【正文】 第七章 移動(dòng)通信系統(tǒng) 本章要點(diǎn)： 移動(dòng)通信概述 GSM數(shù)字蜂窩通信網(wǎng) CDMA系統(tǒng) 3G系統(tǒng)的理論研究和發(fā)展概況 移動(dòng)通信概述 ? 移動(dòng)通信是指移動(dòng)用戶之間，或移動(dòng)用戶與固定用戶之間進(jìn)行的通信。這里所說(shuō)的通信，不僅指雙方的 通話 ，還包括 數(shù)據(jù) 、 傳真 、 圖象 等通信業(yè)務(wù)。 ? 移動(dòng)性 包括： ? 終端的移動(dòng)性：手機(jī)、車載臺(tái)等 ? 個(gè)人的移動(dòng)性： SIM/UIM卡方式支持的業(yè)務(wù) ? 業(yè)務(wù)的移動(dòng)性 通信網(wǎng)的智能化和無(wú)線化使三者統(tǒng)一起來(lái)。 ? 無(wú)線通信 和 有線通信 是移動(dòng)通信的基礎(chǔ)。 ? 移動(dòng)通信 ﹑ 衛(wèi)星通信 和 光纖通信 一起被列為現(xiàn)代通信領(lǐng)域的三大新興通信技術(shù)手段。 移動(dòng)通信的特點(diǎn) ⑴ 電波傳播條件惡劣 ★ 移動(dòng)通信使用的是 甚高頻 （ VHF,30~300MHz）和特高頻 （ UHF,300~3000MHz）頻段。其特點(diǎn)是傳播距離在視距范圍內(nèi)，通常為幾千米；天線短；抗干擾能力強(qiáng)；多以地表面波 ﹑ 電離層反射波 ﹑ 直射波和散射波等方式傳播，受地形地物影響較大。 ★移動(dòng)臺(tái)接收到的電波一般是直射波和隨時(shí)變化的繞射波 ﹑ 反射波 ﹑ 散射波的疊加，造成所接收信號(hào)的電場(chǎng)強(qiáng)度起伏不定，最大可相差 20～ 30dB，這種現(xiàn)象稱為 衰落 。包括 長(zhǎng)期（慢）衰落 和嚴(yán)重頻繁的短期（快）衰落 。 ★ 慢衰落 ：電波傳播路徑上遇到建筑物 ﹑ 樹林等障礙物阻擋，在阻擋物的后面形成電波陰影區(qū)，陰影區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度較弱，移動(dòng)臺(tái)穿過(guò)陰影區(qū)就會(huì)發(fā)生陰影效應(yīng)，使接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)中值緩慢變化。陰影效應(yīng)引起的衰落一般服從正態(tài)分布，又稱為 正態(tài)（高斯）衰落 。 ★ 多徑衰落 ：移動(dòng)環(huán)境中到達(dá)移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)是許多路徑來(lái)的眾多電波的合成，由于電波通過(guò)各個(gè)路徑的距離不同，則到達(dá)時(shí)間不同，相位也就不同，不同相位的多個(gè)信號(hào)在接收端疊加，使接收信號(hào)的幅度急劇變化，這種衰落由多徑引起，所以稱為多徑衰落。又因?yàn)槠湔穹娜鹄植?，又稱為 瑞利衰落 。是移動(dòng)環(huán)境中最主要的衰落。 電波的多徑傳播 陰影效應(yīng) ? 障礙物遮擋直射波引起接收信號(hào)中值的變化，表現(xiàn)為慢衰落。 BS MS 障礙物 移動(dòng)通信的特點(diǎn)（續(xù)） ⑵ 多普勒頻移產(chǎn)生調(diào)制噪聲 ★ 多普勒效應(yīng)： 當(dāng)移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)達(dá)到一定速度時(shí)，固定點(diǎn)接收到的載波頻率 將隨運(yùn)動(dòng)速度 v的不同而產(chǎn)生不同的頻移，即產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。 ★多普勒效應(yīng) 與移動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)速度 v，接收信號(hào)載波的波長(zhǎng) λ，電波到達(dá)的入射角 θ有關(guān)，即 ?? co svf d ?又 fc ?? ?co scvff d ?則 df df運(yùn)動(dòng)方向面向接收站， 為正值，反之， 為負(fù)值。