《移动通信设备运行与维护》课件第1章

任务1.1移动通信基础

1.1.1移动通信系统发展过程

1.1.1.1第一代移动通信系统（1G）

所谓移动通信就是指移动体之间、移动体与固定体之间的通信。现代意义上的移动通信系统起源于20世纪20年代，距今已有90余年的历史。

20世纪70年代中期至80年代中期是第一代蜂窝网络移动通信系统发展阶段。

1983年，AMPS首次在芝加哥投入商用，1985年，已经扩展到47个地区。其他国家也相继开发出各自的蜂窝状移动通信网。

第一代蜂窝网络移动通信系统由于受到传输带宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游，只能是一种区域性的移动通信系统。第一代移动通信有多种制式，我国于1987年11月引入，主要采用的是

英国的TACS系统，在广东省建成并投入商用。第一代移动通信有很多不足之处，比如容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务、不能提供自动漫游等。

1.1.1.2第二代移动通信系统（2G）

20世纪80年代中期至20世纪末，是2G这样的数字蜂窝移动通信系统逐渐成熟和发展的时期。由于第一代移动通信系统（1G）——模拟蜂窝移动通信系统存在频谱利用率低、费用高、通话易被窃听（不保密）、业务种类受限、系统容量低等问题，主要还是系统容量已不能满足日益增长的移动用户需求。为了解决这些问题，推出了新一代数字蜂窝移动通信系统（2G）。

数字蜂窝移动通信系统（2G）主要采用的是数字的时分多址（TDMA）技术和码分多址（CDMA）技术。全球主要有GSM

和

CDMA

两种体制。CDMA标准是美国提出的。GSM

技术标准是欧洲提出的，目前全球绝大多数国家使用这一标准。

尽管2G技术在发展中不断得到完善，但随着用户规模和网络规模的不断扩大，频率资源己接近枯竭，语音质量不能达到用户满意的标准，数据通信速率太低，无法在真正意义上满足移动多媒体业务的需求。

1.1.1.3第三代移动通信系统（3G）

20世纪90年代末开始是第三代移动通信技术（3G）发展和应用阶段，同时4G移动通信也进入了研究阶段。自2000年左右开始，伴随着对第三代移动通信的大量论述，以及2.5G（B2G）产品GPRS（通用无线分组业务）系统的过渡，3G走上了通信舞台的前沿。

3G也称为IMT-2000（InternationalMobileTelecommunication2000）。早在1985年，国际电信联盟[]（InternationalTelecommunicationsUnion,ITU）就提出了第三代移动通信系统的概念，当时称为“未来公众陆地移动通信系统（FPLMTS）”。1996年ITU将3G命名为IMT-2000，其含义为该系统将在2000年左右投入使用，工作于2000MHz频段，最高传输速率为2000Kbps。

1.1.1.4第四代移动通信系统（4G）

20世纪90年代末，4G的研究就已经开始了，到现在已过去十几年。现在的4G在之前被称为B3G（Beyond3G，超3G）技术。2000年确定了3G国际标准之后，ITU就启动了4G的相关工作。2003年ITU对4G的关键性指标进行定义，确定了4G的传输速率为1Gbit/s。在2005年10月18日结束的ITU-RWP8F第17次会议上，ITU给B3G技术一个正式的名称IMT-Advanced，将未来新的空中接口技术叫做IMT-Advanced技术。2007年，ITU给4G分配了新的频谱资源。

移动通信技术演进路线如图1-1所示。图11移动通信技术演进路线

4G是集3G与WLAN与一体、能够传输高质量视频图像且图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术。4G能够以高达100Mbit/s的速度下载，比拨号上网快2000倍，上传速度可达20Mbit/s，并能满足几乎所有用户对无线服务的要求。同时，在价格方面，4G收费与固定宽带网络差不多，计费方式还会更加灵活。通信也更加灵活，人们不仅可以随时随地通信，还可以双向下载传递资料、照片、视频，还可以与陌生人联网打游戏。用4G，你可以感受到到比10M宽带更好的体验和便捷。4G与3G相比，它的频谱利用率更高，通信费用更加便宜，传输速率更高，语言、数据、影像等多媒体通信服务质量更高。

目前，4G已经进入商用时代，我们期待一个更好的移动通信系统的建成。下一代移动通信技术B4G（超4G）也已经进入研究当中了。5G标准将会在4G的演进中经历B4G之后诞生，在此过程中必须想法设法不断提高频谱利用率，克服频谱资源稀缺的大难题。

1.1.2移动通信信道

1.1.2.1电波传播特性1．电波传播方式1）直射波：电波传播过程中没有遇到任何的障碍物,直接到达接收端的电波,称为直射波。直射波更多出现于理想的电波传播环境中。2）反射波：电波在传播过程中遇到比自身的波长大得多的物体时,会在物体表面发生反射,形成反射波。反射常发生于地表、建筑物的墙壁表面等。

3）绕射波：电波在传播过程中被尖利的边缘阻挡时,会由阻挡表面产生二次波,二次波能够散布于空间,甚至到达阻挡体的背面,那些到达阻挡体背面的电波就称为绕射波。由于地球表面的弯曲性和地表物体的密集性,使得绕射波在电波传播过程中起到了重要作用。

4）散射波：电波在传播过程中遇到障碍物表面粗糙或者体积小但数目多时,会在其表面发生散射,形成散射波。散射波可能散布于许多方向,因而电波的能量也被分散于多个方向。

2.VHF和UHF电波传播特性

电磁波从发射天线发出,传到接收天线,可以有不同的传播方式,当频率大于30MHZ时,典型的传播方式如图1-2所示。图1-2典型的传播方式

沿路径①从发射天线直接到接收天线的电波称为直射波,它是VHF和UHF频段的主要传播方式;沿路径②的电波经过地面反射到达接收机,称为反射波;沿路径③的电波延地球表面传播,称为地表面波,由于地表面波的损耗随频率的升高而急剧增大,传输距离随之迅速减小,因此,在VHF和UHF频段地表面波的传播损耗可以忽略不计.此外,在移动信道中,电波遇到各种障碍物时会发生反射和散射现象,从而对直射波引起干涉而产生多径衰落现象.这里主要介绍直射波和反射波的传播特性.

1)直射波

直射波传播可按自由空间传播来考虑。所谓自由空间传播系指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传输条件。电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反身射或折射。虽然电波在自由空间传播时不受阻挡，也不产生反射、折射、绕射、散射和吸收。但是当电波经过一段路径传播之后，能量仍会受到衰减,这是由于辐射能量的扩散而引起的。

自由空间传播损耗常用的计算公式:

Lfs(dB)=32.45+20lg(km)+20lgf(MHz)（1—1）

由上式可知,当工作频率提高一倍,或者说工作波长减小一半时,电波在自由空间传播损耗就增加6dB.同样当传输距离增加一倍时,传播损耗也增加6dB.

在实际情况下,电波在直射传播的路径上可能存在山丘,建筑物等障碍物,由这些障碍物引起的附加衰耗(除自由空间传播衰耗外),称为绕射衰耗或绕射损耗.这时,电波传播损耗应为自由空间传播衰耗Lfs(dB)与附加衰耗之和.用公式表示为:

L(dB)=Lfs(dB)+附加衰耗（1—2）

2)反射波

当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面时,如果界面尺寸比电波波长大得多时就会产生镜面反射,即电波在传播过程中遇到比自身的波长大得多的物体时,会在物体表面发生反射,形成反射波。因此从发射天线到接收天线的电波包括直射波和反射波，如图1-3所示。图1-3反射波和直射波

由图可知,反射路径比直射路径要长一些,亦即反射波和直射波存在一定的路径差△d有了路径差,由于电波传播速度为常数,因而就会产生时延差Δt,时延差Δt又可换算为相位差Δφ.相位差Δφ的大小对接收到的信号会产生严重的影响.当Δφ=(2n+1)π时(其中n为正整数),直射波和反射波恰好反相而起相互抵消作用,如图1-4所示.

