2.1.13 移动通信网
进入新世纪以来，越来越多的人逐步和手机打上了交道，都在享受移动通信带来的便利。移动通信是指通信双方或至少一方是在运动中进行信息交换的。它是用户随时随地快速而可靠地进行多种信息交换的一种理想通信形式。也就是说，至少有一方具有可移动性，可以是移动台与移动台之间的通信，也可以是移动台与固定用户之间的通信。
1．移动通信的特点
移动通信和固定通信方式相比，特点如下所述。
（1）移动性
移动性就是要保持物体在移动状态中的通信，因而必须是无线通信，或无线通信与有线通信的结合。
（2）电波传播条件复杂
因移动体可能在各种环境中运动，电磁波在传播时会产生反射、折射、绕射、多普勒效应等现象，产生多径干扰、信号传播延迟和展宽等效应。
（3）噪声和干扰严重
在城市环境中的汽车火花噪声、各种工业噪声，移动用户之间的互调干扰、邻道干扰、同频干扰等，都会影响移动通信的质量。
（4）系统和网络结构复杂
移动通信系统是一个多用户通信系统和网络，必须使用户之间互不干扰，能协调一致地工作。此外，移动通信系统还应与市话网、卫星通信网、数据网等互联，整个网络结构是很复杂的。
（5）要求频带利用率高、设备性能好
在有线网中，可以依靠多铺设电缆或光缆来提高系统的带宽资源。而在无线网中，频率资源是有限的，ITU对无线频率的划分有严格的规定。如何提高系统的频率利用率是移动通信系统的一个重要课题。
2．移动通信的分类
移动通信的种类繁多，其中陆地移动通信系统有蜂窝移动通信、无线寻呼系统、无绳电话、集群系统等。同时，移动通信和卫星通信相结合产生了卫星移动通信，它可以实现国内、国际大范围的移动通信。
（1）集群移动通信
集群通信系统是按照动态信道指配的方式实现多用户共享多信道的无线电移动通信系统。该系统一般由终端设备、基站和中心控制站等组成，具有调度、群呼、优先呼、虚拟专用网、漫游等功能。
（2）公用移动通信系统
公用移动通信系统是指为公众提供移动通信业务的网络。这是移动通信最常见的方式。
（3）卫星移动通信
利用卫星转发信号也可实现移动通信。对于车载移动通信，可采用同步卫星，而对手持终端，采用中、低轨道的卫星通信系统较为有利。
（4）无绳电话
对于室内外慢速移动的手持终端的通信，一般采用小功率、通信距离近、轻便的无绳电话机。它们可以经过通信点与其他用户进行通信。
（5）寻呼系统
在无线寻呼频点上，系统中心（包括寻呼中心和基站）以采用广播方式向终端单向传递信息的业务。无线寻呼业务可采用人工或自动接续方式。在漫游服务范围内，寻呼系统应能够为用户提供不受地域限制的寻呼漫游服务。
根据终端类型和系统发送内容的不同，无线寻呼用户在无线寻呼系统的服务范围内可以收到数字显示信息、汉字显示信息或声音信息。
3．移动通信网的覆盖方式
移动通信系统中，覆盖方式通常分为大区制移动通信和小区制移动通信两种类型。
（1）集群移动通信
集群移动通信，也叫大区制移动通信，是移动通信网的区域覆盖方式之一，一般在较大的服务区内设一个基站，负责移动通信的联络与控制。其覆盖范围半径为30～50km，天线高度约为几十米至百余米，发射机输出功率也较高。在覆盖区内有许多车载台和手持台，它们可以与基站通信，也可直接通信或通过基站转接通信。一个大区制系统有一个至数个无线电信道，用户数约为几十个至几百个。另外，基站与市话有线网连接，移动用户与市话用户之间可以进行通信。这种大区制的移动通信系统，网络结构简单，所需频道数少，无需交换设备，投资少，见效快，适合用在用户数较少的区域。
（2）蜂窝移动通信
蜂窝移动通信，也称小区制移动通信，它的特点是把整个大范围的服务区划分成许多小区，每个小区设置一个基站，负责本小区各个移动台的联络与控制，各个基站通过移动交换中心相互联系，并与市话局连接。利用超短波电波传播距离有限的特点，离开一定距离的小区可以重复使用频率，使频率资源可以充分利用。每个小区的用户在1000以上，全部覆盖区最终的容量可达100万用户。目前公用移动通信系统均为蜂窝移动通信结构。
