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5、,,*,GSM-R系統(tǒng)維護(hù)與應(yīng)用,第1章 概論,,GSM-R系統(tǒng)維護(hù)與應(yīng)用第1章 概論,第1章 概論,1.1 移動(dòng)通信概述,1.1.1 無(wú)線通信與移動(dòng)通信的關(guān)系,1.1.2 移動(dòng)通信的發(fā)展簡(jiǎn)史,1.1.3 移動(dòng)通信系統(tǒng)的特點(diǎn)和分類,1.2 GSM-R系統(tǒng)概述,1.2.1 GSM-R與GSM的關(guān)系,1.2.2 GSM-R系統(tǒng)簡(jiǎn)介,1.2.3 GSM-R系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用,2,第1章 概論 1.1 移動(dòng)通信概述 2,1.1 移動(dòng)通信概論,移動(dòng)通信是指通信雙方至少有一方在移動(dòng)狀態(tài)中進(jìn)行信息傳輸和交換，這包括移動(dòng)體（車輛、船舶、飛機(jī)或行人）和移動(dòng)體之間的通信，移動(dòng)體與固定點(diǎn)（固定無(wú)線臺(tái)或

6、有線用戶）之間的通信。,3,1.1 移動(dòng)通信概論移動(dòng)通信是指通信雙方至少有一方在移動(dòng)狀態(tài),1.1 移動(dòng)通信概論,“無(wú)線電之父”馬可尼于1895年設(shè)計(jì)出大功率的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，可收發(fā)遠(yuǎn)距離的電磁波，發(fā)送莫斯密碼。,無(wú)線電原理：,導(dǎo)體中電流強(qiáng)弱的變化會(huì)產(chǎn)生無(wú)線電波。利用這一現(xiàn)象 ，通過(guò)調(diào)制可將信息加載于無(wú)線電波之上。當(dāng)電波通過(guò)空間傳播到達(dá)接收端，電波引起的電磁場(chǎng)變化又會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生電流。通過(guò)解調(diào)將信息從電流變化中提取出來(lái)，就達(dá)到了信息傳遞的目的。,4,1.1 移動(dòng)通信概論 “無(wú)線電之父”馬可尼于,1.1.1,無(wú)線通信與移動(dòng)通信的關(guān)系,1.無(wú)線電波的特點(diǎn)：,無(wú)線電波在自然空間傳播的電

7、磁波，是無(wú)線通信信息傳輸?shù)妮d體。無(wú)線電波主具有以下特點(diǎn)：,（1）無(wú)線電波是正弦波，具有波的一切特性。它和水波一樣能向四周傳播，在傳播的過(guò)程中能夠發(fā)生折射、反射，它也具有一定的頻率、波長(zhǎng) 和波速。無(wú)線電波的傳播過(guò)程如圖1.1所示。,5,1.1.1無(wú)線通信與移動(dòng)通信的關(guān)系1.無(wú)線電波的特點(diǎn)：5,,圖 1.1 無(wú)線電波的傳播過(guò)程,6,圖 1.1 無(wú)線電波的傳播過(guò)程6,1.無(wú)線電波的特點(diǎn)：,（2）無(wú)線電波不像其它波那樣容易被人們的感官所接收。,,（3）無(wú)線電波具有驚人的運(yùn)動(dòng)速度，是世界上跑得最快的物質(zhì)。每秒鐘能跑30萬(wàn)公里，而其他物質(zhì)，比如聲波，在空氣中每秒只能傳播340米。,7,1.無(wú)線電波

8、的特點(diǎn)：（2）無(wú)線電波不像其它波那樣容易被人們的,1.無(wú)線電波的特點(diǎn)：,（4）無(wú)線電波可以在真空中傳播。,,（5）無(wú)線電波的頻率往往比其它波的頻率高得多。無(wú)線電波的頻率可以達(dá)到幾萬(wàn)赫茲、幾十兆赫茲。無(wú)線電波的波長(zhǎng)、頻率和振幅還可以按照人們的 需要用機(jī)器來(lái)調(diào)節(jié)。,8,1.無(wú)線電波的特點(diǎn)：（4）無(wú)線電波可以在真空中傳播。8,,表1.1無(wú)線電波譜的頻率、波段、傳播特性及主要用途,名稱,甚低頻,低頻,中頻,高頻,甚高頻,超高頻,特高頻,極高頻,符號(hào),VLF,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,頻率,3-30KHz,30-300KHz,0.3-3MHz,3-30MHz,30-300MHz,

9、0.3-3GHz,3-30GHz,30-300GHz,波段,超長(zhǎng)波,長(zhǎng)波,中波,短波,米波,分米波,厘米波,毫米波,波長(zhǎng),100-1000Km,1-10Km,100-1000m,10-100m,1-10m,0.1-1m,1-10cm,1-10mm,傳播,特性,空間波為主,地波為主,地波與天波,天波與地波,空間波,空間波,空間波,空間波,主要,用途,海岸潛艇通,信；,遠(yuǎn)距離通信,超遠(yuǎn)距離導(dǎo),航；,越洋通信,中距離通,信；,地下巖層,通信；,遠(yuǎn)距離導(dǎo),航；,,船用通信業(yè),務(wù)；,無(wú)線電通信,移動(dòng)通信中,距離導(dǎo)航；,遠(yuǎn)距離短,波通信；,國(guó)際定點(diǎn),通信；,電離層散射,(30-60MHz),流星余跡通信,

10、人造電離層通,信（30-144M,Hz）；,對(duì)空間飛行體,通信；,移動(dòng)通信；,小容量微波,中繼通信,(352-420,MHz),對(duì)流層散射,通信（700-,10000MHz）,中容量微波,通信；,,大容量微波,中繼通信,(3600-4200M,Hz)、(5850-,8500MHz)；,數(shù)字通信；,衛(wèi)星通信；,國(guó)際海事衛(wèi),星通信（,1500-1600,MHz）；,,再入大氣層,時(shí)的通信；,波導(dǎo)通信；,表1.1無(wú)線電波譜的頻率、波段、傳播特性及主要用途 名稱甚低,2.無(wú)線通信與移動(dòng)通信的相互關(guān)系,移動(dòng)通信就是要保持物體在移動(dòng)狀態(tài)中的通信，因而它必須是無(wú)線通信。短距離無(wú)線通信我們通常稱為無(wú)線通信；長(zhǎng)

11、距離無(wú)線通信我們通常稱為移動(dòng)通信，移動(dòng)通信可以算作無(wú)線通信的一個(gè)大的分支。,10,2.無(wú)線通信與移動(dòng)通信的相互關(guān)系移動(dòng)通信就是要保持物體在移動(dòng),1.1.2,移動(dòng)通信發(fā)展簡(jiǎn)史,第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)(1G)是在20世紀(jì)80年代初提出的，它完成于20世紀(jì)90年代初，如NMT和AMPS，NMT于1981年投入運(yùn)營(yíng)。第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)是基于模擬傳輸?shù)?，其特點(diǎn)是業(yè)務(wù)量小、質(zhì)量差、交全性差、沒(méi)有加密和速度低。1G主要基于蜂窩結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，直接使用模擬語(yǔ)音調(diào)制技術(shù)，傳輸速率約2．4kbit/s。不同國(guó)家采用不同的工作系統(tǒng)。,第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)(2G)起源于90年代初期。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)在1996年提出了GSM Ph

12、ase 2+，目的在于擴(kuò)展和改進(jìn)GSM Phase 1及Phase 2中原定的業(yè)務(wù)和性能。,11,1.1.2移動(dòng)通信發(fā)展簡(jiǎn)史第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)(1G)是在20,1.1.2,移動(dòng)通信發(fā)展簡(jiǎn)史,第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3G)，也稱IMT 2000，是正在全力開發(fā)的系統(tǒng)，其最基本的特征是智能信號(hào)處理技術(shù)，智能信號(hào)處理單元將成為基本功能模塊，支持話音和多媒體數(shù)據(jù)通信，它可以提供前兩代產(chǎn)品不能提供的各種寬帶信息業(yè)務(wù)，例如高速數(shù)據(jù)、慢速圖像與電視圖像等。如WCDMA的傳輸速率在用戶靜止時(shí)最大為2Mbps，在用戶高速移動(dòng)是最大支持144Kbps，所占頻帶寬度5MHz左右,,第四代　4G是第四代移動(dòng)通信及其技術(shù)的

