第1篇 原理与技术篇

第1章 概述

1.1 移动通信简史及典型系统介绍

在信息时代，信息在经济发展、社会进步乃至人民生活等各个方面都起着日益重要的作用。人们对于信息的充裕性、及时性和便捷性的要求也越来越高，能够随时随地、方便而及时地获取所需要的信息是人们一直都在追求的梦想。电报、电话、广播、电视、人造卫星、Internet带领着人们一步步地向这个梦想靠近，然而最终能够使人们美梦成真的却是移动通信。

移动通信是现代通信技术中不可或缺的部分。顾名思义，移动通信是指通信双方至少有一方在移动中（或者临时停留在某一非预定的位置上）进行信息传输和交换，这包括移动体和移动体之间的通信以及移动体和固定点之间的通信。采用移动通信技术和设备组成的通信系统即为移动通信系统。严格说来，移动通信属于无线通信的范畴，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。无线通信包含移动通信，但无线通信侧重于无线，移动通信侧重于移动性。例如，运动中的人与汽车、轮船、飞机等移动物体间的通信，分别构成陆地移动通信、海上移动通信和空中移动通信。

现代移动通信技术是一门复杂的高新科学技术，不仅集中了无线通信和有线通信的最新技术成就，而且集中了电子技术、计算机技术和通信技术的许多成果。它不但可以传递语音信息，而且能像公用交换电话网那样具有数据终端功能，使用户能随时随地、快速而可靠地进行多种信息交换，因此是一种理想的通信形式。目前，移动通信早已从模拟移动通信阶段发展到了数字移动通信阶段，并且正朝着个人通信这一更高阶段发展。

人类历史上最早的通信手段和现在一样是“无线”的，如利用火光传递信息的烽火台，通常认为这是最早传递消息的方式了。事实上在我国和非洲古代，击鼓传信是最早、最方便的办法。非洲人用圆木特制的大鼓可传声至三、四公里远，再通过“鼓声接力”和专门的“击鼓语言”，可在很短的时间内把消息准确地传到50公里以外的另一个部落。其实，不论是击鼓、烽火、旗语（通过各色旗子的舞动），还是今天的移动通信，要实现消息的远距离传送，都需要中继站的层层传递。不过，由于那时人类还没有发现电，所以要想畅通快速地实现远距离传递消息只有等待了。人类通信史上的革命性变化，是在把电作为信息载体后发生的。

1753年2月17日，在《苏格兰人》杂志上发表了一封署名C.M.的书信。在这封信中，作者提出了用电流进行通信的大胆设想。虽然在当时这还不十分成熟，而且缺乏应用推广的经济环境，却使人们看到了电信时代的一缕曙光。

1820年，丹麦物理学家奥斯特（Hans Christian Oersted，1777—1851）发现，当金属导线中有电流通过时，放在它附近的磁针便会发生偏转。接着，学徒出身的英国物理学家法拉第（Michael Faraday，1791—1867）明确指出，奥斯特的实验证明了“电能生磁”。他还通过艰苦的实验，发现了导线在磁场中运动时会有电流产生的现象，此即所谓的“电磁感应”现象。

著名的科学家麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831—1879）进一步用数学公式表达了法拉第等人的研究成果，并把电磁感应理论推广到了空间。他认为，在变化的磁场周围会产生变化的电场，在变化的电场周围又将产生变化的磁场，如此一层层地像水波一样推开，便可把交替的电磁场传得很远。1864年，麦克斯韦发表了电磁场理论，成为人类历史上预言电磁波存在的第一人。

那么，又由谁来证实电磁波的存在呢？此人便是亨利希·鲁道夫·赫兹（Heinrich Rudolf Hertz，1857—1894）。1887年的一天，赫兹在一间暗室里做实验，他在两个相距很近的金属小球上加上高电压，随之便产生一阵阵噼噼啪啪的火花放电。这时，在他身后放着一个没有封口的圆环。当赫兹把圆环的开口处调小到一定程度时，便看到有火花越过缝隙。通过这个实验，他得出了电磁能量可以越过空间进行传播的结论。赫兹的发现公布之后，轰动了全世界的科学界，1887年成为了近代科学技术史的一座里程碑。为了纪念这位杰出的科学家，电磁波的单位便命名为“赫兹（Hz）”。

赫兹的发现具有划时代的意义，它不但证明了麦克斯韦理论的正确，更重要的是推动了无线电的诞生，开辟了电子技术的新纪元，标志着从“有线电通信”向“无线电通信”的转折点，也是整个移动通信的发源点。应该说，从这时开始，人类进入了无线通信的新领域。

通常，1897年被认为是人类移动通信元年。这一年，美国“圣保罗”号邮船在向东行驶时收到了150km外的怀特岛发来的无线电报，马可尼（Guglielmo Marchese Marconi，1874—1937）向世人宣告一个新生事物——“移动通信”诞生了，由此揭开了世界移动通信的序幕。

移动通信的出现，为人们带来了无线电通信的更大自由和便捷。移动通信已经成为现代社会中不可或缺的通信手段，在各个领域都发挥着其不可替代的作用。随着移动通信技术的发展及应用范围的扩大，移动通信的类型越来越多，目前主要有蜂窝移动通信系统、无绳电话系统、集群移动通信系统、卫星移动通信系统等。下面分别对它们加以简要介绍。

1.1.1 蜂窝移动通信系统

陆地蜂窝移动通信是当今移动通信发展的主流和热点，而蜂窝组网理论的提出和应用要追溯到20世纪70年代中期。随着民用移动通信用户数量的增加和业务范围的扩大，有限的频谱供给与可用频道数要求递增之间的矛盾日益尖锐。为了更有效地利用有限的频谱资源，美国贝尔实验室提出了在移动通信发展史上具有里程碑意义的小区制、蜂窝组网的理论，它为移动通信系统在全球的广泛应用开辟了道路，蜂窝移动通信系统结构如图1-1所示。蜂窝组网的理论中的几个重要部分是移动通信发展的基础，具体如下。①频率复用。有限的频率资源可以在一定的范围内被重复使用。②小区分裂。当容量不够时，可以缩小蜂窝的范围，划分出更多的蜂窝，进一步提高频率的利用效率。③多信道共用和越区切换。多信道共用是为了保证大量用户共同使用仍能满足服务质量的信道利用技术，越区切换则为了保证通信的连续性。