4．移动通信网的多址技术
当把多个用户接入一个公共的传输介质实现相互间通信时，需要给每个用户的信号赋以不同的特征，以区分不同的用户。在移动通信中，需要把传送的数据放在一个特定的逻辑位置，这样在接收的时候，可以在相应的位置把数据取下来。数据在特定的逻辑位置的收发就是多址方式。通过多址方式，给不同的移动台或基站发出的信号赋予不同的逻辑位置标记，就可以使得基站能够从众多的移动台信号中分辨出具体是哪个是移动台发出的信号，同时也使得各个移动台能够识别基站发出的众多信号中哪一个是属于自己的。多址方式的基础是信号特征上的差异，有了差异才能进行识别，能够识别才能进行选择。
目前，移动通信系统中常用的是频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）以及它们的组合。
（1）频分多址
把线路或空间的频带资源分成多个频段（带），将其分别分配给多个用户。用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。为了防止相邻信道信号频率覆盖造成的干扰，在相邻两个信号的频率段之间设立一定的“保护”带，保护带对应的频谱不被使用，以保证各个频带互相隔离，不会交叠。
（2）时分多址
时分多址是把时间分割成周期性的帧，每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号。在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号而不混。同时，基站发向多个移动终端的信号都按顺序安排在指定的时隙中传输，各移动终端只要在指定的时隙内接收，就能在复合的信号中把发给它的信号区分并接收下来。
（3）码分多址
码分多址允许所有站点在同样的时间内使用同样的频带进行通信。由于各个用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。
5．GSM网络
从1987年开始，我们国家的移动通信网在珠三角地区开始商用，至今只有短短20多年的时间。随着1998年中国移动和中国电信的拆分，我们国家移动通信进入高速发展时期。移动通信的巨大商机，让其他运营商都趋之若鹜。在具体讲述移动通信技术之前，我们有必要对移动通信系统的发展历史做一个简单的介绍。
第一代移动通信是指模拟移动网技术，在当时拥有模拟网手机的人都是社会上的精英或者富豪。在我们国家，由于各地分别建设且建设时间不同，先后有爱立信和摩托罗拉两大移动电话系统，形成了两套网络，不能互通，到1996年的时候，我国各省模拟移动电话系统实现了联网。但高昂的终端费用和话费，让手机成为名副其实的大哥大。随着第二代移动通信的兴起，第一代模拟网移动电话逐步淘汰。
在1995年的时候，我们国家开始建设GSM数字移动电话网，俗称G网，此后的每一年用户数目都增加1倍，数字网的一大魅力就在于它的漫游范围广泛，也正因为如此，中国移动通信有个听起来很霸气的品牌“全球通”。G网工作在900MHz频段，频带比较窄，随着移动用户的迅猛增加，很多地区的G网已经因为容量不足而达到饱和的状态。为了满足广大用户需求，又建设了D网。D网的基本体制和G网差不多，但工作于1800MHz频段，需要用支持D网的手机。如果使用双频手机，那么在G网中也能漫游、自动切换。所以在当时人们才开始用手机的时候，网络上有各种各样通话质量优化的手段，其中一条就是关于D网和G网的设置。现在基本都是D网和G网同时覆盖一个地区，被称为全球通双频系统，使得“全球通”移动通信容量成倍增加。后来为了方便起见，D网也叫做GSM-1800网。
（1）GSM网络的系统结构
GSM是第二代移动通信网，也是我们国家目前规模最大、业务量最大的移动通信网。GSM的典型结构如图2-12所示。
图2-12 GSM网络系统结构
1）移动台（MS）
