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普通高等教育 “十一五”国家级规划教材. 移动通信原理与系统. 李湘文. Lixiangwen@sohu.com. 成都理工大学工程技术学院通信技术教研室. 第 1 章 概 述. 1.1 移动通信发展简述 1.2 移动通信的特点 1.3 移动通信的工作方式 1.4 移动通信的分类及应用系统 1.5 移动通信的主要技术及其发展趋势.
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普通高等教育 “十一五”国家级规划教材 移动通信原理与系统 李湘文 Lixiangwen@sohu.com 成都理工大学工程技术学院通信技术教研室
第1章 概 述 1.1 移动通信发展简述 1.2 移动通信的特点 1.3 移动通信的工作方式 1.4 移动通信的分类及应用系统 1.5 移动通信的主要技术及其发展趋势
1.1 移动通信发展简述 1.1.1 移动通信的概念 移动通信是通信领域中最有活力、最具发展前途的一种通信方式，是当今信息社会中最具个性化特征的通信手段。移动通信的发展与普及改变了整个社会的面貌和人们的生活方式，它已成为现代通信领域中的一大支柱产业。移动通信是通向人类的通信梦想——个人通信的必经阶段。
1.1.2 移动通信的发展历程1.第一代移动通信系统（1G） 第一代移动通信系统（1G）是以模拟蜂窝为主要特征的模拟蜂窝移动通信系统。20世纪70年代至80年代，随着集成电路技术、微型计算机和微处理器的发展，以及由美国贝尔实验室推出的蜂窝系统的概念和理论的应用，美国和日本等国家纷纷研制出陆地移动电话系统，具有代表性的有美国的AMPS系统、英国的TACS系统、北欧的NMT系统、德国的C系统以及日本的HCMTS和NTT系统等。这个时期系统的主要技术是模拟调频（FM）和频分多址(FDMA)，使用的频段为800／900MHz（早期曾使用450MHz），称为第一代移动通信系统。这一阶段是使移动通信系统不断完善和成熟的阶段，进入20世纪80年代后，许多无线系统已经在全世界范围内发展起来，寻呼系统和无绳电话系统不断扩大服务范围，很多相应的标准应运而生。1.1.2 移动通信的发展历程1.第一代移动通信系统（1G） 第一代移动通信系统（1G）是以模拟蜂窝为主要特征的模拟蜂窝移动通信系统。20世纪70年代至80年代，随着集成电路技术、微型计算机和微处理器的发展，以及由美国贝尔实验室推出的蜂窝系统的概念和理论的应用，美国和日本等国家纷纷研制出陆地移动电话系统，具有代表性的有美国的AMPS系统、英国的TACS系统、北欧的NMT系统、德国的C系统以及日本的HCMTS和NTT系统等。这个时期系统的主要技术是模拟调频（FM）和频分多址(FDMA)，使用的频段为800／900MHz（早期曾使用450MHz），称为第一代移动通信系统。这一阶段是使移动通信系统不断完善和成熟的阶段，进入20世纪80年代后，许多无线系统已经在全世界范围内发展起来，寻呼系统和无绳电话系统不断扩大服务范围，很多相应的标准应运而生。
从2G向3G发展 1.移动用户数发展的必然趋势 随着移动用户数量的急剧增加，在世界一些发达地区已经出现了频率资源紧张、系统容量饱和的局面。移动通信所赖以生存的无线电频率是一种宝贵的资源，频谱资源是有限的，但随着移动通信的飞速发展，用户数量的急剧增加，有限的资源被“无限”地利用，矛盾越来越尖锐。而３Ｇ由于采用了CDMA技术，相对于２Ｇ来说可以提供更大的系统容量，有效缓解急剧增长的用户数量和有限的频率资源之间的矛盾。从这个角度分析，２Ｇ的无线技术必将被３Ｇ所取代。
2.移动业务发展的必然趋势 随着社会生产力的发展，人类已经逐渐步入信息化社会，人们对于移动通信也提出了越来越高的要求。在这种潮流下，分组交换、ATM、IP等各种技术的融合已经成为移动通信的发展趋势，而且移动通信和互联网络的结合也越来越紧密。同时，信息技术的发展和用户的多样化、个性化需求要求移动通信系统提供更丰富、更个性化的业务，如图像、话音与数据相结合的多媒体业务和高速数据业务，但2G系统主要为用户提供话音业务和低速数据业务，QoS能力有限，无法满足用户多媒体、电子商务、移动上网等多种新兴通信的要求。而3G能够达到高速车载环境下384kb/s、低速或静止状态下2Mb/s及以上的速率，因此可提供多样化、个性化业务，并向多媒体化、智能化、分组化方向发展。
