《通信原理与通信技术》课件第20章

第20章移动通信技术

20.1移动通信概述

20.2第一代移动通信系统

20.3第二代数字移动通信系统

20.4第三代移动通信系统20.5小资料——手机的发明

20.1移动通信概述

20.1.1移动通信的概念及特点

所谓移动通信，是指通信双方或至少一方是在运动中实现信息传输的过程或方式。例如移动体（车辆、船舶、飞机、人）与固定点之间或移动体之间的通信都属于移动通信。移动通信可以应用于任何条件之下，特别是在有线通信不可及的情况下（如无法架线、埋线缆等）更能显示出其优越性。由于是无线方式，并且是在运动中进行通信，因此形成了许多特点：

（1）移动通信的传输信道必然是无线信道。由于在通信中至少有一方处于运动状态，只能通过无线电波进行联络，因此移动通信也称移动无线电通信。

（2）具有复杂的电波传播环境。由于电波受到城市高大建筑物的阻挡等原因，移动台接收到的是多径信号。这种信号的幅度会发生快速和剧烈的衰落现象，而移动台又处于高速运动中的时候，就会加快衰落现象。另外，移动通信是在运动过程中进行的，移动台之间会出现近处移动台干扰远处移动台的远近效应现象。因此，一般要求移动台的发射功率具有自动调整的能力，同时移动台的接收机需要具有自动增益控制的能力。

（3）在强干扰下工作。移动台通信环境变化是很大的，经常处于强干扰区。例如，移动台附近的发射机可能对正在通信的移动台形成强干扰。又如，汽车在公路上行驶，本车和其他车辆的噪声所形成的干扰也相当严重。因此，要求移动通信具备很强的抗干扰能力。

（4）多普勒效应。运动中的移动台所接收的信号频率将随运动速度而变化，并会产生不同的频移（称为多普勒效应），从而造成接收点的信号场强不断变化，其变化范围可达20～30dB。

（5）环境条件差，对设备要求高。移动台长期处于运动中，尘土、振动、日晒雨淋的情况时常遇到，这就要求它必须有防振、防尘、防潮、抗冲击等能力。另外，由于移动台由用户直接操作，因此要求移动台体积小、重量轻、成本低，操作使用简便安全。

（6）用户数量大，频率有限。有限的频率资源决定了有限的信道数目，这和日益增长的用户数量形成一对矛盾。为了解决这个矛盾，除了开辟新的频段，缩小频道间隔之外，研究各种有效利用频率的技术和新的体制是移动通信面临的重要课题。

19.1.2移动通信系统的分类

1．按设备的使用环境分类

按这种方法分类主要有陆地移动通信、海上移动通信和航空移动通信三种类型。作为特殊使用环境，还有地下隧道矿井、水下潜艇和太空航天等移动通信。

2.按服务对象分类

按这种方法分类有公用移动通信和专用移动通信两种类型。在公用移动通信中，目前我国有中国移动和中国联通两家经营移动电话业务。由于它是面向社会各阶层人士的，因此称为公用网。专用移动通信是为保证某些特殊部门的通信所建立的通信系统，例如公安、消防、急救、防汛、交通管理、机场调度等。

3．按移动通信的工作方式分类

按这种方法分类有单工制、半双工制和双工制。单工制采用“按键”控制方式，通常双方接收机均处于守候状态。此工作方式设备简单、功耗小，但操作不方便，通话时容易产生断断续续现象，一般用于用户少的专用调度系统。半双工制是基站双工制工作，移动台单工制工作，信息双向传输使用两个频率，这种方式设备简单，功耗小，克服了通话断断续续现象，但操作仍不太方便。双工方式是指基站、移动台双方都能同时工作，任一方发话的同时可以接收对方的话音，蜂窝移动通信就是采用双工制。

4．按系统组成结构分类

（1）蜂窝状移动电话系统。蜂窝状移动电话是移动通信的主体，它是具有全球性且用户容量最大的移动电话网。

（2）集群调度移动电话。它可将各个部门所需的调度业务进行统一规划建设，集中管理，每个部门都可建立自己的调度中心台。它的特点是共享频率资源、通信设施、通信业务，共同分担费用。

（3）无中心个人无线电话系统。它没有中心控制设备，这是与蜂窝网和集群网的主要区别。它将中心集中控制转化为电台分散控制。由于不设置中心控制，故可以节约建网投资，并且频率利用率最高。系统采用数字选呼方式，采用共用信道传送信令，接续速度快。由于建网简易、投资低、性价比最高，因此适用于个人业务和小企业的单区组网分散小系统。

（4）公用无绳电话系统。它在公共场所（例如商场、机场、火车站）中使用，通过无绳电话的手机可以呼入市话网，也可以实现双向呼叫。它的特点是不适用于乘车使用，只适用于步行。

（5）移动卫星通信系统。把卫星作为中心转发台，各移动台通过卫星转发通信。20.1.3移动通信系统的组成

移动通信系统一般由移动台（MobileSet，MS）、基站（BaseStation，BS）、移动交换中心（MobileSwitchCenter，MSC）等组成，如图20－1所示。

图20－1移动通信系统构成示意图

1.移动台

移动台是移动通信系统用户使用的入网设备，主要有车载台、便捷台和手持台，它们都有收发信机和天线。每个移动台分为终端设备和用户身份卡两部分。每个移动台终端设备由一个独特的国际移动设备识别码（IMEI）来区别。当一个移动台被一用户使用时，它还有一个国际用户识别码（IMSI），可做到一个用户识别身份卡（SIM）中。

