移动通信原理及应用

.z.摘要移动通信是指移动用户之间、或移动用户与固定用户之间的通信。进入90年代，以Internet为代表的新技术革命深刻地改变了传统移动通信的概念体系。骨干网上业务量的激增说明，移动网络将不再只是承载业务的载体，数据业务特别是IP业务也将融合到下一代移动电信网之中。新的移动通信业务不断涌现，手机电视、手机证券、手机报、手机地图等，使得移动终端不仅是通信工具，更是人们工作，学习与休闲的好帮手。本文第一章主要介绍了移动通信的概念和根本组成、特点；第二章主要介绍了蜂窝移动通信的概念、特点、分类，信道切换策略，干扰和信道容量，电信业务流量与效劳等级；第三章主要介绍了移动通信调制技术的根本概念，数字调制技术，扩频调制技术；第四章主要介绍了GSM通信系统的无线接口，频率复用技术，GSM的控制与管理；第五章主要介绍了移动通信的应用举例。关键词：移动通信移动网络蜂窝移动通信系统GSMAbstractMobilemunicationisreferstobetweenthemobileuser,orthemunicationbetweenmobileusersandfi*ed.Intothe90s,newtechnicalrevolutionrepresentedbyInternetprofoundlychangedthetraditionalconceptofmobilemunicationsystem.SpurtsuggeststhebackboneoftheInternettrafficandthemobilephonenetworkwillnolongerbejustcarryingtelephoneservicecarrier,IPdateserviceespeciallybusinesswillalsobeincorporatedintothene*tgenerationofmobiletelemunicationnetwork.Newmobilemunicationbusiness,securities,mobilenews,mobileTV,mobilephone,cellphonemap,etc.,makesthemobileterminalisnotonlyamunicationtool,butalsopeoplework,studyandleisuregoodhelper.Thispapermainlyintroducestheconceptandbasicposition,characteristicsofmobilemunication;Cellularmobilemunicationconcept,characteristics,classification,channelswitchingstrategy,interferenceandchannelcapacity,telebusinesstrafficandservicelevel;Thebasicconceptofmobilemunicationmodulationtechnology,digitalmodulationtechnology,spreadspectrummodulationtechnique;GSMwirelessinterfaceofmunicationsystem,frequencyreusetechnology,thecontrolandmanagementofGSM;Mobilemunicationapplicatione*ample.Keywords:Themobilemunication、Themobilephonenetwork、Cellularmobilemunicationsystem、GSM目录\l"_Toc353949047#_Toc353949047"1.引言1\l"_Toc353949047#_Toc353949047"2.移动通信系统2\l"_Toc353949048#_Toc353949048"2.1移动通信的概念2\l"_Toc353949049#_Toc353949049"2.2通信系统的组成2\l"_Toc353949050#_Toc353949050"2.2.1通信系统一般模型2\l"_Toc353949051#_Toc353949051"2.2.2移动通信的特点3\l"_Toc353949052#_Toc353949052"3.蜂窝移动通信系统5\l"_Toc353949053#_Toc353949053"3.1蜂窝移动通信系统概述特点及其分类5\l"_Toc353949054#_Toc353949054"3.1.1蜂窝移动通信系统概述5\l"_Toc353949055#_Toc353949055"3.1.2蜂窝移动通信系统的特点5\l"_Toc353949056#_Toc353949056"3.1.3蜂窝移动通信系统的分类6\l"_Toc353949057#_Toc353949057"3.2信道切换策略7\l"_Toc353949058#_Toc353949058"3.2.1信道切换原理7\l"_Toc353949059#_Toc353949059"3.2.2实际系统切换的一些考虑7\l"_Toc353949060#_Toc353949060"3.3干扰和信道容量7\l"_Toc353949061#_Toc353949061"3.3.1干扰和系统容量8\l"_Toc353949062#_Toc353949062"3.3.2蜂窝小区容量的改善8\l"_Toc353949063#_Toc353949063"3.4电信业务流量与效劳等级9\l"_Toc353949064#_Toc353949064"3.4.1电信业务流量9\l"_Toc353949064#_Toc353949064"3.4.2通信系统效劳质量和负荷能力10\l"_Toc353949065#_Toc353949065"4.