1、本科课讲义移动通信基础学习知识原理与设备 邯 郸 学 院讲 稿20182019学年 第一学期分院(系、部)：机电学院教 研 室：应用物理课 程 名 称：移动通信原理与设备授 课 班 级： 2016应用物理学本科主 讲 教 师：常成职 称： 助教使 用 教 材：移动通信原理与设备制 作 系 统：邯郸学院制第1章 移动通信概述1.1 移动通信的基本概念1.1.1 移动通信的定义移动通信：通信双方至少有一方是处于移动状态，并且其中的一部分传输介质是无线的传输方式。 1.1.2 移动通信系统的组成移动通信系统的组成：移动业务交换中心（MSC）、基站（BS）、移动台（MS）、中继线。1.1.3 移动通信
2、的特点1.设备性能要求高对移动台体积、重量、功耗、操作、抗恶劣环境等的要求2.电波传播有严重的衰落现象移动台接收信号存在多径现象而引起严重衰落3.存在远近效应近处移动台干扰远处移动台，要求移动台具有自动增益控制4.强干扰条件下工作各种噪声干扰严重5.存在多普勒效应移动台载波频率随移动速度变化，引起频率偏移6.技术复杂解决用户数量大、频率资源有限、保证通信质量等问题1.2 移动通信的发展1.2.1 第一代移动通信系统（1G）现代蜂窝移动电话系统：20世纪80年代中国采用TACS制式，1987年在上海、广东率先建成开通。第一代移动通信系统的主要特点是：1.全双工工作，具有越区频道转换、自动漫游通信
3、功能。全双工：全双工指可以同时（瞬时）进行信号的双向传输（AB且BA）。越区频道转换：当移动台从一个小区(指基站或者基站的覆盖范围)移动到另一个小区时，为了保持移动用户的不中断通信需要进行的信道切换称为越区切换。漫游（roaming）指移动台离开自己注册登记的服务区域，移动到另一服务区后，移动通信系统仍可向其提供服务的功能。（1）采用模拟话音信道传输信息，将用户的语音信号直接调制到发射频段上。（2）采用FDMA频分多址方式区分不同的信道。（3）基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号，A与B通过基站中转通信，须同时占用4个频道实现双工。优点：技术成熟、兼容性强。缺点：系统同时存在多频率信号，形
4、成互调干扰，频谱利用率低。2.使用随路信令信令和话音在同一条话路中传送，中国1号信令系统利用2M中继线的TS16传送线路信令，而通过多频模拟信号（MFC）来传送信号（主/被叫号码），呼叫建立慢、中继时间长、用户满意度低、表达信息量有限。信令是指完成通信网的信号控制与接续过程的指令。在电话的自动接续过程中，必须有一套完整的信令系统，它在电话通信网中起着指挥、联络、协调的作用，以确保整个通信网有条不紊地运转。局间信令是交换机和交换机之间的信令，在局间中继线上传输，用来控制呼叫接续和拆线。局间信令按信令技术或信令的传输方式又可分为随路信令方式和共路信令方式两种。随路信令是使用话音信道传送各种信令。换
5、言之，信令和语音在同一条通路中传送。如图4-19（a）所示。共路信令方式将信令和话音分开，信令在一条专用的数据链路上传送，所以是一种公共信道信令方式。NO.7信令即为共路信令。如图4-19（b）所示。第一代移动通信系统的主要缺点是：1.频谱利用率低、系统容量小；2.保密性差，终端易被克隆；3.移动终端小型化、低功耗、低价格的难度大；4.基站设备体积大，对机房的面积、承重要求高；5.采用一号信令系统，开展的业务种类有限。1.2.2 第二代移动通信系统（2G）第二代移动通信系统主要有欧洲的GSM和北美的窄带CDMA两种制式。我国目前两种制式均有采用，中国移动和中国联通建有GSM系统，中国联通建有窄
