1、第一章 移动通信技术概述目录1.3 移动通信的分类31.2 移动通信的发展概况21.1 移动通信的定义11.4 移动通信的工作方式41.5 移动通信的多址技术51.6 移动通信的组网技术61.7信令71.8 移动性管理81.1移动通信的定义 20世纪70年代前期，随着固定电话的普及，不拘泥于电话线束缚的移动通信应运而生。所谓移动通信，就是指进行信息传递和交换的一方或双方处于运动状态中。这里的信息传递不仅指语音通话，也包括数据、图像、视频等多媒体业务。未来移动通信的发展目标是任何人（任何人（Whoever）在任）在任何时候（何时候（Whenever）无论在任何地方（）无论在任何地方（Wherev
2、er）能够同任何人）能够同任何人（Whoever）进行任何方式（）进行任何方式（Whatever）的交流）的交流。相对于固定电话通信，移动通信技术有两个基本的特点：1.移动通信是无线的，其信道是广阔的自由空间，具有随机性和时变特性；2.移动通信的用户至少有一方处于运动状态中，这就要求移动通信网络能够对用户实现动态寻址。1.2移动通信的发展概况3.第三代移动通信（the Third Generation Communication System，3G）第三代移动通信系统（IMT-2000）是国际电信联盟（ITU）制订的通信系统，意即该系统工作在2000MHz频段，最高业务速率可达2000kb/s
3、，预期在2000年左右得到商用。3G主要技术有多用户检测、智能天线和Turbo编码等，主要商用系统有欧洲和日本的WCDMA、北美的CDMA2000和中国的TD-SCDMA等。4.第四代移动通信（the Fourth Generation Communication System，4G）目前主要的4G标准有3GPP的LTE-Advanced和IEEE提出的移动WiMAX802.16m。投入商用的4G系统包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式。严格意义上来讲，LTE只是3.9G，尽管被宣传为4G无线标准，但它其实并未被3GPP认可为ITU所描述的下一代无线通讯标准IMT-Advanced，因此在
4、严格意义上其还未达到4G的标准，只有升级版的LTE Advanced才满足国际电信联盟对4G的要求。IMT-advanced是基于IMT演进的系统，提供了比IMT-2000更高的速率，在高移动应用中达到100Mbit/s，低移动或固定应用中达到1Gbit/s。4G采用的主要技术有OFDM（正交频分复用）、MIMO（多输入多输出）、AMC（自适应调制编码）和HARQ（混合自动重传）。1.2移动通信的发展概况 5.第五代移动通信（the Fifth Generation Communications System，5G）5G极限移动宽带（xMBB）服务满足人们面向2020年，对极高数据速率的持续渴
5、望。对视频业务的广泛需求和对诸如虚拟现实、高清视频的兴趣推动了高达若干吉比特每秒的速率要求。5G技术使无线网络获得当前只能由光纤接入实现的速率和服务。感知互联网进一步增加了对低时延的诉求。当低时延和高峰值速率需要同时满足时，就对网络能力提出了更高的要求。与以前的蜂窝系统相比，机器类和人机无线通信在众多经济领域的应用不断增多，对无线网络提出了大量而广泛的需求，具体表现在成本、复杂性、功耗、传输速率、移动性、时延和可靠性等方面。例如感知互联网要求无线时延降低到1ms。1.3移动通信的分类移动通信的种类繁多，常见的分类方法如下：1.按使用环境可分为陆地通信、海上通信和空中通信；2.按使用对象可分为民
