移動(dòng)通信-第1章 概述

第1章概述1.1移動(dòng)通信的主要特點(diǎn)1.2移動(dòng)通信系統(tǒng)的分類(lèi)1.3常用移動(dòng)通信系統(tǒng)思考題與習(xí)題1.1移動(dòng)通信的主要特點(diǎn)移動(dòng)通信：通信雙方至少有一方可以處于移動(dòng)狀態(tài)而實(shí)現(xiàn)信息交換的通信方式。移動(dòng)通信的特點(diǎn)：

1.移動(dòng)通信必須利用無(wú)線電波進(jìn)行信息傳輸。這種傳播媒質(zhì)允許通信中的用戶(hù)可以在一定范圍內(nèi)自由活動(dòng)，其位置不受束縛，不過(guò)無(wú)線電波的傳播特性一般都很差。首先，移動(dòng)通信的運(yùn)行環(huán)境十分復(fù)雜，電波不僅會(huì)隨著傳播距離的增加而發(fā)生彌散損耗，并且會(huì)受到地形、地物的遮蔽而發(fā)生。信號(hào)經(jīng)過(guò)多點(diǎn)反射，會(huì)從多條路徑到達(dá)接收地點(diǎn)，這種多徑信號(hào)的幅度、相位和到達(dá)時(shí)間都不一樣，它們相互疊加會(huì)產(chǎn)生電平衰落和時(shí)延擴(kuò)展；其次，移動(dòng)通信常常在快速移動(dòng)中進(jìn)行，這不僅會(huì)引起多普勒（Doppler）頻移，產(chǎn)生隨機(jī)調(diào)頻，而且會(huì)使得電波傳播特性發(fā)生快速的隨機(jī)起伏，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。因此，移動(dòng)通信系統(tǒng)必須根據(jù)移動(dòng)信道的特征，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

2.移動(dòng)通信是在復(fù)雜的干擾環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。除去一些常見(jiàn)的外部干擾，如天電干擾、工業(yè)干擾和信道噪聲外，系統(tǒng)本身和不同系統(tǒng)之間，還會(huì)產(chǎn)生這樣或那樣的干擾。因?yàn)樵谝苿?dòng)通信系統(tǒng)中，常常有多部用戶(hù)電臺(tái)在同一地區(qū)工作，基站還會(huì)有多部收發(fā)信機(jī)在同一地點(diǎn)上工作，這些電臺(tái)之間會(huì)產(chǎn)生干擾。3.移動(dòng)通信可以利用的頻譜資源有限。移動(dòng)通信業(yè)務(wù)量的需求卻與日俱增。如何提高通信系統(tǒng)的通信容量，始終是移動(dòng)通信發(fā)展中的焦點(diǎn)。為了解決這一矛盾，一方面要開(kāi)辟和啟用新的頻段；另一方面要研究各種新技術(shù)和新措施，以壓縮信號(hào)所占的頻帶寬度和提高頻譜利用率。

4.移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多種多樣。網(wǎng)絡(luò)管理和控制必須有效。根據(jù)通信地區(qū)的不同需要，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)可以組成帶狀(如鐵路公路沿線)、面狀(如覆蓋一城市或地區(qū))或立體狀(如地面通信設(shè)施與中、低軌道衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的綜合系統(tǒng))等，可以單網(wǎng)運(yùn)行，也可以多網(wǎng)并行并實(shí)現(xiàn)互連互通。

5.通信設(shè)備必須適于在移動(dòng)環(huán)境中使用。對(duì)手機(jī)的主要要求是體積小、重量輕、省電、操作簡(jiǎn)單和攜帶方便。車(chē)載臺(tái)和機(jī)載臺(tái)除要求操作簡(jiǎn)單和維修方便外，還應(yīng)保證在震動(dòng)、沖擊、高低溫變化等惡劣環(huán)境中正常工作。