显然,这种是不利的,这就是光滑地面反射电波所引起的影响.如果当Δφ=2nπ,即反射波和直射波到达接收点时相位相同时,直射波和反射波相互叠加,更有利于通信的正常进行.实际情况下,外界条件往往是不稳定的,它会随着各种因素的变化而随机变化的,路径差△d以及相位差Δφ也会随机变化,因此直射波和反射波有时同相叠加,有时反相抵消,造成了合成波的衰落现象.此外,移动信道中还会有更多的物体,包括固定建筑物及其它移动车辆,它们都可能产生反射,因此多径传播造成的衰落现象尤为突出。

图1-4反射波和直射波抵消作用

1.1.2.2移动信道特征

1.多经效应与快衰落

在陆上移动信道中,移动台往往工作在城市建筑群和其它地形地物较为复杂的环境中,基地台和移动台之间的电波传播不在是单纯的直射波形式,而出现多个路径的反射,以致到达接收天线的信号是来自不同传播路径的各个分量的合成.由于各个分量的相互干涉而产生深度的快衰落,即多径衰落或多径效应.由于多径衰落后的信号包络服从瑞利分布,所以多径衰落又称作瑞利衰落或快衰落,快衰落深度可达20~30dB，衰落速率（多普勒频移）与移动台运动速度及工作频率有关。

2．阴影效应与慢衰落

移动台接收信号除瞬时值出现快速起伏的瑞利衰落外,其场强中值(具有50%场强的概率值)随着所处位置改变而呈现较慢的变动，称为慢衰落。发生慢衰落的主要原因是障碍物的阴影效应,即在电波传播的路径上遇到建筑物，树林等障碍物的阻挡，产生了电磁场的阴影。当移动台通过不同的障碍物时,就造成接收信号场强中值的缓慢变动。变动的大小取决于障碍物状况及工作频率。变化的速率不仅与障碍物有关,而且还和移动台的移动速度有关。造成慢衰落的另一个原因是由于大气折射条件变化，使电波折射系数随时间变化，多径传播到达接收点的信号时延也随之变化,从而造成同一地点场强中值随时间的慢变化，即慢衰落。

3．多普勒频移

多普勒频移就是快衰落时场强的衰落速率,它是指当移动台具有一定速度的时候,基站接收到移动台的载波频率将随移动台运动速度的不同,将产生不同的频移,通常把这种现象称为多普勒频移。反之也如此。由于移动台处在移动中，所以工作时有多普勒移fD产生，fD与与移动台运动速度及工作频率有关，当移动台在电波主射线上移动时，移动产生的多普勒频移为有

fD=f(v/c)（1—3）

4．衰落储备

为了防止因衰落(包括快衰落和慢衰落)引起的通信中断,在信道设计中,使信号的电平留有足够的余量,以使中断率小于规定的指标。这种电平余量称为衰落储备。衰落储备的大小决定于地形地物工作频率及要求的通信可靠性指标。通信可靠性也称作可通率，并用Ｔ表示，它与中断率的关系是Ｔ＝１－Ｒ．

1.1.3移动通信噪声与干扰

1.1.3.1移动通信噪声信道对信号传输特性的影响除传输损耗和衰落以外,另一个重要的因素就是噪声和干扰。通信系统中任何不需要的信号都是噪声或干扰。不过就噪声和干扰产生的根源和特点还是分为噪声和干扰为好。移动通信中的噪声来源是多方面的,一般可分为内部噪声和外部噪声两种如图1-5所示。图1-5噪声的分类

1.内部噪声

内部噪声是系统设备本身产生的各种噪声,例如,在电阻一类的导体中由电子的热运动所引起的热噪声,真空管中由电子的起伏性发射或半导体中由载流子的起伏变化所引起的散弹噪声及电源哼声等。电源哼声及接触不良或自激振荡等引起的噪声是可以消除的,但热噪声和散弹噪声一般无法避免,而且它们的准确波形不能预测。这种不能预测的噪声统称为随机噪声。

内部噪声主要是指热噪声。它的瞬时值服从高斯分布,所以,又称为高斯噪声.理论分析和实践表明,从直流到微波的频率范围内,单位频带(1HZ)内部噪声功率,即噪声功率密度为一常数,故又称为白噪声.

2.外部噪声

外部噪声又包括自然噪声和人为噪声,这些噪声也属于随机噪声。自然噪声主要是指自然界引起的各种噪声,包括大气噪声、宇宙噪声和热噪声等。人为噪声是指各种电气装置(如电动机、电焊机、电气开关等)中电流或电压发生急剧变化而形成的电磁辐射。这种噪声电磁波除直接辐射外,还可以通过电力线传播,并由电力线和接收机天线间的电容性耦合而进入接收机。在移动信道中,人为噪声主要是车辆的点火噪声。汽车的流量越大,这种人为噪声的影响就越大。

1.1.3.2移动通信干扰

1.邻道干扰

邻道干扰是一种来自相邻的或相近的频道的干扰。相近频道可以是相隔几个或几十个波道。邻道干扰有两个方面，一是由于工作频带紧随的若干频道的寄生发射产生的干扰，二是指移动通信网内，一组空间离散的邻近频道引入的干扰。邻道干扰的一部分落入被干扰接收机通带内，接收机选择性好坏对它无影响：另一部分干扰的实际影响跟接收机选择性和传输距离远近造成的附加损耗有关。邻道干扰的抑制涉及到发信机的寄生辐射、接收机选择性及邻近频道间隔等因素。

2.同频干扰

同频干扰就是指所有落到接收机通带内的有用信号频率相同或相近的无用信号的干扰，亦称同信道干扰或载波干扰。

在移动无线电通信系统中，为了增加频谱利用率，有可能有两条或多条信道都被分配在一个相同频率上工作，这样就形成一种同波道结构。在同波道环境中，当有两条或多条同频波道在同时进行通信时，就有可能产生同波道干扰。

3.互调干扰

电路的非线性是产生互调干扰的主要原因。当两个或更多个信号加到非线性器件中时，产生了互调干扰分量，发射机和接收机都能产生这些干扰分量，因而互调干扰就成了一个值得注意的问题。这些分量出现在不同的频率上，而且能在另一些信道上引起干扰。如果干扰和有用信号差不多大小或比有用信号大，则有用信号就受到严重的干扰。如果干扰比有用的信号弱，只在没有信号时，干扰才能被听到。

两个或更多个发射机互相靠得很近时，每个发射机与其他发射机之间通常通过天线系统耦合，从每个发射机来的辐射信号进入其他发射机的末级放大器和传输系统，于是就形成了互调。而这些产物落到末级放大器的通带内并被辐射出去，这种辐射可能落在除了已指配的发射机频率之外的那些信道上。

互调产物(干扰)也可能在接收机中产生。两个或更多个强的带外信号，可以推动射频放大器进入非线性工作区，甚至在第一级混频器中互相调制。这些分量能干扰进来的有用信号或者当工作信道上没有信号的时候，在输出端能够听到干扰声。

在移动通信系统中，互调干扰分为发射机互调和接收机互调两种。另外，在天线、馈线、双工器等处，由于接触不良或不同金属的接触，也会产生非线性作用，由此而出现的互调现象。

（1）发射机互调：在发射机末级功率放大器，经天线进来的其它信号，与发射信号产生相互调制，称为发射机互调。

（2）接收机互调：几个信号同时进入接收机，由于接收机中电路（如混频器）非线性作用而发生相互调制，即为接收机互调。

减小互调干扰的方法：发射机互调可以通过增大发射机之间的耦合损耗来减少，一般用隔离器增加耦合损耗；在接收机中产生的互调干扰，在很大程度上是接收机的设计问题，因此，在天线系统和接收机之间连接抑制滤波器，对于抑制接收机里产生的互调频率分量有一定帮助。

4.远近效应

当基地台同时接收两个不同距离的移动台发来的信号时，若两者频率相同或邻近，则距离基地台近的移动台将对另一距离较远的移动台信号产生严重的干扰。同样，两个靠得很近移动台，对来自较远基地台信号，也会产生较大的干扰，这种干扰称为近端对远端的干扰，简称远近效应。