6、用设备和军用设备；3.按多址方式可分为频分多址、时分多址和码分多址等；4.按接入方式可分为频分双工和时分双工；5.按覆盖范围可分为宽域网和局域网；6.按业务类型可分为电话网、数据网和综合业务网；7.按工作方式可分为单工、双工和半双工；8.按服务范围可分为专用网和公用网；9.按信号形式可分为模拟网和数字网。常用的移动通信系统有蜂窝移动通信系统、无线寻呼系统、无绳电话系统、集群移动通信系统和卫星通信系统等。1.蜂窝移动通信系统 蜂窝移动通信，也称小区制移动通信。它的特点是把整个大范围的服务区划分成许多小区，每个小区设置一个基站，负责本小区各个移动台的联络与控制，各个基站通过移动交换中心相互联系，并
7、与市话局连接。利用超短波电波传播距离有限的特点，离开一定距离的小区可以重复使用频率，使频率资源可以充分利用。每个小区的用户在1000以上，全部覆盖区最终的容量可达100万用户。2.无线寻呼系统 这是一种没有话音的单向广播式无线选呼系统，将自动电话交换网送来的被寻呼用户的号码和主叫用户的消息，变换成一定码型和格式的数字信号，经数据电路传送到各基站，并由基站寻呼发射机发送给被叫寻呼机的系统。其接收端是多个可以由用户携带的高灵敏度收信机。1.3移动通信的分类 3.无绳电话系统 无绳电话系统是用无线信道来代替普通电话机的绳线，从而能在限定的业务区内自由移动的电话系统。它接入的是市话网，采用的是微蜂窝或
8、微微蜂窝无线传输技术。4.集群移动通信系统 集群移动通信，也称大区制移动通信。它的特点是只有一个基站，天线高度为几十米至百余米，覆盖半径为30公里，发射机功率可高达200瓦。用户数约为几十至几百，可以是车载台，也可是以手持台。它们可以与基站通信，也可通过基站与其它移动台及市话用户通信，基站与市站有线网连接。它是专用调度无线通信系统。5.卫星移动通信系统 利用卫星通信的多址传输方式，为全球用户提供大跨度、大范围、远距离的漫游和机动、灵活的移动通信服务，是陆地蜂窝移动通信系统的扩展和延伸，在偏远的地区、山区、海岛、受灾区、远洋船只及远航飞机等通信方面更具独特的优越性。1.3移动通信的分类1.4移动
9、通信的工作方式1.4移动通信的工作方式2.半双半双工工制制：一方使用双工通信方式，而另一方则使用单工方式，发信时要按下“按-讲”开关。优点：设备简单、省电、成体低、维护方便，而且受邻近移动台干扰少；有利于频率协调和配置；利于移动台紧急呼叫。缺点：使用不方便，有丢失信息的可能。半双工制主要用于无线调度系统。1.4移动通信的工作方式3.双双工工制制：指通信的双方在通话时收发信机均同时工作，即任意一方在讲话的同时，也能收听到对方的信息，有时也称全双工通信。其可以又分为频分双工（FDD）和时分双工（TDD）两种方式。1.5移动通信的多址技术 多址传输是指在一个信息传输网中不同地址的各用户之间通过一个共
10、用的信道进行的传输，其理论基础仍然是信号分割理论。因此，多址传输方式也分为频分多址传输（FDMA）、时分多址传输（TDMA）和码分多址传输（CDMA）等几种。多址传输又称多址联接或多址通信，目前在移动通信和卫星通信中得到了广泛的应用。多址的原理是利用信号参量的正交性来区分无线电信号的地址的，依据频率参量正交性来区分无线电信号的叫频分多址，依据时间参量正交性来区分无线电信号地址的叫时分多址，依据码型函数正交性来区分无线电信号地址的叫码分多址。下图分别给出了这三种多址方式的示意图。1.5移动通信的多址技术（1）频分多址（）频分多址（FDMA）FDMA是将给定的频谱资源划分为若干个等间隔的频道（又称
11、信道），供不同的用户使用。在FDMA系统中，每一个移动用户分配有一个地址，即在一个射频频带内，每个移动用户分配有一个频道，且这些频道在频域上互不重叠。利用频道和移动用户的一一对应关系，只要知道用户地址（频道号）即可实现选址通信。在蜂窝移动通信系统中，由于频道资源有限，不可能每个用户独占一个固定的频道，为此，多采用多频道共用的方式。即由基站通过信令信道给移动用户临时指配通信频道。为了便于移动用户实现多信道共用（即动态分配信道）以提高信道利用率，在蜂窝移动通信系统中，其信道的频率分划与频道构成是采用一个频道只传送一路语音信号的方式，即属于频分多址中单路单载波工作方式。频分多址是应用最早的一种多址技
