作者：魏红
出版社：人民邮电出版社
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移动基站设备与维护(第3版)试读：
内容提要
本书全面、系统地阐述了现代移动基站的基本原理、基本技术和当今广泛使用的各类设备及维护技术规范，充分地介绍了当代移动通信的新技术及应用维护知识。全书共8章，包括移动通信系统概述、天馈系统、基站主设备、分布系统、传输设备、通信电源设备、空调和动力环境监控系统及基站建设维护规范。
本书内容结合当前基站综合维护的需求，紧扣行业标准及规范，具有较强的实用性及系统性。本书可作为高等职业技术学院通信专业的教材，也可作为相关培训课程的教材，还可作为从事通信行业的工程人员及维护人员的参考书。
第3版前言
自2013年工业和信息化部颁发4G牌照后，各运营商都开始了4G网络的建设和运营。目前，各运营商需要较多的综合维护人员，特别是基站的建设和维护，这涉及天馈系统、主设备、分布系统、电源、传输、监控、空调和动力等多方面的内容。不同的运营商或不同的地区采用的设备不同，在维护中的要求和规范也会有所区别，但基本的目的、要求和方法是相同的。基于上述情况，本书在第2版的基础上减少了直放站设备部分内容，适当增加与4G相关的设备、技术与应用等知识，更贴合学生的实际需求。
本书内容涉及基站机房应用的所有系统和设备，包括天馈系统、基站主设备、分布系统、传输设备、通信电源设备、空调、监控设备等。本书在第2版的基础上，结合目前各运营商的全业务运营和4G建设等方面的需要调整了内容，主要介绍系统的基本原理和使用的技术，并以1～2种设备为例，介绍设备的维护常识和规范。本书在每章开篇给出学习任务，使学生能有目的地学习，进一步提高学生的学习动力；并提出实训项目开设建议。通过对本书的学习，学生可以掌握基站机房配置设备所应用的相关原理、设备结构及维护知识，为将来在网络运营及其他相关部门工作打下基础。
本书需要读者有一定的电工电子基础知识、通信网基础知识、移动通信基本原理与技术知识，了解基本的网络构成和一些常用的技术。书中各章节都具有一定的独立性，不同院校可视具体情况节选参考，不会影响教学的完整性。
本书在编写过程中力求简单、全面地阐述各类基站机房设备的基本概念、基本原理、主要技术、设备结构和基本维护、建设规范，以方便学生掌握。各院校还可根据设备情况开设相应的实训项目，使学生对所学理论知识有一定的感性认识，并可增强技能，提高学生的岗位适应能力。
在本书编写过程中，很多老师和企业专家提出了许多宝贵意见，给予了编者很大帮助，在此一并表示感谢。编者2018年3月第1章移动通信系统概述【主要内容】本章主要介绍与基站维护相关的商用移动通信系统的基本知识和主要技术，以及基站机房的设备配置。【重点难点】移动基站机房的设备配置。【学习任务】掌握移动通信系统的主要技术；理解各商用移动通信系统的网络结构及主要技术；掌握基站机房设备配置及各信号传输过程。1.1 移动通信技术
移动通信系统由于采用无线接入技术，有许多与有线通信不一样的特点，需采用一系列的技术以解决存在的问题。本节简单介绍移动通信的主要技术。
移动通信是指通信双方中至少有一方在移动中进行信息交换的通信方式，可以是双向的，也可以是单向的。
移动通信的工作方式分为单工、半双工、（全）双工。在双工方式中，通信双方可以同时收发信号，即收发信机同时工作，这对使用电池供电的移动台非常不利。基于这一情况，在移动电话通信中采用准双工方式，即仅在有信号需发射时打开发射机，而接收机常开，这样既可以为移动台省电，又可以减小空中干扰电平。
移动通信是一种有线和无线相结合的通信方式。其电波传播条件恶劣，存在着严重的多径衰落，需要系统设备具有良好的抗多径衰落能力和储备。移动通信系统在强干扰条件下工作，主要噪声为人为噪声，需要系统具有抗人为噪声的能力和储备。移动通信系统工作时，主要干扰有3种：存在互调干扰，要求设备具有良好的选择性；存在邻道干扰，要求移动台采用自动功率控制（APC）技术；存在同频干扰，要求技术人员在组网和频率配置时予以充分的重视。移动通信系统中由于收发设备间存在着相对速度，具有多普勒效应，会产生频率偏移，因此需要采用锁相技术。移动通信中可能存在覆盖盲区，需要在组网时、基站设置时予以重视。移动通信中用户经常移动，与基站间没有固定联系，需要采用切换、位置登记、漫游、小区选择/重选等跟踪交换技术。
移动通信采用的主要技术有同频复用、多信道共用、多址技术、切换、位置登记、漫游、分集、跳频、扩频、语音间断传输等。
大型移动公网采用蜂窝小区制结构，同一无线区群中使用不同的频率；间隔一定的距离，在不同的无线区群中可重复使用相同的频率。另外，同一小区中的多个无线信道可以由多个用户共同享用，实现多信道共用，有效提高频率利用率。
为进一步提高系统容量，移动通信采用了频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）等多址技术。CDMA容量最大，其次为TDMA，FDMA容量最小，不同的系统可根据需要组合应用不同的多址技术。在4G中采用资源分配粒度更小的多址方式，即子载波间隔为15kHz的OFDMA。当然，在有效提高频率利用率、扩大系统容量的同时，必须采取相应的抗干扰、抗衰落措施（如分集、跳频、扩频等）。
分集技术是在发送端把具有独立衰落特性的信号分散传送，接收端对多个接收信号进行集中合并处理，即在发射侧分散传输，在接收侧根据信号的某一特征量所对应的衰落特性的独立性进行集中合并处理。常用的分集技术有极化分集、空间分集、时间分集、频率分集等。基站天线采用空间分集或极化分集，接收系统均能获得约5dB的增益。
跳频是指同一移动台在不同时隙工作在不同的载频上，结合交织、信道编码等技术提高系统的抗衰落能力。
为了提高无线信道的利用率，减少空中干扰，为移动台节能，系统采用间断传输技术，仅在有信息需要发送时打开发射机。
