蜂窝移动通信系统解析
蜂窝移动通信系统组成(二)2024
蜂窝移动通信系统组成（二）引言概述：蜂窝移动通信系统是一种基于蜂窝网络的无线通信系统，由多个基站和用户设备组成。
在上一篇文章中，我们介绍了蜂窝移动通信系统的基本原理和组成部分。
在本文中，我们将进一步探讨蜂窝移动通信系统的组成，包括信道管理、移动管理、呼叫管理、资源管理和安全管理。
正文：一、信道管理1. 频率复用技术：介绍频率复用技术如频分复用（FDMA）和时分复用（TDMA），以提高频谱利用率。
2. 多址复用技术：介绍多址复用技术如码分多址（CDMA）和分组调度多址（TD-CDMA），以支持多用户同时传输数据。
3. 带宽分配：介绍如何通过动态频率分配（DFCA）和动态信道分配（DCA）等技术，根据用户需求分配信道资源。
二、移动管理1. 基站切换：介绍移动用户在不同基站之间切换的过程，包括小区搜索、测量和切换决策等步骤。
2. 手机定位：介绍如何通过不同定位技术如GPS和无线定位等，确定移动用户的位置信息。
3. 用户鉴权和注册：介绍用户鉴权和注册过程，以确保只有合法用户能够接入系统并进行通信。
三、呼叫管理1. 呼叫建立：介绍呼叫建立过程，包括寻呼、呼叫请求和呼叫确认等步骤。
2. 呼叫保持与转移：介绍呼叫保持和呼叫转移等功能，以支持用户在通话中保持或转移呼叫。
3. 呼叫释放：介绍呼叫释放过程，包括正常释放、异常释放和强制释放等情况。
四、资源管理1. 功率控制：介绍功率控制技术，以确保系统中各个用户设备的发送功率在合理范围内，保证通信质量。
2. 频率管理：介绍频率管理技术，以平衡系统中不同用户设备之间的频率资源，避免干扰。
3. 带宽管理：介绍带宽管理技术，以合理分配系统中的带宽资源，满足不同用户的通信需求。
五、安全管理1. 用户身份认证：介绍用户身份认证技术，以确保只有合法用户能够接入系统并进行通信。
2. 数据加密与解密：介绍数据加密与解密技术，以保证用户数据的机密性和完整性。
3. 防止恶意攻击：介绍常见的恶意攻击方式如拒绝服务攻击（DDoS）和干扰攻击，并提供相应的防护措施。
蜂窝移动通信网络的特点及应用
蜂窝移动通信网络的特点及应用现代人的生活已经离不开移动通信网络，而这个网络的核心便是蜂窝移动通信网络。
它是一种基于无线电的通信技术，可以实现在移动状态下进行语音、数据和视频通信。
本文将对蜂窝移动通信网络的特点及应用进行分析。
一、蜂窝移动通信网络的特点1. 大容量蜂窝移动通信网络可以承载大量的通信流量，可以同时满足各种通信应用的要求。
在一定范围内，只要增加基站的数量和信道的数量，就可以扩展通信网络的容量。
2. 高速率蜂窝移动通信网络的速率比其他无线通信网络要高，可以满足更复杂的数据和视频传输需求。
同时，技术的不断创新也使网速得到不断提升。
3. 广覆盖面蜂窝移动通信网络可以覆盖更广的地域范围，无需铺设复杂的通信线路。
在城市、农村甚至是海洋，都可以实现通信。
4. 低功耗蜂窝移动通信网络的信号可以实现低功耗，也就是说，它可以在低电量的设备上运行，这对于手机等便携设备的使用显得尤为重要。
二、蜂窝移动通信网络的应用1. 移动电话移动电话是蜂窝移动通信网络的最主要应用，通过基站和中继站，实现将通信信号进行转换传输。
通过这种方式，可以让全球范围内的人们进行言语通信。
2. 移动数据蜂窝移动通信网络可以通过通信接口进行数据通信，在数据转换和传输过程中，可以保证数据的完整性和安全性。
3. 网络下一代技术蜂窝移动通信网络作为通信技术的代表，已经成为网络下一代技术的发展方向。
目前，5G网络技术已经快速发展，将会进一步提升通信技术的速率、覆盖范围和容量。
4. 物联网随着物联网概念在全球范围内的普及和落地，蜂窝移动通信网络也逐渐成为物联网通信的基础组成部分。
