移动通信概述.docx
《移动通信概述.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《移动通信概述.docx（49页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
移动通信概述
移动通信概述
第一章移动通信的发展简史………………………………………1
第二章几种移动通信制式概述…………………………………11
一、频分多址……………………………………………14
二、时分多址……………………………………………16
三、码分多址……………………………………………18
第三章数字网络结构……………………………………………25
一、数字蜂窝移动网络组成及各部分功能……………26
二、网络结构……………………………………………38
三、信令网结构…………………………………………44
第四章无线传播特性的分析……………………………………49
第五章天线系统概述……………………………………………73
一、天线的基本性能和参数……………………………74
二、移动通信中使用的各种类型天线…………………80
三、移动天线产品技术走向……………………………82
第六章移动通信发展趋势………………………………………85
附录一几种常用的天线…………………………………………105
第一章
移动通信的发展简史
1897年，M.G.马克尼所完成的无线通信实验，虽然今天看来仅仅是一个简单的固定点与一艘拖船之间的通信，但却宣告了移动通信的诞生。
人类通信技术从此步入了一个崭新的阶段。
在接下来的100年里，移动通信以一种加速度不断的发展着，各种技术不断被应用到移动通信中，并日臻完善。
大规模集成芯片技术，光纤通信技术，软件技术，交换技术，等等，陈出不穷，丰富多彩。
移动通信的能力不断得到改善，容量提升，频率利用率高，系统性能越来越好，通信产品越来越精巧，品种越来越丰富，将来会以更短的，更快的速度推出。
回顾移动通信发展的历史，对此会更有体会，它大致经历了五个阶段。
1897年，M.G.马克尼所完成的无线通信实验，宣告了移动通信的诞生。
第一阶段从本世纪初到40年代，为早期发展阶段。
在这期间，首先在短波几个频段上开发出专用移动通信系统，其代表是美国底特律市警察使用的车载无线电系统。
该系统工作频率为2MHz，到40年代提高到30～40MHz。
可以认为这个阶段是现代移动通信的起步阶段，特点是专用系统开发，工作频率较低。
第二阶段从40年代中期到60年代初期。
在次期间内，公用移动通信业务开始问世。
1946年，根据美国联邦通信委员会（FCC）的计划，贝尔系统在圣路易城建立了世界上第一个公用汽车电话网，称为“城市系统”。
当时使用三个频道，间隔为120kHz，通信方式为单工，随后，西德（1950）、法国（1956）、英国（1959）等国相继研制了公用移动电话系统。
美国贝尔实验室完成了人工交换系统的接续问题。
这一阶段的特点是从专用移动网向公用移动网过渡，接续方式为人工，网的容量较小。
第三阶段从60年代中期到70年代中期。
在此期间，美国推出了改进型移动电话系统（IMTS），使用150MHz和450MHz频段，采用大区制，中小容量，实现了无线频道自动选择并能够自动接续到公用电话网。
德国也推出了具有相同技术水平的B网。
可以说，这一阶段是移动通信改进与完善的阶段，其特点是采用大区制，中小容量，使用450MHz频段，实现了自动选频与自动接续。
·第一阶段从本世纪初到40年代，为早期发展阶段。
·第二阶段从40年代中期到60年代初期。
·第三阶段从60年代中期到70年代中期。
第四阶段从70年代中期到80年代中期，这是移动通信蓬勃发展时期。
1978年底，美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统（AMPS），建成了蜂窝状移动通信网，大大提高了系统容量。
