移動通信-第1章 概述

第1章概述1.1移動通信的主要特點1.2移動通信系統(tǒng)的分類1.3常用移動通信系統(tǒng)思考題與習題1.1移動通信的主要特點移動通信：通信雙方至少有一方可以處于移動狀態(tài)而實現(xiàn)信息交換的通信方式。移動通信的特點：

1.移動通信必須利用無線電波進行信息傳輸。這種傳播媒質(zhì)允許通信中的用戶可以在一定范圍內(nèi)自由活動，其位置不受束縛，不過無線電波的傳播特性一般都很差。首先，移動通信的運行環(huán)境十分復(fù)雜，電波不僅會隨著傳播距離的增加而發(fā)生彌散損耗，并且會受到地形、地物的遮蔽而發(fā)生。信號經(jīng)過多點反射，會從多條路徑到達接收地點，這種多徑信號的幅度、相位和到達時間都不一樣，它們相互疊加會產(chǎn)生電平衰落和時延擴展；其次，移動通信常常在快速移動中進行，這不僅會引起多普勒（Doppler）頻移，產(chǎn)生隨機調(diào)頻，而且會使得電波傳播特性發(fā)生快速的隨機起伏，嚴重影響通信質(zhì)量。因此，移動通信系統(tǒng)必須根據(jù)移動信道的特征，進行合理的設(shè)計。

2.移動通信是在復(fù)雜的干擾環(huán)境中實現(xiàn)。除去一些常見的外部干擾，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，還會產(chǎn)生這樣或那樣的干擾。因為在移動通信系統(tǒng)中，常常有多部用戶電臺在同一地區(qū)工作，基站還會有多部收發(fā)信機在同一地點上工作，這些電臺之間會產(chǎn)生干擾。3.移動通信可以利用的頻譜資源有限。移動通信業(yè)務(wù)量的需求卻與日俱增。如何提高通信系統(tǒng)的通信容量，始終是移動通信發(fā)展中的焦點。為了解決這一矛盾，一方面要開辟和啟用新的頻段；另一方面要研究各種新技術(shù)和新措施，以壓縮信號所占的頻帶寬度和提高頻譜利用率。

4.移動通信系統(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)的不同需要，移動通信網(wǎng)絡(luò)可以組成帶狀(如鐵路公路沿線)、面狀(如覆蓋一城市或地區(qū))或立體狀(如地面通信設(shè)施與中、低軌道衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的綜合系統(tǒng))等，可以單網(wǎng)運行，也可以多網(wǎng)并行并實現(xiàn)互連互通。

5.通信設(shè)備必須適于在移動環(huán)境中使用。對手機的主要要求是體積小、重量輕、省電、操作簡單和攜帶方便。車載臺和機載臺除要求操作簡單和維修方便外，還應(yīng)保證在震動、沖擊、高低溫變化等惡劣環(huán)境中正常工作。

1.2移動通信系統(tǒng)的分類移動通信系統(tǒng)分類方法：①按使用對象可分為民用和軍用；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分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)等；④按覆蓋范圍可分為廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)；⑤按業(yè)務(wù)類型可分為電話網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)和多媒體網(wǎng)；⑥按工作方式可分為同頻單工、異頻單工、全雙工和半雙工；⑦按服務(wù)范圍可分為專用網(wǎng)和公用網(wǎng)；⑧按信號形式可分為模擬網(wǎng)和數(shù)字網(wǎng)。

1.2.1工作方式

1.單工通信所謂單工通信，是指通信雙方電臺交替地進行收信和發(fā)信。根據(jù)收、發(fā)頻率的異同，又可分為同頻單工和異頻單工。單工通信常用于點到點通信，參見圖1-1。圖1-1單工通信同頻單工是指通信雙方(如圖1-1中的電臺甲和電臺乙)使用相同的頻率f1工作，發(fā)送時不接收，接收時不發(fā)送。平常各接收機均處于守候狀態(tài)，即把天線接至接收機等候被呼。當電臺甲要發(fā)話時，它就按下其送受話器的按講開關(guān)(PTT)，一方面關(guān)掉接收機，另一方面將天線接至發(fā)射機的輸出端，接通發(fā)射機開始工作。當確知電臺乙接收到載頻為f1的信號時，即可進行信息傳輸。