物联网通过各种物联设备和蜂窝移动通信网络实现信息的互联互通。
总之，蜂窝移动通信网络作为一种重要的通信技术，从诞生之初到现在已经发展至成熟阶段。
在未来，其将继续发挥重要作用，伴随着科技的进步，不断提升技术性能和扩大应用领域。
蜂窝移动通信系统组成
蜂窝移动通信系统主要是由交换网路子系统（NSS）、无线基站子系统(BSS)和移动台（MS）三大部分组成，如图2－1所示。
其中NSS与BSS之间的接口为“A”接口，BSS与MS之间的接口为“Um”接口。
在模拟移动通信系统中，TACS规范只对Um接口进行了规定，而未对A接口做任何的限制。
因此，各设备生产厂家对A接口都采用各自的接口协议，对Um接口遵循TACS规范。
也就是说，NSS系统和BSS系统只能采用一个厂家的设备，而MS可用不同厂家的设备。
图2－1 蜂窝移动通信系统的组成由于GSM规范是由北欧一些运营公司“炒”出的规范，运营公司当然喜欢花最少的投资，用最好的设备来建最优良的通信网，因此GSM规范对系统的各个接口都有明确的规定。
也就是说，各接口都是开放式接口。
GSM系统框图如图2-2，A接口往右是NSS系统，它包括有移动业务交换中心（MSC）、拜访位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AUC）和移动设备识别寄存器（EIR），A接口往左Um 接口是BSS系统，它包括有基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。
Um接口往左是移动台部分（MS），其中包括移动终端（MS）和客户识别卡（SIM）。
图2－2 GSM系统框图在GSM网上还配有短信息业务中心（SC），即可开放点对点的短信息业务，类似数字寻呼业务，实现全国联网，又可开放广播式公共信息业务。
另外配有语音信箱，可开放语音留言业务，当移动被叫客户暂不能接通时，可接到语音信箱留言，提高网路接通率，给运营部门增加收入。
2.2 交换网路子系统交换网路子系统（NSS）主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。
NSS 由一系列功能实体所构成，各功能实体介绍如下：MSC：是GSM系统的核心，是对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制和完成话路交换的功能实体，也是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口。
它可完成网路接口、公共信道信令系统和计费等功能，还可完成BSS、MSC之间的切换和辅助性的无线资源管理、移动性管理等。
数字蜂窝移动通信系统的基本组成及各部分的作用
数字蜂窝移动通信系统的基本组成及各部分的作用数字蜂窝移动通信系统的基本组成及各部分的作用随着移动通信技术的飞速发展，数字蜂窝移动通信系统已经成为了我们生活中不可或缺的一部分。
这一系统以其高效率、便捷性和广泛的覆盖范围，为人们提供了无线通信和数据传输的便利。
但是，对于普通用户来说，对数字蜂窝移动通信系统的基本组成以及各部分的作用，往往显得有些陌生。
本文将通过深度和广度兼具的方式，全面评估数字蜂窝移动通信系统的基本组成及各部分的作用，帮助读者更好地了解这一重要的通信系统。
一、数字蜂窝移动通信系统的基本组成数字蜂窝移动通信系统是由多个基本部分组成的复杂系统，其中包括基站系统、核心网和移动终端三个部分。
1. 基站系统基站系统是数字蜂窝移动通信系统中最为重要的组成部分之一，其主要包括基站、无线传输子系统和控制器等多个子系统。
基站是通信系统中的一个核心设备，用于对移动终端进行信号的发送和接收。
