第1章 蜂窝移动通信基础

第一章 蜂窝移动通信的发展历程

现代移动通信技术始于20世纪20年代，发展到现在，大约经历了六个发展阶段。 第一阶段的标志是早期移动通信系统的应用，从20世纪20年代到40年代，是移动通信的早期发展阶段。

从20世纪40年代中期到60年代初期，早期的公用移动通信系统开始应用，这是现代移动通信技术的第二阶段。这个阶段移动通信技术逐渐应用到大众通信，系统采用人工接续方式，网络容量较小。

第三阶段从20世纪60年代中期到70年代中期。在此期间，美国推出了改进型移动电话系统（IMTS），德国推出了B网。这个阶段的系统采用大区制，容量有较大的提高。

第四阶段从20世纪70年代中期到80年代中期，这个阶段小区制的蜂窝移动通信系统得到了大规模应用，采用的是模拟技术，代表是美国的AMPS系统和欧洲的TACS系统。

第五阶段从20世纪80年代中期到21世纪初，这个阶段的特点是数字移动通信系统得到了大规模应用，代表技术是欧洲的GSM和美国的CDMA，也就是通常所说的第二代移动通信技术（2G）。数字蜂窝网络相对模拟蜂窝网，频谱利用率和系统容量得到了很大的提高。这个阶段的移动通信系统已经可以提供数据业务，业务类型大大丰富。

第六个阶段从20世纪90年代末开始，标志是第三代移动通信技术的发展和应用。1999年11月5日在芬兰赫尔新基召开的ITU TG8/1第18次会议上，最终确定了3类（TDMA、CDMA-FDD、CDMA-TDD）共5种技术作为第三代移动通信的基础，其中WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA是3G的3个主流标准。目前，WCDMA和CDMA2000在部分地区已经正式商用。这个阶段的特征是系统容量和载频利用率得到了较大的提高。第三代移动通信系统可以提供高速数据业务，承载的业务类型得到了极大的丰富。

表1-1给出了三种3G的主流标准的主要区别。

表1-1 三种3G主流标准的主要区别 项目 复用方式 基本带宽 码片速率 无线帧长 信道编码 数据调制 扩频方式 功率控制 基站间同步关系 核心网 WCDMA FDD 5MHz 3.84Mchip/s 10ms 卷积编码、Turbo码等 QPSK 开环＋闭环，控制步长为1db、2db、3db 同步或非同步 GSM-MAP CDMA2000 FDD/TDD 1.25MHz或3.75MHz 1.2288/3.6864Mchip/s 10/5ms 卷积编码、Turbo码等 QPSK TD-SCDMA TDD 1.6MHz 1.28Mchip/s 10ms（每个10ms的无线帧长分为两个5ms的子帧） 卷积编码、Turbo码等 QPSK QPSK（下）、HPSK（上） QPSK（下）、BPSK（上） QPSK和8PSK 开环＋闭环，控制步长开环＋闭环，控制步长为为1db，可选0.5/0.25db 1db、2db、3db GPS同步 ASNI-41 同步 GSM-MAP 注：1Mchip/s表示每秒传输1M码片。

中国在移动通信技术的研究和应用上起步都比较晚，但发展很快。从20世纪80年代开始，我国开始蜂窝移动通信的建设，最早于1987年在广东建成了TACS制式的模拟移动通信系统。到1990年，我国有10个城市开通了模拟移动通信网络，用户达到2万人。1994年，邮电部决定引入GSM技术后，移动通信在我国获得了更加快速的应用。2001年，中国联通开始了CDMA网络的建设，这样两个主流的2G技术在我国都得到了商用。2002年开始，我国的GSM万里过和CDMA网络逐渐升级为2.5G的GPRS和CDMA2000 1x。从1987

年到1997年10年间，移动用户总数发展到了1000万户；2001年3月，移动用户数达到1亿户；截至2004年5月，我国的移动用户超过3亿户，普及率超过20％，其中中国移动约1.9亿户以上，都是GSM用户，中国联通超过1亿户，GSM约8000万户，CDMA约2000万用户以上。

随着3G商用化的日益临近，中国信息产业部对各种技术标准使用的频段进行了划分，具体信息如图1-1所示。

技术模式 频分双工 时分双工 技术模式 频分双工 时分双工 频率范围/MHz 1920～1980、2110～2170 1880～1920、2010～2025 频率范围/MHz 1755～1785、1850～1880 2300～2400 （a）第三代移动通信主要工作频段分配 （b）第三代移动通信补充工作频段分配

图1-1 中国对3G频段的划分

第二章 蜂窝概念

最初的移动通信系统是基于大区制的。由于大区制系统无法实现频率复用，随着移动通信技术的普及应用，早期的移动通信系统无法满足不断增长的容量需求。

为了缓解大区制带来的频率资源紧张问题，20世纪40年代末，贝尔实验室的工作人员将蜂窝概念应用到移动通信领域，提出了蜂窝移动通信的概念，并基于该理念建立了实验蜂窝系统，最早的系统只有一个基站和多个移动终端。

蜂窝移动通信系统通过重新构造无线通信系统的覆盖区域，将每个基站的覆盖限定在一定的范围内。利用小区间频率复用提高频谱利用率，在有限频谱资源下可提供足够大的容量，从而解决了大区制通信系统的频率资源紧张问题。 第一节 大区制与小区制

