第1章 概論(修訂) 數(shù)字移動(dòng)通信課件

1.1移動(dòng)通信的主要特點(diǎn)1.2移動(dòng)通信系統(tǒng)的分類1.3常用移動(dòng)通信系統(tǒng)1.4移動(dòng)通信的基本技術(shù)1.5移動(dòng)通信的發(fā)展過程

第一章概論1移動(dòng)通信的基本概念移動(dòng)通信是指通信雙方至少有一方在移動(dòng)中的通信；無線通信是移動(dòng)通信的基礎(chǔ)：移動(dòng)體間通信聯(lián)系的傳輸手段只能依靠無線電通信。移動(dòng)通信還依賴于有線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：如公眾電話網(wǎng)（PSTN）公眾數(shù)據(jù)網(wǎng)（PDN）綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN）移動(dòng)通信幾乎集中了有線和無線通信的最新技術(shù)成就。2現(xiàn)代移動(dòng)通信的應(yīng)用3蜂窩通信41.1移動(dòng)通信的主要特點(diǎn)1、必須利用無線電波進(jìn)行信息傳輸隨著傳播距離的增加而發(fā)生彌散損耗；受到地形、地物的遮蔽而發(fā)生“陰影效應(yīng)”；多徑信號的幅度、相位和到達(dá)時(shí)間都不一樣，相互疊加會(huì)產(chǎn)生電平衰落和時(shí)延擴(kuò)展；在快速移動(dòng)中進(jìn)行，不僅會(huì)引起多普勒（Doppler）頻移，而且會(huì)使得電波傳播特性發(fā)生快速的隨機(jī)起伏，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。移動(dòng)通信系統(tǒng)必須根據(jù)移動(dòng)信道的特征，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。51.1移動(dòng)通信的主要特點(diǎn)2、移動(dòng)通信是在復(fù)雜的干擾環(huán)境中運(yùn)行的；外部干擾，如天電干擾、工業(yè)干擾和信道噪聲；系統(tǒng)本身和不同系統(tǒng)之間，還會(huì)產(chǎn)生這樣或那樣的干擾；電臺(tái)之間會(huì)產(chǎn)生干擾。3、頻譜資源與用戶需求的矛盾與日俱增；4、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；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?？梢詥尉W(wǎng)運(yùn)行，也可以多網(wǎng)并行并實(shí)現(xiàn)互連互通。5、移動(dòng)設(shè)備(主要是移動(dòng)臺(tái))必須適于在移動(dòng)環(huán)境中使用。手機(jī)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(tái)和機(jī)載臺(tái)除要求操作簡單和維修方便外，還應(yīng)保證在震動(dòng)、沖擊、高低溫變化等惡劣環(huán)境中正常工作。6有線通信信道封閉信道環(huán)境優(yōu)質(zhì)缺乏動(dòng)態(tài)性無線通信開放式傳播靈活性信道的時(shí)變性、隨機(jī)性7

1.2移動(dòng)通信系統(tǒng)的分類①按使用對象可分為民用設(shè)備和軍用設(shè)備；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(shí)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、異頻雙工和半雙工；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)。81.2.1工作方式1.單工通信指通信雙方電臺(tái)交替地進(jìn)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(diǎn)到點(diǎn)通信。9同頻單工是指通信雙方使用相同的頻率f1工作，發(fā)送時(shí)不接收，接收時(shí)不發(fā)送。平常各接收機(jī)均處于守候狀態(tài)，即把天線接至接收機(jī)等候被呼。當(dāng)電臺(tái)甲要發(fā)話時(shí)，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(jī)，另一方面將天線接至發(fā)射機(jī)的輸出端，接通發(fā)射機(jī)開始工作。當(dāng)確知電臺(tái)乙接收到載頻為f1的信號時(shí)，即可進(jìn)行信息傳輸。圖1-1單工通信101.2.1工作方式（續(xù)）2.雙工通信指通信雙方可同時(shí)進(jìn)行傳輸消息的工作方式，亦稱全雙工通信。111.2.1工作方式（續(xù)）3.半雙工通信移動(dòng)臺(tái)采用單工的“按講“方式，即按下按講開關(guān)，發(fā)射機(jī)才工作，而接收機(jī)總是工作的?；竟ぷ髑闆r與雙工方式完全相同。121.2.2模擬網(wǎng)和數(shù)字網(wǎng)數(shù)字通信系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)可歸納如下：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(jìn)的信號處理技術(shù)和多址方式以及高效動(dòng)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(shí)通信的用戶數(shù)。