第一章移动通信的概念.docx
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第一章移动通信的概念
本章学习重点和要求
所谓移动通信系统指通信双方或至少有一方是在运动中进行信息交换的。
例如，固定点与移动体（汽车、轮船、飞机）之间，移动体与移动体之间、人与人或人与移动体之间的通信，都属于移动通信。
由于移动通信几乎集中了有线和移动通信的最新技术成就，移动通信所能交换的信息，已不仅限于语音，一些非话音服务（如传真、数据、图像等）也纳入移动通信的服务范围。
同时，移动通信除了作为公用通信外，即使作为专业通信也已普遍应用于社会的各个领域，不论是交通运输、商业金融、新闻报导、公共安全、作战训练等各行各业都因为移动通信所带来的高效率而获益非浅。
它是使用户随时随地快速而可靠地进行多种信息交换的一种理想通信形式，因此，移动通信和卫星通信、光纤通信一起被列为现代通信领域的三大新兴的通信技术手段。
可以预料，在未来的一、二十年我国的移动通信业必将有大幅度的发展。
学习要求:
通过本章的学习,了解移动通信系统的一些基本概念.
第一节移动通信的概念
移动通信的特点
1.无线电波传播复杂
移动通信是至少有一方处于移动状态下通信方式，其必须通过无线信道，即靠无线电波传送信息。
移动通信的频率范围在VHF（甚高频）、UHF（超高频），为地表面波、电离层反射波、直射波和散射波等传播，受地形地物影响很大。
如移动通信系统多建于大中城市的市区，城市中的高楼林立、高低不平、疏密不同、形状各异，这些都使移动通信传播路径进一步复杂化，并导致其传输特性变化十分剧烈。
据以上原因，使移动台接收到的电波一般是直射波和随时变化的绕射波、反射波、散射波的叠加，这样就造成所接收信号的电场强度起伏不定，最大可相差20～30dB，这种现象称为衰落。
既有长期（漫）衰落，也有十分严重和频繁的短期（快）衰落。
由于移动台的不断运动，当达到一定速度时，如超音速飞机，固定点接收到的载波频率将随运动速度V的不同，产生不同的频移，通常把这种现象称为多普勒效应。
因而接收点的信号场强振幅、相位随时间、地点而不断地变化。
其频移值为：
（式中λ为接收信号载波的波长；θ为电波到达时的入射角。
）
2.强干扰情况下工作
在移动通信中，空间传播的电磁波除有用信号外，还存在大量的干扰电波。
主要的干扰有互调干扰、邻道干扰及同频干扰等。
互调干扰主要是系统设备中非线性引起的，如混频选择不好，使非有用信号混入，而造成干扰。
邻道干扰是指两个相邻的信道之间的干扰，是由于一个强信号串扰弱信号而造成的干扰，为解决这个问题，在移动通信设备中采用自动功率控制电路。
同频干扰是指相同载频电台之间的干扰，它是蜂窝式移动通信所特有的干扰，由频道重复利用所造成。
因此，无论在系统设计中，还是在组网时，都必须对干扰问题予以充分的考虑。
3.对移动台的要求高
移动台长期处于不固定位置状态，外界的影响很难预料，如尘土、振动、碰撞、日晒雨林，这就要求移动台具有很强的适应能力。
此外，还要求性能稳定可靠，携带方便、小型、低功耗及能耐高、低温等。
同时，要尽量使用户操作方便，以满足不同人群的使用。
这给移动台的设计和制造带来很大困难。
4.通道的容量有限
频率作为一种资源必须合理安排和分配。
由于适于移动通信的频段仅限于UHF和VHF，所以可用的通道容量是极其有限的。
为满足用户需求量的增加，只能在有限的已有频段中采取有效利用频率措施，如窄带化、缩小频带间隔、频道重复利用等方法来解决。
目前常使用频道重复利用的方法来扩容，增加用户容量。
但每个城市要做出长期增容的规划，以利于今后发展需要。
5.通信系统较复杂
由于移动台在通信区域内随时运动，需要随机选用无线信道，进行频率和功率控制，地址登记、越区切换及漫游存取等跟踪技术。
