无线通信网络概论.docx

1、无线通信网络概论 禹帆编著清 华 大 学 出 版 社(京)新登字 158 号内 容 简 介本书涵盖无线通信网络的 GSM、GPRS、3G、WAP 和 Application 五大领域，阐述通信网络的各种概 念。本书依循无线通信网络的发展阶段，介绍了早期的 GSM 网络、未来的 GPRS 网络、3G 网络和 WAP 协议的起源与特点，以及移动通信网络的各种应用服务。本书适合各类高等院校、各种成人教育学院和培训班作为教材使用。本书繁体字版名为无线通讯网路概论GSM,GPRS,3G,WAP,Application，由文魁资讯股份有限公司出 版，版权属禹帆所有。本书简体字中文版由文魁资讯股份有限公司授

2、权清华大学出版社独家出版。未经本 书原版出版者和本书出版者书面许可，任何单位和个人均不得以任何形式或任何手段复制或传播本书的部 分或全部。北京市版权局著作权合同登记号：图字 01-2002-3733 号版权所有，翻印必究。 本书封面贴有清华大学出版社激光防伪标签，无标签者不得销售。图书在版编目（CIP）数据 无线通信网络概论/禹帆编著.北京：清华大学出版社，2002ISBN 7-302-05985-3.无 .禹 .无线电通信概论 .TN92 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2002） 第 079113 号出 版 者： 清华大学出版社(北京清华大学学研大厦，邮编 100084) 责任编辑： 刘

3、 颖印 刷 者：发 行 者： 新华书店总店北京发行所开本： 787960 1/16 印张：14 字数：327 千字 版次： 2002 年 11 月第 1 版 2002 年 11 月第 1 次印刷 书号： ISBN 7-302-05985-3/TP3567印数： 00014000定价： 22.00 元目录第 1 章通信原理基础11.1 基本通信原理11.2 数字调制41.2.1 数字调制的优点41.2.2 数字调制技术的评估51.2.3 数字调制方法51.3 数据传输的最高速率7第 2 章GSM的特征和制定过程102.1 蜂窝移动通信系统102.2 GSM 的起源122.3 GSM 标准的制定过

4、程122.4 GSM 的迅速发展132.5 GSM 的优点14第 3 章GSM网络的子系统163.1 GSM 的子系统163.2 GSM 系统的识别码183.3 GSM 系统的设计特点20第 4 章GSM系统的分层结构和通信协议214.1 GSM 系统的分层结构214.2 子系统之间的接口和各协议层的功能25第 5 章GSM网络的无线通信接口315.1 GSM 的复用技术315.2 GSM 的逻辑信道34第 6 章语音信号处理436.1 语音编码436.2 信道编码456.3 交错476.4 加密496.5 组成数据单位506.6 调制51第 7 章信号传播过程中的干扰现象527.1 信号传播

5、时受到的干扰527.2 手机的灵敏度577.3 GSM 系统的抗干扰方法57第 8 章GPRS网络概述608.1 GPRS 网络发展的背景608.2 什么是 GPRS638.3 无线数据传输的发展前景648.4 GPRS 标准的制定过程658.5 GPRS 网络的发展过程668.6 GPRS 手机用户得到的便利与服务668.7 运营商的获益678.8 GPRS 面临的问题68第 9 章GPRS网络结构与特色709.1 在 GSM 网络加入新的设备709.2 GPRS 网络的分层结构729.3 原有 GSM 网络上的通信设备749.4 GPRS 网络内的识别码789.5 GPRS 网络中各设备间

6、的通信协议79IV无线通信网络概论9.6 GPRS 网络的高层通信协议809.6.1 GMM809.6.2 SM839.7 网络的服务品质899.8 GPRS 网络的 IP 地址规划90第 10 章GPRS网络的无线通信接口9310.1 沿用 GSM 网络的频谱与 TDMA 结构9310.2 传输数据的逻辑信道9410.3 GPRS 网络内数据资料的 信道编码9610.4 GPRS 网络的小区规划9710.5 Gs 接口的功能99第 11 章移动通信标准的竞争与演变10011.1 无线式通信系统10011.2 TDD 与 FDD10111.3 制定通信标准的竞赛10311.4 早期的第一代移动