手机+SIM卡就是MS的一种，当然还有上网卡、无线公话等。手机和SIM卡配合使用，才能实现通话。手机完成语音编码、信道编码、信息发送和接收等功能。而SIM卡是客户识别模块。小小的一张卡，存储了数字移动电话客户的信息、加密的密钥等内容，可供GSM网络对用户的身份进行鉴别，对客户通话的语音信息进行加密，用户防止并机（1号多用）和通话被窃听。
2）基站子系统（BSS）
基站子系统是为一片地区服务的无线收信息和发信息的设备，分为无线基站（BTS）和基站控制器（BSC）两大部分。其中BTS移动基站，在城市的很多高楼顶端或者小区、郊区的铁塔上都能看到它的身影，它的作用就是收集移动到它附近的手机发出的信息。而BSC隐藏在电信机房里面，用于对基站的配置管理。
3）网络子系统（NSS）
网络子系统主要完成交换功能和用户数据移动性管理、安全性管理。NSS由一系列功能实体所构成。各功能实体如下。
·移动业务交换中心（MSC）。对于位于它管辖区域中的移动台进行控制和交换的功能实体，本质上是一种程控交换机，从基站获取手机信号，采用和公共交换电话网络PSTN一致的方式进行交换。
·访问位置寄存器（VLR）。有了VLR和接下来的HLR，才能让移动通信真正可运营。VLR用于存放与呼叫处理有关的数据，比如用户的号码、所处的位置区，向用户提供的服务等参数。当手机在漫游的时候，VLR的作用就突显出来，存储手机当前所在的位置或者说是手机正在与哪个基站进行无线信号的交互；因为移动中的手机不可避免地要在基站之间做“切换”，服务器记录当前手机的位置，非常重要。
·归属位置寄存器（HLR）。有了VLR，就能知道当前手机处于哪一个位置，而有了HLR，系统就知道任何一部手机原始注册地在哪里。如果VLR和HLR有关城市的数据一致，就说明这部手机正在注册地，如果不一致，就说明手机处于漫游状态。如果系统判断出一部手机处于漫游状态，不仅要收取额外的漫游通话费，当该手机欠费停机，整个移动网可以保证它在任何地方都不能通话。
·鉴权中心（AUC）。专用于安全性管理，确定移动用户的身份，防止非法用户的接入和对空中接口传输的数据进行加密。
·设备识别寄存器（EIR）。存储有关移动台设备参数的数据库，防止非法移动设备的使用，比如是偷来的手机或者有故障未经过型号认证的手机，会根据电子串号IMEI来识别，可惜，我们国家目前没有采用EIR对电子串号进行鉴别。
·操作维护中心（OMC）。负责对整个网络进行管理和维护。
（2）GSM网络的接口
移动业务的国际漫游要求各个厂商生产的移动设备之间能够进行互联互通。因此，GSM在制定技术规范时就对其子系统之间以及各功能实体之间的接口和协议做了比较具体的定义，使不同厂商的提供的GSM基础设备能够符合统一的GSM技术规范而达到互通、组网的目的。
GSM的主要接口有A接口、Abis接口和Um接口等。
·A接口：基站控制器（BSC）和移动业务交换中心（MSC）之间的接口，A接口传递的信息包括移动台管理、基站管理、移动性管理和接续管理等。
·Abis接口：无线基站（BTS）与基站控制器（BSC）之间的接口。
·Um接口：移动台（MS）和无线基站（BTS）之间的接口，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。
这三大接口中，Um接口和A接口是开放的，而Abis接口是私有的，各个厂商可以自己定义。Abis接口是私有带来的后果就是BTS和BTS必须是同一个厂家的，否则无法进行对接，例如，买了爱立信的BSC，基站就没法用华为的设备，两者之间不兼容。Abis接口的封闭性阻碍了新兴设备的成长的步伐，对于运营商而言，也希望看到更多的竞争，所以在3G时代，在运营商的干预下，这个接口在制定标准的时候变成开放的了。
除了上述接口外，还有如下网络子系统内部接口。
·B接口：移动业务交换中心（MSC）和访问位置寄存器（VLR）之间的接口。
·C接口：移动业务交换中心（MSC）和归属位置寄存器（HLR）之间的接口。
