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1第8章蜂窝移动通信8.1概述8.2GSM移动通信8.3GPRS技术8.4第三代移动通信小结2本章目标了解蜂窝移动通信概念。了解GSM通信技术。掌握GPRS通信技术。了解第三代移动通信。3学习导航4由于无线传感器网络覆盖范围比较大，并且可能是一个远程控制的网络，因此当传感器节点采集到的数据要远程传送时，比较好的方法是采用蜂窝移动通信技术。蜂窝移动通信系统是当今社会重要的通信媒体。在全球特别是发展中国家，移动通信的渗透率不断增长，已经超越了固定通信。8.1概述58.1.1概念蜂窝移动通信是采用蜂窝无线组网方式，在终端和网络设备之间通过无线通道连接起来，进而实现用户在活动中可以互相通信。其主要特征是终端的移动性，并具有越区切换和跨本地网自动漫游的功能。常见的蜂窝移动通信系统按照功能的不同分为三类：宏蜂窝、微蜂窝和智能蜂窝。6传统的蜂窝式网络由宏蜂窝小区构成，每小区的覆盖半径大多为1～25km，基站天线较高，间距较大。因为小区的覆盖面积较大，覆盖区域内存在两种特殊的微小区域：“盲区”和“忙区”。“盲区”是指电波在传播过程中遇到障碍物而引起的阴影区域。“忙区”是指由于小区内话务分配不均匀，从而形成若干特别繁忙的地区。微蜂窝和智能蜂窝用来解决“盲区”和“忙区”。7微蜂窝覆盖半径大约为100～1000m。基站天线置于相对低的地方，高于地面5～10m，无线波束折射、反射、散射于建筑物间或建筑物内，限制在街道内部。与宏蜂窝相比，微蜂窝的主要特征为：覆盖范围小；传输功率低；一般安装在建筑物上，无线传播环境影响较大；体积小，安装方便灵活。8智能蜂窝是指基站采用具有高分辨阵列信号处理能力的自适应天线，智能地检测移动台所处的位置，并以一定的方式将确定的信号功率传递给移动台的蜂窝小区。对于上行链路而言，采用自适应天线阵接收技术，可以极大地降低多址干扰，增加系统的容量；对于下行链路而言，则可以将信号的有效区域控制在移动台附近，半径为100～200m，利用智能蜂窝小区的概念进行组网设计，能够显著地提高系统容量、改善系统性能。98.1.2发展20世纪70年代中期，伴随着民用移动通信用户数量的增加，业务范围的扩大，有限的频谱供给与可用频道数要求递增之间的矛盾日益尖锐。为了更有效地利用有限的频谱资源，美国贝尔实验室提出了蜂窝组网的理论。第一代移动通信技术又称1G，它是以模拟技术为基础的蜂窝无线电话系统。1G天线系统在设计上只能传输语音流量，并受到网络容量的限制。1G网络的典型代表是移动电话系统。10移动电话系统是第一种具有随时随地通信能力的大容量的蜂窝移动通信系统。它采用频率复合技术，可以保证移动终端在整个服务区域内自动接入公用电话网，具有更大的容量和更好的语音质量，很好地解决了公用移动通信系统所面临的大容量要求与频谱资源限制的矛盾。第二代移动通信技术又称2G，一般定义为无法直接传送电子邮件、软件等信息，只具有通话和传送一些如时间日期等信息的手机通信规格。2G技术分为两种：一是基于TDMA发展而来的以GSM为代表的规格；一是基于CDMA复用形式的一种规格。11GSM移动通信业务是指利用工作在900/1800MHz频段的GSM移动通信网络提供的语音和数据业务。GSM移动通信系统的无线接口利用TDMA技术；而CDMA移动通信业务是指利用工作在800MHz频段上的CDMA移动通信网络提供的语音数据业务。第三代移动通信技术又称3G，是指支持高速数据传输的蜂窝移动通信技术。3G服务能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百kb/s以上。目前3G存在四种标准：WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA、WiMAX。12第四代移动通信技术又称4G，是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度不相上下的技术产品。