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第一代模拟蜂窝通信系统.pdf

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.32M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    第一代模拟蜂窝通信系统
    引言
    二、第一代模拟蜂窝通信系统
    1、蜂窝通信系统中的蜂窝
    2、蜂窝通信系统的组成及工作原理
    3、蜂窝通信系统的主要特点
    4、蜂窝通信系统中的主要技术
    5、第一代模拟蜂窝通信系统的主要标准
    三、第一代模拟蜂窝通信系统的实例
    中国移动TACS
    结论
    参考文献
    湖南大学 硕士研究生课程 无线通信网络 无线通信网络 无线通信网络 无线通信网络 姓 名： 学 院： 专 业： 年 级： 学 号： 导 师：
    第一代模拟蜂窝通信系统 摘要—本文首先介绍第一代模拟蜂窝通信系统的发展历史及其特点，然后介绍与其相关 姓名：周克俭 学号：S12101017 的主要系统标准，最后简略介绍了中国移动 TACS。 关键词：模拟蜂窝通信 AMPS TACS NMT Abstract — This paper introduced the first generation of analog cellular communication system development history and characteristics，And then introduced the relevant main system standard, and finally the author briefly introduced the China mobile TACS. Keywords: analog cellular communication AMPS TACS NMT 一、一、一、一、引言引言引言引言 1978 年，美国贝尔实验室开发了先进移动电话业务（AMPS）系统，这是第一种真正 意义上的具有随时随地通信能力的大容量的蜂窝移动通信系统。AMPS 采用频率复用技术， 可以保证移动终端在整个服务覆盖区域内自动接入公用电话网，具有更大的容量和更好的语 音质量，很好地解决了公用移动通信系统所面临的大容量要求与频谱资源限制的矛盾。20 世 纪 70 年代末，美国开始大规模部署 AMPS 系统。AMPS 以优异的网络性能和服务质量获 得了广大用户的一致好评。AMPS 在美国的迅速发展促进了在全球范围内对蜂窝移动通信 技术的研究。到 20 世纪 80 年代中期，欧洲和日本也纷纷建立了自己的蜂窝移动通信网络， 主要包括英国的 ETACS 系统、北欧的 NMT-450 系统、日本的 NTT/JTACS/NTACS 系统等。 这些系统都是模拟制式的频分双工（Frequency Division Duplex，FDD）系统，亦被称为第 一代蜂窝移动通信系统或 1G 系统。 二、第一代模拟蜂窝通信系统 二、第一代模拟蜂窝通信系统 二、第一代模拟蜂窝通信系统 二、第一代模拟蜂窝通信系统 1111、蜂窝通信系统中的蜂窝 现代蜂窝通信网是在理论上以正六边形小区覆盖整个服务面积为基础进行分析的。由于 其形状酷似蜂窝，故称为蜂窝系统。一般来说，正六边形小区的中心间隔最大，覆盖面积也 最大，采用正六边形小区可使整个服务区域所需的小区数最少，故所需频率组数也最少，正 六边形小区组网是最经济的一种方式。 实际的小区的形状与正六边形小区有很大不同，它们取决于地形、建筑物的分布、无线 的方向性和辐射功率等因素的影响。第一代模拟系统的基站的发射功率很大，在小区面积很 大时能够达到 100W 左右；同时它们被放置在高于周围物体的建筑物和山丘的顶部。 ①宏蜂窝小区 传统的蜂窝式网络由宏蜂窝小区（Micro-cell）构成，每小区的覆盖半径大多为 1km～ 25km。