《通信网理论与技术》课件第4章

第4章移动通信网4.1概述4.2GSM数字蜂窝移动通信网4.3CDMA数字蜂窝移动通信网4.4集群移动通信网4.5无线寻呼网4.6公用无绳电话网4.7IMT-2000第三代移动通信系统4.1概

述

4.1.1移动通信网的发展过程

(1)第一阶段从20世纪20年代至40年代,为早期发展阶段。在这期间,首先在短波几个频段上开发出专用移动通信系统,其代表是美国底特律市警察使用的车载无线电系统。该系统工作频率为2MHz,到40年代提高到30～40MHz,可以认为这个阶段是现代移动通信的起步阶段。其特点是为专用系统开发,工作频率较低。

(2)第二阶段从20世纪40年代中期至60年代初期。在此期间内,公用移动通信业务开始问世。1946年,根据美国联邦通信委员会(FCC)的计划,贝尔系统在圣路易斯城建立了世界上第一个公用汽车电话网,称为“城市系统”。当时使用三个频道,间隔为120kHz,通信方式为单工,随后,西德(1950年)、法国(1956年)、英国(1959年)等国相继研制了公用移动电话系统。美国贝尔实验室完成了人工交换系统的接续问题。这一阶段的特点是从专用移动网向公用移动网过渡,接续方式为人工,网的容量较小。

(3)第三阶段从20世纪60年代中期至70年代中期。在此期间,美国推出了改进型移动电话系统(IMTS),使用150MHz和450MHz频段,采用大区制、中小容量,实现了无线频道自动选择并能够自动接续到公用电话网。德国也推出了具有相同技术水平的B网。可以说,这一阶段是移动通信系统改进与完善的阶段,其特点是采用大区制、中小容量,使用450MHz频段,实现了自动选频与自动接续。

(4)第四阶段从20世纪70年代中期至80年代中期。这是移动通信蓬勃发展的时期。1978年底,美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统(AMPS),建成了蜂窝状移动通信网,大大提高了系统容量。1983年,首次在芝加哥投入商用。同年12月,在华盛顿也开始启用。之后,服务区域在美国逐渐扩大。到1985年3月已扩展到47个地区,约10万移动用户。其他工业化国家也相继开发出蜂窝式公用移动通信网。日本于1979年推出了800MHz汽车电话系统(HAMTS),在东京、大阪、神户等地投入商用。西德于1984年完成C网,频段为450MHz。英国在1985年开发出全地址通信系统(TACS),首先在伦敦投入使用,以后覆盖了全国,频段为900MHz。法国开发出450系统。加拿大推出450MHz移动电话系统MTS。瑞典等北欧四国于1980年开发出NMT-450移动通信网,并投入使用,频段为450MHz。

(5)第五阶段从20世纪80年代中期开始。这是数字移动通信系统发展和成熟的时期。以AMPS和TACS为代表的第一代蜂窝移动通信网是模拟系统。模拟蜂窝网虽然取得了很大成功,但也暴露了一些问题。例如,频谱利用率低,移动设备复杂,费用较贵,业务种类受限制以及通话易被窃听等,最主要的问题是其容量已不能满足日益增长的移动用户需求。解决这些问题的方法是开发新一代数字蜂窝移动通信系统。数字无线传输的频谱利用率高,可大大提高系统容量。另外,数字网能提供话音、数据等多种业务服务,并与ISDN等兼容。4.1.2移动通信网的组成蜂窝移动通信系统要实现移动用户与市话用户、移动用户与移动用户,以及移动用户与长途用户之间的通信,必须包括无线传输、有线传输以及信息的收集、处理和存储等,使用的主要设备有无线收发信机、交换控制设备和移动终端设备等。图4.1是典型的蜂窝移动通信系统示意图。移动通信网包括交换网络分系统、基站分系统和大量移动用户终端,是一个完整的信息传输实体。移动通信服务是由许多正六边形小区组成的,呈蜂窝状。

移动通信网通过接口与公众通信网互连。

图

4.1蜂窝移动通信系统

(1)交换网络分系统(NSS)。它包括移动交换中心(MSC)、拜访位置寄存器(VLR)、归属位置寄存器(HLR)、鉴权中心(AC)、操作管理中心(OMC)和短消息中心(SME)等部分。它是移动通信系统的集中控制与交换中心,也是与公众网的接口。MSC负责交换移动台(MS)各种类型的呼叫，提供连接维护管理中心接口，通过标准接口与基站(BS)和其他MSC连接。移动交换中心控制的区域称为MSC控制区。MSC还具有支持移动台越区切换、

MSC控制区之间的漫游以及计费功能。

(2)基站分系统(BSS)。它包括一个基站控制器(BSC)和其控制的若干个基站收发信系统(BTS)。它负责管理无线资源,实现固定网与移动网之间的通信连接,传输系统信号和用户信息。BSC单元用来与MSC进行数据通信,与MS在无线信道上进行数据传输。BTS属于BSS的无线部分,由基站控制器(BSC)控制,服务于某个小区的无线收发信设备,完成BSC与无线信道之间的转换,实现BTS与移动台(MS)之间通过空中接口的无线传输及相关的控制功能。BTS主要由基带部分、载频单元、控制单元三大部分组成,一个BTS含有若干个收发信单元(TRX),其数目与分配给该小区的载频数相同,它与需要同时通话的用户数有关。BSS与MSC之间采用PCM链路传输数据信号,有时也可利用光缆或数字微波中继方式传输。

