电力系统通信技术(下)

电力系统通信技术(下)第一页，共163页。5.1数字微波通信的概述5.1.1数字微波通信的概念

微波:频率在300MHz～300GHz范围内，波长极短（1m～lmm）的电磁波。常用的范围是1～40GHz。电磁波：fλ=c

微波通信:利用微波(射频)作载波携带数字信息，通过无线电波空间进行再生中继（接力）的通信方式。模拟微波：携带的基带信息是模拟信号数字载波：携带的基带信息是数字信号微波通信是无线通信的一种方式。第二页，共163页。（一）无线电波和频段划分

无线电波：是一种频率较低、波长较长的电磁波

中长波沿地面传播，绕射能力较强，沿地面传播（因为地面强烈吸收能量）；短波靠电离层反射传播；微波（波长为1m～lmm)，能穿透电离层，在大气对流层中沿视线直线传播，绕射能力很弱。频段名称频率范围波长范围长波中波短波超短波（特高频）30～300kHz300～3000kHz3～30MHz30～300MHz10000～1000m1000～100m100～10m10～1m微波分米波厘米波毫米波300MHz～3GHz3～30GHz30～300GHz100～10cm10～1cm1cm～1mm第三页，共163页。中长波沿地面传播，绕射能力较强，沿地面传播（因为地面强烈吸收能量）地波；短波靠电离层反射传播；微波（波长为1m～lmm)，能穿透电离层，在大气对流层中沿视线直线传播，绕射能力很弱。第四页，共163页。（四）地面远距离微波通信

微波：无线电波，类似光的传播特性。微波在自由空间只能像光波一样沿直线传播，绕射能力很弱；在传播过程中遇到不均匀介质时，将产生折射和反射现象。地面上进行远距离微波通信需要采用“中继”方式，这是因为：（1）微波的似光性——视距传播

第五页，共163页。

图5-2微波通信的中继方式第六页，共163页。(2)微波能量的传播损耗和补充无线电波在空间传播过程中，能量要受到损耗。频率越高，衰减越大。因此，欲实现地面上A、B两地间的远距离微波通信，也必须采用“接力”方式，逐段收发放大，最终到达远距离收信端。

第七页，共163页。（二）微波通信的特点(1)微波频段，受工业、天电和宇宙等外部干扰的影响很小，使微波通信的传输可靠性提高。12GHz以下，受风雨冰雪等恶劣气象条件的影响较小，可使微波通信的稳定度大大提高。目前使用较多的频段是2、4、6、7、8和11GHz。(2)微波频段占有频带很宽，可以容纳更多的无线电设备工作。全部长、中、短波频段的总频带占有不到30MHz，而微波仅厘米波的频带就占有27×103MHz，几乎是前者的103倍。占有频带越宽，可容纳同时工作的无线电设备越多。信息容量大。(|Δf|=|-Δλc/λ2|)

(3)微波射束在视距范围内直线、定向传播，天线的两站间的通信，距离不会太远，一般为50km。第八页，共163页。5.1.2微波传播特性（一）自由空间的电波传播1.自由空间的概念

——理想介质空间，即相当于真空状态的理想空间。在此空间充满着均匀、理想的介质。2.自由空间传播损耗在自由空间传播的电磁波不产生反射、折射、吸收和散射等现象，即总能量在传播过程没有被损耗掉。但是，电波在自由空间传播时，其能量会因向空间扩散而衰耗。第九页，共163页。

这是因为电波由天线辐射后，向周围空间传播，到达接收地点的能量仅是一小部分。距离越远，接收点的能量越小，如同一只灯泡所发出的光一样，均匀地向四面八方扩散出去。

这种电波扩散衰耗称为自由空间传播损耗。传播损耗为：

（5-1）式中：d为收发天线的直线距离，m；

f为发信频率，Hz；

c为光速度，；第十页，共163页。当距离以km为单位，频率以GHz为单位时

若频率以MHz为单位，则

自由空间传播损耗:第十一页，共163页。3.自由空间传播条件下收信电平的计算实际使用的天线均为有方向性天线。设收发天线增益分别为、；收发两端馈线系统损耗分别为、；收发两端分路系统损耗分别为、。则在自由空间传播条件下，接收机的输入电平为

第十二页，共163页。,，

求在自由空间传播条件下，接收机的输入电平和输入功率。解:由式（5-2）式得例已知发信功率为，工作频率,两站间距离即第十三页，共163页。（二）地形地物对微波传播的影响地形地物对微波电磁波会产生的现象:反射（reflection）、折射（Refraction）、绕射或衍射（diffraction）吸收（absorption）。1.平坦地表对微波的反射水面或平坦地面等地表对微波的反射，造成接收点的场强是直射波和反射波的矢量和。当收发天线足够高时，可以认为直射波是自由空间波。2.地表障碍物对微波视距传播的影响地表障碍物是诸如丘陵、山头、树林和高大建筑物等会阻挡电磁波视距传播的地物。与自由空间传播相比，地表障碍物对微波视距传播的影响表现为引入了阻挡损耗。第十四页，共163页。（三）大气对微波传播的影响主要讨论对流层（0～10km）对微波传播的影响。表现在3个方面：1氧气分子和水蒸汽分子对电磁波的吸收；2雨、雾、雪等气象微粒对电磁波的吸收和散射；3对流层结构的不均匀对电磁波的折射。当微波中继通信系统的工作频段在10GHz以下时，前两个方面的影响不显著，只需考虑对流层折射的影响；当工作频段在10GHz以上时，3个方面的影响都需考虑。第十五页，共163页。(五)数字微波信道的干扰和噪声微波线路的干扰主要来自天馈系统和空间传播引入，一般有回波干扰、交叉极化干扰、收发干扰、邻近波道干扰、天线系统同频干扰等。噪声主要来自设备，如收、发信机热噪声以及本振源的热噪声等。解释：波道：每个微波的传输通道极化方向：电场矢量的方向

第十六页，共163页。5.1.3数字微波的使用与发展简况

起步：20世纪50年代，小容量、低频段的数字微波通信系统。

实用化：70年代末得到了迅速发展，并形成了一个完整的技术系统。调制方式：(2PSK)-->(1024QAM)

