移动网络的演进
发布时间:2006-10-14 8:02:00   收集提供:gaoqian
肖征荣


  摘要:本文主要介绍移动通信网络的演进,从1G到2G,再到3G,分别介绍了2G和3G中的主要技术及其演进。本文也介绍了移动网络结构的演进,以及与无线局域网的协调工作问题。最后是结论。

  关键词:UMTS UTRAN 网络结构 CDMA2000

  1.引言:

  2002上半年,蜂窝用户已经突破10亿。移动网络的演进在90年代早期开始进行,最初是数字移动网络取代模拟移动网络,现在则是3G的部署。通过中间覆盖网络,移动网络现在已经从电路交换网络进入了分组交换网络,过几年将会进入到全IP网络。

  GSM占有约70%的市场份额,随着采用TDMA技术的运营商开始转向使用GSM,这个市场份额还将增加。这个转移不仅仅是因为技术上的原因,更重要的是GSM有巨大的规模经济效益。

  3G中的一个技术融合是:UMTS不仅是所有GSM网络的演进方向,也是PDC网络的演进方向。因此,大约85%的移动运营商选择使用UMTS。

  到现在为此,移动用户的增长主要还是由语音业务驱动。最近,移动运营商的收入才有相当一部分来自于数据业务,在2001年第二季度,移动运营商如NTT DoCoMo(iMode)或者Orange(短消息业务)的数据业务占到约10%。对用户来说,移动电话已经是一个日常用品,市场需要有新的业务来推动。运营商正面临着从仅仅提供语音业务到提供新业务的过渡,这个过渡有助于使他们的收入继续增长。

  2.蜂窝系统的演进

  2.1第一代移动通信系统

  在80年代早期,主要部署的是模拟蜂窝网络系统。当时,各个国家都发展自己的系统,没有形成规模效益。大多数国家的移动通信系统在90年代被2G取代。

  2.2第二代移动通信系统

  现在,有四种2G技术共存:GSM,CDMAone,TDMA,PDC。

  2.2.1GSM

  为了发展一种在整个欧洲使用的数字蜂窝系统,CEPT在1982年提出了GSM。在1989年,GSM规范由ETSI(现在是3GPP)制定。

  GSM在1991年7月投入商用,但是GSM手机在1992年才开始大量生产。1993年,在22个国家里有36个GSM网络,包括澳大利亚和南非。到2002年7月,全球172个国家里有470个运营商,用户达到了6.88亿。

  GSM允许8个用户共享一个200KHz的无线信道,为每一个用户分配一个时隙。GSM使用的频段是900和1800MHz,北美是1900MHz。450和850MHz也将在最近投入使用。

  GSM在一开始就能够提供SMS,SMS是一种无连接的分组业务,最多可以包括160个字符。也可以使用电路交换数据CSD进行数据传输,最大速率是14.4kb/s。由于受到数据速率的限制,就出现了高速电路交换数据HSCSD和通用分组无线业务GPRS。

  HSCSD数据速率可以达到57.6kb/s,但也是基于电路交换的。它不断地使用好几个无线信道(最多4个),因此,对突发业务流效率很低。使用它的运营商很少,到目前大约为30个,多数运营商采用GPRS。

  GPRS采用GSM的无线调制技术、频段和帧结构,有以下几个设计准则:

  ·一直在线:可以在任何时候发送或接收数据。

  ·高比特率:实际上拥有和有线调制解调器相同的带宽。

  ·无线资源的改进使用:几个用户共享同一个无线信道。

  ·单独的上下行信道。

  ·同时的语音呼叫和数据传输。

  ·按流量计费。

  到2001年9月,大约有100个运营商部署了GPRS。

  EDGE使用了一种新的无线调制机制,带宽是GPRS的三倍。EDGE在2002年开始部署,第一阶段主要在美国。

  GPRS标准的进一步演进由3GPP的GSM EDGE 无线接入网工作组完成。这个组的工作包括GSM/EDGE与3G核心网络的连接以及支持实时业务等。

  2.2.2CDMAone

  在军事领域,扩频技术已经使用了很长一段时间。在80年代中期,美国军方将这项技术解密,然后它开始在蜂窝电话中进行测试使用。 1993年,电信行业联盟通过了基于扩频的码分多址接入标准。CDMA商用网络在1995年开始使用,但是到1998年中期,只有900万用户。从那以后,用户开始激增,现在大约有1亿用户,主要在美国和亚洲。现在一般将CDMA称为CDMAone以便和3G CDMA系统相区别。

