移动通信第一章

第1章概述第1章概述1.1移动通信及其特点1.2移动通信的工作方式1.3移动通信系统的组成1.4移动通信系统的频段使用1.5多址方式1.6其他常用技术1.7移动通信系统的发展1.8第四代移动通信(4G)标准及现状第1章概述1.1移动通信及其特点移动通信是指移动用户之间，或移动用户与固定用户之间进行的通信。与其他通信方式相比，移动通信具有以下基本特点：(1)电波传播条件恶劣。(2)具有多普勒效应。由于移动台在运动中，所以产生多普勒频移效应，频移值fd与移动台运动速度v、工作频率f（或波长λ）及电波到达角θ有关，即cosdf(1-1)多普勒频移导致附加调频噪声。第1章概述(3)干扰严重。(4)接收设备应具有很大的动态范围。(5)需要采用位置登记、过境切换等移动性管理技术。(6)综合了各种技术。(7)对设备要求苛刻。第1章概述1.2移动通信的工作方式移动通信按照用户的通话状态和频率使用的方法分，有三种工作方式：单工制、半双工制和双工制。单工制分单频（同频）单工和双频（异频）单工两种，见图1-1。第1章概述图1-1单工通信方式第1章概述同频单工。同频是指通信的双方，使用相同工作频率（f1）；单工是指通信的双方的操作采用“按—讲”（pushtotalk，PTT）方式。平时，双方的接收机均处于守听状态。如果A方需要发话，可按下PTT开关，发射机工作，并使A方接收机关闭。这时，由于B方接收机处于守听状态，即可实现由A至B的通话；同理，也可实现B至A的通话。在该方式中，电台的收发信机是交替工作的，故收发信机不需要使用天线共用器，而是使用同一副天线。第1章概述同频单工的优点是：①设备简单；②移动台之间可直接通话，不需基站转接；③不按键时发射机不工作，因此功耗小。它的缺点是:①只适用于组建简单和甚小容量的通信网；②当有两个以上移动台同时发射时就会出现同频干扰；③当附近有邻近频率的电台发射时，容易造成强干扰。为了避免干扰，要求相邻频率的间隔大于4MHz，因而频谱利用率低；④按键发话，松键受话，使用者不很习惯。第1章概述异频单工。它是指通信的双方使用两个不同频率为f1和f2，而操作仍采用“按—讲”方式。由于收发使用不同的频率，同一部电台的收发信机可以交替工作，也可以收常开，只控制发，即按下PTT发射。其优缺点与同频单工基本相同。在无中心台转发的情况下，电台需配对使用，否则通信双方无法通话。故这种方式主要用于有中心台转发（单工转发或双工转发）的情况。所谓单工转发，即中心转信台使用一组频率（如收用f1，发用f2），一旦接收有载波信号即转去发送。所谓双工转发,即中心转信台使用两组频率（一组收用f1，发用f2；另一组收用f3，发用f4），任一路一旦接收有载波信号即转去发送。第1章概述半双工制。如图1-2所示，中心转信台（A）使用一组频率，而移动台（B）采用单工制，主要用于有中心转信台的无线调度系统。半双工制的优点是：①移动台设备简单，价格低，耗电少；②收发采用不同频率，提高了频谱利用率；③移动台受邻近电台干扰小。它的缺点是移动台仍需按键发话，松键受话，使用不方便。由于收发使用不同的频率，同一部电台的收发信机可以交替工作，也可以收常开，只控制发，即按下PTT发射。在中心台转发的系统中，移动台必须使用该方式。第1章概述图1-2半双工通信方式第1章概述双工制。双工制如图1-3所示，是指通信的双方，收发信机均同时工作，即任一方在发话的同时，也能收听到对方的话音，无需按PTT开关，类同于平时打市话，使用自然，操作方便。双工制也可分为同频双工和异频双工。异频双工制的优点是：①收发频率分开可大大减小干扰；②用户使用方便。缺点是：①移动台在通话过程中总是处于发射状态，因此功耗大；②移动台之间通话需占用两个频道；③设备较复杂，价格较贵。在无中心台转发的情况下，异频双工电台需配对使用，否则通信双方无法通话。