频谱利用率大大提高：传输一路码流为64kb/s的数字电话，已能被压缩到与一路模拟电话(带宽4KHz)所占用的信道频谱利用率相当。基于SDH的数字微波通信系统：进入90年代后，数字微波具有建站快、成本低、不须铺设线路的特点，尤其适合于紧急通信、临时通信、无线接入等用途。第十七页，共163页。5.2数字微波通信系统5.2.1数字微波通信系统的组成一条数字微波通信线路：两端终端站，中间站。微波通信用于长途电话传输第十八页，共163页。5.2.2数字微波通信系统的主要技术为了提高数字微波信道的传输质量和进一步提高频谱利用率，对新技术的研制和使用可概括为如下几个方面：（一）多载频多电平调制技术

1多电平：4PSK->8PSK、

16QAM->64QAM

2单载频：一个波道的发信机(或收信机)只使用一个载频(即射频)。为了减小数字微波通信的多径衰落，把传输频谱变窄是一种有效的方法。多载频：在256QAM系统传输方式。例：单载频：100Mb/s4个载频：400Mb/s

而其占用波道的频谱却与只用一个载频传输100Mb/s占用的频谱相当。第十九页，共163页。（二）干扰信号抵消技术

20世纪80年代中期，国外在数字微波通信系统中使用了这种技术。因干扰噪声是数字微波通信系统中一种主要噪声，所以当信道中存在干扰信号时，可设法把干扰信号提取出来。或用另外的方法由其它地方获得干扰信号，然后，加入到原信道去抵消存在的干扰。只要使提取的干扰信号与存在的干扰电平相等、相位相反，就可使原信道中的干扰成分大大减小，提高了信道的传输质量。第二十页，共163页。（三）微波射频频率再用技术-提高频谱利用率多波道工作时，在两个微波站之间，往同一方向的多个发信频率(对应多个波道)间要有一定的频率间隔。例如我国4GHz、960路干线模拟微波，波道间隔为29MHz。

(a)：同波道型频率再用。（干扰信号抵消技术，抗同频干扰）同一个微波频率可水平极化，“=”

，主用F

同时又可以垂直极化，“⊥”，再用Fr(b)：插入波道型频率再用。（两个不同极化波的干扰程度比(α)低）再用波道插在两个主用波道之间第二十一页，共163页。（四）收、发微波射频单频制技术

两频制：一个波道的收、发使用两个不同的微波频率。若收、发共用同一天线、馈线的系统，要求收发间去耦度不小于30dB。在我国4GHz、960设备中，收、发频率相差213MHz。若采用收、发频率分开的两个天线、馈线系统，收发间去耦度可达到70～80dB。这就使从两频制进展到单频制成为可能，

单频制：一个波道的收、发使用同一个微波频率，不同极化方式。（可使系统的频谱利用率提高一倍）主要问题：站内本系统收、发之间的同频干扰其它站的越站干扰问题解决方案：使用高性能的两个天线、馈线系统对收、发信设备加强屏蔽和去耦采用干扰信号抵消技术等措施。第二十二页，共163页。反向防卫度边对边去耦背对背去耦第二十三页，共163页。（五）多径分集技术

多径传输：电磁波传输经过反射、折射和直射等多个不同的路径，以不同的方向和时延到达收信点，而进行矢量相加。

后果：微波通信中的频率选择性衰落。

设想：而多径传输的电波却载有相同的有用信息，所以人们想用数字分析的方法和信号处理技术，把有用信号分离出来，并加以利用，这就是多径分集技术的设想。由于实现的难度较大，所以其进展程度不快。第二十四页，共163页。

为满足上述指标，除了有主用波道和主用设备外，还附加有备用波道和备用设备。当主用备用波道的切换要依据监控系统对线路工作状态的监测和控制结果而定。

主控站，中心站：集中监控功能的有人站

被控站，远方站：无人值守站微波站的无人值守和集中监控势在必行。监控系统的遥测、遥信和遥控、遥调功能——四遥功能遥测：主控站向被控站发出询问指令（书）遥测：被控站向主控站发送模拟量信息（电力系统远动）遥控：主控站向被控站发送控制二元信息指令：开关(机械或电气)投、切动作。遥调：主控站向被控站发送调节指令：模拟量调节的电气动作。遥信：是各无人值守站向主控站发送表示站上设备工作状态“正常”、或“不正常”的二元信息(1、0码)的过程。

第二十五页，共163页。5.2.5天线、馈线系统发信设备->微波信号->馈线系统->发射天线->无线定向发射->接收天线->馈线系统->微波信号->收信设备。天线、馈线系统包括:天线和馈线、阻抗变换器、极化分离器、波道滤波器等。天线、馈线系统最基本的要求有：足够的天线增益，良好的方向性，低损耗的馈线系统，极小的电压驻波比，较高的极化去耦度，足够的机械强度等。

数字微波或模拟微波的天馈线系统型式及技术要求基本相同。第二十六页，共163页。反向防卫度边对边去耦背对背去耦第二十七页，共163页。2.卡塞格林天线

——双反射器的抛物面天线，其外形简图如图所示(a)：一般较常见(b)：近年来出现，圆柱屏蔽罩式。可降低向后方辐射的功率(降低后瓣)，又可减弱旁瓣。第二十八页，共163页。C‘、C为双曲线的两个焦点。若从C‘点向另一双曲线作射线CP，过双曲线上的一点P作双曲线的法线MP。根据双曲线性质，α=β。即切面上的入射角等于反射角。因此，由C发出的射线C'P经双曲面反射后，就相当于从C发出的射线一样。第二十九页，共163页。卡塞格林天线组成：三部分初级喇叭辐射器实焦点C'双曲面副反射器抛物面主反射面焦点F，与(虚焦点)C重合

由C‘-P-E就相当于（C)F-P–E;

