1、 第23章移动通信总体结构及相关概念23.1移动通信的概念和发展过程移动通信的概念和发展过程23.2移动通信的组网技术移动通信的组网技术本章小结本章小结 23.1 移动通信的概念和发展过程移动通信的概念和发展过程23.1.1 移动通信的概念及其特点移动通信的概念及其特点移动通信就是在运动中实现的通信，即通信双方或至少一方是在移动中进行信息交换的过程或方式，如车辆、船舶、飞机、人等移动体与固定点之间，或者移动体之间的通信。移动通信不受时间和空间的限制，可以灵活、快速、可靠地实现信息互通，是目前实现理想通信的重要手段之一，也是信息交换的重要物质基础。移动通信具有以下特点：（1）电波传播条件恶劣。移
2、动台依靠无线电波传播进行通信，移动通信的质量取决于电波传播条件。电波传播损耗除了与收发天线之间的距离有关外，还与传播途径中的地形地物紧密相关。例如，由于移动体来往于地面建筑群和各种障碍物之中，根据电波传播的特性会发生反射、折射、绕射等各种情况，从而使电波传播的路径不同，而接收端接收到的信号则是这些信号的多径传播效应。移动体处于不同的位置，不同方向接收到的合成波信号强度就会有起伏。（2）环境噪声、干扰和多普勒频移影响严重。移动通信，特别是地面移动通信的电波在地面传播时会受到许多噪声的影响和干扰，这些噪声大多是人为因素造成的，比如汽车点火、电机启动、开关闭合和断开产生的电火花、各种发动机的噪声等都
3、能成为无线电通信的干扰源。移动通信本身发射的电磁波也会相互干扰，不同小区内的频率复用会形成同频干扰、邻道干扰、多路干扰和互调干扰等。另外，雷达等其他能发射高频电磁波的设备、装置都会对移动通信信号造成干扰。当移动台运动到一定速度时，设备接收到的载波频率将会随运动速度的变换而产生明显的频移，即多普勒频移。多普勒频移是无线电波在移动接收中必须考虑的特殊问题，移动速度越快，多普勒频移越严重。（3）频率资源有限。每个移动用户在通信时都要占用一定的频率资源，无线通信中频率的使用必须遵守国际和国内的频率分配规定，而无线电频率资源有限，分配给移动通信的频带比较窄，随着移动通信用户数量和业务量的急剧增加，现有规
4、定的移动通信频段非常拥挤，如何在有限的频段内满足更多用户的通信需求是移动通信必须解决的一个重要问题。因此，在开发新的频段外，还应采用必要的技术手段来扩大移动通信的信道容量，提高频率的利用率，如多信道共用、频率复用、小区或微小区制、窄带调制等技术。（4）组网技术复杂。移动通信的特殊性就在于移动，为了实现移动通信，必须解决几个关键问题；由于移动台在整个通信区域内可以自由移动，因此移动交换中心必须随时确定移动台的位置，这样在需要建立呼叫时，才能快速地确定哪些基站可以与之建立联系，并可为其进行信道分配；在小区制组网中，移动台从一个小区移动到附近另一个小区时，要进行越区切换；移动台除了能在本地交换局管辖
5、区内进行通信外，还要能在外地移动交换局管辖区内正常通信，即具有所谓的漫游功能；很多移动通信业务都要进入市话网，如移动终端和固定电话通话，但移动通信进入市话网时并不是从用户终端直接进入的，而是经过移动通信网的专门线路进入市话网，因此，移动通信不仅要在本网内联通，还要和固定通信网联通。23.1.2 移动通信的发展过程移动通信的发展过程1.第一代模拟蜂窝移动通信系统20世纪80年代发展起来的模拟蜂窝移动电话系统，称为第一代移动通信系统，是一种以微处理器和移动通信相结合的产物。它采用了频率复用、多信道共用技术，能全自动地接入公共电话网，并采用了小区制，是一个大容量蜂窝式移动通信系统，在美国、日本和瑞典
6、等国家先后投入使用。其主要技术特点是模拟调频、频分多址，主要业务是电话。2.第二代数字蜂窝移动通信系统第二代数字蜂窝移动通信系统以数字信号传输、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)为主要技术，频谱效率得到了提高，系统容量得到增大，具有易于实现数字保密、通信设备的小型化和智能化及标准化等特点。第二代数字蜂窝移动通信系统制定了更加完善的呼叫处理和网络管理功能，克服了第一代移动通信系统的不足之处，可与窄带综合业务数字网相兼容，除了传送语音外，还可传送数据业务，如传真和分组的数据业务等。北美、欧洲和日本自20世纪80年代中期起相继开发第二代全数字蜂窝移动通信系统。各国根据自己的技术条件和特点确定
7、了各自的开发目标和任务，制定了各自不同的标准，主要有欧洲的全球移动通信系统(Global System for Mobile Communication,GSM)、北美的D-AMPS、日本的个人数字蜂窝系统(JDC)。美国的高通（Qualcomm)公司提出了一种采用码分多址(CDMA)方式的数字蜂窝系统的技术方案。1992年Qualcomm公司向CTIA提出了码分多址的数字蜂窝通信系统的建议和标准。该建议于1993年被CTIA和TIA批准为中期标准IS-95。1996年，CDMA系统在美国投入运营。这四种移动通信技术的参数如表23.1.1所示。3.第三代数字蜂窝移动通信系统为了满足更多更高速率
