作者：孙友伟 张晓燕 畅志贤 编著
出版社：人民邮电出版社
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现代移动通信网络技术试读：
前言
当今移动通信网络，影响着社会的方方面面，深深地改变着人们的生活习惯。但是，移动通信网络并不仅限于从终端到基站这一部分，还包括由光缆等构成的传输网络、由多种数据库构成的管理体系、由交换机构成的交换网络、由路由器构成的数据网络。对于复杂完备的协议体系，也离不开细致的网络优化过程。本书正是从网络通信这个角度出发，强调全程全网的理念，向读者展示移动通信的特点、原理以及组网等技术。
本书共分9章。第1章介绍了移动通信发展的历史以及移动通信系统的组成、特征和现在的主流方案。第2章介绍了移动通信系统的基本技术，包括无线电波传播理论、抗衰落技术、调制技术、编码技术、蜂窝覆盖技术等。第3章介绍了GSM系统组网技术，包括系统网络组成、无线接口、信令协议、接续和管理、通用分组无线业务等。第4章介绍了CDMA系统组网技术，包括CDMA技术标准化、码序列、关键技术、正反向信道处理、系统接续和移动性管理等。第 5 章介绍了 WCDMA 系统组网技术，包括WCDMA移动通信系统演进过程、网络结构、无线接口与协议规范、关键技术等。第6章介绍了 CDMA2000 系统组网技术，包括 CDMA2000 系统的演进、网络结构、无线接口规范、关键技术、CDMA2000 数据业务的呼叫流程等。第 7 章介绍了 TD-SCDMA 系统组网技术，包括 TD-SCDMA 提出的背景与演进过程、系统的无线接口、关键技术、TD-SCDMA物理层的主要过程等。第8章介绍了移动通信网络优化技术，包括移动通信网络优化的概念、无线网络优化、优化的注意事项、网络故障分析及案例。第 9 章介绍了第 4 代移动通信网络展望，包括移动通信发展的未来方向和 FDD LTE、TDD LTE、WiMAX解决方案等。
本书可供通信工程专业本科及研究生教学使用，也可供通信运营商以及通信设备制造商技术人员业务培训时使用。
本书第1章、第2章、第9章由孙友伟编写。第3章、第4章、第8章由张晓燕编写。第5章、第6章、第7章由畅志贤编写。孙友伟教授完成统稿以及图表的定稿工作。
感谢在本书撰写过程中，孙书娜在资料收集、规范等方面做了大量工作。感谢孙思婧、岳强、井翠红在录入、绘图、校对等方面提供了帮助。
作者多年从事通信网络的研发和教学，希望能够以通俗易懂的语言，把移动通信的理论和技术以及未来的发展介绍给读者。由于对网络的理解和学识所限，书中难免存在不足之处，真诚接受读者指正。编者2011年10月第1章 概述
20世纪以来，通信网络以超摩尔的速度向前发展，光纤传输容量已经达到80×40 Gbit/s，接入的能力达到1Gbit/s，网络的健壮性能大为提高，终端设备丰富多样，新业务层出不穷。到2010年，全球无线网络用户数量突破50亿。网络的发展，对社会的文明和进步产生了重大影响。利用无线信道最终接入的移动通信网络，巧妙地实现了固定网络与自由移动终端之间的连接，更使得人们开始实现了任何人（Whoever）在任何时间（Whenever）、任何地点（Wherever）与任何人（Whomever）进行任何种类（Whatever）的信息交换。1.1 移动通信发展的历史
移动通信技术，实际上是随着整个通信网络、电子技术、计算机技术的发展而逐渐成长起来的。
19世纪末，无线电技术早期的贡献者奥斯特、安培、法拉弟、亨利等人，经过无数的实验，奠定了无线电通信的基础。1873年，苏格兰人J.C.麦克斯韦尔提出了电磁场理论。1880年，德国物理学家H.赫兹根据麦克斯韦尔方程所预言的电磁波的发生、检测及其属性的测量中进行了一系列著名的实验。1894年，意大利学者M.G.马可尼做出了一个可用的无线电装置。1897年，M.G.马可尼在英国官员的监督下，完成了超过2英里距离的无线电通信试验。从历史的角度来看，我们把这一过程看作移动通信的起始阶段。
20世纪20年代至40年代，人类对电磁振荡以及无线电波的认识还局限在2～100 MHz的水平上，一个实用的移动通信系统是美国底特律市警察使用的车载无线电系统，该系统的工作频率为2 MHz，到20世纪40年代中期提高到40 MHz。
到20世纪60年代初期，移动通信技术已经开始系统化发展，美国及欧洲多国相继掌握了诸如频分复用、新的调制技术等，开始建立公众移动通信服务。1946年，根据美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）的计划，贝尔公司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3个频道，间隔为120kHz，通信方式为单工。随后，德意志联邦共和国（简称联邦德国）（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。美国贝尔实验室完成了人工交换系统的接续问题，但总的来看，网络的容量比较小。
20 世纪 60年代中期美国推出了改进型移动电话系统（Improved Mobile Telephone Service ，IMTS），使用150 MHz和450 MHz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。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450 MHz频段，实现了自动选频与自动接续。
