《通信系統(tǒng)概論》課件-第7章

第7章移動通信系統(tǒng)

7.1概述

7.2移動通信的基本技術

7.3

GSM移動通信系統(tǒng)

7.4

CDMA移動通信系統(tǒng)

7.5第三代移動通信系統(tǒng)簡介

7.1概述

7.1.1移動通信的特點

與其他通信方式相比較，移動通信具有如下特點：

（1）移動通信的電波傳播環(huán)境惡劣。移動臺處在快速運動中，多徑傳播造成瑞利衰落，接收場強的振幅和相位變化迅速。移動臺處于建筑物與障礙物之間，局部場強中值（信號強度大于或小于場強中值的概率為50%）隨地形環(huán)境而變動，氣象條件的變化同樣會使場強中值隨時變動，這種變動服從正態(tài)分布，是一種慢衰落。另外，多徑傳播產生的多徑時延擴展，等效為移動信道傳輸的特性畸變，對數字移動通信影響較大。

移動通信電波傳播的理論基本模型是超短波在平面大地上直射與反射的矢量合成。分析表明：直射波擴散損耗正比于收發(fā)距離的平方d2，而光滑地平面上的路徑損耗正比于d4，與頻率無關。對于在不同地形和地物上的移動通信傳播，必須根據不同的環(huán)境條件，應用統(tǒng)計分析方法找出傳播規(guī)律，得出相應的接收場強預測模型。

（2）多普勒頻移產生附加調制。由于移動臺處于運動狀態(tài)中，因此接收信號有附加頻率變化，即多普勒頻移fd。fd與移動體的移動速度有關。若電波方向與移動方向之間的夾角為θ，則有

（7-1）

其中，v為移動臺的運動速度；λ為信號工作波長；若運動方向面向基站，則fd為正值，否則fd為負值。當移動臺的運動速度較高時，多普勒頻移的影響必須考慮，而且工作頻率越高，頻移越大。多普勒頻移產生的附加調頻或寄生調相均為隨機變量，對信號會產生干擾。在高速移動電話系統(tǒng)中，多普勒頻移會影響頻率為300Hz左右的話音，足以產生令人不適的失真。多普勒頻移對低速數字信號傳輸不利，對高速數字信號傳輸則影響不大。

（3）移動通信受干擾和噪聲的影響。移動通信網是多頻道、多電臺同時工作的通信系統(tǒng)。當移動臺工作時，往往受到來自其他電臺的干擾，同時還可能受到天電干擾、工業(yè)干擾和各種噪聲的影響。

基站通常有多部收發(fā)信機同時工作，服務區(qū)內的移動臺分布不均勻且位置隨時在變化，導致干擾信號的場強可能比有用信號高幾十分貝（70～80dB）。通常將近處無用信號壓制遠處有用信號的現象稱為遠近效應，這是移動通信系統(tǒng)的一種特殊干擾。

在多頻道工作的網絡中，由于收發(fā)信機的頻率穩(wěn)定度、準確度及采用的調制方式等因素的影響，相鄰的或鄰近的頻道的能量部分地落入本頻道而產生鄰道干擾。在組網過程中，為提高頻率利用率，在相隔一定距離后，要重復使用相同的頻率，這種同頻道再用技術將帶來同頻干擾。同頻干擾是決定同頻道再用距離的主要因素。移動通信系統(tǒng)中，還存在互調干擾問題，當兩個或多個不同頻率的信號同時進入非線性器件時，器件的非線性作用將產生許多諧波和組合頻率分量，其中與所需頻率相同或相近的組合頻率分量會順利地通過接收機而形成干擾。鑒于上述各種干擾，在設計移動通信系統(tǒng)時，應根據不同形式的干擾，采取相應的措施。

移動信道中噪聲的來源是多方面的，有大氣噪聲、太陽噪聲、銀河系噪聲以及人為噪聲等。在30～1000MHz頻率范圍內，大氣、太陽等噪聲很小，可忽略不計，主要考慮的應是人為噪聲（各種電氣裝置的電流或電壓發(fā)生急劇變化時形成的電磁輻射）。移動信道中，人為噪聲主要是車輛的點火噪聲。人為噪聲的大小不僅與頻率有關，而且與交通流量有關，流量越大，噪聲電平越高。

（4）頻譜資源緊缺。在移動通信中，用戶數與可利用的頻道數之間的矛盾特別突出。為此，除開發(fā)新頻段外，應該采用頻帶利用率高的調制技術，例如窄帶調制技術(以縮小頻道間隔)、在空間域上的頻率復用技術以及在時間域上的多信道共用技術等。頻率擁擠是影響移動通信發(fā)展的主要因素之一。

（5）建網技術復雜。移動臺可以在整個移動通信服務區(qū)域內自由運動，為實現通信，交換中心必須知道移動臺的位置，為此，需采用“位置登記”技術；移動臺從一個蜂窩小區(qū)移入另一個小區(qū)時，需進行頻道切換（亦稱過境切換）；移動臺從一個蜂窩網業(yè)務區(qū)移入另一個蜂窩網業(yè)務區(qū)時，被訪蜂窩網亦能為外來用戶提供服務，這種過程稱為漫游。移動通信網為滿足這些要求，必須具有很強的控制功能，如通信的建立和拆除，頻道的控制和分配，用戶的登記和定位，以及過境切換和漫游控制等。

當今，移動通信已向數字化方向發(fā)展，數字移動通信已逐漸取代了模擬移動通信系統(tǒng)。數字移動通信系統(tǒng)的特點是：

（1）頻譜效率高。由于采用了高效調制器、信道編碼、交織、均衡和話音編碼技術等，因此數字移動系統(tǒng)具有高頻譜效率。

（2）容量大。每個信道傳輸帶寬增加，同頻復用信噪比要求降低。GSM系統(tǒng)的同頻復用信噪比可以縮小到4/12或3/9，甚至更小。

（3）抗噪性能強。數字移動系統(tǒng)采用了糾錯編碼、交織編碼、自適應均衡、分集接收以及擴、[JP3]調頻等技術，可以控制由任何干擾和不良環(huán)境產生的損害，使傳輸差錯率低于規(guī)定的閾值。

（4）開放的接口。GSM標準所提供的開放性接口，便于不同廠商生產的設備相互之間連網。

（5）網絡管理與控制靈活。數字移動系統(tǒng)可以設置專門的控制信道來傳輸信令消息，也可以把控制指令插入業(yè)務信道的話音比特流中來傳輸控制信息，因而可實現多種可靠的控制功能。

（6）安全性能好。數字移動系統(tǒng)通過鑒權、加密等措施，避免了模擬網中容易被制作偽機及在無線信道上被竊聽的缺點，達到了使用戶安全使用的目的；使用了用戶身份識別模塊，該模塊與收信機分離，只要采用同一個用戶身份識別模塊，即使收信機改變，仍可達到用戶號碼不變，計費帳號不變的目的。

（7）業(yè)務范圍廣。數字移動系統(tǒng)除了提供模擬網所提供的話音業(yè)務的補充業(yè)務，如呼叫轉移、呼叫等待外，還能提供短消息業(yè)務(SMS，ShortMessageSystem)和傳真業(yè)務及移動因特網業(yè)務等。

7.1.2移動通信的分類

隨著移動通信應用范圍的不斷擴大，移動通信系統(tǒng)的類型越來越多，其分類方法也多種多樣。

1.按設備的使用環(huán)境分類

按這種方式分類，主要分為陸地移動通信、海上移動通信和航空移動通信三種類型，還有地下隧道礦井、水下潛艇和太空航天等移動通信。

2.按服務對象分類

按這種方式分類，可以分為公用和專用移動通信兩種類型。在公用移動通信中，目前我國有中國移動、中國聯通經營的移動電話業(yè)務。由于公用移動通信是面向社會各階層人士的，因此稱為公用網。專用移動通信是為保證某些特殊部門的通信所建立的通信系統(tǒng)，由于各個部門的性質和環(huán)境有很大區(qū)別，因而各個部門使用的移動通信網的技術要求也有很大差異。這些部門包括公安、消防、急救、防汛、交通管理、機場調度等。

3.按系統(tǒng)組成結構分類

（1）蜂窩移動電話系統(tǒng)。蜂窩移動電話是移動通信的主體，它是具有全球性用戶容量的最大移動電話網。

（2）集群調度移動電話。它可將各個部門所需的調度業(yè)務進行統(tǒng)一規(guī)劃建設，集中管理，每個部門都可建立自己的調度中心臺。它的特點是共享頻率資源，共享通信設施，共享通信業(yè)務，共同分擔費用，是一種專用調度系統(tǒng)的高級發(fā)展階段，具有高效、廉價的自動撥號系統(tǒng)，頻率利用率高。

（3）無中心個人無線電話系統(tǒng)。它沒有中心控制設備，這是與蜂窩網和集群網的主要區(qū)別。它將中心集中控制轉化為電臺分散控制，由于不設置中心控制，故可節(jié)約建網投資，并且頻率利用率最高。該系統(tǒng)采用數字選呼方式，采用共用信道傳送信令，接續(xù)速度快。由于該系統(tǒng)沒有蜂窩移動通信系統(tǒng)和集群系統(tǒng)那樣復雜，建網簡易，投資低，性價比最高，因而適用于個人業(yè)務和小企業(yè)的單區(qū)組網分散小系統(tǒng)。