·D接口：归属位置寄存器（HLR）和访问位置寄存器（VLR）之间的接口。
·E接口：移动业务交换中心（MSC）和（MSC）之间的接口。
·F接口：移动业务交换中心（MSC）和设备识别寄存器（EIR）之间的接口。
·G接口：访问位置寄存器（VLR）和访问位置寄存器（VLR）之间的接口。
（3）呼叫接续与移动性管理
与固定网相同，移动网最基本的作用是给网中任意用户之间提供通信链路，即呼叫接续。但与固定网不同的是，在移动网中，由于用户的移动性，就必须有一些另外的操作处理功能来支持。当用户从一个区域移动到另外一个区域时，网络必须发现这个变化，以便接续这个用户的通信，这就是位置登记。当用户在通信过程中从一个小区移动到另一个小区时，即越区切换时，系统要保证用户的通信不中断。这些位置登记、越区切换的操作，是移动通信系统中所特有的，把这些与用户移动有关的操作称为移动性管理。下面介绍GSM中典型的呼叫接续、位置登记、越区切换等操作过程。
位置登记过程是指移动通信网对系统中的移动台进行位置信息更新的过程，它包括旧位置区的删除和新位置区的注册两个过程。
移动台的信息存储在HLR、VLR两个存储器中。当移动台从一个位置区进入另一个位置区时，就要向网络报告其位置的移动，使网络能随时登记移动用户的当前位置。利用位置信息，网络可以实现对漫游用户的自动接续，将用户的通话、分组数据、短消息和其他业务数据送达漫游用户。
（4）越区切换
越区切换是指当通话中的移动台从一个小区进入另一个小区时，网络能够把移动台从原小区所用的信道切换到新小区的某一信道，保证用户的通话不中断。移动网的特点就是用户的移动性，因此，保证用户的成功切换是移动通信网的基本功能之一，也是移动网和固定网的重要不同点。
越区切换可能有如下两种不同的情况。
·同一 MSC内的基站之间的切换，称为MSC内部切换。这又分为同一 BSC控制区内不同小区之间的切换和不同BSC控制区内小区之间的切换。
·不同MSC的基站之间的切换，称为MSC间切换。越区切换是由网络发起，移动台辅助完成的。MS周期性地对周围小区的无线信号进行测量，及时报告给所在小区，并发送给MSC。网络会综合分析移动台送回的报告和网络监测的情况，当网络发现符合切换条件时，进行越区切换的有关信令交换，然后释放原来所用的无线信道，在新的信道上建立连接并进行通话。
6．CDMA网络
CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）是在数字技术的分支——扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。CDMA技术的原理是基于扩频技术，即将须传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，对接收的带宽信号做相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号（即解扩），以实现信息通信。
2001年，中国联通公司在全国范围内建设容量为1330万的CDMA网络，试图建立世界上最大的CDMA网络，从而形成GSM和CDMA两种制式在我国并存的情况。
（1）CDMA网络的特点
·系统容量高。在CDMA系统中，容量理论上会比CDMA模拟通信网大20倍，实际上要比模拟网大10倍，比GSM网要大4~5倍。
·保密性好。在CDMA系统中采用了扩频技术，在接收端只接收选定的二进制序列压缩其频谱，不符合该用户的二进制序列信号就不压缩带宽，这样就可以实现只有有用的信息才被识别和提取出来。这就是CDMA网络保密性比较好的根本原因。
·软切换。指在导频信道的载波频率相同时小区之间的信道切换。在切换过程中，移动用户与原基站和新基站都保持通信链路，只有当移动台在新的小区建立稳定通信后，才断开与原基站的联系。
·软容量。在FDMA、TDMA系统中，当小区服务的用户数达到最大信道数，已满载的系统再无法增添一个信号，此时若有新的呼叫，该用户只能听到忙音。而在CDMA系统中，用户数目和服务质量之间可以灵活确定。
