教学课件·移动通信(第四版).ppt

1、第第10 10章章 移动通信的展望移动通信的展望10.1 个人通信概述个人通信概述 10.2 关于个人通信的国际标准和研究进展关于个人通信的国际标准和研究进展 10.3 未来移动通信中的关键技术未来移动通信中的关键技术 思考题与习题思考题与习题纵观移动通信的发展历程，当代移动通信可分为四个阶段：（1）第一代移动通信以模拟调频、频分多址为主体技术，包括以蜂窝网系统为代表的公用移动通信系统、以集群系统为代表的专用移动通信系统以及无绳电话,主要向用户提供模拟话音业务。(2)第二代移动通信以数字传输、时分多址或码分多址为主体技术，简称数字移动通信，包括数字蜂窝系统、数字无绳电话系统和数字集群系统等，主

2、要向用户提供数字话音业务和低速数据业务。10.1 个人通信概述个人通信概述(3)第三代(3G)移动通信以CDMA为主要技术，向用户提供2 Mb/s到10 Mb/s的多媒体业务。(4)超（后）三代（B3G）或第四代(4G)移动通信的研究和开发，采用OFDM和多天线等新技术，将向用户提供100 Mb/s甚至1 Gb/s的数据速率。10.1.1 个人通信的概念个人通信的概念 长期以来，人们就有一种美好的愿望：未来总有一天会做到无论任何人(Whoever)在任何时候(Whenever)和任何地点(Wherever)都能和另一个人(Whomever)进行任何方式(Whatever)的通信。以往，人们曾把

3、这种愿望称之为幻想，然而随着科学技术的发展，这种愿望已经不是幻想，而是可以实现的了。人们把这种向往中的通信称为“个人通信”，而把实现个人通信的网络称之为个人通信网(PCN)。个人通信的愿望虽然早已存在，但个人通信网的设想却是在1988年才正式提出来的。其后，PCN在世界范围内立即引起了巨大的反响和共鸣，一些通信发达的国家纷纷开展了PCN的体系结构和实现技术的研究，提出了形形色色的设想和方案，有关PCN的国际标准的制定也受到许多国际组织的重视。10.1.2 实现个人通信的途径实现个人通信的途径 个人通信的设想激发了人们的浓厚兴趣。从1988年以来，人们对如何实现个人通信曾提出过各种各样的方案，也

4、发生过一些争论，甚至相互非议。一般来说，实现个人通信的途径有以下几种。(1)规划、设计和开发一种覆盖世界范围的全新个人通信网。这种方法可以按照个人通信的理想目标，自由地精选先进技术和优化网络结构，而不受现有通信设施和现用技术体制的影响和约束。(2)选择现有的某一种移动通信网络进行扩充和改造，实现一个遍及全球、功能齐全和适应各种运行环境的个人通信网。这种办法对现有各种通信设备的开发者、制造商和运营公司特别有吸引力。利用和改造某一种通信网络向个人通信网发展的方案都带有一定的局限性，主要表现在以下几个方面：把蜂窝通信系统的小区分为宏小区、微小区和微微小区，混合配置，以适应城市和乡村、户内和户外的不同

5、需要和扩大个人通信的服务范围。把无绳电话系统由室内应用扩展到室外应用，通过Telepoint覆盖整个服务地区，并赋予双向呼叫、越区切换和漫游功能，以提供个人通信业务。利用中、低轨道移动通信卫星实现个人通信网络。因为移动卫星通信在海上、空中和地形复杂而人口稀疏的环境中应用具有独特的优点，不仅覆盖范围大，而且不受地形的限制，对于解决边远地区的通信和形成陆海空联合的立体通信系统而言是最有效的办法。(3)综合利用现有各种通信网络，发挥各自的优点，取长补短，在统一要求和统一标准的条件下，突破关键技术，解决各种网络之间的互连互通，加强通信网络的智能化管理功能，以实现全球性的个人通信网。10.2.1 第三代

6、移动通信系统标准制定的过程第三代移动通信系统标准制定的过程第三代移动通信的主要发展目标是：能提供高质量业务，包括话音、低速和高速数据(从几kbs到2 Mbs)，并具有多媒体接口；能支持面向电路和面向分组业务；能工作在各种通信环境，包括城市和乡村、丘陵和山地、空中和海上以及室内场所；具有更高的频谱效率，能提供更大的通信容量；能与固定网络兼容，和现有移动通信网互连互通并实现全球漫游；网络结构可配置成不同形式，以适应各种服务需要，如公用、专用、商用和家用；具有高级的移动性管理，能保证大量用户数据的存储、更新、交换和实时处理等。10.2 关于个人通信的国际标准和研究进展关于个人通信的国际标准和研究进展