再经抛物面主反射面聚焦作用，就成为平面波而发射出去。第三十页，共163页。5.4

一点多址（点对多点）微波通信系统

5.4.1概述

——近年来发展起来的一种分布式无线通信方式，应用：在一些幅员辽阔、用户分散、人口密度相对较低、话务量较小的地区。如用有线方式难以到达的山区和海岛。组成：一个中心站(又称基地站)和不同方向的多个外围站(或称用户站、远端站)第三十一页，共163页。1由于微波的视距传播特性(似光性)，因此外围站只能设在中心站的方圆50km范围之内。2中心站：全方向性天线，足够高，外围站：简易定向天线（对准中心站）相对低各外围站之间通信必须通过中心站来建立。第三十二页，共163页。为了延伸系统的传输距离，也可以采用中继接力的方式增设中继站。根据需要，中继站也可上、下话路。典型的一点多址微波通信系统组网类型可以是辐射型、分支型和直线型第三十三页，共163页。5.4.2一点多址微波通信系统的特点（1）用于农村电话网的组成部分和城市公用电话网的延伸（2）它不适合作为话务量大的中继线使用。当某一外围站的用户数超过一套设备的最大容量时，可以利用增加设备的套数来解决。（3）除传送电话外，还可提供数据传输，如传真、电传、电报等。其中对于速率为4.8kb/s以下的数据信号，可以不外接调制、解调器而直接在系统中传送。第三十四页，共163页。例子：“农村电网建设与改造”的通信部分定位：农网通信系统处于电力系统通信网的边缘，属于支线通信网。其网络布局多呈“面”状分布，比较分散。主要问题：根据当地的实际情况，合理地选择适当的通信方式和设备，实现通信网的覆盖范围、传输容量、信息路由、可靠性及经济指标在满足电力系统通信要求基础上的统一。因此，建设一个合理的农网通信系统，我们需要首先了解农网通信系统的发展现状、一些适用于农网的通信方式以及组建一个农网通信系统时需要考虑的问题。第三十五页，共163页。移动应急和容灾根据网络特点分析,有选择地建设部分固定的和部分移动的应急容灾微波电路,对于光纤传输系统在遇到自然灾害以及紧急修复时能发挥重要作用。如:点对点的SDH微波、PDH微波等,设备可做到集成度高、体积小、重量轻,建立连接迅速,并具备光纤接口,在OPGW、ADSS光缆断缆情况下,便携式微波设备可立即运至现场,连接中断处的纤芯,迅速恢复通信,满足电力生产业务的通信需要,从而给光缆修复提供充足的时间。例如:成都曙光公司的SunetLINK6000E1数字微波通信系统(如图1所示),有固定型和便携移动型,可工作于2.4～26GHz微波频段,可提供4～32Mbit/s的数据传输速率,应用十分广泛。第三十六页，共163页。第三十七页，共163页。偏远厂站接入对于较为偏远、只有单回或同塔双回输电线路的变电站、水电站或火电厂等,可随输电线路建设1条OPGW光缆电路作为主用,另建设1条SDH微波通信电路作为备用。对于40～100km的输电线路,只需建设2～3个微波站,具有较好的经济性,此外,从技术角度分析,微波电路比电力线载波备用容量大,若建设同塔第二条OPGW光缆电路,2条光缆同杆并架,相关性大,容易出现同时倒塔断裂的风险,因此,采用“光纤+微波”的方式作为偏远厂站的接入是一种较好的选择。第三十八页，共163页。

5.5卫星通信技术第三十九页，共163页。5.5卫星通信技术

——利用人造地球卫星作为中继站来转发无线微波，从而进行两个或多个地面站之间的通信。卫星通信具有传输距离远、覆盖面积大、通信容量大、用途广、通信质量好、抗破坏能力强等优点。

一颗通信卫星总通信容量可实现上万路双向电话和十几路彩色电视的传输。

卫星通信工作在微波波段，与地面的微波接力通信类似，卫星通信则利用高空卫星进行接力通信。

第四十页，共163页。高轨道通信卫星：（本节介绍）运行在赤道上空约36000km的同步卫星。位于印度洋、大西洋、太平洋上空的三颗同步卫星，基本可覆盖全球。因卫星的高度太高，故要求地面站发射机有强大的发射功率，接收灵敏度要高，天线增益要高。

低轨道通信卫星：（移动通信中介绍）是运行在500～1500km上空的非同步卫星，一般采用多颗小型卫星组成一个星型网。通过星际通信可覆盖全球。主要用于移动通信和全球定位系统(GPS)。第四十一页，共163页。5.5.1卫星通信概述（一）卫星通信的发展卫星通信是现代通信技术、航空航天技术、计算机技术结合的重要成果。

近30年来，卫星通信在国际通信、国内通信、国防、移动通信以及广播电视等领域，得到了广泛应用。

卫星通信之所以成为强有力的现代通信手段之一，是因为它具有频带宽、容量大、适于多种业务、覆盖能力强、性能稳定、不受地理条件限制、成本与通信距离无关等特点。第四十二页，共163页。第一代“国际通信卫星”(INTERLSAT-I）IS-I，原名“晨鸟”第四十三页，共163页。5.5.2卫星通信的特点（一）卫星通信的特点通信距离远，通信成本与距离无关。

覆盖面积大，，可进行多址通信通信容量大，传送的业务种类多。信号传输质量高，通信线路稳定可靠建立通信电路灵活，机动性好第四十四页，共163页。同步卫星覆盖第四十五页，共163页。（二）卫星通信技术上的特殊性

第四十六页，共163页。第四十七页，共163页。5.5.3卫星通信使用的频率卫星通信频率一般工作在微波频段，其主要原因是卫星通信是电磁波穿越大气层的通信，大气中的水分子、氧分子、离子对电磁波的衰减随频率而变化。

可见，0.3-10GHz大气损耗最小，比较适合于电波穿出大气层的传播，可以把电波看作是自由空间传播，因此称此频率段为“无线电窗口”第四十八页，共163页。目前大部分通信卫星民用、商用卫星通信：使用4/6GHz频段政府、军事卫星通信：使用7/8GHz频段与民用卫星通信系统在频率上分开，避免相互干扰。由于4/6GHz通信卫星的拥挤，以及与地面微波网的干扰问题，目前已开发使用11/14GHz频段，并用于民用卫星和广播卫星业务。

20/30GHz频段也已经开始使用，（损耗谷半透明无线电窗口）第四十九页，共163页。5.6卫星通信系统的构成5.6.1卫星通信系统的基本组成

以地球同步卫星通信系统，进行电话通信的系统框图。图5-21卫星电话通信系统第五十页，共163页。卫星通信系统部分包括如下几个部分内容。（一）控制与管理系统（二）星上系统（三）地球站