在移动通信系统中远近效应问题十分突出，其有效克服措施：

(1)移动台具有自适应控制发送功率（APC）的能力。移动台根据收到基地台信号大小对移动台发射机进行自动功率控制，即当移动台驶近基地台时，自动降低发射功率。

(2)缩小服务区，降低发射功率，使同一服务区内信号场强的动态范围减小

(3)从移动通信设备制造上，尽可能降低发信机寄生辐射，提高接收机中频滤波器的带外抑制能力。

1.1.4.1扩频通信

所谓扩频通信是一种将传输信号带宽扩展到很大频带的数字传输方式，扩频通信原理如图1-6所示。

1.1.4移动通信基本技术图1-6扩频通信原理框图

扩频通信系统由于在发端扩展了信号频谱，在收端解扩后恢复了所传信息，这一处理过程带来了性能改善。理论分析表明，各种扩频通信系统在抗干扰性能都大体上与扩频信号的带宽与所传信息带宽之比成正比，通常用系统处理增益Gp来表示，即

Gp=10lg（BS/Bm）(1—4)

式中Bs为扩频信号带宽，Bm为信息带宽。

1.1.4.2双工方式

所谓双工方式就是指移动通信双方可同时进行发信和收信。这时收信与发信必须采用不同的工作频率。用户使用时与“打电话”时的情况一样。这时通信双方的设备一般通过双工器来完成这种功能。如图1-7所示为双工方式示意图。图1-7双工方式示意图

常用的双工方式有频分双工（FDD）和时分双工（TDD）两种。其具体的特征是：

（1）FDD：采用两个对称的频率信道，发送和接收信道之间存在着一定的频段保护间隔。如图1-8所示。例如GSM、CDMA1X的收发信道间隔为45MHz，WCDMA的间隔为190MHz。

（2）TDD：发送和接收信号在同一频率信道的不同时隙中进行，在进行不对称的数据传输时，可充分利用有限的频谱资源。如图1-9所示。例如3G的TD-SCDMA。图1-8FDD工作方式图1-9TDD工作方式

1.1.4.3多址方式

蜂窝系统中是以信道来区分通信对象的，一个信道只容纳一个用户进行通话，许多同时通话的用户，互相以信道来区分，这就是多址。移动通信系统是一个多信道同时工作的系统，具有广播和大面积覆盖的特点。在移动通信环境的电波覆盖区内，如何建立用户之间的无线信道的连接，是多址接入方式的问题。解决多址接入问题的方法叫多址接入技术。

移动通信中常用的多址技术主要有频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）和空分多址（SDMA）等四种方式。FDMA、TDMA、CDMA三种多址方式示意图，如图1-10所示。图1-10FDMA、TDMA、CDMA三种多址方式示意图

1.频分多址（FDMA）

频分多址（FDMA）是将给定的频谱资源划分为若干个等间隔的频道（或称信道）供不同的用户使用。在FDMA系统中，分配给用户一个信道，即一对频谱，一个频谱用作前向信道即基站向移动台方向的信道，另一个则用作反向信道即移动台向基站方向的信道。这种通信系统的基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号，任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转，因而必须同时占用2个信道(2对频谱)才能实现双工通信。如TACS系统、AMPS系统等采用FDMA。

2.时分多址（TDMA）

时分多址是把时间分割成周期性的帧(Frame)每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号而不混扰。同时，基站发向多个移动终端的信号都按顺序安排在予定的时隙中传输，各移动终端只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分并接收下来。

3．码分多址（CDMA）

码分多址(CDMA)是在数字技术的分支，是在扩频通信技术上发展起来的一种成熟的无线通信技术。CDMA技术的原理是基于扩频技术，系统为每个用户分配各自特定地址码。地址码之间具有相互准正交性，从而在时间、空间和频率上都可以重叠；即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。

CDMA是扩频通信的一种，它具有扩频通信的以下特点：

⑴抗干扰能力强。这是扩频通信的基本特点，是所有通信方式无法比拟的。

⑵宽带传输，抗衰落能力强。

⑶由于采用宽带传输，在信道中传输的有用信号的功率比干扰信号的功率低得多，因此信号好像隐蔽在噪声中；即功率谱密度比较低，有利于信号隐蔽。

⑷利用扩频码的相关性来获取用户的信息，抗截获的能力强。

4．空分多址（SDMA）

空分多址(SDMA)，也称为多光束频率复用，通过标记不同方位相同频率的天线光束来进行频率的复用。SDMA的基本概念是基于空间角度分隔信道，频率、时间、码字共享。

空分多址，不同空间路径的划分方法：该种多址方式要以天线技术为基础，理想情况下要求天线给每个用户分配一个点波束；这样根据用户的空间位置就可以区分每个用户的无线信号，就完成了多址的划分。

1.1.4.4分集技术

快衰落和慢衰落产生原因是不相同的。随着移动台的移动，瑞利衰落随信号瞬时值快速变动，而对数正态衰落随信号平均值（中值）变动。这两者是构成移动通信接收信号不稳定的主要因素，使接收信号被大大地恶化，虽然通过增加发信功率、天线尺寸和高度等方法能取得改善，但采用这些方法在移动通信中比较昂贵，有时也显得不切实际。例如，有时快衰落深度可达30~40dB，如果想利用加大发射功率（1000~10000倍）来克服这种深衰落是不现实的，而且会造成对其它电台的干扰。分集接收是抗衰落的一种有效措施。

1.分集接收

分集技术是研究如何充分利用传输中的多径信号能量，以改善传输的可靠性，它也是一项研究利用信号的基本参量在时域、频域与空域中，如何分散开又如何收集起来的技术。“分”与“集”是一对矛盾，在接收端取得若干条相互独立的支路信号以后，可以通过合并技术来得到分集增益。

分集有两重含义：一是分散传输，使接收端能够获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号；二是集中处理，即接收机把多个收到的多个统计独立的衰落信号进行合并以降低衰落的影响。

所谓分集接收是指接收段对它收到的多个衰落特性互相独立（携带同一信息）的信号进行特定的处理，以降低信号电平起伏的办法。即在若干个支路上接收相互间相关性很小的载有同一消息的信号，然后通过合并技术再将各个支路信号合并输出，那么便可在接收终端上大大降低深衰落的概率。

移动通信系统主要的分集方式有两种：宏分集和微分集。

宏分集主要用于蜂窝移动通信系统，也称为多基站分集这是一种减小慢衰落影响的分集技术，其作法是把多个基站设置在不同的地理位置上（如蜂房小区的对角上）和不同的方向上，同时和小区的一个移动台进行通信（可以选择其中信号最好的一个基站进行通信）。

微分集是一种减小快衰落影响的分集技术，在各种无线通信系统中都经常使用。理论和实践都表明，在空间、频率、极化、角度、时间和场分量等方面分离的无线信号，都呈现互相独立的衰落特性。微分集又可以分为（1）空间分集（2）频率分集：（3）极化分集：（4）角度分集：（5）时间分集；（6）场分量分集等六种方式。

2.合并方式

合并方式主要分为三种：选择式合并、等增益合并和最大比值合并。

（1）选择式合并：选择式合并是检测所分集支路的信号，以选择其中信噪比最高的那一条支路的信号作为合并器的输出。两个支路的中频信号分别经过解调，然后作信噪比比较，选择其中有较高信噪比的支路接到接收机的共同部分。选择式合并又称开关式相加。这种方法简单，实现容易。但由于未被选择的支路信号弃之不用，因此抗衰落效果不好。

（2）最大比值合并：在接收端只需对接收信号做线性处理，然后利用最大似然检测即可还原出发端的原始信息。其译码过程简单、易实现。合并增益与分集支路数N成正比。最大比值合并是一种最佳合并方式。

（3）等增益合并：也称为相位均衡，仅仅对信道的相位偏移进行校正而幅度不做校正。等增益合并不是任何意义上的最佳合并方式，只有假设每一路信号的信噪比相同的情况下，在信噪比最大化的意义上，它才是最佳的。它输出的结果是各路信号幅值的叠加。

