第6章移动通信

第6章移动通信网第6章移动通信网6.1移动通信的基本概念及发展历史6.2基本技术和网络结构6.3GSM系统6.4CDMA系统6.5卫星移动通信系统6.6第三代移动通信系统思考题第6章移动通信网6.1移动通信的基本概念及发展历史6.1.1移动通信的基本概念移动通信是指通信的一方或双方可以在移动中进行的通信过程，也就是说，至少有一方具有可移动性。可以是移动台与移动台之间的通信，也可以是移动台与固定用户之间的通信。移动通信满足了人们无论在何时何地都能进行通信的愿望，上个世纪80年代以来，特别是90年代以后，移动通信得到了飞速的发展。相比固定通信而言，移动通信不仅要给用户提供与固定通信一样的通信业务，而且由于用户的移动性，其管理技术要比固定通信复杂得多。同时，由于移动通信网中依靠的是无线电波的传播，其传播环境要比固定网中有线媒质的传播特性复杂，因此，移动通信有着与固定通信不同的特点。第6章移动通信网1．移动通信的特点(1)用户的移动性。要保持用户在移动状态中的通信，必须是无线通信，或无线通信与有线通信的结合。因此，系统中要有完善的管理技术来对用户的位置进行登记、跟踪，使用户在移动时也能进行通信，不因为位置的改变而中断。(2)电波传播条件复杂。移动台可能在各种环境中运动，如建筑群或障碍物等，因此电磁波在传播时不仅有直射信号，而且还会产生反射、折射、绕射、多普勒效应等现象，从而产生多径干扰、信号传播延迟和展宽等。因此，必须充分研究电波的传播特性，使系统具有足够的抗衰落能力，才能保证通信系统正常运行。第6章移动通信网(3)噪声和干扰严重。移动台在移动时不仅受到城市环境中的各种工业噪声和天然电噪声的干扰，同时，由于系统内有多个用户，因此，移动用户之间还会有互调干扰、邻道干扰、同频干扰等。这就要求在移动通信系统中对信道进行合理的划分和频率的再用。(4)系统和网络结构复杂。移动通信系统是一个多用户通信系统和网络，必须使用户之间互不干扰，能协调一致地工作。此外，移动通信系统还应与固定网、数据网等互连，整个网络结构是很复杂的。第6章移动通信网(5)有限的频率资源。在有线网中，可以依靠多铺设电缆或光缆来提高系统的带宽资源。而在无线网中，频率资源是有限的，ITU对无线频率的划分有严格的规定。如何提高系统的频率利用率是移动通信系统的一个重要课题。第6章移动通信网2．移动通信的分类移动通信的种类繁多，其中陆地移动通信系统有：蜂窝移动通信、无线寻呼系统、无绳电话、集群系统等。同时，移动通信和卫星通信相结合产生了卫星移动通信，它可以实现国内、国际大范围的移动通信。(1)集群移动通信。集群移动通信是一种高级移动调度系统。所谓集群通信系统，是指系统所具有的可用信道为系统的全体用户共用，具有自动选择信道的功能，是共享资源、分担费用、共用信道设备及服务的多用途和高效能的无线调度通信系统。第6章移动通信网(2)公用移动通信系统。公用移动通信系统是指给公众提供移动通信业务的网络。这是移动通信最常见的方式。这种系统又可以分为大区制移动通信和小区制移动通信，小区制移动通信又称蜂窝移动通信。(3)卫星移动通信。利用卫星转发信号也可实现移动通信。对于车载移动通信可采用同步卫星，而对手持终端，采用中低轨道的卫星通信系统较为有利。第6章移动通信网(4)无绳电话。对于室内外慢速移动的手持终端的通信，一般采用小功率、通信距离近、轻便的无绳电话机。它们可以经过通信点与其他用户进行通信。(5)寻呼系统。无线电寻呼系统是一种单向传递信息的移动通信系统。它是由寻呼台发信息，寻呼机收信息来完成的。第6章移动通信网6.1.2移动通信的发展历史移动通信可以说从无线电通信发明之日就产生了。早在1897年，马可尼所完成的无线通信试验就是在固定站与一艘拖船之间进行的，距离为18海里(1海里=1852米)。现代移动通信的发展始于20世纪20年代，而公用移动通信是从20世纪60年代开始的。公用移动通信系统的发展已经经历了第一代(1G)和第二代(2G)，并将继续朝着第三代(3G)和第四代(4G)的方向发展。