同频双工采用时分双工(TDD)技术，是近年来发展起来的第1章概述图1-3双工通信方式第1章概述1.3移动通信系统的组成移动通信系统按其经营方式或用户性质可分为专用移动通信系统（专网）和公共移动通信系统（公网）。专网的最大功能要求是调度，专网的发展经历了一对一的单机对讲系统，单信道一呼百应系统和选呼系统，后来又发展到多信道多用户共享的专用调度系统。集群（Trunking）移动通信是传统的专用无线调度系统的高级发展阶段，是专用移动通信的发展方向。随着电子技术、集成电路技术、计算机技术和交换技术的飞速发展，专用移动通信的网络结构与公共移动通信系统越来越相像，如Motorola的iDENiDEN:IntegnatedDigitalEnhancedNetwork，集群数字高效网络。数字集群移动通信系统，其本身就是在数字蜂窝移动通信系统上加上了调度功能。第1章概述所以，我们将重点介绍公共移动通信系统的网络结构。公共移动通信系统，即蜂窝移动通信系统的基本系统结构如图1-4所示。一个交换区由一个移动交换中心MSC（MobileServiceSwitchingCentre）、一个或若干个归属位置寄存器HLR（HomeLocationRegister）和访问者位置寄存器VLR（VisitorLocationRegister)，有时几个MSC合用一个VLR、设备识别寄存器EIR（EquipmentIdentityRegister）、鉴权中心AuC（AuthenticationCentre）、操作维护中心OMC（OperationandMaintenanceCentre）、基站BS（BaseStation）和移动台MS（MobileStation）等功能实体组成。第1章概述图1-4蜂窝移动通信系统的基本结构第1章概述MSC对位于其服务区内的MS进行交换和控制，同时提供移动网与固定公众电信网的接口。MSC是移动网的核心。作为交换设备，MSC具有完成呼叫接续与控制的功能，这点与固定网交换中心相同。作为移动交换中心，MSC又具有无线资源管理和移动性管理等功能，例如移动台位置登记与更新、越区切换等。为了建立从固定网至某个移动台的呼叫路由，固定网就近进入关口MSC（GMSC），由该GMSC查询有关的HLR，并建立至移动台当前所属的MSC的呼叫路由。第1章概述HLR是用于移动用户管理的数据库。每个移动用户必须在某个HLR中登记注册。HLR所存储的用户信息分为两类：一类是有关用户参数的信息，例如用户类别，向用户所提供的服务，用户的各种号码、识别码以及用户的保密参数等；另一类是有关用户当前位置的信息，例如移动台漫游号码、VLR地址等，用于建立至移动台的呼叫路由。第1章概述VLR是存储用户位置信息的动态数据库。当漫游用户进入某个MSC区域时，必须向该MSC相关的VLR登记，并被分配一个移动用户漫游号（MSRN），在VLR中建立该用户的有关信息，其中包括移动用户识别码（MSI）、移动用户漫游号（MSRN），所在位置区的标志以及向用户提供的服务等参数，这些信息是从相应的HLR中传递过来的。MSC在处理入网、出网呼叫时需要查询VLR中的有关信息。一个VLR可以负责一个或若干个MSC区域。EIR是存储有关移动台设备参数的数据库。EIR实现对移动设备的识别、监视、闭锁等功能。第1章概述1.4移动通信系统的频段使用早期的移动通信主要使用VHF和UHF频段，其主要原因有以下三点:(1)VHF/UHF频段较适合移动通信。(2)天线较短，便于携带和移动。(3)抗干扰能力强。目前，大容量移动通信系统均使用800MHz频段(CDMA)，900MHz频段(AMPS、TACS、GSM)，并开始使用1800MHz频段(GSM1800/DCS1800)，该频段用于微蜂窝(Microcell)系统。第1章概述1.5多址方式1.5.1移动通信系统中的多址方式（1）FDMA。当前应用这种多址方式的主要蜂窝系统有北美的AMPS和英国的TACS。在我国AMPS和TACS这两种制式都有应用，但TACS占绝大多数。