第1章移动通信基础.docx
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第1章移动通信基础
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论
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第1章移动通信基础
1.1移动通信概述
1.1.1移动通信的定义
通信始终与人类社会的各种活动密切相关，它是人类信息交流的重要方式和途径。
无论是古代的“烽火台”，还是今天的移动电话，都属于通信的范畴。
随着人类社会对信息的需求，通信技术正在逐步走向智能化和网络化。
人们对通信的理想要求是：
任何人（Whoever）在任何时候（Whenever），无论在任何地方（Werever）能够同任何人（Whoever）进行任何方式（Whatever）的交流。
很明显，如果没有移动通信，上述愿望将永远无法实现，移动通信在现代通信领域中占有十分重要的地位。
所谓移动通信，就是指通信双方至少有一方处于运动状态中进行信息交换。
例如，运动着的车辆、船舶、飞机或行走着的人与固定点之间进行信息交换，或者移动物体之间的通信都属于移动通信。
这里所说的信息交换，不仅指双方的通话，还包括数据、传真、图像等多媒体业务。
移动通信是一门复杂的高新技术，尤其是蜂窝移动通信。
它集中了无线通信、有线通信、网络技术和计算机技术的最新技术成果。
1.1.2移动通信的发展
移动通信的发展历史可以追溯到19世纪。
1864年，Maxwell从理论上证明了电磁波的存在；这一理论于1876年被赫兹用电磁波辐射的实验证实，使人们认识到电磁波和电磁能量是可以控制发射的。
接着1900年马可尼和波波夫等人利用电磁波作了远距离通信的实验获得了成功，从此通信进入了无线电通信的新时代。
然而，现代意义上的移动通信实验是发生在20世纪20年代初期。
在美国的底特律，无线接收机被安装在移动的警车中接收从控制台发来的单向消息。
当时面临的主要问题是通信接收机的可靠性。
1928年，一名Purdue大学的学生发明了工作于2MHz的超外差无线电接收机，采用这种机器，底特律的警察局有了第一个可有效工作的移动通信系统。
20世纪30年代初，第一部采用调幅的双向移动通信系统在美国新泽西（NewJersey）的Bayonne警察局投入使用。
当时无线电通信设备占据了车辆的大部分空间。
正是在这个时期，操作员观察到了移动通信环境中电波传输的变幻莫测，并且发现不同的传输路径有不同的传输特性。
到了30年代末，美国Connecticut警察局安装了第一台调频移动通信系统。
实验表明在移动通信环境下，调频系统比调幅系统要有效得多。
因此到1940年，使用中的移动通信系统几乎都改成了调频系统。
这个时期主要完成通信实验和电波传输的实验工作，在短波波段上实现了小容量专用移动通信系统，但其话音质量差，自动化程度低，一般不能与公众网络连接。
第二次世界大战极大地促进了移动通信的发展。
各国武装部队大量采用了无线电系统。
军事上的需求导致了移动通信事业的巨大变化，其中涉及到了系统设计、可靠性和价格等。
在50年代之后，各种移动通信系统相继建立，在技术上实现了移动电话系统与公众电话网的连接。
例如美国建立的IMTS系统，实现了自动拨号和移动台信道的自动选择。
在通信理论上先后形成了香农信息论、纠错码理论、调制理论、信号检测理论、信号与噪声理论、信源统计特性理论等，这些理论使现代移动通信技术日趋完善。
尤其是晶体管、集成电路相继问世后，不仅更加促进像电话通信那样的模拟技术的高速发展，而且出现了具有广阔发展前景的数字通信，并相继出现了脉码通信、微波通信、卫星通信、光缆通信以及移动通信等新的通信手段。
从20世纪70年代中期开始，民用移动通信的用户数量增加，业务范围扩大，频率资源和可用频道数之间的矛盾日益尖锐。
这个时期的移动通信发展重点在于开发新的频段、论证新方案和有效利用频谱等方面的研究工作。
自20世纪70年代后期第一代蜂窝网（1G）在美国、日本和欧洲国家为公众开放使用以来，其他工业化国家也相继开发出蜂窝状公用移动通信网。