2、能提供多種業(yè)務(wù)服務(wù)，提高通信系統(tǒng)的通用性。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、抗干擾和抗多徑衰落的能力強(qiáng)。采用糾錯(cuò)編碼、交織編碼、自適應(yīng)均衡、分集接收以及擴(kuò)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。131.2.2模擬網(wǎng)和數(shù)字網(wǎng)4、能實(shí)現(xiàn)更有效、靈活的網(wǎng)絡(luò)管理和控制。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(jìn)行控制信息的傳輸5、便于實(shí)現(xiàn)通信的安全保密。6、可降低設(shè)備成本以及減小用戶手機(jī)的體積和重量。141.2.3通信業(yè)務(wù)傳統(tǒng)業(yè)務(wù)是電話通信。未來移動(dòng)通信多媒體為主。據(jù)估計(jì)，未來移動(dòng)通信中的多媒體業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量將占總業(yè)務(wù)量的70%~80%。第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)主要業(yè)務(wù)是話音業(yè)務(wù)；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)。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中等移動(dòng)速度的情況下，可以達(dá)到384kb/s的傳輸速率；可以傳輸中等速率的多媒體業(yè)務(wù)，包括話音、圖像和數(shù)據(jù)等。151.3常用移動(dòng)通信系統(tǒng)1.3.1無線電尋呼系統(tǒng)單向通信系統(tǒng)。用戶設(shè)備是袖珍式接收機(jī)，俗稱“BB機(jī)”。1617移動(dòng)通信網(wǎng)的覆蓋方式大區(qū)制所謂大區(qū)制，是指由一個(gè)基站(發(fā)射功率為50～100W)覆蓋整個(gè)服務(wù)區(qū)，該基站負(fù)責(zé)服務(wù)區(qū)內(nèi)所有移動(dòng)臺(tái)的通信與控制。大區(qū)制的覆蓋半徑一般為30～50km。18采用這種大區(qū)制方式時(shí)，由于采用單基站制，沒有重復(fù)使用頻率的問題，因此技術(shù)問題并不復(fù)雜。只需根據(jù)所覆蓋的范圍，確定天線的高度，發(fā)射功率的大小，并根據(jù)業(yè)務(wù)量大小，確定服務(wù)等級及應(yīng)用的信道數(shù)。但也正是由于采用單基站制，因此基站的天線需要架設(shè)得非常高，發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率也要很高。即使這樣做，也只可保證移動(dòng)臺(tái)收到基站的信號，而無法保證基站能收到移動(dòng)臺(tái)的信號。因此這種大區(qū)制通信網(wǎng)的覆蓋范圍是有限的，只能適用于小容量的網(wǎng)絡(luò)，一般用在用戶較少的專用通信網(wǎng)中，如早期的模擬移動(dòng)通信網(wǎng)(IMTS)中即采用大區(qū)制。192．小區(qū)制小區(qū)制是指將整個(gè)服務(wù)區(qū)劃分為若干小區(qū)，在每個(gè)小區(qū)設(shè)置一個(gè)基站，負(fù)責(zé)本小區(qū)內(nèi)移動(dòng)臺(tái)的通信與控制。小區(qū)制的覆蓋半徑一般為2～10km，基站的發(fā)射功率一般限制在一定的范圍內(nèi)，以減少信道干擾。同時(shí)還要設(shè)置移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心，負(fù)責(zé)小區(qū)間移動(dòng)用戶的通信連接及移動(dòng)網(wǎng)與有線網(wǎng)的連接，保證移動(dòng)臺(tái)在整個(gè)服務(wù)區(qū)內(nèi)，無論在哪個(gè)小區(qū)都能夠正常進(jìn)行通信。20由于是多基站系統(tǒng)，因此小區(qū)制移動(dòng)通信系統(tǒng)中需采用頻率復(fù)用技術(shù)。在相隔一定距離的小區(qū)進(jìn)行頻率再用，可以提高系統(tǒng)的頻率利用率和系統(tǒng)容量，但網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，投資巨大。盡管如此，為了獲得系統(tǒng)的大容量，在大容量公用移動(dòng)通信網(wǎng)中仍普遍采用小區(qū)制結(jié)構(gòu)。21圖1-5大區(qū)覆蓋與小區(qū)覆蓋(a)大區(qū)覆蓋；(b)小區(qū)覆蓋221.3.2蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)

