第3章 无线通信网络和技术概述

在过去的一个世纪里，无线通信网络已经成为通信的一个基本组成部分。早期采用无线通信技术的领域主要是军事、紧急业务和司法部门。例如，从反映第二次世界大战的电影中可以看到这样的场景，战士们装备了无线通信设备，他们是用背包和交通工具来运输这些设备的。

随着社会向以信息为中心的方向发展，对于在任何时间、任何地方(以及可以到达任何地方)都可以获取信息的需求呈现出新的趋势。随着移动电话和网络的飞速增长，对移动信息社会(由Nokia提出)的想象力已经慢慢地变为现实。一个普遍的事实是人们通过他们的移动电话和设备进行通信。投币公用电话的时代已经过去，而站立在那里的投币公用电话已经成为过去一种生活方式的象征。利用现在的网络和覆盖，用户可能几乎在任何地方都可以进行通信。

商业性无线通信网络的发展主要发生在20世纪80年代后期和90年代，并且在2000年以后继续得到发展。在过去10年里，无线通信领域的竞争特性和大众对无线通信设备的广泛接受已经使终端成本以及宣传营销费用大幅度下降。结果是在某些国家，如中国省、意大利和芬兰，移动用户的普及率几乎已经达到了100％。移动用户的数量已经得到飞速的增长，到2002年年中，用户的数量已经超过10亿。在图3-1中示出了移动用户按指数增长的趋势。

图3-1 用户统计来源：EMC世界蜂窝数据库

现在无线通信网络所提供的业务主要是话音。但是，在近几年内通过短消息业务(每个月超过240亿条消息，每个数据来源于GSM——Group Special Mobile——世界大会)而导致数据业务的数量增长迅速。无线通信网络已经演进成现在的通信网络，而现在已建设的网络主要使用其中两种主要的通信技术：基于TDMA的GSM通信网络和基于CDMA的通信网络。在现在的无线通信网络中，GSM网络大约占70％，CDMA网络大约占25％，而其他5％是其他类型的网络，例如日本的PDC网络。许多在美洲非常流行的基于TDMA的IS-136网络现在已经转换为GSM网络或CDMA网络。其中一个例子就是美国的AT&T无线通信网络，现在正在建设GSM／GPRS网络来代替IS-136网络。Cingular无线通信的情况与它相同。

预计无线通信网络的增长将在2l世纪的前10年内得以继续保持，并且在未来的3年(到2006年)内无线用户的数量将超过有线用户的数量。

3.1 简要的历史回顾

在20世纪50年代的开始，美国的贝尔电话公司为它的客户开通了无线电话业务。这是无线电话网络第一次用于商业目的。但是，这个无线网络很小，并且只能容纳非常少的用户。用户对无线电话业务需求的缓慢增长迫使工程师提出更好的方法来利用无线频谱，以便提高网络容量以及为更多用户提供服务。在19年提出了共享资源(即频率复用)的概念。这个创新允许网络以动态的方式分配无线资源，因此，无线通信网络可以为更多的用户提供服务。

用于无线电话的频谱是一种稀有的资源(现在仍然是)，因此优化可用的资源来提高利用率的要求将永远是无线通信网络的一种驱动力。在1971年，美国的FCC(联邦通信委员会)为无线电话系统分配了频带。贝尔电话公司提出了AMPS(先进的移动电话业务)无线通信网络，因此建设了第一个蜂窝通信网络。在1982年，美国对AMPS系统的规范进行了标准化，而且它成为了北美洲的无线电话标准。

在20世纪80年代，在世界范围内建设了许多蜂窝无线通信网络。在欧洲，每个国家为自己的模拟蜂窝电话网络选择了它们自己的技术。英国和意大利选择了美国的系统，此系统名为TACS(全接入蜂窝系统)。斯堪的纳维亚(挪威、瑞典、丹麦、冰岛的泛称)国家和法国选择了NMT(北欧移动电话)标准。德国选择了C—Net标准。所有这些都是模拟系统，因而将它们称为第一代移动通信系统。

在1982年，欧洲邮电大会(CEFT)创建了新的标准化实体GSM(Group Special Mobile)，并且受命制定移动无线通信的欧洲标准，此标准工作在为此目的而预留的频带上。这一组织制定了现在广泛使用的GSM标准，并引入了数字无线电话。因此第二代移动通信系统诞生了。在美国，电信工业联合会制定了两个过渡性的标准：在1990年制定了IS-54标准，它基于TDMA；在1993年制定了IS-95标准，它基于CDMA。在第15章中将介绍这些网络的演进。