在CDMA系统中，为了解决自干扰，需与扩频技术相结合。扩频是一种信号传输技术。CDMA系统中通常采用直接序列扩频（DS）方式，在发送端把信号与扩频码相乘以对信号进行频谱扩展，在接收端用和发送端完全相同的扩频码与信号相乘以进行解扩，从而增大有用信号和干扰信号的功率差，提高系统的抗干扰能力。
移动通信中，为解决邻道干扰问题，会采用功率控制技术。功率控制按方向分为反向功控和前向功控，按移动台和基站是否同时参与又分为开环功控和闭环功控。功率控制根据实现过程分为内环功控和外环功控：内环功控是指基站接收到移动台的信号后，将其强度与一个门限值（闭环门限）相比，向移动台发送功率调整指令；而外环功控是调整基站的接收信号的目标门限设定值，以满足FER（误帧率）要求。当实际接收的FER高于（或低于）目标值时，基站就需要提高（或降低）内环门限，以增加（或降低）移动台的反向功率。
为了保证通信不中断，当移动台从一个小区进入另一个小区时需进行频道转换，实现切换。移动台在待机时，由一个小区进入另一个小区需进行小区重选。为了能顺利找到移动中的用户，系统要求用户终端在开机或进入新的位置区域时进行位置登记。用户还具有漫游功能，离开注册入网的MSC（移动业务交换中心）服务区，在另外的MSC区仍能入网使用。1.2 移动通信系统
移动通信系统发展到现在已经历了四代，第一代（1G）为模拟移动通信系统，第二代（2G）为数字移动通信系统，目前处于2G、3G和4G共存阶段。本节简单介绍目前商用的各移动通信系统。1.2.1 GSM系统
GSM是第二代数字移动通信系统，是泛欧标准，采用开放式结构，各功能实体间采用标准化的接口规范。我国于1994年进行GSM系统的商用，采用900MHz和1800MHz频段。GSM900采用了890～915MHz（上行）、935～960MHz（下行）频段，DCS1800采用了1710～1785MHz（上行）、1805～1880MHz（下行）频段。在模拟网关闭后，部分原模拟网使用频段由GSM系统使用，形成了EGSM工作频段。
GSM系统采用的主要技术和指标如下。
频道间隔：200kHz；双工间隔：45MHz（900MHz系统）/95MHz（1800MHz系统）；调制方式：GMSK；语音编码方式：RPE-LTP（13kbit/s）；多址技术：FDMA/TDMA（每载频8时隙）；双工方式：FDD。
另外，GSM系统中还采用了跳频、功率控制、语音间断传输、信道编码等技术以提高系统的性能。
1．GSM系统的组成
2GSM系统包括网络子系统（NSS，或交换子系统SS）、基站子系统（BSS）、操作维护子系统（OSS）和移动台子系统（MS）4个组成部分，其基本结构如图1-1所示。图1-1 GSM系统基本结构
图1-1中，MS为移动台，BTS为基站收发信机，BSC为基站控制器，MSC为移动业务交换中心，EIR为移动设备识别寄存器，VLR为访问用户位置寄存器，HLR为归属用户位置寄存器，AUC为鉴权中心，OMC为操作维护中心，ISDN为综合业务数字网，PLMN为公用陆地移动网，PSTN为公共电话交换网，PSPDN为公用分组交换数据网。一般情况下，VLR与MSC常集成在一起，表示为MSC/VLR；HLR与AUC集成在一起，表示为HLR/AUC。（1）网络子系统
网络子系统（NSS）主要有GSM系统的交换功能和用于用户数据管理、移动性管理、安全性管理、移动设备管理等所需的数据库功能，对GSM移动用户间和GSM移动用户与其他通信网用户间的通信起着管理作用。NSS由一系列功能实体构成。在整个GSM系统内部，NSS的各功能实体间以及NSS与BSS间都通过符合No.7信令系统的协议与GSM规范的No.7信令网络相互通信。
① 移动业务交换中心（MSC）。MSC是网路的核心，完成系统的电话交换功能。MSC可从3种数据库（即HLR、VLR和AUC）获取处理用户位置登记和呼叫请求所需的全部数据，同时根据其最新获取的信息请求更新数据库的部分数据。MSC可为移动用户提供一系列业务，包括电信业务、承载业务和补充业务等。MSC还支持位置登记、越区切换和自动漫游等移动性能和其他网络功能。
对于容量比较大的移动通信网，一个NSS可包括若干个MSC、VLR和HLR。
MSC有3类，分别为普通MSC、GMSC、TMSC。GMSC为入口移动业务交换中心（或网关MSC），其主要用于和其他电信运营商设备的互联互通。TMSC为汇接MSC，专门用于移动业务的长途转接。在网络中，GMSC与TMSC也可兼有普通MSC的交换与控制功能。
② 归属用户位置寄存器（HLR）。HLR是GSM系统的中央数据库，是存储着该HLR管理的所有移动用户的相关数据的静态数据库。存储的数据有用户信息（包括用户的入网信息、注册的有关业务方面的数据）、位置信息等，还存有号码IMSI、MSISDN。
③ 访问用户位置寄存器（VLR）。VLR服务于其控制区域内的移动用户，是存储着进入其控制区域内且已登记的移动用户的相关信息的动态用户数据库。一旦移动用户离开该VLR的控制区域，则重新在另一个VLR登记，原来访问的VLR将取消临时记录的该移动用户数据。
④ 鉴权中心（AUC）。AUC存储着鉴权信息和加密密钥，用来防止无权用户接入系统，并保证通过无线接口的移动用户信息的安全。AUC属于HLR的一个功能单元，专用于GSM系统的安全性管理。
⑤ 移动设备识别寄存器（EIR）。EIR存储着移动设备的国际移动设备识别码（IMEI），通过检查白名单、灰名单和黑名单判别准许使用的、出现故障须监视的、失窃不准使用的移动设备的IMEI，以防止非法使用偷窃的、有故障的或未经许可的移动设备。目前，因GSM系统未安装EIR设备，因此网络中仍有大量非法手机在使用。（2）基站子系统
基站子系统（BSS）是GSM系统中与无线蜂窝方面关系最直接的基本组成部分，它通过无线接口直接与移动台相接，负责无线信号的收发和无线资源管理。另一方面，BSS与NSS中的MSC相连，实现移动用户间或移动用户与固定网用户间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。
