1.1 移动通信概述

当前，移动通信已经成为通信领域中最具有活力、最具有发展前途的一种通信方式，是当今信息社会中最具个性化特征的通信手段，它的发展与普及改变了社会，改变了人类的生活方式。

1.1.1 移动通信的基本概念

移动通信，其本质特色在于“移动”二字，是指通信者双方至少有一方在移动中（或临时停留在某一非预定的位置上）进行信息的传输和交换，包括移动体（如车辆、船舶、飞机、行人、车载机、舰载机等）和移动体之间的通信，移动体和固定点（如固定电话、固定无线电台等）之间的通信。需要指出的是，这里所说的“信息传输与交换”，不仅指双方的语音通信，还包括数据、传真、图像、视频和各种多媒体业务。移动通信不受时间和空间的限制，交流信息机动、灵活、可靠，是信息产业重要的物理基础保证。

1.1.2 移动通信的特点

移动通信技术与其他通信方式相比，主要体现以下特点。

1.移动通信必须利用无线电磁波进行信息传输

移动通信中的移动终端到基站之间必须靠电磁波，通过无线信道来传送信息，电磁波这种传播媒介允许通信中的用户在一定范围内自由活动，其位置不固定。但是，电磁波的传播特性受到诸多因素的影响。

首先，移动通信的运行环境复杂多变，电磁波传播条件恶劣。随着传播距离的增加，电磁波会发生弥散损耗，并且电磁波传播会受到地形、地物、地貌的遮蔽而发生“阴影效应”。同时，电磁波是以地面和电离层反射、直射、散射等方式进行传播的，受地形、地物影响很大，而且移动通信系统多建设于城市之内，市内的建筑群或障碍物都使得移动通信传播路径进一步复杂化，这样就造成了信号从多条路径到达接收地点。这些多径信号经过的路径不同，到达接收点的幅度、相位各有差异，它们相互叠加会产生电平衰落和时延扩展。图1-1所示为电波的多径传播示意图。

其次，移动通信常常在快速移动中进行，这不仅会引起多普勒（Doppler）频移效应，产生随机调频，而且会使得电波传播特性发生快速的随机起伏，严重影响通信质量。

2.运行环境复杂多变，干扰大

除了一些常见的外部干扰，如天电干扰、工业干扰和信道噪声之外，系统本身和不同系统之间，还会产生这样或那样的干扰，包括同信道干扰、邻信道干扰、互调干扰、共信道干扰、多址干扰，同时也存在近地无用强信号掩盖远地有用弱信号（称为远近效应）等。因此，在移动通信系统中，如何消除和减少这些有害干扰的影响是至关重要的。

3.可用频谱资源非常有限，通信业务需求量与日俱增

移动通信可以利用的频谱资源非常有限，不断提高移动通信系统的通信容量，始终是移动通信技术发展中的热点所在。要解决这一难题，一方面要开辟和启动新的频段，另一方面要研究、发展各种新技术和新措施，提高频带利用率。因此，对有限频谱的合理分配和严格管理是有效利用频谱资源的前提，这是国际组织和各国频谱管理机构的重要职责。

4.系统网络结构多种多样，网络管理和控制必须有效

移动通信网络可以根据不同通信地区的需要配置成带状（如铁路、公路、水路等）、面状（如覆盖某一城市或地区）或立体状（如地面通信设施与中、低轨道卫星通信网络的综合系统）等。移动通信网络既可单网运行，又可多网并行实现互连互通。为此，移动通信网络必须具备很强的管理和控制功能，如用户的登记和定位，通信链路的建立和拆除，信道的分配和管理，通信的计费、鉴权、安全和保密管理，越区切换、漫游控制等。

5.移动通信设备必须适于移动环境

移动通信设备要求体积小、重量轻、省电、携带方便、操作简单、可靠耐用、维护方便，还要求能保证设备在振动、冲击、高低温环境等恶劣条件下正常工作。

1.1.3 移动通信技术中常用到的关键词及含义

移动通信技术经常提到的关键词及含义如下。

1.信号

信号（Signal）是消息（Message）的载体，一般表现为随时间变化的某种物理量，而消息是信号的具体内容。在消息中包含一定数量的信息（Information），但信息的传送一般都不是直接的，它必须借助于一定形式的信号（电信号、光信号、电磁波信号等）才能传输和进行处理。在移动通信技术中，我们主要关心的是用做传输信息手段的电磁波信号。