3.2 蜂窝通信的基本原理

蜂窝电话的一些基本概念包括频率复用、多址接入技术、语音编码、移动性、加密、认证和网络规划。从另外的观点来看，也可以将蜂窝通信网络分成无线接入网络~RAN)和核心网络(CN)。在以下各节中将讨论这些问题。

3.2.1 无线接入网络

无线接入网由基站发射／接收机(BTS)和控制单元组成，控制单元又称作基站控制器(BSC)。BTS是基本的网络侧的无线单元(RF设备)。移动终端通过BTS与网络相连接。BTS在为广播网络特定的信息而定义的信道上传送系统信息，并且移动台在执行接入功能之前收听这些信道。BTS连接到蜂窝基站上，基站将天线安装到高塔或建筑物的顶端。根据蜂窝的覆盖半径可以将蜂窝的类型分为宏蜂窝、微蜂窝和微微蜂窝。蜂窝覆盖半径的大小依赖于BTS的发射功率电平。图3-2示出了一般的无线接入网络。

图3-2 无线接入网

无线接入网是移动通信网络中最大的一部分，并且为了保证覆盖需要提供大量的基站设备和蜂窝装置。移动通信网络的全国性覆盖需要配置数千的BTS(例如美国的全国性覆盖)。BTS以动态的方式为用户提供可使用的信道。根据所使用的技术类型来定义空中接口的业务信道和控制信道。BTS由基站控制器控制。因此，从关联的角度来看，一个BSC可以控制许多BTS。BSC负责管理BTS的无线资源。BSC根据需要为用户分配信道。另外，它不断地了解移动台所在的位置以及正在处于的状态。它测量信号强度(需要BTS和MS的辅助)，并且作出切换决定。在CDMA通信网络的情况下，BSC也负责执行在扩展频谱通信系统所要求的宏分集合并功能。另外，在某些情况下也可以将语音编码功能合并到BSC中。

BSC通过有线网络，使用T1或E1与BTS连接。T1或E1是被通信运营商广泛使用的物理层传输技术。Tl能够在一个帧内的24个用户时隙将话音与数据复用在一起，与Tl相比，El在每个帧内有30个用户时隙。微波链路也用于这些连接。BTS通常安装在蜂窝的基站内，因此它在地理位置上是分散的。将连接BTS和BSC的网络称为回程(Backhaul)网络。BSC通常处于中心位置，例如办公区。BTS与BSC连接的成本是无线通信网络中的主要费用。

3.2.2核心网络

核心网络由移动交换中心(MSC)、归属用户位置寄存器(HLR)、访问用户位置寄存器(VLR)、鉴权中心(AUC)、计费服务器、运行和支持系统(OSS)、短消息业务中心(SMSC)和许多其他单元组成。与公共交换电话网络(PSTN)和分组数据网络(PDN)的接口是从核心网络中的MSC开始。

用户描述以及允许用户访问的业务的描述存储在HLR中。HLR也知道移动台的当前位置。BSC是通过MSC与核心网接口。一个MSC可以为多个BSC提供服务。移动性管理以及与HLR、VLR和鉴权中心的通信是通过移动性应用协议来完成的，例如GSM MAP或IS-41都是移动性应用协议。核心网络各单元之间通过7号信令(SS7)网络互相连接，7号信令网为信令消息提供传输。MSC也提供呼叫控制和交换功能。MSC也支持补充业务，例如三方呼叫和呼叫禁止。

对于数据业务，核心网络提供SMSC以及为电路交换数据提供调制解调器池。核心网也负责在允许用户接入网络或获得业务之前对用户进行鉴权。图3-3显示了一个核心网的例子。

图3-3 核心网

无线通信网络中的交互功能(IWF)使其能够提供电路交换数据业务。它由调制解调器池和与分组数据网络(例如ISP)的接口组成。GSM网络中的电路交换数据业务将在第4章详细介绍。

网络运行中心(NOC)管理RAN和核心网络。运行和支持系统(OSS)是一个支持基础网络日常运行的通信网络单元。OSS包括网络管理设备，它监视网络的状态。OSS也包括计费系统，它负责捕获用户使用网络的数据。呼叫数据记录(CDR)是根据计费系统从MSC中接收的信息生成的，呼叫数据记录用于对用户的计费。

核心网络的功能是一个棘手的话题。如果想详细了解，请参阅对此问题进行详细讨论的文章。

3.2.3 多址接入

为了防止每个用户使用稀有资源时产生干扰，任何被多个用户同时使用的稀有资源都需要将其进一步分成更小的部分。在通信系统中，资源就是传输介质，为了允许多个用户同时接入到相同的传输介质，需要将其分成信道。这种对信道的同时使用就称为多址接入。可以将信道定义为个别分配的、用于传送单个用户信息的、经过传输媒介的专用路径。根据一系列准则，可以将物理传输媒介分成单独的信道，在我们这种情况下物理传输媒介就是无线频谱。这些准则依赖于它所使用的、用于区分不同信道的技术。

