摘要:本文主要介紹移動通信網(wǎng)絡的演進,從1G到2G,再到3G,分別介紹了2G和3G中的主要技術及其演進。本文也介紹了移動網(wǎng)絡結構的演進,以及與無線局域網(wǎng)的協(xié)調(diào)工作問題。最后是結論。
關鍵詞:UMTS UTRAN 網(wǎng)絡結構 CDMA2000
1.引言:
2002上半年,蜂窩用戶已經(jīng)突破10億。移動網(wǎng)絡的演進在90年代早期開始進行,最初是數(shù)字移動網(wǎng)絡取代模擬移動網(wǎng)絡,現(xiàn)在則是3G的部署。通過中間覆蓋網(wǎng)絡,移動網(wǎng)絡現(xiàn)在已經(jīng)從電路交換網(wǎng)絡進入了分組交換網(wǎng)絡,過幾年將會進入到全IP網(wǎng)絡。
GSM占有約70%的市場份額,隨著采用TDMA技術的運營商開始轉向使用GSM,這個市場份額還將增加。這個轉移不僅僅是因為技術上的原因,更重要的是GSM有巨大的規(guī)模經(jīng)濟效益。
3G中的一個技術融合是:UMTS不僅是所有GSM網(wǎng)絡的演進方向,也是PDC網(wǎng)絡的演進方向。因此,大約85%的移動運營商選擇使用UMTS。
到現(xiàn)在為此,移動用戶的增長主要還是由語音業(yè)務驅動。最近,移動運營商的收入才有相當一部分來自于數(shù)據(jù)業(yè)務,在2001年第二季度,移動運營商如NTT DoCoMo(iMode)或者Orange(短消息業(yè)務)的數(shù)據(jù)業(yè)務占到約10%。對用戶來說,移動電話已經(jīng)是一個日常用品,市場需要有新的業(yè)務來推動。運營商正面臨著從僅僅提供語音業(yè)務到提供新業(yè)務的過渡,這個過渡有助于使他們的收入繼續(xù)增長。
2.蜂窩系統(tǒng)的演進
2.1第一代移動通信系統(tǒng)
在80年代早期,主要部署的是模擬蜂窩網(wǎng)絡系統(tǒng)。當時,各個國家都發(fā)展自己的系統(tǒng),沒有形成規(guī)模效益。大多數(shù)國家的移動通信系統(tǒng)在90年代被2G取代。
2.2第二代移動通信系統(tǒng)
現(xiàn)在,有四種2G技術共存:GSM,CDMAone,TDMA,PDC。
2.2.1GSM
為了發(fā)展一種在整個歐洲使用的數(shù)字蜂窩系統(tǒng),CEPT在1982年提出了GSM。在1989年,GSM規(guī)范由ETSI(現(xiàn)在是3GPP)制定。
GSM在1991年7月投入商用,但是GSM手機在1992年才開始大量生產(chǎn)。1993年,在22個國家里有36個GSM網(wǎng)絡,包括澳大利亞和南非。到2002年7月,全球172個國家里有470個運營商,用戶達到了6.88億。
GSM允許8個用戶共享一個200KHz的無線信道,為每一個用戶分配一個時隙。GSM使用的頻段是900和1800MHz,北美是1900MHz。450和850MHz也將在最近投入使用。
GSM在一開始就能夠提供SMS,SMS是一種無連接的分組業(yè)務,最多可以包括160個字符。也可以使用電路交換數(shù)據(jù)CSD進行數(shù)據(jù)傳輸,最大速率是14.4kb/s。由于受到數(shù)據(jù)速率的限制,就出現(xiàn)了高速電路交換數(shù)據(jù)HSCSD和通用分組無線業(yè)務GPRS。
HSCSD數(shù)據(jù)速率可以達到57.6kb/s,但也是基于電路交換的。它不斷地使用好幾個無線信道(最多4個),因此,對突發(fā)業(yè)務流效率很低。使用它的運營商很少,到目前大約為30個,多數(shù)運營商采用GPRS。
GPRS采用GSM的無線調(diào)制技術、頻段和幀結構,有以下幾個設計準則:
·一直在線:可以在任何時候發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。
