移动通信之概论

第1章移动通信概论1.1移动通信概述1.2常用移动通信系统1.3移动通信发展概况和发展方向1.1移动通信概述1.1.1基本概念1.1.2移动通信系统的组成1.1.3移动通信的特点1.1.4移动通信的分类1.1.5移动通信的工作频段1.1.6移动通信的工作方式1.1.7移动通信的组网1.1.1基本概念移动通信，是指通信双方或至少有一方处于运动中进行信息传输和交换的通信方式。移动通信系统包括无绳电话、无线寻呼、陆地蜂窝移动通信、卫星移动通信等。移动体之间通信联系的传输手段只能依靠无线电通信，因此，无线通信是移动通信的基础，而无线通信技术的发展将推动移动通信的发展。1.1.2移动通信系统的组成移动通信系统是移动体之间、移动体和固定用户之间以及固定用户与移动体之间，能够建立许多信息传输通道的通信系统。移动通信包括无线传输、有线传输，信息的收集、处理和存储等，使用的主要设备有无线收发信机、移动交换控制设备和移动终端设备。1.1.2移动通信系统的组成图1-1移动通信系统的组成1.1.2移动通信系统的组成移动通信无线服务区由许多正六边形小区覆盖而成，呈蜂窝状，通过接口与公众通信网（PSTN、ISDN、PDN）互联。移动通信系统包括移动交换子系统（SS）、操作维护管理子系统（OMS）、基站子系统（BSS）和移动台（MS），是一个完整的信息传输实体。1.1.2移动通信系统的组成移动通信中建立一个呼叫是由BSS和SS共同完成的；BSS提供并管理MS和SS之间的无线传输通道，SS负责呼叫控制功能，所有的呼叫都是经由SS建立连接的；OMS负责管理控制整个移动网。1.1.2移动通信系统的组成MS也是一个子系统。它实际上是由移动终端设备和用户数据两部分组成的，移动终端设备称为移动设备；用户数据存放在一个与移动设备可分离的数据模块中，此数据模块称为用户识别卡（SIM）。1.1.3移动通信的特点1．移动通信必须利用无线电波进行信息传输2．移动通信是在复杂的干扰环境中运行3．随着移动通信业务量的需求与日俱增，移动通信可以利用的频谱资源非常有限4．对移动台的要求高5．通道容量有限6．通信系统复杂1.1.4移动通信的分类按使用对象可分为民用设备和军用设备；按使用环境可分为陆地通信、海上通信和空中通信；按多址方式可分为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）等；按覆盖范围可分为广域网和局域网；按业务类型可分为电话网、数据网和综合业务网；按工作方式可分为同频单工、异频单工、异频双工和半双工；按服务范围可分为专用网和公用网；按信号形式可分为模拟网和数字网。1.1.5移动通信的工作频段早期的移动通信主要使用VHF和UHF频段。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。第三代移动通信使用2.4GHz频段。1.1.6移动通信的工作方式从传输方式的角度来看，无线通信分为单向传输（广播式）和双向传输（应答式）。单向传输只用于无线电寻呼系统。双向传输有单工、双工和半双工三种工作方式。单工通信是指通信双方电台交替地进行收信和发信，根据收、发频率的异同，又可分为同频单工和异频单工。1.1.6移动通信的工作方式图1-2单工通信1.1.6移动通信的工作方式图1-3双工通信1.1.6移动通信的工作方式半双工通信的组成与图1-3相似，移动台采用类似单工的“按讲”方式，即按下按讲开关，发射机才工作，而接收机总是工作的。基站工作情况与双工方式完全相同。1.1.7移动通信的组网蜂窝式组网的目的是解决常规移动通信系统的频谱匮乏，容量小，服务质量差，频谱利用率低等问题。蜂窝式组网理论为移动通信技术的发展和新一代多功能设备的产生奠定了基础1．无线蜂窝式小区覆盖和小功率发射蜂窝式组网放弃了点对点传输和广播覆盖模式，将一个移动通信服务区划分成许多以正六边形为基本几何图形的覆盖区域，称为蜂窝小区。