《通信系統(tǒng)概論》課件-第7章

第7章移動(dòng)通信系統(tǒng)

7.1概述

7.2移動(dòng)通信的基本技術(shù)

7.3

GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)

7.4

CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)

7.5第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)簡介

7.1概述

7.1.1移動(dòng)通信的特點(diǎn)

與其他通信方式相比較，移動(dòng)通信具有如下特點(diǎn)：

（1）移動(dòng)通信的電波傳播環(huán)境惡劣。移動(dòng)臺(tái)處在快速運(yùn)動(dòng)中，多徑傳播造成瑞利衰落，接收?qǐng)鰪?qiáng)的振幅和相位變化迅速。移動(dòng)臺(tái)處于建筑物與障礙物之間，局部場強(qiáng)中值（信號(hào)強(qiáng)度大于或小于場強(qiáng)中值的概率為50%）隨地形環(huán)境而變動(dòng)，氣象條件的變化同樣會(huì)使場強(qiáng)中值隨時(shí)變動(dòng)，這種變動(dòng)服從正態(tài)分布，是一種慢衰落。另外，多徑傳播產(chǎn)生的多徑時(shí)延擴(kuò)展，等效為移動(dòng)信道傳輸?shù)奶匦曰儯瑢?duì)數(shù)字移動(dòng)通信影響較大。

移動(dòng)通信電波傳播的理論基本模型是超短波在平面大地上直射與反射的矢量合成。分析表明：直射波擴(kuò)散損耗正比于收發(fā)距離的平方d2，而光滑地平面上的路徑損耗正比于d4，與頻率無關(guān)。對(duì)于在不同地形和地物上的移動(dòng)通信傳播，必須根據(jù)不同的環(huán)境條件，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析方法找出傳播規(guī)律，得出相應(yīng)的接收?qǐng)鰪?qiáng)預(yù)測模型。

（2）多普勒頻移產(chǎn)生附加調(diào)制。由于移動(dòng)臺(tái)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中，因此接收信號(hào)有附加頻率變化，即多普勒頻移fd。fd與移動(dòng)體的移動(dòng)速度有關(guān)。若電波方向與移動(dòng)方向之間的夾角為θ，則有

（7-1）

其中，v為移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度；λ為信號(hào)工作波長；若運(yùn)動(dòng)方向面向基站，則fd為正值，否則fd為負(fù)值。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度較高時(shí)，多普勒頻移的影響必須考慮，而且工作頻率越高，頻移越大。多普勒頻移產(chǎn)生的附加調(diào)頻或寄生調(diào)相均為隨機(jī)變量，對(duì)信號(hào)會(huì)產(chǎn)生干擾。在高速移動(dòng)電話系統(tǒng)中，多普勒頻移會(huì)影響頻率為300Hz左右的話音，足以產(chǎn)生令人不適的失真。多普勒頻移對(duì)低速數(shù)字信號(hào)傳輸不利，對(duì)高速數(shù)字信號(hào)傳輸則影響不大。

（3）移動(dòng)通信受干擾和噪聲的影響。移動(dòng)通信網(wǎng)是多頻道、多電臺(tái)同時(shí)工作的通信系統(tǒng)。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)工作時(shí)，往往受到來自其他電臺(tái)的干擾，同時(shí)還可能受到天電干擾、工業(yè)干擾和各種噪聲的影響。

基站通常有多部收發(fā)信機(jī)同時(shí)工作，服務(wù)區(qū)內(nèi)的移動(dòng)臺(tái)分布不均勻且位置隨時(shí)在變化，導(dǎo)致干擾信號(hào)的場強(qiáng)可能比有用信號(hào)高幾十分貝（70～80dB）。通常將近處無用信號(hào)壓制遠(yuǎn)處有用信號(hào)的現(xiàn)象稱為遠(yuǎn)近效應(yīng)，這是移動(dòng)通信系統(tǒng)的一種特殊干擾。

在多頻道工作的網(wǎng)絡(luò)中，由于收發(fā)信機(jī)的頻率穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度及采用的調(diào)制方式等因素的影響，相鄰的或鄰近的頻道的能量部分地落入本頻道而產(chǎn)生鄰道干擾。在組網(wǎng)過程中，為提高頻率利用率，在相隔一定距離后，要重復(fù)使用相同的頻率，這種同頻道再用技術(shù)將帶來同頻干擾。同頻干擾是決定同頻道再用距離的主要因素。移動(dòng)通信系統(tǒng)中，還存在互調(diào)干擾問題，當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)不同頻率的信號(hào)同時(shí)進(jìn)入非線性器件時(shí)，器件的非線性作用將產(chǎn)生許多諧波和組合頻率分量，其中與所需頻率相同或相近的組合頻率分量會(huì)順利地通過接收機(jī)而形成干擾。鑒于上述各種干擾，在設(shè)計(jì)移動(dòng)通信系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同形式的干擾，采取相應(yīng)的措施。

移動(dòng)信道中噪聲的來源是多方面的，有大氣噪聲、太陽噪聲、銀河系噪聲以及人為噪聲等。在30～1000MHz頻率范圍內(nèi)，大氣、太陽等噪聲很小，可忽略不計(jì)，主要考慮的應(yīng)是人為噪聲（各種電氣裝置的電流或電壓發(fā)生急劇變化時(shí)形成的電磁輻射）。移動(dòng)信道中，人為噪聲主要是車輛的點(diǎn)火噪聲。人為噪聲的大小不僅與頻率有關(guān)，而且與交通流量有關(guān)，流量越大，噪聲電平越高。

（4）頻譜資源緊缺。在移動(dòng)通信中，用戶數(shù)與可利用的頻道數(shù)之間的矛盾特別突出。為此，除開發(fā)新頻段外，應(yīng)該采用頻帶利用率高的調(diào)制技術(shù)，例如窄帶調(diào)制技術(shù)(以縮小頻道間隔)、在空間域上的頻率復(fù)用技術(shù)以及在時(shí)間域上的多信道共用技術(shù)等。頻率擁擠是影響移動(dòng)通信發(fā)展的主要因素之一。

（5）建網(wǎng)技術(shù)復(fù)雜。移動(dòng)臺(tái)可以在整個(gè)移動(dòng)通信服務(wù)區(qū)域內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)通信，交換中心必須知道移動(dòng)臺(tái)的位置，為此，需采用“位置登記”技術(shù)；移動(dòng)臺(tái)從一個(gè)蜂窩小區(qū)移入另一個(gè)小區(qū)時(shí)，需進(jìn)行頻道切換（亦稱過境切換）；移動(dòng)臺(tái)從一個(gè)蜂窩網(wǎng)業(yè)務(wù)區(qū)移入另一個(gè)蜂窩網(wǎng)業(yè)務(wù)區(qū)時(shí)，被訪蜂窩網(wǎng)亦能為外來用戶提供服務(wù)，這種過程稱為漫游。移動(dòng)通信網(wǎng)為滿足這些要求，必須具有很強(qiáng)的控制功能，如通信的建立和拆除，頻道的控制和分配，用戶的登記和定位，以及過境切換和漫游控制等。

當(dāng)今，移動(dòng)通信已向數(shù)字化方向發(fā)展，數(shù)字移動(dòng)通信已逐漸取代了模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)。數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)的特點(diǎn)是：

（1）頻譜效率高。由于采用了高效調(diào)制器、信道編碼、交織、均衡和話音編碼技術(shù)等，因此數(shù)字移動(dòng)系統(tǒng)具有高頻譜效率。

（2）容量大。每個(gè)信道傳輸帶寬增加，同頻復(fù)用信噪比要求降低。GSM系統(tǒng)的同頻復(fù)用信噪比可以縮小到4/12或3/9，甚至更小。

（3）抗噪性能強(qiáng)。數(shù)字移動(dòng)系統(tǒng)采用了糾錯(cuò)編碼、交織編碼、自適應(yīng)均衡、分集接收以及擴(kuò)、[JP3]調(diào)頻等技術(shù)，可以控制由任何干擾和不良環(huán)境產(chǎn)生的損害，使傳輸差錯(cuò)率低于規(guī)定的閾值。

（4）開放的接口。GSM標(biāo)準(zhǔn)所提供的開放性接口，便于不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備相互之間連網(wǎng)。

（5）網(wǎng)絡(luò)管理與控制靈活。數(shù)字移動(dòng)系統(tǒng)可以設(shè)置專門的控制信道來傳輸信令消息，也可以把控制指令插入業(yè)務(wù)信道的話音比特流中來傳輸控制信息，因而可實(shí)現(xiàn)多種可靠的控制功能。

（6）安全性能好。數(shù)字移動(dòng)系統(tǒng)通過鑒權(quán)、加密等措施，避免了模擬網(wǎng)中容易被制作偽機(jī)及在無線信道上被竊聽的缺點(diǎn)，達(dá)到了使用戶安全使用的目的；使用了用戶身份識(shí)別模塊，該模塊與收信機(jī)分離，只要采用同一個(gè)用戶身份識(shí)別模塊，即使收信機(jī)改變，仍可達(dá)到用戶號(hào)碼不變，計(jì)費(fèi)帳號(hào)不變的目的。

（7）業(yè)務(wù)范圍廣。數(shù)字移動(dòng)系統(tǒng)除了提供模擬網(wǎng)所提供的話音業(yè)務(wù)的補(bǔ)充業(yè)務(wù)，如呼叫轉(zhuǎn)移、呼叫等待外，還能提供短消息業(yè)務(wù)(SMS，ShortMessageSystem)和傳真業(yè)務(wù)及移動(dòng)因特網(wǎng)業(yè)務(wù)等。

7.1.2移動(dòng)通信的分類

隨著移動(dòng)通信應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，移動(dòng)通信系統(tǒng)的類型越來越多，其分類方法也多種多樣。

1.按設(shè)備的使用環(huán)境分類

按這種方式分類，主要分為陸地移動(dòng)通信、海上移動(dòng)通信和航空移動(dòng)通信三種類型，還有地下隧道礦井、水下潛艇和太空航天等移動(dòng)通信。

2.按服務(wù)對(duì)象分類

按這種方式分類，可以分為公用和專用移動(dòng)通信兩種類型。在公用移動(dòng)通信中，目前我國有中國移動(dòng)、中國聯(lián)通經(jīng)營的移動(dòng)電話業(yè)務(wù)。由于公用移動(dòng)通信是面向社會(huì)各階層人士的，因此稱為公用網(wǎng)。專用移動(dòng)通信是為保證某些特殊部門的通信所建立的通信系統(tǒng)，由于各個(gè)部門的性質(zhì)和環(huán)境有很大區(qū)別，因而各個(gè)部門使用的移動(dòng)通信網(wǎng)的技術(shù)要求也有很大差異。這些部門包括公安、消防、急救、防汛、交通管理、機(jī)場調(diào)度等。

3.按系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)分類

（1）蜂窩移動(dòng)電話系統(tǒng)。蜂窩移動(dòng)電話是移動(dòng)通信的主體，它是具有全球性用戶容量的最大移動(dòng)電話網(wǎng)。

（2）集群調(diào)度移動(dòng)電話。它可將各個(gè)部門所需的調(diào)度業(yè)務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)，集中管理，每個(gè)部門都可建立自己的調(diào)度中心臺(tái)。它的特點(diǎn)是共享頻率資源，共享通信設(shè)施，共享通信業(yè)務(wù)，共同分擔(dān)費(fèi)用，是一種專用調(diào)度系統(tǒng)的高級(jí)發(fā)展階段，具有高效、廉價(jià)的自動(dòng)撥號(hào)系統(tǒng)，頻率利用率高。

