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1、移动通信系统,第1章 概论,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（车辆、船舶、飞机或行人)和移动体之间的通信,移动体或固定点(固定无线电台和有线用户)之间的通信.,一 移动通信的主要特点,1.移动通信必须利用无线电波进行信息传输2.移动通信是在复杂的干扰环境中运行的3.移动通信可以利用的频谱资源非常有限,而移动通信业务量的需求却与日俱增4.移动通信系统的网络结构多种多样,网络管理和控制必须有效5.移动通信设备(主要是移动台)必须适于在移动环境中使用,二 移动通信系统的分类,1.移动通信有以下多种分类方法 按使用对象可分为民用
2、设备和军用设备;按使用环境可分为陆地通信、海上通信和空中通信;按多址方式可分为频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)等;按覆盖范围可分为广域网和局域网;,按业务类型可分为电话网、数据网和多媒体网 按工作方式可分为同频单工、异频单工、异频双工、和半双工;按服务范围可分为专用网和共用网;按信号形式可分为模拟网和数字网;本节只简要的说明系统分类的几个主要问题.,2.工作方式 单工通信 所谓单工通信,是指通信双方电台交替的 进行收信和发信.根据收、发的频率异同,又可分为同频单工和异频单工.,单工通信,双工通信 所谓双工通信,是指通信双方可同时进行传输消息的工作方式,有时亦称全
3、双工通信 半双工通信,3.模拟网和数字网 通信系统和网络经过数字化的进程后,目前主要的通信系统和网络都是数字化的系统和网络,移动通信也是如此.通常,人们把模拟移动通信系统(包括模拟蜂窝网、模拟无绳电话与模拟集群调度系统等)称作第一代移动通信系统,而把数字化的移动通信系统(包括数字蜂窝网、数字无绳电话、移动数据系统以及移动卫星通信系统等）称做第二代移动通信系统。,目前，第二代移动通信系统已在世界范围内广泛应用。在此基础上，具有更多新一代（第四代）移动通信系统的研究和开发。所有这些系统都是基于数字技术的。数字通信系统的主要优点可归纳如下：频谱利用率高，有利于提高系统容量。能提供多种业务服务，提高通
4、信系统的通用性。,抗噪、抗干扰和抗多径衰落的能力强。能实现更有效、灵活的网络管理和控制。便于实现通信的安全保密。可降低设备成本以及减小用户手机的体积和质量。,移动通信网络的分类,三 常用移动通信系统,1.无线电寻呼系统 无线电寻呼系统是一种单向通信系统。无线电寻呼系统的用户设备是袖珍式接收机，称作袖珍铃，俗称“BB机”，这是由于它的振玲声近似“BB”声音之故。,无线电寻呼系统示意图,2.蜂窝移动通信系统 早期的移动通信系统在覆盖区域中心设置大功率的发射机，采用高架天线把信号发送到整个覆盖地区（半径可达几十千米）。（图a)蜂窝通信网络把整个服务区域划分成若干个较小的区域（Cell,在蜂窝系统中称
5、为小区），各小区均用小功率的发射机（即基站发射机）进行覆盖，许多小区像蜂窝一样能布满（即覆盖）任意形状的服务地区。（图b）,3.无绳电话系统 简单的无绳电话机把普通的电话单机分成座机和手机两部分，座机与有线电话网连接，手机与座机之间用无线电连接，这样，允许携带手机的用户可以在一定范围内自由活动使进行通话，因为手机与座机之间不需要用电线连接，故称之为“无绳”电话机。,无线电系统示意图,4.移动卫星通信系统 利用卫星中继，在海上、空中和地形复杂而人口稀疏的地区中实现移动通信，具有独特的优越性，很早就引起人们的重视。1976年，国际海事卫星组织（IMARSAT）首先在太平洋、大西洋和印度洋上空发射了
6、三颗同步卫星，组成了IMARSAT-A系统，为在这三个大洋上航行的船只提供通信服务。,美国Motorola公司提出的“铱”（IRIDIUM）系统开始计划设置7条圆形轨道均匀分布于地球的极地方向，每条轨道上有11颗卫星，总共有77颗卫星在地球上空运行，这和铱原子中有77个电子围绕原子核旋转的情况相似，故取名为铱系统。现在该系统改用66颗卫星，分6条轨道在地球上空运行，但原名未改。,铱系统卫星轨道示意图,四 移动通信的基本技术,1.调制技术 第二代移动通信是数字移动通信，其中的关键技术之一是数字调制技术。数字信号调制的基本类型分为振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）、和相移键控（PSK）。此外，