6、带CDMA系统。1.GSMGSM是全球移动通信系统，具有标准化程度高、接口开放的特点，强大的联网能力推动了国际漫游业务，用户识别卡的应用真正实现了个人移动性和终端移动性。2.GPRSGPRS是通用分组无线业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务，通常称为2.5G。3.窄带CDMACDMA是码分多址技术，对功率控制的要求高，美国高通利用开环和闭环相结合的功率控制方案，命令移动台调整发射功率，使移动台输出的功率电平在维持适当性能的情况下达到最小。闭环功控是指发射端根据接收端送来的反馈信息对发射功率进行控制的过程。开环功控是指不需要接收端的反馈，发射端根据自身测量得到的信息对发射功率进行控制。
7、开闭环控制1.2.3 第三代移动通信系统（3G）第三代移动通信系统是一种能提供多种类型、高质量多媒体业务，能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力，与固定网络相兼容，并以小型便携式终端在任何时候、任何地点进行任何种类通信的通信系统。目前国际电联接受的3G标准主要有以下3种：WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA。1.2.4 第四代移动通信系统（4G）第四代移动通信技术的改变可称为广带（Broadband）接入和分布网络，首次实现三维图像的高质量传输，包括广带无线固定接入、广带无线局域网、移动广带系统和互操作的广播网络。第四代移动通信的主要特点：（1）通信速度提高，上网速率从2Mbit/s提
8、高到100Mbit/s。（2）以移动数据为主，面向因特网大范围覆盖高速移动通信网络，改变了以传统移动电话业务为主设计移动通信网络的设计观念。（3）采用多天线或分布天线的系统结构及终端形式，支持手机互助功能，采用可穿戴无线电、可下载无线电等新技术。（4）发射功率比现有移动通信系统降低10100倍，能够较好地解决电磁干扰问题。（5）支持更为丰富的移动通信业务，包括高分辨率实时图像业务、会议电视虚拟现实业务等，使用户在任何地方可以获得任何所需的信息服务，且服务质量得到保证。（6）多种业务的完整融合。5G网络的主要目标是让终端用户始终处于联网状态。5G网络将来支持的设备远远不止是智能手机它还要支持智能
9、手表、健身腕带、智能家庭设备如鸟巢式室内恒温器等。5G网络是指下一代无线网络。5G网络将是4G网络的真正升级版。1.3 移动通信的分类1.3.1 按使用要求和工作场合1.集群移动通信集群移动通信系统也称大区制移动通信系统。所谓集群（Trunking），即使用多个无线信道为众多的用户服务，就是将有线电话中继线的工作方式运用到无线电通信系统中，把有限的信道动态地、自动地、迅速地和最佳地分配给整个系统的所有用户，以便在最大程度上利用整个系统的信道的频率资源。集群系统是一种高级移动调度系统，从某种意义上讲，集群通话系统是一个自动共享若干个信道的多信道中继（转发）通信系统，更适用于对指挥调度功能要求较高
10、的专门部门或企事业单位。其特点是：资源共享、费用分担、服务优良、效率高、造价低。实际应用中集群移动通信系统的类型（1）单区、多点、单中心网络由一个控制中心、多个基站、有线或无线调度台及网中若干移动台组成。这种网络适用于一个地区内、多个部门共同使用的集群移动通信系统，可实现各部门用户通信自成系统而网内的频率资源共享。它在整个服务区域内设立了一个控制中心和多个基站，多个基站区组合形成整个服务区，各基站可通过无线或有线传输电路连接到控制中心，控制中心通过中继线或用户线与市话端局或用户小交换机连接，有线调度台通过有线传输电路与控制中心直接相连。（2）多区、多中心、多层次网络由区域控制中心、多个控制中心