13、簡(jiǎn)稱，是集3G與WLAN于一體并能夠傳輸高質(zhì)量視頻圖像以及圖像傳輸質(zhì)量與高清晰度電視不相上下的技術(shù)產(chǎn)品。 4G系統(tǒng)能夠以100Mbps的速度下載，比撥號(hào)上網(wǎng)快2000倍，上傳的速度也能達(dá)到20Mbps，并能夠滿足幾乎所有用戶對(duì)于無(wú)線服務(wù)的要求。,12,1.1.2移動(dòng)通信發(fā)展簡(jiǎn)史第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3G)，也稱I,1.1.3移動(dòng)通信系統(tǒng)的特點(diǎn)和分類,1.移動(dòng)通信系統(tǒng)的特點(diǎn)：,,（1）,移動(dòng)通信必須利用無(wú)線電波進(jìn)行信息傳輸,通信中的用戶可以在一定范圍內(nèi)自由活動(dòng)，其位置不受束縛，但傳輸特性差，有各種損秏且大。會(huì)產(chǎn)生多徑效應(yīng),陰影效應(yīng),多普勒效應(yīng)等。,,（2）,通信是在復(fù)雜的干擾環(huán)境中運(yùn)行的,除去一些

14、常見的外部干擾（如天電干擾、工業(yè)干擾和信道噪聲）外，系統(tǒng)本身和不同系統(tǒng)之間還會(huì)產(chǎn)生這樣和那樣的干擾。如：（各種）多用戶之間、基站與用戶之間、各種收發(fā)信機(jī)之間等產(chǎn)生的干擾，主要有：鄰道干擾、互調(diào)干擾、共道干擾、多址干擾、（以及近地?zé)o用強(qiáng)信號(hào)壓制遠(yuǎn)地有用弱信號(hào)地現(xiàn)象）遠(yuǎn)近效應(yīng)等。,13,1.1.3移動(dòng)通信系統(tǒng)的特點(diǎn)和分類1.移動(dòng)通信系統(tǒng)的特點(diǎn)：1,（3）,移動(dòng)通信業(yè)務(wù)量的需求與日俱增,如何提高系統(tǒng)的容量，始終是移動(dòng)通信發(fā)展中的重點(diǎn)。解決的方法是：一方面開辟和啟用新的頻段；另一方面研究各種新技術(shù)和新措施，以壓縮信號(hào)所占的頻帶寬度和提高頻譜利用率，如：信號(hào)處理技術(shù), 新的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，多址技術(shù)，等等。

15、,,（4）移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多種多樣，網(wǎng)絡(luò)管理和控制必須有效,根據(jù)通信地區(qū)、地形的不同，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)可以組成帶狀（如鐵路沿線、隧道等）、面狀（覆蓋一整個(gè)城市和地區(qū)）、 立體狀（地面通信設(shè)施與中低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)一起組網(wǎng)或由微微蜂窩、微蜂窩和宏蜂窩組成的），等等。,,（5）移動(dòng)通信設(shè)備（主要是移動(dòng)臺(tái)）必須適于在移動(dòng)環(huán)境中使用,1.移動(dòng)通信系統(tǒng)的特點(diǎn)：,14,（3）移動(dòng)通信業(yè)務(wù)量的需求與日俱增1.移動(dòng)通信系統(tǒng)的特點(diǎn)：1,2.移動(dòng)通信系統(tǒng)的分類,移動(dòng)通信系統(tǒng)主要有以下分類：,（1）按使用對(duì)象可分為民用設(shè)備和軍用設(shè)備；,（2）按使用環(huán)境可分為陸地通信、海上通信和空中通信；,（3）按多址方式可分為頻

16、分多址（FDMA）、時(shí)分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）等；,（4）按接入方式可分為頻分雙工（FDD）和時(shí)分雙工（TDD）；,（5）按覆蓋范圍可分為寬域網(wǎng)和局域網(wǎng)；,15,2.移動(dòng)通信系統(tǒng)的分類移動(dòng)通信系統(tǒng)主要有以下分類：15,,（6）按業(yè)務(wù)類型可分為電話網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)和綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)；,（7）按工作方式可分為同頻單工、異頻單工、異頻雙工和半雙工；,（8）按服務(wù)范圍可分為專用網(wǎng)和公用網(wǎng)；,（9）按信號(hào)形式可分為模擬網(wǎng)和數(shù)字網(wǎng)。,16,（6）按業(yè)務(wù)類型可分為電話網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)和綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)；16,3.常見的移動(dòng)通信系統(tǒng),（1）蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng),17,3.常見的移動(dòng)通信系統(tǒng) （1）蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng) 17,

17、3.常見的移動(dòng)通信系統(tǒng),（1）蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng),術(shù) 語(yǔ),定 義,移動(dòng)臺(tái),MS,是在移動(dòng)服務(wù)網(wǎng)中，在不確定的地點(diǎn)并在移動(dòng)使用的終端。移動(dòng)臺(tái)可,以是手持設(shè)備，或是安裝在移動(dòng)車輛上的設(shè)備。具有收、發(fā)信機(jī)和天,饋線等設(shè)備,基站,BS,移動(dòng)無(wú)線系統(tǒng)中的固定站，用來(lái)和移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行無(wú)線通信。基站建在蜂,窩小區(qū)內(nèi)，設(shè)有收、發(fā)信機(jī)和架在塔上的發(fā)射、接收天線等設(shè)備,移動(dòng)交換中心,MSC,在大范圍服務(wù)區(qū)域中協(xié)調(diào)通信的中心、能將基站和移動(dòng)臺(tái)連到公用電,話網(wǎng)上。,無(wú)線小區(qū),每個(gè)基站發(fā)射機(jī)所覆蓋范圍的小塊地理區(qū)域。無(wú)線小區(qū)的大小取決于,基站的發(fā)射機(jī)功率和天線的高度,用戶,使用移動(dòng)通信服務(wù)而付費(fèi)的使用者,操作維護(hù)中心,OM

18、S,負(fù)責(zé)管理維護(hù)移動(dòng)交換網(wǎng)絡(luò),18,3.常見的移動(dòng)通信系統(tǒng) （1）蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng) 術(shù) 語(yǔ)定,3.常見的移動(dòng)通信系統(tǒng),（2）無(wú)繩電話系統(tǒng),19,3.常見的移動(dòng)通信系統(tǒng)（2）無(wú)繩電話系統(tǒng)19,3.常見的移動(dòng)通信系統(tǒng),（2）無(wú)繩電話系統(tǒng),無(wú)繩電話是指用無(wú)線信道代替普通電話線，在限定的業(yè)務(wù)區(qū)內(nèi)給無(wú)線用戶提供移動(dòng)或固定公共交換電話網(wǎng)（PSTN）業(yè)務(wù)的電話系統(tǒng)，也是一種無(wú)線接入系統(tǒng)。它由一個(gè)或若干個(gè)基站和多部手機(jī)組成，允許手機(jī)在一組信道內(nèi)任選一個(gè)空閑信道進(jìn)行通信。一個(gè)基站形成一個(gè)微蜂窩，多個(gè)微蜂窩構(gòu)成一個(gè)服務(wù)區(qū)，區(qū)內(nèi)的手機(jī)都可通過(guò)基站得到服務(wù)。,20,3.常見的移動(dòng)通信系統(tǒng)（2）無(wú)繩電話系統(tǒng)20,3.常

19、見的移動(dòng)通信系統(tǒng),（3）集群移動(dòng)通信系統(tǒng),集群移動(dòng)通信系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱集群系統(tǒng)）是一種共用無(wú)線頻道的專用調(diào)度移動(dòng)通信系統(tǒng)，它采用多信道共用和動(dòng)態(tài)分配信道技術(shù)。集群是指無(wú)線信道不是僅給某一用戶群所專用，而是若干個(gè)用戶群共同使用。集群移動(dòng)通信系統(tǒng)所采用的基本技術(shù)是頻率共用技術(shù)。它的一個(gè)最重要的目的是盡可能地提高系統(tǒng)的頻率利用率，以便在有限的頻率空間內(nèi)為更多用戶服務(wù)。,21,3.常見的移動(dòng)通信系統(tǒng)（3）集群移動(dòng)通信系統(tǒng)21,3.常見的移動(dòng)通信系統(tǒng),（4）移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,衛(wèi),星,,,,,,,,,,,,,控,制,中,心,,,,,,,,,,,,,基,站,,,,,,

20、,,,,,,,關(guān),口,站,,,P,S,T,N,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,手,機(jī),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,空,中,移,動(dòng),體,海,上,移,動(dòng),體,陸,地,移,動(dòng),體,圖 1.5 移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng),22,3.常見的移動(dòng)通信系統(tǒng)（4）移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星控制中心基站,4.移動(dòng)通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù),圖 1.6 移動(dòng)通信業(yè)務(wù)種類,23,4.移動(dòng)通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù) 圖 1.6 移動(dòng)通信業(yè)務(wù)種類 23,1.2,GSM-R系統(tǒng)概述,GSM-R（Global System For Mobi