7、还有许多由基本调制类型改进或综合而获得的新型调制技术。,在实际应用中，有两类用得最多的数字调制方式：线性调制技术，主要包括PSK、QPSK、DQPSK、OK-QPSK、/4-DQPSK和多电平PSK等。应该注意，此处所谓的“线形”，是指这类调制技术要求通信设备从频率变换到放大和发射的过程中保持充分的线形。显然，这种要求在制造移动设备中会增大难度和成本，但是这类调制方式可获得较高的频谱利用率。,恒定包络（连续相位）调制方式，主要包括MSK、GMSK、GFSK和TFM等。这类调制技术的优点是已调信号具有相对较窄的功率谱和对放大设备没有线形要求，不足之处是其频谱利用率通常低于线形调制技术。,2.多址
8、方式 多址方式的基本类型有频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）。实际中也常用到三种基本多址方式的混合多址方式，比如，频分多址/时分多址（TDMA/TDMA）、频分多址/码分多址（FDMA/CDMA）、时分多址/码分多址（TDMA/CDMA）等等。,3.抗干扰措施 移动通信系统中采用的抗干扰措施是多种多样的，主要有：利用信道编码进行检错和纠错（包括前向纠错FEC和自动请求重传ARQ）是降低通信传输的差错率，保证通信质量和可靠性的有效手段；为克服由多径干扰所引起的多径衰落，广泛采用分集技术（包括空间分集、频率分集、时间分集以及RAKE接收技术等）、自适应均衡技术和选用具
9、有抗码间干扰和时延扩展能力的调制技术（如多电平调制、多载波调制等）；,为提高通信系统的综合抗干扰能力而采用扩频和跳频技术；为减少蜂窝网络中的共道干扰而采用扇区天线、多波束天线和自适应天线阵列等；在CDMA通信系统中，为了减少多址干扰而使用干扰抵消和多用户信号检测器技术。,4.组网技术 网络结构 在通信网络的总体规划和设计中必须解决的一个问题 是：为了满足运行环境、业务类型、用户数量和覆盖范围等要求，通信网络应该设置哪些基本组成部分（比如，基站和移动台、移动交换中心、网络控制中心、操作维护中心等）和这些组成部分应该怎样部署，才能构成一种实用的网络结构。,作为例子，图中给出的是数字蜂窝通信系统的网
10、络结构，其组成部分为：移动交换中心（MSC），基站分系（BSS）（含基站控制器（BSC）、基站收发信台（BTS），移动台（MS），归属位置寄存器（HLR），访问位置寄存器（VLR），设备标志寄存器（EIR），人证中心（AUC），操作维护中心（OMC）。网络通过移动交换中心（MSC）还与公共交换电话网（PSTN）以及公共数据网（PDN）相连接。,数字蜂窝通信系统的网络结构,网络接口 Sm是用户和网络之间的接口，也称人机接口；Um是移动台与基站收发信台之间的接口，也称无线接口或空中接口；A是基站和移动交换中心之间的接口；Abis是基站控制器和基站收发信台之间的接口；,B是移动交换中心和访问位置寄存
11、器之间的接口；C是移动交换中心和归属位置寄存器之间的接口；D是归属位置寄存器和访问位置寄存器之间的接口；E是移动交换中心之间的接口；,第2章 组网技术,一 多址技术 多址技术主要解决众多用户如何高效共享给定频谱资源的问题。常规的多址方式有三种：频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）。,频分多址（FDMA）频分多址是指将给定的频谱的资源划分为若干个等间隔的频道（或称信道）供不同的用户使用。在模拟移动通信系统中，信道带宽通常等于传输一路模拟话音所需的带宽，如25kHz或30kHz。,在单纯的FDMA系统中，通常采用频分双工（FDD）的方式来实现双工通信，即接收频率f和发送
12、频率F是不同的。为了使得同一部电台的收发之间不产生干扰，收发频率间隔|f-F|必须大于一定的数值。例如，在800MHz频段，收发频率间隔通常为45MHz。一个典型的FDMA频道划分如下：,FDMA的频道划分方法,在FDMA系统中，收发的频段是分开的，由于所有移动台均使用相同的接收和发送频段，因而移动台到移动台之间不能直接通信，而必须经过基站中转。移动通信的频率资源十分紧缺，不可能为每一个移动台预留一个信道，只可能为每个基站配置好一组信道，供该基站所覆盖的区域（称为小区）内的所有移动台共用。这就是多信道共用问题。,在多信道共用的情况下，一个基站若有n个信道同时为小区内的全部移动用户所共用，当其中