20世纪70年代中期，美国贝尔实验室成功研制了先进移动电话系统（Advanced Mobile Phone System，AMPS），建成了蜂窝状移动通信网，大大提高了系统容量。其他国家也相继开发了各自的网络，如日本的 800 MHz 汽车电话系统、联邦德国的 450 MHzC 网、英国900 MHz的全接入通信系统（Total Access Communications System，TACS）等。这个时期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。除了消费生活的需要之外，电子技术的迅猛发展也起到了决定性作用，终端设备的微型化以及电池供电能力的提高，深受当时用户的欢迎。贝尔实验室提出的蜂窝网概念创建了小区制，实现了频率复用，大大提高了系统容量。
20世纪80年代中期是数字移动通信系统逐渐成熟和发展的时期。
模拟蜂窝移动通信系统虽然取得了成功，但也存在频谱利用率低、费用高、不保密等问题。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。为此，欧洲发展了 GSM 网络系统，美国发展了DAMPS（Digital AMPS）网络系统。随后，美国又推出了码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）网络系统。
1982年，欧洲成立了泛欧移动通信组织（Group Special Mobile，GSM），任务是制定泛欧移动通信漫游的标准。GSM 是欧洲成立的一个移动通信小组的简称，这个小组在欧洲的蜂窝移动通信方面作了大量的工作，制定了泛欧洲的数字蜂窝移动通信系统标准，并用该研究小组名字的缩写命名。随后，GSM的含义扩展为全球移动通信系统（Global System For Mobile Communications，GSM）。1991年7月，GSM网络开始投入商用；1995年，GSM网络覆盖了全欧洲的主要城市。
美国开发的DAMPS网络系统与GSM同时代，都属于TDMA方式，主要市场在美洲。
CDMA原本是为军事通信而开发的技术，其想法初衷是防止敌方对己方通信的干扰，在战争期间广泛应用于军事抗干扰通信，后来美国高通公司进一步设计出商用蜂窝通信网络技术。1995年，第一个CDMA商用系统运行之后，CDMA技术理论上的诸多优势在实践中得到了检验，从而在北美、南美和亚洲等地得到了迅速推广和应用。在美国和日本，CDMA成为主要的移动通信技术。在美国，10个移动通信运营公司中有7家选用CDMA。
在我国，2001年中国联通开始在中国部署CDMA网络（简称C网）。2008年5月，中国电信收购中国联通CDMA网络，并将C网规划为中国电信未来的主要发展方向。
20世纪90年代，移动通信开始进入第3代发展时期，同时，第4代移动通信也进入了研究阶段。
1985年，国际电信联盟（International Telecommunications Union，ITU）提出未来公共陆地移动通信系统（FPLMTS），1992年世界无线电大会决定，在 2GHz 频段中配给未来公共陆地移动通信系统陆地业务和卫星通信业务230 MHz带宽，并决定在2000年左右投入商用，于是正式更名为IMT-2000。
它的目标原本是在全球实现统一频段、统一标准、无缝隙覆盖，提供包括语音、数据和图像的综合多媒体业务，其中车速环境为 144 kbit/s，步行环境为 384 kbit/s，室内环境为2Mbit/s。当前地面系统主流的技术倾向于 3 种体制，即宽带码分多址（WCDMA）、多载波码分复用扩频调制（CDMA 2000）和时分同步码分多址接入（TD-SCDMA），也就是宽带（5MHz）码分多址技术。
在第3代移动通信还没有完全铺开，距离完全实用化还有一段时间的时候，已经有国家开始了对下一代移动通信系统（4G）的研究。2010年11月底，ITU无线通信部门（ITU-R）在瑞士日内瓦会议上对4G技术进行重新评估，ITU公开表示，目前常规的长期演进（Long Term Evolution，LTE）、高速下行链路分组接入技术（High_SpeedDownlink_Packet_Access，HSDPA）、全球微波互联接入（Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX），以及“甚至被我们广泛认为是从3G演变而来的技术”都已经可以打上4G网络的标签。
关于4G的探讨已有近十年，尤其是3G已经应用之后，对4G的争论一直没有停止。尽管如此，心急的运营商早已经根据3G技术的正常演进开始升级网络，如LTE、HSPA+，只不过这些都被冠以“准4G”标准。2010年底，ITU对4G技术进行了扩展，曾经的“准4G”也被归为“4G”范围。
未来的 4G 时代，视频通话、高清电视、互联网游戏、电影下载等对传输速度要求很高的移动互联网服务将全部实现，甚至随身携带的通信产品——手机将成为个人的信息中心。1.2 移动通信网络的属性和特点
移动通信网络是通信网络的一部分。移动通信网络所承载的系统和业务，通过空中无线接口将移动台与基站联系起来，进而通过有线网络（光网络或电网络）与交换机相联系，形成一个有线与无线的综合体，这个综合体充分体现通信网络全程全网的属性，也表现出它独特的性能。1.2.1 移动通信网络的属性
移动通信，是指通信时，至少有一方是在移动过程中进行的，当然也包括通信双方都在移动过程中进行的情况，例如由移动终端（手机或车载移动台）与基站之间的通信以及移动终端与卫星之间的通信；特殊情况下，也可以是由移动通信网络构建的由固定到固定的通信过程，例如多台计算机通过移动通信网络构成的局域网所提供的数据服务。
按照移动过程的不同，移动通信可以分为陆地移动通信、海上移动通信和空中移动通信。而目前使用的移动通信系统有航空（航天）移动通信系统、航海移动通信系统、公众陆地移动通信系统和国际卫星移动通信系统，其中，公众陆地移动通信系统又包括集群移动通信系统和蜂窝移动通信系统。1.2.2 移动通信网络的特点