（4）公用無繩電話系統(tǒng)。公用無繩電話是公共場所，例如商場、機場、火車站等使用的無繩電話系統(tǒng)。通過無繩電話的手機可以呼入市話網，也可以實現雙向呼叫。它的特點是不適用于乘車使用，只適用于步行。

（5）移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)。21世紀通信的最大特點是衛(wèi)星通信終端手持化，個人通信實現全球化。所謂個人通信，是移動通信的進一步發(fā)展，是面向個人的通信。其實質是任何人在任何時間、任何地點，可與任何人實現任何方式的通信。只有利用衛(wèi)星通信覆蓋全球的特點，通過衛(wèi)星系統(tǒng)與地面移動通信系統(tǒng)的結合，才能實現名符其實的全球個人通信。

4.按移動通信的業(yè)務分類

（1）按使用對象可分為民用設備和軍用設備；

（2）按使用環(huán)境可分為陸地通信、海上通信和空中通信；

（3）按多址方式可分為頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）和碼分多址(CDMA)等。

（4）按覆蓋范圍可分為寬域網和局域網;

（5）按業(yè)務類型可分為電話網、數據網和綜合業(yè)務網；

（6）按工作方式可分為同頻單工、異頻單工、異頻雙工和半雙工；

（7）按服務范圍可分為專用網和公用網；

（8）按信號形式可分為模擬網和數字網。

7.1.3移動通信系統(tǒng)的組成

移動通信系統(tǒng)一般由移動臺（MobileSet，MS）、基站(BaseStation，BS)、移動業(yè)務交換中心(MobileSwitchCenter，MSC)等組成，如圖7-1所示。

圖7-1移動通信系統(tǒng)的組成

基站和移動臺設有收發(fā)信機和天線等設備。每個基站都有一個可靠通信的業(yè)務范圍，稱為無線小區(qū)（通信服務區(qū)）。無線小區(qū)的大小，主要由發(fā)射功率和基站天線的高度決定。根據服務面積的大小可將移動通信網分為大區(qū)制、中區(qū)制和小區(qū)制（CellularSystem）三種。大區(qū)制是指一個通信服務區(qū)（比如一個城市）由一個無線區(qū)覆蓋，此時基站發(fā)射功率很大（50W或100W以上，對手機的要求一般為50W以下），無線覆蓋半徑可達25km以上。其基本特點是：只有一個基站，覆蓋面積大，信道數有限，一般只容納數百到數千個用戶。大區(qū)制的主要缺點是系統(tǒng)容量不大。為了克服這一限制，滿足更大范圍（大城市）、更多用戶的服務，就必須采用小區(qū)制。小區(qū)制一般是指覆蓋半徑為2～10km的多個無線區(qū)聯合而成整個服務區(qū)的制式，此時的基站發(fā)射功率很小（8～20W）。由于通常將小區(qū)繪制成六角形（實際的小區(qū)覆蓋地域并非六角形），多個小區(qū)結合后看起來很像蜂窩，因此稱這種組網為蜂窩網。用這種組網方式可以構成大區(qū)域、大容量的移動通信系統(tǒng)，進而形成全省、全國或更大的系統(tǒng)。

小區(qū)制有以下四個特點：

（1）基站只提供信道，其交換、控制都集中在一個移動電話交換局(MobileTelephoneSwitchingOffice，MTSO)或稱移動交換中心完成，其作用相當于一個市話交換局。而大區(qū)制的信道交換、控制等功能都集中在基站完成。

（2）具有過區(qū)切換功能（Handoff），簡稱過區(qū)功能。即一個移動臺從一個小區(qū)進入另一個小區(qū)時，要從原基站的信道切換到新基站的信道上來，而且不能影響正在進行的通話。

（3）具有漫游（Roaming）功能。即一個移動臺從本管理區(qū)進入到另一個管理區(qū)時，其電話號碼不能變，仍然像在原管理區(qū)一樣能夠被呼叫到。

（4）具有頻率再用的特點。所謂頻率再用，是指一個頻率可以在不同的小區(qū)重復使用。由于同頻信道可以重復使用，再用的信道越多，用戶數也就越多，因此，小區(qū)制可以提供比大區(qū)制更大的通信容量。

目前的發(fā)展方向是將小區(qū)劃小，成為微區(qū)、宏區(qū)和毫區(qū)，其覆蓋半徑降至100m左右。中區(qū)制則是介于大區(qū)制和小區(qū)制之間的一種過渡制式。

移動交換中心主要用來處理信息和整個系統(tǒng)的集中控制管理。

7.2移動通信的基本技術

7.2.1蜂窩組網技術

1.蜂窩網的概念

假設將一個移動通信服務區(qū)劃分成許多小區(qū)（Cell），每個小區(qū)設立基站，與用戶移動臺之間建立通信。小區(qū)的覆蓋半徑較小，可從幾百米至幾千米。如果基站采用全向天線，覆蓋區(qū)域實際上是一個圓，但從理論上說，圓形小區(qū)鄰接處會出現多重覆蓋或無覆蓋，有效覆蓋整個平面區(qū)域的實際上是圓的內接規(guī)則多邊形，這樣的規(guī)則多邊形有正三角形、正方形、正六邊形三種，如圖7-2所示。顯然，正六邊形最接近圓形，對于同樣大小的服務區(qū)域，采用正六邊形小區(qū)所需的小區(qū)數最少，所需的頻率組數也最少。因而，采用正六邊形組網是最經濟的方式。正六邊形的網絡形同蜂窩，蜂窩網亦由此得名。應該說明的是，正六邊形小區(qū)圖形僅僅具有理論分析和設計意義，實際中的基站天線覆蓋區(qū)不可能是規(guī)則正六邊形。圖7-3給出了一個蜂窩網的展開圖形。

圖7-2小區(qū)的形狀

（a）正三角形；（b）正方形；（c）正六邊形

圖7-3蜂窩小區(qū)覆蓋

在頻分信道體制的蜂窩系統(tǒng)中，每個小區(qū)占有一定的頻道，而且各個小區(qū)占用的頻道是不相同的。假設每個小區(qū)分配一組載波頻率，為避免相鄰小區(qū)間產生干擾，各小區(qū)的載波頻率不應相同。但因為頻率資源有限，當小區(qū)覆蓋不斷擴大而且小區(qū)數目不斷增加時，將出現頻率資源不足的問題。因此，為了提高頻率資源的利用率，用空間劃分的方法，在不同的空間進行頻率復用。即將若干個小區(qū)組成一個區(qū)群或簇（Cluster），區(qū)群內不同的小區(qū)使用不同的頻率，另一區(qū)群對應小區(qū)可重復使用相同的頻率。不同區(qū)群中使用相同頻率的小區(qū)之間將產生同頻干擾，但當兩同頻小區(qū)間距足夠大時，同頻干擾將不影響正常的通信質量。

構成單元無線區(qū)群的基本條件是：①區(qū)群之間彼此鄰接且無空隙、無重疊地覆蓋整個面積；②相鄰單元中，同信道小區(qū)之間距離保持相等，且為最大。滿足上述條件的區(qū)群形態(tài)和區(qū)群內的小區(qū)數不是任意的?？梢宰C明，區(qū)群內的小區(qū)數N應滿足下式：

N=i2+ij+j2

(7-2)式中，i和j分別是相鄰同頻小區(qū)之間的二維距離，如圖7-4所示。i、j取值為0和正整數，但它們不能同時為0。由式(7-2)計算得到N為不同值時的正六邊形蜂窩的區(qū)群結構如圖7-4所示。圖7-4正六邊形區(qū)群的結構

確定相鄰區(qū)群同頻小區(qū)的方法是：自某一小區(qū)A出發(fā)，先沿邊的垂直方向跨i個小區(qū)，再按逆時針方向轉60°，然后再跨j個小區(qū)，這樣就可以找出同頻小區(qū)A。在正六邊形的六個方向上，可以找到6個相鄰的同頻小區(qū)，如圖7-3所示。區(qū)群間同頻復用距離可由下式計算：

（7-3）

式中，N為區(qū)群內的區(qū)數，r0為小區(qū)的輻射半徑。當蜂窩移動通信系統(tǒng)覆蓋區(qū)內的部分地區(qū)業(yè)務量增長時，可將該部分的蜂窩小區(qū)分裂成多個較小的區(qū)域，這種做法稱為蜂窩小區(qū)的分裂。圖7-5為用戶分布密度不等時基站覆蓋區(qū)劃分的情形：中心區(qū)用戶密度高，基站覆蓋區(qū)小，所提供服務的信道數相對較多；邊緣區(qū)用戶密度低，基站覆蓋區(qū)大，所提供服務的信道數相對較少。圖7-5用戶分布密度不等時基站覆蓋區(qū)的劃分