2.基站

基站是无线小区组织管理的核心，设有收、发信机和天线等设备，能与该小区内所有移动台进行通信。

每个基站都有一个可靠通信的服务范围，称为无线小区（通信服务区）。无线小区的大小主要由发射功率和基站天线的高度决定。根据服务面积的大小可将移动通信网分为大区制、中区制和小区制（CellularSystem）三种。

大区制是指一个通信服务区（比如一个城市）由一个无线区覆盖，此时基站发射功率很大（50W或100W以上，对手机的要求一般为5W以下），无线覆盖半径可达25km以上。其基本特点是只有一个基站，覆盖面积大，信道数有限，一般只能容纳数百到数千个用户。其主要缺点是系统容量不大。为了克服这一限制，适合更大范围（大城市）更多用户的服务，就必须采用小区制。

小区制为了克服大区制系统容量不大这一限制，适合更大范围（大城市）、更多用户的服务。小区制一般是指覆盖半径为2～10km的多个无线区链接合成而形成整个服务区的制式，此时的基站发射功率很小（8～20W）。由于通常将小区绘制成六角形（实际小区覆盖地域并非六角形），多个小区结合后看起来很像蜂窝，因此称这种组网为蜂窝网。用这种组网方式可以构成大区域大容量的移动通信系统，进而形成全省、全国或更大区域的系统。

小区制有以下四个特点：

（1）基站只提供信道，其交换、控制都集中在一个移动电话交换中心（MSC）。而大区制的信道交换、控制等功能都集中在基站完成。

（2）具有越区切换功能，即一个移动台从一个小区进入另一个小区时，要从原基站的信道切换到新基站的信道上来，而且不影响正在进行的通话。

（3）具有漫游（Roaming）功能，即一个移动台从本管理区进入到另一个管理区时，其电话号码不能变，仍然像在原管理区一样能够被呼叫到。

（4）具有频率再用的特点。所谓频率再用是指一个频率可以在不同的小区重复使用。由于同频信道可以重复使用，再用的信道越多，用户数也就越多，因此，小区制可以提供比大区制更大的通信容量。几种小区组网方式见图20－2。

图20－2几种小区组网方式（频率再用）

3.移动交换中心

移动交换中心是连接各个基站与市话网的纽带，主要用来处理信息的交换和整个移动通信系统的集中控制和管理。20.1.4移动通信中的多址技术

在蜂窝式移动通信系统中，有许多用户台要同时通过一个基站和其他用户台进行通信，因而必须对不同用户台和基站发出的信号赋予不同的特征，使基站能从众多用户台的信号中区分出是哪一个用户台发出来的信号，而各用户台又能识别出基站发出的信号中哪一个是发给自己的。解决这个问题的方法称为多址技术。无线多址通信是指在一个通信网内各个通信台、站共用一个指定的射频频道，进行相互间的多边通信，也称该通信网为各用户间的多元连接。

有差别才能鉴别，能鉴别才能选择。多址技术的基础是信号特征上的差异。一般来说，信号的这种差异可以表现在某些参数上，例如信号的工作频率、信号的出现时间以及信号具有的特定波形等，其要求是各信号的特征彼此独立，或者说正交，或者说任意两个信号波形之间的互相关函数等于0或接近0。

目前在移动通信系统中应用的多址方式与卫星通信多址方式相似，即频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）以及它们的混合应用方式。

模拟信号和数字信号都可以采用FDMA方式传输，而TDMA和CDMA则只能传送数字信息。如第一代移动通信的TACS系统采用FDMA方式；第二代移动通信的GSM系统采用TDMA/FDMA混合方式，目前的窄带CDMA系统采用CDMA/FDMA混合方式；第三代移动通信系统将采用TDMA方式及CDMA方式。

20.2第一代移动通信系统

第一代移动通信的主要特征为模拟技术，可分为蜂窝、无绳、寻呼和集群等多类系统，每类系统又有互不兼容的技术体制。它的发展可分为以下三个主要阶段：

(1)初级阶段：1946年到60年代中期，这一阶段移动通信的主要特点是容量小、用户少、人工切换，设备都采用电子管，体积大、耗电多。

(2)中级阶段：20世纪60年代中期到70年代中期，在这一阶段模拟移动通信系统有了较大的发展，如美国的改进型汽车电话系统。这一阶段的特点是实现了用户全自动拨号，采用了晶体管使设备体积变小、功耗降低，频段由原来的30MHz、80MHz发展到150MHz和450MHz，公安、消防、列车、新闻等行业出现了大量的专用移动通信系统。

(3)大规模发展阶段：20世纪70年代中期到80年代末出现了“蜂窝”系统，提高了系统容量和频率利用率。大规模集成电路和微机、微处理器的大量应用使系统功能更强，移动台更加小型化、功耗更低，话音质量大幅度提高；频段从450MHz发展到900MHz，频带间隔减小，提高了信道利用率。

20.3第二代数字移动通信系统

第二代数字移动通信系统（简称2G）是在20世纪80年代末引入的，主要特征是采用了数字技术，它提供了比第一代移动通信系统更高的频谱效率、更好的数据业务以及更先进的漫游功能。

第二代数字移动通信系统主要包括数字蜂窝移动系统（由GSM、DAMPS、CDMA三种系统构成）、数字无绳电话系统（由DECT、PHS等几种系统构成）和高速寻呼系统（由FLEX、APCO、ERMES三种系统构成）。本章将简要介绍大家所熟悉和常用的GSM和CDMA两种数字蜂窝移动系统。

