第1章移动通信网络的演变与发展.docx
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第1章移动通信网络的演变与发展
第1章移动通信网络的演变与发展
1．1移动通信基本概念
1．1．1移动通信及其特点
移动通信是指移动用户之间，或移动用户与固定用户之间进行的通信。
随着社会的发展，科学技术的进步，人们希望能随时随地，迅速可靠地与通信的另一方进行信息交流。
“信息交流”，不仅包括双方的通话，还包括数据、传真、图象等通信业务。
正是因为移动通信能让人们随时随地，迅速可靠地与通信的另一方进行信息交流，为人们更有效地利用时间提供了可能，因而随着电子技术，特别是半导体、集成电路及计算机技术的发展，而得到了迅速发展。
随着应用领域的扩大和对性能要求的提高，促使移动通信在技术上和理论上向更高水平进展。
到20世纪80年代，移动通信已成为现代通信网中一种不可缺少并发展最快的通信手段之一。
移动通信与其它通信方式相比，具有以下基本特点：
1．电波传播条件恶劣
在陆地上，移动体（如汽车）往来与建筑群或障碍物之中，起接收信号是由直射波和各反射波多径叠加而成。
由于多径传播造成的瑞利衰落，电平幅度起伏深度达30dB以上。
2．具有多普勒效应
由于移动台在运动中，所以产生多普勒频移效应，频移值fd与移动台运动速度v、工作频率f（或波长λ）及电波到达角θ有关，即
（1.1）
多普勒频移导致附加调频噪声。
3．干扰严重
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很为重要。
4．接收设备动态范围大
由于移动台的位置不断变化，接收机和（基站）发射机之间的距离不断变化，导致接收机接收信号电平的不断变化。
这就要求接收设备具有很大的动态范围。
5．需要采用位置登记、过境切换等移动性管理技术
由于移动台不停运动的特点，为了实现可靠而有效的通信，必须采用位置登记和频道切换等移动性管理技术。
6．综合了各种技术
移动通信综合了交换机技术、计算机技术、传输技术。
7．对设备要求苛刻
移动用户常在野外，环境条件相对较差，因此对其设备（尤其对专网设备）要求相对苛刻。
移动通信系统按用途、频段、制式、入网方式等不同，可以有不同的分类方法。
如按用途和区域分，可分为陆地、海上、航空移动通信系统；按经营方式或用户性质分，可分为公众网（简称公网）、专用网（简称专网）；按基站配置分，可分为单区制、多区制、蜂窝制；按与地面固定网连接方式分，可分为人工、半自动、全自动；按信号性质分，可分为模拟、数字移动通信系统；按多址方式分，可分为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）和空分多址（SDMA）等；按用户的通话状态和频率使用的方法可分为三种工作方式：
单工制（simplex）、半双工制（halfduplex）、双工制（deplex）。
1．1．2移动通信的工作方式
移动通信按照用户的通话状态和频率使用的方法分有三种工作方式：
单工制（simplex）、半双工制（halfduplex）、双工制（deplex）。
单工制分单频（同频）单工、双频（异频）单工。
同频单工同频是指通信的双方，使用相同工作频率（f1）；单工是指通信的双方的操作采用“按——讲”（pushtotalk，PTT）方式。
平时，双方的接收机均处于守听状态。
如果A方需要发话，可按下PTT开关，发射机工作，并使A方接收机关闭。
这时由于B方接收机处于守听状态，即可实现由A至B的通话；同理，也可实现B至A的通话。
在该方式中，电台的收发信机是交替工作的。
故收发信机不需要使用天线共用器，而使用同一副天线。
这种工作方式移动台之间可直接通话,不需几辗转接。
其优点为：
设备简单；
移动台之间可直接通话，不需基站转接；
不按键时发射机不工作，因此功耗小。
缺点:
只适用于组建简单和甚小容量的通信网；
当有两个以上移动台同时发射就会出现同频干扰；
当附近有邻近频率的电台发射时，容易造成强干扰。
为了避免干扰，要求相邻频率的间隔大于4MHz，频谱利用率低；
按键发话，松键受话，适用者不习惯。
异频单工是指通信的双方使用两个不同频率f1和f2，而操作仍采用“按——讲”（pushtotalk，PTT）方式。
由于收发使用不同的频率，同一部电台的收发信机可以交替工作，也可以收常开，只控制发，即按下PTT发射。
其优缺点与同频单工基本相同。
在无中心台转发的情况下，电台需配对使用，否则通信双方无法通话。
故这种方式主要用于有中心台转发（单工转发或双工转发）的情况。
所谓单工转发，中心转信台使用一组频率（如收用f1，发用f2），一旦接收有载波信号即转去发送。
所谓双工转发中心转信台使用二组频率（一组收用f1，发用f2；另一组收用f3，发用f4），任一路一旦接收有载波信号即转去发送。
由于使用收发频率有一定保护间隔的异频工作，提高了抗干扰能力，从而可用于组建有几个频道同时工作的通信网。
半双工制是指中心转信台使用一组频率，而移动台采用单工制。
半双工制的优点是：
移动台设备简单，价格低，耗电少；
收发采用不同频率，提高了频谱利用率；
移动台受邻近电台干扰小。
其缺点是移动台仍需按键发话，松键受话，使用不方便。
由于收发使用不同的频率，同一部电台的收发信机可以交替工作，也可以收常开，只控制发，即按下PTT发射。
在中心台转发的系统中，分台必须使用该方式。
双工制是指通信的双方，收发信机均同时工作，即任一方在发话的同时，也能收听到对方的话音，无需按PTT开关，类同平时打市话，使用自然，操作方便。
双工可分频分双工（也称异频双工）和时分双工（也称同频双工）。
异频双工制的优点：
收发频率分开可大大减小干扰；
用户使用方便。
缺点是：
移动台在通话过程中总是处于发射状态，因此功耗大；
移动台之间通话需占用两个频道；
设备较复杂，价格较贵。
在无中心台转发的情况下，异频双工电台需配对使用，否则通信双方无法通话。
同频双工采用时隙双工技术，目前在无线通信中得到了越来越多的采用，如PHS（PAS，即“小灵通”）及无绳电话系统等等。
同频双工最大的优点是频率利用率高，无需申请配对频点。
1．1．3移动通信体制
移动通信系统按其经营方式或用户性质可分为专用移动通信系统和公共移动通信系统。
按服务区域覆盖特点分，可分为两类，一类是小容量的大区制，另一类是大容量的小区制。
1.1.3.1大区制移动通信网
大区制就是在一个服务区域（如一个城市）内只有一个基站（BaseStation，简称BS），并由它负责移动通信的联络和控制，如图1.l所示。
通常为了扩大服务区域的范围，基站天线架设得都很高，发射机输出功率也较大（一
般在200W左右），其覆盖半径大约为30—50km。
但是因为电池容量有限，通常移动台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，如图1.l虚线所示，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，在服务区内的所有频道（一个频道包含收、发一对频率）的频率都不能重复。
譬如，移动台MSl使用了频率fl和f2。
那么，另一个移动台MS2就不能再使用这对频率了，否则将产生严重的相互串扰。
因而这种体制的频率利用率及通信的容量都受到了限制，满足不了用户数量急剧增长的需要。
图1.l大区制移动通信示意图
大区制的优点是简单、投资少、见效快，主要用于专用移动通信网，或用于用户较少的地域，如农村城镇，为节约初期工程投资，可按大区制设计考虑。
但是，从远期规划来说，为了满足用户数量增长的需要，提高频率的利用率，就需采用小区制的办法。
专网的最大功能要求是调度，专网经历了一对一的单机对讲系统，单信道一呼百应系统及选呼系统，后来又发展到多信道多用户共享的专用调度系统。
