移动通信的神话
现在的移动通信,相信大家都不陌生,呼机,手机早就走入千家万户。
其实我们的远古老祖先,也有过这样的向往呢!大家应该会记得《西游记》中的一幕:玉皇大帝派二郎神抓拿孙悟空,众神都在凌霄宝殿上观战,正当底下打的正厉害的时候,忽然孙悟空不见了,于是玉皇大帝就叫出“千里眼”和“顺风耳”,“千里眼”和“顺风耳”一个看,一个听,很快就把孙悟空找到了。
日本也有关于“顺风耳”的神话故事,日本传说中,深山里住着一种“回声”妖怪,平时我们对着深山喊,深山里的回声就是它附和着人的声音发出来的,听起来挺恐怖,不过这种妖怪是不伤害人的。而且它还有一种法力,可以一下子把声音传到远方你想通话的人那里去。有它帮助通话非常方便。
其他涉及这方面的一些神话故事还有很多,可见古代中外的人们由于交通不便,联系起来十分费劲,于是他们都想象着“顺风耳”的出现,可以和远 方的亲人尽快的联系。
如今,古人的梦想已经被我们实现了。“顺风耳”真的出现了,那就是现在的移动通信,无论你要找的人在那里,通过移动通信你就可以尽快的和他联系。呼机,手机等等这些现代化的通信工具给予我们极大的方便。它可以把你远方的亲人的声音原原本本地送到你面前。让你充分领略到科技的力量。科技带给人们的便利,将伴随着科技的进一步发展体现在我们的面前。
在下面的学习中,你将不仅仅了解移动通信的历史,现在和未来。还会对移动通信的工作原理有进一步的了解。
无线通信趣事(上)
一项伟大的科学成果从发现到为人类所利用,往往需要经过几代人前赴后继的努力。麦克斯韦预言电磁波的存在,但却没有能通过亲手实验证实他的预言;赫兹透过闪炼的水花,第一次证实电磁波的存在,但却断然否认利用电磁波进行通信的可能性。他认为,若要利用电磁波进行通信,需要有一面面积与欧洲大陆相当的巨型反射镜。但是,“赫兹电波”的闪光,却照亮了两个年轻人不朽的征程。这两个年轻人便是波波夫和马可尼。
1895年5月7日,年仅36岁的波波夫在彼德堡的俄国物理化学会的物理分会上,宣读了关于“金属屑与电振荡的关系”的论文,并当众展示了他发明的无线电接收机。当他的助手雷布金在大厅的另一端接通火花式电波发生器时,波波夫的无线电接收机便响起铃来;断开电波发生器,铃声立即中止。几十年后,为了纪念波波夫在这一天的划时代创举,当时的苏联政府便把5月7日定为“无线电发明日"。
1896年3月24日,波波夫和雷布金在俄国物理化学协会的年会上,操纵他们自已制作的无线电收发信机,作了用无线电传送莫尔斯电码的表演。当时拍发的报文是“海因里希·赫兹”,以此表示他对这位电磁波先驱者的崇敬。虽然当时的通信距离中只有250米,但它毕竟是世界上最早通过无线电传送的有明确内容的电报。从此,无线通信揭开了新的一章,人类的通信也从此进入一个新世纪。
无线通信趣事(下)
也是在1896年的6月,年方21的意大利青年马可尼也发明了无线电收报机,并在英国取得了专利。当时通信距离只有30米。
马可尼1874年4月25日生于意大利波伦亚。他自幼便有广泛的爱好,对电学、机械学、化学都有浓厚的兴趣。13岁那年,他便在赫兹证实电磁波存在的论文的启发下,萌发了利用电磁波进行通信的大胆设想。他时而在阁楼上,时而在庭院或农场里进行无线电通信的试验。1894年,他成功地进行了相距2英里的无线电通信的收与发。
马可尼发明之路荆棘丛生。他在申请政府赞助落空后,于1896年毅然赴英。在那里他得到了科学界和实业界的重视和支持,取得了专利。1897年,马可尼建议了世界上第一家无线电器材公司--美国马可尼公司。这一年的5月18日,马可尼进行横跨布里斯托尔海峡的无线电通信获得成功。1898年,英国举行游艇赛,终点是距海岸20英里的海上。《都柏林快报》特聘马可尼用无线电传递消息,游艇一到终点,他便通过无线电波,使岸上的人们立即知道胜负结果,观众为之欣喜若狂。可以说,这是无线电通信的第一次实际应用。
