1.2 移动通信概述

1.2.1 无线通信与移动通信

通信网一般分为核心网和接入网两大组成部分，而接入网又细分为有线接入网和无线接入网两种接入方式。因此，通常所说的无线通信就是指此处的无线接入网。

同样的无线接入网，又可根据接入方式的不同而分为卫星接入、高空平台、蜂窝接入、微波接入和无线局域网。在这些接入方式中，按通信两端在通信过程中是否处于移动状态又分为了固定台站通信和移动通信两大类。

1.2.2 移动通信的发展史

移动通信可以说从无线电通信发明之日就产生了。1897年，G.马可尼所完成的无线通信试验就是在固定站与一艘拖船之间进行的，距离为18海里。

现代移动通信技术的发展始于上世纪20年代，大致经历了五个发展阶段。

第一阶段从上世纪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，特点是专用系统开发，工作频率较低。

第二阶段从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。美国贝尔实验室解决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，网络容量较小。

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（1MTS），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。

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时期。1978年底，美国贝尔试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。

这一阶段的特点是蜂窝状移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发展。微电子技术在这一时期得到长足发展；提出并形成了移动通信新体制；提出了蜂窝网即所谓小区制概念；大规模集成电路得到发展。

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。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，数字网能提供语音、数据多种业务服务，并与ISDN等兼容。到80年代中期，欧洲首先推出了泛欧数字移动通信网（GSM）的体系。随后，美国和日本也制定了各自的数字移动通信体制。

1.2.3 移动通信的基本概念

所谓移动通信就是指移动体之间、移动体与固定体之间的通信。按照移动体所处运动区域的不同，移动通信可分为陆地移动通信、海上移动通信和空中移动通信。而目前实际使用的移动通信系统有航空（航天）通信系统、航海通信系统、陆地移动通信系统和国际卫星移动通信系统（INMARSAT）。而陆地移动通信系统又包括无线寻呼系统、无绳电话系统、集群移动通信系统和蜂窝移动通信系统等。

目前的移动通信系统以数字移动通信系统发展最为迅速，应用最为广泛。所以，在此着重介绍数字移动通信系统。

1.2.4 移动通信的工作方式

移动通信的工作方式可分为单工通信方式、双工通信方式和半双工通信方式三大类别。

1.单工通信方式

所谓单工通信方式就是通信双方中的一方只能接收信号，而另一方只能发送信号，不能互逆。收信方不能对发信方直接进行信息反馈。陆地移动通信系统中的无线寻呼系统就采用这种工作方式。BP机（或BB机）只能收信而不能发信，反馈信息只能通过“打电话”间接地来完成，如图1-5所示。

2.双工通信方式

所谓双工通信就是指移动通信双方可同时进行发信和收信。这时收信与发信必须采用不同的物理信道。用户使用时与“打电话”时的情况一样。这时通信双方的设备一般通过双工器来完成这种功能。图1-6给出了双工通信方式的示意图。

3.半双工通信方式

所谓半双工通信就是指移动通信的双方只能交替地进行发信和收信，不能同时进行，如图1-7所示。

常用的对讲机就采用这种通信方式，平时天线与收信机相连接，发信机也不工作。当一方用户讲话时，接通“按-讲开关”，天线与发信机相连（发信机开始工作）。另一方的天线接至收信机，因而可收到对方发来的信号。

1.2.5 移动通信的分类

1.无线寻呼系统

无线寻呼系统是一种传送简单信息的单向通信系统，它由寻呼中心、基站发射塔和寻呼接收机（俗称BB机或BP机）三部分组成，如图1-8所示。

这里所说的简单信息，是指可以由BB机的液晶显示器显示的汉字或由数字和字母组成的一组代码，用来表示主叫用户的电话号码、姓名和与呼叫相关的内容。所谓“单向”，是指该系统仅为公用电话交换网（PSTN）用户呼叫BP机提供服务，被叫用户若想回话，则需通过“打电话”来进行。因此，无线寻呼系统可视为公众电话交换网的延伸和补充。

当用户寻呼BP机时，可通过公用电话交换网拨叫寻呼台的电话号码及被叫寻呼机的号码。系统首先进行鉴权，确认是否为有权用户，然后再将呼叫信息按一定格式编码后，由基站发射机发出。若被叫用户非本系统的合法用户，则呼叫信息不予发送。