采用蜂窩分裂的方法后，有限的頻率資源可通過縮小同頻復用距離而使單位面積的頻道數增多，系統(tǒng)容量增大。具體的實施方法有兩種：一是在原基站基礎上采用方向性天線將小區(qū)扇形化，如圖7-6（a）、（b）所示，一個全向天線的小區(qū)可以分裂成3個120°扇形小區(qū)和6個60°扇形小區(qū)；二是將小區(qū)半徑縮小并增加新基站，如圖7-6（c）所示，即將原小區(qū)內分設三個發(fā)射功率更小一些的新基站，就可以形成幾個面積更小的正六邊形小區(qū)，如圖中虛線所示。

圖7-6小區(qū)分裂方案

2.多信道共用

所謂多信道共用，就是指在一個無線區(qū)內的n個信道為該無線區(qū)內所有用戶共用，任何一個移動用戶選取空閑信道及占用時間均是隨機的。多信道共用可以提高信道的利用率，它支撐著移動網的呼損率、中斷率、系統(tǒng)容量等指標。下面分別闡明話務量、呼損率、信道利用率的概念及其同系統(tǒng)用戶數的關系。

話務量定義為在一特定時間內的呼叫次數與每次呼叫平均占用信道時間的乘積，可分為流入話務量與完成話務量。流入話務量取決于單位時間（通常為1小時）內發(fā)生的平均呼叫次數與每次呼叫的平均占用時間。在系統(tǒng)的流入話務量中，必然有一部分呼叫失敗（信道全部被占用時，新發(fā)起的呼叫不能被接續(xù)），而完成接續(xù)的那部分話務量稱為完成話務量。如用A表示流入話務量，A0表示完成話務量，C表示單位時間內發(fā)生的平均呼叫次數，C0表示單位時間內呼叫成功的次數，t表示每次呼叫平均占用信道時間，則

A=C·tA0=C0·t

(7-4)（7-5）

若計算C所用的單位時間與t的單位相同，則話務量單位稱為“愛爾蘭（Erlang）”,用Erl表示。例如，一個呼叫占用信道1小時，則該信道話務量為1Erl。

損失話務量（呼叫失敗的話務量）與流入話務量之比稱為呼損率，用以說明呼叫損失的概率，它用B表示，即

（7-6）

顯然，呼損率越小，呼叫成功概率就越大，用戶就越滿意。呼損率也稱為系統(tǒng)的服務等級，是衡量通信網接續(xù)質量的主要指標。

根據話務量理論，話務量、呼損率、信道數之間存在式(7-7)所示的定量關系(稱為愛爾蘭呼損公式):（7-7）

采用多信道共用技術能提高信道利用率。信道利用率可以用每個信道平均完成的話務量來表示，即

（7-8）

有了上面這些概念，我們來討論它們與系統(tǒng)用戶數之間的關系。在工程設計中，為了計算系統(tǒng)用戶數，需要知道每用戶忙時話務量（用a表示）。忙時話務量與全天（24小時）話務量之比稱為忙時集中系數，用K表示，K一般取10%～15%。假設每用戶每天平均呼叫次數為C，每次呼叫平均占用信道時間為T（秒/次），忙時集中系數為K，則每用戶忙時話務量a為

a=C·T·K·1/3600(7-9)一般來講，對公眾網，每用戶忙時話務量可按0.01Erl取值；對專用網，一般可按0.06Erl

近似取值。

當每用戶忙時話務量確定后，每個信道所能容納的用戶數m可由下式計算：

（7-10）

若系統(tǒng)有n個信道，則系統(tǒng)所能容納的用戶數M為

（7－11）由以上分析可見，在系統(tǒng)設計時，既要保證一定的服務質量，又要保證系統(tǒng)用有限的信道數給盡可能多的用戶提供服務，盡量提高信道利用率。

那么如何實現多信道共用技術呢？現代移動通信系統(tǒng)要求每個移動臺必須具有自動選擇空閑信道的能力，即當控制中心發(fā)出信道指定命令后，移動臺可自動調諧到被指定的空閑信道上通信，這就是信道的自動選擇。信道的自動選擇方式有多種，但基本上可以分成以下兩類：

（1）專用呼叫信道方式。在給定的多個共用信道中，選擇一個信道專門用做呼叫處理與控制，以完成建立通信聯系的信道分配，而其余信道作為業(yè)務（語音或數據）信道，這種信道控制方式稱為專用呼叫信道方式。因為專用呼叫信道處理一次呼叫過程所需時間很短，一般約為幾百毫秒，所以設立一個專用呼叫信道就可以處理成千上萬的用戶。因此，這種方式適用于共用信道數較多的系統(tǒng)。目前大容量公眾蜂窩移動通信系統(tǒng)均采用這種方式。

（2）標明空閑信道方式。所有共用信道中的任何一個都可供通話，控制中心在某個或全部信道上發(fā)空閑信號供移動臺守候，這種信道控制方式稱為標明空閑信道方式。根據移動臺守候方式的不同，標明空閑信道方式又可分為“循環(huán)不定位”、“循環(huán)分散定位”等方式。標明空閑信道方式是小容量專用網經常采用的方式。

3.位置登記與信道切換

位置登記是指移動臺向控制中心發(fā)送報文時，表明它本身工作時所處位置并被移動網登記存儲的過程。在構造復雜的移動通信服務區(qū)內，一般將一個MSC控制作為一個位置區(qū)或分成若干個位置區(qū)。移動臺將所處位置的位置信息進行“位置登記”，可以提高尋呼一個移動臺的效率。移動臺的位置登記信息被存儲于MSC內。不同的蜂窩移動通信系統(tǒng)可以使用不同的“位置登記”方式。

信道切換可以分為兩類：越區(qū)切換和漫游切換。

當正在通話的移動臺從一個小區(qū)（扇區(qū)）移動到另一個小區(qū)時，MSC控制使一個信道上的通話切換到另一個信道上以維持通話連續(xù)性，這一過程稱為越區(qū)切換。判斷發(fā)生越區(qū)切換的準則有：①信號電平準則；②載干比準則。其中，信號電平準則依據接收信號電平的高低來表征移動臺是否遠離基站；載干比準則則依據接收端的載波與干擾比的大小來表征移動臺是否遠離基站。

移動用戶由其歸屬交換局轄區(qū)進入另一交換局轄區(qū)的小區(qū)時將發(fā)生漫游切換，并稱所進入的新交換局為被訪交換局。實現漫游切換后的通信即為漫游通信。這時，移動用戶的歸屬交換局與被訪交換局之間需要完成移動用戶文檔的存取和有關信息的交換，并建立通信鏈路。實現漫游的條件是：覆蓋頻率段一樣，無線接口標準相同，并且已完成漫游網的聯網。將來出現多頻多模手機后，用戶也可以在不同頻段、不同接口標準的系統(tǒng)中漫游。

7.2.2多址技術

多址接入或多址連接是多用戶無線通信網中按用戶地址進行連接的問題。在移動通信系統(tǒng)中，基站覆蓋區(qū)內存在許多移動臺，移動臺必須能識別基站發(fā)射的信號中哪一個是發(fā)給自己的信號，基站也必須從眾多的移動臺發(fā)射的信號中識別出每一個移動臺所發(fā)射的信號。由此可見，多址（接入）技術在數字蜂窩移動通信中占有重要的地位。我們知道，無線電信號可以表達為頻率、時間和碼型的函數，多址技術的原理正是利用信號的這些參量的正交性來區(qū)分不同的信道，以達到不同信道提供給不同用戶使用的目的。相應地，目前常用的多址技術可分為三類：頻分多址、時分多址和碼分多址。

1.頻分多址（FDMA）

頻分多址是用頻率來區(qū)分信道的。頻分多址方式將移動臺發(fā)出的信息調制到移動通信頻帶內的不同載頻位置上，這些載頻在頻率軸上分別排開，互不重疊。基站可以根據載波頻率的不同來識別發(fā)射地址，從而完成多址連接。頻分多址方式中，N個波道在頻率軸上嚴格分割，但在時間和空間上是重疊的，此時，“信道”一詞的含義即為“頻道”。模擬信號和數字信號都可采用頻分多址方式傳輸。該方式有如下特點：