11、、多基站组成而形成整个服务区。2.蜂窝移动通信特点：把整个大范围的服务区域划分成许多小区，每个小区设置一个基站，负责本小区各个移动台的链路与控制，各个基站通过移动交换中心相互联系，并与市话局连接。小区：采用基站识别码（BSIC）或全球小区识别码（CGIC）进行标识的无线覆盖区域。基站区：一个基站所覆盖的区域。位置区：一个移动台可以自动移动而不必重新“登记”其位置（位置更新）的区域，一个位置区由一个或若干个小区（或基站区）组成。MSC：移动业务交换中心。PLMN：公用陆地移动网，即陆地蜂窝移动通信系统。业务区：由一个或多个移动通信网组成的区域。3.移动卫星通信移动卫星通信是指以通信卫星为中继站，
12、在较大地域及空间范围内实现移动台与固定台、移动台与移动台以及移动台或固定台与公众网用户之间的通信。用户可以在卫星波束的覆盖范围内自由移动，卫星传递信号，保持与地面通信系统和专用系统用户或其他移动用户的通信。与其他通信方式相比，卫星移动通信具有覆盖区域大、通信距离远、通信机动灵活、线路稳定可靠等优点。4.无绳电话无绳电话系统指的是以无线电波（主要是微波波段的电磁波）、激光、红外线等作为主要传输媒介，利用无线终端、基站和各种公共通信网（如PSTN、ISDN等），在限定的业务区域内进行全双工通信的系统。无绳电话系统采用的是微蜂窝或微微蜂窝的无线传输技术。微蜂窝：微蜂窝是在宏蜂窝的基础上发展起来的一门
13、技术。与宏蜂窝相比，它的发射功率较小，一般在2W左右。与宏蜂窝相比，微蜂窝主要特征为：1覆盖范围小，一般100m1km2传输功率低，一般10mW100mW3一般安装在建筑物上，无线传播受环境影响大。4体积小、安装方便灵活。微微蜂窝：微微蜂窝实质就是微蜂窝的一种，只是它的覆盖半径更小，一般只有10m30m；基站发射功率更小，大约在几十毫瓦左右；其天线一般装于建筑物内业务集中地点。微微蜂窝也是作为网络覆盖的一种补充形式而存在的，它主要用来解决商业中心、会议中心等室内“热点”的通信问题。在目前的蜂窝式移动通信系统中，我们主要通过在宏蜂窝下引入微蜂窝和微微蜂窝以提供更多的“内含”蜂窝，形成分级蜂窝结构
14、，从而解决网络内的“盲点”和“热点”，提高网络容量的。因此，一个多层次网络，往往是由一个上层宏蜂窝网络和数个下层微蜂窝网络组成的多元蜂窝系统。如图所示。图为一个三层分级蜂窝结构示意图，它包括宏蜂窝、微蜂窝和微微蜂窝。每种蜂窝执行早已定义好的不同功能，即：宏蜂窝用于处理快速移动车辆的业务；微蜂窝处理慢速移动，集中于步行或交通阻塞车辆的业务；微微蜂窝用于覆盖商场和办公区等室内区域。将负载按这种方式分层的原因与切换功能有关，因为车载电话在微蜂窝间快速移动会产生频繁切换，加重网络的负担，从网络管理出发，将产生频繁切换的业务转移到较小切换的宏蜂窝，将提高网络效率。慢速移动的车辆，由于它穿过蜂窝边界需花较
15、长的时间，产生切换的可能性较小，因此由微蜂窝来处理这类业务。无绳电话系统具有容量大、发射功率小、技术简单、应用灵活、成本低廉等特点。一般认为，无绳电话技术、蜂窝网技术和低轨道卫星移动通信技术构成了个人通信网的基础。1.3.2 按工作方式移动通信系统的工作方式一般可以分为单工制、双工制、半双工制3种。1.单工通信单工通信是指通信双方电台交替地进行收信和发信。根据信道方向，单工通信可分为单向单工方式和双向单工方式。双向单工又可分为同频单工和异频单工。同频单工是指通信双方使用同一个工作频率，但收发信机不能同时工作的通信方式。同频单工的优点是：仅使用一个频率工作，它能最有效地使用频率资源，由于是收发信
16、机间断工作，线路设计相对简单，价格也较便宜。缺点是：双方要轮流说话，即对方讲完之后，另一方才能讲话，使用起来不如打电话那样方便、习惯。异频单工是指通信双方使用两个工作频率，且该对频率之间有几兆到几十兆赫兹的间隔，双方不能同时工作的通信方式。2.双工通信双工通信是指通信的双方收发电台同时工作，在同一时刻信息可以进行双向传输的通信方式，双工通信典型应用于蜂窝式移动通信系统。双工通信的优点是使用方便，干扰较少；缺点是各移动台之间无法直接通信，需要中继台中转，同时收发信机在通信过程中一直工作，耗电量也较大。3.半双工通信半双工是指通信双方中一方使用双工制通信，另一方使用单工方式，其典型应用于集群调度移