1.2移動(dòng)通信系統(tǒng)的分類(lèi)移動(dòng)通信系統(tǒng)分類(lèi)方法：①按使用對(duì)象可分為民用和軍用；②按使用環(huán)境可分為陸地通信、海上通信和空中通信；③按多址方式可分為頻分多址(FDMA)、時(shí)分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)等；④按覆蓋范圍可分為廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)；⑤按業(yè)務(wù)類(lèi)型可分為電話網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)和多媒體網(wǎng)；⑥按工作方式可分為同頻單工、異頻單工、全雙工和半雙工；⑦按服務(wù)范圍可分為專(zhuān)用網(wǎng)和公用網(wǎng)；⑧按信號(hào)形式可分為模擬網(wǎng)和數(shù)字網(wǎng)。

1.2.1工作方式

1.單工通信所謂單工通信，是指通信雙方電臺(tái)交替地進(jìn)行收信和發(fā)信。根據(jù)收、發(fā)頻率的異同，又可分為同頻單工和異頻單工。單工通信常用于點(diǎn)到點(diǎn)通信，參見(jiàn)圖1-1。圖1-1單工通信同頻單工是指通信雙方(如圖1-1中的電臺(tái)甲和電臺(tái)乙)使用相同的頻率f1工作，發(fā)送時(shí)不接收，接收時(shí)不發(fā)送。平常各接收機(jī)均處于守候狀態(tài)，即把天線接至接收機(jī)等候被呼。當(dāng)電臺(tái)甲要發(fā)話時(shí)，它就按下其送受話器的按講開(kāi)關(guān)(PTT)，一方面關(guān)掉接收機(jī)，另一方面將天線接至發(fā)射機(jī)的輸出端，接通發(fā)射機(jī)開(kāi)始工作。當(dāng)確知電臺(tái)乙接收到載頻為f1的信號(hào)時(shí)，即可進(jìn)行信息傳輸。

2.雙工通信所謂雙工通信，是指通信雙方可同時(shí)進(jìn)行傳輸消息的工作方式，有時(shí)亦稱(chēng)全雙工通信，如圖1-2所示。圖中，基站的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)分別使用一副天線，而移動(dòng)臺(tái)通過(guò)雙工器共用一副天線。雙工通信一般使用一對(duì)頻道，以實(shí)施頻分雙工(FDD)工作方式。這種工作方式使用方便，同普通有線電話相似，接收和發(fā)射可同時(shí)進(jìn)行。

3.半雙工通信半雙工通信的組成與圖1-2相似，移動(dòng)臺(tái)采用單工的“按講”方式，即按下按講開(kāi)關(guān)，發(fā)射機(jī)才工作，而接收機(jī)總是工作的?；竟ぷ髑闆r與雙工方式完全相同。圖1-2雙工通信

1.2.2移動(dòng)數(shù)字通信系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)

(1)頻譜利用率高，有利于提高系統(tǒng)容量。采用高效的信源編碼技術(shù)、高頻譜效率的數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)、先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)和多址方式以及高效動(dòng)態(tài)資源分配技術(shù)等，可以在不增加系統(tǒng)帶寬的條件下增多系統(tǒng)同時(shí)通信的用戶(hù)數(shù)。

(2)多種業(yè)務(wù)服務(wù)，提高系統(tǒng)的通用性。數(shù)字系統(tǒng)傳輸?shù)氖恰?”、“0”形式的數(shù)字信號(hào)。話音、圖像或數(shù)據(jù)等數(shù)字信息在傳輸和交換設(shè)備中的表現(xiàn)形式都是相同的，信號(hào)的處理和控制方法也是相似的，因而用同一設(shè)備來(lái)傳送任何類(lèi)型的數(shù)字信息都是可能的。利用單一通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)提供綜合業(yè)務(wù)服務(wù)正是未來(lái)通信系統(tǒng)的發(fā)展方向。

(3)抗噪聲、抗干擾和抗衰落能力強(qiáng)。這些優(yōu)點(diǎn)有利于提高信息傳輸?shù)目煽啃?，或者說(shuō)保證通信質(zhì)量。采用糾錯(cuò)編碼、交織編碼、自適應(yīng)均衡、分集接收以及擴(kuò)跳頻技術(shù)等，可以控制由任何干擾和不良環(huán)境產(chǎn)生的損害，使傳輸差錯(cuò)率低于規(guī)定的閾值。(4)能實(shí)現(xiàn)更有效、靈活的網(wǎng)絡(luò)管理和控制。