把整個(gè)服務(wù)區(qū)域劃分成若干個(gè)較小的區(qū)域(Cell,稱為小區(qū))各小區(qū)均用小功率的發(fā)射機(jī)(即基站發(fā)射機(jī))進(jìn)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)。23通常，相鄰小區(qū)不允許使用相同的頻道，否則會(huì)發(fā)生相互干擾(稱同道干擾)。兩個(gè)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(huì)產(chǎn)生顯著的同道干擾(保證信干比高于某一門限)。為此，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(gè)(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。24圖1-6蜂窩系統(tǒng)的頻率再用25圖1-7蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的示意圖小區(qū)移動(dòng)交換中心(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(shí)施頻道分配，建立呼叫，進(jìn)行頻道切換提供系統(tǒng)維護(hù)和性能測試，并存儲(chǔ)計(jì)費(fèi)信息等。26當(dāng)移動(dòng)臺(tái)從一個(gè)小區(qū)進(jìn)入另一相鄰的小區(qū)時(shí)，其工作頻率及基站與移動(dòng)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(jìn)入的小區(qū)，這一過程稱為越區(qū)切換

。27控制機(jī)理當(dāng)通信中的移動(dòng)臺(tái)到達(dá)小區(qū)邊界時(shí)，該小區(qū)的基站能檢測出此移動(dòng)臺(tái)的信號正在逐漸變?nèi)踵徑^(qū)的基站能檢測出這個(gè)移動(dòng)臺(tái)的信號正在逐漸變強(qiáng)系統(tǒng)收集來自這些有關(guān)基站的檢測信息，進(jìn)行判決。當(dāng)需要實(shí)施越區(qū)切換時(shí)，就發(fā)出相應(yīng)的指令，使正在越過邊界的移動(dòng)臺(tái)將其工作頻率和通信鏈路從離開的小區(qū)切換到進(jìn)入的小區(qū)。整個(gè)過程自動(dòng)進(jìn)行，用戶并不知道，也不會(huì)中斷行進(jìn)中的通話。圖1-8越區(qū)切換示意圖28如何進(jìn)行通信？MSCBS主叫MS被叫MS被叫所在的HLRMSCVLRVLR(1)(2)(3)(4)(5)(6)路由請求含被叫的臨時(shí)本地號碼的應(yīng)答信息含被叫的臨時(shí)本地號碼的應(yīng)答信息MS:MobileStationVLR:VisitedLocationRegisterBS:BaseStationMSC:MobileSwitchingCenter29表1-1幾種模擬蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)第6章和第7章中對第二代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)進(jìn)行討論，它們包括GSM、IS-54、IS-95、JDC(后改名為PDC)等，其性能參數(shù)可參見表7-4。在第8章和第9章中還將對第三代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)進(jìn)行討論，它們主要包括WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA等，其性能參數(shù)可參見表9-4。301.3.3無繩電話系統(tǒng)簡單的無繩電話機(jī)把普通的電話單機(jī)分成座機(jī)和手機(jī)兩部分；座機(jī)與有線電話網(wǎng)連接，手機(jī)與座機(jī)之間用無線電連接；因?yàn)槭謾C(jī)與座機(jī)之間不需要用電線連接，故稱之為“無繩”電話機(jī)。具有發(fā)射功率小、省電、設(shè)備簡單、價(jià)格低廉、使用方便等優(yōu)點(diǎn)31圖1-9無繩電話系統(tǒng)示意圖32表1-2幾種無繩電話系統(tǒng)的主要參數(shù)無繩電話的手機(jī)、座機(jī)與電信點(diǎn)所發(fā)射的功率均在10mW以下，無線覆蓋半徑約在100m左右。表中給出了日本、美國和歐洲的標(biāo)準(zhǔn)。我國模擬無繩電話系統(tǒng)采用45MHz/48MHz的頻段。在第7章中我們將對數(shù)字無繩電話系統(tǒng)和低功率無線系統(tǒng)進(jìn)行討論，它們包括CT-2、DECT、PHS、PACS。331.3.4集群移動(dòng)通信系統(tǒng)1.集群的概念頻率共用技術(shù)

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(dòng)態(tài)地利用分配給它們的有限個(gè)頻道，以容納數(shù)目更多的用戶；②改進(jìn)頻道共用的方式。移動(dòng)用戶在通信的過程中，不是固定地占用某一個(gè)頻道，而是在按下其“按講開關(guān)”(PTT)時(shí)，才能占用一個(gè)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。342.用途和特點(diǎn)集群系統(tǒng)主要以無線用戶為主，即以調(diào)度臺(tái)與移動(dòng)臺(tái)之間的通話為主。屬于專用移動(dòng)通信網(wǎng)適用于在各個(gè)行業(yè)(或幾個(gè)行業(yè)合用)中間進(jìn)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(dòng)通信網(wǎng)，適用于各階層和各行業(yè)中個(gè)人之間的通信，一般不分優(yōu)先等級。352.