21、le Communications For Railway）系統(tǒng)是鐵路綜合調(diào)度移動(dòng)通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，專門針對(duì)鐵路對(duì)移動(dòng)通信的需求而推出的專用系統(tǒng)，它基于GSM并在功能上有所超越，是成熟的技術(shù)是通過(guò)無(wú)線通信方式實(shí)現(xiàn)移動(dòng)話音和數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N技術(shù)體制。,24,1.2GSM-R系統(tǒng)概述 GSM-R（Global Sy,1.2.1 GSM-R與GSM的關(guān)系,1.鐵路相對(duì)GSM公網(wǎng)的特殊需求：,（1）用戶級(jí)別不同（高級(jí)語(yǔ)音呼叫，包括：組呼、小區(qū)廣播、增強(qiáng)多優(yōu)先級(jí)與強(qiáng)拆）,（2）功能尋址（調(diào)度）,（3）基于位置的尋址（機(jī)車呼叫前方車站、后方車站）,（4）高速情況下的移動(dòng)通信,（5）大量特殊的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求（

22、列控、列尾、車次號(hào)等）,25,1.2.1 GSM-R與GSM的關(guān)系 1.鐵路相對(duì)GSM公網(wǎng),2.GSM與GSM-R的關(guān)系,GSM基礎(chǔ)平臺(tái),增強(qiáng)型語(yǔ)音呼叫功能ASCI,優(yōu)先權(quán)eMLPP,語(yǔ)音廣播VBS,語(yǔ)音組呼VGCS,鐵路特有的應(yīng)用,無(wú)線列調(diào),無(wú)線車次號(hào)傳遞等,嚴(yán)格的服務(wù)質(zhì)量要求,鐵路特有頻段,,,,,GSM-R,,圖 1.7 GSM-R與GSM的關(guān)系,26,2.GSM與GSM-R的關(guān)系GSM基礎(chǔ)平臺(tái)增強(qiáng)型語(yǔ)音呼叫功能,1.2.2GSM-R系統(tǒng)簡(jiǎn)介,1. GSM－R系統(tǒng)組成,GSM-R通信系統(tǒng)包括：交換機(jī)、基站、機(jī)車綜合通信設(shè)備、手機(jī)等設(shè)備組成。交換機(jī)是GSM-R系統(tǒng)的核心，其主CPU處理器

23、及各個(gè)功能模塊的CPU處理器，交換矩陣，內(nèi)部總線等都是雙備份配置。,27,1.2.2GSM-R系統(tǒng)簡(jiǎn)介1. GSM－R系統(tǒng)組成27,1.2.3 GSM-R系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用,GSM-R技術(shù)順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，其固有的“網(wǎng)絡(luò)”特性，是鐵路信息化和自動(dòng)化發(fā)展的基礎(chǔ)。,28,1.2.3 GSM-R系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用 GS,1.2.3 GSM-R系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用,,GSM-R（Global System For Mobile Communications For Railway）系統(tǒng)是鐵路綜合調(diào)度移動(dòng)通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱。是專門為鐵路通信設(shè)計(jì)的綜合專用數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)。它是在8時(shí)隙/200KHz

24、 TDMA(885-889MHz/930-934MHz) 多址方式GSM蜂窩系統(tǒng)上增加調(diào)度通信功能構(gòu)成的一個(gè)綜合專用移動(dòng)通信系統(tǒng)。它基于GSM的基礎(chǔ)設(shè)施及其提供的高級(jí)語(yǔ)音呼叫業(yè)務(wù)，提供鐵路特有的調(diào)度業(yè)務(wù)，并以此為信息化平臺(tái)，使鐵路部門可以在這個(gè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)鐵路管理信息的共享,。,29,1.2.3 GSM-R系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用,1.2.3 GSM-R系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用,,,1993年國(guó)際鐵路聯(lián)盟(UIC)與歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)組織(ETSI)協(xié)商，提出了歐洲各國(guó)鐵路下一代無(wú)線通信以GSM Phase 2+為標(biāo)準(zhǔn)的GSM-R技術(shù)，這一提議在1995年經(jīng)UIC評(píng)估并最終確認(rèn)。,1997年，24個(gè)國(guó)家的32個(gè)組

25、織共同簽署了諒解備忘錄，決定采用GSM-R作為鐵路專用通信技術(shù)，并至少要將GSM-R用于過(guò)境運(yùn)輸通信。,,30,1.2.3 GSM-R系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用,1.2.3 GSM-R系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用,,采用 GSM-R的國(guó)家,1999年2個(gè)國(guó)家,2002年7個(gè)國(guó)家,2005年15個(gè)國(guó)家,德國(guó)、瑞典、意大利、英國(guó)、荷蘭、西班牙、比利時(shí)、芬蘭、法國(guó)、挪威、斯洛伐克、瑞士、捷克、印度、中國(guó),2008年達(dá)到30多個(gè)國(guó)家,,31,1.2.3 GSM-R系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用 采,1.2.3 GSM-R系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用,,,,歐洲GSM-R系統(tǒng)的成功運(yùn)用，為我國(guó)鐵路通信信號(hào)技術(shù)發(fā)展提供了良好的技

26、術(shù)借鑒。,2006年7月1日，隨著青藏鐵路的全線通車，標(biāo)記著我國(guó)鐵路采用GSM-R移動(dòng)通信系統(tǒng)的正式啟動(dòng) 。,32,1.2.3 GSM-R系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用,1.2.3 GSM-R系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用,,GSM-R網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商,GSM-R網(wǎng)絡(luò)設(shè)備商有西門子、北電和華為等，三個(gè)廠商在GSM都有著豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。西門子在運(yùn)輸、車輛、通信信號(hào)等交通領(lǐng)域綜合實(shí)力很強(qiáng)，其GSM-R設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用在瑞典、荷蘭、英國(guó)等國(guó)家和我國(guó)膠濟(jì)鐵路。北電網(wǎng)絡(luò)公司的GSM-R設(shè)備已應(yīng)用到德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)等國(guó)家和我國(guó)青藏鐵路。華為公司是國(guó)內(nèi)能夠提供GSM-R成套設(shè)備的廠商，其設(shè)備已應(yīng)用于大秦鐵路。,GSM-R固定用戶接入交換

27、機(jī)(FAS)供應(yīng)商有北京佳訊飛鴻公司、北京中軟公司、濟(jì)南天龍公司等，他們完成了和GSM-R交換子系統(tǒng)的互聯(lián)互通。,,,33,1.2.3 GSM-R系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用 G,1.2.3 GSM-R系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用,,,GSM-R終端設(shè)備供應(yīng)商,GSM-R終端設(shè)備供應(yīng)商有法國(guó)薩基姆（smrdn） 、奧地利電信公司卡普施(Kapsch) 、英國(guó)馬可尼公司和北京中電華大公司等。薩基姆和馬可尼提供GSM-R手機(jī)和模塊。Kapsch公司提供GSM-R模塊。北京中電華大公司提供GSM-R SIM卡和SIM卡管理維護(hù)系統(tǒng)。另外，國(guó)內(nèi)已有11家機(jī)車綜合通信設(shè)備供應(yīng)商，實(shí)現(xiàn)了與GSM-R網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)

28、互通。,,34,1.2.3 GSM-R系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用 G,1.2.3 GSM-R系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用,,,GSM-R科研、設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收單位,GSM-R科研單位有鐵道部GSM-R實(shí)驗(yàn)室，北京交通大學(xué)和鐵道科學(xué)研究院等單位，承擔(dān)了鐵道部一系列科研項(xiàng)目，取得了很多研究成果。,GSM-R設(shè)計(jì)單位有第一、第二、第三、第四鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)院、北京全路通號(hào)設(shè)計(jì)院和電化局設(shè)計(jì)院。,參與GSM-R施工的單位有二十多個(gè)工程局，GSM-R驗(yàn)收單位有電化局測(cè)試中心、中國(guó)鐵道通信信號(hào)上海電信測(cè)試中心、鐵道部GSM-R實(shí)驗(yàn)室。,,,35,1.2.3 GSM-R系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用 G,1.