（3）無中心個(gè)人無線電話系統(tǒng)。它沒有中心控制設(shè)備，這是與蜂窩網(wǎng)和集群網(wǎng)的主要區(qū)別。它將中心集中控制轉(zhuǎn)化為電臺(tái)分散控制，由于不設(shè)置中心控制，故可節(jié)約建網(wǎng)投資，并且頻率利用率最高。該系統(tǒng)采用數(shù)字選呼方式，采用共用信道傳送信令，接續(xù)速度快。由于該系統(tǒng)沒有蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)和集群系統(tǒng)那樣復(fù)雜，建網(wǎng)簡易，投資低，性價(jià)比最高，因而適用于個(gè)人業(yè)務(wù)和小企業(yè)的單區(qū)組網(wǎng)分散小系統(tǒng)。

（4）公用無繩電話系統(tǒng)。公用無繩電話是公共場所，例如商場、機(jī)場、火車站等使用的無繩電話系統(tǒng)。通過無繩電話的手機(jī)可以呼入市話網(wǎng)，也可以實(shí)現(xiàn)雙向呼叫。它的特點(diǎn)是不適用于乘車使用，只適用于步行。

（5）移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)。21世紀(jì)通信的最大特點(diǎn)是衛(wèi)星通信終端手持化，個(gè)人通信實(shí)現(xiàn)全球化。所謂個(gè)人通信，是移動(dòng)通信的進(jìn)一步發(fā)展，是面向個(gè)人的通信。其實(shí)質(zhì)是任何人在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)，可與任何人實(shí)現(xiàn)任何方式的通信。只有利用衛(wèi)星通信覆蓋全球的特點(diǎn)，通過衛(wèi)星系統(tǒng)與地面移動(dòng)通信系統(tǒng)的結(jié)合，才能實(shí)現(xiàn)名符其實(shí)的全球個(gè)人通信。

4.按移動(dòng)通信的業(yè)務(wù)分類

（1）按使用對(duì)象可分為民用設(shè)備和軍用設(shè)備；

（2）按使用環(huán)境可分為陸地通信、海上通信和空中通信；

（3）按多址方式可分為頻分多址（FDMA）、時(shí)分多址（TDMA）和碼分多址(CDMA)等。

（4）按覆蓋范圍可分為寬域網(wǎng)和局域網(wǎng);

（5）按業(yè)務(wù)類型可分為電話網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)和綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)；

（6）按工作方式可分為同頻單工、異頻單工、異頻雙工和半雙工；

（7）按服務(wù)范圍可分為專用網(wǎng)和公用網(wǎng)；

（8）按信號(hào)形式可分為模擬網(wǎng)和數(shù)字網(wǎng)。

7.1.3移動(dòng)通信系統(tǒng)的組成

移動(dòng)通信系統(tǒng)一般由移動(dòng)臺(tái)（MobileSet，MS）、基站(BaseStation，BS)、移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心(MobileSwitchCenter，MSC)等組成，如圖7-1所示。

圖7-1移動(dòng)通信系統(tǒng)的組成

基站和移動(dòng)臺(tái)設(shè)有收發(fā)信機(jī)和天線等設(shè)備。每個(gè)基站都有一個(gè)可靠通信的業(yè)務(wù)范圍，稱為無線小區(qū)（通信服務(wù)區(qū)）。無線小區(qū)的大小，主要由發(fā)射功率和基站天線的高度決定。根據(jù)服務(wù)面積的大小可將移動(dòng)通信網(wǎng)分為大區(qū)制、中區(qū)制和小區(qū)制（CellularSystem）三種。大區(qū)制是指一個(gè)通信服務(wù)區(qū)（比如一個(gè)城市）由一個(gè)無線區(qū)覆蓋，此時(shí)基站發(fā)射功率很大（50W或100W以上，對(duì)手機(jī)的要求一般為50W以下），無線覆蓋半徑可達(dá)25km以上。其基本特點(diǎn)是：只有一個(gè)基站，覆蓋面積大，信道數(shù)有限，一般只容納數(shù)百到數(shù)千個(gè)用戶。大區(qū)制的主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)容量不大。為了克服這一限制，滿足更大范圍（大城市）、更多用戶的服務(wù)，就必須采用小區(qū)制。小區(qū)制一般是指覆蓋半徑為2～10km的多個(gè)無線區(qū)聯(lián)合而成整個(gè)服務(wù)區(qū)的制式，此時(shí)的基站發(fā)射功率很?。?～20W）。由于通常將小區(qū)繪制成六角形（實(shí)際的小區(qū)覆蓋地域并非六角形），多個(gè)小區(qū)結(jié)合后看起來很像蜂窩，因此稱這種組網(wǎng)為蜂窩網(wǎng)。用這種組網(wǎng)方式可以構(gòu)成大區(qū)域、大容量的移動(dòng)通信系統(tǒng)，進(jìn)而形成全省、全國或更大的系統(tǒng)。

小區(qū)制有以下四個(gè)特點(diǎn)：

（1）基站只提供信道，其交換、控制都集中在一個(gè)移動(dòng)電話交換局(MobileTelephoneSwitchingOffice，MTSO)或稱移動(dòng)交換中心完成，其作用相當(dāng)于一個(gè)市話交換局。而大區(qū)制的信道交換、控制等功能都集中在基站完成。

（2）具有過區(qū)切換功能（Handoff），簡稱過區(qū)功能。即一個(gè)移動(dòng)臺(tái)從一個(gè)小區(qū)進(jìn)入另一個(gè)小區(qū)時(shí)，要從原基站的信道切換到新基站的信道上來，而且不能影響正在進(jìn)行的通話。

（3）具有漫游（Roaming）功能。即一個(gè)移動(dòng)臺(tái)從本管理區(qū)進(jìn)入到另一個(gè)管理區(qū)時(shí)，其電話號(hào)碼不能變，仍然像在原管理區(qū)一樣能夠被呼叫到。

（4）具有頻率再用的特點(diǎn)。所謂頻率再用，是指一個(gè)頻率可以在不同的小區(qū)重復(fù)使用。由于同頻信道可以重復(fù)使用，再用的信道越多，用戶數(shù)也就越多，因此，小區(qū)制可以提供比大區(qū)制更大的通信容量。

目前的發(fā)展方向是將小區(qū)劃小，成為微區(qū)、宏區(qū)和毫區(qū)，其覆蓋半徑降至100m左右。中區(qū)制則是介于大區(qū)制和小區(qū)制之間的一種過渡制式。

移動(dòng)交換中心主要用來處理信息和整個(gè)系統(tǒng)的集中控制管理。

7.2移動(dòng)通信的基本技術(shù)

7.2.1蜂窩組網(wǎng)技術(shù)

1.蜂窩網(wǎng)的概念

假設(shè)將一個(gè)移動(dòng)通信服務(wù)區(qū)劃分成許多小區(qū)（Cell），每個(gè)小區(qū)設(shè)立基站，與用戶移動(dòng)臺(tái)之間建立通信。小區(qū)的覆蓋半徑較小，可從幾百米至幾千米。如果基站采用全向天線，覆蓋區(qū)域?qū)嶋H上是一個(gè)圓，但從理論上說，圓形小區(qū)鄰接處會(huì)出現(xiàn)多重覆蓋或無覆蓋，有效覆蓋整個(gè)平面區(qū)域的實(shí)際上是圓的內(nèi)接規(guī)則多邊形，這樣的規(guī)則多邊形有正三角形、正方形、正六邊形三種，如圖7-2所示。顯然，正六邊形最接近圓形，對(duì)于同樣大小的服務(wù)區(qū)域，采用正六邊形小區(qū)所需的小區(qū)數(shù)最少，所需的頻率組數(shù)也最少。因而，采用正六邊形組網(wǎng)是最經(jīng)濟(jì)的方式。正六邊形的網(wǎng)絡(luò)形同蜂窩，蜂窩網(wǎng)亦由此得名。應(yīng)該說明的是，正六邊形小區(qū)圖形僅僅具有理論分析和設(shè)計(jì)意義，實(shí)際中的基站天線覆蓋區(qū)不可能是規(guī)則正六邊形。圖7-3給出了一個(gè)蜂窩網(wǎng)的展開圖形。

圖7-2小區(qū)的形狀

（a）正三角形；（b）正方形；（c）正六邊形

圖7-3蜂窩小區(qū)覆蓋

在頻分信道體制的蜂窩系統(tǒng)中，每個(gè)小區(qū)占有一定的頻道，而且各個(gè)小區(qū)占用的頻道是不相同的。假設(shè)每個(gè)小區(qū)分配一組載波頻率，為避免相鄰小區(qū)間產(chǎn)生干擾，各小區(qū)的載波頻率不應(yīng)相同。但因?yàn)轭l率資源有限，當(dāng)小區(qū)覆蓋不斷擴(kuò)大而且小區(qū)數(shù)目不斷增加時(shí)，將出現(xiàn)頻率資源不足的問題。因此，為了提高頻率資源的利用率，用空間劃分的方法，在不同的空間進(jìn)行頻率復(fù)用。即將若干個(gè)小區(qū)組成一個(gè)區(qū)群或簇（Cluster），區(qū)群內(nèi)不同的小區(qū)使用不同的頻率，另一區(qū)群對(duì)應(yīng)小區(qū)可重復(fù)使用相同的頻率。不同區(qū)群中使用相同頻率的小區(qū)之間將產(chǎn)生同頻干擾，但當(dāng)兩同頻小區(qū)間距足夠大時(shí)，同頻干擾將不影響正常的通信質(zhì)量。

構(gòu)成單元無線區(qū)群的基本條件是：①區(qū)群之間彼此鄰接且無空隙、無重疊地覆蓋整個(gè)面積；②相鄰單元中，同信道小區(qū)之間距離保持相等，且為最大。滿足上述條件的區(qū)群形態(tài)和區(qū)群內(nèi)的小區(qū)數(shù)不是任意的?？梢宰C明，區(qū)群內(nèi)的小區(qū)數(shù)N應(yīng)滿足下式：

N=i2+ij+j2

(7-2)式中，i和j分別是相鄰?fù)l小區(qū)之間的二維距離，如圖7-4所示。i、j取值為0和正整數(shù)，但它們不能同時(shí)為0。由式(7-2)計(jì)算得到N為不同值時(shí)的正六邊形蜂窩的區(qū)群結(jié)構(gòu)如圖7-4所示。圖7-4正六邊形區(qū)群的結(jié)構(gòu)

確定相鄰區(qū)群同頻小區(qū)的方法是：自某一小區(qū)A出發(fā)，先沿邊的垂直方向跨i個(gè)小區(qū)，再按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)60°，然后再跨j個(gè)小區(qū)，這樣就可以找出同頻小區(qū)A。在正六邊形的六個(gè)方向上，可以找到6個(gè)相鄰的同頻小區(qū)，如圖7-3所示。區(qū)群間同頻復(fù)用距離可由下式計(jì)算：

（7-3）

式中，N為區(qū)群內(nèi)的區(qū)數(shù)，r0為小區(qū)的輻射半徑。當(dāng)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)覆蓋區(qū)內(nèi)的部分地區(qū)業(yè)務(wù)量增長時(shí)，可將該部分的蜂窩小區(qū)分裂成多個(gè)較小的區(qū)域，這種做法稱為蜂窩小區(qū)的分裂。圖7-5為用戶分布密度不等時(shí)基站覆蓋區(qū)劃分的情形：中心區(qū)用戶密度高，基站覆蓋區(qū)小，所提供服務(wù)的信道數(shù)相對(duì)較多；邊緣區(qū)用戶密度低，基站覆蓋區(qū)大，所提供服務(wù)的信道數(shù)相對(duì)較少。圖7-5用戶分布密度不等時(shí)基站覆蓋區(qū)的劃分