移动通信网络在提供通信服务的过程中具有下列特点。
1.移动通信网络强调的是服务的移动性
移动性就是保持用户在移动状态中通信，因此必须利用无线电波，或无线通信与有线通信相结合。无线电波允许用户可以在一定范围内自由移动，但是其传播特性不稳定，如果用户所处的地理环境十分复杂，无线电波会受到地形、地物的变化发生复杂的衰落，从而产生多径效应。
这种多径信号的幅度、相位和到达时间都不一样，它们相互叠加会产生电平衰落和时延扩展；其次，移动通信常常在快速移动中进行，这不仅会引起多普勒（Doppler）频移，产生随机调频（由多普勒频移引起的信号相位变化），而且会使得电波的传播特性发生快速的随机起伏，严重影响通信质量。因此，移动通信网络必须根据移动信道的特征，进行合理设计。
2. 移动通信网络无线频率资源的有限性
移动通信网络利用无线电波进行通信，这就需要确定无线电频率。无线电频率是一种自然资源，为人类所共有，但需要人类严格有序的利用。归纳起来有4个特性。
① 无线电频率资源是有限的：由于受人类技术的限制，当前无线电通信使用的频率资源非常有限，ITU当前只划分了9kHz～400GHz的无线电频率范围，而且目前使用较多的频段只有几十GHz。
② 无线电频率资源是一种非消耗性的资源：它不同于土地、水、矿山、森林等资源，如果频率得不到充分利用，则是一种资源浪费；使用不当也是一种资源浪费，甚至会造成严重的危害。
③ 无线电波传播的无边界性：无线电波固有的传播特性使它不受行政区域、国家边界的限制。因此，任何一个国家、一个地区、一个部门甚至个人都不能随意使用，否则会造成相互干扰而不能正常通信。
④ 无线电频率资源极易受到污染：它容易受到人为噪声和自然噪声的干扰，以致无法正常使用和准确而有效地传输各类信息。
鉴于上述多种原因，为了加强对无线电频率的有效管理和利用，国际间对无线电频率按业务进行划分、分配和指配，规定把某一频段分配给某一种或多种地面或空间业务在规定条件下使用，称为“频率划分”。最有效地利用有限的频率资源，一直是通信业不断努力的方向，业内通过开发新的多址技术，在频分、时分、码分及空分等多个方面对有限的频率资源加以利用。
3.移动通信网络运行在复杂的干扰环境中
在自然界中存在着这样或那样的外部干扰，如天电干扰、工业干扰和信道噪声。另外，系统本身和不同系统之间还会产生这样或那样的干扰。因为在移动通信系统中常常有多个用户随机地在同一地区请求服务，基站还会有多部收发信机在同一地点工作，这些电台之间都会产生干扰。
4.移动通信网络结构复杂管理困难
不同的地理环境需要不同的网络组成，移动通信网络可以组成带状（如公路、铁路沿线）、面状（如覆盖一个城市或地区）或立体状（如地面通信设施与中、低轨道卫星通信网络的综合系统）等，可以单网运行，也可以多网同时运行且实现互连互通。
5.移动通信设备需适应在移动环境中使用
要求终端设备，体积小、重量轻、省电、操作简单和携带方便，以适应在移动环境中使用。车载台和机载台除要求操作简单和维修方便外，还应保证在震动、冲击、高低温变化等恶劣环境中能够正常工作。1.3 移动通信网络的系统组成
进入20 世纪以后，移动通信网络得到了飞速发展，以往的模拟移动通信系统和无线寻呼系统已经退出了服务。本节讨论的移动通信网络主要是当前在网服务的系统网络。1.3.1 移动通信网络的基本工作方式
按照通话的状态和频率的使用方法，移动通信网络有3种基本工作方式，即单工制、半双工制和双工制。单工制又分为单频单工制和双频单工制两种。（1）单频单工制
单频是指通信双方使用相同的工作频率 F1。单工是通信双方必须轮流发信而不争抢的一种通信方式，如图1.3.1所示。平时，双方的接收机均处于守听状态。如果A方需要发话，可按压发信开关，关掉A方接收机，使其发射机工作，这时由于B方接收机处于守听状态，即可实现由A至B的通话；同理，也可实现由B至A的通话。在该方式中，同一终端的收发信机是交替工作的，故收发信机可使用同一副天线，而不需要使用天线共用器。（2）半双工制
半双工制是指通信双方中有一方（如基站）使用双工方式，收发信机同时工作，且使用两个不同的频率F1和F2；另一方（如移动终端）则采用双频单工方式，收发信机交替工作，如图1.3.2所示。平时，移动终端处于守听状态，仅在发信时才按压发信开关，切断收信机使发信机工作。其优点是设备简单、功耗小，克服了通话断断续续的现象，但操作仍不太方便。所以半双工制主要用于专业移动通信系统中，如汽车调度系统等。图1.3.1 单频单工制通信方式图1.3.2 半双工制通信方式（3）双工制
双工制指通信双方的收发信机均同时工作，即任一方在发话的同时，也能收听到对方的语音，而无需按压发信开关，与普通市内电话的使用情况类似，如图 1.3.3 所示。但是采用这种方式的通信过程中，不管是否发话，发射机总是工作的，能源消耗大。为此，在某些系统中，移动台的发射机仅在发话时才工作，而移动台的接收机总是工作的，通常称这种系统为准双工系统，它可以和双工系统相兼容。目前，这种工作方式在移动通信系统中获得了广泛的应用。图1.3.3 双工制通信方式1.3.2 公众蜂窝数字移动通信网络的基本组成
公众蜂窝数字移动通信网络是一种双向双工通信系统，由移动台（MS）、基站子系统（BTS、BSC）、移动业务交换中心（MSC以及用于移动性管理的多个数据库）组成，并且与市话网（PSTN）相连构成完整的通信网络，如图1.3.4所示。图1.3.4 公众蜂窝数字移动通信网络
在这个系统中，MSC为网络节点，在网络中起控制和管理作用，由4个数据库协助，对所在地区已注册登记的用户实施频道分配、建立呼叫、移动管理和越区切换，提供系统维护和性能测试，并存储计费信息等，还要提供移动用户和固定用户之间的通信。BTS为基站收发信机，为无智网元，与天馈系统相连，提供用户通信所需的信道。BSC 为基站控制器，是智能网元，管理数个 BTS 的信道分配和收回以及用户语音业务或数据业务的路由。