13、k（kn）个信道被占用之后，其它要求通信的用户可以按照呼叫的先后次序占用（n-k）个信道中的任何一个来进行通信。但基站最多可以同时保障n个用户进行通信。究竟n个信道能为多少用户提供服务呢？共用信道之后必然会遇到所有信道均被占用，而新的呼叫不能接通的情况，但发生这种情况的概率有多大呢？这些就是下面将要讨论的问题。,话务量与呼损率的定义 在话音通信中，业务量的大小用话务量来量度。话务量又分为流入话务量和完成话务量。流入话务量的大小取决于单位时间（1小时）内平均发生的呼叫次数和每次呼叫平均占用信道时间（含通话时间）S。显然和S的加大都会使业务量加大，因而可定义流入话务量A为 A=S 式中：的单位是（
14、次/小时）；S的单位是（小时/次）；两者相乘而得到A应是一个无量纲的量，专门命名它的单位是“爱尔兰”（Erlang）。,根据公式的定义，可以这样来理解“爱尔兰”的含意：已知1小时内平均发生呼叫的次数为（次），用公式可求得 A（爱尔兰）=S（小时/次）（次/小时）可见这个A是平均1小时内所有呼叫需占用信道的总小时数。因此，1爱尔兰就表示平均每小时内用户要求通话的时间为1小时。,例如，全通信网平均每小时发生20次呼叫，即=20（次/小时）平均每次呼叫的通话时间为3分钟，即 S=3（分/次）=1/20（小时/次）代入公式，可得 A=201/20=1 爱尔兰 这就表示，1小时的平均呼叫20次所要求的总
15、通话时间为1小时，所以流入话务量等于1爱尔兰。,从一个信道看，它充其量在1个小时之内不间断地进行通信，那么它所能完成的最大的话务量也就是1爱尔兰。由于用户发起呼叫是随机的，不可能不间断的持续利用信道，所以一个信道实际所能完成的话务量必定小于1爱尔兰。也就是说，信道的利用率不可能达到百分之百。,在信道共用的情况下，通信网无法保证每个用户的所有呼叫都能成功，必然有少量的呼叫会失败，即发生了“呼损”。已知全网用户在单位时间内的平均呼叫次数为，其中有的呼叫成功了，有的呼叫失败了，设单位时间内成功呼叫的次数为0（0），就可算出完成话务量 A0=0S 流入话务量A与完成话务量A0之差，即为损失话务量。损失
16、话务量占流入话务量的比率即为损失的比率，称为“呼损率”，用符号B表示，即 B=（A-A0）/A=（-0）/,显然，呼损率B越小，成功呼叫的概率就越大，用户就越满意。因此，呼损率B也称为通信网的服务等级（或业务等级）。例如，某通信网的服务等级为0.05(即B=0.05),表示在全部呼叫中未被接通的概率为5%。但是，对于一个通信网来说，要想使呼叫损失小，只有让流入话务量小，即容纳的用户少些，这又是所不希望的。可见，呼损率与流入话务量是一对矛盾，要折中处理。,空闲信道的选取 在移动通信网中，在基站控制的小区内有n个无线信道提供给nm个移动用户共同使用。那么，当某一用户需要通信而发出呼叫时，怎样从这n
17、个信道中选取一个空闲信道呢？空闲信道的选取方式主要可以分为两类：一类是专用呼叫信道方式（或称“共用信令信道”方式）；另一类是标明空闲信道方式。,专用呼叫信道方式。这种方式是指在网中设置专门的呼叫信道，专用于处理用户的呼叫。移动用户只要不在通话时就停在这呼叫信道上守侯。当移动用户要发起呼叫时，就在上行专用呼叫信道发出呼叫请求信号，基站收到请求后，在下行专用呼叫信道给主叫的移动用户指定当前的空闲信道，移动台根据指令转入空闲信道通话，通话结束后再自动返回到专用呼叫信道守侯。当移动台被叫时，基站在专用呼叫信道上发出呼选信号，被呼移动台应答后即按基站的指令转入某一空闲话音信道进行通信。这种方式的优点是处
18、理呼叫的速度快；但是，若用户数和共用信道数不多，则专用呼叫信道处理呼叫并不繁忙，它又不能用于通话，利用率不高。因此，这种方式适用于大容量的移动通信网，上公用移动电话网所用的主要方式。我过规定900MHz蜂窝移动电话网就采用这种方式。,标明空闲信道方式。标明空闲信道方式可分为“循环定位”、“循环不定位”、“标明多个空闲信道的循环分散定位”和“标明多个空闲信道的循环不定位”等多种方法。循环定位。这种方式不设置专门的呼叫信道，所有的信道都可提供通话，选择呼叫与通话可在同一信道上进行。基站在某一空闲信道上发出空闲信号，所有未在通话的移动台都自动地对所有信道都进行循环扫描，一旦在某一信道上收到空闲信号，
19、就定位在这个信道上守侯。所有呼叫都在这个标定的空闲信道上进行。当这个信道被某一移动台占用之后，基站就转往另一空闲信道发出空闲信号。如果基站的全部信道被占用，基站就停发空闲信号，所有未在通话的移动台就不停的循环扫描，直到出现空闲信道，收到空闲信号才定位在该信道上。,当移动台被呼叫时，基站在标有空闲标志的空闲信道上发出选呼信号。所有定位在此空闲信道上的移动台都可收到这个选呼信号，在与 本机的号码核对之后，若判定为呼叫本机即发出应答信号。基站在收 到应答信号之后，立即将这个信道分配给被呼叫的移动台占用，另选 一个空闲信道发出空闲标志。其它移动台发现原定位的空闲信道已被 占用，立即进行循环扫描，搜索新