为了区分用户信道，在无线蜂窝通信网络中所使用的3种主要技术是：

●频分多址接入(FDMA)；

●时分多址接入(TDMA)；

●码分多址接入(CDMA)。

在图3-4中使用将传输资源类比成房间的方式来举例说明这些技术。

图3-4 FDMA、TDMA和CDMA技术

在FDMA中，信道就是特定的频率，并且在呼叫期间为每个用户分配不同的频率。在我们的房间类比中，它相当于房间的分割，并且希望进行通信的用户放置到每个分割的房间内。但是，由于人类语言的特征，在很大一部分时间内资源没有得到利用。换句话说，就是没有信息需要传输。这种独占式的分配导致资源利用率很低。

在TDMA中，信道就是特定频率上的时隙，并且为每个用户分配特定频率上的不同时隙。在我们的房间类比中，它相当于在一个房间分割中允许多对希望进行通信的用户，并且每对用户可以进行不中断通信的时间。然后每一对用户轮流在分配给他们的时间周期内进行通信，然后等待直到下一次轮换。在TDMA中，这种用户之间的轮换如此之快以至于用户从来没有感觉到他们正在与其他用户共享所分配的频率。

在CDMA中，信道是一个惟一的码号，并且为每个用户分配不同的码号。在我们的房间类比中，它相当于不进行房间分割，并且允许所有希望进行通信的用户同时进行谈话。但是，有一个，这些用户中的每一对用户必须使用不同的语言，并且每个用户有高度演进的耳朵，这些耳朵可以关掉那些使用他所不理解的语言进行的谈话。因此，每一对用户能够同时使用房间进行谈话而不打扰其他用户的谈话。

3.2.4频率复用

蜂窝通信系统利用频率复用的概念来提供更大的容量。蜂窝通信系统的核心概念是在一个网络中重复使用相同的频率许多次。重复使用相同无线频率许多次的能力是由于对载波干扰信号电平比(C/I)进行了控制的结果。一个基站在特定的无线频率上以一定的功率电平进行发射，这个功率电平可以在适当的蜂窝半径内支持通信。由于控制功率的限度来提供有限的覆盖范围，所以在相同的频率上可以同时发射或被其他基站重复使用，只要在它和任意其他使用相同频率基站之间没有干扰。

在蜂窝通信业界，现在有多种频率复用模式在使用。每一种复用模式都有自己的优缺点。在蜂窝通信网络中，最通用的复用模式是N=4和N=7的模式。频率重复模式确定了可以分配给单一蜂窝基站的最大无线频率的数量。N=4的模式可以为蜂窝基站配置6个扇区，而N＝7的模式使用3扇区蜂窝。图3-5显示出了N＝7模式的频率复用。

图3-5 N＝7的频率复用模式

3.2.5语音和信道编码

语音编码对数字传输系统非常关键，并且语音编码主要应用于无线通信网络。对于话音传输，有线通信网络使用kbit／s的数字脉冲编码调制(PCM)。语音综合系统，例如线性预测编码(LPC)，根据过去抽样值的线性组合来预测当前的抽样值。付出的代价是语音质量很差，但它确实达到了很高的效率。自适应差分PCM(ADPCM)技术是另外一种根据过去抽样值预测语音波形的方法。

另外一类语音编码是通过算法来实现，称为声码器。声码器是相对复杂的系统，并且以较低的比特速率运行(一般是2.4kbit／s)。剩余激励线性编码(RELP)是一种混合编码方式，它相当于有线质量的语音，用很少的集成数字语音处理器实现。CDMA使用RELP的变种，称为码激励线性预测(CELP)。GSM的语音编码方式是基于规则脉冲激励长期预测(RPE-LTP)，编码速率为13kbit／s。增强的可变速率数字信号编解码器(EVRC)也是另外一种编码方式，它有更高的话音质量。

信道编码是一种用于当信号遭受到波动时改善传输质量的技术，产生波动的原因可能有接收电平很低时的噪声、干扰和多径传播。信道编码产生的副作用是为了补偿差错而增加了所传送比特的数量。编码中包括了一些冗余数据，它们是通过对信源信息计算得到的。解码功能利用这些冗余来检测是否存在差错或估计最有可能发射的比特以便确定所接收的数据。

信道编码可分为分组码和卷积码。在GSM中使用的是块卷积码，如Fire码、奇偶校验码。Fire码是卷积线性二进制块码，而奇偶校验码是线性块码。CDMA IS-95系统使用基于Viterbi算法的卷积码。