通过、MSC 和中继传输链路，就可以实现整个服务区内任意两个移动用户之间的通信联系，从而构成—个自成体系的移动电话网。MSC 再经过中继线与市话局连接，就能实现移动用户与市话用户之间的通话，从而构成—个有线与无线相结合的复杂的移动通信网。
如图1.3.4所示，蜂窝移动通信网络把整个服务区域划分成若干个较小的区域（Cell，在蜂窝系统中称为小区），各小区均用小功率的发射机（即基站发射机）进行覆盖，许多小区以正六边形的形状相互紧密连接覆盖任意形状的服务地区，因此称为蜂窝小区。
一般情况下，频率配置时相邻小区不使用相同的频道，以防发生相互干扰（称同频干扰）。但由于各小区在通信时所使用的功率较小，因此只要任意两个小区相互之间的空间距离大于某一数值，即可克服同频干扰。把若干相邻的小区按一定的数目划分成区群（Cluster），并把可供使用的无线频道分成若干个频率组，区群内各小区均使用不同的频率组，而任一小区所使用的频率组，在其他区群相应的小区中还可以重复使用或再次使用，这就是频率复用，如图1.3.5所示。图1.3.5 相同频道再用
当移动用户在蜂窝小区中快速运动时，用户之间的通话通常不会在一个小区中结束。快速行驶的汽车在一次通话的时间内可能跨越多个小区。当移动台从一个小区进入另一相邻的小区时，其工作频率及基站与 MSC 所用的接续链路必须从它离开的小区转换到正在进入的小区，这一过程称为越区切换。
当移动用户只是自由移动而并没有通信时，移动通信网络为了准确地跟踪用户，以便及时把对这个用户的呼叫送达，需要不断地与用户交换位置信息，这个过程是系统自动完成的，称为位置更新。
当前在网服务的公众蜂窝数字移动通信系统，无论它的多址方式是TDMA还是CDMA，由于服务目标是一致的，所以它们的网络组成没有太大区别。
关于上述网络系统的技术细节，本书将在后面章节详细讨论。1.3.3 集群调度移动通信网络的基本组成
所谓集群，即多个无线信道为众多用户共用，以便在最大程度上利用整个系统的信道和频率资源。集群调度，移动通信网络主要由中央控制器、电话互连终端、集群信道机、收发天线共用器、天线、系统管理终端、动态重组终端、系统监视终端以及调度台、移动台和手机等网元设备组成。
集群调度移动通信网络均以基本网元构成的系统为模块，并用这些模块扩展为区域网。根据覆盖的范围及地形条件，基本系统可由单基站或多基站组成。集群调度移动通信网络的控制方式有两种，即专用控制信道的集中控制方式和随路信令的分布控制方式，分别如图1.3.6和图1.3.7所示。
集群调度移动通信网络中，当用户开机要求通话时，系统就会自动分配一个空闲信道。若要求无线对无线，则基地站起到多信道转发器的作用；若要求无线对有线，则经过一个交换矩阵将有线线路与无线信道连接起来。通信完毕后，此信道又被系统收回，这样每个用户都可以使用系统全部的通信信道，大大提高了频率的利用率。通话全过程由计算机控制，使网络的功能容易根据实际情况调整，更好地为用户服务，因而该系统具有实用性。图1.3.6 集群调度移动通信网络的集中控制方式图1.3.7 集群调度移动通信网络的分布控制方式
1.集群调度移动通信网络的技术特点
集群调度移动通信网络采用的基本技术是频率共用技术，其主要做法如下。
① 把一些由各部门分散建立的专用通信网集中起来，统一建网和管理，并动态地利用分配给它们的有限个频道，以容纳数目更多的用户。
② 改进频道共用的方式，即移动用户在通信的过程中，不是固定地占用某一个频道，而是在按下其发信开关（PTT）时才能占用一个频道；一旦松开 PTT，频道将被释放，变成空闲频道，并允许其他用户占用。
2.集群调度移动通信网络的业务特点
集群调度移动通信网络主要以无线用户为主，即以调度台与移动台之间的通话为主。集群调度移动通信网络与蜂窝移动通信网络在技术上有很多相似之处，但在主要用途、网络组成和工作方式上有很多不同，主要表现如下。
① 集群调度移动通信网络属于专用移动通信网络，适用于在各个行业（或几个行业合用）中间进行调度和指挥，常常对网络中的不同用户赋予不同的优先等级。蜂窝移动通信网络属于公众移动通信网，适用于各阶层和各行业中个人之间的通信，一般不分优先等级。
② 根据调度业务的特征，集群调度移动通信网络通常具有一定的限时功能，一次通话的限定时间大约为15～60 s（可根据业务情况调整）。蜂窝移动通信网络对通信时间一般不进行限制。
③ 集群调度移动通信网络一般采用半双工（现在已有全双工产品）工作方式，一般情况下一对移动用户之间进行通信时只需占用一对频道。蜂窝移动通信网络都采用全双工工作方式，一对移动用户之间进行通信时必须占用两对频道。
④蜂窝移动通信网络中可以采用频道复用技术来提高系统的频率利用率；而集群调度移动通信网络主要以改进频道共用技术来提高系统的频率利用率。
3.集群调度移动通信网络的基本网元设备（1）转发器
它由收、发信机和电源组成，每个频道均配一个转发器。对于分布式控制的集群调度移动通信网络，每个转发器均有一个逻辑控制单元。（2）天线共用设备
它包括天线、馈线和共用器（如收发天线共用器、基站的发射合路器和接收耦合器）。（3）系统控制中心（系统控制器）
在联网时，可通过无线网络控制终端。（4）调度台
调度台可分为无线调度台和有线调度台。无线调度台由收发信机、控制单元、操作台、天线和电源等组成。（5）手持机
手持机分为车载机和手机，它们均由收发信机、控制单元、天线和电源等组成。（6）系统管理终端
对整个网络系统的运行、测试、故障处理、计费等实时跟踪处理。
4.集群调度移动通信网络的基本工作方式（1）消息集群