（1）一路一個載頻。每個頻道只傳送一路業(yè)務信息，載頻間隔必須滿足業(yè)務信息傳輸帶寬的要求。

（2）連續(xù)傳輸。當系統(tǒng)分配給移動臺和基站一個FDMA信道后,移動臺和基站連續(xù)傳輸直到通話結束，信道收回。

（3）FDMA蜂窩移動通信系統(tǒng)是頻道受限和干擾受限的系統(tǒng)。主要干擾有鄰道干擾、互調干擾和同頻干擾。

（4）FDMA系統(tǒng)需要周密的頻率計劃，頻率分配工作復雜。基站的硬件配置取決于頻率計劃和頻道配置。

（5）頻率利用率低，系統(tǒng)容量小。

2.時分多址（TDMA）

時分多址是以時隙（時間間隔）來區(qū)分信道的。在一個無線頻道上，時間被分割為若干個時隙，每個業(yè)務信道占其中的一個，并在規(guī)定的時隙內收發(fā)信號。在時分多址方式中，分配給各移動臺的是一個特定的時隙。各移動臺在規(guī)定的時隙內向基站發(fā)射信號（突發(fā)信號），基站接收這些順序發(fā)來的信號，經處理再傳送出去。因為移動臺在分配的時隙內發(fā)送，所以不會相互干擾。移動臺發(fā)送到基站的突發(fā)信號呈現時間分割，相互間沒有保護時隙。時分多址方式中，時隙在時間軸上嚴格分割，但在頻率軸上卻是重疊的，此時，“信道”一詞的含義為“時隙”。時分多址只能傳送數字信息，話音必須先進行模/數變換，再送到調制器對載波進行調制，然后以突發(fā)信號的形式發(fā)送出去。根據復用信道N的大小，時分多址又可分為3、4路復用和8～10路復用。該方式具有如下特點：

（1）每一時隙為一個話路的數字信號傳輸。

（2）各移動臺發(fā)送的是周期性信號，而基站發(fā)送的是時分復用（TDM）信號，發(fā)射信號的速率隨時隙數的增大而提高。

（3）TDMA蜂窩移動通信系統(tǒng)是時隙受限和干擾受限的系統(tǒng)。

（4）系統(tǒng)的定時和同步問題是關鍵問題。定時和同步是TDMA系統(tǒng)正常工作的前提，因為通信雙方只允許在規(guī)定的時隙中收發(fā)信號，所以必須在嚴格的時幀同步、時隙同步和比特（位）同步的條件下進行工作。

（5）抗干擾能力強，頻率利用率高，系統(tǒng)容量大。

（6）基站成本低。N個時分信道共用一個載波，占據相同帶寬，只需一部收發(fā)信機。

3.碼分多址（CDMA）

碼分多址基于碼型分割信道。在CDMA方式中，不同用戶傳輸信息所用的信號不是靠頻率不同或時隙不同來區(qū)分的，而是用各不相同的編碼序列來區(qū)分的。如果從頻域或時域來觀察，多個信號在CDMA是互相重疊的。接收機用相關器可以在多個CDMA信號中選出其中使用預定碼型的信號，而其他使用不同碼型的信號不能被解調，它們的存在類似于在信道中引入了噪聲和干擾（稱為多址干擾）。CDMA系統(tǒng)無論傳輸何種信息，其信道都是靠采用不同的碼型來區(qū)分的，所以，此時“信道”一詞的含義為“碼型”。

CDMA的特征是代表各信源信息的發(fā)射信號在結構上各不相同，并且其地址碼相互間具有正交性，以區(qū)別于地址。在移動通信中，要實現碼分多址必須具備以下三個條件：

（1）要有數量足夠多、相關性能足夠好的地址碼，使系統(tǒng)能通過不同的地址碼建立足夠多的信道。所謂好的相關性，是指有強的自相關性和弱的互相關性。

（2）必須用地址對發(fā)射信號進行擴頻調制，并使發(fā)送的已調波頻譜極大地展寬（是原來的幾百倍），功率譜密度降低。

（3）在碼分多址系統(tǒng)的接收端，必須具有與發(fā)送端完全一致的本地地址碼。將用本地地址碼收到的全部信號進行相關檢測，從中選出所需要的信號。

7.2.3調制技術

調制的目的是把要傳輸的信息變成適合在信道上傳輸的信號。模擬移動通信系統(tǒng)中廣泛使用角度調制（調制或調相）。現代移動通信已完成由模擬到數字的過渡，所以先進的數字調制技術是移動通信的研究方向之一。

1.數字調制的要求

數字調制解調技術是數字移動通信的關鍵技術，對它有如下主要要求：

（1）頻率利用率高。數字調制的頻率利用率是指在單位頻帶內能傳輸的信息比特率，以（b/s）/Hz為單位。提高頻率利用率（即頻譜效率）的措施很多，但最基本的辦法是采用窄帶調制，減少信號所占帶寬，即要求頻譜的主瓣窄，使主要能量集中在頻帶之內，而帶外的剩余分量盡可能低。

（2）誤碼性能好。移動通信環(huán)境以衰落、噪聲、干擾為特點，包括多徑瑞利衰落、頻率選擇性衰落、多普勒頻移和障礙物阻擋的聯合影響。因此，必須根據抗衰落和干擾能力來優(yōu)選調制方案。誤碼性能的好壞實際上反映了信號的功率利用率的高低。

（3）能接受差分檢測，易于解調。由于移動通信系統(tǒng)的接收信號具有衰落和時變特性，相干解調性能明顯變差，而差分檢測不需載波恢復，能實現快速同步，獲得好的誤碼性能，因而差分檢測的數字調制方案被越來越多地應用于數字蜂窩移動通信系統(tǒng)中。

（4）功率效率高。在非線性工作模式下，數字調制解調技術性能劣化小，電源效率高。

2.主要的數字調制方式

移動通信的電波傳播條件惡劣，地形地物對其影響較大，移動通信中的調制技術應適應這種變參信道的條件。

應用于移動通信的數字調制技術，按信號相位是否連續(xù)，可分為相位連續(xù)的調制和相位不連續(xù)的調制；按信號包絡是否恒定，可分為恒定包絡和非恒定包絡調制。

主要的調制方式有：

（1）最小移頻鍵控（MSK）。

（2）高斯濾波最小移頻鍵控（GMSK）。

（3）QPSK調制。

（4）π/4-QPSK調制。

7.2.4交織技術

我們知道，在數字通信中，由于傳輸特性不理想及各種干擾和噪聲的影響，將產生傳輸差錯。信道編碼（分組編碼和卷積編碼）只能糾正錯誤比特或有限連續(xù)錯誤比特。但在陸地移動信道上，大多數誤碼的產生是由于長突發(fā)形式的串錯誤比特引起的。采用交織技術的目的是使誤碼離散化，使突發(fā)差錯變?yōu)殡S機離散差錯。接收端通過糾正隨機離散差錯，能夠改善整個數據序列的傳輸質量。

交織技術的一般原理如下。

假定有由一些比特組成的消息分組，把4個相繼分組中的第一個比特取出來，并讓這4個第1比特組成一個新的4比特分組，稱為第1幀。對這4個消息分組中的第2～4比特也做同樣的處理，如圖7-7所示。然后依次傳送第1比特組成的幀，第2比特組成的幀……

。如果沒有交織，假設在傳輸期間，第2組丟失，就丟失了某一整個消息分組；但采用交織技術后，只有每個消息分組的第2比特丟失，再利用信道編碼，全部消息分組中的消息仍可恢復，這就是交織技術的基本原理。概括地說，交織就是把碼字的b個比特分散到n個幀中，以改變比特間的鄰近關系，因而n（n為交織深度）值越大，傳輸性能越好。但是交織將帶來時延，因為在收發(fā)雙方均有先存儲后讀取數據處理的過程，故n值越大，傳輸時延也越大，所以在實際使用中必須作折中考慮。

圖7-7交織原理

在GSM交織方案實施中，交織分兩次進行。第一次為比特間交織。語音編碼器和信道編碼器將每一20ms語音數字化并進行編碼，提供456bit數據，速率為22.8kb/s。將456bit

按57×8交織矩陣分成8組，每組57bit就成為經矩陣交織后的離散編碼比特分布。第二交織為塊間交織。在一個普通突發(fā)脈沖（時隙）中可傳輸2組57bit數據，GSM系統(tǒng)將相鄰兩個語音塊再進行交織，每一個20ms語音已成為8組57bit組，前一個20ms的第5、6、7、8組分別與后一個20ms的第1、2、3、4組結合，構成一個時隙（TS）的語音數據，如圖7－8所示。

圖7-8GSM系統(tǒng)的語音交織

7.2.5自適應均衡技術

均衡是指對信道特性的均衡，即接收的均衡器產生與信道特性相反的特性，用來抵消由信道的時變多徑傳播特性引起的碼間干擾。均衡有兩條基本途徑：一是頻域均衡，它使包括均衡器在內的整個系統(tǒng)的總傳輸函數滿足無失真?zhèn)鬏數臈l件，需要分別校正幅頻特性和群時延特性；二是時域均衡器，就是直接從時間響應來考慮，使包括均衡器在內的整個系統(tǒng)的沖激響應滿足誤碼間串擾的條件。數字通信中面臨的問題是時變信號，因而需采用時域均衡。

時域均衡的主體是橫向濾波器，它由多級抽頭延遲線、加權系數相乘器（或可變增益電路）及相加器組成，如圖7-9所示。

圖7-9橫向濾波器

自適應均衡器所追求的目標就是達到最佳抽頭增益系數，它直接從傳輸的實際數字信號中根據某種算法不斷調整增益，因而能適應信道的隨機變化，使均衡器總是保持最佳的工作狀態(tài)，有較好的失真補償性能。自適應均衡器有三個特性：快速初始收斂特性、好的跟蹤信道時特性和低的運算量特性。因此，實際使用的自適應均衡器在正式工作前先發(fā)一定長度的測試脈沖序列，又稱訓練序列，以調整均衡器的抽頭系數，使均衡器基本上趨于收斂，然后再自動改變?yōu)樽赃m應工作方式，使均衡器維持最佳狀態(tài)。