1.第一代蜂窝移动通信系统

蜂窝移动通信的飞速发展是超乎寻常的，它是20 世纪人类最伟大的科技成果之一。1946 年美国电话电报公司（American Telephone & Telegraph，AT&T）作为先驱者第一个推出移动电话，为通信领域开辟了一个崭新的发展空间。然而移动通信真正走向广泛的商用，为普通大众所使用，还应该从蜂窝移动通信的推出算起。20世纪70年代，美国贝尔实验室提出了蜂窝小区和频率复用的概念，现代移动通信开始发展起来。1978年，美国贝尔实验室开发了先进的高级移动电话系统（Advanced Mobile Phone Service，AMPS），这是第一种真正意义上的可以随时随地通信的大容量的蜂窝移动通信系统。其他工业化国家也相继开发出蜂窝式公用移动通信网。

● 日本于1979年推出800MHz汽车电话系统，在东京、大阪、神户等地投入商用。

● 瑞典等北欧四国于1980年开发出北欧移动电话（Nordic Mobile Telephone，NMT）通信网，并投入使用，频段为450MHz。

● 前西德于1984年完成C-450网，频段为450MHz。

● 英国在1985年开发出全接入通信系统（Total Access Communication System，TACS），首先在伦敦投入使用，以后覆盖了全英国，频段为900MHz。

● 法国1985年开发出Radiocom2000系统，工作在450MHz和900MHz。

这些系统都是双工的基于频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）的模拟制式系统，其传输的无线信号为模拟量，因此人们称此时的移动通信系统为模拟通信系统，也称为第一代蜂窝移动通信系统（1G）。第一代系统利用蜂窝组网技术以提高频率资源利用率，采用蜂窝网络结构，解决了容量密度低、活动范围受限的问题。但是它也存在很多缺点：频谱利用率低；通信容量有限；通话质量一般，保密性差；制式太多，标准不统一，互不兼容；不能提供非话数据业务，不能提供自动漫游等。

随着移动通信市场的快速发展，人们对移动通信技术提出了更高的要求。由于模拟系统存在着上述缺陷，导致模拟系统无法满足人们的需求。因此，基于数字通信的移动通信系统，即所谓的数字蜂窝移动通信系统在20世纪90年代初期应运而生，这就是第二代蜂窝移动通信系统（2G）。

2.第二代蜂窝移动通信系统

第二代系统是蜂窝数字移动通信系统，它具有数字传输的种种优点，并克服了模拟系统的很多缺陷：话音质量、保密性能获得很大提高，而且可以进行省内、省际自动漫游。因此，2G系统一经推出就备受人们关注，得到了迅猛的发展，短短十几年就成为了世界范围最大的移动通信网，几乎完全取代了模拟移动通信系统。第一个数字蜂窝标准GSM（Global System for Mobile Communication）基于时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）方式，于1992年由欧洲提出。美国提出两个数字标准，分别为基于TDMA的IS-54和基于窄带直接序列码分多址（Direct Sequence-code Division Multiple Access，DS-CDMA）的IS-95。日本第一个数字蜂窝系统是个人数字蜂窝（Personal Digital Cellular，PDC）系统，于1994年投入运行。在这些数字移动通信系统中，应用最广泛、影响最大、最具代表性的是GSM系统和IS-95系统。这两大系统在目前世界第二代蜂窝数字移动通信市场占据着主要份额。

GSM系统的空中接口采用的是TDMA的接入方式，到目前为止GSM还是全世界最大的移动网，占移动通信市场的大部分份额。GSM是为了改变欧洲第一代蜂窝系统四分五裂的状态而发展起来的。在GSM之前，欧洲各国在整个欧洲大陆上采用了不同的蜂窝标准。对用户来讲，就不能用一种制式的移动台在整个欧洲进行通信。另外由于模拟网本身的弱点，它的容量也受到了限制。为此从1985年开始了GSM系统标准的开发，欧洲邮电委员会的移动通信特别小组于1988年完成技术标准的制订，1990年开始投入商用，如今GSM移动通信系统已经遍及全世界。

IS-95系统采用的是码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）的接入方式。CDMA技术最先是由美国的高通（Qualcomm）公司提出的，1990年9月高通公司发布了CDMA“公共空中接口”规范的第一个版本；1992 年1 月6 日，电信工业协会（Telecommunications Industry Association，TIA）开始准备CDMA的标准化；1995年正式的CDMA标准，即IS-95登上了移动通信的舞台。CDMA技术向人们展示的是它独特的无线接入技术：系统区分地址时在频率、时间和空间上是重叠的，它使用相互准正交的地址码来完成对用户的识别。从当前人们对无线接入方式的认识角度来讲，码分多址技术有其独特的优越性，因而得到迅速的发展。

但是随着人们对数据通信业务的需求日益提高，人们已不再满足以话音业务为主的移动通信网所提供的业务了。特别是Internet的发展大大推动了人们对数据业务的需求。从近年来的统计可以看出，固定数据通信网的用户需求和业务使用量一直呈增长趋势。因此必须开发研究适用于数据通信的移动通信系统。人们首先着手开发的是基于2G的数据系统，在不大量改变2G系统的条件下，适当增加一些模块和一些适合数据业务的协议，可使系统以较高的效率来完成数据业务的传送，这就是通常所说的2.5G系统。目前的GPRS/EDGE（General Packet Radio Service/Enhanced Data Rate for GSM Evolution）就是这样的系统，现在已在我国组网投入商用。另外CDMA2000 1x也属于这一范畴。

尽管2.5G系统可以方便地传输数据业务，但是其系统带宽有限，限制了数据业务的发展，也无法实现移动的多媒体业务，同时无法从根本上解决无线信道传输速率低的问题。而且由于各国标准不统一，第二代系统也无法实现全球漫游。因此2.5G系统只是个过渡产品。在市场和技术的双重驱动下，推行第三代蜂窝移动通信系统势在必行。

