移动通信网络

1. 移动通信网络的发展历程

移动通信（Mobile Communication）是移动体之间的通信，或移动体与固定体之间的通信。移动体可以是人，也可以是汽车、火车、轮船、收音机等处于移动状态中的物体。移动通信系统从20世纪80年代诞生以来，目前大致已经过了四个不同的时代（Generation），目前正在向第五个时代迈进，其中：

◆ 第一代移动通信网络（简称1G）：1G网络为模拟网络，是在20世纪80年代初提出的，其特点是业务量小、质量差、交全性差、没有加密，而且传输速率低。对应的接入技术为频分多址技术FDMA，主要基于蜂窝结构组网，直接使用模拟语音调制技术，传输速率约为2.4 Kbps。典型的1G网络主要包括美国的模拟电话系统AMPS（Advanced Mobile Phone System）、北欧的移动电话系统NMTS（Nordic Mobile Telephone System）和英国的全接入通信系统TACS（Total Access Communication System）等。

◆ 第二代移动通信网络（简称2G）：2G网络为窄带数字网络，起源于20世纪90年代初期，对应的接入技术主要包括时分多址技术TDMA和码分多址技术CDMA两种。典型的2G网络主要包括欧洲的全球移动通信GSM系统与美国的CDMA IS-95（也称CDMA One或窄带CDMA）系统等。其中，GSM网络可提供9.6～28.8 Kbps的传输速率，而窄带CDMA网络可提供的理论最大传输速率为115 Kbps，但实际只能实现64 Kbps。与1G网络相比，2G网络具有保密性强、频谱利用率高、能提供丰富的业务、标准化程度高等特点。但无论是1G还是2G网络，主要都是针对话音通信设计的。

◆ 第2.5代移动通信网络（简称2.5G）：随着全球范围的Internet用户数与移动数据业务的爆炸式增长，使得在专门针对多媒体通信的3G网络还未建成之前，有必要研究如何利用现有的2G网络来实现数据通信，由此产生了多种相关技术，如：高速电路交换数据HSCSD（High Speed Circuit Switched Data）、通用分组无线服务GPRS（General Packet Radio Service）、无线应用协议WAP（Wireless Application Protocol）、蓝牙（Bluetooth）、CDMA20001x以及增强数据速率GSM演进EDGE（Enhanced Data Rate for GSM Evolution）等，其中：

（1）HSCSD：是GSM网络的升级版本，可透过多重时分同时进行传输，而不是只有单一时分，因此，能够将传输速度大幅提升到平常的2～3倍。新加坡电讯的移动电话采用的就是HSCSD系统，其传输速率能够达到57.6 Kbps。

（2）GPRS：是一种基于GSM网络的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。在GPRS网络中，声音的传送继续使用原有的GSM网络，而数据的传送则是通过GPRS网关以“分组”的形式传送到用户手上。GPRS网络的峰值传输速率可以达到115 Kbps。

（3）CDMA20001x：是指CDMA2000的第一阶段（传输速率高于CDMA IS-95，但低于2 Mbps），可提供308 Kbps的峰值传输速率。CDMA20001x的网络部分引入分组交换技术，可支持移动IP业务。

（4）WAP：是一种向移动终端提供互联网内容和先进增值服务的全球统一的开放式协议标准，是简化了的无线 Internet协议。简单地说，就是网站向手机提供内容的一种协议，可以把网络上的信息传送到移动电话或其他无线通信终端上。它使用一种类似于互联网上的HTML（超文件标记语言）的标记式语言WML（Wireless Markup Language，无线标记语言），并可通过WAP 网关直接访问一般的网页。通过WAP，用户可以随时随地利用无线通信终端来获取互联网上的即时信息或公司网站的资料，真正实现无线上网。它是移动通信与互联网结合的第一阶段性产物。

（5）Bluetooth：是一种短距离无线电技术，利用“蓝牙”技术，能有效简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化以上这些设备与因特网Internet之间的通信，从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。Bluetooth的传输速度可以达到1 Mbps。

