移动通信与有线通信的区别

6.2.3　移动通信与有线通信的区别

移动通信和有线通信的区别简而言之有两点：信道不同和接口不同。

（1）信道不同

固定电话的信号通过电话线传递，属于有线信道传输；移动通信的信号通过电磁波在空间中传送，属于无线信道传输。

图6-5　固定电话的接口

（2）接口不同

固定电话的接口如图6-5所示，电话线可以通过这个接口接入PSTN网；而手机和基站通信的接口是看不见、摸不着的，称之为空中接口。

尽管这两个不同看似简单，却给移动通信带来了重重问题。

问题一：如何实现电磁波覆盖？

移动通信系统最早采用大区制的方式实现服务区内的电磁波覆盖，即在服务区的最高点建一个大功率的发射机，覆盖一个区域。大区内只有一个基站负责通信的联络与控制。天线架设高度一般在30m以上，服务区半径达30～50km。在大区制中，移动电话需要与基站进行视距传输，在水平距离上受到限制，并且支持的用户数量有限。

与大区制不同，蜂窝小区为实现电磁波覆盖采用的不是广播的方法，而是使用低功率的发射机服务于小的区域。一个城市被划分为若干个小的区域，称为小区。每个小区，而不是一个城市，有一个发射机。通过小区划分，不同的小区内可以重复使用相同的频率。在实际中，小区的覆盖不是规则形状的，为了实现全覆盖、无死角，小区形状多为正多边形，如正六角形，因此称为蜂窝小区，如图6-6所示。

图6-6　蜂窝小区示意图

蜂窝小区是目前移动通信区域划分的最小空间单元。小区半径按需要划定，半径在1km以下的称为微蜂窝；半径为一千米至几十千米的称为宏蜂窝。每个小区分配一组信道。为了降低小区间干扰，相邻的小区可使用不同的频率。一般采用固定方式指配频道。具体而言，将系统总频道分为N组，把每一组频道固定指配给一个小区，N个小区组成一簇（cluster），然后将这样的小区簇在空间重复衍生，直至覆盖整个服务区域，图6-6中7个蜂窝为一簇。在实际使用中，由于地形的限制、当地信号传送条件和放置天线的实际限制，往往使用的不是精确的六边形。

蜂窝小区越小，频率重用的距离越短，频谱利用率就越高，但是系统设备分布点增加，使投资增高，且移动用户通信中的跨区域切换也越频繁。

网络区域划分（如图6-7所示）

（1）蜂窝小区

蜂窝小区是目前移动通信区域划分的最小空间单元。

（2）基站区

一个基站管辖的区域。如果采用全向天线，则一个基站区仅含一个小区，基站位于小区中央。如果采用扇形天线，则一个基站区包含数个小区，基站位于这些小区的公共顶点上。

（3）位置区

位置区的划分是由网络运营商设置的。可由一个或若干个基站区组成，但它只属于一个移动业务交换区。移动台在同一位置区移动可不必进行位置登记。

图6-7　网络区域划分

（4）移动业务交换区

一个移动业务交换中心管辖的区域，可由一个或几个位置区组成。

（5）服务区

服务区是指移动台在该区域内可被另一个通信网（如PSTN）中的用户找到，无须知道移动台实际位置即可通信的区域。服务区由一个或多个移动业务交换区组成。

问题二：基站如何区分同时接收到的各路信号？

这一问题通过第2章2.7节介绍的多址接入技术可以得到有效解决。

问题三：手机如何找到基站？

固定电话通过嵌入墙中的接口即可找到并连接PSTN网络；然而，手机如何寻找基站呢？

基站通过广播的方式一刻不停地向外广播信息，借助这一信息手机可以方便地找到基站。对于GSM系统，不同的基站广播信息时所使用的频率有所不同，GSM手机扫描整个频段，按信号强度从最强信号开始逐一检查，直到找到合适的基站。对于CDMA系统，基站固定使用一个频率广播信息，手机只需调谐到这一频率，就可以收到基站的指引信息，从而找到基站。

问题四：移动通信手机的位置随时会发生变化，那么基站如何找到手机呢？

一种方法是全网搜寻，通过所有基站寻找指定手机，只要手机在移动通信网的覆盖范围内，就一定可以找到。这种方法虽然简单有效，但效率极低。

另一种方法是主动汇报，即手机主动联系无线网络，上报自己所在的位置。在现代移动通信网中，通常采用主动汇报的方式。

通常，一个城市的无线网络会被划分为若干个位置区，手机通过侦听广播信息得知自己所在的位置区，如果位置发生变化，即便位置没有变化也要每隔一定时间主动上报自己所在位置。无线网络收到手机发来的位置变更消息后，将其记入数据库，即位置寄存器。当有针对该手机的呼叫请求时，首先查找位置寄存器，确定手机当前所处的位置区，再将被叫的请求发送到该位置区的基站，由此基站对手机进行寻呼。当手机逾时未报时，则将其位置特征改为“网络不可及”，直到收到它的下一次位置更新结果。

问题五：如何鉴别手机用户身份？

在移动通信网络中，用户通过终端实现访问网络，因此对用户的鉴别等价于对终端的鉴别。

在GSM系统中，用户的标识称为IMSI（International Mobile Subscriber Identity，国际移动用户识别）号。它类似于身份证号，在整个系统中，每个用户的IMSI号是唯一的，用以标识和区分用户。IMSI号存储于SIM卡和核心网中，从而实现信息的比对。为了防止非法用户伪造IMSI号，在GSM系统的鉴权体制中，采用“用户标识＋密码”的方式来识别一个用户的合法性。手机用户拨打电话或者上网之前，首先要向移动网络提供自己的用户标识和密码，如果一致，则被认为是合法用户。

问题六：如何保证移动过程中的传输质量？

由于移动通信每个基站覆盖范围是有限的，当用户从一个基站的覆盖范围移动到另一个基站的覆盖范围时，用户与一个基站的通信也不可避免地要转移到另一个基站上去，这一过程称为切换（Handover或者Handoff）。Handoff（越区切换）一词用于美国的蜂窝标准文档；ITU文档中使用Handover（跨距切换）一词。在技术文献中，这两个术语都会用到，其含义是相同的。

切换在不同系统中有不同的处理方式，简而言之，切换过程可以分为3个步骤：测量、决策和执行。

·在切换测量阶段，移动台测量本小区和邻小区的信号质量与强度；与此同时，基站测量信号质量。因此，切换既可以由基站发起，通过基站测量结果，直接做出决策；也可以采取辅助的移动切换模式，即根据移动台收到的信号向网络提供反馈，使移动台能加入切换的决策中。

·在决策阶段，将测量结果与预先确定的门限值比较后决定是否进行切换，如果需要进行切换，需要完成允许控制，以验证新的用户能够进入新的小区而不致于使原有用户服务质量下降。

·在执行阶段，移动台进入切换状态，完成从原有基站的退出并加入新基站。

切换的方式包括硬切换和软切换（又称无缝切换）。所谓硬切换是指在切换的过程中通信会发生瞬时的中断；软切换则是终端先与两个基站同时保持联系，直到终端彻底进入某一个基站的覆盖区后，才与另一个基站断开，切换期间通信没有中断，如图6-8所示。

对于GSM系统，相邻的基站采用的工作频点不同，要完成切换手机必须从一个频率调谐到另一频率，因此必然存在先断后连的“硬切换”过程。对于CDMA系统，所有基站载频工作在一个频段，因而通常采用软切换的方式。

图6-8　硬切换和软切换