第4章移動通信網4.1概述4.2GSM數字蜂窩移動通信網4.3CDMA數字蜂窩移動通信網4.4集群移動通信網4.5無線尋呼網4.6公用無繩電話網4.7IMT-2000第三代移動通信系統4.1概

述

4.1.1移動通信網的發展過程

(1)第一階段從20世紀20年代至40年代,為早期發展階段。在這期間,首先在短波幾個頻段上開發出專用移動通信系統,其代表是美國底特律市警察使用的車載無線電系統。該系統工作頻率為2MHz,到40年代提高到30～40MHz,可以認為這個階段是現代移動通信的起步階段。其特點是為專用系統開發,工作頻率較低。

(2)第二階段從20世紀40年代中期至60年代初期。在此期間內,公用移動通信業務開始問世。1946年,根據美國聯邦通信委員會(FCC)的計劃,貝爾系統在圣路易斯城建立了世界上第一個公用汽車電話網,稱為“城市系統”。當時使用三個頻道,間隔為120kHz,通信方式為單工,隨后,西德(1950年)、法國(1956年)、英國(1959年)等國相繼研制了公用移動電話系統。美國貝爾實驗室完成了人工交換系統的接續問題。這一階段的特點是從專用移動網向公用移動網過渡,接續方式為人工,網的容量較小。

(3)第三階段從20世紀60年代中期至70年代中期。在此期間,美國推出了改進型移動電話系統(IMTS),使用150MHz和450MHz頻段,采用大區制、中小容量,實現了無線頻道自動選擇并能夠自動接續到公用電話網。德國也推出了具有相同技術水平的B網。可以說,這一階段是移動通信系統改進與完善的階段,其特點是采用大區制、中小容量,使用450MHz頻段,實現了自動選頻與自動接續。

(4)第四階段從20世紀70年代中期至80年代中期。這是移動通信蓬勃發展的時期。1978年底,美國貝爾實驗室研制成功先進移動電話系統(AMPS),建成了蜂窩狀移動通信網,大大提高了系統容量。1983年,首次在芝加哥投入商用。同年12月,在華盛頓也開始啟用。之后,服務區域在美國逐漸擴大。到1985年3月已擴展到47個地區,約10萬移動用戶。其他工業化國家也相繼開發出蜂窩式公用移動通信網。日本于1979年推出了800MHz汽車電話系統(HAMTS),在東京、大阪、神戶等地投入商用。西德于1984年完成C網,頻段為450MHz。英國在1985年開發出全地址通信系統(TACS),首先在倫敦投入使用,以后覆蓋了全國,頻段為900MHz。法國開發出450系統。加拿大推出450MHz移動電話系統MTS。瑞典等北歐四國于1980年開發出NMT-450移動通信網,并投入使用,頻段為450MHz。

(5)第五階段從20世紀80年代中期開始。這是數字移動通信系統發展和成熟的時期。以AMPS和TACS為代表的第一代蜂窩移動通信網是模擬系統。模擬蜂窩網雖然取得了很大成功,但也暴露了一些問題。例如,頻譜利用率低,移動設備復雜,費用較貴,業務種類受限制以及通話易被竊聽等,最主要的問題是其容量已不能滿足日益增長的移動用戶需求。解決這些問題的方法是開發新一代數字蜂窩移動通信系統。數字無線傳輸的頻譜利用率高,可大大提高系統容量。另外,數字網能提供話音、數據等多種業務服務,并與ISDN等兼容。4.1.2移動通信網的組成蜂窩移動通信系統要實現移動用戶與市話用戶、移動用戶與移動用戶,以及移動用戶與長途用戶之間的通信,必須包括無線傳輸、有線傳輸以及信息的收集、處理和存儲等,使用的主要設備有無線收發信機、交換控制設備和移動終端設備等。圖4.1是典型的蜂窩移動通信系統示意圖。移動通信網包括交換網絡分系統、基站分系統和大量移動用戶終端,是一個完整的信息傳輸實體。移動通信服務是由許多正六邊形小區組成的,呈蜂窩狀。

移動通信網通過接口與公眾通信網互連。

圖

4.1蜂窩移動通信系統

(1)交換網絡分系統(NSS)。它包括移動交換中心(MSC)、拜訪位置寄存器(VLR)、歸屬位置寄存器(HLR)、鑒權中心(AC)、操作管理中心(OMC)和短消息中心(SME)等部分。它是移動通信系統的集中控制與交換中心,也是與公眾網的接口。MSC負責交換移動臺(MS)各種類型的呼叫，提供連接維護管理中心接口，通過標準接口與基站(BS)和其他MSC連接。移動交換中心控制的區域稱為MSC控制區。MSC還具有支持移動臺越區切換、

MSC控制區之間的漫游以及計費功能。

(2)基站分系統(BSS)。它包括一個基站控制器(BSC)和其控制的若干個基站收發信系統(BTS)。它負責管理無線資源,實現固定網與移動網之間的通信連接,傳輸系統信號和用戶信息。BSC單元用來與MSC進行數據通信,與MS在無線信道上進行數據傳輸。BTS屬于BSS的無線部分,由基站控制器(BSC)控制,服務于某個小區的無線收發信設備,完成BSC與無線信道之間的轉換,實現BTS與移動臺(MS)之間通過空中接口的無線傳輸及相關的控制功能。BTS主要由基帶部分、載頻單元、控制單元三大部分組成,一個BTS含有若干個收發信單元(TRX),其數目與分配給該小區的載頻數相同,它與需要同時通話的用戶數有關。BSS與MSC之間采用PCM鏈路傳輸數據信號,有時也可利用光纜或數字微波中繼方式傳輸。