图 2.44 是由宏蜂窝组成的移动通信系统示意图，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交换中心（ MSC）相连。移动交换中心 通过 PCM 电路与交换局相连接。在蜂窝通信系统中，我们一般把用户终端称为移动台，而 把与其对应的设备称为基站。 图2 宏蜂窝移动通信系统示意图 ②微蜂窝小区 微蜂窝小区（Micro-cell）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30m～300m；基站天线置于相对低的地方，如屋顶下方，高于地面 5m～10m，传 播主要沿着街道的视线进行，信号在楼顶的泄露小。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”。 ③微微蜂窝小区 在目前的蜂窝式移动通信系统中，我们主要通过在宏蜂窝下引入微蜂窝和微微蜂窝以提供更 多的“内含”蜂窝，形成分级蜂窝结构，从而解决网络内的“盲点”和“热点”，提高网络容量的。 因此，一个多层次网络，往往是由一个上层宏蜂窝网络和数个下层微蜂窝网络组成的多元蜂 窝系统。 ④智能蜂窝 随着移动通信的不断发展，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。智能蜂窝既可以是宏蜂窝，也可以是微蜂窝和微微蜂窝。这项技术正在研制过程 中。 2222、蜂窝通信系统的组成及工作原理 （1）蜂窝通信系统的组成 蜂窝移动通信系统主要是由移动台（MS）、无线基站子系统（BSS）和交换网络子系统（NSS） 三大部分组成。 ①移动台
    移动台就是移动客户设备部分，它由两部分组成，移动终端（MS）和客户识别卡（SIM）。 移动终端就是“机”，它可完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息发 射和接收。 SIM 卡就是“身份卡”，它类似于我们现在所用的 IC 卡，因此也称作智能卡，存 有认证客户身份所需的所有信息，并能执行一些与安全保密有关的重要信息，以防止非法客 户进入网路。 ②无线基站子系统 无线基站子系统是在一定的无线覆盖区中由移动交换中心（MSC）控制，与 MS 进行 通信的系统设备，它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。功能实体可分为基 站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。 ③交换网络子系统 交换网络子系统主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库 功能。 （2）蜂窝通信系统的工作原理 蜂窝通信系统为在无线覆盖范围内的任何站点的用户提供公用电话交换网的无线接入。 蜂窝系统能在有限的频带范围内在很大地理范围内容纳大量拥护。它提供了和有线电话系统 相当的高通话质量。高容量的获得主要是因为将每一基站发射站的覆盖范围限制到称为小区 的小块地理区域，这样相同的无线信道可以在相距不远的另一个基站里使用。 图2 蜂窝通信原理图 图2.说明了包括移动站、基站和移动交换中心（MSC）的基本蜂窝系统。移动交换中心 负责在蜂窝系统中将所有的移动用户连接到公用电话交换网上，有时被称作移动电话交换局 （MTSO）。每一移动用户通过无线电和某一个基站通信，在通话过程中，可能被切换到其 它任一个基站去。移动站包括发送器、天线和控制电路，可以安装在机动车辆上或作为携带 手机使用。即站包括有几个同事处理全双工通信的发送器、接收器和支撑几个发送和接收天 线的塔。基站担当的就像桥的功能，将小区中的所有用户的通话通过电话线或微波线路连到 MSC。MSC 协调所有基站的操作，并将整个蜂窝系统连到 PSTN 上去。典型的 MCS 可容纳 10万个用户，并能同时处理5000个通话，同时还提供记费和系统维护功能。
