第四章移动通信_简版

1、 移 动 通 信一、概 述 定义：移动通信就是在运动中实现通信。也就是说通信的双方中或有一方或双方均处于移动状态的通信方式。 它分为陆地移动通信、海上移动通信、航空移动通信。移动台可以是汽车、船只、飞机和卫星等，构成这种通信的系统称为移动通信系统。移动通信的内容： 除话音业务外， 还包括传真、数据、图象等非话业务。 移动通信因为具有信息交流灵活、经济效益明显等优势，得到了快速发展.1、移动通信系统的特点 由于移动通信的终端的移动性。移动通信与固定通信相比较，具有以下特点：信道传输条件恶劣； 多普勒效应 移动台接收信号的频率发生偏移； 多径传播 使接收信号呈现快而深的衰落， 即多径衰落(瑞利衰落

2、)，每隔半个波长左右的距离就发生一次，最大深度可达20-30dB。 阴影效应 产生慢衰落，标准偏差为 6-8dB，严重时可达20dB。干扰严重 除受到汽车发动机的火花干扰及工业干扰以外,主要的干扰有互调干扰、邻信道干扰及同频干扰.总之，移动通信的电波传播条件十分复杂和恶劣，只有充分研究移动信道的特征，才能合理地组成各种移动通信系统。远近效应 所谓远近效应，就是指当基站同时接收两个距离不同的移动台发来的信号时，由于距离基站较近的移动台信号较强，距离较远的移动台信号较弱，则距离基站近的移动台的强信号将对另一移动台信号产生严重的干扰。差异几十分贝。这就要求接收机必须有较大的动态范围。对设备要求苛刻

3、移动通信终端要求体积小、重量轻、操作维护方便，而且抗振动、抗高、低温等。 可供使用的频率资源有限 存在频率资源的有限与用户数不断猛增的矛盾.采用跟踪交换技术。 移动通信系统必须具有位置登记、越区切换及漫游通信等跟踪交换功能。2、移动通信系统的组成及分类移动通信系统的组成： 移动通信系统应根据业务性质和用户需求来设计。下图就是一个三级网的陆地(民用)移动通信系统组成示意图。基地站基地站BS1基地站基地站BS1基地站基地站BS1无线区无线区1无线区无线区2无线区3电话局电话局控制交控制交换中心换中心市话用户中继线中继线中继线中继线车载台车载台车载台车载台手持机手持机手持机固固定定台台MSC陆地移动

4、通信系统组成陆地移动通信系统组成市话网市话网陆上移动陆上移动电话网电话网 由上图可见： 它由一个移动业务交换中心MSC(一级)、 若干个基地站MBS(一级)、 中继线以及许许多多移动台MS(一级)组成。 其中MSC的主要功能是信息交换和整个系统的集中管理。 MBS和MS设有收、发信机和天馈线等设备。 MS可分为手持机、车载台和固定台三种。 每个MBS都有一个可靠的通信服务范围，称为无线小区。无线区的大小主要由发射机功率和MBS天线的有效高度决定。 这样，通过基站和移动业务交换中心就可实现任意两个移动用户之间的通信；另外通过中继线与市话局的接续，还可以实现移动用户和市话用户之间的通信。移动通信系

5、统的体制 三类： 小容量大区制、中容量中区制和大容量小区制. 大区制 是指一个城市仅有一个无线服务区，无线区覆盖半径约3040km，此时基地站的发射功率很大,天线高度高，仅适用于业务量不大的情形。 其优点是不需要无线交换，因此，设备简单、投资较小。缺点是难以进行频率复用，通信容量受到限制，不能适应用户急剧增长的需要.中区制： 移动通信网由多个无线服务区构成，其无线区覆盖半径为20km左右，在相距较远的两个无线区中可以利用相同的频率。 中区制需要无线交换，网络结构较大区制复杂,投资亦大，但频率利用率得到提高，可容纳更多的用户。适用于专用移动通信网。 小区制：蜂窝式移动通信系统 一般指覆盖半径 2