电磁波信号的特性可以从时间特性（时域）和频率特性（频域）两个方面描述。在时域中，信号可表示为时间函数的数学表达式，即电磁波信号是时间t的函数，它具有一定的波形，有一定的时间特性，如出现时间的先后、持续时间的长短、重复周期的大小、随时间变化的快慢等。同时，信号在一定的条件下可以分解为许多不同频率的正弦分量，即信号具有一定的频率成分，表现为一定的频率特性。因此，用于无线通信的电磁波信号既可表示为一个时间的函数，又可表示为一个频率的函数。

在无线通信中传输的语音、数据和图像的电磁波信号，其形式可以多种多样，也存在多种分类方式，例如，确定性信号与随机信号、连续信号与离散信号、模拟信号与数字信号、周期信号与非周期信号、能量信号与功率信号等。

模拟信号与数字信号是依据信号的幅度的属性认定的。如果一个信号的幅度在某一时间范围内能取任意值，这个信号就是模拟信号；如果一个信号的幅度仅能取得有限个值，则这个信号就是数字信号。

2.信噪比

在无线通信系统中，信号不可避免地要受到噪声的干扰，噪声对信号的干扰程度用信号与噪声的功率比表示，即信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR），用S/N或SNR来表示，单位为分贝（dB）。系统要求接收到的S/N值必须大于一定数值，这样接收端才能滤掉噪声，分辨出信号。一般来说，S/N越高，信号质量越好。信噪比的计算公式如下所示。

SNR=10lgS/N（dB） （1-1）

式中，S为信号的功率，N表示噪声的平均功率。按照上述公式，当S=2N时，SNR=3dB。

无线通信系统发射端的功率要受到各种因素的制约，不能任意提高发射功率，否则不仅造成不必要的能源浪费，而且会对其他信号造成干扰。

3.信号强度

移动通信是无线通信，它是利用电磁波的辐射与传播，经过空间来传送信息的通信方式。在讨论信号的电波传播时，必须定量表示信号的强弱，因此有必要了解信号强度（Signal Intensity，SI）的概念。当信号沿着传输媒介传播时，其强度会有损耗或衰减，为了补偿这些损耗，可以在不同的地点加入一些放大器，以获得一定的增益。

信号强度最简单的表示方法是用功率，工程上常用分贝（dB）来表示信号的强度，即

SI=10lgP2/P1（dB） （1-2）

式中，P2为信号的功率；P1为固定参考信号的功率，通常P1取1mW。信号的功率越大，其信号强度就越高。

【例1-1】 某发射机发射的信号功率为10W，其信号强度为多少？当发射功率增大为原来的2倍时，信号强度增加了多少？

解：当信号功率为10W时，信号强度

SI=10lgP2/P1=10lg（10W/1mW）=40（dB）

当发射功率增大为原来的2倍（2P2）时，则信号强度

SI2=10lg（2P2/P1）=10[lg2+lgP2-lgP1]=10[lg2+lgP2/P1]=10lg2+10lgP2/P1=10lgP2/P1+3（dB）

即信号强度相应地增加了3dB。

4.频谱

实际上，一个电磁波信号是由多种频率分量叠加形成的，由傅里叶变换分析可知，电磁波信号可分解为不同频率，而每一个频率分量都是正弦波。

一个信号的频谱（Frequency2016-2-2Spectrum）是指它所包含的频率范围。一个信号的绝对带宽是指它的频谱宽度。对于许多信号而言，其绝对带宽是无限的，但是一个信号的绝大部分能量都集中在相当窄的频带内，这个频带称为有效带宽。

1.1.4 移动通信的工作频段与工作方式

频率是无线通信最宝贵的资源之一。为了有效地使用有限的频谱资源，对频率的分配与使用必须严格服从国际和国内有关组织的统一管理，否则将造成互相干扰或频率资源的浪费。

1.移动通信的工作频段

为了使移动通信所使用的频段不与广播、电视等无线业务相互干扰，工业和信息化部根据国家无线电管理委员会的建议，统一规定了移动通信所使用的频段。

1）早期我国移动通信使用频段

早期，我国的移动通信主要采用160MHz、450MHz、800MHz、900MHz四个频段，如表1-1所示。

在公用陆地移动通信网（Public Land Mobile Network，PLMN）中，主要使用VHF（30～300MHz）和UHF（300～3000MHz）频段。另外，900MHz频段中的806～821MHz和851～866MHz分配给集群移动通信；825～845MHz和870～890MHz分配给部队使用。