    3333、蜂窝通信系统的主要特点 第一代蜂窝系统可以传输相对低速率的数据，但它们主要关注的还是语音信号的传输。 它们之所以被称为模拟系统，是因为在被射频载波发送以前语音信号没有被数字编码。然而， 它们的所有命令和控制信道可以是数字的。用户的接入方式是频分多址（FDMA）。当一个 呼叫建立后，该用户在其呼叫结束以前一直占用一个频段。调制方式：FM。 对于蜂窝移动通信系统来说，必须抑制共信道干扰，即来自同一个频段的干扰。为了抑 制共信道干扰，对于 FDMA 系统来说需要使用频率复用技术。 4444、蜂窝通信系统中的主要技术 （1）频率复用技术 频率复用技术就是在一定的距离之外，共信道干扰低于 一定的门限值后，重复使用某一频率。这样可以保证蜂窝系 统的频谱资源得到最大效率的利用，系统的容量也可得到极 大的提高。将若干相邻的小区组成一个区群（簇），并将可供 使用的无线频道分成若干组，区群内的各个小区使用不同的 频率组，使得每个区群能够使用所提供的全部无线频道。用 相同频率配置的区群来覆盖整个服务区域，就实现了频率复 用。对于一个蜂窝系统来说，频率复用因子越大则频率资源 的利用率就越高，频率复用因子 1≤ξ 。 图 3 频率复用示意图 （2）FDMA 技术 ①FDMA 技术的概念 FDMA，频分多址（frequency division multiple access），是把分配给无线蜂窝电话通讯 的频段分为 30 个信道，每一个信道都能够传输语音通话、数字服务和数字数据。 FDMA 是数据通信中的一种技术，即不同的用户分配在时隙相同而频率不同的信道上。 按照这种技术，把在频分多路传输系统中集中控制的 频段根据要求分配给用户。同固定分 配系统相比，频分多址使通道容量可根据要求动态地进行交换。 在 FDMA 系统中，分配给用户一个信道，即一对频谱，一个频谱用作前向信道即基站 向移动台方向的信道，另一个则用作反向信道即移动台向基站方向的信道。这种通信系统 的基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号，任意两个移动用户之间进行通信都必须经 过基站的中转，因而必须同时占用 2 个信道(2 对频谱)才能实现双工通信。 以往的模拟通信系统一律采用 FDMA。频分多址(FDMA)是采用调频的多址技术。业 务信道在不同的频段分配给不同的用户。频分多址是把通信系统的总频段划分成若干个等 间隔的频道(也称信道)分配给不同的用户使用。这些频道互不交叠，其宽度应能传输一路数 字话音信息，而在相邻频道之间无明显的串扰。 ②FDMA 蜂窝系统的通信容量 FDMA 系统的通信容量受共道干扰因素限制。根据对共道干扰分布的分析和计算，可 得到系统的通信容量：
    = / / ≤ / / ) = ( MsIC 3/2 ( )sIC BWNBWn 3/2/ 其中：n——每小区的信道数；W——总频段宽度； B——频道间隔； N——区群小区数； ( )sIC/ ——所要求的载干比 由此可见，蜂窝系统可以分配给每个小区的信道数目取决于要求的载干比。反过来，这 种载干比需要通过选择合适的共道再用因子或区群小区数来保证。基站可以通过采用定向天 线把小区分成多个扇区来减小系统中的共道干扰，从而提高系统的通信容量。 模拟 FDMA 系统的容量： 总频段宽度 W=1.25MHz 频道间隔 B=30kHz 区群内小区数 N=7 总信道数目 1.25×106/30×103=41.7 通信容量 n=41.7/7=6ch/cell 5555、第一代模拟蜂窝通信系统的主要标准 （1）AMPS（Advanced Mobile Phone Service——先进移动电话业务）模拟标准 AMPS 是北美标准，80 年代初，EIA 根据美国联邦通信委员会 FCC 的特许制定了移动 通信网暂行标准。按照该标准设计的系统在 1983 年投产。AMPS 是第一个试验系统的名称。 