一个较低功率的发射机服务一个蜂窝小区，在较小的区域内设置相当数量的用户。根据不同制式系统和不同用户密度挑选不同类型的小区。1．无线蜂窝式小区覆盖和小功率发射基本的小区类型如下。超小区：小区半径r20km，适于人口稀少的农村地区。宏小区：小区半径r=1km～20km，适于高速公路和人口稠密的地区。微小区：小区半径r=0.1km～1km，适于城市繁华区段。微微小区：小区半径r0.1km，适于办公室、家庭等移动应用环境。当蜂窝小区用户数增大到一定程度而使准用频道数不够用时，采用小区分裂将原蜂窝小区分裂为更小的蜂窝小区，低功率发射和大容量覆盖的优势十分明显。2．频率覆盖蜂窝系统的基站工作频率，由于传播损耗提供足够的隔离度，在相隔一定距离的另一个基站可以重复使用同一组工作频率，称为频率复用。采用频率复用大大地缓解了频率资源紧缺的矛盾，增加了用户数目或系统容量。频率复用所带来的问题是同频干扰。同频干扰的影响并不与蜂窝之间的绝对距离有关，而是和蜂窝间距离与小区半径比值有关。3．多信道共用和越区切换由若干无线信道组成的移动通信系统，为大量的用户共同使用仍能满足服务质量的信道利用技术，称为多信道共用技术。为了保证通话的连续性，当正在通话的移动台进入相邻无线小区时，移动通信系统必须具备业务信道自动切换到相邻小区基站的越区切换功能，即切换到新的信道上，从而不中断通信过程。4．无线通信优势与有线网络优势的理想互联移动信息通过基站和移动业务交换中心进入公众电信网或其他移动网，实现移动用户与市话用户、移动用户与移动用户，以及移动用户与长途用户之间的通信。互联使移动无线网适应公众网的质量标准，突破业务区域限制，也使公众网的服务范围得到扩大和延伸。1.2常用移动通信系统1.2.1蜂窝移动通信系统1.2.2无绳电话系统1.2.3集群移动通信系统1.2.4移动卫星通信系统1.2.5分组无线网1.2.1蜂窝移动通信系统早期的移动通信系统是在其覆盖区域中心设置大功率的发射机，采用高架天线把信号发送到整个覆盖地区（半径可达几十公里）。这种系统的主要矛盾是同时能提供给用户使用的信道数极为有限，远远满足不了移动通信业务迅速增长的需要。1.2.1蜂窝移动通信系统图1-4大区覆盖与小区覆盖1.2.1蜂窝移动通信系统蜂窝通信网络把整个服务区域划分成若干个较小的区域（cell，在蜂窝系统中称为小区），各小区均用小功率的发射机（即基站发射机）进行覆盖，许多小区像蜂窝一样能布满（即覆盖）任意形状的服务地区，如图1-4（b）所示。1.2.1蜂窝移动通信系统相邻小区不允许使用相同的频道，否则会发生相互干扰，称同道干扰。蜂窝通信既能满足大的无线覆盖区和高速移动用户的要求，又能满足高密度、低速移动用户的要求，同时还可满足室内用户的要求，从而使蜂窝通信向个人通信发展。1.2.1蜂窝移动通信系统表1-1几种模拟蜂窝移动通信系统的性能参数NMT北欧系统名称AMPS美国TACS英国NMT-450NMT-900C-450德国NTT日本无线频段/MHz900900450900450800收发间隙/MHz454510451055频带宽度/MHz25×225×24.5×225×24.4×225×2频率间隙/kHz30252512.52012.5基站401005025,6,1.52025.5车台34～10156151发射功率（W）手机0.60.6～1.622－1市区2～71～44222～3小区半径（km）郊区10～20152010255～10语音调制方式FMFMFMFMFMFM数字信令调制方式及速率FSK10kbit/sFSK8kbit/sFSK1.2kbit/sFSK1.2kbit/sFSK5.28kbit/sFSK2.4kbit/s1.2.2无绳电话系统无绳电话是一种以有线电话网为依托的通信方式，是有线电话网的无线延伸。