移動通信簡明原理

不論是GSM還是CDMA，也不論是3G還是4G，儘管移動通信的技術在不斷地進步，但因為移動通信的基本特點是通信終端的位置經常在變動，所以移動通信的基本原理，除了無線傳輸的鏈路，也就是專業上常說的空中接口外，也基本上沒有太大的差別。下面我們就以GSM為例，簡明地說一說移動通信的基本原理。

基本介紹

• 中文名：移動通信簡明原理
• 外文名：Simple principles of mobile communication
• 分類：LA、VLR
• 技術標準：GSM
• 出發點：蜂窩覆蓋

GSM

GSM是全球套用最為廣泛的一種第二代移動通信的技術標準，由歐洲多國設立的移動通信特別小組（Group Special Mobile，簡稱GSM）所制定。國內中國移動和中國聯通的移動通信網，就是遵循GSM技術標準的。我們都知道，手機要打電話，首先要有信號，這個信號就是指無線信號。手機通過無線信號與移動網的基站連線，基站再通過線纜與行動網路的其它網元連線。移動通信的主要的無線通信部分，就在手機和基站之間。我們知道，電話要接入電話網，需要將電話線插入到電話接口中。同樣，手機要接入移動通信網，也需要一個接口，這就是基站與手機之間的無線傳輸鏈路，也稱為空中接口。一個基站能提供多少條無線傳輸鏈路，就意味著能同時接入多少部電話。很顯然，一個基站能提供越多的無線鏈路，當然是越好的一件事情，因為這樣可以允許同時有越多的人打電話。但是因為每一條無線鏈路，都要占用一定的無線資源，所以越多的無線鏈路，就會占用越多的無線資源。什麼是無線資源呢？所謂無線資源，指的是一段無線頻率範圍。為什麼無線頻段會成為資源呢？原來無線信號在自由空間的傳播是沒有邊界的，不像有線信號那樣集中線上纜裡面傳輸。如果有兩條鏈路使用了相同的頻率，就會造成相互的干擾，使得互相都不能使用。因此為了保證無線鏈路不互相干擾，就要為不同的傳輸鏈路劃出不同的無線頻段。這樣一來，無線頻段就像石油礦產一樣，成為了一種有限的資源。既然是有限的資源，那么就要想辦法提高資源的利用率，才可以使資源發揮最大的經濟效益。這在後來發展的3G、4G等移動技術上，都是重點考慮的因素。

蜂窩覆蓋

移動通信網路能接入成千上萬部手機的關鍵，也是移動性管理的出發點。我們把這個辦法形象地稱為蜂窩覆蓋。

蜂窩覆蓋的最大好處是頻率可重複使用，從而非常有效地節約頻率資源。無線信號在自由空間的傳播有個特點，就是隨著傳播距離的增加，信號強度會迅速減弱，一定距離後，可認為減弱為零，那么我們在這個距離以外的地區，還可以繼續使用同樣頻率的信號，而不會對之前的信號造成干擾。這就是蜂窩覆蓋的前提。在GSM中，一個站點劃分三個扇區是比較常見的。我們用1個蜂窩來表示一個扇區，這樣一個站點就有3個不同載頻的蜂窩。一般用4個這樣的站點，共12個具有不同載頻的蜂窩，再組成一個蜂窩群。然後用這個蜂窩群，在遼闊的地面上複製。這樣理論上只需12個載頻，就可以在無限的地域上進行無限次的復用。當然，實際上並不止12個載頻，每個小區也不是只有一個載頻可選的。如圖1所示。

圖1 蜂窩覆蓋示意

自動切換

有同學可能擔心了：通過這樣的頻率復用倒是可以解決有限的頻率資源在無限的地域上覆蓋的矛盾了。可是這樣一來，小區的面積就可能不是很大，這會不會限制了我打電話時的移動範圍？當然是不會的。當你離開一個小區時，電話會自動切換到新的小區的。怎么的切換呢？原來，當手機離一個小區的無線信號收發機，也就是基站，離基站越來越遠時，它收到該小區的信號會越來越弱。手機會定時地把測量到的信號變化告知移動系統，當信號弱到一定程度時，系統就判斷手機可能該越區了，就另選一個信號最好的小區，給手機分配一條新的無線鏈路，然後通知手機切換到新的小區的無線鏈路上。手機切換完成後，通過新的小區鏈路通知系統，系統收到通知後，釋放舊的鏈路給別的手機使用。這就是跨不同小區移動而沒有中斷通話的原因。如圖2所示。

