1.2 移动通信系统的基本组成和工作原理简介

1.2.1 移动通信系统的基本组成

移动通信系的一般组成如图1.1中虚线框中所示。它主要由移动交换机（MSC）、基站控制器（BSC）、基站（BS）、空中无线链路、移动终端站（MS）和控制管理系统（OMC）组成。

BSC（Base Station Control）—基站控制器； BS（Base Station）—基站；MS（Mobile Station）—移动站； Abis—BSC与BS之间的基带接口；Q—系统内部操作控制管理信令接口

如图1.2所示是一个移动通信系统设备组成的实例。它是最早投入实际使用的公众模拟移动通信电话系统（AMPS），是由美国人在开发制造、1982投入使用的第一代移动通信系统。它的基本结构组成和系统工作原理与第二代数字移动通信系统基本相同。其中，移动台收/发信机和基站接收机为全频段工作的无线电收/发设备，基站发信机是按指配频道进行工作的。

在移动通信系统的网络侧，移动交换机与公用通信网络相连接，使得移动通信网变成了公用通信网与用户群相连接的一个接入通信系统网络组成部分。所以有的书刊又将移动通信网称为另一种类型的接入通信网络。这样就能使得任何一个移动通信接入网络的移动用户都可以通过公用通信网络，与公用通信网络的固定通信用户和其他任何一个移动通信接入网络服务范围内的移动用户进行通信联络。

1.2.2 移动通信系统的简要工作原理

一台移动交换机或一个移动交换局通常只能覆盖一个地区或一个城市，负责这一地区范围内的移动通信业务的交换处理工作。每一个移动交换机下面通常连接有若干个基站控制器，每一个基站控制器再与若干个基站相连接。每个基站通过空间无线链路与移动站相连通，使得那些活动在该基站无线电波覆盖范围内的用户能够通过空间无线链路与本基站覆盖范围内的移动用户以及其他基站覆盖范围内的任意一个移动用户实现互联互通，达到相互通信联络的目的。

在面向公用通信网侧，每一个移动交换机还为本交换机负责地区范围内的所有移动通信用户提供长途通信接续功能，实现和其他与公用网相连接移动交换机网络的互联互通，共同组成更大范围的移动通信覆盖网络。此外，移动交换机还为本交换机覆盖范围内的移动用户提供与公用网和市话局相连接的固定用户的通信服务。

移动用户的呼叫信息流程如下：

1）移动站呼叫移动站

（1）同一个基站覆盖小区内移动站之间的呼叫：1#MS→BS（k）→BSC（i）→MSC（N）→BSC（i）→BS（k）→1#MS。

（2）同一基站控制器内不同基站移动站之间的呼叫：1#MS→BS（k）→BSC（i）→MSC（N）→BSC（i）→BS（p）→1#MS。

（3）不同基站控制器内移动站之间的呼叫：1#MS→BS（k）→BSC（i）→MSC（N）→BSC （j）→BS（k）→1#MS。

（4）“N”移动交换机服务范围内的移动用户与“L”移动交换机服务范围内的移动用户站之间的呼叫（长途）：1#MS→BS（k）→BSC（i）→MSC（N）→公用网（PSTN）→MSC（L）→BSC（i）→BS（k）→1#MS。

2）移动站与固定用户之间的呼叫

移动用户站与固定用户之间的呼叫：1#MS→BS（k）→BSC（i）→MSC（N）→公用网（PSTN）→市话局→固定电话用户。反之亦然。

不同移动交换机之间的移动用户的呼叫和移动用户呼叫固定用户又称为长途呼叫。

3）移动通信用户的越区与漫游

移动通信用户，顾名思义是指一个位置处于不断移动变化状态下的通信用户。他可能从某个基站覆盖区移动进入另一个基站覆盖区，所以移动通信系统必须具有“越区”不间断通信功能。此外，移动通系统内的任何一个移动信用户都有可能进行长途旅行，从本机移动交换局移动进入其他任何一个移动交换局的任何一个基站覆盖范围内。在此“长途旅行”过程中，要能保证移动用户的正常呼叫和通信的不间断性（漫游功能）。

通过以上介绍不难看出：只要每个基站覆盖小区能够实现100%无缝全覆盖，凡是基站无线波覆盖能够到达的地方，就能实现陆地公众移动通信的最终目标——任何人可以在任何地方与任何人实现通信。

1.2.3 移动通信的主要特点

移动通信与固定有线通信不同的是：固定通信的用户位置是固定不变的，而移动通信用户的位置随时随地都处于不断随机移动变化中。移动通信用户的位置不仅可以在本移动终端机（手机）用户常住地的交换机（局）覆盖地域范围内任意移动，还可以在不同的移动交换机（局）之间任意移动（漫游）。用户移动终端机（手机）的移动性特给移动通信系统的设计和管理带来了许多新问题，主要有以下几个方面。