7、关于第三代移动通信系统的标准，开始主要是由国际电信联盟(ITU)主导的，最初提出时使用的系统名称为“未来公共陆上移动通信系统”(FPLMTS)，后改名为“国际移动通信2000”(IMT-2000)。1998年12月，世界各国已向ITU提交的无线传输技术(RTT)建议有：(1)以TDMA为基础的两种：DECT，来自ETSI计划(EP)DECT。UWC-136(Universal Wireless Communications)，来自美国TIA TR45.3。(2)以CDMA为基础的八种：WINS W-CDMA(Wireless Multimedia and Messaging Service W

8、ideband CDMA)，来自美国TR46.1。TD-SCDMA(TimeDivision Synchronous CDMA)，来自中国电信技术研究院(CATT)。W-CDMA(Wideband CDMA)，来自日本ARIB。CDMA(Asynchronous DS-CDMA)，来自韩国TTA。UTRA(UMTS Terrestrial Radio Access)，来自ESTI SMG2。NA：W-CDMA(North American Wideband CDMA)，来自美国TIPI-ATIS。cdma2000(Wideband CDMA(IS-95)，来自美国TIA TR45.5。CDMA

9、(Multiband Synchronous DS-CDMA)，来自韩国TTA。(3)用于卫星系统的五种：SAT-CDMA，轨道高度2000 km，轨道平面7个，总共49颗低轨道卫星，来自韩国TTA。SW-CDMA(Satellite Wideband CDMA)，来自ESA。SW-CTDMA(Satellite Wideband Hybrid CDMATDMA)，来自ESA。ICO-RTT，轨道高度10 390 km，轨道平面2个，总共10颗中轨道卫星，来自ICO Global Communication。Horizons(Horizons Satellite System)，来自Inmar

10、sat。1999年11月赫尔辛基TG81会议通过了“IMT-2000无线接口技术规范”建议，该建议中最终确定下来的第三代移动通信系统无线传输技术分为CDMA和TDMA两类，具体包括：CDMA DS：UTRA FDD(WCDMA)；CDMA MC：cdma2000 MC；CDMA TDD：UTRA TDD及TD-SCDMA；TDMA SC：UWC-136；TDMA MC：DECT。10.2.2 超（后）三代（超（后）三代（B3G）或第四代）或第四代(4G)移动通信的研究和开发移动通信的研究和开发 第三代移动通信已经开始商用，2003年底全球已发放120个IMT-2000的运行牌照。仅以日本为例，

11、第三代移动通信2001年10月开始商用（WCDMA技术），2004年3月已有300万用户，网络已覆盖99%以上的地区。在第三代（3G）移动通信开始商用后，大家就开始考虑今后该如何发展，即开始了超（后）三代（B3G）或第四代(4G)移动通信的研究和开发。今后的发展分为两个思路：一是对现有3G标准的增强，以满足未来用户的需求；二是研制全新的标准。第一种思路可以称为3G的演进，如3GPP提出了高速下行分组接入（HSDPA），其数据率可以达到10.8 Mb/s；3GPP2提出了1xEV-DV，其速率可以达到5.4 Mb/s。ITU-R对未来系统的发展的看法包括两部分：一是IMT-2000的未来发展，二

12、是超IMT-2000的系统。IMT-2000将继续发展以支持新的应用、产品和服务。WWRF（Wireless World Research Forum）认为未来的系统不可能仅用一个标准来满足用户的所有要求，应当用一组标准来满足完全不同的用户需求；应当利用多模终端，在一组可选的空中接口中选择一个最适合给定环境的空中接口；此外，还要满足100 Mb/s或1 Gb/s的数据速率。IEEE 802下的多个工作组也在进行未来无线通信的标准化工作。如IEEE 802.11n希望下一代WLAN的实际传输速率达到100 Mb/s，完整的802.11n标准则预计在2006年年底至2007年年初之间问世；2004