集群（Trunking）移动通信是传统的专用无线调度系统的高级发展阶段，是专用移动通信的发展方向。
随着电子技术、集成电路技术、计算机技术和交换技术的飞速发展，专用移动通信的网络结构与公共移动通信系统越来越相象，如Motorola的iDEN数字集群移动通信系统，其本身就是在数字蜂窝移动通信系统上加上了调度功能。
1.1.3.2小区制（蜂窝）移动通信网
小区制就是把整个服务区域划分为若干个无线小区（Cell），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。
同时，又可在移动业务交换中心的统一控制下，实现小区之间移动用户通信的转接，以及移动用户与市话用户的联系。
譬如，可以把图1.l中的服务区域一分为七，如图1.2所示,由于形状酷似蜂窝,小区制常俗称蜂窝网（Cellular）。
每个小区（半径为2km～20km）设一个小功率基站（BSl—BS7），发射功率一般为5～20W，以满足各无线小区移动通信的需要。
随着用户数的不断增加，无线小区还可以继续划小为微小区（microcell）和微微小区（毫区picrocell），以不断适应用户数增长的需要。
每个小区的半径按需要决定，目前小的有1km～3km，有的城市为500m。
小区制的最大特点是实现网内的频率复用,这大大地提高了频率的利用率，有效地解决频道数量有限和用户数增大的矛盾，被视为移动通信史上的一次革命。
而且由于基站功率减小，也使相互间的干扰减少了；此外，无线小区的范围还可根据实际用户数的多少灵活确定，具有组网的灵活性。
公用移动电话网均采用这种体制。
但是这种体制，在移动台通话过程中，从一个小区转入另一个小区时，移动台需要更换工作频道。
无线小区的范围越小，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，所以无线小区的范围也不宜过小。
目前，无线小区半径一般为5Km左右。
当基站采用全向天线时，基站覆盖区大致是一个圆。
当多个无线小区彼此连接覆盖整个服务区，可以用圆的内接正多边形来近似。
能全面覆盖一个平面的正多边形有正三角形、正方形、正六边形三种。
在这三种小区结构中，正六边形小区的中心间隔和覆盖面积均最大，且重叠区域宽度和重叠区域的面积最小。
这意味着对于同样大小的服务区域，采用正六边形构成小区所需的小区数最少，所需频率组数最少，各基站间的同频干扰最小。
由于小区采用了正六边形小区结构，形成蜂窝状分布，故小区制亦称蜂窝制。
在移动通信系统中，对基站进行选址和分配信道组的设计过程叫做频率规划。
图1.2小区制（蜂窝）移动通信网
1.1．4移动通信系统的组成
我们将重点介绍公共移动通信系统的网络结构。
公共移动通信系统，即蜂窝移动通信系统的基本系统结构如图1.3所示。
一个交换区由一个移动交换中心（MSC，MobileServiceSwitchingCentre）、一个或若干个归属位置寄存器（HLR,HomeLocationRegister）和访问者位置寄存器（VLR，VisitorLocationRegister,有时几个MSC合用一个VLR）、设备识别寄存器（EIR,EquipmentIdentityRegister）、鉴权中心（AuC,AuthenticationCentre）、操作维护中心（OMC,OperationandMaintenanceCentre）、基地站（BS,BaseStation,简称基站）和移动台（MS,MobileStation）等功能实体组成。
MSC对位于其服务区内的MS进行交换和控制，同时提供移动网与固定公众电信网的接口。
MSC是移动网的核心。
作为交换设备，MSC具有完成呼叫接续与控制的功能，这点与固定网交换中心相同。
作为移动交换中心，MSC又具有无线资源管理和移动性管理等功能，例如移动台位置登记与更新、越区切换等。