29、2.3 GSM-R系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用,,,GSM-R運(yùn)營(yíng)和維護(hù)單位,通信段可以為GSM-R的建設(shè)和發(fā)展提供可靠的傳輸網(wǎng)、同步網(wǎng)，在無(wú)線列調(diào)和有線調(diào)度通信方面有著豐富的運(yùn)營(yíng)維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)鐵路運(yùn)輸行業(yè)、現(xiàn)代鐵路對(duì)通信的要求有著深刻的認(rèn)識(shí)，經(jīng)過(guò)GSM-R人才隊(duì)伍的培養(yǎng)，能夠承擔(dān)GSM-R運(yùn)營(yíng)和維護(hù)工作。,,,36,1.2.3 GSM-R系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用 G,1.2.3 GSM-R系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用,,我國(guó) GSM-R系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo),在我國(guó)，發(fā)展GSM-R的目標(biāo)是：在全路建立一張移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，利用通信的手段實(shí)現(xiàn)鐵路移動(dòng)設(shè)施和固定設(shè)施的無(wú)縫連接，確保列車平穩(wěn)、高速、安全地運(yùn)行。,GSM-

30、R技術(shù)順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，其固有的“網(wǎng)絡(luò)”特性，是鐵路信息化和自動(dòng)化發(fā)展的基礎(chǔ)。,,,,37,1.2.3 GSM-R系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用 我國(guó),GSM-R系統(tǒng)維護(hù)與應(yīng)用,第二章,GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù),GSM-R系統(tǒng)維護(hù)與應(yīng)用第二章,第2章 GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù),,2.1 GSM-R無(wú)線信道電波傳播與干擾,2.1.1 電波傳播特性,2.1.2 噪聲與干擾,2.2 GSM-R 語(yǔ)音處理的主要過(guò)程,2.2.1 編碼技術(shù),2.2.2 交織技術(shù),2.2.3 加密技術(shù),2.2.4 調(diào)制解調(diào)技術(shù),2.3 無(wú)線信道的空中接口技術(shù),2.3.1 多址方式,2.3.2 分集接收技術(shù),

31、2.3.3 跳頻技術(shù),2.3.4 信道均衡,2.3.5 不連續(xù)發(fā)射DTX和不連續(xù)接收DRX,,第2章 GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù) 2.1 GSM-R,2.1 GSM-R無(wú)線信道電波傳播與干擾,2.1.1 電波傳播特性,,1.路徑傳播損耗,光波也是電磁波，只不過(guò)是頻率不同的電磁波而已，電磁波的電場(chǎng)會(huì)因?yàn)榫嚯x而衰減是顯然易見的，光波也是如此束手電筒的光照向夜空，要不了多遠(yuǎn)就基本看不到了。一是因?yàn)殡姶挪ㄔ诳罩兴纳鞑?，發(fā)散了，另一點(diǎn)是因?yàn)槁窂皆斐闪四芰康膿p耗，在無(wú)線通信中也有類似的效果，這是因?yàn)槁窂皆斐傻膱?chǎng)強(qiáng)的損耗遵循自由空間傳播模型。,2.1 GSM-R無(wú)線信道電波傳播與干擾2.1.1

32、電波傳,1.路徑傳播損耗,假設(shè)無(wú)線電波是在完全無(wú)阻擋的視距內(nèi)傳播，沒(méi)有反射、繞射和散射，這種理想的情形叫做自由空間的傳播。自由空間的傳播是電波傳播最基本也是最簡(jiǎn)單的一種理想情況，電磁波在自由空間中信號(hào)的強(qiáng)度將以距離平方的倒數(shù)衰減，這種損耗稱為自由空間的傳播損耗。假設(shè)收發(fā)天線之間的距離為d，發(fā)射頻率為f，自由空間的損耗可由以下公式計(jì)算：,,,（式2-1）,其中，d的單位為km，f的單位為MHz,。,自由空間的損耗為路徑傳播損耗。,,1.路徑傳播損耗 假設(shè)無(wú)線電波是在完全無(wú),2.衰落,電磁波有三種基本的傳播機(jī)制：反射、繞射和散射。當(dāng)電磁波遇到比波長(zhǎng)大得多的物體時(shí)發(fā)生反射，反射發(fā)

33、生于地面、建筑物表面、水面。當(dāng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的無(wú)線路徑被尖利的邊緣阻擋時(shí)發(fā)生繞射。由阻擋產(chǎn)生的二次波散布于空間，甚至阻擋體的背面。當(dāng)電磁波穿行的介質(zhì)中存在小于波長(zhǎng)的物體并且單位體積內(nèi)阻擋體的個(gè)數(shù)非常巨大時(shí)，發(fā)生散射。散射產(chǎn)生于粗糙表面、小物體或其他不規(guī)則物體，如樹葉。電磁波在傳播的過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷兩種類型的衰落：大尺度衰落（也稱慢衰落）和小尺度衰落（也稱快衰落）。大尺度和小尺度是按照波長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行劃分的。,2.衰落 電磁波有三種基本的傳播機(jī)制：反射、繞射和散,（1）大尺度衰落,大尺度衰落主要是指電磁波在傳播路徑上受到建筑物行的阻擋而產(chǎn)生的損耗，它反映了在中等范圍內(nèi)（數(shù)百波長(zhǎng)級(jí)）的接收信號(hào)電

34、平平均值起伏變化的趨勢(shì)，其變化率比傳送信息率慢，故稱為慢衰落。,陰影效應(yīng)是產(chǎn)生慢衰落的主要原因。移動(dòng)臺(tái)在運(yùn)動(dòng)中，由于大型建筑物和其他物體對(duì)電波的傳輸路徑的阻擋而在傳播接收區(qū)域上形成半盲區(qū)，從而形成電磁場(chǎng)陰影，這種隨移動(dòng)臺(tái)位置的不斷變化而引起的接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)中值的起伏變化叫做陰影效應(yīng)。陰影效應(yīng)在光波里也有，比如你拿一張紙遮住日光燈的燈光那從背面透過(guò)來(lái)的燈光就明顯弱了很多。,（1）大尺度衰落 大尺度衰落主要是指電磁,（2）小尺度衰落,小尺度效應(yīng)又稱小尺度衰落，它反映了移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)距離只有幾個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，移動(dòng)時(shí)接收電平平均值的起伏變化趨勢(shì)。,,小尺度效應(yīng)一般由是由多徑傳播引起的。由于到達(dá)

35、移動(dòng)臺(tái)天線的信號(hào)不是單一路徑來(lái)的，而是許多路徑來(lái)的眾多反射波的合成。由于電波通過(guò)各個(gè)路徑的距離不同，因而各個(gè)路徑來(lái)的反射波到達(dá)時(shí)間不同，相位也就不同。不同相位的多個(gè)信號(hào)在接收端迭加，有時(shí)迭加而加強(qiáng)（方向相同），有時(shí)迭加而減弱（方向相反）。這樣，接收信號(hào)的幅度將急劇變化，即產(chǎn)生了衰落。這種衰落是由多徑引起的，所以稱為多徑衰落。,（2）小尺度衰落 小尺度效應(yīng)又稱小尺度衰落,（3）多普勒效應(yīng),另一種類型的衰落時(shí)由于移動(dòng)臺(tái)相對(duì)于發(fā)射機(jī)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了無(wú)線信道的快慢變化，從而引起了對(duì)信號(hào)的隨機(jī)頻率調(diào)制，即多普勒頻移。多普勒頻移是多普勒效應(yīng)在無(wú)線電領(lǐng)域的一種體現(xiàn)。,,多普

36、勒效應(yīng)定義,：由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，接收機(jī)接收到的信號(hào)頻率將與發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)頻率之間產(chǎn)生一個(gè)差值，該差值就是多普勒頻移。,（3）多普勒效應(yīng) 另一種類型的衰落時(shí)由于,（4）遠(yuǎn)近效應(yīng),由于手機(jī)用戶在一個(gè)小區(qū)內(nèi)是隨機(jī)分布的，而且是經(jīng)常變化的，同一手機(jī)用戶可能有時(shí)處在小區(qū)的邊緣，有時(shí)靠近基站。如果手機(jī)的發(fā)射功率按照最大通信距離設(shè)計(jì)，則當(dāng)手機(jī)靠近基站時(shí)，功率必定有過(guò)剩，而且形成有害的電磁輻射。解決這個(gè)問(wèn)題的方法是根據(jù)通信距離的不同，實(shí)時(shí)地調(diào)整手機(jī)的發(fā)射功率，即功率控制。,（4）遠(yuǎn)近效應(yīng) 由于手機(jī)用戶在一個(gè)小區(qū)內(nèi),2.1.2,噪聲與干擾,無(wú)線通信信道中的

