移動(dòng)交換原理與技術(shù)

1對(duì)移動(dòng)通信而言，在通信網(wǎng)絡(luò)的總體規(guī)劃和設(shè)計(jì)中必須解決的一個(gè)問(wèn)題是，為了滿(mǎn)足運(yùn)行環(huán)境、業(yè)務(wù)類(lèi)型、用戶(hù)數(shù)量和覆蓋范圍等要求，通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該設(shè)置哪些基本組成部分(比如，基站和移動(dòng)臺(tái)、移動(dòng)交換中心、網(wǎng)絡(luò)控制中心、操作維護(hù)中心等)，以及這些組成部分應(yīng)該怎樣部署，才能構(gòu)成一種實(shí)用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖1表示了一個(gè)數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。11.1移動(dòng)交換機(jī)結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)2圖1數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基站子系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)基站BS)由基站收發(fā)臺(tái)(BTS)和基站控制器(BSC)組成；網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)由移動(dòng)交換中心(MSC)、操作維護(hù)中心(OMC)、原籍位置寄存器(HLR)、訪問(wèn)位置寄存器(VLR)、鑒權(quán)中心(AUC)和移動(dòng)設(shè)備識(shí)別寄存器(EIR)等組成。一個(gè)MSC可管理多達(dá)幾十個(gè)基站控制器，一個(gè)基站控制器最多可控制256個(gè)BTS。由MS、BS和網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)構(gòu)成公用陸地移動(dòng)通信網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)由MSC與公用交換電話(huà)網(wǎng)(PSTN)、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)和公用數(shù)據(jù)網(wǎng)(PDN)進(jìn)行互連。移動(dòng)臺(tái)3移動(dòng)臺(tái)MS移動(dòng)臺(tái)MS實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端功能，GSM移動(dòng)臺(tái)包括移動(dòng)臺(tái)物理設(shè)備（即手機(jī)的裸機(jī)）和SIM卡兩部分。移動(dòng)臺(tái)的類(lèi)型很多，除了人們最熟悉的手機(jī)之外還包括車(chē)載臺(tái)、便攜式移動(dòng)臺(tái)。

移動(dòng)臺(tái)的一個(gè)重要組成部分是用戶(hù)識(shí)別模塊，即SIM卡。SIM卡中存放著所有和用戶(hù)有關(guān)的用戶(hù)無(wú)線(xiàn)接口側(cè)的信息，包括鑒權(quán)、加密信息。使用GSM系統(tǒng)進(jìn)行呼入和呼出的移動(dòng)臺(tái)必須插入SIM卡，只有在處理緊急呼叫時(shí)（如呼110和119），才可以在不插入SIM卡的情況下使用移動(dòng)臺(tái)。

4基站子系統(tǒng)BSS基站子系統(tǒng)（BSS）：基站子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)完成無(wú)線(xiàn)發(fā)送接收和無(wú)線(xiàn)資源管理等功能，可分為基站控制器BSC