采用蜂窩分裂的方法后，有限的頻率資源可通過縮小同頻復(fù)用距離而使單位面積的頻道數(shù)增多，系統(tǒng)容量增大。具體的實(shí)施方法有兩種：一是在原基站基礎(chǔ)上采用方向性天線將小區(qū)扇形化，如圖7-6（a）、（b）所示，一個(gè)全向天線的小區(qū)可以分裂成3個(gè)120°扇形小區(qū)和6個(gè)60°扇形小區(qū)；二是將小區(qū)半徑縮小并增加新基站，如圖7-6（c）所示，即將原小區(qū)內(nèi)分設(shè)三個(gè)發(fā)射功率更小一些的新基站，就可以形成幾個(gè)面積更小的正六邊形小區(qū)，如圖中虛線所示。

圖7-6小區(qū)分裂方案

2.多信道共用

所謂多信道共用，就是指在一個(gè)無線區(qū)內(nèi)的n個(gè)信道為該無線區(qū)內(nèi)所有用戶共用，任何一個(gè)移動(dòng)用戶選取空閑信道及占用時(shí)間均是隨機(jī)的。多信道共用可以提高信道的利用率，它支撐著移動(dòng)網(wǎng)的呼損率、中斷率、系統(tǒng)容量等指標(biāo)。下面分別闡明話務(wù)量、呼損率、信道利用率的概念及其同系統(tǒng)用戶數(shù)的關(guān)系。

話務(wù)量定義為在一特定時(shí)間內(nèi)的呼叫次數(shù)與每次呼叫平均占用信道時(shí)間的乘積，可分為流入話務(wù)量與完成話務(wù)量。流入話務(wù)量取決于單位時(shí)間（通常為1小時(shí)）內(nèi)發(fā)生的平均呼叫次數(shù)與每次呼叫的平均占用時(shí)間。在系統(tǒng)的流入話務(wù)量中，必然有一部分呼叫失?。ㄐ诺廊勘徽加脮r(shí)，新發(fā)起的呼叫不能被接續(xù)），而完成接續(xù)的那部分話務(wù)量稱為完成話務(wù)量。如用A表示流入話務(wù)量，A0表示完成話務(wù)量，C表示單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的平均呼叫次數(shù)，C0表示單位時(shí)間內(nèi)呼叫成功的次數(shù)，t表示每次呼叫平均占用信道時(shí)間，則

A=C·tA0=C0·t

(7-4)（7-5）

若計(jì)算C所用的單位時(shí)間與t的單位相同，則話務(wù)量單位稱為“愛爾蘭（Erlang）”,用Erl表示。例如，一個(gè)呼叫占用信道1小時(shí)，則該信道話務(wù)量為1Erl。

損失話務(wù)量（呼叫失敗的話務(wù)量）與流入話務(wù)量之比稱為呼損率，用以說明呼叫損失的概率，它用B表示，即

（7-6）

顯然，呼損率越小，呼叫成功概率就越大，用戶就越滿意。呼損率也稱為系統(tǒng)的服務(wù)等級(jí)，是衡量通信網(wǎng)接續(xù)質(zhì)量的主要指標(biāo)。

根據(jù)話務(wù)量理論，話務(wù)量、呼損率、信道數(shù)之間存在式(7-7)所示的定量關(guān)系(稱為愛爾蘭呼損公式):（7-7）

采用多信道共用技術(shù)能提高信道利用率。信道利用率可以用每個(gè)信道平均完成的話務(wù)量來表示，即

（7-8）

有了上面這些概念，我們來討論它們與系統(tǒng)用戶數(shù)之間的關(guān)系。在工程設(shè)計(jì)中，為了計(jì)算系統(tǒng)用戶數(shù)，需要知道每用戶忙時(shí)話務(wù)量（用a表示）。忙時(shí)話務(wù)量與全天（24小時(shí)）話務(wù)量之比稱為忙時(shí)集中系數(shù)，用K表示，K一般取10%～15%。假設(shè)每用戶每天平均呼叫次數(shù)為C，每次呼叫平均占用信道時(shí)間為T（秒/次），忙時(shí)集中系數(shù)為K，則每用戶忙時(shí)話務(wù)量a為

a=C·T·K·1/3600(7-9)一般來講，對(duì)公眾網(wǎng)，每用戶忙時(shí)話務(wù)量可按0.01Erl取值；對(duì)專用網(wǎng)，一般可按0.06Erl

近似取值。

當(dāng)每用戶忙時(shí)話務(wù)量確定后，每個(gè)信道所能容納的用戶數(shù)m可由下式計(jì)算：

（7-10）

若系統(tǒng)有n個(gè)信道，則系統(tǒng)所能容納的用戶數(shù)M為

（7－11）由以上分析可見，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，既要保證一定的服務(wù)質(zhì)量，又要保證系統(tǒng)用有限的信道數(shù)給盡可能多的用戶提供服務(wù)，盡量提高信道利用率。

那么如何實(shí)現(xiàn)多信道共用技術(shù)呢？現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)要求每個(gè)移動(dòng)臺(tái)必須具有自動(dòng)選擇空閑信道的能力，即當(dāng)控制中心發(fā)出信道指定命令后，移動(dòng)臺(tái)可自動(dòng)調(diào)諧到被指定的空閑信道上通信，這就是信道的自動(dòng)選擇。信道的自動(dòng)選擇方式有多種，但基本上可以分成以下兩類：

（1）專用呼叫信道方式。在給定的多個(gè)共用信道中，選擇一個(gè)信道專門用做呼叫處理與控制，以完成建立通信聯(lián)系的信道分配，而其余信道作為業(yè)務(wù)（語音或數(shù)據(jù)）信道，這種信道控制方式稱為專用呼叫信道方式。因?yàn)閷Ｓ煤艚行诺捞幚硪淮魏艚羞^程所需時(shí)間很短，一般約為幾百毫秒，所以設(shè)立一個(gè)專用呼叫信道就可以處理成千上萬的用戶。因此，這種方式適用于共用信道數(shù)較多的系統(tǒng)。目前大容量公眾蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)均采用這種方式。

（2）標(biāo)明空閑信道方式。所有共用信道中的任何一個(gè)都可供通話，控制中心在某個(gè)或全部信道上發(fā)空閑信號(hào)供移動(dòng)臺(tái)守候，這種信道控制方式稱為標(biāo)明空閑信道方式。根據(jù)移動(dòng)臺(tái)守候方式的不同，標(biāo)明空閑信道方式又可分為“循環(huán)不定位”、“循環(huán)分散定位”等方式。標(biāo)明空閑信道方式是小容量專用網(wǎng)經(jīng)常采用的方式。

3.位置登記與信道切換

位置登記是指移動(dòng)臺(tái)向控制中心發(fā)送報(bào)文時(shí)，表明它本身工作時(shí)所處位置并被移動(dòng)網(wǎng)登記存儲(chǔ)的過程。在構(gòu)造復(fù)雜的移動(dòng)通信服務(wù)區(qū)內(nèi)，一般將一個(gè)MSC控制作為一個(gè)位置區(qū)或分成若干個(gè)位置區(qū)。移動(dòng)臺(tái)將所處位置的位置信息進(jìn)行“位置登記”，可以提高尋呼一個(gè)移動(dòng)臺(tái)的效率。移動(dòng)臺(tái)的位置登記信息被存儲(chǔ)于MSC內(nèi)。不同的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)可以使用不同的“位置登記”方式。

信道切換可以分為兩類：越區(qū)切換和漫游切換。

當(dāng)正在通話的移動(dòng)臺(tái)從一個(gè)小區(qū)（扇區(qū)）移動(dòng)到另一個(gè)小區(qū)時(shí)，MSC控制使一個(gè)信道上的通話切換到另一個(gè)信道上以維持通話連續(xù)性，這一過程稱為越區(qū)切換。判斷發(fā)生越區(qū)切換的準(zhǔn)則有：①信號(hào)電平準(zhǔn)則；②載干比準(zhǔn)則。其中，信號(hào)電平準(zhǔn)則依據(jù)接收信號(hào)電平的高低來表征移動(dòng)臺(tái)是否遠(yuǎn)離基站；載干比準(zhǔn)則則依據(jù)接收端的載波與干擾比的大小來表征移動(dòng)臺(tái)是否遠(yuǎn)離基站。

移動(dòng)用戶由其歸屬交換局轄區(qū)進(jìn)入另一交換局轄區(qū)的小區(qū)時(shí)將發(fā)生漫游切換，并稱所進(jìn)入的新交換局為被訪交換局。實(shí)現(xiàn)漫游切換后的通信即為漫游通信。這時(shí)，移動(dòng)用戶的歸屬交換局與被訪交換局之間需要完成移動(dòng)用戶文檔的存取和有關(guān)信息的交換，并建立通信鏈路。實(shí)現(xiàn)漫游的條件是：覆蓋頻率段一樣，無線接口標(biāo)準(zhǔn)相同，并且已完成漫游網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)。將來出現(xiàn)多頻多模手機(jī)后，用戶也可以在不同頻段、不同接口標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)中漫游。

7.2.2多址技術(shù)

多址接入或多址連接是多用戶無線通信網(wǎng)中按用戶地址進(jìn)行連接的問題。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，基站覆蓋區(qū)內(nèi)存在許多移動(dòng)臺(tái)，移動(dòng)臺(tái)必須能識(shí)別基站發(fā)射的信號(hào)中哪一個(gè)是發(fā)給自己的信號(hào)，基站也必須從眾多的移動(dòng)臺(tái)發(fā)射的信號(hào)中識(shí)別出每一個(gè)移動(dòng)臺(tái)所發(fā)射的信號(hào)。由此可見，多址（接入）技術(shù)在數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信中占有重要的地位。我們知道，無線電信號(hào)可以表達(dá)為頻率、時(shí)間和碼型的函數(shù)，多址技術(shù)的原理正是利用信號(hào)的這些參量的正交性來區(qū)分不同的信道，以達(dá)到不同信道提供給不同用戶使用的目的。相應(yīng)地，目前常用的多址技術(shù)可分為三類：頻分多址、時(shí)分多址和碼分多址。

1.頻分多址（FDMA）

頻分多址是用頻率來區(qū)分信道的。頻分多址方式將移動(dòng)臺(tái)發(fā)出的信息調(diào)制到移動(dòng)通信頻帶內(nèi)的不同載頻位置上，這些載頻在頻率軸上分別排開，互不重疊。基站可以根據(jù)載波頻率的不同來識(shí)別發(fā)射地址，從而完成多址連接。頻分多址方式中，N個(gè)波道在頻率軸上嚴(yán)格分割，但在時(shí)間和空間上是重疊的，此時(shí)，“信道”一詞的含義即為“頻道”。模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)都可采用頻分多址方式傳輸。該方式有如下特點(diǎn)：

（1）一路一個(gè)載頻。每個(gè)頻道只傳送一路業(yè)務(wù)信息，載頻間隔必須滿足業(yè)務(wù)信息傳輸帶寬的要求。

（2）連續(xù)傳輸。當(dāng)系統(tǒng)分配給移動(dòng)臺(tái)和基站一個(gè)FDMA信道后,移動(dòng)臺(tái)和基站連續(xù)傳輸直到通話結(jié)束，信道收回。

（3）FDMA蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)是頻道受限和干擾受限的系統(tǒng)。主要干擾有鄰道干擾、互調(diào)干擾和同頻干擾。