37、噪聲干擾，是指無(wú)意或有意產(chǎn)生，隨機(jī)性很強(qiáng)，影響無(wú)線通信接收機(jī)信號(hào)接收準(zhǔn)確性的信道中產(chǎn)生的信號(hào)。,噪聲,主要可按以下兩種進(jìn)行分類：一是按按噪聲來(lái)源分類，可分為人為噪聲和自然噪聲；二是按噪聲性質(zhì)分類，可分為脈沖噪聲（突發(fā)性地產(chǎn)生的，幅度很大，其持續(xù)時(shí)間短，頻譜寬）、窄帶噪聲（頻譜或頻率位置通常是確知或可測(cè)）和起伏噪聲（包括熱噪聲、電子管內(nèi)產(chǎn)生的散彈噪聲和宇宙噪聲等）。,2.1.2 噪聲與干擾 無(wú)線通信信道中的,2.1.2,噪聲與干擾,,干擾,是制約蜂窩系統(tǒng)容量的一個(gè)重要因素。話音信道上的干擾會(huì)造成串話，或者用戶聽到很大的背景噪聲；信令信道上的干擾則會(huì)導(dǎo)致誤碼率的升高，使呼叫遺漏

38、或阻塞。蜂窩系統(tǒng)中的干擾主要由兩種類型：同頻干擾和鄰道干擾。針對(duì)這兩種類型的干擾，在蜂窩系統(tǒng)中采取了調(diào)節(jié)天線覆蓋方式，發(fā)射功率，合理分配頻率的方法來(lái)對(duì)干擾進(jìn)行防護(hù)。,2.1.2 噪聲與干擾 干擾是制約蜂窩系,1.同頻干擾,同頻干擾是由于采用了頻率復(fù)用，在同頻小區(qū)之間產(chǎn)生的干擾。同頻干擾不能簡(jiǎn)單的通過(guò)增大發(fā)射機(jī)的功率來(lái)克服，因?yàn)檫@樣會(huì)導(dǎo)致相鄰小區(qū)之間的干擾。,1.同頻干擾 同頻干擾是由于采用了頻率,,解決同頻干擾可以采取以下幾種措施：,（1）定向天線覆蓋。使用定向天線可以減少同頻干擾的小區(qū)數(shù)i,0,，從而提高接收信噪比，減小同頻干擾。,（2）優(yōu)化同頻復(fù)用

39、距離和頻率分配方案。根據(jù)傳播環(huán)境和業(yè)務(wù)量的變化情況，調(diào)整同頻復(fù)用距離和頻率分配方案，以適應(yīng)不同的C/I。,（3）天線高度和傾角的調(diào)整。調(diào)整天線高度和傾角可以改變小區(qū)的覆蓋范圍和小區(qū)形狀，減小同頻干擾。,解決同頻干擾可以采取以下幾種措施：,2.鄰道干擾,由于所使用頻率是相鄰的頻率而產(chǎn)生的信號(hào)干擾稱為鄰道干擾。鄰道干擾的產(chǎn)生主要是因?yàn)榻邮諡V波器的阻帶衰減不夠陡峭引起了相鄰頻帶信號(hào)的泄漏。只有當(dāng)兩個(gè)相鄰頻率的接收機(jī)距離很近，干擾信號(hào)的強(qiáng)度超過(guò)了接收機(jī)靈敏度時(shí)，鄰道干擾才會(huì)對(duì)接收機(jī)的正常工作造成影響。,鄰道干擾可以通過(guò)提高濾波器的精度和合理的信道分配而減到最小程度。通常用接收機(jī)的鄰道選擇性來(lái)表示抗鄰道

40、干擾的能力，它主要由接收中頻濾波器的阻帶衰減特性決定。因?yàn)槊總€(gè)小區(qū)只是分給所有可用信道中的一部分，因此在可以通過(guò)避免在相鄰小區(qū)之間分配連續(xù)的頻率，同時(shí)使相鄰小區(qū)之間的頻率間隔最大來(lái)減小鄰道干擾。,2.鄰道干擾 由于所使用頻率是相鄰的頻,3.互調(diào)干擾,當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)干擾信號(hào)同時(shí)加到接收機(jī)時(shí)，由于非線性的作用，這兩個(gè)干擾的組合頻率有時(shí)會(huì)恰好等于或接近有用信號(hào)頻率而順利通過(guò)接收機(jī)，其中三階互調(diào)最嚴(yán)重。,三階互調(diào)是指當(dāng)兩個(gè)信號(hào)在一個(gè)線性系統(tǒng)中，由于非線性因素存在使一個(gè)信號(hào)的二次諧波與另一個(gè)信號(hào)的基波產(chǎn)生差拍（混頻）后所產(chǎn)生的寄生信號(hào)。比如F1的二次諧波是2F1，他與F2產(chǎn)生了寄生信

41、號(hào)2F1-F2。由于一個(gè)信號(hào)是二次諧波（二階信號(hào)），另一個(gè)信號(hào)是基波信號(hào)（一階信號(hào)），他們倆合成為三階信號(hào),其中2F1-F2被稱為三階互調(diào)信號(hào)，它是在調(diào)制過(guò)程中產(chǎn)生的。又因?yàn)槭沁@兩個(gè)信號(hào)的相互調(diào)制而產(chǎn)生差拍信號(hào)，所以這個(gè)新產(chǎn)生的信號(hào)稱為三階互調(diào)失真信號(hào)。產(chǎn)生這個(gè)信號(hào)的過(guò)程稱為三階互調(diào)失真。由于F2，F(xiàn)1信號(hào)比較接近，也造成2F1-F2，2F2-F1會(huì)干擾到原來(lái)的基帶信號(hào)F1，F(xiàn)2。這就是三階互調(diào)干擾。,3.互調(diào)干擾 當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)干擾信號(hào)同時(shí),2.2 GSM-R 語(yǔ)音處理的主要過(guò)程,,,,,,信源,編碼,,,信道,編碼,,,,,,,,,信源,譯碼,,,信道,譯碼,,,去,

42、交織,,,,,信,道,,,,,,,,,,,,,,,,,,,突發(fā),脈沖,加,密,突發(fā),脈沖,解,密,解,調(diào),,,,,交,織,調(diào),制,話,音,話,音,圖 2.2 語(yǔ)音信號(hào)處理原理圖,2.2 GSM-R 語(yǔ)音處理的主要過(guò)程 信源編碼信道信源信,2.2.1 編碼技術(shù),1.信源編碼,信源編碼也叫語(yǔ)音編碼，是將模擬語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)以便在信道中傳輸。語(yǔ)音編碼的目的是在保持一定的算法復(fù)雜程度和通信時(shí)延的前提下，占用盡可能少的信道容量，傳送盡可能高質(zhì)量的語(yǔ)音。信源編碼要求盡可能簡(jiǎn)潔，盡量減少冗余信息。語(yǔ)音編碼技術(shù)又可分為波形編碼、參量編碼和混合編碼三大類。,2.2.1 編碼技術(shù) 1.信源編碼,2.

43、信道編碼,我們發(fā)出去的編碼一路上會(huì)受到噪聲的干擾，也許會(huì)丟失不少信息，到了目的地后，我們期望接收端可以根據(jù)編碼所包含的一些內(nèi)容，對(duì)信息的完整性作出一個(gè)判斷，盡量恢復(fù)還原原來(lái)的信息，對(duì)這一塊內(nèi)容的探討，我們稱之為信道編碼。,信道編碼是以提高信息傳輸?shù)目煽啃詾槟康木幋a。通常通過(guò)在有用信號(hào)后面添加監(jiān)督碼元從而達(dá)到檢錯(cuò)糾錯(cuò)的能力。,2.信道編碼 我們發(fā)出去的編碼一路上會(huì)受,圖 2.3 數(shù)字信息傳輸方框圖,圖 2.3 數(shù)字信息傳輸方框圖,,圖2.3表示了數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)倪@一過(guò)程，其中信源可以是語(yǔ)音、數(shù)據(jù)或圖像的電信號(hào)“s”，經(jīng)信源編碼構(gòu)成一個(gè)具有確定長(zhǎng)度的數(shù)字信號(hào)序列“m”，人為地

44、在按一定規(guī)則加進(jìn)非信息數(shù)字序列，以構(gòu)成一個(gè)一個(gè)碼子“C”（信道編碼），然后再經(jīng)調(diào)制器變換為適合信道傳輸?shù)男盘?hào)。經(jīng)信道傳輸后，在接收端經(jīng)解調(diào)器判決輸出的數(shù)字序列稱為接收序列“R”，再經(jīng)信道譯碼器譯碼后輸出信息序列“m′”，而信源譯碼器則將“m′”變換成客戶需要的信息形式“s′”。,圖2.3表示了數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)倪@一過(guò)程，其,,接收端根據(jù)什么來(lái)識(shí)別有無(wú)錯(cuò)碼？由發(fā)送端的信道編碼器在信息碼元序列中增加一些監(jiān)督碼元。這些監(jiān)督碼和信碼之間有確定的關(guān)系，使接收端可以利用這種關(guān)系由信道譯碼器來(lái)發(fā)現(xiàn)或糾正可能存在的錯(cuò)碼。在信息碼元序列中加入監(jiān)督碼元就稱為差錯(cuò)控制編碼，有時(shí)也稱糾錯(cuò)編碼。差錯(cuò)控制編碼原則上是以降低信