（BaseStationController）和基站收發(fā)信臺(tái)BTS

（

BaseTransceiverStation）。BSS一方面通過(guò)BTS利用無(wú)線(xiàn)接口與移動(dòng)臺(tái)相連，負(fù)責(zé)信息的無(wú)線(xiàn)發(fā)送/接收和無(wú)線(xiàn)資源的管理；另一方面，通過(guò)BSC和網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（NSS）中的移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心（MSC）相連，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)用戶(hù)之間以及移動(dòng)用戶(hù)和固定電話(huà)網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)之間的通信連接。5網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)NSS網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（NSS）由六個(gè)功能單元組成：移動(dòng)業(yè)務(wù)控制中心MSC（MobileserviceSwitchingcenter）訪問(wèn)用戶(hù)位置寄存器VLR（VisitorLocationRegister）歸屬用戶(hù)位置寄存器HLR（HomeLocationRegister）鑒權(quán)中心AUC（AuthenticateCenter）移動(dòng)設(shè)備標(biāo)識(shí)寄存器EIR（EquipmentIdentityRegister）操作維護(hù)中心OMC（OperationandMaintenanceCenter）。61.移動(dòng)業(yè)務(wù)控制中心MSCMSC是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的核心。首先，MSC是交換機(jī)，它通過(guò)接口和其他MSC或PSTN建立連接、進(jìn)行呼叫控制和計(jì)費(fèi)。在一個(gè)容量較大的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，其網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)中可能包含若干個(gè)MSC。同時(shí)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)以及固定網(wǎng)絡(luò)連接、負(fù)責(zé)移動(dòng)網(wǎng)至固定網(wǎng)、以及固定網(wǎng)到移動(dòng)網(wǎng)呼叫轉(zhuǎn)接功能的MSC叫做網(wǎng)關(guān)MSC（即GMSC）。GSM系統(tǒng)通過(guò)GMSC與公用電信網(wǎng)PSTN互連，一般采用7號(hào)信令系統(tǒng)接口。其物理鏈接方式是通過(guò)在GMSC與PSTN或ISDN交換機(jī)之間采用2.048Mb/s的PCM數(shù)字傳輸鏈路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。MSC具有號(hào)碼存儲(chǔ)、呼叫處理、路由選擇等功能。MSC可以從HLR、VLR和AUC獲取處理用戶(hù)位置登記和呼叫請(qǐng)求所需要的全部數(shù)據(jù)。反之，MSC也根據(jù)其獲取的最新信息請(qǐng)求更新數(shù)據(jù)庫(kù)的部分?jǐn)?shù)據(jù)。7VLR和HLR訪問(wèn)用戶(hù)位置寄存器（VLR）VLR中存放的是MSC管轄范圍內(nèi)的用戶(hù)的相關(guān)信息。VLR負(fù)責(zé)用戶(hù)的位置登記和位置信息的更新，MSC根據(jù)用戶(hù)在VLR中登記的位置，對(duì)其發(fā)起尋呼。VLR中的數(shù)據(jù)是臨時(shí)的（只有用戶(hù)在其服務(wù)區(qū)內(nèi)時(shí)，VLR中才保留該用戶(hù)的數(shù)據(jù)）。歸屬用戶(hù)位置寄存器（HLR）HLR是GSM系統(tǒng)的中央數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)著該HLR控制區(qū)內(nèi)所有用戶(hù)的相關(guān)數(shù)據(jù)。一個(gè)HLR可以控制一個(gè)或者若干個(gè)VLR。HLR中存儲(chǔ)著該HLR控制區(qū)內(nèi)所有移動(dòng)用戶(hù)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，保證每個(gè)入局呼叫都能按最新的路徑信息接續(xù)至被叫用戶(hù)。8AUC、EIR和OMC鑒權(quán)中心（AUC）AUC中存儲(chǔ)著鑒權(quán)算法和加密密鑰，用來(lái)防止非法用戶(hù)接入系統(tǒng)，并保證通過(guò)無(wú)線(xiàn)接口進(jìn)行通信的用戶(hù)數(shù)據(jù)的安全。

移動(dòng)設(shè)備識(shí)別寄存器（EIR）EIR中存儲(chǔ)著移動(dòng)設(shè)備的國(guó)際移動(dòng)設(shè)備識(shí)別碼IMEI，分別列出準(zhǔn)許使用的、失竊不準(zhǔn)使用的、出現(xiàn)異常需要監(jiān)視的移動(dòng)設(shè)備。AUC根據(jù)MSC的要求檢查IMEI，確保入網(wǎng)設(shè)備不是被盜用的或者故障設(shè)備。但這一設(shè)備在真正運(yùn)營(yíng)的網(wǎng)絡(luò)中未使用。

運(yùn)營(yíng)與維護(hù)中心（OMC）OMC用于對(duì)GSM系統(tǒng)進(jìn)行集中操作與維護(hù)，允許遠(yuǎn)程接入對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)和管理，并提供和高層網(wǎng)絡(luò)管理中心（NMC）之間通信的接口。9蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)早期的移動(dòng)通信系統(tǒng)在中心區(qū)域設(shè)置大功率的發(fā)射機(jī)，采用高架天線(xiàn)把信號(hào)發(fā)送到整個(gè)覆蓋地區(qū)(半徑可達(dá)幾十千米)。這種系統(tǒng)的主要矛盾是它同時(shí)提供給用戶(hù)使用的信道數(shù)有限，滿(mǎn)足不了移動(dòng)通信業(yè)務(wù)迅速增長(zhǎng)的需要。例如在20世紀(jì)70年代于紐約開(kāi)通的IMTS(ImprovedMobileTelephoneService)系統(tǒng)(如圖2所示)，僅能提供12對(duì)信道。圖2大區(qū)覆蓋10蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)把整個(gè)服務(wù)區(qū)域劃分成若干個(gè)較小的區(qū)域(Cell,在蜂窩系統(tǒng)中稱(chēng)為小區(qū))，各小區(qū)均用小功率的發(fā)射機(jī)(即基站發(fā)射機(jī))進(jìn)行覆蓋，許多小區(qū)像蜂窩一樣能布滿(mǎn)(即覆蓋)任意形狀的服務(wù)地區(qū)，如圖3所示。圖3小區(qū)覆蓋11通常相鄰小區(qū)不允許使用相同的頻道，否則會(huì)發(fā)生同道干擾。但由于各小區(qū)在通信時(shí)所使用的功率較小，因而任意兩小區(qū)只要相互之間的空間距離足夠大，即使使用相同的頻道，也不會(huì)產(chǎn)生顯著的同道干擾。為此，把若干相鄰的小區(qū)按一定的數(shù)目劃分成區(qū)群(Cluster),并把可供使用的無(wú)線(xiàn)頻道分成若干個(gè)頻率組，同一區(qū)群內(nèi)各小區(qū)均使用不同的頻率組，而任一小區(qū)所使用的頻率組，在其它區(qū)群相應(yīng)的小區(qū)中還可以再用，這就是頻率再用，如圖4所示。

蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)圖4蜂窩系統(tǒng)的頻率再用12蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)通常在一個(gè)大型蜂窩網(wǎng)移動(dòng)電話(huà)系統(tǒng)中，有若干個(gè)移動(dòng)電話(huà)交換局，也稱(chēng)作移動(dòng)交換中心(MSC)，這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)常稱(chēng)作公共陸地移動(dòng)網(wǎng)(PLMN)。每一個(gè)MSC均與公用電話(huà)交換網(wǎng)(PSTN)和所屬基站(BS)連接，如圖5所示。圖5蜂窩網(wǎng)移動(dòng)電話(huà)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)13圖6是蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的示意圖。圖中七個(gè)小區(qū)構(gòu)成一個(gè)區(qū)群，小區(qū)編號(hào)代表不同的頻率組。移動(dòng)交換中心MSC是蜂窩網(wǎng)控制中心，它不僅具有一般程控交換機(jī)所具有的交換、控制功能，還具有適應(yīng)移動(dòng)通信特點(diǎn)的移動(dòng)性管理功能，以完成移動(dòng)用戶(hù)主呼或被呼所必需的控制。每個(gè)移動(dòng)用戶(hù)在其常駐地的MSC經(jīng)過(guò)登記注冊(cè)即可入網(wǎng)，稱(chēng)為本地用戶(hù)。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)入另一個(gè)移動(dòng)電話(huà)交換局所管轄區(qū)時(shí)，該移動(dòng)電話(huà)交換局稱(chēng)為被訪問(wèn)移動(dòng)電話(huà)交換局，來(lái)訪的移動(dòng)用戶(hù)稱(chēng)為漫游用戶(hù)。圖6蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)示意圖蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)1411.1.1移動(dòng)交換機(jī)一般結(jié)構(gòu)常用的MSC/VLR綜合式移動(dòng)交換機(jī)結(jié)構(gòu)如圖7所示。數(shù)字交換網(wǎng)絡(luò)DTMHLR主存CPUVLRBSIDTMTCSMIWFTGNNSI至BS圖7MSC/VLR綜合式移動(dòng)交換機(jī)的基本結(jié)構(gòu)1511.1.1移動(dòng)交換機(jī)一般結(jié)構(gòu)和固話(huà)網(wǎng)程控交換機(jī)相比，其結(jié)構(gòu)上的差異為：增設(shè)基站信令接口BSI和網(wǎng)絡(luò)信令接口NSI。BSI傳送與移動(dòng)臺(tái)通信的信息，以及基站控制和維護(hù)管理信息；NSI向PLMN其它網(wǎng)絡(luò)部件傳送移動(dòng)用戶(hù)管理、頻道轉(zhuǎn)接控制、網(wǎng)絡(luò)操作維護(hù)管理等信息。這些通道與話(huà)音傳輸通路是分開(kāi)的。增設(shè)HLR、VLR數(shù)據(jù)庫(kù)。撤除用戶(hù)級(jí)設(shè)備。增設(shè)碼型變換和子復(fù)用設(shè)備TCSM（可選）。增設(shè)網(wǎng)絡(luò)互通單元IWF（可選）。在GSM系統(tǒng)與PSTN系統(tǒng)的接口處可設(shè)置此設(shè)備，用于兩個(gè)系統(tǒng)之間信號(hào)的轉(zhuǎn)換。1611.2移動(dòng)交換技術(shù)移動(dòng)交換機(jī)除了具備一般交換機(jī)的功能外，還具備如下的特定功能：移動(dòng)用戶(hù)接入處理：對(duì)于MS主叫，不存在用戶(hù)線(xiàn)掃描、撥號(hào)音發(fā)送和收號(hào)等處理過(guò)程。MS接入和發(fā)號(hào)通過(guò)無(wú)線(xiàn)接口信令一次性完成。信道分配路由選擇切換：交換機(jī)在用戶(hù)進(jìn)入通信階段后繼續(xù)監(jiān)視業(yè)務(wù)信道，必要時(shí)進(jìn)行切換，以保證通信的連續(xù)性。移動(dòng)計(jì)費(fèi)17無(wú)論何時(shí)，當(dāng)某一移動(dòng)用戶(hù)在接入信道上向另一移動(dòng)用戶(hù)或有線(xiàn)用戶(hù)發(fā)起呼叫，或者某一有線(xiàn)用戶(hù)呼叫移動(dòng)用戶(hù)時(shí)，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)就要按照預(yù)定的程序開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。網(wǎng)絡(luò)要為用戶(hù)呼叫配置所需的控制信道和業(yè)務(wù)信道，指定和控制發(fā)射機(jī)的功率，進(jìn)行設(shè)備和用戶(hù)的識(shí)別和鑒權(quán)，完成無(wú)線(xiàn)鏈路和地面線(xiàn)路的連接和交換，最終在主呼用戶(hù)和被呼用戶(hù)之間建立起通信鏈路，提供通信服務(wù)。這一過(guò)程稱(chēng)為呼叫接續(xù)過(guò)程，提供移動(dòng)通信系統(tǒng)的連接控制(或管理)功能。

