概论2蜂窝移动通信系统课件.ppt

1、第第1 1章章 概概 论论 1.1 移动通信的主要特点移动通信的主要特点 1.2 移动通信系统的分类移动通信系统的分类 1.3 常用移动通信系统常用移动通信系统 1.4 移动通信的基本技术移动通信的基本技术 思考题与习题思考题与习题 第第1 1章章 概概 论论第第1 1章章 概概 论论 1. 移动通信必须利用无线电波进行信息传输移动通信必须利用无线电波进行信息传输 这种传播媒质允许通信中的用户可以在一定范围内自由活动，其位置不受束缚，不过无线电波的传播特性一般都很差。 首先，移动通信的运行环境十分复杂，电波不仅会随着传播距离的增加而发生弥散损耗，并且会受到地形、地物的遮蔽而发生“阴影效应”，而

2、且信号经过多点反射，会从多条路径到达接收地点，这种多径信号的幅度、相位和到达时间都不一样，它们相互叠加会产生电平衰落和时延扩展；其次，移动通信常常在快速移动中进行，这不仅会引起多普勒（Doppler）频移，产生随机调频，而且会使得电波传播特性发生快速的随机起伏，严重影响通信质量。1.1 移动通信的主要特点移动通信的主要特点第第1 1章章 概概 论论 2. 移动通信是在复杂的干扰环境中运行的移动通信是在复杂的干扰环境中运行的 除去一些常见的外部干扰， 如天电干扰、工业干扰和信道噪声外，系统本身和不同系统之间，还会产生这样或那样的干扰。因为在移动通信系统中，常常有多部用户电台在同一地区工作，基站还

3、会有多部收发信机在同一地点上工作，这些电台之间会产生干扰。 第第1 1章章 概概 论论 3. 移动通信可以利用的频谱资源非常有限，移动通信可以利用的频谱资源非常有限， 而移动通信而移动通信业务量的需求却与日俱增业务量的需求却与日俱增 如何提高通信系统的通信容量，始终是移动通信发展中的焦点。为了解决这一矛盾，一方面要开辟和启用新的频段；另一方面要研究各种新技术和新措施， 以压缩信号所占的频带宽度和提高频谱利用率。 第第1 1章章 概概 论论 4. 移动通信系统的网络结构多种多样，移动通信系统的网络结构多种多样， 网络管理和控制网络管理和控制必须有效必须有效根据通信地区的不同需要， 移动通信网络可

4、以组成带状(如铁路公路沿线)、面状(如覆盖一城市或地区)或立体状(如地面通信设施与中、低轨道卫星通信网络的综合系统)等，可以单网运行，也可以多网并行并实现互连互通。为此，移动通信网络必须具备很强的管理和控制功能，诸如用户的登记和定位，通信(呼叫)链路的建立和拆除，信道的分配和管理， 通信的计费、鉴权、安全和保密管理以及用户过境切换和漫游的控制等。 第第1 1章章 概概 论论 5. 移动通信设备移动通信设备(主要是移动台主要是移动台)必须适于在移动环境中必须适于在移动环境中使用使用 对手机的主要要求是体积小、重量轻、省电、操作简单和携带方便。 车载台和机载台除要求操作简单和维修方便外， 还应保证

5、在震动、冲击、高低温变化等恶劣环境中正常工作。 第第1 1章章 概概 论论 1.2 移动通信系统的分类移动通信系统的分类移动通信有以下多种分类方法： 按使用对象可分为民用设备和军用设备； 按使用环境可分为陆地通信、 海上通信和空中通信； 按多址方式可分为频分多址(FDMA)、 时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)等； 第第1 1章章 概概 论论 按覆盖范围可分为广域网和局域网； 按业务类型可分为电话网、 数据网和多媒体网； 按工作方式可分为同频单工、异频单工、异频双工和半双工； 按服务范围可分为专用网和公用网； 按信号形式可分为模拟网和数字网。 第第1 1章章 概概 论论 1.2.1 工

6、作方式工作方式 1. 单工通信单工通信 所谓单工通信，是指通信双方电台交替地进行收信和发信。根据收、发频率的异同， 又可分为同频单工和异频单工。单工通信常用于点到点通信， 参见图1-1。 第第1 1章章 概概 论论 图1-1 单工通信第第1 1章章 概概 论论 同频单工是指通信双方(如图1-1中的电台甲和电台乙)使用相同的频率f1工作，发送时不接收，接收时不发送。平常各接收机均处于守候状态，即把天线接至接收机等候被呼。当电台甲要发话时，它就按下其送受话器的按讲开关(PTT)， 一方面关掉接收机，另一方面将天线接至发射机的输出端，接通发射机开始工作。当确知电台乙接收到载频为f1的信号时，即可进行