由于BP机体积小、重量轻、费用低廉，所以寻呼系统得到了广泛的应用。

2.无绳电话系统

无绳电话系统是电话网的一种无线延伸，它由基站和手机组成，如图1-9所示。

无绳电话为了防止彼此干扰，发射功率较低。一般而言，基站输出功率小于1W，手机发射功率小于0.5W，所以有效服务范围有限。通常在室外开阔地带约为200m，楼群间约为100m，室内约为50m。

早期的无绳电话只是将与PSTN相连的用户线路以无线的方式加以延伸，给市话用户提供了一定范围内的有限移动性，并且最初只是用于家庭内部。20世纪80年代末，英国提出了第二代无线电话系统（CT2），将无绳电话系统的应用范围由室内推向了室外、由模拟系统发展为性能优良的数字系统，形成了公用无绳电话系统。目前，CT2具有两种基站，提供两种类型的服务。一种是家用基站，每个基站对应一个电话号码，注册手机可以实现双向呼叫；另一种是公共场所使用的公用基站（通常将之安装在话务量较高的热点地区）。CT2系统的结构如图1-10所示。

3.集群（Trunking）调度通信系统

集群调度通信系统是一种专用移动通信系统，由中央控制器、基地台、总/分调度台、移动台组成，如图1-11所示。

集群调度系统是一个多信道工作的系统，一般均采用自动信道选择方式。其最大特点是集中和分级管理并举，系统可供多个单位同时使用。系统设一个控制中心以便集中管理，每个单位又可以分别设置自己的调度台进行相应的管理，这既实现了系统及频率资源的共享，又使公用性和独立性兼而有之。

4.蜂窝移动通信系统

蜂窝移动通信系统为处于该系统无线电波覆盖范围内的用户提供与公用电话交换网（PSTN）的无线连接。利用有限的频谱资源，蜂窝系统可以容纳分布在较大地理范围内的大量用户。它可以提供与有线电话相比拟的高质量的服务。在蜂窝移动通信系统中，每个基站发射机的覆盖范围都限制在一个称为“蜂窝（Cell）”即无线小区的很小的地理范围内，蜂窝移动通信系统使用一种称为“越区切换”的交换技术，可以使用户从一个蜂窝移动到另一个蜂窝时不会中断通话。

图1-12给出一个由移动台（MS）、基站（BTS）和移动交换中心（MSC）组成的基本的蜂窝系统（图中，塔代表在移动用户与MSC之间提供无线接入的基站）。移动交换中心在蜂窝系统中负责将所有的移动电话与PSTN相连接。每个移动台通过无线电波和其所在蜂窝中的基站进行通信，在通话期间，当其运动到另一个蜂窝内时，可以切换到新的基站继续通信。移动台包括一部无线电收发信机、天线和控制电路，既可以安装在汽车上，也可以是便携式的手机。基站由若干套无线电收发信机组成，以便进行双工通信。它通过传输线路或微波线路，以并行的方式将移动电话与MSC相连接，起一个桥梁的作用。MSC协调所有基站的工作，并将整个蜂窝系统连接到PSTN。典型的MSC可以管理数以十万计的蜂窝用户，并可同时处理上万个通话，还可以承担所有的计费及系统维护功能。在大城市中，一个蜂窝移动通信系统通常包括几个MSC。

公共空中接口（CAI）标准规定了基站与移动电话间的通信接口标准，它确定了四种不同的信道。从基站到移动电话的语音传输信道称为前向（下行）语音信道（FVC），从移动台到基站的语音传输信道称为反向（上行）语音信道（RVC）。负责建立、控制通话过程的两个信道是前向（下行）控制信道（FCC）和反向（上行）控制信道（RCC），控制信道只负责建立一个通话并将其转移到一个未使用的语音信道上，控制信道本身不用于语音通信方面，只发送和接收通话的建立和拆除以及服务请求方面的有关数据消息。