移动通信的调制技术11\l"_Toc353949066#_Toc353949066"4.1调制技术的根本概念11\l"_Toc353949067#_Toc353949067"4.1.1调制技术11\l"_Toc353949068#_Toc353949068"4.1.2调幅与调频〔模拟调制技术〕11\l"_Toc353949069#_Toc353949069"4.2数字调制技术11\l"_Toc353949070#_Toc353949070"4.2.1概述11\l"_Toc353949071#_Toc353949071"4.2.2窄带数字调制技术11\l"_Toc353949072#_Toc353949072"4.2.3线性调制方式12\l"_Toc353949073#_Toc353949073"4.3扩频调制技术13\l"_Toc353949074#_Toc353949074"4.3.1概述13\l"_Toc353949075#_Toc353949075"4.3.2伪随机序列13\l"_Toc353949076#_Toc353949076"4.3.3直接序列扩频13\l"_Toc353949077#_Toc353949077"4.3.4调频扩频14\l"_Toc353949078#_Toc353949078"5.GSM通信系统15\l"_Toc353949079#_Toc353949079"5.1GSM系统概述15\l"_Toc353949080#_Toc353949080"5.1.1GSM的开展15\l"_Toc353949081#_Toc353949081"5.1.2GSM的业务与应用17\l"_Toc353949082#_Toc353949082"5.2GSM的无线接口17\l"_Toc353949083#_Toc353949083"5.2.1GSM的帧构造17\l"_Toc353949084#_Toc353949084"5.2.2GSM的信道构造18\l"_Toc353949085#_Toc353949085"5.3频率复用技术20\l"_Toc353949086#_Toc353949086"5.3.1频率复用原理20\l"_Toc353949087#_Toc353949087"5.3.2常规频率复用技术21\l"_Toc353949088#_Toc353949088"5.4GSM的控制与管理21\l"_Toc353949089#_Toc353949089"6.移动通信的应用举例24\l"_Toc353949090#_Toc353949090"完毕语26\l"_Toc353949091#_Toc353949091"致27\l"_Toc353949092#_Toc353949092"参考文献28\l"_Toc353949092#_Toc353949092"附录29-.z.1.引言移动通信，作为20世纪90年代通信行业最活泼，增长最快，商业前景最好的领域，得到了突飞猛进的开展，实现了移动通信手机从上公斤到几十克，移动通信网络从地区覆盖到全球覆盖的梦想。回忆这段令人吃惊的开展历程，我们看到了来自各方面的重要推动作用。其一是技术开展动力，集成技术，数字技术，软件技术和网络技术是最重要的，它们是移动通信实现轻小手机，高性能大容量，全球联网的根底。其二是移动通信是基于人们的应用需求而开展起来的，通信方便，手机廉价使用简捷是最受欢送的。其三是社会开展动力，商业活动，相互通信和彼此交流的频繁，它们在社会经济生活中的地位越来越重要，形成了移动通信的现有需求和潜在巨大市场，以前所未有的能力和作用推动了移动通信的高速开展。移动通信的开展，为人类社会最终实现任何人，在任何地方和任何时候，与任何人进展任何信息的个人通信提供了美好的前景和可能。进入21世纪，移动通信已经逐渐变成社会开展和进步必不可少的工具，逐渐成为人们不可或缺的生活用具，逐渐成为被人们最大量使用的电子产品。2.移动通信系统2.1移动通信的概念随着信息设计的到来，信息通信已经成为人们日益关注的焦点。则如何实现随时随地的联系与信息沟通呢？移动通信无疑是解决该问题的最正确方式，并且随着移动通信、互联网等方面的进步，各种具有鲜明特色的现代移动通信业务也蓬勃开展起来了。所谓移动通信就是移动体之间的通信，或移动体与固定体之间的通信。移动通信的主要目的是实现任何时间、任何地点和任何通信对象之间的通信。从通信网的角度看，移动网可以看成是有线通信网的延伸，它由无线和有线两局部组成。无线局部提供用户终端的接入，利用有限的频率资源在空中可靠地传送话音和数据；有线局部完成网络功能，包括交换、用户管理、漫游、鉴权等，构成公众陆地移动通信网PLMN。从陆地移动通信的具体实现形式来分主要有模拟移动通信和数字移动通信这两部种。2.2移动通信系统的组成通信系统一般模型通信的目的是传输信息。通信系统的作用就是将信息从信源发送到一个或多个目的地。对于点通信来说，首先要把消息转变为电信号，然后经过发送设备，将信号送入信道，在接收端利用接收设备对接收信号作相应的出来后，送给信宿在转换为原来的消息。这一过程可用图2.1所示的通信系统一般模型来概括。受信者接收设备——信道发送设备信息源受信者接收设备——信道发送设备信息源噪声源〔发送端〕〔接收端〕噪声源图2.1通信系统一般模型图2.1中各局部的功能简述如下：1.信息源信息源〔简称信源〕的作用是把各种消息转换成原始电信号。根据消息的种类不同，可分为模拟信源和数字信源。模拟信源输出连续的模拟信号，如话筒〔声音转变为音频信号〕；摄像机〔图像转变为视频信号〕；数字信源则输出离散的数字信号，如电传机〔键盘字符转变为数字信号〕、计算机等各种数字终端。并且，模拟信源送出的信号经数字化处理后也可以送出数字信号。2.发送设备发送设备的作用是产生适合于在信道中传输的信号，即使发送信号的特性和信道特性相匹配，具有抗信道干扰的能力，并且具有足够的功率以满足远距离传输的需要。因此，发送设备涵盖的容很多，可能包含变换、放大、滤波、编码、调制等过程。对于多路传输系统，发送设备中还包括多路复用器。3．