17、动通信系统。半双工通信的优点是移动台设备简单、省电且成本低，缺点是移动台在发话的过程中不能收信，有丢失信息的可能。1.4 移动通信的电波传播1.4.1 电波的传播方式电磁波从发射方到达接收方，中间的传播方式有天波、地波、直射波、散射波4种形式。1.天波天波是经过空中电离层的反射或折射后返回地面的无线电波。2.地波地波是指电磁波沿地球表面传播的形式，也称表面波传播。3.直射波直射波是指电磁波采用视距传播方式，常用于微波传输。4.散射波散射波是指电磁波在传播过程中遇到大气层不均匀分布的时候产生的散射现象。1.4.2 电波的衰落特性当电波在两种媒质分界面上改变传播方向以后，又返回到原来的媒质，这种现
18、象称为反射。当电波在分界面改变传播方向进入第二种媒质中传播，这种现象称为折射。电波在传播过程中有一定绕过障碍物的能力，这种现象称为绕射，绕射能力与电波波长有关。由同一波源所产生的电波，经过不同的路径（反射、折射与绕射）到达某接收点，则该接收点的场强由不同路径来的电波合成，这种现象称为波的干涉，合成电场强度与各射线电场的相位有密切关系。移动台接收到的电波一般是直射波和随时变化的绕射波、反射波、散射波的叠加，且移动中信号随接收机与发射机之间的距离不断变化，这样就造成所接收信号的电场强度起伏不定，这种现象称为衰落。信号强度曲线的中值呈现慢速变化，称为慢衰落；曲线的瞬时值呈快速变化，称快衰落。快衰落与
19、慢衰落并不是两个独立的衰落（虽然它们的产生原因不同），快衰落反映的是瞬时值，慢衰落反映的是瞬时值加权平均后的中值，一般考虑快衰落的影响。1.快衰落由于到达移动台天线的信号不是单一路径来的，而是许多路径来的众多反射波的合成，电波通过各个路径的距离不同，因而各个路径来的反射波到达时间不同，相位也就不同，不同相位的多个信号在接收端叠加，有时叠加而加强（方向相同），有时叠加而减弱（方向相反），这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了快衰落。这种衰落是多径引起的，所以又称为多径衰落，它使接收端的信号近似于一种叫做瑞利分布的数学分布，故又称为瑞利衰落。快衰落会产生信号的频率选择性衰落和时延扩展等现象。2.
20、慢衰落慢衰落是由于在电波传输路径上受到建筑物或山丘等的阻挡所产生的阴影效应而产生的损耗。慢衰落产生的原因：（1）路径损耗，这是慢衰落的主要原因；（2）障碍物阻挡电磁波产生的阴影区，因此慢衰落也被称为阴影衰落；（3）天气变化、障碍物和移动台的相对速度、电磁波的工作频率等。1.4.3 典型电波传播的分析1.自由空间电波传播自由空间是指相对介电常数和电导率为1的均匀介质所存在的空间，该空间具有各向同性、电导率为零的特点，它是一种理想的传播环境。电波在自由空间传播时与在真空中传播一样，只有直线传播的扩散损耗。相对介电常数（relative permittivity），表征介质材料的介电性质或极化性质的
21、物理参数。其值等于以预测材料为介质与以真空为介质制成的同尺寸电容器电容量之比，该值也是材料贮电能力的表征。也称为相对电容率。不同材料不同温度下的相对介电常数不同，利用这一特性可以制成不同性能规格的电容器或有关元件。相对介电常数r可以用静电场用如下方式测量：首先在两块极板之间为真空的时候测试电容器的电容C0。然后，用同样的电容极板间距离但在极板间加入电介质后测得电容Cx。然后相对介电常数可以用下式计算r=Cx/C0电导率（conductivity）是用来描述物质中电荷流动难易程度的参数。在公式中，电导率用希腊字母来表示。电导率的标准单位是西门子/米（简写做S/m），为电阻率的倒数，即=1/。当1