（2）CDMA网络关键技术
CDMA系统中的关键技术主要包括同步技术、Rake接收技术、功率控制技术和软切换技术。
1）同步技术
PN码序列同步是扩频系统特有的，也是扩频技术中的难点。CDMA系统要求接收机的本地伪随机码与接收到的PN码在结构、频率和相位上完全一致，否则就不能正常接收所发送的信息，接收到的只是一片噪声。若实现了收发同步但不能保持同步，也无法准确可靠地获取所发送的信息数据。因此，PN码序列的同步是CDMA扩频通信的关键技术。
2）Rake接收技术
Rake接收机就相当于移动通信的情报机构，它不仅要手机多路多径信号，还要把属于同一信息源的多径信号进行合并，把尽可能正确的信号交给上层做后续的处理。
3）功率控制技术
由于手机用户在一个小区内是随机分布的，而且是经常变化的，同一手机用户可能有时处在小区的边缘，有时靠近基站。如果手机的发射功率按照最大通信距离设计，则当手机靠近基站时，功率必定有过剩，而且形成有害的电磁辐射。解决这个问题的方法是根据通信距离的不同，实时地调整手机的发射功率，即功率控制。
功率控制的原则是，当信道的传播条件突然变好时，功率控制单元应在几微秒内快速响应，以防止信号突然增强而对其他用户产生附加干扰；相反，当传播条件突然变坏时，功率调整的速度可以相对慢一些。也就是说，宁愿单个用户的信号质量短时间恶化，也要防止对其他众多用户都产生较大的背景干扰。
4）软切换技术
软切换指在导频信道的载波频率相同时小区之间的信道切换。在切换过程中，移动用户与原基站和新基站都保持通信链路，只有当移动台在新的小区建立稳定通信后，才断开与原基站的联系。它属于CDMA通信系统独有的切换功能，可有效提高切换可靠性。更软切换：指在同小区（BTS）两条不同的信号之间进行的切换。无论软切换还是更软切换，都是为了实现移动服务的连续性提高用户的主观满意度。软切换与硬切换的区别：软切换为先切后断，硬切换为先断后切。
7．3G网络概述
与前两代系统相比，第三代移动通信系统就是为了多媒体增值业务而生的。3G的任何一种制式，在高速移动环境下都可以达到144Kbit/s以上，在慢速移动环境中可以达到384Kbit/s以上，设计目标就是提供比2G更大的系统容量、更好的通信质量和更高的数据传输带宽，支持多媒体业务以及增值业务。同时也兼容第二代系统，避免原有投资的浪费。
（1）3G的系统结构
ITU定义的3G系统由终端（UIM+MT）、无线接入网（RAN）和核心网（CN）三个部分所组成，如图2-13所示。
图2-13 3G的功能子系统和接口
终端部分完成终端功能，包括用户识别模块UIM和移动台MT。UIM的作用相当于GSM中的SIM卡。无线接入网完成用户接入业务的全部功能，包括所有与空中接口相关的功能，以使核心网受无线接口影响很小。核心网由交换网和业务网组成，交换网完成呼叫及承载控制的所有功能，业务网完成支撑业务所需的功能，包括位置管理。
UNI是移动台和基站之间的无线接口，RAN-CN为无线接入网与核心网之间的接口，NNI为核心网与其他的3G家族核心网之间的接口。
无线接口、核心网络的标准化工作对于3G整个系统和网络来说，是非常重要的。
（2）3G的关键技术
3G的关键技术包括初始同步和Rake接收技术、高效信道编码解码技术、智能天线技术、多用户检测技术以及功率控制技术和软切换。
（3）3G的主要技术体制
越是和增值业务有关的技术，越是受到大家的青睐，各个国家、各个联盟都在为自己的利益而努力，最终让国际电信联盟接受了四种制式的3G标准：WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA和WiMAX。其中前3种都是以原来语音为基础的技术体制，而WiMAX从纯粹的数据业务而来。值得一提的是，TD-SCDMA是我国知识产权为主、被国际上广泛接受和认可的3G网络国际标准，是我们国家电信史上重要的里程碑。
