[科普中国]-移动通信简明原理

不论是GSM还是CDMA，也不论是3G还是4G，尽管移动通信的技术在不断地进步，但因为移动通信的基本特点是通信终端的位置经常在变动，所以移动通信的基本原理，除了无线传输的链路，也就是专业上常说的空中接口外，也基本上没有太大的差别。下面我们就以GSM为例，简明地说一说移动通信的基本原理。1

GSMGSM是全球应用最为广泛的一种第二代移动通信的技术标准，由欧洲多国设立的移动通信特别小组（Group Special Mobile，简称GSM）所制定。国内中国移动和中国联通的移动通信网，就是遵循GSM技术标准的。我们都知道，手机要打电话，首先要有信号，这个信号就是指无线信号。手机通过无线信号与移动网的基站连接，基站再通过线缆与移动网络的其它网元连接。移动通信的主要的无线通信部分，就在手机和基站之间。我们知道，电话要接入电话网，需要将电话线插入到电话接口中。同样，手机要接入移动通信网，也需要一个接口，这就是基站与手机之间的无线传输链路，也称为空中接口。一个基站能提供多少条无线传输链路，就意味着能同时接入多少部电话。很显然，一个基站能提供越多的无线链路，当然是越好的一件事情，因为这样可以允许同时有越多的人打电话。但是因为每一条无线链路，都要占用一定的无线资源，所以越多的无线链路，就会占用越多的无线资源。什么是无线资源呢？所谓无线资源，指的是一段无线频率范围。为什么无线频段会成为资源呢？原来无线信号在自由空间的传播是没有边界的，不像有线信号那样集中在线缆里面传输。如果有两条链路使用了相同的频率，就会造成相互的干扰，使得互相都不能使用。因此为了保证无线链路不互相干扰，就要为不同的传输链路划出不同的无线频段。这样一来，无线频段就像石油矿产一样，成为了一种有限的资源。既然是有限的资源，那么就要想办法提高资源的利用率，才可以使资源发挥最大的经济效益。这在后来发展的3G、4G等移动技术上，都是重点考虑的因素。

蜂窝覆盖移动通信网络能接入成千上万部手机的关键，也是移动性管理的出发点。我们把这个办法形象地称为蜂窝覆盖。

蜂窝覆盖的最大好处是频率可重复使用，从而非常有效地节约频率资源。无线信号在自由空间的传播有个特点，就是随着传播距离的增加，信号强度会迅速减弱，一定距离后，可认为减弱为零，那么我们在这个距离以外的地区，还可以继续使用同样频率的信号，而不会对之前的信号造成干扰。这就是蜂窝覆盖的前提。在GSM中，一个站点划分三个扇区是比较常见的。我们用1个蜂窝来表示一个扇区，这样一个站点就有3个不同载频的蜂窝。一般用4个这样的站点，共12个具有不同载频的蜂窝，再组成一个蜂窝群。然后用这个蜂窝群，在辽阔的地面上复制。这样理论上只需12个载频，就可以在无限的地域上进行无限次的复用。当然，实际上并不止12个载频，每个小区也不是只有一个载频可选的。如图1所示。

图1 蜂窝覆盖示意

自动切换有同学可能担心了：通过这样的频率复用倒是可以解决有限的频率资源在无限的地域上覆盖的矛盾了。可是这样一来，小区的面积就可能不是很大，这会不会限制了我打电话时的移动范围？当然是不会的。当你离开一个小区时，电话会自动切换到新的小区的。怎么的切换呢？原来，当手机离一个小区的无线信号收发机，也就是基站，离基站越来越远时，它收到该小区的信号会越来越弱。手机会定时地把测量到的信号变化告知移动系统，当信号弱到一定程度时，系统就判断手机可能该越区了，就另选一个信号最好的小区，给手机分配一条新的无线链路，然后通知手机切换到新的小区的无线链路上。手机切换完成后，通过新的小区链路通知系统，系统收到通知后，释放旧的链路给别的手机使用。这就是跨不同小区移动而没有中断通话的原因。如图2所示。