无线传输子系统则负责信号的传输和解调工作，保障了通信的稳定性和可靠性。
控制器则起到了对基站和移动终端的控制和管理作用，确保通信系统的正常运行。
2. 核心网核心网是数字蜂窝移动通信系统的另一个重要组成部分，其主要功能是对移动通信数据进行传输和交换。
它由移动交换中心、业务支撑系统和数据传输网等多个子系统构成。
移动交换中心是数字蜂窝移动通信系统中的核心设备，用于对移动通信数据进行交换和路由。
业务支撑系统则用于提供各种业务支持和管理服务，保障了通信系统的正常运行。
数据传输网则负责对移动通信数据进行传输和交换，确保了通信数据的安全性和稳定性。
3. 移动终端移动终端是数字蜂窝移动通信系统中的另一重要组成部分，其主要包括手机、数据卡和调频器等设备。
手机是人们日常生活中最为常见的移动终端设备，用于进行语音通话、发送和数据传输等多种通信功能。
数据卡则是用于将移动通信数据传输到移动终端设备中的重要设备，它能够确保移动终端设备能够正常、稳定地进行通信。
蜂窝移动通信的认识
蜂窝移动通信的认识蜂窝移动通信，是指通过地面和卫星等无线电波传播信号来进行通讯的无线通信技术，它是一种基于地面基站和用户设备的相互通信的通讯方式，通常应用于手机通讯和移动卫星通讯系统。
蜂窝移动通信的核心技术是基站无线网络技术，即使用基站覆盖的一定范围内提供无线通信服务，以实现通信联络的目的。
蜂窝移动通信发展历程自20世纪60年代末MTC（移动通信系统Mobile Telephone System）首次提出蜂窝移动通信（Cellular Mobile Communications）的概念，以至于现今的5G，蜂窝移动通信已经发生了翻天覆地的变化。
在一开始的时候，蜂窝移动通信的出现是为了满足移动通信的需求。
而在20世纪80年代中期，蜂窝移动通信因其具有的可靠性和效率，得到国际通用的认可，开始在世界各地推广使用。
到了90年代，由于互联网的出现，蜂窝移动通信也逐渐融合了新的技术，如多媒体服务、移动互联网等。
进入21世纪，随着5G技术的不断发展，蜂窝移动通信技术的范围也越来越广，从最初的语音通信，到现在支持高清视频、VR/AR等应用，有了更多便利性。
蜂窝移动通信的工作原理蜂窝移动通信的工作原理比较简单，其基本架构主要包括基站、移动电话、交换中心和调度服务器等。
基站是整个蜂窝移动通信的核心设备，其主要功能是将信号传输到调度服务器，使其能在远距离范围内进行通讯。
同时，基站还负责将信号转发给手机，完成通讯过程。
移动电话通常由发射器和接收器、处理器、电池、操作系统等部分组成，通过无线电波接收和发送信息。
用户使用手机与基站进行通讯时，信息会在基站和移动电话之间来回传输，以确保通讯的顺利进行。
交换中心主要负责将到来的电话进行路由并连接到被叫用户所在的移动电话，以完成通讯过程。
调度服务器负责处理信令和数据流，以确保通讯质量。
蜂窝移动通信的特点蜂窝移动通信具有一系列的特点，包括以下几个方面：1. 网络协议简单，建议可靠。
2. 频谱利用高效，可以支持同时多用户通信。
蜂窝移动通信技术
蜂窝移动通信技术常见的蜂窝移动通信系统按照功能的不同可以分为三类，它们分别是宏蜂窝、微蜂窝以及智能蜂窝，通常这三种蜂窝技术各有特点。
1、宏蜂窝技术 蜂窝移动通信系统中，在网络运营初期，运营商的主要目标是建设大型的宏蜂窝小区，取得尽可能大的地域覆盖率，宏蜂窝每小区的覆盖半径大多为1km～25km，基站天线尽可能做得很高。
在实际的宏蜂窝小内，通常存在着两种特殊的微小区域。
一是“盲点”，由于电波在传播过程中遇到障碍物而造成的阴影区域，该区域通信质量严重低劣；二是“热点”，由于空间业务负荷的不均匀分布而形成的业务繁忙区域，它支持宏蜂窝中的大部分业务。
以上两“点”问题的解决，往往依靠设置直放站、分裂小区等办法。