这就使其信令种类比固定网要复杂得多。
在入网和计费方式上也有特殊的要求，所以移动通信系统是比较复杂的。
移动通信的工作方式
1.单工制
根据通信双方是否使用相同的频率，单工制又分为同频单工和双频单工，见图1－1－1。
在平时，单工制工作方式是双方设备的接收机均处于接听状态。
其中A方需要发话时，先按下“按－讲”开关，关闭接收机，由B方接收；B方发话时也将按下“按－讲”开关，关闭接收机，从而实现双向通信。
这种工作方式收发信机可使用同一副天线，而不需天线共用器，设备简单，功耗小，但操作不方便。
在使用过程中，往往会出现通话断续现象。
同频和双频单工的操作与控制方式一样。
单工制一般适用于专业性强的通信系统，如交通指挥等公安系统。
图1－1－1同频（双频）单工方式（见动画演示）
2.半双工制
半双工制是指通信双方，有一方使用双工方式，即收发信机同时工作，且使用两个不同的频率f1和f2；而另一方面则采用双频单工方式，即收发信机交替工作。
这种方式在移动通信中一般使移动台采用单工方式而基站则收发同时工作。
其优点是：
设备简单、功耗小，克服了通话断断续续的现象。
但操作仍不太方便。
所以主要用于专业移动通信系统中，如汽车调度等。
（见动画演示）
3.双工制
双工制是指通信双方，收发信机均同时工作，即任一方讲话时，也可以听到对方的话音，没有“按－讲”开关，双方通话像市内电话通话一样。
这种工作方式虽然耗电大，但使用方便，因而在移动通信系统中获得了广泛的应用。
（见动画演示）
4.单频单向方式
上述的工作方式，无论是双工、单工，通信都是双向的，双方都有收有发。
单频单向则赋予通信的一方只有发信机或接收机。
这种方式主要应用于无线寻呼系统、报警系统等。
5.移动中继方式
为了增加通信距离，可加设中继站。
两个移动台之间直接通信距离只有几公里，经中继站转接后通信距离可加大到几十公里。
一般采用一次中继转接，若多次中继转接将使信噪比下降。
中继通道又分单工中继和双工中继两种基本方式。
单工方式的中继站只需一套收发信机，采用全向天线。
双工方式的中继站需两套收发信机，并往往采用两副定向天线，对准中继方向。
若有一端是移动台，则用一副定向天线和一副全向天线。
如图1－1－2所示。
图1－1－2移动中继方式
移动通信发展趋势
1.移动通信的发展
发展的四个阶段
世界范围的移动移动通信的发展进程，回顾起来可分为四个阶段。
第一阶段：
从二十世纪20年代至40年代初，移动通信主要使用对象是船舶、飞机、汽车等专用移动通信及军事通信，使用频段主要是短波段，设备是电子管的，采用人工交换和人工切换频率的控制和接续方式。
第二阶段：
40年代中至60年代末，主要使用VHF频段的150MHz，后期又发展到400MHz频段。
由于60年代晶体管的出现，使移动台向小型化方面大大前进了一步。
美国、日本、英国、西德等国家开始应用汽车公用无线电话（MTS或IMTS），同时，专用移动无线电话系统大量涌现，广泛用于公安、消防、出租汽车、新闻、调度等方面。
此阶段的交换系统已由人工发展为用户直接拨号的专用自动交换系统。
第三阶段：
70年代至80年代，集成电路技术、微型计算机和微处理器的发展，由美国贝尔实验室推出的蜂窝系统的概念和理论的应用，美国、日本等国家纷纷研制出陆地移动电话系统。
具有代表性的有美国的AMPS（AdvancedMobilePhoneSystem）系统，英国的TACS系统，北欧（丹麦、挪威、瑞典、芬兰）的NMT系统、日本的NAMTS系统等均先后投入商用。
这个时期的系统的主要技术是模拟调频、频分多址，以模拟方式工作，使用频段为800/900MHz（早期曾使用450MHz），故称之为蜂窝式模拟移动通信系统，或为第一代移动通信系统。
这一阶段是移动通信系统不断完善的过程。