7、信息传输。第第1 1章章 概概 论论 2. 2. 双工通信双工通信所谓双工通信，是指通信双方可同时进行传输消息的工作方式，有时亦称全双工通信，如图1-2所示。图中，基站的发射机和接收机分别使用一副天线，而移动台通过双工器共用一副天线。双工通信一般使用一对频道，以实施频分双工(FDD)工作方式。这种工作方式使用方便，同普通有线电话相似，接收和发射可同时进行。但是，在电台的运行过程中，不管是否发话，发射机总是工作的，故电源消耗较大， 这一点对用电池作电源的移动台而言是不利的。 第第1 1章章 概概 论论 为缓解这个问题和减少对系统频带的要求，可在通信设备中采用同步的半双工通信方式，即时分双工(TD

8、D)。此时， 时间轴被周期地分割成时间帧，每一帧分为两部分，前半部分用于电台A（或移动台A）发送，后半部分用于电台B（或基站）发送，这样就可以实现电台A和B（移动台与基站）的双向通信。 第第1 1章章 概概 论论 3. 半双工通信半双工通信 半双工通信的组成与图1-2相似， 移动台采用单工的“按讲”方式， 即按下按讲开关， 发射机才工作， 而接收机总是工作的。 基站工作情况与双工方式完全相同。 第第1 1章章 概概 论论 图1-2 双工通信第第1 1章章 概概 论论 1.2.2 模拟网和数字网模拟网和数字网 数字通信系统的主要优点可归纳如下： (1) 频谱利用率高， 有利于提高系统容量。采用高

9、效的信源编码技术、高频谱效率的数字调制解调技术、先进的信号处理技术和多址方式以及高效动态资源分配技术等，可以在不增加系统带宽的条件下增多系统同时通信的用户数。 第第1 1章章 概概 论论 (2) 能提供多种业务服务， 提高通信系统的通用性。 数字系统传输的是“1”、 “0”形式的数字信号。话音、 图像、音乐或数据等数字信息在传输和交换设备中的表现形式都是相同的， 信号的处理和控制方法也是相似的，因而用同一设备来传送任何类型的数字信息都是可能的。利用单一通信网络来提供综合业务服务正是未来通信系统的发展方向。 第第1 1章章 概概 论论 (3) 抗噪声、 抗干扰和抗多径衰落的能力强。 这些优点有利

10、于提高信息传输的可靠性，或者说保证通信质量。 采用纠错编码、交织编码、自适应均衡、 分集接收以及扩跳频技术等，可以控制由任何干扰和不良环境产生的损害，使传输差错率低于规定的阈值。 第第1 1章章 概概 论论 (4) 能实现更有效、 灵活的网络管理和控制。 数字系统可以设置专门的控制信道用来传输信令信息， 也可以把控制指令插入业务信道的比特流中， 进行控制信息的传输， 因而便于实现多种可靠的控制功能。 (5) 便于实现通信的安全保密。 (6) 可降低设备成本以及减小用户手机的体积和重量。 第第1 1章章 概概 论论 1.2.3 通信业务通信业务 移动通信的传统业务是电话通信。 最近10多年来，

11、随着计算机的迅速发展和人们信息交往的日益频繁与多样化， 对数据传输的需求也与日俱增。 据估计， 未来移动通信中的多媒体业务数据量将占总业务量的70%80%。 第第1 1章章 概概 论论 在第二代移动通信系统中，尽管主要业务是话音业务， 但也可以提供丰富的数据业务， 如短消息、 低速率的Internet接入等业务。 在第三代移动通信系统中，由于其传输速率的提高， 在中等移动速度的情况下，可以达到384 kb/s的传输速率， 因而人们可以享用中等速率的多媒体业务， 包括话音、 图像和数据等。 第第1 1章章 概概 论论 任何工业的发展都与产生它的背景相适应，移动通信的发展也不例外，它既受技术发 展

12、的驱动，也受市场需求的驱动。若干年来，移动通信基本上围绕着两种主干网络在发 展，这就是基于话音业务的通信网络和基于分组数据传输的通信网络。 根据运行环境和市场需求的不同， 前者又分为以蜂窝网为代表的高功率宽（广）域网和以无绳电话网为代表的低功率局域网；后者又可分为宽带LAN之类的高速局域网和移动数据网之类的低速宽（广）域网。 图1-3是移动通信网络分类的示意图。 第第1 1章章 概概 论论 图1-3 移动通信网络的分类第第1 1章章 概概 论论 1.3 常用移动通信系统常用移动通信系统1.3.1 无线电寻呼系统无线电寻呼系统 无线电寻呼系统是一种单向通信系统。无线电寻呼系统的用户设备是袖珍式接