12、术，AMPS、NAMPS、TACS等第一代移动通信系统所采用的的多址技术就是FDMA。以TACS为例：系统占用的频段为：上行频段为890915 MHz，下行为935960MHz。收发频段间隔为45MHz，以防止发送的强信号对接收的弱信号的影响。每个话音信道占用25kHz频带。TACS系统可支持的信道数约为1000个。FDMA具有如下特点：每个信道只传送一路信号。只要给移动台分配了信道，移动台与基站之间会连续不断收发信号。由于发射机与接收机同时工作，为了收发隔离，必须采用双工器。FDMA采用单载波（信道）单路方式，若一个基站有30个信道，则每个基站需要30套收发信机设备，不能共用，即公用设备成本
13、高。与TDMA相比，连续传输开销小、效率高，无需复杂组帧与同步，无需信道均衡。1.5移动通信的多址技术1.5移动通信的多址技术1.5移动通信的多址技术（4）空分多址（）空分多址（SDMA）SDMA技术利用空间资源分割构成不同的信道。利用空分多址接入的多个用户，可以使用完全相同的频率、时间和码道资源。事实上，蜂窝概念本身就是一种空分复用技术，不同小区中的用户可以使用完全相同的资源。另外SDMA也应用在智能天线中。采用智能天线技术进行SDMA的技术，我们通常称为基于波束赋形的SDMA技术。基于波束赋形的SDMA技术的主要思想是，通过形成不同的波束，对准不同的用户，不同用户可以使用相同的频率、时间和
14、码道资源，仅仅存在空间上的隔离，因而有效提升了系统容量。1.5移动通信的多址技术（5）正交频分多址（）正交频分多址（OFDMA）正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）是在OFDM基数基础上的一种接入技术，它通过为每个用户提供部分可用子载波的方法来实现多用户接入。第四代移动通信技术（4G）采用OFDMA和MIMO（多输入多输出）作为其核心技术。OFDMA的优点如下：采用了子载波调制并行传输后，数据流速率明显降低，因此数据信号的码元周期相应增大，大大减小了频率选择性衰落出现的概率。很好地解决了多径干扰对通信系统造成的负
15、面影响。不需要在各个用户频率之间采用保护频段来区分不同的用户，大大提高了系统的频谱利用率。但是，OFDMA也存在一些缺点：峰平比（PAPR）较高。同频组网过程中的小区间干扰问题。时间同步与频率同步问题。1.6 移动通信的组网技术1.区域覆盖区域覆盖 由VHF和UHF的传播特性可知，一个基站只能在其天线高度的视距范围内为移动用户提供服务。基站发射电波的覆盖范围称为无线小区，简称小区。如果网络的服务范围很大或地形复杂，则需要几个小区才能覆盖整个服务区。无线电波按照服务区域覆盖方式的不同，可以将移动通信网划分为大区制和小区制。大区制采用单无线小区结构，即采用一个基站覆盖某一范围的用户服务区，由它负责
16、区内移动通信的联络和控制。像无线出租车、无线呼叫、MCA（Multi Channel Access）等方式都属于大区结构。这种方式的结构简单、投资少，它由移动台、基站的收发信设备、基站与业务处或电话交换机的联络线路组成。因此，为了确保有较宽范围的服务区，基站及移动台需要较大的输出功率，通常在25200W之间。覆盖区域半径一般为2550km，用户容量为几十到几百个。若服务区间没有足够距离，就不能重复使用同一频率，因而难以满足大容量通信要求，适用于中小城市、工矿以及专业部门，是发展专用移动通信网可选用的制式。1.6 移动通信的组网技术2.小区形状小区形状公用移动电话系统也称为蜂窝移动通信系统，它采