（4）FDMA系統(tǒng)需要周密的頻率計(jì)劃，頻率分配工作復(fù)雜。基站的硬件配置取決于頻率計(jì)劃和頻道配置。

（5）頻率利用率低，系統(tǒng)容量小。

2.時(shí)分多址（TDMA）

時(shí)分多址是以時(shí)隙（時(shí)間間隔）來區(qū)分信道的。在一個(gè)無線頻道上，時(shí)間被分割為若干個(gè)時(shí)隙，每個(gè)業(yè)務(wù)信道占其中的一個(gè)，并在規(guī)定的時(shí)隙內(nèi)收發(fā)信號(hào)。在時(shí)分多址方式中，分配給各移動(dòng)臺(tái)的是一個(gè)特定的時(shí)隙。各移動(dòng)臺(tái)在規(guī)定的時(shí)隙內(nèi)向基站發(fā)射信號(hào)（突發(fā)信號(hào)），基站接收這些順序發(fā)來的信號(hào)，經(jīng)處理再傳送出去。因?yàn)橐苿?dòng)臺(tái)在分配的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送，所以不會(huì)相互干擾。移動(dòng)臺(tái)發(fā)送到基站的突發(fā)信號(hào)呈現(xiàn)時(shí)間分割，相互間沒有保護(hù)時(shí)隙。時(shí)分多址方式中，時(shí)隙在時(shí)間軸上嚴(yán)格分割，但在頻率軸上卻是重疊的，此時(shí)，“信道”一詞的含義為“時(shí)隙”。時(shí)分多址只能傳送數(shù)字信息，話音必須先進(jìn)行模/數(shù)變換，再送到調(diào)制器對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，然后以突發(fā)信號(hào)的形式發(fā)送出去。根據(jù)復(fù)用信道N的大小，時(shí)分多址又可分為3、4路復(fù)用和8～10路復(fù)用。該方式具有如下特點(diǎn)：

（1）每一時(shí)隙為一個(gè)話路的數(shù)字信號(hào)傳輸。

（2）各移動(dòng)臺(tái)發(fā)送的是周期性信號(hào)，而基站發(fā)送的是時(shí)分復(fù)用（TDM）信號(hào)，發(fā)射信號(hào)的速率隨時(shí)隙數(shù)的增大而提高。

（3）TDMA蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)是時(shí)隙受限和干擾受限的系統(tǒng)。

（4）系統(tǒng)的定時(shí)和同步問題是關(guān)鍵問題。定時(shí)和同步是TDMA系統(tǒng)正常工作的前提，因?yàn)橥ㄐ烹p方只允許在規(guī)定的時(shí)隙中收發(fā)信號(hào)，所以必須在嚴(yán)格的時(shí)幀同步、時(shí)隙同步和比特（位）同步的條件下進(jìn)行工作。

（5）抗干擾能力強(qiáng)，頻率利用率高，系統(tǒng)容量大。

（6）基站成本低。N個(gè)時(shí)分信道共用一個(gè)載波，占據(jù)相同帶寬，只需一部收發(fā)信機(jī)。

3.碼分多址（CDMA）

碼分多址基于碼型分割信道。在CDMA方式中，不同用戶傳輸信息所用的信號(hào)不是靠頻率不同或時(shí)隙不同來區(qū)分的，而是用各不相同的編碼序列來區(qū)分的。如果從頻域或時(shí)域來觀察，多個(gè)信號(hào)在CDMA是互相重疊的。接收機(jī)用相關(guān)器可以在多個(gè)CDMA信號(hào)中選出其中使用預(yù)定碼型的信號(hào)，而其他使用不同碼型的信號(hào)不能被解調(diào)，它們的存在類似于在信道中引入了噪聲和干擾（稱為多址干擾）。CDMA系統(tǒng)無論傳輸何種信息，其信道都是靠采用不同的碼型來區(qū)分的，所以，此時(shí)“信道”一詞的含義為“碼型”。

CDMA的特征是代表各信源信息的發(fā)射信號(hào)在結(jié)構(gòu)上各不相同，并且其地址碼相互間具有正交性，以區(qū)別于地址。在移動(dòng)通信中，要實(shí)現(xiàn)碼分多址必須具備以下三個(gè)條件：

（1）要有數(shù)量足夠多、相關(guān)性能足夠好的地址碼，使系統(tǒng)能通過不同的地址碼建立足夠多的信道。所謂好的相關(guān)性，是指有強(qiáng)的自相關(guān)性和弱的互相關(guān)性。

（2）必須用地址對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，并使發(fā)送的已調(diào)波頻譜極大地展寬（是原來的幾百倍），功率譜密度降低。

（3）在碼分多址系統(tǒng)的接收端，必須具有與發(fā)送端完全一致的本地地址碼。將用本地地址碼收到的全部信號(hào)進(jìn)行相關(guān)檢測，從中選出所需要的信號(hào)。

7.2.3調(diào)制技術(shù)

調(diào)制的目的是把要傳輸?shù)男畔⒆兂蛇m合在信道上傳輸?shù)男盘?hào)。模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)中廣泛使用角度調(diào)制（調(diào)制或調(diào)相）?，F(xiàn)代移動(dòng)通信已完成由模擬到數(shù)字的過渡，所以先進(jìn)的數(shù)字調(diào)制技術(shù)是移動(dòng)通信的研究方向之一。

1.數(shù)字調(diào)制的要求

數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)是數(shù)字移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)它有如下主要要求：

（1）頻率利用率高。數(shù)字調(diào)制的頻率利用率是指在單位頻帶內(nèi)能傳輸?shù)男畔⒈忍芈?，以（b/s）/Hz為單位。提高頻率利用率（即頻譜效率）的措施很多，但最基本的辦法是采用窄帶調(diào)制，減少信號(hào)所占帶寬，即要求頻譜的主瓣窄，使主要能量集中在頻帶之內(nèi)，而帶外的剩余分量盡可能低。

（2）誤碼性能好。移動(dòng)通信環(huán)境以衰落、噪聲、干擾為特點(diǎn)，包括多徑瑞利衰落、頻率選擇性衰落、多普勒頻移和障礙物阻擋的聯(lián)合影響。因此，必須根據(jù)抗衰落和干擾能力來優(yōu)選調(diào)制方案。誤碼性能的好壞實(shí)際上反映了信號(hào)的功率利用率的高低。

（3）能接受差分檢測，易于解調(diào)。由于移動(dòng)通信系統(tǒng)的接收信號(hào)具有衰落和時(shí)變特性，相干解調(diào)性能明顯變差，而差分檢測不需載波恢復(fù)，能實(shí)現(xiàn)快速同步，獲得好的誤碼性能，因而差分檢測的數(shù)字調(diào)制方案被越來越多地應(yīng)用于數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中。

（4）功率效率高。在非線性工作模式下，數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)性能劣化小，電源效率高。

2.主要的數(shù)字調(diào)制方式

移動(dòng)通信的電波傳播條件惡劣，地形地物對(duì)其影響較大，移動(dòng)通信中的調(diào)制技術(shù)應(yīng)適應(yīng)這種變參信道的條件。

應(yīng)用于移動(dòng)通信的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，按信號(hào)相位是否連續(xù)，可分為相位連續(xù)的調(diào)制和相位不連續(xù)的調(diào)制；按信號(hào)包絡(luò)是否恒定，可分為恒定包絡(luò)和非恒定包絡(luò)調(diào)制。

主要的調(diào)制方式有：

（1）最小移頻鍵控（MSK）。

（2）高斯濾波最小移頻鍵控（GMSK）。

（3）QPSK調(diào)制。

（4）π/4-QPSK調(diào)制。

7.2.4交織技術(shù)

我們知道，在數(shù)字通信中，由于傳輸特性不理想及各種干擾和噪聲的影響，將產(chǎn)生傳輸差錯(cuò)。信道編碼（分組編碼和卷積編碼）只能糾正錯(cuò)誤比特或有限連續(xù)錯(cuò)誤比特。但在陸地移動(dòng)信道上，大多數(shù)誤碼的產(chǎn)生是由于長突發(fā)形式的串錯(cuò)誤比特引起的。采用交織技術(shù)的目的是使誤碼離散化，使突發(fā)差錯(cuò)變?yōu)殡S機(jī)離散差錯(cuò)。接收端通過糾正隨機(jī)離散差錯(cuò)，能夠改善整個(gè)數(shù)據(jù)序列的傳輸質(zhì)量。

交織技術(shù)的一般原理如下。

假定有由一些比特組成的消息分組，把4個(gè)相繼分組中的第一個(gè)比特取出來，并讓這4個(gè)第1比特組成一個(gè)新的4比特分組，稱為第1幀。對(duì)這4個(gè)消息分組中的第2～4比特也做同樣的處理，如圖7-7所示。然后依次傳送第1比特組成的幀，第2比特組成的幀……

。如果沒有交織，假設(shè)在傳輸期間，第2組丟失，就丟失了某一整個(gè)消息分組；但采用交織技術(shù)后，只有每個(gè)消息分組的第2比特丟失，再利用信道編碼，全部消息分組中的消息仍可恢復(fù)，這就是交織技術(shù)的基本原理。概括地說，交織就是把碼字的b個(gè)比特分散到n個(gè)幀中，以改變比特間的鄰近關(guān)系，因而n（n為交織深度）值越大，傳輸性能越好。但是交織將帶來時(shí)延，因?yàn)樵谑瞻l(fā)雙方均有先存儲(chǔ)后讀取數(shù)據(jù)處理的過程，故n值越大，傳輸時(shí)延也越大，所以在實(shí)際使用中必須作折中考慮。

圖7-7交織原理

在GSM交織方案實(shí)施中，交織分兩次進(jìn)行。第一次為比特間交織。語音編碼器和信道編碼器將每一20ms語音數(shù)字化并進(jìn)行編碼，提供456bit數(shù)據(jù)，速率為22.8kb/s。將456bit

按57×8交織矩陣分成8組，每組57bit就成為經(jīng)矩陣交織后的離散編碼比特分布。第二交織為塊間交織。在一個(gè)普通突發(fā)脈沖（時(shí)隙）中可傳輸2組57bit數(shù)據(jù)，GSM系統(tǒng)將相鄰兩個(gè)語音塊再進(jìn)行交織，每一個(gè)20ms語音已成為8組57bit組，前一個(gè)20ms的第5、6、7、8組分別與后一個(gè)20ms的第1、2、3、4組結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)時(shí)隙（TS）的語音數(shù)據(jù)，如圖7－8所示。

圖7-8GSM系統(tǒng)的語音交織

7.2.5自適應(yīng)均衡技術(shù)

均衡是指對(duì)信道特性的均衡，即接收的均衡器產(chǎn)生與信道特性相反的特性，用來抵消由信道的時(shí)變多徑傳播特性引起的碼間干擾。均衡有兩條基本途徑：一是頻域均衡，它使包括均衡器在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)的總傳輸函數(shù)滿足無失真?zhèn)鬏數(shù)臈l件，需要分別校正幅頻特性和群時(shí)延特性；二是時(shí)域均衡器，就是直接從時(shí)間響應(yīng)來考慮，使包括均衡器在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)的沖激響應(yīng)滿足誤碼間串?dāng)_的條件。數(shù)字通信中面臨的問題是時(shí)變信號(hào)，因而需采用時(shí)域均衡。

時(shí)域均衡的主體是橫向?yàn)V波器，它由多級(jí)抽頭延遲線、加權(quán)系數(shù)相乘器（或可變?cè)鲆骐娐罚┘跋嗉悠鹘M成，如圖7-9所示。