无绳电话具有发射功率小、省电、设备简单、价格低廉、使用方便等优点，因而发展十分迅速，目前已经形成了多种数字式无绳电话系统。1.2.2无绳电话系统图l-5无绳电话系统示意图1.2.2无绳电话系统欧洲数字无绳电话系统（DECT）个人手持电话系统（PHS）个人接入通信系统（PACS）在我国应用比较广泛的“小灵通”采用了PHS协议，是属于无绳电话衍生的通信手段。1.2.3集群移动通信系统集群移动通信系统属于调度系统的专用通信网。集群移动通信系统采用的基本技术是频率公用技术。集群移动通信系统采用半双工工作方式。集群移动通信系统主要以无线用户为主，即以调度台与移动台之间的通话为主。集群移动通信系统属于专用移动通信网，适用于在各个行业（或几个行业合用）中间进行调度和指挥，对网中的不同用户常常赋予不同的优先等级。1.2.4移动卫星通信系统卫星通信具有全球范围的覆盖区，信道稳定、可靠及系统容量大等优点，从诞生至今，得到了迅猛发展。通过卫星为移动台及手机提供移动通信服务而构成移动卫星通信系统（MSS）。MSS是以VAST和地面蜂窝移动通信为基础，结合空间卫星多波束技术及星上处理、计算机等高新技术而构成的超越时空的全球个人通信网。1.2.5分组无线网分组无线网是一种利用无线信道进行分组交换的通信网络，即网络中传送的信息要以“分组”或称“信包”（有时简称“包”）为基本单元。分组是由若干比特组成的信息段，通常包含“包头”和“正文”两部分。包头中含有该分组的源地址（起始地址）、宿地址（目的地址）和有关的路由信息，正文是真正需要传送的信息。1.2.5分组无线网分组传输方式是存储转发方式的—种，用户终端必须先把要传送的信息存储、分段、加上包头以构成分组，才能送上无线信道进行传输。这一过程必然要产生额外的时间延迟，因此，分组无线网特别适用于实时性要求不严和短消息比较多的数据通信。分组传输能适应不同网络结构的应用。常见的网络结构有星状结构和分布式结构。1.2.5分组无线网（1）ARDIS系统（先进的无线电数据信息设备）。（2）Mobitex系统（全国性互联的集群无线电网络）。（3）CDPD系统（蜂窝数字分组数据）。（4）TETRA系统（全欧集群无线电）。（5）第二代北美数字蜂窝IS-54和IS-95系统1.2.5分组无线网表1-2几种移动数据设备的特性和参数系统ARDISMobitex①CDPDIS-95TETRA频段基站到移动台/MHz移动台到基站/MHz800波段45kHz间隔935～940896～901869～894824～849869～894824～849400/900波段RF信追间隔/kHz2512.53012.525信道接入/多用户接入FDMA/DSMA②FDMA/动态S-ALOHA③FDMA/DSMAFDMA/CDMA-SSFDMA/CDMA和SAPR④调制方式FSK,4-FSKGMSKGMSK4-PSK/DSSS⑤-QDPSK信道比特率/（kbit/s）19.28.019.29.636分组长度可达256字节（HDLC）可达512字节24bH～928bH（分组业务特定）192bit（短）384bit（长）开放结构否是是是是专用或公用专用专用公用公用公用服务地区主要城市地区主要城市地区所有AMPS地区所有CDMA蜂窝地区欧洲集群无线电地区覆盖类型室内和移动室内和移动移动移动移动注：①美国的频率分配（在英国使用380MHz～450MHz波段）；②DSMA数据检测多址；③S-ALOHA时隙ALOHA；④SAPR时隙ALOHA分组预约；⑤DSSS直接序列扩频。1.3移动通信发展概况和发展方向1.3.1移动通信发展概况1.3.2第三代移动通信1.3.3移动通信的发展方向1.3.1移动通信发展概况第一阶段从20世纪20年代至40年代，为早期发展阶段。第二阶段从20世纪40年代中期至60年代初期。第三阶段从2