17、用了小区制覆盖方案，有效地解决了信道数量有限和用户数大量增加之间的矛盾。全向天线辐射的覆盖是个圆形，为了不留空隙地覆盖整个平面服务区，一个个圆形辐射区之间一定含有很多的交叠。在考虑交叠之后，实际上每个辐射区的有效覆盖区是一个多边形。根据交叠情况不同，若在周围相间120设置三个邻区，则有效覆盖区为正三角形；若相间90设置四个邻区，则有效覆盖区为正方形，若相间60设置6个邻区，则有效覆盖区为正六边形，小区形状如下图所示。1.6 移动通信的组网技术完全可以证明，要用正多边形无空隙、无重叠地覆盖一个平面区域，可取的形状只有这三种。在辐射半径相同的条件下，三种形状小区的相邻间隔、小区面积、交叠区宽度和交
18、叠区面积如下表所示，其中R、r分别表示圆的直径和半径。由下表可知，通过对不同小区参数的比较，对同样大小的服务区域用正六边形时重叠面积最小，最接近理想的天线覆盖圆形区，所需的基站数也就最少。正六边形的网络形同蜂窝，因此，把小区形状为六边形的小区制移动通信网称之为蜂窝网。1.6 移动通信的组网技术1.6 移动通信的组网技术1.6 移动通信的组网技术从式（1-2）可以看出，区群内N越大，同信道小区距离就越远，抗同频干扰性能也就越好，但同时要注意到频率利用率也降低。反之，N越小，同频距离变小，频率利用率会提高，但可能会造成较大的同频干扰。当用正六边形来模拟覆盖范围时，基站发射机可以放置在小区的中心，称
19、为中心激励方式，如图（a）所示。一旦小区内有大的障碍物，中心激励方式就难免会有辐射的阴影区。若把基站发射机放置在小区的顶点，则为顶点激励方式，如图（b）所示，该方法可有效消除阴影效应。1.7信令在移动通信网中，除了传输用户信息（如话音信息）之外，为使全网有秩序地工作，还必须在正常通话的前后和过程中传输很多其它的控制信号，诸如一般电话网中必不可少的摘机、挂机、空闲音、忙音、拨号、振铃、回铃以及无线通信网中所需的频道分配、用户登记与管理、呼叫与应答、过区切换和发射机功率控制等等信号。这些与通信有关的一系列控制信号统称为信令。信令不同于用户信息，用户信息是直接通过通信网络由发信者传输到收信者，而信令
20、通常需要在通信网络的不同环节（基站、移动台和移动控制交换中心等）之间传输，各环节对其进行分析处理并通过交互作用而形成一系列的操作和控制，其作用是保证用户信息有效且可靠地传输。因此，信令可看作是整个通信网络的神经中枢，其性能在很大程度上决定了一个通信网络为用户提供服务的能力和质量。严格地讲，信令是这样一个系统，它允许程控交换、网络数据库、网络中其它“智能”节点交换下列有关信息：即呼叫建立、监控、拆除、分布式应用进程所需的信息（进程之间的询问/响应，或用户到用户的数据）、网络管理信息。1.7信令1.信令信令的类型的类型 信令的分类有多种方式，通常有以下几种分类：按照信令的功能可分为线路信令、路由信
21、令和管理信令。按照信令所处位置的不同可分为接入信令和网络信令。移动通信网中，接入信令处在移动台和基站之间，网络信令处在网络内部之间。按照信令的传输方式，可分为随路信令和共路信令。随路信令是信令消息在对应的话音通道上传送的信令方式，例如中国1号信令，共路信令指信令和业务信道完全分开，在公共的链路上以消息的形式传送所有中继线和所有通信业务的信令消息，例如7号信令。1.7 信令2.七号信令七号信令移动通信网络内部所采用的信令就是七号信令，主要用于交换机之间、交换机与数据库（如HLR，VLR，AUC）之间交换信息。NO.7是七号信令网的简称。CCITT NO.7信令方式是国际化、标准化的通用公共信道信
