无线移动通信

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有各种各样的在局域或广域中传输话音、视频和数据的无线通信系统，包括点对点的无线桥路、无线局域网、多向无线蜂窝系统和卫星通信系统。

本主题讨论“移动”无线技术，它为使用蜂窝电话、PDA、因特网终端和相关计算设备的移动用户提供话音和数据通信服务。

在全球范围内，无线移动设备数量在增长。配备有便携计算机、PDA(个人数字助理)和各种小型无线通信设备的用户越来越需要连接到企业网络，进行数据库查询、交换信息、传送文件甚至参加协作计算。同时，无线系统正在实现较高的数据率以支持因特网和其他的数据相关的应用。目前的移动通信系统数据率的目标是2Mbit/s。

蜂窝系统与拓扑

蜂窝系统是覆盖范围最广的陆地公用移动通信系统。在蜂窝系统中，覆盖区域一般被划分为类似蜂窝的多个小区。每个小区内设置固定的基站，为用户提供接入和信息转发服务。移动用户之间以及移动用户和非移动用户之间的通信均需通过基站进行。基站则一般通过有线线路连接到主要由交换机构成的骨干交换网络。蜂窝系统是一种有连接网络，一旦一个信道被分配给某个用户，通常此信道可一直被此用户使用。蜂窝系统一般用于语音通信。

蜂窝系统通过无线链路与该网络连接的用户可以自由地移动，频繁地从一个基站切换到另一个基站，而不会中断系统连接。北美AMPS系统是蜂窝系统最明显的例子。它采用频分多址（FDMA）技术区分用户。其他的系统采用时分多址（TDMA）或码分多址（CDMA）技术，或者这些多址连接技术的综合形式，将系统用户分配到时间／频率／编码空间中的某一特定位置。

蜂窝系统中的小区是一个近似圆形的区域，具有中央发射机/接收机基站，如图W-6所示(为了符合当地的拓扑结构，基站可能并不位于中心)。基站安放在塔楼上或建筑物的顶部。基站具有360°全向天线(需要定向发射时除外)，调节这些天线，可建立一块特定大小的蜂窝状区域。小区的形状通常为六角形，其形状与排列均与蜂巢的形式相似。小区的大小随区域的不同而有所变化。在城市中，有许多较小的小区，而在农村地区则可能有非常大的小区。

图W-6蜂窝通信系统中的蜂窝

蜂窝状的拓扑结构提供了一种方法，可维持足够数量的呼叫信道，虽然对于整个服务区域来说可用信道的实际数量很小。这个问题可以通过频率再用来解决。为每个小区分配一组信道频率，而相邻的小区不能使用这些频率。但是，较远的小区可以使用这些频率，因为小区之间的距离可以提供缓冲区，防止频率干扰。

即使系统只有数量有限的信道，但该系统是可以增容的。如果在某一特定的区域内信道需求增加(如城市地区)，服务提供商可以将小区分成许多更小的区域。将发射机的功率调低以适应新的更小的小区大小，并分配信道频率，以使相邻的小区使用不同的信道。但是，在小区(至少一个小区除外)中可以使用信道再用。这样，频率再用和更小的小区大小就实现了系统增容。城市地区可能有许多更小的小区，而农村地区则可能是较大的小区。小区大小的设计是与该地区内人 口的数量相适应的。

当某一用户打开电话时，其电话号码和序列号就在本小区内广播。基站接受这些信号后通知本区域内的交换局(其中包含特殊设备)。交换局记录这些信息供以后参考。当该用户输入一个电话号码并按下发送按钮时，即发生实际呼叫。蜂窝系统为该用户选择一个信道供其在呼叫期间使用。

当移动电话用户旅行时，可能会从一个小区移动到另一个小区，这样就必须进行转接和新信道的选择。当移动电话用户处于一个小区的附近区域时，这些用户处于该小区内的发射机/接受机控制之下。当一个小区的基站将用户呼叫的控制权转移给另一个小区的基站时，就会发生转接。当一个基站开始失去用户的信号时，它就通知所有临近小区内的基站该用户可能正在进入它们的蜂窝小区。当该用户进入新小区后，该小区内的基站就接管该用户的呼叫。在这个转变过程中，呼叫频率也变为新小区中使用的频率。这是因为相邻的小区不能使用相同的频率。某区基站使用的波长与邻近区基站的波长不同，但与隔一、二区的波长可以相同，称为“频率再利用”，不会引起干扰，这是蜂窝网的优点，节约利用无线电频谱资源。

