1、第第 5 章章 移动通信移动通信5.1 概概 述述5.2 移动通信的基本移动通信的基本技术技术5.3 GSM移动通信移动通信系统系统5.4 第三代移动通信第三代移动通信系统系统5.5 第四代移动通信技术第四代移动通信技术简介简介5.6 正交频分复用正交频分复用(OFDM)5.1 概概 述述5.1.1 移动通信的特点移动通信的特点 移动通信是指通信双方至少有一方在移动中或临时停留在某非预定位置进行信息传输和交换的一种通信手段。与其他通信方式相比较，移动通信有如下特点：(1)移动通信的电波传播环境恶劣移动通信的电波传播环境恶劣。移动台处在快速运动中，多径传播会造成瑞利衰落、接收场强的振幅和相位快速
2、变化。移动台处于建筑物与障碍物之间时，局部场强中值(信号强度大于或小于场强中值的概率为50%)会随地形环境而变动，气象条件的变化同样会使场强中值随时变动，这种场强中值随环境和时间的变化服从正态分布，是一种慢衰落。另外，多径传播产生的多径时延扩展等效为移动信道传输的特性畸变，对数字移动通信影响较大。移动通信电波传播的基本理论模型是超短波在平面大地上直射与反射的矢量合成。分析表明：直射波的扩散损耗正比于收发距离的平方d2；而光滑地平面上的路径损耗正比于d4，与频率无关。对于不同地形和地物上的移动通信传播，必须根据不同的环境条件，应用统计分析方法来找出传播规律，以得出相应的接收场强预测模型。(2)多
3、普勒频移会产生附加调制多普勒频移会产生附加调制。由于移动台处于运动状态中，因此接收信号会有附加的频率变化，即多普勒频移fd。fd与移动体的移动速度有关，若电波方向与移动方向之间的夹角为，则有式中，为移动台运动速度；为信号工作波长。若运动方向面向基站，则fd为正值；反之，fd为负值。当运动速度较高时，必须考虑多普勒频移的影响，而且工作频率越高，频移越大。多普勒频移产生的附加调频或寄生调相均为随机变量，对信号会产生干扰。在高速移动电话系统中，其对300 Hz左右的语音的影响足以产生令人不适的失真。虽然多普勒频移对低速数字信号传输不利，但对高速数字信号传输的影响却不大。(3)移动通信受干扰和噪声的影
4、响移动通信受干扰和噪声的影响。移动通信网是多频道、多电台同时工作的通信系统。当移动台工作时，往往会受到其他电台的干扰。同时，还可能受到天电干扰、工业干扰和各种噪声的影响。由于基站通常有多部收发信机同时工作，而且服务区内的移动台分布不均匀且位置随时变化，因此干扰信号的场强甚至可能比有用信号高几十分贝(7080 dB)。通常将这种近处无用信号压制远处有用信号的现象称为远近效应，这是移动通信系统中的一种特殊干扰。在多频道工作的网络中，收发信机的频率稳定度、准确度、采用的调制方式等因素会使相邻的或邻近的频道的能量部分落入本频道而产生邻道干扰；在组网过程中，为提高频率利用率，在相隔一定距离后要重复使用相
5、同的频率，这种同频道再用技术将带来同频干扰。同频干扰是决定同频道再用距离的主要因素。移动通信系统中，还存在互调干扰问题，当两个或多个不同频率的信号同时进入非线性器件时，器件的非线性作用将产生许多谐波和组合频率分量，其中与所需频率相同或相近的组合频率分量会顺利地通过接收机从而形成干扰。鉴于上述各种干扰，在设计移动通信系统时，应根据不同形式的干扰，采取相应的抗干扰措施。移动信道中噪声的来源是多方面的，有大气噪声、太阳噪声、银河系噪声以及人为噪声。在301000MHz频率范围内，大气、太阳等噪声很小，可忽略不计，主要考虑的应是人为噪声(各种电气装置电流或电压发生急剧变化而形成的电磁辐射)。移动信道中
6、，人为噪声主要是车辆的点火噪声，其大小不仅与频率有关，而且与交通流量有关。交通流量越大，噪声电平越高。(4)频谱资源紧缺频谱资源紧缺。在移动通信中，用户数与可利用的频道数之间的矛盾特别突出。要解决这一问题，除开发新频段外，还应该采用频带利用率高的调制技术。例如，采用窄带调制技术以缩小频道间隔、在空间域上采用频率复用技术、在时间域上采用多信道共用技术等。频率拥挤是影响移动通信发展的主要因素之一。(5)建网技术复杂建网技术复杂。因为移动台可以在整个移动通信服务区域内自由运动，所以为实现通信，交换中心必须知道移动台的位置，为此，需采用“位置登记”技术；移动台从一个蜂窝小区驶入另一个小区时，需进行频道
