1、1 移动通信网络基础知识1.1通信网基本概念通信网是由通信端点、连接节点和相应的传输链路有机地组合起来以实现在两个或多个通信端点之间提供信息传输的通信体系。例如电话网、计算机网、因特网等都是目前典型的通信网。通信网由用户终端设备，交换设备和传输设备组成。交换设备间的传输设备称为中继线路(简称中继线)，用户终端设备至交换设备的传输设备称为用户路线(简称用户线)。通信网可从不同角度分类：按业务内容可分为电报网、电话网、图像网、数据网等；按地区规模可分为农村网、市内网、长途网、国际网等；按服务对象可分为公用网、军用网、专用网等；按信号形式可分为模拟网、数字网等。1.1.1 （熟悉）通信网基本概念通信
2、系统就是用信号（电信号、光信号等）来传递信息的系统。通信系统的构成可以简单地概括为一个统一的模型，由信源、发送设备、信道、接收设备、信宿和噪声源6各部分组成，如图1-1所示。图1-1 通信系统模型1) 信源是指发出信息的信息源。在人与人之间通信的情况下，信源就是指发出信息的人；在机器与机器之间通信的情况下，信源就是发出信息的机器，如计算机等。2) 发送设备就是把信源发出的信息变换成适合于在信道上传输的信号的设备。3) 信道是信号传输媒介的总称。不同的信源形式所对应的变换处理方式不同，与之对应的信道形式也不同。传输信道的类型有两种划分方法：一是按传输媒介可划分为无线信道和有线信道；二是按在信道上
3、传输信号的形式可划分为模拟信道和数字信道。4) 接受设备是发送设备的逆过程。因为发送设备是把不同形式的信息变换和处理成适合在信道上传输的信号，一般情况下，这种信号是不能为信息接收者所直接接收的，所以接收设备的功能就是把从信道上接收的信号变换成信息接收者的信息。5) 信宿是指信息传送的终点，也就是信息接收者。6) 噪声源并不是人为实现的实体，但在实际通信系统中是客观存在的。在模型中把发送、传输和接收端各部分的干扰噪声集中地用一个噪声源来表示。不同的信息源，不同的变换和处理方式，可以构成不同类型的通信系统。通信的基本形式是在信源和信宿之间建立一个传输（转移）信息的通道（信道），即传输信道。如果把通
4、信系统模型变成通信网来表示就更简单了。通信网中有交换点，交换点能完成接续任务。用户终端表示系统模型中的信源和信宿。终端和交换点之间的各连线表示系统模型中的信道，也称为传输链路。这样由多个用户通信系统互连的通信体系构成了通信网。1、移动通信网的发展通常1897年 被认为是人类移动通信元年。这一年，M.G.马可尼在固定站与一艘拖船之间完成了一项无线通信试验，实现了在英吉利海峡行驶的船只之间保持持续通信。这第一次向世人展示了无线电通信的魅力，由此揭开了世界移动通信历史的序幕。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生活必需品和通信手段。现代移动通信
5、技术的发展始于20世纪20年代，大致经历了6个阶段，但真正发展却开始于20世纪40年代中期。第1阶段从20世纪20年代至20世纪40年代，为早期发展阶段。在此期间，首先在短波几个频段上开发出专用移动通信系统，其代表是美国底特律市警察使用的车载无线电系统。该系统工作频率为2MHz，到 20世纪40年代提高到30-40MHz。可以认为这个阶段是现代移动通信的起步阶段，特点是专用系统开发，工作频率较低。第2阶段从20世纪40年代中期至20世纪60年代初期。在此期间，公用移动通信业务开始问世。1946年，根据美国联邦通信委员会（FCC）的计划，贝尔公司在圣路易斯城建立了世界上第一个公用汽车电话网，称为
6、“城市系统”。当时使用3个频道，间隔为120kHz，通信方式为弹工。随后，前西德（1950）、法国(1956)、英国（ 1959）等国家相继研制了公用移动电话系统。美国贝尔实验室解决了人工交换系统的接续问题。这一阶段的特点是从专用移动网向公用移动网过渡，接续方式为人工，移动通信容量小。第3阶段从20世纪60年代中期至20世纪70年代中期。在此期间，美国推出了改进型移动电话系统（Improved Mobile Telephone Service, IMTS），使用150MHz和450MHz频段，采用大区制、中小容量，实现了无线频道自动选择，并能够接续道公用电话网。前西德也推出了具有相同技术水平的