22、令系统。七号信令系统将信令与语音通路分开，采用高速数据链路传送信令，具有信道利用率高，信令传送速度快，信令容量大的特点。它不但可以传输传统的中继线路接续信令，还可以传送各种与电路无关的管理、维护、信息查询等消息，而且任何消息都可以在业务通信过程中传，可支持ISDN、移动通信、智能网等业务的需求。其信令网与通信网分离，便于运行维护和管理，可方便地扩充新的信令规范，适应未来信息技术和各种业务发展的需要。七号信令系统还是蜂窝移动通信网、PCN、ATM网以及其它数据通信网的基础。1.7信令七号信令网大致由以下几部分组成，信令点是SS7信令网中处理控制消息的节点，产生消息的信令点为该消息的源信令点，接收
23、消息的信令点为该消息的目的信令点。有以下三类信令点：（1）Service Switching Point(SSP)业务交换点是信令消息的产生或终结点，实质上就是本地交换系统（或交换中心CO），它发起呼叫或接收呼入。（2）Signal Transfer Point(STP)完成路由器的功能，查看由SSP发来的消息，然后通过网络把每一个消息交换到合适的地方。STP把其它信令点和网络连接在一起组成更大的网络。（3）Service Control Point(SCP)是典型的访问数据库服务器，SCP是智能网业务的控制中心，负责业务逻辑的执行，提供呼叫处理功能，接收SSP送来的查询信息和查询数据库，验证
24、后向SSP发出呼叫处理指令，接收SSP产生的话单并进行相应的处理。1.7信令在七号信令网中，ISUP信令（ISDNUSERPART）消息是用来建立管理释放中心局话音交换机之间的话音中继电路的，提供话音和非话业务所需的信息交换，用以支持基本的承载业务和补充业务，例如：ISUP信令消息可以承载主叫ID，主叫方的电话号码，用户名等。TCAP信令(Transaction Capabilities Application Part)消息用以支持电话业务，如免费电话，本地号码可携带，卡业务，移动漫游以及认证业务。TCAP主要包括移动应用部分(MAP)和运营、维护和管理部分(OMAP)。MAP规定移动业务中
25、漫游和频道越局转接等程序，OMAP仅提供MTP路由正式测试和SCCP路由正式测试程序。1.8 移动性管理1.位置管理位置管理在移动通信系统中，用户可在系统覆盖范围内任意移动。为了能把一个呼叫传递到随机移动的用户，就必须有一个高效的位置管理系统来跟踪用户的位置变化。位置管理主要包括两个主要的任务：位置登记（Location Registration）和呼叫传递（Call Delivery）。位置登记的步骤是在移动台的实时位置信息已知的情况下，更新位置数据库和认证移动台。呼叫传递的步骤是在有呼叫给移动台的情况下，根据寄存器中可用的位置信息来定位移动台。与上述两个问题紧密相关的另外两个问题是：位置更
26、新（Location Update）和寻呼（Paging）。位置更新解决的问题是移动台如何发现位置变化及何时报告它的当前位置。寻呼解决的问题是如何有效地确定移动台当前处于哪一个小区。位置管理涉及到网络处理能力和网络通信能力。网络处理能力涉及到数据库的大小、查询的频度和响应速度等；网络通信能力涉及到传输位置更新和查询信息所增加的业务量和时延等。位置管理所追求的目标就是以尽可能小的处理能力和附加的业务量，来最快地确定用户位置，以求容纳尽可能多的用户。1.8 移动性管理2.越越区切换区切换越区切换（Handover或Handoff）是指将当前正在进行的移动台与基站之间的通信链路从当前基站转移到另一个
27、基站的过程。该过程也称为自动链路转移（ALT，Automatic Link Transfer）。越区切换通常发生在移动台从一个基站覆盖的小区进入到另一个基站覆盖的小区的情况下，为了保持通信的连续性，将移动台与当前基站之间的链路转移到移动台与新基站之间的链路。越区切换包括三个方面的问题：（1）越区切换的准则，也就是何时需要进行越区切换；（2）越区切换如何控制；（3）越区切换时的信道分配。研究越区切换算法时所关心的主要性能指标包括：越区切换的失败概率、因越区失败而使通信中断的概率、越区切换的速率、越区切换引起的通信中断的时间间隔以及越区切换发生的时延等。1.8 移动性管理研究越区切换算法时所关心的