13、年8月底有两个组织提交了提案，TGn Sync组织的提案希望传输速率能够达到640 Mb/s左右，而WWiSE组织的提案最高速率为540 Mb/s；它们都选择使用了“多重输入与多重输出”(MIMO，Multiple Input and Multiple Output)技术作为规范的核心。综上所述，我们可用图10-1来概括移动和无线通信的发展进程。它包括广域覆盖（Wide Area Coverage）的移动通信系统和局域覆盖(Local Area Coverage)的无线局域网。图10-1 移动通信的发展进程10.3 未来移动通信中的关键技术未来移动通信中的关键技术10.3.1 自适应编码调制技

14、术自适应编码调制技术 1.可变速率调制技术可变速率调制技术 未来移动通信系统不仅要传输不同速率和不同质量要求的多种业务，而且因为移动信道的传播性能经常会随时间和传播地点而随机变化，所以移动通信系统必须具有自适应改变其传输速率的能力，以便能灵活地为多种业务提供合适的传输速率，而且能在保证传输质量的前提下，根据传播条件实时地调整其传输速率(信道条件好，提高速率；信道条件差，降低速率)，以充分发挥所用频谱的效率。实现可变速率调制的方法有以下几种：(1)可变速率正交振幅调制(VR-QAM)。QAM是一种振幅和相位联合键控技术。电平数越多，每码元携带的信息比特数就越多。图10-2 星型QAM的星座图(2

15、)可变扩频增益码分多址(VSG-CDMA)。这种技术靠动态改变扩频增益和发射功率以实现不同业务速率的传输。在传输高速业务时降低扩频增益，为保证传输质量，可相应提高其发射功率；在传输低速业务时增大扩频增益，在保证业务质量的条件下，可适当降低其发射功率，以减少多址干扰。(3)多码码分多址(MC-CDMA)。待传输的业务数据流经串并变换器后，分成多个(1，2，M)支路，支路的数目随业务数据流的不同速率而变，当业务数据速率小于等于1基本速率时，串并变换器只输出1个支路；当业务数据速率大于基本速率而小于2倍基本速率时，串并变换器输出2个支路；依此类推，最多可达M个支路，即最大业务速率可达基本速率的M倍。

16、（4）可变扩频因子-正交频分和码分复用（VSF-OFCDM）。可变扩频因子-正交频分和码分复用（VSF-OFCDM）是 OFDM和CDM（码分复用）的结合，它根据小区的干扰情况动态调整扩频因子，通过选用不同的子载波数和在时间或频域上的扩展来实现不同速率的传输。2.自适应编码调制自适应编码调制 自适应编码调制（AMC）将不同速率的编码与不同的调制方式结合起来，系统根据收发信道的情况动态选择最佳的编码组合。例如，我们可以采用QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等调制方式，可以采用码率为R=1/4、1/2、或3/4的Turbo码。可以有下列七种调制和码率的组合：QPSK R=1/4,QPSK

17、R=1/2,QPSK R=3/4,8PSK R=1/2,16QAM R=1/2,16QAM R=3/4和64QAM R=3/4，如表10-1所示。在码片速率为3.84 Mc/s，采用20个码字、64QAM、R=3/4 时可以达到10.8 Mb/s的数据速率；如改用QPSK R=1/4，则速率为1.2 Mb/s。表表10-1 不同调制编码方案（不同调制编码方案（MCS）提供的信息速率）提供的信息速率 图10-3 自适应调制编码的通过率NTT DoCoMo在4.635 GHz频段、101.5 MHz带宽内利用自适应调制编码的方法，配合VSF-OFCDM调制可以达到的通过率如图10-3所示。系统在时

18、域的扩展因子为16，频域的扩展因子为1，采用15个码字，6种调制编码的方案（MCS）；在每个天线测量到的接收SNR为6.0、14.0、22.0 dB时,可以达到的通过量为100、200和300 Mb/s。从图中可以看到，通过采用自适应调制编码（AMC），系统可以达到每一种调制的最佳传输速率。10.3.2 多输入多输出技术多输入多输出技术1.智能天线智能天线 智能天线是一种自适应阵列天线。自适应阵列天线已经经历了40年的发展历史。智能天线的理想目标是能在发射机或接收机快速移动时，以一个或多个高增益的窄波束分别对准并跟踪所需信号的方向，同时以波束零点对准并跟踪干扰信号的方向，此时通信系统中的许多用