13、收机，称作袖珍铃，俗称“BB机”，这是由于它的振铃声近似于“BB”声音之故。图1-4示出了无线电寻呼系统的组成。第第1 1章章 概概 论论 图1-4 无线电寻呼系统示意图第第1 1章章 概概 论论 1.3.2 1.3.2 蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统早期的移动通信系统在其覆盖区域中心设置大功率的发射机，采用高架天线把信号发送到整个覆盖地区(半径可达几十千米)。这种系统的主要矛盾是它同时能提供给用户使用的信道数极为有限，远远满足不了移动通信业务迅速增长的需要。 例如，在20世纪70年代于美国纽约开通的IMTS(Improved Mobile Telephone Service)系统(如图 1

14、- 5(a)所示)，仅能提供12对信道。也就是说，网中只允许12对用户同时通话， 倘若同时出现第13对用户要求通话，就会发生阻塞。 第第1 1章章 概概 论论 蜂窝通信网络把整个服务区域划分成若干个较小的区域(Cell, 在蜂窝系统中称为小区)，各小区均用小功率的发射机(即基站发射机)进行覆盖，许多小区像蜂窝一样能布满(即覆盖)任意形状的服务地区，如图 1 - 5(b)所示。 第第1 1章章 概概 论论 图 1 - 5 大区覆盖与小区覆盖(a) 大区覆盖； (b) 小区覆盖第第1 1章章 概概 论论 通常，相邻小区不允许使用相同的频道， 否则会发生相互干扰(称同道干扰)。但由于各小区在通信时所

15、使用的功率较小，因而任意两个小区只要相互之间的空间距离大于某一数值，即使使用相同的频道，也不会产生显著的同道干扰(保证信干比高于某一门限)。为此，把若干相邻的小区按一定的数目划分成区群 (Cluster), 并把可供使用的无线频道分成若干个(等于区群中的小区数)频率组， 区群内各小区均使用不同的频率组，而任一小区所使用的频率组， 在其它区群相应的小区中还可以再用，这就是频率再用， 如图 1-6 所示。第第1 1章章 概概 论论 图 1 - 6 蜂窝系统的频率再用第第1 1章章 概概 论论 图 1-7 是蜂窝移动通信系统的示意图。 图中七个小区构成一个区群。小区编号代表不同的频率组。小区移动交换

16、中心(MSC)相连。MSC在网中起控制和管理作用，对所在地区已注册登记的用户实施频道分配， 建立呼叫，进行频道切换， 提供系统维护和性能测试，并存储计费信息等。 MTSO是移动通信网和公共电话交换网的接口单元， 既保证网中移动用户之间的通信， 又保证移动用户和有线用户之间的通信。第第1 1章章 概概 论论 图 1 - 7 蜂窝移动通信系统的示意图第第1 1章章 概概 论论 当移动用户在蜂窝服务区中快速运动时，用户之间的通话常常不会在一个小区中结束。快速行驶的汽车在一次通话的时间内可能跨越多个小区。当移动台从一个小区进入另一相邻的小区时，其工作频率及基站与移动交换中心所用的接续链路必须从它离开的

17、小区转换到正在进入的小区，这一过程称为越区切换。其控制机理如下：当通信中的移动台到达小区边界时，该小区的基站能检测出此移动台的信号正在逐渐变弱，而邻近小区的基站能检测出这个移动台的信号正在逐渐变强，系统收集来自这些有关基站的检测信息，进行判决，当需要实施越区切换时，就发出相应的指令，使正在越过边界的移动台将其工作频率和通信链路从离开的小区切换到进入的小区。 整个过程自动进行，用户并不知道，也不会中断行进中的通话。 越区切换的示意图见图 1 - 8。 第第1 1章章 概概 论论 图 1 - 8 越区切换示意图 第第1 1章章 概概 论论 表 1-1给出了几种模拟蜂窝移动通信系统的性能参数。这些系

18、统包括：AMPS、TACS、NMT、C-450、NTT等。我们将在第7章和第8章中对第二代数字蜂窝移动通信系统进行讨论， 它们包括GSM、IS-54、IS-95、JDC(后改名为PDC)等，其性能参数可参见表7-3。在第8章和第9章中还将对第三代数字蜂窝移动通信系统进行讨论，它们主要包括WCDMA、cdma2000、 TD-SCDMA等，其性能参数可参见表94。 第第1 1章章 概概 论论 表表 1 - 1 几种模拟蜂窝移动通信系统几种模拟蜂窝移动通信系统 第第1 1章章 概概 论论 1.3.3 1.3.3 无绳电话系统无绳电话系统简单的无绳电话机把普通的电话单机分成座机和手机两部分，座机与有