7、切换(亦称过境切换)；移动台从一个蜂窝网业务区移入另一个蜂窝网业务区时，被访蜂窝网亦能为外来用户提供服务，这种过程称为漫游。移动通信网为满足这些要求，必须具有很强的控制功能，如通信的建立和拆除、频道的控制和分配、用户的登记和定位以及过境切换和漫游控制。现在，移动通信已向数字化方向发展，数字移动通信系统已逐渐取代了模拟移动通信系统。数字移动通信系统的特点如下：(1)频谱效率高频谱效率高。由于采用了高效调制器、信道编码、交织、均衡、语音编码等技术，因此系统具有高频谱效率。(2)容量大容量大。由于每个信道传输带宽的增加使得同频复用信噪比要求降低，因此GSM系统的同频复用模式信噪比可以缩小到4/12或
8、3/9，甚至更小。模拟移动通信系统的同频复用模式信噪比是7/21或4/24，GSM系统的容量比模拟系统的要高35倍。(3)抗噪性能强抗噪性能强。由于采用了纠错编码、交织编码、自适应均衡、分集接收以及扩、调频等技术，因此可以控制由任何干扰和不良环境产生的损害，从而使传输差错率低于规定的阈值。(4)接口开放接口开放。GSM标准提供的开放性接口便于电话网络中各设备之间的不同厂商生产的设备之间的相互联网。(5)网络管理与控制灵活网络管理与控制灵活。可以设置专门的控制信道来传输信令消息，也可以把控制指令插入业务信道的语音比特流中来进行控制信息的传输，以便于实现多种可靠点控制功能。(6)安全性能好安全性能
9、好。通过鉴权、加密等措施，GSM系统克服了模拟网容易被制作伪机及在无线信道上被窃听的缺点，达到了用户安全使用的目的；而且还使用了用户识别模块，该模块可以与手机分离，只要使用同一用户识别模块，即便更换手机，仍可达到用户号码不变、计费账号不变的目的。(7)业务范围广业务范围广。除了提供模拟网所提供的语音业务的补充业务，如呼叫转移、呼叫等待外，还能提供短消息业务(SMS，Short Message System)和传真业务及移动因特网业务等。5.1.2 移动通信的分类移动通信的分类 随着移动通信应用范围的不断扩大，移动通信系统的类型越来越多，其分类方法也多种多样。1)按设备的使用环境分类按设备的使用
10、环境分类 按这种方式分类主要有陆地移动通信、海上移动通信和航空移动通信3种类型。作为特殊使用环境，还有地下隧道矿井、水下潜艇、太空航天等移动通信。2)按服务对象分类按服务对象分类 按这种方式可分为公用移动通信公用移动通信和专用移动通信专用移动通信两种类型。在公用移动通信中，目前我国有中国移动、中国联通经营的移动电话业务，它面向社会各阶层人士，因此称为公用网。专用移动通信是为保证某些特殊部门的通信所建立的通信系统，由于各个部门的性质和环境有很大区别，故各个部门使用的移动通信网的技术要求有很大差异，如公安、消防、急救、防汛、交通管理、机场调度等。3)按系统组成结构分类按系统组成结构分类 (1)蜂窝
11、状移动电话系统蜂窝状移动电话系统。蜂窝状移动电话是移动通信的主体，它是具有全球性用户容量的最大移动电话网。(2)集群调度移动电话集群调度移动电话。它可将各个部门所需的调度业务进行统一规划建设和集中管理，每个部门都可建立自己的调度中心台。它的特点是共享频率资源、共享通信设施、共享通信业务及共同分担费用，是一种专用调度系统的高级发展阶段，具有高效廉价的自动拨号系统，频率利用率高。(3)无中心个人无线电话系统无中心个人无线电话系统。它没有中心控制设备，这是与蜂窝网和集群网的主要区别，它将中心集中控制转化为电台分散控制。由于不设置中心控制，故可以节约建网投资，并且频率利用率最高。系统采用数字选呼方式，
12、并且采用共用信道传送信令，所以接续速度快。由于系统没有蜂窝移动通信系统和集群系统那样复杂，而且建网简易、投资低、性能价格比最高，因此它适用于个人业务和小企业的单区组网分散小系统。(4)公用无绳电话系统公用无绳电话系统。公用无绳电话是公共场所使用的无绳电话系统，如商场、机场、火车站等。通过无绳电话，手机可以呼入市话网，也可以实现双向呼叫。它的特点是不适于乘车使用，只适于步行。(5)移动卫星通信系统移动卫星通信系统。21世纪通信的最大特点最大特点是卫星卫星通信终端手持化通信终端手持化和个人通信全球化个人通信全球化。所谓个人通信，是指移动通信的进一步发展，是面向个人的通信。其实质是任何人在任何时间、
13、任何地点，可与任何人实现任何方式的通信。只有利用卫星通信覆盖全球的特点，通过卫星系统与地面移动通信系统的结合，才能实现名副其实的全球个人通信。4)按移动通信的业务分类按移动通信的业务分类 按移动通信的业务有以下多种分类方法：(1)按使用对象使用对象可分为民用设备和军用设备；(2)按使用环境使用环境可分为陆地通信、海上通信和空中通信；(3)按多址方式多址方式可分为频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)；(4)按覆盖范围覆盖范围可分为宽域网和局域网；(5)按业务类型业务类型可分为电话网、数据网和综合业务网；(6)按工作方式工作方式可分为同频单工、异频单工、异频双工和半双工