在20世纪80年代初期，针对当时欧洲模拟移动制式四分五裂的状态，欧洲邮电管理委员会（CEPT）于1982年成立了一个被称为移动特别小组（GroupSpecialMobile）的专题小组，开始制定用于欧洲各国的一种数字移动通信系统的技术规范。
该小组于1988年确定了包括TDMA技术在内的主要技术规范并制定了实施计划。
1989年，GSM工作组被接欧洲电信标准协会组织成员。
在欧洲电信标准协会的领导下，GSM被更名为全球移动通信系统（GlobalSystemforMobileCommunications），相应的工作小组也从GSM更名为SMG（Special
MobileGroup）。
该小组于1990年完成了GSM900的规范并开始在欧洲投入试运行，1991年，移动特别小组还制定了1800MHz频段的规范，命名为DCSl800系统。
该系统与GSM900具有同样的基本功能特性。
我国自20世纪80年代中期开始，随着国家对外开放，对内搞活的经济政策的实施，移动通信事业有了蓬勃的发展。
在模拟移动通信方面，我国引进的是900MHz频段的TACS制。
随着数字移动通信系统的发展与普及，模拟蜂窝移动通信系统于2000年起开始封网，逐步退出中国电信发展的历史舞台，并将工作频率让给数字蜂窝移动通信系统。
1.2蜂窝系统的概念
蜂窝系统的概念和理论二十世纪六十年代就由美国贝尔实验室等单位提了出来，是移动通信发展引发的构想，代表一种构造移动通信网的方法。
蜂窝组网的目的是解决常规移动通信系统频谱匮乏、容量小、服务质量差及频谱利用率低等问题。
蜂窝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。
但蜂窝系统的控制系统十分复杂，尤其是实现移动台的控制直到七十年代随着半导体技术的成熟，大规模集成电路器件和微处理器技术的发展以及表面贴装工艺的广泛应用，才为蜂窝移动通信的实现提供了技术基础。
直到1979年美国在芝加哥开通了第一个AMPS（先进的移动电话业务）模拟蜂窝系统，而北欧也于1981年9月在瑞典开通了NMT（Nordic移动电话）系统，接着欧洲先后在英国开通TACS系统，德国开通C－450系统等，如表1-1所示。
表1-11991年欧洲主要蜂窝系统
国家
系统
频带
建立日期
用户数（千）
英国
TACS
900
1985
1200
瑞典、挪威
芬兰、丹麦
NMT
450
900
1981
1986
1300
法国
Radiocom2000
NMT
450,900
450
1985
1989
300
90
意大利
RTMS
TACS
450
900
1985
1990
60
560
德国
C-450
450
1985
600
瑞士
NMT
900
1987
180
荷兰
NMT
450
900
1985
1989
130
奥地利
NMT
TACS
450
900
1984
1990
60
60
西班牙
NMT
TACS
450
900
1982
1990
60
60
蜂窝组网思想的特点如下：
（1）低功率发射机和较小的覆盖范围
蜂窝组网放弃了点对点的传输和广播覆盖模式，将一个移动通信服务区域划分成许多以正六边形为基本几何图形的覆盖区域，即为蜂窝小区。
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。
基本的小区类型有如下几种（Ro为小区半径）。
·超小区（Ro>20km）：
人口稀少的农村地区；
·宏小区（．Ro=l～20km）：
高速公路和人口稠密地区：
·微小区（Ro=0.1～lkm）：
城市繁华区段；
·微微小区（Ro<0.1km）：
办公室、家庭等移动应用环境。
当蜂窝小区用户增大到一定程度而使频道数不够用时，采用小区分裂将原蜂窝小区分裂成为更小的蜂窝小区，低功率发射和大容量覆盖的优势就十分明显。
而在实际中，蜂窝有可能是不一样的，覆盖区域也不一定是正六边形，具体的区域形状和区域大小与发射功率、电波传输环境以及系统信号接收灵敏度等有密切的关系。
（2）频率复用
蜂窝系统的基站工作频率，由于传输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。