信道信道是一种物理媒质，用来将来自发送设备的信号传送到接收端。在无线信道中，信道可以是自由空间；在有限信道中，可以是明线、电缆和光纤。有限信道和无线信道均有多种物理媒质。信道既给信号以通路，也会对信号产生各种干扰和噪声。信道的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量。4.接收设备接收设备的功能是将信号放大和反变化〔如译码、解调等〕，其目的是从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。对于多路复用信号，接收设备中还包括解除多路复用，实现正确分路的功能。此外，它还要尽可能减小在传输过程中噪声与干扰所带来的影响。5.受信者受信者〔简称信宿〕是传送消息的目的地，其功能与信源相反，即把原始电信号复原成相应的消息，如扬声器。移动通信的特点移动通信特点，主要是有以下几点：〔1〕移动性就是要保持物体在移动状态中的通信，因而它必须是无线通信，或无线通信与有线通信的结合。〔2〕电波传播条件复杂因移动体可能在各种环境中运动，电磁波在传播时会产生反射、折射、绕射、多普勒效应等现象，产生多径干扰、信号传播延迟和展宽等效应。〔3〕噪声和干扰严重在城市环境中的汽车火花噪声、各种工业噪声，移动用户之间的互调干扰、邻道干扰、同频干扰等。〔4〕系统和网络构造复杂它是一个多用户通信系统和网络，必须使用户之间互不干扰，能协调一致地工作。此外，移动通信系统还应与市话网、卫星通信网、数据网等互连，整个网络构造是很复杂的。3.蜂窝移动通信系统3.1蜂窝移动通信系统概念和特点蜂窝移动通信系统的概念早期的移动通信系统是在其覆盖区域中心设置大功率的发射机，采用高架天线把信号发射到整个覆盖地区。这种系统的主要矛盾是它同时能提供应用户使用的信道数极为有限远远满足不了移动通信业务迅速增长的需要。为了进一步提升系统的容量，美国贝尔实验室等单位提出了蜂窝系统的概念，即将整个效劳区域划分成假设干个较小的区域，各小区均用小功率的发射机进展覆盖，许多小区像蜂窝一样能布满任意形状的效劳地区。什么是蜂窝呢？移动通信系统是采用一个基站的设备来提供无线覆盖效劳的，基站的覆盖围有大有小，通常把基站的覆盖围称之为蜂窝。为了在效劳区实现无缝覆盖并提高系统的容量，可采用多个基站来覆盖给定的效劳区每个基站的覆盖区称为一个小区，这就是蜂窝移动通信系统，也叫小区制移动通信系统。蜂窝移动通信系统的特点蜂窝移动通信系统具有以下特点:(1)有频率复用功能一般而言，相邻的小区不允许使用一样的频道，为此把假设干相邻的小区划分为区群，并把可供使用的无线频道分成假设干个频率组，区群各小区均使用不同的频率组，而任一小区所使用的频率组，在其他区群相应的小区中还可以再用，这就是频率复用。频率复用技术有效地提升流量移动通信系统的容量。(2)有越区切换功能当移动用户从*个小区移动到另一个小区时，为使通话不中断，要自动切换信道，即改变收发信机的无线频率。这个过程中，用户是不介入的，起关键点是切换过程信不中断。越区切换是蜂窝移动通信网络的必备功能。(3)信道分配与小区分裂每个小区的信道数量是不同的，要根据话务量的多少而定，目的是满足用户的话务量要求。随着话务量的增加，可将原有小区进一步分裂成更小的新小区，这叫小区分裂，这一任务也是蜂窝系统要完成的。但是，小区分裂不能无限制地减小小区面积，因为这反而会增加小区基站等的建立费用，同时还可能会增加同频干扰等问题。(5)网络设备增多使系统的构成复杂因为各小区的基站间要进展信息交换，需要有交换设备，且各基站至交换局都需要有一定的中继线，这将使建网本钱和复杂性增加。蜂窝移动通信系统的分类蜂窝移动通信系统按信号的性质来分，可分为模拟蜂窝移动通信系统和数字蜂窝移动通信系统。〔1〕模拟蜂窝移动通信系统模拟蜂窝移动通信系统技术在20世纪70年代中后期逐步趋于成熟，进入80年代开场打规模投入商用。它的出现使人们终于摆脱了固定的局限。其技术属第一代移动通信技术，主要基于FDMA技术。80年代后期，人们对移动通信的需求不断提高，模拟移动通信系统本身所固有的种种局限也日益暴漏出来：信道容量无法满足不断增长的用户要求。语音质量和性差且盗用现象严重。适应性不强，不能提供数据业务，如无法与ISDN相连接，更无法进展数据传输等非话业务。另外，模拟蜂窝系统体制混乱、不能实现国际漫游、设备价格高等，因此在2000年前后，各国逐步关闭了模拟蜂窝移动通信系统，我国也于2001年年底关闭了模拟网。〔2〕数字蜂窝移动通信系统数字蜂窝移动通信系统是第二代移动通信系统，它主要采用的事TDMA技术，即把特定的频率在时间上进展分割，形成假设干个通话信道，总的通话信道等于频道与时分数的乘积。数字蜂窝移动通信系统有效改善了模拟蜂窝移动通信系统的缺乏，具有以下特点:提高了通信性和改善了通话质量。抗干扰能力强，使话音质量提高。数字移动通信可与ISDN连接，除话音外还可以提供图文、数据传输等非话业务，并可进展短信息效劳、语音信箱、呼叫转移等多种更优的效劳。目前，典型的数字蜂窝移动通信系统有GSM系统、CDMA系统，它们是按多址方式的不同而分类的。另外，GSM和CDMA系统由于当时推出时主要效劳于语音业务，被人们称为二代系统；随着人们对数据业务需求的不断上升，又推出了GPRS等系统，被人们称为二代半系统，以及未来的基于分组技术的三代系统〔WCDMA等〕，这些也是按技术的不同进展分类的，它们都是基于数字蜂窝移动通信系统开展起来的，也属于数字蜂窝移动通信系统。3.2信道切换策略信道切换原理〔1〕信道切换概念将处于通话状态的MS转移到新的业务信道上〔新的小区〕的过程。〔2〕信道切换目的实现蜂窝移动通信的"无缝隙〞覆盖，即当移动台从一个小区进入另一个小区时，保证通信的连续性。〔3〕信道切换操作①识别新的小区②分配给移动台在新小区的话音信道和控制信道。〔4〕信道切换应用①信号的强度或质量下降到由系统规定的一定参数以下，此时移动台北切换到信号强度较强的相邻小区，由移动台发起。