6、10km的多个无线区链合而成整个服务区的制式。由于小区往往用正六边形，这种结构和蜂窝一样，故称为蜂窝式。 它可以实现频率复用，较好地解决信道数有限而用户数很大的矛盾，同时发射功率很小，一般为13W即可。 目前，大容量公众移动通信网采用小区制，设备复杂些，但可容纳大量用户。另外随着用户数的增加，一般采用无线小区分裂的办法来增加信道数，以满足系统容量增加的要求，这样无线小区面积更小。微区、宏区和毫区，半径可降至100M左右。 移动通信系统的分类 专用移动通信系统 专用移动通信系统应用于机动性较大的某种专业用户，如公安、消防、医务、电力、公交等部门。除能实现话音通信外，还可以进行数据传输和传真。 考

7、虑到经济的原因，专用系统大多为中区制组网，当服务面积较大时须设立多个基地站。 公众移动电话系统； 公众移动电话系统是最典型的移动通信系统。 它面向全社会为各种用户所共用，所以使用范围广，用户数量大。从容量上分为大、中、小三种。大容量系统采用很成熟的蜂窝式移动电话系统。 蜂窝移动通信系统示意图见下页。MSCMSCPLMNPSTN公众移动电话系统公众移动电话系统 f3 f1 f2 f1 f3 f3 f2 f2 f1 f1 f1 f1 f1 公众移动电话系统的业务范围可扩展到全国乃至世界。另外，公众(公共)移动电话网必须与普通综合通信网相连并能实现自动交换和自动拨号.无线电寻呼系统； 无线电寻呼系统

8、是一种单向通信系统。其设备称为袖珍铃寻呼机，其体积很小，携带方便. 寻呼系统可能需要建立几个大功率的发射台，呼叫由它们同时发出， 只要被呼用户在覆盖区 (又称服务区)内就能收到信号。无线电寻呼系统的组成图见下页。发射台发射台MSC及主发射台PSTN无线电寻呼系统无线电寻呼系统 无绳电话系统； 普通电话机是不能移动的。而利用无绳电话可以使打电话的人在一定范围内自由移动地进行通话。它是有线电话和无线电技术的功能拓展。也可以说是有线电话网一种延伸的双工电话系统。下图便是无绳电话系统示意图。接接续续装装置置市话局市话局用户线手持机无绳电话系统无绳电话系统 目前无绳电话的发射功率甚小，只有毫瓦级，无线覆

9、盖半径约在100m左右。 无绳电话仅仅是普通电话的一个附加设备，比较简单，成本不高，因此，目前运用得比较多。 随着通信技术的发展，无绳电话也朝着网络化的方向发展。比如，在用户比较密集的地区设置电信点（类似蜂窝系统的基站），此电信点与有线电话网连接，并有若干个频道为用户所用。用户在电信点的无线覆盖区域内，可选用空闲频道，进入有线电话网，对有线网中的固定用户发起呼叫并建立通信链路。 集群通信调度系统 1. 集群的概念集群的概念 把一些由各部门分散建立的专用通信网集中起来，统一建网和管理，并动态地利用分配给它们的有限个频道，以容纳数目更多的用户. 改进频道共用的方式，即移动用户在通信的过程中，不是固

10、定地占用某一个频道，而是在按下其“按讲开关”(PTT)时，才能占用一个频道；一旦松开PTT，频道将被释放， 变成空闲频道，并允许其它用户占用该频道。 令基站共有5个频道，分别用A、 B、 C、D和E表示。假若各个频道的平均忙闲的时间都是各占50%，因而当某一用户要单独占用其中任一个频道时，发生阻塞的概率也是50%。倘若这个用户能利用这5个频道的空闲时间传输其信息，则只有当5个频道一起处于全忙状态时，才会出现呼叫阻塞。显然，这时的阻塞概率会显著减小。设单独 占 用 各 个 频 道 的 阻 塞 概 率 分 别 为P(A)=P(B)=P(C)=P(D)=P(E)=50%，则采用上述办法后的阻塞概率为