14、；(7)按服务范围服务范围可分为专用网和公用网；(8)按信号形式信号形式可分为模拟网和数字网。通常，人们把模拟通信系统称作第一代通信产品，而把数字通信系统称作第二代通信产品。第三代通信系统的研究始于20世纪80年代中期，第三代系统将会提供更高比特率的、更灵活的、可以为一个用户同时提供多种业务以及具有不同服务质量等级的业务。5.1.3 移动通信系统的小区制移动通信系统的小区制 移动通信系统一般由移动台(MS，Mobile Set)、基站(BS，Base Station)、移动业务交换中心(MSC，Mobil Switch Center)等组成。基基站和移动台设有收站和移动台设有收/发信机、天线等
15、设备发信机、天线等设备。每个基站都有一个可靠通信的服务范围，称为无线小区(通信服务区)。无线小区的大小主要由发射功率和基站天线的高度来决定。根据服务面积的大小可将移动通信网分为大区制、中区制和小区制三种。大区制是指通信服务区(比如一个城市)由一个无线区覆盖，此时基站发射功率很大(50 W或100 W以上，对手机的要求一般为50 W以下)，无线覆盖半径可达25 km以上。其基本特点基本特点是：只有一个基站；覆盖面积大；信道数有限；一般只能容纳数百到数千个用户。大区制的主要缺点缺点是系统容量小，为了克服这一缺点而提供适合更大范围(大城市)、更多用户的服务，就必须采用小区制。小区制一般是指覆盖半径为
16、210 km的多个无线区链合而形成整个服务区的制式，此时的基站发射功率很小(820 W)。多个小区可以结合组成一个移动通信网。用这种组网方式可以构成大区域、大容量的移动通信系统，进而形成全省、全国或更大的系统。小区制有以下四个特点：(1)基站只提供信道基站只提供信道。其交换、控制都集中在一个移动电话交换局(Mobile Telephone Switching Office，MTSO)，或称为移动交换中心上。其作用相当于一个市话交换局。而大区制的信道交换、控制等功能都集中在基站完成。(2)具有具有“过区切换功能过区切换功能”(Handoff)，简称，简称“过区过区”功功能能。即一个移动台从一个小
17、区进入另一个小区时，要从原基站的信道切换到新基站的信道上来，而且不能影响正在进行的通话。(3)具有漫游具有漫游(Roaming)功能功能。即一个移动台从本小区进入到另一个小区时，其电话号码不能变，仍然像在原小区一样能够被呼叫到。(4)具有频率再用的特点具有频率再用的特点。所谓频率再用是指一个频率可以在不同的小区重复使用。由于同频信道可以重复使用，且再用的信道越多，用户数也就越多，因此，小区制可以提供比大区制更大的通信容量。目前的发展方向是将小区划小成为微区、宏区和毫区，并将其覆盖半径降至100 m左右。中区制则是介于大区制和小区制之间的一种过渡制式。移动交换中心主要是用来处理信息和进行整个系统
18、的集中控制管理。5.2 移动通信的基本技术移动通信的基本技术5.2.1 蜂窝组网技术蜂窝组网技术1蜂窝网的概念蜂窝网的概念 前面已经提到，移动通信服务的区域可以划分成许多小区(Cell)，每个小区均设立基站来与用户移动台之间建立通信；小区的覆盖半径较小，可从几百米至几千米。如果基站采用全向天线，那么覆盖区实际上是一个圆，但从理论上来说，图形小区邻接会出现多重覆盖或无覆盖，有效覆盖整个平面区域的实际上是圆的内接规则多边形，这样的规则多边形有正三角形、正方形、正六边形三种，如图5-2所示。显然，正六边形最接近圆形，所以对于同样大小的服务区域，采用正六边形小区组网所需的小区数最少，从而所需频率组数也
19、最少，因此正六边形组网是最经济最经济的方式。正六边形的网络形同蜂窝，蜂窝网亦由此得名。应该说明，正六边形小区图形仅仅具有理论分析和设计意义，实际中的基站天线覆盖区不可能是规则正六边形。图5-3给出了一个蜂窝网的展开图形。在频分信道体制的蜂窝系统中，每个小区均占有一定的频道，而且各个小区占用的频道是不相同的。假设给每个小区分配一组载波频率，而为避免相邻小区间产生干扰，各小区的载波频率不应相同。但因为频率资源有限，当小区覆盖区域不断扩大且小区数目不断增加时，将出现频率资源不足的问题。因此，为了提高频率资源的利用率，可使用空间划分的方法，在不同的空间进行频率复用，即将若干个小区组成一个区群或簇(Cl
