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移动通信系统信息科学与工程学院曹英禹第1章概论移动通信是指通信双方至少有一方在移动中（或者临时停留在某一非预定的位置上）进行信息传输和交换，这包括移动体（车辆、船舶、飞机或行人)和移动体之间的通信,移动体或固定点(固定无线电台和有线用户)之间的通信.一移动通信的主要特点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的3.移动通信可以利用的频谱资源非常有限,而移动通信业务量的需求却与日俱增4.移动通信系统的网络结构多种多样,网络管理和控制必须有效5.移动通信设备(主要是移动台)必须适于在移动环境中使用二移动通信系统的分类1.移动通信有以下多种分类方法①按使用对象可分为民用设备和军用设备;②按使用环境可分为陆地通信、海上通信和空中通信;③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;④按覆盖范围可分为广域网和局域网;⑤按业务类型可分为电话网、数据网和多媒体网⑥按工作方式可分为同频单工、异频单工、异频双工、和半双工;⑦按服务范围可分为专用网和共用网;⑧按信号形式可分为模拟网和数字网;本节只简要的说明系统分类的几个主要问题.2.工作方式①单工通信所谓单工通信,是指通信双方电台交替的进行收信和发信.根据收、发的频率异同,又可分为同频单工和异频单工.单工通信②双工通信所谓双工通信,是指通信双方可同时进行传输消息的工作方式,有时亦称全双工通信③半双工通信3.模拟网和数字网通信系统和网络经过数字化的进程后,目前主要的通信系统和网络都是数字化的系统和网络,移动通信也是如此.通常,人们把模拟移动通信系统(包括模拟蜂窝网、模拟无绳电话与模拟集群调度系统等)称作第一代移动通信系统,而把数字化的移动通信系统(包括数字蜂窝网、数字无绳电话、移动数据系统以及移动卫星通信系统等）称做第二代移动通信系统。目前，第二代移动通信系统已在世界范围内广泛应用。在此基础上，具有更多新一代（第四代）移动通信系统的研究和开发。所有这些系统都是基于数字技术的。数字通信系统的主要优点可归纳如下：⑴频谱利用率高，有利于提高系统容量。⑵能提供多种业务服务，提高通信系统的通用性。⑶抗噪、抗干扰和抗多径衰落的能力强。⑷能实现更有效、灵活的网络管理和控制。⑸便于实现通信的安全保密。⑹可降低设备成本以及减小用户手机的体积和质量。移动通信网络的分类三常用移动通信系统1.无线电寻呼系统无线电寻呼系统是一种单向通信系统。无线电寻呼系统的用户设备是袖珍式接收机，称作袖珍铃，俗称“BB机”，这是由于它的振玲声近似“B…B…”声音之故。无线电寻呼系统示意图2.蜂窝移动通信系统早期的移动通信系统在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（半径可达几十千米）。（图a)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。（图b）3.无绳电话系统简单的无绳电话机把普通的电话单机分成座机和手机两部分，座机与有线电话网连接，手机与座机之间用无线电连接，这样，允许携带手机的用户可以在一定范围内自由活动使进行通话，因为手机与座机之间不需要用电线连接，故称之为“无绳”电话机。无线电系统示意图4.移动卫星通信系统利用卫星中继，在海上、空中和地形复杂而人口稀疏的地区中实现移动通信，具有独特的优越性，很早就引起人们的重视。1976年，国际海事卫星组织（IMARSAT）首先在太平洋、大西洋和印度洋上空发射了三颗同步卫星，组成了IMARSAT-A系统，为在这三个大洋上航行的船只提供通信服务。美国Motorola公司提出的“铱”（IRIDIUM）系统开始计划设置7条圆形轨道均匀分布于地球的极地方向，每条轨道上有11颗卫星，总共有77颗卫星在地球上空运行，这和铱原子中有77个电子围绕原子核旋转的情况相似，故取名为铱系统。