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1、第1章 移动通信概论,1.1 移动通信的历史、现状与发展趋势,1.1.1 移动通信的历史、现状 现在，人们普遍认为1897年是人类移动通信的元年。这一年，意大利人M.G.马可尼在一个固定站和一艘拖船之间完成了一项无线电通信实验，也就是说，移动通信几乎伴随着无线通信的出现而诞生了，也由此揭开了移动通信辉煌发展的序幕。 现代意义上的移动通信系统起源于上个世纪20年代，距今已有80余年的历史。大致算来，现代移动通信系统经历了如下4个发展阶段。,第一阶段从20世纪20年代至40年代，为早期发展阶段。特点是专用系统开发，工作频率较低，工作方式为单工或半双工方式。 第二阶段从20世纪40年代中期至60年代
2、初期。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，网络的容量较小。 第三阶段从20世纪60年代中期至70年代中期。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。 第四阶段从20世纪70年代中后期至今。其特点是通信容量迅速增加，新业务不断出现，系统性能不断完善，技术的发展呈加快趋势。,第四阶段的蜂窝移动通信系统又可以划分为几个发展阶段。如按多址方式来分，则模拟频分多址（FDMA）系统是第一代移动通信系统（1G）；使用电路交换的数字时分多址（TDMA）或码分多址（CDMA）系统是第二代移动通信系统（2G）；使用分组/电路交换的CDMA系统是第三代移
3、动通信系统（3G）；将使用了不同的高级接入技术并采用全IP（互联网协议）网络结构的系统称为第四代移动通信系统（4G）。如按系统的典型技术来划分，则模拟系统是1G；数字话音系统是2G；数字话音/数据系统是超二代移动通信系统（B2G）；宽带数字系统是3G；而极高速数据速率系统是超三代或第四代移动通信系统（B3G/4G）。,现阶段，移动通信已在全球迅猛发展。据全球移动供应商联盟（GSA）公布的统计数据表明，截至2007年底，全球移动用户数量接近30亿，占全球人口总数的50%。自2001年10月日本的DoCoMo公司成为全球第一家推出3G业务的公司以来，至2007年6月底，全球共有78个国家部署了3G
4、，其余国家或地区在2.5G的基础上积极推进增强型业务，并开展3G牌照的发放和试运营业务。与此同时，人们正积极开展对B3G/4G移动通信技术的探讨；相关标准化组织正试图进行B3G/4G标准的制定；世界各主要通信厂商着手B3G/4G系统产品的开发；国际上通信技术发达的国家和地区也正纷纷建立自己的B3G/4G试验网络。,1.1.2 移动通信在中国的发展概况,回顾我国移动通信20年的发展历程，我国移动通信市场的发展速度和规模令世人瞩目，可以说，中国的移动通信发展史是超常规、成倍数、跳跃式的发展史。早在2001年8月，中国的移动通信用户数达到1.2亿，超过美国跃居为世界第一位。截至2007年底，中国移动
5、通信用户总数已接近6亿（包括“小灵通”用户），移动通信网络规模为全球最大。总体来说，我国移动通信发展经历了引进、吸收、改造、创新4个阶段。现阶段，我国的移动通信技术水平成功地实现了由跟随到创新的历史性转变。,1.1.3 移动通信的发展趋势,过去几年，现存的GSM等2G技术不仅在用户规模上继续得到发展，而且在覆盖性能、带宽条件、支持速率等方面不断得到升级优化，为将来的平滑演进奠定了坚实基础。而3G技术也在宽带化这一大旗的指引下，阔步前行，HSPA（高速分组接入）、EV-DO（优化数据）、LTE（长期演进）等增强型技术和未来演进版本在标准及商用解决方案等方面的发展也非常迅猛，并且将继续成为未来几年