1983年，首次在芝加哥投入商用。
同年12月，在华盛顿也开始使用。
之后，服务区域在美国逐渐扩大。
到1985年3月已扩展到47个地区，约10万移动用户。
其他工业化国家也相继开发出蜂窝式公用移动通信网。
日本与1979年推出800MHz汽车电话系统（HAMTS），在东京、大阪、神户等地投入商用。
西德于1984年完成C网，频段为450MHz。
英国在1985年开发出全地址通信系统（TACS）,首先在伦敦投入使用，以后覆盖了全国，频段为900MHz。
加拿大推出450MHz移动电话系统（MTS）。
瑞典等北欧四国于1980年开发出NMT—450移动通信网，并投入了使用。
这一阶段的特点是蜂窝状移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发展。
移动通信大发展的原因，除了用户要求迅猛增加这一主要推动力之外，还有几方面技术进展所提供的条件。
首先，微电子技术在这一时期得到长足发展，这使得通信设备的小型化、微型化有了可能性，各种轻便电台被不断地推出。
其次，提出并形成了移动通信新体制。
随着用户数量增加，大区制所能提供的容量很快饱和，这就必须探索新体制。
在着方面最重要的突破是贝尔实验室在70年代提出的蜂窝网的概念。
蜂窝网，即所谓小区制，由于实现了频率再用，大大的提高了系统容量。
可以说，蜂窝概念真正解决了公用移动通信系统要求容量大与频率资源有限的矛盾。
第三方面进展是随着大规模集成电路的发展而出现的微处理技术日趋成熟，以及计算机的技术的迅猛发展，从而为大型通信网的管理与控制提供了技术手段。
·第四阶段从70年代中期到80年代中期，这是移动通信蓬勃发展时期。
第五阶段从80年代中期开始。
这是数字移动通信系统发展和成熟时期。
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，业务种类受限制以及通话易被窃听等，最主要的问题是其容量已不能满足日益增长的用户需求。
解决这些问题的方法是开发新一代数字蜂窝移动通信系统。
数字无线传输的频谱利用率高，可大大提高系统容量。
另外数字网能提供语音、数据多种业务服务，并与ISDN等兼容。
实际上，早在70年代末期，当模拟蜂窝系统还处在开发阶段时，一些发达国家就着手数字移动通信系统的研究。
到80年代中期，欧洲首先推出了泛欧数字移动通信网（GSM）的体系。
随后，美国和日本也制定了各自的数字移动通信的体制。
与其他现代技术的发展一样，移动通信技术的发展也呈现加快趋势，目前，当数字蜂窝网正方兴未艾时，关于未来移动通信的讨论已如火如荼地展开。
各种方案纷纷出台，其中最热门的是所谓个人移动通信。
关于这种系统的概念和结构，各家解释并未一致。
但有一点是肯定的，即未来移动通信系统将提供全球性优质服务，真正实现任何时候、任何地点、向任何人提供通信服务这一移动通信的最高目标。
·第五阶段从80年代中期开始。
这是数字移动通信系统发展和成熟时期。
第二章
几种移动通信制式概述
一个无线电信号可以用若干个参量来表征，其中最基本的是信号的射频频率、信号出现的时间、信号出现的空间、信号的码型、信号的波型等。
按照这些参量的分割，可以实现的多址连接有频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）等，目前，在移动通信系统中所采用的多址方式主要也是这三种。
·频分多址（FDMA）
·时分多址（TDMA）
·码分多址（CDMA）
一、频分多址
频分多址是把通信系统的总频段划分若干个等间隔的互不重叠的频道分配给不同的用户使用。
每个频道只能传一路话音信号，而在相邻频道之间无明显干扰。
