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1、现代通信技术概论,第8章、移动通信网,公众陆地移动电话网（PLMN）是一个无线通信系统，主要是为陆地上的交通工具或步行中的移动用户提供通信服务。PLMN可以是独立的，也可以与固定系统（如PSTN）连接成一个整体，移动和便携Internet用户也越来越普及。一个理想的PLMN系统应该提供给移动用户与固定网络相当的服务，这在地形比较复杂的区域是一个挑战。 由于商业和技术两方面的原因，移动通信网络的技术标准和应用系统比较多，这给系统技术的学习带来了一定的困难，在学习过程中首先应当掌握移动通信系统的整体通用技术，在此基础之上再去进行不同系统的深入研究。 本章主要以应用最为广泛的第二代移动通信系统GSM
2、为例，对移动通信系统的工作原理、系统结构、频率分配、多址方式等进行系统性的介绍，同时对第三代移动通信系统的标准和技术进行了简单介绍。,内容介绍,本章重点,移动通信技术的发展历程。 GSM系统的技术规范和系统结构。 GSM的频率分配和多址方式。 GSM的工作原理。 GSM的编号计划。 3G标准和关键技术。 2G向3G的演进。,第8.1节、移动通信的发展历程,通用个人通信（UPT）的5W概念：能在任何时间、以任何方式、与任何地点的任何人、实现任何形式的信息交流（5W），一直是人们的期望和信息产业界的追求。公共陆地移动网络（PLMN）的商用把人们从“守”电话的束缚中解放出来，在语言交流方面迈出了个人
3、通信的第一步。 移动通信的五个阶段。 20世纪20 40年代：专用短波移动通信系统。 20世纪40 60年代：人工接续、小容量的公共移动通信系统开始问世。 20世纪 60 70年代：大区制、中小容量、自动接续到公用电话网的改进型的移动电话系统问世。 20世纪70 80年代：第一代模拟蜂窝移动通信系统开始大规模商用。 20世纪80年代中期以后：数字蜂窝移动通信处于高速发展时期，成为最主要的陆地公共移动通信系统。,第8.1节、移动通信的发展历程,现代移动通信系统：现代移动通信系统一般从第一代模拟蜂窝移动通信系统AMPS的商用开始算起，到现在实现大规模商用的系统已经发展到了第三代（3G），4G的技术
4、标准也已经公布，实验性的布网已经开始。 1G：模拟系统，20世纪70年代末，美国AMPS、欧洲TACS。 2G：数字系统，20世纪90年代初，欧洲GSM、美国CDMA（IS-95）。 3G：数字系统，21世纪初，欧洲WCDMA、美国CDMA2000、中国TD-SCDMA、以及后来加入的新标准WiMAX（IEEE802.16e）。 4G：LTE-Advance（包括：欧洲的FD-LTE和我国的TD-LTE）、 WirelessMAN-Advanced（IEEE802.16m，WiMAX的升级）,第8.2节、GSM系统,1、历史背景 蜂窝理论在20世纪60年代就由美国贝尔实验室提出，但由于其复杂的
5、控制系统（尤其是移动台控制），直到20世纪70年代随着半导体、大规模集成电路和微处理器技术的成熟以及表面贴装工艺的广泛应用才得以实现。 1979年在美国芝加哥开通了第一个AMPS模拟蜂窝系统，瑞典1981年开通了NMT，随后英国开通TACS，德国开通C-450等模拟蜂窝系统。 蜂窝移动通信的出现是移动通信的一次革命，提高了频率利用率和系统容量，实现了越区和漫游，扩大了服务范围。但蜂窝模拟系统有四大缺点： 各个不同的系统之间没有公共接口，不同系统无法兼容。 很难开展数据承载业务。 频谱利用率低无法适应大容量的需求。 安全保密性差，易被窃听，易做“假机”。,第8.2节、GSM系统,GSM数字蜂窝移