(3)移动台(MS)。它是移动通信系统不可缺少的一部分,有车载式、手持式、便携式三种形式。移动台应包括移动台物理设备和智慧部件两部分。移动台由收发信机、频率合成器、数字逻辑单元、拨号按钮和送/受话器等组成。它可以自动扫描基站载频、响应寻呼、自动更换频率和自动调整发射功率等。当移动用户与市话用户建立呼叫时,移动台与最近的基站之间确立一个无线信道,并通过MSC与市话通话。同样地,任何两个移动用户间的通话也是通过MSC建立的。为使读者清楚地了解移动通信网与固定电话网的互连,以及移动通信在城市公众通信网中的地位,图4.2给出了公众通信网示意图。

图

4.2公众通信网

4.1.3蜂窝网的构成若将一个移动通信服务区划分成许多小区(Cell),每个小区设立基站,与用户移动台之间建立通信,小区的覆盖半径较小,可从几百米至几十千米。如果基站采用全向天线,覆盖区实际上是一个圆,但从理论上说,图形小区邻接处会出现多重覆盖或无覆盖,有效覆盖整个平面区域的实际上是圆的内接规则多边形,这样的规则多边形有正三角形、正方形、正六边形三种,如图4.3所示。显然,正六边形最接近圆形,对于同样大小的服务区域,采用正六边形小区数最少,所需频率组数也最少。因而正六边形组网是最经济的方式。正六边形的网络形同蜂窝,蜂窝网亦由此得名。应该说明,正六边形小区图形仅仅具有理论分析和设计意义,实际中的基站天线覆盖区不可能是规则正六边形。图4.4给出了一个蜂窝网的展开图形。

图4.3小区的形状(a)正三角形；

(b)正方形；

(c)正六边形

图

4.4蜂窝小区覆盖

当蜂窝移动通信系统覆盖区内的部分地区业务量增长时,可将该部分的蜂窝小区分裂成多个较小的区域,这种做法叫小区的分裂。图4.5为用户分布密度不等时基站覆盖区划分的情形,中心区用户密度高,基站覆盖区小,所提供服务的信道数相对较多;边缘区用户密度低,基站覆盖区大,所提供服务的信道数相对较少。采用蜂窝分裂的方法,有限的频率资源通过缩短同频复用距离使单位面积的频道数增多,系统容量增大。具体实施方法有两种:一是在原基站基础上采用方向性天线将小区扇形化,如图4.6(a)、

(b)和(c)所示。

图4.5用户分布密度不等时基站覆盖区的划分图4.6小区分裂方案120°扇形小区;(b)60°扇形小区;(c)三叶草形无线区；(d)增加新基站后的小区

4.2GSM数字蜂窝移动通信网

4.2.1系统组成蜂窝移动通信系统主要是由交换网络子系统(NSS)、无线基站子系统(BSS)和移动台(MS)三大部分组成,如图4.7所示。其中NSS与BSS之间的接口为A接口,BSS与MS之间的接口为Um接口。在模拟移动通信系统中,TACS规范只对Um接口进行了规定,而未对A接口做任何的限制。因此,各设备生产厂家对A接口都采用各自的接口协议,对Um接口遵循TACS规范。也就是说,NSS系统和BSS系统只能采用一个厂家的设备,而MS可用不同厂家的设备。

图

4.7蜂窝移动通信系统的组成

GSM系统框图如图4.8所示。其中，A接口往右是NSS系统,它包括有移动业务交换中心(MSC)、拜访位置寄存器(VLR)、归属位置寄存器(HLR)、鉴权中心(AUC)和移动设备识别寄存器(EIR)。A接口往左至Um接口是BSS系统,它包括有基站控制器(BSC)和基站收发信台(BTS)。Um接口往左是移动台部分(MS),其中包括移动终端(MS)和客户识别卡(SIM)。

图

4.8GSM系统框图

1.交换网络子系统(NSS)

(1)移动业务交换中心(MSC):它是GSM系统的核心,是对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制和完成话路交换的功能实体,也是移动通信系统与其他公用通信网之间的接口。它可完成网络接口、公共信道信令系统和计费等功能,还可完成BSS、MSC之间的切换和辅助性的无线资源管理、移动性管理等。另外,为了建立至移动台的呼叫路由,每个MS还应能完成入口MSC(GMSC)的功能,即查询位置信息的功能。

(2)拜访位置寄存器(VLR):它是一个数据库,用于存储MSC为了处理所管辖区域中MS(统称拜访客户)的来话、去话呼叫所需检索的信息。例如客户的号码,所处位置区域的识别,向客户提供的服务等参数。

(3)归属位置寄存器(HLR):它也是一个数据库,用于存储管理部门用于移动客户管理的数据。每个移动客户都应在其归属位置寄存器(HLR)注册登记。它主要存储两类信息，一是有关客户的参数;二是有关客户目前所处位置的信息,以便建立至移动台的呼叫路由,例如MSC、VLR地址等。

(4)鉴权中心(AUC):用于产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需鉴权、加密的三参数(随机号码RAND,符合响应SRES,密钥Kc)的功能实体。