① 基站控制器（BSC）是BSS的控制部分，具有BSS的交换设备的作用，进行各种接口的管理、无线资源和无线参数的管理，例如切换控制、功率控制、时间提前量控制等。
② 基站收发信机（BTS）属于BSS的无线部分，是由BSC控制并服务于某个小区的无线收发信设备，实现BTS与移动台间的无线传输及相关的控制功能。
通常，NSS中的一个MSC监控一个或多个BSC，每个BSC控制多个BTS。（3）操作维护子系统
操作维护子系统（OSS）需完成许多任务，包括移动用户管理、移动设备管理及网络操作和维护等。
此处所介绍的OSS功能主要指完成对BSS和NSS进行操作及维护的管理功能。完成网络操作与维护管理的设施称为操作与维护中心（OMC），具体功能包括网络的监视和操作（告警、处理等）、无线规划（增加载频、小区等）、交换系统的管理（软件、数据的修改等）、性能管理（产生统计报告等）。GSM网络中的每个部件都有机内状态监视和报告功能，OMC对其反馈结果进行分析、诊断，并自动解决问题，如将业务切换至备份设备、针对故障情况采取适当的维护措施等。
移动用户管理包括用户数据管理和呼叫计费。用户数据管理一般由HLR来完成，用户识别模块（SIM）的管理通过专门的SIM个人化设备完成。呼叫计费可由移动用户所访问的各个MSC和GMSC分别处理，也可通过HLR或独立的计费设备来集中处理计费数据。
移动设备管理是由EIR完成的。（4）移动台子系统
移动台子系统（MS）是公用GSM移动通信网中用户使用的设备。移动台可以是单独的移动终端MT、手机、车载台，或者由MT直接与终端设备TE（如传真机等）相连接而构成，或者由MT通过相关终端适配器TA与TE相连接而构成。移动台必须插入SIM卡才能进行正常呼叫，SIM存储所有与用户有关的信息和某些无线接口的信息，其中也包括鉴权和加密信息，用户可以根据自己的需要更换手机，而不用重新注册入网。
2．GSM网络结构
我国的GSM网络采用二、三级混合结构，在无线区域覆盖时采用无线小区、基站小区、位置区、MSC区、PLMN服务区、GSM服务区的层次结构，如图1-2所示。
3．GSM系统中的接口
GSM系统对各功能实体间的接口进行了具体的定义，如图1-3所示。与BSS密切相关的接口主要有A接口（MSC与BSC间的接口）、Abis接口（BSC与BTS间的接口，是非标准接口，由厂家自定义）、Um接口（BTS与MS间的接口）。图1-2 无线覆盖区域结构图1-3 GSM系统中的接口
GSM系统终端设备信号的处理过程与移动台类似，只是移动台中的发送信号来自话筒，而系统终端的发送信号（64kbit/s的信号）来自交换机数据经对数线性变换器转换成的8kHz（13bit）的信号。移动台原理框图如图1-4所示。图1-4 GSM移动台原理框图
发送部分：模/数变换后的8kHz（13bit）的均匀量化数字信号按20ms分段，每20ms段160个采样；分段后按有声段和无声段对信号进行分开处理，有声段进行后续的语音编码处理，无声段按语音间断传输DTX的要求处理；数字信号经过信道编码、交织、加密、突发脉冲串形成、调制及上变频、功率放大后，由天线将信号发射出去。
GSM系统采用DTX方式，在语音信号分段后，按有声段和无声段分开进行信号处理。无声段并不是简单地关闭发射机，而是要求在发射机关闭之前，必须把发端背景噪声参数形成静寂描述帧（SID）传送给接收端，接收端利用这些参数合成与发送端相类似的噪声（通常称为“舒适噪声”）。为了完成语音信号间断传输，在发送端应有语音活动检测器，有背景噪声的评价，而接收端有噪声发生器。
接收部分：从天线接收的射频信号经双工器进入接收通路，高频放大后经一混频、二混频得到中频信号，数字解调后进行Viterbi均衡、解密、去交织、信道解码，恢复出数字化语音信号。
BSS中，语音编码过程在BSC侧完成，其余数字信号处理和射频部分信号处理则在BTS中进行。另外，由于基站需要多发射机共用天线、收发共用天线，因此天线共用部分包括合路器和双工器。（1）信道
GSM系统中，一个载频上的TDMA帧的一个时隙（TS）为一个物理信道。GSM中的每个载频分为8个时隙，有8个物理信道，每个用户占用一个时隙，用于传递信息，在一个TS中发送的信息称为一个突发脉冲序列。
大量的信息传递于BTS与移动台间，GSM系统根据传递信息的种类定义了不同的逻辑信道。逻辑信道是一种人为的定义，在传输过程中要被映射到某个物理信道上才能实现信息的传输。逻辑信道可分为两类，即业务信道（TCH）和控制信道（CCH）。业务信道用于传送编码后的语音或用户数据；为了建立呼叫，GSM设置了多种控制信道，用于传递信令或同步数据，可分为广播信道（BCH）、公共控制信道（CCCH）及专用控制信道（DCCH）3类。
广播信道可分为频率校正信道（FCCH）、同步信道（SCH）和广播控制信道（BCCH）；公共控制信道是基站与移动台间的点到多点的双向信道，可分为寻呼信道（PCH）、随机接入信道（RACH）和允许接入信道（AGCH）；专用控制信道可分为独立专用控制信道（SDCCH）、慢速随路控制信道（SACCH）和快速随路控制信道（FACCH）。
在传输过程中，传递各种信息的逻辑信道要放在不同载频的某个时隙上才能实现信息的传送。用于映射控制信道的一般是C0载波，在TS0下行信道上映射的主要是FCCH、SCH、BCCH、PCH、AGCH，在上行信道上映射RACH；在TS1上映射SDCCH、SACCH，上下行信道偏移3个时隙；其余的TS2～TS7则用作TCH，上下行信道也偏移3个时隙。
基站中的其余载频均可用作TCH。也就是说，同一小区的其他载频，C1～Cn频点只用于业务信道，即TS0～TS7全部是业务信道。因每个小区有一个C0载频，提供两个时隙的控制信道，也就是说，C0载频的6个时隙TS2～TS7都是业务信道，每增加一个载频就增加8个业务信道。（2）分级帧结构
TDMA信道上一个时隙中的信息格式称为突发脉冲序列。突发脉冲序列共有5种类型：普通突发脉冲序列（NB，用于除FCCH、SCH、RACH外的信道）、频率校正突发脉冲序列（FB，用于FCCH）、同步突发脉冲序列（SB，用于SCH）、接入突发脉冲序列（AB，用于RACH）和空闲突发脉冲序列（DB，用于在没有信息发送时代替NB在信道中传输，不发给任何MS，不携带信息）。