19、户可以占用同一个信道工作而互不干扰，这就实现了所谓的“空分多址(SDMA)”，如图10-4 所示。系统可以为每一个新用户增加一个新的波束。图10-4 利用智能天线实现空分多址示意图 智能天线类似一个空间滤波器，其突出的优点是能够减少或者滤除同道干扰和多址干扰，因而能显著提高通信系统的通信容量。目前，移动台要使用自适应天线，因受体积、重量和造型等方面的限制，尚有一定困难，但基站使用自适应天线已被证明是非常有效的。图10-5 自适应波束形成示意图 图10-5是一种基于信号到达方向的(DOA)自适应波束形成示意图，其中天线阵列由N个空间分布的天线阵元组成，阵元排列可以是直线型、环型或平面型，阵元之间

20、的距离一般为信号波长的一半，即2；W是复加权因子。这种自适应阵列需要判别所有信号的到达方向，然后根据信号的到达方向，计算和选择合适的复加权因子，将方向图的主瓣指向所需信号，而把凹陷对准干扰信号，从而提高有用信号的信干比。这种做法在阵元数多于用户数，且不存在多径传播时比较有效。另一种办法需要提供一种与所需信号密切相关而与噪声和干扰无关的基准信号，用此基准信号和方向图形成网络的输出信号相减，产生一误差信号，然后按照选定的算法准则(如最小均方差(LMS)准则、递归最小平方(RLS)准则等)，对复加权因子W进行调整，使形成网络的输出信号尽可能接近基准信号，并从输出信号中消除与基准信号不相关的噪声和干扰

21、信号。图10-6是基于基准信号的阵列天线示意图。图10-6 基于基准信号的阵列天线示意图无论采用哪一种自适应算法，都要在保证性能要求的前提下，尽可能减少运算量，缩短收敛时间，以期能跟踪移动通信环境的动态变化。基准信号的产生可以采用下列几种办法：(1)利用发送同步信号的引导序列来产生参考信号。因为各个用户的同步引导序列通常不是独特的，所以这种方法不能区分所需信号和同道干扰。(2)为各个用户发送专门的训练序列或引导序列，用来产生参考信号。显然，这种方法会增大信道的额外开销。(3)在码分多址移动通信系统中，因为接收端知道发送端所用的扩频码，所以利用提取环路很容易获得所需的参考信号。2.空时编码空时编

22、码 空时编码（Space Time Coding）是指对发送符号进行联合编码，然后在多个天线上同时发送，从而实现接收端的有效分集合并，以提高系统的可靠性。空时编码分为两类：空时分组编码(STBC)和空时格型编码（STTC）。一个简单的空时分组编码如图10-7所示。输入的信息经过调制（星座映射）后生成符号序列。假定符号序列分为两个符号一组，每一组的符号为s0和s1，经过编码生成两个新的码组s0，-s*1和s1，s*0，前一组在天线0上发送，后一组在天线1上发送，其接收机的框图如10-8所示。图10-7 一个简单的空时分组编码图10-8 空时分组编码的单接收天线接收机00e)()(e)()(111

23、10000jjhTththhTthth(10-1)在时间t的信道模型为：发送天线0到接收天线的传输损耗函数为h0(t)，发送天线1到接收天线的传输损耗函数为h1(t)。假定衰落在两个符号区间内是恒定的，即 式中，T表示符号周期。接收信号可以表示为 r0=r(t)=h0s0+h1s1+n0 r1=r(t+T)=-h0s*1+h1s*0+n1(10-2)1001111000rhrhsrhrhs(10-3)图10-8中的合路器生成以下两个合并后的信号送往最大似然检测器:11101212011100021200)()(nhnhssnhnhss(10-4)上式的合并与发端使用一个天线、收端使用两个天线进

24、行最大比合并的效果是相同的。合并后的信号送给最大似然检测器进行解调判决。将式(10-1)和式(10-2)代入式(10-3)，有 令 TTTTThhhhHsssnnnssrsss011010101010,则 sHrsnsHrSsmmaxarg（10-5）（10-6）上述空时码可以拓展到多个接收天线的情况，此时式（10-5）就是每一个天线上信号的表达式，即 mmmnsHr（10-7）M个接收天线的表达式为 21maxargsHrsmmMmSs（10-8）01230123103210322301230132103210sssssssssssssssssssssssssssssssss（10-9）上述

25、例子中的空时编码的速率为1，我们也可以将其推广到更多的发送天线，构造不同码率的空时分组编码。例如,一个4发送天线且码率为1/2的空时分组编码矩阵如下，矩阵中的每一行在一个天线上发送：图10-9 2发送天线采用8PSK调制的8状态空时编码3.多输入多输出（多输入多输出（MIMO）系统）系统 前面讨论的多发送天线多接收天线系统(或称为多输入多输出（MIMO）系统)主要是为了提高系统的可靠性，增加分集增益。MIMO系统的另一个非常重要的用途是提高系统的传输容量。一个有N个发送天线和M个接收天线的系统，用MIMO（M，N）来表示。一个MIMO（3，3）系统如图10-10所示，输入调制符号b1，b2，b