7、B网。可以说，这一阶段是移动通信系统改进与完善的阶段，其特点是采用大区制、中小容量，使用450MHz频段，实现了自动选频与自动接续。第4阶段从20世纪70年代中期至20世纪80年代中期。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数字移动电话系统（Advanced Mobile Phone Service, AMPS），这是第一种真正意义上的具有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（HAMTS），在东京、大阪、神户
8、等地投入商用。前西德于1984年完成C网，频段为450MHz。英国在 1985年开发出全地址通信系统（Total Access Communication System, TACS），首先在伦敦投入使用，以后覆盖了全国，频段为900MHz。法国开发出450系统。加拿大推出450MHz移动电话系统（Mobile Telephone System，MTS）。瑞典等北欧四国于1980年开发出NMT-450 （Nordic Mobile Telephone, NMT）移动通信网，并投入使用，频段 为450MHz。这些系统都是双工的基于频分多址（ Frequency Division Multiple
9、Access, FDMA）的模拟制式系统，被称为第一代蜂窝移动通信系统。这一阶段的特点是蜂窝状移动通信网络结构成为实用系统，并在世界各地迅速发展。移动通信大发展的原因，除了用户要求迅猛增这一主要推动力之外，还有技术进展所提供的条件。首先，微电子技术在这一时期得到长足发展，使得通信设备的小型化、微型化有了可能性，各种轻便电台被不断地推出。其次，提出并形成了移动通信新体制。随着用户数量增加，大区制所能提供的容量很快饱和，这就必须探索新体制。在这方面最重要的突破是贝尔实验室在20世纪70年代提出的蜂窝网的概念。蜂窝网，即所谓小区制，由于实现了频率再用，大大提高了系统容量。可以说，蜂窝概念真正解决了公
10、用移动通信系统要求容量大与频率资源有限的矛盾。第三方面进展是随着大规模集成电路的发展而出现的微处理器技术日趋成熟以及计算机技术的迅猛发展，从而为大型通信网的管理与控制提供了技术手段的保证。第5阶段从20世纪80年代中期至20世纪90年代后期。20世纪80年代中期，随着日益增长的业务需求，推出了数字移动通信系统。第一个数字蜂窝标准GSM（Globle Standard for Mobile Communications）是基于时分多址（TDMA）方式，于1992年由欧洲提出。美国提出了两个数字标准，分别为基于TDMA的IS-95 和基于窄带DS-CDMA的IS-95。日本第一个数字蜂窝系统是个人
11、数字蜂窝（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、影响最大的是采用TDMA技术的GSM 系统和采用 CDMA技术的IS-95系统。从此移动通信跨入了第二代数字移动通信系统。第6阶段从20世纪90年代后期至今。20世纪90年代后期，移动通信业务和移动通信用户呈高速增长趋势。随着全球经济一体化和社会信息化的进展，在移动通信中多媒体业务和IP业务的比例告诉增长，这使得第二代通信系统在系统容量和业务种类上逐渐趋于饱和，很难满足个人通信的要求。为了适应用户对不同业务，如会议、多媒体、数据接入、Internet等的要求，移动通信的发展创造了技术条件。市场和技术的双重驱动，
12、为第三代移动通信系统的发展奠定了基础。20世纪90年代末开始时第三代（3G）移动通信技术发展和应用阶段。 1999年11月5日，在芬兰赫尔辛基召开的ITU GU8/1第18次会议上最终确定了3类共5种技术标准作为第三代移动通信的基础，其中WCDMA、COMA2000和TD-SCDMA是3G的主流标准，国际电信联盟在 2000年5月批准了针对3G 网络的IMT-2000无线接口的5种技术标准。随着信息社会对无线Internet业务需求的日益增长，第三代移动通信系统2Mbit/s的最高传输速率已远远不能满足需求，第三代移动通信系统正逐步采用各种速率增强型技术。CDMA200lx系统增强数据速率的下