圖7-9橫向?yàn)V波器

自適應(yīng)均衡器所追求的目標(biāo)就是達(dá)到最佳抽頭增益系數(shù)，它直接從傳輸?shù)膶?shí)際數(shù)字信號(hào)中根據(jù)某種算法不斷調(diào)整增益，因而能適應(yīng)信道的隨機(jī)變化，使均衡器總是保持最佳的工作狀態(tài)，有較好的失真補(bǔ)償性能。自適應(yīng)均衡器有三個(gè)特性：快速初始收斂特性、好的跟蹤信道時(shí)特性和低的運(yùn)算量特性。因此，實(shí)際使用的自適應(yīng)均衡器在正式工作前先發(fā)一定長度的測試脈沖序列，又稱訓(xùn)練序列，以調(diào)整均衡器的抽頭系數(shù)，使均衡器基本上趨于收斂，然后再自動(dòng)改變?yōu)樽赃m應(yīng)工作方式，使均衡器維持最佳狀態(tài)。

7.2.6信道配置技術(shù)

我們知道傳輸損耗是隨著距離的增大而增加的，并且與地形環(huán)境密切相關(guān)，因而移動(dòng)臺(tái)與基站的通信距離是有限的。在FDMA系統(tǒng)中，通常每個(gè)信道有一部對(duì)應(yīng)的收發(fā)信機(jī)。由于電磁兼容等因素的限制，在同一地點(diǎn)工作的收發(fā)信機(jī)數(shù)目是有限的。因此，用單個(gè)基站覆蓋的一個(gè)服務(wù)區(qū)（通常稱為大區(qū)）可容納的用戶數(shù)是有限的，無法滿足大容量的要求。

為了使得服務(wù)區(qū)達(dá)到無縫覆蓋，提高系統(tǒng)的容量，需要采用多個(gè)基站來覆蓋給定的服務(wù)區(qū)。每個(gè)基站的覆蓋區(qū)稱為一個(gè)小區(qū)。我們可以給每個(gè)小區(qū)分配不同的頻率，但這樣需要大量的頻率資源，且頻譜利用率低。為此，我們需將相同的頻率在相隔一定距離的小區(qū)中重復(fù)使用，只要使用相同頻率小區(qū)（同頻小區(qū)）之間的干擾足夠小即可。

1.帶狀網(wǎng)

帶狀網(wǎng)主要用于覆蓋公路、鐵路、海岸、狹長城市等的帶狀服務(wù)區(qū)，如圖7-10所示。帶狀服務(wù)區(qū)的基站可以使用定向天線。整個(gè)系統(tǒng)是由許多細(xì)長區(qū)域鏈接而成的。

圖7-10帶狀服務(wù)區(qū)

帶狀網(wǎng)頻率復(fù)用常采用的方法有二頻組和三頻組。二頻組是指采用不同頻率組的兩個(gè)小區(qū)組成的一個(gè)區(qū)群，三頻組是指采用不同頻率組的三個(gè)小區(qū)組成的一個(gè)區(qū)群，如圖7-11所示。

圖7-11二頻組和三頻組工作方式

2.蜂窩網(wǎng)

在平面區(qū)內(nèi)劃分小區(qū)，為了不留空隙地覆蓋整個(gè)平面的服務(wù)區(qū)，一個(gè)個(gè)圓形輻射區(qū)之間一定含有很多的交疊。在考慮了交疊之后，實(shí)際上每個(gè)輻射區(qū)的有效覆蓋區(qū)是一個(gè)多邊形。可以證明，要用正多邊形無空隙、無重疊地覆蓋一個(gè)平面的區(qū)域，可取的形狀只有正三角形、正四方形和正六邊形三種。在服務(wù)區(qū)面積一定的情況下，正六邊形小區(qū)的形狀最接近理想的圓形，用它覆蓋整個(gè)服務(wù)區(qū)所需的基站數(shù)最少，也就最經(jīng)濟(jì)。由正六邊形構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)形同蜂窩，因此把形狀為六邊形的小區(qū)移動(dòng)通信網(wǎng)稱為蜂窩網(wǎng)。

信道（頻率）配置主要解決將給定的信道（頻率）如何分配給在一個(gè)區(qū)群的各個(gè)小區(qū)的問題。在CDMA系統(tǒng)中，所有用戶使用相同的工作頻率，因而無需進(jìn)行頻率配置。頻率配置主要針對(duì)FDMA和TDMA系統(tǒng)。信道配置的方式主要有兩種：一是分區(qū)分組配置法；二是等頻距配置法。

7.3GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)

歐洲各國為了建立全歐統(tǒng)一的數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)，在1982年成立了移動(dòng)通信特別小組（GSM），提出了開發(fā)數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)的目標(biāo)。1986年，歐洲有關(guān)國家在進(jìn)行大量研究、實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場測試、比較論證的基礎(chǔ)上，于1988年制定出GSM標(biāo)準(zhǔn)，并于1991年率先投入商用，隨后在整個(gè)歐洲、大洋洲以及其他許多的國家和地區(qū)得到了廣泛普及，成為目前覆蓋面最大、用戶數(shù)最多的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)。

GSM系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）具有開放的通用接口標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)采用7號(hào)信令作為互連標(biāo)準(zhǔn)，并采用與ISDN用戶網(wǎng)絡(luò)接口一致的三層分層協(xié)議，這樣易于與PSTN、ISDN等公共電信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互通，同時(shí)便于擴(kuò)展功能和引入各種ISDN業(yè)務(wù)。

（2）提供可靠的安全保護(hù)功能。在GSM系統(tǒng)中，采用了多種安全手段來進(jìn)行用戶識(shí)別、鑒權(quán)與傳輸信息的加密，保護(hù)用戶的權(quán)利和隱私。GSM系統(tǒng)中的每個(gè)用戶都有一張唯一的SIM（客戶識(shí)別模塊）卡，它是一張帶微處理器的智能卡（IC卡），存儲(chǔ)著用于認(rèn)證的用戶身份特征信息和與網(wǎng)絡(luò)操作、安全管理以及保密相關(guān)的信息。移動(dòng)臺(tái)只有插入SIM卡才能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)操作。

（3）支持各種電信承載業(yè)務(wù)和補(bǔ)充業(yè)務(wù)，增值業(yè)務(wù)豐富。電信業(yè)務(wù)是GSM的主要業(yè)務(wù)，它包括電話、傳真、短消息、可視圖文以及緊急呼叫等業(yè)務(wù)。由于GSM中所傳輸?shù)氖菙?shù)字信息，因此無需采用Modem就能提供數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)，這些數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)包括電路交換異步數(shù)據(jù)、1200～9600b/s的電路交換同步數(shù)據(jù)和300～9600b/s的分組交換異步數(shù)據(jù)。將GSM升級(jí)至GPRS后，更支持高達(dá)171.2kb/s的分組交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

（4）具有跨系統(tǒng)、跨地區(qū)、跨國度的自動(dòng)漫游能力。

（5）容量大，頻譜利用率高，抗衰落、抗干擾能力得到加強(qiáng)。與模擬移動(dòng)通信相比，在相同頻帶寬度下，GSM的通信容量增大為原來的3～5倍。另外，由于在系統(tǒng)中使用了窄帶調(diào)制、語言壓縮編碼等技術(shù)，因此頻率可多次重復(fù)使用，從而提高了頻率利用率，同時(shí)便于靈活組網(wǎng)。又因?yàn)樵贕SM中采用了分集、交織、差錯(cuò)控制、跳頻等技術(shù)，系統(tǒng)的抗衰落、抗干擾能力得到了加強(qiáng)。

（6）易于實(shí)現(xiàn)向第三代系統(tǒng)的平滑過渡。

正是由于GSM系統(tǒng)具有以上諸多優(yōu)點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)了個(gè)人移動(dòng)性和終端移動(dòng)性，因此在全球得到了廣泛的應(yīng)用，占據(jù)了全球移動(dòng)通信市場70%以上的份額。

7.3

GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)

7.3.1GSM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

GSM數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)主要由網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（NSS）、基站子系統(tǒng)（BSS）和移動(dòng)臺(tái)（MS）組成，如圖7-12所示?；咀酉到y(tǒng)（BSS）由基站收發(fā)機(jī)組（BTS）和基站控制器（BSC）組成；網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)由移動(dòng)交換中心（MSC）、歸屬位置寄存器（HLR）、拜訪位置寄存器（VLR）、鑒權(quán)中心（AUC）、設(shè)備識(shí)別寄存器（EIR）、操作維護(hù)中心（OMC）等組成。除此之外，GSM網(wǎng)中還配有短信息業(yè)務(wù)中心（SC），既可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的短信息業(yè)務(wù)，也可實(shí)現(xiàn)廣播式的公共信息業(yè)務(wù)以及語音留言業(yè)務(wù)。

圖7-12GSM蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)由以下一系列的功能實(shí)體構(gòu)成。

1）移動(dòng)交換中心（MSC）

MSC的主要功能是對(duì)位于本MSC控制區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)用戶進(jìn)行通信控制和管理。MSC是蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)的核心，它是用于對(duì)覆蓋區(qū)域中的移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行控制和話音交換的功能實(shí)體，同時(shí)也為本系統(tǒng)連接別的MSC和其他公用通信網(wǎng)絡(luò)（如公用交換電信網(wǎng)PSTN、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)ISDN和公用數(shù)據(jù)網(wǎng)PDN）提供鏈路接口。MSC主要完成交換功能、計(jì)費(fèi)功能、網(wǎng)絡(luò)接口功能、無線資源管理與移動(dòng)性能管理功能等，具體包括：信道的管理和分配；呼叫的處理和控制；越區(qū)切換和漫游的控制；用戶位置信息的登記與管理；用戶號(hào)碼和移動(dòng)設(shè)備號(hào)碼的登記和管理；服務(wù)類型的控制；對(duì)用戶實(shí)施鑒權(quán)，保證用戶在轉(zhuǎn)移或漫游的過程中實(shí)現(xiàn)無間隙的服務(wù)等。

2）歸屬位置寄存器（HLR）

HLR是GSM系統(tǒng)的中央數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)著該控制區(qū)內(nèi)所有移動(dòng)用戶的管理信息。其中包括用戶的注冊(cè)信息和有關(guān)各用戶當(dāng)前所處位置的信息等。每一個(gè)用戶都應(yīng)在入網(wǎng)所在地的HLR中登記注冊(cè)。

3）拜訪位置寄存器（VLR）

VLR是一個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫，記錄著當(dāng)前進(jìn)入其服務(wù)區(qū)內(nèi)已登記的移動(dòng)用戶的相關(guān)信息，如用戶號(hào)碼、所處位置區(qū)域信息等。一旦移動(dòng)用戶離開該服務(wù)區(qū)而在另一個(gè)VLR中重新登記時(shí)，該移動(dòng)用戶的相關(guān)信息即被刪除。

4）鑒權(quán)中心（AUC）

AUC存儲(chǔ)著鑒權(quán)算法和加密密鑰，在確定移動(dòng)用戶身份和對(duì)呼叫進(jìn)行鑒權(quán)、加密處理時(shí)，提供所需的三個(gè)參數(shù)（隨機(jī)號(hào)碼RAND、負(fù)荷響應(yīng)SRES、密鑰Kb），用來防止無權(quán)用戶接入系統(tǒng)和保證通過無線接口的移動(dòng)用戶的通信安全。

5）設(shè)備識(shí)別寄存器（EIR）

EIR也是一個(gè)數(shù)據(jù)庫，用于存儲(chǔ)移動(dòng)臺(tái)的有關(guān)設(shè)備參數(shù)，主要完成對(duì)移動(dòng)設(shè)備的識(shí)別、監(jiān)視、閉鎖等功能，以防止非法移動(dòng)臺(tái)的使用。目前，我國各移動(dòng)運(yùn)營商尚未啟用EIR設(shè)備。