  在CDMA中,许多用户(多达64个)共享 1.25MHz的信道。每个用户分配一个伪随机码,在端点,解码器可以区分业务流。所有的基站传输同样有时间偏移的伪随机码,因此,必须保持同步。CDMA在850和1900MHz频段使用。

  与GSM一样,CDMA的第一版本,IS-95A,提供的速率为14.4kb/s。在1997年6月,IS-95B CDMA规范完成,它通过在基本码之外分配7个补码,数据速率可以达到64kb/s。

  2.2.3 TDMA

  在模拟蜂窝系统中,如AMPS,一个用户分配一个30KHz的信道。D-AMPS是设计来与AMPS共存的TDMA系统,它将这个30KHz的信道分为3个,允许3个用户共享一个无线信道,并为每个用户分配一个唯一的时隙。

  最近的一些趋势表明,TDMA正在向GSM转移。AT&T无线在2000年11月第一个宣布这个决定。然后,Cingular和其它主要的拉美运营商也宣布转到GSM。

  这些新的GSM网络将会综合GPRS和EDGE。UMTS的部署需要额外频段,这受到3G运营商能否获得新频段的限制。

  2.2.4 PDC

  PDC是日本基于TDMA的标准,工作频段为800和1500MHz。

  PDC中的iMode是移动互联网的一个十分成功的例子。由于iMode使用一个优秀的商业模式(基于流量计费,与内容提供商共同分配收入等),它在2002年1月拥有3000万用户。

  随着PDC用户的增加,系统变得日益拥挤,使得NTT DoCoMo加速部署3G系统。

  2.3第三代移动通信系统

  随着对更大容量,更高数据速率,新频段的需求,3G的概念变得清楚了。3G的最初目标是一个唯一的国际标准,但是这并没有成功。如图1,ITU为3G制定了两个主要的系统:

  ·UMTS,有两个不同但是相关的模式:

  —CDMA-DS:宽带CDMA,也称为频分复用(FDD)。

  —CDMA-TDD

  ·CDMA2000:CDMA MC。



图1 从2G到3G的演进


  2.3.1UMTS

  TDD和FDD标准的制定由3GPP完成。这些规范有不同的发布版本:

  ·3GPP Release3,以前称为Release’99,定义了FDD和TDD模式。Release3实际上在2000年3月发布,在2001年6月定稿。

  ·3GPP Release4,定义了一种TDD和FDD模式的新版本。在2001年3月冻结。

  ·3GPP Release5,在无线接入网络中包括基于IP的传输。在2002年3月开始。

  FDD模式被认为是UMTS的主要技术。FDD模式来自于CDMA,它也使用伪随机码。上下行链路使用单独的5MHz载频,单个用户的数据速率可以达到384kb/s(每个载波2Mb/s)。高速下行链路分组接入(HSDPA)可以使下行链路的数据传输速率增加。FDD允许基站之间的异步操作。

  TDD模式的主要技术是TD-SCDMA。它的载频间隔是1.6MHz,而不是其它宽带标准的5MHz,端用户的最高数据速率可以达到2Mb/s。

  NTT DoCoMo在2001年10提供的商用3G业务,叫做FOMA。在其它地区,最初的UMTS系统(FDD模式)在2003年提供商用业务。

  2.3.2CDMA2000

  CDMA2000的技术规范由3GPP2制定,有以下步骤:

  · CDMA2000 1x,它是CDMAone的演进,支持的最大数据传输速率为144kb/s。

  ·CDMA2000 1xEV-DO,引入了一个新的空中接口,支持下行高速数据速率业务,也称为高速分组数据(HRPD)。该规范在2001年完成,它要求一个单独的1.25MHz载频,仅用于数据。下行链路提供2.4Mb/s,上行链路153kb/s。由于单独的载频,同时传语音和数据比较困难。