13、一个发展阶段称为CDMA2000lxEV，其中EV 是Evolution（演进）的缩写，意指在CDMA2000lx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，而且要能够提供更大的容量，更佳的性能，满足高速分组数据业务和语音业务的需求。CDMA2000lxEV又分为两个阶段：CDMA2000lxEV-DO和CDMA2000lxEV-DV。WCDMA和TD-SCDMA系统增强数据速率技术为HSDPA/HSUPA，HSDPA/HSUPA 统称HSPA，HSPA+是在HSPA基础上的演进。3G无线系统高速解决方案需要数据传输具有非对称性、峰值速率高、激活时间短等特点，能够更加有效利用无线频
14、谱资源，增加系统的数据吞吐量。近年来，在传统蜂窝移动通信技术高速发展的同时，宽带无线接入技术（移动WiMAX ）也开始提供移动功能，试图抢占移动通信的部分市场。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要求，要求进一步加强3G技术，提供更强大的数据业务能力，向用户提供更好的服务，同时具有与其他技术进行竞争的实力。因此，3GPP和3GPP2 相应启动了3G 技术长期演进（Long Term Evolution, LTE）和空中接口演进（Air Interface Evolution, AIE）。2007 年2月，3GPP2鉴于新的标准与CDMA2000lxEV-DO有较大差别，
15、将新的空中接口标准命名为超移动宽带（Ultra Mobile Broadband, UMB），并于 2007年4月正式颁布。2003年后，WP8F 开始E3G和B3G频率需求和候选频段的工作，在2005年10月18日结束的ITU-R WP8F第17次会议上， ITU给出了超3G技术的一个正式的名称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，CDMA-2000，TD-SCDMA及其增强型技术统称为 IMT-2000技术；未来新的空中接口技术，叫做IMT-Advanced技术。根据国际
16、电联（ITU ）的工作计划，在2008年年初将开始公布征集下一代通信技术IMT-Advanced标准，并开始对候选技术和系统作出评估，最终选定相关技术作为4G标准。1.1.2 （掌握）第二代移动通信网GSM数字移动通信系统是由欧洲主要电信运营者和制造厂家组成的标准化委员会设计出来的，它是在蜂窝系统的基础上发展而成。 GSM数字移动通信系统史源于欧洲。早在1982年，欧洲已有几大模拟蜂窝移动系统在运营，例如北欧多国的NMT（北欧移动电话）和英国的TACS（全接入通信系统），西欧其它各国也提供移动业务。当时这些系统是国内系统，不可能在国外使用。为了方便全欧洲统一使用移动电话，需要一种公共的系统，1
17、982年北欧国家向CEPT（欧洲邮电行政大会）提交了一份建议书，要求制定900MHz频段的公共欧洲电信业务规范。在这次大会上就成立了一个在欧洲电信标准学会（ETSI）技术委员会下的“移动特别小组（Group Special Mobile）简称“GSM”，来制定有关的标准和建议书。 1991年在欧洲开通了第一个系统，同时MoU组织为该系统设计和注册了市场商标，将GSM更名为“全球移动通信系统”（Global System for Mobile Communications）。从此移动通信的发展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，
18、名为DCS1800系统。该系统与GSM900具有同样的基本功能特性，因而该规范只占GSM建议的很小一部分，仅将GSM900和DCS1800之间的差别加以描述，绝大部分二者是通用的，GSM900和DCS1800两个系统均可通称为GSM系统。相比于第一代移动通信系统，第二代移动通信系统（2G）具有如下特点：1) 业务范围扩大，除提供话音业务外还提供数据、图像等多种非话业务。2) 抗干扰性强，通信的安全保密性好。3) 提高了网络管理和控制的有效性和灵活性，易于实现国际漫游。4) 设备成本降低，可以提高系统容量。5) 频谱利用率高，可以提高系统容量。一个完整的蜂窝移动通信系统主要由网络子系统（Netw