系统的耗电、重量、体积大大缩小，服务多样化，系统大容量化，信息传输实时化，控制与交换更加自动化、程控化、智能化，其服务质量已达到很高的水平。
世界上第一个蜂窝系统是由日本的电话和电信公司（NTT）于1979年实现的。
进入80年代，可以说移动通信已经达到了成熟阶段。
与此同时，许多无线系统已经在全世界范围内发展起来。
寻h呼系统和无绳电话系统也在不断扩大服务范围。
许多相应的标准应运而生。
第四阶段：
90年代至今，随着数字技术的发展，通信、信息领域中的很多方面都面临向数字化、综合化、宽带化方向发展的问题。
第二代移动通信系统是以数字传输、时分多址、码分多址为主体技术，主要业务包括电话、数据等窄带综合数字业务，可与窄带综合业务数字网N－ISDN相兼容。
目前国际上已进入商用和准备进入商用的数字蜂窝系统有欧洲的GSM、美国的DAMPS（IS－54,目前用IS－136）、日本的JDC及美国的IS－95等。
进入90年代中期，世界各移动通信设备制造商和运营商已从对第三代移动通信系统的概念认同阶段进入到具体的设计、规划和实施阶段。
在开发第三代系统的进程中形成了北美、欧洲和日本三大区域性集团。
它们又分别推出了W－CDMA、TD/CDMA和宽带CDMAOne的技术方案。
为实现IMT－2000全球覆盖与全球漫游，三种技术方案之间正在相互作出某些折中，以期相互融合。
第三代移动通信是综合的全球个人通信网，它是2000年以后的移动通信网络。
目前规划与研究比较典型的系统有：
1.未来公用陆地移动通信系统（FPLMTS），它是一个由国际无线电咨询委员会建议的系统，计划将所有的移动通信系统综合于一体，为移动用户在全球范围内提供高质量的话音和非话音服务，并能与其它通信网互连。
2.通用移动通信系统（UMTS）是欧共体于1988年开始的“欧洲高级通信研究”（RACE）发展计划的一部分，计划在2000年左右在欧洲投入使用。
UMTS将具有三个重要特点，即：
（1）是一个综合了现有移动通信的综合系统；
（2）是一个提供多种服务的综合业务系统；（3）UMTS可用于各种环境。
第二代移动通信系统（如GSM和CDMAOne）在提供话音和低速数据业务方面已取得了巨大的成功，而且在以后多年里将继续被广泛使用。
通过增强网络元件功能，如在网络端为GSM引入GPRS，为CDMA引入了IS－136；在接入端为GSM引入EDGE，为CDMAOne引入IS－136或1XRTT，使这些老一代标准的网络继续得到发展或升级。
而第三代移动通信系统将能够提供目前只有固定接入才能实现的更先进的业务和更高的数据速率，以及一系列新业务。
此外，第三代移动通信系统已将“全球漫游”作为一项关键要求，从而可为全球移动用户开创更广泛的市场，挖掘更大的设备（尤其是用户设备）通用潜力，并提高经济效益。
第三代移动通信系统应提供的特性包括：
名副其实的无处不在、无缝、高效的无线数据能力，能够吸引在固定通信领域日益增长的数据业务。
各种系统的标准
许多无线系统使用的移动无线标准已经在全世界范围内发展起来，更多的标准还将会出现。
表1.1至表1.3列出了北美、欧洲和日本最常用的寻呼、无绳、蜂窝和个人通信标准。
表1.1北美主要移动无线标准
标准
类型
年份
多址接入
频段
调制
信道带宽
AMPS
蜂窝
1983
FDMA
824~894MHz
FM
30kHZ
NAMPS
蜂窝
1992
FDMA
824~894MHz
FM
10kHz
USDC
蜂窝
1991
TDMA
824~894MHz
π/4-DQPSK
30kHz
CDPD
蜂窝
1993
FH/分组
824~894MHz
GMSK
30kHz
IS－95
PCS
1993
CDMA
824~894MHz
1.8~2.0GHz
GMSK
/BPSK
1.25kHz
GSC
寻呼
1970's
单工
若干
FSK