二极管的发明,对马可尼的研究起到了积极推动作用。1901年,他成功地进行了跨越大西洋的远距离无线电通信。实验是在英国和纽芬兰岛之间进行的,两地相隔2700公里。从此,人类迎来了利用无线电波进行远距离通信的新时代。
1937年7月20日,马可尼病逝于罗马。罗马上万人为他举行了国葬;英国邮电局的无线电报和电话业务为之中断了2分种,以表示对这位首先把无线电理论用于通信的先驱者,以及1909年诺贝尔物理学奖获得者的崇敬与哀悼。
永不消失的电波
(一)频率
其实在实际的生活中我们经常地接触到“频率”这个词,相信很多朋友对此都不会陌生。在移动通信中,我们用无线电波进行相互之间的通信,因此电波的频率就是我们不得不考虑的问题。大家都听过收音机,我们接受一个台的时候总要调一个旋钮,直到听清楚为止,如果我们换台,就旋转旋钮调到另外的一个台的频率去,看到这里,相信大家都清楚了,每一个台都有自己的无线电波的频率。
为什么要这样呢?因为如果所有的电台都采用同一个频率,那么会出现一片混乱,收音机里什么也听不见,所有的电台的信号都夹杂在一起了。所以全国各地对每个电台都有严格的限制和审核,北京地区调频(FM)信号就有一定的间隔,所有的私人电台都是不允许的。
在通信中,我们对频率也有很严格的限制,因为我们可以利用的频率资源(也就是频率范围)是有限的。如果我们对频率的使用没有严格的审核和限制,就会发生通信一片混乱的情况。因此,国际上采用了比较统一的标准,比如移动通信就划分了一定的频率范围,每一个(连续的)频率范围我们称为频段。其他的频段用于卫星通信,微波通信等等。
(二)相位
有一些朋友可能对“相位”这个词不太了解,其实我们在生活中也是经常遇到的,比如说“三相交流电”,其中的相也是这个意思,在这里我们简单解释一下“相位”,每一频率的电波有其相应的波长(波长就是指一个单位电波的长度,单位为米),我们把一个波长对应为2π的相位,比如有两路相同频率的电波,在传输过程中,有一路电波比另外一路电波快了半个波长那么我们就说该电波比另外一路超前了π相位,另外一路就比前面一路滞后了π相位。
想具体了解相位的朋友可以参照一些关于通信的参考书。
移动通信之路(一)
世界范围的移动通信的发展进程,回顾起来可分为四个阶段。
第一阶段:从二十世纪代至40年代初,移动通信有了初步的发展,不过当时的移动通信使用范围小的可怜,主要使用对象是船舶、飞机、汽车等专用移动通信以及运用在军事通信中,使用频段主要是短波段(比如现在的收音机用的频段),限于当时的技术限制,移动通信的设备也只是采用电子管的,不仅又大又笨重,而且效果还很差。当时也只能采用人工交换和人工切换频率的控制和接续方式,接通时间和接通效率都与今天的移动通信差的太多。不过当时的工程师们都看到了移动通信的潜力,将大量的人力物力投入在移动通信的发展上。
第二阶段:到了40年代中至60年代末,移动通信有了进一步的发展,在频段的使用上,放弃了原来的短波段,主要使用VHF(甚高频)频段的150MHz,到了后期又发展到400MHz频段。同时技术上的进步--60年代晶体管的出现,使移动台向小型化方面大大前进了一步。效果也比以前有了明显的好转,由于移动通信的便捷性,在美国、日本、英国、西德等国家开始应用汽车公用无线电话(MTS或IMTS),与此同时,专用移动无线电话系统大量涌现,广泛用于公安、消防、出租汽车、新闻、调度等方面。同时此阶段的交换系统已由人工发展为用户直接拨号的专用自动交换系统。接通效率也有了很大改善。这时,移动通信逐步走进了公众的日常生活,人们已经看到了未来个人移动通信的曙光。这时的移动通信,开始快速地向小型化,便捷化以及个人化发展。
移动通信之路(二)
