移动通信技术.docx
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1、高等职业教育电子信息类贯通制教材(通信技术专业)移动通信技术丁雄主编Publishing House of Electronics Industry北京BEIJING内 容 简 介本书根据现阶段 5 年制高职院校电子与信息技术类专业的教学情况、培养目标和课程体系的要求,重点 介绍了 GSM 数字蜂窝移动通信系统,GPRS 技术,CDMA 数字移动通信系统,通信电源系统等内容。本书 立足于向读者普及移动通信的基础知识,力求内容浅显易懂,适当增加插图,以帮助学生更好地理解教材内 容。本书可作为 5 年制高职院校电子与信息技术专业、通信技术专业及相近专业移动通信技术课程的教材, 还可作为电子工程师继
2、续教育、移动通信技术培训班的教材和移动通信知识的普及读物。未经许可,不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。 版权所有,侵权必究。图书在版编目(CIP)数据移动通信技术/丁雄主编. 北京:电子工业出版社,2004.6 高等职业教育电子信息类贯通制教材通信技术专业ISBN 7-5053-9369-3. 移. 丁. 移动通信通信技术高等学校:技术学校教材. TN929.5中国版本图书馆 CIP 数据核字(2004)第 055725 号责任编辑:陈健德 印刷:出版发行:电子工业出版社北京市海淀区万寿路 173 信箱邮编100036经销:各地新华书店开本:7871 0921/16印张:6.5字数
3、:163.7 千字 印次:2004 年 6 月第 1 次印刷印数:5 000 册定价:9.60 元凡购买电子工业出版社的图书,如有缺损问题,请向购买书店调换。若书店售缺,请与本社发行部联系。 联 系电话 :( 010 ) 68279077 。质量 投诉 请 发 邮件 至 zlts , 盗 版侵 权 举 报请 发 邮 件至 dbqq。前 言从 20 世纪 80 年代起,移动通信技术获得了很大的发展,从传统的单基站大功率系统到 蜂窝移动系统、卫星移动系统;从本地覆盖到区域、全国覆盖,并实现了国内、国际漫游; 从提供语音业务到提供包括数据的综合业务;从模拟移动通信系统到数字移动通信系统等, 今后移动
4、通信技术还会进一步快速发展。随着第 3 代移动通信技术的商用和移动网与互联网 的融合,全球正在向移动信息时代迈进。移动通信产业的快速发展需要大量的高级和中级技术人才,高职院校和行业岗位培训部 门担负着移动通信领域的中高级技术工人的培养任务。考虑移动通信技术所涉及的深度与广 度,结合通信行业的职业技能需要,本书重点介绍了 GSM 数字蜂窝移动通信系统,GPRS 技术,CDMA 数字移动通信系统,以及通信电源系统等。本书编写尽量做到通俗易懂,结合 实际,避免烦琐的数学推导。本书可作为 5 年制高职院校电子与信息技术专业、通信技术专业及相近专业移动通信技术课程的教材,还可作为电子工程师继续教育、移动
5、通信技术培训班的教材。全书共分 5 章, 因受篇幅所限,关于移动通信设备方面的有关内容,读者可以参考有关的技术资料。本书第 1、3、5 章由江西财经大学电子学院丁雄老师编写,第 2 章由大连电子学校孙青 卉老师编写,第 4 章由重庆电子职业技术学院陶亚雄老师编写。全书由丁雄老师统稿,由南 京信息职业技术学院王钧铭老师主审。作为教材,为了方便教师教学使用,本书还配有教学指南、电子教案及习题答案(电子 版),请有此需要的教师与电子工业出版社联系,我们将免费提供。E-mail:ve。虽然本书编者在职教领域从事多年通信技术专业的教研工作,但是通信技术发展迅速, 令人目不暇接,编者对书中有些内容的认识和
