李灯朱琦南京邮电学院
摘要各国建设第三代移动通信（3G）的序幕已经拉开，但从第二代移动通信（2G）向3G的演进方案不尽相同，本文主要从GSM 的核心网，无线接入网，和空中无线接口的几个方面阐述了GSM 向第三代移动通信的演进过程中可能采用的有关技术。
1 引言
近年来，移动通信成为IT 业发展最为迅猛的产业之一，新技术和新需求在互相推进下层出不穷，正当以GSM 为代表的第二代移动通信（2G）普及开来，在全球占主导地位时，以WCDMA 和CDMA2000 技术为代表的第三代移动通信（3G），已斩露头角，并成为全球各大移动生产商和运营商竟相追逐的热点。然而，2G 运营商们已拥有庞大的用户群，对其巨大投资在世界范围内还在继续，因此，他们不希望立即放弃目前这套系统，并各自着手制定从2G 逐步演进到3G 的解决方案，以期望兼容和尽量利用2G 的系统资源。
在第三代移动通信标准的制定过程中，起主导作用的是两大区域性标准化组织：3GPP 和3GPP2。其中3GPP 是由欧洲ETSI 发起的，主要任务是制定以GSM/MAP 为核心网，UTRA（FDD：WCDMA，TDD：TD-CDMA）为无线接口的第三代移动通信标准（统称WCDMA）。3GPP2 是由美国国家标准协会ANSI 发起的，主要任务是制定以IS-41 为核心网，CDMA2000 为无线接口的第三代移动通信标准（统称CDMA2000）。
我国提出的TD-SCDMA 技术，已被3GPP 所采纳成为Release 4 版本，但与欧洲的UTRA TDD 方式，即D-CDMA 技术比较相似。因此，WCDMA 和CDMA2000 将是第三代移动通信的主流技术。世界各大移动运营商在由2G 向3G 演进时将根据自身情况在上述两大标准中作出选择。从而，3G 最终格局的形成将依赖于3GPP 和3GPP2 的竟争以及OHG（运营商融合组织）的选择。
我国的两大移动运营商---中国移动和中国联通，已迅速采取行动，部署2G 到3G的过渡方案。根据二者的目前的行动，可以看出中国移动正沿着GPRSàWCDMA路线演进，而联通则沿IS-95àCDMA2000 路线演进。下面将分析由GSM 向WCDMA系统演进的可能方案。
2 GSM 核心网和无线接入网的演进
2.1 通用分组无线业务（GPRS）的引入。
GPRS 是不同于传统电路交换的一种基于分组的交换方式。其引入的目的是扩充和提速GSM 系统现有数据业务，将移动PC 全面接入到Internet。其传输速率可从目前的9.6kbit/s 提高到100kbit/s（用CS-4 编码速率，理论上达171.2kbit/s）。分组交换的原则贯穿与整个GPRS 网络，其骨干网基于IP 协议，GPRS 可以看成为对GSM 的一种扩展，因此，引入GPRS 只需在现存GSM 系统中做较小的改变。主要是在原GSM 网络结构上增加SGSN（GPRS 服务支持节点）和GGSN（GPRS 网关支持节点）两个单元。其系统构成如图1 所示。
图1 GPRS 逻辑节点结构
SGSN：视为无线接入网进入GPRS 核心网的接入路由器，做为GPRS 骨干网和无线接入网间的接口并交换分组数据到正确的BSS，主要任务包括加密，鉴权，移动管理和到MS 的逻辑链路管理，分组路由和传送，协议转换，数据计费等；
GGSN：视为GPRS 核心网到外部分组数据网间的网关路由器，提供到其他GPRS网络及Internet 等数据网的接口，主要任务包括为MS 的IP 地址路由服务，ISP 选择，也可能包括防火墙和分组—过滤机制，此外，还根据MS 的位置为MS 选择正确的SGSN。
BSS 作为GSM 的无线接入网部分，仍由BTS 和BSC 两个节点构成。但其中BSC中要包括一个新的分组控制单元（PCU），在无线接口上提供所有与GPRS 相关的通信协议。起功能是建立，监视，及释放分组交换的呼叫，包括支持小区改变，无线资源配置，和信道分配。另一个节点BTS 仍然是一个无协议功能的中继站，执行载频的调制和信号的解调。