45、息量為代價(jià)來(lái)?yè)Q取傳輸可靠性的提高。在數(shù)字通信中，要利用信道編碼對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)進(jìn)行差錯(cuò)控制。差錯(cuò)控制編碼可以分為分組編碼和卷積編碼兩類。,,接收端根據(jù)什么來(lái)識(shí)別有無(wú)錯(cuò)碼？由發(fā)送端的,圖 2.4 分組編碼原理圖,圖 2.4 分組編碼原理圖,2.2.2 交織技術(shù),在GSM-R系統(tǒng)中，信道編碼后進(jìn)行交織，交織分為兩次，第一次交織為內(nèi)部交織，第二次交織為塊間交織。 話音編碼器和信道編碼器將每20ms話音數(shù)字化并編碼，提供456個(gè)比特。首先對(duì)它進(jìn)行內(nèi)部交織，即將456個(gè)比特分成8幀，每幀57比特，如果將同一20ms話音的2組57比特插入到同一普通突發(fā)脈沖序列中，那么該突發(fā)脈沖串丟失則會(huì)導(dǎo)致該20ms的話音

46、損失25％的比特，顯然信道編碼難以恢復(fù)這么多丟失的比特。因此必須在兩個(gè)話音幀間再進(jìn)行一次交織，即塊間交織。交織原理如圖2.5所示二次交織經(jīng)得住喪失一整個(gè)突發(fā)脈沖串的打擊，但增加了系統(tǒng)時(shí)延。因此，在GSM-R系統(tǒng)中，移動(dòng)臺(tái)和中繼電路上增加了回波抵消器，以改善由于時(shí)延而引起的通話回音。,2.2.2 交織技術(shù) 在GSM-R系統(tǒng)中,圖 2.5交織原理圖,圖 2.5交織原理圖,2.2.3 加密技術(shù),GSM-R系統(tǒng)在安全性方面有了顯著的改進(jìn)，GSM-R與保密相關(guān)的功能有兩個(gè)目標(biāo)：第一，包含網(wǎng)絡(luò)以防止未授權(quán)的接入，同時(shí)保護(hù)用戶不受欺騙性的假冒；第二，保護(hù)用戶的隱私權(quán)。,防止未授權(quán)的接入

47、是通過(guò)鑒權(quán)（即插入的SIM卡與移動(dòng)臺(tái)提供的用戶標(biāo)識(shí)碼是否一致的安全性檢查）實(shí)現(xiàn)的。從運(yùn)營(yíng)者方面看，該功能是頭等重要的，尤其在國(guó)際漫游情況下，被訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)并不能控制用戶的記錄，也不能控制它的付費(fèi)能力。,保護(hù)用戶的隱私是通過(guò)不同手段實(shí)現(xiàn)時(shí)，對(duì)傳輸加密可以防止在無(wú)線信道上竊聽通信。大多數(shù)的信令也可以用同樣方法保護(hù)，以防止第三方了解被叫方是誰(shuí)。另外，以一個(gè)臨時(shí)代號(hào)替代用戶標(biāo)識(shí)是使第三方無(wú)法在無(wú)線信道上跟蹤GSM用戶的又一機(jī)制。,在無(wú)線通信中，電磁波在空間中傳輸采用的是公共介質(zhì)，不僅要接收的對(duì)象可以收到，其他的人也可以收到，因此對(duì)于用戶的個(gè)人通信和網(wǎng)絡(luò)專用的一些重要信息必須采用一定的加密/解密技術(shù)。加密/

48、解密的本質(zhì)是對(duì)信號(hào)進(jìn)行特殊的編碼變換，只有知道變換方法的對(duì)方才能正確地接收到信息并獲得信息的真實(shí)內(nèi)容。在移動(dòng)通信中加密/解密為用戶提供了一個(gè)附加的安全保障。,2.2.3 加密技術(shù) GSM-R系統(tǒng)在安全性方面有了顯著的,,在信息處理的過(guò)程中有兩種加密的類型，一種是將加密與信道編碼分開，在信道編碼和交織之后再進(jìn)行加密。在GSM-R中，將信息比特序列與加密序列（密鑰）進(jìn)行異或運(yùn)算，得到加密后的信息序列。“密鑰”是由A5算法產(chǎn)生的一個(gè)為隨機(jī)序列。在接收端密鑰是已知的，接收時(shí)再將加密后的序列與密鑰做異或運(yùn)算，就可得到原始的信息序列。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，可以產(chǎn)生多個(gè)互不相關(guān)的偽隨機(jī)序列。,另一種方

49、法是將加密與信道編碼和交織結(jié)合在一起，在使用的信道編碼方案中，采用只有收發(fā)方才知道的編碼規(guī)則或碼字，在接收端再采用相應(yīng)的譯碼方法來(lái)解密。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是減少了處理步驟，加密的碼字可以具有一定的抗干擾能力。,在信息處理的過(guò)程中有兩種加密的類型，一種是將加密與信道編碼分,2.2.4 調(diào)制解調(diào)技術(shù),1.調(diào)制的目的,低頻信號(hào)不利于傳輸，需要將其調(diào)制到高頻信號(hào)。所謂調(diào)制，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是頻譜的搬移，以GSM-R為例，就是將頻率300～3400HZ，搬遷到900MHZ上去，這個(gè)頻譜搬移的過(guò)程就稱之為調(diào)制，頻率搬遷到900MHZ上去的好處是：,（1）調(diào)制技術(shù)是為了和信道匹配。比如說(shuō)無(wú)線通信，走的信道就是大氣層，

50、對(duì)大氣層而言，低頻信號(hào)傳輸將急劇衰減，而較高頻率范圍的信號(hào)可以傳輸?shù)胶苓h(yuǎn)的距離,（2）采用調(diào)制方式以后，由于傳送的是高頻振蕩信號(hào)，所需天線尺寸便可大大下降。,由天線理論可知，要將無(wú)線電信號(hào)有效地發(fā)射電配，一般天線尺寸為電磁信號(hào)的波長(zhǎng)1/4為佳，調(diào)制可以全來(lái)將頻帶變換為更高的頻率，，以減小天線的，以4KHZ的原始語(yǔ)音為例，λ= c/f，天線的尺寸是多少呢？3×108m/s/4000次/s×1/4 =1875（m），波長(zhǎng)很長(zhǎng)。要制造出相應(yīng)的巨大天線是不現(xiàn)實(shí)的。,2.2.4 調(diào)制解調(diào)技術(shù) 1.調(diào)制的目的,,（3）同時(shí)，不同的發(fā)射臺(tái)可以采用不同頻率的高頻振蕩信號(hào)作為載波，這樣在頻譜上就可以互相區(qū)分開了

51、。若各發(fā)射臺(tái)發(fā)射的均為同一頻段的低頻信號(hào)，信道中會(huì)互相重疊、干擾，接收設(shè)備也無(wú)法接收信號(hào),2.調(diào)制的原理,前面經(jīng)過(guò)抽樣、量化、信源編碼、信道源碼得到了一條長(zhǎng)串的“0101110100”的比特流，該怎么把這串比特流的信息嵌入一個(gè)電磁波中，從而在空中發(fā)送出去呢？這個(gè)信息嵌入的過(guò)程稱為調(diào)制。一個(gè)電磁信號(hào)可以用一個(gè)正弦波來(lái)表達(dá)，而正弦波無(wú)非就是3個(gè)參數(shù)：振幅、頻率和相位，想把比特流信息嵌進(jìn)去，也只能從這3個(gè)參數(shù)上打主意。所以將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電磁信號(hào)的基本編碼或者調(diào)制相應(yīng)技術(shù)有三種，分別得到幅移鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK），調(diào)制的原理如圖2.6所示。,（3）同時(shí)，不同的發(fā)射臺(tái)可