8、的业务以及更高频谱效率的要求，同时减少目前存在的各大网络之间的不兼容性，一个世界性的标准未来公用陆地移动电话系统(Future Public Land Mobile Telephone System，FPLMTS)应运而生。1995年，该系统更名为国际移动通信2000(IMT-2000)。IMT-200支持的网络被称为第三代数字蜂窝移动通信系统，简称3G。第三代移动通信系统IMT-2000为多功能、多业务和多用途的数字移动通信系统，是在全球范围内覆盖和使用的。它根据特定的环境提供144 kb/s2 Mb/s的个人通信业务，支持全球无缝漫游并提供宽带多媒体业务。目前常用的标准有欧洲提出的WCDM
9、、北美提出的CDMA-2000及中国提出的TD-SCDMA。4.第四代数字蜂窝移动通信系统第四代数字蜂窝移动通信系统(4G)标准比第三代标准具有更多的功能，它可以在不同的固定、无线平台和跨越不同频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方宽带接入互联网（包括卫星通信），还可以提供除信息通信之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能，是多功能集成的宽带移动通信系统或多媒体移动通信系统。第四代数字蜂窝移动通信系统应该比第三代数字蜂窝移动通信系统更接近个人通信。23.2 移动通信的组网技术移动通信的组网技术移动通信网主要完成移动用户之间、移动用户与固定用户之间的信息交换。移动通信组网有多种方式，根据业
10、务种类的不同，可分为移动的电话网、数据网、计算机通信网、专用调度网、无线寻呼网、电报和传真网等。在移动通信系统中，除了一些特殊要求的专用移动通信网不需要进入市话网外，一般的移动通信业务均可向社会公众提供服务。移动通信网与公共交换电话网联系密切，并经专门的线路进入公共交换电话网，因此又称为公用移动电话网。23.2.1 移动通信网的体制移动通信网的体制目前，移动通信的频率主要集中在UFH频段。根据无线电波的视距传播特性，一个基站发射的电磁波只能在有限的区域内被移动台所接收，这个能为移动用户提供服务的范围称为无线覆益区或无线小区(Cell)。一个大的服务区可以划分为若干个无线小区，同时许多个无线小区
11、彼此相邻接可以组成一个大的服务区，用专门的线路和设备将这些大的服务区相连接，就构成了移动通信网。1.大区制大区制是指一个基站覆盖整个服务区，并由基站(BS)负责移动台(MS)的控制和联络。在大区制中，服务区范围的半径通常为2050 km。为了覆盖这个服务区，BS发射机的功率要大，通常为100200 W；BS天线要架得很高，通常在几十米以上，以保证大区中的MS能正常接收BS发出的信号。MS的发射功率较小，通常在一个大区中需要在不同地点设立若干个接收机，用于接收附近MS发射的信号，再将信号传输至基站，其基本结构如图23.2.1所示。图23.2.1 大区制结构图2.小区制小区制就是将整个服务区划分成
12、若干个小区，在每个小区中分别设置一个BS，负责小区中的移动通信的联络控制，如图23.2.2所示。各BS统一连接到各移动交换中心(MSC)，由MSC统一控制各BS协调工作，并与有线通信网相连接，使移动用户进入有线网，保证MS在整个服务区内，无论在哪个小区都能正常进行通信。图23.2.2 小区制结构图随着用户数的不断增加，无线小区还可以继续划小为微小区(Microcell)和微微小区(Picrocell)，以不断适应用户数增长的需要。在实际中，用小区分裂(Cell Splitting)、小区扇形化(Sectoring)和覆盖区域逼近(Coveage Zone Approaches)等技术来增大蜂窝
13、系统容量。小区分裂是将拥塞的小区分成更小的小区，每个小区都有自己的基站并相应地降低天线高度和减小发射机功率。由于小区分裂提高了信道复用次数，因而使系统容量有了明显提高。小区扇形化依靠基站方向性天线来减少同信道干扰，提高系统容量。通常一个小区划分为3个120的扇区或6个60的扇区。采用小区制不仅可提高频率的利用率，而且由于基站功率减小，也可使相互间的干扰减少。此外，无线小区的范围还可根据实际用户数的多少灵活确定，具有组网的灵活性。采用小区制最大的优点是有效地解决了信道数量有限和用户数增大之间的矛盾。小区制具有以下四个特点：（1）BS仅提供信道，其交换、控制都集中在一个移动电话交换局(Mobile
14、 Telephone Switching Office,MTSO)，或称为移动电话交换中心，其作用相当于市话交换局，而大区制的信道交换、控制等功能都集中在BS完成。（2）具有“过区切换功能”，简称“过区”功能，即一个MS从一个小区进入另一个小区时，要从原BS的信道切换到新BS的信道上，且不能影响正常通话。（3）具有漫游功能，即一个MS从本管理区进入到另一个管理区时，其电话号码不能变，仍然像在原管理区一样能够被呼叫到。（4）具有频率复用的特点，频率复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，复用的信道越多，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。23.