MSC/VLR，HLR，SMS-Center 节点功能将由于有了和GPRS 的网间接口而增强。移动台MS 将内增加装备GPRS 协议栈。
比较关注的几个接口是：
Gd 是短消息中心和SGSN 的接口，它使短消息业务在GPRS 基础上得到进一步增强。
Gr 是SGSN 和HLR间的接口，它使SGSN 可以向HLR查询用户位置信息和与GPRS相关的签约信息，以便使SGSN 实现对MS 的位置管理。这和MSC 向HLR 查询用户位置信息类似。
Gs 是SGSN 和MSC 间的接口。SGSN 通过它向MSC 发位置信息，接受MSC 的寻呼请求。
R 是终端设备和移动台（MS）间的接口。它是个参考点而不是个标准接口，它可使诸如笔记本电脑等终端通过GSM 手机传输数据。现在的“蓝牙”技术热正是为这一参考点带来了新的标准。
GPRS 主要技术特点是：
1) 以分组方式在GSM 网络上传送数据和信令，即只在实际传送和接收时才使用无线资源，提高了无线信道利用率。
2) 网络层采用TCP/IP 和X.25 协议，通过该接口可实现与现有标准数据业务的无缝连接。用户不必拨号即可以快速预约的方式建立连接。
3) GPRS 终端用户是按数据通信量付费,而非按对链路占用时间付费。由于分组交换是第三代移动通信采用的方式，GPRS 的引入不仅可以充分利用原有GSM 系统资源，而且为开展第三代移动通信宽带数据业务积累了经验，因此被看作是由第二代的GSM过渡到第三代的WCDMA 的必经之路，称为“2.5G"
2．2 GSM/GPRS 演进到3GPP 的Release99 版本
从GSM/GPRS 网络过渡到3GPP 99 版时，对现有网络结构将做以下改造引入新的WCDMA 技术和服务：（如图-2 所示）
◇ 增加新的3G 无线接入网和设备（基于WCDMA的无线接口）。
◇ 原电路交换核心网：基于E1 和No.7 号信令协议的A 接口（MSC- BSC）将被基于ATM/STM-1 的Iu-CS 接口（3G MSC-RNC）所取代。
◇ 原分组交换核心网：基于帧中继的Gb 接口将被基于ATM/STM-1 的Iu-PS 接口（3G GSN-RNC）所取代。同时，相应的网络功能也有所变化：
◇ RNC（无线接入网控制器）中将集中部分移动管理和所有加密管理。
◇ 分组核心网将提供增强型IP 业务，采用IPV6 协议。
◇ 用户业务根据3GPP 标准实现。
图-2 GSM/GPRS 网络过渡到3GPP Release99 版
2.3 3GPP 的Release99 演进到Release00 版本
由于Internet 的迅猛发展，传统电路交换网络越来越让位于基于分组交换的数据网络，后者能提供3G 所设想的宽带多媒体通信，3GPP 提出的Release00 版本正是要构建一个基于分组技术和IP 电话技术，可同时提供实时和非实时业务的全IP 网络结构。全IP 网络中，话音和图文数据等各种业务可以通过单一IP 网络传送，减少网络复杂性，但事实上，有些GSM 运营商希望充分利用原有网络实现平滑过渡，以节约投资成本。因此，全IP 网络参考结构有2 种：即采用分组技术和IP 电话技术，同时提供实时和非实时业务的全IP 网络和基于IP 电话技术，同时支持Release00 的电路交换终端的全IP网络。如图3、4 所示。
图-4 3GPP 的Release99 演进到Release00 版本的中间步骤结构
3 GSM 空中接口技术的演进
GSM 空中接口（Um）技术的可供演进步骤是：TDMA/FDMA 技术——》GPRS 无线数据传输技术（新的逻辑信道，和专用协议）——》EDGE 技术——》WCDMA技术。下面简要介绍。
3.1 GPRS 无线数据传输技术
前面在介绍GSM 核心网的演进时，已引入GPRS 分组交换网，主要从网络层次讲述了GPRS 要实现的功能。