20、的标有空闲标志的空闲信道。,在这种方式中，所有信道都可用于通话，信道的利用率高。此外，由于所有空闲的移动台都定位在同一个空闲信道上，因而不论移动台主 呼或被呼都能立即进行，处理呼叫快。但是，正因为所有空闲移动台 都定位在同一个空闲信道上，它们之中有两个以上用户同时发起呼叫 的概率（称同抢概率）也较大，即容易发生冲突，因此，这种方式只 适用于小容量的通信网。,循环不定位方式。为减小同抢概率，移动台循环扫描而不定位应该是有利的。该方式是基站在所有的空闲信道上都发出空闲标志信号，不通话的移动台始终处于循环扫描状态。当移动台主呼时，首先遇到任何一个空闲信道几立即占用。由于预先设置各移动台对信道扫描的顺
21、序不同，两个移动台同时发出呼叫，又同时占用同一空闲信道的概率很小，这就有效的减小了同抢概率。只不过要主呼时不能立即进行，要先搜索空闲信道，搜索到并定位之后才能发出呼叫，时间上稍微慢了一点。当移动台被呼时，由于各移动台都在循环扫描，无法接收基站的选呼信号。因此，基站必须先在某一空闲信道上发一个保持信号，指令所有循环扫描中的移动台都自动地对这个标有保持信号的空闲信道锁定。保持信号需持续一段时间，在等到所有空闲移动台都对它锁定之后，再改变选呼信号。被呼移动台对选呼信号应答，即占用此信道通信。其它移动台识别不是呼叫自己，立即对此信道释放，重新进入循环扫描。,这种方式减小了同抢概率，但因移动台主呼时要先
22、搜索空闲信道，被呼时要先保持信号锁定，这都占用了时间，所以建立呼叫就慢了。我国体制规定，小容量移动电话网可采用标明空闲信道方式，也可以共用信令信道方式。,时分多址（TDMA）时分多址上指把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙（无论帧还是时隙都是互不重叠的）。在频分双工（FDD）方式中，上行链路和下行链路的帧分别在不同的频率上。在时分双工（TDD）方式中，上下行帧都在相同的频率上。TDD的方式如图所示。,各个移动台在上行帧内只能按指定的时隙向基站发信号。为了保证在不同传输时延情况下，各移动台到达基站处的信号不会重叠，通常上行时隙内必须有保护间隔，在间隔内不传送信号。基站按顺序安排在预定
23、的时隙中向各移动台发送信息。,TDMA示意图,码分多址（CDMA）码分多址是以扩频信号为基础的，利用不同码型实现不同用户的信息传输。扩频信号是一种经过伪随机序列调制的宽带信号，其带宽通常比原始信号带宽高几个量级。常用的扩频信号有两类：跳频信号和直接序列扩频信号（简称直扩信号），因而对应的多址方式为跳频码分多址（FH-CDMA）和直扩码分多址（DS-CDMA）。,FH-CDMA 在FH-CDMA系统中，每个用户根据各自的伪随机（PN）序列，动态改变其已调信号的中心频率。各用户的中心频率可在给定的系统带宽内随机改变，该系统带宽通常要比各用户已调信号（如FM、FSK、BPSK等）的带宽宽得多。FH-
24、CDMA类似于FDMA，但使用的频道上动态变化的。FH-CDMA中各用户使用的频率序列要求相互正交（或准正交），即在一个PN序列周期对应的时间区间内，各用户使用的频率，在任一时刻都不相同（或相同的概率非常小）,DS-CDMA 在DS-CDMA系统中，所有用户工作在相同的中心频率上，输入数据序列与PN序列相乘得到宽带信号。不同的用户（或信道）使用不同的PN序列。这些PN序列（或码字）相互正交，从而可像FDMA和TDMA系统中利用频率和时隙区分不同用户一样，利用PN序列（或码字）来区分不同的用户。,二区域覆盖和信道配置,带状网 带状网主要用于覆盖公路、铁路、海岸等，如图所示：,基站天线若用全向辐射
25、，覆盖区形状是圆形的。带状网宜采用有向天线，使每个小区呈扁圆形。,带状网,蜂窝网 在平面区域内划分小区，通常组成蜂窝式的网络。,小区的形状,三种形状小区的比较,信道（频率）配置 分区分组配置法 设给定的频段以等间隔划分为信道 若每个区群有7个小区，每个小区需6个信道；第一组 1，5，14，20，34，36 第二组 2，9，13，18，21，31 第三组 3，8，19，25，33，40 第四组 4，12，16，22，37，39 第五组 6，10，27，30，32，41 第六组 7，11，24，26，29，35 第七组 15，17，23，28，38，42。,每一组信道分配给区群内的一个小区。这里使
