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移动通信概论
《移动通信与终端》讲义
本课程：
【教学目标】讲授现代移动通信系统的基本概念、基本原理和关键技术。
【教学重点】移动通信信道分析、现代移动通信系统的关键技术和网络构成、以及重要的2G和3G移动通信系统。
【教学要求】掌握现代移动通信的基本概念、初步了解其发展史和发展现状、掌握移动信道的一些基本概念和初步定量分析方法、理解现代移动通信的关键技术、了解重要的2G和3G移动通信系统。
第1章移动通信概论
【教学内容】移动通信的主要特点，移动通信系统的分类，常用移动通信系统，移动通信的基本技术，移动通信的标准化。
【教学要求】了解移动通信的主要特点、分类、基本技术。
【重点与难点】移动通信的基本技术。
【教学方法】
演示法、对比法、举例法
视觉图像法、归纳总结法等
●移动通信系统构成，既有有线系统，也有无线系统；移动通信课程主要研究无线通信系统。
●移动通信既有海上移动通信、空中移动通信，也有陆上移动通信；移动通信课程主要研究公用陆上移动通信系统（PLMTS）。
●移动通信是无线电通信，但不是研究点对点无线电通信，而是研究多用户多信道共用无线电通信。
●移动通信系统有多种，本书主要研究蜂窝移动通信系统。
本章将先介绍通信的一些基础预备知识，而后再阐述移动通信发展的历程，移动通信系统的特点和分类、基本组成、基本概念以及工作方式和相关的移动通信技术的标准化问题。
§1.1预备知识
一、通信的概念
通信：
科技名词定义－按照达成的协议，信息在人、地点、进程和机器之间进行的传送。
英文名称：
communication
一般定义：
通信，指人与人或人与自然之间通过某种行为或媒介进行的信息交流与传递，从广义上指需要信息的双方或多方在不违背各自意愿的情况下无论采用何种方法，使用何种媒质，将信息从某方准确安全传送到另方。
通信在不同的环境下有不同的解释，在出现电波传递通信后通信（Communication）被单一解释为信息的传递，是指由一地向另一地进行信息的传输与交换，其目的是传输消息。
然而，通信是在人类实践过程中随着社会生产力的发展对传递消息的要求不断提升使得人类文明不断进步。
在各种各样的通信方式中，利用“电”来传递消息的通信方法称为电信（Telecommunication），这种通信具有迅速、准确、可靠等特点，且几乎不受时间、地点、空间、距离的限制，因而得到了飞速发展和广泛应用；在现今因电波的快捷性使得从远古人类物质交换过程中就结合文化交流与实体经济不断积累进步的实物性通信（邮政通信）被人类理解为制约经济发展的阻碍。
在古代，人们通过驿站、飞鸽传书、烽火报警、符号、身体语言、眼神、触碰等方式进行信息传递。
到了今天，随着科学水平的飞速发展，相继出现了无线电、固定电话、移动电话、互联网甚至视频电话等各种通信方式。
通信技术拉近了人与人之间的距离，提高了经济的效率，深刻的改变了人类的生活方式和社会面。
通信发展简史：
形体时代：
通过身体、眼神、手势及山石树木等自然媒体相结合传递信息。
口语时代：
直立行走使得人类对信息传递方式的需求提高从而催生了语言。
文字书写时代：
随着生产力的发展人类对信息记录有了需求，文字随之产生。
印刷时代：
1044年，毕升发明活字印刷术。
1450年，日耳曼人古腾堡发明金属活字印刷术。
1837年，美国人摩斯发明电报机。
1857年，横跨大西洋海底电报电缆完成。
1875年，贝尔发明史上第一支电话。
1895年，俄国人波波夫和意大利人马可尼同时成功研制了无线电接收机。
1895年，法国的卢米埃兄弟，在巴黎首映第一部电影。
1912年，泰坦尼克号沉船事件中，无线电救了700多条人命。
1920年代，收音机问世。
1920年代，英国人贝尔德成功进行了电视画面的传送，被誉为电视发明人。
二次大战爆发，电视事业中断，战火突显广播发送成本低、接收容易的特性，听众再次增加。
1962年，美国发射第一颗人造卫星，开启电视卫星传送的时代。
网络传播时代：
1955年，美国为了大战的需要，发行了第一部军用电子计算机。
1969年，美军建立阿帕网（ARPANET），目的是预防遭受攻击时，通信中断。
1983年，美国国防部将阿帕网分为军网和民网，渐渐扩大为今天的互联网。
1993年，美国宣布兴建信息高速通路计划，整合电脑、电话、电视媒体。
二、信号的概念