(5)移动设备识别寄存器(EIR):它也是一个数据库,用于存储有关移动台设备的参数。它主要完成对移动设备的识别、

监视、闭锁等功能,以防止非法移动台的使用。

2.无线基站子系统(BSS)

BSS系统是在一定的无线覆盖区中由MSC控制,与MS进行通信的系统设备,它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。功能实体可分为基站控制器(BSC)和基站收发信台(BTS)。

(1)基站控制器(BSC):它具有对一个或多个BTS进行控制的功能,主要负责无线网络资源的管理、小区配置数据的管理、功率控制、定位和切换等,是一个很强的业务控制点。

(2)基站收发信台(BTS):无线接口设备,它完全由BSC控制,主要负责无线传输,完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。

3.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(MS)和客户识别卡(SIM)。移动终端就是“机”,它可完成语音编码、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络。SIM卡还存储与网络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卡本身不是储值卡。

4.操作维护子系统(OMC)

GSM系统还有一个操作维护子系统(OMC)。它主要用于对整个GSM网络进行管理和监控。通过它实现对GSM网内各种部件功能的监视、状态报告、故障诊断等功能。

4.2.2GSM网络结构

1.移动话路网结构

1)全国网全国GSM移动电话网按大区设立一级汇接中心、省内设立二级汇接中心、移动业务本地网设立端局构成三级网络结构。它与PSTN网(公用电话网)的连接关系参见图4.9。从图中可见,三级网络结构组成了一个完全独立的数字移动通信网络。GSM数字移动通信网与PSTN网相重叠。当然,公用电话网还有它的国际出口局,而GSM数字移动通信网却无国际出口局,国际间的通信仍然还需借助于公用电话网的国际局。

图

4.9GSM网与PSTN网连接示意图

2)省内网省内GSM移动通信网由省内的各移动业务本地网构成。省内设若干个移动业务汇接中心(即二级汇接中心),汇接中心之间为网状网结构,汇接中心与移动端局之间成星型网。根据业务量的大小,二级汇接中心可以是单独设置的汇接中心(即不带客户,都有至基站的接口,只作汇接),也可兼作移动端局(与基站相连,可带客户)。省内GSM移动通信网中一般设置两、三个移动汇接局较为适宜,最多不超过四个,每个移动端局至少应与省内两个二级汇接中心相连,如图4.10所示。

任意两个移动交换局之间若有较大的业务量时,可建立话音专线。

图

4.10省内GSM移动通信网结构示意图

3)移动业务本地网全国可划分为若干个移动业务本地网,划分的原则是长途区号为2位或3位的地区为一个移动业务本地网。每个移动业务本地网中应设立一个HLR(必要时可增设HLR,HLR可以是有物理实体的,也可是虚拟的,即几个移动业务本地网公用同一个物理实体HLR,HLR内部划分成若干个区域,每个移动业务本地网用一个区域,由一个业务终端来管理)和一个或若干个移动业务交换中心(MSC),还可以几个移动业务本地网共用一个MSC,见图4.11。

图

4.11GSM移动业务本地网结构示意图

2.移动信令网结构

GSM移动信令网是我国No.7信令网的一部分。信令网由信令链路(SL)、信令点(SP)和信令转接点(STP)组成。我国移动信令网也采用与话路网类似的三级结构(见图4.12):第一级为最高级,称为高级信令转接点(HSTP);第二级为低级信令转接点(LSTP);第三级为信令点(SP)。

图

4.12GSM信令网结构图

移动通信网的专用高级信令转接点(HSTP)设置在大区一级移动业务汇接中心,专用的低级信令转接点(LSTP)设置在各省二级移动业务汇接中心,移动业务本地网中的每个MSC／VLR、EIR、HLR／AUC、SCH和BSC设置信令点。各大区只设置一个专用HSTP,呈单星型结构,HSTP之间以网状网互连。各省专用LSTP连接到本大区中心的专用HSTP上,LSTP间一般不直接相连。各移动业务本地网的SP点至少应连接到本省的两个LSTP点上,LSTP根据业务量可单独设置或合设在省内二级汇接中心内。图4.13表示了我国邮电部门近期数字移动通信网的信令网结构示意图。

图

4.13中国移动近期GSM信令网结构

4.2.3GSM频率的配置

GSM系统包括900MHz和1800MHz两个频段。早期使用的是GSM900频段,随着业务量的不断增长,DCS1800频段投入使用。目前,在许多地方这两个频段的网络同时存在,构成“双频”网络。在我国,这两个频段又被分给了中国移动和中国联通两家移动运营商。

GSM使用的900MHz、1800MHz频段介绍如表4.1所示。

表4.1GSM使用的900MHz、1800MHz频段

GSM蜂窝系统采用时分多址/频分多址/频分双工(TDMA/FDMA/FDD)制式。频道间隔为200kHz,每个频道采用时分多址接入方式,共分为8个时隙,时隙宽度为0.577ms。8个时隙构成一个TDMA帧,帧长为4.615ms。当采用全速率话音编码时,每个频道提供8个时分信道;将来采用半速率话音编码后,每个频道可容纳16个半速率信道,从而达到提高频率利用率、增大系统容量的目的。收、发采用不同的频率,一对双工载波上下行链路各用一个时隙构成一个双向物理信道,根据需要分配给不同的用户使用。移动台在特定的频率上和特定的时隙内,以猝发方式向基站传输信息,基站在相应的频率上和相应的时隙内以时分复用的方式向各个移动台传输信息。