第三阶段:到了70年代至80年代,集成电路技术、微型计算机和微处理器的快速发展,以及由美国贝尔实验室推出的蜂窝系统的概念和其理论的在实际中的应用,使得美国、日本等国家纷纷研制出陆地移动电话系统。可以说,这时的移动通信系统真正地进入了个人领域:具有代表性的有美国的AMPS(Advanced Mobile Phone System)系统,英国的TACS系统,北欧(丹麦、挪威、瑞典、芬兰)的NMT系统、日本的NAMTS系统等等,这些系统均先后投入商用。这个时期的系统的主要技术是模拟调频、频分多址,以模拟方式工作(这些名词将在以后的文章中解释),使用频段为800/900MHz(早期曾使用450MHz),故称之为蜂窝式模拟移动通信系统,或为第一代移动通信系统。
这一阶段是移动通信系统不断完善的过程。系统的耗电、重量、体积大大缩小,服务多样化,系统大容量化,信息传输实时化,控制与交换更加自动化、程控化、智能化,其服务质量已达到很高的水平。世界上第一个蜂窝系统是由日本的电话和电信公司(NTT)于1979年实现。进入80年代,可以说移动通信已经达到了成熟阶段。
与此同时,许多无线系统已经在全世界范围内发展起来。寻呼系统和无绳电话系统在扩大服务范围。许多相应的标准应运而生。
第四阶段:90年代至今,随着数字技术的发展,通信、信息领域中的很多方面都面临向数字化、综合化、宽带化方向发展的问题。第二代移动通信系统是以数字传输、时分多址或码分多址(这些名词将在以后的文章中解释)为主体技术,目前国际上已进入商用和准备进入商用的数字蜂窝系统有欧洲的GSM、美国的DAMPS(IS-54目前用IS-136)、日本的JDC系统及美国的IS-95系统等。
进入90年代中期,世界各移动通信设备制造商和运营商已从对第三代移动通信系统的概念认同阶段进入到具体的设计、规划和实施阶段。在开发第三代系统的进程中形成了北美、欧洲和日本三大区域性集团。它们又分别推出了W-CDMA、TD/CDMA和宽带CDMA One的技术方案。为实现第三代移动通信系统(IMT-2000)全球覆盖与全球漫游,三种技术方案之间正在相互做出某些折中,以期相互融会。
移动通信之路(三)
第三代移动通信是综合的全球个人通信网,它是2000年以后的移动通信网络。目前规划与研究比较典型的系统有:
1.未来公用陆地移动通信系统(FPLMTS),它是一个由国际无线电咨询委员会建议的系统,计划将所有的移动通信系统综合于一体,为移动用户在全球范围内提供高质量的话音和非话音服务,并能与其它通信网互连。
2.通用移动通信系统(UMTS),它是欧共体于1988年开始的“欧洲高级通信研究”发展计划的一部分,计划在2000年左右在欧洲投入使用。通用移动通信系统将具有三个重要特点,即:(1)是一个综合了现有移动通信的综合系统;(2)是一个提供多种服务的综合业务系统;(3)通用移动通信系统可用于各种环境。
第二代移动通信系统在提供话音和低速数据业务方面已取得了巨大的成功,而且在以后多年里将继续被广泛使用。通过增强网络元件功能,使这些老一代标准的网络继续得到发展或升级。而第三代移动通信系统将能够提供目前只有固定接入才能实现的更先进的业务和更高的数据速率,以及一系列新业务。此外,第三代移动通信系统已将“全球漫游”作为一项关键要求,从而可为全球移动用户开创更广泛的市场,挖掘更大的设备(尤其是用户设备)通用潜力,并提高经济效益。
第三代移动通信系统应提供的特性包括:名副其实的无处不在、无缝高效的无线数据能力,能够吸引在固定通信领域日益增长的数据业务。
无线电波的脾气
我们需要澄清一下,无线通信与移动通信虽然都是靠无线电波进行通信的,但却是两个概念,首先移动通信肯定是无线通信,无线通信有包含移动通信的意味。但无线通信侧重于无线,移动通信更注重于其移动性。比如我们一个在北京,一个在广州,我们之间通过无线电波进行通信,这就是无线通信,如果我们更强调我们通信中的移动性,就是移动通信。