1.1.4.5均衡技术

均衡是指对信道特性的均衡，即接收端的均衡器产生与信道特性相反的特性，用来抵消新道的时变多径传播特性引起的码间干扰。由于信道是时变的，要求均衡器的特性能够自动适应信道的变化而均衡。故称自适应均衡。

均衡技术可以分为两大类：频域均衡和时域均衡。

一为频域均衡，它使包括均衡器在内的整个系统的总传输函数满足无失真传输的条件。它往往是分别校正幅频特性和群时延特性，序列均衡通常采用这种频域均衡法。适用于模拟通信。

二为时域均衡，就是直接从时间响应考虑，使包括均衡器在内的整个系统的冲激响应满足无码间干扰的条件。如图1-11所示，h(t)是理想信道的脉冲响应，x(t)是失真信道的脉冲响应，失真信道形成码间干扰的原因是脉冲响应x(t)与h(t)的差值不为零造成的。利用信道均衡器引入的脉冲响应使得总脉冲响应能接近理想信道时产生的脉冲响应h(t)，则可消除非理想信道引起的码间干扰。这就是时域均衡的基本概念。图1-11理想信道和失真信道脉冲响应的差异

1.1.4.6编码技术

1.语音编码

语音编码为信源编码，是将模拟语音信号转变为数字信号以便在信道中传输。语音编码的目的是在保持一定的法复杂程度和通信时延的前提下，占用尽可能少的通信容量，传送尽可能高质量的语音。语音编码技术又可分为波形编码、参量编码和混合编码三大类。

波形编码：是对模拟语音波形信号经过取样、量化、编码而形成的数字语音技术。为了保证数字语音技术解码后的高保真度，波形编码需要较高的编码速率，一般在16~64kbps。

参量编码：是基于人类语言的发声机理，找出表征语音的特征参量，对特征参量进行编码的一种方法。在接收端，根据所收的语音特征参量信息，恢复出原来的语音。由于参量编码只需传送语音特征参数，可实现低速率的语音编码，一般在1.2~4.8kbps。参量编码的缺点在于语音质量只能达到中等水平，不能满足商用语音通信的要求。对此，综合参量编码和波形编码各自的优点，即保持参量编码的低速率和波形编码的高质量的长点，又提出了混合编码方法。

混合编码：是基于参量编码和波形编码发展的一类新的编码技术。在混合编码的信号中，既含有若干语音特征参量又含有部分波形编码信息，其编码速率一般在4~16kbps。当编码速率在8~16kbps范围时，其语音质量可达商用语音通信标准的要求，因此混合编码技术在数字移动通信中得到了广泛应用。

2.信道编码

在话音编码之后，要提高数据传输效率，降低误码率，增加通信的可靠性，就必须进行信道编码。移动通信的传输信道属变参信道，它不仅会引起随机错误，而更主要的是造成突发错误。随机错误的特点是码元间的错误互相独立，即每个码元的错误概率与它前后码元的错误与否是无关的。突发错误则不然，一个码元的错误往往影响前后码元的错误概率。或者说，一个码元产生错误，则后面几个码元都可能发生错误。因此，在数字移动通信中，要利用信道编码对整个通信系统进行差错控制。差错控制编码可以分为分组编码和卷积编码两类。

（1）分组编码是把信息序列以k个码元分组，通过编码器将每组的k元信息按一定规律产生r个多余码元(称为检验元或监督元)，输出长n＝k十r的一个码组。因此，每个码组的r个检验元仅与本组的信息元有关而与别组无关。由此可见，分组编码可以对随机错误进行控制。分组码用(n，k)表示，n表示码长，k表示信息位数目，R＝k／n称为分组编码的效率，也称编码率或码率。

（2）卷积编码就是将信息序列以ko个码元分段，通过编码器输出长为no的一段码段。但是该码的no-ko个检验码不仅与本段的信息元有关，而且也与其前m段的信息元有关。由此可见，卷积编码可以对突发错误进行控制。卷积码用(no，ko，m)表示，称No＝(2n十1)no为卷积编码的编码约束长度。与分组编码一样，卷积编码的编码效率也定义为R＝ko/no，对于具有良好纠、检错性能并能合理而又简单实现的大多数卷积码，总是ko＝l或是(no-ko)＝l，也就是说它的编码效率通常只有1/5，1/4，1/3，1/2，2/3，3/4，4/5……。

3.交织技术

在移动通信的变参信道上，比特差错经常是成串发生的。这是由于持续时间较长的衰落谷点会影响到一串连续的比特，而信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长的差错串时才最有效。为了纠正这些成串发生的比特差错及一些突发错误，可以运用交织技术。所谓交织技术就是把一条消息中的连续比特分散开的方法，即一条消息中的连续比特以非连续方式被发送，这样，在传输过程中即使发生了成串差错，恢复成一条连续比特串的消息时，差错也就变成单个(或长度很短)，这时再用信道编码纠错功能纠正差错，恢复原消息。

如图1-12所示。将原码序列分成若干组，每组4个比特经过交织处理，在传输的过程中若信息码2、6、10、14受到干扰，如果没有交织，那信息码2、6、10、14就会成串丢失，但采用了交织技术，解交织后还原成的原码序列中错码2、6、10、14就被分散开来，再利用信道编码，全部信息仍能得以恢复，这就是交织技术的基本原理。

概括地说，交织就是把信息码元中，m个比特分散到n组中，以改变比特间的邻近关系，因此n值越大，传输特性越好，但传输时延也越大，所以在实际使用中必须作折衷考虑。图1-12交织原理示意图

1.1.5移动通信组网技术

1.1.5.1区域覆盖方式移动通信网的区域覆盖方式一般分为两类,一类是大区制,适用小容量系统。另一类是小区制，适用于小容量系统。这两种制式的控制方式等也有明显的差别.小区制采用了空域的同信道再用,频率资源利用率高,可容纳的用户量大,控制方式也就复杂。

一、大区制

所谓大区制，就是用一个基站覆盖整个服务区。它的特点是，基站只有一个天线，架设高、功率大，覆盖半径也大，服务区半径通常为20～50km。采用这种方式虽然设备较简单，投资少，见效快，但容纳的用户数有限，通常只有几百用户。人们很快发现，这种体制扩容非常困难，随着移动用户数量的急剧增加，这种覆盖方式显然无法满足实际需要。

二、小区制

为了解决有限频率资源与大量用户的矛盾，可以采用小区制的覆盖方式。小区制就是将整个服务区划分为若干个小区，在各小区中分别设置基站(每个基站的覆盖区称为一个小区)，负责本小区移动通信的联络和控制。另外设立移动交换中心，负责与各基站之间的联络和对系统的集中控制管理。多个基站在移动交换中心的统一管理和控制下，实现对整个服务区的无缝覆盖。这种方式称为小区制。

小区制的主要特点：

①可以提高频率利用率。这是因为应用了空间域的同信道复用技术,从而解决了信道数少和用户数多之间的矛盾.

②组网灵活。小区制随着在用户数继续增大时,还可以进一步划小无线区,以不断适应用户增长的实际需要。所以网络的结构有很多的灵活性.以上是小区制的优点.