7、通信系统10311.5 第二代移动通信系统10511.6 未来的第三代移动通信系统10811.7 第三代移动通信标准的发展10811.7.1 ITU 制定出官方标准 IMT200010811.7.2 美国与欧洲互组联盟各拥自身发展的规格11011.7.3 两大主流技术的市场形势分析11111.7.4 ITU 选择 3G 标准的 态度倾向11211.7.5 3G 通信标准市场现况分析11311.7.6 3G 执照的竞争113第 12 章CDMA系统及其调制技术11512.1 新一代复用技术的迫切需求11512.2 最佳的复用技术 CDMA11512.3 高通将 CDMA 技术商业化11612.4

8、 CDMA 技术的直序扩频原理11712.5 CDMA 通信系统的控制机制12012.5.1 功率控制12012.5.2 通话递交12212.6 CDMA 通信系统的优点12412.7 WCDMA 与 cdma2000 调制 技术的差异126第 13 章第三代移动通信系统的网络结构12713.1 2G 网络如何升级到 3G 网络12713.2 IMT2000 的卫星通信建议案13013.3 IMT2000 标准定义的无线频谱13113.4 UMTS 网络的结构13313.4.1 2.5G 网络内加入RAN 设备13313.4.2 3G 网络的传输技术13413.5 增进 3G 网络效能的方法1

9、3613.5.1 指向性天线数组13613.5.2 HCS 小区规划13713.6 3G 时代的多功能手机13913.7 日本进行的 IMT2000实验性网络140第 14 章WAP的起源14114.1 无线通信的传输环境14114.2 有线网络的应用进程不适用于无线网络14214.2.1 终端设备14214.2.2 通信协议14314.3 网络通信协议的层结构143目录V14.4 通信协议的运作方式14614.5 通信协议在无线信道内的传输现象14814.5.1 TCP 协议应用于无线网络 .14814.5.2 UDP 协议用于无线网络15114.5.3 TCP 协议与 UDP 协议1521

10、4.5.4 HTTP 的特点与问题15214.6 WAP 应运而生153第 15 章WAP的发展与特色15615.1 WAP 的发展起源15615.2 WAP 论坛努力的目标15715.3 WAP 通信协议结构15815.4 WAP 1.0 版本的通信协议16015.5 WAP 协议发展出的特殊功能16115.6 WAP 协议的底层载体16315.7 无线网络的连接16415.8 WAP 网关的运作方式16615.9 WAP 协议的特色16715.10 WAP 应用服务的未来170第 16 章WML语法入门171第 17 章移动通信系统的应用服务17417.1 移动通信网络的传输环境17417

11、.2 无线网络应用服务的特色17517.3 应用服务的发展方向17517.3.1 查询地点的定位服务17517.3.2 远程监控17617.3.3 与 Internet 互动17717.3.4 手写输出与手机 ICQ17717.3.5 视频传输17817.3.6 工作行程管理17817.3.7 休闲娱乐17917.3.8 电子商务179第 18 章日本 i -mode 的成功经验18118.1 用户人数快速增长18118.2 电信网络的连结18218.3 成功的因素18318.4 手机上网方式与网页语言18718.5 用户分析18818.6 在商业上的应用188第 19 章通信系统的定位服务1

12、9019.1 推动定位服务的驱动力19019.2 电信网络定位服务的信号传递19119.3 定位服务的各种属性19219.3.1 定位服务的共同发展方向. 19219.3.2 准确度19319.3.3 响应时间19419.3.4 隐私性19419.3.5 覆盖范围19519.4 定位系统的操作原理19519.5 定位系统的分析19819.6 如何使用 GPS 系统进行定位20219.7 2G 网络与 3G 网络的位置查询服务210前言在全球所有的第二代移动通信中，GSM 通信网络的使用人数最多，中国目前的大部分 移动通信网络就是 GSM 系统。GSM 网络主要用于语音通信，GSM 与 Inte