（6）EDGE：在GSM网络的基础上，通过采用一种新调制方法，从而有效地提高了GPRS信道的编码效率，因此相当于GPRS技术的升级版。EDGE的峰值传输速度可以达到384 Kb/s，可应用在诸如无线多媒体、电子邮件、网络信息娱乐以及电视会议上等。

基于上述技术的移动通信网络统称为2.5G网络，其中，基于EDGE技术的移动通信网络有时也称为2.75G网络。

◆ 第三代移动通信系统（简称3G）：目前包括基于码分多址CDMA技术的四个国际标准：WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA以及WiMAX。其中，WCDMA是GSM的升级，主要支持者为欧洲、日本、韩国；CDMA2000是窄带CDMA的升级，主要支持者为美国；TD-SCDMA则是中国提出的一种基于GSM的3G标准。3G网络的传输速率为室内低速时2 Mb/s，室内/室外中速时384 kbps，车载高速时144 kbps。

◆ 第四代移动通信系统（简称4G）：与以CDMA为核心技术的3G网络不同，4G网络主要是以正交频分复用OFDM为技术核心。目前4G网络的主要标准包括有由3GPP提出的LTE-Advanced（3GPP Release 10）以及由IEEE提出的WirelessMAN-Advanced（IEEE 802.16m）两种。其中，LTE-Advanced又包括TDD-LTE-Advanced（Time Division Duplex-Long Term Evolution，时分双工-长期演进技术）和FDD-LTE-Advanced（Frequency Division Duplex，频分双工-长期演进技术）两种不同制式，其峰值上/下行速率分别为500Mbps/1 Gbps，而Wireless MAN-Advanced在高速移动时的峰值速率为300Mbps、在固定或低速移动时的峰值速率为1 Gbps。

◆ 第五代移动通信系统（简称5G）：目前5G正在研究之中，尚无具体的官方标准。2013 年5月，韩国三星宣布已经成功开发出5G的核心技术，能够以每秒10Gbps的传输速度传递信息。而作为全球最大的电信设备商的华为公司在2013年11月也正式对外宣布，已在包括加拿大、英国等地为5G投入200多位研发人员，并将在未来的5年投入6亿美元用于5G研发，预计首个5G商用网络将于2020年面世。

2. 移动通信网络的基本体系结构

如图7.1所示，移动通信系统一般主要由移动台MS（Mobile Station）、网络交换子系统NSS（Network Switching Subsystem）、基站子系统BSS（Base Station Subsystem）和操作支持子系统OSS（Operation and Supporting Subsystem）四个部分组成，其中：

图7.1　移动通信系统的体系结构

（1）移动台（MS）：包括移动台物理设备和用户识别模块SIM（Subscriber Identity Module）卡两大部分，是移动通信网络中用户使用的设备。

◆ 移动台物理设备：包括手持台（手机）、车载台和便携式台（例如：Portable Android Device，PAD）等。

◆ SIM卡：是移动通信网络用户的身份识别卡，主要用于存储用户的身份识别码和密钥，并支持移动通信网络对用户的鉴权。

（2）基站子系统（BSS）：包括基站控制器BSC（Base Station Controller）和基站收发信台BTS（Base Station Transceivers）两大部分，主要负责通过无线接口直接与移动台相接以及通过有线接口与NSS中的MSC相连，以实现移动用户之间或移动用户与固话网PSTN（Public Switched Telephone Network，公共交换电话网络）用户之间的相互通信以及系统信号与用户信息的传送等。

◆ 基站控制器（BSC）：是BTS和MSC之间的连接点，一个BSC通常控制几个BTS，其主要功能是进行无线信道管理、实施呼叫和通信链路的建立和拆除，并为本控制区内移动台的过区切换进行控制等。

◆ 基站收发信台（BTS）：包括无线传输所需要的各种硬件和软件，主要负责无线传输，完成无线与有线的转换、无线信道加密、跳频等功能。

（3）网络交换子系统（NSS）：主要负责移动通信网络内的指令交换、路由选择以及用户数据与安全管理等功能。主要包括移动交换中心MSC（Mobile Switching Center）、访问位置寄存器VLR（Visitor Location Register）、归属位置寄存器HLR（Home Location Register）、操作与维护中心OMC（Operation and Maintenance Center）、鉴权中心AUC （Authentication Center）以及移动设备识别寄存器EIR（Equipment Identification Register）等六大部分，其中：