頻率越高，頻移越大，對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懺酱蟆? 圖 1－ 2 多普勒效應(yīng) ★ 在高速移動(dòng)通信系統(tǒng)中，多普勒效應(yīng)可影響 300Hz左右的語(yǔ)音，產(chǎn)生附加調(diào)頻噪聲，出現(xiàn)失真。 ★為防止多普勒效應(yīng)的影響，通常在地面設(shè)備上采用“ 鎖相技術(shù) ” ，加入自動(dòng)頻率跟蹤系統(tǒng)，即接收機(jī)在捕捉到高速移動(dòng)物體發(fā)來(lái)的載頻信號(hào)后，當(dāng)發(fā)來(lái)的載頻信號(hào)隨速度 v變化時(shí)，地面接收機(jī)本振信號(hào)頻率跟著變，這樣就不會(huì)使信號(hào)丟失；另外還可以利用窄帶性能，把淹沒(méi)在噪聲中的微弱信號(hào)提取出來(lái)。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，所有移動(dòng)通信設(shè)備都采用鎖相技術(shù)。 移動(dòng)通信的特點(diǎn)（續(xù)） ⑶ 移動(dòng)臺(tái)在強(qiáng)干擾情況下工作 —— 城市噪聲，各種車輛發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火噪聲，微波爐干擾噪聲等 。 —— 自然界中如風(fēng)，雨，雷等自然噪聲，由于頻率較低，可忽略其影響。 —— 互調(diào)干擾，臨道干擾及同頻干擾等。 —— 在移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要考慮抗干擾措施。 遠(yuǎn)近效應(yīng) ? 近處強(qiáng)信號(hào)壓制遠(yuǎn)處弱信號(hào) 移動(dòng)通信的特點(diǎn)（續(xù)） ⑷ 通信系統(tǒng)復(fù)雜 —— 移動(dòng)臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中要隨機(jī)選用無(wú)線信道進(jìn)行頻率和功率控制； —— 需要采用位臵登記和越區(qū)切換等移動(dòng)性管理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠而有效的通信； —— 綜合了交換機(jī)技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳輸技術(shù)等多種技術(shù)； —— 在入網(wǎng)和計(jì)費(fèi)方式上也有特殊的要求。 移動(dòng)通信的特點(diǎn)（續(xù)） ⑸ 對(duì)移動(dòng)設(shè)備要求苛刻 —— 移動(dòng)臺(tái)長(zhǎng)期處于移動(dòng)狀態(tài)下，外界影響難預(yù)料，因此其適應(yīng)能力要強(qiáng)； —— 性能穩(wěn)定可靠，攜帶方便，小型，低功耗及能耐低 ﹑ 高溫等； —— 要盡量使用戶操作方便，適應(yīng)新業(yè)務(wù) ﹑ 新技術(shù)的發(fā)展，滿足不同人群的使用。 移動(dòng)通信的特點(diǎn)（續(xù)） ⑹ 信道容量有限 —— 移動(dòng)通信的頻段只限于 UHF和 VHF，信道容量很有限，隨著用戶數(shù)的增加，只能在有限的已有頻段中采取有效利用頻譜措施，如窄帶化，縮小頻帶間隔，頻道重復(fù)利用等方法來(lái)解決。 —— 在通信建設(shè)中要作出長(zhǎng)期增容的規(guī)劃，以利于今后發(fā)展需要。 移動(dòng)通信系統(tǒng)的分類 ① 按使用對(duì)象可分為 民用設(shè)備 和 軍用設(shè)備 ② 按用途和區(qū)域可分為 陸地通信 、 海上通信 和 航空通信 ； ③ 按多址方式可分為 頻分多址 (FDMA)、 時(shí)分多址(TDMA) 、 碼分多址 (CDMA)和 空分多址 （ SDMA）等； ④ 按基站配臵可分為 單區(qū)制 、 多區(qū)制 、 蜂窩制 ⑤ 按與地面固定網(wǎng)連接方式可分為 人工 、 半自動(dòng) 、 全自動(dòng) ⑥ 按用戶的通話狀態(tài)和頻率使用方法可分為 單工制 、 雙工制 和 半雙工制 ； ⑦ 按經(jīng)營(yíng)方式或用戶性質(zhì)可分為 專用網(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) 。 