3.2.6移动性

移动性是无线通信系统中的一个关键因素，它允许用户自由地移动。根据所使用的无线技术，移动性可以是只限于步行者的速度，或者是即使在速度达到120km／h时也可以进行通信。但是，移动性对通信网络也提出了一些要求：

●它们必须有确定用户位置的能力。

●它们必须监视用户的移动。

●当用户在蜂窝之间移动时，它们必须能够进行无缝切换而保持会话不中断。

移动性的两个关键概念是漫游和切换。

漫游可定义为移动终端从一个网络移动到另一个网络。网络运营商所提供的覆盖范围可以在一定的范围内或在一个国家内。为了支持全球移动性，网络运营商同意允许用户从其他网络漫游到它们的网络中并获取服务。运营商之间的漫游协议可以使用户在全球范围内漫游，并在所有时间内被寻呼到。

切换是将正在进行的呼叫或会话从一个物理信道转换到另一个物理信道的过程。可以将切换分成蜂窝内切换和蜂窝间切换。蜂窝内切换是将正在进行的呼叫从一个蜂窝中的信道上转换到同一个蜂窝的另一信道上。蜂窝间切换是将呼叫或会话转换到另一个蜂窝上。

由于扩频通信的特点允许系统同时与两个或多个基站进行连接，将CDMA系统看作是先连接再断开的系统。相反，从切换的观点来看，TDMA系统被称作为先断开再连接的网络。CDMA也将切换分成软切换、更软切换和硬切换。

3.3 第一代移动通信网络

3.3.1 AMPS

第一代移动通信网络是模拟系统。一些应用比较广泛的第一代移动通信网络包括AMPS和NMT。在本节中我们将重点集中在讨论AMPS通信系统。

即使在今天，几乎是在将它引入的25年之后，先进的移动电话业务（AMPS）仍然在广泛应用。AMPS是20世纪70年代由贝尔实验室构想出来的，在80年代后期又制定出它的改进形式数字AMPS(D-AMPS)。AMPS的空中接口由规范EIA/TIA-553来规定。AMPS使用FDMA多址接入方式。

FCC将800MHz频谱中总共50MHz(A侧和B侧各25MHz)的频谱分配给AMPS。为每个话音信道分配AMPS频谱分配内的30kHz频谱带宽。由于每个载波有25MHz的频谱，它总共可以提供832个(25MHz/30kHz)蜂窝信道(前向和反向)。然而，由于在相邻的蜂窝中不能使用相同的频率，在理论上最多有416个双工信道(实际上有效的话音信道数量等于312)。AMPS使用7蜂窝频率复用方式。使用控制信道来建立和清除呼叫，以及传送其他控制消息。每个频带(25MHz)包括21个控制信道。当移动台没有处于会话状态时，它必须监视指定的控制信道。它调整并锁定到最强的信道上来接收系统消息。前向控制信道（FOCC）是从基站到移动台的数据流，而反向控制信道(RECC)是从移动台到基站的数据流。话音通信在前向话音信道(FVC)和反向话音信道(RVC)上传送。

在AMPS中使用下面的标识符：

●移动台的电子序列号码（ESN）；

●移动网络运营商的系统标识（SID）；

●移动台的移动标识号码（MIN）。

移动台的ESN是32比特的数字，由它惟一地识别移动台，并且由移动设备制造商来设置。系统ID（SID）是15比特分配给蜂窝通信系统的二进制数字。SID的一个用途就是在漫游网络中确定归属网络。MIN是34比特的数字，它是根据移动终端的10个阿拉伯数字的电话号码推导出来的。

网络要利用IS-4l协议来支持移动性和认证过程。MSC提供呼叫处理能力，而HLR和VLR在移动台移动时追踪它的轨迹。当移动终端在蜂窝通信网络中移动时，它负责更新自己的位置。

AMPS中的数据业务很简单，并且类似于拨号网络。因为AMPS采用模拟技术，它有可能利用标准的调制解调器直接与AMPS相连接。不管使用何种调制解调器协议(V.90或其他协议)，最高的数据传输速率为14.4kb/s。

3.3.2 D-AMPS

D-AMPS，或者称为数字AMPS，是一种混合的空中接口，它既使用第一代移动通信技术，也使用第二代移动通信技术。D-AMPS的规范在IS-54-B中有详细的规定。在北美洲，在20世纪90年代的初期引入D-AMPS的主要原因是为了克服AMPS技术的一些缺点。AMPS中的共信道干扰问题极大地了它的容量，并且从每个用户的角度来看，为每个用户分配30kHz的信道也有些浪费容量。D-AMPS具有混合性特征的原因是将第二代移动通信的TDMA技术应用到AMPS的业务信道上。