3.运营商发展的必然趋势 由于话音业务的利润空间日益缩小，要提高ＡＲＰＵ，还需要开展丰富的差异化竞争业务。因为２Ｇ直接将业务本身标准化，所以同一种业务就只有一种标准实现方式，不利于第三方的快速引入和业务生成，生成新业务比较困难，无法充分满足用户多样化、个性化的业务需求。而在３Ｇ中，某个特定业务可以抽象为多个业务能力特征的集合，每个业务能力特征可以根据承载网络的不同而由不同的业务能力具体实现，这表现了３Ｇ业务生成的多样化和灵活性。运营商只有充分利用３Ｇ平台来开展差异化竞争，才能在未来的激烈竞争中生存发展。
第四代移动通信（4G）标准及现状 1. 第四代移动通信系统中的关键技术 1）新的调制技术 第四代移动通信的要求数据速率从2Mb/s提高到100Mb/s，能够提供150Mb/s的高质量的影像服务。在无线信道下，要如此大幅度地提高传输速率,如何突破频率选择性衰落的影响是关键。被4G看好的高速调制技术为多载波正交频分复用（OFDM）调制技术。OFDM技术是一种无线环境下的高速传输技术。
它的主要思想就是在频域内将给定的信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个载波进行调制，各子载波并行传输，以获得高速。虽然总的信道是非平坦的，即具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，并且在每个子信道上进行的是窄带传输，即信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。OFDM技术的最大优点是能对抗频率选择性衰落或窄带干扰，并由于子信道的频谱是可以相互交叠的，因而频率利用率高。 它的主要思想就是在频域内将给定的信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个载波进行调制，各子载波并行传输，以获得高速。虽然总的信道是非平坦的，即具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，并且在每个子信道上进行的是窄带传输，即信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。OFDM技术的最大优点是能对抗频率选择性衰落或窄带干扰，并由于子信道的频谱是可以相互交叠的，因而频率利用率高。
2）软件无线电技术 3G中也采用了该技术。通过3G的开发，软件无线电技术将进一步向前发展，也将更为成熟。它可使移动终端和基站从3G到4G的发展速度大大加快，系统升级变得十分便捷。 3）智能天线技术 3G也采用了该技术。智能天线具有抑制干扰、信号自动跟踪以及数字波束形成等智能功能，用于移动通信，既可改善信号质量，又能增加传输容量。
4）网络技术 4G系统要满足3G不能达到的高速数据和高分辨率多媒体服务的需要，应能与宽带IP网络、宽带综合业务数据网（B-ISDN）和异步传送模式（ATM）兼容，实现宽带多媒体通信，形成综合宽带通信网。在处理多媒体业务时，智能无线资源管理和路由选择是关键技术，无线资源管理需根据用户的应用类别以及QoS要求，安排与分配可用资源、前/后向链路的传输速率，并完成选路、全程质量管理、无缝切换等。
1. 第四代移动通信的研发状况 3G在全球布局后，4G的路如何走一直是行业关注的热点问题，从2005年开始，国际上3GPP和3GPP2两个3G标准化组织就开始制订新一轮的3G演进标准。2008年，ITU将开始向全世界征求“后3G”候选标准。目前，已经有许多公司宣布自己的技术是4G。世界范围内面向4G的说法大部分还是在速度上的提升，是通过各种技术提高传输的速度，在这方面有两支不同的队伍。