11、:=P(A)P(B)P(C)P(D)P(E)=3.125%。 2. 集群系统的用途和特点集群系统的用途和特点 集群通信系统属于专用移动通信网，适用于在各个行业(或几个行业合用)中间进行调度和指挥，对网中的不同用户常常赋予不同的优先等级。蜂窝通信系统属于公众移动通信网，适用于各阶层和各行业中个人之间通信， 一般不分优先等级。 集群通信系统根据调度业务的特征，通常具有一定的限时功能，一次通话的限定时间大约为1560秒(可根据业务情况调整)。 蜂窝通信系统对通信时间一般不进行限制。 集群通信系统的主要服务业务是无线用户和无线用户之间的通信。蜂窝通信系统却有大量的无线用户与有线用户之间的通话业务。在集

12、群通信系统中也允许有一定的无线用户与有线用户之间的通话业务，但一般只允许这种话务量占总业务量的5%10%。 集群通信系统一般采用半双工(现在已有全双工产品)工作方式，因而，一对移动用户之间进行通信只需占用一对频道。蜂窝通信系统都采用全双工工作方式，因而，一对移动用户之间进行通信， 必须占用两对频道。 在蜂窝通信系统中，可以采用频道再用技术来提高系统的频率利用率；而在集群系统中，主要是以改进频道共用技术来提高系统的频率利用率。 3. 集群系统的组成集群系统的组成 集群系统均以基本系统为模块，并用这些模块扩展为区域网。根据覆盖的范围及地形条件，基本系统可由单基站或多基站组成。 集群系统的控制方式有

13、两种：即专用控制信道的集中控制方式和随路信令的分布控制方式。(a) 集中控制方式(b) 分布控制方式 采用分布控制方式的系统，无需专门的系统控制器。因而，系统设备简单，成本低，适用于共用频道数较少的中小容量的单区通信网。采用集中控制方式的系统，由于具有专门的系统控制器，因而，系统功能齐全，便于处理多种特殊功能。因而也便于把基本系统联成大的区域网。因此，适宜于大中容量的多基站通信网。集群系统的基本设备如下：转发器。天线共用设备。 系统控制中心(系统控制器)。 调度台，分为无线调度台和有线调度台。操作台、 天线和电源等。移动台。 4. 集群方式集群方式 (1) 消息集群(Message Trunk

14、ing)。每一次呼叫通话期间，一次性的分配一对无线频道， 而且在通话完毕后（即松开PTT开关后），转发器继续在该频道上工作6秒左右，才算完成此次接续过程。消息集群的典型呼叫格式 (2) 传输集群(Transmission Trunking)。 在传输集群中，并非始终占用某一个频道，当发话一方松开PTT，对这一频道的占用即告结束，对方回答或本方再发话时，都需重新分配并占用新的空闲频道。亦即在通话中，每按一次PTT开关就重新占用频道一次。因此，传输集群可以充分利用频道的空闲时间，因而其频道利用率可以明显提高。不过，要实现这种集群传输，用户所用的PTT必须保证用户讲话时立即接通，讲话停顿时立即松开。

15、这样做会带来一个问题，即用户的话音略有间隙时，PTT就可能松开，使所用频道也立即被放弃而被其他用户所占用，其后再讲话时又要重新占用新的空闲频道，从而会导致消息传输不连续而形成通话中断现象。传输集群的典型呼叫格式 (3) 准传输集群(Quasi Transmission Trunking)。是为了克服传输集群的缺点而提出的一种改进集群方式。也可以看做是传输 集群和消息集群的折中方案。准传输集群的典型呼叫格式 二、频分多址(FDMA)模拟蜂窝网 模拟蜂窝系统一览表模拟蜂窝系统一览表 各种蜂窝网移动通信系统均具有下列的主要功能： 具有与公用电话网进行自动交换的能力。 双工通信，话音质量接近市话网标准