26、3，轮流在发送天线1、2和3上发送，接收端通过信号处理算法（如V-BLAST算法）将空间中已混合在一起的信号分离出来，以后每一路再单独解调。通过这种方法可实现空间复接。假定N个发送天线的功率相等，且不相关，每个接收天线上SNR比为，信道矩阵为H情况下，MIMO系统的信道容量可表示为HzsbbHHNIIbCMEP)/(det（10-10）图10-10 MIMO(3，3)原理图10.3.3 软件无线电软件无线电 由于移动通信的迅猛发展，目前多种多样的通信体制层出不穷，形形色色的通信标准竞争激烈，频谱资源日益紧张，提高频谱利用率的新技术迅速发展，通信产品的更新换代越来越快，产品生存周期越来越短，而对

27、多种通信体制之间的互联和对移动终端的兼容性要求也日益迫切。图10-11是软件无线电的结构简图。在实际应用中，要求发射机能判明可用的传输信道，探测可行的传播路径，选择合适的多址方式和调制制度，自适应控制天线波束使之指向正确方向和使用合适的功率电平等。接收机应能判明所需信道和邻近信道的能量分布，识别接收信号的模式，自适应抵消干扰，能估计所需信号的多径特性，采用自适应均衡，最佳合并与利用所需信号的多径能量，对信道调制进行最佳译码和判决，并通过前向纠错以降低误码率等。此外，软件无线电还可通过众多的软件工具来支持增值业务。图10-11 软件无线电结构简图1.说明第三代移动通信的技术特征与第一、第二代移动

28、通信有何不同。2.个人通信业务(PCS)与个人通信网(PCN)有没有差异?为什么?3.有关未来移动通信系统的标准制定工作为什么会有非常激烈的竞争?4.B3G或4G的主要特征是什么？5.多天线技术的应用方式有几种？它们的主要特点是什么？6.什么是AMC？请举例说明AMC的实现过程。思考题与习题思考题与习题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

29、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 2.移动通信是在复杂的干扰环境

30、中移动通信是在复杂的干扰环境中运行的运行的 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。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，而移动通信业务量的需求却与日而移动通信业务量的需求却与日俱增俱增 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。4.移动

31、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，网络管理和控制必须有效网络管理和控制必须有效根据通信地区的不同需要，移动通信网络可以组成带状(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。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使用必须适于在移动环境中使用 对手机

32、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，还应保证在震动、冲击、高低温变化等恶劣环境中正常工作。1.2 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；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。1.2.1 工作方式工作方式 1.单工

33、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。图1-1 单工通信 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，即可进行信息传输。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

34、，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。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(TDD)。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

35、B（移动台与基站）的双向通信。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。图1-2 双工通信 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。(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、

36、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。(3)抗噪声、抗干扰和抗多径衰落的能力强。这些优点有利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。(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

37、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。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，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%。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

38、、图像和数据等。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。图1-3 移动通信网络的分类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

39、电寻呼系统的用户设备是袖珍式接收机，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。图1-4 无线电寻呼系统示意图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 1-5(a)所示)，仅能提供1

40、2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。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。图 1-5 大区覆盖与小区覆盖(a)大区覆盖；(b)小区覆盖通常，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)

41、。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。图 1-6 蜂窝系统的频率再用图 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

42、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。图 1-7 蜂窝移动通信系统的示意图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

43、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。图 1-8 越区切换示意图 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

44、见表94。表表 1-1 几种模拟蜂窝移动几种模拟蜂窝移动通信系统通信系统 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

45、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。图 1-9 无绳电话系统示意图无绳电话的手机、座机与电信点所发射的功率均在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。表表 1-2 几种无绳电话系统几种无绳电话系统的主要参数的主要参数 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

46、、价格低廉、使用方便等优点，因而发展十分迅速。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。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；改进频道共用的方式，即移动用户在通信的过程中，不是固定地占用某一个频道，而是在按下其“按讲开

47、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。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，一般不分优先等级。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

48、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%。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

49、的频率利用率的。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。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 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)。系统控制中心(系统

50、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。它们均由收发信机、控制单元、天线和电源等组成。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