②由于*小区业务信道容量全被占用或几乎被占用，这时移动台被切换到业务信道容量较空闲的相邻小区，由上级实体发起。〔5〕信道切换要求切换必须顺利完成，并且尽可能少地出现。同时要使用户觉察不到：①切换门限要恰当。②切换前对信号的监视：保证信号电平的下降确实由于移动台正离开当前基站。实际系统切换的一些考虑在实际的蜂窝系统中，当移动速度变化围较大时，系统设计将遇到许多问题。针对高速移动的情况，应采用伞状小区的方法。所谓的伞状小区构造，是一个蜂窝附近还存在了许多的微蜂窝。伞状小区方法能用来为高速用户提供大面积的覆盖，同时为低速用户提供小面积的覆盖。小区拖尾是由于对基站发射强信号的步行用户所产生的。由于用户以非常慢的速度离开基站，平均信号能量衰减不快，即使当用户远离了小区的预定围，基接收的信号仍然可能高于切换门限，因此不做切换，这就会产生潜在的干扰和话务量管理问题，因为用户那时已深入到了相邻的小区中。3.3干扰和信道容量干扰和系统容量〔1〕同频干扰频率复用意味着在一个给定的覆盖区域，存在着许多使用同一频率的小区，这些小区叫做同频小区；这些同频小区之间的信号干扰叫做同频干扰。为了减小同频干扰，同频小区必须在物理上隔开一个最小的距离，为传播提供充分隔离，为传播提供充分的隔离。同频复用比例Q如下：式〔2.1〕Q表示同频复用比例，Q的值越小则容量越大，而Q值大可以提高传播质量。在实际的蜂窝系统中，需要对着两个目标进展协调和折衷。R为小区半径，D为同频复用距离。〔2〕邻频干扰来自所使用信号频率的相邻频率的信号干扰，邻频干扰是因接滤波器不理想，使得相邻频率的信号泄露到来传输带宽而引起的。降低邻频干扰的措施：使用准确的滤波器适宜的信道分配，使小区中的信道间隔尽可能的大。防止在相邻小区使用邻频信道来组织次要的邻频干扰。蜂窝小区容量的改善1.小区分裂小区分裂就是一种将拥塞的小区分成更小小区的方法。分裂后的每个小区都有自己的基站并相应地降低天线高度和减小发射功率。小区分裂减小了小区半径R，但不改变同频复用因子D/R，从而增减了单位面积上的信道数，提高了系统容量。2.扇区的概念蜂窝系统中的同频干扰可以通过使用定向天线代替基站中单独的一根全向天线来减小，其中每个定向天线辐射*一特定的扇区。由于使用了定向天线，小区将只能接收同频小区中一局部小区的干扰。这种使用定向天线来减小同频干扰，从而提高系统容量的技术叫做裂向。采用裂向技术以后，在*个小区中使用的信道就分为分散的组，每组只在*个扇区中使用。如图3.3所示。图3.3120度裂向和60度裂向扇区图3.4电信业务流量与效劳等级电信业务流量电信业务流量是指定量的表示通信系统中各种设备或通道承受的负荷，定量地表示用户对通信系统的通信业务需求的程度。在语音业务通信常叫做负载话务量；在非话业务通信中常叫做信息流量或业务流量。影响通信系统负载能力的因素：①呼叫强度〔λ〕，单位时间里用户为实现通信而发起的呼叫次数。②呼叫占用时长或效劳的时间〔s〕，用户通信的时间或信息传输所用的的时间。③时间区间〔T〕，考察的时间区间。通信系统电信业务流量式(3.2)式中：语音业务中的业务流量式(3.3)λ表示平均呼叫强度或到达率表示平均呼叫完毕强度或效劳率非话业务中的业务流量式(3.4)式中c表示信道容量话务量的概念话务量是指单位时间〔1小时〕进展的平均交换量。单位：爱尔兰〔Erl〕,1小时Erl表示一条信道呗连续占用1小时的话务量。话务量的意义话务量度量通信系统通话业务量或繁忙程度的指标。流入业务强度〔流入话务量〕公式如下：式(3.5)通信系统效劳质量和负荷能力1.损失系统效劳质量等级损失话务量与流入话务量的比特率为呼损率，即式(3.6)呼损率B越小，呼叫成功的概率就越大，效劳质量就越高。损失系统的效劳等级指标是呼损率。2.完成话务量的性质与计算设在观察时间T，全网共完成C1次通话，则没小时完成的呼叫次数为完成话务量即为式(3.7)式中，C1S即为观察时间T小时的实际通话时间。这个时间可以从另一个角度来进展统计。假设总的信道数为n，而在观察时间T有i(i＜n)个信道同时被占用的时间为ti(ti＜T)，则可以算出实际通话时间为式(3.8)当观察时间T足够长，ti/T就表示在总的n个信道中，有i个信道同时被占用的概率，可用Pi表示，上式就可以改写为式(3.9)4.移动通信的调制技术4.1调制技术的根本概念调制技术调制就是对信号源的编码信息进展处理，使其变为适合于信道传输形式的过程。信号源的编码信息〔信源〕含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。基带信号往往不能作为传输信号，因此必须把基带信号转变为一个相对基带频率而言频率非常高的带同信号以使合于信道传输。这个带同信号叫做已调信号。而基带信号叫做调制信号。调幅与调频〔模拟调制技术〕调频是使高频载波信号的瞬时频率随调制信号的变化而变化，其所占带宽为：BFM=2(βFM+1)fm〔其中,βFM为调制指数〕。调频制在抗干扰和抗摔落性能方面优于调幅制。对非线性信道有较好的适应性。世界上几乎所有的模拟蜂窝系统都使用频率调制。4.2数字调制技术概述现代移动通信系统都使用数字调制技术。由于数字通信具有建网灵活，容易采用数字过失控制技术和数字加密。便于集成化，并能够进入ISDN，所以通信系统都在由模拟方式向数字方式过度。窄带数字调制技术1.对移动通信数字调制和解调器的要求对移动通信数字调制和解调器的要求如下：在瑞利衰落条件下，误码率要尽可能低。发射频谱窄，带外辐射，邻道功率与载波频率之比小于-70Db。同频复用的距离小。高效率调制〔如非相干调制〕，以降低移动台功耗，进一步缩小体积和本钱。能提供较高的传输速率。易于集成。2.分类〔1〕线性调制方式PSK(PhaseShiftKeying)和QAM(QuadratureAmplitudeModulation)等。这类调制方式的频率利用率一般大于1bit/s﹒Hz-1，理论上可以得到大于2bit/s﹒Hz-1.