现在仍然使用AMPS信道，但是修改了30kHz信道的内容和格式。为D-AMPS定义了下面一些信道：

●FOCC——前向模拟控制信道。方向：从基站(BS)到移动台(MS)的控制信道；

●FVC——前向话音信道。方向：从BS到MS的话音信道；

●FDTC——前向数字业务信道。方向：从BS到MS的数字用户和控制信道；

●RECC——反向模拟控制信道。方向：从MS到BS的控制信道；

●RVC——反向模拟话音信道。方向：从MS到BS的话音信道；

●RDTC——反向数字业务信道。方向：从MS到BS的数字用户和控制信道。

可以将FDTC和RDTC成快速随路控制信道(FACCH)和慢速随路控制信道(SACCH)，它们用于传送信令。对切换过程所做的一项改进是使移动台也参与切换过程。在D-AMPS中引入了移动台辅助的切换。MS连续地测量前向信道的质量，并且将这些测量结果发送到BS，以便允许网络做出更合理的判决。

即使是在今天，第一代AMPS和D-AMPS移动通信网络也继续存在，特别是在美国。它们为第二代数字移动通信网络，例如GSM和IS-95，提供补充覆盖。绝大多数移动终端是双模式的(即它们将第二代(2G)数字无线功能与模拟无线功能结合在一起)。由于签定了漫游协议，2G网络运营商可以宣称他们有全国性的覆盖。然而，预计这些模拟通信网络的生命正在走向尽头，并且在最近几年内它们将慢慢地退出通信领域。这些网络退出的一个原因是要收回这些频谱留做它用。

3.4 第二代移动通信网络

第二代移动通信网络是由于技术不断演进而产生的。正如我们通常所称呼的那样，2G通信网络是数字通信网络。在世界范围内已经使用多种2G技术建设移动通信网络。当然，最广泛应用的网络是基于TDMA的GSM系统和基于CDMA的IS-95系统。其他已经建设的2G技术包括DECT(欧洲数字无绳电话)、IS- 136和日本的基于PDC的个人手持电话系统(PHS)。

在下面各节中将更进一步地讨论GSM和CDMA通信网络和技术。

3.4.1 GSM(全球移动通信系统)

GSM是基于TDMA的无线通信系统。在欧洲，从20世纪80年代就开始制定GSM规范，原因是模拟通信网络，例如NMT，受到了容量的。

GSM 900系统将两个25MHz的频带分别用于上行链路和下行链路，并且在这个频谱内为每个信道分配200kHz的频带。用45MHz的空间将上行链路和下行链路分开。GSM 1800系统将两个75MHz的频带分别用于上行链路和下行链路，并且在这个频谱内也为每个信道分配200kHz的频带。用95MHz的空间将上行链路和下行链路分开。而GSM 1900系统将两个60MHz的频带分别用于上行链路和下行链路，并且在这个频谱内使用200kHz的信道。用80MHz的空间将上行链路和下行链路分开。

1．标准

由于在欧洲不同的国家有不同的模拟通信网络，并且用户在这些网络之间漫游是不可能的，因此他们感到需要有一个公用的移动电话标准。CEPT(欧洲邮电大会)是欧洲进行标准化的舞台。1982年在CEPT内成立了一个新的组织叫做GSM(特别移动组)，其任务是为欧洲制定用于900MHz频谱的惟一的无线通信系统的标准。在图3-6中显示出了标准进展和执行的时间表。

图3-6 GSM标准的时间表

2．GSM的拓扑结构

GSM的拓扑和网络结构示于图3-7中。

移动台(MS)是提供给用户的终端设备(电话、PDA移动单元)。它实际上是符合GSM空中接口规范的两个支路的无线设备。

基站子系统在功能上可以再细分成基站控制器(BSC)和基站发射／接收机(BTS)。一个BSC一般可以控制大量的BTS。BTS包括无线设备和与蜂窝基站相连接的天线。如果从更高层次的观点来看，BTS从根本上说是用户与基站之间的桥梁，它为蜂窝内的用户提供了接入点，允许他们发起呼叫或接收呼叫。它所具有的一些基站的功能是以GSM的格式进行无线传输、使用跳频技术、对无线信道进行编码和译码以及对业务信道的质量和接收功率进行测量。

图3-7 GSM的网络结构

BSC是一个非常复杂的系统，它负责管理网络中的无线资源以及控制切换。因此BSC的功能有：移动性管理、无线资源管理、呼叫控制、蜂窝问切换的管理和其他家务管理任务。

移动交换中心(MSC)是网络的集中式控制器。MSC是提供呼叫控制能力的交换机。它也是与PSTN连接的接口。与PSTN有接口的MSC称为网关MSC(GMSC)。当用户在网络之间移动时，MSC也负责追踪他或她的轨迹。因此它也起到了移动性管理的作用。