现在该系统改用66颗卫星，分6条轨道在地球上空运行，但原名未改。铱系统卫星轨道示意图四移动通信的基本技术1.调制技术第二代移动通信是数字移动通信，其中的关键技术之一是数字调制技术。数字信号调制的基本类型分为振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）、和相移键控（PSK）。此外，还有许多由基本调制类型改进或综合而获得的新型调制技术。在实际应用中，有两类用得最多的数字调制方式：⑴线性调制技术，主要包括PSK、QPSK、DQPSK、OK-QPSK、π/4-DQPSK和多电平PSK等。应该注意，此处所谓的“线形”，是指这类调制技术要求通信设备从频率变换到放大和发射的过程中保持充分的线形。显然，这种要求在制造移动设备中会增大难度和成本，但是这类调制方式可获得较高的频谱利用率。⑵恒定包络（连续相位）调制方式，主要包括MSK、GMSK、GFSK和TFM等。这类调制技术的优点是已调信号具有相对较窄的功率谱和对放大设备没有线形要求，不足之处是其频谱利用率通常低于线形调制技术。2.多址方式多址方式的基本类型有频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）。实际中也常用到三种基本多址方式的混合多址方式，比如，频分多址/时分多址（TDMA/TDMA）、频分多址/码分多址（FDMA/CDMA）、时分多址/码分多址（TDMA/CDMA）等等。3.抗干扰措施移动通信系统中采用的抗干扰措施是多种多样的，主要有：·利用信道编码进行检错和纠错（包括前向纠错FEC和自动请求重传ARQ）是降低通信传输的差错率，保证通信质量和可靠性的有效手段；·为克服由多径干扰所引起的多径衰落，广泛采用分集技术（包括空间分集、频率分集、时间分集以及RAKE接收技术等）、自适应均衡技术和选用具有抗码间干扰和时延扩展能力的调制技术（如多电平调制、多载波调制等）；·为提高通信系统的综合抗干扰能力而采用扩频和跳频技术；·为减少蜂窝网络中的共道干扰而采用扇区天线、多波束天线和自适应天线阵列等；·在CDMA通信系统中，为了减少多址干扰而使用干扰抵消和多用户信号检测器技术。4.组网技术①网络结构在通信网络的总体规划和设计中必须解决的一个问题是：为了满足运行环境、业务类型、用户数量和覆盖范围等要求，通信网络应该设置哪些基本组成部分（比如，基站和移动台、移动交换中心、网络控制中心、操作维护中心等）和这些组成部分应该怎样部署，才能构成一种实用的网络结构。作为例子，图中给出的是数字蜂窝通信系统的网络结构，其组成部分为：移动交换中心（MSC），基站分系（BSS）（含基站控制器（BSC）、基站收发信台（BTS）），移动台（MS），归属位置寄存器（HLR），访问位置寄存器（VLR），设备标志寄存器（EIR），人证中心（AUC），操作维护中心（OMC）。网络通过移动交换中心（MSC）还与公共交换电话网（PSTN）以及公共数据网（PDN）相连接。数字蜂窝通信系统的网络结构②网络接口Sm是用户和网络之间的接口，也称人机接口；Um是移动台与基站收发信台之间的接口，也称无线接口或空中接口；A是基站和移动交换中心之间的接口；Abis是基站控制器和基站收发信台之间的接口；B是移动交换中心和访问位置寄存器之间的接口；C是移动交换中心和归属位置寄存器之间的接口；D是归属位置寄存器和访问位置寄存器之间的接口；E是移动交换中心之间的接口；第2章组网技术一多址技术多址技术主要解决众多用户如何高效共享给定频谱资源的问题。常规的多址方式有三种：频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）。⒈频分多址（FDMA）频分多址是指将给定的频谱的资源划分为若干个等间隔的频道（或称信道）供不同的用户使用。在模拟移动通信系统中，信道带宽通常等于传输一路模拟话音所需的带宽，如25kHz或30kHz。•在单纯的FDMA系统中，通常采用频分双工（FDD）的方式来实现双工通信，即接收频率f和发送频率F是不同的。