(3)移動臺(MS)。它是移動通信系統不可缺少的一部分,有車載式、手持式、便攜式三種形式。移動臺應包括移動臺物理設備和智慧部件兩部分。移動臺由收發信機、頻率合成器、數字邏輯單元、撥號按鈕和送/受話器等組成。它可以自動掃描基站載頻、響應尋呼、自動更換頻率和自動調整發射功率等。當移動用戶與市話用戶建立呼叫時,移動臺與最近的基站之間確立一個無線信道,并通過MSC與市話通話。同樣地,任何兩個移動用戶間的通話也是通過MSC建立的。為使讀者清楚地了解移動通信網與固定電話網的互連,以及移動通信在城市公眾通信網中的地位,圖4.2給出了公眾通信網示意圖。

圖

4.2公眾通信網

4.1.3蜂窩網的構成若將一個移動通信服務區劃分成許多小區(Cell),每個小區設立基站,與用戶移動臺之間建立通信,小區的覆蓋半徑較小,可從幾百米至幾十千米。如果基站采用全向天線,覆蓋區實際上是一個圓,但從理論上說,圖形小區鄰接處會出現多重覆蓋或無覆蓋,有效覆蓋整個平面區域的實際上是圓的內接規則多邊形,這樣的規則多邊形有正三角形、正方形、正六邊形三種,如圖4.3所示。顯然,正六邊形最接近圓形,對于同樣大小的服務區域,采用正六邊形小區數最少,所需頻率組數也最少。因而正六邊形組網是最經濟的方式。正六邊形的網絡形同蜂窩,蜂窩網亦由此得名。應該說明,正六邊形小區圖形僅僅具有理論分析和設計意義,實際中的基站天線覆蓋區不可能是規則正六邊形。圖4.4給出了一個蜂窩網的展開圖形。

圖4.3小區的形狀(a)正三角形；

(b)正方形；

(c)正六邊形

圖

4.4蜂窩小區覆蓋

當蜂窩移動通信系統覆蓋區內的部分地區業務量增長時,可將該部分的蜂窩小區分裂成多個較小的區域,這種做法叫小區的分裂。圖4.5為用戶分布密度不等時基站覆蓋區劃分的情形,中心區用戶密度高,基站覆蓋區小,所提供服務的信道數相對較多;邊緣區用戶密度低,基站覆蓋區大,所提供服務的信道數相對較少。采用蜂窩分裂的方法,有限的頻率資源通過縮短同頻復用距離使單位面積的頻道數增多,系統容量增大。具體實施方法有兩種:一是在原基站基礎上采用方向性天線將小區扇形化,如圖4.6(a)、

(b)和(c)所示。

圖4.5用戶分布密度不等時基站覆蓋區的劃分圖4.6小區分裂方案120°扇形小區;(b)60°扇形小區;(c)三葉草形無線區；(d)增加新基站后的小區

4.2GSM數字蜂窩移動通信網

4.2.1系統組成蜂窩移動通信系統主要是由交換網絡子系統(NSS)、無線基站子系統(BSS)和移動臺(MS)三大部分組成,如圖4.7所示。其中NSS與BSS之間的接口為A接口,BSS與MS之間的接口為Um接口。在模擬移動通信系統中,TACS規范只對Um接口進行了規定,而未對A接口做任何的限制。因此,各設備生產廠家對A接口都采用各自的接口協議,對Um接口遵循TACS規范。也就是說,NSS系統和BSS系統只能采用一個廠家的設備,而MS可用不同廠家的設備。

圖

4.7蜂窩移動通信系統的組成

GSM系統框圖如圖4.8所示。其中，A接口往右是NSS系統,它包括有移動業務交換中心(MSC)、拜訪位置寄存器(VLR)、歸屬位置寄存器(HLR)、鑒權中心(AUC)和移動設備識別寄存器(EIR)。A接口往左至Um接口是BSS系統,它包括有基站控制器(BSC)和基站收發信臺(BTS)。Um接口往左是移動臺部分(MS),其中包括移動終端(MS)和客戶識別卡(SIM)。

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4.8GSM系統框圖

1.交換網絡子系統(NSS)

(1)移動業務交換中心(MSC):它是GSM系統的核心,是對位于它所覆蓋區域中的移動臺進行控制和完成話路交換的功能實體,也是移動通信系統與其他公用通信網之間的接口。它可完成網絡接口、公共信道信令系統和計費等功能,還可完成BSS、MSC之間的切換和輔助性的無線資源管理、移動性管理等。另外,為了建立至移動臺的呼叫路由,每個MS還應能完成入口MSC(GMSC)的功能,即查詢位置信息的功能。

(2)拜訪位置寄存器(VLR):它是一個數據庫,用于存儲MSC為了處理所管轄區域中MS(統稱拜訪客戶)的來話、去話呼叫所需檢索的信息。例如客戶的號碼,所處位置區域的識別,向客戶提供的服務等參數。

(3)歸屬位置寄存器(HLR):它也是一個數據庫,用于存儲管理部門用于移動客戶管理的數據。每個移動客戶都應在其歸屬位置寄存器(HLR)注冊登記。它主要存儲兩類信息，一是有關客戶的參數;二是有關客戶目前所處位置的信息,以便建立至移動臺的呼叫路由,例如MSC、VLR地址等。

(4)鑒權中心(AUC):用于產生為確定移動客戶的身份和對呼叫保密所需鑒權、加密的三參數(隨機號碼RAND,符合響應SRES,密鑰Kc)的功能實體。

(5)移動設備識別寄存器(EIR):它也是一個數據庫,用于存儲有關移動臺設備的參數。它主要完成對移動設備的識別、

監視、閉鎖等功能,以防止非法移動臺的使用。

2.無線基站子系統(BSS)