为了实现双工通信，收发使用不同的频率，收发频率之间间隔为45MHz，我国模拟移动通信的频段是890-905MHz（移动台发，基站收）和935-950MHz（基站发，移动台收），有15MHz的带宽，每信道带宽为25KHz，从而共有600个信道。
频分多址系统不需要复杂的成帧、同步和突发脉冲序列的传输，移动台设备相对简单，共同设备的成本高，所有的FDMA系统中，都有一个严重的缺点，那就是为了满足给定数量的用户的通信要求，基站需要相当多的设备。
这是由于每载波单路的设计造成的。
例如在给定的小区中有1000用户，需要在小区基站设50路左右的频道以满足用户的需求，FDMA系统在小区基站上就需要50个频道的设备，即50台收发信机。
如果采用时分多址TDMA系统，如采用五个时隙的复用设备，只需要10个频道的收发信机设备。
频分多址移动通信的优点是技术比较成熟、容易实现、覆盖范围较大等。
缺点是频率利用率低、保密性差、设备复杂、维护量大等。
二、时分多址
时分多址是把无线信道分割成周期性帧，每一帧再分割成若干个时隙，然后根据一定的时隙分配原则，使移动台在每帧中按指定的时隙向基站发送信号，基站可以在各时隙中接受到移动台的信号而不混扰。
同时基站发向多个移动台的信号都按规定在预定的时隙中发射，各移动台在指定的时隙中接受。
时分多址只能传送数字信息，话音必须先进行模数变换（数字语音编码），再送到调制器对载波进行调制，然后以突发信号的形式发射出去。
时分多址方式可以有效地提高频谱利用率、减少基站工作载波数，从而降低基站的造价，同时还可以方便地接受非话业务的传输。
移动台在利用空闲时隙监测基站的信号电平，判别移动台是否需要切换，并为移动台的切换提供依据。
时分多址移动通信系统是数字移动通信系统，它比模拟移动通信系统有抗干扰能力强、频率利用率高等优点，缺点是时分多址移动通信系统话音失真大、手机发射功率大等。
三、码分多址
在码分多址系统中，不同的移动用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分的，而是用各自不同的编码序列来区分，或者靠信号的不同波型来区分。
从频域或时域上来看，多个CDMA信号是重叠的。
接受机用相关器从多个CDMA信号中选出其中使用预定码型的信号。
其他使用不同码型的信号因为和接受机本地产生的码型不同而不能被解调。
在CDMA蜂窝通信系统中，用户之间的信息传输也是由基站进行转发和控制的。
为了实现双工通信，正向传输和反向传输各使用一个频率，即通常所谓的频分双工。
无论正向传输或反向传输除去传输业务信息外，还必须传送相应的控制信息。
为了传送不同的信息，需要设置相应的信道。
但是，CDMA通信系统既不分频道又不分时隙，无论传送何种信息的信道都靠采用不同的码型来区分。
类似的信道属于逻辑信道。
这些逻辑信道无论从频域或时域来看都是互相重叠的，或者说它们均占用相同的频段和时间。
左图给出的是CDMA通信系统的逻辑信道示意图。
码分多址蜂窝通信系统的特点
a.根据理论分析，CDMA蜂窝移动通信系统与FDMA模拟蜂窝通信系统或TDMA数字蜂窝通信系统相比具有更大的通信量。
b.CDMA蜂窝通信系统的全部用户共享一个无线信道，用户信号的区分只是所用码型的不同。
故当蜂窝通信系统的负荷满载时，另外增加少数用户，只会引起话音质量的轻微下降，或者说信噪比稍微降低，而不会出现阻塞现象。
这种现象和FDMA蜂窝通信系统或TDMA蜂窝通信系统都不相同。
在FDMA系统和TDMA系统中，当全部频道或时隙被占满以后，哪怕只增加一个用户也不可能。
CDMA蜂窝通信系统的这种特征，使系统的容量和质量之间存在一种“软”的关系。
在业务高峰期间，有可能在一定程度上，稍微降低系统的误码性能，以适当增多系统的用户数，即短时间内提供稍多的可用信道数。
c.在其他蜂窝通信系统中，当用户进行小区切换时，如找不到可用频道或时隙时，通信必然中断。