26、用42个信道就只占用了42个信道的频段，是最佳的分配方案。以上分配中的主要出发点是避免三阶互调，但未考虑同一信道组中的频率间隔，可能会出现较大的领道干扰，这是这种配置方法的一个缺陷,三网络结构,基本网络结构 移动通信系统的基本网络结构如图所示。基站通过传输链路和交换机相连，交换机再与固定的电信网络相连，这样就可形成移动用户 基站 交换机 固定网 固定用户或移动用户 基站 交换机 基站 移动用户等不同情况的通信链路。,基本网络结构,数字蜂窝移动通信网的网络结构 在模拟蜂窝移动通信系统中，移动性管理和用户鉴权及认证都包括在MSC中。在数字移动通信系统中，将移动性管理、用户鉴权及认证从MSC中分离出
27、来，设置原籍位置寄存器（HLR）和访问位置寄存器（VLR）来进行移动性管理。每个移动用户必须在HLR中注册。HLR中存储的用户信息分为两类：一类是有关用户的参数信息，例如用户类别，向用户提供的服务，用户的各种号码、识别码、以及用户的保密参数等。另一类是关于用户当前位置的信息，例如移动台漫游号码、VLR地址等，以及建立至移动台的呼叫路由。,访问位置寄存器（VLR）是存储用户位置信息的动态数据库。当漫游用户进入某个MSC区域时，必须向与该MSC相关的VLR登记，并被分配一个移动用户漫游号（MSRN），在VLR中建立该用户的有关信息，其中包括移动用户识别码（MSI）、移动台漫游号（MSRN）、所在位
28、置区的标志以及向用户提供的服务等参数，这些信息是从相应的HLR中传递过来的。MSC在处理入网和出网呼叫时需要查询VLR中的有关信息。一个VLR可以负责一个或若干个MSC区域。网络中设置认证中心（AUC）进行拥护鉴权和认证。,认证中心是认证移动用户的身份以及产生相应认证参数的功能实体。这些参数包括随机号码（RAND）、期望的响应SRES（Signed Response)和密钥（KC）等。认证中心对认识试图入网的用户进行身份认证，只有合法用户才能接入网中并得到服务。在构成实际网络时，根据网络资源、所在地域以及其它因素，上述功能实体可有各种配置方式。通常将MSC和 VLR设置在一起，而将HLR、EI
29、R和AUC合设于另一个物理实体中。在某些情况下，MSC、VLR、HLR、AUC和EIR也可合设于一个物理实体中。,为了便于各设备之间的互连互通，ITU-T于1988年给出了公共陆地移动通信网（PLMN）的结构、功能和接口的定义。其中MSC为移动交换中心，它是无线电系统与公众电话交换网之间的接口设备，完成全部必须的信令功能以建立与移动台的往来呼叫。其主要责任是：路由选择管理；计费和费率管理；业务量管理；向归属位置寄存器（HLR）发送有关业务量信息和计费信息。,HLR为归属位置寄存器，负责移动台数据库管理。其主要责任是：对在HLR中登记的移动台（MS）的所有用 户参数的管理、修改等；计费管理；VL
30、R的更新；VLR为访问位置寄存器，是动态数据库。其主要责任是：移动台漫游号管理；临时移动台标识管理；访问的移动台用户管理；HLR的更新；管理MSC区、位置区及基站区；管理无线信道（信道分配表、动态信道分配管理、信道阻塞状态）。,其中各接口的功能是：人机接口（Sam接口）。Sm是用户与移动网之间的接口，在移动设备中包括键盘、液晶显示以及实现用户身份卡识别功能的部件。移动台与基站之间的接口（Um接口）。Um是移动台与基站收发信件之间的无线接口，是移动通信网的主要接口。它包含信令接口和物理接口两方面的含义。无线接口的不同是数字移动网与模拟移动网的主要区别之一也就是说，它们选用的无线接口标准不同。基站
31、与移动交换中心之间的接口（A接口）。A接口是网络中的重要接口，因为它连接着系统的两个重要组成部分：基站和移动交换中心。此接口所传递的信息主要有：基站管理、呼叫处理与移动特性管理等。,基站控制器（BSC）与基站收发信台（BTS）之间的接口（Abits接口）。基站系统（BSS）包括BSC与BTS两部分，它们之间的接口称为Abits接口。此接口支持所有向用户提供的服务，并支持对BTS无线设备的控制和对无线资源的分配。移动交换中心（MSC）与访问位置寄存器（VLR）之间的接口（B接口）。VLR是移动台在相应MSC控制区域内进行漫游时的定位和管理数据库。每当MSC需要知道某个移动台的当前位置时，就查询V