除了经济方面的原因外，从原理上讲，这两种方法也不能无限制地使用，因为扩大了系统覆盖，通信质量要下降；提高了通信质量，往往又要牺牲容量。
近年来，随着用户的增加，宏蜂窝小区进行小区分裂，变得越来越小。
当小区小到一定程度时，建站成本就会急剧增加，小区半径的缩小也会带来严重的干扰，另一方面，盲区仍然存在，热点地区的高话务量也无法得到很好的吸收，微蜂窝技术就是为了解决以上难题而产生的。
2、微蜂窝技术 与宏蜂窝技术相比，微蜂窝技术具有覆盖范围小、传输功率低以及安装方便灵活等，该小区的覆盖半径为30m～300m，基站天线低于屋顶高度，传播主要沿着街道的视线进行，信号在楼顶的泄露小。
微蜂窝可以作为宏蜂窝的补充和延伸，微蜂窝的应用主要有两方面：一是提高覆盖率，应用于一些宏蜂窝很难覆盖到的盲点地区，如地铁、地下室；二是提高容量，主要应用在高话务量地区，如繁华的商业街、购物中心、体育场等。
微蜂窝在作为提高网络容量的应用时一般与宏蜂窝构成多层网。
宏蜂窝进行大面积的覆盖，作为多层网的底层，微蜂窝则小面积连续覆盖叠加在宏蜂窝上，构成多层网的上层，微蜂窝和宏蜂窝在系统配置上是不同的小区，有独立的广播信道。
微蜂窝层的站点数量多，传输成本占整个设备投资的比例大于宏蜂窝基站，根据实际情况选择合理的网络结构和传输手段是非常重要的。
第二章 蜂窝移动通信系统
第二章蜂窝移动通信系统第二章蜂窝移动通信系统2·1 系统概述蜂窝移动通信系统是一种广泛应用于移动通信领域的通信系统。
它由多个小区组成，每个小区都由一个基站负责覆盖和管理通信。
蜂窝移动通信系统提供了可靠的语音和数据传输服务，使得用户可以随时随地进行通信。
2·1·1 系统结构蜂窝移动通信系统包括无线网络和核心网络两部分。
无线网络由基站和无线终端设备组成，负责无线信号的传输和接收。
核心网络则提供了与其他通信网络和服务的连接，以及用户身份认证、信息交换等功能。
2·1·2 系统频段蜂窝移动通信系统使用了多个频段进行通信，常见的频段包括800MHz、900MHz、1800MHz、2100MHz等。
不同频段具有不同的传输能力和覆盖范围，可以根据实际需求进行选择。
2·2 基站基站是蜂窝移动通信系统中的重要组成部分，负责无线信号的发射和接收。
基站通常由天线、发射机、接收机等设备组成。
2·2·1 射频覆盖基站通过发射射频信号来覆盖小区内的区域。
射频覆盖是基站的核心功能之一，它能够实现信号的广播和接收，保证用户能够在小区内稳定地进行通信。
2·2·2 基站选择在蜂窝移动通信系统中，基站的选择对网络性能和用户体验有着重要影响。
基站的选择通常基于信号强度、干扰情况以及其他网络指标等因素。
2·3 无线终端设备无线终端设备是蜂窝移动通信系统中用户使用的设备，包括方式、平板电脑、调频无线电等。
无线终端设备通过无线信号与基站进行通信，实现语音和数据的传输。
2·3·1 方式无线通信方式是最常见的无线终端设备，它通过无线信号与基站进行通信。
方式可以实现语音通话、短信发送和接收、上网浏览等功能。
2·3·2 平板电脑无线通信平板电脑也是常见的无线终端设备，它具有更大的屏幕和更强大的计算能力，可以实现更丰富的应用，如视频通话、游戏等。
第二章蜂窝移动通信系统
为了减小同频干扰，同频小区必须在物理上隔开一个最小的 距离，为传播提供充分的隔离。
可以采用定向天线减小同频干扰。
频率复用距离D与小区簇的关系
频率复用距离D （即同频距离） : D是指最近的两个频点小区中
心之间的距离在小区中心作两条与小区的边界垂直的直线，其夹
角为120º。此两条直线分别连接到最近的两个同频点小区中心，
其长度分别为i和j，于是D为
D 3R （i j / 2）2 ( j 3 / 2)2
3(i2 ij j2 ) R