CDMA蜂窝通信系统可以避免发生类似的现象，软容量特性使系统可以支持过载切换的用户，直到它切换成功，只是其他用户的通信质量可能受到一些影响，再加上小区切换时，只须改变码型，用不着切换频率，相对而言，其管理与控制比较简单，所以说，CDMA蜂窝通信系统具有“软切换”能力。
d.CDMA蜂窝通信系统可以充分利用人类对话的不连续特性，实现话音激活技术以提高系统的通信容量。
·具有更大的通信量
·容量和质量之间存在一种“软”的关系
·“软切换”能力
·实现话音激活技术以提高系统的通信容量
e.CDMA蜂窝通信系统以扩频技术为基础，因而它具有扩频通信系统所固有的优点，如抗干扰、抗多径衰落和具有保密性等。
·扩频技术
第三章
数字网络结构
一、数字蜂窝移动网络组成及各部分功能
数字蜂窝网络系统由三个部分组成：
交换系统，基站系统，操作和支持系统，见图。
1.交换系统
交换系统由移动业务交换中心（MSC）、本地用户位置登记器（HLR）、外来用户位置登记器（VLR）、鉴权中心（AUC）和设备身份登记器（EIR）五个部分组成。
a.移动业务交换中心（MSC）
移动业务交换中心完成系统的电话交换功能。
负责建立呼叫、路由选择、控制和终止呼叫，负责管理交换区内部的切换和补充业务，并且负责收集计费和帐单信息，用于协调与固定电话交换网之间的业务，完成公共信道信令及网络的接口。
它能够提供与其他非话业务之间正确互联工作所需要的功能，例如公共分组数据交换业务。
b.本地用户位置登记器（HLR）
本地用户位置登记器用于管理移动用户的主要数据库，根据网络的规模，系统可有一个或多个本地用户位置登记器，登记器中存储两种类型的数据。
→用户信息登记在本地用户位置登记器中，用户信息中注册的有关电信业务、传真业务和补充业务等方面的数据。
→位置信息：
利用位置信息能正确的选择路由，将呼叫接通移动台，这是通过该移动台目前所在区域提供服务的移动交换中心来完成的。
c.外来用户位置登记器（VLR）
外来用户位置登记器是一个移动用户漫游到了一个新的移动交换中心区域，该移动交换中心的外来用户位置登记器将向本地用户位置登记器询问该移动台的数据，本地用户位置登记器也存储该移动台将要被登记的外来用户位置登记器的地址。
如果这个移动台在此之后想打电话，外来用户位置登记器具有建立呼叫所需的所有数据，因此不需要询问本地用户位置登记器。
这样可以认为外来用户位置登记器是本地用户位置登记器的一个分布式复制器。
移动业务交换中心（MSC）
本地用户位置登记器（HLR）
交换系统外来用户位置登记器（VLR）
鉴权中心（AUC）
设备身份登记器（EIR）
d.鉴权中心（AUC）
鉴权中心与本地用户位置登记器连接在一起，它为本地用户位置登记器提供一个与用户有关的并用于安全方面的鉴别参数和加密密钥。
e.设备身份登记器（EIR）
移动台由它的国际移动设备身份号（IMEI）来识别，而用户则由它的国际移动用户身份号（IMSI）来识别。
为了防止非法使用偷窃的、有故障的或未经许可的移动设备，一个设备身份登记器被连接到移动业务交换中心，移动业务交换中心利用设备身份登记器来检查用户所使用的设备的身份号的有效性。
2.基站系统（BSS）
基站系统包含两个部分：
基站控制器（BSC）和基站收发信机（BTS）。
通常，交换系统中的一个MSC监控一个或多个BSC，每个BSC控制多个BTS。
基站控制器是一个高容量的交换机，负责系统与无线有关的功能，如切换、无线网络资源管理和蜂窝数据等。
在每次通话的过程中，基站接受机能够监测到基站的信号强度并送给基站控制器，使控制器决定什么时刻切换，切换到哪一个基站小区。
基站控制器也具有对移动台的功率控制功能，降低移动台的发射功率电平，可延长移动台的工作时间（电池工作时间长了），减少对其他用户之间的干扰。
基站控制器（BSC）
基站系统
基站（BTS）
3.操作与维护中心OMC（OperationandMaintenanceCentre）
