无线通信技术基础-11移动通信系统

无线通信技术基础,第11章、移动通信系统,内容介绍,现代社会已经进入信息时代，传统的面向固定用户终端的通信系统（固定通信系统）已经不能满足人类对信息交流的需求。从20世纪70年代开始，人类开始致力于研究一种能够支持更加灵活高效的无处不在的信息交流的面向个人的通信系统，移动通信系统就是在这种需求的背景下产生的。移动通信是现代通信领域最具活力和发展潜力的技术，也是当今社会中最具个性化的通信手段，它的发展和普及从根本上改变了人类的生活方式。移动通信系统的关键是“移动性”，而实现移动通信的关键技术就是前面介绍的各种无线通信技术。本章介绍的是移动通信系统的整体概念，通过本章的学习，希望读者开始理解移动通信系统的基本结构，为今后从事移动通信专业的工作打下基本的理论基础。,本章重点,固定通信系统和移动通信系统。公共信令系统。移动通信系统的传输和交换。蜂窝移动通信系统。移动通信系统的发展进程。,第11.1节、固定系统和移动系统,固定通信系统中的信息是通过陆地通信线路进行传输，这些通信线路包括光纤、铜缆、微波中继以及卫星中继。固定通信系统中的网络配置是静态的，只有当用户搬迁时才需要改变相应的网络连接。移动通信系统则是一种极其灵活的通信手段，当用户移动到其它基站的覆盖区域时，通信网络将会重新进行配置，最主要的特点是移动通信系统的基站与用户终端设备之间采用无线接入。现代的移动通信系统普遍采用无线蜂窝技术进行频率复用，因此也称为蜂窝移动通信系统。固定系统很难改变配置，而移动通信系统则必须每隔很短的时间就为某个用户重新进行一次配置，用户可以在不知不觉的情况下实现越区切换和漫游。固定通信系统的带宽可以通过铺设大容量的通信光缆来保证。而移动通信系统面向用户的接入方式是无线信道，可以提供给每个用户的带宽受到无线频率资源的限制，可用的带宽非常有限。,第11.1节、固定系统和移动系统,1、固定通信系统固定通信系统的典型应用之一是公共交换电话网（PSTN），PSTN是一个高度集成的庞大的固定电话通信网络，它提供了全世界范围70以上的固定用户之间的话音通信，比如用户住宅电话、企事业单位电话等等，同时也为移动电话提供很大一部分的交换服务（如长途交换）。在PSTN中，每一个城市或同属于一个通信区域内的城镇被称做本地接入和传输区域，一般由一个被称做本地交换运营商（LEC）的电信运营公司负责管理并实现与外部区域的通信连接。提供长途电话业务的电信运营公司被称做局间运营商（IXC），IXC通过收取长途电话费来维系其长途通信网中的LEC之间的连接。IXC拥有大型的光纤和微波通信系统，这些通信系统将与一个国家甚至一个大陆的LEC都连接起来。大型的全国性电话公司可能同时拥有LEC和IXC，比如我国的中国电信和中国联通。,第11.1节、固定系统和移动系统,第11.1节、固定系统和移动系统,1、移动通信系统移动通信系统能够满足那些经常来往于不同地点、不同城市甚至不同国家之间的移动用户进行话音和数据通信的需要。要想在某个地理区域实现移动通信，必须建立一个由很多基站组成的无线通信系统，以保证能覆盖到该区域内的所有移动用户。基站还要连接到一个叫做移动交换中心（MSC）的交换系统，MSC将很多基站和PSTN连接起来，利用PSTN已经构成的全球性电信网络，把全世界范围内的MSC和固定电话交换中心连接起来。移动通信系统中的每一个基站必须能够覆盖一定的地理区域，称之为覆盖区（蜂窝小区）。将许多覆盖区连接起来就组成了能够向整个国家甚至整个大陆提供移动通信服务的移动通信系统。,第11.1节、固定系统和移动系统,第11.1节、固定系统和移动系统,与固定通信系统相比，移动通信系统要复杂得多。移动通信系统是一个有线和无线相结合的综合通信网络，MSC与基站、MSC与PSTN之间的连接大多使用光纤连接，基站与用户中终端之间则采用无线接入信道。移动用户和基站之间的无线信道是移动通信系统的关键环节，了实现移动用户与基站之间的通信，必须建立一个基于无线连接的通信协议，这个协议叫公共空中接口（CAI）。