BSS系統是在一定的無線覆蓋區中由MSC控制,與MS進行通信的系統設備,它主要負責完成無線發送接收和無線資源管理等功能。功能實體可分為基站控制器(BSC)和基站收發信臺(BTS)。

(1)基站控制器(BSC):它具有對一個或多個BTS進行控制的功能,主要負責無線網絡資源的管理、小區配置數據的管理、功率控制、定位和切換等,是一個很強的業務控制點。

(2)基站收發信臺(BTS):無線接口設備,它完全由BSC控制,主要負責無線傳輸,完成無線與有線的轉換、無線分集、無線信道加密、跳頻等功能。

3.移動臺(MS)移動臺就是移動客戶設備部分,它由兩部分組成,移動終端(MS)和客戶識別卡(SIM)。移動終端就是“機”,它可完成語音編碼、信道編碼、信息加密、信息的調制和解調、信息發射和接收。

SIM卡就是“身份卡”,它類似于我們現在所用的IC卡,因此也稱作智能卡,存有認證客戶身份所需的所有信息,并能執行一些與安全保密有關的重要信息,以防止非法客戶進入網絡。SIM卡還存儲與網絡和客戶有關的管理數據,只有插入SIM后移動終端才能接入進網,但SIM卡本身不是儲值卡。

4.操作維護子系統(OMC)

GSM系統還有一個操作維護子系統(OMC)。它主要用于對整個GSM網絡進行管理和監控。通過它實現對GSM網內各種部件功能的監視、狀態報告、故障診斷等功能。

4.2.2GSM網絡結構

1.移動話路網結構

1)全國網全國GSM移動電話網按大區設立一級匯接中心、省內設立二級匯接中心、移動業務本地網設立端局構成三級網絡結構。它與PSTN網(公用電話網)的連接關系參見圖4.9。從圖中可見,三級網絡結構組成了一個完全獨立的數字移動通信網絡。GSM數字移動通信網與PSTN網相重疊。當然,公用電話網還有它的國際出口局,而GSM數字移動通信網卻無國際出口局,國際間的通信仍然還需借助于公用電話網的國際局。

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4.9GSM網與PSTN網連接示意圖

2)省內網省內GSM移動通信網由省內的各移動業務本地網構成。省內設若干個移動業務匯接中心(即二級匯接中心),匯接中心之間為網狀網結構,匯接中心與移動端局之間成星型網。根據業務量的大小,二級匯接中心可以是單獨設置的匯接中心(即不帶客戶,都有至基站的接口,只作匯接),也可兼作移動端局(與基站相連,可帶客戶)。省內GSM移動通信網中一般設置兩、三個移動匯接局較為適宜,最多不超過四個,每個移動端局至少應與省內兩個二級匯接中心相連,如圖4.10所示。

任意兩個移動交換局之間若有較大的業務量時,可建立話音專線。

圖

4.10省內GSM移動通信網結構示意圖

3)移動業務本地網全國可劃分為若干個移動業務本地網,劃分的原則是長途區號為2位或3位的地區為一個移動業務本地網。每個移動業務本地網中應設立一個HLR(必要時可增設HLR,HLR可以是有物理實體的,也可是虛擬的,即幾個移動業務本地網公用同一個物理實體HLR,HLR內部劃分成若干個區域,每個移動業務本地網用一個區域,由一個業務終端來管理)和一個或若干個移動業務交換中心(MSC),還可以幾個移動業務本地網共用一個MSC,見圖4.11。

圖

4.11GSM移動業務本地網結構示意圖

2.移動信令網結構

GSM移動信令網是我國No.7信令網的一部分。信令網由信令鏈路(SL)、信令點(SP)和信令轉接點(STP)組成。我國移動信令網也采用與話路網類似的三級結構(見圖4.12):第一級為最高級,稱為高級信令轉接點(HSTP);第二級為低級信令轉接點(LSTP);第三級為信令點(SP)。

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4.12GSM信令網結構圖

移動通信網的專用高級信令轉接點(HSTP)設置在大區一級移動業務匯接中心,專用的低級信令轉接點(LSTP)設置在各省二級移動業務匯接中心,移動業務本地網中的每個MSC／VLR、EIR、HLR／AUC、SCH和BSC設置信令點。各大區只設置一個專用HSTP,呈單星型結構,HSTP之間以網狀網互連。各省專用LSTP連接到本大區中心的專用HSTP上,LSTP間一般不直接相連。各移動業務本地網的SP點至少應連接到本省的兩個LSTP點上,LSTP根據業務量可單獨設置或合設在省內二級匯接中心內。圖4.13表示了我國郵電部門近期數字移動通信網的信令網結構示意圖。

圖

4.13中國移動近期GSM信令網結構

4.2.3GSM頻率的配置

GSM系統包括900MHz和1800MHz兩個頻段。早期使用的是GSM900頻段,隨著業務量的不斷增長,DCS1800頻段投入使用。目前,在許多地方這兩個頻段的網絡同時存在,構成“雙頻”網絡。在我國,這兩個頻段又被分給了中國移動和中國聯通兩家移動運營商。