網(wǎng)絡(luò)的控制與管理18移動(dòng)臺(tái)開(kāi)機(jī)后的工作當(dāng)MS開(kāi)機(jī)后，它將在GSM網(wǎng)中對(duì)自己進(jìn)行初始化，從網(wǎng)絡(luò)中獲得自身的位置、小區(qū)配置、網(wǎng)絡(luò)情況、接入條件等信息。小區(qū)選擇：MS有一個(gè)小區(qū)選擇算法，用于確定最好的有效小區(qū)，可以手工或自動(dòng)確定有效GSM網(wǎng)。有幾個(gè)因數(shù)如MS收到的信號(hào)強(qiáng)度、位置區(qū)域和MS的功率等級(jí)等都可用于小區(qū)選擇的確定。一旦選擇了有效的GSM網(wǎng)，MS就可選擇登錄的小區(qū)。建立通信鏈路：通信鏈路的建立程序由MS調(diào)諧到隨機(jī)接入信道RACH上發(fā)出信道請(qǐng)求信息，然后轉(zhuǎn)到接入許可信道AGCH，等待來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)。BTS收到信道請(qǐng)求后，便增加有關(guān)傳輸時(shí)延的信息一起傳輸給BSC。BSC能夠通過(guò)比較時(shí)延進(jìn)行賦值。19呼叫過(guò)程：圖8移動(dòng)臺(tái)主呼20呼叫過(guò)程：圖9移動(dòng)臺(tái)被呼21圖10移動(dòng)用戶(hù)呼叫釋放過(guò)程2211.4自動(dòng)漫游技術(shù)位置登記：所謂位置登記，就是移動(dòng)用戶(hù)通過(guò)反向控制信道向移動(dòng)交換機(jī)報(bào)告它的當(dāng)前位置，如果位置發(fā)生變化，新的位置信息就由移動(dòng)交換機(jī)通知HLR登錄，系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)跟蹤移動(dòng)用戶(hù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)漫游用戶(hù)的自動(dòng)接續(xù)。位置登記有如下三種方式：始呼登記：當(dāng)移動(dòng)臺(tái)發(fā)起一次呼叫時(shí)，移動(dòng)交換機(jī)在處理呼叫接續(xù)的同時(shí)，自動(dòng)執(zhí)行一次位置登記過(guò)程；定時(shí)登記：移動(dòng)臺(tái)在MSC的控制下周期性的發(fā)送位置登記消息。定時(shí)登記不但可以跟蹤漫游用戶(hù)的位置，而且還可以監(jiān)視移動(dòng)臺(tái)的工作狀態(tài)。強(qiáng)迫登記：當(dāng)移動(dòng)臺(tái)由一個(gè)移動(dòng)交換機(jī)業(yè)務(wù)區(qū)域進(jìn)入另一個(gè)移動(dòng)交換機(jī)業(yè)務(wù)區(qū)域時(shí)，將自動(dòng)向新的訪問(wèn)交換機(jī)發(fā)出登記消息。23位置登記現(xiàn)舉例說(shuō)明位置登記的過(guò)程，如圖5所示。假定MS在BSB4小區(qū)，這時(shí)的位置登記過(guò)程如下；MS通過(guò)BSB4向MSCB報(bào)告（即進(jìn)行位置登記）；被訪MSCB根據(jù)MS的原籍區(qū)號(hào)及用戶(hù)識(shí)別碼等，找到原籍MSCA的原籍位置寄存器進(jìn)行咨詢(xún)，查出該用戶(hù)識(shí)別碼，并把給MS的新區(qū)位置號(hào)存入原籍位置寄存器（在原籍MSCA中）。與此同時(shí)，位置信息也在被訪問(wèn)MSCB的被訪問(wèn)位置寄存器中存入，以備MS被呼時(shí)使用；24圖11位置登記示意圖25路由重選路由重選方法有兩種：原籍局重選：無(wú)論漫游用戶(hù)現(xiàn)在何處，一律先接至其原籍局H-MSC，然后再由原籍局查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)，獲得漫游用戶(hù)的當(dāng)前訪問(wèn)交換局，再次選路至被訪局V-MSC。網(wǎng)關(guān)局重選：不論移動(dòng)用戶(hù)的原籍局在哪里，主叫用戶(hù)首先將此呼叫接至與之最近的一個(gè)網(wǎng)關(guān)局G-MSC，由它查詢(xún)HLR數(shù)據(jù)庫(kù)，完成至被訪局V-MSC的話(huà)路接續(xù)。目前我國(guó)數(shù)字移動(dòng)網(wǎng)采用網(wǎng)關(guān)局重選法。2611.5切換技術(shù)在移動(dòng)臺(tái)通話(huà)期間，系統(tǒng)必須由基站或移動(dòng)臺(tái)對(duì)無(wú)線(xiàn)傳輸質(zhì)量進(jìn)行在線(xiàn)跟蹤監(jiān)視。一旦發(fā)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)信號(hào)或傳輸質(zhì)量發(fā)生變化時(shí)，就必須采取一些措施，如功率控制、越區(qū)切換和呼叫釋放等措施。在模擬蜂窩電話(huà)系統(tǒng)中設(shè)置檢測(cè)（SAT）信雜比和無(wú)線(xiàn)頻率（RF）信號(hào)強(qiáng)度來(lái)反映通話(huà)質(zhì)量，如圖3和圖4所示。在數(shù)字蜂窩GSM系統(tǒng)中，檢測(cè)的項(xiàng)目更多，并由基站和移動(dòng)臺(tái)雙方同時(shí)進(jìn)行?；就瓿僧?dāng)前服務(wù)區(qū)的上行信號(hào)質(zhì)量和信號(hào)強(qiáng)度的檢測(cè)，而移動(dòng)臺(tái)則進(jìn)行下行信號(hào)質(zhì)量和信號(hào)強(qiáng)度的檢測(cè)。27圖12儲(chǔ)存在話(huà)音信道控制單元中的信噪比門(mén)限值