13、rnet 相结合，出 现了 GPRS 网络，使无线终端设备能够方便地从 Internet 下载各种资料。当发展到第三代移 动通信，无线终端设备将具备更高的传输速率和更好的传输品质。针对无线通信网络带宽 较窄和差错率较高的特点，业界定义了无线应用协议(WAP)。此外，通信网络要能广泛地 为大众所使用，最重要的是提供方便与实用的应用服务。本书涵盖无线通信领域最热门的 GSM、GPRS、3G、WAP 和 Application 五大领域。 主要内容包括：第 1 章：通信原理基础，介绍基本原理、数字调制以及数据传输的最高速率等内容。 第 2 章：GSM 的特征和制定过程，介绍蜂窝移动通信系统、GSM

14、的起源、标准的制定过程、迅速发展和优点等内容。第 3 章：GSM 网络的子系统，介绍 GSM 子系统的各个组成部分、识别码和设计特点 等内容。第 4 章：GSM 系统的分层结构和通信协议，介绍分层结构和子系统之间的接口和各协 议层的功能。第 5 章：GSM 网络的无线通信接口，介绍复用技术和逻辑信道等内容。第 6 章：语音信号处理，介绍语音编码、信道编码、交错、加密、组成数据单位和调 制等内容。第 7 章：信号传播过程中的干扰现象，介绍信号传播时受到的干扰、手机的灵敏度和GSM 系统的抗干扰方法等内容。第 8 章：GPRS 网络概述，介绍发展背景、发展前景、标准的制定过程、发展过程、 用户得到

15、的便利与服务以及面临的问题等内容。第 9 章：GPRS 网络结构与特色，介绍在 GSM 网络加入新的设备、分层结构、原有 GSM 网络上的通讯设备、识别码、各设备间的通信协议和高层通信协议、网络的服务品质 以及 IP 地址规划等内容。第 10 章：GPRS 网络的无线通信接口，介绍沿用 GSM 网络的频谱与 TDMA 结构、传 输数据的逻辑信道、数据资料的信道编码、GPRS 网络的小区规划和 Gs 接口的功能等内容。第 11 章：移动通信标准的竞争与演变，介绍无线式通信系统、TDD 与 FDD、制定通 信标准的竞赛以及第一、二、三代移动通信系统。II无线通信网络概论第 12 章：CDMA 系统

16、及其调制技术，介绍新一代复用技术的迫切需求、CDMA 技术 的直序扩频、控制机制和优点等内容。第 13 章：第三代移动通信系统的网络结构，介绍 2G 网络如何升级到 3G 网络、UMTS网络的结构以及增进 3G 网络效能的方法等。第 14 章：WAP 的起源，介绍 WAP 应运而生的背景等内容。第 15 章：WAP 的发展与特色，介绍通信协议结构、运作方式及特色等内容。 第 16 章：WML 语法入门，介绍最简单的程序范例。第 17 章：移动通信系统的应用服务，介绍传输环境、服务特色以及发展方向等内容。 第 18 章：日本 i-mode 的成功经验，介绍成功因素、用户分析等。第 19 章：通信

17、系统的定位服务，介绍 GPS 定位系统。 由于时间仓促，书中难免有疏漏之处，还请各位读者不吝指正。编者2002 年 9 月第 1 章通信原理基础现在的各种通信书籍，大都离不开复杂的数学公式。数学虽然能够准确地描述各种通 信的特性，但是艰深的数学往往使读者忽略数学公式背后所代表的意义。本书的目的是， 以浅显易懂的文字，描述各种不同的通信系统与通信原理，使通信不再只是数学公式的计 算，而是一门有趣的学问。本章介绍许多基本的通信原理，这些通信原理是阅读后续章节的必备知识。首先介绍 通信系统的信噪比(S/N)，接着是信号强度的计量单位(dB)，当讨论信号与环境干扰的关系 时将用到这两个概念。调制技术是