〔2〕恒定包络调制MSK(MinimumShiftKeying)、TFM〔平滑调制〕〔TamedFrequencyModulation)、GMSK(GaussianMinimumShiftKeying)等。已调信号具有保罗幅度不变的特性。这种调制方式的缺点是频带利用率低，一般不超过1bit/s﹒Hz-1。线性调制方式1.数字调相的根本概念〔1〕PSK调制以基带数据信号控制载波的相位，称为数字调相。又称相移键控，简称为PSK。图4.1PSK信号相干解调图4.2PSK信号差分相干解调原理框图设g(t)是宽度为Tb的矩形波，其频谱为G(t)，则PSK信号的功率谱为〔假设"+1”和"-1”式(4.1)相干解调后的误码比特率为式(4.2)在一样条件下，差分相干解调的误码比特率为式(4.3)〔2〕QPSK调制QPSK〔正交相移键控〕产生原理图，如图4.3所示。图4.3QPSK产生原理图假定输入二进制序列为{an},an=+1或-1，以1/Tb速率进入调制器的输入端，通过串并变换分成正交两路，即aI(t)、aQ(t)则经QPSK调制的信号表示为4.3扩频调制技术概述扩展频谱〔简称扩频〕是指用来传输信息的信号带宽远远大于信息本身带宽的一种传输方式。扩频通信技术的理论根底是仙农定理。最根本的展宽频谱的方法有两种：〔1〕直接序列扩频〔DirectSequenceSpreadSpectrum〕，简称直接扩频〔DS〕。这种方法采用比特率非常高的随机序列去调制载波，使信号带宽远大于原始信号带宽；〔2〕跳变频率扩频〔FrequencyHopping〕简称跳频〔FH〕,这种方法则是用较低速率编码序列的指令去控制载波的中心频率，使其离散地在一个给定频带跳变，形成一个带宽的离散频率谱。伪随机序列伪码有如下三个要求：(1)伪码的比特率应能满足扩展带宽的需求。(2)伪码上网自相关要大，且互相关要小。(3)伪码应具有近似噪声的频谱性质，即近似连续谱。且均匀分布。直接序列扩频直接序列调制系统亦称直接扩频系统〔DS-SS〕，或称为噪音系统，记作DS系统。图4.5示出了直接扩频系统的原理框图。基带信号的信码是欲传输的窄带信号，它通过速率很高的编码程序〔通常用伪随机系列〕进展调制将其频谱展宽，这个过程称作扩频。图4.5扩频直接系统原理框图由频谱扩展对抗干扰带来的好处，称为扩频增益Gp，可表示为式(3.4)Bw发射扩频信号的带宽；Bs信码的速率。Bw与所采用的伪码〔为随机序列或伪噪声序列的简称〕速率有关。为获得高的扩频增益，通常希望增加射频带宽Bw，即提高伪码的速率。调频扩频跳变频率扩频〔FrequencyHopping〕简称跳频〔FH〕。图4.6示出了跳频频扩频系统的原理框图。图4.6跳频扩频系统的原理框图调频系统处理增益的定义与直扩系统的扩频增益石一样的，即式(4.5)更直观的表达式为Gp=N式(3.6)5.GSM通信系统5.1GSM系统概述GSM的开展GSM数字移动通信系统源于欧洲。1982年，欧洲已开场了模拟蜂窝移动通信系统的运营。为了进一步实现全欧洲移动的漫游需要，1982年北欧向CEPT〔欧洲邮电行政大会〕提议成立了一个在欧洲电信标准学会技术委员会下的"移动特别小组〞，简称GSM，来制定有关900MHz频段的公共欧洲电信业务的标准和建议书。1987年5月GSM成员国就数字系统采用窄带时分多址TDMA、规则脉冲鼓励线性预测RPE-LTP话音编码和高斯滤波最小移频键控GMSK调制方式等达成一致意见。同年，欧洲17个国家的运营者和管理者签署了谅解备忘录〔MoU〕，相互达成履行规的协议。与此同时还成立了MoU组织，致力于GSM标准的开展。1990年完成了GSM900的规，1991年在欧洲开通了第一个系统，同时MoU组织委该系统设计和注册了市场商标，将GSM更名为"全球移动通信系统〞，从此移动通信跨入了第二代数字移动通信系统。同年，移动特别小组还完成了制定1800MHz频段的公共欧洲电信业务的规，名为DCSI800系统。该系统GSM900具有同样的根本功能特性，因而该规只占GSM建议的很小一局部，仅将GSM900和DCSI800之间的差异建议描述，绝大局部二者是通用的，两系统均可通称为GSM系统。1992年大多数欧洲GSM运营者开场商用业务。到1994年5月已有50个GSM网在世界上运营，10月总客户数已超过400万，国际漫游客户每月呼叫次数超过500万，客户平均增长超过50%。2008年，行业组织3GAmericas宣布，全球GSM手机用户已达30亿，占全球移动无线用户总数的88%。GSM数字移动通信系统在我国的开展也十分迅速：1987年11月18日，第一个TACS模拟蜂窝移动系统在省建成并投入商用。1994年12月底，首先开通了GSM数字移动网。1995年7月，中国联通GSM130数字移动网在、**、、建成开放。1996年，移动实现全国漫游，并开场提供国际漫游效劳。2002年1月8日，中国网通集团通信控股的正通网络通信宣告成立，成为继中国移动、电信、网通、联通、铁通和卫通6大运营商外，国第7家获信息产业部发牌的根底电信业务运营商。2003年7月，我国移动通信网络的规模和用户总量均居世界第一，手机产量约占全球的1/3，已成为名符其实的手机生产大国。截止2008年6月，中国的GSM手机用户已达5.2亿用户。GSM系统由移动台子系统、基站子系统、网络子系统、管理子系统等几局部组成的。GSM系统有一下的特点：(1)GSM有越区切换和漫游功能，可以实现国际漫游。(2)GSM可以提供多种业务，包括语音业务和一些数据业务。(3)GSM有较好的功能，提供对移动识别码的加密、用户数据的加密及用户鉴权等。(4)GSM还有一些其他的特点，如容量大、通话质量较好、有电子信箱与短消息功能等。GSM系统的主要参数包括频段、频段宽度、通信方式、信道分配等，具体参数如下：频段：935~960MHz为基站发、移动台收的频段；890~915MHz为移动台发、基站收的频段。频段宽度：25MHz。通信方式：全双攻。载波间隔：200kHz.信道分配：TDMA每载波8时隙，全速率信道8个，半速率信道16个。信道总速率：270.83kb/s。