正是因为如此,移动通信对无线电波频率的选择更加谨慎,要求更高,也正因为这样,在移动通信的发展过程中,正如前面介绍的,移动通信的频率选择做了几次变动。现在我们国家采用的第二代移动通信(GSM)技术,频率为900MHz和1800MHz。
这个频段的电波特点是由于频率比较高,所以传播的过程中,发射以及接收天线架设得较高的时候,在视线范围内,电磁波直接从发射天线传播到接收天线,另外还可以经地面反射而到达接收天线。所以接收天线处的场强是直接波和反射波的合成,直接波不受地面影响,地面反射波要经过地面的反射,因此要受到反射点地形的影响。
大家观察光线的时候,会注意到光线在光滑的镜子上会反射,在凹凸不平的物体上会向各个方向反射,称为漫反射。
在900MHz和1800MHz这个频段的电波也有这个特点,所以电波在传播的过程中就会有反射和漫反射现象,同时,前面提过,电波还有绕射现象,就是障碍物的大小和电波的波长差不多或比其小的时候,电波可以绕过障碍物传播。所以移动通信中电波的传播是很复杂的,接收端的电波常常是直射波,反射波,绕射波的合成。
应用系统入门
很多人一提到移动通信,往往首先想到的是手机,其实移动这个概念不仅仅在于手机,它其实包括蜂窝移动,集群调度,无绳电话,寻呼系统和卫星系统。我们平时所提的手机仅仅是蜂窝移动系统中的移动台,移动台的概念包括手机,呼机等等移动终端。
因此我们要了解两个基本的名词:基站和移动台,因为这是我们以后所提到的基本术语。
首先说说移动台,顾名思义,移动台是移动的终端,它是接收无线信号的接收机,在移动通信中,它以各种不同的形式出现,包括手机,呼机,无绳电话等等,当然他们的工作原理是不相同的,但是由于他们都在移动通信中扮演着移动的角色,具有移动性,接收的是无线信号,所以我们把它们统称为移动台。
另一个名词是基站,基站在移动通信中是必不可少的,它是与移动台联系的第一个固定收发机,移动台脱离了基站自然就无法工作,因为是基站接收移动台的信号与交换局相连,从而完成移动台的收发工作。基站与移动台之间的联系靠天线收发无线电波。
正因为基站的重要性,所以我们在建立移动通信网的时候要慎重地考虑基站的分布,以满足移动台的需要。基站分布确定以后,就覆盖了一定用户的活动区域,在地图上呈现一个网状结构,所以我们也把基站位置的规划称为组网。
另外我们还应该了解的名词有交换中心,所谓交换中心指的是交换各种信息的中心,比如你在北京,你的话音要传到广州去,你广州的朋友的话音要到北京来,所以我们必须把你们的信息做一个交换,这种机器叫做交换机,交换机的所在就叫做交换中心。交换中心分为有线和无线,有线交换中心顾名思义就是我们平时的电路交换中心,无线交换中心则是为移动台的所在基站之间提供服务。
无线电波传播复杂
移动通信中至少有一方处于移动状态下通信,我们不可能再用一条电话线和他们相连了,所以必须使用无线信道--靠无线电波传送信息。同时在前面提到,移动通信使用一定频率的电波进行通信,而且随着无线通信的发展,频率的使用也越来越优化,现在移动通信的频率范围在甚高频(VHF)、超高频 (UHF)的范围,它的传播方式受地形地物影响很大。
移动通信系统多建于大中城市的市区,城市中的高楼林立、高低不平、疏密不同、形状各异,这些都使移动通信传播路径进一步复杂化,并导致其传输特性变化十分剧烈。据以上原因,使移动台接收到的电波一般是直射波和随时变化的绕射波、反射波、散射波的叠加,这样就造成所接收信号的电场强度起伏不定,这种现象称为衰落。在后面的学习中你会了解到衰落又分两种:长期衰落和短期衰落 。
同时由于移动台的不断运动,当达到一定速度时,如超音速飞机,固定点接收到的载波频率将随运动速度V的不同,产生不同的频移,也就是说频率发生了变化,发生了偏移,通常把这种现象称为多普勒效应。在下面我们会具体说明。