6、的发展主题。,相对于3G系统，B3G/4G系统具有的特点主要有：,高速率。 以数字宽带技术为主。 良好的兼容性。 较强灵活性。 多类型用户共存 。 多种业务融合。 先进技术应用 。 高度自组织、自适应网络。,1.2 蜂窝移动通信系统,而作为移动通信的应用系统，虽然全球范围内标准很多，但典型的系统可分为以下几类：蜂窝移动通信系统、无线寻呼系统、无绳电话系统、集群移动通信系统、移动卫星通信系统以及分组无线网。,1.2.1 蜂窝小区的概念,将整个大的地理覆盖区域划分成许多连续的小区域，并在各个小区域内采用低天线低功率发射机的方案称为蜂窝通信。在这里，小区连接的几何形状象蜂窝，所以叫蜂窝通信。,1.2
7、.2 频率复用的几何模型,图1-1 频率复用的几何模型，N=7,小区几何形状必须符合的两个条件,能在整个覆盖区域内完成无缝连接而没有重叠 。 每一个小区能进行分裂，以扩展系统容量，也就是能用更小的相同几何形状的小区完成区域覆盖，而不影响系统的结构。,为什么选用六边形作为小区的几何形状？,符合条件的小区几何形状有几种可能：正方形、等边三角形和六边形，而六边形最接近小区基站通常的辐射模式圆形，并且其小区覆盖面积最大。当然，这只是理论分析，实际的小区形状要根据地理情况和电波传播情况来定，最终的小区形状可能是不规则的。,区群的概念,图1-1的几何模型表示的是一个区群大小N为7的系统，A、B、C、D、E
8、、F以及G表示一个区群中7个小区使用的7个频率组。通常将使用了系统全部可用频率数S的N个小区称为区群，或者叫一簇，而将N称为区群的大小。观察一下系统几何模型，可以看到，区群在复制了M次后，完成了对整个区域的覆盖，这样，整个系统的容量C=MS。直观地理解，N的值越小，区群复制的次数越多，同频复用的能力越强，系统的容量则越大。当然，N的取值大小取决于系统承受同频干扰的能力。,定位同频小区方法,方法： 沿着任意一条六边形链移动i个小区； 逆时针旋转60度再移动j个小区。,图1-2 在蜂窝小区中定位同频小区的方法,族的大小N，是一些特定的值，必须符合以下条件：N=i2+ij+j2,证明：设相邻同频小区
9、间的距离为D，小区半径为R，则由上图示绿色三角形，根据余弦定理有：,则大六边形包含的小区数为：,另一方面从几何图中可以看出，一般大六边形通常包围由N个小区组成的中心簇及周围其他六边形小区数目的1/3，因此大六边形所包围的小区总数为N+6(N/3)=3N ,比较两式有N=i2+ij+j2，证毕。,从公式1-1来看，N可能的值为1、3、4、7、9、12。再结合不同系统承受同频干扰的能力，模拟系统的N典型值为7、12；数字系统的N典型值为3、4。,问题：那么N值与S/I具体关系是什么呢？,提高容量方法,在进行了频率规划的蜂窝系统中，随着无线服务需求的提高，要求给单位覆盖区域提供更多的信道，此时，通常
10、采用小区分裂、裂向（扇区化）和覆盖区分区域（分区微小区化）的方法来增大蜂窝系统的容量。,1.2.3 蜂窝系统的组成,图1-3 基本蜂窝系统的组成,一个基本的或者说最简单的蜂窝系统由移动台（MS）、基站（BS）和移动交换中心（MSC）3部分组成。,蜂窝网络结构演化,随着移动技术的进步和系统功能的增强，蜂窝系统的组网技术也越来越复杂，系统中的功能实体也越来越多。在2G系统中，MSC的功能发生了分离，增加了新的功能实体和智能节点，并逐步构建移动智能网；从2.5G系统起，除原有的电路域组件外，还增加了分组域组件；在3G系统的高级阶段，要求最终实现全IP化网络。,1.2.4 蜂窝系统中的信道,在蜂窝系统
11、中，由系统采用的多址技术所获得的无线信道称为物理信道（PCH），通常，在具体的物理信道上安排相应的逻辑信道。逻辑信道按其逻辑功能可分为业务信道（TCH）和控制信道（CCH）。业务信道可分为话音业务信道和数据业务信道；控制信道的种类很多，而且不同体制的蜂窝系统设置的控制信道不同，它们分配完成信令等各种控制信息的传送。 蜂窝系统的信道还可以按信息的传送方向来分类，用于从基站向移动台传送信息的信道称为前向信道（FCH），或者叫下行信道、正向信道；用于从移动台向基站传送信息的信道称为反向信道（RCH），或者叫上行信道。,1.2.5 信道分配策略,1、固定信道分配策略（FCA） 在FCA方案中，为各小区