6、理解难免出现偏差,希望广大读者批评指正。编者2004 年 2 月目 录第 1 章移动通信概论11.1移动通信的基本概念21.1.1移动台和无线基站21.1.2移动通信系统中蜂窝的概念21.2陆地移动通信的特点51.2.1移动通信中电波传播的特点61.2.2干扰和噪声71.3蜂窝无线区域的组成方法101.3.1无线区域的划分方法101.3.2基站天线的激励方式121.3.3蜂窝小区规划初步13习题 113第 2 章 GSM 数字蜂窝移动通信系统152.1GSM 通信系统的组成152.1.1GSM 系统的组成152.1.2操作维护子系统152.1.3交换网络子系统162.1.4无线基站子系统172
7、.1.5移动台与 SIM 卡182.2GSM 网络接口222.3GSM 系统的无线接口242.3.1频率配置242.3.2信道类型252.4GSM 系统的关键技术262.4.1时分多址技术262.4.2基站与移动台间的时间调整302.4.3分集与合并技术312.4.4时间色散与均衡技术322.4.5语音编码322.4.6信道编码342.4.7交织技术352.4.8跳频技术362.4.9安全保密措施38III2.5GSM 网络结构412.5.1全国 GSM 网络结构412.5.2省内 GSM 网络结构422.5.3移动业务本地网络结构422.5.4信令网络结构432.5.5编号计划452.6呼叫
8、路由与接续处理492.6.1手机开机信号接续过程492.6.2手机通话与空闲过程49习题 250第 3 章 GPRS 技术513.1GPRS 简介513.1.1GPRS 产生背景513.1.2GPRS 技术分析533.2GPRS 的总体结构543.2.1GPRS 网络结构543.2.2GPRS 逻辑体系结构563.2.3GPRS 网络的主要实体573.2.4GPRS 系统的组网593.2.5GPRS 无线网络结构603.2.6空间接口的信道构成613.3GPRS 的局限性与发展前景623.3.1GPRS 的局限性623.3.2GPRS 的发展前景63习题 364第 4 章 CDMA 数字通信系
9、统654.1CDMA 系统的基本原理654.1.1CDMA 的基本概念654.1.2CDMA 移动通信系统的特点694.1.3DS-CDMA 的基本单元714.2CDMA 系统的关键技术754.2.1功率控制754.2.2地址码的选择与实现764.2.3软切换技术764.2.4语音编码技术764.2.5多径接收技术774.3CDMA 系统的网络结构774.3.1CDMA 网络的模型774.3.2交换网络规划794.3.3无线网络规划79IV4.4增强型 IS95A 网络794.5第 3 代移动通信网络81习题 483第 5 章通信电源系统845.1通信局站直流供电系统的组成845.1.1单机架
10、直流供电系统845.1.2多机架大容量直流供电系统865.2通信局站直流供电系统的工作原理875.3高频开关整流器的结构885.4通信用二次电源模块89习题 591附录 英文缩写字母含义表92参考文献94V第 1 章移动通信概论移动通信就是在运动中完成用户间的实时通信,可以说它从无线电通信发明之日就产生 了。1897 年,M.G马可尼所完成的无线通信试验就是在固定站与一艘移动拖船之间进行的, 距离为 18 n mile(海里)。现代移动通信技术的发展始于 20 世纪 20 年代,从 70 年代中期至 80 年代中期,这是移 动通信技术蓬勃发展的时期。在 1978 年年底,美国贝尔实验室研制成功
11、 AMPS(先进移动电 话系统)系统,建成了蜂窝状移动通信网,大大提高了系统容量,并于 1983 年首次在芝加哥投入商用,同年 12 月在华盛顿也开始启用,随后服务区域在美国逐渐扩大。到 1985 年 3 月已扩展到 47 个地区,约有 10 万移动用户。其他工业化国家也相继开发出蜂窝式公用移动通 信网,并在世界各地快速发展。移动通信技术迅猛发展的原因,除了用户需求迅速增加这个 主要推动力之外,还有几个方面的技术进步提供了条件。首先,微电子技术在这一时期得到 长足发展,使得通信设备的小型化、微型化有了可能,各种轻便电台被不断地推出。其次, 提出并形成了移动通信的新体制。随着用户数量的增加,大区