3N R
×
×
式中D:同频小区的距离 N: 单位无线区群中的小区数目 N i2 ij j2 R:小区半径 3R :邻区中心之间距离
× × 1i
6
4
2
5D j
7
3
×
1
7
×
6
4
r
3 3r 2 4
r
1.3r 2
2r
3r
大：BS间干扰小
2r 2
2 2r
3 3r 2 2.6r 2 小：同频干扰小
最少频率
6
4
3
少：频率利用率高
正个六数边形小区形状最佳，相互邻接构成蜂窝状网络结构
小区制--面状服务覆盖区
通过上表可见，采用正六边形无线小区邻接构成整个面状 服务区为最好。
信道统监视方法
目的：使切换请求优先于初始呼叫请求 原理：保留小区中所有可用信道的一小部分，专门为那些可能要
切换到该小区的通话所发出的切换请求服务
对切换请求进行排队
目的：减小中断的发生概率 原理：信号强度下降到切换门限以下和因信号太弱而通话中断之
间的时间间隔是有限的
2.2 信道切换策略
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• 2.2.2 大区制小容量
• 2.2.3 频率复用和小区制移动通信系统
6
2.2.1 蜂窝小区的概念 • 蜂窝的概念是一个系统级的概念，其思想是用许
移 动 通 信 原 理
多小功率的发射机来代替单个的大功率发射机，
每一个小的覆盖区只提供服务范围内的一小部分
覆盖。
• 移动通信网的区域覆盖方式分为两类：
4
2.1.2 移动通信网组成
（1）空中网络部分
移 动 通 信 原 理
–多址接入方式
–频率复用和蜂窝小区 –切换和位置更新
（2）地面网络部分
–服务区内各个基站的相互连接 –基站与固定网络（PSTN、ISDN、数据网等）
5
2.2 蜂窝小区的概念和区域覆盖
• 2.2.1 蜂窝小区的概念
移 动 通 信 原 理
市、工矿区以及专业部门，是发展专用移动通信网可选
用的制式。
8
2.2.3 频率复用和小区制移动通信系统
• 为整个系统中的所有基站选择和分配信道组的
移 动 通 信 原 理
设计过程叫做频率复用或频率规划。
• 小区制大容量
• 小区制移动通信系统的频率复用和覆盖有两种
方式，一种是带状服务覆盖区；另一种是面状
移 动 通 信 原 理
空隙，每一个区群的小区数量N满足下式：
N = i2 + ij + j2 （2-3）
N 3 4 7 9 12 13 16 19 21 25 27 j 1 0 1 0 2 i 1 2 2 3 2 1 3 0 4 2 3 1 4 0 5 3 3
15
2.2.3 频率复用和小区制移动通信系统
3
2.1.1 移动通信网概念
• 移动通信在追求最大容量的同时，还要追
移 动 通 信 原 理
求最大的覆盖，未来的目标是全球无缝覆
盖(seamless coverage)
–即无论用户移动到什么地方，移动通信系统都 应该覆盖到 –要实现系统在其覆盖区内良好的通信，就必须 有一个通信网支持，这个网络就是移动通信网
服务覆盖区。
9
2.2.3 频率复用和小区制移动通信系统 带状覆盖区(铁路或江河沿线)
移 动 通 信 原 理来自图2-1 双频组和三频组频率配置
10
2.2.3 频率复用和小区制移动通信系统 面状覆盖区
移 动 通 信 原 理
• 无线移动通信系统广泛使用六边形研究系统覆盖和业务
需求。
• 实际上，由于无线系统覆盖区的地形地貌不同，无线电 波传播环境不同，产生的电波的长期衰落和短期衰落不 同，因而一个小区的实际无线覆盖是一个不规则的形状。 • 当用六边形来模拟覆盖范围时，基站发射机或者安置在
13
2.2.3 频率复用和小区制移动通信系统 • 共同使用全部可用频率的N个小区叫做一簇
移 动 通 信 原 理
（cluster，也叫区群）。 N叫做簇（或区群）