4.3CDMA数字蜂窝移动通信网

4.3.1CDMA的基本概念

CDMA给每一个用户分配一个惟一的码序列(扩频码),并用它对承载信息的信号进行编码。知道该码序列的用户接收机对收到的信号进行解码,并恢复出原始数据,这是因为该用户码序列与其他用户码序列的互相关性是很小的。由于码序列的带宽远大于所承载信息的信号的带宽,编码过程扩展了信号的频谱,因而也称为扩频调制,其所产生的信号也称为扩频信号。CDMA通常也用扩频多址(SSMA)来表征。因此,对扩频信号的产生及其性能的了解就十分重要。

扩频调制技术必须满足两条基本要求:

(1)所传信号的带宽必须远大于信息的带宽。

(2)所产生的射频信号的带宽与所传信息无关。所传信号的带宽Bt与信息带宽Bi之比称为扩频系统的处理增益Gp(Gp=Bt/Bi)。接收机采用相同的扩频码与收到的信号进行相关运算,恢复出所携带的原始信息。由于扩频信号扩展了信号的频谱,所以它具有一系列不同于窄带信号的性能:(1)多址能力。(2)抗多径干扰的能力。(3)隐私性能。(4)抗人为干扰的能力。(5)低载获概率的性能。(6)抗窄带干扰的能力。

图

4.14CDMA扩频调制方式示意图

4.3.2扩频通信原理扩频通信系统的基本原理如图4.15所示。从图(a)中可以看出,输入数字信号ak(t)经过调制(如PSK调制,速率Ri)后获得窄带已调信号bk(t),然后该信号再与高速的伪随机序列(PN码,速率Rc,Rc>>Ri)ck(t)进行调制。此时输出信号Sk(t)的带宽将远大于传输信息的频谱宽度,因而称此过程为扩频。然后将Sk(t)信号送至上变频(U/C)器中将其转换成射频信号进行发射。

在接收端,则将接收下来的射频信号送至下变频器(U/C)变频,输出中频信号S(t),此信号中夹杂着干扰和噪音信号。此时将此中频信号用与发端PN码序列ck(t)相同的本地PN序列cm(t)进行扩频解调(解扩),还原出窄带信号bm(t)。bm(t)再经过信息解调,将恢复出原数字信号am(t)。而通信过程中混入的干扰信号和无用信号经过解扩后被展宽为宽带信号,再经过信息解调后送至窄带滤波器,有用信号带外的干扰分量均被滤除,从而降低了干扰信号的强度,改善了输出信噪比。扩频、解扩过程中信号频谱变换情况见图4.15(b)。图4.15扩频通信的基本原理(a)扩频通信系统结构；

(b)信号频谱变换

4.3.3CDMA蜂窝移动通信网的特点

与FDMA和TDMA相比,CDMA具有许多独特的优点,其中一部分是扩频通信系统所固有的,另一部分则是由软切换和功率控制等技术所带来的。CDMA移动通信网由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再用等几种技术结合而成,含有频域、时域和码域三维信号处理的协作,因此它具有抗干扰性好,抗多径衰落,保密安全性高,同频率可在多个小区内重复使用,所要求的载干比(C/I)小于1,容量和质量之间可做权衡取舍等属性。这些属性使CDMA比其他系统更有优势，主要表现在以下几个方面：

(1)系统容量大。理论上CDMA移动网的系统容量比模拟网的大20倍。实际中比模拟网的大10倍,比GSM网的大4～5倍。

(2)系统容量的灵活配置。这与CDMA的机理有关。CDMA是一个自扰系统,所有移动用户都占用相同的带宽和频率。我们打个比方,将带宽想象成一个大房子，所有的人将进入这惟一的大房子，如果他们使用完全不同的语言,他们就可以清楚地听到同伴的声音,而只受到一些来自别人谈话的干扰。在这里,屋里的空气可以被想象成宽带的载波,而不同的语言即被当作编码,我们可以不断地增加用户直到整个背景噪音限制住了我们。如果能控制住用户的信号强度,在保持高质量通话的同时,我们就可以容纳更多的用户。

(3)通话质量好。CDMA系统话音质量很高,声码器可以动态地调整数据传输速率,并根据适当的门限值选择不同的电平级发射。同时门限值根据背景噪声的改变而改变,这样即使在背景噪声较大的情况下,也可以得到较好的通话质量。另外，CDMA系统采用了软切换技术,即“先连接再断开”,这样就完全克服了硬切换容易掉线的缺点。

(4)频率规划简单。用户按不同的序列码区分,所以不同的CDMA载波可在相邻的小区内使用,网络规划灵活,扩展简单。

(5)延长手机电池寿命。采用功率控制和可变速率声码器,使手机电池使用寿命延长，建网成本下降。

4.3.4CDMA蜂窝移动通信技术的演进与标准

1.IS-95A和IS-95B

1995年5月,美国TIA正式颁布了窄带CDMA(N-CDMA)标准,它是IS-95的修订本(增强型),简称IS-95A。为满足更高比特速率数据业务的需求,1998年推出了IS-95B标准,该标准基于电路型交换,允许八个业务信道组合在一起,数据传输速率理论上最高可达115.2kb/s,实际上可达到64kb/s。IS-95标准支持高级的数据接入协议,如TCP等,为Internet的接入提供高速、灵活、方便的服务。