映射到TDMA帧中的信号按分级帧结构逐级形成超高帧，如图1-5所示。基站以时隙为单位将信息插入信道，每一时隙0.577ms，8个时隙组成一个4.616ms的TDMA帧，同时26个语音TDMA帧组成一个持续时间为120ms的复帧（在控制信道中，51个帧组成一个复帧）；51个26帧的复帧（或26个51帧的复帧）构成一个超帧；每2048个超帧组成一个超高帧，总计2715648个TDMA帧，占时3小时28分53.7秒。
4．频率复用（1）同频复用
同频复用技术是指同一载波的无线信道用于覆盖相隔一定距离的不同区域，相当于频率资源获得再生。移动通信系统的典型配置采用4×3频率复用方式，即每4个基站为一群，每个基站小区分成3个三叶草形60°扇区或3个120°扇区。移动通信系统采用等间隔频道配置的方法。图1-5 GSM系统中的分级帧结构
GSM900总共25MHz带宽，载频间隔200kHz，频道序号为1～124。频道序号和频道标称中心的频率关系为
因双工间隔为45MHz，所以其下行频率可用上行频率加双工间隔，为重点提示在GSM系统中，一个载频频道包含8个信道（时隙），信道和频道是不同的概念。但在实际工作中，常把频道（频点）称为信道，在应用时需要加以区分。
GSM1800总共75MHz带宽，载频间隔200kHz，频道序号为512～885。频道序号和频道标称中心的频率关系为
与GSM900一样，根据上下行双工间隔，下行频率计算为（2）跳频
移动通信中，电波传播的多径效应引起的瑞利衰落与发射频率有关，衰落谷点因频率的不同而发生在不同的地点，如果通话期间载频在几个频点上变化，则可认为在一个频率上只有一个衰落谷点，仅会损失信息的一小部分。
采用跳频技术可以改善由多径衰落造成的误码特性。跳频有慢跳频和快跳频两种。慢跳频速率低于信息比特率，即连续几个信息比特跳频一次。GSM系统中的跳频属于慢跳频，每帧改变一次频率，跳频的速率大约为每秒217次。一般跳频速率越高，跳频系统的抗衰落性能就越好，但相应的设备复杂性和成本也越高。
实现跳频的方法有两种，即基带跳频和频率合成器跳频（又称为射频跳频）。基带信号按照规定路由传送到相应的发射机上即形成基带跳频，基带信号由一台发射机转到另一台发射机来实现跳频。这种模式下，每个收发信机停留在一个频率上，基带数据通过交换矩阵切换到相应的收发信机上，从而实现跳频。基带跳频的天线合路器可采用谐振腔和单向器星形网络组合成的合路器。频率合成器跳频方式通过不断改变收发信机的频率合成器合成的频率使无线收发信机的工作频率由一个频率跳到另一个频率，这种方法不必增加收发信机数量，但需要采用空腔谐振器的组合，以实现跳频在天线合路器的滤波组合。频率合成器跳频模式需要无线电控制单元（RCU）的数目等于需要改变频率的时隙数，适合只有少量收发信机的基站，跳频实现原理如图1-6所示。图1-6 跳频实现原理图重点提示在基站中，某些设备只支持一种跳频实现方式，有些设备对两种跳频方式都支持，但一个基站只能选择一种实现方式。移动台只能采用频率合成器跳频方式。1.2.2 TD-SCDMA系统
TD-SCDMA由我国提出，是3G三大主流标准之一，可基于GSM系统演进。TD-SCDMA是一个TDD的同步CDMA系统，软件和帧结构的设计实现了严格的上行同步，与其他3G标准相比，其具有频谱分配灵活、高频谱利用率、更适合非对称业务的特点。
1．TD-SCDMA系统采用的主要技术与指标
TD-SCDMA系统采用的主要技术与指标如下。
码片速率：1.28Mchip/s；带宽：1.6MHz；双工方式：TDD；多址技术：TDMA、CDMA、FDMA、SDMA；调制方式：QPSK、8PSK、QAM等；扩频方式：直接序列扩频；基站间同步工作。
另外，TD-SCDMA还采用了智能天线、软件无线电、接力切换、联合检测及动态信道分配等技术来提高系统的性能。
智能天线利用SDMA技术，根据用户信号的到达方向角DOA估算进行波束赋形，向用户方向性地发送信号。
软件无线电在TD-SCDMA系统中应用，可只改变软件进行系统功能和标准的变换，从而使得天线体制具有更好的通用性、灵活性，并使系统互联和升级变得方便。
接力切换是TD-SCDMA系统针对硬切换和软切换的缺点提出的。在切换过程中，首先将上行链路转移到目标小区，下行链路仍与原小区保持通信，经过短暂时间的分别收发过程后，再将下行链路转移到目标小区。接力切换的实现需要测量、判决和执行3个过程。
联合检测利用所有与ISI（符号间干扰）和MAI（多址干扰）相关的先验信息，在一步之内将所有用户的信号分离出来。联合检测通常与智能天线结合应用，以进一步提高系统的抗干扰能力。
动态信道分配技术可动态地将信道分配给接入的业务。在TD-SCDMA系统中，慢速动态信道分配方式将资源分配到小区，快速动态信道分配方式将资源分配给承载业务。
2．TD-SCDMA系统的组成
TD-SCDMA系统由CN、UTRAN和UE组成，如图1-7所示。图1-7 TD-SCDMA系统组成
3．TD-SCDMA系统的空中接口
TD-SCDMA系统的空中接口采用TDD双工方式和TDMA、CDMA等多址技术。TD-SCDMA物理信道由码、频率和时隙共同决定。为及时定位移动台，接口把一个10ms的帧分成两个5ms的子帧。如图1-8所示，TD-SCDMA子帧由7个业务时隙、1个下行导频时隙、1个上行导频时隙和1个保护间隔组成，业务时隙的上下行随着切换点位置的移动改变比例，以适应不对称业务的需求。
在TD-SCDMA中还定义了逻辑信道和传输信道。逻辑信道描述传送什么类型的信息，传输信道描述信息如何传输；逻辑信道会映射到传输信道，而传输信道会映射到物理信道以传送信息。TD-SCDMA的各类信道及映射关系如图1-9所示。图1-8 TD-SCDMA子帧结构图1-9 TD-SCDMA中的逻辑信道、传输信道、物理信道及其映射关系1.2.3 WCDMA系统