20、uster)，区群内不同的小区使用不同的频率，另一区群对应小区可重复使用相同的频率。不同区群中相同频率的小区之间将产生同频干扰，但当两同频小区的间距足够大时，同频干扰将不影响正常的通信质量。构成构成单元无线区群的基本条件单元无线区群的基本条件：区群之间彼此邻接且无空隙、无重叠地覆盖整个面积。相邻单元中，同信道小区之间距离保持相等，且为最大。满足上述条件的区群形态和区群内的小区数不是任意的，可以证明，区群内的小区数N应满足N=a2+ab+b2 (5-2)式中，a和b分别是相邻同频小区之间的二维距离，是不能同时取0的正整数。由式(5-2)可计算出N为不同值时，正六边形蜂窝的区群结构，如下图所示。确
21、定相邻区群同频小区的方法是：自某一小区A出发，先沿边的垂线方向跨a个小区，再按逆时针方向转60，然后再跨b个小区，这样就可以找出同频小区A。在正六边形的6个方向上，可以找到6个相邻的同频小区，如图5-4(h)所示(a=2，b=3，N=19)。区群间同频复用距离可由式(5-3)计算。式中，N为区群内的区数；r0为小区的辐射半径。当蜂窝移动通信系统覆盖区内部分地区的业务量增长时，可将该部分的蜂窝小区分裂成多个较小的区域，这种做法叫蜂窝小区的分裂。图5-5为用户分布密度不等时基站覆盖区划分的情形，中心区用户密度高，基站覆盖区小，所提供服务的信道数相对较多；边缘区用户密度低，基站覆盖区大，所提供服务的
22、信道数相对较少。采用蜂窝分裂的方法，在频率资源有限的前提下，通过缩小同频复用距离将使单位面积的频道数增多、系统容量增大。具体实施方法有两种：一是在原基站基础上采用方向性天线将小区扇形化，如图5-6(a)、(b)所示；二是将小区半径缩小并增加新基站，如图5-6(c)所示，将原来较大的小区分裂成4个较小的小区，采用这种方法时应将基站天线高度适当降低、发射功率减少，以避免小区间的同频干扰。2多信道共用多信道共用 所谓多信道共用，就是一个无线区内的n个信道为该区内所有用户共用，任何一个移动用户选取空闲信道及占用时间均是随机的。多信道共用可以提高信道的利用率，它保证着移动网的呼损率、中断率、系统容量等指
23、标。下面我们分别阐明话务量、呼损率、信道利用率的概念及其与同系统用户数的关系。话务量话务量定义为在一特定时间内呼叫次数与每次呼叫平均占用信道时间的乘积，可分为流入话务量与完成话务量。流入话务量取决于单位时间内(通常为1小时)发生的平均呼叫次数与每次呼叫平均占用时间。在系统的流入话务量中，必然有一部分呼叫失败(信道全部被占用时，新传入的呼叫不能被接续)，而完成接续的那部分话务量称为完成话务量。如用A表示流入话务量，A0表示完成话务量，C表示单位时间内发生的平均呼叫次数，C0表示单位时间内呼叫成功的次数，t表示每次呼叫平均占用信道时间，则式中，若t所取的单位与C所用的单位时间相同的话，则话务量单位
24、称为“爱尔兰”(Erlang)，用Erl表示。损失话务量(呼叫失败的话务量)与流入话务量之比称为呼损率，用来说明呼叫损失的概率，用B表示，有 显然，呼损率越小，呼叫成功的概率就越大，用户就越满意。呼损率也称为系统的服务等级，是衡量通信网接续质量的主要指标。根据话务量理论，话务量、呼损率、信道数之间存在式(5-7)所示的定量关系，称为爱尔兰呼损公式：采用多信道共用技术能提高信道利用率，信道利用率可以用每个信道平均完成的话务量来表示，有 在工程设计中，计算系统的用户数需要知道每户忙时话务量(用a表示)。忙时话务量与全天(24小时)话务量之比称为忙时集中系数(用K表示)，K一般取10%15%。假设每
25、户每天平均呼叫次数为C，每次呼叫平均占用信道时间为T(s/次)，忙时集中系数为K，则每户忙时话务量为 一般地讲，对公众网，每户忙时话务量可按0.01 Erl取值；对专用网，可按0.06 Erl近似取值。当每户忙时话务量确定后，每个信道所能容纳的用户数m可由式(5-10)计算：若系统有n个信道，则系统所能容纳的用户数为由以上分析可见，在系统设计时，既要保证一定的服务质量，又要保证系统能用有限的信道数给尽可能多的用户提供服务和尽量提高信道利用率。移动通信系统要求每个移动台都必须具有自动选择空闲信道的能力，即由控制中心自动发出信道指定命令，移动台自动调谐到被指定的空闲信道上进行通信，这就是信道的自动