IS-95A和IS-95B均有一系列标准,其总称为IS-95。所有基于IS-95标准的各种CDMA产品又总称为CDMAOne。

图4.16ＣＤＭＡ蜂窝移动通信技术的演进

2.CDMA2000和IS-2000

CDMA2000是美国向ITU提出的第三代移动通信空中接口标准的建议,是IS-95标准向第三代演进的技术体制方案,是一种宽带CDMA技术。CDMA2000室内最高数据传输速率为2Mb/s以上,步行环境时为384kb/s,车载环境时为144kb/s以上。CDMA2000技术的正式标准总称叫IS-2000,它包含六部分,定义了移动台和基地台系统之间的各种接口。按照标准的规定,CDMA2000系统一个载波的带宽为1.25MHz。如果系统分别独立使用每个载波,则称作1X系统；

如果系统将三个载波捆绑使用,则叫做3X系统。

4.3.5CDMA数字蜂窝移动通信网的网络规划

1.网络参考模型

CDMA网络参考模型定义了网中的功能实体和相互间的接口,见图4.17。从图中可看出CDMA网络参考模型与GSM网相似。

图

4.17CDMA网络参考模型

2.交换网络规划

1)交换网络组织

CDMA网采用三级结构,见图4.18。具体为:在大区中心(如北京、上海、广州、沈阳、武汉等)设立一级移动业务汇接中心并网状相连;在各省会或大城市设立二级移动业务汇接中心,并与相应的一级汇接中心相连;在移动业务本地网中设一个或若干个移动端局MSC,也可视业务量由一个MSC覆盖多个移动业务本地网。移动业务本地网原则上以固定电话网的长途编号区编号为2位和3位的区域来划分。

图

4.18CDMA网的结构示意图

2)信令网组织

CDMA网的信令网与其交换网络结构相对应,也分为三级结构:高级信令转接点HSTP、低级信令转接点LSTP和信令点SP。

HSTP负责转接本大区内及本大区与其他大区间的信令业务。HSTP可兼有LSTP的功能。LSTP负责转接本服务区内及至其上级HSTP的信令业务。SP是信令消息的源点和目的点。信令转接点STP可采用独立式设备,也可采用与移动汇接中心合设的方式。信令网中网络节点间采用中国No.7信令。

3)信令方式

Um接口(也称空中接口)的无线信令规程由《800MHzCDMA数字蜂窝移动通信网空中接口技术规范》规定。中国电信和中国联通均已颁布了此规范。此规范是基于TIA/EIA/IS-95A的宽带双模扩频蜂窝系统移动台-基站兼容性标准。

A接口的信令规程由《800MHzCDMA数字蜂窝移动通信网移动业务交换中心与基站子系统间接口信令技术规范》规定。中国电信和中国联通均已颁布了此规范。中国联通颁布的A接口信令规程与EIA/TIA/IS-634的信令规程基本兼容,是其一个子集。

B、C、D、E、N和P接口的信令规程由《800MHzCDMA数字蜂窝移动通信网移动应用部分技术规范》规定。中国电信和中国联通均已颁布了此规范。此规范基于TIA/EIA/IS-41C蜂窝无线通信系统间操作标准。中国联通颁布的MAP为IS-41C的子集,第一阶段使用IS-41C中51个操作(OPERATION)中的19个,主要为鉴权、

切换、

登记、路由请求、

短消息传输等。

Ai接口的信令规程由《800MHzCDMA数字蜂窝移动通信网与PSTN网接口技术规范》规定。中国电信和中国联通均已颁布了此规范。此信令规程也称MTUP。中国联通颁布的MTUP为与《中国国内电话网No.7信号方式技术规范》所规定的信令规程相兼容的子集,即MTUP不使用NNC、SSB、ANU、CHG、FOT和RAN消息;另外,只接收不发送四个消息:后续地址消息SAM、带一信号后续地址消息的SAO、主叫用户挂机信号CCL和用户本地忙信号SLB。

3.工作频段我国CDMA数字蜂窝移动通信系统采用800MHzAMPS工作频段,频率范围为:

(1)825.030～834.990MHz(上行:移动台发,基站收)。

(2)870.030～879.990MHz(下行:移动台收,基站发)。频段宽度为10MHz。

4.4集群移动通信网4.4.1集群通信的概念集群(Trunking)的本意为中继,为与无线中继的中继系统区别,自1987年以来,更多译者将其翻译成集群。追溯到它的产生,集群的概念确实是从有线电话通信中的“中继”概念而来的。1908年,E.C.Mo1ina发表的“中继”曲线的概念等级,证明了一群用户的若干中继线路的概率可以大大提高中继线的利用率。“集群”这一概念应用于无线电通信系统,把信道视为中继。“集群”的概念,还可从另一角度来认识,即与机电式(纵横制式)交换机类比,把有线的中继视为无线信道,把交换机的标志器视为集群系统的控制器,当中继为全利用度时,就可认为是集群的信道。集群系统控制器能把有限的信道动态地、自动地最佳分配给系统的所有用户,这实际上就是信道全利用度或我们经常使用的术语“信道共用”。

