精品文档-无线传感器网络技术原理及应用-第8章

22 图8-2 GSM系统网络结构框图
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移动台通过无线空中接口与基站子系统相连。基站子系 统包括基站控制器，基站控制器连接到移动业务交换中心， 每个移动业务交换中心控制几百个基站收发信台。一些基站 收发信台可存在于基站控制器处，而其他一些是远程分布的， 通过微波链路或专门租用线路直接与基站控制器相连。在相 同的基站控制器控制下的两个基站收发信台间进行移动台切 换，可由基站控制器处理而不需要移动业务中心，这样就减 少了移动业务交换中心的交换负担。
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8.1.1 概念 蜂窝移动通信是采用蜂窝无线组网方式，在终端和网络
设备之间通过无线通道连接起来，进而实现用户在活动中可 以互相通信。其主要特征是终端的移动性，并具有越区切换 和跨本地网自动漫游的功能。
常见的蜂窝移动通信系统按照功能的不同分为三类：宏 蜂窝、微蜂窝和智能蜂窝。
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传统的蜂窝式网络由宏蜂窝小区构成，每小区的覆盖半 径大多为1～25 km，基站天线较高，间距较大。因为小区的 覆盖面积较大，覆盖区域内存在两种特殊的微小区域：“盲 区”和“忙区”。“盲区”是指电波在传播过程中遇到障碍 物而引起的阴影区域。“忙区”是指由于小区内话务分配不 均匀，从而形成若干特别繁忙的地区。微蜂窝和智能蜂窝用 来解决“盲区”和“忙区”。
GSM按用户业务可以分为以下三大类： 电信业务：包括紧急呼叫和传真。GSM也可提供可视图文 和图文电视业务。
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承载业务或数据业务：所支持的业务包括分组交换协议， 数据速率从300 b/s到9.6 kb/s。数据可以用透明方式传送， 也可以用非透明方式传送。在透明方式下，GSM为用户数据提 供标准信道编码；在非透明方式下，GSM提供基于特定数据接 口的特殊编码功能。
基站子系统也称无线子系统，提供并管理移动台和移动 业务交换中心之间的无线传输通道。同时基站子系统也管理 移动台与所有其他GSM子系统的天线接口。
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每个基站子系统包括多个基站控制器(BSC)，基站控制器经由 移动业务交换中心将移动台连接到网络子系统。网络子系统 管理系统的交换功能，允许系统工程师对GSM系统的所有方面 进行监视、诊断和检修。该子系统与其他GSM子系统内部相连， 仅提供给负责网络业务设备的GSM运营公司。图8-2所示为GSM 系统网络结构框图。
SS7(Signaling System 7，信令系统#7)是定义的一组电 信协议，主要用于为电话公司提供局间信令，SS7采用公共信 道信令技术，为信令服务提供商提供独立的分组交换网络。
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8.3 GPRS技术
GPRS(General Packet Radio Service，通用分组业务) 是在现有的GSM移动通信基础上发展起来的一种移动分组数据 业务，是第二代移动通信到第三代移动通信的过渡。
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8.1.2 发展 20世纪70年代中期，伴随着民用移动通信用户数量的增
加，业务范围的扩大，有限的频谱供给与可用频道数要求递 增之间的矛盾日益尖锐。为了更有效地利用有限的频谱资源， 美国贝尔实验室提出了蜂窝组网的理论。
第一代移动通信技术又称1G，它是以模拟技术为基础的 蜂窝无线电话系统。1G天线系统在设计上只能传输语音流量， 并受到网络容量的限制。1G网络的典型代表是移动电话系统。
1 第8章 蜂窝移动通信
8.1 概述 8.2 GSM移动通信 8.3 GPRS技术 8.4 第三代移动通信 小结
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本章目标 了解蜂窝移动通信概念。 了解GSM通信技术。 掌握GPRS通信技术。 了解第三代移动通信。
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8.1 概述
由于无线传感器网络覆盖范围比较大，并且可能是一个 远程控制的网络，因此当传感器节点采集到的数据要远程传 送时，比较好的方法是采用蜂窝移动通信技术。蜂窝移动通 信系统是当今社会重要的通信媒体。在全球特别是发展中国 家，移动通信的渗透率不断增长，已经超越了固定通信。