为了建立从固定网至某个移动台的呼叫路由，固定网进入移动网的那个接口MSC称为关口MSC（GMSC），由该GMSC查询有关的HLR，并建立至移动台当前所属的MSC的呼叫路由。
HLR是用于移动用户管理的数据库。
每个移动用户必须在某个HLR中登记注册。
HLR所存储的用户信息分为两类：
一类是有关用户参数的信息，例如用户类别，所提供的服务，用户的各种号码、识别码，以及用户的保密参数等。
另一类是有关用户当前位置的信息，例如移动台漫游号码、VLR地址等，用于建立至移动台的呼叫路由。
图1.3蜂窝移动通信系统的基本结构
VLR是存储用户位置信息的动态数据库。
当漫游用户进入某个MSC区域时，必须向该MSC相关的VLR登记，并被分配一个移动用户漫游号（MSRN），在VLR中建立该用户的有关信息，其中包括移动用户识别码（MSI）、移动用户漫游号（MSRN），所在位置区的标志以及向用户提供的服务等参数，这些信息是从相应的HLR中传递过来。
MSC在处理入网出网呼叫时需要查询VLR中的有关信息。
一个VLR可以负责一个或若干个MSC区域。
EIR是存储有关移动台设备参数的数据库。
EIR实现对移动设备的识别、监视、闭锁等功能。
AuC鉴权中心是认证移动用户的身份以及产生相应认证参数的功能实体。
AuC对任何试图入网的用户进行身份认证，只有合法用户才能接入网中并得到服务。
OMC操作维护中心是网络操作维护人员对全网进行监控和操作的功能实体。
1.1．5移动通信系统的频段使用
早期的移动通信主要使用VHF和UHF频段,其主要原因有以下三点:
1VHF/UHF频段较适合移动通信
从VHF/UHF频段的电波传播特性来看,主要是在视距范围内,一般为几到几十公里,而且电波覆盖可控，比较适合移动通信。
2天线较短便于携带和移动
天线长度决定于波长,移动台中使用最多的是λ/4的鞭状天线。
例如,当频率为150MHz时,约为50cm;450MHz时约为17cm,900MHz约为8cm,便于移动,携带方便。
3抗干扰能力强
由于工业火花干扰及天电干扰等属脉冲干扰,随着频率增高,干扰幅度越小。
从而使工作在VHF/UHF频段设备,可以用较小的发射功率获得较好的信噪比。
目前,大容量移动通信系统均使用800MHz频段（CDMA）,900MHz频段（AMPS、TACS、GSM）,并开始使用1800MHz频段（GSM1800）,用于微蜂窝（Microcell）。
第三代移动通信系统开始使用更高频率（2GHz频段，即1885MHz~2025MHz和2110MHz~2200MHz，其中1980MHz~2010MHz和2170MHz~2200MHz用于移动卫星业务（MSS））。
同时，引入无线局域网（WLAN，2.5GHz，5.2GHz）用于高速数据传输。
1.2多址方式
1.2.1移动通信系统中的多址方式
多址问题可以被认为是一个滤波问题。
许多用户可以同时使用同一频谱，然后采用不同的滤波器和处理技术，使不同用户信号互不干扰地被分别接收和解调。
蜂窝移动通信系统为了使信号仅在要求通信的两者之间传输而不影响其它用户，就必须选用适当的天线和多址方式。
空间滤波采用的是定向天线阵，以增加需要方向上的信号和减轻其它方向上的干扰。
目前,蜂窝移动通信系统都利用了扇形分区来减少相邻蜂窝共用信道造成的干扰。
多址方式的主要有4种：
频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）和空分多址（SDMA）。
其中FDMA被最早采用，而CDMA则是刚刚被用到蜂窝移动通信中。
下面分别简单介绍一下FDMA、TDMA、CDMA和SDMA：
（1）FDMA应用这种多址方式的主要蜂窝系统有北美的AMPS和英国的TACS，我国这两种制式都采用过，其中TACS占绝大多数。