信号（也称为讯号）是运载消息的工具，是消息的载体。
从广义上讲，它包含光信号、声信号和电信号等。
例如，古代人利用点燃烽火台而产生的滚滚狼烟，向远方军队传递敌人入侵的消息，这属于光信号；当我们说话时，声波传递到他人的耳朵，使他人了解我们的意图，这属于声信号；遨游太空的各种无线电波、四通八达的电话网中的电流等，都可以用来向远方表达各种消息，这属电信号。
人们通过对光、声、电信号进行接收，才知道对方要表达的消息。
信号
对信号的分类方法很多，信号按数学关系、取值特征、能量功率、处理分析、所具有的时间函数特性、取值是否为实数等，可以分为确定性信号和非确定性信号（又称随机信号）、连续信号和离散信号（即模拟信号和数字信号）、能量信号和功率信号、时域信号和频域信号、时限信号和频限信号、实信号和复信号等。
三、交换的概念
在通信领域的概念：
在需要运送信号时，把一些功能单元、传输通路或电信电路互连起来的过程。
交换就是在用户间有目的地传递信息，数据交换就是数据转接。
四、通信网的基本组成
通信网的模型其基本组成包括：
信源、发送器、信道、接收器和信宿五部分。
（1）信源：
产生各种信息的信息源，它可以是人或机器（如计算机等）。
（2）发送器：
负责将信源发出的信息转换成适合在传输系统中传输的信号。
对应不同的信源和传输系统，发送器会有不同的组成和信号变换功能，一般包含编码、调制、放大和加密等功能。
（3）信道：
信号的传输媒介，负责在发送器和接收器之间传输信号。
通常按传输媒介的种类可分为有线信道和无线信道；按传输信号的形式则可分为模拟信道和数字信道。
（4）接收器：
负责将从传输系统中收到的信号转换成信宿可以接收的信息形式。
它的作用与发送器正好相反。
主要功能包括信号的解码、解调、放大、均衡和解密等。
（5）信宿：
负责接收信息。
§1．2移动通信的基本概念
一、基本概念
●移动通信，是指通信双方或至少有一方处于运动中进行信息传输和交换的通信方式。
P4
●移动通信系统包括无绳电话、无线寻呼、陆地蜂窝移动通信、卫星移动通信等。
●移动体之间通信联系的传输手段只能依靠无线电通信，因此，无线通信是移动通信的基础，而无线通信技术的发展将推动移动通信的发展。
二、移动通信的特点
●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
●3．随着移动通信业务量的需求与日俱增，移动通信可以利用的频谱资源非常有限
●4．对移动台的要求高
●5．通道容量有限
●6．通信系统复杂
§1．3移动通信的基本概念发展及现状
一、发展阶段
从移动通信诞生到3G，移动通信发展经历了6个阶段：
第一阶段从本世纪20年代至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。
特点是专用系统开发，工作频率较低。
（起步）
第二阶段从40年代中期至60年代初期。
在此期间内，公用移动通信业务开始问世。
1946年，贝尔系统在圣路易斯城建立了世界上第一个公用汽车电话网，称为“城市系统”。
随后，西德（1950年）、法国（1956年）、英国（1959年）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。
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。
（过渡）
第三阶段从60年代中期至70年代中期。
在此期间，美国推出了改进型移动电话系统（1MTS），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系统改进与完善的阶段，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。
（改进）
第四阶段从70年代中期至80年代中期。
这是移动通信蓬勃发展时期。
1978年底，美国贝尔试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，在华盛顿也开始启用。
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。
其它工业化国家也相继开发出蜂窝式公用移动通信网。
日本于1979年推出800MHz汽车电话系统（HAMTS），在东京、大胶、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。