WCDMA是基于GSM演进的3G标准，可采用FDD或TDD双工方式（此处主要介绍FDD方式）。其系统组成与TD-SCDMA相同，如图1-7所示。
1．WCDMA系统的主要技术和指标
WCDMA采用的主要技术与指标如下。
码片速率：3.84Mchip/s；载频带宽：5MHz；调制方式：BPSK、QPSK；双工方式：FDD；多址方式：TDMA、CDMA；扩频方式：直接序列扩频；语音编码：AMR；支持异步和同步的基站运行；支持下行发射分集，以提高系统下行链路容量。图1-10 WCDMA信道编码压缩模式
WCDMA的信道编码可根据需要确定是否采用压缩模式。压缩模式又称时隙化模式，一帧中的一个或连续几个无线帧中的某些时隙不被用于数据的传输，为保证质量，压缩帧中的其他时隙功率增加，如图1-10所示。
WCDMA系统可采用空时编码STC技术，即在时间和空间域都引入编码。空时码集发射分集和编码于一体，具有较好的频率有效性和功率有效性。
2．WCDMA系统的空中接口
WCDMA物理信道由载频、扰码、信道化码和相位定义，15个时隙构成一个无线帧。WCDMA与TD-SCDMA一样，也定义了逻辑信道和传输信道，各信道相互间的映射关系如图1-11所示。图1-11 WCDMA中的逻辑信道、传输信道、物理信道及其映射关系1.2.4 CDMA2000系统
CDMA2000是基于IS-95CDMA演进的3G标准，采用FDD方式，主要技术特点有上行链路相干接收、下行链路发射分集、基站GPS同步、前向/后向兼容性好等。为了进一步满足用户的高速数据和语音业务需求，CDMA2000.1x的发展演进经历了CDMA2000.1x EV-DO（仅提供数据，不兼容CDMA2000.1x）及CDMA2000.1x EV-DV（提供语音和数据，兼容CDMA2000.1x）。中国电信使用了CDMA2000.1xEX-DO。
1．CDMA2000.1x系统的主要技术和指标
CDMA2000采用的主要技术与指标如下。
码片速率：1.2288Mchip/s；载频带宽：1.25MHz；调制方式：BPSK（上行）、QPSK（下行）；双工方式：FDD；多址方式：FDMA、CDMA；支持同步基站运行；支持下行发射分集，以提高系统下行链路容量。
目前使用的CDMA2000.1x EV-DO的功率控制方式与CDMA2000.1x不同，基站在所有时间内发送固定数量的功率。当移动台远离基站时，移动台接收的功率降低，基站不增加发送功率，而是降低发送给这些移动台的数据率，如图1-12所示。图1-12 CDMA2000.1x EV-DO中基站控制数据率的方法
2．CDMA2000.1x系统的网络结构
CDMA2000.1x系统的网络结构如图1-13所示。为提供高速分组数据传送能力，核心网侧增加了PCF（分组控制功能模块）、PDSN（分组数据服务节点）和相关接口。
CDMA2000.1x EV-DO提供移动IP接入方式时，由HA和FA协调工作，实现不改变IP地址的移动用户漫游接入，如图1-14所示。图1-13 CDMA2000.1x系统的网络结构图1-14 CDMA2000.1x EV-DO移动IP接入
3．CDMA2000.1x系统的空中接口
CDMA2000.1x定义了物理信道和逻辑信道，前向信道和反向信道有不同的无线配置，但相互关联。逻辑信道到物理信道的映射如图1-15所示。图1-15 CDMA2000.1x中逻辑信道到物理信道的映射关系
在CDMA2000.1x EV-DO中，信道的配置与CDMA2000.1x有着明显的区别，所配置的信道如图1-16所示。图1-16 CDMA2000.1x EV-DO中的信道配置1.2.5 LTE-A系统
LTE为UMTS RAN演进技术，其演进的核心网称为演进的分组核心网EPC。LTE的目标是提供更高的网络性能并减少无线接入成本，是一个新设计的无线接口。较之前的移动系统而言，LTE可以显著地提升频谱效率并降低延时。LTE-Advanced（LTE-A）是LTE的演进，是真正的4G。
1．LTE-A的主要技术和指标
LTE-A系统通过频谱聚合技术，最大支持100MHz的系统带宽。进行载波聚合的各单元载波可有不同的带宽，在频率上可以是连续的，也可以是非连续的，以支持灵活的频率使用方法；峰值数据传输速率进一步增强，系统设计的峰值速率下行超过1Gbit/s，上行超过500Mbit/s，实际达到的性能远超过指标要求。在使用最大的100MHz带宽，下行8×8、上行4×4多天线配置的情况下，峰值速率下行超过3Gbit/s，上行超过1.5Gbit/s；在使用两个收发天线的情况下，频谱效率达单天线HSDPA的3～4倍，达单天线HSUPA的2～3倍；进一步降低了控制面时延，从驻留状态到连接状态的转换时间要求小于50ms；进一步强调了重点优化低速（0～10km/h）移动环境中的系统性能；针对不同的覆盖范围提出不同的服务质量要求，小区覆盖半径在5km以下时满足LTE的所有性能要求，5～30km的小区覆盖半径可允许一定的性能损失，能支持100km的小区覆盖。
LTE-A新技术包括载波聚合、异构网络、增强的多天线技术和中继技术等，系统各方面的性能指标提升到了一个新的高度。
2．LTE-A系统的网络结构
LTE网络结构的最大特点就是“扁平化”，具体表现为：取消了RNC，无线接入网只保留基站结点；取消了核心网电路域（MSC Server和MGW），语音业务由IP承载；核心网分组域采用类似软交换的架构，实行承载与业务分离的策略；承载网络全IP化。
LTE系统结构包括核心网EPC和无线接入网E-UTRAN两部分，如图1-17所示。
LTE无线侧系统架构如图1-18所示。E-UTRAN由多个eNodeB组成，eNodeB之间通过X2接口，采用网格（mesh）方式互联。同时eNodeB通过S1接口与EPC连接，S1接口支持GWs和eNodeB多对多的连接关系。
3．LTE-A系统的空中接口
LTE定义了两种帧结构，帧结构类型1（见图1-19）适用于全双工或半双工的LTE FDD，帧结构类型2（见图1-20）适用于TDD LTE。