32、LR。当移动台启动与某个MSC有关的位置更新程序时，MSC就会通知存储着有关信息的VLR。同样，当用户使用特殊的附加业务或改变相关的业务信息时，MSC也通知VLR。需要时，相应的HLR也要更新。,移动交换中心（MSC）与归属位置寄存器（HLR）之间的接口（C 接口）。C接口用于传递管理与路由选择的信息。呼叫结束时，相应的MSC向HLR发送计费信息。当固定网不能查询HLR以获得所需要的位置信息来建立至某个移动用户的呼叫时，有关的GMSC（网关MSC）就应查询此用户归属的HLR，以获得被呼叫移动台漫游号码，并传递给固定网。归属位置寄存器（HLR）与访问位置寄存器（VLR）之间的接口（D接口）。D接
33、口用于有关移动台位置和用户管理的信息交换。为支持移动用户在整个服务区内发起或接收呼叫，两个位置寄存器间必须交换数据。VLR通知HLR某个归属它的移动台的当前位置，并提供该移动台的漫游号码；HLR向VLR发送支持对该移动台服务所需要的所有数据。当移动台漫游到另一个VLR服务区时，HLR应通知原先为此移动台服务的VLR消除有关信息。当移动台使用附加业务，或者用户要求改变某些参数时，也要用D接口交换信息。,移动交换中心之间的接口（E接口），E接口主要用于MSC之间交换有关越区切换的信息。当移动台在通话过程中从一个MSC服务区移动至MSC服务区时，为维持连续通话，就要进行越区切换。此时，在相应MSC之
34、间通过E接口交换在切换过程中所需的信息。移动交换中心（MSC）与设备标志寄存器（EIR）之间的接口（F接口）。F接口用于在MSC与EIR之间交换有关移动设备管理的信息，例如国际移动设备识别码等。访问位置寄存器VLR之间的接口（G接口）。当某个移动台使用临时移动台标识号（TMSI）在新的VLR中登记，G接口用于在VLR之间交换有关信息。此接口还用于向分配TMSI的VLR检索此用户的国际移动用户识别码（IMSI）。,第3章 时分多址（TDMA）数字蜂窝网,一 GSM系统总体 GSM的历史可以追溯到1982年，当时，北欧四国向欧洲邮电行政大会CEPT（Conference Europe of Pos
35、t and Telecommunications)提交了一份建议书，要求制定900MHz频段的欧洲公共电信业务规范，建立全欧统一的蜂窝网移动通信系统，以解决欧洲各国由于多种不同模拟蜂窝系统造成的互不兼容，无法提供漫游服务的问题。同年成立了欧洲移动通信特别小组，简称GSM（Group Special Mobile)。,GSM标准,二网络结构 GSM蜂窝系统的网络结构如下所示。GSM蜂窝系统的主要组成部分可分为移动台、基站子系统和网络子系统。基站子系统（简称基站BS）由基站收发台（BTS）和基站控制器（BSC）组成；网络子系统由移动交换中心（MSC）、操作维护中心（OMC）、原籍位置寄存器（HLR
36、）、访问位置寄存器（VLR）、鉴权中心（AUC）和移动设备识别寄存器（EIR）等组成。一个MSC可管理多达几十个基站控制器，一个基站控制器最多可控制256个BTS。由MS、BS和网络子系统构成公用陆地移动通信网，该网络由MSC与公用交换电话网（PSTN）、综合业务数字网（ISDN）和公用数据网（PDN）进行互连。,GSM蜂窝系统的网络结构,移动台（MS）移动台是GSM移动通信网络中用户使用的设备。移动台类型可分为车载台、便载台和手机。其中，手机小巧、轻便，而且功能也较强，因此使用手机的用户占移动用户的绝大多数。移动台通过无线接口接入GSM系统，具有无线传输与处理功能。此外，移动台必须提供与使用
37、者之间的接口，比如，为完成通话呼叫所需要的话筒、扬声器、显示屏和各种按键；或者提供与其它一些终端设备（TE）之间的接口，如与个人计算机或传真机机之间的接口。,移动台的另外一个重要组成部分是用户识别模块（SIM），亦称SIM卡。它基本上是一张符合ISO（开放系统互连）标准的“智慧”磁卡，其中包含与用户有关的无线接口的信息，也包括鉴权和加密的信息。使用GSM标准的移动台都需要插入SIM卡，只有当处理异常的紧急呼叫时，才可以在不用SIM卡的情况下操作移动台。SIM卡的应用使一部移动台可以为不同用户服务，因为GSM系统是通过SIM卡来识别移动用户的，这为今后发展个人通信打下了基础。,基站子系统（BSS