  ·CDMA2000 1xEV-DV,它将在无线接入和核心网络中引入新的无线技术和全IP结构。该规范将在2003年完成,数据速率可以达到3Mb/s。 韩国的SK电信公司在2000年10使用了CDMA200 1x。从那以后,只有很少几个运营商部署了CDMA2000 1x。

  3.网络结构的演进

  3.1GSM/GPRS网络结构

  GSM/GPRS网络配置如图2所示。当前的业务(语音和电路交换数据)由基站子系统和网络子系统支持完成。BSS由处理无线物理层的基站收发信台(BTS),处理无线资源管理和切换的基站控制器(BSC)构成。提供电路交换业务的NSS包括移动交换中心(MSC),拜访位置寄存器(VLR),归属位置寄存器(HLR)。

  GPRS在GSM网络上提供了分组交换业务。在BSS中增加了一个新的网络功能实体—分组控制单元(PCU),管理分组的分段、无线接入、自动重传和功率控制。GPRS中引入的新成分是处理所有数据业务流的NSS,它包括两个设备:

  ·业务支持节点(SGSN):跟踪移动台的位置,执行安全和接入控制。

  ·网关支持节点(GGSN):封装从外部网络接收到的分组,并进行选路,传输到SGSN。

  BSS和SGSN之间的Gb接口基于帧中继传输协议,SGSN和GGSN之间通过IP网络连接。

  3.2UMTS Release3网络结构

  UMTS Release3网络,如图3,包括两个通过标准接口连接的独立子系统:

  ·UMTS地面无线接入网络(UTRAN):由NODE B和无线网络控制器(RNC)构成,NODE B相当于GSM BTS,RNC相当于GSM BSC。

  ·UMTS核心网络:相当于GSM/GPRS NSS。

  UMTS核心网络尽量使用GSM/GPRS NSS:

  ·分组交换(PS):GPRS SGSN/GGSN的演进,它在UTRAN和核心网络之间作了更优化的功能划分。

  ·电路交换(CS):NSS的演进,自动译码系统从BSS转到了核心网络。



图3 UMTS网络


  如前所述,UMTS基于一种新的无线技术,它对UTRAN有很大的影响。UTRAN包括几个互连的无线网络子系统(RNSs)。一个RNS包括一个RNC和至少一个NODE B。RNC负责控制NODE Bs提供的逻辑资源。RNCs可以在UTRAN内通过Iur接口互连。NODE B为RNC提供逻辑资源,相当于一个或者多个蜂窝的资源。RNC负责NODE B维持的蜂窝内的无线传输和接收,一个NODE B控制几个蜂窝。

  下一个阶段,EDGE演进到GERAN,允许2G系统升级,提供如实时分组之类的UMTS业务。随着自动译码器位于核心网络的假设实现,UMTS在BSS和核心网络之间的功能划分将应用到GERAN。

  3.3向全IP UMTS结构的演进

  在1999年末,3GPP开始了全IP结构的工作。这主要由两个目标驱动:

  ·传输层和控制层的独立,使得移动终端容易实施新的业务。

  ·接入网的最优化操作和维持。

  这个演进对网络的不同部分都有影响。三个主要且独立的演进是向全IP结构演进的一部分:

  ·在CS域内,向着下一代网络(NGN)结构类型演进。在CS域内,MSC的功能分为一个控制平台部分(MSC服务器)和一个用户平台部分(媒体网关)。在NSS骨干网引入的分组传输技术(IP或者ATM),也允许自动译码器转移到公众陆地移动网(PLMN)的边缘。由于可以执行自动译码器操作(TrFO),可以得到更好的语音质量。这是Release4的一个特征。

  ·增加了一个基于IP的多媒体子系统(IMS),可以支持基于IP的多媒体业务,比如VoIP和MoIP,利用分组交换网络进行控制和用户平台数据的传输。PS域也处理移动性方面的功能,这是Release5的一个特征。