用途和特點(diǎn)通常具有一定的限時(shí)功能一次通話的限定時(shí)間大約為15~60s。蜂窩通信系統(tǒng)對通信時(shí)間一般不進(jìn)行限制。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)。362.用途和特點(diǎn)一般采用半雙工(現(xiàn)在已有全雙工產(chǎn)品)工作方式一對移動(dòng)用戶之間進(jìn)行通信只需占用一對頻道。蜂窩通信系統(tǒng)都采用全雙工工作方式，一對移動(dòng)用戶之間進(jìn)行通信，必須占用兩對頻道。371.3.5移動(dòng)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(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信，具有獨(dú)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(gè)大洋上航行的船只提供通信服務(wù)。38表中由美國Motorola公司提出的“銥”(IRIDIUM)系統(tǒng)，開始計(jì)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(yùn)行，這和銥原子中有77個(gè)電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的情況相似，故取名為銥系統(tǒng)?，F(xiàn)在該系統(tǒng)改用66顆衛(wèi)星，分6條軌道在地球上空運(yùn)行，但原名未改。圖1-14銥系統(tǒng)衛(wèi)星軌道示意圖391.3.6分組無線網(wǎng)

利用無線信道進(jìn)行分組交換的通信網(wǎng)絡(luò)。傳送的信息要以“分組”或稱“信包”(有時(shí)簡稱“包”)為基本單元。分組是由若干比特組成的信息段，通常包含“包頭”和“正文”兩部分。包頭中含有該分組的源地址(起始地址)、宿地址(目的地址)和有關(guān)的路由信息等；正文是真正需要傳送的信息。適用于實(shí)時(shí)性要求不嚴(yán)和突發(fā)性的數(shù)據(jù)通信。如果要用分組無線網(wǎng)傳輸分組話音，必須保證時(shí)間延遲不大于規(guī)定值。401.3.6分組無線網(wǎng)最早的分組無線網(wǎng)是1968年美國夏威夷大學(xué)開發(fā)的ALOHA。（4個(gè)島上7個(gè)分校的人員，對設(shè)在瓦胡島上的主計(jì)算機(jī)進(jìn)行訪問）適用于實(shí)時(shí)性要求不嚴(yán)和突發(fā)性的數(shù)據(jù)通信。典型的網(wǎng)絡(luò)：（1）CDPD系統(tǒng)（蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)）),由IBM公司聯(lián)合9家運(yùn)營商開發(fā)。（2）IS-54,IS-95(第二代北美數(shù)字蜂窩系統(tǒng))（3）GPRS(通用分組無線業(yè)務(wù))（4）WCDMA,cdma-2000,TD-SCDMA圖1-15ALOHA系統(tǒng)簡圖41GPRS（GeneralPacketRadioService）GSM網(wǎng)絡(luò)向第三代移動(dòng)通信演變的過渡技術(shù)是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)提供端到端的、廣域的無線IP連接理論峰值達(dá)115kbps。42SGSN:GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn)；GGSN:GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)

431.4移動(dòng)通信的基本技術(shù)1.4.1調(diào)制技術(shù)有兩類用得最多的數(shù)字調(diào)制方式：(1)線性調(diào)制技術(shù)，主要包括PSK（移相鍵控）、QPSK（四相移相鍵控）、DQPSK、π/4-DQPSK和多電平PSK等。(2)恒定包絡(luò)(連續(xù)相位)調(diào)制技術(shù)，主要包括MSK（最小移頻鍵控）、GMSK、GFSK等。441.4.2移動(dòng)信道中電波傳播特性的研究在移動(dòng)信道中，發(fā)送到接收機(jī)的信號會(huì)受到傳播環(huán)境中地形、地物的影響而產(chǎn)生繞射、反射或散射，因而形成多徑傳播。多徑傳播將使接收端的合成信號在幅度、相位和到達(dá)時(shí)間上發(fā)生隨機(jī)變化，嚴(yán)重地降低接收信號的傳輸質(zhì)量，這就是所謂的多徑衰落。451.4.2移動(dòng)信道中電波傳播特性的研究通常通過理論分析或根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(或二者結(jié)合)，總結(jié)和建立有普遍性的數(shù)學(xué)模型利用這些模型，可以估算一些傳播環(huán)境中的傳播損耗和其它有關(guān)的傳播參數(shù)。理論分析方法在確定收發(fā)天線的高度、位置和周圍環(huán)境的具體特征后，根據(jù)直射、折射、反射、散射、透射等波動(dòng)現(xiàn)象，用電磁波理論計(jì)算電波傳播的路徑損耗及有關(guān)信道參數(shù)。實(shí)測分析方法指在典型的傳播環(huán)境中進(jìn)行現(xiàn)場測試，并用計(jì)算機(jī)對大量實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以建立預(yù)測模型(如沖擊響應(yīng)模型)，進(jìn)行傳播預(yù)測。