·高比特率:實際上擁有和有線調(diào)制解調(diào)器相同的帶寬。
·無線資源的改進使用:幾個用戶共享同一個無線信道。
·單獨的上下行信道。
·同時的語音呼叫和數(shù)據(jù)傳輸。
·按流量計費。
到2001年9月,大約有100個運營商部署了GPRS。
EDGE使用了一種新的無線調(diào)制機制,帶寬是GPRS的三倍。EDGE在2002年開始部署,第一階段主要在美國。
GPRS標準的進一步演進由3GPP的GSM EDGE 無線接入網(wǎng)工作組完成。這個組的工作包括GSM/EDGE與3G核心網(wǎng)絡的連接以及支持實時業(yè)務等。
2.2.2CDMAone
在軍事領域,擴頻技術已經(jīng)使用了很長一段時間。在80年代中期,美國軍方將這項技術解密,然后它開始在蜂窩電話中進行測試使用。
1993年,電信行業(yè)聯(lián)盟通過了基于擴頻的碼分多址接入標準。CDMA商用網(wǎng)絡在1995年開始使用,但是到1998年中期,只有900萬用戶。從那以后,用戶開始激增,現(xiàn)在大約有1億用戶,主要在美國和亞洲,F(xiàn)在一般將CDMA稱為CDMAone以便和3G CDMA系統(tǒng)相區(qū)別。
在CDMA中,許多用戶(多達64個)共享 1.25MHz的信道。每個用戶分配一個偽隨機碼,在端點,解碼器可以區(qū)分業(yè)務流。所有的基站傳輸同樣有時間偏移的偽隨機碼,因此,必須保持同步。CDMA在850和1900MHz頻段使用。
與GSM一樣,CDMA的第一版本,IS-95A,提供的速率為14.4kb/s。在1997年6月,IS-95B CDMA規(guī)范完成,它通過在基本碼之外分配7個補碼,數(shù)據(jù)速率可以達到64kb/s。
2.2.3 TDMA
在模擬蜂窩系統(tǒng)中,如AMPS,一個用戶分配一個30KHz的信道。D-AMPS是設計來與AMPS共存的TDMA系統(tǒng),它將這個30KHz的信道分為3個,允許3個用戶共享一個無線信道,并為每個用戶分配一個唯一的時隙。
最近的一些趨勢表明,TDMA正在向GSM轉移。AT&T無線在2000年11月第一個宣布這個決定。然后,Cingular和其它主要的拉美運營商也宣布轉到GSM。
這些新的GSM網(wǎng)絡將會綜合GPRS和EDGE。UMTS的部署需要額外頻段,這受到3G運營商能否獲得新頻段的限制。
2.2.4 PDC
PDC是日本基于TDMA的標準,工作頻段為800和1500MHz。
PDC中的iMode是移動互聯(lián)網(wǎng)的一個十分成功的例子。由于iMode使用一個優(yōu)秀的商業(yè)模式(基于流量計費,與內(nèi)容提供商共同分配收入等),它在2002年1月?lián)碛?000萬用戶。
隨著PDC用戶的增加,系統(tǒng)變得日益擁擠,使得NTT DoCoMo加速部署3G系統(tǒng)。
2.3第三代移動通信系統(tǒng)
隨著對更大容量,更高數(shù)據(jù)速率,新頻段的需求,3G的概念變得清楚了。3G的最初目標是一個唯一的國際標準,但是這并沒有成功。如圖1,ITU為3G制定了兩個主要的系統(tǒng):
·UMTS,有兩個不同但是相關的模式:
—CDMA-DS:寬帶CDMA,也稱為頻分復用(FDD)。
—CDMA-TDD
·CDMA2000:CDMA MC。
圖1 從2G到3G的演進
2.3.1UMTS
TDD和FDD標準的制定由3GPP完成。這些規(guī)范有不同的發(fā)布版本:
·3GPP Release3,以前稱為Release’99,定義了FDD和TDD模式。Release3實際上在2000年3月發(fā)布,在2001年6月定稿。
·3GPP Release4,定義了一種TDD和FDD模式的新版本。在2001年3月凍結。
