第6章移动通信技术

第6章移动通信技术6.1移动通信概述6.2移动通信技术6.3GSM(全球数字移动通信)系统及GPRS技术6.4CDMA移动通信系统6.5卫星移动通信系统6.6第三代移动通信系统6.1移动通信概述6.1.1移动通信概念所谓移动通信是指通信的双方中至少有一方是在移动中进行信息交换的通信方式。例如，固定点与移动体(汽车、轮船、飞机)之间、移动体之间、活动的人与人和人与移动体之间的通信都属于移动通信的范畴。这里所说的信息交换，不仅指双方的通话，随着移动通信的不断发展，不久还将包括数据、传真、图像等通信业务。如图6-1所示。图6-1移动通信6.1.2移动通信特点(1)在移动通信(特别是陆上移动通信)中，由于移动台的不断运动导致接收信号强度和相位随时间、地点而不断变化，电波传播条件十分恶劣。只有充分研究电波传播的规律，才能进行合理的系统设计。(2)移动形成的多普勒频移将产生附加调制噪声。移动使电波传播产生多普勒效应，如图6-2所示。移动产生的多普勒频率为：（6-1）式中：v为移动速度；λ为工作波长；θ为电波入射角。cosvfd图6-2普勒效应(3)在移动通信中，由于移动通信网是多电台、多波道通信系统，因而，通信设备除受城市噪声（主要是车辆噪声）干扰外，电台干扰（同频干扰、互调干扰）较为突出。所以抗干扰措施在移动通信系统设计中显得尤为重要。(4)移动通信，特别是陆地上移动通信的用户数量较大。为缓和用户数量大与可利用的频道数有限的矛盾，除开发新频段之外，还应采取各种有效利用频率的措施，如压缩频带，缩小波道间隔，多波道共用等，即采用频谱和无线频道有效利用技术。(5)由于在广大区域内的移动台是不规则运动的，而且某些系统中不通话的移动台发射机是关闭的，它与交换中心没有固定的联系，因此，要实现通信并保证质量，移动通信必须发展自己的交换技术，例如，位置登记技术、波道切换技术及漫游技术等。(6)移动台应具有小型、轻量、低功耗和操作方便等优点。同时，在有振动和高、低温等恶劣的环境条件下，要求移动台能够稳定、可靠地工作。6.1.3移动通信分类移动通信按用途、频段、制式及入网方式等不同，可以有不同的分类方法。按使用对象分，可分为军用、民用；按用途和区域分，可分为陆地、海上、空间；按经营方式分，可分为公众网、专用网；按网络形式分，可分为单区制、多区制、蜂窝制；按无线电频道工作方式分，可分为同频单工、异频单工、异频双工；按信号性质分，可分为模拟、数字；按调制方式分，可分为调频、调相及调幅等；按多址复接方式分，可分为频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)及码分多址(CDMA)。除按以上方式分类以外，还可以进行更详细的分类。例如，陆地移动通信系统又可分为公众移动通信系统、无线集群系统和无绳电话系统等。陆上移动通信系统已成为移动通信领域中发展最快的一个分支。在一些发达国家中，蜂窝制公众移动电话系统已成为公众通信网极其重要的组成部分。6.1.4移动通信的工作方式移动通信的工作方式为无线电通信，可分三种；设备按使用频率分四类。(1)按无线电通信工作方式分类，可分为单向、双向及中继三种。1）单向通信方式：这是一种最简单、最原始的通信方式。它可以用两个移动无线电台为通话对象，一个发射，另一个接收。这种方式通常用于传达指令，指挥调度，也可以将基台(固定台)作为一方，移动台为另一方。2）双向通信方式：这种方式双方都可以对话，基台或移动台都能发送和接收，如常见的对讲机。3）中继通信方式：当两个用户距离较远，或者受到地形的影响，如被建筑物及高山阻挡时，可以通过中继转发台转发，以扩大移动通信的服务范围。(2)按设备使用频率的方式分类：可分为单频、异频、双频及中继转发四种。1）单频单工方式：一部收发信机使用一个频率，在发射时不能接收，接收时不能发射，也就是不能同时发射、接收。所以，这种方式称为单频单工方式。2）异频单工方式：电台接收和发送的工作频率具有一定的间隔。如果基台一方采用具有双工器的全双工电台，移动台一方采用异频单工方式工作的系统。则称为半双工方式。3）双频双工方式：双频双工电台可以同时发话和收话，就像市内电话一样。这种电台通常都用一副天线，在天线与收发信机之间接入天线共用器，以满足共用一副天线的要求。天线共用器的作用是将发射信号与接收信号隔离，发射机的输出功率通过天线共用器送到天线并发送出去，同时该天线接收到对方发射的信号并经过天线共用器送到接收机，这种工作方式的电台称为双工台。由于接收和发送是工作在两个有一定间隔的频率上，所以，这种工作方式也称为双频双工方式，4）中继转发方式：中继转发电台的工作方式是将接收到的信号，通过检波成为低频话音信号后，再加到发射机上去调制发射机，并按发射频率输出，以扩大通信距离。有的中继转发电台可以直接用中频信号转发，这种设备的话音质量要比低频转发的好，中继转发方式如图6-3所示。图6-3中继转发方式6.1.5移动通信发展史移动通信从诞生到现在已经有100多年的历史了。以AMPS和TACS为代表的第一代蜂窝移动通信网是模拟系统。模拟蜂窝网虽然取得了很大成功，但也暴露了一些问题，例如频谱利用率低、移动设备复杂、费用较贵、业务种类受限以及通话易被窃听等，而其中最主要的问题是其容量已不能满足日益增长的移动用户的需求。20世纪80年代几乎同时出现了两种重要的移动通信体制：一种是TDMA体制，另一种是CDMA体制。为第二代移动通信系统(数字蜂窝系统)。TDMA体制的典型代表是欧洲的GSM系统，CDMA体制的典型代表是美国的IS-95系统。GSM数字移动通信系统源于欧洲。1982年，北欧国家向CEPT(欧洲邮电管理会议)提交了一份建议书，要求制定900MHz频段的欧洲公共电信业务规范。在这次会议上成立了一个移动特别小组(GroupSpecialMobile)，简称“GSM”，它隶属于欧洲电信标准学会(ETSI)，主要负责制定有关的标准和建议。