28圖13儲(chǔ)存在話(huà)音信道控制單元中的射頻信號(hào)強(qiáng)度29越區(qū)切換當(dāng)移動(dòng)用戶(hù)在蜂窩服務(wù)區(qū)中移動(dòng)時(shí)，一次通話(huà)時(shí)間內(nèi)可能跨越多個(gè)小區(qū)，這時(shí)需要進(jìn)行越區(qū)切換，其控制機(jī)理如下：當(dāng)通信中的移動(dòng)臺(tái)到達(dá)小區(qū)邊界時(shí)，該小區(qū)的基站檢測(cè)出此移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)正在逐漸變?nèi)?，而鄰近小區(qū)的基站檢測(cè)出這個(gè)移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)正在逐漸變強(qiáng)，系統(tǒng)收集來(lái)自這些有關(guān)基站的檢測(cè)信息，進(jìn)行判決，當(dāng)需要實(shí)施越區(qū)切換時(shí)，就發(fā)出相應(yīng)的指令，使正在越過(guò)邊界的移動(dòng)臺(tái)將其工作頻率和通信鏈路從離開(kāi)的小區(qū)切換到進(jìn)入的小區(qū)。整個(gè)過(guò)程自動(dòng)進(jìn)行，用戶(hù)并不知道，也不會(huì)中斷行進(jìn)中的通話(huà)。越區(qū)切換的示意圖見(jiàn)圖14。圖14越區(qū)切換示意圖30越區(qū)切換越區(qū)切換（Handover或Handoff）是指將當(dāng)前正在進(jìn)行的移動(dòng)臺(tái)與基站之間的通信鏈路