另外,移动台长期处于不固定位置状态,外界的影响很难预料,如尘土、振动、碰撞、日晒雨林,这就要求移动台具有很强的适应能力。此外,还要求性能稳定可靠,携带方便、小型、低功耗及能耐高、低温等。同时,要尽量使用户操作方便,以满足不同人群的使用。这给移动台的设计和制造带来很大困难。由于移动台在通信区域内随时运动,需要随机选用无线信道,进行频率和功率控制、地址登记等跟踪技术。这就使其通信比固定网要复杂得多。在入网和计费方式上也有特殊的要求,所以移动通信系统是比较复杂的。
因而在移动通信中,要考虑的因素很多,因此移动通信就比一般的通信方式复杂多了。
矛锐盾更坚――抗干扰
在移动通信中,空间传播的电磁波除有用信号外,还存在大量的干扰电波。主要的干扰被我们称为互调干扰、邻道干扰及同频干扰等。
那么什么叫做互调干扰呢,专业点说互调干扰主要是系统设备中的非线性引起的,如混频选择不好,使非有用信号混入,而造成干扰。有兴趣的读者可以看看电子刊物,获取这方面的知识。不懂的读者也不要着急,互调干扰说的通俗一点,就是设备技术上的一些问题.常常我们做不到十分理想的设备,所以一些其他的没有用的信号也就混进去了,偶尔收音机里的串台,也是这个原因。
邻道干扰是指两个相邻的信道之间的干扰,是由于一个强信号串入弱信号中干扰弱信号而造成的干扰,说的通俗一点,比如两个车道,你在左边,我在右边,大家的路宽是一样的,可是你的车太大,就影响了我的车道......呵呵,意思就是这样了,为解决这个问题,在移动通信设备中采用自动功率控制电路,对强功率信号加以控制,在例子中,就是限制你车子的大小,大家就相安无事了。
同频干扰是指相同载频电台之间的干扰,是蜂窝式移动通信所特有的干扰,由频道重复利用所造成。为什么会这样呢,因为频率资源是一定的,来来去去就那几个频段,大家都要。只好分区间来用了,这个区用这个频段,那个区用那个频段,隔几个区后,难免又用回来了,这时就要考虑干扰的问题了,因为大家用的都是同一个频率啊!因此,无论在系统设计中,还是在组网时,都必须对干扰问题予以充分的考虑。
蜂窝移动通信系统
这种系统由移动业务交换中心(MSC)、基站(BS)设备及移动台(MS)(用户设备)以及交换中心至基站的传输线组成,如下图所示。目前在我国运行的900MHz 第一代移动通信系统(TACS)模拟系统和第二代移动通信系统(GSM)数字系统都属于这一类。
就是说移动台的移动交换中心与公共的电话交换网(就是我们平时所说的电话网PSIN)之间相连,移动交换中心负责连接基站之间的通信,通话过程中,移动台(比如手机)与所属基站建立联系,由基站再与移动交换中心连接,最后接入到公共电话网。
下面解释一下全双工,单工和半双工:所谓全双工工作就是通信双方可以同时进行收发工作;就是说,通信的双方都可以在同一时间又说又听,互不干扰,就叫全双工。
若某一时间通信的双方只能进行一种工作,即在一个时间里要么说,要么听,只可选择一样,则称为单工工作。
若一方可同时进行收发工作,而另一方只能单工工作,则称为半双工工作。
蜂窝式公用陆地移动通信系统适用于全自动拨号、全双工工作、大容量公用移动陆地网组网,可与公用电话网中任何一级交换中心相连接,实现移动用户与本地电话网用户、长途电话网用户及国际电话网用户的通话接续。这种系统具有越区切换、自动或人工漫游、计费及业务量统计等功能。这些功能将在以后中陆续介绍。
目前模拟蜂窝移动通信系统主要用于开放电话业务。随着GSM数字蜂窝移动网的建设和发展,已逐步开放数据、传真等多种非电话业务。
集群调度