6）操作維護(hù)中心（OMC）

OMC用于對(duì)GMC系統(tǒng)進(jìn)行集中操作、維護(hù)與管理，允許遠(yuǎn)程集中操作、維護(hù)與管理，并支持高層網(wǎng)絡(luò)管理中心（NMC）的接口。它具體又包括無線操作維護(hù)中心（OMC-R）和交換網(wǎng)絡(luò)操作維護(hù)中心（OMC-S）。OMC通過X.25接口對(duì)BSS和NSS分別進(jìn)行操作、維護(hù)與管理，可實(shí)現(xiàn)事件/告警管理、故障管理、性能管理、安全管理和配置管理等功能。

2.基站子系統(tǒng)（BSS）

基站子系統(tǒng)包括基站收發(fā)機(jī)組（BTS）和基站控制器（BSC）。該子系統(tǒng)由MSC控制，通過無線信道完成與MS的通信，主要實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)的收發(fā)以及無線資源管理等功能。

1）基站收發(fā)機(jī)組（BTS）

BTS包括無線傳輸所需要的各種硬件和軟件，如多部收發(fā)機(jī)、支持各種小區(qū)結(jié)構(gòu)（如全向、扇形）所需要的天線、連接基站控制的接口電路以及收發(fā)機(jī)本身所需要的檢測和控制裝置等。它可實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)區(qū)的無線覆蓋，并在BSC的控制下提供足夠與MS連接的無線信道。

2）基站控制器（BSC）

BSC是基站收發(fā)信機(jī)組（BTS）和移動(dòng)交換中心之間的連接點(diǎn)，也為BTS和操作維護(hù)中心（OMC）之間交換信息提供接口。一個(gè)基站控制器通常控制多個(gè)BTS，可完成無線網(wǎng)絡(luò)資源管理、小區(qū)配置數(shù)據(jù)管理、功能控制、呼叫和通信鏈路的建立和拆除、本控制區(qū)內(nèi)移動(dòng)臺(tái)的越區(qū)切換控制等功能。

3.移動(dòng)臺(tái)（MS）

移動(dòng)臺(tái)即便攜臺(tái)（手機(jī))或車載臺(tái)，它包括移動(dòng)終端（MT）和用戶識(shí)別模塊（SIM卡）兩部分，其中移動(dòng)終端可完成話音編碼、信息加密、信息調(diào)制和調(diào)解以及信息發(fā)射和接收等功能，SIM卡則存有確認(rèn)用戶身份所需的認(rèn)證信息以及與網(wǎng)絡(luò)和用戶有關(guān)的管理數(shù)據(jù)。只有插入SIM卡后移動(dòng)終端才能入網(wǎng)。SIM卡上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器還可用做電話號(hào)碼簿，SIM卡也支持手機(jī)銀行、手機(jī)證券等MIK增值業(yè)務(wù)。

4.移動(dòng)話路網(wǎng)結(jié)構(gòu)

移動(dòng)話路網(wǎng)由三級(jí)構(gòu)成，即移動(dòng)業(yè)務(wù)本地網(wǎng)、省內(nèi)網(wǎng)和全國網(wǎng)。

在各大區(qū)設(shè)置一級(jí)匯接中心，稱為TMSC1。目前，我國各主要省份的省會(huì)均設(shè)有TMSC1，各一級(jí)匯接中心之間以網(wǎng)狀方式相連，可實(shí)現(xiàn)省級(jí)話路的匯接，從而構(gòu)成全國網(wǎng)。

各省設(shè)兩個(gè)或兩個(gè)以上二級(jí)匯接中心，稱為TMSC2，它們彼此間以網(wǎng)狀方式相連，并與其歸屬的TMSC1連接，完成省內(nèi)地區(qū)移動(dòng)業(yè)務(wù)本地網(wǎng)的話路匯接，構(gòu)成省內(nèi)網(wǎng)。

通常長途區(qū)號(hào)為二位或三位的地區(qū)設(shè)為一個(gè)移動(dòng)業(yè)務(wù)本地網(wǎng)，每個(gè)移動(dòng)業(yè)務(wù)本地網(wǎng)中可以設(shè)立一個(gè)或幾個(gè)移動(dòng)端局（MSC），并設(shè)立一個(gè)或多個(gè)HLR，存儲(chǔ)歸屬網(wǎng)與該移動(dòng)業(yè)務(wù)本地網(wǎng)的所有用戶的有關(guān)數(shù)據(jù)。移動(dòng)端局與其歸屬的二級(jí)匯接中心間以星形方式相連。如果任意兩個(gè)移動(dòng)端局間的業(yè)務(wù)量較大，則可申請(qǐng)建立直達(dá)專線。移動(dòng)本地網(wǎng)與其他固定網(wǎng)市話端局（LS）、匯接局（Tm）和長途局（TS）的互連互通是通過各自的關(guān)口局實(shí)現(xiàn)的。我國移動(dòng)通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖7-13所示。

圖7-13我國移動(dòng)通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

5.移動(dòng)信令網(wǎng)結(jié)構(gòu)

GSM移動(dòng)信令網(wǎng)是我國7號(hào)信令網(wǎng)的一部分。信令網(wǎng)由信令鏈路（SL）、信令點(diǎn)（SP）和信令轉(zhuǎn)接點(diǎn)（STP）組成。

我國信令網(wǎng)也采用與話路網(wǎng)類似的三級(jí)結(jié)構(gòu)，在各省或大區(qū)設(shè)有兩個(gè)HSTP（高級(jí)信令轉(zhuǎn)接點(diǎn)），同時(shí)省內(nèi)至少還設(shè)有兩個(gè)LSTP，移動(dòng)網(wǎng)中的其他功能實(shí)體（如MSC、HLR等）作為SP。

為了提高傳輸?shù)目煽啃?，MSC、VLR、AUC、EIR等的每個(gè)SP至少應(yīng)連到兩個(gè)省內(nèi)的LSTP上；省內(nèi)LSTP之間以網(wǎng)狀方式相連，同時(shí)它們還與其歸屬的兩個(gè)HSTP相連。根據(jù)省際話務(wù)量的大小，還可將本地網(wǎng)的信令點(diǎn)直接與相應(yīng)的HSTP相連。HSTP之間以網(wǎng)狀方式相連接。移動(dòng)信令網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖7-14所示。

圖7-14移動(dòng)信令網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

6.編號(hào)方式

GSM蜂窩電話系統(tǒng)中移動(dòng)用戶的編碼與ISDN網(wǎng)一致，號(hào)碼組成格式如下：

我國國家碼為86，國內(nèi)移動(dòng)用戶ISDN號(hào)碼為一個(gè)11位數(shù)字的等長號(hào)碼：

N1N2N3H0H1H2H3××××其中，N1N2N3為數(shù)字蜂窩移動(dòng)業(yè)務(wù)接入號(hào)（網(wǎng)號(hào)），中國移動(dòng)139、138、137、136、135，中國聯(lián)通為130、131：H0H1H2H3為（歸屬位置寄存器）識(shí)別號(hào)，表示用戶歸屬的HLR，用來區(qū)別不同的移動(dòng)業(yè)務(wù)區(qū)：××××為四位用戶號(hào)碼。

相應(yīng)的撥號(hào)程序?yàn)椋?/p>

移動(dòng)用戶→外地固定用戶：0+長途區(qū)號(hào)+固定用戶電話號(hào)碼，即0+XYZ+PQRABCD。

移動(dòng)用戶→移動(dòng)用戶：移動(dòng)用戶電話號(hào)碼。

固定用戶→本地移動(dòng)用戶：移動(dòng)用戶電話號(hào)碼，即139（138、137…）H0H1H2H3××××。

固定用戶→其他區(qū)移動(dòng)用戶：0+移動(dòng)用戶電話號(hào)碼，即0+139（138、137…）H0H1H2H3××××。

7.3.2

GSM系統(tǒng)的無線空中接口

GSM在制定技術(shù)規(guī)范時(shí)，對(duì)其子系統(tǒng)之間及各功能實(shí)體之間的接口和協(xié)議作了比較具體的定義,使不同的設(shè)備供應(yīng)商提供的系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)備能夠符合統(tǒng)一的GSM技術(shù)規(guī)范而達(dá)到互通/組網(wǎng)的目的。根據(jù)GSM系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范，系統(tǒng)內(nèi)部的主要接口有四個(gè)，分別是移動(dòng)臺(tái)與BTS之間的接口(也稱為無線空中接口)、BTS與BSC之間的接口(也叫Abis接口)、BSC與MSC之間的接口(也叫A接口)、MSC與PSTN之間的接口，如圖7-15所示。除Abis接口外，其他接口都是標(biāo)準(zhǔn)化接口，這樣有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化與通用化。

圖7-15GSM系統(tǒng)內(nèi)的接口無線空中接口

1.GSM系統(tǒng)無線傳輸特性

1）工作頻段

GSM系統(tǒng)包括900MHz和1800MHz兩個(gè)頻段。早期使用的是GSM900頻段，隨著業(yè)務(wù)量的不斷增長，DCS1800頻段投入使用。目前，在許多地方這兩個(gè)頻段的網(wǎng)絡(luò)同時(shí)存在，構(gòu)成“雙頻”網(wǎng)絡(luò)。

GSM使用的900MHz、1800MHz頻段如表7-1所示。

表7-1GSM使用的900MHz、1800MHz頻段

2）多址方式

GSM蜂窩系統(tǒng)采用時(shí)分多址/頻分雙工（TDMA/FDMA/FDD）制式，頻道間隔為200kHz

，每個(gè)頻道采用多址接入方式，共分為8個(gè)時(shí)隙，時(shí)隙寬度為0.577ms。8個(gè)時(shí)隙構(gòu)成一個(gè)TDMA幀，幀長為4.615ms。當(dāng)采用全速率話音編碼時(shí)，每個(gè)頻道提供8個(gè)時(shí)分信道。如果將來采用半速率話音編碼，那么每個(gè)頻道將能容納16個(gè)半速率信道，從而達(dá)到提高頻率利用率、增大系統(tǒng)容量的目的。收發(fā)采用不同的頻率，一對(duì)雙工載波上下行鏈路各用一個(gè)時(shí)隙構(gòu)成一個(gè)雙向物理信道，并根據(jù)需要分配給不同的用戶使用。移動(dòng)臺(tái)在特定的頻率上和特定的時(shí)隙內(nèi)，以猝發(fā)方式向基站傳輸信息，基站在相應(yīng)的頻率上和相應(yīng)的時(shí)隙內(nèi)以時(shí)分復(fù)用的方式向各個(gè)移動(dòng)臺(tái)傳輸信息。

3)頻率配置

在FDMA網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行組網(wǎng)和頻率分配時(shí)，為了防止同頻和鄰頻干擾，應(yīng)遵循以下原則：

（1）在滿足同頻抑制要求的條件下，應(yīng)減少小區(qū)數(shù)，即盡量減少一簇內(nèi)的小區(qū)數(shù)，提高頻率利用率。

（2）一簇內(nèi)的小區(qū)不得使用相同頻率，只有在不同簇的小區(qū)中才能使用相同的頻率。

（3）在同一個(gè)基站或同一個(gè)小區(qū)內(nèi)，應(yīng)盡量使用相隔頻率，以避免鄰頻引起的干擾。

常用的頻分復(fù)用模式有21小區(qū)形式(即一簇中有7個(gè)基站，每個(gè)基站有3個(gè)扇區(qū))、12小區(qū)形式(即一簇中有4個(gè)基站，每個(gè)基站有3個(gè)扇區(qū))以及9小區(qū)形式(即一簇中有3個(gè)基站，每個(gè)基站有3個(gè)扇區(qū))。12小區(qū)和9小區(qū)形式示意圖如圖7-16所示。在12小區(qū)形式中，可使用36個(gè)連續(xù)頻道號(hào)，按照鏈形法頻率分配方式，各基站的每個(gè)扇區(qū)分配的頻道號(hào)如表7-2所示。