基于频率复用（Frequency Reuse）的概念，蜂窝系统要求相邻蜂窝区域内的前向（下行）频率控制信道（FCC）各不相同。通过将为数不多的FCC规定为公共空中接口中的一部分，则可由多家公司生产蜂窝移动台。这样，蜂窝移动台在任何时候都能迅速搜索所有可能的前向（下行）控制信道，并最后确定信号最强的信道，从而确定所处的小区。一旦发现最强信号，移动台会锁定这一特定的FCC。MSC在所有的FCC上广播相应的系统数据，就能把信号发送给蜂窝系统的所有用户。当MSC从PSTN上接收到一个对移动用户的呼叫时，它可以使得被叫移动用户接收到信号。

当打开移动台（如手机）时并不能马上进入呼叫或被叫，手机首先搜索前向（下行）控制信道组（群）以确定出信号最强的信道，然后对该控制信道进行监控。一旦信号电平过低，则又重新搜索控制信道以找出最强的基站信号。对每一种蜂窝系统，其控制信道一般均在覆盖的整个几何区域内来定义并标准化，典型的做法是将系统可利用的信道总数的5%左右用做控制信道（其他约95%的信道用于语音和数据传输）。控制信道标准化使得在一个国家或地区内不同的覆盖区域里有相同的控制信道组（群），因此每一部移动电话都搜索相同的控制信道组（群）。当有对移动用户的呼叫时，MSC就向蜂窝系统相关区域内的所有基站发出命令，然后把移动用户识别号（IMSI）和移动用户的电话号码作为一个寻呼信息在相关基站内的所有前向（下行）控制信道上广播。移动台接收到它所监测的基站发出的信息后，再通过反向（上行）控制信道回送确认信息。基站转发移动台发送的确认信息，通知MSC建立了链路。然后，MSC再指导基站将通话转移到该蜂窝内的一个未使用的空闲语音信道上。这样，基站通知移动台将频率改变至一对未使用的前、反向（下行、上行）语音信道，同时在前向语音信道上还发送另外一些信息，使移动电话产生振铃音，以提醒用户接电话。所有这些步骤均在几秒内完成，用户根本不会注意到。

当移动台主叫时，移动台在反向（上行）控制信道上发送其移动用户识别号（IMSI）、自己的电话号码和被叫电话号码。基站接收到这些数据并传送至MSC，后者确认这一请求，通过PSTN连接被叫方，再指导基站和移动用户转移到一对未使用的空闲前、反向（下行、上行）语音信道上开始进行通话。

当移动用户在通话过程中逐渐进入或离开某一基站的覆盖区时，为了保证通话质量，MSC自动调整移动台的发射功率。如果这样仍不能满足通话质量的要求，MSC会通过一定的程序，让另一个离移动台较近的基站接替原基站继续和移动台通信，并相应地改变移动台和基站之间的信道。这就是所谓的“切换”。通过在语音信道中插入特别的控制信令，基站和MSC可以在通话过程中对移动台进行控制。

所有蜂窝系统都能提供一种称为“漫游（Roaming）”的服务。这种业务可以使用户在交费服务区之外的其他服务区内继续得到同样的通信服务。当移动用户离开其注册区域而进入另一个城市或地理区域时，它作为漫游者在新的服务区进行注册。如果某一漫游者已交费且拥有漫游权，则MSC将其登记为合法漫游者。一旦登记注册，漫游移动用户即可在该地区进行双向通信，就如同在其原注册区域内一样。

5.卫星移动通信系统

（1）利用静止卫星的移动通信系统

目前利用静止卫星作为中继站而实现移动通信的系统只有INMARSAT（国际海事卫星系统）。该系统利用分别位于大西洋、太平洋和印度洋赤道上空的四颗静止卫星（大西洋两颗，太平洋和印度洋各一颗）、网络协调站、岸站和用户终端站可实现除两极以外的全球绝大部地区的移动通信。用户终端站是一系列的VSAT（Very Small Aperture Terminal），即一系列的小型或微型站。这些VSAT装在飞机、轮船、车辆上或个人携带（最小的便携站只有笔记本大小）可进行移动通信。这是目前业已实用化的卫星移动通信系统。大量的VSAT与一个大的岸站协调工作构成一个卫星移动通信网，可支持双向话音、数据、图像等移动通信业务。

（2）利用低轨道（LEO）卫星的移动通信系统

利用低轨道（LEO）卫星系统是实现卫星终端微型化的方案之一。由于低轨道（LEO）卫星及其发射成本较低，其可把山岳地区和人口密度稀少的地区覆盖起来，构成范围广泛的服务区域。据测算，低轨道（LEO）移动卫星通信系统的收费与陆地蜂窝移动通信系统差不多。

