4.4 移动通信系统

移动通信系统是向个人通信发展的必由之路，是21世纪全球信息高速公路的重要组成部分。移动通信将有更为辉煌的未来。

使用模拟识别信号的移动通信，称为模拟移动通信。为了解决增加通信容量，提高通信质量和增加服务功能，目前都使用数字识别信号，即数字移动通信。

80年代诞生的模拟蜂窝技术被称为第一代（1G）移动通信技术，GSM数字蜂窝属于第二代（2G）移动通信技术，宽带CDMA技术被称为第三代（3G）移动通信技术。到2010年，已从第3代（3G）过渡到第4代（4G）。第4代（4G）除蜂窝电话系统外，宽带无线接入系统、毫米波局域网、智能传输系统（ITS）和同温层平台（HAPS）系统将投入使用。未来几代移动通信系统最明显的趋势是要求高数据速率、高机动性和无缝隙漫游。

实现这些要求在技术上将面临更大的挑战。此外，系统性能（如蜂窝规模和传输速率）在很大程度上将取决于无线通信频率的高低。考虑到这些技术问题，有的系统将侧重提供高数据速率，有的系统将侧重增强机动性或扩大覆盖范围。

4.4.1 移动通信系统分类

移动通信系统在制式上有时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）两种。TDMA有欧洲的GSM系统（全球移动通信系统）、北美的双模制式标准IS-54和日本的JDC标准。CDMA有美国Qual-comnn公司研制的IS-95标准。

移动通信按使用要求和工作场合不同可以分为：集群移动通信、蜂窝移动通信和卫星移动通信。

1.集群移动通信

集群移动通信又称大区制移动通信，与蜂窝移动通信系统类似，也是一种有线连接支持的无线通信网，基站与市站有线网连接，属于专用网络。

集群移动通信规模不大，主要为移动用户提供语音通信。特点是只有一个基站，天线高度为几十米至百余米，覆盖半径为30km，发射机功率可高达200W。车载台和手持台的用户数约为几十至几百。它们可以与基站通信，也可通过基站与其他移动台及市话用户通信。

2.蜂窝移动通信

蜂窝移动通信又称小区制移动通信。特点是把整个大范围的服务区划分成许多蜂窝形小区，每个小区设置一个基站，负责本小区各个移动用户的联络与控制，为用户提供接入和信息转发服务，移动用户之间以及移动用户和非移动用户之间的通信均需通过基站转发。各个小区基站通过移动交换中心相互联系，并与市话局连接。图4-6是蜂窝型移动通信系统的网络架构。

利用超短波电波传播距离有限的特点，离开一定距离的小区可以重复使用频率，使频率资源得到充分利用。每个小区的用户在1000个以上，全部覆盖区最终的容量可达100万个用户。

蜂窝系统是覆盖范围最广的陆地公用移动通信系统。通过有线传输线络连接到由交换机构成的PSTN骨干交换网络。

3.卫星移动通信

图4-6 蜂窝型移动通信系统的网络架构

利用卫星转发实现移动通信的方式称为卫星移动通信。卫星通信系统的通信范围最广，可以为全球每个角落的用户提供通信服务。在此系统中，卫星转发起着与基站类似的功能。按卫星所处位置可分为静止轨道（高轨道）、中轨道和低轨道3种卫星通信系统。

卫星移动通信系统的特有优势在于：

（1）可以实现全球地域的连续全覆盖。

（2）可以作为地面蜂窝移动网覆盖区域的扩展。

（3）动态信道分配技术可以解决突发呼叫的拥塞问题。

（4）特有的抗毁性能，可以在地震洪水等特殊场合起到不可取代的应急通信作用。卫星通信系统存在成本高、传输延时大、传输带宽有限等不足。

4.Ad-Hoc无线网络移动通信

Ad-Hoc网络是一种没有有线基础设施支持的移动网络，网络中的结点均由移动主机构成。Ad-Hoc网络最初用于军事领域。由于无线通信和终端技术的不断发展，Ad-Hoc网络在民用环境下也得到了发展，如需要在没有有线基础设施的地区进行临时通信时，可以很方便地通过搭建Ad-Hoc网络实现移动通信。图4-7是Ad-Hoc点对点无线网的通信模式。

