第1章移动通信网络的演变与发展

1第1章移动通信网络的演变与发展1．1移动通信基本概念1．1．1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。随着社会的发展，科学技术的进步，人们希望能随时随地，迅速可靠地与通信的另一方进行信息交流。“信息交流”，不仅包括双方的通话，还包括数据、传真、图象等通信业务。正是因为移动通信能让人们随时随地，迅速可靠地与通信的另一方进行信息交流，为人们更有效地利用时间提供了可能，因而随着电子技术，特别是半导体、集成电路及计算机技术的发展，而得到了迅速发展。随着应用领域的扩大和对性能要求的提高，促使移动通信在技术上和理论上向更高水平进展。到20世纪80年代，移动通信已成为现代通信网中一种不可缺少并发展最快的通信手段之一。移动通信与其它通信方式相比，具有以下基本特点：1．电波传播条件恶劣在陆地上，移动体（如汽车）往来与建筑群或障碍物之中，起接收信号是由直射波和各反射波多径叠加而成。由于多径传播造成的瑞利衰落，电平幅度起伏深度达30dB以上。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cosvfd(1.1)多普勒频移导致附加调频噪声。3．干扰严重由于移动通信网是多电台、多波道通信系统，因而，通信设备除城市噪声（主要是车辆噪声）干扰外，电台干扰（同频干扰、互调干扰）较为突出。所以，抗干扰措施在移动通信系统设计中显得很为重要。4．接收设备动态范围大由于移动台的位置不断变化，接收机和（基站）发射机之间的距离不断变化，导致接收机接收信号电平的不断变化。这就要求接收设备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由于移动台不停运动的特点，为了实现可靠而有效的通信，必须采用位置登记和频道切换等移动性管理技术。6．综合了各种技术移动通信综合了交换机技术、计算机技术、传输技术。7．对设备要求苛刻移动用户常在野外，环境条件相对较差，因此对其设备（尤其对专网设备）要求相对苛刻。移动通信系统按用途、频段、制式、入网方式等不同，可以有不同的分类方法。如按用途和区域分，可分为陆地、海上、航空移动通信系统；按经营方式或用户性质分，可分为公众网（简称公网）、专用网（简称专网）；按基站配置分，可分为单区制、多区制、蜂窝制；2按与地面固定网连接方式分，可分为人工、半自动、全自动；按信号性质分，可分为模拟、数字移动通信系统；按多址方式分，可分为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）和空分多址（SDMA）等；按用户的通话状态和频率使用的方法可分为三种工作方式：单工制（simplex）、半双工制（halfduplex）、双工制（deplex）。1．1．2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（simplex）、半双工制（halfduplex）、双工制（deplex）。单工制分单频（同频）单工、双频（异频）单工。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，而使用同一副天线。这种工作方式移动台之间可直接通话,不需几辗转接。其优点为：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。缺点: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，频谱利用率低；④按键发话，松键受话，适用者不习惯。异频单工是指通信的双方使用两个不同频率f1和f2，而操作仍采用“按——讲”（pushtotalk，PTT）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，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。所谓双工转发中心转信台使用二组频率（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。由于使用收发频率有一定保护间隔的异频工作，提高了抗干扰能力，从而可用于组建有几个频道同时工作的通信网。半双工制是指中心转信台使用一组频率，而移动台采用单工制。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。其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，分台必须使用该方式。双工制是指通信的双方，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，类同平时打市话，使用自然，操作方便。双工可分频分双工（也称异频双工）和时分双工（也称同频双工）。异频双工制的优点：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。同频双工采用时隙双工技术，目前在无线通信中得到了越来越多的采用，如PHS（PAS，即“小灵通”）及无绳电话系统等等。