GSM使用的900MHz、1800MHz頻段介紹如表4.1所示。

表4.1GSM使用的900MHz、1800MHz頻段

GSM蜂窩系統采用時分多址/頻分多址/頻分雙工(TDMA/FDMA/FDD)制式。頻道間隔為200kHz,每個頻道采用時分多址接入方式,共分為8個時隙,時隙寬度為0.577ms。8個時隙構成一個TDMA幀,幀長為4.615ms。當采用全速率話音編碼時,每個頻道提供8個時分信道;將來采用半速率話音編碼后,每個頻道可容納16個半速率信道,從而達到提高頻率利用率、增大系統容量的目的。收、發采用不同的頻率,一對雙工載波上下行鏈路各用一個時隙構成一個雙向物理信道,根據需要分配給不同的用戶使用。移動臺在特定的頻率上和特定的時隙內,以猝發方式向基站傳輸信息,基站在相應的頻率上和相應的時隙內以時分復用的方式向各個移動臺傳輸信息。

4.3CDMA數字蜂窩移動通信網

4.3.1CDMA的基本概念

CDMA給每一個用戶分配一個惟一的碼序列(擴頻碼),并用它對承載信息的信號進行編碼。知道該碼序列的用戶接收機對收到的信號進行解碼,并恢復出原始數據,這是因為該用戶碼序列與其他用戶碼序列的互相關性是很小的。由于碼序列的帶寬遠大于所承載信息的信號的帶寬,編碼過程擴展了信號的頻譜,因而也稱為擴頻調制,其所產生的信號也稱為擴頻信號。CDMA通常也用擴頻多址(SSMA)來表征。因此,對擴頻信號的產生及其性能的了解就十分重要。

擴頻調制技術必須滿足兩條基本要求:

(1)所傳信號的帶寬必須遠大于信息的帶寬。

(2)所產生的射頻信號的帶寬與所傳信息無關。所傳信號的帶寬Bt與信息帶寬Bi之比稱為擴頻系統的處理增益Gp(Gp=Bt/Bi)。接收機采用相同的擴頻碼與收到的信號進行相關運算,恢復出所攜帶的原始信息。由于擴頻信號擴展了信號的頻譜,所以它具有一系列不同于窄帶信號的性能:(1)多址能力。(2)抗多徑干擾的能力。(3)隱私性能。(4)抗人為干擾的能力。(5)低載獲概率的性能。(6)抗窄帶干擾的能力。

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4.14CDMA擴頻調制方式示意圖

4.3.2擴頻通信原理擴頻通信系統的基本原理如圖4.15所示。從圖(a)中可以看出,輸入數字信號ak(t)經過調制(如PSK調制,速率Ri)后獲得窄帶已調信號bk(t),然后該信號再與高速的偽隨機序列(PN碼,速率Rc,Rc>>Ri)ck(t)進行調制。此時輸出信號Sk(t)的帶寬將遠大于傳輸信息的頻譜寬度,因而稱此過程為擴頻。然后將Sk(t)信號送至上變頻(U/C)器中將其轉換成射頻信號進行發射。

在接收端,則將接收下來的射頻信號送至下變頻器(U/C)變頻,輸出中頻信號S(t),此信號中夾雜著干擾和噪音信號。此時將此中頻信號用與發端PN碼序列ck(t)相同的本地PN序列cm(t)進行擴頻解調(解擴),還原出窄帶信號bm(t)。bm(t)再經過信息解調,將恢復出原數字信號am(t)。而通信過程中混入的干擾信號和無用信號經過解擴后被展寬為寬帶信號,再經過信息解調后送至窄帶濾波器,有用信號帶外的干擾分量均被濾除,從而降低了干擾信號的強度,改善了輸出信噪比。擴頻、解擴過程中信號頻譜變換情況見圖4.15(b)。圖4.15擴頻通信的基本原理(a)擴頻通信系統結構；

(b)信號頻譜變換

4.3.3CDMA蜂窩移動通信網的特點

與FDMA和TDMA相比,CDMA具有許多獨特的優點,其中一部分是擴頻通信系統所固有的,另一部分則是由軟切換和功率控制等技術所帶來的。CDMA移動通信網由擴頻、多址接入、蜂窩組網和頻率再用等幾種技術結合而成,含有頻域、時域和碼域三維信號處理的協作,因此它具有抗干擾性好,抗多徑衰落,保密安全性高,同頻率可在多個小區內重復使用,所要求的載干比(C/I)小于1,容量和質量之間可做權衡取舍等屬性。這些屬性使CDMA比其他系統更有優勢，主要表現在以下幾個方面：

(1)系統容量大。理論上CDMA移動網的系統容量比模擬網的大20倍。實際中比模擬網的大10倍,比GSM網的大4～5倍。

(2)系統容量的靈活配置。這與CDMA的機理有關。CDMA是一個自擾系統,所有移動用戶都占用相同的帶寬和頻率。我們打個比方,將帶寬想象成一個大房子，所有的人將進入這惟一的大房子，如果他們使用完全不同的語言,他們就可以清楚地聽到同伴的聲音,而只受到一些來自別人談話的干擾。在這里,屋里的空氣可以被想象成寬帶的載波,而不同的語言即被當作編碼,我們可以不斷地增加用戶直到整個背景噪音限制住了我們。如果能控制住用戶的信號強度,在保持高質量通話的同時,我們就可以容納更多的用戶。

(3)通話質量好。CDMA系統話音質量很高,聲碼器可以動態地調整數據傳輸速率,并根據適當的門限值選擇不同的電平級發射。同時門限值根據背景噪聲的改變而改變,這樣即使在背景噪聲較大的情況下,也可以得到較好的通話質量。另外，CDMA系統采用了軟切換技術,即“先連接再斷開”,這樣就完全克服了硬切換容易掉線的缺點。