GSM使用两个数据库，称为归属用户位置寄存器(HLR)和访问用户位置寄存器(VLR)。HLR包括用户描述信息(它是静态的)以及用户的当前位置(即它知道用户的可到达性信息)。VLR存储移动终端的当前位置或者与网络的附着点以及移动终端的状态。对于移动台是被叫的呼叫，HLR是移动通信网络中初始的信令连接点，而当移动台发起呼叫时，VLR是移动通信网络中初始的信令连接点。

鉴权中心(AuC)是存储机密信息的数据库，例如与有效用户相关联的密钥。Auc负责对用户进行鉴别。当用户附着到网络上，网络对用户执行认证过程。利用与用户相关联的密钥，再加上算法共同来验证用户的真实性。与用户相关联的密钥存储在用户身份模块(SIM)中。

3．接口

在GSM网络中定义了四个主要的接口：

●Um接口——Ms和BTS之间的接口；

●Abis接口——BTS和BSC之间的接口；

●A接口——BSC和MSC之间的接口；

●MAP-x——MSC之间以及MSC和HLR/VLR/AuC之间的接口。

Um接口使用FDMA和TDMA结合的接入技术，它定义了运行于不同载波频率上的124个全双工信道对。这些FDM信道的每一个都使用TDMA时隙。

Abis接口连接：BTS和BSC。Abis接口通常是作为专用接口来实现的。它的物理层由2Mbit／s PCM链路来定义，而数据链路层使用LAPD。

A接口是一个连接无线接入网络(RAN)与核心网络的开放接口。A接口将多个BSC与MSC连接。此接口所具有的开放特性使其能够连接由不同厂商制造的设备。A接口的功能包括呼叫控制和移动性信令。

4．用户身份模块

SIM是移动台中私人化的部分，并且与内存卡一起运行。SIM识别用户。移动台是一个简单的无线设备，只有当将SIM插入到终端中，它才变成一个与用户有关的设备。SIM为运营商和用户提供安全上的需要。

有了SIM的概念，用户就不再依赖于任何特定的移动终端。用户可以使用不同的终端。至于网络运营商所关心的是通过SIM来确定用户。它确认账户的所有者，并且可以改动账户

的所有者或者改变签约选项。SIM：所能提供的关键性功能是用户认证、用户端密钥的安全放置、执行认证的处理能力以及加密算法。

5．移动应用部分

MAP是GSM核心网络中用于各种接口的协议。MAP可以用MAP-x表示，其中x可以确定接口。使用MAP的接口在表3．1中列出。这些接口中每个接口的相关功能在MAP规范中定义，MAP规范由GSM 09.02规定。

表3-1 MAP的接口

CDMA在移动蜂窝通信领域是一个相对较新的技术。第一个商业性网络的建设是在20世纪90年代中期。但是，它们的发展非常迅速，现在大约占全球无线通信网络的25％的市场。

称为IS-95的CDMA标准是由TIA／EIA制定的。

1．扩展频谱

无线频谱是稀有资源，在用法和功率辐射方面有严格的规定，并且需要运行许可证。这对大多数无线通信系统都是正确的。干扰是无线通信网络必须应付的问题。

扩展频谱是无线通信网络中使用的一种技术，它的固有特性是对干扰不敏感。扩频技术一般使用比传输和接收比特所需要的带宽更大的带宽。

扩频技术的固有特性是提供比窄带技术更高的保密性，因为更难于截获或侦察它们。它们使用只有发射机和接收机知道的码字。扩频技术也可以与其他技术共存，因为发射机和接收机可以获得信息，只要它们用相同的码字译码。

跳频扩展频谱（FHSS）

跳频是一种在IEEE 802.11标准中使用的扩展频谱技术。它是一种物理层的传输机制。此技术包括将很宽的频带分割成较小的频带。然后发射机以预先确定的模式在每个较小的频带间“跳跃”。接收机知道这种跳频序列，并且能够锁定在频率上来接收信息。发射机和接收机不断地使用达成协议的跳频序列改变模式。因此避免了干扰，原因是发射机和接收机保持在宽的频谱上围绕较小地频带进行调频。窄带应用（例如车库门开启者）的干扰将只在一定的时间间隔内、在特定的频带上产生。

可以使用的2.4GHz的频谱被分成为许多的1MHz频带。发射机和接收机按照近似随机的序列，从一个1MHz频带跳到另一个1MHz频带。发射机将在每个1MHz频带上发送数据，如果接收机锁定到合适的1MHz频带上，它将能够接收到发射机发送的信息。