所谓FDMA，就是在频域中一个相对窄带信道里，信号功率被集中起来传输，不同信号被分配到不同频率的信道里，发往和来自邻近信道的干扰用带通滤波器限制，这样在规定的窄带里只能通过有用信号的能量，而任何其他频率的信号被排斥在外。模拟的FMFDMA。第1章概述（2）TDMA。当前应用这种多址方式的主要蜂窝系统有北美的DAMPS和欧洲的GSM，在我国这两种制式也都有应用，但GSM占绝大多数。所谓TDMA，就是一个信道由一连串周期性的时隙构成。不同信号的能量被分配到不同的时隙里，利用定时选通来限制邻近信道的干扰，从而只让在规定时隙中有用的信号能量通过。实际上，现在使用的TDMA蜂窝系统都是FDMA和TDMA的组合，如美国TIA建议的DAMPS数字蜂窝系统就是先使用了30kHz的频分信道，再把它分成6个时隙进行TDMA传输。第1章概述（3）CDMA。当前应用这种多址方式的主要蜂窝系统有北美的IS-95CDMA系统。所谓CDMA，就是每一个信号被分配一个伪随机二进制序列进行扩频，不同信号的能量被分配到不同的伪随机序列里。在接收机里，信号用相关器加以分离，这种相关器只接收选定的二进制序列并压缩其频谱，凡不符合该用户二进制序列的信号，其带宽就不被压缩。结果只有有用信号的信息才被识别和提取出来。第1章概述（4）SDMA。它是一种较新的多址技术，在由中国提出的第三代移动通信（3G）标准TD-SCDMA中就应用了SDMA技术。空分多址的原理如图1-5（d）所示。SDMA实现的核心技术是智能天线的应用，理想情况下它要求天线给每个用户分配一个点波束，这样根据用户的空间位置就可以区分每个用户的无线信号。换句话说，处于不同位置的用户可以在同一时间使用同一频率和同一码型，而不会相互干扰。实际上，SDMA通常都不是独立使用的，而是与其他多址方式(如FDMA、TDMA和CDMA等)结合使用。第1章概述也就是说，对于处于同一波束内的不同用户再用这些多址方式加以区分。SDMA的优势是明显的：它可以提高天线增益，使得功率控制更加合理有效，显著地提升了系统容量；此外，一方面可以削弱来自外界的干扰，另一方面还可以降低对其他电子系统的干扰。SDMA实现的关键是智能天线技术，这也正是当前应用SDMA的难点。特别是对于移动用户，由于移动无线信道的复杂性，使得智能天线中关于多用户信号的动态捕获、识别与跟踪以及信道的辨识等算法极为复杂，从而对DSP（数字信号处理）提出了极高的要求，对于当前的技术水平是个严峻的挑战。所以，虽然人们对于智能天线的研究已经取得了不少鼓舞人心的进展，但由于存在上述一些目前难以克服的问题而未得到广泛应用。但可以预见，由于SDMA的诸多优点，SDMA的推广是必然的。第1章概述图1-5多址方式示意图（a）FDMA的频段划分方法；(b)TDMA示意图；(c)FH－CDMA和DS－CDMA示意图；(d)空分多址示意图第1章概述1.5.2移动通信系统中不同多址方式的频谱效率在FDMA蜂窝系统中，频谱效率取决于每赫兹带宽信息比特率和频率复用系数。美国模拟蜂窝系统AMPS将分配的频谱分成30kHz带宽的许多信道，并使用窄带FM调制，调制效率为每30kHz一条话路。由于干扰，同一频率不能在每一小区中重复作用。为提供可靠的通话质量，载干比（C/I）需要18dB或更高。根据推算和经验表明，在大多数情况下，这个C/I值需要在频率复用系数为1/7时才能达到。频率复用系数是表示相同频率是如何被复用的数目。因此,得到的结论是：每个小区中必须占用210kHz的频谱才有一条话路。通过减小小区面积增加小区数，虽然从理论上能取得任意高的话路容量，但需要增加设备费用。此外，由于小区覆盖范围减小，也增加了基站间的切换次数。切换次数的增加将导致两个坏处：一是容易掉话；二是加重了交换机的负担。第1章概述TDMA频谱效率的计算基本上和FDMA相同。由于目前被认可的频率复用准则和模拟系统相似，我们可以算出对于DAMPS，每个小区必须占用70kHz的频谱才有一条话路。换句话说，它的容量是模拟AMPS的三倍。同样