7.2.6信道配置技術

我們知道傳輸損耗是隨著距離的增大而增加的，并且與地形環(huán)境密切相關，因而移動臺與基站的通信距離是有限的。在FDMA系統(tǒng)中，通常每個信道有一部對應的收發(fā)信機。由于電磁兼容等因素的限制，在同一地點工作的收發(fā)信機數目是有限的。因此，用單個基站覆蓋的一個服務區(qū)（通常稱為大區(qū)）可容納的用戶數是有限的，無法滿足大容量的要求。

為了使得服務區(qū)達到無縫覆蓋，提高系統(tǒng)的容量，需要采用多個基站來覆蓋給定的服務區(qū)。每個基站的覆蓋區(qū)稱為一個小區(qū)。我們可以給每個小區(qū)分配不同的頻率，但這樣需要大量的頻率資源，且頻譜利用率低。為此，我們需將相同的頻率在相隔一定距離的小區(qū)中重復使用，只要使用相同頻率小區(qū)（同頻小區(qū)）之間的干擾足夠小即可。

1.帶狀網

帶狀網主要用于覆蓋公路、鐵路、海岸、狹長城市等的帶狀服務區(qū)，如圖7-10所示。帶狀服務區(qū)的基站可以使用定向天線。整個系統(tǒng)是由許多細長區(qū)域鏈接而成的。

圖7-10帶狀服務區(qū)

帶狀網頻率復用常采用的方法有二頻組和三頻組。二頻組是指采用不同頻率組的兩個小區(qū)組成的一個區(qū)群，三頻組是指采用不同頻率組的三個小區(qū)組成的一個區(qū)群，如圖7-11所示。

圖7-11二頻組和三頻組工作方式

2.蜂窩網

在平面區(qū)內劃分小區(qū)，為了不留空隙地覆蓋整個平面的服務區(qū)，一個個圓形輻射區(qū)之間一定含有很多的交疊。在考慮了交疊之后，實際上每個輻射區(qū)的有效覆蓋區(qū)是一個多邊形?？梢宰C明，要用正多邊形無空隙、無重疊地覆蓋一個平面的區(qū)域，可取的形狀只有正三角形、正四方形和正六邊形三種。在服務區(qū)面積一定的情況下，正六邊形小區(qū)的形狀最接近理想的圓形，用它覆蓋整個服務區(qū)所需的基站數最少，也就最經濟。由正六邊形構成的網絡形同蜂窩，因此把形狀為六邊形的小區(qū)移動通信網稱為蜂窩網。

信道（頻率）配置主要解決將給定的信道（頻率）如何分配給在一個區(qū)群的各個小區(qū)的問題。在CDMA系統(tǒng)中，所有用戶使用相同的工作頻率，因而無需進行頻率配置。頻率配置主要針對FDMA和TDMA系統(tǒng)。信道配置的方式主要有兩種：一是分區(qū)分組配置法；二是等頻距配置法。

7.3GSM移動通信系統(tǒng)

歐洲各國為了建立全歐統(tǒng)一的數字蜂窩通信系統(tǒng)，在1982年成立了移動通信特別小組（GSM），提出了開發(fā)數字蜂窩通信系統(tǒng)的目標。1986年，歐洲有關國家在進行大量研究、實驗、現場測試、比較論證的基礎上，于1988年制定出GSM標準，并于1991年率先投入商用，隨后在整個歐洲、大洋洲以及其他許多的國家和地區(qū)得到了廣泛普及，成為目前覆蓋面最大、用戶數最多的蜂窩移動通信系統(tǒng)。

GSM系統(tǒng)具有以下特點：

（1）具有開放的通用接口標準。現有的GSM網絡采用7號信令作為互連標準，并采用與ISDN用戶網絡接口一致的三層分層協議，這樣易于與PSTN、ISDN等公共電信網實現互通，同時便于擴展功能和引入各種ISDN業(yè)務。

（2）提供可靠的安全保護功能。在GSM系統(tǒng)中，采用了多種安全手段來進行用戶識別、鑒權與傳輸信息的加密，保護用戶的權利和隱私。GSM系統(tǒng)中的每個用戶都有一張唯一的SIM（客戶識別模塊）卡，它是一張帶微處理器的智能卡（IC卡），存儲著用于認證的用戶身份特征信息和與網絡操作、安全管理以及保密相關的信息。移動臺只有插入SIM卡才能進行網絡操作。

（3）支持各種電信承載業(yè)務和補充業(yè)務，增值業(yè)務豐富。電信業(yè)務是GSM的主要業(yè)務，它包括電話、傳真、短消息、可視圖文以及緊急呼叫等業(yè)務。由于GSM中所傳輸的是數字信息，因此無需采用Modem就能提供數據承載業(yè)務，這些數據業(yè)務包括電路交換異步數據、1200～9600b/s的電路交換同步數據和300～9600b/s的分組交換異步數據。將GSM升級至GPRS后，更支持高達171.2kb/s的分組交換數據業(yè)務。

（4）具有跨系統(tǒng)、跨地區(qū)、跨國度的自動漫游能力。

（5）容量大，頻譜利用率高，抗衰落、抗干擾能力得到加強。與模擬移動通信相比，在相同頻帶寬度下，GSM的通信容量增大為原來的3～5倍。另外，由于在系統(tǒng)中使用了窄帶調制、語言壓縮編碼等技術，因此頻率可多次重復使用，從而提高了頻率利用率，同時便于靈活組網。又因為在GSM中采用了分集、交織、差錯控制、跳頻等技術，系統(tǒng)的抗衰落、抗干擾能力得到了加強。

（6）易于實現向第三代系統(tǒng)的平滑過渡。

正是由于GSM系統(tǒng)具有以上諸多優(yōu)點，真正實現了個人移動性和終端移動性，因此在全球得到了廣泛的應用，占據了全球移動通信市場70%以上的份額。

7.3

GSM移動通信系統(tǒng)

7.3.1GSM系統(tǒng)的網絡結構

GSM數字蜂窩通信系統(tǒng)主要由網絡子系統(tǒng)（NSS）、基站子系統(tǒng)（BSS）和移動臺（MS）組成，如圖7-12所示?；咀酉到y(tǒng)（BSS）由基站收發(fā)機組（BTS）和基站控制器（BSC）組成；網絡子系統(tǒng)由移動交換中心（MSC）、歸屬位置寄存器（HLR）、拜訪位置寄存器（VLR）、鑒權中心（AUC）、設備識別寄存器（EIR）、操作維護中心（OMC）等組成。除此之外，GSM網中還配有短信息業(yè)務中心（SC），既可實現點對點的短信息業(yè)務，也可實現廣播式的公共信息業(yè)務以及語音留言業(yè)務。

圖7-12GSM蜂窩移動通信系統(tǒng)結構示意圖

1.網絡子系統(tǒng)

網絡子系統(tǒng)由以下一系列的功能實體構成。

1）移動交換中心（MSC）

MSC的主要功能是對位于本MSC控制區(qū)域內的移動用戶進行通信控制和管理。MSC是蜂窩通信網絡的核心，它是用于對覆蓋區(qū)域中的移動臺進行控制和話音交換的功能實體，同時也為本系統(tǒng)連接別的MSC和其他公用通信網絡（如公用交換電信網PSTN、綜合業(yè)務數字網ISDN和公用數據網PDN）提供鏈路接口。MSC主要完成交換功能、計費功能、網絡接口功能、無線資源管理與移動性能管理功能等，具體包括：信道的管理和分配；呼叫的處理和控制；越區(qū)切換和漫游的控制；用戶位置信息的登記與管理；用戶號碼和移動設備號碼的登記和管理；服務類型的控制；對用戶實施鑒權，保證用戶在轉移或漫游的過程中實現無間隙的服務等。

2）歸屬位置寄存器（HLR）

HLR是GSM系統(tǒng)的中央數據庫，存儲著該控制區(qū)內所有移動用戶的管理信息。其中包括用戶的注冊信息和有關各用戶當前所處位置的信息等。每一個用戶都應在入網所在地的HLR中登記注冊。

3）拜訪位置寄存器（VLR）

VLR是一個動態(tài)數據庫，記錄著當前進入其服務區(qū)內已登記的移動用戶的相關信息，如用戶號碼、所處位置區(qū)域信息等。一旦移動用戶離開該服務區(qū)而在另一個VLR中重新登記時，該移動用戶的相關信息即被刪除。

4）鑒權中心（AUC）

AUC存儲著鑒權算法和加密密鑰，在確定移動用戶身份和對呼叫進行鑒權、加密處理時，提供所需的三個參數（隨機號碼RAND、負荷響應SRES、密鑰Kb），用來防止無權用戶接入系統(tǒng)和保證通過無線接口的移動用戶的通信安全。