传统的WCDMA阵营的运营商和制造商都把HSDPA、HSUPA当作自己的发展方向，在这些技术进一步演进之后，LTE技术着重考虑的方面主要包括降低时延、提高用户的数据速率、增大系统的容量和覆盖范围以及降低运营成本等。为了满足这些要求，需要对无线接口以及无线网络的体系架构进行一些改进。2007年，LTE正在完成相关标准的制定。诺基亚、西门子、爱立信在2007年3GSM大会上分别展示了LTE技术，提供的速度分别高达143Mb/s和144Mb/s。应该说，传统通信阵营对于LTE寄托了极大的期望，也会将此作为4G的发展方向。 传统的WCDMA阵营的运营商和制造商都把HSDPA、HSUPA当作自己的发展方向，在这些技术进一步演进之后，LTE技术着重考虑的方面主要包括降低时延、提高用户的数据速率、增大系统的容量和覆盖范围以及降低运营成本等。为了满足这些要求，需要对无线接口以及无线网络的体系架构进行一些改进。2007年，LTE正在完成相关标准的制定。诺基亚、西门子、爱立信在2007年3GSM大会上分别展示了LTE技术，提供的速度分别高达143Mb/s和144Mb/s。应该说，传统通信阵营对于LTE寄托了极大的期望，也会将此作为4G的发展方向。
但是由于LTE现在尚未制定标准，更没有商用试验，相对于WiMAX还是落后了一段距离。一些在3G领域没有占据市场的传统电信公司以及计算机和互联网行业的企业，希望通过WiMAX和3G抗衡。最近，美国运营商Sprint也宣布建设WiMAX网络，GOOGLE也打算布局WiMAX网络。 但是由于LTE现在尚未制定标准，更没有商用试验，相对于WiMAX还是落后了一段距离。一些在3G领域没有占据市场的传统电信公司以及计算机和互联网行业的企业，希望通过WiMAX和3G抗衡。最近，美国运营商Sprint也宣布建设WiMAX网络，GOOGLE也打算布局WiMAX网络。 可以预见在未来的几年，LTE和WiMAX有可能是4G技术最有力的争夺者，而高通的UMB（CDMAEV-DOC版本）也具有自己的特点。
5.我国移动通信的发展 我国移动通信的发展始于1987年，当时在上海首次开通了900MHz频段、TACS制式的模拟蜂窝移动通信系统，到1995年，TACS网实现全国联网。1994年广东省首先建成GSM数字移动通信网，到2002年年底我国GSM网已成为世界第一大移动通信网。另外，1996年12月在广州建起第一个CDMA试验网，至2002年，我国CDMA网已覆盖全国各大、中城市，用户数超过5000万。经过二十多年的发展，我国的移动通信网已成为世界第一大移动通信网，是拥有移动通信用户数最多的国家。移动通信业务从初期的单纯语音业务开始逐步发展成包括短消息业务、数据业务（含GPRS业务）、预付费和VPN等智能业务在内的多元化结构。2001年8月，模拟蜂窝网在我国停止运营。5.我国移动通信的发展 我国移动通信的发展始于1987年，当时在上海首次开通了900MHz频段、TACS制式的模拟蜂窝移动通信系统，到1995年，TACS网实现全国联网。1994年广东省首先建成GSM数字移动通信网，到2002年年底我国GSM网已成为世界第一大移动通信网。另外，1996年12月在广州建起第一个CDMA试验网，至2002年，我国CDMA网已覆盖全国各大、中城市，用户数超过5000万。经过二十多年的发展，我国的移动通信网已成为世界第一大移动通信网，是拥有移动通信用户数最多的国家。移动通信业务从初期的单纯语音业务开始逐步发展成包括短消息业务、数据业务（含GPRS业务）、预付费和VPN等智能业务在内的多元化结构。2001年8月，模拟蜂窝网在我国停止运营。
（2）多普勒频移会产生附加调制。由于移动台处于运动状态中，因此接收信号有附加频率变化，即多普勒频移fD。 fD与移动体的移动速度有关。若电波方向与移动方向之间的夹角为θ，则有其中，v为移动台的运动速度，λ为波长。运动方向面向基站时， fD为正值；反之， fD为负值。当运动速度较高时，多普勒频移的影响必须考虑，而且工作频率越高，频移越大。 (1.1)