2.雙工通信所謂雙工通信，是指通信雙方可同時進行傳輸消息的工作方式，有時亦稱全雙工通信，如圖1-2所示。圖中，基站的發(fā)射機和接收機分別使用一副天線，而移動臺通過雙工器共用一副天線。雙工通信一般使用一對頻道，以實施頻分雙工(FDD)工作方式。這種工作方式使用方便，同普通有線電話相似，接收和發(fā)射可同時進行。

3.半雙工通信半雙工通信的組成與圖1-2相似，移動臺采用單工的“按講”方式，即按下按講開關(guān)，發(fā)射機才工作，而接收機總是工作的?；竟ぷ髑闆r與雙工方式完全相同。圖1-2雙工通信

1.2.2移動數(shù)字通信系統(tǒng)的主要優(yōu)點

(1)頻譜利用率高，有利于提高系統(tǒng)容量。采用高效的信源編碼技術(shù)、高頻譜效率的數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)、先進的信號處理技術(shù)和多址方式以及高效動態(tài)資源分配技術(shù)等，可以在不增加系統(tǒng)帶寬的條件下增多系統(tǒng)同時通信的用戶數(shù)。

(2)多種業(yè)務(wù)服務(wù)，提高系統(tǒng)的通用性。數(shù)字系統(tǒng)傳輸?shù)氖恰?”、“0”形式的數(shù)字信號。話音、圖像或數(shù)據(jù)等數(shù)字信息在傳輸和交換設(shè)備中的表現(xiàn)形式都是相同的，信號的處理和控制方法也是相似的，因而用同一設(shè)備來傳送任何類型的數(shù)字信息都是可能的。利用單一通信網(wǎng)絡(luò)來提供綜合業(yè)務(wù)服務(wù)正是未來通信系統(tǒng)的發(fā)展方向。

(3)抗噪聲、抗干擾和抗衰落能力強。這些優(yōu)點有利于提高信息傳輸?shù)目煽啃?，或者說保證通信質(zhì)量。采用糾錯編碼、交織編碼、自適應(yīng)均衡、分集接收以及擴跳頻技術(shù)等，可以控制由任何干擾和不良環(huán)境產(chǎn)生的損害，使傳輸差錯率低于規(guī)定的閾值。(4)能實現(xiàn)更有效、靈活的網(wǎng)絡(luò)管理和控制。

數(shù)字系統(tǒng)可以設(shè)置專門的控制信道用來傳輸信令信息，也可以把控制指令插入業(yè)務(wù)信道的比特流中，進行控制信息的傳輸，因而便于實現(xiàn)多種可靠的控制功能。(5)便于實現(xiàn)通信的安全保密。(6)降低設(shè)備成本、減小終端的體積和重量。1.2.3通信業(yè)務(wù)移動通信的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)是電話通信。最近20多年來，隨著計算機的迅速發(fā)展和人們信息交往的日益頻繁與多樣化，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笠才c日俱增。未來移動通信中的多媒體業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量將占總業(yè)務(wù)量將不斷增加。在第二代移動通信系統(tǒng)中，盡管主要業(yè)務(wù)是話音業(yè)務(wù)，但也可以提供豐富的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，如短消息、低速率的Internet接入等業(yè)務(wù)。在第三代移動通信系統(tǒng)中，由于其傳輸速率的提高，在中等移動速度的情況下，可以達到384kb/s的傳輸速率，因而人們可以享用中等速率的多媒體業(yè)務(wù)，包括話音、圖像和數(shù)據(jù)等。1.3常用移動通信系統(tǒng)1.3.1無線電尋呼系統(tǒng)無線電尋呼系統(tǒng)是一種單向通信系統(tǒng)。無線電尋呼系統(tǒng)的用戶設(shè)備是袖珍式接收機，稱作袖珍鈴，俗稱“BB機”，這是由于它的振鈴聲近似于“B…B…”聲音之故。圖1-3示出了無線電尋呼系統(tǒng)的組成。圖1-3無線電尋呼系統(tǒng)示意圖

1.3.2蜂窩移動通信系統(tǒng)