的大小，如果区群在系统中共同复制了M次，
则信道的总数C可以作为容量的一个度量
C = MKN = MS （2-2）
14
2.2.3 频率复用和小区制移动通信系统 • 用正六边形表示的一个小区，可使相邻小区无
移动通信 原理
第二章 蜂窝移动通信系统
移 动 通 信 原 理
2.1 移动通信网的基本概念 2.2 蜂窝小区的概念和区域覆盖 2.3 信道切换策略 2.4 干扰和信道容量 2.5 电信业务流量与服务等级
2
2.1 移动通信网的基本概念
• 2.1.1 移动通信网概念
移 动 通 信 原 理
• 2.1.2 移动通信网组成
N的值表现了移动台或基站可以承受的干扰，同时保
移 动 通 信 原 理
持令人满意的通信质量
移动台或基站可以承受的干扰主要体现在由于频率 复用所带来的同频干扰 同频距离的选定决定着同频干扰的大小，因为干扰 随着距离的增大会减小
同频复用距离D指最近的两个同频点小区中心之间的
距离
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2.2.3 频率复用和小区制移动通信系统
移 动 通 信 原 理
图2-2 蜂窝系统的频率复用
12
2.2.3 频率复用和小区制移动通信系统 • 考虑一个共有S个可用的双向信道的蜂窝系统，
移 动 通 信 原 理
如果每个蜂窝小区都分配K（K< S）个信道，
并且S个信道在N个小区中分为各不相同的、各 自独立的信道组，而且每个信道组有相同的信 道数目，那么可用无线信道的总数为 S = KN （2-1）
2.3 信道切换策略
将正在处于通话状态的移动台转移到新的业务信道上
移 动 通 信 原 理
（新的小区）的过程称为“切换”（handover）
??? 为什么要切换
(1) 信号强度或质量下降引起切换
(2) 容量问题引起切换
18
2.4 干扰和信道容量
• 干扰是蜂窝无线系统性能的主要限制因素。
移 动 通 信 原 理
着许多使用同一组频率的小区，这些小区叫做同
• 在蜂窝系统中，存在两种主要的干扰，即同
频干扰和邻频干扰。
19
2.4 干扰和信道容量
• 2.4.1 同频干扰和系统容量
移 动 通 信 原 理
• 2.4.2 相邻信道的干扰
• 2.4.3 蜂窝小区容量的改善
20
2.4.1 同频干扰和系统容量 • 频率复用意味着在一个给定的覆盖区域内，存在
移 动 通 信 原 理
D=(3N)1/2R
移 动 通 信 原 理
N= i2 + ij + j2 N也称为频率复用因子
N越大，D就大，频率
利用率就降低，反之， N小，D小，频率利用 率高，但同频干扰加大
图2-3 在蜂窝小区中定位同频小区的方法
1、沿着任何一条六边形链移动i个小区；2、逆时针旋转60 度，再一定j个小区，如上图，i=3，j=2，N=19 17
–一类是小容量的大区制； –另一类是大容量的小区制。
7
2.2.2 大区制小容量
• 大区制是指一个基站覆盖整个服务区。
移 动 通 信 原 理
• 为了增大通信用户量，大区制通信网只有增多基站的信
道数（装备量也随之加大），但这总是有限的。 • 因此，大区制只能适用于小容量的通信网，例如用户数 在1 000以下。 • 这种制式的控制方式简单，设备成本低，适用于中小城
小区的中心（中心激励小区），或者安置在六边形的顶
点之中的三个上（顶点激励小区）。
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2.2.3 频率复用和小区制移动通信系统
N=4包含2个完整的含有相同数字1 到4的小区，一般称为簇或区群。在 一个簇里要使用不同频率，在不同 簇中要使用对应的相同频率。小区 的频率复用指名了在哪使用了不同 的频率信道