圖2 自動切換示意

我們看到，切換是將一條鏈路切換到另一條鏈路，要占用寶貴的鏈路資源的，所以不打電話時就不用切換了。可是如果不用切換，那我人都從一個小區跑到另一個小區了，電話還打到原來的小區，那不是接不到了嗎？接得到的。為了管理移動用戶的位置變化，移動公司會在他的那些小區群中劃出不同的區域，叫位置區域，Location Area，簡稱LA。LA在系統中通過位置區域識別碼LAI來區分。當手機離開一個舊的LA，到達一個新的LA時，手機就會發現，它新收到的LAI與現存的LAI不同了。於是就向系統發起位置更新請求。這個請求將會發給一個叫訪問位置暫存器VLR的網元來處理。這個VLR是臨時記錄所轄區域內移動用戶的一些數據的設備。因為新的LA和舊的LA都屬同一個VLR所管，因此該手機的相關信息早已在此VLR中備案，不必回手機的原籍去索要了，只需把備案中的LAI更換為新的LAI即可。當然手機也要刪除舊的LAI，保存新的LAI。這時要是有人打來電話，系統可根據VLR中的數據，知道手機就在新LAI內，於是向新LAI所含的所有小區傳送尋呼該手機的訊息。手機收到尋呼它的訊息後會回應，這時系統再在它所回應的小區給它分配接入鏈路。

如果新的LA不在舊VLR的管轄範圍之內，那么更新請求就會發到新的VLR。新的VLR一看這手機是新來乍到的，本VLR還沒它的任何備案，於是向手機的原籍——歸屬位置暫存器，簡稱HLR，索要手機的相關檔案來備案，之後在備案中記錄手機新的LAI。經過新的VLR這么一番索要檔案，HLR也就知道這個手機是在哪個VLR所管轄的區域了，於是更新該手機數據中的VLR記錄，並發訊息給舊的VLR，通知舊的VLR刪除該手機的備案。這時，如果有人打電話尋呼該手機，電話會先打到手機的HLR，HLR根據所記錄的VLR，將電話轉到手機所在的VLR，VLR再根據所記錄的LAI，對手機發起尋呼。更新LAI的過程，也稱為位置更新。

移動通信的特點，就是移動用戶的位置會經常變化，因此，切換和位置更新，是移動通信有別於固定通信的主要之處。

移動通信系統

綜上所述，我們基本可以得到一個移動通信系統的組成結構了，如圖3所示：

圖3 移動通信系統的組成結構

基站BTS，即無線收發信設備， 向手機傳送無線信號，或者接收手機發來的無線信號。 基站控制器BSC，對一個或多個BTS進行控制和管理，主要完成無線信道的分配、BTS和手機發射功率的控制以及越區信道切換等功能。BSC也是一個小交換機， 它把局部網路匯集後通過A接口與MSC相連。 移動交換機MSC ，完成最基本的交換功能，即完成移動用戶和其他網路用戶之間的通訊連線。 訪問位置暫存器VLR，存儲了進入其覆蓋區內的所有移動用戶的信息，為已經登記的移動用戶提供建立呼叫接續的條件。VLR是一個動態資料庫，需要與有關的歸屬位置暫存器HLR進行大量的數據交換以保證數據的有效性。當用戶離開該VLR的控制區域，重新在另一個VLR登記時，原VLR將刪除該移動用戶數據。在設備實現上， MSC和VLR通常合為一體。 HLR是系統的中央資料庫，存放與用戶有關的所有信息，包括用戶的漫遊許可權、基本業務、補充業務及當前位置信息等，從而為MSC提供建立呼叫所需的路由信息。一個HLR可以覆蓋幾個MSC服務區甚至整個行動網路。 AuC是鑒權中心，為系統提供安全管理，通常是HLR的一個功能單元。

移動通信原理

《移動通信原理》是2005年11月電子工業出版社出版的一本圖書，作者是吳偉陵、牛凱。該書主要講述了移動通信的基本物理層技術、高級物理層技術、網路層技術和網路規劃層技術等內容。