早期的移動通信系統(tǒng)在其覆蓋區(qū)域中心設(shè)置大功率的發(fā)射機，采用高架天線把信號發(fā)送到整個覆蓋地區(qū)(半徑達幾十千米)。系統(tǒng)的主要矛盾是它同時能提供給用戶使用的信道數(shù)有限，遠遠滿足不了移動通信業(yè)務(wù)迅速增長的需要。例如，在20世紀70年代于美國紐約開通的IMTS(ImprovedMobileTelephoneService)系統(tǒng)(如圖1-4(a)所示)，僅能提供12對信道。即網(wǎng)中只允許12對用戶同時通話，倘若同時出現(xiàn)第13對用戶要求通話，就會發(fā)生阻塞。蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)把整個服務(wù)區(qū)域劃分成若干個較小的區(qū)域(Cell,在蜂窩系統(tǒng)中稱為小區(qū))，各小區(qū)均用小功率的發(fā)射機(即基站發(fā)射機)進行覆蓋，許多小區(qū)像蜂窩一樣能布滿(即覆蓋)任意形狀的服務(wù)地區(qū)，如圖1-4(b)所示。圖1-4大區(qū)覆蓋與小區(qū)覆蓋(a)大區(qū)覆蓋；(b)小區(qū)覆蓋通常，相鄰小區(qū)不允許使用相同的頻道，否則會發(fā)生相互干擾(稱同道干擾)。但由于各小區(qū)在通信時所使用的功率較小，因而任意兩個小區(qū)只要相互之間的空間距離大于某一數(shù)值，即使使用相同的頻道，也不會產(chǎn)生顯著的同道干擾。把若干相鄰的小區(qū)按一定的數(shù)目劃分成區(qū)群(Cluster)，并把可供使用的無線頻道分成若干個(等于區(qū)群中的小區(qū)數(shù))頻率組，區(qū)群內(nèi)各小區(qū)均使用不同的頻率組，而任一小區(qū)所使用的頻率組，在其它區(qū)群相應(yīng)的小區(qū)中還可以再用，這就是頻率再用，如圖1-5所示。圖1-5蜂窩系統(tǒng)的頻率再用

圖1-6是蜂窩移動通信系統(tǒng)的示意圖。圖中七個小區(qū)構(gòu)成一個區(qū)群。小區(qū)編號代表不同的頻率組。小區(qū)與移動交換中心(MSC)相連。MSC在網(wǎng)中起控制和管理作用，對所在地區(qū)已注冊登記的用戶實施頻道分配，建立呼叫，進行頻道切換，提供系統(tǒng)維護和性能測試，并存儲計費信息等。MTSO（移動電話交換局）是移動通信網(wǎng)和公共電話交換網(wǎng)的接口單元，既保證網(wǎng)中移動用戶之間的通信，又保證移動用戶和有線用戶之間的通信。圖1-6蜂窩移動通信系統(tǒng)的示意圖當移動用戶在蜂窩服務(wù)區(qū)中快速運動時，用戶之間的通話常常不會在一個小區(qū)中結(jié)束。快速行駛的汽車在一次通話的時間內(nèi)可能跨越多個小區(qū)。當移動臺從一個小區(qū)進入另一相鄰的小區(qū)時，其工作頻率及基站與移動交換中心所用的接續(xù)鏈路必須從它離開的小區(qū)轉(zhuǎn)換到正在進入的小區(qū)，這一過程稱為越區(qū)切換

。其控制機理如下：當通信中的移動臺到達小區(qū)邊界時，該小區(qū)的基站能檢測出此移動臺的信號正在逐漸變?nèi)?，而鄰近小區(qū)的基站能檢測出這個移動臺的信號正在逐漸變強，系統(tǒng)收集來自這些有關(guān)基站的檢測信息，進行判決。當需要實施越區(qū)切換時，就發(fā)出相應(yīng)的指令，使正在越過邊界的移動臺將其工作頻率和通信鏈路從離開的小區(qū)切換到進入的小區(qū)。整個過程自動進行，用戶并不知道，也不會中斷行進中的通話。越區(qū)切換的示意圖見圖1-7。圖1-7越區(qū)切換示意圖表1-1給出了幾種模擬蜂窩移動通信系統(tǒng)的性能參數(shù)。這些系統(tǒng)包括：AMPS、TACS、NMT、C-450、NTT等。第二代是數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)，它們包括GSM、IS-95、IS-54、JDC(后改名為PDC)等，第三代數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)主要包括WCDMA（聯(lián)通）、CDMA2000（電信）、TD-SCDMA（移動）等。表1-1幾種模擬蜂窩移動通信系統(tǒng)