综上所述,所谓集群通信系统,即系统所具有的可用信道可为系统的全体用户共用,具有自动选择信道功能。它是共享资源、分担费用、共用信道设备及服务的多用途、高效能的无线调度通信系统。传统的专用移动通信在移动通信中占有相当大的份量,最初由几部普通步话机就可以组成一个无线电调度网,这种网在厂、矿等部门仍被大量采用,但这种网的功能过于简单。其中有单频单工制和双频单工制两种工作方式,前者干扰大、设备简单,后者干扰小,但设备复杂一些。无论是单频单工还是双频单工制式,都只能是按键通话,一方讲话,另一方只能听。为避免通话上的不便,通用的工作方式是双频双工,通话双方可以同时发信,但频率利用率低。典型的无线调度系统是单局单站制、双频双工工作方式,并且具有选择性呼叫功能的无线调度网,根据业务规模和组织方式,可确定其为单级调度或多级调度。可见,传统的专用业务移动通信系统指的是应用于某个行业或某个部门内以调度指挥为主要特征的移动通信系统。这种通信方式从其发展过程来看,从一对一单工对讲开始,到单信道一呼百应且进一步到选呼系统,后来发展成多信道自动拨号系统,它们的主要特点在于信道是“专有”的。也就是说通话过程中用户使用的频率是固定的,这就导致一旦用户选择了某信道,那么它的通话就只能在这一信道上,直至通话结束;如果这一信道已被其他用户占用,则它就不能选择其他空闲信道,从而出现阻塞。由此可见,传统的专用业务通信系统频率利用率低,而导致通信质量降低。4.4.2集群通信的特点

(1)共用频率：将原来配给各部门专有的频率加以集中,供各家共用。

(2)共用设施：由于频率共用,就有可能将各家分建的控制中心和基站等设施集中合建。

(3)共享覆盖区：可将各家邻近覆盖区的网络互连起来,从而获得更大的覆盖区。

(4)共享通信业务：可利用网络有组织地发送各种专业信息为大家服务。

(5)分担费用：共同建网可以大大降低机房、电源等建网投资,减少运营人员,并可分摊费用。

(6)改善服务：由于多信道共用,可调剂余缺、集中建网,可加强管理、维修,因此提高了服务等级,增加了系统功能。

(7)具有调度指挥功能。

(8)兼容有线通信。

(9)智能化,微机软件化,增加了系统功能。

(10)具有控制、交换、中继功能。4.4.3集群系统的分类

1)按信令方式分按信令方式分为共路信令方式和随路信令方式。共路信令是设定一个专门的控制信道传信令,这种方式的优点是信令速度快,电路容易实现,但占用信道。随路信令是在一个信道中同时传话音和信令,信令不单独占用信道,可节约信道,缺点是接续速度慢。

2)按信令占有信道的方式分按信令占有信道的方式分为固定式和搜索式。在固定式中,起呼占用固定信道。搜索式起呼占用随机信道,需不断搜索变化的信令信道,忙时信令信道可作话音信道,新空出的话音信道可接替控制信道。固定式实施简单,而搜索式实施复杂。

3)按通话占用信道分按通话占用信道分为信息集群(亦称消息集群)和传输集群。信息集群系统中,用户通话占用一次信道完成整个通话过程,而传输集群系统中,一次完整的通话要分几次在不同的信道上完成。信息集群的优点是通话完整性好,缺点是讲话停顿时仍占信道,信道利用率低。传输集群一般分为纯传输集群和准传输集群,或两者兼用,这种方式的优点是信道利用率高、通信保密性好,缺点是通话完整性较差。

4)按控制方式分按控制方式分为集中控制方式和分散控制方式。集中控制式是指由一个智能终端控制,统一管理系统内话务信道的方式。分散式是指每一信道都有单独的智能控制终端的管理方式。

5)按呼叫处理方式分按呼叫处理方式分为损失制和等待制系统。损失制系统中,当话音信道占满时,呼叫被示忙,要通话需重新呼叫,信道利用率低。在等待制系统中,信道被占满时,对新申请者采取呼叫排队方式处理,不必重新申请,信道利用率高。4.4.4集群通信系统的基本网络结构通常人们习惯按照覆盖区半径大小、服务区的几何形状来对系统的网络结构分类。按照覆盖区半径的大小,可分成大区网、中区网、小区网;按照服务区的几何形状,可分成框状网、带状网、蜂房状网等等。集群通信系统的网络结构有下列四种方式:

(1)单区、单点、单中心网络。

(2)单区、多点、单中心网络。

(3)多区、多中心网络。

(4)多区、多层次、多中心网络。

1.单区、多点、单中心网络如图4.19所示,它由一个控制中心、多个基站、有线或无线调度台及网中若干移动台组成。图4.19单区多点单中心网络

2.多区、多中心、多层次网络

如图4.20及图4.21所示,由区域控制中心、多个控制中心、多个基站而形成整个服务区。可以看出,图4.20各控制中心通过有线或无线传输电路连接至区域控制中心,即形成了图4.21所示的网络结构。各控制中心将受到上一级的区域控制中心控制及管理。图4.20多区、多中心网络图4.21多区、多层次、多中心网络4.4.5典型的集群移动通信网