19、线电话网连接，手机与座机之间用无线电连接， 这样，允许携带手机的用户可以在一定范围内自由活动时进行通话，见图 1-9。因为手机与座机之间不需要用电线连接， 故称之为“无绳”电话机。随着通信技术的发展，无绳电话也朝着网络化的方向发展。 比如，在用户比较密集的地区设置电信点(Telepoint)(类似蜂窝系统的基站)，此电信点与有线电话网连接，并有若干个频道为用户所共用。用户在电信点的无线覆盖区域内，可选用空闲频道，进入有线电话网，对有线网中的固定用户发起呼叫并建立通信链路。 第第1 1章章 概概 论论 图 1 - 9 无绳电话系统示意图第第1 1章章 概概 论论 无绳电话的手机、 座机与电信点所

20、发射的功率均在10 mW以下， 无线覆盖半径约在100 m左右。 表 1 - 2 给出了几种模拟无绳电话系统的主要参数。 表中给出了日本、美国和欧洲的标准。 我国模拟无绳电话系统采用45 MHz/48 MHz的频段。 在第7章中我们将对数字无绳电话系统和低功率无线系统进行讨论， 它们包括CT-2、 DECT、 PHS、 PACS。第第1 1章章 概概 论论 表表 1 - 2 几种无绳电话系统的主要参数几种无绳电话系统的主要参数 第第1 1章章 概概 论论 无绳电话是一种以有线电话网为依托的通信方式，也可以说它是有线电话网的无线延伸，具有发射功率小、省电、设备简单、价格低廉、 使用方便等优点，因

21、而发展十分迅速。 目前，数字式无绳电话系统(低功率无线系统)在我国得到了广泛的应用(我国使用的标准是PHS)。目前公用无绳电话系统的功能完全类似于蜂窝移动通信系统，不仅具有固定电话的功能，而且可以在低移动环境下具有越区切换功能。 第第1 1章章 概概 论论 1.3.4 集群移动通信系统集群移动通信系统 1. 集群的概念集群的概念 集群移动通信系统采用的基本技术是频率共用技术。 其主要做法是： 把一些由各部门 分散建立的专用通信网集中起来，统一建网和管理，并动态地利用分配给它们的有限个频道，以容纳数目更多的用户；第第1 1章章 概概 论论 改进频道共用的方式， 即移动用户在通信的过程中， 不是固

22、定地占用某一个频道， 而是在按下其“按讲开关”(PTT)时， 才能占用一个频道； 一旦松开PTT， 频道将被释放， 变成空闲频道， 并允许其它用户占用该频道。第第1 1章章 概概 论论 2. 集群系统的用途和特点集群系统的用途和特点 集群系统主要以无线用户为主，即以调度台与移动台之间的通话为主。集群系统与蜂窝式通信系统在技术上有很多相似之处，但在主要用途、网络组成和工作方式上有很多差异。 集群通信系统属于专用移动通信网， 适用于在各个行业(或几个行业合用)中间进行调度和指挥， 对网中的不同用户常常赋予不同的优先等级。 蜂窝通信系统属于公众移动通信网， 适用于各阶层和各行业中个人之间的通信， 一

23、般不分优先等级。第第1 1章章 概概 论论 集群通信系统根据调度业务的特征，通常具有一定的限时功能，一次通话的限定时间大约为1560s(可根据业务情况调整)。蜂窝通信系统对通信时间一般不进行限制。集群通信系统的主要服务业务是无线用户和无线用户之间的通信,蜂窝通信系统却有大量的无线用户与有线用户之间的通话业务。在集群通信系统中也允许有一定的无线用户与有线用户之间的通话业务，但一般只允许这种话务量占总业务量的5%10%。 第第1 1章章 概概 论论 集群通信系统一般采用半双工(现在已有全双工产品)工作方式，因而，一对移动用户之间进行通信只需占用一对频道。 蜂窝通信系统都采用全双工工作方式，因而，一

24、对移动用户之间进行通信， 必须占用两对频道。 在蜂窝通信系统中，可以采用频道再用技术来提高系统的频率利用率；而在集群系统中，主要是以改进频道共用技术来提高系统的频率利用率的。第第1 1章章 概概 论论 3. 集群系统的组成集群系统的组成 集群系统均以基本系统为模块， 并用这些模块扩展为区域网。 根据覆盖的范围及地形条件， 基本系统可由单基站或多基站组成。集群系统的控制方式有两种， 即专用控制信道的集中控制方式和随路信令的分布控制方式， 分别如图 1 - 10(a)和(b)所示。 第第1 1章章 概概 论论 图 1 - 10 集群网络的基本结构(a) 集中控制方式； (b) 分布控制方式第第1

25、1章章 概概 论论 集群系统的基本设备如下： 转发器。 它由收、 发信机和电源组成。 每个频道均配一个转发器。 对于分布式控制的集群系统， 每个转发器均有一个逻辑控制单元。 天线共用设备。 它包括天线、 馈线和共用器(如收发天线共用器、 基站的发射合路器和接收耦合器)。第第1 1章章 概概 论论 系统控制中心(系统控制器)。 分布式控制系统虽无集中控制中心， 但在联网时， 可通过无线网络控制终端。 调度台。 调度台可分为无线调度台和有线调度台。 无线调度台由收发信机、 控制单元、 操作台、 天线和电源等组成。 有线调度台可以是简单的电话机或带显示的操作台。 移动台。 移动台有车载台和手机。 它