在空中无线接口上，GPRS 仍可以看成为对GSM 的一种扩展，它使用和GSM 相同的TMDA/FMDA 帧结构和频段并共享物理信道（时隙），每个时隙既可以分配给GPRS传送分组数据，也可以分配给GSM 处理电路交换的语音呼叫。电路交换中时隙在整个通话时间里一直被占用，而在GPRS 中，无线资源仅在传送一个或几个IP 分组的持续时间里才被分配。因此，对于突发数据业务，它能更有效利用无线资源，灵活地支持从低速短信息到高速Web 浏览的各种应用，同时容许用户在收发数据时间时接听语音呼叫。
GPRS 采用了时隙捆绑和高效信道纠错编码技术（CS-1~CS-4）。被GPRS 使用的时隙TS 定义为新的GPRS 无线信道--PDCH(Package Data Channel)，一个PDCH 可以为不同的MS 携带几个逻辑信道（如PDTCH，逻辑信道是通过专用的RLC\MAC 协议实现的）， 以达到更好的链路利用率。一个MS 也可以在不同的PDCH上使用几个PDTCH
以获得更高的传输速率。如果移动台同时用8 个信道，采用CS-4 信道编码速率，理论上可提供无线数据速率达171.2Kb/s
3.2 EDGE(增强数据速率技术)
EDGE被视为一个提供高比特率、并且因此促进蜂窝移动系统向第三代功能演进的、有效的通用无线接口技术。在保留原GSMK 调制方式基础上，引入了一个能够提供高数据率的调制方式----八进制移相键控(8PSK)调制。
EDGE 的第一期规范中同时支持EGPRS（每时隙速率38.4kb/s）和ECSD(每时隙速率60kb/s)两种服务，分别是GPRS 和HSCSD 业务加入EDGE 技术后的进一步增强。EDGE 的第二期规范中使用了链路自适应技术以实现编码和调制方案之间的动态转换。EDGE 技术的吸引力继续使用GSM/GPRS 核心网的同时，引入一个高速无线接口，对网络的影响小，不需要部署新的硬件，只修改软件部分并可使用现有GSM 频率。（但无线接入网中须采用新的终端和基站收发机。）因此，EDGE 技术的出现为GSM 过渡到3G 铺设了一座桥梁。
3.3 WCDMA-技术
WCDMA 采用以直接序列扩频（DS）的技术类型，码片速率为3.84Mchips/s，载波带宽为5MHz，包含FDD 和TDD 两种模式。FDD 上下行使用不同频率，而TDD 上下行使用同一频率。WCDMA 主要采用了Rake 多径分集接收技术和发射分集技术，高效信道编码技术和交织技术（Turbo 编码，卷积编码，无信道编码），智能天线技术，多用户检测技术，功率控制技术，软切换技术等。
WCDMA 最重要的一个特点是功率对用户来说是共享资源。在下行链路上，基站中码分复用的用户分享总的功率，上行链路中，基站有一个最大干扰容限，这个功率在小区中产生干扰的移动台之间分配。共享功率使WCDMA 能灵活地处理个有不同速率的业务。当数据速率变化时，无须对码字、时隙等重新分配，也即无须重新分配物理信道，只要调整功率分配即可保证业务传输质量不受影响。WCDMA 中使用正交变扩频增益扩频码（OVSF），这种码字保证了下行链路不同用户信道或同一用户不同业务信道的正交性，对于不同的数据速率，这种正交性仍然存在。这一措施也保证了WCDMA 适应多种业务的要求。
4 GSM 演进过程中应用的其它技术
4.1 WAP 技术（无线应用协议）
WAP 的提出是基于实现在移动中接入Internet 的需求。1997 年6 月由Phone.com 与Norkia，EriCSSon，Motorola 合作建立了WAP 论坛，并于9 月出版了第一个WAP 标准架构。WAP 实质是一种高层通协议，提供了一种应用开发和运行环境，还可应用于支持诸如PalmOS，EPOC，WindowsCE，FLEXO，JavaOS 等操作系统。