26、选择问题。信道的自动选择方式有多种，但基本上可以分成两类。(1)专用呼叫信道方式专用呼叫信道方式。在给定的多个共用信道中，选择一个信道专门用作呼叫处理与控制，以完成建立通信联系的信道分配，而其余信道作为业务(语音或数据)信道。这种信道控制方式称为专用呼叫信道方式。由于专用呼叫信道处理一次呼叫过程所需的时间很短，一般约为几百毫秒，所以，设立一个专用呼叫信道就可以处理成千上万的用户呼叫。因此，这种方式适用于共用信道数较多的系统。目前大容量公众蜂窝移动通信系统均采用这种方式。(2)标明空闲信道方式标明空闲信道方式。所有的共用信道中，任何一个信道都可提供通话，而且控制中心会在某个或全部信道上发空闲信号
27、来供移动台守候。根据移动台守候方式的不同，标明空闲信道方式又可分为“循环不定位”、“循环分散定位”等方式。标明空闲信道方式是小容量专用网经常采用的方式。3位置登记与信道切换位置登记与信道切换 (1)位置登记是指移动台在所处位置上向控制中心发送规定的报文，表明它的位置信息及其被移动网登记存储的过程。在构造复杂的移动通信服务区时，一般将一个MSC控制作为一个位置区或划分成若干个位置区。移动台将所处位置的位置信息进行“位置登记”，可以提高寻呼一个移动台的效率，移动台的位置登记信息被存储于MSC内。不同的蜂窝移动通信系统可以使用不同的“位置登记”方式。(2)信道切换可以分为两类：越区切换越区切换和漫游
28、切换漫游切换。当正在通话的移动台从一个小区(扇区)移动另一小区(扇区)时，MSC控制使一个信道上的通话切换到另一个信道上以维持通话连续性，这一过程称为越区切换。判断发生越区切换的准则：信号电平准则；载干比准则。其中，信号电平准则是依据接收信号电平的高低来表征移动台是否远离基站；载干比准则是依据接收端的载波与干扰比的大小来表征移动台是否远离基站。移动用户由其归属交换局辖区进入另一交换局辖区的小区时会发生漫游切换，并称所进入的新交换局为被访交换局。实现漫游切换后的通信即为漫游通信。这时，移动用户的归属交换局与被访交换局之间需要完成移动用户文档的存取和有关信息的交换，并建立通信链路。实现漫游的条件是
29、：覆盖频率段一样，无线接口标准相同，并且已完成漫游网的联网。将来出现多频多模手机后，也可以在不同频段、不同接口标准的系统中漫游。5.2.2 多址多址技术技术 多址接入是多用户无线通信网中按用户地址进行连接的通信技术。在移动通信系统中，基站覆盖区内存在着许多移动台，移动台必须能识别基站发射的信号中哪一个是发给自己的，基站也必须从众多移动台发射的信号中识别出每一个移动台所发射的信号。由此可见，多址(接入)技术在数字蜂窝移动通信中占有重要的地位。我们知道，无线电信号可以表达为频率、时间和码型的函数，多址技术的原理正是利用这些信号参量的正交性来区分不同的信道，以达到不同信道提供给不同用户使用的目的。相
30、应地，目前常用的多址技术可分为三类：频分多址、时分多址和码分多址。1频分多址频分多址(FDMA)频分多址是按频率来区分信道的。频分多址方式将移动台发出的信息调制到移动通信频带内的不同载频位置上，这些载频在频率轴上分别排开，互不重叠。基站可以根据载波频率的不同来识别发射地址，从而完成多址连接。频分多址方式中，N个波道在频率轴上严格分割，但在时间和空间上是重叠的，此时，“信道”一词的含义即为“频道”。模拟信号和数字信号都可采用频分多址方式来传输。该方式有如下特点：(1)每路一个载频每路一个载频。每个频道只传送一路业务信息，所以载频间隔必须满足业务信息传输带宽的要求。(2)连续传输连续传输。系统分配
31、给移动台和基站一个FDMA信道，移动台和基站会连续传输直到通话结束，此时信道收回。(3)FDMA蜂窝移动通信系统是频道受限和干扰受限的蜂窝移动通信系统是频道受限和干扰受限的系统系统。主要干扰有邻道干扰、互调干扰和同频干扰。(4)FDMA系统需要周密的频率计划，频率分配工作复系统需要周密的频率计划，频率分配工作复杂杂。基站的硬件配置取决于频率计划和频道配置。(5)频率利用率低、系统容量小频率利用率低、系统容量小。2时分多址时分多址(TDMA)时分多址是按时隙(时间间隔)来区分信道的。在一个无线频道上，按时间分割为若干个时隙，每个业务信道占其中的一个，并在规定的时隙内收发信号。在时分多址方式中，分