3.第三代蜂窝移动通信系统

第三代系统是第二代的演进和发展，而不是重新建设一个移动网。在2G的基础上，3G增加了强大的多媒体功能，不仅能接收和发送话音、数据信息，而且能接收和发送静、动态图像及其他数据业务；同时3G克服了多径、时延扩展、多址干扰、远近效应、体制问题等技术难题，具有较高的频谱利用率，解决了全世界存在的系统容量问题；系统设备价低，业务服务高质、低价，满足个人通信化要求。

3G的目标主要有以下几个方面。

① 全球漫游，以低成本的多模手机来实现。全球具有公用频段，用户不再局限于一个地区和一个网络，而能在整个系统和全球漫游，但不要求各系统在无线传输设备及网络内部技术完全一致，而是要求在网络接口、互通及业务能力方面的统一或协调；在设计上具有高度的通用性，拥有足够的系统容量和强大的多种用户管理能力，能提供全球漫游；是一个覆盖全球的、具有高度智能和个人服务特色的移动通信系统。

② 能提供高质量的多媒体业务，包括高质量的话音、可变速率的数据、高分辨率的图像等多种业务，实现多种信息一体化。

③ 适应多种环境，采用多层小区结构，即微微蜂窝、微蜂窝、宏蜂窝，将地面移动通信系统和卫星移动通信系统结合在一起，与不同网络互通，提供无缝漫游和业务一致性，网络终端具有多样性，并与第二代系统共存和互通，开放结构，易于引入新技术。

④ 具有足够的系统容量、强大的多种用户管理能力、高保密性能和服务质量。用户可用唯一的个人电信号码在任何终端上获取所需要的电信业务，这就超越了传统的终端移动性，真正实现了个人移动性。

为实现上述目标，对无线传输技术提出了以下要求。

① 高速传输以支持多媒体业务。

● 室内环境至少2Mbps。

● 室外步行环境至少384kbps。

● 室外车辆环境至少144kbps。

② 传输速率按需分配。

③ 上下行链路能适应不对称业务的需求。

④ 简单的小区结构和易于管理的信道结构。

⑤ 灵活的频率和无线资源的管理、系统配置和服务设施。

第三代移动通信标准通常指无线接口的无线传输技术标准。截至1998年6月30日，提交到国际电信联盟（International Telecommunications Union，ITU）的陆地第三代移动通信无线传输技术标准共有10种。ITU在2000年5月召开的全球无线电大会（World Radiocommunication Conference，WRC）上正式批准了第三代移动通信系统（International Mobile Telecommunication-2000，IMT-2000）的无线接口技术规范建议，此规范建议了5种技术标准，如表1-1所示。

最终只有3种CDMA技术实际成为第三代移动通信系统的标准。这三种CDMA技术分别受到两个国际标准化组织——3GPP（3rd Generation Partnership Project）和3GPP2（3rd Generation Partnership Project 2）的支持：3GPP负责DS-CDMA和CDMA-TDD的标准化工作，分别称为3GPP FDD（Frequency Division Duplex，频分双工）和3GPP TDD（Time Division Duplex，时分双工）；3GPP2负责MC-CDMA（Multi Carrier-code Division Multiple Access），即CDMA2000的标准化工作。由此，形成了世界公认的第三代移动通信的3 个国际标准及其商用的系统，即WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。在中国，这3个标准的系统分别由中国联通（WCDMA）、中国电信（CDMA2000）和中国移动（TD-SCDMA）建设和运行。

但是，随着3G逐渐走向商用，以及信息社会对无线Internet业务需求的日益增长，第三代移动通信系统2Mbps的峰值传输速率已远远不能满足需求。因此，第三代移动通信系统正在采用各种速率增强技术以期提高实际的传输速率。CDMA2000 1x系统增强数据速率的下一个发展阶段称为CDMA2000 1xEV，其中EV是Evolution的缩写，意指在CDMA2000 1x基础上的演进系统。新的系统不仅要和原有系统保持后向兼容，而且要能提供更大的容量、更佳的性能，满足高速分组数据业务和语音业务的需求。CDMA2000 1xEV又分为两个阶段：CDMA2000 1xEV-DO和CDMA2000 1xEV-DV。WCDMA和TD-SCDMA系统增强数据速率技术为HSPA（High Speed Packet Access），HSPA+是在HSPA基础上的演进。3G无线系统高速解决方案要求数据传输具有非对称性、激活时间短、峰值速率高等特点，能够更加有效地利用无线频谱资源，增加系统的数据吞吐量。

另外，于2007年加入3G标准的WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access）技术的崛起打破了WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三足鼎立的格局，使竞争进一步升级，并加快了技术演进的步伐。为了保证3G移动通信的持续竞争力，移动通信业界提出了新的市场需求，要求进一步加强3G技术，提供更强大的数据业务能力，向用户提供更优质的服务，同时具有与其他技术进行竞争的实力。因此，3GPP和3GPP2 分别启动了3G技术长期演进（Long Term Evolution，LTE）和空中接口演进（Air Interface Evolution，AIE）。

在2005年10月18日结束的ITU-R WP8F第17次会议上，ITU给了超3G技术一个正式的名称IMT-Advanced。按照ITU的定义：IMT-2000技术和IMT-Advanced技术拥有一个共同的前缀“IMT”，表示移动通信；当前的WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA及其增强型技术统称为IMT-2000技术；未来新的接口技术，叫做IMT-Advanced技术。ITU在2008年年初开始公开征集下一代通信技术IMT-Advanced标准，并开始对候选技术和系统做出评估，最终选定相关技术作为4G标准。

为满足移动宽带数据业务对传输速率和网络性能的要求，研究开发速率更高、性能更先进的新一代移动通信技术正成为世界各国和相关机构关注的重点。LTE和移动WiMAX技术性能相对3G技术大幅提高，已经可以满足B3G（Beyond 3G）系统高速移动场景的需求，在系统载波带宽扩展到100MHz时，应该可以满足游牧和固定场景需求。目前，WiMAX和LTE正沿着无线宽带接入和宽带移动通信两条路线向IMT-Advanced演进。