數(shù)字系統(tǒng)可以設(shè)置專(zhuān)門(mén)的控制信道用來(lái)傳輸信令信息，也可以把控制指令插入業(yè)務(wù)信道的比特流中，進(jìn)行控制信息的傳輸，因而便于實(shí)現(xiàn)多種可靠的控制功能。(5)便于實(shí)現(xiàn)通信的安全保密。(6)降低設(shè)備成本、減小終端的體積和重量。1.2.3通信業(yè)務(wù)移動(dòng)通信的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)是電話通信。最近20多年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展和人們信息交往的日益頻繁與多樣化，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笠才c日俱增。未來(lái)移動(dòng)通信中的多媒體業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量將占總業(yè)務(wù)量將不斷增加。在第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，盡管主要業(yè)務(wù)是話音業(yè)務(wù)，但也可以提供豐富的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，如短消息、低速率的Internet接入等業(yè)務(wù)。在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，由于其傳輸速率的提高，在中等移動(dòng)速度的情況下，可以達(dá)到384kb/s的傳輸速率，因而人們可以享用中等速率的多媒體業(yè)務(wù)，包括話音、圖像和數(shù)據(jù)等。1.3常用移動(dòng)通信系統(tǒng)1.3.1無(wú)線電尋呼系統(tǒng)無(wú)線電尋呼系統(tǒng)是一種單向通信系統(tǒng)。無(wú)線電尋呼系統(tǒng)的用戶(hù)設(shè)備是袖珍式接收機(jī)，稱(chēng)作袖珍鈴，俗稱(chēng)“BB機(jī)”，這是由于它的振鈴聲近似于“B…B…”聲音之故。圖1-3示出了無(wú)線電尋呼系統(tǒng)的組成。圖1-3無(wú)線電尋呼系統(tǒng)示意圖

1.3.2蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)

早期的移動(dòng)通信系統(tǒng)在其覆蓋區(qū)域中心設(shè)置大功率的發(fā)射機(jī)，采用高架天線把信號(hào)發(fā)送到整個(gè)覆蓋地區(qū)(半徑達(dá)幾十千米)。系統(tǒng)的主要矛盾是它同時(shí)能提供給用戶(hù)使用的信道數(shù)有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了移動(dòng)通信業(yè)務(wù)迅速增長(zhǎng)的需要。例如，在20世紀(jì)70年代于美國(guó)紐約開(kāi)通的IMTS(ImprovedMobileTelephoneService)系統(tǒng)(如圖1-4(a)所示)，僅能提供12對(duì)信道。即網(wǎng)中只允許12對(duì)用戶(hù)同時(shí)通話，倘若同時(shí)出現(xiàn)第13對(duì)用戶(hù)要求通話，就會(huì)發(fā)生阻塞。蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)把整個(gè)服務(wù)區(qū)域劃分成若干個(gè)較小的區(qū)域(Cell,在蜂窩系統(tǒng)中稱(chēng)為小區(qū))，各小區(qū)均用小功率的發(fā)射機(jī)(即基站發(fā)射機(jī))進(jìn)行覆蓋，許多小區(qū)像蜂窩一樣能布滿(mǎn)(即覆蓋)任意形狀的服務(wù)地區(qū)，如圖1-4(b)所示。圖1-4大區(qū)覆蓋與小區(qū)覆蓋(a)大區(qū)覆蓋；(b)小區(qū)覆蓋通常，相鄰小區(qū)不允許使用相同的頻道，否則會(huì)發(fā)生相互干擾(稱(chēng)同道干擾)。但由于各小區(qū)在通信時(shí)所使用的功率較小，因而任意兩個(gè)小區(qū)只要相互之間的空間距離大于某一數(shù)值，即使使用相同的頻道，也不會(huì)產(chǎn)生顯著的同道干擾。把若干相鄰的小區(qū)按一定的數(shù)目劃分成區(qū)群(Cluster)，并把可供使用的無(wú)線頻道分成若干個(gè)(等于區(qū)群中的小區(qū)數(shù))頻率組，區(qū)群內(nèi)各小區(qū)均使用不同的頻率組，而任一小區(qū)所使用的頻率組，在其它區(qū)群相應(yīng)的小區(qū)中還可以再用，這就是頻率再用，如圖1-5所示。圖1-5蜂窩系統(tǒng)的頻率再用