38、）基站子系统（BSS）是GSM系统的基本组成部分。它通过无线接口与移动台相接，进行无线发送、接收及无线资源管理。另一方面，基站子系统与网络子系统（NSS）中的移动交换中心（MSC）相连，实现移动用户与固定网络用户之间的通信连接。,基站子系统主要由基站收发信机（BTS）和基站控制器（BSC）构成。BTS可以直接与BSC相连接，也可以直接通过基站接口设备（BIE）采用远端控制的连接方式与BSC相连接。此外，基站子系统为了适应无线与有线系统使用不同传输速率进行传输，在BSC与MSC之间增加了码变换器及相应的复用设备。基站收发信机、天线共用器和天线是基站子系统的无线部分，它由基站控制器实施控制。基站控
39、制器承当无线资源、参数及各种接口的控制与管理。,网络子系统（NSS）网络子系统对GSM移动用户之间通信和移动用户与其它通信网用户之间通信起着管理作用。其主要功能包括：交换、移动性管理与安全性管理等。NSS由很多功能实体构成，它们之间的信令传输都符合CCITT信令系统7号协议。下面分别讨论各功能实体的主要功能。,移动交换中心（MSC）。移动交换中心（MSC）是网络的核心，它提供交换功能 并面向下列功能实体：基站子系统（BSS）、原籍位置寄 存器（HLR）、访问位置寄存器（VLR）、鉴权中心（AUC）、移动设备识别寄存器（EIR）、操作维护中心（OMC）和固定网（公用电话网、综合业务数字网等），从
40、而把移动用户与固定网用户、移动用户与移动用户之间互相连接起来。,移动交换中心可以从三种数据库（即原籍位置寄存器、访问位置寄存器和鉴权中心）获取有关处理用户位置登记和呼叫请求等所需的全部数据。作为网络的核心，MSC还支持位置登记和更新、过境切换和漫游服务等项功能。对于容量比较大的移动通信网，一个网络子系统可包括若干个MSC、VLR和HLR。为了建立固定网用户与GSM移动用户之间的呼叫，固定用户呼叫首先被接到入口移动交换中心，称为GMSC，由它负责获取移动用户的位置信息，且把呼叫转接到可向该移动用户提供即时服务的MSC，该MSC称为被MSC（VMSC）。,原籍位置寄存器 原籍位置寄存器简称HLR。
41、它可以看作是GSM系统的中央数据库，存储该HLR管辖区的所有移动用户的有关数据。其中，静态数据有移动用户号码、访问能力、用户类别和补充业务等。此外，HLR还暂存移动用户漫游时的有关动态信息数据。,访问位置寄存器 访问位置寄存器简称（VLR）。它存储进入其控制区域内来访移动用户的有关数据，这些数据是从该移动用户的原籍位置寄存器获取并进行暂存的，一旦移动用户离开该VLR的控制区域，则临时存储的该移动用户的数据就会被删除。因此，VLR可看作是一个动态用户的数据库。实际情况下，VLR的功能总是在每个MSC中综合实现的。,鉴权中心 GSM系统采取了特别的通信安全措施，包括对移动用户鉴权，对无线链路上的话
42、音、数据和信令信息进行保密等。因此，鉴权中心存储着鉴权信息和加密密钥，用来防止无权用户接入系统和保证无线通信安全。,移动设备识别寄存器 移动设备识别寄存器（EIR）存储着移动设备的国际移动设备识别码（IMIE），通过核查白色、黑色和灰色三种清单，运营部门就可判断出移动通信设备是属于准许使用的，还是失窃而不准使用的，还是由于技术故障或误操作而危及网络正常运行的MS设备，以确保网络内所使用的移动设备的唯一性和安全性。,操作维护中心 网络操作维护中心（OMC）负责对全网进行监控与操作。例如，系统的自检、报警与备用设备的激活，系统的故障诊断与处理，话务量的统计和计费数据的记录与传递，以及与网络参数有关
43、的各种参数的收集、分析与显示等。,GSM网络接口 在实际的GSM通信网络中，由于网络规模不同、运营环境不同和设备生产厂家的不同，上述的各个部分可以有不同的配置方法。比如，把MSC和VLR合并在一起，或者把HLR、EIR和AUC合并为一个实体。不过，为了各个厂家所生产的设备可以通用，上述各部分的连接都必须严格符合规定的接口标准及相应的协议。GSM系统个部分之间的接口如图：,GSM系统的接口,主要接口 GSM系统的主要接口是指A接口、Abits接口和Um接口。这三种主要接口的定义和标准化可保证不同厂家生产的移动台、基站子系统和网络子系统设备都能够纳入同一个GSM移动通信网运行和使用。A接口。A接口
44、定义为网络子系统（NSS）与基站子系统（BSS）之间的通信接口。从系统的功能实体而言，就是移动交换中心（MSC）与基站控制器（BSC）之间的互连接口，其物理连接是通过采用标准的2.048 Mb/s PCM数字传输链路来实现的。此接口传送的消息包括对移动台及基站管理、移动性及呼叫接续管理等,Abits接口。Abits接口定义为基站子系统的基站控制器（BSC）与基站收发信机两个功能实体之间的通信接口，用于BTS（不与BSC放在一起）与BSC之间的远端互连方式。它是通过采用标准的2.048Mb/s或64 kb/s PCM 数字传输链路来实现的。此接口支持所有向用户提供的服务，并支持对BTS无线设备的