18、通信的基础技术，后面的许多章节将会介绍不同的通信 系统所采用的各种调制技术。无论是有线网络还是无线网络，人们都希望能尽量提高信道 的数据传输速率，但是传输速率不可能无限地提高，所以我们需要了解决定数据传输速率 的两个公式。1.1基本通信原理1. 信噪比在通信理论中，噪声对信号的干扰程度用信号与噪声的比值 S/N(Signal to Noise)来表 示，S/N 值的单位通常是 dB(分贝)。通信系统要求接收到的信号的 S/N 值必须大于 1，这 样接收端才能过滤掉噪声、分辨出信号。通常 S/N 值越高，信号的质量越好。通信系统发 射端的功率受到各种机构的限制，不能随便提高发射功率，否则可能干扰

19、其他通信系统。信噪比的计算公式为：S/N(dB)=10 lg(S/N)按照上述公式，当信号 S 的值为噪声 N 的两倍时，S/N 为 3 dB。2. 信号强度在讨论信号的传播时，必须以数值来表示信号的强弱，因此有必要了解信号强度的单 位。最简单的方法是用功率来表示信号的强度，功率的单位是瓦特(W)。工程上常用分贝来 表示信号的强度，公式为 dB=10 lg(P2/P1)，其中 P2 是信号的功率，P1 是固定参考信号的功 率，大小为 1 mW。信号的功率越大，其强度就越高。例如功率为 10 W 的信号，其强度为第 1 章 通信原理基础910 lg(10W/1mW)=40 dB。当发射功率增加

20、1 倍时，根据公式10 lg(2P2)=10 lg P2+10 lg2=10 lgP2 +3，各地接收到的信号强度就增加 3 dB，如图 1.1 所示。距离 (km)图 1 . 1 发射功率增加 1 倍，接收到的信号强度就增加 3 dB3. 调制为了减少信号的衰减，改善信号的传输效果，通常在发射之前，将源信号与较高频率 的信号相结合，以较高频率内的相位与频率变化来表示源信号的内容，这一过程称为调制 (Modulation)。频率较低的源信号称为基带(Baseband)信号，较高的调制频率一般称为载波 (Carrier)频率。例如，在蓝牙(Bluetooth)技术标准中，信号在 2.4 GHz

21、的共享 ISM 信道上传 输，2.4 GHz 就是该系统的载波频率。接收端收到载波频率后，按照相反的过程将基带信号 从载波中分离出来，这个程序称为解调(Demodulation)，也叫滤波。调制技术在无线通信以及 Internet 中有着广泛的应用。例如，FM 收音机发出的声音频 率为 30 Hz3 000 Hz，但它接收到的信号频率是 90 MHz165 MHz，这是因为电台在发射 之前，将语音信号以 FM 方式调制到 90 MHz165 MHz 的载波频率上。类似的，GSM 移动 通信系统也是将语音信号调制到 900 MHz 或 1 800 MHz 的载波频率上。若要用电话线将电 脑连接上

22、网，必须使用调制解调器(Modem)。调制解调器的作用是，将计算机的数字信号 转换成模拟信号(调制)，将电话线上的模拟信号转换成数字信号(解调)，调制解调器就是由 此得名。调制技术分为模拟调制和数字调制。早期的模拟调制技术抗干扰能力较差，因此 GSM 系统采用了比较先进的数字调制技术。数字调制相对于模拟调制有许多优点，但由于模拟 调制沿用已久，因此仍将介绍 AM 和 FM 模拟调制，然后再来介绍数字调制。调制技术是学习通信的必备知识。要系统描述调制技术的特性，离不开复杂的数学公 式。但本章省略这些数学公式，着重从概念上解释各种调制技术的本质。读者要想作更深 的研究，可以参考相关的技术书籍。4.

