AGCH，在上行信道上映射RACH；在TS1上映射SDCCH、SACCH，上下行信道偏移3个时隙；其余的TS2～TS7则用作TCH，上下行信道也偏移3个时隙。

基站中的其余载频均可用作TCH。也就是说，同一小区的其他载频，C1～Cn频点只用于业务信道，即TS0～TS7全部是业务信道。因每个小区有一个C0载频，提供两个时隙的控制信道，也就是说，C0载频的6个时隙TS2～TS7都是业务信道，每增加一个载频就增加8个业务信道。

（2）分级帧结构

TDMA信道上一个时隙中的信息格式称为突发脉冲序列。突发脉冲序列共有5种类型：普通突发脉冲序列（NB，用于除FCCH、SCH、RACH外的信道）、频率校正突发脉冲序列（FB，用于FCCH）、同步突发脉冲序列（SB，用于SCH）、接入突发脉冲序列（AB，用于RACH）和空闲突发脉冲序列（DB，用于在没有信息发送时代替NB在信道中传输，不发给任何MS，不携带信息）。

映射到TDMA帧中的信号按分级帧结构逐级形成超高帧，如图1-5所示。基站以时隙为单位将信息插入信道，每一时隙0.577ms，8个时隙组成一个4.616ms的TDMA帧，同时26个语音TDMA帧组成一个持续时间为120ms的复帧（在控制信道中，51个帧组成一个复帧）；51个26帧的复帧（或26个51帧的复帧）构成一个超帧；每2048个超帧组成一个超高帧，总计2715648个TDMA帧，占时3小时28分53.7秒。

4．频率复用

（1）同频复用

同频复用技术是指同一载波的无线信道用于覆盖相隔一定距离的不同区域，相当于频率资源获得再生。移动通信系统的典型配置采用4×3频率复用方式，即每4个基站为一群，每个基站小区分成3个三叶草形60°扇区或3个120°扇区。移动通信系统采用等间隔频道配置的方法。

GSM900总共25MHz带宽，载频间隔200kHz，频道序号为1～124。频道序号和频道标称中心的频率关系为

因双工间隔为45MHz，所以其下行频率可用上行频率加双工间隔，为

GSM1800总共75MHz带宽，载频间隔200kHz，频道序号为512～885。频道序号和频道标称中心的频率关系为

与GSM900一样，根据上下行双工间隔，下行频率计算为

（2）跳频

移动通信中，电波传播的多径效应引起的瑞利衰落与发射频率有关，衰落谷点因频率的不同而发生在不同的地点，如果通话期间载频在几个频点上变化，则可认为在一个频率上只有一个衰落谷点，仅会损失信息的一小部分。

采用跳频技术可以改善由多径衰落造成的误码特性。跳频有慢跳频和快跳频两种。慢跳频速率低于信息比特率，即连续几个信息比特跳频一次。GSM系统中的跳频属于慢跳频，每帧改变一次频率，跳频的速率大约为每秒217次。一般跳频速率越高，跳频系统的抗衰落性能就越好，但相应的设备复杂性和成本也越高。

实现跳频的方法有两种，即基带跳频和频率合成器跳频（又称为射频跳频）。基带信号按照规定路由传送到相应的发射机上即形成基带跳频，基带信号由一台发射机转到另一台发射机来实现跳频。这种模式下，每个收发信机停留在一个频率上，基带数据通过交换矩阵切换到相应的收发信机上，从而实现跳频。基带跳频的天线合路器可采用谐振腔和单向器星形网络组合成的合路器。频率合成器跳频方式通过不断改变收发信机的频率合成器合成的频率使无线收发信机的工作频率由一个频率跳到另一个频率，这种方法不必增加收发信机数量，但需要采用空腔谐振器的组合，以实现跳频在天线合路器的滤波组合。频率合成器跳频模式需要无线电控制单元（RCU）的数目等于需要改变频率的时隙数，适合只有少量收发信机的基站，跳频实现原理如图1-6所示。

1.2.2 TD-SCDMA系统

TD-SCDMA由我国提出，是3G三大主流标准之一，可基于GSM系统演进。TD-SCDMA是一个TDD的同步CDMA系统，软件和帧结构的设计实现了严格的上行同步，与其他3G标准相比，其具有频谱分配灵活、高频谱利用率、更适合非对称业务的特点。