所谓FDMA，就是在频域中一个相对窄带信道里，信号功率被集中起来传输，不同信号被分配到不同频率的信道里，发往和来自邻近信道的干扰用带通滤波器限制，这样在规定的窄带里只能通过有用信号的能量，而任何其它频率的信号被排斥在外。
模拟的FM蜂窝系统都采用了FDMA。
（2）TDMA应用这种多址方式的主要蜂窝系统有欧洲的GSM、北美的DAMPS（IS-136）和日本的PHS。
所谓TDMA，就是一个信道由一连串周期性的时隙构成。
不同信号的能量被分配到不同的时隙里，利用定时选通来限制邻近信道的干扰，从而只让在规定时隙中有用的信号能量通过。
现在使用的TDMA蜂窝系统实际上都是FDMA和TDMA的组合，如GSM数字蜂窝系统就是先使用了200kHz的频分信道，再把它分成8个时隙（全速）或16个信道（半速）进行TDMA传输。
（3）CDMA当前应用这种多址方式的主要蜂窝系统有北美的QCDMA和欧洲爱立信的BCDMA。
所谓CDMA，就是每一个信号被分配一个伪随机二进制序列进行扩频，不同信号的能量被分配到不同的伪随机序列里。
在接收机里，信号用相关器加以分离，这种相关器只接收选定的二进制序列并压缩其频谱，凡不符合该用户二进制序列的信号就不被压缩带宽。
结果只有有用信号的信息才被识别和提取出来。
（4）SDMA空分多址主要通过空间的隔离或天线技术来获取地址的复用。
如目前BS最常见的采用定向天线组成不同的扇区，卫星天线采用点波束实现相同频率信号的复用。
在目前智能天线技术商未大量商用之前，SDMA主要和其他三种多址方式配合使用。
智能天线技术也是第三代移动通信系统的关键技术之一，在未来将得到大量使用。
1.2.2移动通信系统中不同多址方式的频谱效率
在FDMA蜂窝系统中，频谱效率取决于每赫兹带宽信息比特率和频率复用系数。
美国模拟蜂窝系统AMPS将分配的频谱分成30kHz带宽的许多信道，并使用窄带FM调制，每30kHz一条话路。
由于干扰，同一频率不能在每一小区中重复使用。
为提供可靠的通话质量，载干比（C/I）需要18dB或更高。
根据推算和经验表明，在大多数情况下，这个C/I值需要在频率复用系数为1/7时才能达到。
频率复用系数是表示相同频率被复用的数目。
因此得到的结论是：
每个小区中必须占用210kHz的频谱才有一条话路。
通过减小小区面积增加小区数，虽然从理论上能取得任意高的话路容量，但必须增加设备费用；此外，由于小区覆盖范围减小，也增加了基站间的切换次数。
切换次数的增加将导致两个坏处：
一是容易掉话；二是加重了交换机的负担。
TDMA频谱效率的计算基本上和FDMA相同。
由于目前被认可的频率复用准则和模拟系统相似，我们可以算出对于DAMPS，每个小区必须占用70kHz的频谱才有一条话路。
换句话说，它的容量是模拟AMPS的三倍。
同样可以算出，GSM的系统容量约是模拟TACS的两倍。
CDMA频谱效率的算法和上面两种制式不太相同，因为上面两种制式每条话路占用的频谱宽是一定的，只要频率复用系数一定，每个小区的话路容量就确定下来。
而CDMA是通过不同的地址码来区分用户的，所有用户都共用一个频率。
决定CDMA系统容量的主要参数有处理增益、所需的Eb/N0值、话音激活系数、频率复用效率和扇区数目等。
而且即使上述参数都确定，容量还要受具体的地理环境、背景噪声、外部干扰等条件的影响。
所以，在CDMA中，每条话路所需占用的频谱宽度是不确定的。
通过试验和理论计算，QCDMA的容量可达到AMPS的8至10倍，即每个小区中只占用20kHz的频谱就有一条话路。
目前的CDMA蜂窝系统实际上也都是FDMA和CDMA的组合。
因为处在同一载频的CDMA用户共用同一频率，所以它的频率复用系数可以被看作是1，但由于受邻近小区中用户的干扰的影响，CDMA实际的频率复用系数应为2/3。
CDMA系统的高容量很大一部分因素是由于它的频率复用系数远远超过其它制式的蜂窝系统，另外一个主要因素是它使用了话音激活技术。
1.3移动通信系统的发展
移动通信的发展大致经历了以下几个发展阶段：