  ·在UTRAN内引入IP传输,作为基于ATM UTRAN的一个选择。这是Release5的一个特征。

  这些演进是相互独立的,各个运营商可以自主选择。

  下面详细讨论后期演进的步骤。

  IMS——引入IMS系统是为了给端用户提供更多和增强的业务。很明显,IP在新业务的引入方面起了很大的作用。

  运营商们面临的挑战是:在这些新的商业机会中找到他们的位置。要做到这点,网络结构必须过渡到安全、开放和灵活的平台。在此平台上,第三方开发商和业务提供商能够快速增加。

  电信市场的这种价值模型转变,主要驱动力在以下三个方面:

  ·提供以用户为中心的解决方案:市场对业务的需求,正转移到适合用户选择和爱好的客户定制化业务提供。

  ·网络和终端新性能的使用:可用的带宽正在增加,这使得部署新业务成为可能。网络资源的控制能力能够提供用户期望的QoS和安全性。

  ·市场和商业的进化:随着价值链的转移,新的作用被定义了,新的人员在市场中占据了他们的位置。同时,管制解除和激烈的竞争,加速了对第三方的开放,使得建立和提供开放的业务更容易。

  3GPP选择SIP协议作为终端和移动网络之间的呼叫控制协议,与其它H.323终端的协调工作由PLMN外的一个专用服务器完成。3GPP也决定选择IPv6作为IMS设备的IP版本。

  图4是3GPP建议的全IP UMTS核心网络结构。增加的新设备是:

  ·呼叫状态控制功能(CSCF):CSCF是一个SIP服务器,为移动或者固定的分组交换终端提供多媒体业务。

  ·媒体网关(MG):为了在UMTS核心网络内传输,所有来自于PSTN的呼叫都转化成VoIP呼叫。这个媒体网关由使用H.248协议的MGCF控制。

  ·媒体网关控制功能(MGCF):它的任务是使用媒体网关控制协议H.248来控制媒体网关。它在呼叫控制信令级完成ISUP信令(用在PSTN)和SIP信令(用在UMTS多媒体域)之间的转换。

  ·家庭用户服务器(HSS):HSS是有用户多媒体数据的HLR数据库的扩展。



图4全IP结构


  —基于IP的 UTRAN,UTRAN Release3的传输机制基于ATM/ATM适配层2(AAL2)。在1999年末,3GPP的一个工作项目组开始制定基于IP的UTRAN传输机制解决方案。

  基于IP的UTRAN参考结构如图5,连接NODE B和RNC的IP网络可以是运营商自有的,也可以是其它通信公司的IP网络。RNC的集中功能由IP传输网络自己完成。还有一些技术问题:如QoS,最后一公里的效率等,还有待于解决。



图5基于IP的UTRAN


  基于IP的UTRAN有好几个优点,使得在NODE B和RNC之间的映射更加灵活,能够更有效地使用传输资源。IP技术的成本更低,一个同类的传输技术可以减少操作开销。它可以利用现有的传输设备,现在的GSM和UMTS传输设备支持IP。

  基于IP的UTRAN也能使得其它演进更加平滑。第一个演进,就是从一个纯粹的UMTS Release3中的分层结构,到一个分布式的结构。它允许从服务RNC到NODE B的直接连接,避免穿过其它RNC。IP也使得RAN向NGN的演进更容易,控制平台功能和用户平台功能在物理上是分开的,允许扩展性和灵活性的改进。

  3.2CDMA2000网络结构

  CDMA2000的网络结构如图6,其基本结构与GSM/UMTS的类似。与GSM/UMTS的主要区别是:在分组域内使用了分组数据交换节点(PDSN),其作用与UMTS中的SGSN和GGSN类似。然而,3GPP2中的移动性管理是基于移动IP(RFC2002),而不是GSM/UMTS PS网络中的GPRS移动性管理。而且使用ANSI-41 MAP信令,而非GSM MAP信令。3GPP2种向着全IP网络的演进工作已经开始了,如同3GPP中的IMS。



图6 CDMA2000 1x和CDMA2000 1xEV-DO网络


  4.技术交互方面

  4.1与其它无线技术的协调工作

  与其它蜂窝移动业务一样,运营商在热点地区也提供了无线业务。这两种方法,与企业和家庭环境的用户一样,都需要在移动环境中有一个更高的通过量。为了达到这样的性能,必须重视新的无线接口技术,类似于无线局域网技术。