461.4.3多址方式當(dāng)把多個(gè)用戶接入一個(gè)公共的傳輸媒質(zhì)實(shí)現(xiàn)相互間通信時(shí)，需要給每個(gè)用戶的信號賦以不同的特征，以區(qū)分不同的用戶，這種技術(shù)稱為多址技術(shù)。眾所周知，移動(dòng)通信是依靠無線電波的傳播來傳輸信號的，具有大面積覆蓋的特點(diǎn)。因此網(wǎng)內(nèi)一個(gè)用戶發(fā)射的信號其他用戶均可接收到所傳播的電波。網(wǎng)內(nèi)用戶如何能從播發(fā)的信號中識別出發(fā)送給自己的信號就成為建立連接的首要問題。在蜂窩通信系統(tǒng)中，移動(dòng)臺(tái)是通過基站和其他移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行通信的，因此必須對移動(dòng)臺(tái)和基站的信息加以區(qū)別，使基站能區(qū)分是哪個(gè)移動(dòng)臺(tái)發(fā)來的信號，而各移動(dòng)臺(tái)又能識別出哪個(gè)信號是發(fā)給自己的。要解決這個(gè)問題，就必須給每個(gè)信號賦以不同的特征，這就是多址技術(shù)要解決的問題。多址技術(shù)是移動(dòng)通信的基礎(chǔ)技術(shù)之一。47FDMA（FrequencyDivisionMultipleAccess)TDMA(TimeDivisionMultipleAccess)CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)SDMA(SpaceDivisionMultipleAccess)目前移動(dòng)通信系統(tǒng)中常用的是FDMA、TDMA、CDMA以及它們的組合。f2f3tft1tt2t3ff1tfc1c2c3FDMATDMACDMASDMA481)頻分多址方式(FDMA)圖1FDMA示意圖49在通信時(shí)，不同的移動(dòng)臺(tái)占用不同頻率的信道進(jìn)行通信。因?yàn)楦鱾€(gè)用戶使用不同頻率的信道，所以相互沒有干擾。FDMA的信道每次只能傳遞一個(gè)電話，并且在分配成語音信道后，基站和移動(dòng)臺(tái)就會(huì)同時(shí)連續(xù)不斷地發(fā)射信號，在接收設(shè)備中使用帶通濾波器只允許指定頻道里的能量通過，濾除其他頻率的信號，從而將需要的信號提取出來，而限制臨近信道之間的相互干擾。由于基站要同時(shí)和多個(gè)用戶進(jìn)行通信，基站必須同時(shí)發(fā)射和接收多個(gè)不同頻率的信號；另外，任意兩個(gè)移動(dòng)用戶之間進(jìn)行通信都必須經(jīng)過基站的中轉(zhuǎn)，因而必須占用四個(gè)頻道才能實(shí)現(xiàn)雙向通信。50FDMA是最經(jīng)典的多址技術(shù)之一，在第一代蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)(如TACS、AMPS等)中使用了頻分多址。這種方式的特點(diǎn)是技術(shù)成熟，對信號功率的要求不嚴(yán)格。但是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要周密的頻率規(guī)劃，基站需要多部不同載波頻率的發(fā)射機(jī)同時(shí)工作，設(shè)備多且容易產(chǎn)生信道間的互調(diào)干擾，同時(shí)，由于沒有進(jìn)行信道復(fù)用，信道效率很低。因此現(xiàn)在國際上蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)已不再單獨(dú)使用FDMA，而是和其他多址技術(shù)結(jié)合使用。51

2)時(shí)分多址方式(TDMA)TDMA是把時(shí)間分成周期性的幀，每一幀再分割成若干時(shí)隙(無論幀或時(shí)隙都是互不重疊的)，每一個(gè)時(shí)隙就是一個(gè)通信信道,如圖2所示。TDMA中，給每個(gè)用戶分配一個(gè)時(shí)隙，即根據(jù)一定的時(shí)隙分配原則，使各個(gè)移動(dòng)臺(tái)在每幀內(nèi)只能按指定的時(shí)隙向基站發(fā)射信號。在滿足定時(shí)和同步的條件下，基站可以在各時(shí)隙中接收到各移動(dòng)臺(tái)的信號而互不干擾。同時(shí)，基站發(fā)向各個(gè)移動(dòng)臺(tái)的信號都按順序安排在預(yù)定的時(shí)隙中傳輸，各移動(dòng)臺(tái)只要在指定的時(shí)隙內(nèi)接收，就能在合路的信號中把發(fā)給它的信號區(qū)分出來。這樣，同一個(gè)頻道就可以供幾個(gè)用戶同時(shí)進(jìn)行通信，相互沒有干擾。52圖2TDMA示意圖

53在TDMA通信系統(tǒng)中，小區(qū)內(nèi)的多個(gè)用戶可以共享一個(gè)載波頻率，分享不同時(shí)隙，這樣基站只需要一部發(fā)射機(jī)，可以避免像FDMA系統(tǒng)那樣因多部不同頻率的發(fā)射機(jī)同時(shí)工作而產(chǎn)生的互調(diào)干擾；但系統(tǒng)設(shè)備必須有精確的定時(shí)和同步來保證各移動(dòng)臺(tái)發(fā)送的信號不會(huì)在基站發(fā)生重疊，并且能準(zhǔn)確地在指定的時(shí)隙中接收基站發(fā)給它的信號。TDMA技術(shù)廣泛應(yīng)用于第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)中。在實(shí)際應(yīng)用中，綜合采用FDMA和TDMA技術(shù)的，即首先將總頻帶劃分為多個(gè)頻道，再將一個(gè)頻道劃分為多個(gè)時(shí)隙，形成信道。例如GSM數(shù)字蜂窩標(biāo)準(zhǔn)采用200kHz的FDMA頻道，并將其再分割成8個(gè)時(shí)隙，用于TDMA傳輸，如圖3所示。54圖3FDMA/TDMA示意圖55