例如，用户超过一百万的大城市，若每个用户都有自己的频道频率，则需要极大的频谱资源，且在话务量忙时也许还可能会饱和。
频率复用大大地缓解了频率资源紧张的矛盾，大大地增加了用户数目或系统容量。
频率复用能够从有限的原始频率资源分配中产生几乎无限的可用频率，这是实现无限系统容量的极好的方法。
频率复用与干扰和蜂窝之间的绝对距离无关，仅和使用相同信道组的蜂窝之问的距离D与每个蜂窝的半径R之比有关，即与D/R有关。
由于尺与发射机的功率、基站的天线高度、接收灵敏度和电波传输的环境有关，所以系统工程师能够决定每个蜂窝的信道配置数。
一般地讲，如果干扰严重，就要降低每个蜂窝的信道数配置，这等效于增加了基本群的蜂窝数量，从而提高了D/R值；反之，则增加了每个蜂窝的信道配置，降低了D/R值，提高了蜂窝系统的频谱利用率。
（3）蜂窝能够再组合并满足特定环境的通信容量
当一个特定地区达到容量极限，接通率明显下降时，系统可以根据具体情况，将该地区的蜂窝分割成更小的蜂窝，以提高频谱利用率，增加该地区的通信容量。
（4）多波道共用和越区切换
由若干频道组成的移动通信系统，为更多的用户共同使用而仍能满足服务质量的技术称为多波道共用。
多波道共用技术利用波道占用的间断性，使许多用户能够任意地、合理地选择波道，提高波道的使用效率。
事实上不是所有的呼叫都能够在一个蜂窝小区内完成全部的接续业务的，蜂窝系统必须具有频道转接即越区切换的功能，即不挂断也不干扰通信进程。
所以蜂窝系统本身应该具有系统级的交换和控制能力；系统应能通过对于信号强度或者其他指示性参数的连续监控，了解移动台是否正在蜂窝边界或者靠近蜂窝边界，并控制移动台在不间断通信的情况下进入下一个蜂窝。
（5）移动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交换机进入公众电信网或者其他移动网络，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。
互联使移动无线网络适应公众网络的质量标准，突破业务限制；同时也使公众网络的服务范围得到了扩大和延伸。
蜂窝移动通信的出现可以说是移动通信的一次革命。
其频率复用大大提高了频率利用率并增大系统容量，网络的智能化实现了越区转接和漫游功能，扩大了客户的服务范围。
但上述模拟系统存在有四大缺点：
（1）各系统间没有公共接口；
（2）很难开展数据承载业务；
（3）频谱利用率低无法适应大容量的需求；
（4）安全保密性差，易被窃听，易做“假机”。
1.3无线服务区域的划分
在蜂窝技术出现以前，为了提高无线通信的容量，通常采用分割频率的方法获得更多的可用信道。
然而这种做法缩小了指配给每个用户的带宽，造成服务质量下降。
蜂窝技术不是分割频率而是分割地理区域。
就用将服务区分割成多个蜂窝小区的办法，以更加有效地使用无线频率资源。
服务区通常划分为带状服务区和面状服务区两种。
带状服务区如图1.1所示，小区按纵向排列覆盖整个服务区。
常用于铁路的列车无线电话、船舶无线电话等，带状服务区的基站可以使用定向天线（方向性强的天线）。
图1.1带状服务区
面状服务区如图1.2所示，可以采用正六边形、正三角形、正方形邻接构成整个服务区。
根据从邻接小区的中心间距、单位小区的有效面积、交叠区域面积、交叠距离、所需最少无线频率的个数等几个方面加以比较，用正六边形无线小区邻接构成整个面状服务区是最好的。
因此，它在现代移动通信网中得到了广泛的应用。
由于这种面状服务区的形状很象蜂窝，所以又称蜂窝式网。
图1.2面状服务区
蜂窝系统可在不同的地理位置重复使用无线信道，即频率复用。
蜂窝式移动电话网通常是先由若干邻接的无线小区组成一个无线区群，再由若干无线区群构成整个服务区，为了防止同频干扰，要求每个区群（即单位无线区群）中的小区，不得使用相同频率，只有在不同无线区群中，才可使用相同的频率。
在建网的初期采用全向天线，每7个小区为一组，构成一个区群（如图1.3（a））。
每个小区的中心设一个基站，它包括发送/接收天线和切换设备。
每个无线小区配置一个信道组（或频率组），这样一个无线区群将配置7个信道组，分别用A、B、C、D、E、F、G表示。