在消息集群（Message Trunking）系统中，每一次呼叫通话期间一次性地分配一对无线频道，而且在通话完毕后（即松开PTT开关后），转发器继续在该频道上工作6 s左右（即脱离时间约为6 s），才算完成此次接续过程。消息集群的典型呼叫格式如图1.3.8所示。这里所谓的典型呼叫格式，是经过大量实测和统计而得到的结果，指的是在一次通信过程中，通信双方占用时间的统计规律，并非通常所说的消息格式。（2）传输集群
传输集群（Transmission Trunking）通话中，并非始终占用某一频道，当发话一方松开PTT后，对这一频道的占用即告结束，对方回答或本方再发话时，都要重新分配并占用新的空闲频道。也就是说在通话中，每按一次 PTT 开关就重新占用频道一次。因此，传输集群可以充分利用频道的空闲时间，频道利用率较高。不过，要实现这种传输集群，用户所用的 PTT 必须保证用户讲话时立即接通，讲话停顿时立即松开。这样会带来一个问题，即用户的语音略有间隙时，PTT就可能松开，所用频道也立即被释放而被其他用户所占用，然后再讲话时又要重新占用新的空闲频道，从而会导致消息传输不连续或通话中断现象。传输集群的典型呼叫格式如图1.3.9所示。图1.3.8 消息集群的典型呼叫格式图1.3.9 传输集群的典型呼叫格式（3）准传输集群
准传输集群（Quasi Transmission Trunking）是为了克服传输集群的缺点而提出的一种改进型集群方式，也可以看作传输集群和消息集群的折中方案。其做法是：与消息集群相比，把脱离的时间缩短为0.5～2 s；与传输集群相比，在每次PTT松开之后增加0.5 s的保持时间，然后再释放频道。准传输集群的典型呼叫格与式如图1.3.10所示。图1.3.10 准传输集群的典型呼叫格式
准传输集群的工作方式由美国摩托罗拉（Motorola）公司首先使用，大量试验表明这种方法的频率利用率略低于传输集群，但能防止消息中断现象发生。1.3.4 移动卫星通信网络的基本组成
21世纪通信的最大特点是卫星通信终端手持化，ITU已经明确定义了第3代移动通信系统能够实现通过卫星对全球无缝覆盖，并且划分了专用的频率。只有利用卫星通信覆盖全球的特点，通过卫星通信系统与地面移动通信系统结合，才能实现名副其实的全球个人通信。
卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号，在两个或多个地面站之间进行通信的过程或方式。卫星通信属于宇宙无线电通信的一种形式，工作在微波频段。宇宙通信是以宇宙飞行体或通信转发体作为对象的无线电通信，可分为如下3种形式。
① 地球站与宇宙站间的通信。
② 宇宙站之间的通信。
③ 通过宇宙站的转发或反射进行的地球站之间的通信。
人们常把第3种形式称为卫星通信。宇宙站是指地球大气层以外的宇宙飞行体（如人造卫星和宇宙飞船等）或其他星球上的通信站。地球站是指设在地面、海洋或大气层中的通信站，习惯上统称为地面站。
卫星通信是在地面微波中继通信和空间技术的基础上发展起来的，通信卫星相当于离地面很远的微波中继站。由于作为中继的卫星离地面很远，因此经过一次中继转接之后即可进行长距离的通信。图1.3.11所示为一种简单的卫星通信网络示意图，它是由一颗通信卫星和多个地面通信站组成的。
如图1.3.12所示，离地面高度为h的卫星中继站，看到地面的两个极端点是A和B点，AB=S，即S为中继站所能达到的最大通信距离，其计算公式为图1.3.11 简单的卫星通信网络示意图图1.3.12 地面上最大通信距离示意图
式中，R=6378 km，为地球半径；θ为 AB 所对应的圆心角（弧度）；h 为通信卫星到地面的高度，单位为km。h越高，地面上最大通信距离越大，关系如图1.3.12所示。
由式1.3.1可知，h=500 km时，S=4 892 km；h=35 800 km时，S=18 100 km。
目前，卫星通信使用微波频段，大多数卫星通信系统选择在下列频段工作。
① L波段：1.6～1.5GHz。
② C波段：6.0～4.0GHz。
③ X波段：8.0～7.0GHz。
④ K波段：14.0～12.0GHz；14.0～11.0GHz；30～20GHz。
目前，通信卫星的种类繁多，使用最为广泛的是同步卫星。同步卫星是指在赤道上空约35 800 km 高处的圆形轨道上与地球自转同向运行的卫星。由于其运行方向和周期与地球自转方向和周期均相同，从地面上任何一点看上去，卫星都是“静止不动”的，所以把这种对地球相对静止的卫星简称为同步（静止）卫星，其运行轨道称为同步轨道。
非同步卫星的运行周期不等于（通常小于）地球自转周期，轨道倾角、轨道高度、轨道形状（圆形或椭圆形）可因需要而不同。从地球上看，这种卫星以一定的速度在运动，故又称为移动卫星或运动卫星。
同步卫星的特点是一颗卫星的覆盖区（从卫星上能“看到”的地球区域）可达地球总面积的40%左右，地面最大跨距可达18 000 km。因此只需3 颗同步卫星适当配置，就可建立除两极地区（南极和北极）以外的全球性通信，如图1.3.13所示。图1.3.13 地球同步通信卫星示意
由于同步卫星相对于地球是静止的，因此，地面站天线易于保持对准卫星，不需要复杂的跟踪系统，通信连续，信号频率稳定，不会因卫星相对于地球运动而产生多普勒频移。当然，同步卫星也有一些缺点，主要表现在：两极地区为通信盲区；卫星离地球较远，故传输损耗和传输时延都较大；同步轨道只有一条，能容纳卫星的数量有限；同步卫星的发射和在轨测控技术比较复杂；在春分和秋分时节前后，存在着星蚀（卫星进入地球的阴影区）和日凌中断（卫星处于太阳和地球之间，由于受强大的太阳噪声影响而使通信中断）现象。
在卫星通信网络中，各地面站发射的信号都是经过卫星转发给对方地面站的，除了要保证在卫星上配置转发无线电信号的天线及通信设备外，还要有保证完成通信任务的其他设备。一般来说，一个通信卫星主要由天线系统、通信系统、遥测指令系统、控制系统和电源系统5大部分组成。
1.天线系统