3)碼分多址方式(CDMA)(1)擴(kuò)頻的概念。眾所周知，對于時(shí)域上的脈沖信號，其脈沖寬度越窄，頻譜就越寬。那么，如果用所需要傳送的信號信息去調(diào)制很窄的脈沖序列，就可以將信號的帶寬進(jìn)行擴(kuò)展。所謂擴(kuò)頻調(diào)制，就是指用所需要傳送的原始信號去調(diào)制窄脈沖序列，使信號所占的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳原始信號本身需要的帶寬。其逆過程稱為解擴(kuò)，即將這個(gè)寬帶信號還原成原始信號。這個(gè)窄脈沖序列稱為擴(kuò)頻碼。如果用這樣一種擴(kuò)頻后的無線信道來傳送無線信號，則由于信號擴(kuò)展在非常寬的帶寬上，因此來自同一無線信道的用戶干擾就很小，使得多個(gè)用戶可以同時(shí)分享同一無線信道。56實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻的方式有三種：直接序列擴(kuò)頻、跳頻、跳時(shí)。其中CDMA系統(tǒng)中常用直接序列擴(kuò)頻方式，它是指在發(fā)送端直接用一個(gè)寬帶的擴(kuò)頻碼序列和原始信號相乘，以擴(kuò)展信號的帶寬，而在接收端則用相同的擴(kuò)頻碼和寬帶信號相乘進(jìn)行解擴(kuò)，從中還原出原始的信息，如圖4所示。只有知道該擴(kuò)頻碼序列的接收機(jī)才能夠?qū)κ盏降男盘栠M(jìn)行解擴(kuò)，并恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。我們把原始信息的速率稱為信息速率，而把擴(kuò)頻碼的速率稱為碼片速率，用chip表示。57圖4直接序列擴(kuò)頻實(shí)現(xiàn)框圖58(2)CDMA中的碼序列。大家知道，在信息傳輸過程中，各種信號之間的差別越大越好，這樣相互之間不易發(fā)生干擾，也就不會(huì)發(fā)生誤判。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，最理想的信號形式是類似白噪聲的隨機(jī)信號，但真正的隨機(jī)信號或白噪聲是不能重復(fù)和再現(xiàn)的，實(shí)際應(yīng)用中是用周期性的碼序列來逼近它的性能的。CDMA中采用偽隨機(jī)序列(稱為PN碼)作為擴(kuò)頻碼，因?yàn)閭坞S機(jī)序列具有近似白噪聲的特性，所以具有良好的相關(guān)性。CDMA系統(tǒng)中采用的偽隨機(jī)碼有m序列、Walsh函數(shù)等。59(3)CDMA。CDMA通信系統(tǒng)中，所有用戶使用所有頻率和所有時(shí)間上都是重疊的。系統(tǒng)用不同的正交編碼序列來區(qū)分不同的用戶，如圖5所示。CDMA中，不同的移動(dòng)臺(tái)共同使用一個(gè)頻率，但是每個(gè)移動(dòng)臺(tái)都被分配帶有一個(gè)獨(dú)特的碼序列，與所有別的碼序列都不相同，所以各個(gè)用戶之間沒有干擾。在發(fā)送時(shí)，信號信息和該用戶的碼序列相乘進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，在接收端，接收器使用與發(fā)端同樣的碼序列對寬帶信號進(jìn)行解擴(kuò)，恢復(fù)出原始信號，而其他使用不同碼型的信號因?yàn)楹徒邮諜C(jī)本地產(chǎn)生的碼型不同而不能被解調(diào)。這種多址技術(shù)因?yàn)槭强坎煌拇a序列來區(qū)分不同的移動(dòng)臺(tái)，所以叫做碼分多址技術(shù)。60圖5CDMA示意圖61實(shí)際應(yīng)用中，也是綜合采用FDMA和CDMA技術(shù)的，即首先將總頻帶劃分為多個(gè)頻道，再將一個(gè)頻道按碼字分割，形成信道。例如窄帶CDMA中，采用1.25MHz的FDMA頻道，將其再進(jìn)行碼字的分割，形成CDMA信道。CDMA蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)與FDMA系統(tǒng)或TDMA系統(tǒng)相比具有更大的系統(tǒng)容量，更高的話音質(zhì)量以及抗干擾、保密等優(yōu)點(diǎn)，因而近年來得到各個(gè)國家的普遍重視和關(guān)注。在第三代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中，無線傳輸技術(shù)采用CDMA技術(shù)。62由上可見，蜂窩結(jié)構(gòu)的通信系統(tǒng)特點(diǎn)是通信資源的重用。頻分多址系統(tǒng)是頻率資源的重用；時(shí)分多址系統(tǒng)是時(shí)隙資源的重用；碼分多址系統(tǒng)是碼型資源的重用。在實(shí)際應(yīng)用中，一般是多種多址方式的結(jié)合使用。如GSM系統(tǒng)中，是FDMA/TDMA的結(jié)合使用；窄帶CDMA系統(tǒng)(IS-95)和3G中的寬帶碼分多址(WCDMA)中，采用的則是FDMA/CDMA方式。63通常認(rèn)為：TDMA系統(tǒng)的通信容量大于FDMA系統(tǒng)，而CDMA系統(tǒng)的通信容量又大于FDMA和TDMA系統(tǒng)。