③网路构成复杂。各小区的基站之间的信息交换要有交换设备，且各基站至交换局都要有一定的中继线，这将使建网成本和复杂性增加。同时因为同信道再用,相隔一定距离的基站运使用同一信道.必定会形成同频干扰.通话过程中若移动用户跨越小区边界,为了保证通信不中断,必须自动切换信道,且随着无线区的划小,切换的频度就加大,这种过境切换对控制系统的技术要求是很高的。

1．带状服务区

带状服务区是指用户的分布呈带状或条状，如铁路、公路、狭长城市、沿海水域等。基站天线若用全向辐射,覆盖区形状是圆形的.带状网宜采用有向天线.使每个小区呈扁圆形。

带状网可进行频率再用.若以采用不同信道的两个小区组成一个区群，如图1-13(a)称为双频制.若以采用不同信道组的三个小区组成一个区群,如图1-13(b)称为三频制。从造价和频率资源的利用而言,当然双频制最好，但从抗同频干扰而言,则双频制最差，还应考虑多频制。图1-13带状服务区

2．面状服务区

当服务区不呈带状而是一个宽广的平面时，称为面状服务区。其构成方法是将整个服务区划分成许多小区，也称无线区,这些无线区组成蜂窝式的网络，简称蜂窝网。

（1）小区形状

在面状服务区设计时，能够覆盖一个平面的规则多边形有三种，如图1-14所示。图1-14小区形状

正三角形，正方形及正六边形的参数比较，如表1-1所示。

(2)簇（区群，Cluster）

小区制的一个特点就是可以进行频率复用，以提高频率利用率。具体实现方法时利用区群。

将若干个小区组成一个区群，区群内的每一个小区占有不同的频率，且占有给定的频带。另一个区群可以使用相同的频带，不同区群中的相同频带的小区之间将产生同频干扰。

构成区群应满足的两个基本条件是：

①区群之间应能彼此邻接,且无空隙无重叠的覆盖整个面积；

②相邻区群中，同频道的小区间距离相等且为最大。

区群内的小区数N应满足下式

N=a2＋ab＋b2（1—3）

N为区群内小区数，a、b为相邻同频小区之间的间隔小区数，取正整数且不能同时为零。区群形状如图1-15所示。图1-15区群的组成

(3)同频小区距离

如图1-16所示，自某一个小区A出发,先沿各边的垂线方向跨a个小区，在向左(或向右)转60度，再跨b个小区，这样就到达同信道小区A。在正六边形的六个方向上，可以找到六个相邻同频小区，所有A小区之间的距离都相等。

设小区的辐射半径(即正六边形外接圆的半径)为r，则从图1-16可以算出同频小区之间的距离为

D=(1—5)图1-16确定同频小区的方法

(4)中心激励与顶点激励

中心激励：基站在小区的中间，用全向天线覆盖。如图1-17（a）所示。

顶点激励：基站设在正六边行的三个顶点，用120度定向天线覆盖。优点：除能够消除障碍物阴影外，对来自天线方向图主瓣之外的干扰也能有一定的隔离度。如图1-17（b）所示。图1-17激励方式

(5)小区分裂

在移动通信建网初期，各小区大小相等，容量相同，随着城市建设和用户数的增加，用户密度不再相等。

为了适应这种情况，在高用户密度的地区，应将小区面积划小一些，或将小区中基站全向覆盖改为定向覆盖，使每个小区所分配的频道数增多，满足话务量增大的需要，这种技术称为小区分裂。

采用小区分裂的方法，有限的频谱资源通过缩小同波道再用距离，使单位面积的波道数增多，系统容量增大。

小区分裂的具体实施方案可分为以下几种：

◆在原基站上分裂

小区分裂的一种常用办法是在原小区的基础上，将中心设置基站的全向覆盖区分裂为几个定向天线的小区。一个全向天线的覆盖小区可以分裂成3个120o扇形小区如图1-18（a）所示，6个60o扇形小区如图1-18（b）所示，1个“三叶草”型无线区如图1-18（c）所示。图1-18全向覆盖分裂为定向覆盖

采用这种小区分裂的优点是：

①增加了小区数目，却不增加基站数量；

②利用天线的定向辐射性能，可以有效地降低同频干扰影响；

③减小维护工作量和基站建设投资。

◆增加新基站的分裂

增加新基站的分裂是指业务信息增加后，将小区半径缩小，增加新的蜂窝小区，并在适当的地方增加新的基站的方法。采用本方法时，应该注意到将原基站天线有效高度适当降低，发射功率减小，努力避免小区间的同频干扰。

增加新基站的小区分裂方案是将原来较大的小区分裂成4个较小的小区，即1：4方案，如图1-19所示。这种方案是在原基站顶点激励的基础上展开的，是在两个原基站连线的中心点上加设新的基站。图1-19增加新基站的分裂方案

1.5.1.2波道分配技术

在小区制中，当两基站的距离大于同波道复用距离时，这两个基站允许使用相同的波道组工作，这称为波道的地区复用。为了实现波道的地区复用，必须研究波道的分配方法。

1.固定波道分配

固定波道分配方法有两种，一是分区分组分配法，二是等频距分配法。

(1)分区分组配置法

分区分组配置法所遵循的原则是：总的所占频段窄，以提高频段的种用率；同一区群内不能使用相同的信道，以避免同频干扰；小区内采用无三阶互调的相容信道组，以避免互调干扰。现举例说明如下。

(2)等频距配置法

等频距配置法是按等频间隔来配置信道的，只要频距选得足够大，就可以有效地避免邻道干扰。这样的频率配置当然正好满足产生互调的频率关系，但正因为频距大，干扰易于被滤除而不易作用到非线性器件。这也就避免了互调的产生。

等频距配置时可根据群内的小区数N来确定同一信道组内各信道之间的频率间隔。

第一组用（1、1+N、1+2N、1+3N……），

第二组用（2、2+2N、3+3N……）等。

2.动态波道分配

这种分配方法不是将波道固定地分配给某个无线区，而是很多无线区都有可以使用同一波道。每个无线区使用的波道数是不固定的，当某时刻业务量大时，使用的波道数就多，否则就少。但是，在给某个无线区指定一个空闲波道时，必须满足同波道距离要求。也就是说，在复用距离之内的各个无线区中均未使用该被指定的波道，只有这样才能避免同波道干扰。

例如，要在某无线区内给某一用户提供一个空闲波道时，如果说本无线区某一波道是空闲的，那就需要检查一下在复用距离之内的其他无线区该波道是否也是空闲的。如果说是空闲的，则可将该波道提供给用户使用；如果不是空闲的，必须按以上方法，再检查其它波道，只要检查的波道能够满足如上要求，便可提供给用户使用。如果把所有的波道都检查过了，仍未找到满足如下要求的波道，则发出忙音，表示通话阻塞。由此可见，动态波道分配不但需要收集和处理大量的数据，还要实时地给出处理结果。其系统的控制极其复杂，设备多，成本也高。但是，动态波道分配与固定波道分配比较，频率利用率大约可提高20%~50%。

3.混合波道分配

它是固定波道分配和动态波道分配相合的一种方式，即将一部分波道固定地分配给各个无线区，另一部分波道作为各无线区均可使用的动态波道。各无线区可优先使用分配给它的固定波道组，当固定波道组不够用时，再按动态波道分配方式使用空闲的动态波道。把它也称为柔性配置法。

1.5.1.3多信道共用技术

1.多信道共用的概念

所谓多信道共用，就是将一个基站的全部n个信道同时为小区内的全部用户所共用。当其中k(k<n)个信道被占用之后，其它要求通信的用户可以争用(n-k)个空闲信道中的任何一个来进行通信。基站最多可以同时保障n个用户进行通信。

2.话务量与呼损率的定义

在移动电话通信系统中，用户使用电话的数量的大小用话务量来量度。话务量又分为流入话务量和完成话务量以及损失话务量。

流入话务量的大小取决单位时间（1小时）内发生的平均呼叫次数和每次呼叫平均占用信道时间S。显然和S的加大都会使业务量加大，因而可定义流入话务量A为

在信道共用的情况下，当有空闲信道时，新发起的呼叫能够被接续，则呼叫成功；当信道全部被占用时，则新发起的呼叫不能被接续，呼叫失败。即发生“呼损”。已知全网用户的单位时间平均呼叫次数为入，其中有的呼叫成功了，有的呼叫失败了。设单位时间内成功呼叫的次数为0(0<).就可算出完成话务量。

显然，呼损率B越小，成功呼叫的概率就越大，用户就越满意。因此，呼损率B也称为通信网的服务等级（或业务等级）。例如，某通信网的服务等级为0.05（即B=0.05），表示在全部呼叫中未被接通的概率为5%。但是，对于一个通信网来说，要想使呼叫损失小，只有让流入话务量小，即容纳的用户少些，这又是所不希望的。可见呼损率与流入话务量是一对矛盾，要折衷处理.