第6章移动通信网1．第一代移动通信系统(1G)第一代移动通信系统为模拟移动通信系统，以美国的AMPS(IS-54)和英国的TACS为代表，采用频分双工、频分多址制式，并利用蜂窝组网技术以提高频率资源利用率，克服了大区制容量密度低、活动范围受限的问题。虽然采用频分多址，但并未提高信道利用率，因此通信容量有限；通话质量一般，保密性差；制式太多，标准不统一，互不兼容；不能提供非话数据业务；不能提供自动漫游。因此，已逐步被各国淘汰。本章将简单介绍AMPS系统和TASC系统。第6章移动通信网2．第二代移动通信系统(2G)第二代移动通信系统为数字移动通信系统，是当前移动通信发展的主流，以GSM和窄带CDMA为典型代表。第二代移动通信系统中采用数字技术，利用蜂窝组网技术。多址方式由频分多址转向时分多址和码分多址技术，双工技术仍采用频分双工。2G采用蜂窝数字移动通信，使系统具有数字传输的种种优点，它克服了1G的弱点，话音质量及保密性能得到了很大提高，可进行省内、省际自动漫游。但系统带宽有限，限制了数据业务的发展，也无法实现移动的多媒体业务。并且由于各国标准不统一，无法实现全球漫游。近年来又有第三代和第四代的技术和产品产生。第6章移动通信网目前采用的2G系统主要有：(1)美国的D-AMPS，是在原AMPS基础上改进而成的，规范由IS-54发展成IS-136和IS-136HS，1993年投入使用。它采用时分多址技术。(2)欧洲的GSM全球移动通信系统，是在1988年完成技术标准制定的，1990年开始投入商用。它采用时分多址技术，由于其标准化程度高，进入市场早，现已成为全球最重要的2G标准之一。(3)日本的PDC，是日本电波产业协会于1990年确定的技术标准，1993年3月正式投入使用。它采用的也是时分多址技术。(4)窄带CDMA，采用码分多址技术，1993年7月公布了IS-95空中接口标准，目前也是重要的2G标准之一。第6章移动通信网6.2基本技术和网络结构6.2.1移动通信网的系统构成图6.1移动通信网的组成GMSC至其他网络BSBSBSBSBSBS数据库MSCMSCMSC数据库数据库第6章移动通信网1．移动业务交换中心MSC移动业务交换中心MSC(Mobile-servicesSwitchingCentre)是蜂窝通信网络的核心。MSC负责本服务区内所有用户的移动业务的实现，具体讲，MSC有如下作用：●信息交换功能：为用户提供终端业务、承载业务、补充业务的接续；●集中控制管理功能：无线资源的管理，移动用户的位置登记、越区切换等；●通过关口MSC与公用电话网相连。第6章移动通信网2．基站BS基站BS(BaseStation)负责和本小区内移动台之间通过无线电波进行通信，并与MSC相连，以保证移动台在不同小区之间移动时也可以进行通信。采用一定的多址方式可以区分一个小区内的不同用户。3．移动台MS移动台MS(MobileStation)即手机或车载台。它是移动网中的终端设备，要将用户的话音信息进行变换并以无线电波的方式进行传输。第6章移动通信网4．中继传输系统在MSC之间、MSC和BS之间的传输线均采用有线方式。5．数据库移动网中的用户是可以自由移动的，即用户的位置是不确定的。因此，要对用户进行接续，就必须要掌握用户的位置及其他的信息，数据库即是用来存储用户的有关信息的。数字蜂窝移动网中的数据库有归属位置寄存器(HLR:HomeLocationRegister)、访问位置寄存器(VLR:VisitorLocationRegister)、鉴权认证中心(AUC:AuthenticCenter)、设备识别寄存器(EIR:EquipmentIdentityRegister)等。第6章移动通信网6.2.2移动通信网的覆盖方式1．大区制所谓大区制，是指由一个基站(发射功率为50～100W)覆盖整个服务区，该基站负责服务区内所有移动台的通信与控制。大区制的覆盖半径一般为30～50km。采用这种大区制方式时，由于采用单基站制，没有重复使用频率的问题，因此技术问题并不复杂。