26、们均由收发信机、 控制单元、 天线和电源等组成。第第1 1章章 概概 论论 4. 集群方式集群方式 (1) 消息集群(Message Trunking)。 在消息集群系统中， 每一次呼叫通话期间，一次性地分配一对无线频道， 而且在通话完毕后(即松开PTT开关后)，转发器继续在该频道上工作6 s左右(即脱离时间约为6 s), 才算完成此次接续过程。消息集群的典型呼叫格式如图 1-11 所示。这里所谓的典型呼叫格式， 是由大量实测和统计而得到的结果， 指的是在一次通信过程中，通信双方占用时间的统计规律，并非通常所说的消息格式。第第1 1章章 概概 论论 图 1 - 11 消息集群的典型呼叫格式 第

27、第1 1章章 概概 论论 (2)传输集群(TransmissionTrunking)。传输集群通话中，并非始终占用某一个频道，当发话一方松开PTT时，对这一频道的占用即告结束，对方回答或本方再发话时，都要重新分配并占用新的空闲频道。亦即在通话中，每按一次PTT开关就重新占用频道一次。因此，传输集群可以充分利用频道的空闲时间，其频道利用率可以明显提高。不过，要实现这种传输集群，用户所用的PTT必须保证用户讲话时立即接通，讲话停顿时立即松开。这样做会带来一个问题，即用户的话音略有间隙时，PTT就可能松开，使所用频道也立即放弃而被其它用户所占用，其后再讲话时又要重新占用新的空闲频道，从而会导致消息传

28、输不连续或形成通话中断现象。传输集群的典型呼叫格式如图1-12所示。 第第1 1章章 概概 论论 图 1 - 12 传输集群的典型呼叫格式第第1 1章章 概概 论论 (3) 准传输集群(Quasi Transmission Trunking)。 准传输集群是为了克服传输集群的缺点而提出的一种改进型集群方式， 也可以看作是传输集群和消息集群的折中方案。 其做法是： 一方面(和消息集群相比)把脱离的时间缩短为0.52 s; 另一方面(和传输集群相比)在每次PTT松开之后增加0.5 s的保持时间， 然后释放频道。 其典型呼叫格式见图 1-13。第第1 1章章 概概 论论 图 1 - 13 准传输集群

29、的典型呼叫格式 第第1 1章章 概概 论论 这种准传输集群的工作方式由美国摩托罗拉(Motorola)公司首先使用， 经过大量试验后表明这种方法的频率利用率略低于传输集群， 但能防止有害的消息中断现象。 表 1 - 3 给出了部分集群移动通信系统的主要参数。 第第1 1章章 概概 论论 表 1 - 3 部分集群移动通信系统的主要参数第第1 1章章 概概 论论 1.3.51.3.5移动卫星通信系统移动卫星通信系统利用卫星中继，在海上、空中和地形复杂而人口稀疏的地区中实现移动通信，具有独特的优越性，很早就引起人们的重视。1976年，国际海事卫星组织(IMARSAT)首先在太平洋、大西洋和印度洋上空

30、发射了三颗同步卫星，组成了IMARSAT-A系统，为在这三个大洋上航行的船只提供通信服务。其后，又先后增加了IMARSAT-C、IMARSAT-M、IMARSAT-B和IMARSAT-机载等系统。与此同时，在20世纪80年代初，一些幅员广大的国家开始探索把同步卫星用于陆地移动通信的可能性，提出在卫星上设置多波束天线，像蜂窝网中把小区分成区群那样，把波束分成波束群，实现频率再用，以提高系统的通信容量。1993年，美国休斯公司提出的Spaceway计划，是一双星移动通信系统，其目标是为北美地区提供话音、数据和图像服务。 第第1 1章章 概概 论论 众所周知，接收信号电平是与通信传输距离的平方成反比

31、的，利用同步卫星实现海上或陆地移动通信时，为了接收来自卫星的微弱信号，用户终端所用的天线必须具有足够的增益，甚至使用伺服平台，保证天线能不随载体晃动而准确地跟踪卫星。这样的要求在船载终端或车载终端上可以实现，而在便携式终端和手持式终端上还难以做到。尽管如此，迄今人们并没有放弃利用静止卫星为手持式终端提供话音和数据服务的想法，试验和研究工作也不断在进行当中。上面提到的国际海事卫星组织已提出在21世纪实现使用手机进行卫星移动通信的规划，并把这一系统定名为IMARSAT-P。此外，还有美国的TRITIUM系统和CELSAT系统，以及日本MPT的COMETS等计划。 第第1 1章章 概概 论论 表 1