OMC用于集中监控其他网络实体（如基站、交换机、数据库等）以及监视网络服务质量。
目前各生产商都有自己的OMC，但它们互相之间在各个方面都不兼容，无线基站设备生产商生产的OMC犹其如此。
无线基站设备生产商的OMC一般是一种单独的设备，数字交换设备生产商生产的OMC一般是与设备结合在一起的，是硬件的一部分，但在功能上分开。
有两种类型的OMC：
OMC（R）——指控制基站系统的OMC。
OMC（S）——指控制网络交换系统的OMC。
ITS－TS推荐，OMC应支持以下功能：
事件/告警管理
故障管理
统计数据管理
配置管理
安全管理
OMC的功能结构如对面图所示。
OMC功能结构
4.移动台（MS）
系统中移动台有车载台、便携台和手持台。
每个移动台有一个身份号。
移动台设备本身由一个独特的国际移动设备身份号（IMEI）来区别。
当移动台被一个用户使用时，它还有一个国际移动用户身份号（IMSI）。
国际移动用户身份号可做到一个用户身份模块（SIM）中，这样移动用户可以插入他的身份模块并使用符合系统规范的卡来驱动移动台。
IMSI通常不在无线信道上使用，取而代之的是一个临时身份，这个临时移动用户身份号（TMSI）是当移动台被来访者位置登记器登记时，被分配给移动台的。
移动台设备
移动台
用户识别卡（SIM）
二、网络结构
1.移动业务本地网的网络结构
a、全国划分为若干个移动业务本地网，原则上长途编号区为一位、二位、三位的地区可建立移动业务本地网，它可归属于某长途编号区为一位、二位、三位地区的移动业务本地网。
每个移动业务本地网应相应设立HLR，用于存储归属该移动业务本地网的所有用户的有关数据。
每个移动业务本地网中可设一个或若干个移动业务交换中心MSC。
b、移动业务本地网中，每个MSC与局所在的长途局相连，并与局所在的市话汇接局相连。
在长途局多局制地区，MSC应与该地区的高一级长途局相连。
如没有市话汇接局的地区，可与本地市话端局相连，如右图所示。
长途编号区2
长途编号区3
长途编号区1
2.省内数字公用陆地蜂窝移动通信网
a.省内数字公用陆地蜂窝移动通信网由省内的各移动业务本地网构成，省内若干个移动业务汇接中心也称二级汇接中心或省级汇接中心。
二级汇接中心可以只作汇接中心，或者既作端局又作汇接中心的移动业务交换中心。
b.省内数字公用陆地蜂窝移动通信网中的每一个移动端局，至少应与省内两个二级汇接中心相连，省内的二级汇接中心之间为网状的，如图所示。
全国数字公用陆地蜂窝移动通信网的网络结构，如图所示。
在大区设立一级移动业务汇接中心，通常为单独设置的移动业务汇接中心。
省内二级汇接中心应与相应的汇接中心相连。
一级汇接中心之间为网状网。
PSTNPLMNPSTN
三、信令网结构
信令网有两种结构，一是全国No.7网，二是组建移动专用的No.7信令网，是全国网的一部分，它最简单、最经济、最合理，因为No.7信令网就是为多种业务共同服务的，但短期内全国No.7信令网不可能具备此能力。
因此，对于建网初级，要建移动网专用的No.7信令网。
因为省内的No.7信令网是通信专网，信令要使电话用户部分和移动用户应用部分的消息传输比较可靠。
信令网与通信网之间的关系，如图所示。
信令网结构
通信网结构以每个省内设2~4个低级信号转接点LSTP（第二级），一般设在省汇接中心（TMSC中心）移动汇接局，MSC、VLR、HLR、AUC、EIR信令点至少要接到两个LSTP点上，每个移动本地网中，HLR至MSC间要有信令专线，省际间初始经PSTN网互连，因主要是MAP消息在信令网中传输，信令线中断仅影响到漫游，因而初始阶段各大区可只建一个高级信号转接点HSTP（第一级）单星型结构，各省的LSTP接到大区中心HSTP点上，建A、B两个平面。
各大区可建一对HSTP点。