同频双工最大的优点是频率利用率高，无需申请配对频点。31．1．3移动通信体制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和公共移动通信系统。按服务区域覆盖特点分，可分为两类，一类是小容量的大区制，另一类是大容量的小区制。1.1.3.1大区制移动通信网大区制就是在一个服务区域(如一个城市)内只有一个基站（BaseStation，简称BS），并由它负责移动通信的联络和控制，如图1.l所示。通常为了扩大服务区域的范围，基站天线架设得都很高，发射机输出功率也较大(一般在200W左右)，其覆盖半径大约为30—50km。但是因为电池容量有限，通常移动台发射机的输出功率较小，故移动台距基站较远时，移动台可以收到基站发来的信号(即下行信号)，但基站却收不到移动台发出的信号(即上行信号)。为了解决两个方向通信不一致的问题，可以在适当地点设立若干个分集接收站，如图1.l虚线所示，以保证在服务区内的双向通信质量。在大区制中，为了避免相互间的干扰，在服务区内的所有频道(一个频道包含收、发一对频率)的频率都不能重复。譬如，移动台MSl使用了频率fl和f2。那么，另一个移动台MS2就不能再使用这对频率了，否则将产生严重的相互串扰。因而这种体制的频率利用率及通信的容量都受到了限制，满足不了用户数量急剧增长的需要。RRRRBSf3f4f2f1MS1MS2服务区（无线区）图1.l大区制移动通信示意图大区制的优点是简单、投资少、见效快，主要用于专用移动通信网，或用于用户较少的地域，如农村城镇，为节约初期工程投资，可按大区制设计考虑。但是，从远期规划来说，为了满足用户数量增长的需要，提高频率的利用率，就需采用小区制的办法。专网的最大功能要求是调度，专网经历了一对一的单机对讲系统，单信道一呼百应系统及选呼系统，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象，如Motorola的iDEN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。1.1.3.2小区制（蜂窝）移动通信网4小区制就是把整个服务区域划分为若干个无线小区(Cell)，每个小区分别设置一个基站，负责本区移动通信的联络和控制。同时，又可在移动业务交换中心的统一控制下，实现小区之间移动用户通信的转接，以及移动用户与市话用户的联系。譬如，可以把图1.l中的服务区域一分为七，如图1.2所示,由于形状酷似蜂窝,小区制常俗称蜂窝网(Cellular)。每个小区（半径为2km～20km）设一个小功率基站(BSl—BS7)，发射功率一般为5～20W，以满足各无线小区移动通信的需要。随着用户数的不断增加，无线小区还可以继续划小为微小区（microcell）和微微小区（毫区picrocell），以不断适应用户数增长的需要。每个小区的半径按需要决定，目前小的有1km～3km，有的城市为500m。小区制的最大特点是实现网内的频率复用,这大大地提高了频率的利用率，有效地解决频道数量有限和用户数增大的矛盾，被视为移动通信史上的一次革命。而且由于基站功率减小，也使相互间的干扰减少了；此外，无线小区的范围还可根据实际用户数的多少灵活确定，具有组网的灵活性。公用移动电话网均采用这种体制。但是这种体制，在移动台通话过程中，从一个小区转入另一个小区时，移动台需要更换工作频道。无线小区的范围越小，通话中转换频道的次数就越多，这样对控制交换功能的要求就提高了，再加上基站数量的增加，建网的成本就提高了，所以无线小区的范围也不宜过小。目前，无线小区半径一般为5Km左右。当基站采用全向天线时，基站覆盖区大致是一个圆。当多个无线小区彼此连接覆盖整个服务区，可以用圆的内接正多边形来近似。能全面覆盖一个平面的正多边形有正三角形、正方形、正六边形三种。在这三种小区结构中，正六边形小区的中心间隔和覆盖面积均最大，且重叠区域宽度和重叠区域的面积最小。这意味着对于同样大小的服务区域，采用正六边形构成小区所需的小区数最少，所需频率组数最少，各基站间的同频干扰最小。由于小区采用了正六边形小区结构，形成蜂窝状分布，故小区制亦称蜂窝制。在移动通信系统中，对基站进行选址和分配信道组的设计过程叫做频率规划。MSCPSTN图1.2小区制(蜂窝)移动通信网5PSTNMSCMSCBSHLRVLRAuCMS1.1．4移动通信系统的组成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1.3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）、基地站（BS,BaseStation,简称基站）和移动台（MS,MobileStation）等功能实体组成。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，固定网进入移动网的那个接口MSC称为关口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。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