随着用户数量的增加，用户密度的提高，促使话务量增加，就需要进行小区分裂，可以一分为三亦可一分为六，基站位置不变，只是把全向天线变换成三副成1200扇形张角的定向天线，每个基站控制3个小区，每个小区配给一个信道组，这样一个无线区群由21个小区组成，配给7×3=21个信道组，通常把这种方式称为21个无线小区模型（如图1.3（b））。
若基站位置不变，只是把全向天线变换成6副互相成600扇形张角的定向天线，每个基站控制六个小区，每个小区配给一个信道组，这样每个无线区群由24个小区组成，配给24个信道组。
通常把这种方式称为24个无线小区模型（如图1.3（c））。
无论采用哪种模型，及使用不同小区模型一定要解决由于频率复用存在的相互干扰问题。
（a）7个无线小区模型（b）21个无线小区模型
（c）24个无线小区模型
图1.3常用无线小区模型
1.4移动通信的体制
移动通信的体制可根据其服务区域覆盖方式分为：
大区制和小区制两大类，小区制容量小，大区制容量大，大区制和小区制的示意图如图1.4所示。
（a）大区制
（b）小区制
图1.4大区制和小区制的示意图
1.大区制
大区制就是在一个服务区域（如一个城市）内，只有一个基站，由它负责移动通信的联络和控制。
通常为了扩大服务区域的范围，基站、天线架设得都很高（几十米至百余米），发射机输出功率也较大（一般在200w左右），覆盖半径大约为30～50km。
用户数约为几十至几百，可以是车载台，也可是以手持台。
它们可以与基站通信，也可通过基站与其它移动台及市话用户通信，基站与市站有线网连接。
但由于电池容量有限，通常移动台的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，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，所有频道（一个频道包含收、发一对频率）的频率不能重复。
例如：
移动台MS1使用频率fl和f2,移动台MS2就不能同时使用这对频率，否则将产生严重的互相窜扰。
因而大区制的频率利用率及通信的容量都受到了限制。
大区制的优点是简单、投资少、见效快，所以在用户较少的地区，大区制得到广泛地应用。
2.小区制
小区制就是把整个服务区域划分为若干个小区，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。
各个基站通过移动交换中心相互联系，并与市话局连接。
利用超短波电波传播距离有限的特点，离开一定距离的小区可以重复使用频率，使频率资源可以充分利用，每个小区的用户在1000以上。
例如：
把一个大区制覆盖的服务区域一分为五，每一个小区各设一个小功率基站（BS1～BS5），发射功率一般为5～10w，以满足各小区移动通信的需要。
若是这样安排，那么移动台MSl在1区使用频率f1和f2时，而在3区的另一个移动台MS3也可使用这对频率进行通信。
这是由于l区和3区相距较远，且隔着2，5，4区，功率又小，所以即使采用相同频率也不会相互干扰。
在这种情况下，只需3对频率（即3个频道），就可与五个移动台通话。
而大区制下要与5个移动台通话，必须使用5对频率。
显然小区制提高了频率的利用率。
无线小区的范围还可根据实际用户数的多少灵活确定。
采用小区制，用户在四处移动时，系统可以自动地将用户从一个小区切换（转接）到另一个小区。
这是使蜂窝用户具有移动性的最重要的特点。
当用户到达小区的边界处，计算机通信系统就会自动地进行呼叫切换.与次同时，另一个小区就会给这个呼叫分配一条新的信道。
当小区中话务量太高时，也会进行呼叫切换。
遇到这种情况，基站将对无线电频道进行扫描，从邻近小区中寻找一条可利用的信道。
如果这个小区内没有空闲的信道，那么用户在拔打电话时就会听到忙音信号。
采用小区制时，在移动通通话过程中，从一个小区转入另一个小区的概率增加了，移动台需要经常地更换工作频道。
无线小区的范围越小，通话过程中越过的小区越多，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，同时也会影响通信质量。
所以无线小区的范围也不宜过小。
那么实际工作中，无线小区的半径取多大合适呢?