6、动通信系统源于欧洲。20世纪80年代，欧洲各国有几大国内模拟蜂窝移动系统，各个系统间没有公共接口，不能在国外使用，给客户造成很大的不便，也不符合欧洲一体化进程的要求。 1982年，北欧国家在欧洲邮电行政大会上提交了一份建议书，要求制定在900MHz频段工作的公共欧洲电信业务规范。这次大会上成立了一个移动特别小组（Group Special Mobile），简称GSM，负责制定有关的标准。 1990年完成了GSM900的规范，1991年在欧洲开通了第一个GSM系统。同时为该系统设计和注册了商标，将GSM的英文全称更名为全球移动通信系统（Global System for Mobile Commu
7、nications）。从此移动通信跨入了第二代数字移动通信系统。 同年，移动特别小组还完成了制定1800MHz频段的公共欧洲电信业务的规范，名为DCS1800系统。,第8.2节、GSM系统,GSM是通信历史上最成功的移动通信系统，它的成功首先是由于它是一种完全基于系统的开放式标准。在标准制定之初，GSM就将全球漫游和互操作性列为头等重要的问题。GSM系统技术规范中只对功能和接口制定了详细规范，未对硬件做出规定。这样做可以尽可能减少对设计者的限制，运营商可以购买不同厂家的系统设备，各种不同厂家的终端设备（手机）也可以在不同运营商的GSM系统中畅通无阻。 GSM的开放性使得众多制造商之间展开竞争，
8、系统和终端的成本不断下降，为运营商和消费者带来利益。同时，产品和服务价格的降低也刺激了市场的需求，使供应商可以拥有规模经济的优势和全球的市场机会。 对于普通消费者而言，GSM巨大魅力体现在优异的话音质量、低廉的价格，还体现在自由的全球漫游功能上，这使得GSM成为真正的国际通信标准。 GSM的设计理念被业内普遍接受，成为今后移动通信标准的设计原则。,第8.2节、GSM系统,2、GSM的业务特点 移动通信至少有通信的一方处于移动状态。移动台（MS）是移动方的终端，移动交换中心（MSC）属下的基站（BTS）与移动台以无线方式连接。移动台是众多厂家生产的开放型标准产品，被称“Um接口”的移动台与基站间
9、的空中无线接口是开放接口，工作频段和频率配置有统一规范。 GSM是以电路交换为基础的全数字化的移动通信系统，可以提供三类业务，但其带宽有限，数据业务的速率在9.6Kbit/s以下。 电信业务：电话、短消息、可视图文、消息处理系统、传真。 承载业务：异步/同步双工数据、电路交换/分组交换。 补充业务：号码显示/限制、呼叫前转、反向计费、多方会话、呼叫等待/保持/转换、计费通知、呼叫闭锁等。,第8.2节、GSM系统,GSM是在全球应用最广泛的2G系统，有下列主要特点： 频谱效率高：采用声码器、信道编码、分集、均衡等技术。 容量较大：比TACS系统提高3 5倍，但仍不能满足需求。 支持数据业务：但带
10、宽有限。 话音质量好：与有线固定电话相当。 安全性好：采用A3、A8算法鉴权和A5算法加密，安全有保障。 移动性好：用SIM卡可不带机漫游，全球漫游计费由MoU协调。 接口开放性：Um、A是标准开放接口、A.bis是准开放接口。 互通性：与PSTN、ISDN以No.7信令互通。,第8.2节、GSM系统,3、GSM的技术规范 GSM的技术规范由不同的工作组和专家组编写而成。为了保证GSM网络现有和将来业务的开展，在制定标准时充分考虑了兼容性的要求。GSM技术规范的制定非常严谨，堪称通信技术的典范。 GSM系统的技术规范共分12章：1、概述；2、业务方面；3、网络方面；4、MS-BS接口与协议；5
11、、无线路径上的物理层；6、话音编码规范；7、MS的终端适配器；8、BS-MSC接口；9、网络互通；10、业务互通；11、设备和型号认可规范；12、操作和维护。,第8.2节、GSM系统,4、GSM的系统结构,第8.2节、GSM系统,GSM系统由四个子系统组成： 移动台（MS） 基站子系统（BSS） 网络子系统（NSS） 运行管理子系统（OSS）。 移动台（MS）：发信机、收信机和天线等单元。移动台与基站间的接口是开放的空中无线接口Um。GSM的移动台是一种可以全球采购的标准设备，需要插入SIM才可以入网使用。,第8.2节、GSM系统,基站子系统（BSS）：包括基站控制器（BSC）和所属的基站收发