CAI实质上是一个有精确规定的通信协议，它精确规定了移动终端和基站之间如何利用无线信道进行通信和实现控制信令的方法。CAI必须提供极高的可靠性并且保证移动终端与基站之间收发数据的准确性，还要规定确切的无线频率、传输速度、多址方式、调制方式和信道编码等等。到目前为止，移动通信系统所能够达到的通信容量总是赶不上用户对移动通信的要求，这是移动通信系统的技术演进的动力之一。,第11.1节、固定系统和移动系统,由于噪声、干扰、衰落等特殊问题，移动通信系统的无线信道相当恶劣并具有随机特性，解决这一问题是移动通信系统的关键技术。移动通信系统能够提供的无线带宽是非常有限的，所有的移动通信系统都被限制在一个固定的带宽内，同时又要满足不断增加的用户数量和业务带宽的需求，因此，频率复用技术、多址技术、高效的调制解调技术以及分布式无线接口技术等都是移动通信系统中必不可少的技术要素。随着移动通信系统的业务扩展，基站的数量会大幅度增加，MSC的负担很重。另外，由于移动用户所处的位置经常变化，移动通信系统的每个环节都需要更多的信息，在MSC中更是如此，因为不论用户在什么地方，它都需要为其提供无差错的通信服务。除此之外，MSC最终还必须把每个用户终端都连接到PSTN上，这需要一个独立的信令网（公共信道信令）。,第11.2节、公共信道信令,在早期的移动通信系统中，用户终端与基站、基站与MSC之间的信令传输与话音传输占用的是同一个信道，MSC之间传递网络控制数据也是采用带内传输。这种随路信令（CAS）技术严重限制了通信系统的容量。由于信令数据与话音业务占用同一个信道传输，因此信令数据的速率要受到话音信道的限制，同时系统还必须不断地分时处理信令和用户数据。从第1代模拟蜂窝通信系统开始，普遍开始采用公共信道信令（CCS）。CCS负责在用户终端与基站、基站与MSC、MSC之间以及MSC与PSTN之间传递信令数据和控制信号。其主要特点是：信令速度快，具有提供大量信令的潜力，具有改变和增加信令的灵活性，便于开放新业务，在通话时可以随意处理信令，成本低。CCS是一种数字通信技术，网络信令是突发而短暂的，信令信道可以工作在无连接方式，分组交换技术可以得到有效运用。,第11.2节、公共信道信令,CCS是一种带外信令技术，它通过带外信令信道实现用户数据、信令数据及其它相关信息的同时传输，信令数据在逻辑上是在独立的信令信道中传输，而业务信道只负责传输用户数据。实际上是在一条物理信道上通过时分复用的方法把信令数据与用户数据分离开来，用户数据和网络信令仍然是在同一条物理链路上同时传输，只是在逻辑上相互独立。CCS允许更快的传输速率，它支持的信令速率不再受话音信道的带宽限制，可以从几十Kbps一直到几Mbps。CCS需要支持的用户数量不断增加，需要一个专门的信令信道。比如在以32个时隙为一帧的时分复用（TDM）信道（E1）中，第16时隙就是专门用来传输信令信息的，叫做信令时隙。目前在通信系统中得到广泛应用的是七号公共信令。,第11.2节、公共信道信令,七号信令系统（SS7）是通信系统中广泛采用的公共信道信令。全球大部分蜂窝移动通信系统的MSC之间都是通过SS7相互连接起来，这是蜂窝移动通信系统实现自动注册与自动漫游的关键技术所在。SS7来源于由CCITT基于公共信道信令系统的带外信令标准，进一步的研究工作使SS7沿着分层传输的思路发展。SS7采用ISO-OSI的七层体系结构来实现通信，各层之间通过分组数据的虚接口互相通信，由此建立了一个分层传输接口。SS7协议的网络业务部分（NSP）对应于OSI的下三层，NSP又分为三层消息传输部分（MTP）和信令连接控制部分（SCCP）。,第11.2节、公共信道信令,第11.2节、公共信道信令,SS7系统由分布于各地的中心交换局构成，交换局包括：信令点（SP）、信令转接点（STP）、业务管理系统（SMS）和数据库系统（DBAS）。