这要综合考虑（如日本800MHz汽车电话系统，无线小区确定为5～10km）。
小区的大小取决于一个地区的用户密度。
在人口密集的地区，可以通过缩小一个蜂窝小区的实际面积或者增加更多的部分重叠的小区来提高蜂窝网的容量。
这样既可以增加可用的信道数，又无需增加实际使用的频率数量。
当用户拔打蜂窝电话时，从用户移动台发出的无线消息，通过低能量的无线电信号传送到离用户最近的基站。
各小区的基站都通过陆地线路或者微波线路接至一个中心点，称之为移动电话交换局（MTSO）或移动控制中心（MSC）。
MSC一般位于小区群的中心小区内，通常与公众电话网（PSTN）相连，如图l.5所示。
一个移动台可以与同一网内的另一个移动台进行通话，也可与别的网络中的移动台或固定电话用户进行通话。
移动呼叫传送到各个目的地的方法取决于局间、网间互联法规和商业两方面的因素。
例如：
如果这家移动运营公司获准在MSC之间建立连接设施，同一个网内移动台到移动台的呼叫就可以在该公司的网络内完成。
否则，就将通过公众网接到移动用户。
呼叫另一个网上移动用户的电话或呼叫固定网上用户的电话可以直接传送，也可通过公众网传送。
图l.5基本的蜂窝移动网
1.5编码技术
1.5.1语音编码
语音编码方法归纳起来可以分成三大类：
波形编码、声源编码和混合编码。
话音编码。
波形编码比较简单，编码前采样定理对模拟语音信号进行量化，然后进行幅度量化，再进行二进制编码。
解码器作数／模变换后再由低通滤波器恢复出现原始的模拟语音波形，这就是最简单的脉冲编码调制（PCM），也称为线性PCM。
可以通过非线性量化，前后样值的差分、自适应预测等方法实现数据压缩。
波形编码的目标是让解码器恢复出的模拟信号在波形上尽量与编码前原始波形相一致，尽可能精确地再现原来的话音波形，也即失真要最小。
波形编码的方法简单，数码率较高。
对于电话通信来说，16Kbit/s~64Kbit/s的比特速率提供了很好的话音质量。
但在16Kbit/s比特速率以下，话音波形编码器的话音质量通常迅速下降。
声源编码又称为声码器，是根据人的发生机理，在编码端对语音信号进行分析，分解成有声音和无声音两部分。
声码器每隔一定时间分析一次语音，传送一次分析的有/无声和滤波参数。
在解码端根据接收的参数再合成声音。
声码器编码后的码率可以做得很低，可以把数字话音信号压缩到2~4.8Kbit／s的比特速率范围，甚至于更低，但仅达到普通的话音质量，往往清晰度可以而自然度没有，难于辨认说话人是谁，其次是复杂度比较高。
混合编码是将波形编码和声码器的原理结合起来，数码率约在4kbit/s~16kbit/s之间，音质比较好，这种编码技术将波形编码技术和声源编码技术结合在一起，保持了两种编码技术的优点，尤其是8~16Kbit／s的范围内达到了良好的话音质量。
最近有个别算法所取得的音质可与波形编码相当，复杂程度介乎与波形编码器和声码器之间。
上述的三类语音编码方案还可以分成许多不同的编码方案。
由于现行的GSM系统是一种全数字系统，话音或其它信号都要进行数字化处理，因而首先要把话音模拟信号转换成数字信号。
语音信号有多种编码方式，但最基本的是脉冲编码调制PCM，典型的脉冲编码调制过程如图1.6所示。
图1.6脉冲编码调制过程
PCM编码采用A律波形编码，编码过程分为三步：
①采样。
在某瞬间测量模拟信号的值。
采样速率8kHz/s。
②量化。
对每个样值用8个比特的量化值来表示对应的模拟信号瞬间值，即为样值指配256（28）个不同电平值中的一个。
③编码。