移動(dòng)通信的工作方式 共有三種方式： —— 單工通信 —— 雙工通信 —— 半雙工通信 1. 單工通信 定義 ： 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。 發(fā)射機(jī)接收機(jī)f1( f2 )送受話器電臺(tái)（甲）發(fā)射機(jī)接收機(jī)送受話器f1( f1 ) f1( f2 )f1( f1 )P T T電臺(tái)（乙）P T T單工通信 同頻單工 ? 同頻單工是指通信的雙方，使用相同工作頻率（ f1），通信雙方的操作采用“按 —— 講”（ push to talk，PTT）方式。 ? 優(yōu)點(diǎn) ： ①設(shè)備簡(jiǎn)單； ②移動(dòng)臺(tái)之間可直接通話，不需基站轉(zhuǎn)接； ③不按鍵時(shí)發(fā)射機(jī)不工作，因此功耗小。 ? 缺點(diǎn)： ①只適用于組建簡(jiǎn)單和甚小容量的通信網(wǎng)； ②當(dāng)有兩個(gè)以上移動(dòng)臺(tái)同時(shí)發(fā)射就會(huì)出現(xiàn)同頻干擾； ③當(dāng)附近有鄰近頻率的電臺(tái)發(fā)射時(shí)，容易造成強(qiáng)干擾。為了避免干擾，要求相鄰頻率的間隔大于 4MHz，頻譜利用率低； ④按鍵發(fā)話，松鍵受話，適用者不習(xí)慣。 異頻單工 ? 異頻單工通信是指通信的雙方使用兩個(gè)不同頻率 f1和 f2，而操作仍采用 PTT方式。 ? 其優(yōu)缺點(diǎn)與同頻單工基本相同。 ? 這種方式主要用于 有中心臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā) （單工轉(zhuǎn)發(fā)或雙工轉(zhuǎn)發(fā)）的情況。分單工轉(zhuǎn)發(fā)和雙工轉(zhuǎn)發(fā)兩種情況。所謂 單工轉(zhuǎn)發(fā) 是指中心轉(zhuǎn)信臺(tái)使用一組頻率（如收用 f1，發(fā)用 f2），一旦接收有載波信號(hào)即轉(zhuǎn)去發(fā)送。所謂 雙工轉(zhuǎn)發(fā) 是指中心轉(zhuǎn)信臺(tái)使用兩組頻率（一組收用 f1，發(fā)用 f2；另一組收用 f3，發(fā)用 f4），任一路一旦接收有載波信號(hào)即轉(zhuǎn)去發(fā)送。 ? 由于使用收發(fā)頻率有一定保護(hù)間隔的異頻工作，提高了抗干擾能力，從而可用于組建有幾個(gè)頻道同時(shí)工作的通信網(wǎng)。 2. 半雙工通信 定義 ： 半雙工通信的收發(fā)使用不同的頻率，同一部電臺(tái)的收發(fā)信機(jī)可以交替工作，也可以讓移動(dòng)臺(tái)采用單工的“按講”方式，即按下 PTT開關(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。 ? 優(yōu)點(diǎn)： ①移動(dòng)臺(tái)設(shè)備簡(jiǎn)單，價(jià)格低，耗電少； ②收發(fā)采用不同頻率，提高了頻譜利用率； ③移動(dòng)臺(tái)受鄰近電臺(tái)干擾小。 ? 缺點(diǎn)： 移動(dòng)臺(tái)仍需按鍵發(fā)話，松鍵受話，使用不方便。 3 雙工通信 定義 ： 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，無(wú)需按 PTT開關(guān)，有時(shí)亦稱全雙工通信。 缺點(diǎn)： 雙工通信在使用過(guò)程中 ,不管是否發(fā)話 ,發(fā)射機(jī)總是工作，故耗電量大，對(duì)以電池為能源的移動(dòng)臺(tái)很不利。 解決辦法： 要求移動(dòng)臺(tái)接收機(jī)始終保持工作狀態(tài)，而令發(fā)射機(jī)僅在發(fā)話時(shí)才工作。稱為準(zhǔn)雙工系統(tǒng)。目前在移動(dòng)通信系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。 雙工通信 雙工制也分為 同頻雙工 和 異頻雙工 。