4.第四代蜂窝移动通信系统

通信技术日新月异，给人们带来极大的便利，大约每十年就有一项技术更新。因此，对于移动通信服务业者、系统设备供货商和其他相关产业来说，必须随时注意移动通信技术的变化，以适应市场需求。随着数据通信与多媒体业务需求的发展，适应移动数据、移动计算及移动多媒体运作需要的第四代移动通信（4G）开始兴起。

4G是3G的进一步演化，是在传统通信网络和技术的基础上不断提高无线通信的网络效率和功能。同时，它包含的不仅仅是一项技术，而是多种技术的融合。它不仅仅包括传统移动通信领域的技术，还包括宽带无线接入领域的新技术及广播电视领域的技术。因此，对于4G中使用的核心技术，业界并没有太大的分歧。总结起来，有正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术、软件无线电技术、智能天线技术、多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术、基于IP的核心网等。

根据ITU网站公布的消息，ITU在2012年1月18日举行的WRC全体会议上，正式审核通过了4G国际标准，WCDMA的后续演进标准FDD-LTE以及我国主导的TD-LTE入选。WiMAX的后续研究标准，即基于IEEE 802.16m的技术也获得通过。

4G国际标准的确定工作历时三年，从2009 年年初开始，ITU在全世界范围内征集IMT-Advanced候选技术。截至2009年10月，ITU共征集到了6项候选技术。这6项技术基本上可以分为两大类：一类是基于3GPP的LTE的技术，我国提交的TD-LTE-Advanced是其中的TDD部分；另外一类是基于IEEE 802.16m的技术。

从字面上看，LTE-Advanced就是LTE技术的升级版，LTE-Advanced的正式名称为Further Advancements for E-UTRA，它满足ITU-R的IMT-Advanced技术征集的需求，是3GPP形成欧洲IMT-Advanced技术提案的一个重要来源。LTE-Advanced是一个后向兼容的技术，完全兼容LTE，是演进而不是革命，相当于HSPA和WCDMA这样的关系。LTE-Advanced的相关特性如下。

● 带宽：100MHz。

● 峰值速率：下行1Gbps，上行500Mbps。

● 峰值频谱效率：下行30bps/Hz，上行15bps/Hz。

● 针对室内环境进行优化。

● 有效支持新频段和大带宽应用。

● 峰值速率大幅提高，频谱效率改进有限。

严格地讲，LTE作为3.9G移动互联网技术，那么LTE-Advanced作为4G标准更加确切一些。LTE-Advanced的入围，包含TDD和FDD两种制式。其中，TD-SCDMA将能够进化到TDD制式，而WCDMA将能够进化到FDD制式。

802.16系列标准在IEEE正式称为Wireless MAN，而Wireless MAN-Advanced即为IEEE 802.16m。802.16m最高可以提供1Gbps的无线传输速率，还将兼容未来的4G无线网络。802.16m可在“漫游”模式或高效率/强信号模式下提供1Gbps的下行速率。其优势如下。

● 扩大网络覆盖，改建链路预算。

● 提高频谱效率。

● 提高数据和VoIP容量。

● 低时延和QoS增强。

● 节省功耗。

目前的Wireless MAN-Advanced有5种网络数据规格，其中极低速率为16kbps，低速率数据及低速多媒体为144kbps，中速多媒体为2Mbps，高速多媒体为30Mbps，超高速多媒体则达到了30Mbps～1Gbps。

在全球各大网络运营商都在筹划下一代网络的时候，北欧Telia Sonera于2009年年末率先完成了LTE网络的建设，并宣布开始在瑞典首都斯德哥尔摩、挪威首都奥斯陆提供LTE服务，这也是全球正式商用的第一个LTE网络。而我国也已于2011年年初在广州、上海、杭州、南京、深圳、厦门六城市进行了TD-LTE规模技术试验，并于2011年年底在北京启动了TD-LTE规模技术试验演示网建设。相信更快、更灵活、更智能的第四代移动通信技术会给人们带来更加美好的未来。

1.1.2 无绳电话系统

无绳电话系统是市话系统的延伸，主要由无绳电话机（手机）、基站和网络管理中心组成，信号是用无线电波进行传输的，所以在无绳电话的话机和基站内都装有一台收发信机，其网络结构如图1-2 所示。因为现在使用的电话机、手持机和座机间的连接缆绳长度是有限的，所以人们打电话只能在座机周围进行；而无绳电话采用无线信道来代替这根缆绳，所以给用户带来了很大方便。来自无绳电话机的语音先经过无线通信到达基站，经变换后再进入市话系统，用户拿着无绳电话就可以在基站周围的一定距离内进行移动通信。由于无绳电话与基站的无线辐射功率都很小，因而无绳电话机可活动的范围不大。无绳电话系统采用的是微蜂窝或微微蜂窝的无线传输技术。

可见，无绳电话是移动电话的又一种形式，无绳电话系统经历了从模拟到数字，从室内到室外，从专用到公用的发展历程，最终形成了以公用交换电话网（Public Switched Telephone Network，PSTN）为依托的多种网络结构。早期的无绳电话是单信道单移动终端，采用模拟调制。20世纪70年代出现的无绳电话系统称为第一代模拟无绳电话系统（Cordless Telephone-1，CT-1），亦称子母机系统，仅供室内使用，用无线信道代替有线电话机中连接送、受话机的电缆，不受电缆限制，用户可以在座机周围100～200m范围内方便地使用手提机通话。由于采用模拟技术，通话质量不太理想，保密性也差。

在蜂窝移动通信系统走向数字化的同时，无绳电话也在向数字化发展。20 世纪90 年代中期出现的第二代数字无绳电话系统，具有容量大、覆盖面宽、支持数据通信业务、应用灵活、成本低廉等特点，其典型的代表有英国的CT-2、泛欧数字无绳电话系统（Digital Enhanced Cordless Telecommunications，DECT）、日本的个人手持电话系统（Personal Handy-phone System，PHS）和美国的个人接入通信系统（Personal Access Communication System，PACS）等。这些系统均具有双向呼叫和越区切换的功能，适合于无线PBX（Private Branch Exchange）和无线LAN场合。表1-2给出了几种数字无绳电话系统的主要参数。

