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移動通信系統的分類1.3常用移動通信系統思考題與習題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而實現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。這種傳播媒質允許通信中的用戶可以在一定范圍內自由活動，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，移動通信的運行環境十分復雜，電波不僅會隨著傳播距離的增加而發生彌散損耗，并且會受到地形、地物的遮蔽而發生。信號經過多點反射，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，產生隨機調頻，而且會使得電波傳播特性發生快速的隨機起伏，嚴重影響通信質量。因此，移動通信系統必須根據移動信道的特征，進行合理的設計。

2.移動通信是在復雜的干擾環境中實現。除去一些常見的外部干擾，如天電干擾、工業干擾和信道噪聲外，系統本身和不同系統之間，還會產生這樣或那樣的干擾。因為在移動通信系統中，常常有多部用戶電臺在同一地區工作，基站還會有多部收發信機在同一地點上工作，這些電臺之間會產生干擾。3.移動通信可以利用的頻譜資源有限。移動通信業務量的需求卻與日俱增。如何提高通信系統的通信容量，始終是移動通信發展中的焦點。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.移動通信系統的網絡結構多種多樣。網絡管理和控制必須有效。根據通信地區的不同需要，移動通信網絡可以組成帶狀(如鐵路公路沿線)、面狀(如覆蓋一城市或地區)或立體狀(如地面通信設施與中、低軌道衛星通信網絡的綜合系統)等，可以單網運行，也可以多網并行并實現互連互通。

5.通信設備必須適于在移動環境中使用。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，還應保證在震動、沖擊、高低溫變化等惡劣環境中正常工作。

1.2移動通信系統的分類移動通信系統分類方法：①按使用對象可分為民用和軍用；②按使用環境可分為陸地通信、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和局域網；⑤按業務類型可分為電話網、數據網和多媒體網；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按服務范圍可分為專用網和公用網；⑧按信號形式可分為模擬網和數字網。

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信。根據收、發頻率的異同，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，發送時不接收，接收時不發送。平常各接收機均處于守候狀態，即把天線接至接收機等候被呼。當電臺甲要發話時，它就按下其送受話器的按講開關(PTT)，一方面關掉接收機，另一方面將天線接至發射機的輸出端，接通發射機開始工作。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，發射機才工作，而接收機總是工作的。基站工作情況與雙工方式完全相同。圖1-2雙工通信

1.2.2移動數字通信系統的主要優點

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

(2)多種業務服務，提高系統的通用性。數字系統傳輸的是“1”、“0”形式的數字信號。話音、圖像或數據等數字信息在傳輸和交換設備中的表現形式都是相同的，信號的處理和控制方法也是相似的，因而用同一設備來傳送任何類型的數字信息都是可能的。利用單一通信網絡來提供綜合業務服務正是未來通信系統的發展方向。

(3)抗噪聲、抗干擾和抗衰落能力強。這些優點有利于提高信息傳輸的可靠性，或者說保證通信質量。采用糾錯編碼、交織編碼、自適應均衡、分集接收以及擴跳頻技術等，可以控制由任何干擾和不良環境產生的損害，使傳輸差錯率低于規定的閾值。(4)能實現更有效、靈活的網絡管理和控制。

數字系統可以設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務信道的比特流中，進行控制信息的傳輸，因而便于實現多種可靠的控制功能。(5)便于實現通信的安全保密。(6)降低設備成本、減小終端的體積和重量。1.2.3通信業務移動通信的傳統業務是電話通信。最近20多年來，隨著計算機的迅速發展和人們信息交往的日益頻繁與多樣化，對數據傳輸的需求也與日俱增。未來移動通信中的多媒體業務數據量將占總業務量將不斷增加。在第二代移動通信系統中，盡管主要業務是話音業務，但也可以提供豐富的數據業務，如短消息、低速率的Internet接入等業務。在第三代移動通信系統中，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務，包括話音、圖像和數據等。1.3常用移動通信系統1.3.1無線電尋呼系統無線電尋呼系統是一種單向通信系統。無線電尋呼系統的用戶設備是袖珍式接收機，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的組成。圖1-3無線電尋呼系統示意圖