AMPS 只规定空间接口标准，而把交换系统的设计留给制造厂家。这种处理方式对降低成 本和改进工艺都有一定好处。制造厂家可开发“标准的”高性能交换系统，在采用不同空间 接口标准的移动网中使用。它的亚型还可以用于新的数字标准。AMPS 工作在 824—— 894MHz 频段，信道间隔 30kHz，共有 832 个信道。采用 AMPS 标准的主要国家和地区有 美国、澳大利亚、加拿大、库拉索岛、墨西哥、新西兰、巴基斯坦、台湾、委内瑞拉等。 （2）TACS（Total Access Communications System——全入网（移动）通信系统）模拟 标准 TACS 标准是根据英国贸易和工业部要求在 1983 年为两个后来在 1985 年投产的蜂窝 网制定的。TACS 与 AMPS 不同的是，AMPS 具有地理界限的限制，适用于在限定区域内 经营并行移动网的竞争者，而 TACS 则没有区域限制，可以全国覆盖。此外，TACS 是第二 代模拟表准，它采用大频偏 FM 系统，具有较高的话音质量和邻道干扰抑制能力。此外，它 采用较窄的信道间隔，增大网络容量。TACS 工作在 890——960MHz 频段，信道间隔 25kHz， 提供 1320 个信道。后来由于容量不足，又开放了额外的信道，称为 E-TACS（扩充 TACS）， 它覆盖 872-950MHz 频段，可以再提供 1240 个信道。TACS 也只规定了空间接口而没有规 定交换接口。目前采用 TACS 标准的国家和地区有中国、香港、澳门、爱尔兰、意大利、 科威特、马来西亚、马耳他、尼日利亚、新加坡、阿联酋、英国等。在英国，有些信道是为 新的泛欧数字网保留的。 （3）NMT(Nordic Mobile Telephone——北欧移动电话)模拟标准 丹麦、挪威、芬兰和瑞典的电信主管部门在 70 年代后期为 1981 年投产的北欧网制定 了第一个北欧移动电话标准 NMT450。它工作在 420——480MHz 频段，信道间隔 25kHz， 共有 180 个信道。后来由于业务量增长，北欧的电信主管部门在 1986 年底又制定了第二个 标准 NMT900。它工作在 890-360MHz 频段，信道间隔也是 25kHz，共有 1999 个信道。
    NMT 标准对空间接口和交换接口都作了规定，是为覆盖几个国家制定的。目前应用 NMT 标准的主要国家有安道耳、塞浦道斯、丹麦、马来西亚、摩洛哥、荷兰、挪威、阿曼、沙特 阿拉伯、西班牙、瑞典、瑞士、泰国、突尼斯、南斯拉夫等。 除上述几种主要的系统外，典型的蜂窝移动通信系统还有德国西门子公司的 C 系统， 日本 NTT 公司的 NTT 系统等。 （4）主要标准的一些数据的对比： 系统特性 系统名称 基 站 发 频段／ MHz 移动台发 频道间隔／MHz 收发频率间隔／MHz 基站发射功率／W 移动台发射功率／W＊ 小区半径／km 区群内小区数／N 话音 调制方式 频偏／kHz 调制方式 信令 频偏／kHz 速率／(kb/s) 美国 AMPS 870～880 825～845 英国 TACS 935～960 890～915 30 45 100 3 2～20 7／12 FM ±12 FSK ±8.0 10 25 45 100 7 3～20 7／12 FM ±9.5 FSK ±6.4 8 北欧 NMT-450 463～467.5 453～457.5 25 10 50 15 1～40 7／12 FM ±5 FFSK ±3.5 1.2 NMT-900 935～960 890～915 12．5 45 100 6 0.5～20 9／12 FM ±5 FFSK ±3.5 1.2 卷积码 卷积码 日本 NTT 915～940 860～885 25 55 25 5 2～20 9／12 FM ±5 FSK ±4.5 0.3 BCH(43,31) BCH(15,11) 纠错 编码 基站 移动台 BCH(40,28) BCH(48,36) BCH(40,28) BCH(48,36) 卷积码 卷积码 三、第一代模拟蜂窝通信系统的实例 三、第一代模拟蜂窝通信系统的实例 三、第一代模拟蜂窝通信系统的实例 三、第一代模拟蜂窝通信系统的实例 TACS TACS 中国移动 TACS TACS TACS 系统是一种模拟移动通信系统，提供了全双工、自动拨号等功能，与 AMPS 系统 类似，它在地域上将覆盖范围划分成小单元，每个单元复用频带的一部分以提高频带的利用 率，即利用在干扰受限的环境下，依赖于适当的频率复用规划（特定地区的传播特性）和频