23、 无线通信调制技术的目的无论是模拟调制还是数字调制，目的都是提高信号的传输效果，原理是以载波振幅、 相位和频率的变化来表示基带上的信息。不同的调制技术适用于不同的信道(Channel)，有 线通信的调制与无线通信的调制不同，无线通信的信号在传输时特别容易衰减，受到多重 路径(Multipath)反射等干扰。无线通信调制技术的目的是占用更少的带宽，传输更稳定的 信号。5. 模拟调制模拟调制是以载波振幅与频率的连续性变化来表示基带模拟信号。早期的第一代移动 通信系统采用的都是模拟调制技术，例如美国于 1984 年开发的 AMPS (Advanced Mobile Phone System)系统，以

24、及欧洲的多种模拟移动电话标准，包括 TACS、NMT、C-450、Radiocom 2000 和 RTMS。调幅 (Amplitude Modulation)与调频 (Frequency Modulation)是最常见的模 拟调制技术，AM 和 FM 分别以载波的振幅和频率变化来表示基带信号，如图 1.2 所示。FM 跟 AM 相比具有更多的优点，所以 FM 是比较理想的模拟通信调制技术。源信号调幅源信号调频图 1 . 2AM与 FM 调制技术的图形表示抗干扰能力强。FM 以载波频率的变化来表示基带信号，这样，多重路径反射等 干扰只会减小信号的振幅，不会影响信号的频率，所以 FM 比 AM 具

25、有更强的抗 干扰能力。这就是收音机 FM 节目比 AM 节目音质好的原因。增加了带宽，从而提高了信号的传输质量。与 AM 所不同的是，FM 调制技术能 适当增加传输带宽，以获得更好的传输质量。例如在一些 FM 通信系统中，当带 宽加倍时，系统的信噪比增加 6 dB，信号质量明显提高。但是任何调制技术都要 尽量少占用带宽，所以 FM 调制必须在带宽与信号质量之间作出平衡。省电。FM 信号的振幅是一个定值，不因基带信号的大小而改变，所以 FM 的发 射功率也保持一定，在这种情况下，发射机内就能够使用效率较高的 C 级功率放 大器(Amplifier)。典型的 C 级功率放大器的耗电功率约为 70%

26、，表示电池功率中 约有 70%转换成信号。AM 发射器机的功率放大器为 A 级或 AB 级，耗电功率只 有 30%40%。俘获效应。俘获效应(Capture Effect)是指在同一频率上同时出现两个强度不同的信 号时，FM 接收机将接收强度较高的信号并解调，较低强度的信号不会被接收， 这种特性能避免同频干扰(Co-channel)现象。AM 系统就没有这种特性，接收机将 同时接收频率内的任何信号，包括噪声信号。当然，FM 也不是十全十美的。为了维持传输时的俘获效应，降低噪声的影响，FM 调 制所占用的带宽通常是 AM 调制的数倍。另外，FM 接收机与发射机的设备也比 AM 复杂。1.2数 字

27、 调 制1.2.1数字调制的优点随着超大规模集成电路(VLSI)和数字信号处理(DSP)技术的迅猛发展，许多新的通信系 统都采用了数字调制技术，如 GSM 通信系统和蓝牙技术等。跟模拟调制相比，数字调制 具有更多的优点：抗干扰能力强。数字调制信号只有 0 和 1 两个状态，抗干扰能力大大增强。假设以 0 伏特表示状态 0，以 5 伏特表示状态 1，当信号受到噪声干扰变成 3.8 伏特时， 系统仍然能够将其恢复到正常的 5 伏特。可以实现复用(Multiplex)。不同类型的信号(语音、数据、视频)经过数字调制后， 都转换成由 0 和 1 组成的数字信号，然后可以通过复用技术在同一个信道上传输。