32、 - 4 低轨道移动卫星通信系统的部分参数 第第1 1章章 概概 论论 表中由美国Motorola公司提出的“铱”(IRIDIUM)系统开始计划设置7条圆形轨道均匀分布于地球的极地方向， 每条轨道上有11颗卫星， 总共有77颗卫星在地球上空运行， 这和铱原子中有77个电子围绕原子核旋转的情况相似， 故取名为铱系统。 图 1 - 14 是铱系统的卫星轨道示意图。 现在该系统改用66颗卫星， 分6条轨道在地球上空运行，但原名未改。 下面对铱系统的特点作简略介绍。 第第1 1章章 概概 论论 图 1 - 14 铱系统卫星轨道示意图 第第1 1章章 概概 论论 1.3.61.3.6分组无线网分组无线网

33、分组无线网是一种利用无线信道进行分组交换的通信网络，即网络中传送的信息要以“分组”或称“信包”(有时简称“包”)为基本单元。分组是由若干比特组成的信息段，通常包含“包头”和“正文”两部分。包头中含有该分组的源地址(起始地址)、宿地址(目的地址)和有关的路由信息等；正文是真正需要传送的信息。分组传输方式是存储转发方式的一种，用户终端必须先把要传送的信息存储、分段、加上包头以构成分组，才能送上无线信道进行传输。这一过程必然要产生额外的时间延迟。因此，分组无线网特别适用于实时性要求不严和短消息比较多的数据通信。如果要用分组无线网传输分组话音，则必须保证时间延迟不大于规定值。 第第1 1章章 概概 论

34、论 图1-15 ALOHA系统简图第第1 1章章 概概 论论 随着数据业务的增长，世界上各国都在致力于发展移动数据通信网络，其中大都以分组传输技术为基础。 例如： (1) ARDIS系统(先进的无线电数据信息设备)， 由美国IBM和Motorola公司在1983年提出。 (2) Mobitex系统(全国性互连的集群无线电网络), 由Ericsson公司和瑞典电信公司开发，1986年在瑞典首次运行，1991年为美国采用。 (3) CDPD系统(蜂窝数字分组数据), 由IBM公司联合9家运营商开发。第第1 1章章 概概 论论 (4) TETRA系统(全欧集群无线电), 是ESTI为集群无线电和移动

35、数据系统制定的公共标准。 (5) 第二代北美数字蜂窝IS-54和IS-95系统，它们均能提供一组数据业务，其中既有电路模式业务，又有分组模式业务。在GSM系统中，分组模式成为通用分组无线业务(GPRS)， 我们将在第9章对其作详细介绍。 表 1 - 5 列出了几种移动数据设备的特性和参数。第第1 1章章 概概 论论 表表 1 - 5 几种移动数据设备的特性和参数几种移动数据设备的特性和参数第第1 1章章 概概 论论 1.4 移动通信的基本技术移动通信的基本技术1.4.11.4.1调制技术调制技术第二代移动通信是数字移动通信，其中的关键技术之一是数字调制技术。对数字调制技术的主要要求是：已调信号

36、的频谱窄和带外衰减快(即所占频带窄，或者说频谱利用率高)；易于采用相干或非相干解调；抗噪声和抗干扰的能力强；以及适宜在衰落信道中传输。数字信号调制的基本类型分为振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。此外，还有许多由基本调制类型改进或综合而获得的新型调制技术。 第第1 1章章 概概 论论 在实际应用中，有两类用得最多的数字调制方式：(1)线性调制技术，主要包括PSK、QPSK、DQPSK、OK-QPSK、4-DQPSK和多电平PSK等。应该注意，此处所谓的“线性”，是指这类调制技术要求通信设备从频率变换到放大和发射的过程中保持充分的线性。显然，这种要求在制造移动设备中会增大

37、难度和成本，但是这类调制方式可获得较高的频谱利用率。(2)恒定包络(连续相位)调制技术，主要包括MSK、GMSK、GFSK和TFM等。这类调制技术的优点是已调信号具有相对窄的功率谱和对放大设备没有线性要求，不足之处是其频谱利用率通常低于线性调制技术。 第第1 1章章 概概 论论 1.4.2 移动信道中电波传播特性的研究移动信道中电波传播特性的研究 移动信道的传播特性对移动通信技术的研究、 规划和设计十分重要， 历来是人们非常关注的研究课题。 在移动信道中， 发送到接收机的信号会受到传播环境中地形、 地物的影响而产生绕射、 反射或散射， 因而形成多径传播。 多径传播将使接收端的合成信号在幅度、