将发射机或接收机在1MHz频带上停留的时间称为驻留时间。一般地，任何窄带干扰都在每个频带的驻留时间内。

直接序列扩展频谱（DSSS）

在DSSS中，发射机和接收机协商一个数字码。发射机一般将输入的窄带信号通过应用所选择的码字，将其扩频或变换成宽带输出信号，用码字代替每个输入比特，就产生了宽带信号。接收机对接收的信号使用相同的数字码，因此当完全同步后，就重新获得发射的输入比特。

DSSS系统的实现很复杂，并且由于进行了交换（即使用了码字）而提供了固有的安全性。与FHSS系统相比，DSSS可以提供更高的数据传输速率，因为大多数FHSS系统在任何时间都需要使用大约1MHz的带宽。在IEEE 802.11 DSSS系统中，使用称为Barker序列的11比来对原始数据比特进行交换。对变换出来的比特进行调制并在载波频率上发送，调制技术有两种：差分二进制相移键控（DBPSK）或差分正交相移键控（DQPSK）。

有两种通用的扩展频谱技术。第一种是跳频扩展频谱(FHSS)，发射机和接收机以预先确定的序列在很宽的频带上跳频。

第二种技术是直接序列扩展频谱(DSSS)，它是一种用码字变换数据比特的机制，而这个码字占用很宽的频带。此技术已经在公用无线通信网络中使用，例如IS-95(或者是普遍熟知的CDMA)。DSSS是一种用数字码对载波进行调制的技术，而数字码的比特速率要比信息信号的比特速率高得多。

DSSS系统是宽带系统，在此系统中用户可以使用系统的整个频带。用户数据使用称为码信号的扩频信号进行扩频。码信号或扩频信号的数据传输速率比用户数据传输速率高得多。例如在CDMA中扩频信号的速率是1.2288Mcps，而用户的数据传输速率则低得多。在接收端，解扩是通过将信号与解扩码信号进行交叉相关来实现的，解扩码信号与扩展数据使用的码信号相同，并且与其同步。在CDMA系统中使用伪随机噪声(PN)序列进行带宽扩展，并且对许多用户的信号进行区分。PN序列，正如其名字所暗示的那样，不是随机的而是具有相当的确定性。

2．结构和信道

CDMA的结构是基于蜂窝标准组TR-45的参考模型。标准化组织的结构在第16章讨论。

下面介绍参考结构的主要组成部分：

●基站——基站等效于GSM网络中的：BSS。BS由BTS和BSC组成。BTS和BSC的功能类似于在“GSM拓扑”中描述的这些单元的功能(参见3.4.1节)。

●移动台——移动台是具有发射机和接收机功能的终端。

●移动交换中心(MSC)——MSC是提供呼叫控制功能、移动性和与PSTN的中继接口的交换机。

●归属用户位置寄存器(HLR)——HLR与MSC相连接，并且保持用户的描述信息以及从连接的角度看用户当前在网络中的位置。

●访问用户位置寄存器(VLR)一一VLR与MSC连接，并且存储用户信息，此用户信息是以动态的方式从HLR获得的，并且只要用户逗留在此MSC服务的区域内就要存储此信息。

●认证中心(Ac)——AC负责保持与用户相关联的密钥，并且当用户向网络注册时执行对用户的认证。

●运行支持、计费系统、交互功能——其他组成部分，功能与3.2.2节描述的功能相同。可以将IS-95的信道分成物理信道和逻辑信道：

●物理信道——根据RF频率和使用的码序列定义物理信道。前向链路(BS-MS)有个可用Walsh码，提供个逻辑信道。在反向链路，用长PN码序列区分信道。在IS-95系统中，CDMA载波频带的中心频率用。AMPS的信道号来表示。一个CDMA载波需要41个30kHz AMPS信道来提供1.23MHz的CDMA载波带宽。1.23MHz带宽的CDMA载波使两个载波之间的最小中心频率间隔是1.23MHz，