,第11.2节、公共信道信令,移动通信系统的MSC通过SP向用户提供到PSTN的接口，MSC可以实现程控交换系统所具备的所有功能，还可以进行移动性的管理。CCS的性能由呼叫建立时间或端到端的信令传输时间来体现。SP和STP之间的传输时延由特定的硬件配置和交换软件的性能决定。与传统的信令系统相比，CCS有很多优越性。建立呼叫快：在CCS中，使用高速信令网传输呼叫建立信息，这使得呼叫建立的时间比传统信令系统要短得多。中继效率高：CCS中呼叫的建立和释放时间缩短，最终缩短了网络中的传输用时，在业务量很大时，能够获得很高的中继效率。支持各种信息的传输：CCS允许在信令传输的同时传输其它信息，如主叫方标识和业务类型标识（话音或是数据标识）。,第11.3节、移动通信系统的传输,移动通信系统的基本特点是在基站和用户终端之间采用移动无线信道，但是整个系统的运行仍然需要依赖于陆地上固定的有线和无线连接。每条线路都必须能够连续传送高速数据。一些标准的数字信令构成了系统的传输层次，这些数字信令的格式普遍采用了时分复用技术。在北美和日本，最基本的数字信令叫DS-0，它在一条双向话音信道上传递64Kbps的数据。第二层的数字信令是DS-1，它将24条全双工的DS-0话音信道时分复用为一条1.544Mbps的信道，称为一个T1信道。在欧洲，规定了类似的传输层次，第0级（DS-0）同样代表一条64Kbps话音信道，但第1级（CEPT-1）是把32条信道集中为一条2Mbps的信道，称为一个E1信道。在成复帧的E1信道中，第0时隙是同步时隙，第16时隙是信令时隙，其余30个时隙（115、1732）用于传输用户数据。世界上大多数的国家（包括我国）都采用这种传输层次结构。,第11.3节、移动通信系统的传输,第11.4节、移动通信系统的交换,移动通信系统中需要交换的信息容量主要依赖于所传输业务的类型。例如，用户的话音呼叫需要专门的系统接口以保证实时传输，而控制和信令信号时常是突发的，它们可以与其它突发用户共享信道资源，另外，有些业务（如数据业务）不一定需要实时传输。所传输的业务类型决定了移动通信系统的交换策略、采用的协议以及呼叫的处理技术等等。移动通信系统中常用的交换方式有两种：电路交换：面向连接的交换方式分组交换：面向虚连接的交换方式。,第11.4节、移动通信系统的交换,1、电路交换在面向连接的电路交换方式中，一旦呼叫建立，信道资源将被用户独占。到达接收端的消息顺序与发信端传输前的顺序是完全一样的，传输时延也是稳定的。为了保证在衰落和干扰环境下传输数据的正确性，主要依赖于各种抗衰落技术，如果最终进行纠错编码后的数据仍然不足以保证传输的正确性，通信就会被中止，所有的信息必须重新发送。第1代模拟蜂窝移动通信系统中提供的就是面向连接的电路交换业务。呼叫建立后，话音信道被用户独占，用户终端与基站、基站与MSC、MSC与PSTN之间的信道资源由特定的用户使用。直到这个特定用户的通话结束，将信道释放，这条信道才能重新分配给其它用户使用。电路交换不适用于移动数据业务，数据业务的传输一般是突发而短暂的，采用电路交换方式，建立通信连接的时间可能比数据传输的时间还要长。,第11.4节、移动通信系统的交换,2、分组交换分组交换方式恰恰相反，它不需要建立一个固定的连接，而是采用分组传输，每个数据包可以独立选择路由。一个消息中的不同数据包可能是经过不同的路由传输，到达接收端所用的时间也不同，也不需要按照发送端的顺序到达接收端，但需要在接收端进行重新排序。每个数据包需要更多的附加信头，典型的信头包括：信源地址、信宿地址、路由信息及用于收端排序的信息，这会在一定程度上损失带宽效率。采用分组交换方式，不需要在呼叫开始时进行呼叫建立，每个消息可以采用突发方式在系统中是独立处理。分组交换最突出的优点是信息传输不需要独占信道资源。分组交换是无连接业务中最常见的技术，它允许大量的数据用户与同一条物理信道保持虚电路连接，虚连接保证用户可以随时接入到这条物理信道中。