无线通信技术基础_12第一代移动通信系统

1、无线通信无线通信技术基础技术基础第第12章、第一代移动通信系统章、第一代移动通信系统内容介绍内容介绍 蜂窝蜂窝移动通信系统的出现是移动通信的一次革命，其蜂窝频率复用技术移动通信系统的出现是移动通信的一次革命，其蜂窝频率复用技术大大提高了频率并增加了系统容量，网络的智能化实现了越区切换和漫游功大大提高了频率并增加了系统容量，网络的智能化实现了越区切换和漫游功能，扩大了用户的服务范围能，扩大了用户的服务范围。真正。真正大规模投入商用的是采用了无线蜂窝技术大规模投入商用的是采用了无线蜂窝技术以后的第一代模拟蜂窝移动通信系统，其中，最具有代表性的第一代移动通以后的第一代模拟蜂窝移动通信系统，其中，最具

2、有代表性的第一代移动通信系统是美国的信系统是美国的AMPS系统和欧洲的系统和欧洲的TACS系统。系统。 第第一代移动通信系统有很多不足之处，比如容量有限、体制众多、互不一代移动通信系统有很多不足之处，比如容量有限、体制众多、互不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务、不能提供自动漫游等兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务、不能提供自动漫游等等，这些问题的根源主要是采用模拟技术的原因。现在，第一代移动通信系等，这些问题的根源主要是采用模拟技术的原因。现在，第一代移动通信系统已经被采用数字技术的第二代和第三代移动通信系统完全取代，已经慢慢统已经被采用数字技术的第二代和第三代移动通

3、信系统完全取代，已经慢慢在人们的脑海里淡忘，但是我们应该知道，如果没有第一代移动通信系统做在人们的脑海里淡忘，但是我们应该知道，如果没有第一代移动通信系统做为基础，移动通信系统不可能发展到今天的程度，因此，我们有必要对第一为基础，移动通信系统不可能发展到今天的程度，因此，我们有必要对第一代移动通信系统进行一个基本的了解代移动通信系统进行一个基本的了解。本章重点本章重点一一第一代移动通信系统的基本原理。第一代移动通信系统的基本原理。二二AMPS移动通信系统。移动通信系统。三三TACS移动通信移动通信系统系统。第第12.1节、概述节、概述n 第一代模拟蜂窝移动通信系统（第一代模拟蜂窝移动通信系统（

4、1G）的商用开始于）的商用开始于20世纪世纪70年代末和年代末和80年代初，典型代表是美国的年代初，典型代表是美国的AMPS系统和后来由欧洲国家开发的改进型系系统和后来由欧洲国家开发的改进型系统（统（TACS、NMT等）等）。p AMPS（高级（高级移动电话系统）：移动电话系统）：AMPS是是20世纪世纪70年代末由美国开发年代末由美国开发出的世界上第一个模拟蜂窝移动通信系统，使用出的世界上第一个模拟蜂窝移动通信系统，使用800MHz频段，在美洲频段，在美洲和部分环太平洋国家得到了广泛的应用和部分环太平洋国家得到了广泛的应用。p TACS（全（全接入通信系统）：接入通信系统）：TACS是是20

5、世纪世纪80年代初由英国等国家在年代初由英国等国家在AMPS的基础上开发的改进型的模拟移动通信系统，使用的基础上开发的改进型的模拟移动通信系统，使用900MHz频段。频段。我国在我国在20世纪世纪80年代年代末引进末引进的的第第1G系统系统主要是主要是TACS系统系统。p NMT（北欧（北欧移动电话）：移动电话）：NMT系统是瑞典、芬兰、挪威和丹麦等北欧系统是瑞典、芬兰、挪威和丹麦等北欧国家在二十世纪国家在二十世纪80年代初开发的模拟移动电话系统。年代初开发的模拟移动电话系统。NMT系统在包括系统在包括俄罗斯在内的一些欧洲国家安装使用俄罗斯在内的一些欧洲国家安装使用。第第12.1节、概述节、概

6、述n 第一代模拟蜂窝移动通信系统主要由移动台（第一代模拟蜂窝移动通信系统主要由移动台（MS）、基站（）、基站（BTS）和移动）和移动交换中心（交换中心（MSC）等子系统）等子系统组成。组成。第第12.1节、概述节、概述n 第一代蜂窝移动通信系统可以提供移动用户之间的话音和简单的低速率数第一代蜂窝移动通信系统可以提供移动用户之间的话音和简单的低速率数据通信。话音信号首先通过标准的时分复用技术进行数字化，然后在据通信。话音信号首先通过标准的时分复用技术进行数字化，然后在MS与与BTS、BTS与与MSC、MSC与与PSTN之间传输。之间传输。MS和和BTS之间的无线信道采之间的无线信道采用的是模拟频

