第 3 章 蜂窝移动通信3.1 蜂窝移动通信系统• 蜂窝移动通信系统是一种由大量的无线蜂窝状基站覆盖小区组成的无线移动通信系统。 • 蜂窝移动通信系统与卫星移动通信系统和集群移动通信系统不同，它的覆盖范围是由一个又一个无线蜂窝状覆盖小区组成的，用户终端设备通过无线通信方式在不同的小区之间自动越区切换和自动漫游，实现用户在大范围内的高速移动中的通信。• 20 世纪 70 年代以后，蜂窝移动通信技术日臻成熟并迅速得到实际使用。从提出蜂窝移动通信的概念到实际商业应用之间仅仅经历了二十多年的时间，这 主要得益于当时微电子技术和微型计算机技术 的发展，以及这些技术与无线电移动通信技术 的结合。

3.1.1 系统组成

蜂窝移动通信系统组成示意图

• 移动台 (MS) 是用户使用的移动终端设备，最常 见的是手机。它是用户进入移动通信系统进行通 信的接口设备，用户通过移动终端设备接收来自系统的各种信号，也通过它向系统发送自己的信号。• 基站 (BS) 的作用是实现覆盖范围内的移动终端与移动通信系统之间的无线电通信。• 移动业务交换中心 (MSC) 的主要任务是实现服务区内各个小区之间的信息交换、服务区内外的信息交换和对服务区内各个小区进行集中控制管理。 移动业务交换中心与市话交换局和各基站之间通过电缆或光缆中继线路连接。

1 、蜂窝移动通信系统的特点 （ 1 ）频率复用 在蜂窝移动通信网络中，若干相邻的小区组成一个个单位无线区群， 区群内的各小区使用不同的频道。在一个区群里某一小区使用的频道 , 其他区群的小区可以再用， 这就是频率复用。因为频道就是供用户使用的通信信道，系统的容量随着频道重复使用次数的增加而增加。频率复用有效地提升了移动通信系统的容量。

蜂窝移动通信系统的特点 （ 2 ）越区切换和位置登记 当移动用户从某个小区移动到另一个小区时，为使通话不中断，系统必须自动切换信道， 即改变收发信机的无线电信号频率。当移动用户从一个位置区漫游到另一个位置区时，系统必须从新对其进行位置登记，以便为用户提供可靠的通信服务。越区切换和位置登记是蜂窝移动通信网络必须具备的功能。

蜂窝移动通信系统的特点 （ 3 ）信道动态分配与小区分裂• 每个小区的信道数量是不固定的 , 要根据话务量的多少进行动态分配。由于在服务区中话务量的分布是极不平衡的 , 在城市闹市区和郊区的话务量可能相差上百倍 , 并且小区的话务量随时都在变化，因此 , 不但小区的半径不同，每个小区分配的信道数也不是固定的。• 有的小区话务量增加特别多 , 可将原小区进一步分裂成更小的小区以便增加容量 , 这叫小区分裂。但是 , 小区分裂不能无限制地进行下去 , 因为这样会增加小区基站，增加建设费用 , 同时还可能会出现同频干扰等问题。

蜂窝移动通信系统的特点 （ 4）容量大 由于蜂窝移动通信系统可以在地理上不受限制地不断添加蜂窝小区，以及分配给蜂窝小区的无线频道可以无限地被复用，因此，系统的地理覆盖范围和容量可以是无限的，可以为无限多的用户提供服务。

蜂窝移动通信系统的特点 （ 5）网络复杂 在地理覆盖范围广阔、容量无限的移动通信系统中实现频率复用、越区切换、位置登记、信道动态分配和小区分裂等运作和管理，需要强大的网络硬件基础、先进的网络技术和科学的管理，这些因素综合起来使得移动通信网络变得异常复杂。

2 、 蜂窝移动通信系统的分类 按系统中业务信号和信令信号的性质来分，蜂窝移动通信系统可分为模拟蜂窝移动通信系统和数字蜂窝移动通信系统。 1 ）模拟蜂窝移动通信系统 模拟蜂窝移动通信系统中的业务信号和信令信号都是模拟信号。 模拟蜂窝移动通信技术在 20 世纪 70 年代中、后期逐步趋于成熟 , 采用的是频分多址技术，进入 80 年代开始大规模投入商用。它的出现 , 使人们终于摆脱了固定电话的局限。采用这种技术的移动通信系统后来被叫做第一代（ 1G）移动通信系统。 80 年代后期 , 人们对移动通信的需求不断增加 , 模拟蜂窝移动通信系统本身固有的种种局限也日益暴露了出来。

• 模拟移动通信系统的缺点：• （ 1 ）信道容量有限无法满足用户数量的快速增长；• （ 2 ）抗干扰能力弱，语音质量差；• （ 3 ）通信安全性差，通信内容容易失密，盗用现象严重；• （ 4）不支持数据传输等非话业务，无法与综合业务数字网（ ISDN）相连接； • 另外 , 由于运营商采用的模拟蜂窝系统体制各不相同，用户不能国际漫游，甚至在国内漫游也不可能 , 因此在 2000 年前后 , 各国逐步关闭了模拟蜂窝移动通信网络 , 我国也于 2001 年年底关闭了模拟蜂窝移动通信网络。