15、2.2 移动通信网的覆盖方式移动通信网的覆盖方式1.带状服务覆盖区列车的无线电话、长途汽车的无线电话，以及沿海内河航行的船舶无线电话系统等都属于带状服务覆盖区。为了克服同信道干扰，常采用双频组频率配置和三频组频率配置，如图23.2.3所示。这种服务区域的无线小区是按横向排列覆盖整个服务区，因此在服务区域比较狭窄时，带状服务覆盖区的基站可以使用定向天线，这样整个系统由许多细长的无线小区相连而成，因此也称“链状网”。图23.2.3 带状服务覆盖区频率配置2.面状服务覆盖区面状服务覆盖区的形状取决于电波传播条件和天线的方向性。如果服务区的地形、地物相同，且基站采用全向天线，它的覆盖面积大体是一个圆。
16、为了不留空隙地覆盖整个服务区，一个个圆形的无线小区之间会有重叠。每个小区实际上的有效覆盖区是一个圆的内接多边形。根据重叠情况不同，这些多边形有正三角形、正方形或正六边形，如图23.2.4所示。图23.2.4 面状服务覆盖区的形状在这三种小区结构中，正六边形小区的中心间隔和覆盖面积都是最大的，而重叠区域宽度和重叠区域的面积又最小。对于同样大小的服务区域，采用正六边形构成的小区所需的小区数最少，频率组数最少，各基站间的同信道干扰最小。由于小区采用了正六边形结构，形成蜂窝状分布，故小区制亦称蜂窝制。在移动通信系统中，对基站进行选址和分配信道组的设计过程称为频率规划(FrequencyPlanning
17、)。由于地形地物等因素的影响，不可避免地会出现电场覆盖不到的地区，通常把这种地区称为盲区或死角。为了消除这种盲区，常在适当的地方建立直放站，以连接盲区移动台与基站之间的通信。直放站的主要功能是把基站部分信道引过来，以接收和转发来自基站和移动台的信号。当采用正六边形来模拟覆盖范围时，基站发射机可安置在小区的中心，称为中心激励方式；或者安置在六个小区顶点之中的三个点上，称为顶点激励方式。通常中心激励方式采用全向天线，顶点激励方式采用扇形天线。23.2.3 蜂窝网无线区群的组成蜂窝网无线区群的组成蜂窝移动电话网中，通常先由若干个邻接的无线小区组成一个无线区群，再由若干无线区群组成一个服务区。为了实现
18、频率复用，而又不产生同信道干扰，则要求每个区群中的无线小区不得使用相同频率。只有在不同区群中的无线小区，并保证同频无线小区之间的距离足够大时，才能进行频率复用。无线区群的组成应该满足两个基本条件：若干个无线区群彼此之间可以互相邻接，并且无空隙地带组成蜂窝或服务区域；邻接之后的区群应保证同频无线区之间的距离相同。根据上述条件，区群内的无线小区数是有限的，并且无线小区数N应满足N=i2+ij+j2(23.2.1)式中，i、j均为正整数，其中可以一个为零，但不能同时为零。为了找到某一特定小区相距的同频相邻小区，必须按以下步骤进行：沿着任何一条六边形链移动i个小区；逆时针旋转60后，再移动j个小区。本
19、本 章章 小小 结结移动通信就是在运动中实现的通信，即通信双方或至少有一方是在移动中进行信息交换的过程或方式。移动通信不受时间和空间的限制，可以灵活、快速、可靠地实现信息互通，是目前实现理想通信的重要手段之一，也是信息交换的至要物质基础。移动通信具有电波传播条件恶劣、环境噪声、干扰和多普勒频移影响严重、频率资源有限和组网技术复杂特点。移动通信网主要完成移动用户之间、移动用户与固定用户之间的信息交换。移动通信组网有多种方式，根据业务种类的不同，可分为移动的电话网、数据网、计算机通信网、专用调度网、无线寻呼网、电报和传真网等。移动通信网的服务区域覆盖方式可分为两类:一类是小容量的大区制；另一类是大容量的小区制，即蜂窝系统。