帧结构类型1的每个无线帧长Tf=307200×Ts=10ms，一个无线帧包括20个时隙，每个时隙Tslot=15360×Ts=0.5ms，一个子帧定义为两个连续时隙；对于FDD，通过频域来隔离上下行传输，10个子帧全部用于下行链路传输或上行链路传输。
帧结构类型2中，一个10ms的无线帧分为两个5ms的半帧。每个半帧由5个长度为1ms的子帧组成。子帧有普通子帧和特殊子帧之分，普通子帧由两个时隙组成，特殊子帧由3个时隙（UpPTS、GP、DwPTS）组成。图1-17 LTE系统的扁平化结构图1-18 LTE系统基本架构图1-19 LTE帧结构类型1图1-20 LTE帧结构类型2
LTE系统中，逻辑信道、传输信道和物理信道间的映射关系如图1-21所示。图1-21 LTE中逻辑信道、传输信道和物理信道间的映射关系1.3 移动通信系统中的信令
移动通信系统中的各功能实体间需要采用信令进行相互通信。2G和3G语音通信时代，主要使用的信令系统为No.7系统。4G主要体现在IP化、融合化和扁平化方面，No.7信令在除HSS/HLR与3G网络、2G网络的No.7互通时使用的场景外，均使用IP，因此与No.7有关的GT、信令点逐渐消失。本节将简单介绍No.7系统和TCP/IP。1.3.1 No.7信令系统
No.7信令系统以功能划分模块，各模块完成相对独立的功能，模块间靠原语传递各种业务信息和网络管理信息，其层次结构如图1-22所示。
消息传递部分（MTP）：包括3个功能级，分为信令数据链路功能（物理层，MTP一层）、信令链路功能（链路层，MTP二层）和信令网功能（网络层，MTP三层）。
信令连接控制部分（SCCP）：加强MTP部分的功能，提供相当于OSI网络层的功能。
电话用户部分（TUP）：规定有关电话呼叫建立和释放的功能及程序，还支持部分用户补充业务。
ISDN用户部分（ISUP）：在ISDN环境中提供语音和非语音交换所需的功能，以支持基本的承载业务和补充业务。
事务处理能力应用部分（TCAP）：为网络中一系列分散的应用业务相互通信提供一组规约和功能。图1-22 No.7信令系统的层次结构
操作维护管理部分（OMAP）：具有No.7信令系统的监视、测量及管理功能，还有协议测试及在线监视等功能。
移动应用部分（MAP）：移动网特有的信令，如位置更新、用户漫游、呼叫控制等。
CAMEL应用部分（CAP）：CAMEL业务是一种网络功能，而不是补充业务，采用智能网的原理。通过增加智能网的功能模块，即使用户漫游出归属PLMN，网络运营商也可为用户提供特定的业务。1.3.2 TCP/IP
TCP/IP是一个真正的开放系统，协议族的定义及其多种实现可以公开得到，被称为“全球互联网”或“因特网（Internet）”的基础。采用电路交换的通信网络一般采用OSI模型的分层结构，而分组交换的IP网络则采用TCP/IP，其分层结构不一样。OSI模型与TCP/IP协议栈的比较如图1-23所示。图1-23 OSI模型与TCP/IP协议栈的比较
1．物理层
TCP/IP的物理层确定传输媒介类型、连接器类型、传输数据类型、接口类型及传输方式等。物理层设备包括中继器、集线器、Modem、光收发器、无线天线等。
2．数据链路层
数据链路层的主要功能就是保证将源端主机网络层的数据包准确无误地传送到目的主机的网络层。数据链路层的帧使用物理层提供的比特流传输服务到达目的主机数据链路层。为了保证数据传输的准确性，数据链路层还负责网络拓扑、差错校验、流量控制等。
3．网络层
网络层利用下两层提供的服务来实现传输层的通信，将数据包从源端网络发送到目的网络。常见的网络层设备有路由器和三层交换机。网络层设备通过运行路由协议（Routing Protocol）来计算到目的地的最佳路由，找到数据包应该转发的下一个网络设备，然后利用网络层协议封装数据包，利用下层提供的服务把数据发送到下一个网络设备。一般说来，网络层设备的每一个接口都有一个唯一的网络层地址，又称逻辑地址。在Internet中，网络设备的网络层地址必须是全球唯一的。
网络层协议（IP）是TCP/IP体系中最重要的协议之一，也是最重要的Internet标准协议（RFC791）之一。与IP配套的还有4个协议，即地址解析协议（ARP）、逆向地址解析协议（RARP）、Internet控制报文协议（ICMP）、Internet组管理协议（IGMP）。
4．传输层
传输层位于应用层和网络层之间，为目的主机提供端到端的连接以及流量控制（由窗口机制实现）、可靠性（由序列号和确认技术实现）、全双工传输支持等。传输层协议有TCP和UDP两种。虽然TCP和UDP都使用相同的网络层协议IP，但是TCP和UDP却为应用层提供完全不同的服务。目前传输层增加了第三种协议，即SCTP（流控制传输协议RFC2960），其具有TCP和UDP的共同优点，用于一些新的多媒体应用。
传输控制协议（TCP）为应用程序提供可靠的面向连接的通信服务，适用于要求得到响应的应用程序。目前，许多流行的应用程序都使用TCP。用户数据报协议（UDP）提供了无连接通信，且不对传送数据包进行可靠性保证，适于一次传输小量数据，可靠性则由应用层来负责。
TCP通过以下过程来保证端到端数据通信的可靠性：TCP实体把应用程序划分为合适的数据块，加上TCP报文头，生成数据段；当TCP实体发出数据段后，立即启动计时器，如果源设备在计时器清零后仍然没有收到目的设备的确认报文，重发数据段；当对端TCP实体收到数据后，发回一个确认。TCP包含一个端到端的校验和字段，检测数据传输过程中的任何变化。如果目的设备收到的数据校验和计算结果有误，TCP将丢弃数据段，源设备在前面所述的计时器清零后重发数据段。由于TCP数据承载在IP数据包内，而IP提供了无连接的、不可靠的服务，所以数据包有可能会失序。TCP提供了重新排序机制，目的设备会将收到的数据重新排序后交给应用程序。TCP连接的每一端都有缓冲窗口，目的设备只允许源设备发送自己可以接收的数据，防止缓冲区溢出。