32、配给各移动台的是一个特定的时隙。各移动台在规定的时隙内向基站发射信号(突发信号)，基站接收这些顺序发来的信号处理后转送出去。由于移动台在分配的时隙内发送，因此不会相互干扰。移动台发送到基站的突发信号是按时间分割的，所以相互间没有保护时隙。时分多址方式虽然在时间轴上按时隙严格分割，但在频率轴上是重叠的，此时，“信道”一词的含义为“时隙”。时分多址只能传送数字信息，而且语音必须先进行模数转换，再送到调制器对载波进行调制，然后以突发信号的形式发送出去。根据复用信道N的大小，时分多址又可分为3、4路复用和810路复用。该方式具有如下特点：(1)以每一时隙为一个话路传输数字信号。(2)各移动台发送的是周
33、期性信号，而基站发送的是时分复用(TDM)信号；发射信号的速率随时隙数的增大而提高。(3)TDMA蜂窝移动通信系统是时隙受限和干扰受限的系统。(4)系统的定时和同步是关键问题。定时和同步是TDMA系统正常工作的前提，因为通信双方只允许在规定的时隙中收发信号，故必须在严格的帧同步、时隙同步和比特(位)同步的条件下进行工作。(5)抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量大。(6)基站成本低。N个时分信道共用一个载波，占据相同宽带，所以只需一部收发信机。3码分多址码分多址(CDMA)码分多址基于码型分割信道。在CDMA方式中，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的，而是用两个不相同的
34、编码序列来区分的。如果从频域或时域来观察，多个信号是互相重叠的，但是接收机用相关器可以在多个CDMA信号中选出其中使用预定码型的信号，而其他使用不同码型的信号则不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声和干扰(称为多址干扰)。CDMA系统中，无论传送何种信息的信道都是靠采用不同的码型来区分的，所以，此时“信道”一词的含义为“码型”。CDMA的特征是代表各信源信息的发射信号在结构上各不相同，并且其地址码相互间具有正交性以区别地址。在移动通信中，要实现码分多址必须具备以下三个条件：(1)要有数量足够多、相关性足够好的地址码，使系统能通过不同的地址码建立足够多的信道。所谓好的相关性，是指有强的自
35、相关性和弱的互相关性；(2)必须用地址对发射信号进行扩频调制，并使发送的已调波频谱极大地展宽(几百倍)、功率谱密度降低；(3)在码分多址系统的接收端，必须具有与发送端完全一致的本地地址码。用本地地址码对收到的全部信号进行相关检测，从中选出所需要的信号。从实现技术看，只有高速地址码才能支持大容量CDMA通信，因而CDMA必须采用扩频传输技术，也称直接序列扩频(DS)。5.2.3 调制技术调制技术 调制的目的是把要传输的信息变成适合在信道上传输的信号。模拟移动通信系统中广泛使用角度调制(调频或调相)，现代移动通信则已完成由模拟通信到数字通信的过渡，所以先进的数字调制技术是移动通信的研究方向之一。1
36、数字调制的要求数字调制的要求 数字调制解调技术作为数字移动通信的关键技术，主要有如下要求：(1)频带利用率高频带利用率高。数字调制的频带利用率是指在单位频带内能传输的信息速率，用b/(sHz)表示。提高频带利用率的措施很多，最基本的措施是窄带调制，以减少信号所占带宽。窄带调制要求频谱的主瓣窄，从而使主要能量集中在频带之内，而带外的剩余能量尽可能低。(2)误码性能好误码性能好。由于移动通信环境以衰落、噪声、干扰为特点，包括多径瑞利衰落、频率选择性衰落、多普勒频移和障碍物阻挡的联合影响，因此，必须根据抗衰落和干扰能力来优选调制方案。误码性能的好坏，实际上反映了信号功率利用率的高低。(3)能接受差分
37、检测，易于解调能接受差分检测，易于解调。由于移动通信系统接收信号具有衰落和时变的特性，因此相干解调性能明显变差，而差分检测不需载波恢复，且能实现快速同步及获得好的误码性能，因而差分检测的数字调制方案被越来越多地应用于数字蜂窝移动通信系统。(4)功率效率高功率效率高。在非线性工作模式下，性能劣化小，电源效率高。2主要的数字调制方式主要的数字调制方式 移动通信的电波传播条件恶劣，地形地物对其影响较大，移动通信中的调制技术应适应这种变参信道的特性。移动通信的数字调制技术，按信号相位是否连续可分为相位连续的调制和相位不连续的调制；按信号包络是否恒定可分为恒定包络调制和非恒定包络调制。主要的调制方式如下