法国开发出450系统。
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，并投入使用，频段为450MHz。
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。
（发展）
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移动用户需求。
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于开发阶段时，一些发达国家就着手数字蜂窝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体制。
泛欧网GSM已于1991年7月开始投入商用，预计1995年将覆盖欧洲主要城市、机场和公路。
可以说，在未来十多年内数字蜂窝移动通信将处于一个大发展时期，及有可能成为陆地公用移动通信的主要系统。
（成熟）
目前，当数字蜂窝网刚刚进入实用阶段，正方兴末艾之时，关于未来移动通信的讨论已如火如菜地展开。
各种方案纷纷出台，其中最热门的是所谓个人移动通信网。
关于这种系统的概念和结构，各家解释并末一致。
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，真正实现在任何时间、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。
二、我国移动通信发展现状
移动通信是我国最具发展活力的产业之一。
1987年至2000年的十余年间，我国移动通信用户总数以年均100%增长速率迅猛发展，目前已拥有2.1亿用户，年产值约为2000亿人民币，其规模已超过占美国，成为世界上规模最大的电信市场。
据有关部门预测，2005年我国移动通信用户数将达到3.5亿，普及率将由现在的10%增加至20%。
与世界上移动通信普及率最高的国家相比，我国移动通信的发展潜力巨大。
GSM是占据我国移动通信市场绝大部分份额的移动通信技术，目前约占我国移动通信用户总数的97%。
2001年初，中国联通在全国范围内开始规模发展800MHzIS-95ACDMA网络。
根据其规划，至2001年CDMA网络容量将达到1400万，至2004年CDMA网络容量将达到4000万，用户数将达2800万。
与此同时，中国移动开始在全国主要城市部署支持分组数据业务的GSMGPRS系统。
随着移动用户数的增加和人们物质生活水平的提高，以提供话音业务为主的传统GSM和CDMA技术已逐渐难以满足需求。
能够提供无线Internet业务和多媒体业务的第三代移动通信商用化已提上议事日程。
按照有关部门的计划，我国将于2003年底前完成第三代移动通信系统的技术试验，并于2004年开始第三代移动通信系统的商用化。
根据有关专家的预测，2010年第三代移动通信系统的市场规模将达到10000亿人民币。
与上述移动通信市场迅速发展形成鲜明对比的是，我国移动通信制造业由于起步晚，基础薄弱，缺乏核心技术等原因，在与国外大型制造企业的竞争中处于不利地位，民族企业的市场占有率目前仅为20%左右。
由于缺乏核心竞争力，民族企业的盈利空间相对低下，经济效益难以提高。
在国家八六三计划和信息产业部移动通信专项基金等方面的支持下，我国在第三代移动通信系统研究开发方面取得了巨大进展，掌握了一大批核心技术，完成了WCDMA和cdma2000-1x现场试验系统的研制，并提出了拥有自主知识产权的第三代移动通信体制标准TD-SCDMA。
随着我国在集成电路设计和加工方面取得重要进展，有望于2004年前后实现移动通信产业核心技术的重要突破，从而实现我国移动通信产业质的飞跃。
尽管与发达国家的差距日趋缩小，但应当看到我国在无线通信领域的研发布局还不够合理，超前性和战略性的研究相对薄弱，未能建立一支相对稳定的超前性研发队伍，也未能在新技术、新体制、新标准的创立初期形成研究优势，导致在战略上受制于人。
与我国其它领域的研究状况类似，我国信息领域大型的研究计划基本处于相对比较封闭的状态。
一方面，由于体制方面的原因，位于国际一流水平的国外研究机构和生产厂商无法直接参与我国信息领域的大型科研计划。