这种系统常常用在公共汽车的调度上,该系统一般由控制中心、总调度台、分调度台、基地台及移动台组成,如下图所示。该系统具有单个呼、组呼、全呼、紧急告警/呼叫、多级优先及私密电话等适合调度业务专用的功能。除完成调度通信外,该系统也可以通过控制中心的电话互连终端与本部门的小交换机相连接,提供无线用户与有线用户之间的电话接续。但因该系统是专为调度通信而设计的,系统首先保证调度业务,对于电话通信只是它的辅助业务并受到限制。所以,利用该系统组建公用电话网是不适宜的。
集群移动通信系统可以实现将几个部门所需要的基地台和控制中心统一规划建设,集中管理,而每个部门只需要建设自己的调度指挥台(即分调度台)及配置必要的移动台,就可以共用频率、共用覆盖区,即资源共享、费用分担,使公用性与独立性兼顾,从而获得最大的社会效益。所以,我们必须提倡这种联合建设共用网络的建网方式。
集群移动通信系统目前通用的有多种制式及标准,如美国的800MHz调度系统,日本的900MHz MCA系统,法国的200MHz RADICOM200系统及瑞典的80MHz MOBITEX系统等。各种系统使用的信令、纠错编码及网络结构不同,无法兼容,在设台组网工作中选择系统时应谨慎考虑。
无绳移动通信系统
无绳电话最初是应有线电话用户的需求而诞生的,初期主要应用于家庭。这种无绳电话系统十分简单,只有一个与有线电话用户线相连接的基站和随身携带的手机,基站与手机之间利用无线电沟通。
但是,无绳电话很快得到商业应用,并由室内走向室外。这种公用系统由移动终端(公用无绳电话用户)和基站组成。基站通过用户线与公用电话网的交换机相连接而进入本地电话交换系统,如下图所示。通常在办公楼、居民楼群之间、火车站、机场、繁华街道、商业中心及交通要道设立基站,形成一种微蜂窝或微微蜂窝网,无绳电话用户只要看到这种基站的标志,就可使用手机呼叫。这就是所谓的“Telepoint”(公用无绳电话)。
第一代无绳电话(CT1)是按照80年代英国贸易工业部和英国电信研究所联合制订的模拟无绳电话系统技术规范生产的,信道数较少,同时基站的发射频率也不合适,因此已被“CT+”所取代。
第二代无绳电话(CT2)是按照英国1987年制订的数字无绳电话技术规范(CAI-COMMON AIR INTERFACE,公共空中接口)生产的,工作于864~868MHz,通话质量较高,保密性强,抗干扰好,价格便宜。但在室外只能提供单向业务(即只能去话,不能来话),也不能越区切换。
近年来基于无绳概念而发展起来的无线用户交换(WPABX)得到重视,作为无绳数据通信的无线局域网(WLAN)也得到发展。无绳通信也是发展个人通信网(PCN)的一个基础。
现在的“步步高”等等无绳电话,大体上也属于这样一种类型,不过现在的这种家庭无绳电话与前面所提的系统不大一样,他仅仅是在家庭范围内与母机相连,然后通过母机与电话网相接。
寻呼移动通信系统
这是一种单向通信系统,既可作公用也可作专用,仅规模大小有差异而已。专用寻呼系统由用户交换机、寻呼控制中心、发射台及寻呼接收机组成。公用寻呼系统由与公用电话网相连接的无线寻呼控制中心、寻呼发射台及寻呼接收机组成,图中可以看到其结构。
寻呼系统有人工和自动两种接续方式。人工方式由话务员将主呼用户需要寻找的寻呼机和需要传递的信息编成信令和代码,代用户搜索被寻呼者。在无线寻呼业务的发展初期,人工方式对用户比较方便,故被广泛应用。但在无线寻呼业务已有相当发展的今天,用户的兴趣已转向自动寻呼。
如图所示,整个寻呼过程是用户打电话,通过电话网连入寻呼台,寻呼台对叫方的信息进行处理后通过天线发送出去,终端的BP接收到信号后发出讯号告知机主信息。
如果是人工台,则寻呼台对用户的呼叫由人工处理后送入寻呼数据处理中心,再由机器通过天线发射出去,如果是自动台,则直接由机器处理后通过天线发射出去。
我国今后无线寻呼的发展方向是自动化、数字化、多功能和汉字显示。 而且现在人们的生活水平提高很快,数字机已经逐渐被淘汰,中文机随着价格的下调逐步占领了相当的市场,相信随着手机的进一步发展,寻呼事业最终也许会完结。