天线系统包括通信用的微波天线和遥测遥控系统用的高频（或甚高频）天线。通信微波天线的波束应对准地球上的通信区域。但是，对于采用自旋稳定方式以保持姿态稳定的静止卫星，由于卫星是旋转的，故要采用消旋天线，才能使波束始终对准地球。消旋原理是用机械或电子的方法让天线的旋转方向与卫星的自旋方向相反，且两者的旋转速率相等。
遥测指令天线用于卫星进入静止轨道之前和之后，能向地面控制中心发射遥测信号和接收地面的指令信号。这种天线为甚高频全方向性天线，通常采用倾斜式绕杆天线和螺旋天线等。
2.通信系统
静止卫星的通信系统又称为转发器或通信中继机，通常由多个（可达24个或更多）信道转发器互相连接组成。其任务是把接收的信号放大，并利用变频器变换成下行频率后再发射出去。
对卫星转发器的基本要求是附加噪声和失真小，要有足够的工作频带，有足够大的总增益，频率稳定度和可靠性要尽量高。卫星转发器通常分为透明转发器和处理转发器两大类。（1）透明转发器
这类转发器接收到地面站发来的信号后，除进行低噪声放大、变频、功率放大外，不作任何处理，只是单纯地完成转发任务。也就是说，它对于工作频带内的任何信号都是“透明”的通路。透明转发器有双变频和单变频两种，前者由于中频频带窄，不适于多载波工作，已很少使用。单变频转发器是先将输入信号直接放大，再变频为下行频率，经功率放大后转发给地面站。单变频转发器输入、输出特性的线性良好，允许多载波工作，适于多址连接，因此得到了广泛使用。（2）处理转发器
除了信号转发外，处理转发器还具有信号处理功能。与双变频透明转发器相比，处理转发器只是在两级变频器之间增加了解调器、处理单元和调制器。先将信号解调，便于信号处理，再经调制、变频、功率放大后发回地面。
3.遥测指令系统
遥测指令系统包括遥测和遥控两个部分。（1）遥测部分
遥测部分的作用是测试卫星的各种设备的工作情况，遥测信号包括表示有关部分电流、电压、温度等工作状态的信号、来自各传感器的信息、指令证实信号以及起到控制作用的气体压力等。上述各种数据通过遥测系统送往地面监测中心，数据传送的方法与通信过程相似，即先通过多路复用、放大、编码等处理，再进行调制和传输。（2）遥控部分
遥控指令包括对卫星进行姿态和位置控制的喷射推进装置的点火控制指令、行波管高压电源的开关控制指令、发生故障的部件与备用部件的转换指令以及其他由地面对卫星内部各种设备的控制指令等。指令信号由地面的控制站发出，在卫星转发器内被分离出来。经检波、解码后送至控制设备，以控制各种执行机构实施指令。
4.控制系统
控制系统包括位置控制和姿态控制两部分。（1）位置控制
位置控制系统用来消除摄动（天体在运动过程中，除了受中心主天体的引力作用外，还受到周围其他天体、介质等诸多因素的作用，这些作用与中心体的引力相比是很小的，称为摄动。天体在摄动作用下，其坐标、速度或轨道要素都会产生变化，这种变化成分称为摄动项）的影响，以便使卫星与地球的相对位置固定。位置控制是利用装在星体上的气体喷射装置由地面控制站发出指令进行工作的。当卫星有摄动现象时，卫星上的遥测装置就发给地面控制站遥测信号，地面控制站随即向卫星发出遥控指令，以进行位置控制。（2）姿态控制
姿态控制是使卫星相对于地球或其他基准物保持正确的姿态。卫星姿态是否正确不仅会影响卫星上的定向通信天线是否指向覆盖区，还会影响太阳能电池帆板是否朝向太阳。
5.电源系统
通信卫星的电源要求体积小、重量轻、寿命长。常用的电源有太阳能电池和化学能电池，平时主要使用太阳能电池，当卫星进入地球的阴影区（即星蚀）时使用化学能电池。由太阳能电池直接供出的电压是不稳定的，必须经电压调整后才能供给负载。化学能电池。（如镍镉蓄电池），可以进行充电和放电。平时由太阳能电池给它充电，当卫星发生星蚀时，由太阳能电池供电转换为化学能电池供电。
6.卫星通信地面站
任何一条卫星通信线路都包括发端和收端地面站、上行和下行线路以及通信卫星转发器。可见，地面站是卫星通信系统中的一个重要组成部分。
地面站的基本作用是向卫星发射信号，同时接收由其他地面站经卫星转发来的信号。根据卫星通信系统的性质和用途的不同，可有不同形式的地面站，例如按站址的固定与否、G/T值的大小、用途、天线口径以及传输信号的特征等多种方法来分类。（1）按站址特征分类
按站址特征分类，地面站可分为固定站、移动站（如舰载站、机载站和车载站等）、可拆卸站（短时间能拆卸转移地点的站）。（2）按G/T值分类
地面站性能指数G/T值是反映地面站接收系统性能的一项重要技术指标。其中G为接收天线增益，T 为接收系统噪声性能的等效噪声温度。G/T 值越大，说明地面站接收系统的性能越好。1.4 移动通信网络的主流业务
纵观移动通信的发展历史，可以清楚地看到，移动通信网络技术，是随着通信网络技术、电子技术、无线电技术以及计算机技术的发展，经过 120年左右的时间，逐步发展起来的。到2011年底，全球部署的移动通信网络，以2G、3G技术方案混合部署，以下兼容的方式提供服务。无论 2G、3G 移动通信网络，提供的业务分为移动语音业务和移动数据业务两大类。1.4.1 移动语音业务
移动语音业务是当前移动运营商所提供的主要业务，该业务使用户之间能够进行语音交流或可视图像语音交流，同时提供使用户在处理公共紧急事务时能够实施免身份认证呼叫（如在我国拨打110、119等紧急电话）。在此基础上，移动语音业务还包含如下附加业务。
① 呼叫转移：当用户不能接听电话时，可把来电转移至用户预先设置好的固定电话或其他手机上。
② 来电显示：当有电话打入时，手机会自动显示主叫用户的电话号码，用户根据自己的需要，决定是否接听。
③ 自动漫游：移动电话用户从本业务区到其他业务区时，移动电话自动切换到该业务区，用户可以直接拨打或接听电话。漫游分为国内漫游和国际漫游。
④ 语音信箱：当用户的移动电话超出接收范围、占线、无人接听、电池电量低或关机时，来电就会自动转到语音信箱。用户手机处于可接通状态时，短消息中心会及时通知用户收听已记录的留言。