19、ork Subsystem, NSS）、基站子系统（Bass Station Subsystem, BSS）、网管系统（Network Manage System, NMS）和移动台（Mobile Station，MS）四大子系统组成。GSM系统的典型结构如图所示。由图可见，GSM系统由若干个子系统或功能实体组成。其中基站子系统（BSS）在移动台（MS）和网络子系统（NSS）之间提供和管理传输通路，特别是包括了MS与GSM系统的功能实体之间的无线接口管理。NSS必须管理通信业务，保证MS与相关的公用通信网或与其他MS之间建立通信，也就是说NSS不直接与MS互通，BSS也不直接与公用通信网互通。
20、MS、BSS和NSS组成GSM系统的实体部分。网管系统则提供给运营部门一种手段来控制和维护这些实际运行部分。移动台就是移动客户设备部分，即配有SIM卡的终端设备，如手机登。它由两部分组成，移动终端(MS)和客户识别卡（SIM）。移动终端完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息发射和接收。SIM卡存有认证客户身份所需的所有信息，并能执行一些与安全保密有关的重要信息，以防止非法客户进入网路。SIM卡还存储与网路和客户有关的管理数据，只有插入SIM后移动终端才能接入进网（紧急呼叫除外），但SIM卡本身不是代金卡。下面将着重介绍基站子系统、网络子系统和网管系统这三部分。图1-2 GSM
21、系统结构1、基站子系统基站子系统（BSS）是在一定的无线覆盖区中由移动交换中心（MSC）控制，与移动台（MS）进行通信的系统设备，它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。BSS功能实体可分为基站控制器（Base Station Controler, BSC）和基站收发信台（Base Transceiver Station , BTS）。一般情况下，基站子系统(BSS)就是包含了GSM数字移动通信系统中无线通信部分的所有基础设施，他一端通过无线接口直接与移动台实现通信连接，MS:移动台 BTS:基站收发信机 BSC：基站中心OMC:操作维护中心 MSC：移动业务交换中心 HLR:归属位置
22、寄存器VLR：访问位置寄存器 AuC：鉴权中心 ELR:设备识别寄存器PSTN：公共交换电话网 ISDN ：综合业务数字网 PDN ：公共数据网另一端又连接到网络端得交换机，为移动台（MS）和交换子系统提供传输通路。GSM规范规定，一个基站子系统是指一个BSC以及由它所管辖的所有BTS。 1 基站控制器（BSC）：基站控制器（BSC）是基站收发台和移 动 交 换 中 心 之间的连接点，也为基站收发台（BTS）和移动交换中心（MSC）之间交换信息提供接口。BSC也是具有重要计算能力的小型交换机，它把局部网络数据汇集后传送到移动交换中心（MSC）。一个基站控制器（BSC）具有对一个或多个BTS进行
23、监视和控制的功能，它主要负责无线网路资源的管理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等。BSC通过BTS和MS的远程命令对无线电接口进行管理，主要有无线信道安排和释放、切换的安排。BSC通过脉冲编码调制（PCM）传输网向下连接一系列BTS（一般可以管理多大十几个BTS），向上连接移动交换中心（MSC）。BTS-BSC链路是类似于综合业务数据网（ISDN）通道，即LAPD（Link Access Protocol on the D channel）。一个BSC及它相应的BTS看成是基站子系统（BSS）。 2 基站收发信机（BTS）基站收发信机（BTS）在网络固定部分和无线部分之间提供中继，移动用户通过空中接口与BTS相连。它完全由BSC控制，主要负责无线传输，完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。除此之外，还要完成必要的无线测试，以便检测通信是否正常进行。当然检测并不是由BTS直接进行的，而是发送到BSC进行。BSC最终与BSC一起管理着数据链路层，以便在移动台和基站子系统间交换信令，保证语音传输的可靠性（遵循D信道链路接入协议LAPD）。一个BTS由无线收发信机及多块用于无线电接口的信号处理模块组成。在朝