调制方式：GMSK,调制指数为0.3。语音编码：RPE-LPT13kb/s规则脉冲鼓励线性预测编码。数据速率：9.6kb/s。GSM的业务与应用GSM业务按照ISDN的原则主要分为电信业务和数据业务。电信业务包括准移动电话业务、移动台发起或基站发起的业务，数据业务则包括计算机间通信和分组交换业务。一般所说的GSM业务主要是指其用户业务，用户业务可分为3大类。〔1〕电信业务：电信业务室GSM系统提供的最重要业务。经过GSM网与固定网，为移动用户与移动用户之间或移动用户与固定用户之间提供实时双向会话。电信业务还包括紧急呼叫业务、可视图文接入、智能用户电报传送和业务。〔2〕承载业务或数据业务：该类业务被限定在开放系统互联〔OSI〕参考模型的第1、2、3层上，所支持的业务数据速率为300b/s~9.6kb/s。GSM可以为用户数据提供标准信道编码并可以用透明方式传送数据，也可以提供基于特定数据接口的特殊编码功能并以非透明方式传送数据。〔3〕补充ISDN业务：本质上是数字业务无，又分为：①识别类补充业务，主要包括主叫识别显示、主叫识别限制、被叫识别显示、被叫识别限制和恶意呼叫识别。②呼叫提供类补充业务，主要包括无条件呼叫前转、遇移动用户忙呼叫前转、遇无应答呼叫前转、遇移用户不可及呼叫前转、呼叫转移和移动接入搜索等。③呼叫完成类补充业务，主要包括呼叫等待、呼叫保持等。④多方通信类补充业务，主要指三方业务。⑤集团类补充业务，主要指封闭用户群。⑥计费类补充业务，主要包括计费通知、免费业务和对方付费等。⑦呼叫限制类补充业务。大局部业务在模拟移动网络中是无法实现的。补充业务还包括短消息业务〔SMS〕，该业务允许GSM的手机和基站在传送正常语音业务时，可同时传送一些字符长度消息；SMS也提供小区播送，它允许GSM基站以连续方式重复传送字符信息；SMS还可以用于平安和咨询业务，如在接收围向所有的GSM用户播发交通或气象信息等。5.2GSM的无线接口移动终端与网络之间的接口为无线接口，它是保证不同厂家的移动台与不同厂家的系统设备之间互通的主要接口。无线接口自上而下分为三层：物理层、数据链路层和第三层。第三层又分为三个子层：无线资源管理层〔RR〕、移动性管理层〔MM〕和连接收理层〔CM〕.这些功能是在移动台和网络实体间进展的，不同的功能对应于不同的网络实体。其中：(1)RR完成专用无线信道连接的建立、操作和释放等，它是在移动台与基站子系统间进展的。(2)MM完成位置更新、鉴权和临时移动用户的分配等工作。(3)CM完成电路交换的呼叫建立、维持和完毕，并支持补充业务和短消息业务等。MM层和CM层是移动台直接与移动交换机之间的通信，A接口不作任何处理。GSM的帧构造GSM系统在无线路径上传输要涉及的最主要的根本概念就是突发脉冲序列，简称突发序列。突发脉冲序列有一个限定的持续时间和占有限定的无线频谱。它们在时间和频率窗上输出，而这个窗被人们称为隙缝。而这些隙缝的时间间隔称为时隙，而它的持续时间被用于作为时间单元，记为BP，意为突发脉冲序列周期。1.帧帧〔frame〕通常被表示为接连发生的i个时隙。在GSM系统中，目前采用全速率业务信道，i取为8。一个TDMA帧包含8个时隙，这其实就是8个根本的物理信道，可用来传输控制数据与不同的用户数据。2.复帧TDMA帧是在无线链路上重复的物理帧。每一个TDMA帧含8个时隙，共占4.615ms。每个时隙含156.25个码元，占0.557ms。多个TDMA帧构成复帧。其构造有两种，分别含连贯的26个或51个TDMA帧。当不同的逻辑信道复用到一个物理信道时，需要使用这些复帧。含26帧的复合帧周期为120ms，用于业务信道及其随路控制信道。其中24个突发序列用于业务，2个突发序列用于信令。含51帧的复合帧周期为3060/13≈235.385ms，专用于控制信道。4.超高帧多个超帧构成超高帧。它包括2048个超帧，周期为12533.76s，即3h28min53s760ms,用于加密的语音和数据，超高帧每一周期包含2715648个TDMA帧，这些TDMA帧按序编号，依次从0～2715647，帧号在同步信道中传送。帧号在跳频算法中是必需的。GSM系统上行传输所用的帧号和下行传输所用的帧号一样，但上行帧想对于下行帧来说，在时间上推后3个时隙。这样安排，允许移动台在这3个时隙的时间，进展帧调整以及对收发信机的调谐与转换。时分数字系统的无线载波发送用间歇方式。突发开场时，载波电平从最低值迅速升到预定值并保持一段时间，此时发送突发中的有用信息，然后又迅速降到最低值，完毕一个突发的发送。突发的开场和完毕段传送的事保护局部。有用局部包括被传送的数据、突发序列及尾比特码，对应于发射载波的电平维持时间。保护局部不传输信息，它是用来分隔相邻突发的，对应于载波电平的上升和下降时间的。GSM的信道构造GSM系统的信道分类叫复杂，前面说过，每个时隙其实就是根本的物理信道，而物理信道又支撑着逻辑信道。物理信道：采用频分和时分复用的组合，它由用于基站〔BS〕和移动台〔MS〕之间连接的时隙流构成。这些时隙在TDMA帧中的位置，从帧到帧是不变的。逻辑信道：逻辑信道是在一个物理信道中作时间复用的。不同逻辑信道用于BS和MS间传送不同类型的信息，如信令或数据业务。而逻辑信道是根据BTS与MS之间传播的消息种类不同而定义的不同逻辑信道。这些逻辑信道是通过BTS映射到不同的物理信道上来传送。而GSM的逻辑信道又分为两类：一类是业务信道〔TCH〕，用于传输话音和数据；另一类是控制信道〔CCH〕,用于传输各种信令信息，跟踪整个通信过程。1.业务信道业务信道又分为话音业务和数据业务信道〔1〕话音业务信道按速率的不同，可分为全速率话音业务信道〔TCH/FS〕和半速率话音业务信道〔TCH/HS〕。〔2〕数据业务信道按速率的不同，也分为全速率数据业务信道和半速率的不同，也分为全速率数据业务信道和半速率数据业务信道。2.控制信道控制信道又分为播送信息信道、公共控制信道和专用控制信道。〔1〕播送信息信道〔BCH〕它是"一点对多点〞的单方向控制信道，用于基站向所有移动台播送公用信息。