16、。 双向自动拨号，包括移动用户与市话用户间的直接拨号以及移动台之间的直接拨号。移动用户可采用预拨号方式，在按“SEND”键前不占用链路，可把被叫号码存入寄存器中并在显示屏上显示。 用户容量大，一个系统一般能为几万个用户提供服务，还能适应业务增加需要，通过小区分裂以扩充容量。 采用小区制频率再用技术，当基站采用全向天线时， 一个区群由 12 个小区组成，频率再用率为 1/12，其频道分配方法是等频距法，以尽可能减少邻道干扰。 具有自动过境切换频道技术，切换时间小于 20 ms。 设备通用性较强，通常基站、移动台等设备在全国范围内可以通用。 各地之间可以联网， 具有自动漫游功能。 1、系统结构、系

17、统结构 通常，在一个大型蜂窝网移动电话系统中有若干个移动电话交换局(MTSO)，也称作移动交换中心(MSC)。 移动电话交换局移动电话交换局(MTSO) 在蜂窝网移动通信系统中， 移动用户与市话用户之间以及移动用户之间建立通话时必须进行自动接续与交换，完成这种接续与交换的设备称作移动交换设备。它除了具有一般的程控电话交换机功能外，还具有移动通信特有的一些功能。例如，对移动台的识别和登记、频道指配、 过境切换处理、漫游和呼叫处理等。 因此，MTSO常由适合移动通信的专用程控交换机组成，也可以在普通程控电话交换机中增加一些软件和硬件，使它具有控制、接续、交换移动电话的功能。基站基站(BS) 基站由

18、射频部分(射频架和收、发天线)、数据架和维护测试架等几部分组成。 当基站采用 120扇区辐射方式时，需配 3 个射频架, 数据架、 线路监测架与维护测试架各一个，每个射频架最大容量为 16 个无线信道，即收、 发信机各有 16 部。 当基站采用全向天线时， 最少需配备 4 个机架， 即射频架、 数据架、 线路监测架和维护测试架各一个。 移动台移动台(MS) 移动台主要包括车载台与手机两类。它们的功能、组成和工作原理是相同的，其主要差别是功率大小不同。例如，TACS系统中，车载台最大发射功率有 10 W和 4 W两种；手持机功率较小，也有 0.6 W和 1.6 W两种。 移动通信的系统控制涉及市

19、话网、移动业务交换中心、基站和移动台之间话音与信令信号的传输与交换，蜂窝系统的控制结构如图所示。信道包括： 话音信道：传输话音信号 控制信道 (建立信道)：传输信令信号 前向信道：基站传向移动台的信道 反向信道：从移动台传向基站的信道2、系统的控制结构及信道、系统的控制结构及信道蜂窝系统的控制结构蜂窝系统的控制结构 蜂窝系统的信道类型 （1）、话音信道 一个无线小区一般有1530个话音信道，最多可达47个话音信道，容量再增加，需要小区分裂的办法解决。话音信道除主要传输话音信号外，还传输监测音、信令音和数据。如下图： 移动业务移动业务交换中心交换中心基站基站移动台移动台无线信号无线信号话音SAT

20、ST数据话音信道传输信号示意图话音信道传输信号示意图 监测音SAT(Supervisory Audio Tone) 监测音是在话音信号传输期间连续发送的带外单音频信号(5970，或6000，或6030Hz正弦波)，用于信道分配和对移动用户的通话质量进行监测。当某一话音信道要分配给某一移动用户时，BS就在前向话音信道上发送SAT信号，移动台检测到SAT信号后，就在反向话音信道上环回该SAT信号，BS收到返回的SAT信号后，就确认此双向话音信道已经接通，即可通话。 在通话期间，基站仍在话音信道上连续不断地发送SAT信号，MS不断环回SAT信号。BS根据环回SAT的信噪比，不断地与预先设置的信噪比相