第五十一页，共163页。第五十二页，共163页。5.6.2卫星通信链路计算（一）卫星通信链路构成图5-22是典型的卫星通信链路的组成。特点：接收信号弱，延时长。主要计算：接收的输入端载波与噪声的功率比(载噪比)，其他部分链路的计算与一般的通信系统没有区别。对于模拟卫星通信，载噪比决定了系统输出端的信噪比；对于数字卫星通信，载噪比决定了系统输出端的误码率。第五十三页，共163页。（2）有效全向辐射功率EIRP——代表地球站或通信卫星发射系统的发射能力，发射天线所发射的功率与发射天线增益的乘积，即

EIRP=PTGT

（5-13）（3）自由空间损耗LP

设一个无方向性天线发射功率为PT(W)，若在距离为d(m)为足够远的地方接收，设接收天线的有效接收面积为，则接收到的功率PR

（5-14）第五十四页，共163页。5.6.3卫星通信多址技术

第五十五页，共163页。第五十六页，共163页。SDMA多址技术

SDMA多址技术的原理是利用地球站的地理位置不同，采用天线的波束成形技术，达到多用户共享频率资源、时间资源和码资源，如图所示。第五十七页，共163页。国家电力公司会议电视系统卫星工程正在启动，对于地面通道不能直接到达的西藏、新疆等省电力公司将通过卫星网与北京相连。第五十八页，共163页。第5章微波与卫星通信技术小结微波的使用频段特点地面远距离微波通信采用中继方式的原因一点多址微波通信系统的特点卫星通信技术的特点卫星通信的有效全向辐射功率和接收系统的性能因素第五十九页，共163页。第六十页，共163页。

第6章移动通信技术6.1移动通信概述6.2移动通信技术6.3GSM(全球数字移动通信)系统及GPRS技术

6.4CDMA移动通信系统6.5卫星移动通信系统6.6第三代移动通信系统第六十一页，共163页。6.1移动通信概述6.1.1移动通信概念

——通信的双方中至少有一方是在移动中进行信息交换的通信方式。“动中通”

终端的移动性（手持机，车载台）

个人的移动性（SIM卡方式支持的业务）

业务的移动性（200卡业务等）通信网的智能化和无线化使三者统一起来：个人通信网或个人通信业务图6-1移动通信第六十二页，共163页。6.1.2移动通信特点电波传输特性复杂多普勒效应慢衰落－建筑阻挡快衰落－多径传播干扰多而复杂噪声干扰远近效应邻道干扰、互调干扰、共频道干扰组网方式多样灵活对设备要求更为苛刻用户量大而频率资源有限第六十三页，共163页。

多普勒效应:移动形成的多普勒频移将产生附加调制噪声。移动产生的多普勒频率为：（6-1）式中：v为移动速度；λ为工作波长；θ为电波入射角。变化范围可达20～30dB。图6-2普勒效应第六十四页，共163页。

6.1.3移动通信分类①按使用对象可分为民用设备和军用设备；②按用户的通话状态和频率使用方法可分为单工制、双工制和半双工制；③按多址方式可分为频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)等；④按基站配置可分为单区制、多区制、蜂窝制等配置方式；⑤按用途和区域可分为陆地通信、海上通信和航空通信；

陆地移动通信系统又可分为：（发展最快） 公众移动通信系统、 无线集群系统 无绳电话系统等。第六十五页，共163页。阶段主要技术主要业务代表系统第一代（模拟蜂窝移动通信系统）模拟调频、频分多址电话美国的AMPS，英国TACS，北欧的NMT-900及日本HCNTS等第二代（GSM和窄带CDMA（IS95-A）数字蜂窝移动通信系统）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欧洲的GSM、美国的DAMPS（IS-54目前用IS-136，）及日本的JDC

第三代（宽带，综合的全球个人通信网）CDMAFPLMTS，UMTS第六十六页，共163页。6.1.5移动通信发展史

1980s，第一代蜂窝移动通信网：以AMPS和TACS为代表的模拟蜂窝移动通信网是系统。1990s，第二代移动通信系统(数字蜂窝系统)，两种重要的移动通信体制：TDMA体制，欧洲的GSM系统CDMA体制，美国的IS-95系统

2000后，第三代移动通信系统，三大主流WCDMA、欧洲的GSM系统的基础上cdma2000、美国的IS-95CDMA系统的基础上TD-SCDMA中国大唐电信时分双工TDD模式支持不对称业务又有中国政府和产业界的支持，国内巨大的市场潜力第六十七页，共163页。移动通信发展的主要技术问题及发展方向移动通信未来的发展动向:⑴提高频谱利用率,开拓更高频带；⑵开发卫星移动通信系统；⑶新体制的研究；⑷全球一网,每人一号,实现人类通信理想目标。

个人通信(PersonalCommunications)：

——是指无论任何人（Whoever）在任何地方（Wherever）、在任何时候（Whenever）、能向任何人（Whomever）提供任何方式（Whatever）的信息通信服务，是人类无约束自由通信的理想目标。第六十八页，共163页。6.2移动通信技术6.2.1移动通信系统的组成移动台（MS：MobileStation）基站(BS：BaseStation)

移动业务交换中心（MSC：MobileServiceSwitchingCentre）对其服务区内的MS进行交换和控制提供移动网与固定公众电信网的接口。第六十九页，共163页。无线区：每个基站都有一个可靠通信的服务范围。无线小区的大小主要由发射功率和基站天线的高度决定。可分为：大区制

——一个城市由一个无线区覆盖。大区制的基站发射功率很大，无线区覆盖半径可达25km以上。小区制

——覆盖半径为2km～10km的区域，且由多个无线区链合而成整个服务区的制式。小区制的基站发射功率很小。目前发展方向是将小区进一步划小，成为微区、宏区和毫区，其覆盖半径降至100m左右。第七十页，共163页。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BS，并由它负责移动通信的联络和控制。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，以保证在服务区内的双向通信质量。发射机输出功率一般为200W左右。覆盖半径大约为30～50km。第七十一页，共163页。大区制示意图第七十二页，共163页。特点：

■信号传输损耗，通信距离有限

■覆盖范围30~50km，发射功率50~200W，天线很高(>30m)