28、 接收端接收到这些信号后，通过多路分解(De-multiplex)把特定的信号过滤出来。保密性强。在发射端，可以运用数字信号处理技术，以特定的密码对信号进行加 密(Encryption)，接收端必须具备相同的密码，才能对信号解密。除了加密，数字 调制还能进行信道编码(Channel coding)，信道编码是在传输的数据内人为地加入 一些控制位，当接收端接收到信号后，根据这些控制位的值，对传输过程中出错 的位进行纠正。GSM 系统采用的就是数字调制技术，在后面的章节中可以看到 GSM 系统具备上述优 点。1.2.2数字调制技术的评估不同的数字调制技术具有不同的特性，好的数字调制技术要符合下列条

29、件：信噪比较低时，仍能保持较低的误码率 BER ( Bit Error Rate)。发生多重路径反射或严重衰减时，仍能正常运行。占用的带宽比较小。设备简单，不昂贵。 绝对完美的数字调制技术是不存在的。采用什么样的数字调制技术，要根据具体系统的特点来确定。在移动通信系统中，这往往取决于基站的覆盖范围、发射频率等因素。 量化地评价数字调制时，通常用到功率效率(Power Efficiency)和带宽效率(BandwidthEfficiency)。发射功率增大后，信噪比也随着增大，但是，不同的数字调制系统增加相同的功率时， 信噪比的增加并不相同。发射功率与信噪比的函数关系反映的就是数字调制系统的功率

30、效 率。当接收到的信号的误码率保持某个值 (例如 10-5) 时，发射每个比特所需要的功率就是 功率效率。当提高数据传输率时，所需的带宽也会增加。带宽效率就是不同的数字调制系统的数 据传输率与带宽之间的函数关系，它的值等于数据传输率与所占带宽的比值 R/B(b/s/Hz)。 在相同的带宽下，带宽效率越高的数字调制系统，能够提供越高的数据传输率。提高功率效率时，带宽效率往往会降低，反之亦然，因此必须平衡两者之间的关系。 比如，在信道编码中加入一些纠错位后，带宽必须增加，这样带宽效率就会降低，同时纠 错位提高了系统的抗干扰能力，在保证误码率不变的情况下，接收端对信噪比的要求就降 低了，也就是说，可

31、以降低发射功率来提高功率效率。除了功率效率和带宽效率这两个重要因素，防止多重路径反射的干扰，减少衰减等也 是需要考虑的因素。1.2.3数字调制方法数字调制是以载波振幅、相位、频率的变化来表示基带的数字信号 0 与 1。以载波的 振幅变化来表示基带信号的数字调制技术，称为 ASK (Amplitude Shift Keying)调制，又叫 幅移键控，如图 1.3 所示。ASK 调制源信号调制后的载波图 1 . 3ASK数字调制方法以载波的频率变化来表示基带信号，称为 FSK (Frequency Shift Keying)调制，又叫频移 键控，如图 1.4 所示。FSK 调制源信号调制后的载波图

32、 1 . 4FSK数字调制方法以载波的相位变化来表示基带信号，称为 PSK (Phase Shift Keying)调制，又叫相移键 控。如图 1.5 所示，用载波的 0 与公式 两个相位来表示数字信号的 0 和 1，这种调制属于 BPSK(Binary PSK)。BPSK 调制PN 码180相位变化调制后的载波图 1 . 5BPSK数字调制方法以载波的 0、公式 /2、公式 、3 公式 /2 等 4 种相位来表示数字信号时，称为 QPSK(Quadrature PSK)。将载波的 2 公式 相位分割成 M 个相位来表示数字信号时，调制 方式称为 MPSK(M-ary PSK)。PSK 系统中

33、表示载波各个相位的图形称为 Constellation 图， BPSK 与 QPSK 的 Constellation 图如图 1.6 所示。图 1 . 6BPSK与 QPSK 的 Cons t e ll a t i on 图1.3数据传输的最高速率由于信道带宽和噪声干扰等因素的限制，数据传输速率不能无限地提高。在通信理论 中，对于信道的最高传输速率，有一个著名的 Nyquist 理论和一个著名的 Shannon 公式，它们适用于有线信道和无线信道。1. Nyquist 理论介绍 Nyquist 理论之前，首先必须介绍比特率(Bit Rate)和波特率(Baud Rate)。比特率表 示单位时间