12.5kHz
POCSAG
寻呼
1970's
单工
若干
FSK
12.5kHz
FLEX
寻呼
1993
单工
若干
4-FSK
15kHz
DCS-1900（GSM）
PCS
1994
TDMA
1.85
~1.99GHz
GMSK
200kHz
PACS
无绳
PCS
1994
TDMA/
FDMA
1.85
~1.99GHz
π/4-DQPSK
300kHz
MIRS
SMR/PCS
1994
TDMA
若干
16-QAM
25kHz
SMR：
专用移动无线电业务
PCS：
个人通信业务
表1.2欧洲主要移动无线标准
标准
类型
年份
多种接入
频段
调制
信道带宽
E-TACS
蜂窝
1985
FDMA
900MHz
FM
25kHz
NMT-450
蜂窝
1981
FDMA
450~470MHz
FM
25kHz
NMT-900
蜂窝
1986
FDMA
890~960MHz
FM
12.5kHz
GSM
蜂窝/PCS
1990
TDMA
890~960MHz
GMSK
200kHz
G-450
蜂窝
1985
FDMA
450~465MHz
FM
20kHz/10kHz
ERMES
寻呼
1993
FDMA
若干
4-FSK
25kHz
CT2
无绳
1989
FDMA
864~868MHz
GFSK
100kHz
DECT
无绳
1993
TDMA
1880~1900MHz
GFSK
1.728MHz
DCS-1800
无绳/PCS
1993
TDMA
1710~1880MHz
GMSK
200kHz
表1.3日本主要移动无线标准
标准
类型
年份
多种接入
频段
调制
信道带宽
JTACS
蜂窝
1988
FDMA
860~925MHz
FM
25kHz
PDC
蜂窝
1993
TDMA
810~1501MHz
π/4-DQPSK
25kHz
NTT
蜂窝
1979
FDMA
400/800MHz
FM
25kHz
NTACS
蜂窝
1993
FDMA
843~925MHz
FM
12.5kHz
NTT
寻呼
1979
FDMA
280MHz
FSK
12.5kHz
NEC
寻呼
1979
FDMA
若干
FSK
10kHz
PHS
无绳
1993
TDMA
1895~1907MHz
π/4-DQPSK
300kHz
2.移动通信的发展趋势
概况起来，移动通信的发展主要向以下几个方面过渡。
1.采用数字技术开放多种服务逐步实现个人通信
随着通信网的数字化，模拟蜂窝系统的缺欠日益明显。
首先，其频谱的利用率不高、容量有限，已不能满足需求，其次，其标准太多，互不兼容有碍漫游，限制了使用者覆盖面；另外，由于数字方式便于保存和加密，以利于开放数据等非话音业务。
所以，到80年代末，欧美日都着手开发数字蜂窝系统，并与各国新建的综合业务数字网ISDN兼容。
数字蜂窝系统在系统构成上与模拟系统无多大差别，主要在数字技术上提供许多改进，如调制技术、编码技术、多址技术、分集接收技术等。
目前使用的调制方式有受控调频（TFM）、相关相移键控（CPSK）、频移键控（FSK）、扩频及先经过高斯滤波器而调制指数为0.5的连续相移键控（GMSK）等。
具有实用性的多址技术有三类，即频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）技术。
提供无线IP，如GPRS，WAP技术等。
GPRS技术是桥接第二代和第三代移动通信的中间技术，因为毕竟第三代移动通信还有几年，有了GPRS就可以比较早地开始向包交换过渡。
WAP技术的出现，使许多无线终端支持IP，非常简单。
第三代移动通信系统IMT－2000将能提供多种类型的高质量的多媒体业务，能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力，与固定网络相兼容并以小型便携终端在任何时候、任何地方进行通信。