从模拟系统到数字系统 早在20世纪50年代，移动无线模拟通信系统就已经出现了。早期系统为单信道(传输和发送)系统。由于采用单个无线电发射塔而不是蜂窝配置来服务城市地区，因此严重限制了该系统的可伸缩性。服务质量也会由于呼叫方所处位置的不同而很不稳定。尽管后期系统增加了多个双向信道，但是容量仍然有限。

模拟蜂窝服务由AT&T公司于20世纪70年代推出，并且在80年代广为普及。在美国主要的模拟服务被称为AMPS(高级移动电话服务)。世界上还有一些类似的系统，只是名称不同而已。在英国与之类似的系统被称为TACS(完全接入通信系统)。

AMPS系统是以电路为导向的通信系统，其工作频率范围为824MHz到894MHz，该范围被划分为由832个全双工信道对(1发1收)，可将这些信道中的任何一条分配给用户。信道就像物理电路，不同的是信道占用特定的射频范围并具有30kHz带宽。即便不进行声音或数据传输，该电路也始终供用户的呼叫专用，除非将其断开。

蜂窝通信系统分几代描述，第三代和第四代(3G和4G)系统才刚刚崭露头角:

1G系统

1G系统是模拟系统(如AMPS)，它们在20世纪80年代发展迅猛，并且至今仍在使用。在许多城市地区，1G、2G以及刚刚兴起的3G三个系统并存。这些系统使用频分复用技术将带宽划分为特定的频率，然后再分配给单个呼叫。1G系统主要有北欧的NMT（450MHE及900MHE），900MHE。

2G系统

2G系统是数字系统，使用TDMA(时分多址)或CDMA(码分多址)接入方式。欧洲的GSM(全球移动通信系统)就是一个具有自己的TDMA接入方式的2G数字系统。2G数字服务出现于20世纪80年代末，提供容量更大以及一些独特的服务，如呼叫ID(来电显示)、呼叫转移和短消息。其关键特点之一就是无缝漫游，这一特点使用户可以跨越提供商的界限自由移动。我国采用了欧州的GSM制式，我国联通公CDMA系统（码分多址，800MHE）等。CDMA由于采用了码分多址的编码技术，因而其频率利用率高。同样的频率可以提供更多的通话信道，而且其质量及保密性也较好。

3G系统

3G已成为描述目标数据传输率为2Mbit/s的蜂窝数据通信的总括性术语。它的目标是面向高速数据和多媒体应用，其终端使用时，在室内可达2Mb/s，步行时速率为384kb/s，高速车辆行走时为144kb/s。ITU最初尝试以其IMT-2000(国际移动通信-2000)规范(其中指定了全球无线频率范围、数据传输率和可用性日期)来定义3G。但是，由于世界各地的频率分配不同和输入冲突，难以实行统一的全球标准。因此，指定了三种操作模式。根据相关的标准，3G设备将是支持语音、彩色图片、视频和各种信息内容的个人移动多媒体通信设备。由于带宽是共享的，3G系统能否提供带宽以支持这些功能尚未可知。但是，3G系统确实可在每个小区中支持更多电话呼叫。

4G系统

被称做Beyond3G、后3G，或超3G。虽然在大量增加无线呼叫数量方面3G很重要，但4G将提供真正的高速数据传输服务。从传输技术上看，它包括3G及其增强型技术，以及全新的无线传输技术，支持在高速移动环境下传输100Mbps信息速率和慢速移动环境下传输1Gbps信息速率；发射功率较3G系统降低10倍以上，频率利用率较3G系统提高5至20倍，特别适合于分组突发业务，适合于信息速率大动态范围变化（10kbps-100Mbps）的业务。从整个系统上看，它基于IPv6核心网的互连互通，承载与控制全程分离，支持个人可携带资源（M-IP/M-eN）的全程漫游与切换,支持端到端分类QoS，能够支持电信业务（电话、短信等）、IT业务（浏览、点播等）、媒体业务（视频、音频广播）和家政业务（助理、管理、教育）等。 数据传输率高是信号处理器、新调制技术和可将信号直接集中到用户的智能天线等多方面进步的结果。OFDM(正交频分复用)是一种能够提供非常高的无线数据传输率的方案。

数字技术的进步提高了系统容量、降低了设备成本，而且支持增加新功能。手机成本降低就意味着更多的人在为服务和税收系统而竞争。3G系统可增加更大的容量。此外，还开发了分组技术，这种技术可以更高效地使用带宽。下面列出了主要的1G和2G数字系统。

系统模拟蜂窝 这些系统都是传统的模拟系统，如使用频分复用技术的AMPS和TACS。AMPS的工作频率在800MHz范围内，而TACS　的工作频率在900MHz范围内。