5）設備識別寄存器（EIR）

EIR也是一個數據庫，用于存儲移動臺的有關設備參數，主要完成對移動設備的識別、監(jiān)視、閉鎖等功能，以防止非法移動臺的使用。目前，我國各移動運營商尚未啟用EIR設備。

6）操作維護中心（OMC）

OMC用于對GMC系統(tǒng)進行集中操作、維護與管理，允許遠程集中操作、維護與管理，并支持高層網絡管理中心（NMC）的接口。它具體又包括無線操作維護中心（OMC-R）和交換網絡操作維護中心（OMC-S）。OMC通過X.25接口對BSS和NSS分別進行操作、維護與管理，可實現事件/告警管理、故障管理、性能管理、安全管理和配置管理等功能。

2.基站子系統(tǒng)（BSS）

基站子系統(tǒng)包括基站收發(fā)機組（BTS）和基站控制器（BSC）。該子系統(tǒng)由MSC控制，通過無線信道完成與MS的通信，主要實現無線信號的收發(fā)以及無線資源管理等功能。

1）基站收發(fā)機組（BTS）

BTS包括無線傳輸所需要的各種硬件和軟件，如多部收發(fā)機、支持各種小區(qū)結構（如全向、扇形）所需要的天線、連接基站控制的接口電路以及收發(fā)機本身所需要的檢測和控制裝置等。它可實現對服務區(qū)的無線覆蓋，并在BSC的控制下提供足夠與MS連接的無線信道。

2）基站控制器（BSC）

BSC是基站收發(fā)信機組（BTS）和移動交換中心之間的連接點，也為BTS和操作維護中心（OMC）之間交換信息提供接口。一個基站控制器通常控制多個BTS，可完成無線網絡資源管理、小區(qū)配置數據管理、功能控制、呼叫和通信鏈路的建立和拆除、本控制區(qū)內移動臺的越區(qū)切換控制等功能。

3.移動臺（MS）

移動臺即便攜臺（手機)或車載臺，它包括移動終端（MT）和用戶識別模塊（SIM卡）兩部分，其中移動終端可完成話音編碼、信息加密、信息調制和調解以及信息發(fā)射和接收等功能，SIM卡則存有確認用戶身份所需的認證信息以及與網絡和用戶有關的管理數據。只有插入SIM卡后移動終端才能入網。SIM卡上的數據存儲器還可用做電話號碼簿，SIM卡也支持手機銀行、手機證券等MIK增值業(yè)務。

4.移動話路網結構

移動話路網由三級構成，即移動業(yè)務本地網、省內網和全國網。

在各大區(qū)設置一級匯接中心，稱為TMSC1。目前，我國各主要省份的省會均設有TMSC1，各一級匯接中心之間以網狀方式相連，可實現省級話路的匯接，從而構成全國網。

各省設兩個或兩個以上二級匯接中心，稱為TMSC2，它們彼此間以網狀方式相連，并與其歸屬的TMSC1連接，完成省內地區(qū)移動業(yè)務本地網的話路匯接，構成省內網。

通常長途區(qū)號為二位或三位的地區(qū)設為一個移動業(yè)務本地網，每個移動業(yè)務本地網中可以設立一個或幾個移動端局（MSC），并設立一個或多個HLR，存儲歸屬網與該移動業(yè)務本地網的所有用戶的有關數據。移動端局與其歸屬的二級匯接中心間以星形方式相連。如果任意兩個移動端局間的業(yè)務量較大，則可申請建立直達專線。移動本地網與其他固定網市話端局（LS）、匯接局（Tm）和長途局（TS）的互連互通是通過各自的關口局實現的。我國移動通信網的網絡結構如圖7-13所示。

圖7-13我國移動通信網的網絡結構

5.移動信令網結構

GSM移動信令網是我國7號信令網的一部分。信令網由信令鏈路（SL）、信令點（SP）和信令轉接點（STP）組成。

我國信令網也采用與話路網類似的三級結構，在各省或大區(qū)設有兩個HSTP（高級信令轉接點），同時省內至少還設有兩個LSTP，移動網中的其他功能實體（如MSC、HLR等）作為SP。

為了提高傳輸的可靠性，MSC、VLR、AUC、EIR等的每個SP至少應連到兩個省內的LSTP上；省內LSTP之間以網狀方式相連，同時它們還與其歸屬的兩個HSTP相連。根據省際話務量的大小，還可將本地網的信令點直接與相應的HSTP相連。HSTP之間以網狀方式相連接。移動信令網的結構如圖7-14所示。

圖7-14移動信令網的結構

6.編號方式

GSM蜂窩電話系統(tǒng)中移動用戶的編碼與ISDN網一致，號碼組成格式如下：

我國國家碼為86，國內移動用戶ISDN號碼為一個11位數字的等長號碼：

N1N2N3H0H1H2H3××××其中，N1N2N3為數字蜂窩移動業(yè)務接入號（網號），中國移動139、138、137、136、135，中國聯通為130、131：H0H1H2H3為（歸屬位置寄存器）識別號，表示用戶歸屬的HLR，用來區(qū)別不同的移動業(yè)務區(qū)：××××為四位用戶號碼。

相應的撥號程序為：

移動用戶→外地固定用戶：0+長途區(qū)號+固定用戶電話號碼，即0+XYZ+PQRABCD。

移動用戶→移動用戶：移動用戶電話號碼。

固定用戶→本地移動用戶：移動用戶電話號碼，即139（138、137…）H0H1H2H3××××。

固定用戶→其他區(qū)移動用戶：0+移動用戶電話號碼，即0+139（138、137…）H0H1H2H3××××。

7.3.2

GSM系統(tǒng)的無線空中接口

GSM在制定技術規(guī)范時，對其子系統(tǒng)之間及各功能實體之間的接口和協議作了比較具體的定義,使不同的設備供應商提供的系統(tǒng)基礎設備能夠符合統(tǒng)一的GSM技術規(guī)范而達到互通/組網的目的。根據GSM系統(tǒng)技術規(guī)范，系統(tǒng)內部的主要接口有四個，分別是移動臺與BTS之間的接口(也稱為無線空中接口)、BTS與BSC之間的接口(也叫Abis接口)、BSC與MSC之間的接口(也叫A接口)、MSC與PSTN之間的接口，如圖7-15所示。除Abis接口外，其他接口都是標準化接口，這樣有利于實現系統(tǒng)設備的標準化、模塊化與通用化。

圖7-15GSM系統(tǒng)內的接口無線空中接口

1.GSM系統(tǒng)無線傳輸特性

1）工作頻段

GSM系統(tǒng)包括900MHz和1800MHz兩個頻段。早期使用的是GSM900頻段，隨著業(yè)務量的不斷增長，DCS1800頻段投入使用。目前，在許多地方這兩個頻段的網絡同時存在，構成“雙頻”網絡。

GSM使用的900MHz、1800MHz頻段如表7-1所示。

表7-1GSM使用的900MHz、1800MHz頻段

2）多址方式

GSM蜂窩系統(tǒng)采用時分多址/頻分雙工（TDMA/FDMA/FDD）制式，頻道間隔為200kHz

，每個頻道采用多址接入方式，共分為8個時隙，時隙寬度為0.577ms。8個時隙構成一個TDMA幀，幀長為4.615ms。當采用全速率話音編碼時，每個頻道提供8個時分信道。如果將來采用半速率話音編碼，那么每個頻道將能容納16個半速率信道，從而達到提高頻率利用率、增大系統(tǒng)容量的目的。收發(fā)采用不同的頻率，一對雙工載波上下行鏈路各用一個時隙構成一個雙向物理信道，并根據需要分配給不同的用戶使用。移動臺在特定的頻率上和特定的時隙內，以猝發(fā)方式向基站傳輸信息，基站在相應的頻率上和相應的時隙內以時分復用的方式向各個移動臺傳輸信息。

3)頻率配置

在FDMA網絡中進行組網和頻率分配時，為了防止同頻和鄰頻干擾，應遵循以下原則：

（1）在滿足同頻抑制要求的條件下，應減少小區(qū)數，即盡量減少一簇內的小區(qū)數，提高頻率利用率。

（2）一簇內的小區(qū)不得使用相同頻率，只有在不同簇的小區(qū)中才能使用相同的頻率。

（3）在同一個基站或同一個小區(qū)內，應盡量使用相隔頻率，以避免鄰頻引起的干擾。

常用的頻分復用模式有21小區(qū)形式(即一簇中有7個基站，每個基站有3個扇區(qū))、12小區(qū)形式(即一簇中有4個基站，每個基站有3個扇區(qū))以及9小區(qū)形式(即一簇中有3個基站，每個基站有3個扇區(qū))。12小區(qū)和9小區(qū)形式示意圖如圖7-16所示。在12小區(qū)形式中，可使用36個連續(xù)頻道號，按照鏈形法頻率分配方式，各基站的每個扇區(qū)分配的頻道號如表7-2所示。