只需根据所覆盖的范围，确定天线的高度，发射功率的大小，并根据业务量大小，确定服务等级及应用的信道数。但也正是由于采用单基站制，因此基站的天线需要架设得非常高，发射机的发射功率也要很高。即使这样做，也只可保证移动台收到基站的信号，而无法保证基站能收到移动台的信号。因此这种大区制通信网的覆盖范围是有限的，只能适用于小容量的网络，一般用在用户较少的专用通信网中，如早期的模拟移动通信网(IMTS：ImprovedMobileTelephoneService)中即采用大区制。第6章移动通信网2．小区制小区制是指将整个服务区划分为若干小区，在每个小区设置一个基站，负责本小区内移动台的通信与控制。小区制的覆盖半径一般为2～10km，基站的发射功率一般限制在一定的范围内，以减少信道干扰。同时还要设置移动业务交换中心，负责小区间移动用户的通信连接及移动网与有线网的连接，保证移动台在整个服务区内，无论在哪个小区都能够正常进行通信。由于是多基站系统，因此小区制移动通信系统中需采用频率复用技术。在相隔一定距离的小区进行频率再用，可以提高系统的频率利用率和系统容量，但网络结构复杂，投资巨大。尽管如此，为了获得系统的大容量，在大容量公用移动通信网中仍普遍采用小区制结构。第6章移动通信网公用移动通信网在大多数情况下，其服务区为平面形，称为面状服务区。这时小区的划分较为复杂，最常用的小区形状为正六边形，这是最经济的一种方案。由于正六边形的网络形同蜂窝，因此称此种小区形状的移动通信网为蜂窝网。蜂窝状服务区如图6.2所示。目前公用移动通信系统的网络结构均为蜂窝网结构，称为蜂窝移动通信系统，因此以下只介绍蜂窝移动通信系统。第6章移动通信网图6.2蜂窝状服务区示意图BSBSBSBSBSBSBS第6章移动通信网6.2.3移动通信网中的基本技术1．多址方式当把多个用户接入一个公共的传输媒质实现相互间通信时，需要给每个用户的信号赋以不同的特征，以区分不同的用户，这种技术称为多址技术。众所周知，移动通信是依靠无线电波的传播来传输信号的，具有大面积覆盖的特点。因此网内一个用户发射的信号其他用户均可接收到所传播的电波。网内用户如何能从播发的信号中识别出发送给自己的信号就成为建立连接的首要问题。在蜂窝通信系统中，移动台是通过基站和其他移动台进行通信的，因此必须对移动台和基站的信息加以区别，使基站能区分是哪个移动台发来的信号，而各移动台又能识别出哪个信号是发给自己的。要解决这个问题，就必须给每个信号赋以不同的特征，这就是多址技术要解决的问题。多址技术是移动通信的基础技术之一。第6章移动通信网多址方式的基本类型有：频分多址方式(FDMA:FrequencyDivisionMultipleAccess)、时分多址方式(TDMA:TimeDivisionMultipleAccess)、空分多址方式(SDMA:SpaceDivisionMultipleAccess)、码分多址方式(CDMA:CodeDivisionMultipleAccess)等。目前移动通信系统中常用的是FDMA、TDMA、CDMA以及它们的组合。第6章移动通信网1)频分多址方式(FDMA)图6.3FDMA示意图时间t频率f频道第6章移动通信网在通信时，不同的移动台占用不同频率的信道进行通信。因为各个用户使用不同频率的信道，所以相互没有干扰。FDMA的信道每次只能传递一个电话，并且在分配成语音信道后，基站和移动台就会同时连续不断地发射信号，在接收设备中使用带通滤波器只允许指定频道里的能量通过，滤除其他频率的信号，从而将需要的信号提取出来，而限制临近信道之间的相互干扰。由于基站要同时和多个用户进行通信，基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号；另外，任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转，因而必须占用四个频道才能实现双向通信。第6章移动通信网FDMA是