3.呼损率的计算

对于多信道共用的移动通信网，根据话务量理论，呼损率B、共用信道数n和流入话务量A的定量关系可用爱尔兰呼损公式表示。爱尔兰呼损公式为

在给定呼损率B的条件下，用（1-10）式可算出共用n个信道所能承受的流入话务量；在给定流入话务量A的条件下，用（1-10）式可算出为达到某一服务等级B应取的共用信道数n；在给定共用信道数n的条件下，用（1-10）式可算出各流入话务量A时的服务等级B。因此，（1-10）式是一个工程上非常实用的公式。虽然此式计算十分繁杂，但有数表可供工程计算应用。

呼损率不同情况下，信道的利用率也是不同的。信道利用率ף可用不着每小时每信道的完成话务量来计算，即

用数表列出B、n、A和ף的关系如表1-2所示。

由表1-2可见，在维持B一定的条件下，随着n的加大A的不断增长，n<3时接近指数规律，n>6时接近线性。在B一定的条件下随着n增长，但当n>8之后增长已很慢。因此，每一基地台的共用信道数不宜过多。

4.用户忙时话务量与用户数

以上都是以全网的流入话务量A来计算的，那么究竟这些流入话务量可以容纳多少用户的通信业务呢？这就要看每个用户的话务量多少才能决定了。每个用户全天24小时话务量的分布是不均匀的，网络设计应按最忙时的话务量来进行计算。最忙一小时内的话务量与全天话务量之比可称为集中系数，用K表示，一般K=10~15%。每个用户的忙时话务量需用统计的办法确定。设通信网中每一用户每天平均呼叫次数为C，每次呼叫的平均占用信道时间为T[秒∕次]，集中系数为K，则每用户的忙时话务量即为

例如a=3[次∕天],T=120[秒∕次],K=10%,则用上式可算得a=0.01[爱尔兰/用户]。国外资料表明，公用移动通信网可按a=0.01设计，专业移动通信网可按a=0.06设计。国内的用户忙时话务量一般会超过上述数据不少。

在用户的忙时话务量a确定之后，每个信道所能容纳的用户数m就不难计算

以a=0.01[爱尔兰/用户]计算出每信道的用户数为表1-2所示。（a值不同时则需另行计算）由表可见，在确定共用信道数n的条件下，若允许降低服务等级（即加大呼损率B）就可容纳更多的用户，如n=8，为保证B=5%，全网只能容纳57×8=456个用户，若将B提高到20%，全网就可容纳92×8=736个用户了。这就是通信网设计时要折衷考虑的问题了。

1.1.5.4空闲信道选取技术

多信道共用的移动通信网，以基地台控制的小区有n个无线信道提供给n×m个移动用户所共同使用。那么，当某一用户需要通信而发出呼叫时，怎么知道这n个信道中哪一个是空闲时，可供选用呢？空闲信道选取的方式可分为以下四种。

1.专用呼叫信道方式

这种方式是在网中设置专门的呼叫信道，专用于处理用户的呼叫、向用户发出选呼、指定通信用的话音信道等。移动用户只要不在通话时就停在这呼叫信道上守候。用户呼叫时通过专用呼叫信道发出，控制中心通过专用呼叫信道给主叫和被呼的移动用户指定当用的空闲信道，移动台根据指令转入空闲信道通话。通话结束后再自动返回到专用呼叫信道守候。

移动台被呼时，基地台在专用呼叫信道上发出选呼信号，被呼移动台应答后即按基地台的指令转入某一空闲话音信道进行通信。这种方式的优点是处理呼叫的速度快，但是，若用户数和共用信道数不多时，专用呼叫信道处理呼叫并不繁忙，它又不能用于通话，利用率很不高。因此，这种方式只适用于大容量的移动通信网。

2.循环定位方式

这种方式不设置专门的呼叫信道，所有的信道都可供通话，选择呼叫与通话可在同一信道上进行。基地台在某一空闲信道上发出空闲信号，所有未在通话的移动台都自动地对所有信道进行循环扫描，一旦在某一信道上收到空闲信号，就定位在这个信道上守候。所有呼叫都在这个标定的空闲信道上进行。当这个信道被某一移动台占用，基地台就转往另一空闲信道发出空闲信号。如果基地台的全部信道被占用，基地台就停发空闲信号，所有未通话的移动台就不停地循环扫描，直到出现空闲信道，收到空闲信号才定位。

在移动台被呼时，基地台在标有空闲标志的空闲信道上发出选呼信号。所有定位在此空闲信道上的移动台都可收到这个选呼信号，在与本机的号码核对之后，若判定为呼叫本机即发出应答信号。基地台在收到应答信号之后，立即将这个信道给被叫的移动台占用，另选一个空闲信道发空闲标志。其它移动台发现原定位的空闲信道已被占用，立即进行循环扫描，搜索新的标有空闲信号的空闲信道。

这种方式中，所有信道都可用于通话，信道的种用率高。另外，由于所有空闲的移动台都定位在同一个空闲信道上，不论移动台主呼或被呼都能立即进行，处理呼叫快。但是，正是因为所有空闲移动台都定位在同一空闲信道上，它们之中有两个以上用户同时发起呼叫的概率（称同抢概率）也较大，即容易发生冲突。因此这种方式只能适用小容量的通信网。

3.循环不定位方式

为减小同抢概率，移动台循环扫描而不定位应该是有利的。该方式是基地台在所有的空闲信道上都发出空闲标志信号，不通话的移动台始终处于循环扫描状态。当移动台主呼时，首先遇到任何一个空闲信道就立即占用。由于预先设置各移动台对信道扫描的顺序不同。两个移动台同时发出呼叫，又同时占用同一空闲信道的概率很小，这就有效地减小了同抢概率。只不过要主呼时不能立刻进行，要先搜索空闲信道，当搜索到并定位之生才能发出呼叫，时间上稍微慢了一点。

当移动台被呼时，由于各移动台都在循环扫描，无法接收基地台的选呼信号。因此基地台必须先在某一空闲信道上发一个保持信号，指令所有循环中的移动台都自动地对这个标有保持信号的空闲信道锁定。保持信号需持续一段时间，在等到所有空闲移动台都对它锁定之后，再改发选呼信号。被呼移动台对选呼信号应答，即占用此信道通信。其它移动台识别不是呼叫本台，立即对此信道释放，重新进入循环扫描。

这种方式减小了同抢概率，但因移动台主呼时要先搜索空闲信道，被呼时要先对保持信号锁定，这都占用了时间，所以建立呼叫就慢了。

4.循环分散定位方式

这种方式是上面两种方式的结合。基地台与循环不定位方式一样，在所有空闲信道上发出空闲信号，空闲的移动台与循环定位方式一样，自动地定位在首先扫描到空闲信道上。由于移动台的扫描是随机的，它们定位的信道也就分散的。移动台主呼时可立即进行，又因为它们分散定位在不同的空闲信道上，同抢概率就小了。移动台被呼时，基地台在所有的空闲信道上同时发出选呼信号，呼叫也很迅速。这就解决了接续速度与同抢概率之间的矛盾。所不同的是，当基地台收到应答信号时，要判别应答信号来自哪一个空闲信道，再将这个信道指配给被呼用户使用。

1.5.1.5频谱有效利用技术

频率的有效利用是根据其时间、空间和频率域的三维性质，从这三个方面采用多种技术不定期设法提高它的利用率。有效利用频率的技术如表1-3所示。

频率有效利用的最终评价是“频率利用率”，它定义为

〔频率利用率〕=[通信业务量]/[使用频谱空间的大小]