7、率调制（用的是模拟频率调制（FM）。）。n MSC是整个系统的运行中心，是整个系统的运行中心，MSC负责所属服务区的电话交换和系统管理。负责所属服务区的电话交换和系统管理。它拥有每个移动用户终端的相关信息，并且管理它们的越区切换和漫游，它拥有每个移动用户终端的相关信息，并且管理它们的越区切换和漫游，同时还要完成所有的网络管理功能，包括呼叫接续、维护、计费以及监控同时还要完成所有的网络管理功能，包括呼叫接续、维护、计费以及监控服务区内的非法行为等等。服务区内的非法行为等等。MSC一般通过陆地通信线路和汇接交换机连接一般通过陆地通信线路和汇接交换机连接到到PSTN上，同时还通过专用的信令信道与其它

8、上，同时还通过专用的信令信道与其它MSC连接，以便于相互交连接，以便于相互交换用户的位置、权限和信令信息换用户的位置、权限和信令信息。n 在在第一代蜂窝电话系统中，第一代蜂窝电话系统中，PSTN负责长途电话业务，负责长途电话业务，SS7信令系统负责传信令系统负责传输信令来实现呼叫接续输信令来实现呼叫接续。第第12.2节、节、AMPSn 20世纪世纪70年代末，美国年代末，美国AT&T的贝尔实验室开发出了美国第一个模拟蜂窝的贝尔实验室开发出了美国第一个模拟蜂窝电话系统，称为电话系统，称为AMPS（高级移动电话系统）（高级移动电话系统）。AMPS于于1983年年在芝加哥在芝加哥正式正式投入投入商用

9、商用，使用，使用800MHz频段上频段上共共40MHz频谱频谱（上下行各（上下行各20MHz），1989年，又年，又分配分配了了10MHz频频谱谱，总共可以提供总共可以提供832个个30KHz的双向信道的双向信道。n 第一第一个个AMPS系统采用宏蜂窝覆盖，这样可以大幅度减少最初的设备投资，系统采用宏蜂窝覆盖，这样可以大幅度减少最初的设备投资，在芝加哥运行的在芝加哥运行的AMPS系统覆盖了大约系统覆盖了大约2100平方英里的区域平方英里的区域。n AMPS的的30KHz信道需要信道需要18dB的载干比（的载干比（C/I）才能满足性能要求。当采）才能满足性能要求。当采用用120定向天线时，满足这

10、一要求的最小复用因子定向天线时，满足这一要求的最小复用因子N = 7，因此，因此AMPS采采用了用了7/21的小区复用模式，并且可以在需要时进一步采用裂向和小区分裂的小区复用模式，并且可以在需要时进一步采用裂向和小区分裂来提高系统容量来提高系统容量。n 世界各地区的第一代模拟蜂窝系统广泛采用了世界各地区的第一代模拟蜂窝系统广泛采用了AMPS系统，特别是北美、系统，特别是北美、南美和澳大利亚等国。南美和澳大利亚等国。第第12.2节、节、AMPS1、系统概述、系统概述n AMPS无线信道无线信道采用采用的调制的调制方式是模拟调频（方式是模拟调频（FM），双工方式是频分双工），双工方式是频分双工（F

11、DD），多址方式是频分多址（），多址方式是频分多址（FDMA）。）。n AMPS从移动台到基站的反向（上行）信道使用的频段的是从移动台到基站的反向（上行）信道使用的频段的是824 849MHz，从基站到移动台的前向（下行）信道使用的频段是从基站到移动台的前向（下行）信道使用的频段是869 894MHz。每个双。每个双向无线信道实际上向无线信道实际上是一对是一对频分双工的单向频分双工的单向信道，系统信道，系统带宽是带宽是25MHz。反向反向信道信道和前向信道和前向信道之间的之间的双工频率间隔是双工频率间隔是45MHz，这是为了用户移动台可以，这是为了用户移动台可以采用选择性好而且价格低廉的频分双

12、工器采用选择性好而且价格低廉的频分双工器。n 25MHz的系统带宽通过的系统带宽通过FDMA多址方式划分成多址方式划分成832个个30KHz的无线的无线信道信道。n AMPS系统一般需要建立较高的铁塔，用来安装若干个发射和接收天线，系统一般需要建立较高的铁塔，用来安装若干个发射和接收天线，由于采用的是宏蜂窝覆盖的大区制，基站发射机的有效发射功率需要几百由于采用的是宏蜂窝覆盖的大区制，基站发射机的有效发射功率需要几百瓦瓦。商用。商用的的AMPS基站可以支持多达基站可以支持多达57个话音信道。个话音信道。第第12.2节、节、AMPSn 每个基站在前向控制信道（每个基站在前向控制信道（FCC）上连续