传输的容是移动台入网和呼叫建立所需要的各种信息，它又分为以下信道：频率校信道〔FCCH〕:传输供移动台校正其工作频率的信息，使手机工作在适宜的频率。同步信道〔SCH〕:传输供移动台进展同步和对基站进展识别的信息。播送控制信道〔BCCH〕：传输通用信息，用于移动台测量信号强度和识别小区标志等。BCCH分配频率表示一项重要的网优参数。〔2〕公共控制信道〔CCCH〕它是"一点对多点〞的双向控制信道，其用途是在呼叫接续阶段，传输链路连接所需要的控制信令与信息，它又分为以下信道：呼信道〔PCH〕:传输基站寻呼移动台的信息。随机接入信道〔RACH〕:移动台申请入网时，向基站发送入网请求信息。准许接入信道(AGCH):基站在呼叫接续开场时，向移动台发送分配专用控制信道的信令。〔3〕专用控制信道〔DCCH〕它是一种"点对点〞的双向控制信道，其用途是在呼叫接续阶段和在通信进展当中，在移动台和基站之间传输必须的控制信息。其中又分为以下信道：独立专用控制信道〔SDCCH〕:传输移动台和基站连接和信道分配的信令。慢速辅助控制信道〔SACCH〕：在移动台和基站之间，周期性地传输一些特定的信息，如功率调整、帧调整和测量数据等信息；SACCH是安排在业务信道和有关的控制信道中，以复接方式传输信息。安排在业务信道时以SACCH/T表示，安排在控制信道时以SACCH/C表示。SACCH/C常与SDCCH联合使用。快速辅助控制信道〔FACCH〕:传送与SDCCH一样的信息。使用时要中断业务信息〔4帧〕，把FACCH插入。不过，只有在没有分配SDCCH的情况下，才使用这种控制信道。这种控制信道的传输速率较快，，每次占用4帧时间，约18.5ms。5.3频率复用技术频率复用原理蜂窝通信网络把整个效劳区域划分为假设干个较小的区域〔Cell，在蜂窝系统中称为小区〕，各小区均用小功率的发射机〔即基站发射机〕进展覆盖，许多小区像蜂窝一样能布满〔即覆盖〕任意形状的效劳地区。蜂窝系统的根本原理是频率复用。通常，相邻小区不允许使用一样懂得频道，否则会发生相互干扰〔称同道干扰〕，但由于个小区在通信时所使用的功率较小，因而任意两个小区只要相互之间的空间距离大于*一数值，即使使用一样的频道，也不会产生显著地同道干扰〔保证信噪比高于*一门限〕。为此，把假设干个相邻的小区按一定数目划分成区群，并把可供使用的无线频道分成假设干个〔等于区群中的小区数〕频率组，区群小区均使用不同的频率组，而任意小区使用的频率组，在其他区群相应的小区中还可以再用，这就是频率复用。一般来说，小区越小〔频率组不变〕，单位面积可容纳的用户越多，即系统的频率复用率越高。由此可以设想，当用户数增多并到达小区所能效劳的最大限度时，如果把这些小区分割成更小的蜂窝状区域，并相应减小新小区的发射功率和采用一样的频率再用模式，则分裂后的新小区能支持和原小区同样数量的用户，也就提高了系统单位面积可效劳的面积数。而且，当新小区所支持的用户数又到达饱和时，还可以将这些小区进一步分裂，以适应持续增长的业务需求。这种过程称为小区分裂，是蜂窝通信系统在运行过程中为适应业务需求的增长而逐步提高其容量的独特方式。但是不能说，无限制地减小小区面积可以无限度地增加用户数量，因为下去半径减小到原来小区半径的1/10时，可容纳的用户数可增加100倍。而小区数也需要增加100倍，一般小区基站的建立费用是昂贵的，特别在城市区域中，占用房地产的费用非常高，这是不能不考虑的实际问题〔另外还有其他的限制〕。此外，区群中的小区数越少，系统所划分的频率组数就越少，每个频率组所含的频道数就越多，因而每个小区能使用的频道数就越多，可同时效劳的用户也增多，然而频率复用距离是和区群所含的小区数有关的，区群所含的小区数越少，频率复用距离越短，相邻区群中使用相邻频道的小区的同道干扰就越强。因而频率复用距离必须足够大，才能保证这种同道干扰低于*个预定的门限值，这也就限制了区群中所含小区数目不能小于*一值。常规频率复用技术频谱利用效率可以用频率复用度来表征，它反映了频率复用的严密程度。频率复用度freuse可以如下：freuse=NARF/NTR*式(5.1)式中NARF是系统中总的可用频点数；NTR*代表小区中配置的收发信机。对于n×m频率复用方式，n表示小区簇中有n个基站，m表示每个基站有m个小区。则它的频率发复用度为：freuse=n×m式(5.2)频率复用度越小，其频率复用越严密，频率的利用率越高。但随着频率复用严密程度的增加，带来干扰增大，需要相关抗干扰技术的支持。频率复用度越大，其频谱利用率越小，但容易获得较高的网络语音质量。在GSM系统中，最根本的频率复用方式为4×3频率复用方式，"4〞表示4个基站，"3〞表示每个基站3个小区，即将一个蜂窝分成3个小区，使用3组不同频率。这12个扇形小区为一个频率复用簇，同一簇中频率不能被复用。这种频率复用方式由于同频率复用距离大，能够比拟可靠地满足GSM体制对同频干扰和邻频干扰的指标要求，使GSM网络运行质量好、平安性好。5.4GSM的控制与管理1.MS开机，网络对它作"附着〞标记MS开机，首先要进展IMSI附着，又分为以下3中情况。〔1〕假设MS是第一次开机，在SIM卡中没有位置区识别码〔LAI〕,MS向MSC发送的IMSI号，向HLR发送"位置更新请求〞，HLR记录发请求的MSC号以及相应的VLR号，并向MSC回送"位置更新承受〞消息。至此MSC认为MS激活，在VLR中对该用户对应的IMSI上作"附着〞标记，再向MS发送"位置更新证实〞消息，MS的SIM卡记录此位置区识别码。〔2〕假设MS不是第一次开机，而是关机后再开机的，MS接收到的LAI与它SIM卡中原来存储的LAI不一致，则MS立即向MSC发送"位置更新请求〞，VLI要判断原有的LAI是否是自己效劳区的位置：如判断为肯定，MSC只需要对该用户的SIM卡原来的LAI码改成新的LAI码即可；假设为否认，MSC根据该用户的IMSI号中的信息，向HLR发送"位置更新请求〞，HLR在数据库中记录法请求的MSC号，再回送"位置更新承受〞，MSC再对用户的IMSI作"附着〞标记，并向MS回送"位置更新证实〞消息，MS将SIM卡原来的LAI码改成新的LAI码。