移动通信网络还能提供固定通信网络所能提供的其他附加业务，当然这些业务是在开通基本语音业务基础上完成的。1.4.2 移动数据业务
移动数据业务的基本业务为短信业务，用户可以用手机发送中文字符和数字，短信限制中文字符和标点每条70字符。数据业务包含如下附加业务。
① 彩信：以无线应用协议WAP为载体传送视频短片、图片、声音和文字，传送方式除了在手机间传送外，还可以是手机与电脑之间的传送。具有MMS功能的移动电话的独特之处在于其内置了媒体编辑器，这使得用户可以很方便地编写多媒体信息。如果手机具有一个内置或外置的照相机，用户便可以制作出PowerPoint格式的信息或电子明信片，并把它们传送给朋友或同事。
② 飞信：融合语音（IVR）、GPRS、短信等多种通信方式，覆盖3种不同形态（完全实时、准实时和非实时）的客户通信需求，实现互联网和移动网间的无缝通信服务。飞信不但可以从 PC 给手机发短信，而且不受任何限制，能够随时随地与好友开始语聊，还具备防骚扰功能，只有对方被授权为好友时，才能进行通话和短信，安全又方便。
③ 彩铃：用户可以设置背景音乐，当用户被叫时，别人听到的声音是用户设置的音乐。
④ 移动音乐：用户可以借助互联网，利用手机实时收听到自己喜欢的音乐。
⑤ 移动视频：用户可以利用手机随意点播自己喜欢的节目和互联网上的视频文件。
⑥ 移动游戏：用户可以即时登录互联网，选择自己喜欢的游戏，并且与同在网络的玩家互动游戏。
⑦ 移动理财：用户可以通过手机实时了解股市行情、理财产品并进行交易。
⑧ 手机支付：通信运营商与金融机构共同推出的一项全新的移动电子支付通道服务。通过把客户的手机号码与银行卡等支付账户进行绑定，使用手机短信、语音、WAP等操作方式，随时随地拥有快速支付的能力。这项业务涵盖了大型超市、航空旅行、铁路公路运输，医疗保健消费等社会众多领域。在欧洲及美国开展得比较普遍。
⑨ 手机定位：通过特定的定位技术来获取移动手机或终端用户的位置信息（经纬度坐标），在电子地图上标出被定位对象的位置的技术或服务。定位技术有两种：一种是基于GPS的定位，利用了嵌入手机内的GPS定位模块将自己的位置信号发送到定位后台来实现手机定位，定位精度高，另一种是基于基站定位，是利用基站对手机的距离的测算来确定手机位置的。这种方式不需要手机具有GPS定位能力，但是精度很大程度依赖于基站的分布及覆盖范围的大小，有时误差会超过1 km。
⑩ 无线射频识别RFID：利用手机终端以及SIM卡，通过移动网络支撑，作为门禁卡、会员卡、信用卡，拓展手机及移动通信网络的功能。二维条形码扫描：利用手机内置的数码相机，对各类电子票证、产品标识、广告内涵信息检索等的扫描识别功能。手机邮件：使用手机收发处理邮件。
除了上述的主流业务之外，随着用户要求的不断攀升以及新技术的近一步支撑，移动网络所能提供的新业务将层出不穷，我国各大运营商也积极紧跟世界大多数移动通信运营商的步伐，开展了多项成熟的业务和有中国特色的新业务，为我国广大用户提供更加周到的服务。思考与习题
1.什么叫移动通信？移动通信有哪些特点？
2.移动通信的基本工作方式有哪些？
3.公众蜂窝移动通信网络的基本组成？
4.集群的基本概念和基本技术是什么？其业务具有什么特点？与常用的语音通信有何差别？
5.集群调度移动通信网络的基本工作方式有哪几种？
6.什么是卫星通信？卫星通信使用的频段是什么？
7.一个通信卫星由哪些部分组成？
8.卫星通信地面站的作用是什么？第2章 移动通信系统的基本技术
在一个复杂的多径衰落移动环境中，要完成满足电信级服务质量的通信任务，需要克服多种多样的困难。本章将分析无线电波的特性，介绍抵抗衰落的技术、调制解调的方法、语音处理的技术以及组网的方法，这些都归纳为移动通信系统的基本技术。2.1 无线电波传播理论与特征
无线电波是由电磁振荡经天馈系统辐射到空间的一种能量物质。无线电波的传播是通过介质或在介质分界面的连续折射或反射，由发射点传播到接收点的过程。无线电通信是利用无线电波的传播特性实现的，因此，研究无线电波的传播特性和模式，对我们理解移动通信技术有积极的意义。2.1.1 无线电波的传播特性和频段划分
1.传播特性
无线电波的传播特性通常指无线电波在各种介质中传播的一些典型方式。在地球上，无线电波的传播介质有地壳、海水、大气等。根据物理性质，可将地壳介质由下而上分为地壳高温电离层、地壳介质岩层、地壳表面导电层、大气对流层和高空电离层，如图2-1-1所示。图2-1-1 地球介质示意图
在自由空间传播的无线电波一般分为地表波、天波和沿直线传播的空间波，如图2-1-2所示。图2-1-2 在自由空间传播的无线电波（1）地表波
在地球表面附近的空间传播的无线电波叫地表波。地面上有高低不平的山坡和房屋等障碍物，根据无线电波的衍射特性，当波长大于或相当于障碍物的尺寸时，波才能明显地绕到障碍物的后面。地面上的障碍物一般不太大，长波可以很好地绕过它们。中波和中短波也能较好地绕过，短波和微波由于波长过短，绕过障碍物相当困难。（2）天波
依靠电离层反射传播的无线电波叫做天波。地球被厚厚的大气层包围着，在地面上空50千米到几百千米的范围内，大气中一部分气体分子由于受到太阳光的照射而丢失电子，发生电离，产生带自由电子和正电的离子，这层大气就叫做电离层。
电离层对于不同波长的电磁波表现出不同的特性。实验证明，波长短于10m的微波能穿过电离层，波长超过3 000km的长波几乎会被电离层全部吸收。对于中波、中短波和短波，波长越短，电离层对它吸收得越少而反射得越多，因此短波最适宜以天波的形式传播，它可以被电离层反射到几千千米以外。但是，电离层是不稳定的，白天受阳光照射时电离程度高，夜晚电离程度低，因此夜间它对中波和中短波的吸收减弱，这时中波和中短波也能以天波的形式传播。有时收音机在夜晚能够收听到许多远地的中波或中短波电台，就是这个缘故。（3）空间波