有關(guān)CDMA多址方式的應(yīng)用研究從20世紀(jì)90年代以來一直非?；钴S。美國美國通信工業(yè)協(xié)會(huì)(TIA)于1993年通過了以Qualcomm公司所提出的以窄帶CDMA方案(系統(tǒng)帶寬為1.25MHz)為基礎(chǔ)的雙模式CDMA標(biāo)準(zhǔn)（IS-95）。在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中也主要采用CDMA多址技術(shù)，但有多種具體的實(shí)現(xiàn)方案，如WCDMA、MC-CDMA、TD-SCDMA等。另外，我國學(xué)者還提出了LAS-CDMA的技術(shù)方案。641.4.4抗干擾措施利用信道編碼進(jìn)行檢錯(cuò)和糾錯(cuò)(包括前向糾錯(cuò)FEC和自動(dòng)請求重傳ARQ)是降低通信傳輸?shù)牟铄e(cuò)率，保證通信質(zhì)量和可靠性的有效手段；為克服由多徑干擾所引起的多徑衰落，廣泛采用分集技術(shù)(包括空間分集、頻率分集、時(shí)間分集以及RAKE接收技術(shù)等)、自適應(yīng)均衡技術(shù)和選用具有抗碼間干擾和時(shí)延擴(kuò)展能力的調(diào)制技術(shù)(如多電平調(diào)制、多載波調(diào)制等)；65為提高通信系統(tǒng)的綜合抗干擾能力而采用擴(kuò)頻和跳頻技術(shù)；為減少蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的共道干擾而采用扇區(qū)天線、多波束天線和自適應(yīng)天線陣列等；在CDMA通信系統(tǒng)中，為了減少多址干擾而使用干擾抵消和多用戶信號檢測器技術(shù)。661.4.5組網(wǎng)技術(shù)1.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在通信網(wǎng)絡(luò)的總體規(guī)劃和設(shè)計(jì)中必須解決的一個(gè)問題是：為了滿足運(yùn)行環(huán)境、業(yè)務(wù)類型、用戶數(shù)量和覆蓋范圍等要求通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該設(shè)置哪些基本組成部分(比如，基站和移動(dòng)臺(tái)、移動(dòng)交換中心、網(wǎng)絡(luò)控制中心、操作維護(hù)中心等)這些組成部分應(yīng)該怎樣部署，才能構(gòu)成一種實(shí)用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。67其組成部分為：移動(dòng)交換中心(MSC)，基站子系統(tǒng)(BSS)(含基站控制器(BSC)、基站收發(fā)信臺(tái)(BTS))，移動(dòng)臺(tái)(MS)，歸屬位置寄存器(HLR)，訪問位置寄存器(VLR)，設(shè)備標(biāo)志寄存器(EIR)，認(rèn)證中心(AUC)和操作維護(hù)中心(OMC)。網(wǎng)絡(luò)通過移動(dòng)交換中心(MSC)還與公共交換電話網(wǎng)(PSTN)、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)以及公共數(shù)據(jù)網(wǎng)(PDN)相連接。圖1-16數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)68692.網(wǎng)絡(luò)接口 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)由若干個(gè)基本部分(或稱功能實(shí)體)組成。在用這些功能實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署時(shí),為了相互之間交換信息，有關(guān)功能實(shí)體之間都要用接口進(jìn)行連接。圖1-17蜂窩系統(tǒng)所用的接口70Sm是用戶和網(wǎng)絡(luò)之間的接口，也稱人機(jī)接口；Um是移動(dòng)臺(tái)與基站收發(fā)信臺(tái)之間的接口，也稱無線接口或空中接口；A是基站和移動(dòng)交換中心之間的接口；Abis是基站控制器和基站收發(fā)信臺(tái)之間的接口；B是移動(dòng)交換中心和訪問位置寄存器之間的接口；C是移動(dòng)交換中心和歸屬位置寄存器之間的接口；D是歸屬位置寄存器和訪問位置寄存器之間的接口；E是移動(dòng)交換中心之間的接口；F是移動(dòng)交換中心和設(shè)備標(biāo)志寄存器之間的接口；G是訪問位置寄存器之間的接口。71在諸多接口當(dāng)中，“無線接口Um”(也稱MS-BS接口)是人們最為關(guān)注的接口之一，因?yàn)橐苿?dòng)通信網(wǎng)是靠此接口來完成移動(dòng)臺(tái)和基站之間的無線傳輸?shù)?，它對移?dòng)環(huán)境中的通信質(zhì)量和可靠性具有重要的影響。數(shù)字移動(dòng)通信的無線接口，也采用開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模型的概念來規(guī)定其協(xié)議模型。這種模型分作三層，如圖1-18所示。圖1-18Um接口協(xié)議模型舉例72第一層(最低層)L1是物理層。為高層信息傳輸提供無線信道能支持在物理媒介上傳輸信息所需要的全部功能，如頻率配置、信道劃分、傳輸定時(shí)、比特或時(shí)隙同步、功率設(shè)定、調(diào)制和解調(diào)等等。