22、安培（1 A）电流通过物体的横截面并存在1伏特（1 V）电压时，物体的电导就是1 S。西门子实际上等效于1安培/伏特。如果是电导（单位西门子），I是电流（单位安培），E是电压（单位伏特），则： = I/E各向同性指物体的物理、化学等方面的性质不会因方向的不同而有所变化的特性，即某一物体在不同的方向所测得的性能数值完全相同，亦称均质性。物理性质不随量度方向变化的特性。即沿物体不同方向所测得的性能，显示出同样的数值。如所有的气体、液体（液晶除外）以及非晶质物体都显示各向同性。2.由建筑物外部向内部的穿透传播发射机在建筑物外部时，电磁波可能会在穿透建筑物后继续传播，称为穿透传播。穿透传播会造成穿透损
23、耗。穿透损耗可定义为建筑物室外场强与室内场强之比。1.4.4 电波的传播模型对移动环境中电波传播特性的研究，可以采用两种方法：理论分析方法和实测分析方法。理论分析方法通常用射线表示电磁波束的传播，在确定收发天线的高度、位置和周围环境的具体特征后，可根据直射、折射、反射、散射、投射等波动现象，用电磁波理论计算电波传播路径损耗及有关信道参数。实测分析方法是在典型的传输环境中进行现场测试，并用计算机对大量实测数据进行统计分析。在实际工作中，人们往往把二者结合起来，从而能够实现对电波传播特性更准确的估算。目前，常用的电波传播模型有Okumura Hata模型和Walfish Ikegami模型。1.5
24、 移动通信的噪声干扰1.5.1 移动通信的噪声一般可分为外部噪声和内部噪声。内部噪声主要是设备内部运行产生的电流噪声等，而这些噪声一般是无法避免的随机噪声，某些可以通过接地等措施消除。外部噪声，也称环境噪声，主要包含自然界产生的噪声以及人为噪声，这些噪声也是随机噪声。在移动信道中，外部噪声的影响较大。1.5.2 移动通信的干扰在多部移动台组成通信网时，存在邻近频道干扰、同频干扰、互调干扰和阻塞干扰等问题。1.邻道干扰邻近频道干扰简称邻道干扰，所谓邻道干扰是相邻的或者邻近频道之间的干扰。调频信号的频谱是很宽的，理论上来说，调频信号含有无穷多个边频分量，其中某些边频分量落入邻道接收机的通带内，就会
25、造成邻道干扰。为了减少邻道干扰，主要是要限制发射信号带宽。为此，一般在发射机调制器中采用瞬时频偏控制电路，以防止过大信号进入调制器而产生过大的频偏。2.同频干扰由相同频率的无用信号所造成的干扰，即为同频干扰，常称作共道干扰。在移动通信中，为了提高频率利用率，在相隔一定距离之外，可以使用相同频率，这就是频道的地区复用，简称为同频道复用。在满足一定通信质量要求的前提下，使用相同频率小区之间所允许的最小距离成为一个很重要的问题，这个最小距离称作同频道复用最小安全距离，或简称为同频道复用距离。所谓“安全”是指保证接收机输入端信号与同频道干扰之比大于某一数值，这一数值称作“射频防护比（S/I）”。3.互
26、调干扰互调干扰是由传输信道中非线性部件产生的。几个不同频率的信号同时加进一非线性电路，就会产生各种频率的组合成分，这些新的频率成分便可能成为互调干扰。4.阻塞干扰当接收机接收有用信号时，如果有邻近频率的强干扰也同时进入接收机高频放大器或混频器，使高放或混频级出现饱和现象，则接收机解调输出噪声增大，灵敏度下降，严重时使通信中断，这种现象称作阻塞干扰。第2章 蜂窝移动通信的关键技术2.1 组网技术2.1.1 组网方式1.大区制大区制是指把一个通信服务区域仅规划为一个或少数几个无线覆盖区，每个无线区仅为一个基站所覆盖，基站基本上是相互独立的。每个无线区的半径在2545km，用户容量为几十个至数百个。