●逻辑信道——可以将逻辑信道进一步划分为控制信道和业务信道。下面介绍Is-95中的控制信道和业务信道：

●导频信道(下行链路)——基站在每个CDMA频率上连续发射导频信道，它用于为所有移动台提供参考。

●寻呼信道(下行链路)——寻呼信道用于向移动台传送控制信息。对于移动台是被呼的呼叫，网络在一定的范围内利用寻呼信道寻呼移动台。

●同步信道(下行链路)——同步信道用于和导频信道一起获取初始的时间同步。

●接入信道(上行链路)——移动台使用接入信道向基站发送控制信息。在接入信道上可以传送许多消息。当移动台发起呼叫时，它使用接入信道通知基站。此信道也用于响应寻呼。

●前向业务信道——用速率组对这些信道进行分组。速率组确定话音编码方式，这些话音编码方式可以用于任何信道。

●反向业务信道——反向业务信道上的用户业务通过用户特定的长码序列来识别，而用户的长码序列基于用户的ESN。

3．接口

IS-95使用下列接口：

●A接口(BSC-MSC)——此接口在BSC和MSC之间。它同时支持控制平面和用户平面。

●Abi5接口(BSC-MSC)——此接口在BSC和BTS之间。它是一个内部接口，并且通常是专用的。

●B接口(MSC-VLR)——此接口在TIA IS-41中定义。

●C接口(MSC-HLR)——此接口也使用TIA IS-41中的消息。

●D接口(HLR-VLR)——此接口的信令也基于IS-41。它处于SS7的顶层。

●E接口(MSC-MSC)——用于MSC之问的信令，在IS-4l中定义。

●H接口(HLR-AC)——此接口用于对用户的认证，它在IS-124中定义。

●L接口(MSC-IWF)——此接口允许第二代移动通信网络具有电路交换数据的能力。

●Um接口(BS-MS)——它是移动台与网络之间的空中接口。

4.IS-4l

IS-4l由电信工业联合会(TIA)使其标准化。版本C是最新的协议版本，并且称为IS-41C。IS-41是支持移动性、认证和漫游的核心网络协议。IS-41允许网络使用多个供应商的设备。由于设备必须符合标准的接口协议，才可能出现这种环境，其中MSC是由供应商A提供的，而BSC／无线网络则是由供应商B提供的。

IS-41C是一个应用层协议。IS-41通常运行于SS7网络之上，它提供信令所要求的可靠性。

使用GSM MAP和IS-41的网络之间的漫游需要使用网关功能，此功能就是将一个协议的消息转换成另一个协议的消息。也可以将这样的网关看成是协议翻译器。

3.4.3 GPRS(2.5 G移动通信网络)

通用分组无线业务(GPRS)是对GSM网络的增强，它支持分组无线数据业务。GPRS在已有的电路交换网络上增加基于分组的空中接口。它也引入了主要用于数据应用的分组核心网络部分。分组交换允许大量的用户有效地共享无线资源，因为如果有数据要发送或接收，就分配无线资源。GPRS网络的结构以及对空中接口的增强将在第8章中介绍。

3.5 第三代移动通信网络

当世界无线电管理大会(WARC)在1992年的会议上确定可以使用2GHz附近的频率时，就开始了对第三代(3G)移动通信系统的研究。ITU(国际电信联盟)为第三代通信系统推荐了多个不同的空中接口，它们基于CDMA或TDMA技术。下面简要介绍定义3G空中接口的：IMT-2000标准：

●WCDMA——将在在欧洲和亚洲建设使用2GHz频谱的宽带码分多址接入的移动通信网络。

●EDGE——用于GSM演进的增强数据传输速率，它改善了现有GSM频率的频谱效率。

●IXRTT或cdma2000——它是多载波CDMA系统，它用于在与IS-95相同的频带上建设CDMA网络。

通用移动电话系统(UMTS)是第三代移动通信系统。UMTS的标准已经由第三代伙伴项目(3GPP)组织制定完成。UMTS是第二代GSM系统的演进。从第二代移动通信系统到第三代移动通信系统的最大变化是3G系统将提供对分组数据业务的支持。预计3G通信网络将成为Internet的延伸，并且因此使创建无线Internet成为可能。随着支持分组数据成为空中接口以及核心网络中的一个组成部分，预计移动通信业界将开发新的应用和业务类型。3GPP2是与3GPP一样的组织，并且也制定了基于cdma2000的网络结构。

现在，第三代移动通信网络正处于建设过程中。韩国和日本的网络运营商已经带头建设这些网络。在美国，基于cdma2000的网络现在也开始运行。日本的DoCoMo是第一个建设WCDMA网络的网络运营商，它们的网络叫作FOMA(自由的移动多媒体接入)。

第9章和第10章将分别介绍cdma2000和UMTS网络。

3.6 本章小结

在本章中，对无线通信网络和技术进行了简要的介绍。现在的无线通信网络主要基于TDMA或CDMA技术。第二代移动通信网络主要支持的应用是话音。然而，在最近几年，SMS的使用开始大规模飞速发展，因此SMS作为数据业务已经成为这些网络的同义词了。预计第三代移动通信网络将为数据应用提供更宽的频带。第三代移动通信网络将在提高承载话音容量的同时，也必将受到数据应用需求和支持的驱动。