2.扩充基本功能，满足用户需要
信息技术和网络技术的发展，移动通信系统将直接为用户提供语音、数据、图像等业务，扩充功能。
3.发展便于携带的电话
移动电话的最终目标是小型化和便于携带，可以在任何时间任何地点进行人与人之间的通信。
4.利用卫星中继，扩大服务范围
移动通信系统一般以地区网络的形式出现。
对于不同地区网络和用户之间的通信必须解决好网络之间中继路由的问题。
利用地球通信卫星作为中继站，是一种经济、有效的工具。
5.提高频谱利用率，开拓新的频段
由于移动用户的猛增，使得无线电频谱资源日益不足。
为此，世界各国准备开拓新频段；另外，设法尽可能提高频谱利用率，以便更有效、更合理地利用有限的频率资源。
具体方法和措施有：
（1）压缩无线频道间隔
（2）采用小区制网络结构（3）多频道共用（4）动态频道分配（5）采用数据传输（6）对语音编码进行数据压缩。
3.我国移动通信的发展状况
我国开始发展移动电话业务始于1981年，当时采用的是早期的150MHz系统，8个信道，用户数只有20个。
相继发展的有450MHz系统，如重庆市电信局首期建设的诺瓦特系统，河南省交通厅建成的MAT－A系统等。
1987年，我国在上海首次开通900MHz模拟蜂窝移动电话系统，属TACS制式；同年11月，广东省也建成开通了珠江三角洲的900MHz蜂窝移动电话网。
1994年9月广东省首先建成数字移动电话网，初期容量为5万用户，于同年10月试运行。
北京电信局引进诺基亚公司的GSM交换机，摩托罗拉基站，于1995年开放数字移动电话业务。
目前数字蜂窝移动通信系统的用户已远远超过模拟网用户。
1996年12月在广州建起我国第一个CDMA试验网，1997年10月广州、上海、西安、北京四个城市的CDMA试验网通过了漫游测试，同年11月，北京试验点向社会开放。
经过十几年的发展，我国已基本建成了覆盖全国的移动通信网，用户数已超过4000万，而且仍以每年一千万左右的速度在增长；移动通信业务从初期的单纯电话业务开始逐步向短消息业务、数据业务、智能业务扩展。
由于迈向第三代移动通信的步伐在加快，信息产业部电信研究院与NEC、诺基亚等公司签订了前期试验合同，于一两年内进行现场试验，大规模的商用将需要3～5年。
无线寻呼业务的发展晚于移动电话业务，最早开办于1984年。
但其发展速度和普及的程度比移动通信快得多。
我国无线寻呼用户比例仅次于美国，位居世界第二。
800MHz集群系统是从1990年5月由上海邮电部门率先引进而开始的。
公用无绳电话系统也在一些城市中得到发展。
在我国，首家开通该系统（CT2）的是深圳市。
移动通信的应用系统
1.蜂窝式公用移动电话系统
这种系统由移动业务交换中心（MSC）、基站（BS）设备及移动台（MS）（用户设备）以及交换中心至基站的传输线组成，如图1－2－1所示。
目前在我国运行的900MHzTACS模拟系统和GSM数字系统都属于这一类。
图1－2－1蜂窝式公用移动通信系统
蜂窝式公用陆地移动通信系统适用于全自动拨号、全双工工作、大容量公用移动陆地网组网，可与公用电话网中任何一级交换中心相连接，实现移动用户与本地电话网用户、长途电话网用户及国际电话网用户的通话接续。
这种系统具有越区切换、自动或人工漫游、计费及业务量统计等功能。
目前模拟蜂窝移动通信系统主要用于开放电话业务。
随着GSM数字蜂窝移动网的建设和发展，已逐步开放数据、传真等多种非话业务。
2.集群调度移动通信系统
这种系统一般由控制中心、总调度台、分调度台、基地台及移动台组成，如图1－2－2所示。
图1－2－2集群调度移动通信系统
该系统具有单个呼、组呼、全呼、紧急告警/呼叫、多级优先及私密电话等适合调度业务专用的功能。