1．TD-SCDMA系统采用的主要技术与指标

TD-SCDMA系统采用的主要技术与指标如下。

码片速率：1.28Mchip/s；带宽：1.6MHz；双工方式：TDD；多址技术：TDMA、CDMA、FDMA、SDMA；调制方式：QPSK、8PSK、QAM等；扩频方式：直接序列扩频；基站间同步工作。

另外，TD-SCDMA还采用了智能天线、软件无线电、接力切换、联合检测及动态信道分配等技术来提高系统的性能。

智能天线利用SDMA技术，根据用户信号的到达方向角DOA估算进行波束赋形，向用户方向性地发送信号。

软件无线电在TD-SCDMA系统中应用，可只改变软件进行系统功能和标准的变换，从而使得天线体制具有更好的通用性、灵活性，并使系统互联和升级变得方便。

接力切换是TD-SCDMA系统针对硬切换和软切换的缺点提出的。在切换过程中，首先将上行链路转移到目标小区，下行链路仍与原小区保持通信，经过短暂时间的分别收发过程后，再将下行链路转移到目标小区。接力切换的实现需要测量、判决和执行3个过程。

联合检测利用所有与ISI（符号间干扰）和MAI（多址干扰）相关的先验信息，在一步之内将所有用户的信号分离出来。联合检测通常与智能天线结合应用，以进一步提高系统的抗干扰能力。

动态信道分配技术可动态地将信道分配给接入的业务。在TD-SCDMA系统中，慢速动态信道分配方式将资源分配到小区，快速动态信道分配方式将资源分配给承载业务。

2．TD-SCDMA系统的组成

TD-SCDMA系统由CN、UTRAN和UE组成，如图1-7所示。

3．TD-SCDMA系统的空中接口

TD-SCDMA系统的空中接口采用TDD双工方式和TDMA、CDMA等多址技术。TD-SCDMA物理信道由码、频率和时隙共同决定。为及时定位移动台，接口把一个10ms的帧分成两个5ms的子帧。如图1-8所示，TD-SCDMA子帧由7个业务时隙、1个下行导频时隙、1个上行导频时隙和1个保护间隔组成，业务时隙的上下行随着切换点位置的移动改变比例，以适应不对称业务的需求。

在TD-SCDMA中还定义了逻辑信道和传输信道。逻辑信道描述传送什么类型的信息，传输信道描述信息如何传输；逻辑信道会映射到传输信道，而传输信道会映射到物理信道以传送信息。TD-SCDMA的各类信道及映射关系如图1-9所示。

1.2.3 WCDMA系统

WCDMA是基于GSM演进的3G标准，可采用FDD或TDD双工方式（此处主要介绍FDD方式）。其系统组成与TD-SCDMA相同，如图1-7所示。

1．WCDMA系统的主要技术和指标

WCDMA采用的主要技术与指标如下。

码片速率：3.84Mchip/s；载频带宽：5MHz；调制方式：BPSK、QPSK；双工方式：FDD；多址方式：TDMA、CDMA；扩频方式：直接序列扩频；语音编码：AMR；支持异步和同步的基站运行；支持下行发射分集，以提高系统下行链路容量。

WCDMA的信道编码可根据需要确定是否采用压缩模式。压缩模式又称时隙化模式，一帧中的一个或连续几个无线帧中的某些时隙不被用于数据的传输，为保证质量，压缩帧中的其他时隙功率增加，如图1-10所示。

WCDMA系统可采用空时编码STC技术，即在时间和空间域都引入编码。空时码集发射分集和编码于一体，具有较好的频率有效性和功率有效性。

2．WCDMA系统的空中接口

WCDMA物理信道由载频、扰码、信道化码和相位定义，15个时隙构成一个无线帧。WCDMA与TD-SCDMA一样，也定义了逻辑信道和传输信道，各信道相互间的映射关系如图1-11所示。

1.2.4 CDMA2000系统

CDMA2000是基于IS-95CDMA演进的3G标准，采用FDD方式，主要技术特点有上行链路相干接收、下行链路发射分集、基站GPS同步、前向/后向兼容性好等。为了进一步满足用户的高速数据和语音业务需求，CDMA2000.1x的发展演进经历了CDMA2000.1x EV-DO（仅提供数据，不兼容CDMA2000.1x）及CDMA2000.1x EV-DV（提供语音和数据，兼容CDMA2000.1x）。中国电信使用了CDMA2000.1xEX-DO。

1．CDMA2000.1x系统的主要技术和指标

CDMA2000采用的主要技术与指标如下。

码片速率：1.2288Mchip/s；载频带宽：1.25MHz；调制方式：BPSK（上行）、QPSK（下行）；双工方式：FDD；多址方式：FDMA、CDMA；支持同步基站运行；支持下行发射分集，以提高系统下行链路容量。