1.3.3無繩電話系統(tǒng)

簡單的無繩電話機把普通的電話單機分成座機和手機兩部分，座機與有線電話網(wǎng)連接，手機與座機之間用無線電連接，這樣，允許攜帶手機的用戶可以在一定范圍內(nèi)自由活動時進行通話，見圖1-8。因為手機與座機之間不需要用電線連接，故稱之為“無繩”電話機。圖1-9無繩電話系統(tǒng)示意圖無繩電話的手機、座機與電信點所發(fā)射的功率均在10mW以下，無線覆蓋半徑約在100m左右。無繩電話是一種以有線電話網(wǎng)為依托的通信方式，也可以說它是有線電話網(wǎng)的無線延伸，具有發(fā)射功率小、省電、設(shè)備簡單、價格低廉、使用方便等優(yōu)點，當時發(fā)展十分迅速。

1.3.4集群移動通信系統(tǒng)1.集群的概念集群移動通信系統(tǒng)采用的基本技術(shù)是頻率共用技術(shù)。其主要做法是：①把一些由各部門分散建立的專用通信網(wǎng)集中起來，統(tǒng)一建網(wǎng)和管理，并動態(tài)地利用分配給它們的有限個頻道，以容納數(shù)目更多的用戶。②改進頻道共用的方式，即移動用戶在通信的過程中，不是固定地占用某一個頻道，而是在按下其“按講開關(guān)”(PTT)時，才能占用一個頻道；一旦松開PTT，頻道將被釋放，變成空閑頻道，并允許其它用戶占用該頻道。

2.集群系統(tǒng)的用途和特點集群系統(tǒng)主要以無線用戶為主，即以調(diào)度臺與移動臺之間的通話為主。集群系統(tǒng)與蜂窩式通信系統(tǒng)在技術(shù)上有很多相似之處，但在主要用途、網(wǎng)絡(luò)組成和工作方式上有很多差異。①集群通信系統(tǒng)屬于專用移動通信網(wǎng)，適用于在各個行業(yè)(或幾個行業(yè)合用)中間進行調(diào)度和指揮，對網(wǎng)中的不同用戶常常賦予不同的優(yōu)先等級。蜂窩通信系統(tǒng)屬于公眾移動通信網(wǎng)，適用于各階層和各行業(yè)中個人之間的通信，一般不分優(yōu)先等級。②集群通信系統(tǒng)根據(jù)調(diào)度業(yè)務(wù)的特征，通常具有一定的限時功能，一次通話的限定時間大約為15~60s(可根據(jù)業(yè)務(wù)情況調(diào)整)。蜂窩通信系統(tǒng)對通信時間一般不進行限制。③集群通信系統(tǒng)的主要服務(wù)業(yè)務(wù)是無線用戶和無線用戶之間的通信,蜂窩通信系統(tǒng)卻有大量的無線用戶與有線用戶之間的通話業(yè)務(wù)。④集群通信系統(tǒng)一般采用半雙工工作方式，一個移動用戶之間進行通信只需占用一個頻道。蜂窩通信系統(tǒng)都采用全雙工工作方式，一對移動用戶之間進行通信，必須占用兩個頻道。⑤在蜂窩通信系統(tǒng)中，可以采用頻道再用技術(shù)來提高系統(tǒng)的頻率利用率；而在集群系統(tǒng)中，主要是以改進頻道共用技術(shù)來提高系統(tǒng)的頻率利用率。1.3.5移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)

利用衛(wèi)星中繼，在海上、空中和地形復(fù)雜而人口稀疏的地區(qū)中實現(xiàn)移動通信，具有獨特的優(yōu)越性，很早就引起人們的重視。

1976年，國際海事衛(wèi)星組織(IMARSAT)首先在太平洋、大西洋和印度洋上空發(fā)射了三顆同步衛(wèi)星，組成了IMARSAT-A系統(tǒng)，為在這三個大洋上航行的船只提供通信服務(wù)。美國Motorola公司提出的“銥”(IRIDIUM)系統(tǒng)開始計劃設(shè)置7條圓形軌道均勻分布于地球的極地方向，每條軌道上有11顆衛(wèi)星，總共有77顆衛(wèi)星在地球上空運行，這和銥原子中有77個電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的情況相似，故取名為銥系統(tǒng)。圖1-14