20.3.1

GSM移动通信系统

20世纪80年代初期，当模拟移动通信系统刚投放市场时，欧洲的电信运营部门就发觉他们的汽车电话远不如他们的高速公路那样畅通。五六种系统将整个欧洲的蜂窝网割得四分五裂，根本不能形成规模效益。面对这一现状，欧洲电信运营部门于1982年成立了一个移动特别小组（GroupSpecialMobile，GSM），开始制定一种泛欧洲数字移动通信系统的技术规范。经过6年的研究、实验和比较，于1988年确定了包括采用TDMA技术在内的主要技术规范并且制定出实施计划。从1991年开始，这一系统在德国、英国和北欧许多国家投入试运行，吸引了全世界的广泛关注，使GSM向着全球移动通信系统的宏伟目标迈进了一大步。需要说明的是，目前对“GSM”还有另外一种解释，即全球移动通信系统（GlobalSystemforMobileCommunication）。

在GSM系统中既采用了TDMA技术，也采用了FDMA技术。具体来说，就是在GSM的25MHz带宽内，总共分为125个频道，一个频道（即一个载波）可同时传送8个话路，而一个频道占用200kHz带宽，即频道间隔为200kHz。这样，总共可容纳1000个用户。

我国参照GSM标准制定了自己的技术要求，主要内容有：使用900MHz频段，即890～915MHz（移动台―基站）和935～960MHz（基站、移动台），收发间隔45MHz；载频间隔200kHz，每载波信道数8个，基站最大功率300W，小区半径0.5～35km，调制类型GM－SK，传输速率270kb/s，手机的发射功率约为0.6W。

1.GSM系统的组成

GSM系统由若干个功能实体组成，每个实体完成特定的功能。其组成见图20－3。这些实体有移动台、基站收发信台、基站控制器、移动交换中心、外来用户位置寄存器、本地用户位置寄存器、鉴别中心、设备识别寄存器、操作和维修中心等。

图20－3

GSM通信系统组成

（1）移动台（MS）。移动台由用户设备构成，用户使用这些设备可接入蜂窝网中，得到所需要的通信服务。每个移动台都包括一个移动终端。根据通信业务的需要，移动台还可包括各种终端设备及终端适配器等。移动台分为车载台、便携台和手持机三种形式。

移动台有若干识别号码。作为一个完整的设备，移动台用国际移动设备识别码（IMEI）来独立识别。用户使用时，被分配一个国际移动用户识别码（IMS），并通过用户识别卡（SIM卡）实现对用户的识别。

（2）基站子系统（BSS）。BSS可分为基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。BTS包括无线传输所需的各种硬件和软件，如发射机、接收机、天线、接口电路及检测和控制装置；BSC是BTS与MSC之间的连接点，为BTS与MSC之间交换信息提供接口。BSC的主要功能是进行无线信道管理，实施呼叫和通信链路的建立和拆除，并为本控制区内移动台的越区切换进行控制。

（3）移动交换中心（MSC）。它是蜂窝通信网络的核心。在它所覆盖的区域中对MS进行控制，是交换的功能实体，也是移动通信系统与其他公用通信网之间的接口。它除了完成固定网中交换中心所要完成的呼叫控制等功能外，为了建立移动台的呼叫路由，每个MSC还应完成入口MSC（GMSC）的功能，即查询位置信息的功能。

（4）外来用户位置寄存器（VLR）。它是MSC为了处理所管辖区域中MS的来话呼叫，所需检索信息的数据库，VLR存储与呼叫处理有关的一些数据，例如用户的号码、处理过程中的识别、向用户提供本地用户的服务等参数。

（5）本地用户位置寄存器（HLR）。它是管理部门用于移动用户管理的数据库。每个移动用户都应在某个位置寄存器注册登记。HLR主要存储两类信息：一是有关用户的参数；二是有关用户当前位置的信息，以便建立至移动台的呼叫路由，例如移动台的漫游号码，VLR地址等。

（6）设备识别寄存器（EIR）。EIR是存储有关移动台设备参数的数据库，实现对移动设备的识别、监视与闭锁等功能。只有登记过设备识别号（即有权用户），才能得到通话服务。

（7）鉴别中心（AUC）。AUC负责认证移动用户的身份和密码，产生相应认证参数，有随机号码（RAND）、签字响应（SREC）、密钥（KC）等。AUC对任何试图入网的移动用户进行身份认证，只有合法用户才能接入网中并得到服务。

（8）操作和维修中心（OMC）。OMC是网络操作者对全网进行监控和操作的功能实体，例如系统的自检、报警与备用设备的激活，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，以及各种资料的收集、分析与显示等。

2.GSM系统中的接口

接口代表两个相邻实体之间的连接点，而协议是说明连接点上交换信息需要遵守的规则。为保证不同厂商提供的GSM系统基础设备能够互通、组网，GSM系统技术规范对其子系统之间及各功能实体之间的接口和协议作了较具体的定义。GSM系统遵守OSI协议，各层都有各自的协议规约。为便于实现国际漫游功能和开放ISDN数据通信业务，GSM系统引入了7号信令系统和信令网络。

（1）A接口。它定义为网络子系统(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MSC与BSC之间的接口，它通过2.048Mb/sPCM数字链路链接，传递移动台管理、基站管理、移动性管理、接续管理等信息。