1.模拟集群通信网——智慧网(SMARTNET)从模拟集群系统的发展和市场使用来看,比较典型的模拟集群系统主要有以下几种:美国Motorola公司的SMARTNET(智慧网)集群移动通信系统、美国UNIDEN公司的FAST(FastAccessSystem)集群移动通信系统、美国E.F.JOHNSON公司的MULTI-NET(多功能网)集群移动通信系统、芬兰NOKIA公司的ACTIONET集群移动通信系统。其中,SMARTNET(智慧网)具有较大的信道容量和全部集群功能,最大可以提供28个话音信道,最多可配接21条电话线,可容纳48000个单机识别码、4000个通话组码。

SMARTNET系统的组成如图4.22所示。主要组成部分有:中央控制器、电话互连终端、集群信道机、收发天线共用器、天线、系统管理终端、动态重组终端、系统监视终端以及调度台、移动台和手持机等设备。图4.22智慧网系统组成

2.数字集群通信网——iDEN、TETRA

1)iDEN数字集群网美国Motorola公司生产的800M数字集群移动通信系统简称MIRS,于1994年在美国洛杉矶问世,在它的产品国际化后改称iDEN(IntegratedDigitalEnhancedNetworks,增强型数字网络)。它将数字调度通信和数字蜂窝通信综合在一套系统之中,目前在北美、南美及亚洲十多个国家和地区投入商业应用,全球用户已超过1600万。图4.23iDEN数字集群系统网络逻辑功能模型

2)TETRA系统

TETRA(TerrestrialTrunkedRadio,陆上集群无线电)数字集群通信系统是一种基于数字时分多址(TDMA)技术的无线集群移动通信系统。该系统是ETSI(欧洲通信标准协会)联合使用部门、制造商、检测部门乃至政府部门,为了满足欧洲各国的专业部门对移动通信的需要设计、制定统一标准的开放性系统。TETRA数字集群通信系统可在同一技术平台上提供指挥调度、数据传输和电话服务,它不仅提供多群组的调度功能,而且还可以提供短数据信息服务、分组数据服务以及数字化的全双工移动电话服务。

TETRA数字集群系统还支持功能强大的移动台脱网直通(DMO)方式,可实现鉴权、空中接口加密和端对端加密。TETRA数字集群系统同时还具有虚拟专网功能,可以使一个物理网络为互不相关的多个组织机构服务。TETRA数字集群系统具有丰富的服务功能、更高的频率利用率、更高的通信质量、灵活的组网方式,许多新的应用(如车辆定位、图像传输、移动互连网、数据库查询等)都已在TETRA中得到实现。

TETRA系统是一种非常灵活的数字集群标准。它的主要优点是兼容性好、开放性好、频谱利用率高、保密功能强,是目前国际上制定得最周密、开放性好、技术最先进、参与生产厂商最多的数字集群标准。4.5无线寻呼网4.5.1无线寻呼系统概述无线寻呼的英文名称为RadioPaging,它是以广播方式工作的单向信息传输系统。有线用户通过市话网及寻呼中心向寻呼机机主发出简短的寻呼信息,需要时被呼用户可借助有线电话与主呼的有线用户直接对话。曾流行一时的无线寻呼系统,近年来受数字蜂窝移动电话网络普及的影响,在市场竞争中逐渐丧失了主导地位,但考虑到经济、技术、特殊应用场合等多方面的因素,在未来的一段时间内,无线寻呼系统仍将会有一定的市场空间。未来无线寻呼系统的发展将主要体现在以下几个方面:

(1)寻呼的多功能化、连网化、自动化和规模化。

(2)采用新的高速寻呼技术。

(3)寻呼接收机的小型化、多功能化等。未来的寻呼机可兼有手表、钢笔、PDA、翻译机、装饰品等多种功能,在信息存储、处理能力上大幅增强,使用起来更为方便,成为用户的随身信息中心。4.5.2无线寻呼系统的组成与分类

1.无线寻呼系统的基本组成一个最为简单的人工接续单区制无线寻呼系统的结构见图4.24。从图中可以看出,最左边是用户接口部分,主要是用户通过公用电话网与寻呼台交流的部分;其余的部分均属无线寻呼系统的实质,即话务接续设备、寻呼控制中心(包括计算机系统、排队编码器和调制解调器)、寻呼发射机以及寻呼接收机。图4.24基本的寻呼系统结构

2.寻呼系统的分类

从不同的角度出发,可以将无线寻呼系统分为公用寻呼网与专用寻呼网、单区域寻呼系统与广域寻呼系统、人工寻呼与自动寻呼三类。其中单区域寻呼系统根据发射基站的数量可分为只有一个发射基站,为扩大寻呼范围,发射机的功率较大(最大为100W),天线架设也较高,但即便如此,一部发射机的覆盖范围通常也就15～30km左右。当一部发射机的有效作用距离不能覆盖整个服务区域时,可以在不同地点分散设置多部发射机,这多部发射机有的设置在寻呼中心附近,有的设置在距寻呼中心较远的地方,发射机与寻呼中心之间可以利用有线线路连接,也可以利用UHF无线链路进行连接,这就构成了多区制寻呼系统,如图4.25(b)所示。系统中包括多个发射基站,较之单区制系统其覆盖范围扩大,但发射系统的控制较前者也要复杂得多。图4.25单区域寻呼系统(a)单区制寻呼系统;(b)多区制寻呼系统广域寻呼系统一般是通过各单区域寻呼系统的连网实现的。图4.26给出了一个通过中国公用分组交换网连网的三个单区域寻呼系统构成的广域寻呼系统。很显然,广域寻呼系统给用户提供了更大范围的“找人”空间,随着技术的进步和用户的需求,寻呼范围扩展到全国已成为现实。图4.26广域寻呼系统4.5.3无线寻呼频段无线寻呼业务的专用频段有43MHz、150MHz、280MHz及400MHz频段等,频道间隔为25kHz。兼顾电波对建筑物的穿透能力和传播损耗,实际以150MHz、280MHz频段的应用最为广泛,如全国连网寻呼使用的152.65MHz。4.6公用无绳电话网