1）WCDMA
源于欧洲和日本几种技术的融合。WCDMA采用的是DSSS直接序列扩频的模式，信号带宽为5MHz，移动环境下传输速率可以达到384Kbit/s，静止环境下传输速率可以达到2Mbit/s，支持可变速传输。与GSM网络可实现完美兼容，受到各个厂商的青睐。WCDMA采用ATM微信元技术，能够在一条线路上传送更多的语音呼叫。同时还采用一些能够提高系统容量的技术，比如自适应天线和微小区技术。此外，在同一传输通道中，还可以提供电路交换和分包交换的服务，用户可以利用电路交换方式接听电话，以分组交换方式使用互联网，可以提高移动电话的使用效率。在费用方面，由于WCDMA采用分包交换方式，所以网络使用的费用不是以接入的时间计算的，而是以用户的数据传输量来决定的。WCDMA的核心网络是基于GSM/GPRS网络的演进，所以从GSM网络升级到3G，选用WCDMA作为标准。在我国，中国联通获得WCDMA的运营牌照。
2）CDMA2000
虽然WCDMA和TD-SCDMA都带有CDMA的字样，但真正意义上的2G中的CDMA制式的继承技术是CDMA2000。最早的规划分为两个阶段：CDMA20001xEV-DO，采用与话音分离的信道传输数据；CDMA20001xEV-DV，采用数据信道和话音信道“二合一”。CDMA2000由美国高通公司为主导提出，摩托罗拉公司、朗讯公司和后来的三星公司都有参与，韩国现在成为该标准的主导者。由于目前使用CDMA的地区只有中、日、韩和北美，从而导致CDMA2000的支持者不如WCDMA多。由于CDMA2000是CDMA技术的延伸，所以CDMA2000和WCDMA互不兼容。在我们国家，中国电信获得了CDMA2000的运营牌照。
3）TD-SCDMA
TD-SCDMA标准是第一个由中国无线通信标准组织提出，以我国知识产权为主的，被国际电信联盟认可并发布的无线通信国际标准。TD-SCDMA采用时分同步的码分多址技术。TD-SCDMA的所有技术特点和优势在空中接口的物理层得到体现，物理层技术的差别是TD-SCDMA和WCDMA最主要的差别所在。在核心网方面，TD-SCDMA和WCDMA采用完全相同的标准规范，包括核心网与无线接入网之间采用相同的接口；在空中接口高层协议栈上，TD-SCDMA和WCDMA也完全相同，这些共同之处保证了两个系统之间的无缝漫游、切换、业务支持的一致性、QoS的保证等，也保证了TD-SCDMA和WCDMA在标准技术的后续发展的一致性。
在TD-SCDMA标准中，智能天线技术和TDD时分双工技术得到了很好的体现和应用。其中TDD模式是基于在无线信道时域中周期地重复TDMA帧结构实现的。因此在TDD模式下，可以很方便地实现上/下行链路间的灵活切换。通过灵活地改变上/下行链路的转换点就可以实现所有3G对称和非对称的业务。比如视频会议，有双向对称需求；远程教学，有非对称的双向需求。如果用TD-SCDMA实现的话，都是能快递灵活地满足需求的，不需要复杂的线路调整。而智能天线技术进一步提高了通信的容量，并且TD-SCDMA通过最佳自适应资源的分配和最佳频谱效率，可支持速率从8Kbit/s到2.8Mbit/s的话音、互联网等所有的3G业务。在我国，中国移动获得了TD-SCDMA的运营牌照。
4）WiMAX
WiMAX即全球微波互联接入。WiMAX也叫IEEE802.16无线城域网，它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，数据传输距离最远可达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/OFDMA、AAS、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会越来越高。2007年的时候被国际电信联盟吸收为3G标准。与前三种标准不同，WiMAX从纯粹的数据业务发展而来。