在Ad-Hoc网络中，当两个移动主机A和B在彼此的通信覆盖范围内时，它们可以直接通信。

由于移动主机的通信覆盖范围有限，如果两个相距较远的主机A和C要进行通信，则需要通过它们之间的移动主机B的转发才能实现。

图4-7 Ad-Hoc点对点无线网的通信模式

因此，在Ad-Hoc网络中，主机同时还是路由器，担负着寻找路由和转发报文的工作。由于每个主机的通信范围有限，所以，路由一般都由多跳组成，数据通过多个主机的转发才能到达目的地。故Ad-Hoc网络也被称为多跳无线网络。

Ad-Hoc网络可以看做是移动通信和计算机网络的交叉。在Ad-Hoc网络中，使用计算机网络的分组交换机制，而不是电路交换机制。通信的主机一般是便携式计算机、个人数字助理（PDA）等移动终端设备。Ad-Hoc网络中只存在无线链路一种连接方式。移动主机的移动将会导致拓扑结构的改变。

4.4.2 GSM

全球移动通信系统（Global System of Mobile communication，GSM），空中接口采用时分多址技术。GSM作为开放标准，提供了更容易的互操作性，允许网络运营商向用户提供漫游服务。GSM自20世纪90年代中期投入商用以来，是当前应用最为广泛的移动电话标准。全球超过200个国家和地区、超过10亿人使用GSM电话。

1.GSM的网络架构

GSM系统的网络庞大而复杂，可以提供所有服务。系统网络被分成很多部分，每一部分负责其中的一个功能。

GSM的一个关键特征就是用户身份模块（SIM），也叫SIM卡。SIM卡是一个保存用户数据和电话本的可拆卸的智能IC卡。用户在更换手机后仍能保存自己的信息。

GSM由交换子系统（MSC）、基站子系统（BS）、移动用户终端（MS）和中继线等子系统组成。图4-8是GSM的接口。

（1）交换子系统。交换子系统（MSC）与公用交换电话网（PSTN）连接，负责每个蜂窝覆盖区的系统管理，拥有每个移动用户的相关信息，管理用户越区通信切换，完成所有的网络管理功能（呼叫接续、维护、计费以及监控覆盖区内的非法行为等）。

图4-8 GSM的接口

交换子系统（MSC）由归属位置寄存器（HLR）、被访位置寄存器（VLR）、设备识别寄存器（EIR）、鉴权中心（AC）和操作管理中心（OMC）等功能组件组成。

（2）基站子系统。基站（BS）子系统负责管理无线资源，实现固定网络与移动用户之间的通信连接，传送信号和用户信息。基站（BS）子系统由一个基站控制器（BSC）、若干基站收发信系统（BTS）和基站天线组成。

图4-9 无线中继（转发器）装置

（3）移动用户终端。移动用户终端（MS）负责传送电话业务和非话业务。它由接收机、发信机、频率合成器、控制电路、拨号按钮和送受话器等组成。移动用户终端有车载台、手持台、便携台等多种类型。

（4）中继线。中继即转发装置，包括有线中继和无线中继两类。有线中继有DDN中继、IS-DN中继、光纤中继等。无线中继有微波中继和卫星中继。固定通信系统和无线通信系统之间的中继一般采用光纤、铜缆、微波中继以及卫星中继。图4-9是无线中继（转发器）装置。

2.无线接口

空中接口是指移动用户终端和接入网之间的接口，简称Uu接口，通常也称为无线接口。

GSM是运行在多个不同无线电频率上的蜂窝网络，移动用户首先要连接到它能搜索到的最近的蜂窝单元区域，需要在任何地方和任何移动速度下，都能得到通信服务。无线通信网必须容易更改网络的拓扑配置。在移动通信网中，当呼叫用户时，应能实现漫游和不知不觉地越区无缝切换蜂窝覆盖区，必须每隔数秒为用户重新配置一次。

GSM网络有4种不同覆盖面积的蜂窝单元：巨蜂窝、微蜂窝、微微蜂窝和伞蜂窝。巨蜂窝的基站天线安装在单独架设的竖立天线杆上或者建筑物顶上。微蜂窝的天线高度低于建筑物的平均高度，一般用于市区内。微微蜂窝只覆盖几十米的范围，主要用于室内。伞蜂窝用于覆盖更小的蜂窝网的盲区，填补蜂窝之间的信号空白区域。