圖1-6是蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的示意圖。圖中七個(gè)小區(qū)構(gòu)成一個(gè)區(qū)群。小區(qū)編號(hào)代表不同的頻率組。小區(qū)與移動(dòng)交換中心(MSC)相連。MSC在網(wǎng)中起控制和管理作用，對(duì)所在地區(qū)已注冊(cè)登記的用戶(hù)實(shí)施頻道分配，建立呼叫，進(jìn)行頻道切換，提供系統(tǒng)維護(hù)和性能測(cè)試，并存儲(chǔ)計(jì)費(fèi)信息等。MTSO（移動(dòng)電話交換局）是移動(dòng)通信網(wǎng)和公共電話交換網(wǎng)的接口單元，既保證網(wǎng)中移動(dòng)用戶(hù)之間的通信，又保證移動(dòng)用戶(hù)和有線用戶(hù)之間的通信。圖1-6蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的示意圖當(dāng)移動(dòng)用戶(hù)在蜂窩服務(wù)區(qū)中快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，用戶(hù)之間的通話常常不會(huì)在一個(gè)小區(qū)中結(jié)束。快速行駛的汽車(chē)在一次通話的時(shí)間內(nèi)可能跨越多個(gè)小區(qū)。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)從一個(gè)小區(qū)進(jìn)入另一相鄰的小區(qū)時(shí)，其工作頻率及基站與移動(dòng)交換中心所用的接續(xù)鏈路必須從它離開(kāi)的小區(qū)轉(zhuǎn)換到正在進(jìn)入的小區(qū)，這一過(guò)程稱(chēng)為越區(qū)切換

。其控制機(jī)理如下：當(dāng)通信中的移動(dòng)臺(tái)到達(dá)小區(qū)邊界時(shí)，該小區(qū)的基站能檢測(cè)出此移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)正在逐漸變?nèi)?，而鄰近小區(qū)的基站能檢測(cè)出這個(gè)移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)正在逐漸變強(qiáng)，系統(tǒng)收集來(lái)自這些有關(guān)基站的檢測(cè)信息，進(jìn)行判決。當(dāng)需要實(shí)施越區(qū)切換時(shí)，就發(fā)出相應(yīng)的指令，使正在越過(guò)邊界的移動(dòng)臺(tái)將其工作頻率和通信鏈路從離開(kāi)的小區(qū)切換到進(jìn)入的小區(qū)。整個(gè)過(guò)程自動(dòng)進(jìn)行，用戶(hù)并不知道，也不會(huì)中斷行進(jìn)中的通話。越區(qū)切換的示意圖見(jiàn)圖1-7。圖1-7越區(qū)切換示意圖表1-1給出了幾種模擬蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能參數(shù)。這些系統(tǒng)包括：AMPS、TACS、NMT、C-450、NTT等。第二代是數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，它們包括GSM、IS-95、IS-54、JDC(后改名為PDC)等，第三代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)主要包括WCDMA（聯(lián)通）、CDMA2000（電信）、TD-SCDMA（移動(dòng)）等。表1-1幾種模擬蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)

1.3.3無(wú)繩電話系統(tǒng)

簡(jiǎn)單的無(wú)繩電話機(jī)把普通的電話單機(jī)分成座機(jī)和手機(jī)兩部分，座機(jī)與有線電話網(wǎng)連接，手機(jī)與座機(jī)之間用無(wú)線電連接，這樣，允許攜帶手機(jī)的用戶(hù)可以在一定范圍內(nèi)自由活動(dòng)時(shí)進(jìn)行通話，見(jiàn)圖1-8。因?yàn)槭謾C(jī)與座機(jī)之間不需要用電線連接，故稱(chēng)之為“無(wú)繩”電話機(jī)。圖1-9無(wú)繩電話系統(tǒng)示意圖無(wú)繩電話的手機(jī)、座機(jī)與電信點(diǎn)所發(fā)射的功率均在10mW以下，無(wú)線覆蓋半徑約在100m左右。無(wú)繩電話是一種以有線電話網(wǎng)為依托的通信方式，也可以說(shuō)它是有線電話網(wǎng)的無(wú)線延伸，具有發(fā)射功率小、省電、設(shè)備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)時(shí)發(fā)展十分迅速。