52、以采用不同頻率的高頻振蕩信號(hào)作為載,圖 2.6 調(diào)制的原理,圖 2.6 調(diào)制的原理,,經(jīng)信道編碼后得到的一串信息嵌入到一個(gè)電磁波的過(guò)程稱之為調(diào)制。也就是說(shuō)謂調(diào)制就是按調(diào)制信號(hào)（基帶信號(hào)）的變化規(guī)率去改變載波某些參數(shù)的過(guò)程。按調(diào)制信號(hào)控制載波參數(shù)的形式可分為：,幅度調(diào)制：調(diào)制信號(hào)改變載波信號(hào)的幅度參數(shù)，即幅移鍵控（ASK）,頻率調(diào)制：調(diào)制信號(hào)改變載波信號(hào)的頻率參數(shù)，即頻移鍵控（FSK）,相位調(diào)制：調(diào)制信號(hào)改變載波信號(hào)的相位參數(shù)，即相移鍵控（PSK）,經(jīng)信道編碼后得到的一串信息嵌入到一個(gè)電磁波的過(guò)程稱之,,從高頻已調(diào)波信號(hào)中“取出”調(diào)制信號(hào)的過(guò)程稱為解調(diào)。在移動(dòng)通信中主要是對(duì)所傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)進(jìn)行調(diào)

53、制。對(duì)調(diào)制方式的選擇主要有三條：首先是可靠性，即抗干擾性能，選擇具有低誤比特率的調(diào)制方式，其功率譜密度集中于主瓣內(nèi)；其次是有效性，它主要體現(xiàn)在選取頻譜有效的調(diào)制方式上，特別是多進(jìn)制調(diào)制；第三是工程上易于實(shí)現(xiàn)，它主要體現(xiàn)在恒包絡(luò)與峰平比的性能上。,在這里主要介紹一下GSM-R的調(diào)制方式：高斯最小頻移鍵控（GMSK）調(diào)制。GMSK是由MSK演變來(lái)的一種簡(jiǎn)單的二進(jìn)制調(diào)制方法，是連續(xù)相位的恒包絡(luò)調(diào)制。將輸入端接有高斯低通濾波器的MSK調(diào)制器，稱為高斯最小頻移鍵控（GMSK）。由于GMSK具有極好的功率效率（恒包絡(luò)特性）和極好的頻譜效率而備受青睞。GMSK成形后的高斯脈沖包絡(luò)無(wú)陡峭邊沿，亦無(wú)拐點(diǎn)，因此頻

54、譜特性優(yōu)于MSK信號(hào)的頻譜特性。在移動(dòng)通信中，對(duì)信號(hào)帶外輻射功率的限制十分嚴(yán)格，一般要求必須衰減70dB以上。因?yàn)镸SK信號(hào)不能滿足上述的要求，所以，針對(duì)上述要求，提出了GMSK。GMSK是將調(diào)制的不歸零(NRZ)數(shù)據(jù)通過(guò)預(yù)調(diào)制高斯低通濾波器來(lái)降低頻譜上的旁瓣。因?yàn)檎{(diào)制信號(hào)在跨越零點(diǎn)時(shí)不但相位連續(xù)，而且過(guò)濾也很平滑，所以GMSK調(diào)制的信號(hào)就擁有了頻譜緊湊，誤碼特性好，帶外輻射低等特點(diǎn)。,從高頻已調(diào)波信號(hào)中“取出”調(diào)制信號(hào)的過(guò)程稱為解調(diào)。在移動(dòng)通信,圖 2.7 GMSK調(diào)制器的原理圖,圖中,B,b為高斯低通濾波器的3dB帶寬。,圖 2.7 GMSK調(diào)制器的原理圖,2.3 無(wú)線信道的空中

55、接口技術(shù),2.3.1 多址方式,1. 頻分多址（FDMA）,在頻分多址系統(tǒng)中，把可以使用的總頻段劃分為若干占用較小帶寬的頻道，這些頻道在頻域上互不重疊，每個(gè)頻道就是一個(gè)通信信道，分配給一個(gè)用戶。一個(gè)典型的FDMA頻道劃分如圖2.8所示。在接收設(shè)備中使用帶通濾波器允許指定頻道里的能量通過(guò)，但濾除其他頻率的信號(hào)，從而限制臨近信道之間的相互干擾。FDMA通信系統(tǒng)工作示意圖，如圖2.9所示。由圖可見，F(xiàn)DMA通信系統(tǒng)的基站必須同時(shí)發(fā)射和接收多個(gè)不同頻率的信號(hào)；任意兩個(gè)移動(dòng)用戶之間進(jìn)行通信都必須經(jīng)過(guò)基站的中轉(zhuǎn)，因而必須占用4個(gè)頻道才能實(shí)現(xiàn)雙工通信。,2.3 無(wú)線信道的空中接口技術(shù) 2.3.1 多址方式

56、,圖 2.8 FDMA頻道劃分方法,圖 2.8 FDMA頻道劃分方法,圖 2.9 FDMA通信系統(tǒng)工作原理圖,圖 2.9 FDMA通信系統(tǒng)工作原理圖,2.時(shí)分多址（TDMA）,在時(shí)分多址系統(tǒng)中，把時(shí)間分成周期性的幀，每一幀再分割成若干時(shí)隙（無(wú)論幀或時(shí)隙都是互不重疊的），每一個(gè)時(shí)隙就是一個(gè)通信信道，分配給一個(gè)用戶。一個(gè)典型的TDMA頻道劃分如圖2.10所示。TDMA通信系統(tǒng)是根據(jù)一定的時(shí)隙分配原則，使各個(gè)移動(dòng)臺(tái)在每幀內(nèi)只能按指定的時(shí)隙向基站發(fā)射信號(hào)，滿足定時(shí)和同步的條件下，基站可以在各時(shí)隙中接收到各移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)而互不干擾。同時(shí)，基站發(fā)向各個(gè)移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)都按順序安排在預(yù)定的時(shí)隙

57、中傳輸，各移動(dòng)臺(tái)只要在指定的時(shí)隙內(nèi)接收，就能在合路的信號(hào)中把發(fā)給它的信號(hào)區(qū)分出來(lái)。其系統(tǒng)工作示意圖，如圖2.11所示。,2.時(shí)分多址（TDMA） 在時(shí)分多址系統(tǒng),圖 2.10 TDMA頻道劃分方法,圖 2.10 TDMA頻道劃分方法,圖 2.11 TDMA通信系統(tǒng)工作示意圖,圖 2.11 TDMA通信系統(tǒng)工作示意圖,,TDMA通信系統(tǒng)和FDMA通信系統(tǒng)相比具有以下主要特點(diǎn)：,（1）TDMA通信系統(tǒng)中一個(gè)頻率能夠被多個(gè)用戶使用，頻率利用率比FDMA高，則用戶容量大。,（2）用戶根據(jù)不同時(shí)隙區(qū)分，TDMA系統(tǒng)對(duì)時(shí)間要求高，需要嚴(yán)格的同步保證。,TDMA通信系統(tǒng)和FDMA

58、通信系統(tǒng)相比具有以下主要特點(diǎn)：,3.碼分多址（CDMA）,在碼分多址（CDMA）通信系統(tǒng)中，不同用戶傳輸信息所用的信號(hào)不是靠頻率不同或時(shí)隙不同來(lái)區(qū)分，而是用各自不同的編碼序列來(lái)區(qū)分，或者說(shuō)，靠信號(hào)的不同波形來(lái)區(qū)分。如果從頻域或時(shí)域來(lái)觀察，多個(gè)CDMA信號(hào)是互相重疊的。接收機(jī)的相關(guān)器可以在多個(gè)CDMA信號(hào)選出使用的預(yù)定碼型的信號(hào)。其他使用不同碼型的信號(hào)因?yàn)楹徒邮諜C(jī)本地產(chǎn)生的碼型不同而不能被解調(diào)。它們的存在類似于在信道中引入了噪聲或干擾，通常稱之為多址干擾。這一特點(diǎn)與CDMA的機(jī)理有關(guān)。CDMA是一個(gè)背景噪聲受限的系統(tǒng)，所有移動(dòng)用戶都占用相同帶寬和頻率，打個(gè)比方，將帶寬想像成一個(gè)大房子，所有的人將

59、進(jìn)入這個(gè)大房子。如果他們使用完全不同的語(yǔ)言，他們就可以清楚地聽到同伴的聲音而只受到一些來(lái)自別人談話的干擾。在這里，屋里的空氣可以被想像成寬帶的載波，而不同的語(yǔ)言即被當(dāng)作編碼，我們可以不斷地增加用戶直到整個(gè)背景噪音限制住了我們。如果能控制住用戶的信號(hào)強(qiáng)度，在保持高質(zhì)量通話的同時(shí)，我們就可以容納更多的用戶。一個(gè)典型的CDMA頻道劃分如圖2.12所示。,3.碼分多址（CDMA） 在碼分多址（,圖 2.12 CDMA頻道劃分方法,圖 2.12 CDMA頻道劃分方法,CDMA蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)與FDMA模擬蜂窩通信系統(tǒng)或TDMA數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)相比具有更大的系統(tǒng)容量、更高的語(yǔ)