移动通信的传统方式借鉴于广播和电视系统，采用在覆盖区域中间位置的高点设置具有大功率发射机，用一个站点覆盖整个区域，这种方式就是通常所说的大区制。

大区制的特点是整个服务区由一个基站覆盖，覆盖范围大，达几十千米，带来的问题是可提供的信道非常有限，在业务量不是很大的情况下就可能出现阻塞。

蜂窝系统采用与大区制完全不同的方式实现服务区的覆盖，通过将整个服务区分为多个较小的区域，用发射功率较小的基站进行覆盖，这样可以用多个小区覆盖整个服务区域。具体到某个站点，可以基于容量需求、地形地貌等因素，通过调整天线挂高、发射功率、天线增益等参数控制覆盖范围，这样可以保证蜂窝系统提供足够的容量，满足不同区域的覆盖和容量需求。

第二节 蜂窝小区的特征

蜂窝移动通信系统有三个基本特征：

? 高容量。理论上，蜂窝系统通过合理规划和发展，可提供无限的容量。 ? 小区制。蜂窝系统中的每个蜂窝相对独立，每个小区可独立提供一组信道。 ? 频率复用。分配给一个小区的频率，可以由另一个小区使用。

蜂窝移动通信系统的这三个特征，涉及到频率复用、越区切换和小区分裂等基本概念。 1、 频率复用

蜂窝系统的频率复用是指分配给某个小区的频率，可以同时分配给其他的小区。 对于FDMA系统，需要通过不同频率来区分用户，相邻小区不能使用相同的频率。FDMA系统频率复用时，需要有一定的隔离距离，确保使用相同频率的小区之间产生的干扰低于某一门限。

对于CDMA系统，相邻小区可使用相同的频率。

频率复用确保了蜂窝移动通信系统可以在有限的频段内为尽可能多的用户提供服务。 2、 越区切换

蜂窝系统中的小区相对独立，每个小区的覆盖范围有限，而移动通信的特征决定了不可能所有的通话都在单个小区内完成。比如快速移动交通工具中的用户，一次通话可能需要跨越多个小区，不同时段需由不同小区提供信道资源，这就涉及到跨小区的切换问题。

越区切换确保了蜂窝移动通信系统可以为用户提供不间断的服务。 3、 小区分裂

蜂窝移动通信网络建设完成后，能提供的容量是有限的，需要根据用户的发展对网络进行调整。对于覆盖话务热点区域的小区，随着用户量的不断增加，可能会由于不能提供足够的信道而出现阻塞，这种问题可以通过将一个小区分裂为覆盖区域更小的多个小区来解决，这就是小区分裂的概念。理论上分裂后的每个小区能够提供的容量和原有的小区的容量相同。

如果服务区由于地貌发生剧烈变化，比如覆盖区内新建大型建筑物，原有小区不能满足

覆盖需求，也可采用小区分裂的方法来解决。

采用小区分裂的方法，蜂窝移动通信系统的运营商可以获得理想的经济效益。在建网初期，可以采用较少的基站满足覆盖需求，减少一次性的投资，用较少投资获得比较理想的效果，同时可尽快完成网络的建设；随着用户的增加，对于话务密集区域，可以采用小区分裂解决容量需求，这样可根据实际需求控制网络的建设费用，用合理的投资获得理想的经济效益。

图1-2是小区分裂后，不同话务需求区域的小区分布情况。

图1-2 不同话务需求区域的小区分布

第三节 蜂窝小区的分类

实际蜂窝网络中，小区的覆盖范围受地形地貌、用户分布和周围其他小区分布等因素的影响，非常不规则，而且不同小区之间差别很大。如果采用这种不规则的小区模型进行网络的规划，设计工作的难度无疑会很大。为了简化网络规划，有必要在设计阶段用规划的简化模型替代蜂窝小区的实际覆盖，合适的简化模型必须和小区的实际覆盖范围尽可能接近。

考虑到全向天线增益的各向同性，假设基站周围区域各方向的地形地貌环境相近，可以用圆形近似表示一个基站的覆盖范围。但是，使用圆形搭建网络拓扑结构时，会出现间隙或重叠的区域，如图1-3所示。对间隙或重叠区域的不同处理，会使网络拓扑结构发生变化，有必要采用能使蜂窝不出现空隙或重叠区域的几何形状替代圆形，作为蜂窝小区覆盖的简化模型。正六边形、正方形或等边三角形都能满足不出现间隙或重叠的要求，其中正六边形的面积和圆形最接近，一般在规划设计时采用正六边形作为小区的覆盖区域简化模型。

小区的实际覆盖区形状和硬件配置、无线传播环境等因素密切相关，比如全向小区、定向单扇区、两扇区和三扇区小区都有不同的覆盖区形状，又如采用水平波瓣角为650天线的定向三扇区和900天线的定向三扇区有不同的覆盖区形状。

根据覆盖区域范围大小，蜂窝小区可以分为宏蜂窝、微蜂窝和微微蜂窝等类型。另外，随着智能天线在蜂窝通信系统中的应用，出现了智能蜂窝这种新的蜂窝形式。

图1-3 蜂窝移动通信系统的覆盖

1、 宏蜂窝 宏蜂窝小区

2、 微蜂窝

3、 微微蜂窝

4、 智能蜂窝

第三章 无线传播基础理论

第一节 大尺度衰减和小尺度衰减 第二节 传播机制

第三节 自由空间传播和无线视距 第四节 路径损耗估算原理 第四章 无线传播模型

第一节 宏蜂窝传播模型 第二节 微蜂窝传播模型 第三节 室内传播模型

第五章 蜂窝移动通信系统的天线

第一节 天线主要参数 第二节 基站天线 第三节 终端天线 第四节 天线分集

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