4G系统能够以100Mb/s的速度下载，比拨号上网要快，上传速度可以达到20Mb/s，能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。蜂窝通信技术发展历程经历了1G、2G、3G和4G，如图8-1所示。13图8-1蜂窝移动技术发展历程14上述四代蜂窝移动通信的主要特点(区别)如下：1G的主要贡献是引入了蜂窝的概念，通过采用频率合成技术使容量大大提高。语音业务是其唯一业务。2G虽然仍定位于语音业务，但开始引进数据业务，更重要的是引入数字技术，在欧洲形成了统一标准，国际漫游的范围扩大了。3G定位于多媒体IP业务，传输容量变大，灵活性更高。4G将定位于宽带多媒体业务。15GSM(GlobalSystemforMobiles，全球数字移动通信系统)是由欧洲主要电信运营商和设备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的。8.2GSM移动通信168.2.1概述GSM是第二代蜂窝系统的标准，它是为解决欧洲第一代蜂窝系统四分五裂的状态而发展起来的。GSM是世界上第一个对数字调制、网络层结构和业务进行规定的蜂窝系统。GSM业务按ISDN(IntegrateServiceDigitalNetwor，综合业务数字网)的原则可分为电信业务和数据业务。电信业务：包括标准移动电话业务、移动台发起或基站发起的业务。数据业务：包括计算机间通信和分组交换业务。17从用户的观点来讲，GSM有两个显著特点：第一是用户识别卡(SIM)，它是一种存储装置，可存储用户识别信息，使用SIM卡可以用任何GSM手机来通话；第二是空中保密性，系统提供商提供密码，可以对GSM发射器发送的数据比特流进行加密，从而实现保密。GSM按用户业务可以分为以下三大类：电信业务：包括紧急呼叫和传真。GSM也可提供可视图文和图文电视业务。18承载业务或数据业务：所支持的业务包括分组交换协议，数据速率从300b/s到9.6kb/s。数据可以用透明方式传送，也可以用非透明方式传送。在透明方式下，GSM为用户数据提供标准信道编码；在非透明方式下，GSM提供基于特定数据接口的特殊编码功能。补充ISDN业务：本质上是数字业务，它包括呼叫转换、封闭用户群和呼叫者识别，这些业务在模拟移动网络中是无法实现的。补充业务还包括短消息业务。该业务允许GSM基站传送正常语音业务时，可同时传送一定长度的字母数字消息。短消息业务提供小区广播，它允许GSM基站以连续方式重复传送字母和数字消息。19短消息业务也可用于安全和咨询业务，例如：在接受范围内，向所有GSM用户广播交通或气象信息。208.2.2网络结构GSM系统网络结构主要包括三个相关的子系统，这些子系统通过一定的网络接口互相连接，并与用户相连。它们是基站子系统(BSS)、网络子系统(NSS)和操作支持子系统(OSS)。移动台(MS)也是一个子系统，通常被认为是基站子系统的一部分。基站子系统也称无线子系统，提供并管理移动台和移动业务交换中心之间的无线传输通道。同时基站子系统也管理移动台与所有其他GSM子系统的天线接口。21每个基站子系统包括多个基站控制器(BSC)，基站控制器经由移动业务交换中心将移动台连接到网络子系统。网络子系统管理系统的交换功能，允许系统工程师对GSM系统的所有方面进行监视、诊断和检修。该子系统与其他GSM子系统内部相连，仅提供给负责网络业务设备的GSM运营公司。图8-2所示为GSM系统网络结构框图。22图8-2GSM系统网络结构框图23移动台通过无线空中接口与基站子系统相连。基站子系统包括基站控制器，基站控制器连接到移动业务交换中心，每个移动业务交换中心控制几百个基站收发信台。一些基站收发信台可存在于基站控制器处，而其他一些是远程分布的，通过微波链路或专门租用线路直接与基站控制器相连。在相同的基站控制器控制下的两个基站收发信台间进行移动台切换，可由基站控制器处理而不需要移动业务中心，这样就减少了移动业务交换中心的交换负担。24网络交换子系统用来处理外部网络以及位于无线子系统中基站控制器之间的GSM呼叫交换，同时也负责管理并提供几个用户数据库的接入。