UDP是一个简单的面向数据报的运输层协议：进程的每个输出操作都正好产生一个UDP数据报，并组装成一份待发送的IP数据包。UDP不提供可靠性：它把应用程序传给IP层的数据发送出去，但是并不保证它们能到达目的地。
5．应用层
应用层为用户的各种网络应用开发了许多网络应用程序，例如文件传输、网络管理等，甚至包括路由选择。应用层协议主要有如下几种。（1）文件传输协议
① 文件传输协议（File Transfer Protocol，FTP）是用于文件传输的Internet标准。FTP支持一些文本文件（例如ASCII、二进制等）和面向字节流的文件。FTP使用传输控制协议（TCP）在支持FTP的终端系统间执行文件传输，它采用两个TCP连接来传输一个文件。
控制连接以通常的客户/服务器方式建立，服务器以被动方式打开众所周知的用于FTP的端口（21），等待客户的连接；客户则以主动方式打开TCP端口21，来建立连接。控制连接始终等待客户与服务器之间的通信，该连接将命令从客户传给服务器，并传回服务器的应答。由于命令通常是由用户输入的，所以IP对控制连接的服务特点就是“最大限度地减小迟延”。
每当一个文件在客户与服务器之间传输时，就创建一个数据连接（其他时间也可以创建）。由于该连接用于传输的目的，所以IP对数据连接的服务特点就是“最大限度提高吞吐量”。因此，FTP被认为提供了可靠的面向连接的服务，适于距离较远、可靠性较差的线路上的文件传输。
② 简单文件传输协议（Trivial File Transfer Protocol，TFTP）也用于文件传输，但TFTP使用UDP提供服务，被认为是不可靠、无连接的。TFTP通常用于可靠的局域网内部的文件传输。TFTP最初打算用于引导无盘系统（通常是工作站或X终端），其代码和所需要的UDP、IP、设备驱动程序都能适合只读存储器。它只使用几种报文格式，是一种停止等待协议。为了允许多个客户同时进行系统引导，TFTP服务器必须提供一定形式的并发。因为UDP在一个客户与一个服务器之间并不提供唯一连接（TCP也一样），所以TFTP服务器通过为每个客户提供一个新的UDP端口来提供并发。TFTP没有提供安全特性，主要由TFTP服务器的系统管理员来限制客户的访问，只允许它们访问引导所必需的文件。TFTP也是升级设备的一种方式。（2）邮件服务协议
简单邮件传输协议（Simple Mail Transfer Protocol，SMTP）支持文本邮件的Internet传输。邮件服务中涉及的POP3（Post Office Protocol）是一个流行的Internet邮件标准。（3）网络管理协议
① 简单网络管理协议（Simple Network Management Protocol，SNMP）负责网络设备的监控和维护，支持安全管理、性能管理等。
② Telnet是客户机使用的与远端服务器建立连接的标准终端仿真协议。
③ Ping命令是一个诊断网络设备是否正确连接的有效工具。
④ Tracert命令可以显示数据包经过的每一台网络设备的信息，和Ping命令类似，是一个很好的诊断命令。（4）网络服务协议
① HTTP支持万维网（World Wide Web，WWW）和内部网信息交互，支持包括视频在内的多种文件类型。HTTP是当今最流行的Internet标准。
② 域名系统（Domain Name System，DNS）把网络结点的易于记忆的名字转换为网络地址。
③ Windows Internet命名服务器（Windows Internet Name Server，WINS）可以将NetBIOS 名称注册并解析为网络上使用的IP地址。
④ 引导协议（Bootstrap Protocol，BootP）是使用传输层UDP动态获得IP地址的协议，是DHCP的前身。1.4 基站简介
基站作为移动通信系统为用户提供接入服务的系统终端设备，在不同的系统中称为BTS、NodeB或eNode。本节简单介绍基站机房中的基本设备配置及机房故障的处理流程。
1．基站机房的基本配置
BSS包括基站控制器（BSC）和基站收发信设备（BTS）两部分，在基站中安装的主要是BTS部分，即基站主要提供系统与用户终端间的无线接口。作为一个基站，要提供可靠的通信服务，必须具有BTS主设备、天馈系统、传输设备、电源、空调及监控等部分，配置如图1-24所示。用户信息和信令通过传输线由BSC经过传输设备和主设备相连，无线信号经主设备中的收发信部分通过天馈系统收发。
电源可由交流市电或油机提供，两者间用转换设备转换，交流电在开关电源中转换成稳定的直流电后提供给各直流用电设备，同时给蓄电池充电。在短暂停电时，蓄电池放电，通过开关电源提供电源给主设备、传输设备等。当油机开始发电后，即恢复至开关电源的交流供电模式。图1-24 基站机房配置
监控系统主要完成对动力和环境的监控。早期，基站机房仅采用开关量监控，监控告警信号传至基站主设备，与主设备告警信号、传输设备告警信号一起经由传输设备送至OMC，即占用BTS的2Mbit/s业务时隙传送。目前，基站采用模拟量监控，虽然仍有部分开关量监控信号，但监控信号均由监控主机通过复用设备送到传输设备，采用基于2Mbit/s传输的独立组网，如图1-24所示。动力部分的监控主要包括交流、直流、空调等传感器，环境部分的监控包括水浸、火情、温度、湿度、烟雾、门禁、防盗等传感器。重点提示基站采用的监控有开关量监控方式和模拟量监控方式。开关量监控方式的信息量相对较少，占用业务的2Mbit/s通道传送；模拟量监控方式能反映监控指标的变化过程，信息量较大，主要采用2Mbit/s独立组网传输。
2．基站故障时的故障处理流程
当基站故障时，处理顺序为先电源，后传输，最后主设备。
对于电源部分，检查开关电源输出、设备电源输入（指示灯）；对于传输部分，在网管的配合下检查SDH（PTN）告警灯，进行远环/近环测试；对于主设备部分，检查连线、模块的工作状态，在网管配合下进行相应维护操作。小结