·3GPP Release5,在無線接入網(wǎng)絡中包括基于IP的傳輸。在2002年3月開始。
FDD模式被認為是UMTS的主要技術。FDD模式來自于CDMA,它也使用偽隨機碼。上下行鏈路使用單獨的5MHz載頻,單個用戶的數(shù)據(jù)速率可以達到384kb/s(每個載波2Mb/s)。高速下行鏈路分組接入(HSDPA)可以使下行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率增加。FDD允許基站之間的異步操作。
TDD模式的主要技術是TD-SCDMA。它的載頻間隔是1.6MHz,而不是其它寬帶標準的5MHz,端用戶的最高數(shù)據(jù)速率可以達到2Mb/s。
NTT DoCoMo在2001年10提供的商用3G業(yè)務,叫做FOMA。在其它地區(qū),最初的UMTS系統(tǒng)(FDD模式)在2003年提供商用業(yè)務。
2.3.2CDMA2000
CDMA2000的技術規(guī)范由3GPP2制定,有以下步驟:
· CDMA2000 1x,它是CDMAone的演進,支持的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為144kb/s。
·CDMA2000 1xEV-DO,引入了一個新的空中接口,支持下行高速數(shù)據(jù)速率業(yè)務,也稱為高速分組數(shù)據(jù)(HRPD)。該規(guī)范在2001年完成,它要求一個單獨的1.25MHz載頻,僅用于數(shù)據(jù)。下行鏈路提供2.4Mb/s,上行鏈路153kb/s。由于單獨的載頻,同時傳語音和數(shù)據(jù)比較困難。
·CDMA2000 1xEV-DV,它將在無線接入和核心網(wǎng)絡中引入新的無線技術和全IP結構。該規(guī)范將在2003年完成,數(shù)據(jù)速率可以達到3Mb/s。
韓國的SK電信公司在2000年10使用了CDMA200 1x。從那以后,只有很少幾個運營商部署了CDMA2000 1x。
3.網(wǎng)絡結構的演進
3.1GSM/GPRS網(wǎng)絡結構
GSM/GPRS網(wǎng)絡配置如圖2所示。當前的業(yè)務(語音和電路交換數(shù)據(jù))由基站子系統(tǒng)和網(wǎng)絡子系統(tǒng)支持完成。BSS由處理無線物理層的基站收發(fā)信臺(BTS),處理無線資源管理和切換的基站控制器(BSC)構成。提供電路交換業(yè)務的NSS包括移動交換中心(MSC),拜訪位置寄存器(VLR),歸屬位置寄存器(HLR)。
GPRS在GSM網(wǎng)絡上提供了分組交換業(yè)務。在BSS中增加了一個新的網(wǎng)絡功能實體—分組控制單元(PCU),管理分組的分段、無線接入、自動重傳和功率控制。GPRS中引入的新成分是處理所有數(shù)據(jù)業(yè)務流的NSS,它包括兩個設備:
·業(yè)務支持節(jié)點(SGSN):跟蹤移動臺的位置,執(zhí)行安全和接入控制。
·網(wǎng)關支持節(jié)點(GGSN):封裝從外部網(wǎng)絡接收到的分組,并進行選路,傳輸?shù)絊GSN。
BSS和SGSN之間的Gb接口基于幀中繼傳輸協(xié)議,SGSN和GGSN之間通過IP網(wǎng)絡連接。
3.2UMTS Release3網(wǎng)絡結構
UMTS Release3網(wǎng)絡,如圖3,包括兩個通過標準接口連接的獨立子系統(tǒng):
·UMTS地面無線接入網(wǎng)絡(UTRAN):由NODE B和無線網(wǎng)絡控制器(RNC)構成,NODE B相當于GSM BTS,RNC相當于GSM BSC。
·UMTS核心網(wǎng)絡:相當于GSM/GPRS NSS。
UMTS核心網(wǎng)絡盡量使用GSM/GPRS NSS:
·分組交換(PS):GPRS SGSN/GGSN的演進,它在UTRAN和核心網(wǎng)絡之間作了更優(yōu)化的功能劃分。
·電路交換(CS):NSS的演進,自動譯碼系統(tǒng)從BSS轉到了核心網(wǎng)絡。
圖3 UMTS網(wǎng)絡
如前所述,UMTS基于一種新的無線技術,它對UTRAN有很大的影響。UTRAN包括幾個互連的無線網(wǎng)絡子系統(tǒng)(RNSs)。一個RNS包括一個RNC和至少一個NODE B。RNC負責控制NODE Bs提供的邏輯資源。RNCs可以在UTRAN內(nèi)通過Iur接口互連。NODE B為RNC提供邏輯資源,相當于一個或者多個蜂窩的資源。RNC負責NODE B維持的蜂窩內(nèi)的無線傳輸和接收,一個NODE B控制幾個蜂窩。
下一個階段,EDGE演進到GERAN,允許2G系統(tǒng)升級,提供如實時分組之類的UMTS業(yè)務。隨著自動譯碼器位于核心網(wǎng)絡的假設實現(xiàn),UMTS在BSS和核心網(wǎng)絡之間的功能劃分將應用到GERAN。
3.3向全IP UMTS結構的演進
在1999年末,3GPP開始了全IP結構的工作。這主要由兩個目標驅動:
·傳輸層和控制層的獨立,使得移動終端容易實施新的業(yè)務。
·接入網(wǎng)的最優(yōu)化操作和維持。
這個演進對網(wǎng)絡的不同部分都有影響。三個主要且獨立的演進是向全IP結構演進的一部分:
·在CS域內(nèi),向著下一代網(wǎng)絡(NGN)結構類型演進。在CS域內(nèi),MSC的功能分為一個控制平臺部分(MSC服務器)和一個用戶平臺部分(媒體網(wǎng)關)。在NSS骨干網(wǎng)引入的分組傳輸技術(IP或者ATM),也允許自動譯碼器轉移到公眾陸地移動網(wǎng)(PLMN)的邊緣。由于可以執(zhí)行自動譯碼器操作(TrFO),可以得到更好的語音質(zhì)量。這是Release4的一個特征。
·增加了一個基于IP的多媒體子系統(tǒng)(IMS),可以支持基于IP的多媒體業(yè)務,比如VoIP和MoIP,利用分組交換網(wǎng)絡進行控制和用戶平臺數(shù)據(jù)的傳輸。PS域也處理移動性方面的功能,這是Release5的一個特征。
·在UTRAN內(nèi)引入IP傳輸,作為基于ATM UTRAN的一個選擇。這是Release5的一個特征。
這些演進是相互獨立的,各個運營商可以自主選擇。
下面詳細討論后期演進的步驟。
IMS——引入IMS系統(tǒng)是為了給端用戶提供更多和增強的業(yè)務。很明顯,IP在新業(yè)務的引入方面起了很大的作用。
運營商們面臨的挑戰(zhàn)是:在這些新的商業(yè)機會中找到他們的位置。要做到這點,網(wǎng)絡結構必須過渡到安全、開放和靈活的平臺。在此平臺上,第三方開發(fā)商和業(yè)務提供商能夠快速增加。
電信市場的這種價值模型轉變,主要驅動力在以下三個方面:
·提供以用戶為中心的解決方案:市場對業(yè)務的需求,正轉移到適合用戶選擇和愛好的客戶定制化業(yè)務提供。
·網(wǎng)絡和終端新性能的使用:可用的帶寬正在增加,這使得部署新業(yè)務成為可能。網(wǎng)絡資源的控制能力能夠提供用戶期望的QoS和安全性。
·市場和商業(yè)的進化:隨著價值鏈的轉移,新的作用被定義了,新的人員在市場中占據(jù)了他們的位置。同時,管制解除和激烈的競爭,加速了對第三方的開放,使得建立和提供開放的業(yè)務更容易。
3GPP選擇SIP協(xié)議作為終端和移動網(wǎng)絡之間的呼叫控制協(xié)議,與其它H.323終端的協(xié)調(diào)工作由PLMN外的一個專用服務器完成。3GPP也決定選擇IPv6作為IMS設備的IP版本。
圖4是3GPP建議的全IP UMTS核心網(wǎng)絡結構。增加的新設備是:
·呼叫狀態(tài)控制功能(CSCF):CSCF是一個SIP服務器,為移動或者固定的分組交換終端提供多媒體業(yè)務。
·媒體網(wǎng)關(MG):為了在UMTS核心網(wǎng)絡內(nèi)傳輸,所有來自于PSTN的呼叫都轉化成VoIP呼叫。這個媒體網(wǎng)關由使用H.248協(xié)議的MGCF控制。
·媒體網(wǎng)關控制功能(MGCF):它的任務是使用媒體網(wǎng)關控制協(xié)議H.248來控制媒體網(wǎng)關。它在呼叫控制信令級完成ISUP信令(用在PSTN)和SIP信令(用在UMTS多媒體域)之間的轉換。
·家庭用戶服務器(HSS):HSS是有用戶多媒體數(shù)據(jù)的HLR數(shù)據(jù)庫的擴展。
圖4全IP結構
—基于IP的 UTRAN,UTRAN Release3的傳輸機制基于ATM/ATM適配層2(AAL2)。在1999年末,3GPP的一個工作項目組開始制定基于IP的UTRAN傳輸機制解決方案。
基于IP的UTRAN參考結構如圖5,連接NODE B和RNC的IP網(wǎng)絡可以是運營商自有的,也可以是其它通信公司的IP網(wǎng)絡。RNC的集中功能由IP傳輸網(wǎng)絡自己完成。還有一些技術問題:如QoS,最后一公里的效率等,還有待于解決。
圖5基于IP的UTRAN
基于IP的UTRAN有好幾個優(yōu)點,使得在NODE B和RNC之間的映射更加靈活,能夠更有效地使用傳輸資源。IP技術的成本更低,一個同類的傳輸技術可以減少操作開銷。它可以利用現(xiàn)有的傳輸設備,現(xiàn)在的GSM和UMTS傳輸設備支持IP。
基于IP的UTRAN也能使得其它演進更加平滑。第一個演進,就是從一個純粹的UMTS Release3中的分層結構,到一個分布式的結構。它允許從服務RNC到NODE B的直接連接,避免穿過其它RNC。IP也使得RAN向NGN的演進更容易,控制平臺功能和用戶平臺功能在物理上是分開的,允許擴展性和靈活性的改進。
3.2CDMA2000網(wǎng)絡結構
CDMA2000的網(wǎng)絡結構如圖6,其基本結構與GSM/UMTS的類似。與GSM/UMTS的主要區(qū)別是:在分組域內(nèi)使用了分組數(shù)據(jù)交換節(jié)點(PDSN),其作用與UMTS中的SGSN和GGSN類似。然而,3GPP2中的移動性管理是基于移動IP(RFC2002),而不是GSM/UMTS PS網(wǎng)絡中的GPRS移動性管理。而且使用ANSI-41 MAP信令,而非GSM MAP信令。3GPP2種向著全IP網(wǎng)絡的演進工作已經(jīng)開始了,如同3GPP中的IMS。
圖6 CDMA2000 1x和CDMA2000 1xEV-DO網(wǎng)絡
4.技術交互方面
4.1與其它無線技術的協(xié)調(diào)工作
與其它蜂窩移動業(yè)務一樣,運營商在熱點地區(qū)也提供了無線業(yè)務。這兩種方法,與企業(yè)和家庭環(huán)境的用戶一樣,都需要在移動環(huán)境中有一個更高的通過量。為了達到這樣的性能,必須重視新的無線接口技術,類似于無線局域網(wǎng)技術。
WLAN并不是移動網(wǎng)絡的演進路徑,但是可作為企業(yè)LAN的一個無線擴展。由于其無可爭議的性價比,最近已經(jīng)得到很大的發(fā)展。一些人認為WLAN可以取代無線網(wǎng)絡,而它更應該作為3G網(wǎng)絡的一個補充,根據(jù)可用的接入網(wǎng)絡,提供更好的相互工作,確保業(yè)務的正確傳送。
4.2WLAN技術標準
2.4GHz頻段—IEEE 802.11b。當前的主流,實際速率可以達到5.5Mb/s(理論上為11Mb/s)。去年,無線以太網(wǎng)兼容聯(lián)盟發(fā)起了一個不同商家的802.11b產(chǎn)品互操作程序,這是WLAN的一個轉折點。