■网络结构简单，频道数目少，无需无线交换，直接与PSTN连。局限性

■覆盖范围有限

■服务的用户容量有限

■服务性能较差

■频谱利用率低大区制移动通信网第七十三页，共163页。小区制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，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MSC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。基站发射功率一般为5～20W，每个小区半径为2～20km（小的也有的为1～3km）第七十四页，共163页。图6-5小区制示意图大区制下，要与5个移动台通话，必须使用5对频率小区制下，要与5个移动台通话，可以使用3对频率第七十五页，共163页。小区制的特点：

■频率的利用率高；

■组网灵活；

■能够有效解决频道数量有限和用户数增大的矛盾无线小区的范围不宜过小:

在移动台通话过程中，从一个小区转入另一个小区时，移动台需要经常地更换工作频道。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。小区制移动通信网第七十六页，共163页。问题:如何利用有限的资源为尽可能多的用户提供服务。以前：分割频率来获得更多的可用信道

——缩小了指配给每个用户的带宽，造成服务质量下降。革新：蜂窝技术，分割地理区域。

——将服务区分割成多个蜂窝小区，能更加有效地使用无线频率。

（三）服务区域的划分第七十七页，共163页。图6-6带状服务区示意图

考虑服务对象及频率组不相互干扰等因素，小区制一般分为：带状服务区（同频干扰）

——基站可以使用定向天线(方向性强的天线)，小区按纵向排列覆盖整个服务区。面状服务区（三）服务区域的划分第七十八页，共163页。图6-7同频干扰示意图为避免邻接小区使用相同频率，造成干扰(同频干扰),因而采用不同频率组，在带状情况下可配备双组(群)频率。但是也可能发生干扰，如图6-7所示，因此也可配备三组或四组等。第七十九页，共163页。2.面状服务区

——服务小区的形状采用正三角形、正方形、正六边形，邻接构成整个服务区。如图6-8所示。（三）服务区域的划分第八十页，共163页。2.面状服务区

——首选正六边形因此，正六边形在现代移动通信网中得到了广泛的应用。所以又称蜂窝式网。第八十一页，共163页。小区图案和频率复用第八十二页，共163页。6.2.3移动通信中的切换、交接与漫游

基站的设置：——激励方式中心激励方式：将基站发射机安置在小区的中心，采用全向天线。顶点激励方式：将基站发射机安置在六个小区顶点的三个点上，采用扇形天线,如三叶草形结构

图6-10三叶草形（每个基站三个无线小区）——采用120°的定向天线辐射电波进行无线信号覆盖。如果配置三组频率，由于天线的方向性提供了一定的隔离度，因而在小区中信号不会产生干扰。

第八十三页，共163页。切换/交接：当移动体在运动中，从一个小区向另一个小区运动时，信道发生转换。如移动体从BS1)向BS2过渡时，切换可发生在：同一基区的不同小区；不同基区的不同频率组；也可发生在不同的移动交换区交接过程：首先是基站监测移动台信号强度，当信号降低到某一限值时就请求切换；比较周围邻接小区接收到移动台的信号强弱，当某一基站的小区信号较强时，就切换到此基站的小区，通过信道转换继续进行通话。同一交换区的切换第八十四页，共163页。图6-12不同交换区的切换示意图第八十五页，共163页。

漫游：指移动台在某地登记进网后，可在异地（全球范围内）同样进行呼叫处理通信。全球通/世界陆地移动通信网：小区制的蜂窝移动通信系统制式：

GSM：，欧洲，我国

D-AMPS：美国北美

D-NTT：日本第八十六页，共163页。第六章第二部分GSM与GPRS第八十七页，共163页。GSM系统概述GSM以前是GroupSpecialMobile(1982年设立)的缩写，现在是(GlobalSystemforMobilecommunications)的缩写。

“全球移动通信系统”。由欧洲ETSI(EuropeanTelecommunicationsStandardizationInstitute)提出的第二代数字蜂窝移动通信系统标准。采用TDMA/FDMA

复用方式。是世界上目前使用最广、用户数最多的移动通信系统。第八十八页，共163页。GSM历史

1980sGSM900(泛欧数字蜂窝通信网)标准的修订。（900MHz）1990s完成了1800MHz频段的移动电信业务规范和运营，名为DCS1800系统。1995年，完成了1900MHz频段的PCS1900移动电信业务规范。第八十九页，共163页。GSM的发展现状

全世界已有欧洲、亚洲、非洲、美洲、大洋州的130多个国家和地区建立了GSM网络，实现全球漫游；移动通信用户的40％采用GSM，仅中国的用户数就超过了1亿。第九十页，共163页。GSM的性能特征

通信：无线移动通信，支持话音和数据业务。移动性：国际接入，采用chip-card可接入不同运营商的GSM网络。连通世界各地：一个号码，网络处理本地化。第九十一页，共163页。GSM的性能特征（续）容量大：频谱效率较高、小区覆盖较小、每小区用户数较多传输质量高：就无线通信而言，话音质量高，可靠性高，高速运动场合（如汽车和火车上）也极少会发生电话呼叫中断。安全功能：接入控制、通过chip-card和PIN鉴权。第九十二页，共163页。GSM的缺点

没有完美的系统!!没有端到端的用户加密。没有给用户提供完全的64kb/s的ISDN带宽。产生电磁辐射较强。可能会出现滥用私人数据的现象。系统高度复杂。在GSM标准内有几处不相容。第九十三页，共163页。GSM系统构成

GSM是一种公共陆地移动网(PLMN)。◆一个国家内可以由数个运营商根据GSM标准建设蜂窝移动通信网络。◆组成：►移动台(MS)：MobileStation►基站子系统(BSS)

：BaseStationSubsystem►网络子系统(NSS）：NetworkandSwitchingSubsystem

第九十四页，共163页。基站子系统(BSS)

：BaseStationSubsystemBaseTransceiverStation(BTS)BaseStationController(BSC)第九十五页，共163页。数据库（1）

HLR：(归属位置寄存器HomeLocationRegister)