A接口的物理层是数字传输2.048Mb/s的E1线路，数据链路层基于7号信令系统MTP2；网络层由MTP3和SCCP共同组成，提示使用SCCP的识别，负责识别高层消息。网络层以上的高层协议为BSSMAP(BSS管理应用部分)和DTAP(直接传送应用部分)。

（2）Abis接口。它定义为BSS中两个功能实体BSC和BTS之间的通信接口，用于BTS与BSC之间的远端互连方式，通过标准的2.048Mb/s或64kb/sPCM数字链路实现物理链接。

（3）Um接口(空中接口)。它又称空中接口，定义为MS与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，通过无线链路实现。此接口传递无线资源管理、移动性管理和接续管理等信息。

（4）B接口。它定义为访问用户位置寄存器(VLR)与移动业务交换中心(MSC)之间的内部接口，用于MSC向VLR询问有关MS当前位置信息，或者通知VLR有关MS的位置更新等信息。由于在实际运营中，MSC和VLR是集成在一起的，因此外部一般看不到B接口。

（5）C接口。C接口定义为归属用户位置寄存器(HLR)与移动业务交换中心(MSC)之间的接口，用于传递路由选择和管理信息。如果采用HLR作为计费中心，呼叫结束后建立或接收此呼叫的MS所在的MSC应把计费信息传送给该移动用户当前归属的HLR。一旦要建立一个至移动用户的呼叫时，入口移动业务交换中心(GMSC)应向被叫用户所属的HLR询问被叫移动台的漫游号码。C接口的物理链接方式与D接口相同。

（6）D接口。它定义为归属用户位置寄存器(HLR)与访问用户位置寄存器(VLR)之间的接口，用于交换有关移动台位置和用户管理的信息，为移动用户提供的主要服务是保证移动台在整个服务区内能建立和接收呼叫。实用化的GSM系统结构一般把VLR综合于MSC，而把HLR与鉴权中心(AUC)综合在同一个物理实体内。因此，D接口的物理链接是通过MSC与HLR之间的标准2.048Mb/s的PCM数字传输链路实现的。

（7）E接口。它定义为控制相邻区域的不同移动业务交换中心(MSC)之间的接口。当移动台(MS)在一个呼叫进行过程中，从一个MSC控制的区域移动到相邻的另一个MSC控制的区域时，为不中断通信，需完成越区信道切换过程。此接口用于切换过程中交换有关切换信息以启动和完成切换。E接口的物理链接方式是通过MSC之间的标准2.048Mb/s

PCM数字传输链路实现的。

（8）F接口。它定义为移动业务交换中心(MSC)与移动设备识别寄存器(EIR)之间的接口，用于交换相关的国际移动设备识别码管理信息。F接口的物理链接方式是通过MSC与EIR之间的标准2.048Mb/s的PCM数字传输链路实现的。

（9）G接口。它定义为访问用户位置寄存器(VLR)之间的接口。当采用临时移动用户识别码(TM

SI)时，此接口用于向分配临时移动用户识别码(TMSI)的VLR询问此移动用户的国际移动用户识别码(IMSI)的信息。G接口的物理链接方式与E接口相同。

（10）GSM与其他公用电信网的接口。其他公用电信网主要是指公用电话网(PSTN)、综合业务数字网(ISDN)、分组交换公用数据网(PSPDN)和电路交换公用数据网(CSPDN)。GSM系统通过GMSC与ISDN、PSPDN和CSPDN互连，其接口须满足CCITT的有关接口和信令标准及各国邮电运营部门制定的与这些电信网有关的接口和信令标准。

3.GSM系统的接续流程

(1)开机进入空闲模式

移动台开启电源，搜寻最强的广播控制信道(BCCH)载频，接收到频率校正信道(FCCH)信息，该信道负责给用户传送校正MS频率的信息，使移动台锁定到一个正确的载频频率上。

读取同步信道(SCH)信息：基站识别码(BSIC)和帧同步信息(超高帧TDMA帧号)。

移动台扫描一个“BCCH载频存储器”表，测出各载频信号强度，列出由6个最强载频组成的邻近小区场强分布表，并报告给BSS，以作切换小区选择。

(2)位置登记

开机登记。移动台开机后，接收广播信息LAI(位置区域识别码)，更新位置存储器内容；接着向被访服务区MSC／VLR发送位置登记报文，MSC／VLR接收并存储该移动台的位置信息。这时，MSC／VLR认为此MS被激活，其IMSI号码做“附着”标记。

(3)周期性登记。当MS发“关机”使“IMSI分离”的消息时，往往MSC／VLR收不到而仍认为“IMSI附着”。为此，系统采用强迫登记方式，例如要求移动台30s周期性登记一次，若系统收不到周期登记信息，MSC／VLR就给移动台标以“IMSI分离”。

(4)进入空闲模式。移动台完成位置登记以后，进入空闲模式，监听公共控制信道，可以随时发出主呼或接收被呼。

(5)移动台主呼。图20－4表示MS呼叫PSTN固定用户的接续过程。MS在随机接入信道(RACH)发出呼叫请求①后，BSS中的BSC通过允许接入信道(AGCH)为MS分配一个独立专用控制信道(SDCCH)②，MSC／VLR与MS经SDCCH建立信令连接，如鉴权、确立加密模式、TMSI再分配等③。然后，分配业务信道④，建立与确立PSTN／ISDN的连接信道⑤。最后，被叫用户摘机，进入通话状态⑥。