20世纪20～30年代：
警车无线电调度电话（AM调幅），使用2MHz频率。
20世纪40～50年代：
人工接续的移动电话（FM调频），单工工作方式，使用频段为150MHz及450MHz。
特别值得一提的是1947年Bell实验室提出蜂窝概念。
20世纪60年代：
自动拨号移动电话，全双工工作方式，使用频段为150MHz及450MHz。
1964年美国开始研究先进移动电话系统（IMTS）。
20世纪70～80年代：
AMPS、TACS分别在美国、英国投入使用。
使用频段为800/900MHz（早期曾使用450MHz），全自动拨号，全双工工作，具有越区频道转换，自动漫游通信功能。
频谱利用率，系统容量及话音质量都有明显的提高。
20世纪80年代发展起来的模拟蜂窝移动电话系统，人们把它称为第一代移动通信系统。
其主要技术是模拟调频、频分多址，主要业务是电话。
代表这一系统的有美国的AMPS，英国TACS（属AMPS系统的改进型,两个系统的主要差别见表1-1，，北欧的NMT-900等。
模拟系统的主要缺点是：
频谱利用率低、不能与ISDN兼容、保密性差及移动终端进一步小型化、低功耗、低价格的难度大。
20世纪90年代：
典型有GSM数字移动通信系统和窄带CDMA（IS-95A）数字移动通信系统及卫星移动通信，称第二代移动通信系统。
第二代移动通信系统在系统构成上与第一代模拟移动通信系统无多大差别。
不同的是,它在几个主要方面如:
多址方式﹑调制技术﹑话音编码﹑信道编码﹑分集接收技术等采用了数字技术。
目前国际上已进入商用和准备进入商用的数字蜂窝系统有欧洲的GSM、美国的DAMPS（原IS-54，目前用IS-136，）及日本的JDC。
21世纪初：
第三代移动通信系统开始标准化，并逐步走向市场。
主要有基于窄带IS-95CDMA技术的宽带CDMA技术的cdma2000、基于日本无线工业广播协会（ARIB）支持的纯W-CDMA和欧洲电信标准协会（ETSI）制定的UTRA两个独立建议的W-CDMA、由我国提出的时分同步CDMA（TD-SCDMA）等第三代（3G）系统（IMT-2000）陆续开始投入使用。
其中第三代（3G）系统使用频段为1885-2025MHz，2110-2200MHz，全球统一标准。
表1-1AMPS制式与TACS制式的主要差别
项目
AMPS
TACS
工作频段（MHz）MS→BS
BS→MS
825～845
870～890
890～915
935～960
频道间隔（kHz）
30
25
话音频道调制峰值频偏（kHz）
±12
±9.5
控制信号传输速率（kbit/s）
10
8
控制频道调制峰值频偏（kHz）
±8
±6.4
在使用的150MHz、450MHz、900MHz三个频段的具体收发频率间隔分别为:
150MHz的收发频率间隔为5.7MHz，450MHz的收发频率间隔为10MHz，900MHz的收发频率间隔为45MHz。
分析上述发展状况可以看出，从20世纪20年代到70年代的半个世纪内，移动通信的发展是慢的，应用范围也不大。
近30年，尤其是20世纪80年代以来，移动通信在技术进步和业务增长方面都是十分惊人的，其原因可以归纳为两个方面：
一是技术上的限制被突破。
在半导体电子技术、大规模集成电路、程控交换及微机处理与控制技术未得到发展与广泛应用之前不可能有现代蜂窝移动电话的出现与商用。
二是社会经济的发展。
一方面促进社会的流动性和工作场所的流通性，人们需要在移动过程中获得信息交换；另一方面是使更多的人具有承受移动费用的能力。
另外，频率资源的不断开发和有效利用也是促进移动通信持续发展的一个重要因素。
表1-2列出了全球目前已投入运营或已制定标准的低功率系统的主要参数。
表1-3列出了全球目前已投入运营的数字蜂窝系统的主要参数
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