用来存储本地用户位置信息的数据库

——一个存储管理部门用于移动客户管理的数据的数据库。每个移动客户都应在其归属位置寄存器（HLR）注册登记。HLR所存储的用户信息分为两类：有关用户参数的信息，永久性例如用户类别，业务限制,所提供的业务，用户的各种号码、识别码，以及用户的保密参数等。有关用户当前位置的信息，暂时性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。第九十六页，共163页。数据库（2）

VLR：(访问位置寄存器VisitorLocationRegister)

存储来访用户位置信息包含所有当前在服务MSC中的移动用户的有关数据，临时用户识别号和移动台在网络中准确位置(位置区域识别号)。是一个动态用户的数据库。服务区移动到另一个VLR服务区时，那么HLR在修改该用户的位置信息后，还要通知原来的VLR，删除此移动用户的位置信息。第九十七页，共163页。数据库（3）EIR——设备识别寄存器EquipmentIdentityRegister►存储GSM移动站和用户的权利；►通过核查白色，黑色和灰色三种清单，运营部门就可判断出移动设备是准许使用，失窃还是不准使用的，还是由于技术故障二危及网络正常运行的设备。►偷窃或伪造的移动站可被锁死，而且有时甚至能被定位。第九十八页，共163页。鉴权中心(AUC)

AuthenticationCenter►鉴权参数用于GSM系统内移动终端的鉴权和空中接口用户数据加密。►基于VLR的申请生成用户的特定鉴权参数；可靠地识别用户的身份，只允许有权用户接入网络并获得服务。

第九十九页，共163页。HLR，AUC和EIR通常合设于同一物理实体中。第一百页，共163页。操作与维护中心(OMC)OperationsandMaintenanceCenter

对全网进行监控和操作，►例如系统的自检、报警和备用设备的激活，►系统的故障诊断与处理；►话务量的统计和计费数据的记录与传递；►各种资料的收集、分析与显示等。第一百零一页，共163页。6.3.3GSM系统的主要参数

GSM系统主要参数为：频段、频段宽度、通信方式、信道分配等，具体参数如下：第一百零二页，共163页。（一）GSM的工作频段

第一百零三页，共163页。我国GSM900使用的频段：上行890~915MHz，下行935~960MHz。►中国移动公司：890～909MHz（上行），935～954MHz（下行），共19MHz带宽。►中国联通公司：909～915MHz（上行），954～960MHz（下行），共6MHz带宽。我国DCS1800使用的频段：仅中国移动有DCS1800网络：

1710～1720MHz（上行），

1805～1815MHz（下行），10MHz带宽。第一百零四页，共163页。（一）GSM的工作频段频段宽度：25MHz；（GSM900中，移动19MHz，联通6MHz）通信方式：全双工；载波间隔：200kHz；（对于一个频道）信道分配：每个频道采用TDMA方式，每载波8时隙，即8个全速信道，16个半速信道；频道配置：采用等间隔频道配置方法。（1）在900MHz频段，频道序号为1～124，共124个频道，序号和频道标称中心频率的关系为：上行：fL(n)=890.200MHz+(n-1)×0.200MHz

下行：FH（n）=fL(n)+45MHz

其中，n=1～124。第一百零五页，共163页。GSM频率划分

第一百零六页，共163页。GSM的工作参数（2）在1800MHz频段，频道序号为512～885，共374个频道（1785-1710）/0.2=375序号和频道标称中心频率的关系为：上行：fL(n)=1710.200MHz+(n-512)×0.200MHz下行：FH（n）=fL(n)+95MHz其中，n=512～885。蜂窝移动通信最基本原理：频率复用蜂窝系统可在不同的地理位置，即无线区群间重复使用各频道组的频道。信道总速率：270.83kb/s；调制方式：GMSK（高斯最小移频键控），调制指数为0.3；第一百零七页，共163页。问题

1.双频系统的使用问题：双频系统即GSM900/1800双频段操作的系统，能有效解决GSM900系统频率较窄，容量有限和话务负荷不足等问题。使用：单频GSM900手机仍然在GSM900网中应用，而双频手机可以在双频系统中自动漫游、自动切换，且始终保持在相对最佳信号状态下。第一百零八页，共163页。双频系统的优点

除射频外，GSM1800系统与GSM900系统有基本相同的软硬件结构；两个网络的拓扑结构相同，可共用MSC、HLR、BSC及OMC；两个网络可共站址，可充分利用机房、传输、电源及其他配套设施，大大节省建设投资与日常维护费用；GSM1800和GSM900的无线频率规划方法及工具基本相同；GSM1800无线覆盖范围小，小区半径小，覆盖相同的区域需要较多基站，因此提高了单位面积的网络容量。GSM900移动台最大功率0.8~20WGSM1800移动台最大功率0.25~1W第一百零九页，共163页。三频手机

支持亚洲、欧洲与北美GSM网络(GSM900/1800/1900MHz）目前中国移动已经与世界五大洲的160多个国家和地区的230个运营商开通了国际漫游业务，开通范围还在不断扩大。除了日本、韩国和部分美洲国家外，只要是开通了漫游的国家和地区，客户都可以使用自己的手机。日本和韩国的网络制式与中国移动的网络不同，到日本和韩国漫游需要更换手机。美洲部分国家运营商的网络是GSM1900M的，在这些网络漫游需要使用三频手机，目前市场上大部分手机都支持三频。在美国，除了使用三频手机外，还可以使用NEXTEL公司的IDEN手机。这种手机在中国和美国都可以使用，只需将已开通国际漫游功能的SIM卡插入该手机中即可使用。第一百一十页，共163页。GSM多址方式与频率复用

多址方式和双工方式：TDMA/FDMA/FDD收发频率间隔：GSM900:45MHz;DCS1800:95MHzGSM900中，占有25MHz带宽，包含124对频道，频道间隔200kHz。每个载频含8个时隙，时隙从0-7编码。这相同频率的8个时隙被称为一个TDMA帧。用户在某一时隙发送被称为突发时隙(burst)。一个突发时隙长度为577S，一帧为4.615ms。共992个物理信道。124*8=992区群由347个小区组成，区群内不使用相同频道，每个小区含多个载频。第一百一十一页，共163页。