这里的“频谱空间”指的是由频宽、时间、实际物理空间所构成的三维空间，即

[使用的频谱空间的大小]=W[使用的频带宽]·S[占有物理空间的大小]·T[使用时间]通信业务量以话务量（下面说明）A表示，即

η=A/WSt（1—14）

由此可见，为提高频率利用率，应压缩信道间隔、减小电波辐射空间的大小、使信道经常处于使用状态。

课后思考

1．什么是移动通信？移动通信系统的发展过程如何？

2．电波传播有哪几种方式？

3．什么是慢衰落？其产生原因？什么是快衰落？其产生原因？

4．什么是阴影效应？什么是多径效应？什么是多普勒效应？

5．简答移动通信系统中信号衰落的原因

6．移动通信网中常会发生哪些干扰？如何克服？

7．什么是双工方式？什么FDD？什么是TDD？并举例说明FDD和TDD方式的实际应用。

8．什么是多址方式？常用的多址技术有几种？

9．什么FDMA？什么是TDMA？什么CDMA？什么是SDMA？

10．分集的作用是什么？有哪几种分集方式？

11．什么是均衡？均衡的作用是什么？

12．什么是交织技术？采用交织技术的主要目的是什么？

13．什么大区制？什么是小区制？

14．为什么说小区形状的最佳是正六边形？

15．设某蜂窝移动通信网的小区辐射半径为8Km，根据同频干扰抑制的要球，同信道小区之间的距离应大于40Km，问该网的区群应如何组成？试画出区群的构成图，群内各小区的信道配置以及相邻通信道小区的分布图。

16．什么叫中心激励？什么叫顶点激励？后者有什么好处？

17．在什么情况下需要采用小区分裂方式？小区分裂的具体实施方案有几种？

18．波道分配技术有哪几种？哪种方式最好？为什么？

19．什么是多信道共用技术？它与波道分配技术有什么区别？

20．设一个移动通信系统共有12个波道，用户话务量为0.01ErL，计算呼损率B=0.1。如果将12个波道分成12组，分成4组和全部为所有用户共用，在这三种情况下，分别计算能容纳的用户总数和波道利用率。

21．移动电话系统共有400个用户，平均每天呼叫950次，每次通话时间60秒，设忙时集中系数为0.13，试计算整个系统忙时话务量？

22．某大区制移动通信网共有100个用户，平均每户C=5次/天，T=180秒/次，K=15%，问为保证呼损率小于5%，需共用的信道数是几个？若允许呼损率达20%，共用信道数可节省几个？

23．空闲信道的选取方式有哪几种？试比较这几种方式的性能。

24．频率的有效利用可从哪几个方面入手？试简要回答。

任务1.2GSM系统基础

1.2.1GSM系统概述1.2.1.1GSM技术概况GSM是GlobalSystemForMobileCommunications的缩写，由欧洲电信标准组织ETSI制订的一个数字移动通信标准，GSM是全球移动通信系统(GlobalSystemforMobilecommunications)的简称。它的空中接口采用时分多址技术。自90年代中期投入商用以来，被全球超过100个国家采用。GSM标准的设备占据当前全球蜂窝移动通信设备市场80%以上。

GSM是当前应用最为广泛的移动电话标准。全球超过200个国家和地区超过10亿人正在使用GSM电话。所有用户可以在签署了"漫游协定"移动电话运营商之间自由漫游。GSM较之它以前的标准最大的不同是它的信令和语音信道都是数字式的，因此GSM被看作是第二代(2G)移动电话系统。这说明数字通讯从很早就已经构建到系统中。GSM是一个当前由3GPP开发的开放标准。

1.2.1.2主要技术特点

GSM使用上直观的特点：

GSM系统有几项重要特点：防盗拷能力佳、网络容量大、手机号码资源丰富、通话清晰、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、通话死角少、手机耗电量低、机卡分离。

其主要技术特点如下：

1.频谱效率。由于采用了高效调制器、信道编码、交织、均衡和语音编码技术，使系统具有高频谱效率。

2.容量。由于每个信道传输带宽增加，使同频复用栽干比要求降低至9dB，故GSM系统的同频复用模式可以缩小到4/12或3/9甚至更小（模拟系统为7/21）；加上半速率话音编码的引入和自动话务分配以减少越区切换的次数，使GSM系统的容量效率（每兆赫每小区的信道数）比TACS系统高3～5倍。

3.话音质量。鉴于数字传输技术的特点以及GSM规范中有关空中接口和话音编码的定义，在门限值以上时，话音质量总是达到相同的水平而与无线传输质量无关。

4.开放的接口。GSM标准所提供的开放性接口，不仅限于空中接口，而且包括网络之间以及网络中各设备实体之间，例如A接口和Abis接口。

5.安全性。通过鉴权、加密和TMSI号码的使用，达到安全的目的。鉴权用来验证用户的入网权利。加密用于空中接口，由SIM卡和网络AUC的密钥决定。TMSI是一个由业务网络给用户指定的临时识别号，以防止有人跟踪而泄漏其地理位置。

6.与ISDN、PSTN等的互连。与其他网络的互连通常利用现有的接口，如ISUP或TUP等。

7.在SIM卡基础上实现漫游。漫游是移动通信的重要特征，它标志着用户可以从一个网络自动进入另一个网络。GSM系统可以提供全球漫游，当然也需要网络运营者之间的某些协议，例如计费。

1.2.1.3GSM频率配置

1.GSM频率配置

（1）GSM900MHz频段

GSM900：上行（MHz）890-915；下行（MHz）935-960（GSM最先实现的频段，也是使用最广的频段）

GSM900E：上行（MHz）880-915；下行（MHz）925-960（900MHz扩展频段）

GSM900MHz频段双工间隔为45MHz，有效带宽为25MHz，124个载频，每个载频8个信道。

（2）DCS1800MHz频段

GSM1800：

上行（MHz）1710-1785；

下行（MHz）1805-1880（适用于对信道容量需求大的市场，应用范围仅次于900M。）

GSM1800MHz频段双工间隔为95MHz，有效带宽为75MHz，374个载频，每个载频8信道。

2.中国GSM频率使用

中国GSM频率使用如表1-4所示。

1.2.2GSM系统结构

1.2.2.1系统结构与功能GSM系统是由若干个子系统或功能实体组成，典型结构如图1-20所示。图1-20GSM系统结构

1.网络子系统（NSS）

网络子系统（NSS）主要包含有GSM系统的交换功能和用于用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能，它对GSM移动用户之间通信和GSM移动用户与其它通信网用户之间通信起着管理作用。NSS由一系列功能实体构成，整个GSM系统内部，即NSS的各功能实体之间和NSS与BSS之间都通过符合CCITT信令系统No.7协议和GSM规范的7号信令网路互相通信。

（1）移动业务交换中心（MSC）

移动业务交换中心（MSC）是网路的核心，它提供交换功能及面向系统其它功能实体：BSS、HLR、AUC、EIR、OMC和面向固定网（PSTN、ISDN、PSPDN、CSPDN）的接口功能，把移动用户与移动用户、移动用户与固定网用户互相连接起来。

MSC可为移动用户提供一系列业务：

电信业务。例如：电话、紧急呼叫、传真和短消息服务等；

承载业务。例如：3.1KHz电话，同步数据0.3kbit/s～2.4kbit/s及分组组合和分解（PAD）等；

补充业务。例如：呼叫前转、呼叫限制、呼叫等待、会议电话和计费通知等。

MSC还支持位置登记、越区切换和自动漫游等移动特征性能和其它网路功能。

（2）访问用户位置寄存器（VLR）

访问用户位置寄存器（VLR）是服务于其控制区域内移动用户的，存储着进入其控制区域内已登记的移动用户相关信息，为已登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要条件。VLR功能总是在每个MSC中综合实现的。

（3）归属用户位置寄存器（HLR）

归属用户位置寄存器（HLR）是GSM系统的中央数据库，存储着该HLR控制的所有存在的移动用户的相关数据。一个HLR能够控制若干个移动交换区域以及整个移动通信网，所有移动用户重要的静态数据都存储在HLR中，这包括移动用户识别号码、访问能力、用户类别和补充业务等数据。HLR还存储且为MSC提供关于移动用户实际漫游所在的MSC区域相关动态信息数据。这样，任何入局呼叫可以即刻按选择路径送到被叫的用户。