    分复用（FDMA）来提高容量，实现真正意义上的蜂窝移动通信。TACS 系统实际上是 AMPS 系统的修改版本。主要是频段、频道间隔、频偏、信令速率不同，其他完全一致。 当在公共交换电话网（PSTN）中的一个普通电话发起对一个蜂窝用户的一次呼叫并到 达移动交换中心（MSC）时，在系统中每个基站的前向控制信道上同时发送一个寻呼消息 及用户的移动标志号（MIN）。该用户单元在一个前向控制信道上成功接收到对它的寻呼后， 就在反向控制信道上回应一个确认消息。接收到用户的确认后，移动交换中心命令该基站分 配一对前向语音信道和反向语音信道给该用户单元，这样新的呼叫就可以在指定语音信道上 进行。该基站在将呼叫转至语音信道的同时，分配给用户单元一个监测音（SAT 音）和一个 语音移动衰减码（VMAC）。用户单元自动将其频率改至分配的语音信道上。 监测音频率使基站和移动站能区分位于不同小区中的同信道用户。在一次呼叫中，S 监 测音以音频频率在前向和反向信道上连续发送。语音移动衰减码指示用户单元在特定的功率 水平上进行发送。在语音信道上，基站和用户单元以"空白-突发"模式使用宽带数据来发起 切换时，则根据需要改变用户发射功率，并提供其他系统数据。 当一个移动用户发起一次呼叫时，用户单元在反向控制信道上发送始发消息。用户单元 发送它的移动标志号、电子序列号（ESN），基站分类标识和呼叫的电话号码。如果基站正 确收到该消息，则送至移动交换中心，由移动交换中心检查该用户是否已经登记，之后将用 户连接到公共交换电话网，同时分配给该呼叫一个前向和反向语音信道对，以及特定的监测 音和语音移动衰减码，之后开始通话。 1987 年，我国首先在广州建立第一个 TACS 模拟蜂窝移动电话系统，标志着我国开始 进入公众移动通信新阶段。1995 年 6 月，我国实现了全国模拟移动电话自动漫游，中国建 成当时全球最大的实现自动漫游的模拟移动电话网络。我国大部分省市的 TACS 网使用的是 885-890/930-935MHz。北京、天津、上海 TACS 网使用频率为 879-890/924-935MHz 共 11MHz 频率。 四、四、四、四、结论结论结论结论 第一代模拟蜂窝系统取得了巨大的成功。但是在实际的使用过程中也暴露出一些问题： 频率效率较低，有限的频谱资源和无限的用户容量的矛盾十分突出；业务种类比较单一，主 要是话音业务；其次，模拟系统存在同频干扰和互调干扰；设备成本高，体积大，重量大。 此外，模拟系统保密性较差。当然最主要的因素恐怕仍然是容量与日益增长的市场之间的矛 盾。 因此模拟系统在经历了 20 世纪 80 年代的辉煌后，很快就被 90 年代推出的数字蜂窝系 统所取代。但是第一代模拟蜂窝通信系统所用到的技术和原理在当时都是非常先进的，也成 为现代通信系统设计和改进的经典，是值得我们学习和借鉴的。 参考文献参考文献参考文献 参考文献 [1] 郭俊强,李成.移动通信[M].北京：北京大学出版社.2008.14-15 [2] 张平,王卫东,陶小峰,王莹等.WCDMA 移动通信系统[M].人民邮电出版社.2004.2-4 [3] 李肤芳.我国模拟蜂窝系统的联网[J].电信科学. 1996 年第 12 卷第 4 期：31-32 [4] 杨其芳.对 CDMA 和 TACS 网间干扰的探讨[N.通信世界技术.2000.7.18：28-29
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