图在时域和频域中的间隙120ms/8时隙=15ms15ms/26复帧≈0.577ms第一百一十二页，共163页。GSM-TDMA/FDMA

第一百一十三页，共163页。GSM面临的问题和解决方法

用户容量问题→扩容►小区分裂技术(多小区扇区化)►频段扩展►更紧密的频率复用技术►高效的语音编码技术►分层小区结构，微蜂窝与微微蜂窝技术►采用GSM900/1800双频系统►定期进行网络优化业务容量问题►GPRS►EDGE►3G……第一百一十四页，共163页。

GPRS系统第一百一十五页，共163页。GSMII中的数据业务

GPRS(GeneralPacketRadioService)：通用分组无线业务1998完成标准。满足移动数据业务的需求。在现有的GSM网络上开通的一种新型的分组数据传输业务。在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。

GPRS网络可给第三方业务商提供接入服务，大集团用户还可以直接利用GPRS网络建立自己的虚拟专网。第一百一十六页，共163页。GPRS采用与GSM同样的无线调制标准、频带、突发结构、跳频规则和帧结构。现有基站子系统(BSS)可提供全面的GPRS覆盖。第一百一十七页，共163页。GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不利用电路交换模式的网络资源，从而提供了一种高效低成本的无线分组数据业务，特别适用于间断的、突发性的和频繁的少量数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。仅当有数据准备要发送时才使用空闲的时隙：容量按需分配(例如同时使用8个时隙可达114kbit/s数据速率)。第一百一十八页，共163页。GPRS的主要特点：（1）GPRS采用分组交换技术，高效传输高速或低速数据和信令，优化了对网络资源和无线资源的利用。（2）定义了新的GPRS无线信道，且分配方式十分灵活：每个TDMA帧可分配1到8个无线接口时隙。时隙能为活动用户所共享，且上行链路和下行链路的分配是独立的。（3）支持中、高速率数据传输，可提供9.05---171.2kbit/s的数据传输速率(每用户)。GPRS采用了与GSM不同的信道编码方案，定义了CS-1、CS-2、CS-3和CS-4四种编码方案。第一百一十九页，共163页。

（4）GPRS网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。

(5)GPRS支持基于标准数据通信协议的应用，可以和IP网、X.25网互联互通。GPRS也允许短消息业务(SMS)经GPRS无线信道传输。

(6)GPRS的设计使得它既能支持间歇的突发式数据传输，又能支持偶尔的大量数据的传输。它支持四种不同的QoS级别。GPRS能在0.5---1秒之内恢复数据的重新传输。GPRS的计费一般以数据传输量为依据。

第一百二十页，共163页。

(7)在GSMPLMN中，GPRS引入两个新的网络节点：

GPRS服务支持节点(SGSN)：ServingGPRSSupportNode

它和MSC在同一等级水平，并跟踪单个MS的存储单元，实现安全功能和接入控制。节点SGSN通过帧中继连接到基站系统。

GPRS网关支持节点GGSN：GatewayGPRSSupportNodeGGSN支持与外部分组交换网的互通，并经由基于IP的GPRS骨干网和SGSN连通。(8)GPRS的安全功能同现有的GSM安全功能一样。身份认证和加密功能由SGSN来执行。第一百二十一页，共163页。GPRS网络组成服务支持节点SGSN：为MS提供移动管理，路由选择等服务的节点；(传统交换机）网关支持节点GGSN：用于外部数据网络和业务的节点；（类似网关作用）PCU：packetControlUnit：完成RLC/MAC（RadioLinkcontrol/MediumAccessControl）PDN:PacketDataNetwork：外网第一百二十二页，共163页。第一百二十三页，共163页。用户：

1包交换，传统的话音电路交换，费用高。

2不需要拨号，不需要访问服务器的准入

3最重要，支持IP协议，internet连接方便制造商：提供数据接入方法，容易升级运营商：话音过渡到IP，投入设备少，成本低移动梦网等，利益分配。无线咨询。第一百二十四页，共163页。6.3.7GPRS技术在电力系统中的应用

GPRS——将移动通信与数据通信合二为一，使移动通信网络具有提供更多增值业务的能力。电力系统对通信的要求是多样的，在有些场合，电力通信还无法满足电力生产的需要。引入电力通信专网之外通信技术是合适的。应用GPRS技术满足某些电力系统特殊需求。

GPRS网络完全支持对行业集团的特定应用。第一百二十五页，共163页。1．在电力抢修监控调度中的应用电力抢修监控调度系统将抢修现场情况与电网运行情况、设备运行系统资料、客服中心的报修系统、事故抢修决策预案等系统互联，以保证各部分信息迅速流通、互动，协助抢修调度人员科学快速地指挥事故抢修。通过基于GPRS的VPN通信系统，检修车的终端设备成为电力内部Intranet网络的移动终端，可与控制中心交互GPS位置信息、抢修信息、地理信息、图像信息等，在检修现场就可以了解电网的运行情况、运行资料、检修预案。大大提高电力抢修的自动化水平。基于GPRS的VPN在电力系统有如下的应用。第一百二十六页，共163页。2．在配电网数据采集与配网自动化中的应用在配电系统中有大量的柱上检测终端、变压器检测等设备，需要将采集的数据传送到配网中心，配网自动化需要将实时监测的数据传送到控制中心，而配网设备数量巨大、布局分散、传送的数据量却不大，而采用传统的电力载波、光纤、微波、扩频等通信手段，在经济性和可扩充性上均不能完全适应配网自动化的的特点。基于GPRS的VPN，在传输速率，时延和QoS保障等均能满足配电网自动化和配电网数据采集的需要。完全可以作为配电网通信的一种选择方案。第一百二十七页，共163页。3．在通信监控中的应用通信监控一般由站内的采集单元和监控中心的计算机网络组成，采集单元需要通过通信链路将采集的信息实时传送到监控中心。而在某些通信站是很难组织通信电路的，比如微波中继站，本身并无下话路，即使采用公务通道，在设备出故障，需要通信监控起作用时，往往监控通道也随设备故障同时中断。又如在星形或链形的SDH光纤电路中，只要一个网元中断，网管就丢失了对后面所有网元的管理监视能力，而无法及时判断和处理故障。因此需要一种独立于被监控的电路之外的通信电路来传输监控信息，而为通信监控另建通信电路在经济上是不可能的。因此，采用基于GPRS的VPN是一个很好的选择。第一百二十八页，共163页。4．电力intranet无线延伸电力的办公自动化、调度自动化等基于电力内部Intranet的应用目前已成为电力系统开展各项工作必不可少的工具。虽然在电力系统内部都可以使用这些系统，但在基建工地、检修现场、各种协调会的会场等场地就无法使用电力Intranet的服务了，而采用GPRS的VPN就可以在任何地点连接到电力的Intranet上。并且这样的连接是有安全保障的。第一百二十九页，共163页。5．在图像监控中的应用对于变电所的图像监控，由于电力通信光通信网一般都已覆盖110kV以上的变电所，因此对于电压等级较高的变电站都可用电力通信电路作为图像监控的通道。但是，对于数量较多的低电压等级，又在偏远地区的变电站，电力通信还是薄弱的，大部分还在使用电力载波通信，对这些变电站的图像监控，采用基于GPRS的VPN是较合适的。另外，可移动的图像监控系统在电力抢修、基建工程、线路验收等方面都获得了广泛应用。