在表1-2中，DECT满足ITU对第三代移动通信系统的要求，也是唯一入选IMT-2000的数字无绳通信标准（称为IMT-FT）。

1.1.3 专用业务移动通信技术的演变

专用业务移动通信系统是在给定业务范围内，为部门、行业、集团服务的专用移动通信系统（简称专用移动通信系统），典型的如生产调度系统。集群移动通信系统是专用移动通信系统高层次发展的形式，它与公众移动通信系统的比较如表1-3所示。

集群通信是移动通信中不可缺少的一个分支，它是实现移动中指挥调度通信最有效的手段之一，也是指挥调度最重要的通信方式之一，因此它从“诞生”起就引起了人们的注意。下面对集群通信尤其是数字集群通信做简要的介绍。

所谓集群通信系统，就是指系统具有的可用信道可为系统的全体用户共用，具有自动选择信道功能。它是共享频率资源、共担建设费用、共用信道及服务的多用途、高效率的无线调度通信系统，是专用通信系统的高级发展阶段。集群移动通信网主要面向各专业部门，如公安、铁道、水利、市政、交通、建筑、抢险、救灾、军队等，以各专业部门用户为服务对象，用户之间存在一定的服务关系和呼叫级别。资费标准较公网灵活，而且便宜；呼叫接续速度高，接续时间最短可达300ms。集群网的主要业务为调度业务，兼有互连电话和数据业务。

集群移动通信系统有以下几种分类方式。

1.按控制方式分

有集中控制式和分散控制式。集中控制式是指由一个智能控制终端统一管理系统内话务信道的方式。分散式是指每一信道都有单独的智能控制终端的管理方式。

2.按信令方式分

有共路信令和随路信令方式。共路信令是设定一个专门控制信道传信令；这种方式的优点是信令速度高，电路容易实现。随路信令是在一个信道中同时传话音和信令，不单独占用信道，优点是节约信道，缺点是接续速度低。

3.按通话占用信道分

有信息集群和传输集群系统。信息集群系统中，用户通话占用一次信道完成整个通话过程。而传输集群系统中，一个完整的通话要分几次在不同的信道上完成。信息集群在有些资料中也称消息集群。其优点是通话完整性好；缺点是讲话停顿期间仍占用信道，信道利用率不高。传输集群又分为纯传输集群和准传输集群，也可两者兼用。这种方式的优点是信道利用率高，通信保密性好；缺点是通话完整性较差。

4.按呼叫处理方式分

有损失制和等待制系统。在损失制系统中，当话音信道占满时，呼叫被示忙，要通话需重新呼叫，信道利用率低。在等待制系统中，信道被占满时，对新申请者采用排队方式处理，不必重新申请，信道利用率高。

5.按信令占用信道方式分

有固定式和搜索式。在固定式中，起呼占用固定信道。搜索制中起呼占用信道随机变化，需要不断搜索信令信道（忙时信令信道可作为话音信道，新空出的话音信道接替控制信道）。前者实施简单，后者实施复杂。

集群移动通信系统最早是以单区单基站网络形式出现的，这种网络结构最为简单，在开始一段时间内大部分用户都建立这种网络。但随着国民经济的发展，各部门的工作业务面扩大了，相互联系增多了，有许多工作还需要跨部门、跨地区进行；加上一些大城市的地域在不断扩大，高楼大厦越建越高、越建越多，因此原单一基站网就不能满足覆盖要求，即单区单基站的模拟集群通信网已不够用了，于是单区多基站及多区多基站的集群通信系统就发展起来了。

集群通信共网是新发展起来的一种运营模式。国际移动通信协会对集群通信的发展曾提出了“商用集群无线通信”这一术语，它实际上就是一种集群通信共网，也可称做专用网的公网。这样的一个网通常由一个运营公司来运营，主要由投资集团来投资，在某个区域构成一个由几万或十几万用户组成的大网。这个网的用户是集团用户，他们可像使用蜂窝手机那样到运营公司去购买用户终端，缴纳入网费和通信费等。在这个大网中，不同的部门和行业又可各自组成一个群（组）进行各自的调度指挥，而群之间相互不会干扰。这样，集群通信共网是在体现社会效益的基础上以体现经济效益为主的。它的用户面很广，可以有各个部门的用户；而在这个大网中各个部门又可各自组成一个组（群），运行各自的指挥调度。这样，这些要建网的部门就不必为频率、中继线、资金的筹划而费力，也不必为设计、建网而花工夫了。集群通信共网与集群通信专网的区别如表1-4所示。

集群移动通信系统是从集群通信专网发展起来的，而集群通信共网也是随着集群通信的发展而形成的。集群通信专网在一定的时间内还将发挥其作用，不能完全由集群通信共网代替。所以，这两种都要发展而不能偏废。

当前，各种通信系统的全数字化已是大势所趋，集群通信也不例外。国际电联制定的数字集群报告（ITU-R Documents 8/12～E），提出了为陆地调度的集群专网与共用集群共网数字陆地移动系统的总目标。该报告同时提出数字集群系统的基本业务可分为以下三类。

（1）用户终端业务

● 集群和非集群能力，允许直接移动对移动用户任选的成组语音呼叫功能，允许选择并保密呼叫。

● 提供电话、传真和某些扩展业务，如交互视传、用户电报等。

（2）承载业务

● 电路方式数据功能，允许非保护数据最小7.2kbps及保护数据最小4.8kbps。

● 分组面向连接数据功能和无连接数据功能。

（3）补充业务

● 专用集群移动分类：接入优先、抢占优先、优先呼叫；内部呼叫、控制转移、迟入网；由调度员授权的呼叫、环境监听、慎密监听；地区选择；短码寻址；通话方识别；动态组数目指配等。

● 电话类：呼叫转移—无条件/遇忙/用户不应答/用户不可及；呼叫禁止—呼入/呼出；呼叫报告；呼叫等待；呼叫/被连接线路身份表示；呼叫/被连接线路识别限制；对于忙用户/对不回答呼叫接通等。