21、比较，确定是否需要进行过区频道切换。 信令音ST(Signalling Tone) 信令音是移动台发向基站的单向信号，对基站发来的信号作确认应答。例如：1、当MS收到BS发来的振铃信号时，MS在反向话音信道上向BS发送ST信号，表示振铃成功，一旦移动用户摘机通话，就停发ST信号；2、移动台在过境切换频道前，在MTSO控制下，BS在原来的前向话音信道上发送一个新分配的话音信道的指令，MS收到该指令后， 就发送ST信号以表示确认。 根据上述SAT和ST信号的有无，可以用来判断MS处于摘机还是机等状态，移动台摘机/挂机信号表 SAT SAT收到 SAT未收到 ST有 移动台挂机 移动台处于衰落环境中

22、 或移动台处于关机状态 ST无 移动台摘机 ST数据 某些情况下，话音信道可以传送数据。 例如，在越区切换时，话音通信暂时中断。此时，可以用数据形式传递一些指令。（2）、控制信道 每个无线小区通常只设一个控制信道，该信道只传送数据，用于寻呼和接入。 寻呼是当市话用户呼叫某一个移动用户时， MTSO通过某一个基站或位置区内多个基站甚至所有基站发出呼叫信号，包括被呼用户号码以及话音信道指配代号等。这些寻呼信号是在前向控制信道上发送的。 接入是当移动台主呼时，要求入网。为此在反向控制信道上传送入网信息，如将自己的用户识别号告知基站， 并在前向控制信道上等候指配话音信道。 接入过程如下： 移动台开机后

23、，在内存程序控制下，进行自动搜索控制信道。 若为空闲，就发送入网信息， 基站收到移动台发送的接入信息后，告知MTSO，MTSO经核实为有效用户时，就为基站和移动台指配一对话音信道，移动台就根据指配指令自动调谐到话音信道，这样就完成了接入过程。 3、交换技术 在移动通信网中，因为用户的位置是不固定的,因此移动通信的交换技术应具有位置登记、一齐呼叫、越区切换、冲突退避及无线信道选取控制等移动通信网所特有的跟踪交换功能。（一）、信道通信质量监测。 通信过程中，基站的扫描监测接收机定期监测信道传输质量，主要包括 SAT信噪比和无线信号强弱。 57 随着移动台离基站距离的增加，SAT信噪比会降低。当它低

24、于要求越区切换的门限值时，就应进行越区切换。 如果因故没有执行越区切换，则信噪比会继续恶化，直到达到呼叫释放门限值，呼叫就被释放. 为避免邻道干扰。移动台输出功率不能过高.为此，基站话音设备对接收的话音信号强度进行连续监测，并根据检测结果进行功率控制。 当信号强度高于一定值时，基站就命令移动台降低输出功率；同样当信号强度低于一定值时，基站就命令移动台增加输出功率。 另外，当移动台输出功率已达最大值，但基站收到的信号强度仍然低于一定值时，基站就向交换中心请求越区频道切换或中断此次通信。（二）、位置登记及一齐呼叫 在移动通信网中，每个移动台都被固定记录在某一个移动交换区(又称归属交换区)内。 当移

25、动台进入新的交换区时，移动台收到移动交换区识别码，与归属交换区的识别码比较后，发现不同，则移动台发出位置登记信息。 新的移动交换区的移动局收到位置登记信息后,通过局间信令专线，将此移动台的实际位置通知归属移动局，归属移动局更新此移动台的位置信息，以备移动台被呼时使用。 一齐呼叫由于位置信息只表明移动台所在的位置区，而不知所在的具体小区。因此，当移动台被呼叫时，位置区内所有基站一齐发出被呼移动台识别码，称为“一齐呼叫”。（三）、定位及越区切换 定位 移动台通信过程中，为其服务的基站一直监测来自移动台的信号电平。当发现信号电平低于某一门限值时，及通知交换中心。 交换中心命令相邻小区基站同时监测移动