13、上连续发送广播数据，处于空闲状态的发送广播数据，处于空闲状态的移动台可以锁定在所在区域信号最强的移动台可以锁定在所在区域信号最强的FCC上上，移动台必须移动台必须锁定一个锁定一个FCC才可以发起或者接收呼叫。基站的反向控制信道（才可以发起或者接收呼叫。基站的反向控制信道（RCC）接收机持续接收机持续监听监听锁定在相应锁定在相应FCC上的移动台发送的消息。在上的移动台发送的消息。在AMPS系统中共有系统中共有42个控制信个控制信道，这些控制信道所对应的无线信道是标准化的，系统中的任何一个移动道，这些控制信道所对应的无线信道是标准化的，系统中的任何一个移动台只需要扫描这些标准的控制信道就可以找到最

14、好的服务基站台只需要扫描这些标准的控制信道就可以找到最好的服务基站。n 前向话音信道（前向话音信道（FVC）承载来自承载来自PSTN或其它移动用户或其它移动用户的电话的电话信息信息，将其将其送至蜂窝送至蜂窝系统用户系统用户；反向话音信道（；反向话音信道（RVC）承载来自承载来自蜂窝系统用户蜂窝系统用户的的电话电话信息信息，将其送，将其送至至PSTN或其它移动用户或其它移动用户。n 根据根据话务量的大小和其它基站的位置，在一个特定基站中使用的控制和话话务量的大小和其它基站的位置，在一个特定基站中使用的控制和话音信道的数量会有很大的不同音信道的数量会有很大的不同。基。基站数量和分布也有很大不同站数

15、量和分布也有很大不同，一，一个大城个大城市的市区可能有几百个基站，而农村地区的基站数量很少市的市区可能有几百个基站，而农村地区的基站数量很少。第第12.2节、节、AMPS2、AMPS的呼叫处理的呼叫处理n 当当一个一个PSTN电话电话发起对一个发起对一个AMPS移动用户的呼叫并到达移动用户的呼叫并到达MSC时，时，MSC将在系统中每个基站的所有将在系统中每个基站的所有FCC上同时发送一个寻呼消息及用户的移动标上同时发送一个寻呼消息及用户的移动标识号（识号（MIN）。被叫的用户移动台在它锁定的）。被叫的用户移动台在它锁定的FCC上成功接收到对它的寻上成功接收到对它的寻呼后，就在呼后，就在RCC上

16、回应一个确认消息。上回应一个确认消息。MSC接收到用户的确认后，指令该接收到用户的确认后，指令该基站分配一对前向话音信道（基站分配一对前向话音信道（FVC）和反向话音信道（）和反向话音信道（RVC）给被叫的用）给被叫的用户移动台，这样新的呼叫就可以在指定的话音信道上进行。户移动台，这样新的呼叫就可以在指定的话音信道上进行。n 当一个移动用户发起呼叫时当一个移动用户发起呼叫时，移动台，移动台首先在首先在RCC上向基站发送上向基站发送消息消息，发送发送它的它的移动标识号（移动标识号（MIN）、电子序列号（）、电子序列号（ESN）和）和目的电话号码目的电话号码。基站收。基站收到该消息到该消息后后将将

17、其发送到其发送到MSC，MSC检查用户是否合法检查用户是否合法登记，验证登记，验证通过后通过后将将用户连接到用户连接到PSTN，同时通过，同时通过FCC分分配给移动台配给移动台一对一对FVC和和RVC，这一系这一系列的过程完成后，用户就可以开始通话了列的过程完成后，用户就可以开始通话了。第第12.2节、节、AMPSn 在在AMPS系统中，当正在为某个移动台提供服务的基站所接收到的系统中，当正在为某个移动台提供服务的基站所接收到的RVC信信号低于一个预定号低于一个预定门限值，门限值，就会由就会由MSC做出切换决定。门限值由系统做出切换决定。门限值由系统运营运营商商在在MSC中进行设置，它必须不断

18、进行测量和改变，以适应用户数量的增长、中进行设置，它必须不断进行测量和改变，以适应用户数量的增长、系统扩容以及业务流量模式的变化。系统扩容以及业务流量模式的变化。MSC在相邻的基站中利用定位接收机在相邻的基站中利用定位接收机来确定需要切换的特定用户的信号电平，这样来确定需要切换的特定用户的信号电平，这样MSC就能够找出可以接受切就能够找出可以接受切换的最佳邻近基站换的最佳邻近基站。n 当一个来自当一个来自PSTN或其它移动用户的新呼叫请求到达，而被叫用户所在小或其它移动用户的新呼叫请求到达，而被叫用户所在小区的基站的所有话音信道都已经被占用时，区的基站的所有话音信道都已经被占用时，MSC将保持