图20－4移动台主呼的接继过程

(6)移动台被呼

典型的固定用户呼叫移动用户的接续过程如图19－5所示。通过7号信令用户部分ISUP/TUP，从PSTN／ISDN①来的呼叫通过固定的途径送到最近的入口局MSC(GMSC)。GMSC是与固定网络相连接的MSC。GMSC询问HLR②、③，得到用户漫游所在区域的MSC地址。HLR询问当前为移动用户服务的VLR⑩，请求被访问VLR并获得被访问的MSC地址。GMSC从HLR获得被访问的MSC地址后，就可重新寻找路由建立至拜访MSC的呼叫④。该MSC咨询VLR以接收用户数据。由于准确的位置是未知的，MSC通过属于该MSC的一个或多个BSS⑥、⑦进行寻呼。得到⑧、⑨回答以后，则进行鉴权与加密。最后将呼叫连至MS，MS振铃，向主叫用户回送呼叫接通证实信号。移动用户摘机应答，向固定网发送应答信息，最后进入通话阶段

图20－5典型的固定用户呼叫移动用户的接续过程

4．GSM业务

GSM是一种多业务系统，可以依照用户的需要为用户提供各种形式的通信。习惯上，把语音业务与数据业务区别开，在语音业务中，信息是语音，而数据业务传送包括电文、图像、传真及计算机文件等在内的其他信息。除了这些传统的各种业务外，GSM还提供一些非传统的业务，如短消息业务。

一般来说，电信业务的定义不仅取决于所传信息的特征，还涉及到通信的其他特性，如传输结构、资费处理、用户的通信特点等。为用户提供的服务取决于以下三个独立因素：

（1）用户注册的业务。网络运营部门为用户提供了所有可能提供服务的项目，同时确定相应的费率，用户将按照自己的需要在其中进行选择并为之付费，网络运营部门也只为用户提供其注册登记的业务。

（2）网络能力。并不是所有的网络都能提供同样的服务范围，用户使用的业务可能会与他漫游进入的网络有关。

（3）用户的终端性能。有些业务需要用户终端的配合，例如传真业务在只有语音业务的终端就无法提供。

基本业务主要有如下几种：

（1）语音业务。语音业务是GSM提供的最重要的业务，它为GSM用户和其他所有与之联网的用户之间提供双向通话。紧急呼叫是由语音业务引伸出的一种特殊业务。它允许用户通过一个简单的固定步骤使电话接入紧急服务部门，如警察局或消防队，接入过程简单而统一。另一项从语音业务中派生出的业务是语音信箱业务。当电话无法接通(如无电关机、在盲区或在通话中)或是主叫用户直接接入语音信箱时，这种业务可以实现将语音存储起来，事后再由被叫的移动用户提取的功能。

（2）数据业务。GSM的数据业务既可以在GSM网内的用户间进行，也可以与公用电话网、综合业务数字网的用户进行。目前GSM网中开通的数据业务为低速数据业务，包括三类传真、智能用户电报、可视图文、计算机数据、短消息业务。

（3）承载业务。依据底层(OSI结构第1～3层)的协议完成信息的传递、接入、互通。

补充业务修改和添加了基本业务，它主要是允许用户能够选择网络对其呼叫的处理以及通过网络为用户提供信息，使用户能更充分地利用基本业务。GSM所提供的补充业务主要有如下几种：

（1）号码识别类补充业务：为用户提供有关呼叫号码识别的功能选择，具体包括主叫号码显示(CLIP)、主叫号码拒绝显示(CLIR)、恶意呼叫识别(MCI)等。

（2）呼叫提供类补充业务：为用户处理来话呼叫提供了功能选择，使用户可以根据需要处理来话，具体包括呼叫前转(CFU)、遇忙前转(CFB)、无应答前转(CFNRY)和不可及前转(CFNRC)等。

（3）呼叫完成类补充业务：为已经建立了呼叫的用户提供呼叫中对通话进行处理的选择，主要包括呼叫等待(CW)、呼叫保持(HOLD)等。

（4）多方通信类补充业务：支持用户同时与多个用户进行通信，主要有三方通话(3PTY)和会议电话(CONF)两种。

（5）集团类补充业务：代表是闭合用户群(CUG)，它可以将一些用户定义为用户群，实现对用户群内部通信和对外通信的区别对待。

（6）计费类补充业务：包括计费通知(AOC)、对方付费(REVC)等。

（7）呼叫限制类补充业务：为用户实现呼叫限制提供了多种选择。具体包括限制所有出局呼叫(BAOC)、限制所有入局呼叫(BAIC)、限制拨叫国际长途(BOIC)和漫游时限制所有入局呼叫(BAIC

ROAM)等。此类业务在使用时一般都有密码控制。

5．GPRS

GPRS(GeneralPacketRadioService，通用无线分组业务)是一种基于GSM系统的无线分组交换技术。GPRS主要是在移动用户和远端的数据网络之间提供一种连接，从而给移动用户提供高速的、端到端的、广域的无线IP和无线X.25业务。2000年12月21日，中国移动通信集团公司宣布正式启动称为“移动梦网”的GPRS网络建设，2001年6月，中国移动GPRS一期工程完成，2001年10月正式投入商用。

GPRS突破了GSM只能提供电路交换的思维方式，通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换。这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相当可观。GPRS手机的传输速度现在已达115kb/s，并且支持计算机和移动用户的持续连接，给GSM用户提供移动环境下的高速数据业务，还可以提供收发E

mail、Internet浏览等功能。另外GSM系统是按连接时间计费的，而GPRS只需要按数据流量计费，GPRS对网络资源的利用率远远高于GSM。

要实现GPRS网络，需要在传统的GSM网络中引入新的网络接口和通信协议。移动台则必须是GPRS移动台或GPRS／GSM双模移动台。

GPRS网络是基于现有的GSM网络来实现的。在现有的GSM网络中需要增加一些节点，如GGSN(GatewayGPRSSupportingNode，网关GPRS支持节点)、SGSN(ServingGPRSSupportingNode，服务GPRS支持节点)。GPRS基本结构如图20－6所示。