除完成调度通信外，该系统也可以通过控制中心的电话互连终端与本部门的小交换机相连接，提供无线用户与有线用户之间的电话接续。
但因该系统是专为调度通信而设计的，系统首先保证调度业务，对于电话通信只是它的辅助业务并受到限制。
所以，利用该系统组建公用电话网是不适宜的。
集群移动通信系统可以实现将几个部门所需要的基地台和控制中心统一规划建设，集中管理，而每个部门只需要建设自己的调度指挥台（即分调度台）及配置必要的移动台，就可以共用频率、共用覆盖区，即资源共享、费用分担，使公用性与独立性兼顾，从而获得最大的社会效益。
所以，我们必须提倡这种联合建设共用网络的建网方式。
集群移动通信系统目前通用的有多种制式及标准，如美国的800MHz调度系统，日本的900MHzMCA系统，法国的200MHzRADICOM200系统及瑞典的80MHzMOBITEX系统等。
各种系统使用的信令、纠错编码及网络结构不同，无法兼容，在设台组网工作中选择系统时应谨慎考虑。
3.无绳电话系统
无绳电话最初是应有线电话用户的需求而诞生的，初期主要应用于家庭。
这种无绳电话系统十分简单，只有一个与有线电话用户线相连接的基站和随身携带的手机，基站与手机之间利用无线电沟通。
但是，无绳电话很快得到商业应用，并由室内走向室外。
这种公用系统由移动终端（公用无绳电话用户）和基站组成。
基站通过用户线与公用电话网的交换机相连接而进入本地电话交换系统，如图1－2－3所示。
通常在办公楼、居民楼群之间、火车站、机场、繁华街道、商业中心及交通要道设立基站，形成一种微蜂窝或微微蜂窝网，无绳电话用户只要看到这种基站的标志，就可使用手机呼叫。
这就是所谓的“Telepoint”（公用无绳电话）。
图1－2－3CT－2无绳电话系统
第一代无绳电话（CT1）是按照80年代英国贸易工业部和英国电信研究所联合制订的模拟无绳电话系统技术规范生产的，由于信道数少和基站的发射频率与GSM有冲突（指CEPTCT1），因此已被“CT＋”所取代。
第二代无绳电话（CT2）是按照英国1987年制订的数字无绳电话技术规范（CAI－COMMONAIRINTERFACE，公共空中接口）生产的，工作于864～868MHz，话音编码采用ADPCM，编码速率为32kbit/s，通话质量较高，保密性强，抗干扰好，价格便宜。
但在室外只能提供单向业务（即只能去话，不能来话），也不能越区切换。
近年来基于无绳概念而发展起来的无线用户交换（WPABX）得到重视，作为无绳数据通信的无线局域网（WLAN）也得到发展。
无绳通信也是发展个人通信网（PCN）的一个基础。
4.无线电寻呼系统
这是一种单向通信系统，既可作公用也可作专用，仅规模大小有差异而已。
专用寻呼系统由用户交换机、寻呼控制中心、发射台及寻呼接收机组成。
公用寻呼系统由与公用电话网相连接的无线寻呼控制中心、寻呼发射台及寻呼接收机组成，如图1－2－4所示。
图1－2－4无线电自动寻呼系统
寻呼系统有人工和自动两种接续方式。
人工方式由话务员将主呼用户需要寻找的寻呼机和需要传递的信息编成信令和代码，代用户搜索被寻呼者。
在无线寻呼业务的发展初期，人工方式对用户比较方便，故被广泛应用。
但在无线寻呼业务已有相当发展的今天，用户的兴趣已转向自动寻呼。
我国今后无线寻呼的发展方向是自动化、数字化、多功能和汉字显示。
5.卫星移动通信系统
最近五六年来，以手持机为移动终端的非同步卫星移动通信系统已涌现出多种设计及实施方案。
其中，呼声最高的要算铱（Iridium）系统，它采用8轨道66颗星的星状星座，卫星高度为765km。
另外还有：
全球星（Globalstar）系统，它采用8轨道48颗星的莱克尔星座，卫星高度约1400km；奥德赛（Ode
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