为向全国信令网过渡，移动网中信令点编码要求采用24位，但目前国外厂家只有14位信令设备，考虑到开始建信令专网，允许初期经邮电部电信总局批准，使用统一分配的14位信令编码，随着全国公用No.7网的建设，逐步过渡到24位信令点编码。
国际信号点编码格式如表所示。
表国际信号点编码格式
NML
KJIHGFED
CBA
大区识别
区域网识别
信点识别
信号区域网编码SANC
国际信号点编码ISPC
表中，NML：
识别世界编码大区；
K~D：
识别世界编码大区内的地理区域或区域网：
CBA：
识别地理区域或区域网内的信号点。
NML和K至D两部分合起来的名称为信号区域网编号，每个国家都分配了一个或几个备用的SANC。
如果一个不够用（SANC中的8个编码不够用）可申请备用。
我国国内信号网信号点编码如表所示。
表我国国内信号网信号点编码
8
8
8
主信号区
分信号区
信号点
省、自治区、直辖市
地区、地级市，直辖市内的汇接区、郊区
电信网中的交换局
在国际电话连接中，国际接口局负责两个信号点编码的转换。
第四章
无线传播的分析方法
在规划和建设城市蜂窝数字移动网时，从选择频段、分配频率、考虑无线电覆盖范围、计算通信可用度、以及系统内和系统间的干扰，到最终确定无线设备的参数，都有赖于对信道及电波特性的了解。
移动通信中电波传播特性主要受到以下因素的影响：
频率，距离，极化方式，天线高度，地形，地物，地面及各种散射与反射物体的电特性参数，时间，季节等多种因素的影响。
在特定的环境中，主要取决于频率、距离和天线高度。
随着移动体种类的不同、传播环境的变化以及使用频段的差异，移动通信的传播方式各不相同，其传播特性也自然不一样。
这样，在不同地区、不同城市中的移动信道特性究竟如何，目前只能在这些环境中用场强实测所获取的数据来确定。
移动通信中电波传播特性主要受到以下因素的影响：
频率，距离，极化方式，天线高度，地形，地物，地面及各种散射与反射物体的电特性参数，时间，季节等多种因素的影响。
为解决移动通信系统的规划设计问题，必须搞清楚三个问题：
1.无线电信号在移动通信中可能发生的变化以及发生这些变化的原因。
2.对于特定的无线传输技术，这些变化对传输质量和系统性能有什么影响。
3.有哪些方法和技术可供用来克服这些不利影响。
1.无线电信号在移动通信中可能发生的变化以及发生这些变化的原因。
2.对于特定的无线传输技术，这些变化对传输质量和系统性能有什么影响。
3.有哪些方法和技术可供用来克服这些不利影响。
对移动通信进行研究的基本方法有三种：
1.理论分析，即用电磁场理论或统计理论分析电波在移动环境中的传播特性。
并用各种数学模型来描述移动信道。
往往要提出一些假设条件使信道数学模型化，所以数学模型对信道的描述都是近似的。
即使这样，信道的理论模型对人们认识和研究移动通信仍可起指导作用。
2.现场电波传播测试，即在不同的传播环境中，做电波传播实测试验。
测试参数包括接受信号幅度、延时以及其他反映信道特征的参数。
对实测数据进行统计分析，可以得出一些有用的结果。
由于移动环境的多样性，现场实测一直被作为研究移动通信的重要方法。
3.计算机模拟，这是近年来随着计算机技术的发展而出现的研究方法。
计算机在硬件支持下，具有很强的计算能力，能灵活快速的模拟各种移动环境。
1.理论分析
2.现场电波传播测试
3.计算机模拟
移动环境中电波传播特性研究的结果往往用下述两种方式给出：
第一：
对移动环境中电波传播特性给出某种统计描述。
例如，理论分析和实测试验结果表明，在移动环境中接受信号的幅度在大多数的情况下符合瑞利分布。
在有些情况，则更符合莱斯分布。
电波衰落特性的统计规律，为研究移动信道抗衰落技术提供了基本依据。
第二：
建立电波传播模型。
模型可包括图表，近似计算公式等。
应用电波传播模型可对无线电波在传播过程中的损耗进行预测，直接为系统工程设计服务。
第一：
对移动环境中电波传播特性给出某种统计描述。
第二：
建立电波传播
升级会员 