每个量化值用8个比特的二进制代码表示，组成一串具有离散特性的数字信号流。
用这种编码方式，数字链路上的数字信号比特速率为64kbit／s。
如果GSM系统采用此种方式进行话音编码，那么每个话音信道是64kbit/s，8个话音信道就是512kbit／s。
考虑实际可使用的带宽，GSM规范中规定载频间隔是200kHz。
因此要把它们保持在规定的频带内，就必须大大地降低每个话音信道的编码的比特率，这就要靠改变话音编码的方式来实现。
综前面所述，因此GSM系统话音编码采用混合编码器，全称为线性预测编码-长期预测编码-规则脉冲激励编码器（LPC-LTP-RPE编码器），如图1.7所示。
LPC+LTP为声码器，RPE为波形编码器，再通过复用器混合完成模拟话音信号的数字编码，每话音信道的编码速率为13kbit/s（LPC十LTP为3.6kbit/s；RPE为9.4kbit/s,因此话音编码器的输出比特速率是13kbit）。
图1.7GSM话音编码器框图
1.5.2信道编码
采用数字传输时，所传信号的质量常常用接收比特中有多少是正确的“0”或“l”来表示，并由此引出比特差错率（BER）概念。
BER表明总比特率中有多少比特被检测出错误，差错比特数目或所占的比特要尽可能小。
然而，要把它减小到0，那是不可能的，因为路径是在不断变化的。
这就是说必须允许存在一定数量的差错，但还必须能恢复出原信息，或至少能检测出差错，这对于数据传输来说特别重要，对话音来说只是质量降低。
为了有所补益，可使用信道编码。
信道编码能够检出和校正接收比特流中的差错。
这是因为加入一些冗余比特，把几个比特上携带的信息扩散到更多的比特上。
为此付出的代价是必须传送比该信息所需要的更多的比特，但可有效地减少差错。
为了便于理解，下面举一简单例子加以说明。
假定要传输的信息是一个“0”或是一个“l”，为了提高保护能力，各添加3个比特：
信息添加比特发送比特
11111111
00000000
对于每一比特（0或1），只有一个有效的编码组（0000或l111）。
如果收到的不是0000或1111，就说明传输期间出现了差错。
接收编码组可能为：
00000010011001111111
判决结果：
00X11
如果4个比特中有1个是错的，就可以校正它。
例如发送的是0000，而收到的却是0010，则判决所发送的是0。
如果编码组中有两个比特是错的，则能检出它，如0ll0表明它是错的，但不能校正。
最后如果其中有3个或4个比特是错的，则既不能校正它，也不能检出它来。
所以说这一编码能校正1个差错和检出2个差错。
图1.8表示了数字信号传输的这一过程，其中信源可以是话音、数据或图像的电信号“S”，经信源编码构成一个具有确定长度的数字信号序列“N”，人为地在按一定规则加进非信息数字序列，以构成一个一个码字“C”（信道编码），然后再经调制器变换为适合信道传输的信号。
经信道传输后，在接收端经解调器判决输出的数字序列称为接收序列“R”，再经信道译码器译码后输出信息序列“N”，而信源译码器则将“N”变换成客户需要的信息形式“S”。
图1.8数字信息传输方框图
移动通信的传输信道属变参信道，它不仅会引起随机错误，而更主要的是造成突发错误。
随机错误的特点是码元间的错误互相独立，即每个码元的错误概率与它前后码元的错误与否是无关的。
突发错误则不然，一个码元的错误往往影响前后码元的错误概率。
或者说，一个码元产生错误，则后面几个码元都可能发生错误
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