(4)頻率規劃簡單。用戶按不同的序列碼區分,所以不同的CDMA載波可在相鄰的小區內使用,網絡規劃靈活,擴展簡單。

(5)延長手機電池壽命。采用功率控制和可變速率聲碼器,使手機電池使用壽命延長，建網成本下降。

4.3.4CDMA蜂窩移動通信技術的演進與標準

1.IS-95A和IS-95B

1995年5月,美國TIA正式頒布了窄帶CDMA(N-CDMA)標準,它是IS-95的修訂本(增強型),簡稱IS-95A。為滿足更高比特速率數據業務的需求,1998年推出了IS-95B標準,該標準基于電路型交換,允許八個業務信道組合在一起,數據傳輸速率理論上最高可達115.2kb/s,實際上可達到64kb/s。IS-95標準支持高級的數據接入協議,如TCP等,為Internet的接入提供高速、靈活、方便的服務。

IS-95A和IS-95B均有一系列標準,其總稱為IS-95。所有基于IS-95標準的各種CDMA產品又總稱為CDMAOne。

圖4.16ＣＤＭＡ蜂窩移動通信技術的演進

2.CDMA2000和IS-2000

CDMA2000是美國向ITU提出的第三代移動通信空中接口標準的建議,是IS-95標準向第三代演進的技術體制方案,是一種寬帶CDMA技術。CDMA2000室內最高數據傳輸速率為2Mb/s以上,步行環境時為384kb/s,車載環境時為144kb/s以上。CDMA2000技術的正式標準總稱叫IS-2000,它包含六部分,定義了移動臺和基地臺系統之間的各種接口。按照標準的規定,CDMA2000系統一個載波的帶寬為1.25MHz。如果系統分別獨立使用每個載波,則稱作1X系統；

如果系統將三個載波捆綁使用,則叫做3X系統。

4.3.5CDMA數字蜂窩移動通信網的網絡規劃

1.網絡參考模型

CDMA網絡參考模型定義了網中的功能實體和相互間的接口,見圖4.17。從圖中可看出CDMA網絡參考模型與GSM網相似。

圖

4.17CDMA網絡參考模型

2.交換網絡規劃

1)交換網絡組織

CDMA網采用三級結構,見圖4.18。具體為:在大區中心(如北京、上海、廣州、沈陽、武漢等)設立一級移動業務匯接中心并網狀相連;在各省會或大城市設立二級移動業務匯接中心,并與相應的一級匯接中心相連;在移動業務本地網中設一個或若干個移動端局MSC,也可視業務量由一個MSC覆蓋多個移動業務本地網。移動業務本地網原則上以固定電話網的長途編號區編號為2位和3位的區域來劃分。

圖

4.18CDMA網的結構示意圖

2)信令網組織

CDMA網的信令網與其交換網絡結構相對應,也分為三級結構:高級信令轉接點HSTP、低級信令轉接點LSTP和信令點SP。

HSTP負責轉接本大區內及本大區與其他大區間的信令業務。HSTP可兼有LSTP的功能。LSTP負責轉接本服務區內及至其上級HSTP的信令業務。SP是信令消息的源點和目的點。信令轉接點STP可采用獨立式設備,也可采用與移動匯接中心合設的方式。信令網中網絡節點間采用中國No.7信令。

3)信令方式

Um接口(也稱空中接口)的無線信令規程由《800MHzCDMA數字蜂窩移動通信網空中接口技術規范》規定。中國電信和中國聯通均已頒布了此規范。此規范是基于TIA/EIA/IS-95A的寬帶雙模擴頻蜂窩系統移動臺-基站兼容性標準。

A接口的信令規程由《800MHzCDMA數字蜂窩移動通信網移動業務交換中心與基站子系統間接口信令技術規范》規定。中國電信和中國聯通均已頒布了此規范。中國聯通頒布的A接口信令規程與EIA/TIA/IS-634的信令規程基本兼容,是其一個子集。

B、C、D、E、N和P接口的信令規程由《800MHzCDMA數字蜂窩移動通信網移動應用部分技術規范》規定。中國電信和中國聯通均已頒布了此規范。此規范基于TIA/EIA/IS-41C蜂窩無線通信系統間操作標準。中國聯通頒布的MAP為IS-41C的子集,第一階段使用IS-41C中51個操作(OPERATION)中的19個,主要為鑒權、

切換、

登記、路由請求、

短消息傳輸等。

Ai接口的信令規程由《800MHzCDMA數字蜂窩移動通信網與PSTN網接口技術規范》規定。中國電信和中國聯通均已頒布了此規范。此信令規程也稱MTUP。中國聯通頒布的MTUP為與《中國國內電話網No.7信號方式技術規范》所規定的信令規程相兼容的子集,即MTUP不使用NNC、SSB、ANU、CHG、FOT和RAN消息;另外,只接收不發送四個消息:后續地址消息SAM、帶一信號后續地址消息的SAO、主叫用戶掛機信號CCL和用戶本地忙信號SLB。

3.工作頻段我國CDMA數字蜂窩移動通信系統采用800MHzAMPS工作頻段,頻率范圍為:

(1)825.030～834.990MHz(上行:移動臺發,基站收)。

(2)870.030～879.990MHz(下行:移動臺收,基站發)。頻段寬度為10MHz。

4.4集群移動通信網4.4.1集群通信的概念集群(Trunking)的本意為中繼,為與無線中繼的中繼系統區別,自1987年以來,更多譯者將其翻譯成集群。追溯到它的產生,集群的概念確實是從有線電話通信中的“中繼”概念而來的。1908年,E.C.Mo1ina發表的“中繼”曲線的概念等級,證明了一群用戶的若干中繼線路的概率可以大大提高中繼線的利用率。“集群”這一概念應用于無線電通信系統,把信道視為中繼。“集群”的概念,還可從另一角度來認識,即與機電式(縱橫制式)交換機類比,把有線的中繼視為無線信道,把交換機的標志器視為集群系統的控制器,當中繼為全利用度時,就可認為是集群的信道。集群系統控制器能把有限的信道動態地、自動地最佳分配給系統的所有用戶,這實際上就是信道全利用度或我們經常使用的術語“信道共用”。