◆ 移动交换中心（MSC）：是移动通信网络的核心，主要负责控制所有BSC的业务，从移动通信网络内的三个数据库HLR、VLR和AUC中获取用户位置登记和呼叫请求所需的全部数据，提供交换功能，完成移动用户寻呼接入、信道分配、呼叫接续、话务量控制、计费、基站管理等功能，还可完成BSS、MSC之间的切换和辅助性的无线资源管理、移动性管理等，并与移动通信网络中的其他部件协同工作，完成移动用户位置登记、越区切换和自动漫游、合法性检验及频道转接等功能。另外，MSC可以直接提供或通过移动网关GMSC（Gateway Mobile Switching Center，网关移动交换中心）提供与PSTN、其他PLMN（Public Land Mobile Network，公共陆地移动网络）、Internet等之间的接口功能，把移动用户与移动用户以及移动用户和固话网用户、因特网用户互相连接起来。

◆ 访问位置寄存器（VLR）：是移动通信网络中用于存储进入其控制区域内已登记的来访用户位置信息的数据库，在通常情况下，VLR是与MSC集成在一起的。

◆ 归属位置寄存器（HLR）：是移动通信网络中用于存储本地用户永久信息的数据库。HLR主要存储以下两类信息：一种是永久性的用户参数信息，包括用户号码、移动设备号码、接入的优先等级、预定的业务类型和保密参数等；另一种是暂时性的需要随时更新的参数，包括用户当前所处位置的有关参数信息等，其主要目的是保证当呼叫任一不知处于哪个地区的移动用户时，均可由该移动用户所属的HLR获知其当前处于哪个地区，进而建立起通信链路。

◆ 鉴权中心（AUC）：是移动通信网络中用于存储用户鉴权信息与加密密钥参数的数据库，其作用是用来可靠地识别用户的身份，以及保证移动用户的通信安全。

◆ 移动设备识别寄存器（EIR）：是移动通信网络中用于存储有关移动台设备参数的数据库，保存着关于移动设备的国际移动设备识别码IMEI（International Mobile Equipment Identity）的三份名单：白名单、黑名单和灰名单。在这三份名单中分别列出了准许使用的、出现故障需监视的、失盗不准使用的移动设备的IMEI识别码，通过对这三种表格的核查，使得运营部门对于不管是失盗还是由于技术故障或误操作而危及网络正常运营的设备，都能采取及时的防范措施，以确保网络内所使用的设备的唯一性和安全性。

（4）操作支持子系统（OSS）：主要包括网络管理中心NMC（Network Management Center）、数据后处理系统DPPS（Data Post Processing System）、用户识别卡个人化中心PCS （Personalization Center System）以及安全管理中心SEMC（Security Management Center）等四大部分，负责完成移动用户管理、移动设备管理以及网路操作和维护等功能。

3. 移动通信网络中的移动性管理

移动通信网络中的移动性管理主要包括以下两个方面的内容：切换管理和位置管理。其中，切换管理反映移动台在小区之间甚至不同地区之间切换的无线链路接续以及移动通信网络管理的过程；而位置管理则确保了移动台在移动过程中能被移动通信网络有效地寻呼到。移动通信网络通过实时跟踪记录MS的位置信息，把来话发送给移动用户。

（1）位置管理。为了实现位置跟踪，一般是通过将一个移动服务区划分成几个定位区LA （Location Area）或注册区来实现的，其中，每个定位区LA都包括一组基站收发信台（BTS），这些BTS通过无线连接与MS进行通信。移动性管理的主要任务就是当MS从一个LA移动到另一个LA时及时更新MS的位置信息，移动通信网络中的位置更新过程称作“注册”，该过程由MS发起，其具体的实现步骤如下。

步骤1：BTS周期性地向自己所辖区域内的所有MS广播自己的LA地址，当漫游到该区域的MS收到该LA地址时，通过对比可发现该LA地址与自己原来存储的LA地址不同，于是，MS就会向BTS发送一个注册消息。