移动通信系统由于采用无线接入技术，与有线通信相比有很多特点，需要采取相应的技术解决存在的问题。为了提高系统的抗干扰和抗衰落能力，移动通信系统需采用如分集、扩频、跳频、功率控制等技术。
不同的移动通信系统由于采用的空中接口不同，采用了不同的技术以提高系统性能，满足用户的业务需求。4G移动通信系统主要采用TCP/IP，只在与2G和3G互通时才使用No.7信令系统。不同实体所传送的信息不同，某些协议可用在不同的接口上，同一接口也可能用到多种协议。
基站要提供可靠的通信服务，必须具有BTS主设备、天馈系统、传输设备、电源、空调及监控等部分。习题
一、填空题
1．移动通信中为提高系统抗衰落能力而使用分集技术，分集技术是指信号在发送端________传输，在接收端________处理。基站天馈系统中常用的分集主要是________分集和________分集。
2．我国采用的GSM系统有两个工作频段，分别为________ MHz频段和________MHz频段。
3．CDMA系统通常采用________扩频技术提高系统的抗干扰能力。
4．GSM系统基站BTS设备发射通道进行的数字信号处理过程包括________、________、加密、突发串形成，随后经________把数字信号搬移到射频模拟信号上，以适应空中模拟信道的传输。
5．智能天线利用________多址技术，根据用户信号到达角DOA估算进行________，向用户发送方向性波束。
6．TD-SCDMA采用________双工方式和________、________、FDMA、SDMA等多种多址技术。
7．WCDMA信道编码可采用压缩模式，一帧中的一个或几个无线帧中的某些时隙________传输，而压缩帧中的其他时隙________增加。
8．CDMA2000.1x EV-DO基站在所有时间内发送________的功率。当移动台远离基站时，接收功率降低，基站降低发送给移动台的________。
9．LTE无线侧系统由多个________组成，eNodeB之间通过________接口，采用网格（mesh）方式互联。同时eNodeB通过________接口与EPC连接，S1接口支持GWs和eNodeB多对多的连接关系。
10．LTE定义了两种帧结构，帧结构类型1适用于全双工或半双工的________系统，帧结构类型2适用于________系统。
二、判断题
1．移动通信系统都是双向工作的。 （ ）
2．900MHz频段规定，MS发射频率低，接收频率高。 （ ）
3．准双工方式可以减小空中干扰电平。 （ ）
4．位置登记需在HLR中进行更新，在VLR中进行位置信息的存储。 （ ）
5．漫游就是指移动台从一个小区进入另一个小区仍能继续使用。 （ ）
6．TMSC既可实现长途话务的转接，又可实现网关功能。 （ ）
7．为进一步掌握用户的位置信息，TD-SCDMA采用了5ms的子帧结构。 （ ）
8．WCDMA采用了动态信道分配技术。 （ ）
9．CDMA2000.1x EV-DO可提供不更换IP地址的移动IP接入方式。 （ ）
10．模拟量监控信息占用主设备的2Mbit/s业务时隙传送。 （ ）
11．LTE无线侧由RNC和eNodeB组成。 （ ）
12．LTE-A采用了载波聚合、异构网络等新技术。 （ ）
三、选择题
1．（ ）的变化不会影响小区的大小。A. 无线发射功率B. 同频复用距离C．天线的有效高度
2．与提高频率利用率无关的技术为（ ）。A. 多信道共用B. 一齐呼叫C. 同频复用
3．跳频的作用可表示为（ ）。A. 提高频率利用率B. MS省电C. 提高抗衰落能力
4．GSM系统中第11号载频的上行工作频率是（ ）。A. 892.2MHzB. 937.2MHzC. 890.4MHz
5．实现对移动台功率控制的为（ ）。A. BTSB. BSCC. MSC
6．基站停电时由（ ）提供直流电不间断供电。A. 开关电源B. 油机C. 蓄电池
7．CDMA2000.1x EV-DO提供（ ）业务。A. 数据和语音B. 数据C. 语音
8．采用接力切换的是（ ）系统。A. TD-SCDMAB. WCDMAC. CDMA2000
9．智能天线更容易在（ ）中实现。A. TD-SCDMAB. WCDMAC. CDMA2000
10．基站间可以异步工作的系统是（ ）。A. TD-SCDMAB. WCDMAC. CDMA2000
11．LTE中的语音业务由（ ）承载。A. 电路域B. 电路域和IPC. IP
四、简答题
1．什么是无线信道？简述各移动通信系统中无线信道的含义。
2．什么是多信道共用？什么是同频复用？为什么要采用这些技术？
3．移动通信系统中常用的抗干扰、抗衰落技术有哪些？
4．简述各移动通信系统中采用的主要技术。
5．简述LTE的“扁平化”网络结构的具体表现。
6．简述基站机房的配置及各类信号的传输方式。第2章天馈系统【主要内容】天馈系统是基站机房中的信号收发器件，是基站维护的重点。本章主要介绍无线电波的基础知识，天线的概念和基本特性、类型和指标，传输线的基本概念，天线的选择、安装，天馈、塔桅的维护、测试基础知识，以及主要测试仪表的使用。【重点难点】天线的基本特性、天馈线的安装、天馈系统的维护和测试方法。【学习任务】了解无线电波的基本知识；掌握天馈线的基本特性指标；掌握天馈系统的安装维护方法；掌握塔桅的维护方法；掌握天馈、塔桅的测试仪表的使用。2.1 无线电波的基础知识
对于利用无线电波实现终端在移动情况下进行信息交换的移动通信系统，了解无线电波的传播特性是非常有必要的。本节主要介绍无线电波的概念及其基本特性。
1．无线电波
无线电波是一种能量的传输形式，电场和磁场在空间交替变换，向前行进。在传播过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时这两者又都垂直于传播方向，如图2-1所示。图2-1 无线电池传播示意图
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]