图20－6

GPRS基本结构

SGSN的主要作用是记录移动台的当前位置信息，对移动台进行鉴权和移动运行管理，建立移动台到GGSN的传输通道，接收基站子系统传送来的移动台的分组数据，即在移动台和GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收，并且进行计费和业务统计。

GGSN主要是起网关作用，它可以和多种不同的数据网络连接，如ISDN、PSPDN和LAN等。实际上，GGSN就是GPRS路由器。GGSN可以把GSM网中的GPRS分组数据包进行协议转换，从而把这些分组数据包传送到远端的TCP/IP或X.25网络。

GPRS分组数据是从基站发送到SGSN，而不像语音信号通过MSC连接到电话网中。SGSN和GGSN进行通信时，GGSN首先对分组数据进行相应的处理，后将其发送到目的网络，如Internet。当连接端收到来自Internet带有移动台地址的IP包时，IP包首先由GGSN接收，然后被转送到SGSN，并由SGSN传送到指定的移动台上。

通过GPRS可以在GSM系统上实现一系列新的应用，主要由于其能够以可变比特率提供数据连接，并且具有较高的带宽效率。另外通过使用同一分组传输技术，GGSN可为与GPRS相连的其他公众数据网关提供一个网关，从而实现不同网络间的互连。

GPRS系统主要有以下特点：

（1）资源利用率高。

在GSM网络中，GPRS首先引入了分组交换的传输4Z模式，使得原来采用电路交换模式的GSM传输数据方式发生了根本性的变化，这在无线资源稀缺的情况下显得尤为重要。按电路交换模式来说，在整个连接期内，用户无论是否传送数据都将独自占有无线信道。在会话期间，许多应用往往有不少的空闲时段，如上Internet浏览、收发E

mail等。对于分组交换模式，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。GPRS用户的计费以通信的数据量为主要依据，体现了“得到多少、支付多少”的原则。实际上，GPRS用户的连接时间可能长达数小时，却只需支付相对低廉的连接费用。

（2）传输速率高。

GPRS可提供高达115kb／s的传输速率(最高值为171.2kb／s)。这意味着在数年内，通过便携式计算机，GPRS用户能和ISDN用户一样快速地上网浏览，同时也使一些对传输速率敏感的移动多媒体应用成为可能。

(3)接入时间短。

分组交换接入时间缩短为少于1s，能提供快速即时的连接，可大幅度提高一些事务(如信用卡核对、远程监控等)的效率，并可使已有的Internet应用（如E

mail、网页浏览等）操作更加便捷、流畅。

（4）支持IP协议和X.25协议。

GPRS支持Internet上应用最广泛的IP协议和X.25协议。GPRS核心网络采用IP技术，可以方便地实现与Internet网的无缝连接。由于存在大量的分组数据网(PDN)，因此支持X.25协议可使已存在的X.25终端能够在GSM网络上继续使用。而且由于GSM网络覆盖面广，因此也使得GPRS能够提供Internet与其他分组网络的全球性无线接入。

20.3.2

CDMA移动通信系统

1．CDMA系统工作原理

CDMA（CodeDivisionMultipleAddress）是一种以扩频通信为基础的调制和多址连接技术。其基本原理是将欲传输的具有一定带宽的信息数据（信号），用一个带宽远远大于该信号带宽的高速伪随机码进行调制（相乘），使原数据信号的带宽被扩展（扩频），再经载波调制发射出去；在收信端，用相同的伪随机序列与接收信号相乘，进行相关运算，将扩频信号解扩，即还原成原始的窄带数据信号，从而完成通信任务。扩频通信具有隐蔽性、保密性、抗干扰等优点。CDMA蜂窝通信系统的原理如图20－7所示。

图20－7

CDMA扩频通信系统原理

2．CDMA系统中采用的关键技术

1）PN码技术

扩频通信关键是找到足够多的地址码，地址码必须有自相关特性，还有处处为0的互相关特性，同时还要有尽可能大的复杂度，以免被窃取到。但是要同时满足这些特征的码是任何一种编码序列都很难达到的。通过研究发现：用伪随机和伪噪声PN(Pseudo-Noise)码序列可以达到地址码的特征要求。产生PN码组的序列有m序列、M序列和Gold序列等。IS-95ACDMA系统使用的是m序列。

m序列又称为组最长线性反馈移位寄存器序列。m序列产生器是由n位移位寄存器、适当的抽头反馈和模2加法器组成的。m序列周期是P＝2n-1，有类似随机噪声的自相关特性，是一种伪随机序列。

(2)功率控制技术:在CDMA数字蜂窝系统中，由于信道地址码的互相关作用，将产生两方面的影响：一是任何一个信道将受到其他不同地址码信道的干扰，即多址干扰；二是距离接收机近的信道将严重干扰距离接收机远的信道，使近端强信号掩盖远端弱信号，这就是远近效应。CDMA系统是自干扰系统，它的系统只取决于系统所受的干扰大小，各种干扰积累都将减损系统的容量和质量。功率控制的目的是使系统既能维持高质量通信，又不对同频道的其他码分信道产生干扰。