1.越区切换

越区切换是指移动台（站），从某基站覆盖小区范围内向相邻的基站覆盖小区方向移动，并越过该基站覆盖小区边界进入相邻的另外一个基站覆盖小区的行为过程。移动通信用户发生越区事件时，不要因为“越区”而中断正在进行的通信业务，或保证“越区”不间断通信的功能。在移动通信系统中，这种保证“越区”不间断通信的功的行为过程称为“越区切换”。移动站必须在越过基站覆盖边界的同时将通信链路从现有基站提供的通信链路瞬间（切换时间极短用户感觉不到）切换到即将进入的下一个基站覆盖小区的基站提供的新接续链路，并继续保持正在进行的通信业务不中断。显然移动终端机（手机）越区切换事件的成功完成，必须建立在即将离去的基站、即将进入的下一个接待基站和移动站三者对越区切换事件的整个过程——从识别、判决、证实、执行、证实——的完全透明运行过程，并协调一致地同步动作完成整个“越区切换”的操作过程。越区切换这一动作的操作过程是由移动通信系统专门设计的实时检测控制与网路控制管理信令系统协调控制基站和移动站共同完成的。

2.位置管理

移动通信用户的位置处于不断的随机变化中，使得移动通信系统必须具有与之相适应的位置管理方法。它有点像一个国家对社会人口的户籍管理。移动通信系统对移动用户的管理是以移动通信交换局为归属单位，对本交换局内的常住移动用户进行统一的位置登记和管理。在每个移动交换局中设有一个叫“HLR”的归属位置登记处（寄存器）。“HLR”就是用来保存和记录本局常住移动用户各种信息（含位置移动变化信息）的一个寄存器处理单元。此外，在每个交换机局中还设置了一个与“HLR”相类似的“VLR”——来访者位置登记寄存器单元。“VLR”专门为那些从其他移动局移动（出局）并进入本局外来移动用户提供位置和用户信息登记、记录的管理单元。一个移动用户从本局移动出局并进入其他移动交换（局）的事件又称为漫游，所以又叫漫游用户管理。“HLR”和“VLR”统一由交换控制中心协调和控制管理。

3.防盗与加密

移动通信系统是由基站无线覆盖构成的一个开放性通信系统。为了防止非法盗用，在每个移动交换机中还设计有一个用户的“身份证”数据库“EIR”。它专门记录和审核用户身份，以防非法盗用。此外，为了防止移动用户通信的信息泄密，在交换中还设计有一个对用户语音进行加密处理的单元“AUC”。

除上述与移动特性有关的功能外，其他交换、计费等功能与普通固定通信网的功能相同。

4.多普勒频移

在移动通信系统中，移动站的位置变化还会产生多普勒频移。特别是移动手机携带者乘车或车载移动台，沿基站天线发射波的径向行驶时，多普勒频移将会达到最大值。多普勒频移的大小与移动站行驶速度、方向和载频有关，可用下式计算：

式中，v为移动站行驶速度；c为光速；f为基站工作频率；θ为移动站行驶方向与基站天线辐射路径方向的夹角。

移动通信系统中的多普勒频移是一个随机变量。它将对基站和移动站接收机和相干解调最佳接收造成较大的影响。这在固定通信中是不曾遇到过的。多普勒频移对最佳接收机的载频恢复的影响最大，将对载频恢复锁相环的捕捉带宽、相位跟踪特性造成严重的影响。环路的滤波网络必须对频率的线性和加速度变化引起的载频相位变化进行精确跟踪，以消除其多普勒频移所造成的载频相位变化。

1.2.4 移动通信系统的基带信号帧结构组成

下面以GSM时分多址（TDMA）移动通信系统为例进行介绍。基站控制器与基站之间的基带信号接口被定义为“Abis”接口。

基带信号接口“Abis”的时隙帧结构组成如图1.3所示。“Abis”接口基带信号的帧长为120ms。每帧包含26个时隙，其中2个为系统控制信道时隙，用符号“●”来表示，其余24个为业务时隙。

各业务时隙信道的信息数据结构和功能主要有以下几方面。

1）控制信道时隙信息组成

控制信道时隙又可划分为若干信令子信道：

（1）基站对移动站的广播控制信道；

（2）基站对移动站寻呼信道；

（3）随机选取控制信道（移动站对基站）；

（4）慢速接入控制信道（480ms/帧，移动站与基站之间交换信息）。

2）业务时隙信息组成

1～24时隙为业务时隙，又称为快速接入控制信道时隙（移动站与基站之间交换信息）。每个业务时隙可进一步划分为0～7个子时隙。

（1）0时隙为公用时隙：快速接入控制信道，用于移动站与基站之间的控制信令信息交流。

（2）1～7时隙为用户业务时隙：每个用户业务时隙的数据比特结构如图1.3所示。

1.2.5 GSM空间接口跳频扩频的时-频图

跳频扩频是GSM移动通信系统的可选工作模式之一。如图1.4所示为一个3载频8时隙跳频工作状态示意图。

GSM移动通信系统的跳频工作参数如下。

（1）跳频速率：217次/s。

（2）跳频驻留时间（持续时间）：577μs（一个时分工作时隙）。

（3）跳频带宽：19/25MHz。

（4）跳频序列：64个。

（5）跳频频率集最大（25MHz）：122个。

1.2.6 GSM工作频段

GSM移动通信系统工作频段配置及电信（移动）和联通占用频段划分如图1.5所示。

GSM移动通信系统的工作频段为超短波频段。该频段无线电传播已经接近光波（直线）传播性质。但由于该频段处于微波频段的低端，所以仍然具有一定的绕射传播特点，有利于减小遮挡所造成的无线电阴影盲区。