,第11.5节、蜂窝移动通信系统,蜂窝移动通信系统要为某个特定覆盖区的所有移动台建立连接，并且要提供高效的呼叫建立、呼叫传输和越区切换等服务。,第11.5节、蜂窝移动通信系统,基站（BTS）是蜂窝移动通信系统的基本单元，它是相应覆盖小区内的用户移动台（MS）通过无线信道接入到蜂窝移动通信系统的节点。BTS通过无线或有线连接到某个移动交换中心（MSC）。MSC负责数据交换、移动性管理和计费，并与PSTN协同完成下属BTS与全球通信网络之间的通信。MSC还要借助SS7来确定处于漫游状态的用户的有效位置并向其转发呼叫，这需要依据一些重要的数据库：归属位置寄存器（HLR）、拜访位量寄存器（VLR）和鉴权中心（AUC）等。在蜂窝移动通信系统中，为了实现通信，呼叫建立、呼叫传输、越区切换、漫游、注册及路由选择等功能都是必不可少的。当用户从一个基站覆盖的小区移动到另一个基站覆盖的小区时，就会出现所谓的越区切换。漫游也是蜂窝移动通信系统的基本功能之一，当一个移动用户离开他最初登记的MSC（归属MSC）的覆盖区时，他就成为一个漫游用户。,第11.5节、蜂窝移动通信系统,归属位置寄存器（HLR）包括了所有最初在归属MSC覆盖区内登记入网的移动用户，漫游用户与本地用户的服务计费标准是不同的，所以MSC必须区分每个呼叫是来自本地用户还是漫游用户。拜访位置寄存器（VLR）中包含了所有漫游到拜访MSC覆盖区的用户的注册信息，VLR中的注册信息是随时间而改变的，MSC首先通过确定漫游用户而更新VLR，然后再访问VLR获得漫游用户的信息。鉴权中心（AUC）通过HLR或VLR登记的用户信息验证每个用户终端的合法性，如果验证不能匹配，AUC将指示MSC禁止不合法的通话，这样就能阻止非法的用户终端接入到移动通信系统中。当其他用户向移动用户发出呼叫时，MSC将通过HLR和VLR来确定一条路由，在主叫方和被叫方之间建立通信连接，这个过程就是路由选择。此时，要提供振铃来提醒被叫方有呼叫到达，被叫方通过摘机来应答呼叫。,第11.6节、移动通信系统的发展进程,蜂窝移动通信系统的概念和理论早在20世纪70年代就由美国贝尔实验室提了出来，但是，由于其复杂的控制系统，尤其是需要实现对移动台的控制，在当时的技术条件下还无法真正实现商用。直到70年代末，随着半导体技术的成熟、大规模集成电路和微处理器技术的发展以及表面贴装工艺的广泛应用，为蜂窝移动通信系统的产品实现提供了技术基础，从此，移动通信行业进入了高速发展的阶段。世界上第一个移动电话通信系统是1978年在美国芝加哥开通的，但当时采用的并不是蜂窝技术，支持的用户数量非常有限。1979年，第一个蜂窝移动通信系统AMPS在美国芝加哥开始试运行，1983年正式投入商用。到现在为止，投入商用的蜂窝移动通信系统已经发展到第三代（3G），而且第四代移动通信系统（4G）也已经处在实验运行阶段。,第11.6节、移动通信系统的发展进程,第一代蜂窝移动通信系统（1G）是一个基于模拟调制技术的通信系统，采用模拟调频（FM）方式，双工方式为FDD，多址技术为FDMA。由于受到模拟通信技术的限制，1G系统存在很多无法克服的缺点，现在已经被更加先进的数字蜂窝移动通信系统所取代，退出了移动通信的历史舞台。但是它作为现代移动通信技术的开端，具有极其重要的历史意义。典型的系统包括美国的AMPS和欧洲的TACS。第二代蜂窝移动通信系统（2G）是一个窄带的数字通信系统，可以提供比1G系统更大的容量和更加优质的话音通信服务，还可以提供低速的数据业务和短消息业务。2G系统采用的是数字编码和调制技术（如话音编码、PCM编码、卷积编码、FSK或PSK调制等等），双工方式包括FDD和TDD两种技术，多址方式综合采用了FDMA+TDMA或FDMA+CDMA方式。典型的系统包括欧洲的GSM和美国的CDMAIS-95。,第11.6节、移动通信系统的发展进程,第三代移动通信系统（3G）是一个可以提供综合业务的宽带数字通信系统，可以提供2Mbps左右的中等速率的数据业务。3G系统采用了更加先进的