12、制所能提供的容量很快饱和, 这就必须探索新体制。在这方面最重要的技术突破是贝尔实验室在 20 世纪 70 年代提出的蜂 窝网概念。蜂窝网,即所谓小区制,由于实现了频率复用,大大提高了系统容量。可以说, 蜂窝网真正解决了公用移动通信系统要求容量大与频率资源有限的矛盾。第 3 方面是随着大 规模集成电路技术的发展,微处理器技术和计算机技术日趋成熟,从而为大型通信网管理与 控制提供了技术手段。从 20 世纪 80 年代中期开始,数字移动通信系统不断发展并逐渐走向成熟。以 AMPS 和 TACS(全接入通信系统)为代表的第 1 代蜂窝移动通信网是模拟系统。模拟蜂窝网虽然取得 了很大成功,但也暴露出一些
13、问题,例如,频谱利用率低,移动设备复杂,费用较贵,业务 种类受限制,以及通话易被窃听等,最主要的问题是其容量已不能满足日益增长的移动用户 需求。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。数字无线传输的频谱利用 率高,可大大提高系统容量。另外,数字通信网能提供语音、数据等多种业务服务,并与综 合业务数字网(ISDN)等兼容。实际上,早在 70 年代末期,当模拟蜂窝系统还处于开发阶段时,一些发达国家就着手数字蜂窝移动通信系统的研究。到 80 年代中期,欧洲首先推出了 GSM(全球数字移动通信网)的体系。随后,美国和日本也制定了各自的数字移动通信体制。 欧洲 GSM 已于 1991 年 7
14、 月开始投入商用,1995 年香港和记电讯公司开通了全球第 1 个码分 多址(CDMA)商用系统,码分多址在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。与其他现代技术的发展一样,移动通信技术的发展也呈现加快趋势,当数字蜂窝网刚进 入实用阶段,正方兴未艾之时,关于未来移动通信系统的讨论已如火如荼地展开。各种方案2移动通信技术纷纷出台*,其中最热门的是所谓个人移动通信网。关于这种系统的概念和结构,各家解释并 不一致。但有一点是肯定的,即未来移动通信系统将提供全球性优质服务,真正实现在任何 时间、任何地点、向任何人提供通信服务的最高目标。1.1移动通信的
15、基本概念1.1.1移动台和无线基站一个移动电话系统的首要目标是允许手提终端(简称“手机”),广义地说是移动台, 在广阔的地域内(一个国家,甚至全世界)能进入电话网。这种服务是在移动台和电话网 之间使用了无线电通信技术。根据不同的系统,人们使用的频段主要有:450 MHz, 900 MHz, 1 800 MHz 和 2 GHz。移动台通常用 MS(Mobile station)表示,粗略地讲,一个移动台由发射机、接收机和 逻辑控制电路组成。它可能是便携式移动设备或者车载移动设备,但重量只有几十到几百克, 功耗很小。为了优化服务,必须使移动台和电话网之间的无线通信质量良好,这就需要发送设备有 足够
16、的功率。为了限定这个功率,无线移动网络的运营商在地面设置了用于覆盖通信地域的 基站收发信台(Base transceiver station,简写为 BTS)或基站(Base station,简写为 BS),使 得一个移动台可以与几千米外的基站进行通信联络。一个无线移动网的优势就像其名称一样,在于移动性。无线移动网的应用,使人们可以 无需连线,即可自由地与电话、微型计算机和传真机等设备进行通信。当然这种移动性还需 要移动业务交换中心(Mobile switch center,简写为 MSC)的支持。1.1.2移动通信系统中蜂窝的概念移动通信蜂窝网的一个蜂窝小区地域类似自然界蜜蜂蜂窝的一个蜂室,
17、该地域内一个移 动台能够与“蜂室”中心的基站建立通信。运营商力求用一个接一个的“蜂室”组成蜂窝覆 盖,如图 1.1 所示。与同一基站进行同时通信的数目由于设备原因是有限的,特别是可用频 率。为了充分利用频谱,应使相距足够远的“蜂室”使用同一频率,即频率复用,并且不产 生干扰。1宏蜂窝小区传统的蜂窝式网络由宏蜂窝小区(Macrocell)构成,每小区的覆盖半径大多为 125 km。 由于覆盖半径较大,所以基站的发射功率较强,一般在 10 W 以上,天线也做得较高。由宏 蜂窝组成的移动通信系统,如图 1.2 所示,每个小区分别设有一个基站,它与处于其服务区 内的移动台建立无线通信链路。若干个小区组