2）部分频段重新规划

1996年12月，国家无线电管理委员会为了满足发展蜂窝移动通信和无线接入的需要，对2000MHz的部分地面无线电业务频率重新进行了规划，分配方案如下。

将1800～1900MHz分配给FDD（频分双工），将1900～1920MHz分配给TDD（时分双工），将1960～1980MHz用于公众通信网。

将1710～1755MHz和1805～1850MHz分配给公众蜂窝移动通信网1（1800MHz）频段；将1865～1880MHz和1945～1960MHz分配给公众蜂窝移动通信网2（1900MHz）频段。

在已有的频段划分中，已分配给GSM1800的频率为1710～1755MHz和1805～1850MHz，带宽为90MHz。其中，将下端的20MHz分配给中国电信使用，即1710～1720MHz和1805～1815MHz。另外，还分配了FDD无线接入。为满足第三代移动通信系统的频谱要求，FDD无线接入的频率将逐步回收。

2000年6月，当时的信息产业部对3400～3600MHz频段又重新进行了规划，规定FDD方式固定无线接入系统工作的频段为：终端站发射频段为3400～3430MHz，中心站发射频段为3500～3530MHz，收发频率间隔为100MHz。

2.工作方式

无线通信的传输方式分为单向广播式传输和双向应答式传输。无线电寻呼系统属于单向传输，而双向传输有单工、双工和半双工3种工作方式。

1）单工通信传输

单工通信是指通信双方电台交替地进行收信和发信。根据收、发频率的异同，可以分为同频单工和异频单工。

同频单工是指通信双方使用相同的频率进行工作。通信双方发送信息时不接收，接收信息时不发送，平时通信双方的接收机均处于守候状态，天线接到接收机等待被呼。如果某一方需要发话，可按下发话开关，使发射机工作。由于对方接收机处于守候状态，即可实现收信，进行消息传输。这种单工通信工作方式的收发信机是轮流工作的，收发天线可以共用，收发信机中的某些电路也可共用，因而电台设备简单、省电。但这种工作方式只允许一方发送时另一方进行接收，不能同时进行收发工作。例如，在电台甲发送期间，电台乙只能接收而不能发送，这时即使乙方启动发射机也无法通知甲方。另外，通信双方的任何一方当发话完毕，必须立刻松开发话开关，否则接收不到对方发来的信号。

异频单工通信方式是指收发信机使用两个不同的频率分别进行发送和接收。例如，电台甲的发射频率和电台乙的接收频率为f1，电台乙的发射频率和电台甲的接收频率为f2。但同一部电台的发射机与接收机还是轮换工作的，异频单工与同频单工的差异仅仅在于收发频率的异同。单工通信常用于点到点通信，如安保人员使用的对讲机就是典型的单工通信设备。

2）双工通信传输

双工通信是指通信双方可以同时进行信息的发射与接收，有时也称为全双工通信。双工通信一般使用一对频道，以实施频分双工（FDD）工作方式。这种工作方式使用方便，发射和接收可同时进行。但是在电台的运行过程中，发射机总是处于工作状态，电源消耗较大，这对于用电池作为电源的移动台很不利。

为缓解这个问题和降低对系统频带的要求，可在通信设备中采用同步的时分双工（TDD）通信方式。此时，时间轴被周期地分割成时间帧，每一帧分为两部分，前半部分用于移动台发送，后半部分用于基站发送，这样就可以实现移动台与基站的双向通信。

3）半双工通信传输

如果移动台采用单工方式工作，即按下发话开关，发射机才工作，松开发话开关，发射机终止工作，而接收机总是工作的，则基站工作情况与全双工完全相同，称为半双工通信方式。其优点是：设备简单，功耗小，克服了单工通话断断续续的现象，但操作仍不太方便，所以半双工制主要用于专业移动通信系统中，如汽车调度等。