在网络交换子系统中，移动业务交换中心是中心单元，控制着所有基站控制器之间的业务。网络交换子系统中有三个不同的数据库：归属位置寄存器、访问位置寄存器和鉴权中心。归属位置寄存器包含着每一个相同移动业务交换中心用户信息和位置信息。在特定GSM系统中，每个用户被分配一个独有的国际移动用户识别号码，该号码用来区分每一个归属用户。25访问位置寄存器中暂时保存着正在访问某一特定移动业务交换中心覆盖区的漫游用户的用户识别号码和用户信息。访问位置寄存器连接到某一特定区域的几个相近移动业务交换中心上，并包含该区域每一个访问用户的信息。一旦漫游用户注册到访问位置寄存器，移动业务交换中心就将必要的信息发送到访问用户的归属位置寄存器，根据漫游用户的归属位置寄存器，漫游用户呼叫可以适时地发送到公共电话交换网。26鉴权中心是一个严格保护的数据库，它处理归属位置寄存器和访问位置寄存器中每个用户的鉴权和加密。鉴权中心包含有一个设备识别寄存器，负责识别与保存在归属位置寄存器和访问位置寄存器中的信息不相符合的识别数据。操作支持子系统支持一个或者多个操作维护中心，该中心用于监视和维护GSM系统中每个移动台、基站、基站控制器和移动业务交换中心的性能。操作支持子系统主要有三个功能：27维护特定区域内所有通信硬件和网络操作。管理所有收费过程。管理系统中的所有移动设备。在每个GSM系统中，每一个任务都有一个特定的操作维护中心。操作维护中心负责调整所有基站参数和计费过程，同时为系统操作者提供一定的功能来确定系统中每一个移动设备的性能和完整性。288.2.3无线接口GSM系统的无线接口框图如图8-3所示。图中Abis接口定义为基站子系统的两个功能实体基站控制器和基站收发信台之间的通信接口，用于基站收发信台与基站控制器的远端互连方式。该接口支持所有向用户提供的服务，并转发对基站收发信台无线设备的控制和无线频率的分配。对所有制造商，Abis接口被定义为标准化接口。实际上，每个GSM基站制造商的Abis接口略有不同。29图8-3GSM系统无线接口框图30基站控制器经由专用/租用线路或微波链路直接连接到移动业务交换中心。基站控制器和移动业务交换中心之间的接口叫做A接口，A接口在GSM中也是标准化接口。A接口定义为网络子系统与基站子系统间的通信接口。A接口采用SS7协议，该协议被称为信令修正控制部分，支持移动业务交换中心和基站子系统之间的通信，也支持个人用户与移动业务交换中心之间的网络信息。A接口允许业务提供者可以使用不同制造商提供的基站和交换设备。SS7(SignalingSystem7，信令系统#7)是定义的一组电信协议，主要用于为电话公司提供局间信令，SS7采用公共信道信令技术，为信令服务提供商提供独立的分组交换网络。31GPRS(GeneralPacketRadioService，通用分组业务)是在现有的GSM移动通信基础上发展起来的一种移动分组数据业务，是第二代移动通信到第三代移动通信的过渡。8.3GPRS技术328.3.1概述1. GPRS的产生与发展GPRS是一种以全球手机系统(GSM)为基础的数据传输技术，是GSM的延续。GPRS通过在GSM数字移动通信网络中引入分组交换的功能实体，以完成用分组方式进行的数据传输。它突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换。GPRS具有以下特点：高速数据传输：速度为GSM的10倍，还可以稳定地传送大容量的高质量音频与视频文件。33永远在线：由于建立新的连接几乎无需任何时间(即无需为每次数据的访问建立呼叫系统)，随时都可以与网络保持联系。仅按数据流量计费：根据用户传输的数据量来计费，而不是按上网时间计费。只要不进行数据传输，一直在线也无需付费。GPRS通过在原GSM网络基础上增加一系列的功能实体来完成分组数据功能，新增功能实体组成GSM-GPRS网络，作为独立的网络实体对GSM数据进行旁听，完成GPRS业务，原GSM网络则完成语音功能，尽量减少对GSM网络的改动。GPRS网络与GSM原网络通过一系列的接口协议共同完成对移动台