1.1.4 卫星移动通信系统

20 世纪80 年代以来，随着数字蜂窝网的发展，地面移动通信得到了飞速的发展，但受到地形和人口分布等客观因素的限制，地面固定通信网和移动通信网不可能实现全球各地全覆盖，如海洋、高山、沙漠和草原等成为地面网盲区。这一问题现在不可能解决，而且在将来的几年甚至几十年也很难得到解决。这不是由于技术上不能实现，而是由于在这些地方建立地面通信网络耗资巨大。而相比较而言，卫星通信具有良好的地域覆盖特性，可以快捷、经济地解决这些地方的通信问题，正好是对地面移动通信的补充。

卫星移动通信系统是指利用人造地球卫星作为空间链路的一部分进行移动业务的通信系统。移动卫星通信不受地理条件的限制，覆盖面大，信道频带宽，通信容量大，电波传输稳定，通信质量好。但卫星通信系统造价昂贵，运行费用高。

由于卫星的高度，卫星系统能建立全球覆盖。采用卫星建立公众通信最早发生在1962年，在AT&T公司贝尔实验室成功地实施了Echo和Telstar实验后，Comsat通信有限公司成立，它的早期工作是基于（美国）国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的应用技术卫星规划。卫星系统可提供无线移动通信，卫星在地球上实际的覆盖区域面积取决于地球上方的卫星轨道，可分为以下三种。

1.对地静止地球轨道（Geostationary Earth Orbit，GEO）卫星

GEO卫星处在地球上方35786km的轨道上，沿轨道的运行速度和地球自转速度相同。因此，从地球上看，GEO卫星停留在某一点上。GEO卫星具有将近13000km的视场（Field-of-view，FOV）直径，它可以覆盖一个国家的大部分区域。GEO卫星是区域性卫星，它具有多波束并能通过小波束进行频率复用。GEO卫星的优点是能和节点保持连续状态，但其缺点是信号的往返路径延迟大约为250ms。当用户打电话或使用实时视频时，可能会感觉到这种延迟。

2.中等地球轨道（Medium Earth Orbit，MEO）卫星

MEOP处在地球上方大约10000km的轨道上，而其FOV直径大约为7000km。为了使卫星覆盖区涵盖全世界的重要区域，要使用一组MEO卫星，MEO卫星每12小时绕地球一圈，如全球定位系统（Global Positioning System，GPS）卫星。GPS系统中共有24颗GPS卫星。其中，18颗处于活跃状态，6颗备用。GPS覆盖了整个世界，在任何时间，在地球上的任何一点至少能“看见”处于地球上方的4颗GPS卫星，从而能对该点定位。GPS卫星发射的信号有P码和C/A码，其中P码供美国军方及特许用户使用，C/A码供民用。自从2003年以来，已将GPS导航系统安装在很多汽车和蜂窝电话中，它的定位精确度在3m以内。

Odyssey系统也是一个MEO卫星系统，它只有16颗卫星并覆盖了全世界。这个系统的造价不是很昂贵，卫星使用寿命可达10年或更长。

国际海事卫星组织的中圆轨道（Intermedia Circular Orbit，ICO）也是一个MEO系统。它有8颗卫星，只提供数据传输业务。

3.低地球轨道（Low Earth Orbit，LEO）卫星

LEO卫星是一种低轨道卫星，处于地球上方大约800km的轨道上。它的FOV直径为800km左右，每个LEO卫星的FOV绕地球一圈需要2小时左右。使用LEO卫星部署蜂窝通信系统的概念不同于陆地蜂窝系统。“小区是移动的”，而地面移动台（终端）只能“看见”卫星几分钟。在LEO系统中，覆盖区域的短时变化引起频率上的切换。切换可引起系统容量的低效，并可降低连接稳定性。从LEO卫星到地球，往返传输产生的延迟时间只有5ms；而与此对照，从GEO卫星往返传输产生的延迟时间为250ms。LEO卫星系统具有如下优点。

① 可取得5ms的延迟时间。

② 由于视线条件，可取得较小的路径损耗，这样地球上的天线可更小更轻。

③ 比陆地系统提供更宽的覆盖，也像陆地系统一样提供频率复用。

④ 需要的基站（也就是卫星）较少。

⑤ 能覆盖海洋、陆地和空中。

然而，LEO卫星系统也存在如下几个缺点。

① 信号太弱，以至于不能穿透建筑物的墙壁，但有线和无线LAN可帮助将卫星的覆盖扩展到户内。

② 由于LEO卫星系统工作在10GHz的频率上，所以信号上的雨衰效应是另一个大的隐患。

LEO卫星系统包括摩托罗拉公司的铱（Iridium）系统、Loral公司和Qualcomm公司的全球星（Global Star）系统以及Teledesic公司的Teledesic系统。

随着21世纪的到来，卫星通信将进入个人通信时代。这个时代的最大特点就是卫星通信终端达到手持化，个人通信实现全球化。所谓个人通信，是移动通信的进一步发展，是面向个人的通信，国际电联称之为通用个人通信，在北美则称为个人通信业务，其实质是任何人在任何时间、任何地点可与其他任何人实现任何方式的通信。只有利用卫星通信覆盖全球的特点，通过卫星通信系统与地面通信系统（光纤、无线等）的结合，才能实现名副其实的全球个人通信。图1-3显示了为卫星与地面个人通信系统相互补充的情况。

当前，小卫星技术的发展，为实现非同步的中、复低轨道卫星通信系统提供了条件。因为中、低轨道具有传播时延短，路径损耗低，能更有效地频率复用，卫星研制周期短，能多星发射，卫星互为备份、抗毁能力强，多星组网可实现真正意义上的全球覆盖等特点。同时，利用小卫星组成卫星通信系统，具有：降低小卫星本身的成本，降低相应的发射费用，缩短卫星计划酝酿和制定时间，卫星能及时采用最新的技术等优点。这些特点和优点对于实现终端手持化具有同步卫星不可比拟的优势，从而使卫星移动通信系统成为个人通信、信息高速公路积极发展的通信手段之一。