1.CT-1与CT-2

CT-1是模拟家用无绳电话,又称第一代无绳电话。它由座机和手持无绳电话机构成一对一的通信系统,座机与室内电话线相连,一个或多个(俗称子母机)无绳手机可以在座机近距离范围内移动使用,座机与手机间可互相呼叫。

20世纪80年代初期,英国电信研究所提出了世界上第一个数字无绳电话标准CT-2,它把无绳电话的应用从室内推向室外,诞生了公用无绳电话系统,其结构如图4.27所示。CT-2又称第二代无绳电话,具有固定投资小、通话费用低的特点,但由于在室外只能提供单向业务(即只能去话,不能来话),也不能实现越区切换,使它的应用受到了很大的限制。图4.27CT-2公用无绳电话系统结构图

2.DECT

DECT(DigitalEuropeanCordlessTelecommunications)是欧洲数字无绳通信。它是1992年7月由欧洲电信标准协令(ETSI)制定的第一个泛欧数字无绳电话标准。DECT系统为高用户密度、小范围通信提供了无绳通信的框架,在几百米的范围内,可以为便携台提供低功率的无线接入,支持漫游与越区切换。目前,该系统已在公共无绳通信、无线PBX,无线本地环路等多种系统中得到广泛应用,且作为微小区/微微小区无线接入标准,被纳入到IMT-2000无线技术标准中。图4.28DECT的结构

3.PHS

PHS(PersonalHandyphoneSystem)是日本开发的数字无绳电话系统,于1993年年底颁布。1994年日本建立了PHS的实验网,并于1995年7月将PHS正式投入商用。PHS系统提供从最基本的电话业务到尖端的多媒体业务等多方面的业务,适用于不同国家、不同用户,使得用户可以获得一种廉价而又简单方便的个人移动通信服务。

PHS移动通信系统可对个人或企业用户提供多样化的增值服务,如传统的语音通话服务、数据通信服务和地理定位功能(LocationDetectionService)等。PHS业务发展前景十分广阔。泰国、中国台湾、越南、澳大利亚、新西兰、埃及等几十个国家和地区的运营商已经开通或即将开通PHS业务。

4.小灵通

“小灵通”是UT斯达康公司生产的无线市话系统PAS(PersonalAccessSystem)的中文名称,是UT斯达康公司的注册商标。它作为现有固定电话网络的延伸和补充。UT斯达康公司创造性地在PHS技术中引入了标准的V5接口,充分利用固定电话网的交换和传输等资源,大大降低了系统成本,使之适合中国国情,从而在中国取得了巨大的成功。UT斯达康公司作为在无线市话领域处于主导地位的无线市话的发明者,其产品“小灵通”目前已逐渐演变成为由中国电信提供的无线市话服务的统称。

PAS系统是在PHS-WLL基础上发展起来的,空中接口采用PHS的RCRSTD-28(V.2)标准。但同PHS系统相比,PAS属无线接入网,不需要建设独立的交换和传输资源,其系统结构如图4.29所示。图4.29PAS系统结构作为现有固定电话网和无线接入技术相结合的产物,PAS具有以下特点:

(1)固定电话的补充和延伸。

(2)充分利用现有资源,投资少,见效快。

(3)大容量,适合城乡人口密集区。

(4)业务种类多,资费低。

(5)基站和手机辐射低,健康环保,手机价格低,可长时间通话,话音质量高。

(6)室内信号覆盖比较差。

(7)适宜满速移动。4.7IMT-2000第三代移动通信系统

1.基本概念

IMT-2000(InternationalMobileTelephony2000,国际移动通信系统)是第三代(3G)移动通信系统,它工作于2000MHz频段。该系统包括地面蜂窝系统、无绳系统、无线接入系统和卫星系统,其终端设备可以连接至地面网络,也可以与卫星网络实现互连,真正实现全球覆盖。

IMT-2000移动通信系统的宗旨是建立全球的综合性个人通信网,可兼顾第一代、第二代系统,并由现有的无线和固定网络逐步向真正的个人通信过渡。IMT-2000最终要实现以下目标:

(1)提供全球无缝覆盖,支持全球漫游。

(2)提供各种综合性服务,如话音与非话音以及宽带多媒体业务。

(3)提供高质量服务和安全保密性能。

IMT-2000系统是建立在第二代系统基础上的,而第二代的不同系统不可能向统一的一个网络演进。于是ITU提出了“IMT-2000家族”的概念,允许各地区性的标准化组织有一定的灵活性,使它们根据在市场、业务需求上的不同,提出各个国家和地区向第三代系统演进的策略。但是IMT-200