蜂窝覆盖的服务半径范围根据天线高度、增益和传播条件可以从百米到数十千米。GSM实际使用的最大覆盖半径距离为35km。扩展蜂窝的覆盖半径可以增加一倍或更多。

在购物中心和机场、车站等公共场所，为提高信号质量、减少干扰和回声以及满足高密度通话要求，GSM通过功率分配器可以把室外天线的功率分配到室内天线分布系统上。

3.GSM的射频频率分配

GSM900：上行频率为890～915MHz；下行频率为935～960MHz。

GSM900E：上行频率为880～915MHz；下行频率为925～960MHz。

GSM1800：上行频率为1710～1785MHz；下行频率为1805～1880MHz。

GSM1900：上行频率为1850～1910MHz；下行频率为1930～1990MHz。

4.GSM的安全性能

系统设计使用共享密钥用户认证。用户与基站之间的通信可以被加密。使用更长的鉴别密钥保证更安全以及网络和用户的双向验证，具有中等安全水平。GSM只有网络到用户的验证。虽然安全模块提供了保密和鉴别功能，但是鉴别能力有限而且可以伪造。

为了安全，GSM使用多种加密算法。A5/1和A5/2两种串流密码用于保证在空中语音的保密性。A5/1是欧洲范围使用的强力算法，而A5/2是在其他国家使用的弱强度算法。已经发现两种加密算法中的严重漏洞，例如，某个单一密码受到攻击可能导致实时中断A5/2。如果系统支持多个不同加密算法，这样运营商就可以获得更高的安全等级。

4.4.3 集群移动通信系统

专用无线电调度通信已有很长的历史。从一对一单机对讲到一呼百应（一个人讲，许多人都能同时听）的单信道调度通信，后来又进一步发展到了能够通过拨号实现选呼的无线调度网，在技术上有了长足的进步。于是形成了集群移动通信系统，主要是提供本系统内的无线通信，但亦允许数量不多的调度台和移动台以适当方式进入市话网，与市话用户建立通信联络。

集群移动通信适合于各个专业部门，如部队、公安、消防、交通、防汛、救灾、电力、铁道、金融等部门作分组调度使用。

每个专用调度通信系统都要占用几对无线电频率。随着用于厂矿、油田、企业、机场、车队等的专用调度通信的发展，有限的频率资源越来越感到紧张；而固定分配出去的频率又得不到充分的利用。面对这一严重矛盾，人们一方面在开发新的无线电频段，另一方面，在合理使用有限的频率资源方面寻找出路。集群移动通信系统正是在这种背景下脱颖而出的。

我国最早引进集群移动通信系统的城市是上海。后来，北京、天津、广东、沈阳等地相继开发了集群移动通信业务。随着地方经济的发展，一些省会、直辖市和有条件的城市也都逐步建立起800MHz的无线集群移动通信系统，并逐步开放450MHz与800MHz的集群移动通信业务。

集群移动通信系统是把有限的信道集中起来，通过自动、动态、快捷的分配方式，为众多的用户共同利用的一种调度系统。也就是说，它集个体为群体，变专用为公用。

显然这样做有利于提高信道的利用率，使有限的频率资源能为大家所共享。如果因信道没有空闲致使某次呼叫未被接通时，系统中的排队设备能将主、被叫号码自动记录下来，一旦出现空闲信道，便会按呼叫的先后顺序接通。这是一般蜂窝移动电话所不具备的功能。

1.集群移动通信系统构成

集群移动通信系统主要由控制交换中心、调度台、基站、移动台以及与市话网相连接的若干条中继线所组成，如图4-10所示。

控制交换中心（SX）是系统的核心，主要作用是鉴权、控制和交换。无论是移动台呼叫调度台，还是调度台呼叫移动台，或移动台呼叫市话用户，都要在控制交换中心内进行交换，并根据业务需要分配信道。无线用户调度台（MX）主要由收发信机、控制单元和天馈线等组成。

基站（BS）主要提供若干条共用无线信道，每个信道有一部收发信机和微处理器构成的控制单元；每个基站都有覆盖区的服务范围。

图4-10 集群移动通信的系统架构

为了避免设备资源和频率资源的浪费，集群移动通信系统正在从各自为政的独立网向公用网方向发展；为提高通信质量和扩大覆盖范围，单站系统正在向联网系统方向发展，模拟系统被数字系统所代替。中国目前已有很多个450MHz和800MHz的集群移动系统投入使用，它们被广泛地用于公安、消防、交通、防汛、电力、铁道、金融等部门作为分组调度使用。

2.集群移动通信系统的特点

集群移动通信已从模拟时代走向数字时代。模拟集群移动通信网的主要问题是频率低，能提供的业务种类受限，不能提供高速率数据服务，保密性差，容易被窃听，移动设备成本高，体积大，网络管理控制存在一定的问题等。