圖7-16小區(qū)中頻分復(fù)用示意圖

（a）12小區(qū)形式；(b)9小區(qū)形式

表7-212小區(qū)形式（4基站3扇區(qū)）頻道號(hào)分配

2.無線空中接口信道定義

1）物理信道

GSM的無線空中接口采用TDMA接入方式，即在一個(gè)載頻上按時(shí)間劃分8個(gè)時(shí)隙構(gòu)成一個(gè)TDMA幀，每個(gè)時(shí)隙稱為一個(gè)物理信道，每個(gè)用戶按指定載頻和時(shí)隙的物理信道接入系統(tǒng)并周期性地發(fā)送和接收脈沖突發(fā)序列，完成無線接口上的信道交互。每個(gè)載頻的8個(gè)物理信道記為信道0～7（時(shí)隙0～7），當(dāng)需要更多的物理信道時(shí)，就需要增加新的載波，因?yàn)镚SM實(shí)質(zhì)上是一個(gè)FDMA與TDMA的混合接入系統(tǒng)。

2）邏輯信道

根據(jù)無線接口上MS與網(wǎng)絡(luò)間傳送的信息種類，GSM定義了多種邏輯信道傳送這些信息。邏輯信道在傳輸過程中映射到某個(gè)物理信道上，最終實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸。

邏輯信道可分為兩類，即業(yè)務(wù)信道（TCH）和控制信道（CCH）。

(1)業(yè)務(wù)信道（TCH）。業(yè)務(wù)信道主要傳送數(shù)字話音或用戶數(shù)據(jù)，在前向鏈路和反向鏈路上具有相同的功能和格式。GSM業(yè)務(wù)信道又分為全速率業(yè)務(wù)信道（TCH/F）和半速率業(yè)務(wù)信道（TCH/H）。當(dāng)以全速率傳送時(shí)，用戶數(shù)據(jù)包含在每幀的一個(gè)時(shí)隙內(nèi)；當(dāng)以半速率傳送時(shí)，用戶數(shù)據(jù)映射到相同的時(shí)隙上，但是在交替幀內(nèi)發(fā)送。也就是說，兩個(gè)半速率信道用戶將共享相同的時(shí)隙，每隔一幀交替發(fā)送。目前使用的是全速率業(yè)務(wù)信道，將來采用低比特率話音編碼器后可使用半速率業(yè)務(wù)信道，從而在信道傳輸速率不變的情況下，使信道數(shù)目加倍，也就是使系統(tǒng)容量加倍。

（2）控制信道（CCH）?？刂菩诺烙糜趥魉托帕詈屯叫盘?hào)。某些類型的控制信道只定義給前向鏈路或反向鏈路。GSM系統(tǒng)中有三種主要的控制信道：廣播信道（BCH）、公共控制信道（CCCH）和專用控制信道（DCCH）。每個(gè)信道由幾個(gè)邏輯信道組成，這些邏輯信道按時(shí)間分布提供GSM必要的控制功能，如圖7-17所示。表7-3總結(jié)了CCH類型，并對(duì)每個(gè)信道及其任務(wù)進(jìn)行了詳細(xì)的說明。

圖7-17GSM系統(tǒng)的信道分類

FCCH、SCH和BCCH統(tǒng)稱為廣播信道（BCH）；PCH、RACH和AGCH又合稱公共控制信道（CCCH）。為了理解業(yè)務(wù)信道和各種控制信道是如何使用的，我們考慮從GSM系統(tǒng)中的移動(dòng)臺(tái)發(fā)出呼叫的情況。首先，用戶在檢測BCH時(shí)，必須與相近的基站取得同步。通過接收FCCH、SCH和BCCH信息，用戶將被鎖定到系統(tǒng)及適當(dāng)?shù)腂CH上。為了發(fā)出呼叫，用戶首先要撥號(hào)，并按GSM手機(jī)上的發(fā)射按鈕。移動(dòng)臺(tái)用它的基站的射頻載波（ARFCN）來發(fā)射RACH數(shù)據(jù)突發(fā)序列。然后，基站以CCCH上的AGCH信息來響應(yīng)，CCCH為移動(dòng)臺(tái)指定一個(gè)新的信道進(jìn)行SDCCH連接。正在監(jiān)測BCH中時(shí)隙0（TS0）的用戶，將從AGCH接收到分配給它的載頻（ARFCN）和時(shí)隙（TS），并立即轉(zhuǎn)到新的載頻（ARFCN）和TS上，這一新的載頻和TS分配就是SDCCH（不是TCH）。

一旦轉(zhuǎn)接到SDCCH，用戶首先等待傳給它的SACCH幀（等待最大持續(xù)26幀或120ms）。該幀告知移動(dòng)臺(tái)要求的定時(shí)提前量和發(fā)射功率?；靖鶕?jù)移動(dòng)臺(tái)以前的RACH傳輸數(shù)據(jù)能夠確定合適的定時(shí)提前量和功率等級(jí)，并且通過SACCH發(fā)送適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)供移動(dòng)臺(tái)處理。在接收和處理完SACCH中的定時(shí)提前量信息后，用戶能夠發(fā)送正常的、話音業(yè)務(wù)所要求的突發(fā)序列消息。當(dāng)PSTN從撥號(hào)端連接到MSC,且MSC將話音路徑接入服務(wù)基站時(shí)，SDCCH檢查用戶的合法性及有效性，隨后在移動(dòng)臺(tái)和基站之間發(fā)送信息。最后，基站經(jīng)由SDCCH告知移動(dòng)臺(tái)重新轉(zhuǎn)向一個(gè)為TCH安排的ARFCN和TS。一旦再次接到TCH，語音信號(hào)就在前向和反向鏈路上傳送，呼叫成功建立，SDCCH被清空。

表7-3CCH信道類型

3.無線空中接口技術(shù)

1）無線空中接口上的信息傳輸

GSM無線接口上的信息需經(jīng)多個(gè)處理才能安全可靠地送到空中無線信道上傳輸。以話音信號(hào)傳輸為例，模擬話音通過一個(gè)GSM話音編碼器后轉(zhuǎn)換成13kb/s的信號(hào)，經(jīng)信道編碼變?yōu)?2.8kb/s的信號(hào)，再經(jīng)交織、加密和突發(fā)脈沖格式化后變?yōu)?3.8kb/s的碼流。無線空中接口上每個(gè)載頻的8個(gè)時(shí)隙的碼流經(jīng)GMSK調(diào)制后發(fā)送出去,因而GSM無線空中接口上的數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到270.833kb/s。無線空中接口接收端的處理過程與之相反。

2）話音編碼與信道編碼

GSM話音編碼器采用規(guī)則脈沖激勵(lì)—長期預(yù)測編碼（RPE-LTP），其處理過程是先對(duì)模擬話音進(jìn)行8kHz抽樣，將其調(diào)整為一幀，然后進(jìn)行編碼，編碼后的話音幀幀長為20ms，含260bit，因而話音的純比特率為13kb/s。

為了提高無線空中接口信息數(shù)據(jù)傳遞的可靠性，GSM系統(tǒng)采用了信道編碼手段在數(shù)據(jù)流中引入冗余，以便檢測和糾正信息傳輸期間引入的差錯(cuò)。信道編碼采用帶有差錯(cuò)校驗(yàn)的1/2碼率卷積碼，并跟隨有交織處理。

在話音幀的260bit中，根據(jù)這些比特對(duì)傳輸差錯(cuò)的敏感性可將其分成兩類：Ⅰ類（182bit

）和Ⅱ類（78bit）。根據(jù)其傳輸差錯(cuò)敏感性，GSM信道編碼器對(duì)這兩類數(shù)據(jù)進(jìn)行了不同的冗余處理。其中，Ⅰ類數(shù)據(jù)比特對(duì)傳輸差錯(cuò)敏感性比較強(qiáng)，可考慮對(duì)其進(jìn)行信道編碼保護(hù)；對(duì)于Ⅱ類數(shù)據(jù)比特，傳輸差錯(cuò)僅涉及到誤比特率的劣化，不影響幀差錯(cuò)率，故無需對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。Ⅰ類的數(shù)據(jù)比特又可分成兩個(gè)子類：a類（50bit）和b類（132bit）。其中，a類的50bit是非常重要的比特，其重要性在于這50bit數(shù)據(jù)中的任何一比特的傳輸差錯(cuò)都會(huì)導(dǎo)致語音信號(hào)質(zhì)量的明顯下降，致使該語音幀不可用，直接影響到幀差錯(cuò)率。因此在信道編碼時(shí)，首先對(duì)這50bit進(jìn)行塊編碼，加入循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC），然后再進(jìn)行信道編碼。接收端對(duì)該50bit需確認(rèn)傳輸中有無出現(xiàn)差錯(cuò)，如確認(rèn)傳輸導(dǎo)致其任一比特出現(xiàn)差錯(cuò)，則需舍去該50bit對(duì)應(yīng)的整個(gè)話音幀，并通過外延時(shí)的方法保證話音的連續(xù)性和話音質(zhì)量。

話音信號(hào)的信道編碼過程如圖7-18所示。經(jīng)過信道編碼后，GSM一個(gè)話音幀的數(shù)據(jù)位將達(dá)到456bit，速率為22.8kb/s。

圖7-18GSM信道編碼過程

3)交織

雖然信道編碼為話音信號(hào)傳輸提供了糾錯(cuò)功能，但它只能糾正一些隨機(jī)突發(fā)誤碼。由于移動(dòng)傳播環(huán)境的惡劣和移動(dòng)用戶移動(dòng)的復(fù)雜性，常會(huì)遇到連續(xù)突發(fā)誤碼的情況，如當(dāng)MS快速通過大樓底部或快速穿過短隧道時(shí)，就無法充分發(fā)揮信道編碼的糾錯(cuò)性能。為此，話音信號(hào)通過信道編碼后，還需進(jìn)行交織處理，以減少無線信道傳輸中的連續(xù)突發(fā)誤碼的影響。

在GSM系統(tǒng)中采用了二次交織方法。第一次是內(nèi)部交織，即將每20ms話音數(shù)字化編碼所提供的456bit分成8幀，每幀57bit，組成8×57bit的矩陣進(jìn)行第一次交織。然后將此8幀視為一塊，再進(jìn)行第二次交織，即將這樣的四塊彼此交叉，然后再進(jìn)行逐一發(fā)送，因而此時(shí)所發(fā)送的脈沖序列中的各比特均來自不同的話音塊。這樣，即使傳輸中出現(xiàn)了成串差錯(cuò)，也能夠通過信道編碼加以糾正。

4）不連續(xù)發(fā)射（DTX）

DTX是通過話音激活，在話音幀有信息時(shí)開啟發(fā)送，在無信息時(shí)關(guān)閉發(fā)送的系統(tǒng)傳輸控制技術(shù)。其目的在于降低空中干擾，提高系統(tǒng)容量和質(zhì)量，降低電源消耗，增加移動(dòng)臺(tái)電池的使用壽命。

GSM利用話音激活檢測技術(shù)（VAD）檢測話音編碼的每一幀是否包括話音信息。當(dāng)檢測出話音幀時(shí)開啟發(fā)射機(jī)；當(dāng)檢測不到話音時(shí)，每480ms時(shí)間便向?qū)Ψ桨l(fā)送攜帶反映發(fā)送端背景噪聲參數(shù)的噪聲幀，以便在接收端產(chǎn)生舒適噪聲（SoftNoise）。此時(shí)，無線空中接口的數(shù)據(jù)速率從270kb/s降到500b/s左右。

舒適噪聲有兩個(gè)用途：抑制發(fā)信機(jī)開關(guān)造成的干擾和防止發(fā)信機(jī)關(guān)閉期間可能產(chǎn)生的電路中斷錯(cuò)覺。