（3）移动通信受干扰和噪声的影响。移动通信网是多频道、多电台同时工作的通信系统，当移动台工作时，往往受到来自其他电台的干扰。同时，还可能受到天电干扰、工业干扰和各种噪声的影响。 基站通常有多部收发信机同时工作，服务区内的移动台分布不均匀，且位置随时在变化，干扰信号的场强可能比有用信号高几十分贝(如70～80dB)。通常将近处无用信号压制远处有用信号的现象称为远近效应，这是移动通信系统中的一种特殊干扰。 （3）移动通信受干扰和噪声的影响。移动通信网是多频道、多电台同时工作的通信系统，当移动台工作时，往往受到来自其他电台的干扰。同时，还可能受到天电干扰、工业干扰和各种噪声的影响。 基站通常有多部收发信机同时工作，服务区内的移动台分布不均匀，且位置随时在变化，干扰信号的场强可能比有用信号高几十分贝(如70～80dB)。通常将近处无用信号压制远处有用信号的现象称为远近效应，这是移动通信系统中的一种特殊干扰。
1.3 移动通信的工作方式 1.单工制（同频单工） 单工制是指通信双方使用相同的工作频率的按键通信方式。通信双方设备交替进行接收和发射，即发射时不能接收，接收时不能发射。 单工制的优点是：①移动台之间可直接通话，不需基站转接；②收、发使用同一频率，不需要天线共用装置；③由于收、发信机是交替工作的，发信机工作时间相对较短，耗电较少，设备简单，造价便宜。 单工制存在以下缺点：①由于收、发信机使用同一个频率,当附近有邻近频率的电台工作时,就会造成强干扰，要避开强干扰的信道频率,就要允许工作信道的频率间隔较宽；②当有两个移动台同时发射时,会出现同频干扰；③操作不方便。
3.全双工制 全双工制是指通信双方收、发信机同时工作，任一方发话的同时，也能收到对方的语音，无需PTT按键。一般公用移动通信系统采用这种方式。全双工制有频分双工（FDD）和时分双工（TDD）两种形式。
2）时分双工（TDD） 时分双工是一种上行链路和下行链路通过使用不同的时隙来区分的在相同频率上工作的双工方式，该模式是工作在非对称频带上的，物理信道上的时隙分为发射和接收两个部分，通信双方的信息是交替发送的。例如，基站和移动台分别在各自控制器的控制下，以1ms发信、1ms收信的方式进行通话，占据一个频道，提高了频谱利用率，但是其技术也比较复杂。TDD模式工作于非对称时段；适合微小区、低功率、慢速移动覆盖；上、下行空间传输特性接近，较适合采用空分多址SDMA（智能天线）技术。 可见，FDD和TDD分别适合于不同的应用场合。如果混合采用FDD和TDD两种模式，就可以保证在不同的环境下更有效地利用有限的频率。2）时分双工（TDD） 时分双工是一种上行链路和下行链路通过使用不同的时隙来区分的在相同频率上工作的双工方式，该模式是工作在非对称频带上的，物理信道上的时隙分为发射和接收两个部分，通信双方的信息是交替发送的。例如，基站和移动台分别在各自控制器的控制下，以1ms发信、1ms收信的方式进行通话，占据一个频道，提高了频谱利用率，但是其技术也比较复杂。TDD模式工作于非对称时段；适合微小区、低功率、慢速移动覆盖；上、下行空间传输特性接近，较适合采用空分多址SDMA（智能天线）技术。 可见，FDD和TDD分别适合于不同的应用场合。如果混合采用FDD和TDD两种模式，就可以保证在不同的环境下更有效地利用有限的频率。
150MHz、450MHz、900MHz、1800MHz四个频段在使用时的收发频率间隔分别为：150MHz段的收发频率间隔为5.7MHz；450MHz段的收发频率间隔为10MHz；900MHz段的收发频率间隔为45MHz；1800MHz段的收发频率间隔为95MHz。 可见，在陆地移动通信中，现在主要使用甚高频（VHF）频段（30～300MHz）和特高频（UHF）频段（300～3000MHz）。150MHz、450MHz、900MHz、1800MHz四个频段在使用时的收发频率间隔分别为：150MHz段的收发频率间隔为5.7MHz；450MHz段的收发频率间隔为10MHz；900MHz段的收发频率间隔为45MHz；1800MHz段的收发频率间隔为95MHz。 可见，在陆地移动通信中，现在主要使用甚高频（VHF）频段（30～300MHz）和特高频（UHF）频段（300～3000MHz）。
1.4 移动通信的分类及应用系统 1.4.1 公共陆地移动通信网络(PLMN) 公共陆地移动通信网络（PublicLandMobileNetwork，PLMN）是移动通信中最大和最主要的网络系统，世界各国都建立了PLMN。PLMN可实现不同容量、质量、数据速率和业务等要求的语音、数据的移动通信业务，可实现跨区、跨国乃至全球的漫游业务和网络管理。蜂窝移动通信系统是PLMN的典型代表。