另一方面，我国信息领域的大型研究计划常常无法直接与国际技术发展与标准化进程相衔接，参研人员走向国际舞台的程度不高，研究成果对国际主流技术发展的影响不够。
三、国际移动通信发展趋势
尽管发达国家的经济发展处于衰退的边沿，导致移动通信产业在世界范围内的发展速度放缓，用户平均收入（ARPU）也日趋下降,但总量仍保持两位数以上的增长。
发达国家的移动通信用户覆盖率大多已达到70-80%，已接近饱和，为了维持移动通信产业的进一步发展,急需推出能够吸引用户的高附加值数据业务。
但不幸的是，移动数据业务的起飞远非人们设想的那样简单，基于GSM电路交换的WAP数据业务在世界范围内遭受挫折，基于GPRS的移动数据业务也在艰难中跋涉。
尽管如此，国际上第三代移动通信的商用化逐步在全球范围内进入实施阶段。
一方面，第三代移动通信技术除了能够支持更高速率的移动多媒体业务外，还提供更高的频谱效率和服务质量，对于新兴的移动运营商具有较大的吸引力。
另一方面，欧洲国家的各大运营商已经耗费了巨额资金获得了第三代移动通信运营执照，为了应对来自资本市场的压力，纷纷采取合作与重组的方式，逐步推进3G网络的建设，其中欧洲的大部分运营商计划于2003年开始对WCDMA技术进行试商用。
而北美SpringPCS，BellMobility,VerizonWireless，日本的KDDI及韩国的KT已于2001年年底实现cdma2000-1x的商用化。
与此同时，日本DoCoMo于2001年10月初步实现了WCDMA的商用化。
根据对有关电信运营商的调查，与位置有关的信息点播业务、多媒体短信业务、移动上网浏览业务、移动电子商务、交互式娱乐业务将是未来最具发展前景的移动通信业务。
Internet业务的日益普及，促使移动通信技术向全IP方向发展。
目前3GPP和3GPP2等标准化组织正在制定基于全IP的第三代移动通信增强型体制标准。
为迎合该方面的发展，3GPP2已提出了能够支持高速分组业务（峰值速率为4至5Mbps）的cdam2000-1x/EV标准。
3GPP也在进行类似的工作，一个名为HSPDA增强性第三代移动通信标准正在制定之中，其分组业务峰值传输速率将达到8Mbps以上。
随着第三代移动通信系统逐渐进入商用，国内外有关第四代移动通信的研究已初见端倪。
日本和韩国于2002年启动了面向第四代移动通信的mTIF和K4G研究计划。
欧盟在前期研究计划（第五框架研究计划）的基础上，成立了世界无线通信研究论坛（WWRF），着手进行“IMT2000”之后的第四代移动通信研究的概念、需求与基本框架研究，并将把第四代移动通信系统列入将于2003年启动的欧盟“第六框架研究计划”。
在我国，第四代移动通信已被正式列入国家八六三“十五”研究计划，已于近期启动。
如同3G系统与2G系统之间的关系一样，4G系统不可能在一夜之间取代3G系统，更不可能跨越3G系统而直接投入应用。
制定一个全世界统一的4G标准需要耗费5至7年的时间，而现有的2G系统在未来的5至7年是无法满足日益增长的通信需求的。
无线局域网（WLAN）将作为蜂窝系统的补充，较好地应用于局部区域的覆盖，但由于其故有的碰撞检测与重发机制，在用户数极为密集的地区，频谱效率将急剧下降，也难以适用于多小区、快速移动环境下的全程业务覆盖。
此外现有的WLAN尚不具备功率控制功能，目前尚未能解决应用于手持终端时的功耗问题，等等。
从上述角度来说，3G系统是不可替代的。
另一方面，并不能因为4G系统的实用化期定于2012年，而否定现在国内外有关4G研究工作的重大意义。
未来通信产业的发展越来越多地体现在核心知识产权与标准的竞争，若不能新技术、新体制标准产生的初期加入国际竞争，则无法掌握未来移动通信的核心知识产权，无法摆脱我国在移动通信技术发展上长期受制于人的被动局面，无法对国际主流移动通信技术和标准产生影响，使之朝着对我国未来移动通信产业有力的方向发展。
●移动通信系统从20世纪40年代发展至今，根据其发展历程和发展方向，可以划分为三个阶段，三代技术标准：
1．第一代移动电话系统是模拟系统
70年代在世界许多地方得到研究。
采用的技术：
由贝尔实验室提出的蜂窝组网技术，在多址技术上采用频分多址技术（PDMA）。
特点：
频谱利用率低，设备成本高，业务种类少，保密性差，容量小，不能满足用户量的发展。
具有代表性的是：
美国的AMPS（高级移动电话业务）和英国的TACS（全接入通信系统）。
2．第二代移动电话系统是数字蜂窝移动通信系统.