38、相位和到达时间上发生随机变化， 严重地降低接收信号的传输质量， 这就是所谓的多径衰落。 第第1 1章章 概概 论论 研究移动信道的传播特性，首先要弄清移动信道的传播规律和各种物理现象的机理以及这些现象对信号传输所产生的不良影响， 进而研究消除各种不良影响的对策。 为了给通信系统的规划和设计提供依据， 人们通常通过理论分析或根据实测数据进行统计分析(或二者结合)， 来总结和建立有普遍性的数学模型， 利用这些模型， 可以估算一些传播环境中的传播损耗和其它有关的传播参数。 第第1 1章章 概概 论论 理论分析方法通常用射线表示电磁波束的传播， 在确定收发天线的高度、 位置和周围环境的具体特征后， 根

39、据直射、 折射、 反射、 散射、 透射等波动现象， 用电磁波理论计算电波传播的路径损耗及有关信道参数。 实测分析方法是指在典型的传播环境中进行现场测试， 并用计算机对大量实测数据进行统计分析， 以建立预测模型(如冲击响应模型)， 进行传播预测。 第第1 1章章 概概 论论 1.4.3 多址方式多址方式 多址方式的基本类型有频分多址(FDMA)、 时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)。 实际中也常用到三种基本多址方式的混合多址方式， 比如， 频分多址时分多址(FDMATDMA)、 频分多址码分多址(FDMACDMA)、 时分多址码分多址(TDMACDMA)等等。 此外， 随着数据业务的需求

40、日益增长， 另一类随机多址方式如ALOHA和载波检测多址(CSMA)等也日益得到广泛应用， 其中也包括固定多址和随机多址的综合应用。 第第1 1章章 概概 论论 通常认为：TDMA系统的通信容量大于FDMA系统， 而CDMA系统的通信容量又大于FDMA和TDMA系统。 因此， 有关CDMA多址方式的应用研究从20世纪90年代以来一直非常活跃。 美国TIA于1993年通过了以Qualcomm公司所提出的以窄带CDMA方案(系统带宽为1.25 MHz)为基础的双模式CDMA标准（IS-95）。 IS-95标准已获得广泛应用。 在第三代移动通信系统中也主要采用CDMA多址技术， 但有多种具体的实现方

41、案， 如WCDMA、 MC-CDMA、 TD-SCDMA等。 另外， 我国学者还提出了LAS-CDMA的技术方案。 第第1 1章章 概概 论论 1.4.4 抗干扰措施抗干扰措施 抗干扰历来是无线电通信的重点研究课题。在移动信道中， 除存在大量的环境噪声和干扰外，还存在大量电台产生的干扰，如邻道干扰、共道干扰和互调干扰等。网络设计者在设计、开发和生产移动通信网络时，必须预计到网络运行环境中会出现的各种干扰(包括网络外部产生的干扰和网络自身产生的干扰)强度， 并采取有效措施， 保证网络在运行时， 干扰电平和有用信号相比不超过预定的门限值(通常用信噪比SN或载干比CI来度量)， 或者保证传输差错率不

42、超过预定的数量级。 第第1 1章章 概概 论论 移动通信系统中采用的抗干扰措施是多种多样的， 主要有： 利用信道编码进行检错和纠错(包括前向纠错FEC和自动请求重传ARQ)是降低通信传输的差错率， 保证通信质量和可靠性的有效手段； 为克服由多径干扰所引起的多径衰落， 广泛采用分集技术(包括空间分集、 频率分集、 时间分集以及RAKE接收技术等)、 自适应均衡技术和选用具有抗码间干扰和时延扩展能力的调制技术(如多电平调制、 多载波调制等)； 第第1 1章章 概概 论论 为提高通信系统的综合抗干扰能力而采用扩频和跳频技术； 为减少蜂窝网络中的共道干扰而采用扇区天线、 多波束天线和自适应天线阵列等；

43、 在CDMA通信系统中， 为了减少多址干扰而使用干扰抵消和多用户信号检测器技术。 第第1 1章章 概概 论论 1.4.5 组网技术组网技术 1. 网络结构网络结构 在通信网络的总体规划和设计中必须解决的一个问题是：为了满足运行环境、 业务类型、用户数量和覆盖范围等要求， 通信网络应该设置哪些基本组成部分(比如， 基站和移动 台、 移动交换中心、 网络控制中心、 操作维护中心等)和这些组成部分应该怎样部署， 才能构成一种实用的网络结构。 第第1 1章章 概概 论论 作为例子，图1-16给出的是数字蜂窝通信系统的网络结构， 其组成部分为： 移动交换中心(MSC)， 基站分系统(BSS)(含基站控制