目前，典型的低轨道（LEO）卫星移动通信系统是美国摩托罗拉（MOTOROLA）公司的“铱”系统。铱系统是一种全球性的数字化卫星移动通信系统。其最初设计采用77颗在低轨道上运行的小型智能卫星构成该系统的空间部分，由于卫星的数目正好与铱原子的外层电子数相同，故称之为“铱”系统。这些卫星沿着7条环形轨道运行，每条轨道上均匀地分布着11颗卫星。后改进设计，改用66颗卫星，沿着6条环形轨道运行，每条轨道上仍为11颗卫星。卫星轨道高度为765km。卫星的直径为1m，高为2m，重约340kg。卫星寿命为5～6年（预计可延长至8年）。

铱系统采用“倒置”的蜂窝结构，系统的基础功能及基站中的信号处理均安排在星上进行。蜂窝（Cell）区随卫星运行而扫过地球表面。相对于卫星的运行速度，地面上的移动用户（包括飞机上的用户）的运动速度较低，可看做相对“静止”的，从而形成蜂窝区跨越用户，而不是像陆地移动通信系统中那样是用户跨越蜂窝区。根据铱系统的星座设计，每颗卫星能投射37个波束到地球表面，形成37个蜂窝区。每个蜂窝区的直径为667km，全球共有1600个蜂窝区。铱系统采用7个小区组成一个区群，复用可达200多次。每个用户对每颗卫星的最大可视时间可达9分钟。铱系统与公共电话交换网（PSTN）相接，可与PSTN中的任何类型的终端（电话、传真和数据终端）进行通信。

卫星移动通信系统的示意图如图1-13所示。

1.2.6 移动通信所使用的频率

随着微电子技术和超大规模集成电路技术的发展，移动通信所使用的频率也从最初的低频（LF）、中频（MF）、高频（HF）和甚高频（VHF）的范围向特高频（UHF）和超高频（SHF）的范围提升，具体如图1-14所示。

1.2.7 移动通信的电波传播

移动通信按其服务区域可分为陆地、海上和空中等类型，它们的传播条件不同，其传播特性也不同。就目前常用的VHF和UHF频段来说，电波传播方式主要是空间波，即直射波、反射波、绕射波及它们的合成波。本课程中主要讨论陆地移动通信的电波传播特性。

陆地移动通信的电波传播问题很复杂，这是由于通信对象（至少是一方）是移动的，使电波传播路径随时变化；另外，在电波传播路径上，可能要经过许多不同的地形和遇到各种复杂的地物，加之移动台天线离地面仅1～4m，使传播路径上的各种地形地物都严重影响电波传播。移动通信中，接收信号强度或传播损耗是随机变化的，因而要用中值和瞬时值两个参量来联合表征，并需要用统计分析方法才能获得这些参量及其变化特性。所谓中值，是指在给定的统计时间内，有50%时间的场强（或传播损耗）超过某个数值，这一数值就称为场强中值（或损耗中值）。一般来说，瞬时值变化快，而中值变化慢。

移动环境下，电波在传播路径上遇到各种障碍物都可能产生反射、散射和吸收，因此，接收点的电波实际上是直射波、反射波和散射波的合成，形成所谓的多径传播，如图1-15所示。由于每条传播路径各不相同，各路径信号的时延也各不相同，接收点信号（场强）矢量合成的结果就形成接收点场强瞬时值的迅速、大幅度的变化，这种变化称为由多径引起的快衰落，由于这些衰落服从瑞利分布，所以又称为瑞利衰落（Rayleigh fading）。

当电波在传播路径上遇到建筑物、森林等障碍物的阻挡时，则会形成电磁场的阴影。当移动台通过不同障碍物的阴影时，就造成接收场强中值的变化。这种由于阴影效应导致接收场强中值随着地理位置改变而出现的缓慢变化称为慢衰落，又称为阴影衰落（shadow fading）。另外，由于气象条件的改变，导致大气折射系数随时间而变化，也会造成同一地点场强中值随时间而缓慢变化。

在自由空间中，电波传播的损耗与距离的平方成正比。而在移动通信中，电波传播环境特别复杂且多变，电波传播的损耗近似与距离的4次方成正比。