34、内传输的比特数目，通常以 b/s(比特/秒)为单位。波特率表示单位时间内传输的 波形数目，单位为赫兹(Hz)，它反映的是载波的频率或相位的变化速率。在 Nyquist 理论中，载波的波特率(B)等于信道的带宽(W)的两倍，即B=2W其中带宽(W)和波特率的单位都是 Hz。比如，某个信道的频带是 900 MHz900.2 MHz， 那么波特率 B=2(900.2-900) MHz= 400 kHz。当每个波形只由一个比特组成时，比特率和波特率是相等的。比如，在 FSK 系统中， 以 F1 表示 1，以 F2 表示 0，每个比特随着载波频率的变化而变化，这时，比特率和波特率 相等。在带宽一定的情况

35、下波特率也一定，为了提高比特率，许多更复杂的调制技术将每个 波特跟更多的比特相对应。例如 QPSK 的 0、公式 /2、公式 、3 公式 /2 等 4 个相位可分 别对应 00、01、10、11 等 4 种比特组合，每次相位变化都对应 2 个比特，在同样的波特率 下能够提供更高的比特率。EDGE 是 GSM 的升级标准，它的频谱与 GSM 系统相同，但 EDGE 具有更高的传输速率，原因是，GSM 采用的是 GMSK 调制技术，每个波特对应 1 个比特， 而 EDGE 采用的是 QPSK 调制技术，每个波特对应 3 个比特，数据传输速率因此得到提高， 达到 384 Kb/s，如图 1.7 所示

36、。GMSK 波特率-270 Kb/s-1 比特/波特QPSK 波特率-270 Kb/s-3 比特/波特图 1 . 7GMSK系统与 QPSK 系统中波特与比特的对应关系2. Shannon 公式1948 年，Shannon 发表了著名的 Shannon 公式。此公式表示了信道的数据传输速率 C(b/s)与带宽 W(Hz)、噪声 N 和信号强度 S 之间的关系： C=Wlb(1+S/N)GSM 系统的带宽为 200 kHz，根据 Shannon 公式，它在理论上的最高数据传输速率是多少呢？假设信噪比 S/N 为 10 dB： C=Wlb(1+S/N)=200 000 lb(1+10)=691.8

37、86 Kb/s后面我们将了解到，GSM 系统实际的传输速率是 270.833 Kb/s。第 2 章GSM 的特征和制定过程在过去的 20 年中，移动通信的发展极为迅速，出现了许多移动通信标准，它们的调制 方式、频谱都不尽相同，适用的区域和时期也不一样。其中，GSM(Global System for Mobile Communications)系统由于自身具有许多优点，被世界上很多国家和地区采用，成为目前最 流行的移动通信系统。有时人们会用 GSM900 或 GSM1800 来指称具体的 GSM 系统，其中 900 和 1800 都是 GSM 系统的发射频率。GSM 系统最初的频率是 900

38、MHz，后来又出现了 1800 MHz 的频 率，GSM1800 又称 DCS1800(Digital Communication System)。北美地区还有 GSM1900 系统， 称为 PCS(Personal Communication System)。GSM900、GSM1800 以及 GSM1900 最主要的 不同就是频率，频率越高系统的容量就越大，但是信号的衰减也越严重。GSM 属于蜂窝移动通信系统，所以本章在介绍 GSM 的起源与特征之前，首先介绍蜂 窝通信系统中的频率重复使用技术。2.1蜂窝移动通信系统每种移动通信系统都有固定的频谱，作为基站与手机间的通信频率，每部移动电话在

39、 通话时都会占用某个频段。随着移动用户的不断增加，有限的频谱往往成为系统扩容的瓶 颈。例如纽约市在 20 世纪 70 年代架设了贝尔(Bell)通信系统，将基站安装在市区最高处，覆盖范围达数公里，但是系统的容量却有限。假设该系统共有 25 个信道，那么整个市区内在同一时间最多只有 25 部移动电话可以通话，这显然不能满足快速增长的移动通信市场需 求。为了对此加以改进，贝尔公司推出了 HCMTS(High-Capacity Mobile Telephone System) 系统，该系统采用频率重复使用技术，以多个低功率的基站代替原来的单个高功率基站， 每个基站的覆盖范围构成一个蜂窝。为了避免互相