19、该将保持该PSTN线路或无线路或无线信道的连接，同时指示当前基站在线信道的连接，同时指示当前基站在FCC上发送一个上发送一个“定向重试定向重试”给被叫给被叫用户。定向重试控制被叫用户移动台切换到另一个不同基站的控制信道上用户。定向重试控制被叫用户移动台切换到另一个不同基站的控制信道上请求话音信道分配。该定向重试命令能否使呼叫成功建立取决于无线信号请求话音信道分配。该定向重试命令能否使呼叫成功建立取决于无线信号的传播情况、用户的特定位置以及用户所定向基站的当前业务量的传播情况、用户的特定位置以及用户所定向基站的当前业务量。第第12.2节、节、AMPSn 很多种因素都有可能导致业务质量的下降、掉话

20、或者阻塞。影响系统性能很多种因素都有可能导致业务质量的下降、掉话或者阻塞。影响系统性能的主要因素包括：的主要因素包括：MSC的性能、特定地理区域内的当前业务流量、特定的的性能、特定地理区域内的当前业务流量、特定的信道复用方式、相对于用户密度的基站数量、系统中用户之间特定的传播信道复用方式、相对于用户密度的基站数量、系统中用户之间特定的传播条件、切换信号门限值的设定等等。在一个用户密集的区域里，由于系统条件、切换信号门限值的设定等等。在一个用户密集的区域里，由于系统的复杂性以及缺乏对无线信号覆盖和用户使用模式的控制，保持优良的业的复杂性以及缺乏对无线信号覆盖和用户使用模式的控制，保持优良的业务和

21、呼叫处理质量是非常困难的。尽管务和呼叫处理质量是非常困难的。尽管AMPS的系统运营商一直在努力预的系统运营商一直在努力预测用户的增长，尽力提供良好的覆盖和足够的容量，避免系统中的同频干测用户的增长，尽力提供良好的覆盖和足够的容量，避免系统中的同频干扰，但掉话和阻塞仍然不可能完全避免。在一个大城市的扰，但掉话和阻塞仍然不可能完全避免。在一个大城市的AMPS系统中，系统中，在在业务繁忙业务繁忙的情况下，通常会有的情况下，通常会有3 5的掉话率和超过的掉话率和超过10的阻塞率的阻塞率。第第12.2节、节、AMPS3、AMPS的空中接口的空中接口参数参数AMPS 规范规范双工方式双工方式FDD多址方式

22、多址方式FDMA反向信道频率反向信道频率824 849MHz前向信道频率前向信道频率869 894MHz信道带宽信道带宽30KHz总信道数总信道数832话音调制话音调制FM峰值偏差峰值偏差话音信道控制话音信道控制12KHz宽带数据宽带数据8KHz数据传输信道编码数据传输信道编码前向：前向：BCH(40,28)反向：反向：BCH(48,36)控制控制/宽带信道上的数据速率宽带信道上的数据速率10Kbps带宽效率带宽效率0.33bps/Hz第第12.2节、节、AMPS4、话音的调制和解调、话音的调制和解调n 在进行在进行FM调制之前，话音信号首先要经过压扩器、预加重滤波器、偏差限调制之前，话音信号

23、首先要经过压扩器、预加重滤波器、偏差限幅器和后偏差限幅滤波器处理。在接收机中，解调的处理幅器和后偏差限幅滤波器处理。在接收机中，解调的处理过程相反过程相反。第第12.3节、节、TACSn TACS是欧洲在是欧洲在20世纪世纪80年代中期开发的第一代模拟蜂窝系统，除了工作年代中期开发的第一代模拟蜂窝系统，除了工作频段和信道带宽不同以外，与频段和信道带宽不同以外，与AMPS的技术标准基本一致的技术标准基本一致。参数参数AMPSTACS双工方式双工方式FDDFDD多址方式多址方式FDMAFDMA反向信道频率反向信道频率824 849MHz890 915MHz前向信道频率前向信道频率869 894MHz935 960MHz信道带宽信道带宽30KHz25KHz调制方式调制方式FMFM峰值偏差峰值偏差话音信道控制话音信道控制12KHz10KHz宽带数据宽带数据8KHz6.4KHz数据传输信道编码数据传输信道编码前向：前向：BCH(40,28)反向：反向：BCH(48,36)前向：前向：BCH(40,28)反向：反向：BCH(48,36)控制控制/宽带信道上的数据速率宽带