1.3.2蜂窩移動通信系統

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

圖1-6是蜂窩移動通信系統的示意圖。圖中七個小區構成一個區群。小區編號代表不同的頻率組。小區與移動交換中心(MSC)相連。MSC在網中起控制和管理作用，對所在地區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）是移動通信網和公共電話交換網的接口單元，既保證網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蜂窩移動通信系統的示意圖當移動用戶在蜂窩服務區中快速運動時，用戶之間的通話常常不會在一個小區中結束。快速行駛的汽車在一次通話的時間內可能跨越多個小區。當移動臺從一個小區進入另一相鄰的小區時，其工作頻率及基站與移動交換中心所用的接續鏈路必須從它離開的小區轉換到正在進入的小區，這一過程稱為越區切換

。其控制機理如下：當通信中的移動臺到達小區邊界時，該小區的基站能檢測出此移動臺的信號正在逐漸變弱，而鄰近小區的基站能檢測出這個移動臺的信號正在逐漸變強，系統收集來自這些有關基站的檢測信息，進行判決。當需要實施越區切換時，就發出相應的指令，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切換到進入的小區。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。越區切換的示意圖見圖1-7。圖1-7越區切換示意圖表1-1給出了幾種模擬蜂窩移動通信系統的性能參數。這些系統包括：AMPS、TACS、NMT、C-450、NTT等。第二代是數字蜂窩移動通信系統，它們包括GSM、IS-95、IS-54、JDC(后改名為PDC)等，第三代數字蜂窩移動通信系統主要包括WCDMA（聯通）、CDMA2000（電信）、TD-SCDMA（移動）等。表1-1幾種模擬蜂窩移動通信系統

1.3.3無繩電話系統

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無繩電話系統示意圖無繩電話的手機、座機與電信點所發射的功率均在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為依托的通信方式，也可以說它是有線電話網的無線延伸，具有發射功率小、省電、設備簡單、價格低廉、使用方便等優點，當時發展十分迅速。

1.3.4集群移動通信系統1.集群的概念集群移動通信系統采用的基本技術是頻率共用技術。其主要做法是：①把一些由各部門分散建立的專用通信網集中起來，統一建網和管理，并動態地利用分配給它們的有限個頻道，以容納數目更多的用戶。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”(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.集群系統的用途和特點集群系統主要以無線用戶為主，即以調度臺與移動臺之間的通話為主。集群系統與蜂窩式通信系統在技術上有很多相似之處，但在主要用途、網絡組成和工作方式上有很多差異。①集群通信系統屬于專用移動通信網，適用于在各個行業(或幾個行業合用)中間進行調度和指揮，對網中的不同用戶常常賦予不同的優先等級。蜂窩通信系統屬于公眾移動通信網，適用于各階層和各行業中個人之間的通信，一般不分優先等級。②集群通信系統根據調度業務的特征，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(可根據業務情況調整)。蜂窩通信系統對通信時間一般不進行限制。③集群通信系統的主要服務業務是無線用戶和無線用戶之間的通信,蜂窩通信系統卻有大量的無線用戶與有線用戶之間的通話業務。④集群通信系統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在蜂窩通信系統中，可以采用頻道再用技術來提高系統的頻率利用率；而在集群系統中，主要是以改進頻道共用技術來提高系統的頻率利用率。1.3.5移動衛星通信系統

利用衛星中繼，在海上、空中和地形復雜而人口稀疏的地區中實現移動通信，具有獨特的優越性，很早就引起人們的重視。

1976年，國際海事衛星組織(IMARSAT)首先在太平洋、大西洋和印度洋上空發射了三顆同步衛星，組成了IMARSAT-A系統，為在這三個大洋上航行的船只提供通信服務。美國Motorola公司提出的“銥”(IRIDIUM)系統開始計劃設置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顆衛星，總共有77顆衛星在地球上空運行，這和銥原子中有77個電子圍繞原子核旋轉的情況相似，故取名為銥系統。圖1-14