CDMA系统的功率控制分为反向功率控制和正向功率控制，而反向功率控制又分为反向开环功率控制和反向闭环功率控制。

在正向功率控制中，基站通过移动台对正向误帧率的报告决定是增加发射功率还是减少发射功率。

反向开环功率控制是移动台根据接收功率的变化，估计由基站到移动台的传输损耗，迅速调节移动台发射功率。

反向闭环功率控制与开环功率控制有所不同，它是根据基站接收信噪比(或误码率)迅速调整移动台发送功率，以保证基站收到的信号足够强，同时对其他信道干扰最小。

（3）RAKE接收技术：移动通信系统中存在多径传播问题。多径传播容易引起多径衰落和时延扩展，严重影响接收信号的质量。RAKE接收技术是一种针对宽带系统的较为完善的多径接收方法，它不是把多径信号看作干扰信号，而是利用多径信号，分辨出几路最强的信号，合并接收，从而进一步改善了系统性能。RAKE接收机使用多个并行相关器跟踪和接收多径信号。

（4）软切换技术：在CDMA系统中，其相邻小区工作频率采用同一频率，这样用户越区切换不需要更换频道，而只需要改变地址码，使得移动台可以先和新基站建立起连接后，再断开与原基站的连接。

（5）话音编码技术：Q－CDMA系统的话音编码采用的是QCELP(Qualcomm码激励线性预测)话音编码技术，这是一种改进的混合编码方式，所以既具有波形编码的高质量、高保真度和高自然度，又具有参量编码的低速率性。QCELP可以实现可变速率话音编码，编码速率有8kb/s和13kb/s两种。其中，13kb/s的话音质量已经达到固定长途电话的话音效果。

3．CDMA系统的主要优点

CDMA系统采用码分多址技术及扩频通信的原理，可在系统中使用多种先进的信号处理技术，为系统带来许多优点。

（1）大容量。根据上述理论计算以及现场试验表明，CDMA系统的信道容量是模拟系统的10~20倍，是TDMA系统的4倍。CDMA系统大容量的很大一部分因素是由于它的频率复用系数远远超过其他制式的蜂窝系统，另外一个主要因素是它使用了话音激活和扇区化等技术。

（2）软容量。在FDMA、TDMA系统中，当小区服务的用户数达到最大信道数时，满载的系统绝对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。而在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。例如系统经营者可在话务量高峰期将误帧率稍微提高，从而增加可用信道数。

体现软容量的另一种形式是小区呼吸功能。所谓小区呼吸功能，就是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。这项功能对切换也特别有用，避免信道紧缺而导致呼叫中断。CDMA系统还可提供多级服务。如果用户支付较高费用，则可获得更高档次的服务。

（3）软切换。所谓软切换，是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。由于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。软切换可以有效地提高切换的可靠性，大大减少切换造成的掉话。同时，软切换可以提供分集，从而保证通信的质量。

（4）高话音质量和低发射功率。从第1章的香农公式可知，在信道容量一定的情况下，信道带宽和信噪比可以互换，若加大信道带宽，则可适当地减小信号功率。CDMA所采用的扩频通信原理正是基于这一点，它将信号带宽扩展（信道带宽当然也要加大）从而降低了对信号功率的要求。GSM手机的功率一般可以控制在600mW以下，而CDMA系统的发射功率最高只有200mW，正常通话功率可控制在零点几毫瓦。另外，由于CDMA系统中采用有效的功率控制技术，强纠错能力的信道编码，以及多种形式的分集技术，可使基站和移动台以非常节约的功率发射信号，延长手机电池使用时间，同时获得优良的话音质量，也使手机享有“绿色”手机的美誉。

（5）话音激活。统计表明，人们在通话过程中，只有35%的时间在讲话，其余时间处于听对方讲话、停顿或其他等待状态。在CDMA系统中，所有用户共享同一个无线频道，当某一个用户没有讲话时，该用户的发射机不发或减小发射功率，其他用户所受到的干扰就相应地减少。为此，在CDMA系统中，采用相应的编码技术，使用户的发射机所发射的功率随着用户语音编码的需求来做调整，这就是语音激活技术。在蜂窝移动通信系统中采用语音激活技术可以使各用户之间的干扰平均减少65%。

（6）保密性好。码分多址数字移动通信系统的体制本身就决定了它有良好的保密能力，首先在CDMA数字移动通信系统中必须采用扩频技术，发射信号的频谱被扩展，从而发射信号完全隐蔽在噪声、干扰之中，不易被发现和接收；其次在通信过程中，各移动用户所使用的地址码各不相同，在接收端只有与之完全相同（包括码型和相位）的用户才能接收到相应的数据，对非相关的用户来说是一种噪声。所以CDMA系统可以防止有意或无意的窃取，具有很好的保密性能。同时，CDMA的数字话音信道还可以将数据加密标准或其他标准的加密技术直接引入。

20.4第三代移动通信系统

第二代移动通信提供的业务主要是话音、短消息和传真等数据业务。随着信息技术的迅猛发展，特别是通信技术与计算机技术的相互融合，人们对移动通信提出了更高的要求，主要有以下几点：