卫星移动通信
卫星通信这方面我们在其它章节有专门的介绍。不过由于它也给个人的移动通信带来了新的通信方式,所以我们在这里着重介绍一下这方面的情况。
在最近五六年来,以手持机为移动终端的非同步卫星移动通信系统已涌现出多种设计及实施方案。其中,呼声最高的要算铱(Iridium)系统,它采用8轨道66颗星的星状星座,卫星高度为765km。另外还有:全球星(Global star)系统,它采用8轨道48颗星的莱克尔星座,卫星高度约1400km;奥德赛(Odessey)系统,采用3轨道12颗星的莱克尔星座,中轨、高度为10000km;白羊(Aries)系统,采用4轨道48颗星的星状星座,高度约1000km;以及俄罗斯的4轨道32颗星的COSCON系统。
除上述系统外,海事卫星组织推出的Inmarsat-P,实施全球卫星移动电话网计划,采用12颗星的中轨星座组成全球网,提供声像、传真、数据及寻呼业务。该系统设计可与现行地面移动电话系统联网,用户只须携带便携式双模式话机,在地面移动电话系统覆盖范围内使用地面蜂窝移动电话网,而在地面移动电话系统不能覆盖的海洋、空中及人烟稀少的边远山区、沙漠地带,则通过转换开关使用卫星网通信。
可是,非常不幸的是,铱(Iridium)星系统由于种种原因倒闭了,全球星系统还在苦苦的坚持,技术上应该没有太大的问题,只是由于成本一直无法降下来,从而得不到更好的发展,不过有人相信,随着社会的进一步发展,在21世纪,中、低轨以手持机为中心的卫星移动通信系统必将在“综合的全球个人通信网”中成为重要的组成部分。
“蜂窝”之名何来之
其实,在上述众多的移动通信系统中,我们最常说的就是蜂窝移动通信系统,它在我们国家应用最广,用户最多,也最为大家所关心,所以我们在这里先简要介绍一下蜂窝移动通信系统。
前面说了,蜂窝式移动通信会带来同频干扰,那么我们为什么还要采用蜂窝式移动通信呢?原因还是在于频率资源上:频率作为一种资源必须合理安排和分配。由于适于移动通信的频段仅限于VHF(甚高频)、UHF(超高频),所以可用的通道容量是及其有限的。为满足用户需求量的增加,只能在有限的已有频段中采取有效利用频率的措施,如窄带化(就是每个用户占用的频率带宽较小)、缩小频带间隔(就是缩小用户频带之间的保护间隔)、频道重复利用等方法来解决。
目前常使用频道重复利用的方法来扩容,也就是划分蜂窝的方法来增加用户容量。
就是说在使用区域划出一块块的小区域,每一个小区分配一些频率资源,隔几个小区后,又把相同的频率划给另一个小区,但认为这时候他们之间的干扰比较小,在可以忍受的情况,但每个城市要做出长期增容的规划,以利于今后发展需要。
在理论上设计中,发现用正六角形的图形来模拟实际中的小区要比用圆形,正方形等其他图形效果更好,衔接也更紧密,所以现在的划分小区都采用了这种方法,看上去就像是蜂窝,所以我们也称为“蜂窝式移动通信”。
“蜂窝”里的房间
正如我们前面介绍的那样,这种系统由移动业务交换中心(MSC)、基站(BS)设备及移动台(MS)(用户设备)以及交换中心至基站的传输线组成,如下图所示。是说移动的交换中心(MSC)与公共的电话交换网(就是我们平时所说的电话网PSIN)之间相连,移动交换中心负责连接基站之间的通信,通话过程中,移动台(比如手机)与所属基站建立联系,由基站再与移动交换中心连接,最后接入到公共电话网。
基站与移动台(常常是手机)之间是无线通信,他们之间用无线电波进行信息传递,每个基站负责与一个特定区域的所有的移动台进行通信。基站和移动交换中心之间通过微波或有线交换信息进行彼此联系。最后移动交换中心再与公共电话网进行连接。