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第四代移动通信技术又称4G，是集3G与WLAN于一体并能 够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度不相上 下的技术产品。4G系统能够以100 Mb/s的速度下载，比拨号 上网要快，上传速度可以达到20 Mb/s，能够满足几乎所有用 户对于无线服务的要求。
蜂窝通信技术发展历程经历了1G、2G、3G和4G，如图8-1 所示。
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8.2 GSM移动通信
GSM(Global System for Mobiles，全球数字移动通信系 统)是由欧洲主要电信运营商和设备制造厂家组成的标准化委 员会设计出来的，它是在蜂窝系统的基础上发展而成的。
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8.2.1 概述 GSM是第二代蜂窝系统的标准，它是为解决欧洲第一代蜂
窝系统四分五裂的状态而发展起来的。GSM是世界上第一个对 数字调制、网络层结构和业务进行规定的蜂窝系统。
GSM业务按ISDN(Integrate Service Digital Networ， 综合业务数字网)的原则可分为电信业务和数据业务。
电信业务：包括标准移动电话业务、移动台发起或基站 发起的业务。
数据业务：包括计算机间通信和分组交换业务。
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从用户的观点来讲，GSM有两个显著特点：第一是用户识 别卡(SIM)，它是一种存储装置，可存储用户识别信息，使用 SIM卡可以用任何GSM手机来通话；第二是空中保密性，系统 提供商提供密码，可以对GSM发射器发送的数据比特流进行加 密，从而实现保密。
制器和基站收发信台之间的通信接口，用于基站收发信台与 基站控制器的远端互连方式。该接口支持所有向用户提供的 服务，并转发对基站收发信台无线设备的控制和无线频率的 分配。对所有制造商，Abis接口被定义为标准化接口。实际 上，每个GSM基站制造商的Abis接口略有不同。
29 图8-3 GSM系统无线接口框图
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维护特定区域内所有通信硬件和网络操作。 管理所有收费过程。 管理系统中的所有移动设备。 在每个GSM系统中，每一个任务都有一个特定的操作维护 中心。操作维护中心负责调整所有基站参数和计费过程，同 时为系统操作者提供一定的功能来确定系统中每一个移动设 备的性能和完整性。
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8.2.3 无线接口 GSM系统的无线接口框图如图8-3所示。 图中Abis接口定义为基站子系统的两个功能实体基站控
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移动电话系统是第一种具有随时随地通信能力的大容量的蜂 窝移动通信系统。它采用频率复合技术，可以保证移动终端 在整个服务区域内自动接入公用电话网，具有更大的容量和 更好的语音质量，很好地解决了公用移动通信系统所面临的 大容量要求与频谱资源限制的矛盾。
第二代移动通信技术又称2G，一般定义为无法直接传送 电子邮件、软件等信息，只具有通话和传送一些如时间日期 等信息的手机通信规格。2G技术分为两种：一是基于TDMA发 展而来的以GSM为代表的规格；一是基于CDMA复用形式的一种 规格。
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8.3.1 概述 1. GPRS的产生与发展 GPRS是一种以全球手机系统(GSM)为基础的数据传输技术，
是GSM的延续。GPRS通过在GSM数字移动通信网络中引入分组 交换的功能实体，以完成用分组方式进行的数据传输。它突 破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的 功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换。 GPRS具有以下特点：
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GSM移动通信业务是指利用工作在900/1800 MHz频段的GSM移 动通信网络提供的语音和数据业务。GSM移动通信系统的无线 接口利用TDMA技术；而CDMA移动通信业务是指利用工作在800 MHz频段上的CDMA移动通信网络提供的语音数据业务。
第三代移动通信技术又称3G，是指支持高速数据传输的 蜂窝移动通信技术。3G服务能够同时传送声音及数据信息， 速率一般在几百kb/s以上。目前3G存在四种标准：WCDMA、 CDMA2000、TD-SCDMA、WiMAX。
13 图8-1 蜂窝移动技术发展历程