（4）鉴权中心（AUC）

鉴权中心（AUC）存储着鉴权信息和加密密钥，用来防止无权用户接入系统和保证通过无线接口的移动用户通信的安全。

AUC属于HLR的一个功能单元部分，专用于GSM系统的安全性管理。

（5）移动设备识别寄存器（EIR）

移动设备识别寄存器（EIR）存储着移动设备的国际移动设备识别码（IMEI），通过检查白色清单、黑色清单或灰色清单这三种表格，在表格中分别列出了准许使用的、出现故障需监视的、失窃不准使用的移动设备的IMEI识别码，使得运营部门对于不管是失窃还是由于技术故障或误操作而危及网路正常运行的MS设备，都能采取及时的防范措施，以确保网路内所使用的移动设备的唯一性和安全性。

2.基站子系统（BSS）

基站子系统（BSS）是GSM系统中与无线蜂窝方面关系最直接的基本组成部分。它通过无线接口直接与移动台相接，负责无线发送接收和无线资源管理。另一方面，基站子系统与网路子系统（NSS）中的移动业务交换中心（MSC）相连，实现移动用户之间或移动用户与固定网路用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。当然，要对BSS部分进行操作维护管理，还要建立BSS与操作支持子系统（OSS）之间的通信连接。

基站子系统是由基站收发信台（BTS）和基站控制器（BSC）这两部分的功能实体构成。基站子系统还应包括码变换器（TC）和相应的子复用设备（SM）。码变换器在更多的实际情况下是置于BSC和MSC之间，在组网的灵活性和减少传输设备配置数量方面具有许多优点。

（1）基站收发信台（BTS）

BTS属于BSS的无线部分，实现GSM营运系统通过空中接口与MS之间的无线传输及控制功能。

BTS由以下4部分组成：基带单元，完成所有的信号处理功能；载频单元，完成基带信号与无线信号的相互转换；控制单元完成所有的操作与维护功能；天馈单元，一个BTS负责一个小区的业务，一个BTS机架可以配置成多个BTS，一个站址可以配置多个机架。BTS与BSC通过Abis接口互连，Abis接口的物理介质是E1线路。

（2）基站控制器（BSC）

BSC是BSS的控制部分，负责BSS的各种接口管理，承担无线资源管理任务。

BSC主要由下列部分构成：无线资源管理部分、公共处理部分和电路交换部分。

无线资源管理部分：MSC侧的A接口或Ater接口（与码变换器相接）的数字中继控制部分；BTS侧Abis接口或BS接口控制部分。

公共处理部分：包括与操作维护中心相接的接口控制。

电路交换部分：码变换器和子复用设备（TCSM），TCSM一般位于MSC，以节省A接口中继资源。

3.操作维护子系统（OSS）

操作维护子系统（OSS）需完成许多任务，包括移动用户管理、移动设备管理以及网路操作和维护。

移动用户管理可包括用户数据管理和呼叫计费。用户数据管理一般由归属用户位置寄存器（HLR）来完成这方面的任务，HLR是NSS功能实体之一。用户识别卡SIM的管理也可认为是用户数据管理的一部分。呼叫计费可以由移动用户所访问的各个移动业务交换中心MSC和GMSC分别处理，也可以采用通过HLR或独立的计费设备来集中处理计费数据的方式。

移动设备管理是由移动设备识别寄存器（EIR）来完成的，EIR与NSS的功能实体之间是通过SS7信令网路的接口互连。

网路操作与维护是完成对GSM系统的BSS和NSS进行操作与维护管理任务的，完成网路操作与维护管理的设施称为操作与维护中心（OMC）。从电信管理网路（TMN）的发展角度考虑，OMC还应具备与高层次的TMN进行通信的接口功能，以保证GSM网路能与其它电信网路一起纳入先进、统一的电信管理网路中进行集中操作与维护管理。直接面向GSM系统BSS和NSS各个功能实体的操作与维护中心（OMC）归入NSS部分。

4.移动台（MS）

移动台就是移动客户设备部分，它由两部分组成，移动终端(ME)和客户识别卡（SIM）。

移动终端就是“机”，它可完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息发射和接收。

SIM卡就是“身份卡”，它类似于我们现在所用的IC卡，因此也称作智能卡，存有认证客户身份所需的所有信息，并能执行一些与安全保密有关的重要信息，以防止非法客户进入网路。SIM卡还存储与网路和客户有关的管理数据，只有插入SIM后移动终端才能接入进网，但SIM卡本身不是代金卡。

1.2.2.2区域划分

在小区制移动通信网中，基站设置很多，移动台又没有固定的位置，移动用户只要在服务区域内，无论移动到何处，移动通信网必须具有交换控制功能，以实现位置更新、越区切换和自动漫游等性能。

在由GSM系统组成的移动通信网路结构中，区域划分如图1-21所示。图1-21GSM区域定义

1．服务区

服务区是指移动台可获得服务的区域，即不同通信网（如PLMN、PSTN或ISDN）用户无需知道移动台的实际位置而可与之通信的区域。

一个服务区可由一个或若干个公用陆地移动通信网（PLMN）组成，可以是一个国家或是一个国家的一部分，也可以是若干个国家。

2.公用陆地移动通信网（PLMN）

PLMN是由一个公用陆地移动通信网（PLMN）提供通信业务的地理区域。PLMN可以认为是网路（如ISDN网或PSTN网）的扩展，一个PLMN区可由一个或若干个移动业务交换中心（MSC）组成。在该区内具有共同的编号制度（比如相同的国内地区号）和共同的路由计划。MSC构成固定网与PLMN之间的功能接口，用于呼叫接续等。

3.MSC区

MSC是由一个移动业务交换中心所控制的所有小区共同覆盖的区域构成PLMN网的一部分。一个MSC区可以由一个或若干个位置区组成。

4.位置区

位置区是指移动台可任意移动不需要进行位置更新的区域。位置区可由一个或若干个小区（或基站区）组成。为了呼叫移动台，可在一个位置区内所有基站同时发寻呼信号。

5.基站区

由置于同一基站点的一个或数个基站收发信台（BTS）包括的所有小区所覆盖的区域。

6.小区

采用基站识别码或全球小区识别进行标识的无线覆盖区域。在采用全向天线结构时，小区即为基站区。

1.2.3GSM接口和协议

1.2.3.1主要接口GSM系统的主要接口是指A接口、Abis接口和Um接口。如图1-22所示。这三种主要接口的定义和标准化能保证不同供应商生产的移动台、基站子系统和网路子系统设备能纳入同一个GSM数字移动通信网运行和使用。图1-22GSM系统的主要接口

1．A接口

A接口定义为网路子系统（NSS）与基站子系统（BSS）之间的通信接口，从系统的功能实体来说，就是移动业务交换中心（MSC）与基站控制器（BSC）之间的互连接口，其物理链接通过采用标准的2.048Mb/sPCM数字传输链路来实现。此接口传递的信息包括移动台管理、基站管理、移动性管理、接续管理等。

2．Abis接口

Abis接口定义为基站子系统的两个功能实体基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）之间的通信接口，用于BTS（不与BSC并置）与BSC之间的远端互连方式，物理链接通过采用标准的2.048Mb/s或64kbit/sPCM数字传输链路来实现。0所示的BS接口作为Abis接口的一种特例，用于BTS（与BSC并置）与BSC之间的直接互连方式，此时BSC与BTS之间的距离小于10米。此接口支持所有向用户提供的服务，并支持对BTS无线设备的控制和无线频率的分配。

3．Um接口（空口接口）

Um接口（空中接口）定义为移动台与基站收发信台（BTS）之间的通信接口，用于移动台与GSM系统的固定部分之间的互通，其物理链接通过无线链路实现。此接口传递的信息包括无线资源管理，移动性管理和接续管理等。

1.2.3.2NSS内部接口

网络子系统（NSS）由移动业务交换中心（MSC）、访问用户位置寄存器（VLR）、归属用户位置寄存器（HLR）等功能实体组成，因此GSM技术规范定义了不同的接口以保证各功能实体之间的接口标准化。其示意图如图1-23所示。图1-23网路子系统内部接口示意图

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