綜上所述,所謂集群通信系統,即系統所具有的可用信道可為系統的全體用戶共用,具有自動選擇信道功能。它是共享資源、分擔費用、共用信道設備及服務的多用途、高效能的無線調度通信系統。傳統的專用移動通信在移動通信中占有相當大的份量,最初由幾部普通步話機就可以組成一個無線電調度網,這種網在廠、礦等部門仍被大量采用,但這種網的功能過于簡單。其中有單頻單工制和雙頻單工制兩種工作方式,前者干擾大、設備簡單,后者干擾小,但設備復雜一些。無論是單頻單工還是雙頻單工制式,都只能是按鍵通話,一方講話,另一方只能聽。為避免通話上的不便,通用的工作方式是雙頻雙工,通話雙方可以同時發信,但頻率利用率低。典型的無線調度系統是單局單站制、雙頻雙工工作方式,并且具有選擇性呼叫功能的無線調度網,根據業務規模和組織方式,可確定其為單級調度或多級調度。可見,傳統的專用業務移動通信系統指的是應用于某個行業或某個部門內以調度指揮為主要特征的移動通信系統。這種通信方式從其發展過程來看,從一對一單工對講開始,到單信道一呼百應且進一步到選呼系統,后來發展成多信道自動撥號系統,它們的主要特點在于信道是“專有”的。也就是說通話過程中用戶使用的頻率是固定的,這就導致一旦用戶選擇了某信道,那么它的通話就只能在這一信道上,直至通話結束;如果這一信道已被其他用戶占用,則它就不能選擇其他空閑信道,從而出現阻塞。由此可見,傳統的專用業務通信系統頻率利用率低,而導致通信質量降低。4.4.2集群通信的特點

(1)共用頻率：將原來配給各部門專有的頻率加以集中,供各家共用。

(2)共用設施：由于頻率共用,就有可能將各家分建的控制中心和基站等設施集中合建。

(3)共享覆蓋區：可將各家鄰近覆蓋區的網絡互連起來,從而獲得更大的覆蓋區。

(4)共享通信業務：可利用網絡有組織地發送各種專業信息為大家服務。

(5)分擔費用：共同建網可以大大降低機房、電源等建網投資,減少運營人員,并可分攤費用。

(6)改善服務：由于多信道共用,可調劑余缺、集中建網,可加強管理、維修,因此提高了服務等級,增加了系統功能。

(7)具有調度指揮功能。

(8)兼容有線通信。

(9)智能化,微機軟件化,增加了系統功能。

(10)具有控制、交換、中繼功能。4.4.3集群系統的分類

1)按信令方式分按信令方式分為共路信令方式和隨路信令方式。共路信令是設定一個專門的控制信道傳信令,這種方式的優點是信令速度快,電路容易實現,但占用信道。隨路信令是在一個信道中同時傳話音和信令,信令不單獨占用信道,可節約信道,缺點是接續速度慢。

2)按信令占有信道的方式分按信令占有信道的方式分為固定式和搜索式。在固定式中,起呼占用固定信道。搜索式起呼占用隨機信道,需不斷搜索變化的信令信道,忙時信令信道可作話音信道,新空出的話音信道可接替控制信道。固定式實施簡單,而搜索式實施復雜。

3)按通話占用信道分按通話占用信道分為信息集群(亦稱消息集群)和傳輸集群。信息集群系統中,用戶通話占用一次信道完成整個通話過程,而傳輸集群系統中,一次完整的通話要分幾次在不同的信道上完成。信息集群的優點是通話完整性好,缺點是講話停頓時仍占信道,信道利用率低。傳輸集群一般分為純傳輸集群和準傳輸集群,或兩者兼用,這種方式的優點是信道利用率高、通信保密性好,缺點是通話完整性較差。

4)按控制方式分按控制方式分為集中控制方式和分散控制方式。集中控制式是指由一個智能終端控制,統一管理系統內話務信道的方式。分散式是指每一信道都有單獨的智能控制終端的管理方式。

5)按呼叫處理方式分按呼叫處理方式分為損失制和等待制系統。損失制系統中,當話音信道占滿時,呼叫被示忙,要通話需重新呼叫,信道利用率低。在等待制系統中,信道被占滿時,對新申請者采取呼叫排隊方式處理,不必重新申請,信道利用率高。4.4.4集群通信系統的基本網絡結構通常人們習慣按照覆蓋區半徑大小、服務區的幾何形狀來對系統的網絡結構分類。按照覆蓋區半徑的大小,可分成大區網、中區網、小區網;按照服務區的幾何形狀,可分成框狀網、帶狀網、蜂房狀網等等。集群通信系統的網絡結構有下列四種方式:

(1)單區、單點、單中心網絡。

(2)單區、多點、單中心網絡。

(3)多區、多中心網絡。

(4)多區、多層次、多中心網絡。

1.單區、多點、單中心網絡如圖4.19所示,它由一個控制中心、多個基站、有線或無線調度臺及網中若干移動臺組成。圖4.19單區多點單中心網絡

2.多區、多中心、多層次網絡

如圖4.20及圖4.21所示,由區域控制中心、多個控制中心、多個基站而形成整個服務區。可以看出,圖4.20各控制中心通過有線或無線傳輸電路連接至區域控制中心,即形成了圖4.21所示的網絡結構。各控制中心將受到上一級的區域控制中心控制及管理。圖4.20多區、多中心網絡圖4.21多區、多層次、多中心網絡4.4.5典型的集群移動通信網