步骤2：BTS将MS的注册消息转发给自己所属的MSC，而MSC在收到MS的注册消息后将会在自己的VLR中创建一个该MS的临时记录，同时给该用户临时分配一个新的漫游号码MSRN（Mobile Station Roaming Number），并通知该用户的HLR修改该用户的位置信息，准备为其他用户呼叫该移动用户时提供路由信息。如果移动用户是由一个MSC/VLR服务区移动到另一个MSC/VLR服务区，该用户的HLR在修改完该用户的位置信息后，还要通知原来的VLR删除该移动用户的位置信息记录。

（2）切换管理。为了保证通信的连续性，当正在通话的移动台从一个小区移动到邻接的另一个小区时，移动台需要从一个无线频道上的通话切换到另一个无线频道上，以维持通话信道的连续性，该切换过程通常称为越区切换（Handover 或 Handoff）。在移动通信系统中，一般可以根据射频信号强度、载干比、移动台到基站的相对位置以及数字系统中的误码率等参数来判断是否应该进行越区切换。例如：在采用基于从基站接收的信号强度平均值作为越区切换参数时，移动台连续监测相邻小区的信号强度，当某个相邻小区基站的信号强度超过了当前基站时，就可发起越区切换。

在越区切换过程中，为了确保通信过程不会中断，通常是在维持旧的连接的基础上，又同时建立新的连接，并利用新旧链路的分集合并来改善通信质量，在与新基站建立可靠连接之后再中断旧链路，该切换方法又称为软切换。越区切换主要有以下三种不同情形：

◆ 同一个BSC控制区内不同BTS小区之间的切换，也包括不同扇区之间的切换，如图7.2所示。其切换过程如下：首先，由MS向BSC报告原基站和周围基站的信号强度，由BSC发出切换命令，MS切换到新基站后告知BSC，由BSC通知MSC/VLR，该MS已完成此次切换。若MS所在位置区也变了，那么在呼叫完成后还需要进行位置更新。

图7.2　同一个BSC控制区内不同BTS小区之间的切换

◆ 同一个MSC/VLR业务区内，不同BSC控制区之间的切换如图7.3所示。其切换过程如下：首先，由MS向原基站控制器BSC1报告原基站和周围基站的信号强度，BSC1向MSC发送切换请求，再由MSC向新基站控制器BSC2发送切换指令，BSC2向MSC发送切换证实消息；然后，MSC向BSC1和MS发送切换命令；待MS完成切换之后，MSC还会向BSC1发清除命令，以释放MS原占用的BSC1信道资源。

◆ 不同MSC/VLR控制区之间的越区切换如图7.4所示。其切换过程如下：首先，当移动台在通话中发现信号强度过弱，而邻近小区信号较强时，即可通过正在服务的基站BTS1向正在服务的MSC1发出越区切换请求。由MSC1向新的移动交换中心MSC2转发此切换请求，请求信息中包含该移动台的标志和所要切换到的新基站BTS2的标志。当MSC2收到切换请求之后，将通知其相关的VLR2给该MS分配一个临时漫游号码MSRN，并通知新基站BTS2分配无线信道，然后传送临时漫游号码给MSC1。MSC1收到临时漫游号码后，要在MSC1和MSC2之间建立起一条隧道。当隧道建立完成后，MSC2向MSC1发送隧道建立证实信息，并向BTS2发出切换指令，MSC1在收到隧道建立证实信息后，将向MS发送切换指令，MS完成切换之后，BTS2向MSC2发送切换证实信息，MSC2收到后向MSC1发出结束信息，MSC1收到之后即可释放原MS占用信道资源，整个切换过程结束。

图7.3　同一个MSC/VLR内不同BSC控制区之间的切换

图7.4　不同MSC/VLR控制区之间的切换

（3）移动用户的漫游过程。将呼叫先接至一个就近的MSC，也称接入移动电话局。此移动电话局通过信令系统向原籍位置寄存器HLR询问移动台目前的位置信息，原籍位置寄存器HLR向移动台目前所在位置的访问寄存器VLR请求一个临时的漫游号码，回发给接入移动电话局。依据漫游号码，呼叫接至移动台实际所处的移动电话局，在相应的位置区所有基站的下行控制信道上发送包含用户识别码的寻呼消息，找到移动台。