1.3.4集群移動(dòng)通信系統(tǒng)1.集群的概念集群移動(dòng)通信系統(tǒng)采用的基本技術(shù)是頻率共用技術(shù)。其主要做法是：①把一些由各部門(mén)分散建立的專(zhuān)用通信網(wǎng)集中起來(lái)，統(tǒng)一建網(wǎng)和管理，并動(dòng)態(tài)地利用分配給它們的有限個(gè)頻道，以容納數(shù)目更多的用戶(hù)。②改進(jìn)頻道共用的方式，即移動(dòng)用戶(hù)在通信的過(guò)程中，不是固定地占用某一個(gè)頻道，而是在按下其“按講開(kāi)關(guān)”(PTT)時(shí)，才能占用一個(gè)頻道；一旦松開(kāi)PTT，頻道將被釋放，變成空閑頻道，并允許其它用戶(hù)占用該頻道。

2.集群系統(tǒng)的用途和特點(diǎn)集群系統(tǒng)主要以無(wú)線用戶(hù)為主，即以調(diào)度臺(tái)與移動(dòng)臺(tái)之間的通話為主。集群系統(tǒng)與蜂窩式通信系統(tǒng)在技術(shù)上有很多相似之處，但在主要用途、網(wǎng)絡(luò)組成和工作方式上有很多差異。①集群通信系統(tǒng)屬于專(zhuān)用移動(dòng)通信網(wǎng)，適用于在各個(gè)行業(yè)(或幾個(gè)行業(yè)合用)中間進(jìn)行調(diào)度和指揮，對(duì)網(wǎng)中的不同用戶(hù)常常賦予不同的優(yōu)先等級(jí)。蜂窩通信系統(tǒng)屬于公眾移動(dòng)通信網(wǎng)，適用于各階層和各行業(yè)中個(gè)人之間的通信，一般不分優(yōu)先等級(jí)。②集群通信系統(tǒng)根據(jù)調(diào)度業(yè)務(wù)的特征，通常具有一定的限時(shí)功能，一次通話的限定時(shí)間大約為15~60s(可根據(jù)業(yè)務(wù)情況調(diào)整)。蜂窩通信系統(tǒng)對(duì)通信時(shí)間一般不進(jìn)行限制。③集群通信系統(tǒng)的主要服務(wù)業(yè)務(wù)是無(wú)線用戶(hù)和無(wú)線用戶(hù)之間的通信,蜂窩通信系統(tǒng)卻有大量的無(wú)線用戶(hù)與有線用戶(hù)之間的通話業(yè)務(wù)。④集群通信系統(tǒng)一般采用半雙工工作方式，一個(gè)移動(dòng)用戶(hù)之間進(jìn)行通信只需占用一個(gè)頻道。蜂窩通信系統(tǒng)都采用全雙工工作方式，一對(duì)移動(dòng)用戶(hù)之間進(jìn)行通信，必須占用兩個(gè)頻道。⑤在蜂窩通信系統(tǒng)中，可以采用頻道再用技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)的頻率利用率；而在集群系統(tǒng)中，主要是以改進(jìn)頻道共用技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)的頻率利用率。1.3.5移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)

利用衛(wèi)星中繼，在海上、空中和地形復(fù)雜而人口稀疏的地區(qū)中實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信，具有獨(dú)特的優(yōu)越性，很早就引起人們的重視。

1976年，國(guó)際海事衛(wèi)星組織(IMARSAT)首先在太平洋、大西洋和印度洋上空發(fā)射了三顆同步衛(wèi)星，組成了IMARSAT-A系統(tǒng)，為在這三個(gè)大洋上航行的船只提供通信服務(wù)。美國(guó)Motorola公司提出的“銥”(IRIDIUM)系統(tǒng)開(kāi)始計(jì)劃設(shè)置7條圓形軌道均勻分布于地球的極地方向，每條軌道上有11顆衛(wèi)星，總共有77顆衛(wèi)星在地球上空運(yùn)行，這和銥原子中有77個(gè)電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的情況相似，故取名為銥系統(tǒng)。圖1-14