数字集群通信系统的主要优点：

（1）频谱利用率高。采用频率复用（FDM）技术的模拟集群网所能提供的容量已不能满足用户需求。由于频分复用载波电话的复用信道有限，频谱利用率低。采用时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA），一个载波通道可传送很多路话音，并能进一步压缩已调信号带宽，提高了频谱利用率。有利于进一步增加集群系统的用户容量。

（2）抗信道衰落能力强。无线传输的信道衰落特性是影响无线传输质量的主要原因。数字无线传输能提高信号抗信道衰落的能力。模拟无线传输中主要的抗衰落技术是分集接收。数字无线传输的抗衰落技术除采用分集接收外，还采用扩频、跳频、交织编码及各种数字信号处理技术。因此，数字无线传输的抗衰落技术比模拟系统要强得多。也就是说数字集群移动通信网比模拟集群移动通信网的话音质量好。

（3）保密性好。由于无线电传播是开放的，容易被窃听，无线网的保密性比有线网差，因此保密性问题长期以来一直是无线通信系统设计者重点关心的问题。模拟集群系统的保密问题难以解决。数字集群移动通信网的用户信息传输，利用目前已经发展成熟的数字加密理论和实用技术，极易实现优良的保密性能。

（4）支持多种业务。数字集群移动通信系统除数字语音通信外，还可提供传输用户数据、图像信息等多种业务服务，容易实现与综合业务数字网（ISDN）的链接，极大地提高了集群网的服务功能。

模拟集群网虽也可传输低速率数据，首先需对数据信息进行数字调制形成基带信号，然后再把基带信号进行载波调制，形成调频信号后再进行无线传输。这种二次调制方式的数据传输速率一般在1200bit/s（1.2kbit/s）或是2400bit/s（2.4kbit/s）。

（5）网络管理和控制更加有效和灵活。任何一种通信系统网络的管理与控制都是至关重要的，它影响到是否能有效地实现系统提供的各种服务。数字集群移动通信网能实现更加有效、灵活的网络管理与控制。全数字系统能够实现高质量的网络管理与控制。

4.4.4 卫星通信系统

卫星通信是利用通信卫星作转播中继站的通信系统。卫星通信的特点是：通信距离远、通信质量高、覆盖面积大、不受地理限制、通信频带宽、传输容量大、费用与通信距离无关；适于多种传输业务；既可为固定终端提供通信，又可为车载、船载、机载移动终端以及个人终端提供通信。移动通信卫星系统是实现未来全球个人通信的理想通信方式。

图4-11是卫星通信系统示意图。按卫星轨道组成的卫星通信可分为3种类型：

（1）同步卫星（GEO）通信系统。使用静止轨道卫星（距地面36000km的高轨道卫星），三颗卫星可覆盖全球。其特点是通信区域全球覆盖和通信容量大，例如，典型的IntersatVI通信卫星，设有38个C波段转发器，10个Ku波段转发器，可转发3～4路彩色电视和3.3万路电话，若采用星上交换/时分多址（SS/TDMA）技术和数字电路倍增技术，通信总容量可达12万路电话。

由于地面与卫星间的距离远，电波传播衰耗大，要求地面通信站采用15m以上的大口径高增益天线、大功率微波发射机和高灵敏度的微波接收系统组成的大容量国际卫星通信系统。

图4-11 卫星通信系统示意图

（2）中轨道卫星（MEO）VSAT卫星通信系统。中轨道卫星的通信距离近（小于3000km），可采用较小直径的收发天线和小型收发设备，但通信覆盖区域小。

VSAT（Very Small Aperture Terminal）的含义是“甚小口径天线地球站”。采用VSAT组成的卫星通信系统称为VAST卫星通信系统。通常指天线增益与系统噪声温度之比的C/T值低于19.7dB/K、口径小于2.4m的C波段天线。或天线口径小于1m的Ku波段高度智能化控制的地球站。

VAST承担的任务有两类：一类以数据传输为主；另一类以话音为主，兼容数据传输。VAST卫星通信系统的优点是：成本低、体积小、智能化、高可靠、信道利用率高、安装维护方便等。

（3）低轨道卫星（LEO）移动卫星通信系统。低轨道卫星的通信距离更近（小于500km），可用更简单的地面通信设备。由于个人通信要求终端手持化、发射功率小、卫星与手持机之间的路径损耗小等，这就需要低轨道卫星通信。为覆盖全球用户，需多颗卫星同时运行。

典型的低轨道卫星（LEO）移动通信系统有Motorola公司设计的采用66颗低轨道“铱”星系统，采用35颗低轨道卫星的我国的“北斗”卫星导航系统。