28、主要性能指标包括：越区切换的失败概率、因越区失败而使通信中断的概率、越区切换的速率、越区切换引起的通信中断的时间间隔以及越区切换发生的时延等。越区切换分为两大类：一类是硬切换，另一类是软切换。硬切换是指在新的连接建立以前，先中断旧的连接。而软切换是指既维持旧的连接，又同时建立新的连接，并利用新旧链路的分集合并来改善通信质量，当与新基站建立可靠连接之后再中断旧链路。在越区切换时，既可以仅以某个方向（上行或下行）的链路质量为准，也可以同时考虑双向链路的通信质量。1越区切换的准则越区切换的准则在决定何时需要进行越区换时，通常是根据移动台所处的位置接收的平均信号强度。也可以根据移动台处的信噪比（或信号
29、干扰比）、误比特率等参数来确定。假定移动台从基站1向基站2运动，其信号强度的变化如图所示。1.8 移动性管理判定何时需要越区切换的准则如下：（1）相对信号强度准则：在任何时间都选择具有最强接收信号的基站。如图中的A处将要发生越区切换。这种准则的缺点是：在原基站的信号强度仍满足要求的情况下，会引发太多不必要的越区切换。（2）具有门限规定的相对信号强度准则：仅允许移动用户在当前基站的信号足够弱（低于某一门限），且新基站的信号强于本基站的信号情况下，才可以进行越区切换。如图1-11所示，在门限为Th2时，在B点将会发生越区切换。在这种方法中，门限选择具有重要作用。例如，在图中，如果门限太高取为Th1
30、，则该准则与准则1相同。如果门限太低取为Th3，则会引起较大的越区时延。此时，可能会因链路质量较差而导致通信中断，另一方面，它会引起对同道用户的额外干扰。1.8 移动性管理（3）具有滞后余量的相对信号强度准则：仅允许移动用户在新基站的信号强度比原基站信号强度强很多（即大于滞后余量）的情况下进行越区切换。例如图中的C点。该技术可以防止由于信号波动引起的移动台在两个基站之间的来回重复切换，即“乒乓效应”。（4）具有滞后余量和门限规定的相对信号强度准则：仅允许移动用户在当前基站的信号电平低于规定门限并且新基站的信号强度高于当前基站一个给定滞后余量时进行越区切换。1.8 移动性管理2越区切换的控制策略
31、越区切换的控制策略越区切换控制包括两个方面：一方面是越区切换的参数控制，另一方面是越区切换的过程控制。参数控制在上面已经提到，这里主要讨论过程控制。在蜂窝移动通信系统中，过程控制的方式主要有三种：（1）移动台控制的越区切换。在该方式中，移动台连续监测当前基站和几个越区时的候选基站的信号强度和质量。当满足某种越区切换准则后，移动台选择具有可用业务信道的最佳候选基站，并发送越区切换请求。（2）网络控制的越区切换。在该方式中，基站监测来自移动台的信号强度和质量，当信号低于某个门限后，网络开始安排向另一个基站的越区切换。网络要求移动台周围的所有基站都监测该移动台的信号，并把测量结果报告给网络。网络从这些基站中选择一个基站作为越区切换的新基站，把结果通过旧基站通知移动台并通知新基站。1.8 移动性管理（3）移动台辅助的越区切换。在该方式中，网络要求移动台测量其周围基站的信号质量并把结果报告给旧基站，网络根据测试结果决定何时进行越区切换以及切换到哪一个基站。3越区切换时的信道分配越区切换时的信道分配越区切换时的信道分配是解决当呼叫要转换到新小区时，新小区如何分配信道，使得越区失败的概率尽量小。常用的做法是在每个小区预留部分信道专门用于越区切换。这种做法的特点是：新呼叫使可用信道数减少，需要增加呼损率；但减少了通话被中断的概率，符合人们的使用习惯。