第一百三十页，共163页。

移动公司的GPRS系统本身对公众提供了多种多样的GPRS应用，许多GPRS公众业务在电力系统中都是可以应用的。如短信业务。对于用户电表的自动抄表系统和水库水文监测等系统来说，由于其信息点多，分散，信息量小，对实时性又没有严格要求，因此最经济的通信手段是采用短信，而基于GPRS的短信，不像GSM的短信需要在信令通道传输，有更大的吞吐量和可靠性，因此更适合用于抄表系统和水库水文监测等系统的信息传输。第一百三十一页，共163页。第一百三十二页，共163页。6.4CDMA移动通信系统6.4.1CDMA移动通信系统概念

CDMA系统:码分多址技术扩频通信优点：（1）大容量。CDMA系统的信道容量是模拟系统的10～20倍，是TDMA系统的4倍。（2）软容量。传统：FDMA、TDMA系统，当小区服务的用户数达到最大信道数时，系统无法再增添一个信号；此时若有新的呼叫，该用户只能听到忙音。对比：CDMA系统中，用户数目和服务质量之间可以相互折中，灵活确定。第一百三十三页，共163页。第一百三十四页，共163页。（3）软切换。

——指当移动台需要切换时，先与新的基站连通，再与原基站切断联系，而不是先切断与原基站的联系再与新的基站连通。在切换过程中与原小区和新小区同时保持通话，以保证电话的畅通。“先连接再断开（makebeforebreak）”，并不先中断与原基站的联系。软切换只能在具有相同频率的CDMA信道间进行。这种类型的切换只发生在蜂窝内，而不涉及移动交换中心CDMA系统优点:第一百三十五页，共163页。（4）高话音质量和低发射功率。（5）话音激活。典型的全双工双向通话中，每次通话的占空比小于35%。在FDMA和TDMA系统里，由于通话停顿等使重新分配信道存在一定时延，因此难以利用话音激活技术。

CDMA系统因为使用了可变速率声码器，在不讲话时传输速率降低，减轻了对其他用户的干扰，这即是CDMA系统的话音激活技术。CDMA系统优点:第一百三十六页，共163页。（6）保密。

CDMA系统：CDMA码址是个伪随机码，而且共有4.4万亿种可能的排列，因此，要破解密码或窃听通话内容是很困难的。在防止串话、盗用等方面具有显著的优点。

——是移动通信方面最有应用前途的一种多址方式在美国研制比较成功的CDMA蜂窝通信系统：Qualcomm公司：带宽为1.25MHz，称为窄带N-CDMA；SCSMobilecomm公司：带宽为40MHz，称为B–CDMA。第一百三十七页，共163页。6.4.2CDMA系统工作原理及技术（一）CDMA系统工作原理

——调制和多址连接技术的基础：扩频通信信号发端：一高速伪随机码与数字信号相乘，扩展信息传输带宽。收信端：用相同的伪随机序列与接收信号相乘，将扩频信号解扩。伪随机码常常采用m序列，这是因为：容易产生自相关特性优良（归一化自相关函数只有1和-1／K两个值，K是m序列长度）第一百三十八页，共163页。图CDMA扩频通信系统原理第一百三十九页，共163页。

扩频通信具有隐蔽性、保密性、抗干扰等优点。 码分多址技术就是利用了这一特点，采用不同相位的相同m序列作为多址通信的地址码。 由于m序列的自相关特性与长度有关，作为地址码，其长度应尽可能长，以供更多用户使用。 同时，可以获得更高的处理增益和保密性，但是又不能太长，否则不仅使电路复杂，也不利于快速捕获与跟踪。第一百四十页，共163页。（二）CDMA系统的主要技术1.软容量——用户数目和服务质量之间可以相互折中，灵活确定。例如：系统经营者可在话务量高峰期将误码率稍微提高，从而增加可用信道数。同时，当相邻小区的负荷较轻时，本小区受到的干扰减少，容量就可适当增加。第一百四十一页，共163页。

（6-4）当有43个用户时，接收机输入信噪比的下降为（6-5）

只使该扇区内的用户误码率有所上升，信噪比降低，通话质量稍有下降，但不致于发生出现忙音无信道的情况。这种在一个扇区，小区信道数可扩容的现象称软容量。当然，这种软容量是以话音质量降低为代价换来的，但不容许信噪比降低到极限值以下。例如，对一个标准信道数为40的扇区，当有第41个用户呼叫时，这时对此区接收机输入信噪比下降为：第一百四十二页，共163页。

体现软容量的另一种形式是小区呼吸功能。

——指各个小区的覆盖大小是动态的。当相邻两个小区负荷一轻一重时，负荷重的小区通过减小导频发射功率，使本小区的边缘用户由于导频强度不够，切换到相邻小区，使负荷分担，即相当于增加了容量。

第一百四十三页，共163页。2.软切换软切换只能在同一频率的信道间进行，因此，模拟系统、TDMA系统不具有这种功能，因此信道紧缺时会导致呼叫中断。在模拟系统和数字TDMA系统中，如果一条信道不可用，呼叫必须重新分配到另一条信道，或者在切换时中断。

CDMA系统中，在一个呼叫结束前，可以接纳另一个呼叫。

CDMA系统还可提供多级服务。让高档次的用户得到更多可用功率（容量）高档次用户的切换可排在其他用户