26、台电平，交换中心比较监测结果，即可确定移动台即将驶入的小区，这就是定位。 越区切换的过程 新信道准备 当交换中心确认需进行越区切换时，即为新的基站指配一个话音信道，该基站相应发射机开机,并在此信道发送SAT。 通知移动台切换信道 交换中心通过原基站话音信道向移动台发出切换信道指令。 重建信道 移动台收到上述指令后，先发ST信号表示确认,并立即转入新的话音信道。收到新基站发来的SAT后，立即环回SAT，表示信道切换成功。同时，原基站收到ST后，报告交换中心移动台已驶出本小区，交换中心即接通新基站的路线，继续通话。（四）、冲突退避 移动台的主呼是随机的，当一个小区内有两个以上移动台同时发起呼叫时，

27、就会争抢控制信道,发生冲突。为此，系统应有退避规则，以保证系统正常运行。 AMPS和TACS系统采用的办法是： 在前向控制信道的信令中每隔 10 位发一个忙/闲标志位。当控制信道“忙”时，该比特位为“0”；当控制信道“闲”时，该比特位为“1”。 移动台在反向控制信道中发出预告信息，表示要占用控制信道后，继续观察前向控制信道的忙/闲位。 如果基站同意它占用，就将忙/闲位从“闲”改置为“忙”， 同时也告诉了其它移动台此控制信道已被占用。 4、系统的工作过程 （一）、初始状态 当移动台开机接通电源后，它就根据预先存储的程序对控制信道进行扫描搜索，并锁定在信号最强的信道上。通常这表示与最靠近的基站建立

28、了联系。然后，移动台继续监视所选择的控制信道，等候被呼或发起主呼。 由于移动台不断地移动，所以上述的初始化过程往往需要反复进行。亦即每隔一定时间或收到信号由强变弱到某个规定值时，就要重新搜索控制信道，从而保证移动台不断地跟踪信号最强的基站。 （二）、移动台被呼的接续过程。 市话用户或另一移动用户想与某一移动用户通话，可直接拨打移动台电话号码； 该号码由市话局经中继线进入移动业务交换中心，移动业务交换中心根据被呼移动用户位置登记信息，将电话号码变成识别码送到移动台所在位置区； 位置区内的所有基站通过前向控制信道一齐呼叫移动台识别码，同时发送反向控制信道忙闲状态；65 （4）寻呼响应寻呼响应若被呼

29、移动台开机的话，就能发现被呼信号，并选择一个信号最强的基站，监测前向控制信道发送的反向控制信道的忙/闲位。 若是空闲标志，则移动台发射机的频率调到相应的反向控制频道上，并作出应答，即在反向控制信道上发送移动台本身的识别号码， 表明已收到被呼信号， 基站通过有线数据线路，将移动台的寻呼响应转告MSC。 （5）指配话音信道 MSC收到移动台的寻呼响应信号后，就给正在服务的基站指配空闲话音频道，同时给基站配置相应的有线话音线路。由基站通过前向控制信道通知移动台调到指定的话音频道，基站话音信道机开启，发送SAT信号，移动台在指配的话音频道上环回SAT信号，表明话音频道已接通。 66（6）振铃 基站在前向话音频道上发出振铃信号，移动台收到振铃信号后，一方面振铃，同时在反向话音信道上发送信令音ST，表示振铃成功。基站通过MSC向主呼市话用户发送回铃音。 移动台振铃，用户摘机，信令音ST停发，回铃音即断，到此完成了市话用户主呼移动用户的接续过程67MSBSMSC一齐呼叫识别码来自市话局的呼叫