图2 自动切换示意

我们看到，切换是将一条链路切换到另一条链路，要占用宝贵的链路资源的，所以不打电话时就不用切换了。可是如果不用切换，那我人都从一个小区跑到另一个小区了，电话还打到原来的小区，那不是接不到了吗？接得到的。为了管理移动用户的位置变化，移动公司会在他的那些小区群中划出不同的区域，叫位置区域，Location Area，简称LA。LA在系统中通过位置区域识别码LAI来区分。当手机离开一个旧的LA，到达一个新的LA时，手机就会发现，它新收到的LAI与现存的LAI不同了。于是就向系统发起位置更新请求。这个请求将会发给一个叫访问位置寄存器VLR的网元来处理。这个VLR是临时记录所辖区域内移动用户的一些数据的设备。因为新的LA和旧的LA都属同一个VLR所管，因此该手机的相关信息早已在此VLR中备案，不必回手机的原籍去索要了，只需把备案中的LAI更换为新的LAI即可。当然手机也要删除旧的LAI，保存新的LAI。这时要是有人打来电话，系统可根据VLR中的数据，知道手机就在新LAI内，于是向新LAI所含的所有小区发送寻呼该手机的消息。手机收到寻呼它的消息后会回应，这时系统再在它所回应的小区给它分配接入链路。

如果新的LA不在旧VLR的管辖范围之内，那么更新请求就会发到新的VLR。新的VLR一看这手机是新来乍到的，本VLR还没它的任何备案，于是向手机的原籍——归属位置寄存器，简称HLR，索要手机的相关档案来备案，之后在备案中记录手机新的LAI。经过新的VLR这么一番索要档案，HLR也就知道这个手机是在哪个VLR所管辖的区域了，于是更新该手机数据中的VLR记录，并发消息给旧的VLR，通知旧的VLR删除该手机的备案。这时，如果有人打电话寻呼该手机，电话会先打到手机的HLR，HLR根据所记录的VLR，将电话转到手机所在的VLR，VLR再根据所记录的LAI，对手机发起寻呼。更新LAI的过程，也称为位置更新。

移动通信的特点，就是移动用户的位置会经常变化，因此，切换和位置更新，是移动通信有别于固定通信的主要之处。

移动通信系统综上所述，我们基本可以得到一个移动通信系统的组成结构了，如图3所示：

图3 移动通信系统的组成结构

基站BTS，即无线收发信设备， 向手机发送无线信号，或者接收手机发来的无线信号。 基站控制器BSC，对一个或多个BTS进行控制和管理，主要完成无线信道的分配、BTS和手机发射功率的控制以及越区信道切换等功能。BSC也是一个小交换机， 它把局部网络汇集后通过A接口与MSC相连。 移动交换机MSC ，完成最基本的交换功能，即完成移动用户和其他网络用户之间的通讯连接。 访问位置寄存器VLR，存储了进入其覆盖区内的所有移动用户的信息，为已经登记的移动用户提供建立呼叫接续的条件。VLR是一个动态数据库，需要与有关的归属位置寄存器HLR进行大量的数据交换以保证数据的有效性。当用户离开该VLR的控制区域，重新在另一个VLR登记时，原VLR将删除该移动用户数据。在设备实现上， MSC和VLR通常合为一体。 HLR是系统的中央数据库，存放与用户有关的所有信息，包括用户的漫游权限、基本业务、补充业务及当前位置信息等，从而为MSC提供建立呼叫所需的路由信息。一个HLR可以覆盖几个MSC服务区甚至整个移动网络。 AuC是鉴权中心，为系统提供安全管理，通常是HLR的一个功能单元。2

移动通信原理《移动通信原理》是2005年11月电子工业出版社出版的一本图书，作者是吴伟陵、牛凯。该书主要讲述了移动通信的基本物理层技术、高级物理层技术、网络层技术和网络规划层技术等内容。

本词条内容贡献者为:

李宗秀 - 副教授 - 黑龙江财经学院