1.1.5 无线数据网络

无线数据网络可根据其覆盖的区域来划分。无线个域网（Wireless Personal Area Network，WPAN）是最小覆盖区所对应的网络，覆盖的范围一般在10m半径以内，用于实现同一地点终端与终端间的连接，如连接手机和蓝牙耳机等，必须运行于许可的无线频段。无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）用于在建筑物特定楼层范围内连接用户。团体局域网服务于工业园区或大学校园，在这些地方，网络能漫游遍及整个园区，使用相当便利。无线城域网（Wireless Metropolitan Area Network，WMAN）主要用于解决城域网的接入问题，覆盖范围为几千米到几十千米。覆盖范围最大的网络是无线广域网（Wireless Wide Area Network，WWAN），它在整个国家范围内实现了连接。

1.无线个域网

在过去的几十年里，无线技术产生了革命性的飞跃。近年来，电子制造商们意识到，用户对于“将有线变为无线”有着巨大的需求。利用隐形、低功耗、小范围的无线连接取代笨重的线缆，可极大地提高组网的灵活性，从而使人们的生活更加方便、快捷。并且无线连接可以使人们方便地移动设备，也能够在个人之间、设备之间和其生活环境之间实现协作通信。因此，WPAN应运而生。

WPAN是一种采用无线连接的个人局域网，它被用于诸如计算机、电话、各种附属设备以及小范围（一般在10m以内）内的数字助理设备之间的通信。WPAN是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无线无缝的连接而提出的新兴无线通信网络技术，它能够有效地解决“最后几米电缆”的问题，进而将无线连网进行到底。

支持WPAN的技术有很多，每一项技术只有被用于特定的用途或领域才能发挥最佳的作用。此外，虽然在某些方面，有些技术被认为是在无线个人局域网空间中相互竞争的，但是它们常常又是互补的。主要包括蓝牙、ZigBee、超宽带（Ultra Wideband，UWB）、IrDA（Infrared Data）、HomeRF（Home Radio Frequency）等，其中蓝牙技术在无线个人局域网中使用最广泛。“蓝牙”这个名称源自北欧国家中的一个海盗国王。爱立信公司在1978年发展的蓝牙技术，用无线代替了短线，实现了10英尺内的短距离通信。其信道带宽为200kHz，使用QAM调制，数据速率可达1Mbps。现在大多数蜂窝电话都配备了蓝牙。在美国，ZigBee是依据IEEE 802.15标准发展起来的，它的有效接入距离可达30m，但数据速率为144kbps左右，它可用于视频网络等应用。Association

从20世纪80年代开始，随着频带资源的紧张以及对于高速通信的需求，超宽带技术开始被应用于无线通信领域。2002年，美国联邦通信委员会发布了超宽带无线通信的初步规范，正式解除了超宽带技术在民用领域的限制。脉冲超宽带是超宽带通信最经典的实现方式，通信时利用宽度在纳秒或亚纳秒级别的、具有极低占空比的基带窄脉冲序列携带信息。发射信号是由单脉冲信号组成的时域脉冲序列，无须经过频谱搬移就可以直接辐射。脉冲超宽带具有潜在的支持高数据速率或系统容量的能力，可共享频谱资源，定位精度高，探测能力强，穿透能力强，而且还具有低截获、抗干扰、保密性好、低成本、低功耗等特点。可见，脉冲超宽带技术满足低速率WPAN对物理层基本的业务要求。在IEEE 802.15.4a标准中，明确提出使用脉冲超宽带技术作为物理层标准也正是基于上述原因。

2.无线局域网

WLAN是利用无线通信技术在一定的局部范围内建立的网络，是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。它以无线多址信道作为传输媒介，提供传统有线局域网（Local Area Network，LAN）的功能，能够使用户真正实现随时、随地、随意的宽带网络接入。

WLAN起初是作为有线局域网的延伸而存在的，广泛用于构建办公网络。但随着应用的进一步发展，WLAN正逐渐从传统的局域网技术发展成为“公共无线局域网”，成为国际互联网宽带接入手段。WLAN具有易安装、易扩展、易管理、易维护、高移动性、保密性强、抗干扰等特点。

WLAN中的标准化行动是扩展其应用的关键，而且大多数是针对非授权频带的。可以通过两个主要途径来管制非授权频带：一个是所有设备间的共同操作所遵循的规则；另一个是频谱格式，也就是能够由不同的供应商制造WLAN设备，以公平地分享无线资源。由于WLAN是基于计算机网络与无线通信技术的，在计算机网络结构中，逻辑链路控制（Logical Link Control，LLC）层及其之上的应用层对不同的物理层的要求可以是相同的，也可以是不同的，因此，WLAN标准主要是针对物理层和媒质访问控制（Media Access Control，MAC）层的，涉及所使用的无线频率范围、空中接口通信协议等技术规范与技术标准。

IEEE 802.11 WLAN工作组成立于1987年，它一直致力于ISM频段的扩频标准化工作。尽管频谱不受限制，业界也有着强烈的兴趣，但直到20世纪90年代，当网络互连现象更加普及、便携计算机应用更加广泛的时候，WLAN才成为现代无线通信市场中一个重要的快速增长点。IEEE 802.11在1997年标准化。随着标准得到认可，众多制造商开始遵照互操作性原则制造设备，相关市场也得到迅猛发展。1999年，IEEE 802.11高数据速率标准（IEEE 802.11b）得到认可，能够为用户提供高达11Mbps和5.5Mbps的速率；此外，它仍保留着最初的2Mbps和1Mbps速率。

1999年，IEEE 802.11a标准制定完成。它是IEEE 802.11b的后续标准，其设计初衷是取代IEEE 802.11b标准。该标准规定WLAN工作频段在5.15～5.825GHz，数据传输速率达到54Mbps/72Mbps，传输距离控制在10～100 m。工作在2.4GHz频段是不需要执照的，该频段属于工业、教育、医疗等专用频段，是公开的；然而，工作于5.15～5.825GHz频段是需要执照的。一些公司仍没有表示对IEEE 802.11a标准的支持，一些公司更加看好后续推出的混合标准——IEEE 802.11g。IEEE 802.11g标准提出拥有IEEE 802.11a的传输速率，安全性较IEEE 802.11b好，采用2种调制方式，含IEEE 802.11a中采用的OFDM与IEEE 802.11b中采用的CCK（Complementary Code Keying）调制，做到与IEEE 802.11a和IEEE 802.11b兼容。