沿直线传播的微波和超短波既不能以地波的形式传播，又不能依靠电离层的反射以天波的形式传播，它们跟可见光一样，是沿直线传播的。这种沿直线传播的电磁波叫空间波或视波。
地球表面是球形的，微波沿直线传播，为了增大传播距离，发射天线和接收天线都建得很高，但也只能达到几十千米。在进行远距离通信时，要设立中继站。由某地发射出去的微波被中继站接收并进行放大，再传向下一站。直线传播方式受大气的干扰小，能量损耗少，所以收到的信号较强，而且比较稳定。电视、雷达采用的都是微波。
2.频段划分
频段的划分在国际上没有统一的标准，由于不同的波长表现出不同的特性，所以通信业根据无线电波的波长（或频率）把无线电波划分为各种不同的波段（或频段），划分出的波段表如表2-1所示。表2-1 通信业无线电波划分波段表
不同波长（或频率）的无线电波传播特性往往不同，应用于通信的范围也不相同，各波段传播的特点如下。（1）长波（LF、VLF）
传播距离在300km以内对，长波主要为地表波；传播距离在2 000km时，长波主要为天波。利用长波通信时，接收点的场强稳定，但由于表面波衰减慢，对其他收信台干扰大。长波受天电干扰的影响也很严重。此外，由于发射天线非常庞大，所以利用长波进行通信和广播的情况不多，仅在越洋通信、导航、气象预报等方面采用。（2）中波（MF）
中波主要为地表波和天波，白天主要靠地表波传播，传播距离相对夜晚较近。夜晚天波参加传播，传播距离较地表波远，主要用于船舶与导航通信和波长为100～1 000m的中波广播。（3）短波（HF）
短波有地表波也有天波。但由于短波的频率较高，地面吸收强烈，地表波衰减很快，短波的地表波传播只有几十千米。短波的天波在电离层中可被大量反射回地面，常用于进行远距离通信和广播。但由于电离层不稳定，通信质量不佳。短波主要用于广播和业余电台。（4）超短波（VHF、UHF）
由于超短波频率很高，而地波的衰减很大，电波穿入电离层很深，乃至穿出电离层，使电波不能反射回来，所以不能利用地表波和天波的传播方式，主要利用空间直接传播实现，视距内通信。超短波主要用于调频广播、电视、雷达、导航传真、中继及移动通信等。（5）微波（SHF、EHF）
主要利用空间直接传播，实现视距内点到点通信。主要用于声音和视频广播、移动通信、个人通信、卫星通信等。2.1.2 自由空间无线电波传播
自由空间是指相对介电常数和相对导磁率都为1的均匀介质所存在的空间，它是一个理想的无限大的空间，是为简化问题研究而提出的一种科学抽象。自由空间无线电波传播示意如图 2-1-3 所示。仅考虑由能量扩散引起的损耗，即接收机和发射机之间是无任何阻挡的视距路径时，传播损耗推导如下。图2-1-3 自由空间无线电波传播示意图
在图2-1-3中，设在原点O有一辐射源，均匀地向各方向辐射，辐射功率为P，则距辐射源d处的能流密度为t
若接收天线有效面积为，（λ为工作波长，D为天线的方向性系数），对于各向同性的天线（D=1），则接收机输入功率为
通常定义发射功率与接收功率的比值为传播损耗。所以，自由空间传播损耗可表示为，用对数形式表示，把波长换成频率，得到自由空间的传播衰减公式即L=32.44+20lgf+20lg d(dB) （2-1-3）o
式中，d单位为km，f单位为MHz。考虑发射天线的增益Gt和接收天线的增益Gr，则系统传输损耗应为L=32.44+20lgf+20lgd−G[dB]−G[dB] （2-1-4）otr2.1.3 移动无线信道特性
移动通信靠的是无线电波的传播；一个移动通信信道的质量，主要取决于无线传输的质量。因此，我们必须了解和掌握移动通信环境中无线电波传播的基本特点。典型的移动通信环境中，电波传播的主要特点可归纳如下。
1.传播环境复杂
移动通信系统工作在VHF和UHF两个频段（30～3 000MHz），电波以直射方式在低层大气中传播，介质的不均匀性会导致折射和吸收现象，而且在传输路径上遇到各种障碍物还可能产生反射、绕射和散射等，如图2-1-4所示。图2-1-4 移动通信环境示意图
① 当电磁波遇到比波长大很多的物体时，就会发生反射，反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面等光滑界面处。
② 当接收机和发射机之间的传播路径被尖利的边缘阻挡时，电磁波就会发生绕射。由于绕射，电磁波可越过障碍物到达接收天线。即使收发天线间不存在视线路径，接收天线仍然可以接收到电磁信号。
③ 当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时，就会发生散射。散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。在实际的通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等都会引发散射。
④ 另外，位于建筑物外面的发射机发射的无线电波，在建筑物内接收时，会受到复杂的环境影响。测试报告显示，随频率或建筑物高度以及群落的增加，信号的多径衰落增加，即接收信号的干扰进一步加强。
因此，地形、地物会对电波的传播造成影响，地球的曲率半径也会对电波的传播造成影响。我国地域辽阔，地形复杂多样，其中 4/5 为山区和半山区，即使在属于平原地区的大城市中，林立的高楼也使电波传播变得十分复杂，必须认真对待。
2.信号衰落严重
典型的移动通信系统中，用户的接入都是通过移动台与基站间的无线链路，无线电波的传播在通信的过程中始终受移动台周围物体的影响，因此移动台收到的信号是由多个反射波和直射波组成的多径信号。多径信号造成的结果往往是信号严重衰落，所以移动通信必须克服衰落的影响。
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