60、音質(zhì)量以及抗干擾、保密等優(yōu)點(diǎn)，因而近年來(lái)得到各個(gè)國(guó)家的普遍重視和關(guān)注。三種多址方式可按以下方式類比：,FDMA（頻分多址）：我們可以想象一個(gè)很大的房間被做成很多的隔斷，每一隔段里有一對(duì)人正在交談。這樣由于隔斷的分隔，談話者不會(huì)聽到其他人的交談。,TDMA（時(shí)分多址）：TDMA可以在FDMA的基礎(chǔ)上進(jìn)一步類比，我們可以把隔斷做得大些，這樣一個(gè)隔段可容納幾對(duì)交談?wù)摺５诿恳粋€(gè)隔段中大家交談?dòng)幸粋€(gè)原則：只能同時(shí)有一對(duì)人講話。如果再把交談的時(shí)間按交談?wù)叩臄?shù)目分成若干等分，就成為一個(gè)“TDMA”系統(tǒng)。 CDMA（碼分多趾）：我們可以想象一個(gè)寬敞的房間，在這里正進(jìn)行著一個(gè)聚會(huì)，其中的賓客正兩兩一

61、對(duì)進(jìn)行著交談。假設(shè)每一對(duì)人使用一種語(yǔ)言，有說(shuō)英語(yǔ)的、中文的、日語(yǔ)的等等，所有交談的人都只懂一種語(yǔ)言。于是，對(duì)于正在交談中的任何一對(duì)來(lái)說(shuō)，別人的交談聲無(wú)疑是一種背景噪聲。通過(guò)這個(gè)場(chǎng)景，我們可以使用以下幾個(gè)類比：每一對(duì)賓客交談使用的語(yǔ)言相當(dāng)于區(qū)分用戶信道的碼；交談中的人就如同CDMA系統(tǒng)中正在通話的用戶。這就是一個(gè)“CDMA”系統(tǒng)。,CDMA蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)與FDMA模擬蜂窩通信系統(tǒng)或TDMA,2.3.2 分集接收技術(shù),分集接收技術(shù)是一項(xiàng)主要的抗信號(hào)衰落技術(shù)，它可以大大提高多徑衰落信道下的傳輸可靠性，其本質(zhì)就是采用兩種或兩種以上的不同方法接收同一信號(hào)以克服衰落，其作用是在不增加發(fā)射機(jī)功率或信道帶寬

62、的情況下充分利用傳輸中的多徑信號(hào)能量，以提高系統(tǒng)的接收性能。,2.3.2 分集接收技術(shù) 分集接收技術(shù)是一項(xiàng)主要的抗信號(hào)衰落,,移動(dòng)通信網(wǎng)中如何保證信號(hào)傳輸鏈路的可靠性，是一項(xiàng)重要指標(biāo)。為了達(dá)到這一目的，可以通過(guò)多種技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從影響接收端信號(hào)功率的三個(gè)主要因素來(lái)分析：第一、自由空間的傳播損耗和彌散，這可通過(guò)加大發(fā)射機(jī)功率來(lái)改善；第二、地形起伏、建筑物及障礙物的遮擋引起的陰影衰落，這可通過(guò)“宏分集”技術(shù)來(lái)改善；第三、在傳輸路徑中各種物體產(chǎn)生的直射波、反射波和散射波的相互影響，即多徑衰落，以及多普勒頻移產(chǎn)生的損耗，這可通過(guò)“微分集”技術(shù)來(lái)改善。從以上的分析可以看出，分集技術(shù)對(duì)改善無(wú)線傳輸鏈路的性能

63、可以起到很大的作用。分集技術(shù)是移動(dòng)通信的一種抗衰落技術(shù)，是一種用相對(duì)較低廉的投資就可以大幅度的改進(jìn)無(wú)線鏈路性能的強(qiáng)有力的接收技術(shù)。,移動(dòng)通信網(wǎng)中如何保證信號(hào)傳輸鏈路的可靠性，是一項(xiàng)重要指標(biāo)。為,,分集接收就是利用多條相互獨(dú)立路徑傳輸同一信息源信號(hào), 按照一定的方法再集合起來(lái)變害為利，將接收到的多徑信號(hào)分離成互不相關(guān)（獨(dú)立的）的多徑信號(hào)，然后將這些信號(hào)的能量按一定規(guī)則合并起來(lái)，使接收的有用信號(hào)能量最大。從而達(dá)到抗衰落的目的。分集有兩重含義：一是分散傳輸，使接收端能獲得多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，攜帶同一信息的衰落信號(hào)；二是集中處理，即接收機(jī)把收到的多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的衰落信號(hào)進(jìn)行合并（包括選擇與組合）以降低衰落的

64、影響。,分集接收就是利用多條相互獨(dú)立路徑傳輸同一信息源信號(hào), 按照一,1.分集接收技術(shù)的分類,在移動(dòng)通信系統(tǒng)中可能用到兩類分集方式：一類稱為“宏分集”；另一類稱為“微分集”。,“宏分集”主要用于蜂窩通信系統(tǒng)中，也稱為“多基站”分集。這是一種減小慢衰落影響的分集按需技術(shù)，其做法是把把多個(gè)基站設(shè)置在不同的物理位置上（如蜂窩小區(qū)的對(duì)角線上），同時(shí)發(fā)射相同的信號(hào)，小區(qū)內(nèi)的移動(dòng)臺(tái)選擇其中最好的基站與之通信，以減小地形、地物及大氣等對(duì)信號(hào)造成的慢衰落，這種辦法就能保持通信不會(huì)中斷?！拔⒎旨笔且环N減小快衰落影響 的分集技術(shù)。在各種無(wú)線通信系統(tǒng)中都經(jīng)常使用。理倫和實(shí)踐都表明，在空間、極化、場(chǎng)分量、角度時(shí)間等

65、方面分離的無(wú)線信號(hào)，都呈現(xiàn)互相獨(dú)立的衰落特性，據(jù)此由此按路徑分離的不同，微分集又可分為下列幾種：,1.分集接收技術(shù)的分類 在移動(dòng)通信系統(tǒng)中可能用到兩類分集方式,,（1）空間分集,空間分集。也稱天線分集，是移動(dòng)通信中使用較多的分集形式，簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是采用多付接收天線來(lái)接收信號(hào)，然后進(jìn)行合并。為保證接收信號(hào)的不相關(guān)性，這就要求天線之間的距離足夠大，在理想情況下，接收天線之間的距離只要波長(zhǎng)λ的一半就可以了。空間分集是最常見的形式，所謂空間分集就是采用多個(gè)天線進(jìn)行接收，使每個(gè)天線之間相隔半波長(zhǎng)的整數(shù)倍，這樣可以將天線置于非相關(guān)衰落模式，如果一個(gè)天線接收到的信號(hào)處于深衰落，另一個(gè)天線接收的信號(hào)極有可能衰

66、落很?。??？臻g分集既可以用于基站也可以用于移動(dòng)臺(tái)。,（1）空間分集,,空間分集的依據(jù)在于快衰落的空間獨(dú)立性，即在任意兩個(gè)不同的位置上接收同一信號(hào)。只要兩個(gè)位置的距離大到一定程度，則兩處所收信呈的衰落是不相關(guān)的，為此，空間分集的接收機(jī)至少需要兩副相隔距離為d的天線，間隔距離d與工作波長(zhǎng)、地物及天線高度有關(guān)。,在設(shè)計(jì)時(shí)可以選擇最佳天線分支，天線分支越多，平均信號(hào)越好。通過(guò)采用空間分集可能將瑞利快衰落效應(yīng)減低至慢衰落的陰影大小，但是多天線系統(tǒng)對(duì)慢衰落沒(méi)有多大作用。空間分集的另一大優(yōu)點(diǎn)是可以減小同頻干擾?？臻g分集的缺點(diǎn)是，多個(gè)天線的接收使得設(shè)備的成本大大提高了。,空間分集的依據(jù)在于快衰落的空間獨(dú)立性，即在任意兩個(gè)不同的位置,,極化分集是空間分集的一個(gè)特殊有效的模型。在移動(dòng)環(huán)境下，空中的水平路徑和垂直路徑是不相關(guān)的，因而信號(hào)也呈現(xiàn)不相關(guān)的衰落特性。這就可在發(fā)射和接收端各裝兩付天線，一個(gè)水平極化天線，一個(gè)垂直極化天線，這就可以得到兩個(gè)不相關(guān)的信號(hào)。這一技術(shù)在蜂窩移動(dòng)用戶激增時(shí)，在改進(jìn)鏈路的傳輸效率和提高容量方面有很明顯的效果,由于兩個(gè)不同極化的電磁波具有獨(dú)立的衰落特性，所以發(fā)端和收端可以用兩個(gè)位置