1.模擬集群通信網——智慧網(SMARTNET)從模擬集群系統的發展和市場使用來看,比較典型的模擬集群系統主要有以下幾種:美國Motorola公司的SMARTNET(智慧網)集群移動通信系統、美國UNIDEN公司的FAST(FastAccessSystem)集群移動通信系統、美國E.F.JOHNSON公司的MULTI-NET(多功能網)集群移動通信系統、芬蘭NOKIA公司的ACTIONET集群移動通信系統。其中,SMARTNET(智慧網)具有較大的信道容量和全部集群功能,最大可以提供28個話音信道,最多可配接21條電話線,可容納48000個單機識別碼、4000個通話組碼。

SMARTNET系統的組成如圖4.22所示。主要組成部分有:中央控制器、電話互連終端、集群信道機、收發天線共用器、天線、系統管理終端、動態重組終端、系統監視終端以及調度臺、移動臺和手持機等設備。圖4.22智慧網系統組成

2.數字集群通信網——iDEN、TETRA

1)iDEN數字集群網美國Motorola公司生產的800M數字集群移動通信系統簡稱MIRS,于1994年在美國洛杉磯問世,在它的產品國際化后改稱iDEN(IntegratedDigitalEnhancedNetworks,增強型數字網絡)。它將數字調度通信和數字蜂窩通信綜合在一套系統之中,目前在北美、南美及亞洲十多個國家和地區投入商業應用,全球用戶已超過1600萬。圖4.23iDEN數字集群系統網絡邏輯功能模型

2)TETRA系統

TETRA(TerrestrialTrunkedRadio,陸上集群無線電)數字集群通信系統是一種基于數字時分多址(TDMA)技術的無線集群移動通信系統。該系統是ETSI(歐洲通信標準協會)聯合使用部門、制造商、檢測部門乃至政府部門,為了滿足歐洲各國的專業部門對移動通信的需要設計、制定統一標準的開放性系統。TETRA數字集群通信系統可在同一技術平臺上提供指揮調度、數據傳輸和電話服務,它不僅提供多群組的調度功能,而且還可以提供短數據信息服務、分組數據服務以及數字化的全雙工移動電話服務。

TETRA數字集群系統還支持功能強大的移動臺脫網直通(DMO)方式,可實現鑒權、空中接口加密和端對端加密。TETRA數字集群系統同時還具有虛擬專網功能,可以使一個物理網絡為互不相關的多個組織機構服務。TETRA數字集群系統具有豐富的服務功能、更高的頻率利用率、更高的通信質量、靈活的組網方式,許多新的應用(如車輛定位、圖像傳輸、移動互連網、數據庫查詢等)都已在TETRA中得到實現。

TETRA系統是一種非常靈活的數字集群標準。它的主要優點是兼容性好、開放性好、頻譜利用率高、保密功能強,是目前國際上制定得最周密、開放性好、技術最先進、參與生產廠商最多的數字集群標準。4.5無線尋呼網4.5.1無線尋呼系統概述無線尋呼的英文名稱為RadioPaging,它是以廣播方式工作的單向信息傳輸系統。有線用戶通過市話網及尋呼中心向尋呼機機主發出簡短的尋呼信息,需要時被呼用戶可借助有線電話與主呼的有線用戶直接對話。曾流行一時的無線尋呼系統,近年來受數字蜂窩移動電話網絡普及的影響,在市場競爭中逐漸喪失了主導地位,但考慮到經濟、技術、特殊應用場合等多方面的因素,在未來的一段時間內,無線尋呼系統仍將會有一定的市場空間。未來無線尋呼系統的發展將主要體現在以下幾個方面:

(1)尋呼的多功能化、連網化、自動化和規模化。

(2)采用新的高速尋呼技術。

(3)尋呼接收機的小型化、多功能化等。未來的尋呼機可兼有手表、鋼筆、PDA、翻譯機、裝飾品等多種功能,在信息存儲、處理能力上大幅增強,使用起來更為方便,成為用戶的隨身信息中心。4.5.2無線尋呼系統的組成與分類

1.無線尋呼系統的基本組成一個最為簡單的人工接續單區制無線尋呼系統的結構見圖4.24。從圖中可以看出,最左邊是用戶接口部分,主要是用戶通過公用電話網與尋呼臺交流的部分;其余的部分均屬無線尋呼系統的實質,即話務接續設備、尋呼控制中心(包括計算機系統、排隊編碼器和調制解調器)、尋呼發射機以及尋呼接收機。圖4.24基本的尋呼系統結構