同頻雙工采用的是 TDD技術(shù) ，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。而異頻雙工具有以下優(yōu)缺點(diǎn)： ? 優(yōu)點(diǎn)： ①收發(fā)頻率分開可大大減小干擾； ②用戶使用方便。 ? 缺點(diǎn)： ①移動(dòng)臺(tái)在通話過(guò)程中總是處于發(fā)射狀態(tài)，因此功耗大； ②移動(dòng)臺(tái)之間通話需占用兩個(gè)頻道； ③設(shè)備較復(fù)雜，價(jià)格較貴。 準(zhǔn)雙工通信 移動(dòng)臺(tái) 基站 多址方式 ? 多址技術(shù) ：在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，有許多用戶要同時(shí)使用同一個(gè)基站和其他用戶進(jìn)行通信，因而，必須對(duì)不同用戶和基站發(fā)出的信號(hào)賦予不同特征，使基站能從眾多用戶臺(tái)的信號(hào)中區(qū)分出是哪個(gè)用戶臺(tái)發(fā)出來(lái)的信號(hào)，而各用戶臺(tái)又能識(shí)別出基站發(fā)出的信號(hào)中哪個(gè)是發(fā)給自己的。 ? 多址方式的基本類型有四種 ，即頻分多址 (FDMA)、 時(shí)分多址 (TDMA) 、碼分多址 (CDMA)和空分多址（ SDMA）。 分類： 頻分多址（ FDMA） —— 按頻道劃分用戶，頻 帶獨(dú)享，時(shí)間共享； 時(shí)分多址（ TDMA） —— 按時(shí)隙劃分用戶，時(shí)隙獨(dú)享，頻帶共享； 碼分多址（ CDMA） —— 按碼型劃分用戶，時(shí)隙 /頻率共享； 空分多址（ SDMA） —— 按空間角度劃分用戶，時(shí)間 /頻率 /碼型共享。 FDMA TDMA CDMA SDMA 蜂窩的概念 ? 1974， Bell實(shí)驗(yàn)室提出蜂窩概念 ? 蜂窩系統(tǒng) “ 小區(qū)制”系統(tǒng) ★ 將所要覆蓋的地區(qū)劃分為若干個(gè)小區(qū)，在每個(gè)小區(qū)設(shè)立一個(gè)基站為本小區(qū)范圍內(nèi)的用戶服務(wù)。并可通過(guò)小區(qū)分裂進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量。 ★ “頻率復(fù)用”的概念 ： 同頻干擾的強(qiáng)弱與同頻復(fù)用小區(qū)間距和小區(qū)半徑的比值有關(guān)，信干比可控。 ★ 特點(diǎn) ： 用戶容量大，服務(wù)性能較好，頻譜利用率較高，用戶終端小巧且電池使用時(shí)間長(zhǎng)，輻射小等。 ★ 新的問(wèn)題 ： 系統(tǒng)復(fù)雜、越區(qū)切換、漫游、位臵登記、更新和管理、以及系統(tǒng)鑒權(quán)等。 小區(qū)制移動(dòng)通信網(wǎng) ? 小區(qū)制就是把整個(gè)服務(wù)區(qū)域劃分為若干個(gè)無(wú)線小區(qū)，每個(gè)小區(qū)分別設(shè)臵一個(gè)基站，負(fù)責(zé)本區(qū)移動(dòng)通信的聯(lián)絡(luò)和控制。 蜂窩的分類 ? 宏蜂窩 (Macrocell)： 2~20km ? 微蜂窩 (Microcell)： ~2km ? 微微（皮）蜂窩 (Picocell)： 400m ? 分層蜂窩 (由多種蜂窩組成 ) ? 多維小區(qū) 蜂窩通信的基本原理 蜂窩小區(qū)的形狀 頻率復(fù)用（頻率規(guī)劃） ? 概念 ：為整個(gè)系統(tǒng)中的所有基站選擇和分配信道組的設(shè)計(jì)過(guò)程。 ? 思想 ：為每一個(gè)蜂窩基站分配一組無(wú)線信道，這組無(wú)線信道用于稱作小區(qū)的一個(gè)小地理范圍內(nèi)，給相鄰小區(qū)的基站分配另一個(gè)信道組，基站天線要設(shè)計(jì)的能獲得某一特定小區(qū)內(nèi)期望的覆蓋，這樣相同的信道組就可以覆蓋不同的小區(qū)，只要這些小區(qū)兩兩之間相隔的距離足夠遠(yuǎn)，就可以使相互間的干擾水平在可接受的界限之內(nèi)。 ? 目的 就是使處于不同位臵（不同小區(qū)）上的用戶可以同時(shí)使用相同頻率的信道。 ? 簇（ cl