45、控制和无线频率的分配。Um接口（空中接口）。Um接口定义为移动台（MS）与基站收发信机（BTS）之间的无线通信接口，它是GSM系统中最重要、最复杂的接口。此接口传递的信息包括无线资源管理、移动性管理和接续管理等。,网络子系统内部接口。它包括B、C、D、E、F、G接口。B接口，B接口定义为移动交换中心（MSC）与访问位置寄存器（VLR）之间的内部接口，用于MSC向VLR询问有关移动台（MS）当前位置信息或者通知VLR有关的MS的位置更新信息等。C接口。C接口定义为MSC与HLR之间的接口，用于传递路由选择和管理信息，两者之间是采用标准的2.048 Mb/s PCM 数字传输链路实现的。D接口。D
46、接口定义为HLR与VLR之间的接口，用于交换移动台位置和用户管理的信息，保证移动台在整个服务区能建立和接收呼叫。由于VLR综合于MSC中，D接口的物理链路与C相同。,E接口。E接口为相邻区域的不同移动交换中心之间的接口，用于移动台从一个MSC控制区到另一个MSC控制区交换有关信息，以完成越区交换。此接口的物理链接方式是采用标准的2.048 Mb/s PCM 数字传输链路实现的。F接口。F接口定义为MSC与移动设备识别寄存器（EIR）之间的端口，用于交换相关的管理信息。此接口的物理链接方式也是采用标准的2.048 Mb/s PCM 数字传输链路实现的。G接口。G接口定义为两个VLR之间的接口。当
47、采用临时移动用户识别码（TMSI）时，此接口用于向分配TMSI的VLR询问此移动用户的国际移动用户识别码（IMSI）的信息。G接口的物理链接方式与E相同。,GSM系统与其它公用电信网接口。GSM系统通过MSC与公用电话网互连，一般采用7号信令系统接口。其物理链接方式是通过在MSC与PSTN或ISDN交换机之间采用2.048 Mb/s 的 PCM数字传输链路来实现的。,第4章 码分多址（CDMA）移动通信系统,CDMA蜂窝移动通信系统问世以来，一方面受到许多人的支持和赞扬，另一方面也受到了许多人的怀疑和非难。目前，CDMA蜂窝移动通信系统的发展非常迅速，以成功地应用于第二代和第三代移动通信系统中
48、，其优势已成为人们的共识。,一 码分多址的特征,在CDMA通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分的，而是用各不相同的编码序列来区分的。换句话说，是靠信号的不同波形来区分的。如果从频率是时域来观察，多个CDMA信号是互相重叠的，接受机用相关器可以在多个CDMA信号中选出其中使用预定码型的信号。,在CDMA蜂窝通信系统中，用户之间的信息传输也是由基站进行转发和控制的。为了实现双工通信，正向传输和反向传输可以使用不同的频率，即通常所谓的频分双工（FDD）；也可以使用不同的时帧，即通常所谓的时分双工（TDD）。无论正向传输还是反向传输，除去传输业务信息外，还必须传送相应的
49、控制信息。为了传送不同的信息，需要设置不同的信道。但是CDMA通信系统既不分频道又不分时隙，无论传送何种信息的信道，都靠采用不同的码型来区分。,二 扩展频谱调制,扩频调制扩频通信系统类型 扩频通信的一般原理如图所示。在发端输入的信息经信息调制形成数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱。展宽以后的信号再对载频进行调制（如PSK或QPSK、OQPSK等），通过射频功率放大送到天线上发送出去。在收端，从接收天线上收到的宽带射频信号，经过输入电路、高频放大器后送入变频器，下变频至中频，然后由本地产生的与发端完全相同的扩频码序列去解扩，最后经信息解调，恢复成原始信息输
50、出。,扩频通信原理框图,由图可见，扩频通信系统与普通数字通信系统相比较，就是多了扩频调制和解扩部分。按照扩展频谱的方式不同，目前的扩频通信系统可分：直接序列（DS）扩频、跳频（FH）、跳时（TH）、线性调频（Chirp）以及上述几种方式的组合。下面分别作一些简要的说明。,直接序列（DS）扩频 所谓直接序列（DS，Direct Sequency）扩频,就是直接用具有高码率的扩频 码序列在发端去扩展信号的频谱。而在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。直接序列扩频的原理如图所示。例如我们摘脉冲序列对某一载波进行二相相移键控调制，如果采用平衡调制器，则调制后的输出为二