圖7-16小區(qū)中頻分復用示意圖

（a）12小區(qū)形式；(b)9小區(qū)形式

表7-212小區(qū)形式（4基站3扇區(qū)）頻道號分配

2.無線空中接口信道定義

1）物理信道

GSM的無線空中接口采用TDMA接入方式，即在一個載頻上按時間劃分8個時隙構成一個TDMA幀，每個時隙稱為一個物理信道，每個用戶按指定載頻和時隙的物理信道接入系統(tǒng)并周期性地發(fā)送和接收脈沖突發(fā)序列，完成無線接口上的信道交互。每個載頻的8個物理信道記為信道0～7（時隙0～7），當需要更多的物理信道時，就需要增加新的載波，因為GSM實質上是一個FDMA與TDMA的混合接入系統(tǒng)。

2）邏輯信道

根據無線接口上MS與網絡間傳送的信息種類，GSM定義了多種邏輯信道傳送這些信息。邏輯信道在傳輸過程中映射到某個物理信道上，最終實現信號的傳輸。

邏輯信道可分為兩類，即業(yè)務信道（TCH）和控制信道（CCH）。

(1)業(yè)務信道（TCH）。業(yè)務信道主要傳送數字話音或用戶數據，在前向鏈路和反向鏈路上具有相同的功能和格式。GSM業(yè)務信道又分為全速率業(yè)務信道（TCH/F）和半速率業(yè)務信道（TCH/H）。當以全速率傳送時，用戶數據包含在每幀的一個時隙內；當以半速率傳送時，用戶數據映射到相同的時隙上，但是在交替幀內發(fā)送。也就是說，兩個半速率信道用戶將共享相同的時隙，每隔一幀交替發(fā)送。目前使用的是全速率業(yè)務信道，將來采用低比特率話音編碼器后可使用半速率業(yè)務信道，從而在信道傳輸速率不變的情況下，使信道數目加倍，也就是使系統(tǒng)容量加倍。

（2）控制信道（CCH）?？刂菩诺烙糜趥魉托帕詈屯叫盘枴Ｄ承╊愋偷目刂菩诺乐欢x給前向鏈路或反向鏈路。GSM系統(tǒng)中有三種主要的控制信道：廣播信道（BCH）、公共控制信道（CCCH）和專用控制信道（DCCH）。每個信道由幾個邏輯信道組成，這些邏輯信道按時間分布提供GSM必要的控制功能，如圖7-17所示。表7-3總結了CCH類型，并對每個信道及其任務進行了詳細的說明。

圖7-17GSM系統(tǒng)的信道分類

FCCH、SCH和BCCH統(tǒng)稱為廣播信道（BCH）；PCH、RACH和AGCH又合稱公共控制信道（CCCH）。為了理解業(yè)務信道和各種控制信道是如何使用的，我們考慮從GSM系統(tǒng)中的移動臺發(fā)出呼叫的情況。首先，用戶在檢測BCH時，必須與相近的基站取得同步。通過接收FCCH、SCH和BCCH信息，用戶將被鎖定到系統(tǒng)及適當的BCH上。為了發(fā)出呼叫，用戶首先要撥號，并按GSM手機上的發(fā)射按鈕。移動臺用它的基站的射頻載波（ARFCN）來發(fā)射RACH數據突發(fā)序列。然后，基站以CCCH上的AGCH信息來響應，CCCH為移動臺指定一個新的信道進行SDCCH連接。正在監(jiān)測BCH中時隙0（TS0）的用戶，將從AGCH接收到分配給它的載頻（ARFCN）和時隙（TS），并立即轉到新的載頻（ARFCN）和TS上，這一新的載頻和TS分配就是SDCCH（不是TCH）。

一旦轉接到SDCCH，用戶首先等待傳給它的SACCH幀（等待最大持續(xù)26幀或120ms）。該幀告知移動臺要求的定時提前量和發(fā)射功率?；靖鶕苿优_以前的RACH傳輸數據能夠確定合適的定時提前量和功率等級，并且通過SACCH發(fā)送適當的數據供移動臺處理。在接收和處理完SACCH中的定時提前量信息后，用戶能夠發(fā)送正常的、話音業(yè)務所要求的突發(fā)序列消息。當PSTN從撥號端連接到MSC,且MSC將話音路徑接入服務基站時，SDCCH檢查用戶的合法性及有效性，隨后在移動臺和基站之間發(fā)送信息。最后，基站經由SDCCH告知移動臺重新轉向一個為TCH安排的ARFCN和TS。一旦再次接到TCH，語音信號就在前向和反向鏈路上傳送，呼叫成功建立，SDCCH被清空。

表7-3CCH信道類型

3.無線空中接口技術

1）無線空中接口上的信息傳輸

GSM無線接口上的信息需經多個處理才能安全可靠地送到空中無線信道上傳輸。以話音信號傳輸為例，模擬話音通過一個GSM話音編碼器后轉換成13kb/s的信號，經信道編碼變?yōu)?2.8kb/s的信號，再經交織、加密和突發(fā)脈沖格式化后變?yōu)?3.8kb/s的碼流。無線空中接口上每個載頻的8個時隙的碼流經GMSK調制后發(fā)送出去,因而GSM無線空中接口上的數據傳輸速率達到270.833kb/s。無線空中接口接收端的處理過程與之相反。

2）話音編碼與信道編碼

GSM話音編碼器采用規(guī)則脈沖激勵—長期預測編碼（RPE-LTP），其處理過程是先對模擬話音進行8kHz抽樣，將其調整為一幀，然后進行編碼，編碼后的話音幀幀長為20ms，含260bit，因而話音的純比特率為13kb/s。

為了提高無線空中接口信息數據傳遞的可靠性，GSM系統(tǒng)采用了信道編碼手段在數據流中引入冗余，以便檢測和糾正信息傳輸期間引入的差錯。信道編碼采用帶有差錯校驗的1/2碼率卷積碼，并跟隨有交織處理。

在話音幀的260bit中，根據這些比特對傳輸差錯的敏感性可將其分成兩類：Ⅰ類（182bit

）和Ⅱ類（78bit）。根據其傳輸差錯敏感性，GSM信道編碼器對這兩類數據進行了不同的冗余處理。其中，Ⅰ類數據比特對傳輸差錯敏感性比較強，可考慮對其進行信道編碼保護；對于Ⅱ類數據比特，傳輸差錯僅涉及到誤比特率的劣化，不影響幀差錯率，故無需對其進行保護。Ⅰ類的數據比特又可分成兩個子類：a類（50bit）和b類（132bit）。其中，a類的50bit是非常重要的比特，其重要性在于這50bit數據中的任何一比特的傳輸差錯都會導致語音信號質量的明顯下降，致使該語音幀不可用，直接影響到幀差錯率。因此在信道編碼時，首先對這50bit進行塊編碼，加入循環(huán)冗余校驗碼（CRC），然后再進行信道編碼。接收端對該50bit需確認傳輸中有無出現差錯，如確認傳輸導致其任一比特出現差錯，則需舍去該50bit對應的整個話音幀，并通過外延時的方法保證話音的連續(xù)性和話音質量。

話音信號的信道編碼過程如圖7-18所示。經過信道編碼后，GSM一個話音幀的數據位將達到456bit，速率為22.8kb/s。

圖7-18GSM信道編碼過程

3)交織

雖然信道編碼為話音信號傳輸提供了糾錯功能，但它只能糾正一些隨機突發(fā)誤碼。由于移動傳播環(huán)境的惡劣和移動用戶移動的復雜性，常會遇到連續(xù)突發(fā)誤碼的情況，如當MS快速通過大樓底部或快速穿過短隧道時，就無法充分發(fā)揮信道編碼的糾錯性能。為此，話音信號通過信道編碼后，還需進行交織處理，以減少無線信道傳輸中的連續(xù)突發(fā)誤碼的影響。

在GSM系統(tǒng)中采用了二次交織方法。第一次是內部交織，即將每20ms話音數字化編碼所提供的456bit分成8幀，每幀57bit，組成8×57bit的矩陣進行第一次交織。然后將此8幀視為一塊，再進行第二次交織，即將這樣的四塊彼此交叉，然后再進行逐一發(fā)送，因而此時所發(fā)送的脈沖序列中的各比特均來自不同的話音塊。這樣，即使傳輸中出現了成串差錯，也能夠通過信道編碼加以糾正。

4）不連續(xù)發(fā)射（DTX）

DTX是通過話音激活，在話音幀有信息時開啟發(fā)送，在無信息時關閉發(fā)送的系統(tǒng)傳輸控制技術。其目的在于降低空中干擾，提高系統(tǒng)容量和質量，降低電源消耗，增加移動臺電池的使用壽命。

GSM利用話音激活檢測技術（VAD）檢測話音編碼的每一幀是否包括話音信息。當檢測出話音幀時開啟發(fā)射機；當檢測不到話音時，每480ms時間便向對方發(fā)送攜帶反映發(fā)送端背景噪聲參數的噪聲幀，以便在接收端產生舒適噪聲（SoftNoise）。此時，無線空中接口的數據速率從270kb/s降到500b/s左右。