27、大区制的特点是基地站的天线架设高、输出功率大、组网简单、投资少、见效快。但是，服务区内的所有频率均不能重复使用，频率利用率及用户数都受到了限制。大区制只适合于在中小城市或专用移动网等业务量不大的情况下使用。2.小区制小区制是指把一个通信服务区域分为若干个小无线覆盖区，每个小区的半径在220km，用户数量可达上千个。每个小区设置一个基站，负责本区移动台的联系和控制，各个基站通过移动业务交换中心相互联系，并与市话局连接。小区制采用信道复用技术，大大缓解了频率资源紧缺的问题，提高了频率利用率，增加了用户数目和系统容量；小区半径较小，所以发射机功率较低，互调干扰亦较小；但同时由于小区半径较小，当移动台
28、从一个小区驶入另一个无线覆盖区时，即越区过程中必须进行信道自动切换，以保证移动台越区时通话不间断。小区制适用于用户量较大的公共移动通信系统。小区制组网灵活，可以根据服务对象和地形的不同对服务区域进行灵活的划分，通常有带状服务区和面状服务区。（1）带状服务区带状服务区一般应用在铁路、公路、沿海、内河航道的移动通信系统。这种服务区域的无线小区，是按横向排列覆盖整个服务区，因此服务区域比较狭窄时，基站可以使用定向天线，整个系统是由许多细长的无线小区相连而成，因此有时也称“链状网”，可以进行同频复用。为防止同频干扰，相邻区域不能使用同一频率。为此采用二频组、三频组甚至四频组的配置方式，将这些频率依次分
29、配给相邻区域，交替使用。为保证在无线小区的边缘上通话不发生中断，设计时要考虑在无线小区邻接处有一定的场强重叠区，通过调整重叠区的深度以减小可能出现的弱覆盖区，但重叠区过深，又会造成越区干扰。（2）面状服务区陆地移动通信大部分是在一个宽广的平面上实现的，平面服务区内的无线小区的实际形状取决于电波传播条件和天线的方向性。如果服务区的地形、地物相同，且基站采用全向天线，其覆盖范围大体是一个圆。为了不留空隙地覆盖整个服务区，无线小区之间会有大量的重叠。在考虑重叠之后，每个小区实际上的有效覆盖区是一个圆的内接多边形。从表2-1可见，采用正六边形无线小区邻接构成整个面状服务区为最好，因此这种六边形结构得到
30、了广泛的应用。由于这种面状服务区的形状很像蜂窝，所以又称为蜂窝网。2.1.2 小区制的组网技术1.信道复用技术信道复用技术：相邻小区不使用相同的信道组，但相隔几个小区间隔的不相邻小区可以重复使用同一组信道，以充分利用频率资源。不使用同一组信道的若干个相邻小区就组成了一个区群，即整个通信服务区也可看成是由若干个区群构成的。为了实现频率复用，而又不产生同信道干扰，要求每个区群中的无线小区不得使用相同的频率，只有在不同区群中的无线小区（并保证同频无线小区之间的距离足够大）时，才能进行频率复用。无线区群的构成应该满足两个条件，一是若干个无线区群彼此之间可以互相邻接，并且无空隙地带；二是邻接之后的区群应
31、保证同频无线小区之间的距离相同。蜂窝式移动通信网通常是先由若干个邻接的正六边形小区构成一个无线区群，再由单位区群彼此邻接形成整个服务区域。满足以上条件的单位无线区群中小区的个数K为：式中，a、b为不同时为0的自然数。K愈大，同频无线小区的间距就愈大，说明同频干扰愈小，通信质量愈好；但在覆盖同样服务区的情况下，频率利用率就愈低。即通信质量和频率利用率是相互矛盾的。一个系统中有许多同信道的小区，整个频谱分配被划分为K个频率复用的模式，即单位无线区群中小区的个数。频率复用距离D为：式中，K为频率复用模式数，R为小区半径。从理论上来说，K应该大些，然而分配的信道总数是固定的（由可用的频带宽度决定），如果K太大，则K个小区中分配给每个小区的信道数将减少。如果随着K的增加而划分K个小区中的信道总数，则中继效率就会降低。如何得到一个最小的K值，解决它必须估算同信道干扰，并选择最小的频率复用距离D，以减小同信道干扰。2.激励技术小区制的激励方式一般分为中心激励和顶点激励。中心激励是指基站位于无线小区的中心，并采用全向天线实现无线小