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上述四代蜂窝移动通信的主要特点(区别)如下： 1G的主要贡献是引入了蜂窝的概念，通过采用频率合成 技术使容量大大提高。语音业务是其唯一业务。 2G虽然仍定位于语音业务，但开始引进数据业务，更重 要的是引入数字技术，在欧洲形成了统一标准，国际漫游的 范围扩大了。 3G定位于多媒体IP业务，传输容量变大，灵活性更高。 4G将定位于宽带多媒体业务。
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网络交换子系统用来处理外部网络以及位于无线子系统 中基站控制器之间的GSM呼叫交换，同时也负责管理并提供几 个用户数据库的接入。在网络交换子系统中，移动业务交换 中心是中心单元，控制着所有基站控制器之间的业务。网络 交换子系统中有三个不同的数据库：归属位置寄存器、访问 位置寄存器和鉴权中心。
归属位置寄存器包含着每一个相同移动业务交换中心用 户信息和位置信息。在特定GSM系统中，每个用户被分配一个 独有的国际移动用户识别号码，该号码用来区分每一个归属 用户。
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鉴权中心是一个严格保护的数据库，它处理归属位置寄 存器和访问位置寄存器中每个用户的鉴权和加密。鉴权中心 包含有一个设备识别寄存器，负责识别与保存在归属位置寄 存器和访问位置寄存器中的信息不相符合的识别数据。
操作支持子系统支持一个或者多个操作维护中心，该中 心用于监视和维护GSM系统中每个移动台、基站、基站控制器 和移动业务交换中心的性能。操作支持子系统主要有三个功 能：
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基站控制器经由专用/租用线路或微波链路直接连接到移 动业务交换中心。基站控制器和移动业务交换中心之间的接 口叫做A接口，A接口在GSM中也是标准化接口。A接口定义为 网络子系统与基站子系统间的通信接口。A接口采用SS7协议， 该协议被称为信令修正控制部分，支持移动业务交换中心和 基站子系统之间的通信，也支持个人用户与移动业务交换中 心之间的网络信息。A接口允许业务提供者可以使用不同制造 商提供的基站和交换设备。
高速数据传输：速度为GSM的10倍，还可以稳定地传送大 容量的高质量音频与视频文件。
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永远在线：由于建立新的连接几乎无需任何时间(即无需 为每次数据的访问建立呼叫系统)，随时都可以与网络保持联 系。
补充ISDN业务：本质上是数字业务，它包括呼叫转换、 封闭用户群和呼叫者识别，这些业务在模拟移动网络中是无 法实现的。补充业务还包括短消息业务。该业务允许GSM基站 传送正常语音业务时，可同时传送一定长度的字母数字消息。 短消息业务提供小区广播，它允许GSM基站以连续方式重复传 送字母和数字消息。
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访问位置寄存器中暂时保存着正在访问某一特定移动业 务交换中心覆盖区的漫游用户的用户识别号码和用户信息。 访问位置寄存器连接到某一特定区域的几个相近移动业务交 换中心上，并包含该区域每一个访问用户的信息。一旦漫游 用户注册到访问位置寄存器，移动业务交换中心就将必要的 信息发送到访问用户的归属位置寄存器，根据漫游用户的归 属位置寄存器，漫游用户呼叫可以适时地发送到公共电话交 换网。
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微蜂窝覆盖半径大约为100～1000 m。基站天线置于相对 低的地方，高于地面5～10 m，无线波束折射、反射、散射于 建筑物间或建筑物内，限制在街道内部。与宏蜂窝相比，微 蜂窝的主要特征为：覆盖范围小；传输功率低；一般安装在 建筑物上，无线传播环境影响较大；体积小，安装方便灵活。
源自文库 8
智能蜂窝是指基站采用具有高分辨阵列信号处理能力的 自适应天线，智能地检测移动台所处的位置，并以一定的方 式将确定的信号功率传递给移动台的蜂窝小区。对于上行链 路而言，采用自适应天线阵接收技术，可以极大地降低多址 干扰，增加系统的容量；对于下行链路而言，则可以将信号 的有效区域控制在移动台附近，半径为100～200 m，利用智 能蜂窝小区的概念进行组网设计，能够显著地提高系统容量、 改善系统性能。
短消息业务也可用于安全和咨询业务，例如：在接受范围内， 向所有GSM用户广播交通或气象信息。
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8.2.2 网络结构 GSM系统网络结构主要包括三个相关的子系统，这些子系
统通过一定的网络接口互相连接，并与用户相连。它们是基 站子系统(BSS)、网络子系统(NSS)和操作支持子系统(OSS)。 移动台(MS)也是一个子系统，通常被认为是基站子系统的一 部分。