1991年，欧洲第一个GSM系统开通，并将GSM正式更名为“全球移动通信系统”(GlobalsystemforMobilecommunications)。同年，移动特别小组还完成了1800MHz频段欧洲公共电信业务规范的制定工作，定名为DCS1800系统。GSM900与DCS1800统称GSM系统。1992年，欧洲大部分GSM运营商开始提供商用业务。1993年，欧洲第一个DCS1800系统投入运营。1993年，我国第一个GSM系统建成开通。美国公司Qualcomm(高通)则一直坚定地研究CDMA技术，并于1989年进行了首次CDMA现场试验，证明CDMA用于蜂窝移动通信的大容量特性，经理论推导为AMPS容量的20倍。这一振奋人心的结果很快使CDMA成为全球的热门课题。1995年，香港和美国的CDMA公用网开始投入商用。到1999年底，全球CDMA用户已达5000多万，CDMA的研究和商用进入高潮。中国联通在2000年底建成容量为1000万户左右的CDMA网络，覆盖全国250个以上城市，到2003年底，累计建设容量达4000万户，基本覆盖全国大部分县级以上的城市。移动通信经历了第二代的蓬勃发展，用户数量急剧增加，在某些地区出现了频率资源紧张、系统容量饱和的局面。而与此同时，信息技术飞速发展对移动通信提出了更多新的业务需求，如图像、话音与数据相结合的多媒体业务高速数据业务，而第二代移动通信系统因只能提供话音业务和低速数据业务，已不能适应新业务发展的要求。所以新一代移动通信系统的研究和发展就成为移动通信领域的一个新热点。第三代移动通信系统最初的研究工作始于1985年，当时ITU-R(CCIR)成立临时工作组，提出了未来公共陆地移动通信系统(FPLMTS)，其目的是形成全球统一的频率与统一的标准、实现全球无缝漫游，并提供多种业务。1996年，FPLMTS正式更名为IMT-2000。IMT-2000支持的网络称为第三代移动通信系统，它可以支持高达2Mbit/s的传输速率，并可提供多媒体业务和高速数据业务。目前，第三代移动通信系统的标准化工作已接近尾声，形成了WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA三大主流标准三足鼎立的局面，其中欧洲的WCDMA和美国的cdma2000分别是在GSM和IS-95CDMA的基础上发展起来的。而大唐电信代表中国提出的TD-SCDMA标准由于采用了TDD模式，支持不对称业务，又有中国政府和产业界的支持，再加上国内巨大的市场潜力，因此格外引人注目，必将成为未来移动通信市场上的一个新的亮点。6.2移动通信技术6.2.1移动通信系统的组成移动通信系统一般由移动台（MS）、基站(BS)及移动业务交换中心（MSC）组成。它与市话网(PSTN)通过中继线相连接，如图6-4所示。市话局市话用户有线电话网控制交换中心中继线基地站1中继线中继线基地站3基地站2无线区1车载台无线区2无线区3手持机手持机车载台中继线固定台图6-4移动通信系统的组成基站和移动台设有收、发信机和天馈线等设备。每个基站都有一个可靠通信的服务范围，称为无线小区。无线小区的大小主要由发射功率和基站天线的高度决定。服务面积可分为大区制和小区制两种。大区制是指一个城市由一个无线区覆盖。大区制的基站发射功率很大，无线区覆盖半径可达25km以上。小区制一般是指覆盖半径为2km～10km的区域，且由多个无线区链合而成整个服务区的制式。小区制的基站发射功率很小。目前发展方向是将小区进一步划小，成为微区、宏区和毫区，其覆盖半径降至100m左右。移动业务交换中心主要是提供路由器进行信息处理和对整个系统进行集中控制管理。移动业务交换中心还因系统不同而有几种名称，如在AMPS系统中被称为移动交换局MTSO而在NMT-450及900系统中又称为移动交换机MTX。移动通信是通信条件比较差的一种通信方式，在陆地上受地形、地物和环境干扰等因素的影响较严重。6.2.2移动通信无线覆盖区结构（一）大区制大区制就是在一个基站天线覆盖区内的移动用户，只能在此区域完成联络与控制。它的特点是：基站只有一个天线，架设高、功率大，覆盖半径也大，一般用于集群通信中。此种方式的设备较简单，投资少，见效快，所以在用户较少的地区，大区制得到广泛的应用。但频率利用率低，扩容困难，不能漫游。（二）小区制小区制就是整个业务区(服务区)划分为若干小区，在小区中分别设置基站，负责本小区移动通信的联络控制，同时又可在移动控制中心（移动业务交换中心MSC）的统一控制下，实现小区间移动用户通信的转接，以及移动用户与市话用户的联系。例如，把一个大区制覆盖的服务区域一分为五(图6-5)，每一个小区各设一个小功率基站(BS1～BS5)，发射功率一般为5W～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MS1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1区和3区相距较远，且隔着2、3、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5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。这是公用陆地移动通信采用的天线覆盖方式。图6-5小区制示意图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。与此同时，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，那么用户在拨打电话时就会听到忙音信号。采用小区制时，在移动通话过程中，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