目前使用的CDMA2000.1x EV-DO的功率控制方式与CDMA2000.1x不同，基站在所有时间内发送固定数量的功率。当移动台远离基站时，移动台接收的功率降低，基站不增加发送功率，而是降低发送给这些移动台的数据率，如图1-12所示。

2．CDMA2000.1x系统的网络结构

CDMA2000.1x系统的网络结构如图1-13所示。为提供高速分组数据传送能力，核心网侧增加了PCF（分组控制功能模块）、PDSN（分组数据服务节点）和相关接口。

CDMA2000.1x EV-DO提供移动IP接入方式时，由HA和FA协调工作，实现不改变IP地址的移动用户漫游接入，如图1-14所示。

3．CDMA2000.1x系统的空中接口

CDMA2000.1x定义了物理信道和逻辑信道，前向信道和反向信道有不同的无线配置，但相互关联。逻辑信道到物理信道的映射如图1-15所示。

在CDMA2000.1x EV-DO中，信道的配置与CDMA2000.1x有着明显的区别，所配置的信道如图1-16所示。

1.2.5 LTE-A系统

LTE为UMTS RAN演进技术，其演进的核心网称为演进的分组核心网EPC。LTE的目标是提供更高的网络性能并减少无线接入成本，是一个新设计的无线接口。较之前的移动系统而言，LTE可以显著地提升频谱效率并降低延时。LTE-Advanced（LTE-A）是LTE的演进，是真正的4G。

1．LTE-A的主要技术和指标

LTE-A系统通过频谱聚合技术，最大支持100MHz的系统带宽。进行载波聚合的各单元载波可有不同的带宽，在频率上可以是连续的，也可以是非连续的，以支持灵活的频率使用方法；峰值数据传输速率进一步增强，系统设计的峰值速率下行超过1Gbit/s，上行超过500Mbit/s，实际达到的性能远超过指标要求。在使用最大的100MHz带宽，下行8×8、上行4×4多天线配置的情况下，峰值速率下行超过3Gbit/s，上行超过1.5Gbit/s；在使用两个收发天线的情况下，频谱效率达单天线HSDPA的3～4倍，达单天线HSUPA的2～3倍；进一步降低了控制面时延，从驻留状态到连接状态的转换时间要求小于50ms；进一步强调了重点优化低速（0～10km/h）移动环境中的系统性能；针对不同的覆盖范围提出不同的服务质量要求，小区覆盖半径在5km以下时满足LTE的所有性能要求，5～30km的小区覆盖半径可允许一定的性能损失，能支持100km的小区覆盖。

LTE-A新技术包括载波聚合、异构网络、增强的多天线技术和中继技术等，系统各方面的性能指标提升到了一个新的高度。

2．LTE-A系统的网络结构

LTE网络结构的最大特点就是“扁平化”，具体表现为：取消了RNC，无线接入网只保留基站结点；取消了核心网电路域（MSC Server和MGW），语音业务由IP承载；核心网分组域采用类似软交换的架构，实行承载与业务分离的策略；承载网络全IP化。

LTE系统结构包括核心网EPC和无线接入网E-UTRAN两部分，如图1-17所示。

LTE无线侧系统架构如图1-18所示。E-UTRAN由多个eNodeB组成，eNodeB之间通过X2接口，采用网格（mesh）方式互联。同时eNodeB通过S1接口与EPC连接，S1接口支持GWs和eNodeB多对多的连接关系。

3．LTE-A系统的空中接口

LTE定义了两种帧结构，帧结构类型1（见图1-19）适用于全双工或半双工的LTE FDD，帧结构类型2（见图1-20）适用于TDD LTE。

帧结构类型1的每个无线帧长Tf=307200×Ts=10ms，一个无线帧包括20个时隙，每个时隙Tslot=15360×Ts=0.5ms，一个子帧定义为两个连续时隙；对于FDD，通过频域来隔离上下行传输，10个子帧全部用于下行链路传输或上行链路传输。

帧结构类型2中，一个10ms的无线帧分为两个5ms的半帧。每个半帧由5个长度为1ms的子帧组成。子帧有普通子帧和特殊子帧之分，普通子帧由两个时隙组成，特殊子帧由3个时隙（UpPTS、GP、DwPTS）组成。

LTE系统中，逻辑信道、传输信道和物理信道间的映射关系如图1-21所示。