移动网络的演进

2003-11-12
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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。
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