虽然IEEE 802.11系列的WLAN应用广泛，自从1997年IEEE 802.11标准实施以来，先后有IEEE 802.11b、IEEE 802.11a、IEEE 802.11g、IEEE 802.11e、IEEE 802.11f、IEEE 802.11h、IEEE 802.11i、IEEE 802.11j等标准制定或者在制定中，但是WLAN依然面临带宽不足、漫游不便捷、网管不强大、系统不安全和没有强大的应用等缺点。为了实现高带宽、高质量的WLAN服务，使无线局域网达到以太网的性能水平，IEEE 802.11n应运而生。据报道，IEEE委员会在2009年9月11日批准了IEEE 802.11n高速无线局域网标准。IEEE 802.11n使用2.4GHz频段和5GHz频段，其核心是MIMO和OFDM技术，传输速率为300Mbps，最高可达600Mbps，可向下兼容IEEE 802.11b、802.11g。

欧洲电信标准化协会（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）的宽带无线电接入网络小组着手制定Hiper（High Performance Radio）接入泛欧标准，已推出HiperLAN1 和HiperLAN2。HiperLAN1对应IEEE 802.11b；HiperLAN2与IEEE 802.11a具有相同的物理层，它们可以采用相同的部件，并且HiperLAN2 强调与3G整合。HiperLAN2 标准也是目前较完善的WLAN协议之一。

3.无线城域网

WMAN标准的开发主要由两大组织机构负责：一是IEEE的802.16工作组，开发的主要是IEEE 802.16系列标准；二是欧洲的ETSI，开发的主要是HiperAccess。因此，IEEE 802.16和HiperAccess构成了WMAN的接入标准。

1999年，IEEE 802委员会成立了802.16工作组，为宽带无线接入的无线接口及其相关功能制定标准，它由三个小工作组组成，每个小工作组分别负责不同的方面：IEEE 802.16.1负责制定频率为10～60GHz的无线接口标准；IEEE 802.16.2负责制定宽带无线接入系统共存方面的标准；IEEE 802.16.3负责制定在2～10GHz频率范围获得频率使用许可的无线接口标准。

虽然802.16系列标准在IEEE被正式称为Wireless MAN，但它已被商业化名义下的WiMAX产业联盟称为WiMAX论坛。而且，IEEE 802.16m（也被称为WiMAX2）与LTE-Advanced已经并肩成为4G的标准之一。WiMAX是一项新兴的宽带无线接入技术，能提供面向互联网的高速连接，数据传输距离最大可达50km。WiMAX还具有QoS保障、传输速率高、业务丰富多样等优点。WiMAX的技术起点较高，采用了代表未来通信技术发展方向的OFDM、MIMO等先进技术。随着技术标准的发展，WiMAX逐步实现宽带业务的移动化，而3G则实现移动业务的宽带化，两种网络的融合程度也越来越高。

WiMAX能掀起大风大浪，其自身必然有许多优势，而各厂商也正是看到了WiMAX的优势可能带来的强大市场需求才对其抱有浓厚的兴趣。但是，我们也必须认识到WiMAX还存在不足之处，其优缺点如表1-5所示。

4.无线广域网

WWAN主要用于全球及大范围的覆盖和接入，具有移动、漫游、切换等特征，业务能力主要以移动性为主，包括IEEE 802.20技术以及3G、B3G和4G。IEEE 802.20和2G、3G蜂窝移动通信系统共同构成WWAN的无线接入，其中2G、3G蜂窝移动通信系统当前使用居多。

IEEE 802.20移动宽带无线接入标准也被称为Mobile-Fi，是WWAN的重要标准。该标准是由IEEE 802.16工作组于2002年3月提出的，并在2002年9月为此成立专门的IEEE 802.20工作组。IEEE 802.20的目的是实现高速移动环境下的高速率数据传输，以弥补IEEE 802.1x协议族在移动性上的劣势。IEEE 802.20技术可以有效解决移动性与传输速率相互矛盾的问题，是一种适用于高速移动环境下的宽带无线接入系统空中接口规范。

IEEE 802.20标准在物理层技术上，以OFDM和MIMO为核心，充分挖掘时域、频域和空间域的资源，大大提高了系统的频谱效率。在设计理念上，IEEE 802.20是真正意义上基于IP的蜂窝移动通信系统，并采用移动IP技术来进行移动性管理。对移动用户的移动性管理以及认证授权等功能，通常由IP基站本身或者由IP基站通过移动核心IP网络访问核心网络中相关服务器来完成。这种基于分组数据的纯IP架构适应突发性数据业务的性能优于3G技术，与3.5G（HSDPA、EV-DO）性能相当；在实现和部署成本上也具有较大的优势。

IEEE 802.20技术标准的特点包括：透明支持实时和非实时业务；始终在线连接；广泛的频率复用；支持在各种不同技术间漫游和切换，如从MBWA（Mobile Broadband Wireless Access）切换到WLAN；小区之间、扇区之间的无缝切换；支持空中接口的QoS与端到端核心网QoS一致；支持基于策略的QoS保证；支持多个MAC协议状态以及状态之间的快速转移；对上行链路和下行链路的快速资源分配；用户数据速率管理；支持与RF环境相适应的自动选择最佳用户数据速率；空中接口提供消息方式用于相互认证；允许与现有蜂窝系统的混合部署；空中接口的任何网络实体之间都为开放接口，从而允许服务提供商和设备制造商分离实现这些功能实体。

从以上特点可以看出，IEEE 802.20能够满足无线通信市场高移动性和高吞吐量的需求，具有性能好、效率高、成本低和部署灵活等优势。IEEE 802.20移动性优于IEEE 802.11，在数据吞吐量上强于3G技术，其设计理念符合下一代无线通信技术的发展方向，因而是一种非常有前景的无线技术。但是目前，IEEE 802.20系统技术标准仍有待完善，产品市场还没有成熟，产业链有待完善，所以还很难判定它在未来市场中的位置。