HomeRF和藍牙。HomeRF(802.11和DECT的結合)用于長期的,藍牙用于短期互連。當藍牙設備增長到一定數(shù)量時,WLAN產(chǎn)品將使用5GHz,以避免藍牙產(chǎn)生的干擾。
5GHz頻段—IEEE 802.11a,是802.11b的升級,所提供的數(shù)據(jù)速率可以達到30Mb/s(理論上是54Mb/s)。
ETSI HiperLAN2工作頻段為5GHz,實際上數(shù)據(jù)速率可以達到40Mb/s,比IEEE 802.11a的還要高。HiperLAN2可以解決802.11a的干擾、安全性和QoS問題。
802.11a和HiperLAN2技術的融合,將會在5GHz提供一個清晰的市場焦點。這和2.4GHz頻段所完成的一樣。這個工作已經(jīng)在前一段時間由IEEE和ETSI開始了,將會在不久的將來完成。
為了在漫射信道中得到一個好的性能,這些標準都基于OFDM調(diào)制技術。所傳輸?shù)男盘栍成涞蕉鄠子載波,同時,發(fā)送導頻音以便于跟蹤。HiperLAN2主要特點是:動態(tài)頻率選擇(DFS)處理,根據(jù)干擾自動地分配載波頻率,以及根據(jù)連接類型提供連接資源的算法。
4.3無縫的網(wǎng)絡結構
主要有三種網(wǎng)絡層:
·蜂窩層:對所有的覆蓋、多媒體和媒質(zhì)比特速率應用。這是GSM,CDMA,UMTS移動網(wǎng)絡中的區(qū)域。
·熱點層:在一個短距離本地移動環(huán)境中的高速率應用。這屬于WLAN的領域。
·個人網(wǎng)絡層:在不同的設備之間提供短距離的連接性(打印機,PDA,家庭應用等)。這些設備通過多模式終端與其它通信層的連接,是藍牙中的部分。
ETSI寬帶無線接入網(wǎng)絡標準化組織為HiperLAN2制定了兩種WLAN和UMTS連接的方法。
·緊耦合機制:為WLAN和UMTS網(wǎng)絡提供無縫接入和同樣的安全級別。這種方法要求一個簡化的Iu接口,將WLAN網(wǎng)絡連接到UMTS核心網(wǎng)絡。
·松耦合機制:依賴于IP協(xié)議來組織接入網(wǎng)絡之間的移動性和漫游。WLAN和核心網(wǎng)之間的相互工作在鑒權、認證、記賬服務器和HLR之間執(zhí)行。在提供無縫操作時,移動IP和本地/外地代理的概念擴展到所有網(wǎng)絡。
從長遠來看,另外一個方法,基于應用和用戶要求以及不同網(wǎng)絡的能力,應用自主選擇的方法值得考慮。這要求終端具有更高的智能,以便更好地利用不同的本地應用。以這個復雜性為代價,WSI的構想將成為現(xiàn)實,即連接所有的接入技術,從固定到衛(wèi)星,從個人與個人到客戶定制廣播。
5.結束語
2G移動通信已經(jīng)帶來了生活方式的變革,在西歐,自從GSM投入使用以來,在不到10年的時間內(nèi),市場占有率達到了70%,在中國,移動用戶的數(shù)量也達到了1.8億。這個變革還沒有結束,在以后將提供移動互聯(lián)網(wǎng)和3G業(yè)務。
通過技術的演進,已經(jīng)或者將會為用戶提供新的業(yè)務。在前幾年,SMS和iMode數(shù)據(jù)業(yè)務開始起飛。提供更高數(shù)據(jù)速率和一直在線業(yè)務的GPRS分組數(shù)據(jù)業(yè)務也開始了。UMTS和它的演進將提供更高的數(shù)據(jù)速率和更多的業(yè)務。通過減少主要3G蜂窩技術的數(shù)量,從2G到3G的演進將導致更多的融合。從中短期來看,除了通過IMS系統(tǒng)提供多媒體業(yè)務以外,與WLAN的交互工作也是可實現(xiàn)的。
當然,隨著后3G主題研究的進行,所有這些這都不是移動通信系統(tǒng)演進的終點,移動通信系統(tǒng)會將所有無線業(yè)務綜合在一起,能夠在任何地方接入,向著多功能集成的、寬帶接入的全IP系統(tǒng)發(fā)展。
摘自《移動通信》