如果仅仅是两个基站所属的移动台进行通信,信息只需要在移动交换中心就可以完成之间的通话。如果需要和其他的用户通话,则由移动交换中心与公共电话网连接,再与其他用户完成通话。
蜂窝式公用陆地移动通信系统适用于全自动拨号、全双工工作、大容量公用移动陆地网组网,可与公用电话网中任何一级交换中心相连接,实现移动用户与本地电话网用户、长途电话网用户及国际电话网用户的通话接续。这种系统具有越区切换、自动或人工漫游、计费及业务量统计等功能。这些功能将在以后中陆续介绍。
移动通信中的行话(一)
信道:
信道是对无线通信中发送端和接收端之间的通路的一种形象比喻,对于无线电波而言,它从发送端传送到接收端,其间并没有一个有形的连接,它的传播路径也有可能不只一条(正如前面所说的电波的传播方式提到的),但是我们为了形象地描述发送端与接收端之间的工作,我们想象两者之间有一个看不见的道路衔接,把这条衔接通路称为信道。信道有一定的频率带宽,正如公路有一定的宽度一样。
大区:
所谓大区是指:在一个比较大的区域中,只用一个基站覆盖全地区的,不论是单工或双工工作,单信道还是多信道,都称这种组网方式为"大区制",以别于后面所称的小区制。大区制的特点是只有一个基站,服务(覆盖)面积大,因此所需的发射功率也较大。大区制多用于专用网或小城市的公共网。由于只有一个基站,其信道数有限(因为可用频率带宽有限),因此容量较小,一般只能容纳数百至数千个用户。
小区:
所谓小区是相对于大区而言的,由于大区制的主要缺点是系统容量不高,为了适合大城市或更大区域的服务,必须突破这一限制。采用小区制(Cellular System)组网方式,可以在有限的频谱条件下,达到大容量的目的。
小区制的概念如下:将所要覆盖的地区划分为若干小区,每个小区的半径可视用户的分布密度在1~10公里左右,在每个小区设立一个基站为本小区范围内的用户服务。这和大区制中的基站一样,本小区内能服务的用户数仍由这个基站的信道数来决定。但每一个小区和其它小区可再重复使用这些频率,称为频率再用(frequency reuse)。由于相隔远了,同信道干扰降至可以接受的程度,所以用有限的频率数就可以服务多个小区。用这种组网方式可以构成大区域大容量的移动通信系统,还可以形成全省,全国或更大的系统。
移动通信中的行话(二)
漫游:
移动台的漫游也称出游,它的意义是移动台脱离了本管区的范围,而移动到其他管区中去了,当其他用户呼叫这个漫游的移动台的时候,仍拨它原来的局号和电话号码。显然,如蜂窝系统无漫游功能,将无法和这一脱离原管区的移动台接通。而具有漫游功能的系统,则可将此电话接到此已脱离本管区漫游到其他管区的移动台去。这一功能对于一个在较大范围的地区,全省,全国或更大的地区(例如北欧四国的跨国或全欧洲)活动的用户确实是非常重要的。
切换:
过区切换是指当移动台在通话中经过两个基站覆盖区的相邻边界的时候所采用的信道切换过程。
由于相邻两个小区的信道不一样,移动台通话的前半段时间在一个基站的某一个无线信道上传输,而后半段时间已经进入到另一个基站的覆盖范围,须切换到另一个基站所指配的信道上去,这种信道的切换必须不影响通话进行,时间要求短,须在100毫秒以下,完全自动切换,通话人完全不觉察。由于蜂窝技术的广泛采用,所以切换技术在蜂窝移动通信中占有重要地位。
漫游与切换两个性能是大区制所没有的,切换是由漫游而起,漫游通过切换技术得以解决。在漫游的过程中,当通话经过小区边界时,无线信道要切换,其过程如下:
移动台位置不仅由为之服务的基站台收集,而且也由周围的基站台收集,并判断当前是否需要进行信道切换,从而进行新信道的准备工作。当移动控制中心判断要进行信道切换,就发送指令给移动台当前基站和即将到的小区所属基站,由手机配合基站完成切换工作。
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