〔3〕MS再开机时，所接收到的LAI与它SIM卡中原来存储的LAI相一致，此时VLR只对该用户作"附着〞标记。2.MS关机，从网络中"别离〞MS切断电源后，MS向MSC发送别离处理请求，MSC接收后，通知VLR对该MS对应的IMSI上作"别离〞标记，此时HLR并没有得到该用户已脱离网络的通知。当该用户被寻呼后，HLR向拜访MSC/VLR要漫游〔MSRN〕时，VLR通知HLR该用户已关机。3.MS忙此时，给MS分配一个业务信道传送话音或数据，并在用户ISDN上标注用户"忙〞。4.周期性登记当MS向网络发送"IMSI别离〞消息时，有可能因为此时无线质量差或其他原因，GSM系统无确译码而仍认为MS处于附着状态；或者MS开着机，却移动到覆盖区以外的地方，即盲区，GSM系统也不知道。在这两种情况下，该用户假设被寻呼，系统就会不断地发出寻呼消息，无效占用无线资源。为了解决上述问题，GSM系统采用了强制登记的措施。要求MS每过一定时间登记一次，这就是周期性登记。假设GSM系统没有接收到MS的周期性登记信息，它所处的VLR就以"隐别离〞状态在该MS上作记录，只有当再次接收到正确的周期性登记信息后，才将它改写成"附着〞状态。5.位置更新当移动台更新位置区时，移动台发现其存储器中的LAI与接收到的LAI发生了变化，便执行登记，这个过程就叫"位置更新〞。位置更新是移动台主动发起的，分两种情况：同一MSC局的位置区更新和越局位置区更新。6.切换当移动用户在蜂窝效劳区中快速移动时，用户之间的通话常常不会在一个小区中完毕，如快速行驶的汽车在一次通话的时间可能跨越多个小区。当移动台从一个小区进入另一个相邻的小区时，其工作频率及基站与移动交换中心所用的连接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，即将一个正处于呼叫建立状态或忙状态的MS转换到新的业务信道上的过程称为切换。其控制机理如下：当通信中的移动台到达小区边界时，该小区的基站能检测出此移动台的信号正在逐渐变弱，而邻近小区的基站能检测到此移动台的信号越来越弱，系统收集来自这些基站的有关信息进展判决，当需要实施越区切换时，就发出相应的指令，使正在越过边界的移动台将其工作频率和通信链路从离开的小区切换到进入的小区。整个过程自动进展，用户并不知道，也不会中断进展中的通话。因此，切换是由网络决定的，一般在下述两种情况下进展切换：一种是正在通话的客户从一个小区移向另一个小区；另一种是MS在两个小区覆盖重叠区进展通话，原小区业务特别忙，这时BSC通知MS测试它邻近小区的信号强度、信道质量，决定将它切换到另一个小区，这就是业务平衡所需要的切换。7.处理在GSM数字移动通信系统中，为了与平安起见，用户接入网络系统〔开机、起呼、寻呼等〕，需要对用户合法性进展检查。具体包括两局部：用户终端的合法性：通过网络中的EIR设备，检查用户使用的终端是否在"黑〞中，如果是非法用户，则不能接入网络。用户身份的合法性。6.移动通信的应用举例移动通信在现实生活中的应用是非常普遍的，并且给人的生活、工作等都带来了很大的方便。下面就从几个小点来说明移动通信给人们带来的廉价性。(1)移动通信在教育、艺术和科学中的应用在科技高速开展、信息化的今天，对于教育、艺术以及科学方面，人们都迫切希望能够不受地点、时间的限制来获得更多的信息和知识。而移动通信网则满足了人们的这一愿望。我们通过移动通信网可以学到许多课堂上学不到的知识，甚至是课本上没有的东西。当我们在学习中遇到不能解决的问题的时候，我们就可以上移动通信网上去收寻答案、也可以不用受时间和地点的限制的向教师或其他人咨询，而不用等到在课堂上或见面以后。(2)移动通信在工作中的应用"移动办公〞是当今高速开展的通信业与IT业交融的产物，它将通信业在沟通上的便捷、在用户上的规模，与IT业在软件应用上的成熟、在业务容上的丰富，完美结合到了一起，使之成为了继电脑无纸化办公、互联网远程化办公之后的新一代办公模式。这种最新潮的办公模式，通过在手机上安装企业信息化软件，使得手机也具备了和电脑一样的办公功能，而且它还摆脱了必须在固定场所固定设备上进展办公的限制，对企业管理者和商务人士提供了极大便利，为企业和政府的信息化建立提供了全新的思路和方向。它不仅使得办公变得随心、轻松，而且借助手机通信的便利性，使得使用者无论身处何种紧急情况下，都能高效迅捷地开展工作，对于突发性事件的处理、应急性事件的部署有极为主要的意义。(3)通信在灾难中的移动应用"天灾人祸〞，有时候灾难时无法防止的，在发生灾难时，移动网是一种非常重要的信息根底设施。例如：在发生5.12地震和地震以及近期的所遭遇的特大洪灾的时候，通过移动通信网就可以把受灾区的实时图像传出去，使任何人，包括正在国外访问的政府领导人、行政官员、新闻媒体和普通公民，不管他们在哪里，都能知道有关灾难的信息。在发生灾难时能够与外界保持联系，沟通情况，取得援助是十分重要的，尤其是获得有关撤离路线的信息更为重要。(4)移动通信在日常生活中的应用移动通信可以用于人们生活中各种场合，提供各种非常方便的应用。例如，在我省外出打工的人们在需要购置车票是，可以用手机拨打96006进展购票，为人们带来了很大的方便性。现在人们普遍的使用移动终端来代替钱包购置车票、购物等。为人们带来方便的同时也给人们节省了很多不必要的时间，这段时间正好可以人们更好的作息，这对工作都相对忙碌的人们来说是一件多么好的事情。完毕语21世纪我们将进入信息社会——一个以人为本、更加注重精神粮食的社会，人性、环境和信息将成为这个社会的关键词。因此在21世纪的信息通信系统必须围绕以人为本来进展研究开发。潜在的研究方向包括：如何满足人性的需求和充分利用五个感官〔触、尝、听、看、闻〕及人工智能；如何通过智能化来补充人的能力；如何通过机器人和可配带设备来实现新的通信方式；如何克制通信质量