38、：(1)最小频移键控(MSK)；(2)高斯滤波最小频移键控(GMSK)；(3)QPSK调制；(4)/4-QPSK调制。5.2.4 交织技术交织技术 数字通信中，由于传输特性不理想及各种干扰和噪声的影响，将会产生传输差错。虽然信道编码(分组编码和卷积编码)能纠正错误比特或有限连续错误比特，但在陆地移动信道上，大多数误码并非是单个出现的，很可能是长突发形式的信息串错误比特。而采用交织技术的目的是使误码离散化，使突发差错变为随机离散，这样在接收端纠正随机离散差错就能够改善整个数据序列传输质量了。交织技术的一般原理如下：假定有一些比特组成的消息分组，把4个相继分组中的第1个比特取出来，并让这4个第1比
39、特组成一个新的4比特分组，称作第1帧；4个消息分组中的第24比特，也作同样的处理，如图5-7所示。然后依次传送第1比特组成的帧，第2比特组成的帧若在传输期间，帧2丢失，如果没有交织，那么就丢失了某一整体消息分组；采用交织技术后，即使每个消息分组的第2比特丢失，利用信道编码后，全部消息分组中的消息仍可恢复，这就是交织技术的基本原理。概括地说，交织就是把码字的b个比特分散到n个帧中，以改变比特间的邻近关系。因而n值越大，传输性能越好(n为交织深度)。但是交织将带来时延，由于在收发双方均有先存储后读取数据处理的过程，故n值越大，传输时延也越大，所以在实际使用中必须折中考虑。在GSM交织方案的实施中，
40、交织分两次进行，第一次为比特间交织：语音编码器和信道编码器将每20 ms语音数字化并进行编码，编为456个比特，速率为22.8kb/s，并将456比特按(578)交织矩阵分成8组，每组57比特就成为经矩阵交织后的离散编码比特分布；第二次交织为块间交织：一个普通突发脉冲(时隙)中可传输2组57比特数据，GSM系统将相邻的两个语音块再进行交织，每一个20ms语音已成为8组57比特数据，前一个20 ms的第5、6、7、8组分别与后一个20 ms的第1、2、3、4组结合，构成一个时隙(TS)的语音数据。5.2.5 自适应均衡技术自适应均衡技术 均衡是指对信道特性的均衡，即接收的均衡器产生与信道特性相反
41、的特性，并用来抵消信道的时变多径传播特性引起的码间串扰。均衡有两条基本途径：一是频域均衡频域均衡，它使包括均衡器在内的整个系统的总传输函数满足无失真传输的条件，频域均衡往往分别校正幅频特性和群时延特性；二是时域均衡时域均衡，就是直接从时间响应的角度来考虑，使包括均衡器在内的整个系统的冲激响应满足无码间串扰的条件。数字通信中面临的问题是时变信号，因而需采用时域均衡来达到整个系统的无码间串扰。时域均衡的主体是横向滤波器，它由多级抽头延迟线、加全系数相乘器(或可变增益电路)及相加器组成。自适应均衡器的目标就是达到最佳抽头增益系数，它直接从传输的实际数字信号中根据某种算法来不断调整增益，因而能适应信道
42、的随机变化，从而使均衡器保持最佳的工作状态、有较好的失真补偿性能。自适应均衡器有三个特点特点：快速初始收敛特性、好的信道跟踪特性和低运算量。因此，实际使用的自适应均衡器在正式工作前先要发一定长度的测试脉冲序列，又称训练序列，以调整均衡器的抽头系数，使均衡器基本上趋于收敛后再自动变为自适应工作方式，最终使均衡器维持最佳状态。5.2.6 信道配置技术信道配置技术 信号传输损耗是随着距离的增加而增加的，并且与地形环境密切相关，因而移动台与基站的通信距离是有限的。在FDMA系统中，通常每个信道有一部对应的收发信机。由于电磁兼容等因素的限制，在同一区域工作的收发信机数目是有限制的，因此，用单个基站覆盖一
43、个服务区(通常称为大区制)时，可容纳的用户数是有限的，这样无法满足大容量的要求。为了使服务区达到无缝覆盖以提高系统的容量，就需要采用多个基站来覆盖给定的服务区。每个基站的覆盖区称为一个小区。我们可以给每个小区分配不同的频率，但这样需要大量的频率资源，且频率利用率低。因此，我们需将相同的频率在相隔一定距离的小区中重复使用，只要使用相同频率的小区(同频小区)之间的干扰足够小即可。当服务区域呈现条形结构时，通常使用带状网实现信道配置。带状网主要用于覆盖公路、铁路、海岸、狭长城市等的条形服务区，如下图所示。条形服务区的基站可以使用定向天线，整个系统由许多细长区域链接而成。带状网频率复用常采用的方法有二
44、频组和三频组。二频组是指采用不同频率组的两个小区组成的一个区群；三频组是指采用不同频率组的三个小区组成的一个区群，如图。对于大面积的平面区域，为了达到无缝连接通信，通常采用蜂窝网形式实现信道配置。信道(频率)配置主要解决如何将给定信道(频率)分配给一个区群内各个小区的问题。在CDMA系统中，所有用户均使用相同的工作频率，因而无须进行频率配置，频率配置主要针对FDMA和TDMA系统。信道配置的方式主要有两种：一种是分区分组配置法分区分组配置法；另一种是等频距配置法等频距配置法。具体的频率配置方法见5.3节相关内容。5.3 GSM移动通信系统移动通信系统 欧洲各国为了建立全欧统一的数字蜂窝通信系统