44、器(BSC)、 基站收发信台(BTS)， 移动台(MS)， 归属位置寄存器(HLR)， 访问位置寄存器(VLR)， 设备标志寄存器(EIR)， 认证中心(AUC)和操作维护中心(OMC)。 网络通过移动交换中心(MSC)还与公共交换电话网(PSTN)、 综合业务数字网(ISDN)以及公共数据网(PDN)相连接。 第第1 1章章 概概 论论 图1-16 数字蜂窝通信系统的网络结构第第1 1章章 概概 论论 2. 网络接口网络接口 如前所述， 移动通信网络由若干个基本部分(或称功能实体)组成。 在用这些功能实体进行网络部署时， 为了相互之间交换信息， 有关功能实体之间都要用接口进行连接。同一通信网

45、络的接口， 必须符合统一的接口规范。作为例子， 图1-17 给出的是蜂窝系统所用的各种接口。 其中：Sm是用户和网络之间的接口， 也称人机接口；Um是移动台与基站收发信台之间的接口， 也称无线接口或空中接口；第第1 1章章 概概 论论 图 1 - 17 蜂窝系统所用的接口第第1 1章章 概概 论论 A是基站和移动交换中心之间的接口；Abis是基站控制器和基站收发信台之间的接口；B是移动交换中心和访问位置寄存器之间的接口；C是移动交换中心和归属位置寄存器之间的接口；D是归属位置寄存器和访问位置寄存器之间的接口；E是移动交换中心之间的接口；F是移动交换中心和设备标志寄存器之间的接口；G是访问位置寄

46、存器之间的接口。第第1 1章章 概概 论论 图 1 - 18 Um接口协议模型举例 第第1 1章章 概概 论论 在诸多接口当中， “无线接口Um”(也称MS-BS接口)是人们最为关注的接口之一， 因为移动通信网是靠此接口来完成移动台和基站之间的无线传输的， 它对移动环境中的通信质量和可靠性具有重要的影响。 数字移动通信的无线接口， 也采用开放系统互连(OSI)参考模型的概念来规定其协议模型。 这种模型分作三层， 如图 1 - 18 所示。第第1 1章章 概概 论论 第一层(最低层)L1是物理层。它为高层信息传输提供无线信道，能支持在物理媒介上传输信息所需要的全部功能，如频率配置、信道划分、传输

47、定时、比特或时隙同步、功率设定、调制和解调等等。 第二层L2是数据链路层。它向第三层提供服务， 并接受第一层的服务。其主要功能是为网络层提供必需的数据传输结构，并对数据传输进行控制。 第三层L3是网络层。它的主要功能是管理链路连接， 控制呼叫过程，支持附加业务和短消息业务，以及进行移动管理和无线资源管理等。 第第1 1章章 概概 论论 3. 网络的控制与管理网络的控制与管理 无论何时，当某一移动用户在接入信道上向另一移动用户或有线用户发起呼叫， 或者某一有线用户呼叫移动用户时，移动通信网络就要按照预定的程序开始运转，这一过程会涉及到网络的各个功能部件，包括基站、移动台、移动交换中心、各种数据库

48、以及网络的各个接口等。 网络要为用户呼叫配置所需的控制信道和业务信道， 指定和控制发射机的功率， 进行设备和用户的识别和鉴权， 完成无线链路和地面线路的连接和交换， 最终在主呼用户和被呼用户之间建立起通信链路， 提供通信服务。 这一过程称为呼叫接续过程， 提供移动通信系统的连接控制(或管理)功能。 第第1 1章章 概概 论论 在移动通信网络中，重要的管理功能还有无线资源管理。无线资源管理的目标是在保证通信质量的条件下，尽可能提高通信系统的频谱利用率和通信容量。为了适应传播环境、网络结构和通信路由的变化，有效的办法是采用动态信道分配(DCA)法，即根据当前用户周围的业务分布和干扰状态，选择最佳的

49、(无冲突或干扰最小)信道，分配给通信用户使用。显然，这一过程既要在用户的常规呼叫时完成，也要在用户越区切换的通信过程中迅速完成。上述控制和管理功能均由网络系统的整体操作实现，每一过程均涉及到各个功能实体的相互支持和协调配合，为此，网络系统必须为这些功能实体规定明确的操作程序、控制规程和信令格式。 第第1 1章章 概概 论论 1. 什么叫移动通信?移动通信有哪些特点? 2. 单工通信与双工通信有何区别?各有何优缺点? 3. 数字移动通信系统有哪些优点? 4. 常用移动通信系统包括哪几种类型? 5. 蜂窝通信系统采用了哪些技术?它与无线寻呼、 无绳电话、 集群系统的主要差别是什么?思考题与习题思考题与习题第第1 1章章 概概 论论 6. 集群的基本概念和方式是什么?它与常用的话音通信有何差别? 7. 移动卫星通信的典型系统有哪些?它与地面蜂窝移动通信的差别是什么? 8. 什么叫分组无线网? 9. 移动通信包括哪些主要技术?各项技术的主要作用是什么? 10. 移动通信系统由哪些功能实体组成?其无线接口包括哪几层的功能?