混合模拟数字蜂窝(通常称作数字蜂窝) 这些系统属于模拟AMPS系统，在这些系统中数字化语音和数字数据被调制到所使用的信道的模拟正弦波上。这些系统的工作频率与AMPS相同，在800MHz范围内，甚至使用相同的拓扑结构和设备配置(如小区、塔楼等)。接入方式可以是TDMA或CDMA，将在下一节讨论。

GSM(全球移动通信系统) 该系统是第二代移动系统，它是重新设计的，没有进行向下兼容较旧的模拟系统的尝试。GSM在欧洲和亚洲广受欢迎，它具备可在不同国家之间漫游的能力。GSM使用TDMA，但欧洲正在从该系统向基于CDMA宽带形式的3G系统发展。

从用户观点出发，GSM的主要优势在于提供更高的数字语音质量和替代呼叫的低成本的新选择（比如短信）。从网络运营商角度看来，其优势是能够部署来自不同厂商的设备，因为GSM作为开放标准提供了更容易的互操作性。而且，标准就允许网络运营商提供漫游服务，用户就可以在全球使用他们的移动电话了。

当20世纪80年代初设计数字蜂窝服务时，就存在是设计一个向下兼容现有模拟系统的系统(并使用相同的频率分配)，还是设计一个全新系统的选择。欧盟当时大约有七种互不兼容的模拟服务，因此它重新开始创建了GMS系统，其工作频率在900MHz范围内(后来在1800MHz范围内)。

在美国，使用AMPS频率分配和TDMA和CDMA接入方式来开发数字蜂窝系统。此外，FCC又分配了一个在l900MHz频率范围内的带宽，以适应名为PCS(个人通信服务)的需要。PCS是指频率分配为l900MHz、可提供语音以外的服务(如支持呼叫方ID(来电显示)的数字服务、短消息和其他功能)的移动系统。

蜂窝标准

弄清楚模拟和数字蜂窝标准可能比较困难。表W-2列出了几种最常见的标准。

无线数据网络

早期移动电话系统主要注重话音，而现在，人们最关心的是对数据传输的支持。低数据速率使老式的模拟网络和模拟/数字混合网络受到了限制，而新的标准将给我们带来非常高的数据速率。

在电路转接无线网络中，每个传输都分配了一个专用的无线电信道。只要是长距离持续传输数据，(如文件传输)，使用电路转接都会非常有效。但是，大多数数据传输都是突发性的。通常，将整个电路　分配给它们都是对宝贵的无线带宽的浪费。在没有数据传输的空闲阶段，带宽仍然由该用户专用，而无法供其他用户使用。

分组交换方案最适合突发数据通信。有几种分组交换方案可供使用。一种技术是：在一个信道上处理来自于不同用户的数据分组。另一种技术是:将数据分组插入到任意一个可用信道的空闲空间进行传输。网络越繁忙，数据可用的带宽就越少。可以将整个网络设计为仅供数据分组使用。大多数无线数据系统都提供最小数据速率，一般为lOkbit/s左右。这实际上仅适用于传送短消息，以及偶尔上网查看网页。然而，新的无线协议将多个信道结合起来使用，从而提高了数据速率。

计费单中所列的细目可以帮助用户区分电路转接和分组交换方法。当用户通过电路转接线与网络连接时，电话公司会按整个调用时间收取费用。而使用分组交换系统，用户仅需按照所传输的数据分组付款。

下面简介了几种数据分组传输方案。

2G系统CDPD(移动电话数字数据分组数据)　 CDPD是以数字分组数据技术为基础，以蜂窝移动通信为组网方式的移动无线数据通信技术。CDPD在AMPS系统上提供了分组交换。数据分组将在信道有空闲时间时传输。此系统有数据速率限制，一般约为9600bit/s。

Data over GSM网络 一种称为HSCSD(高速电路交换数据)的信道绑定技术将GSM信道容量扩展到14.4kbit/s，并可以最多可将四条信道组合起来以提供近57.6kbit/s的吞吐量。

GPRS(通用分组无线业务) GPRS是由 ETSI 为 GSM、DCS、PCS 数字蜂窝网络制定的一种标准，以增强高速无线英特网和其它数据通信。它为TDMA电路交换网络提供分组式交换，并提供ll5kbit/s或更高的数据通信速度。有时候，GPRS 被认为是第2.5代（2.5G）技术。GPRS 可以支持基于标准数据协议的应用程序以及包含 IP 和 X.25 网络的互联网。

EDGE(增强数据率全球服务) 它使用改良的8PSK(相移键控)调制技术提高GSM系统的数据通信速度。GPRS和EDGE的组合可以将GSM的数据通信速度提高到384kbit/s.