第二層L2是數(shù)據(jù)鏈路層。向第三層提供服務(wù)，并接受第一層的服務(wù)。主要功能是為網(wǎng)絡(luò)層提供必需的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)，并對數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行控制。第三層L3是網(wǎng)絡(luò)層。主要功能是管理鏈路連接，控制呼叫過程，支持附加業(yè)務(wù)和短消息業(yè)務(wù)，以及進(jìn)行移動(dòng)管理和無線資源管理等。731.5移動(dòng)通信的發(fā)展過程移動(dòng)通信可以說從無線電通信發(fā)明之日就產(chǎn)生了。早在1897年，馬可尼所完成的無線通信試驗(yàn)就是在固定站與一艘拖船之間進(jìn)行的，距離為18海里(1海里=1852米)?，F(xiàn)代移動(dòng)通信的發(fā)展始于20世紀(jì)20年代，而公用移動(dòng)通信是從20世紀(jì)60年代開始的。公用移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了第一代(1G)和第二代(2G)，并將繼續(xù)朝著第三代(3G)和第四代(4G)的方向發(fā)展。741．第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)(1G)第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)為模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)，以美國的AMPS(IS-54)和英國的TACS為代表，采用頻分雙工、頻分多址制式，并利用蜂窩組網(wǎng)技術(shù)以提高頻率資源利用率，克服了大區(qū)制容量密度低、活動(dòng)范圍受限的問題。1980s,第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，1983年美國的AMPS,1980年北歐的NMT,1979年日本的NAMTS,1985英國的TACS。雖然采用頻分多址，但并未提高信道利用率，因此通信容量有限；通話質(zhì)量一般，保密性差；制式太多，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，互不兼容；不能提供非話數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；不能提供自動(dòng)漫游。因此，已逐步被各國淘汰。752．第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)(2G)第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)為數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，是當(dāng)前移動(dòng)通信發(fā)展的主流，以GSM和窄帶CDMA為典型代表。1990s,第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)，1992年商用的GSM，1991年美國提出的IS-54，1993年日本提出的PDC，1993年美國提出的IS-95.第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)中采用數(shù)字技術(shù)，利用蜂窩組網(wǎng)技術(shù)。多址方式由頻分多址轉(zhuǎn)向時(shí)分多址和碼分多址技術(shù)，雙工技術(shù)仍采用頻分雙工。2G采用蜂窩數(shù)字移動(dòng)通信，使系統(tǒng)具有數(shù)字傳輸?shù)姆N種優(yōu)點(diǎn)，它克服了1G的弱點(diǎn)，話音質(zhì)量及保密性能得到了很大提高，可進(jìn)行省內(nèi)、省際自動(dòng)漫游。但系統(tǒng)帶寬有限，限制了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展，也無法實(shí)現(xiàn)移動(dòng)的多媒體業(yè)務(wù)。并且由于各國標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，無法實(shí)現(xiàn)全球漫游。76目前采用的2G系統(tǒng)主要有：(1)美國的D-AMPS，是在原AMPS基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的，規(guī)范由IS-54發(fā)展成IS-136和IS-136HS，1993年投入使用。它采用時(shí)分多址技術(shù)。(2)歐洲的GSM全球移動(dòng)通信系統(tǒng)，是在1988年完成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定的，1990年開始投入商用。它采用時(shí)分多址技術(shù)，由于其標(biāo)準(zhǔn)化程度高，進(jìn)入市場早，現(xiàn)已成為全球最重要的2G標(biāo)準(zhǔn)之一。(3)日本的PDC，是日本電波產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)于1990年確定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，1993年3月正式投入