• 2 ）数字蜂窝移动通信系统• 第二代（ 2G）及以后的各种蜂窝移动通信系统都是数字蜂窝移动通信系统。以全球移动通信系统（ GSM ）为代表的第二代数字蜂窝移动通信系统在发展的初期主要支持语音业务，另外还提供一些低速数据服务。 随着人们对数据业务需求的不断上升 , 在全球移动通信系统的基础上又推出了通用分组无线业务（ GPRS ）等系统 , 被人们称为第二代半（ 2.5G）系统 , 该系统除支持语音业务外，还支持低速和中速数据业务。现在，正在发展传输速率更高，支持多媒体业务的第三代（ 3G）数字蜂窝移动通信系统。

• 数字蜂窝移动通信系统有效地改善了模拟蜂窝移动通信系统的不足 , 具有以下主要优点：• （ 1 ）通信容量大；• （ 2 ）抗干扰能力强 , 语音质量高；• （ 3 ）便于加密，通信安全性好；• （ 4）除语音外支持低、中和高速数据传输业务 , 可与综合业务数字网连接。

3.1.2 蜂窝移动通信网络的组网制式 一个蜂窝移动通信网络至少需要一个基站，大容量的网络是一个包含大量基站的网络。网络包含的基站越多，网络的容量越大，就可以为更多的用户服务。根据网络包含的基站数量和基站覆盖范围的大小，可以把网络的组网制式分为以下三种。

1. 大区制 大区制是将一个服务区作为一个无线区，由一个基站覆盖。在无障碍物的开阔地

带 , 当基站采用全向天线时 , 基站覆盖范围是以收发信天线为圆心、以提供可靠通信服务的距离为半径的圆形区域。为了增大基站的无线电波覆盖范围 , 保证移动台接收到基站的信号质量良好，基站天线需要架设得很高，达几十米至百余米；发射功率也很大 , 一般为 50W ～ 200W ；覆盖半径为 30km ～ 50km 。

1. 大区制

大区制示意图

•大区制的优点 : 网络结构简单、建设成本低。•大区制的缺点 : 只有一个基站，频道数很有限 , 因此通信容量不大、可容纳的用户数为几十至几百个、不适合用户数量很大的服务区。

2. 小区制 小区制是将整个服务区划分为若干个小无线区 , 每个小无线区设置一个基站，形成一个无线小区，这些小区组合在一起构成一个覆盖整个服务区的网络，小区制基站的覆盖半径一般为一百米到三千米。

小区制示意图

• 小区制的优点 :1. 组网灵活 ,适合组建大规模大容量的移动通 信系统。2. 基站覆盖范围小 , 基站和移动台的发射功率都可以降低。有利于减小基站之间无线电信号的相互干扰 , 有利于减少移动台电池的电能消耗，增加手机待机时间。• 小区制的缺点 :1. 当用户移动时将频繁地从一个小区转入另一个小区 , 移动台也需要频繁地自动更换工作频道，带来了复杂的控制和交换等等问题。2. 由于基站数量多，控制技术复杂，小区制移 动通信网络的建设、运行和维护成本较 高。

微小区的作用• 微小区是从小区中分裂出来的更小的小区，可以仅覆盖一条街道、一栋建筑物、一层搂、一个地下停车场或一部电梯等等。微小区的基站无线电发射机只能以较低的功率工作 , 覆盖范围的直径最大

为 100 米。• 微小区有两个作用，一是增加网络通信容量，二是提高网络覆盖率。

在盲区，采用泄漏同轴电缆（ LCX）代替基站天线辐射和接收信号，建立微小区。 一种方法是全敷设泄漏同轴电缆；另一种方法是泄漏同轴电缆与空间无线电波相结合。

LCX与空间无线电波相结合的混合通信方式示意图

3.1.3 基站覆盖范围的形状

基站

为了不留空隙地覆盖整个服务区，相邻圆形小区之间会含有一片重叠区。如果以重叠区的公共弦为边界 , 每个小区的形状都是一个正多边形。

其中，正六边形小区相邻小区的中心距离最大, 各基站间的无线电干扰最小；重叠区域面积最小 , 便于实现越区切换；覆盖面积最大，对于同样大小的服务区域 , 采用正六边形小区所需的基站数量最少 , 网络建设、运行和维护成本最低；由于所需基站数 量最少，相应地所需频道数也最少 , 频率利用率最 高。

3.1.4 激励方式

3.1.5 频道分配• 由不同数量小区组成的单位无线区群

第一频道组f1（ 1号基站）1、8、 15、 22、 29第二频道组f2（ 2号基站）2、9、 16、 23、 30第三频道组f3（ 3号基站）3、10、 17、 24、 31第四频道组f4（ 4号基站）4、11、 18、 25、 32第五频道组f5（ 5号基站）5、12、 19、 26、 33第六频道组f6（ 6号基站）6、13、 20、 27、 34第七频道组f7（ 7号基站）7、14、 21、 28、 35

由七个小区组成的单位无线区群中频道的分配

• 两单位无线区群组成的服务区

第 6 次课复习思考题1. 什么是蜂窝移动通信系统？2. 蜂窝移动通信系统的特点是什么？3. 蜂窝移动通信系统由哪几部分组成？各部分的作用是什么？ 4. 蜂窝移动通信系统的基站覆盖范围形状为什么与蜂窝一样？