舒適噪聲有兩個用途：抑制發(fā)信機開關造成的干擾和防止發(fā)信機關閉期間可能產生的電路中斷錯覺。

5）跳頻

跳頻技術首先使用在軍事通信領域，以確保通信的保密性和抗干擾性能，如短波電臺通過改變頻率的方法來躲避干擾和防止被敵方竊聽。所謂跳頻，是指按跳頻序列隨機地改變一個信道占用頻道頻率（頻隙）的技術。在一個頻道組內，各跳頻序列應是正交的，而且各信道在跳頻傳輸過程中也不應出現碰撞現象。

在移動通信系統(tǒng)中，跳頻是GSM系統(tǒng)的特殊功能，無論在噪聲受限條件下還是在干擾受限條件下，跳頻都能改善GSM系統(tǒng)的無線性能。通過跳頻，系統(tǒng)可以得到以下好處：

(1)改善衰落，提高系統(tǒng)性能。由于移動臺與基站之間處于無線傳輸狀態(tài)，電波傳輸的多徑效應會產生瑞利衰落，其衰落程度與傳輸的發(fā)射頻率有關，這樣會因不同頻道的頻率不同，而使得衰落谷點可能出現在不同地點，因而當信號受到衰落影響時，我們可以利用這一特性，采用跳頻技術使通話期間的載波頻率在多個頻點上變化，從而避開深衰落點，達到改善誤碼性能的目地。

(2)起到干擾分集的作用。在蜂窩移動通信中會受到同頻干擾的影響，當系統(tǒng)中采用了相關跳頻之后，便可以分離來自許多小區(qū)的強干擾，從而有效地抑制遠近效應的影響。

跳頻可以分為慢速跳頻和快速跳頻。顧名思義，它們之間的區(qū)別在于跳頻和速率。慢速跳頻的速率小于或等于調制符號速率，反之為快速跳頻。跳頻速率越高，抗干擾能力越強，但系統(tǒng)復雜程度也越高。

GSM采用慢速跳頻方式，無線信道在某一時隙（0.577ms）用某一頻率發(fā)射，到下一個時隙則跳到另一個不同的頻率上發(fā)射，也就是每一TDMA幀（4.65ms）跳一次，因此跳頻速率為216.7跳/s。跳頻序列在一個小區(qū)內是正交的，即同一小區(qū)內的通信不會發(fā)生沖突。具有相同載頻信道或相同配置的小區(qū)（即同簇小區(qū)）之間的跳頻序列是相互獨立的。在用戶發(fā)起呼叫和切換時，移動臺由BCCH廣播信道的系統(tǒng)消息中獲取跳頻序列（MA）、跳頻序列號（HSN）和決定起跳頻點的MAIO表。BCCH所在的載頻通常不允許跳頻。

6）GSM900/1800雙頻組網

GSM移動通信網絡經過十多年的飛速發(fā)展，已經具有了相當大的規(guī)模，擁有龐大的用戶群。隨著網絡的逐期建設，用戶數不斷增加，GSM900網絡變得越來越擁擠，其有限的頻率資源已無法適應用戶數的快速增長和數據業(yè)務及其他新業(yè)務的出現，開辟新的頻段即建設GSM1800網絡則是解決這個矛盾的有效方法。

GSM1800網絡采用1800MHz頻段，其電波傳播特征與GSM900網絡基本相似。在現有GSM900網絡的基站站點條件下，采用1800MHz頻段可以有效解決GSM900的頻率資源瓶頸問題。此外，可以通過參數設置和對GSM900/1800網絡雙頻段操作，使GSM1800網絡有較高的優(yōu)先級，盡量吸收GSM900網絡的話務。GSM900網絡可實現網絡大面積的覆蓋，而GSM1800網絡則主要在需要的地方提供容量。雙頻移動終端在GSM1800網絡覆蓋區(qū)域優(yōu)先占用GSM1800網絡，忙或覆蓋不到的地方占用GSM900網絡。因此GSM1800成為緩解900MHz頻段上移動通信頻率資源緊張和解決GSM900網絡高話務地區(qū)無線信道不足的最有效手段。

GSM1800網絡組網方式有獨立建網、獨立MSC組網、獨立BSC組網和共BSC組網等四種。除第一種組網方式外，GSM1800網絡可以與GSM900網絡使用相同的網號，實現網絡資源共享。雙頻移動終端可以使用兩個頻段的資源，在兩個頻段中自由切換。

(1)獨立建網。獨立建網方式是完全新建一個網絡，使用不同的網號、不同的號碼段，獨立發(fā)展用戶，與原有的GSM900網絡沒有任何的資源共享。這種方式的好處在于技術方案簡單，但不利于資源的有效利用和業(yè)務的發(fā)展。

(2)獨立MSC組網。獨立MSC組網是指GSM1800和GSM900網絡各自擁有獨立的MSC、BSC和BTS，使用相同的網號，構成統(tǒng)一的網絡。當擴容時，在原有設備基礎上增加GSM1800MSC即可。新增加的GSM1800BSC直接和GSM1800MSC相連，不必改動原有的網絡連接。這種組網方式的優(yōu)點是獨立組網，可以靈活選擇設備供應商，不受原有網絡的影響。但由于獨立MSC組網方式下的移動終端進行頻段切換時，要進行跨MSC小區(qū)重選、跨MSC間的切換和位置區(qū)更新，因而存在空閑模式下位置更新頻繁、通話模式下跨MSC的切換頻繁、切換時間長、切換成功率較低、尋呼成功率低、MAP信令負荷重、MSC及HLR由于位置更新和切換負荷重而使網元用戶容量降低等諸多問題。

出現以上問題的根本原因是覆蓋同一區(qū)域的無線信號歸屬兩個不同的MSC，必須使用不同的位置區(qū)，使得原來根據位置區(qū)、MSC進行移動性管理的機制出現了問題，即位置區(qū)設置與網絡覆蓋沖突。為減少位置更新和跨MSC切換的影響，需要降低兩者的發(fā)生頻率，因此需要GSM1800網實現連續(xù)的覆蓋，這樣就需要大規(guī)模地建設GSM1800基站，而不能使用熱點補點的方式，所以投資很大，在業(yè)務量小的地區(qū)網絡資源利用率低。

(3)獨立BSC組網。獨立BSC組網方式是指GSM1800和GSM900系統(tǒng)的BTS、BSC各自獨立，二者通過A接口連到同一個MSC上。獨立BSC組網方式可以有效地避免跨MSC切換和位置更新的問題，而且由于A接口公開，因而可以靈活選用不同廠家的BSS設備，不受原GSM900網的限制，但在實際建設中也還存在著BSC間的切換頻繁、MSC信令負荷較重的問題。同時，不同廠家的設備也需要保持良好的配合。

(4)共BSC組網。共BSC組網指GSM1800基站與GSM900網使用相同的BSC。這種方式徹底解決了雙頻切換的問題，使得GSM1800網可以用做熱點話務吸收，無需實現GSM1800全網連續(xù)覆蓋，這是目前使用的較多的方式。該方式存在的問題是BTS-BSC間的Abis接口為非標準接口，因此要求GSM900BSC和新增加的GSM1800BTS必須是相同廠家的設備，同時還需對原BSC進行相應的擴容，對于一些廠家的小容量BSC需要增加BSC，這使單個BSC覆蓋范圍減少，BSC間的切換會相應增加。

綜上所述，這四種方式各有優(yōu)缺點，其中：獨立建網方式適合新運營商的建網；獨立MSC方式適合大規(guī)模的GSM1800網的建設，且需要連續(xù)良好的GSM1800無線覆蓋的場合；獨立BSC的方式可以減少一定的系統(tǒng)投資，但會引發(fā)A接口配合問題；而采用共BSC組網的方式則較為節(jié)約投資，網絡質量也有一定的保證，具有較明顯的優(yōu)勢。

7.3.3通用分組無線業(yè)務（GPRS）

GSM系統(tǒng)在全球范圍內取得了超乎想象的成功，但是GSM系統(tǒng)的最高數據傳輸速率為9.6kb/s，且只能完成電路型數據交換,遠不能滿足迅速發(fā)展的移動數據通信的需要。因此,歐洲電信標準委員會(ETSI)又推出了通用分組無線業(yè)務(GeneralPacketRadioService，GPRS)技術。GPRS在原GSM網絡的基礎上疊加支持高速分組數據業(yè)務的網絡,并對GSM無線網絡設備進行升級,從而利用現有的GSM無線覆蓋提供高速分組數據業(yè)務,為GSM系統(tǒng)向第三代寬帶移動通信系統(tǒng)UMTS的平滑過渡奠定基礎,因而GPRS又被稱為2.5G系統(tǒng)。

GPRS技術較完美地結合了移動通信技術和數據通信技術，尤其是Internet技術，它正是這兩種技術的結晶,是GSM網絡和數據通信技術發(fā)展及融合的必然結果。GPRS采用分組交換技術，可以讓多個用戶共享某些固定的信道資源，也可以讓一個用戶擁有8個時隙。如果把空中接口上的TDMA幀中的8個時隙捆綁起來傳輸數據，可以提供高達171.2kb/s的無線接入，可向用戶提供高性價比業(yè)務并具有靈活的資費