5）跳頻

跳頻技術(shù)首先使用在軍事通信領(lǐng)域，以確保通信的保密性和抗干擾性能，如短波電臺(tái)通過改變頻率的方法來躲避干擾和防止被敵方竊聽。所謂跳頻，是指按跳頻序列隨機(jī)地改變一個(gè)信道占用頻道頻率（頻隙）的技術(shù)。在一個(gè)頻道組內(nèi)，各跳頻序列應(yīng)是正交的，而且各信道在跳頻傳輸過程中也不應(yīng)出現(xiàn)碰撞現(xiàn)象。

在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，跳頻是GSM系統(tǒng)的特殊功能，無論在噪聲受限條件下還是在干擾受限條件下，跳頻都能改善GSM系統(tǒng)的無線性能。通過跳頻，系統(tǒng)可以得到以下好處：

(1)改善衰落，提高系統(tǒng)性能。由于移動(dòng)臺(tái)與基站之間處于無線傳輸狀態(tài)，電波傳輸?shù)亩鄰叫?yīng)會(huì)產(chǎn)生瑞利衰落，其衰落程度與傳輸?shù)陌l(fā)射頻率有關(guān)，這樣會(huì)因不同頻道的頻率不同，而使得衰落谷點(diǎn)可能出現(xiàn)在不同地點(diǎn)，因而當(dāng)信號(hào)受到衰落影響時(shí)，我們可以利用這一特性，采用跳頻技術(shù)使通話期間的載波頻率在多個(gè)頻點(diǎn)上變化，從而避開深衰落點(diǎn)，達(dá)到改善誤碼性能的目地。

(2)起到干擾分集的作用。在蜂窩移動(dòng)通信中會(huì)受到同頻干擾的影響，當(dāng)系統(tǒng)中采用了相關(guān)跳頻之后，便可以分離來自許多小區(qū)的強(qiáng)干擾，從而有效地抑制遠(yuǎn)近效應(yīng)的影響。

跳頻可以分為慢速跳頻和快速跳頻。顧名思義，它們之間的區(qū)別在于跳頻和速率。慢速跳頻的速率小于或等于調(diào)制符號(hào)速率，反之為快速跳頻。跳頻速率越高，抗干擾能力越強(qiáng)，但系統(tǒng)復(fù)雜程度也越高。

GSM采用慢速跳頻方式，無線信道在某一時(shí)隙（0.577ms）用某一頻率發(fā)射，到下一個(gè)時(shí)隙則跳到另一個(gè)不同的頻率上發(fā)射，也就是每一TDMA幀（4.65ms）跳一次，因此跳頻速率為216.7跳/s。跳頻序列在一個(gè)小區(qū)內(nèi)是正交的，即同一小區(qū)內(nèi)的通信不會(huì)發(fā)生沖突。具有相同載頻信道或相同配置的小區(qū)（即同簇小區(qū)）之間的跳頻序列是相互獨(dú)立的。在用戶發(fā)起呼叫和切換時(shí)，移動(dòng)臺(tái)由BCCH廣播信道的系統(tǒng)消息中獲取跳頻序列（MA）、跳頻序列號(hào)（HSN）和決定起跳頻點(diǎn)的MAIO表。BCCH所在的載頻通常不允許跳頻。

6）GSM900/1800雙頻組網(wǎng)

GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過十多年的飛速發(fā)展，已經(jīng)具有了相當(dāng)大的規(guī)模，擁有龐大的用戶群。隨著網(wǎng)絡(luò)的逐期建設(shè)，用戶數(shù)不斷增加，GSM900網(wǎng)絡(luò)變得越來越擁擠，其有限的頻率資源已無法適應(yīng)用戶數(shù)的快速增長和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)及其他新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，開辟新的頻段即建設(shè)GSM1800網(wǎng)絡(luò)則是解決這個(gè)矛盾的有效方法。

GSM1800網(wǎng)絡(luò)采用1800MHz頻段，其電波傳播特征與GSM900網(wǎng)絡(luò)基本相似。在現(xiàn)有GSM900網(wǎng)絡(luò)的基站站點(diǎn)條件下，采用1800MHz頻段可以有效解決GSM900的頻率資源瓶頸問題。此外，可以通過參數(shù)設(shè)置和對(duì)GSM900/1800網(wǎng)絡(luò)雙頻段操作，使GSM1800網(wǎng)絡(luò)有較高的優(yōu)先級(jí)，盡量吸收GSM900網(wǎng)絡(luò)的話務(wù)。GSM900網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)大面積的覆蓋，而GSM1800網(wǎng)絡(luò)則主要在需要的地方提供容量。雙頻移動(dòng)終端在GSM1800網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域優(yōu)先占用GSM1800網(wǎng)絡(luò)，忙或覆蓋不到的地方占用GSM900網(wǎng)絡(luò)。因此GSM1800成為緩解900MHz頻段上移動(dòng)通信頻率資源緊張和解決GSM900網(wǎng)絡(luò)高話務(wù)地區(qū)無線信道不足的最有效手段。

GSM1800網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式有獨(dú)立建網(wǎng)、獨(dú)立MSC組網(wǎng)、獨(dú)立BSC組網(wǎng)和共BSC組網(wǎng)等四種。除第一種組網(wǎng)方式外，GSM1800網(wǎng)絡(luò)可以與GSM900網(wǎng)絡(luò)使用相同的網(wǎng)號(hào)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享。雙頻移動(dòng)終端可以使用兩個(gè)頻段的資源，在兩個(gè)頻段中自由切換。

(1)獨(dú)立建網(wǎng)。獨(dú)立建網(wǎng)方式是完全新建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，使用不同的網(wǎng)號(hào)、不同的號(hào)碼段，獨(dú)立發(fā)展用戶，與原有的GSM900網(wǎng)絡(luò)沒有任何的資源共享。這種方式的好處在于技術(shù)方案簡單，但不利于資源的有效利用和業(yè)務(wù)的發(fā)展。

(2)獨(dú)立MSC組網(wǎng)。獨(dú)立MSC組網(wǎng)是指GSM1800和GSM900網(wǎng)絡(luò)各自擁有獨(dú)立的MSC、BSC和BTS，使用相同的網(wǎng)號(hào)，構(gòu)成統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)擴(kuò)容時(shí)，在原有設(shè)備基礎(chǔ)上增加GSM1800MSC即可。新增加的GSM1800BSC直接和GSM1800MSC相連，不必改動(dòng)原有的網(wǎng)絡(luò)連接。這種組網(wǎng)方式的優(yōu)點(diǎn)是獨(dú)立組網(wǎng)，可以靈活選擇設(shè)備供應(yīng)商，不受原有網(wǎng)絡(luò)的影響。但由于獨(dú)立MSC組網(wǎng)方式下的移動(dòng)終端進(jìn)行頻段切換時(shí)，要進(jìn)行跨MSC小區(qū)重選、跨MSC間的切換和位置區(qū)更新，因而存在空閑模式下位置更新頻繁、通話模式下跨MSC的切換頻繁、切換時(shí)間長、切換成功率較低、尋呼成功率低、MAP信令負(fù)荷重、MSC及HLR由于位置更新和切換負(fù)荷重而使網(wǎng)元用戶容量降低等諸多問題。

出現(xiàn)以上問題的根本原因是覆蓋同一區(qū)域的無線信號(hào)歸屬兩個(gè)不同的MSC，必須使用不同的位置區(qū)，使得原來根據(jù)位置區(qū)、MSC進(jìn)行移動(dòng)性管理的機(jī)制出現(xiàn)了問題，即位置區(qū)設(shè)置與網(wǎng)絡(luò)覆蓋沖突。為減少位置更新和跨MSC切換的影響，需要降低兩者的發(fā)生頻率，因此需要GSM1800網(wǎng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)的覆蓋，這樣就需要大規(guī)模地建設(shè)GSM1800基站，而不能使用熱點(diǎn)補(bǔ)點(diǎn)的方式，所以投資很大，在業(yè)務(wù)量小的地區(qū)網(wǎng)絡(luò)資源利用率低。

(3)獨(dú)立BSC組網(wǎng)。獨(dú)立BSC組網(wǎng)方式是指GSM1800和GSM900系統(tǒng)的BTS、BSC各自獨(dú)立，二者通過A接口連到同一個(gè)MSC上。獨(dú)立BSC組網(wǎng)方式可以有效地避免跨MSC切換和位置更新的問題，而且由于A接口公開，因而可以靈活選用不同廠家的BSS設(shè)備，不受原GSM900網(wǎng)的限制，但在實(shí)際建設(shè)中也還存在著BSC間的切換頻繁、MSC信令負(fù)荷較重的問題。同時(shí)，不同廠家的設(shè)備也需要保持良好的配合。

(4)共BSC組網(wǎng)。共BSC組網(wǎng)指GSM1800基站與GSM900網(wǎng)使用相同的BSC。這種方式徹底解決了雙頻切換的問題，使得GSM1800網(wǎng)可以用做熱點(diǎn)話務(wù)吸收，無需實(shí)現(xiàn)GSM1800全網(wǎng)連續(xù)覆蓋，這是目前使用的較多的方式。該方式存在的問題是BTS-BSC間的Abis接口為非標(biāo)準(zhǔn)接口，因此要求GSM900BSC和新增加的GSM1800BTS必須是相同廠家的設(shè)備，同時(shí)還需對(duì)原BSC進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)容，對(duì)于一些廠家的小容量BSC需要增加BSC，這使單個(gè)BSC覆蓋范圍減少，BSC間的切換會(huì)相應(yīng)增加。

綜上所述，這四種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中：獨(dú)立建網(wǎng)方式適合新運(yùn)營商的建網(wǎng)；獨(dú)立MSC方式適合大規(guī)模的GSM1800網(wǎng)的建設(shè)，且需要連續(xù)良好的GSM1800無線覆蓋的場合；獨(dú)立BSC的方式可以減少一定的系統(tǒng)投資，但會(huì)引發(fā)A接口配合問題；而采用共BSC組網(wǎng)的方式則較為節(jié)約投資，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量也有一定的保證，具有較明顯的優(yōu)勢。

7.3.3通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）

GSM系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)取得了超乎想象的成功，但是GSM系統(tǒng)的最高數(shù)據(jù)傳輸速率為9.6kb/s，且只能完成電路型數(shù)據(jù)交換,遠(yuǎn)不能滿足迅速發(fā)展的移動(dòng)數(shù)據(jù)通信的需要。因此,歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(ETSI)又推出了通用分組無線業(yè)務(wù)(GeneralPacketRadioService，GPRS)技術(shù)。GPRS在原GSM網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上疊加支持高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò),并對(duì)GSM無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行升級(jí),從而利用現(xiàn)有的GSM無線覆蓋提供高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),為GSM系統(tǒng)向第三代寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)UMTS的平滑過渡奠定基礎(chǔ),因而GPRS又被稱為2.5G系統(tǒng)。

GPRS技術(shù)較完美地結(jié)合了移動(dòng)通信技術(shù)和數(shù)據(jù)通信技術(shù)，尤其是Internet技術(shù)，它正是這兩種技術(shù)的結(jié)晶,是GSM網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信技術(shù)發(fā)展及融合的必然結(jié)果。GPRS采用分組交換技術(shù)，可以讓多個(gè)用戶共享某些固定的信道資源，也可以讓一個(gè)用戶擁有8個(gè)時(shí)隙。如果把空中接口上的TDMA幀中的8個(gè)時(shí)隙捆綁起來傳輸數(shù)據(jù)，可以提供高達(dá)171.2kb/s的無線接入，可向用戶提供高性價(jià)比業(yè)務(wù)并具有靈活的資費(fèi)