正因为WAP 是高层的应用协议，它可支持采用各种不同的底层承载技术的移动网络及其终端设备(如：GSM,GPRS,CDMA 等)。方式。就目前现有网络，接入WAP 可以有三种方式，即GSM 拨号接入，GPRS 数据接入，及短消息接入。现在的WAP 应用是使用具有WAP功能的移动终端(内置WML用户代理器---能解释WML Page 的微型浏览器) 通过GSM 拨号接入网络，访问Internet。由于现有拨号接如采用电路交换方式，无线接口速率仅为9.6kb/s，因此WAP 应用受到很大的局限，当引入GPRS，EDGE 技术后WAP 应用的速率将提升到170kb/s 和384kb/s, 当进入第三代移动通信WCDMA,CDMA2000 后,无线数据传输速率将达2Mb/s。
4.2 蓝牙技术（Bluetooth）
"蓝牙"指的是一种低功率，短距离无线连接技术规范标准。用来描述各种电子产品相互间如何用短距离无线电进行连接。蓝牙技术可以镶嵌于蜂窝手机，掌上电脑，笔记本电脑，个人助理PAD 等内部, 其主要好处在于消除了千头万绪，令人头痛的电缆连线。
“蓝牙革命”甚至可以遍及各种网络，办公电子和家电信息产品等领域，是建立“人域网”（PAN）的理想手段。“蓝牙”最初由Ericsson，Norkia，Intel，IBM，和东芝五家国际著名公司作为蓝牙SIG 发起人，随后，3COM，朗讯，Motorola，和微软相继加入，一起成为“蓝牙”的“专门兴趣小组”成员，这些公司共同致力于将这一标准推向市场。"蓝牙"工作于2.4GHz ISM（ Industry Science Medical）频段，收发信机采用跳频扩
谱技术，传输速率为每秒1M 符号，采用时分双工（TDD）传输。调制方式为BT=0.5的GFSK，最大发射功率分为三个等级，分别是100mW(20dBm)，2.5mW(4dBm)，1mW(0dBm)，在4~20dBm范围内要求采用功率控制，因此“蓝牙”设备有效工作范围为10~100 米，应用蓝牙技术可实现无线连接代替传统网络中的电缆，灵活，方便，安全，低成本，低功耗地实现小范围内数据和话音通信。蓝牙支持点对点和点对多点连接,采用星型拓扑结，将笔记本电脑，打印机，传真机，数码相机移动电话等通过无线方式组成一个微网(Pico)。
蓝牙根据无线人域网（ WPAN IEEE802.15）的概念向前发展，在图-1 中的R 参考点处可以引入蓝牙的协议标准，从而把各种便携计算机与蜂窝移动电话用无线链路连接起来，使计算机与通信更加紧密结合起来，弥补了移动终端不具有复杂的运算，处理信息的弱点。人们随时随地可以通过蓝牙无线技术接入移动网进行数据信息交换与传递，它对未来的移动数据通信业务的产生巨大的推动作用。
5 结束语
由于GSM 制式的第二代蜂窝移动通信系统仍是我国当前的主流，因此向第三代移动通信技术演进是个逐步实现的过程，中国移动最近引入GPRS 和建设“移动梦网”（Monternet）的步骤已引起相关产业界的极大关注。本文正是根据当前GSM 的发展状况介绍了其演进的可能步骤，由于当今社会信息万变，各种复杂因素都可能影响2G 向3G 演进的具体实现细节，但其总的趋势已经明朗，即传统的电路通信正向分组数据通信过渡并融合，无线和互连网将在可预见的未来紧密结合。
参考文献
[1] 《第三代移动通信技术》作者：孙立新等人民邮电出版社
[2] Wireless Internet Access Based on GPRS Author:Roger Kalden，etc. 《IEEE PersonalCommunications 》April 2000 Vol.7 No.2
[3] RLC/MAC Design Alternatives for Supporting Integrated Service over EGPRS Author: XiaoxinQiu，Kalpil Chawla April 2000
[4] 《无线电工程》2000 年第3 期
----《移动通信在线》
|