为了使得同一部电台的收发之间不产生干扰，收发频率间隔|f-F|必须大于一定的数值。例如，在800MHz频段，收发频率间隔通常为45MHz。一个典型的FDMA频道划分如下：FDMA的频道划分方法在FDMA系统中，收发的频段是分开的，由于所有移动台均使用相同的接收和发送频段，因而移动台到移动台之间不能直接通信，而必须经过基站中转。移动通信的频率资源十分紧缺，不可能为每一个移动台预留一个信道，只可能为每个基站配置好一组信道，供该基站所覆盖的区域（称为小区）内的所有移动台共用。这就是多信道共用问题。在多信道共用的情况下，一个基站若有n个信道同时为小区内的全部移动用户所共用，当其中k（k〈n）个信道被占用之后，其它要求通信的用户可以按照呼叫的先后次序占用（n-k）个信道中的任何一个来进行通信。但基站最多可以同时保障n个用户进行通信。究竟n个信道能为多少用户提供服务呢？共用信道之后必然会遇到所有信道均被占用，而新的呼叫不能接通的情况，但发生这种情况的概率有多大呢？这些就是下面将要讨论的问题。·话务量与呼损率的定义在话音通信中，业务量的大小用话务量来量度。话务量又分为流入话务量和完成话务量。流入话务量的大小取决于单位时间（1小时）内平均发生的呼叫次数λ和每次呼叫平均占用信道时间（含通话时间）S。显然λ和S的加大都会使业务量加大，因而可定义流入话务量A为A=S·λ式中：λ的单位是（次/小时）；S的单位是（小时/次）；两者相乘而得到A应是一个无量纲的量，专门命名它的单位是“爱尔兰”（Erlang）。根据公式的定义，可以这样来理解“爱尔兰”的含意：已知1小时内平均发生呼叫的次数为λ（次），用公式可求得A（爱尔兰）=S（小时/次）·λ（次/小时）可见这个A是平均1小时内所有呼叫需占用信道的总小时数。因此，1爱尔兰就表示平均每小时内用户要求通话的时间为1小时。例如，全通信网平均每小时发生20次呼叫，即λ=20（次/小时）平均每次呼叫的通话时间为3分钟，即S=3（分/次）=1/20（小时/次）代入公式，可得A=20×1/20=1爱尔兰这就表示，1小时的平均呼叫20次所要求的总通话时间为1小时，所以流入话务量等于1爱尔兰。•从一个信道看，它充其量在1个小时之内不间断地进行通信，那么它所能完成的最大的话务量也就是1爱尔兰。由于用户发起呼叫是随机的，不可能不间断的持续利用信道，所以一个信道实际所能完成的话务量必定小于1爱尔兰。也就是说，信道的利用率不可能达到百分之百。在信道共用的情况下，通信网无法保证每个用户的所有呼叫都能成功，必然有少量的呼叫会失败，即发生了“呼损”。已知全网用户在单位时间内的平均呼叫次数为λ，其中有的呼叫成功了，有的呼叫失败了，设单位时间内成功呼叫的次数为λ0（λ0＜λ），就可算出完成话务量A0=λ0·S流入话务量A与完成话务量A0之差，即为损失话务量。损失话务量占流入话务量的比率即为损失的比率，称为“呼损率”，用符号B表示，即B=（A-A0）/A=（λ-λ0）/λ•显然，呼损率B越小，成功呼叫的概率就越大，用户就越满意。因此，呼损率B也称为通信网的服务等级（或业务等级）。例如，某通信网的服务等级为0.05(即B=0.05),表示在全部呼叫中未被接通的概率为5%。但是，对于一个通信网来说，要想使呼叫损失小，只有让流入话务量小，即容纳的用户少些，这又是所不希望的。可见，呼损率与流入话务量是一对矛盾，要折中处理。·空闲信道的选取在移动通信网中，在基站控制的小区内有n个无线信道提供给n×m个移动用户共同使用。那么，当某一用户需要通信而发出呼叫时，怎样从这n个信道中选取一个空闲信道呢？空闲信道的选取方式主要可以分为两类：一类是专用呼叫信道方式（或称“共用信令信道”方式）；另一类是标明空闲信道方式。•⑴专用呼叫信道方式。这种方式是指在网中设置专门的呼叫信道，专用于处理用户的呼叫。移动用户只要不在通话时就停在这呼叫信道上守侯。当移动用户要发起呼叫时，就在上行专用呼叫信道发出呼叫请求信号，基站收到请求后，在下行专用呼叫信道给主叫的移动用户指定当前的空闲信道，移动台根据指令转入空闲信道通话，通