40、干扰，相邻的蜂窝分配不同的频率，但 相隔一定距离的蜂窝可以使用相同的频率。如图 2.1 所示，蜂窝 A 分配的频率与相邻蜂窝 的频率都不相同，蜂窝 A 的信号传播到蜂窝 C 时已经非常微弱，因此蜂窝 C 可使用与蜂窝 A 相同的频率而不会发生干扰。若干蜂窝组成一个集群(Cluster)，一个区域可由许多集群组成，集群的大小用蜂窝的个 数 N 表示，如图 2.2 所示。从图中可以看出，当 N 的值越大时，同频率的蜂窝相隔越远，第 2 章 GSM 的特征和制定过程15这样，频率就能够被重复利用，系统的容量因此而增加。蜂窝通信系统在农村和城市都适 合，早期的模拟通信系统，以及目前的 GSM 数字通信

41、系统，都属于蜂窝通信。距离图 2 . 1 频率重复使用技术图 2 . 2 集群的大小用蜂窝的个数 N 表示蜂窝通信系统的信号受到两种干扰。一个是同频干扰，即来自另一个蜂窝的相同频率 信号的干扰；另一个是邻频干扰(Adjacent Channel Interference)，即相邻蜂窝的频率接近的 信号的干扰。2.2GSM 的起源GSM 大约在 20 世纪 80 年代初期起源于欧洲。当时欧洲许多国家采用的是蜂窝模拟通 信系统，比如英国的 TACS(Total Access Communication System)，瑞典、挪威、丹麦、芬兰 的 NMT(Nordic Mobile Telephon

42、e) ， 德国的 C-Netz 系统。 欧洲以外的 地区则使用 AMPS(Advanced Mobile Phone Service)系统。模拟通信系统的容量有限，易受噪声干扰。更为严重的是，各个国家的模拟通信系统 互相不兼容，例如 NMT 系统的手机进入 TACS 系统区域时，由于二者使用的频谱及通信 协议不同，就无法通话。系统不兼容，还导致各厂商分别发展自己的专用设备，无法实现 规模生产，不利于降低成本。在这种情况下，欧洲各国都认为必须制定一个新的标准，来解决当时的模拟通信存在 的问题。GSM 便应运而生了。2.3GSM 标准的制定过程GSM 标准 最早于 1982 年由欧洲的 CEPT(

43、Conference of European Postal and Telecommunication)起草。1989 年，欧洲电信标准协会 ETSI(European Telecommunication Standard Institute)成立，CEPT 并入 ETSI，成为 ETSI 下的一个技术委员会。从此，ETSI 正式成为制定 GSM 标准的一个官方机构。ETSI 下面分成许多委员会 SMG(Special Mobile Group)，各委员会负责相关部分的 GSM 标准制定。例如 SMG2 负责制定 GSM 对无线信号的处理方式(Radio)、SMG3 负责制定 GSM 的网络架

44、构(Network)、SMG6 负责制定 GSM 网络管理(Network Management)等等。ETSI 制定 GSM 标准的初衷，是希望它能成为全球的通信标准，所以，ETSI 希望所有 国家一同来推广这个标准。ETSI 在进行标准制定的同时，也陆续与许多国家的电信运营商 签订谅解备忘录 MoU(Memorandum of Understanding)，签订备忘录的电信运营商都将采用 GSM 通信标准。表 2.1 列出了 GSM 标准制定过程中的重大事件。表 2 . 1GSM标准制定过程中的重要事件时 间事 件19821985CEPT 选择 900 MHz 作为 GSM 的频率，称为 GSM900。1986结束 1982 年以来关于 GSM 应为全新数字系统还是过渡性的