45、，在1982年成立了移动通信特别小组(GSM)，并提出了开发数字蜂窝通信系统的目标。1988年，欧洲有关国家在进行大量研究、实验、现场测试、比较论证的基础上，制定出GSM标准，该标准于1991年率先投入商用，随后在整个欧洲、大洋洲以及其他许多国家和地区得到了普及，成为目前覆盖面最大、用户数最多的蜂窝移动通信系统。GSM系统具有以下特点：(1)具有开放的通用接口标准具有开放的通用接口标准。现有的GSM网络采用7号信令作为互连标准，并采用与ISDN用户网络接口一致的三层分层协议，这样易于与PSTN、ISDN等公共电信网实现互通，同时便于功能扩展和引入各种ISDN业务。(2)提供可靠的安全保护功能提
46、供可靠的安全保护功能。在系统中，采用了多种安全手段来进行用户识别、鉴权与传输信息的加密，保护用户的权利和隐私。GSM系统中的每个用户都有一张唯一的SIM(客户识别模块)卡，它是一张带微处理器的智能卡(IC卡)，存储着用于认证的用户身份特征信息和网络操作、安全管理以及保密相关的信息；移动台只有插入SIM卡才能进行网络操作。(3)支持各种电信承载业务和补充业务，增值业务丰富支持各种电信承载业务和补充业务，增值业务丰富。电信业务是GSM的主要业务，它包括电话、传真、短消息、可视图文以及紧急呼叫等业务。由于GSM中所传输的是数字信息，因此无须采用Modem就能提供数据承载业务，这些数据业务包括的电路交
47、换异步数据、12009600 b/s的电路交换同步数据和3009600 b/s的分组交换异步数据，升级至GPRS后更支持高达171.2 kb/s的分组交换数据业务。(4)具有跨系统、跨地区、跨国度的自动漫游能力具有跨系统、跨地区、跨国度的自动漫游能力。(5)容量大、频谱利用率高、抗衰落和抗干扰能力得到加强。与模拟移动通信相比，在相同的频带宽度下其通信容量增大了35倍。另外，由于在系统中使用了窄带调制、语言压缩编码等技术，频率可多次重复使用，从而提高了频率利用率，同时便于灵活组网。又因为在系统中采用了分集、交织、差错控制、跳频等技术，系统的抗衰落、抗干扰能力也得到了加强。(6)易于实现向第三代系
48、统的平滑过渡。正是由于系统具有以上诸多优点，真正实现了个人移动性和终端移动性，因此在全球得到了广泛的应用，占据了全球移动通信市场70%以上的份额。5.3.1 GSM系统的网络结构系统的网络结构 GSM数字蜂窝通信系统的主要组成部分为网络子系统(NSS)、基站子系统(BSS)和移动台(MS)。网络子系统由移动交换中心(MSC)、归属位置寄存器(HLR)、访问位置寄存器(VLR)、鉴权中心(AUC)、设备识别寄存器(EIR)、操作维护中心(OMC)等组成；基站子系统由基站收发信机(BTS)和基站控制器(BSC)组成。除此之外，GSM网中还配有短信息业务中心(SC)，既可实现点对点的短信息业务，也可
49、实现广播式的公共信息业务以及语音留言业务，从而提高网络接通率。1网络子系统网络子系统 网络子系统由一系列功能实体构成。(1)移动交换中心移动交换中心(MSC)。移动交换中心的主要功能是对位于本MSC控制区域内的移动用户进行通信控制和管理。移动交换中心是蜂窝通信网络的核心，它是用于对覆盖区域中的移动台进行控制和语音交换的功能实体，同时也为本系统连接别的MSC和其他公用通信网络(如公用交换电信网PSTN、综合业务数字网ISDN和公用数据网PDN)提供链路接口。MSC主要完成交换功能、计费功能、网络接口功能、无线资源管理与移动性能管理功能等，具体包括信道的管理和分配、呼叫的处理和控制、越区切换和漫游
50、的控制、用户位置信息的登记与管理、用户号码和移动设备号码的登记与管理、服务类型的控制、对用户实施鉴权、保证用户在转移或漫游的过程中实现无间隙的服务等。(2)归属位置寄存器归属位置寄存器(HLR)。这是GSM系统的中央数据库，存储着该控制区内所有移动用户的管理信息，包括用户的注册信息和用户当前所处位置的信息等，每一个用户都应在入网所在地的HLR中登记注册。(3)访问位置寄存器访问位置寄存器(VLR)。这是一个动态数据库，记录着当前进入其服务区内并已登记的移动用户的相关信息，如用户号码、所处位置区域信息等。一旦移动用户离开该服务区而在另一个VLR中重新登记，该移动用户的相关信息即被删除。(4)鉴权