  WLAN并不是移动网络的演进路径,但是可作为企业LAN的一个无线扩展。由于其无可争议的性价比,最近已经得到很大的发展。一些人认为WLAN可以取代无线网络,而它更应该作为3G网络的一个补充,根据可用的接入网络,提供更好的相互工作,确保业务的正确传送。

  4.2WLAN技术标准

  2.4GHz频段—IEEE 802.11b。当前的主流,实际速率可以达到5.5Mb/s(理论上为11Mb/s)。去年,无线以太网兼容联盟发起了一个不同商家的802.11b产品互操作程序,这是WLAN的一个转折点。

  HomeRF和蓝牙。HomeRF(802.11和DECT的结合)用于长期的,蓝牙用于短期互连。当蓝牙设备增长到一定数量时,WLAN产品将使用5GHz,以避免蓝牙产生的干扰。

  5GHz频段—IEEE 802.11a,是802.11b的升级,所提供的数据速率可以达到30Mb/s(理论上是54Mb/s)。

  ETSI HiperLAN2工作频段为5GHz,实际上数据速率可以达到40Mb/s,比IEEE 802.11a的还要高。HiperLAN2可以解决802.11a的干扰、安全性和QoS问题。

  802.11a和HiperLAN2技术的融合,将会在5GHz提供一个清晰的市场焦点。这和2.4GHz频段所完成的一样。这个工作已经在前一段时间由IEEE和ETSI开始了,将会在不久的将来完成。

  为了在漫射信道中得到一个好的性能,这些标准都基于OFDM调制技术。所传输的信号映射到多个子载波,同时,发送导频音以便于跟踪。HiperLAN2主要特点是:动态频率选择(DFS)处理,根据干扰自动地分配载波频率,以及根据连接类型提供连接资源的算法。

  4.3无缝的网络结构

  主要有三种网络层:

  ·蜂窝层:对所有的覆盖、多媒体和媒质比特速率应用。这是GSM,CDMA,UMTS移动网络中的区域。

  ·热点层:在一个短距离本地移动环境中的高速率应用。这属于WLAN的领域。

  ·个人网络层:在不同的设备之间提供短距离的连接性(打印机,PDA,家庭应用等)。这些设备通过多模式终端与其它通信层的连接,是蓝牙中的部分。

  ETSI宽带无线接入网络标准化组织为HiperLAN2制定了两种WLAN和UMTS连接的方法。

  ·紧耦合机制:为WLAN和UMTS网络提供无缝接入和同样的安全级别。这种方法要求一个简化的Iu接口,将WLAN网络连接到UMTS核心网络。

  ·松耦合机制:依赖于IP协议来组织接入网络之间的移动性和漫游。WLAN和核心网之间的相互工作在鉴权、认证、记账服务器和HLR之间执行。在提供无缝操作时,移动IP和本地/外地代理的概念扩展到所有网络。

  从长远来看,另外一个方法,基于应用和用户要求以及不同网络的能力,应用自主选择的方法值得考虑。这要求终端具有更高的智能,以便更好地利用不同的本地应用。以这个复杂性为代价,WSI的构想将成为现实,即连接所有的接入技术,从固定到卫星,从个人与个人到客户定制广播。

  5.结束语

  2G移动通信已经带来了生活方式的变革,在西欧,自从GSM投入使用以来,在不到10年的时间内,市场占有率达到了70%,在中国,移动用户的数量也达到了1.8亿。这个变革还没有结束,在以后将提供移动互联网和3G业务。

  通过技术的演进,已经或者将会为用户提供新的业务。在前几年,SMS和iMode数据业务开始起飞。提供更高数据速率和一直在线业务的GPRS分组数据业务也开始了。UMTS和它的演进将提供更高的数据速率和更多的业务。通过减少主要3G蜂窝技术的数量,从2G到3G的演进将导致更多的融合。从中短期来看,除了通过IMS系统提供多媒体业务以外,与WLAN的交互工作也是可实现的。

  当然,随着后3G主题研究的进行,所有这些这都不是移动通信系统演进的终点,移动通信系统会将所有无线业务综合在一起,能够在任何地方接入,向着多功能集成的、宽带接入的全IP系统发展。


摘自《移动通信》
 
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