2.尋呼系統的分類

從不同的角度出發,可以將無線尋呼系統分為公用尋呼網與專用尋呼網、單區域尋呼系統與廣域尋呼系統、人工尋呼與自動尋呼三類。其中單區域尋呼系統根據發射基站的數量可分為只有一個發射基站,為擴大尋呼范圍,發射機的功率較大(最大為100W),天線架設也較高,但即便如此,一部發射機的覆蓋范圍通常也就15～30km左右。當一部發射機的有效作用距離不能覆蓋整個服務區域時,可以在不同地點分散設置多部發射機,這多部發射機有的設置在尋呼中心附近,有的設置在距尋呼中心較遠的地方,發射機與尋呼中心之間可以利用有線線路連接,也可以利用UHF無線鏈路進行連接,這就構成了多區制尋呼系統,如圖4.25(b)所示。系統中包括多個發射基站,較之單區制系統其覆蓋范圍擴大,但發射系統的控制較前者也要復雜得多。圖4.25單區域尋呼系統(a)單區制尋呼系統;(b)多區制尋呼系統廣域尋呼系統一般是通過各單區域尋呼系統的連網實現的。圖4.26給出了一個通過中國公用分組交換網連網的三個單區域尋呼系統構成的廣域尋呼系統。很顯然,廣域尋呼系統給用戶提供了更大范圍的“找人”空間,隨著技術的進步和用戶的需求,尋呼范圍擴展到全國已成為現實。圖4.26廣域尋呼系統4.5.3無線尋呼頻段無線尋呼業務的專用頻段有43MHz、150MHz、280MHz及400MHz頻段等,頻道間隔為25kHz。兼顧電波對建筑物的穿透能力和傳播損耗,實際以150MHz、280MHz頻段的應用最為廣泛,如全國連網尋呼使用的152.65MHz。4.6公用無繩電話網

1.CT-1與CT-2

CT-1是模擬家用無繩電話,又稱第一代無繩電話。它由座機和手持無繩電話機構成一對一的通信系統,座機與室內電話線相連,一個或多個(俗稱子母機)無繩手機可以在座機近距離范圍內移動使用,座機與手機間可互相呼叫。

20世紀80年代初期,英國電信研究所提出了世界上第一個數字無繩電話標準CT-2,它把無繩電話的應用從室內推向室外,誕生了公用無繩電話系統,其結構如圖4.27所示。CT-2又稱第二代無繩電話,具有固定投資小、通話費用低的特點,但由于在室外只能提供單向業務(即只能去話,不能來話),也不能實現越區切換,使它的應用受到了很大的限制。圖4.27CT-2公用無繩電話系統結構圖

2.DECT

DECT(DigitalEuropeanCordlessTelecommunications)是歐洲數字無繩通信。它是1992年7月由歐洲電信標準協令(ETSI)制定的第一個泛歐數字無繩電話標準。DECT系統為高用戶密度、小范圍通信提供了無繩通信的框架,在幾百米的范圍內,可以為便攜臺提供低功率的無線接入,支持漫游與越區切換。目前,該系統已在公共無繩通信、無線PBX,無線本地環路等多種系統中得到廣泛應用,且作為微小區/微微小區無線接入標準,被納入到IMT-2000無線技術標準中。圖4.28DECT的結構

3.PHS

PHS(PersonalHandyphoneSystem)是日本開發的數字無繩電話系統,于1993年年底頒布。1994年日本建立了PHS的實驗網,并于1995年7月將PHS正式投入商用。PHS系統提供從最基本的電話業務到尖端的多媒體業務等多方面的業務,適用于不同國家、不同用戶,使得用戶可以獲得一種廉價而又簡單方便的個人移動通信服務。

PHS移動通信系統可對個人或企業用戶提供多樣化的增值服務,如傳統的語音通話服務、數據通信服務和地理定位功能(LocationDetectionService)等。PHS業務發展前景十分廣闊。泰國、中國臺灣、越南、澳大利亞、新西蘭、埃及等幾十個國家和地區的運營商已經開通或即將開通PHS業務。

4.小靈通

“小靈通”是UT斯達康公司生產的無線市話系統PAS(PersonalAccessSystem)的中文名稱,是UT斯達康公司的注冊商標。它作為現有固定電話網絡的延伸和補充。UT斯達康公司創造性地在PHS技術中引入了標準的V5接口,充分利用固定電話網的交換和傳輸等資源,大大降低了系統成本,使之適合中國國情,從而在中國取得了巨大的成功。UT斯達康公司作為在無線市話領域處于主導地位的無線市話的發明者,其產品“小靈通”目前已逐漸演變成為由中國電信提供的無線市話服務的統稱。

PAS系統是在PHS-WLL基礎上發展起來的,空中接口采用PHS的RCRSTD-28(V.2)標準。但同PHS系統相比,PAS屬無線接入網,不需要建設獨立的交換和傳輸資源,其系統結構如圖4.29所示。圖4.29PAS系統結構作為現有固定電話網和無線接入技術相結合的產物,PAS具有以下特點:

(1)固定電話的補充和延伸。

(2)充分利用現有資源,投資少,見效快。

(3)大容量,適合城鄉人口密集區。

(4)業務種類多,資費低。

(5)基站和手機輻射低,健康環保,手機價格低,可長時間通話,話音質量高。

(6)室內信號覆蓋比較差。

(7)適宜滿速移動。4.7IMT-2000第三代移動通信系統

1.基本概念

IMT-2000(InternationalMobileTelephony2000,國際移動通信系統)是第三代(3G)移動通信系統,它工作于2000MHz頻段。該系統包括地面蜂窩系統、無繩系統、無線接入系統和衛星系統,其終端設備可以連接至地面網絡,也可以與衛星網絡實現互連,真正實現全球覆蓋。

IMT-2000移動通信系統的宗旨是建立全球的綜合性個人通信網,可兼顧第一代、第二代系統,并由現有的無線和固定網絡逐步向真正的個人通信過渡。IMT-2000最終要實現以下目標:

(1)提供全球無縫覆蓋,支持全球漫游。

(2)提供各種綜合性服務,如話音與非話音以及寬帶多媒體業務。

(3)提供高質量服務和安全保密性能。

IMT-2000系統是建立在第二代系統基礎上的,而第二代的不同系統不可能向統一的一個網絡演進。于是ITU提出了“IMT-2000家族”的概念,允許各地區性的標準化組織有一定的靈活性,使它們根據在市場、業務需求上的不同,提出各個國家和地區向第三代系統演進的策略。但是IMT-200