18、成一个区群(蜂窝),区群内各个小区的基站可 通过电缆、光缆或微波链路与移动业务交换中心相连接,移动业务交换中心通过传输电路与 市话交换局相连接。* 国际电信联盟(ITU)的第 3 代移动通信无线传输技术(RTT)的技术标准中,WCDMA, cdma2000 和 TD-SCDMA 将是第 3 代移动通信的主流。它们是由欧洲、日本提出的 WCDMA 技术(GSM 系统的演化方 向),由北美提出的 cdma2000 技术(窄带 IS95 CDMA 系统的演化方向)和中国电信科学研究院提出的 TD-SCDMA 技术。第 1 章移动通信概论3图 1.1蜂窝覆盖图 1.2宏蜂窝移动通信系统在实际的宏蜂窝内
19、,通常存在着两种特殊的微小区域。一是“盲点”,由于网络漏覆盖 或电波在传播过程中遇到障碍物而造成阴影区域等原因,使得该区域的信号强度极弱,通信 质量低劣;二是“热点”,由于客观存在商业中心或交通要道等业务繁忙区域,造成空间业务 负荷的不均匀分布。以上两个“点”的问题,往往通过设置直放站、分裂小区等办法来加以 解决,但从原理上讲,这两种办法也不能无限制地使用。直放站实质是一个宽带放大器,设 置不合理(包括选址及安装等)或设置得过多,都极易造成对周围信号的干扰;小区分裂实 质就是采用使宏基站变密的办法(将覆盖面大的基站分裂成覆盖面较小的基站)来增加系统 的容量,但当基站小到一定程度时,由于干扰和基
20、站接入等问题,这种办法将难以再进行。 特别是近几年来,随着移动通信的迅速发展和业务需求的剧增,这些方法更是难奏其效,这 样便产生了微蜂窝小区(Microcell)技术。2微蜂窝小区微蜂窝小区(Microcell)是在宏蜂窝小区的基础上发展起来的一门技术。它的覆盖半径 大约为 50500 m;发射功率较小,一般在 1 W 以下;基站天线置于相对较低的地方,如屋 顶下方,高于地面 510 m;传播主要沿着街道的路线进行,信号在楼顶的泄漏小。因此, 微蜂窝最初被用来加大无线电覆盖,消除宏蜂窝中的“盲点”。同时由于低发射功率的微蜂窝4移动通信技术基站允许较小的频率复用距离,每个单元区域的信道数量较多,
21、因此业务密度得到了巨大的 增长,且射频干扰很小,将它安置在宏蜂窝的“热点”上,可满足该微小区域质量与容量两 方面的要求。在实际设计中,微蜂窝作为无线覆盖的补充,一般用于宏蜂窝覆盖不到又有较大话务量 的地点,如地下会议室、娱乐室、地铁、隧道等。作为“热点”应用的场合一般是话务量比 较集中的地区,如购物中心、娱乐中心、会议中心、商务楼、停车场等。而在这种话务量很 大的商业街道等地则可采用多层网的形式进行连续覆盖,即分级蜂窝结构。不同尺寸的小区 重叠起来,不同发射功率的基站紧密相邻并同时存在,使得整个通信网络呈现出多层次的结 构。相邻微蜂窝的切换都回到所在的宏蜂窝上,宏蜂窝的广域大功率覆盖可看成是宏
22、蜂窝上 层网络,并作为移动用户在两个微蜂窝区间移动时的“安全网”,而大量的微蜂窝则构成微蜂 窝下层网络。3智能蜂窝随着移动通信技术的不断发展,近年来又出现了一种新型的蜂窝形式智能蜂窝。所 谓智能蜂窝,它是相对于智能天线而言的,是指基站采用具有高分辨阵列信号处理能力的自 适应天线系统,智能地监测移动台所处的位置,并以一定的方式将确定的信号功率传递给移 动台的蜂窝小区。智能天线利用数字信号处理技术,产生空间定向波束,使天线主波束对准 用户信号到达的方向,旁瓣或零陷对准干扰信号到达的方向,达到充分高效利用移动用户信 号并删除或抑制干扰信号的目的。因此,智能蜂窝小区的应用,必将极大地改善系统性能。 具
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