（1）要求移动通信也能提供综合化的信息业务，如话音、图像、数据等具有多媒体特征的移动通信业务。

（2）要求移动通信与Internet网结合起来，实现无线宽带化，使用户随时随地接入Internet网，如手机上网。

（3）解决系统容量飞速膨胀与频率资源有限的矛盾。

（4）随着经济全球化，人们活动范围越来越大，跨国界通信越来越多，这也要求移动通信必须实现全球无缝覆盖和全球漫游。

为满足上述要求，第3代移动通信系统（3G）应运而生。第三代移动通信系统是指国际电信联盟ITU在1985年提出的未来公用陆地移动通信系统FPLMTS，1996年更名为IMT2000，意为工作在2000Hz频段，在2000年之后投入商用的全球移动通信系统。

第三代移动通信系统将能够提供目前只有固定接入才能实现的更先进的业务和更高的数据速率，以及一系列新业务。此外，第三代移动通信系统已将“全球漫游”作为一项关键要求，从而可为全球移动用户开创更广泛的市场，挖掘更大的设备（尤其是用户设备）使用潜力，并提高经济效益。

其中TD－SCDMA系统是我国向国际电信联盟(ITU)提交并被接纳的标准。采用时分双工(TDD)、时分多址／码分多址(TDMA／CDMA)方式，基于同步CDMA、智能天线、多用户检测(JD)、正交可变扩频系数、Turbo编码技术等新技术。该系统基于GSM系统，并可以由GSM系统平滑过渡到TD－SCDMA。

W－CDMA系统是由日本和欧洲方案融合而成的标准。其技术特点是频分双工(FDD)，采用直接序列码分多址(DS－CDMA)方式，码片速率为3.84Mb/s，载波带宽为5MHz。W－CDMA也是基于GSM系统的第三代移动通信系统。GSM系统可以通过引入GPRS系统最终平滑过渡到W－CDMA系统。

CDMA2000是由美国提出的基于窄带CDMA(IS－95N－CDMA)的第三代移动通信系统。主要可以保护窄带CDMA的投入，最大限度地利用了成熟的CDMA技术，相对来说，技术复杂程度较低、风险小，系统平滑过渡升级的成本较小。但由于目前窄带CDMA的市场非常小，缺乏主流市场的支持，在未来的应用中将面临巨大的市场挑战。第三代移动通信系统的所有标准已在2000年内全部制定完成。图20-83G手机20.4.1第三代移动通信系统的特点

1．具有支持多媒体业务的能力

现有移动通信系统主要以提供语音业务为主，随着发展，一般也仅能提供100～200kb/s的数据业务，GSM演进到最高阶段的速率为384kb/s。而第三代移动通信的业务能力将比第二代有明显的改进，它能支持从语音到分组数据再到多媒体业务，并能提供更高的带宽。

ITU规定的第三代移动通信无线传输技术的最低要求中，必须满足在以下三种要求，即：

（1）快速移动环境，最高速率达144kb/s；

（2）室外到室内或步行环境，最高速率达384kb/s；

（3）室内环境，最高速率达2Mb/s。

传输速率能按需分配，并且上下行链路传输速率适合于对称及不对称业务的需求。

2．全球普及与全球无缝漫游

第二代移动通信系统一般分为区域或国家标准，而第三代移动通信系统将是一个在全球范围内覆盖和使用的系统。它将使用共同的频段(1992年，ITU给第三代移动通信分配的核心频段包括1885~2025MHz和2110～2200MHz共230MHz。在WRC

2000会议上，ITU又扩展使用频段分为806～960MHz、1710～1885MHz和2500～2690MHz)。网络的灵活性及无缝覆盖能力是具有全球漫游功能的袖珍终端随时接入系统并得到服务的质量保证。

3．便于过渡、演进

由于第三代移动通信引入时，第二代网络已具有相当规模，2G系统已实现全球覆盖和漫游，因此第三代网络一定要能在第二代网络的基础上逐渐灵活演进而成，并应与固定网络兼容，对于保护广大运营商和用户的利益、充分利用现有网络资源有重要意义。

4．高频谱效率

第三代移动通信系统频谱效率是指在30MHz带宽内的语音业务容量及信息容量。对于具有多种业务功能的系统，频率资源非常宝贵，当前频率资源紧张已成为制约移动通信发展的瓶颈，因此要求3G系统必须具有较高的频谱利用率和网络效率，以支持今后用户量增加和提供各种业务。同时，应尽可能降低没备成本，减少网络投资费用。

5．高服务质量

服务质量是衡量系统性能的重要指标。它通常用传输时延、误码率／误帧率来评价。传输误码率(BER)方面，移动语音和视频图像业务要求BER<10-3；数据业务要求无线接入系统的BER<10-6；无线传输系统的误码率性能比固定通信网络差一些，因此要求移动通信的语音编码器和数据适配器应能适应高误码率，以保证必需的服务质量。

6．适应各种无线运营环境

能适用于多种无线运营环境，主要包括自然环境和移动环境。自然环境(小区结构)主要包括通信容量极高的室内微蜂窝小区、城市中心人口密集地带的微蜂窝小区以及农村和边远地区的宏蜂窝小区，以后还能直接与卫星连接，实现全球覆盖的更大范围通信。移动通信的移动环境是指通信终端处于静止、步行和在汽车、火车、飞机等移动载体上的通信。对于一个适应性良好的移动通信系统，要求在所有无线和移动通信可能存在的环境中，都能保持比较高的频谱利用率、网络效率、通信质量和业务容量。

20.4.2第三代移动通信系统提供的业务

根据ITU建议，IMT－2000提供的业务类型分为五种：

（1）话音业务：典型的语音对称业务，其上、下行链路数据速率为16kb/s，属电路交换业务。

（2）简单消息：对应于短消息(SMS)业务，它的速率为14kb/s，属于分组交换。

（3）交换数据：