12、分配一组预先确定的话音信道，小区中的任何呼叫请求只能被该特定小区中的未占用信道提供服务。为了提高信道利用率，可以考虑选择信道借用，选择借用时，如果小区内的所有信道均已被占用，并且相邻小区存在空闲信道，那么，就允许该小区从相邻小区借用信道。信道借用通常由MSC负责监管。,2、动态信道分配策略（DCA） 在DCA方案中，话音信道并不是永久分配给不同的小区，每当有呼叫请求时，提供服务的基站就会向MSC请求信道，MSC动态地确定可用信道并相应地执行分配过程，为了避免同信道干扰，如果一个频率在当前小区或任何落入频率复用最小限制距离内的小区没有被使用，MSC则将该频率分配给呼叫请求。动态信道分配降低了呼叫
13、阻塞的可能性，提高了系统的中继容量，但要求MSC连续地收集所有信道占用、话务量分布以及无线信号强度指示（RSSI）等数据。,1.2.6 越区切换与位置管理,当处在通话过程中的移动台从一个小区进入另一个相邻小区时，其工作频率及基站与移动交换中心所用的接续链路必须从它离开的小区转换到正在进入的小区，这一过程称为“越区切换”。 越区分为两大类：一类是硬切换，另一类是软切换。硬切换是指在新的连接建立以前，先中断旧的连接。而软切换是指既维持旧的连接，又同时建立新的连接，并利用新旧链路的分集合并来改善通信质量，与新基站建立可靠连接之后再中断旧链路。软切换和硬切换相比，可以大大减少掉话的可能性，是一种无缝切
14、换。,位置管理包括位置登记和呼叫传递两个主要任务。在2G中，位置管理采用两层数据库，即归属位置寄存器（HLR）和访问位置寄存器（VLR），分别记录移动台注册位置信息和实时位置信息。正是有了这些位置信息，才能实现对移动台的快速有效的寻呼，并实现正确的计费。,1.3 专用移动通信系统,习惯上将蜂窝移动通信系统称为公用移动通信系统，而将其他移动通信系统称为专用移动通信系统。后者包括无线寻呼系统、无绳电话系统、集群移动通信系统、移动卫星通信系统以及分组无线网。,1.3.1 无绳电话系统,1、概述 无绳电话是指用无线信道代替普通电话线，在限定的业务区内给无线用户提供移动或固定公众电话网业务的电话系统。它
15、是一种强调无线接入的系统，必须依附于其他通信网络，主要是依附公众电话网。早期的无绳电话十分简单，只是把一部电话单机分成座机与手机两部分，两者用无线电连接。现在，这种无绳电话还比较常见，主要用于家庭和办公室，可以在100200米的小范围内移动。实际上，无绳电话已经逐步向网络化和数字化方向发展，从室内向室外发展，从专用系统向公用系统发展，并成为发展个人通信业务（PCS）的一个重要途径。,表1-1 各种数字无绳电话系统的主要技术参数,2、典型系统介绍,“小灵通”无线市话通信系统的正式名称是个人接入系统（PAS）。它是一种采用无线环路技术并通过V5接口，充分利用固定电话网的充裕资源来实现个人通信的无线
16、接人系统。其用户每人拥有一个电话号码，无论何时何地，只要通过一部手机或固定无线电话，即可完成通话、发传真、传送数据和图像，而且在固定地点或低速移动中都可以工作。总体来说，它源自于日本的PHS系统，并结合我国实际情况进行了技术改造。现在，“小灵通”技术已在全世界二十多个国家得到了应用。,、PAS系统的网络结构,图1-4 PAS系统组成框图,、PAS系统的关键技术,、PAS系统的物理信道和帧结构 PAS系统的工作频率为19001919.45MHz，采用TDMA/TDD的传输方式。每载频占用带宽为300kHz，整个频段的可用载频数为77个。每个小区基站使用的载频数最初为1个，以后根据业务量可以动态配置，而每个载波按5ms分成8个时隙，每个时隙称为一个物理信道，上、下行各分配4个时隙，从而提供4对双工信道。图1-5为PAS系统的帧结构图。,图1-5 PAS系统帧结构图,、微蜂窝与信道动态分配技术,PAS系统是采用微蜂窝来组网的，它把整个服务区划分为许多个微小区。为了解决频率资源的短缺问题，在频率资源分配上采用了动态信道