12、信台（BTS）。 每个BTS的服务范围称为无线小区或蜂窝小区。无线小区的大小主要由频率配置、发射功率和基站天线高度等因素决定。BTS是移动台和移动业务交换中心实现互连的核心单元。 由于BTS的数量众多，为管理方便，在BTS与移动业务交换中心之间引入了BSC。一个BSC可以管理若干个BTS，它们之间采用准开放的Abis接口。Abis接口可以由设备厂家在一定的准则下自行定义，因此，BTS和BSC需要采用同一个厂家的设备。 MSC和BSC以及BSC和BTS之间一般采用光纤传输，建立光纤连接尚有困难时，可采用无线（微波、卫星）连接作为过渡。,第8.2节、GSM系统,网络子系统（NSS）：主要包括移动交
13、换中心（MSC）、归属位置寄存器（HLR）、拜访位置寄存器（VLR）、鉴权中心（AUC）和设备识别寄存器（EIR）。 MSC完成业务交换和集中控制管理，是GSM的数据交换中心。 HLR是存储和管理所辖用户身份数据的数据库。 AUC是用于认证用户的合法身份（认证SIM卡）的数据库。 EIR是用于认证移动终端的合法性的数据库（可以不安装）。 VLR是存储和管理访问其辖区的漫游用户身份数据的动态数据库。 通过在NSS内设置短消息中心（SMC）和语音信箱（VM），可以在话音和数据业务以外，提供短消息和语音信箱业务。 运行管理子系统（OSS）：包括操作维护中心（OMC）和操作维护终端（OMT），通过分组
14、交换网或局域网与其它子系统连接。,第8.2节、GSM系统,5、GSM的主要接口和功能 Um接口：BTS与MS之间的无线通信接口，传输无线资源管理、移动性管理、接续管理和业务等信息。Um接口是一个开放接口，有公开的接口标准和规范，按照该标准生产的移动终端可以接入到任何厂商的BTS。 Abis接口：BSC和BTS之间的通信接口，支持向用户提供的所有服务、无线资源分配以及BTS无线设备的控制。Abis接口是一个准开放接口，允许厂商在一定的准则下自定规范，BSC和BTS必须为同一厂商设备。 A接口：MSC与BSC之间的2M数字传输链路接口（E1），传递移动台管理、基站管理、移动性管理、接续管理和业务等
15、信息。A接口是一个开放接口，不同厂商生产的MSC和BSC可以横向兼容。 No.7信令接口：包括MSC与各类寄存器之间的MAP接口，以及MSC与PSTN/ISDN之间的TUP/ISUP接口等。,第8.3节、GSM的频率分配和多址方式,1、GSM的频率分配 工作在900MHz频段的GSM系统称为GSM900。GSM系统采用频分双工（FDD）方式，收发双工隔离为45MHz。上行信道（MSBTS）的工作频率范围是890 915MHz，下行信道（BTSMS）的工作频率范围是935 960MHz，双向工作带宽共25MHz。 在我国，低端的19MHz分配给中国移动，高端的6MHz分配给中国联通。,第8.3节
16、、GSM的频率分配和多址方式,2、GSM的多址和复用方式 多址方式 GSM系统采用频分多址和时分多址的混合方式（FDMA+TDMA）。 首先采用FDMA技术将25MHz带宽按照200KHz的频道间隔划分为124个载频（整个频带的低端和高端各保留100KHz的保护带宽）。载频号为 n = 1 124，各载频的上行和下行中心频率如下： 上行：fU (n) = 890.2 + 0.2 (n-1) MHz 下行：fD (n) = 935.2 + 0.2 (n-1) MHz 然后采用TDMA技术，将每个载频分成8个时隙（TS0 TS7），每个时隙对应一个TDMA信道（CH1 CH8）。 信道总数（可同时服务的用户数量）为：1248= 992个。,第8.3节、GSM的频率分配和多址方式,3、GSM的载频配置,第8.3节、GSM的频率分配和多址方式,复用技术 为了扩大GSM的容量，服务于更多的用户，在FDMA+TDMA多址的基础上，还采用载频的空间复用技术（蜂窝技术）。利用合理的载频配置、控制发射功率和定向