具有代表性的是：
20世纪80年代几乎同时出现了两种重要的通信体制，一种是TDMA，另一种是CDMA。
TDMA体制的典型代表是欧洲的GSM系统，CDMA体制典型的代表是美国的IS-95系统。
由于GSM相对模拟移动通信技术是第二代移动通信技术，所以简称2G,
1995年香港和美国的CDMA公用网开始投入商用。
我国于1998年开始CDMA商用化。
GSM 系统和CDMA 系统主要区别是多址方式的不同，GSM 是采用时分多址（TDMA）方式，而CDMA 是采用码分多址。
3. IMT-2000支持的网络成为第三代移动通信系统（3G），是将无线通信与互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。
功能：
1）它能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。
2）它可以支持高达2Mbit/s的传输速率
第三代移动通信系统标准有：
WCDMA, CDMA2000, TD-SCDMA，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，大唐电信代表中国提出的TD-SCDMA标准采用了TDD模式，支持不对称业务。
1999年10月．国际电信标准化部门（ITU-T）最终通过了IMT-2000无线接口技术规范建议，确立了IMT-2000所包含的无线接口技术标准。
四、第三代移动通信
●第三代移动通信系统是一种能提供多种类型、高质量的多媒体业务，能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游功能，与固定网络相兼容，并以小型便携式终端在任何时候、任何地点进行任何种类的通信系统。
●第三代移动通信系统最早于1985年由ITU提出，当时称为未来公众陆地移动通信系统（FPLMTS），1996年更名为国际移动通信-2000（IMT-2000）。
●IMT-2000CDMA-DS，即WCDMA。
●IMT-2000CDMA-MC，即CDMA2000。
●IMT-2000CDMATDD，目前包括中国提出的TD-SCDMA和UTRATDD（TD-CDMA）。
§1．4移动通信系统的构成
一、移动通信系统的组成
●移动通信系统是移动体之间、移动体和固定用户之间以及固定用户与移动体之间，能够建立许多信息传输通道的通信系统。
●移动通信包括无线传输、有线传输，信息的收集、处理和存储等，使用的主要设备有无线收发信机、移动交换控制设备和移动终端设备。
图1-1移动通信系统的组成
●移动通信无线服务区由许多正六边形小区覆盖而成，呈蜂窝状，通过接口与公众通信网（PSTN、ISDN、PDN）互联。
●移动通信系统包括移动交换子系统（SS）、操作维护管理子系统（OMS）、基站子系统（BSS）和移动台（MS），是一个完整的信息传输实体。
●移动通信中建立一个呼叫是由BSS和SS共同完成的；BSS提供并管理MS和SS之间的无线传输通道，SS负责呼叫控制功能，所有的呼叫都是经由SS建立连接的；OMS负责管理控制整个移动网。
●MS也是一个子系统。
它实际上是由移动终端设备和用户数据两部分组成的，移动终端设备称为移动设备；用户数据存放在一个与移动设备可分离的数据模块中，此数据模块称为用户识别卡（SIM）。
二、移动通信的组网
●蜂窝式组网的目的是解决常规移动通信系统的频谱匮乏，容量小，服务质量差，频谱利用率低等问题。
●蜂窝式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
1．无线蜂窝式小区覆盖和小功率发射
●蜂窝式组网放弃了点对点传输和广播覆盖模式，将一个移动通信服务区划分成许多以正六边形为基本几何图形的覆盖区域，称为蜂窝小区。
●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。
●基本的小区类型如下。
●超小区：
小区半径r>20km，适于人口稀少的农村地区。
●宏小区：
小区半径r=1km～20km，适于高速公路和人口稠密的地区。
●微小区：
小区半径r=0.1km～1km，适于城市繁华区段。
●微微小区：
小区半径r<0.1km，适于办公室、家庭等移动应用环境。
●当蜂窝小区用户数增大到一定程度而使准用频道数不够用时，采用小区分裂将原蜂窝小区分裂为更小的蜂窝小区，低功率发射和大容量覆盖的优势十分明显。
2．频率覆盖
●蜂窝系统的基站工作频率，由于传播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。
●采用频率复用大大地缓解了频率资源紧缺的矛盾，增加了用户数目或系统容量。
●频率复用所带来的问题是同频干扰。
●同频干扰的影响并不与蜂窝之间的绝对距离有关，而是和蜂窝间距离与小区半径比值有关。
3．多信道共用和越区切换
●由若干无线信道组成的移动通信系统，为大量的用户共同使用仍能满足服务质量的信道利用技术，称为多信道共用技术。
●为了保证通话的连续性，当正在通话的移动台进入相邻无线小区时，移动通信系统必须具备业务信道自动切换到相邻小区基站的越区切换功能，即切换到新的信道上，从而不中断通信过程。
4．无线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移动业务交换中心进入公众电信网或其他移动网，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。
●互联使移动无线网适应公众网的质量标准，突破业务区
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