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04三种3G制式发展基础
GSM
移动通信系统从40年代发展至今,根据其发展历程和发展方向,可以划分为三个阶段:
–第一代——模拟蜂窝通信系统
第一代移动电话系统采用了蜂窝组网技术,蜂窝概念由贝尔实验室提出,70年代在世界许多地方得到研究。
当第一个试运行网络在芝加哥开通时,美国第一个蜂窝系统AMPS(高级移动电话业务)在1979年成为现实。
模拟通信系统主要的标准有北美的AMPS、北欧的NMT-450/900(北欧)以及英国的TACS。
–第二代——数字蜂窝移动通信系统
90年代开发出了以数字传输、时分多址和窄带码分多址为主体的移动电话系统,称之为第二代移动电话系统。
1)TDMA系列中比较成熟和最有代表性的制式有:
泛欧GSM、美国D-AMPS和日本PDC。
2)N-CDMA(码分多址)系列主要是以高通公司为首研制的基于IS-95的N-CDMA(窄带CDMA)。
北美数字蜂窝系统的规范是由美国电信工业协会制定的,1987年开始系统研究,1990年被美国电子工业协会接受。
由于北美地区已经有统一的AMPS模拟系统,该系统按双模式设计。
随后频带扩展到1900MHz,即基于N-CDMA的PCS1900。
–第三代——IMT-2000
随着科学技术和通信业务的发展,需要的将是一个综合现有移动电话系统功能和提供多种服务的综合业务系统,所以国际电联要求在2000年实现商用化的第三代移动通信系统,即IMT-2000。
根据1992年世界无线电管制大会的规定,IMT-2000频谱分配如下:
•上行频段:
1885~2025MHz;下行频段:
2110~2200MHz;
•移动卫星业务频段:
1980~2010MHz;2170~2200MHz。
GSM标准体系的发展历史:
GSM开始是欧洲为900MHz波段工作的通信系统所制定的标准。
1982年,欧洲邮电行政会议(CEPT)设立了“移动通信特别小组”,即GSM(GroupSpecialMobile)。
它以开发第2代移动通信系统为目标。
2000年,EDGE由3GPP完成标准化(EDGEPhase1包含在R99中)
2005年,GSA宣布支持新的3GPP关于EDGE演进的研究项目。
2006年,3GPPGERAN开始讨论增强EDGE。
2007年4月,R7涉及增强EDGE的关键技术确定。
2007年12月,R7版本冻结,增强EDGE标准就绪。
2008年后,R8开始对EDGE长期演进(GERANLTE)进行讨论。
2G向3G网络的演进:
目前存在两大主要制式GSM和IS-95CDMA,所以从2G向3G的演进分为从GSM向3G的演进和从IS-95CDMA向3G的演进。
GSM向LTE演进路线,目前业界普遍认可的有三种:
一种是通过WCDMA、HSDPA演进到LTE;
一种是通过TD-SCDMA演进到LTE;
第三种是直接通过EDGEEvolution向LTE演进。
但无论如何,GSM向3G及4G演进一般需经过GPRS(2.5G)阶段、EDGE(2.75G)和E-EDGE阶段,最后平滑演进到LTE。
IS-95CDMA向3G的演进先发展到cdma2000-1X(单载波,速率最高为384kb/s),然后分别向EV-DORev.A和EV-DORev.B演进,最后达到AIE。
第二代移动通信线3G及LTE演进示意图
GSM标准的发展:
GSM的标准工作起始于20世纪80年代,主要由欧洲电信标准化协会ETSI制定,经历了多次修订,其主要版本包括PhaseI、PhaseII、PhaseII+、R99等。
2000年,ETSI将GSM的标准化工作转交到3GPP标准化组织,在这之后的GSM无线接入网相关的标准都由3GPP负责,版本采用新的R4、R5等版本号。
主要无线标准的演进历程
从GPRS和EDGE技术看,EDGE标准自从2000年发布以来,已经发展到EDGE第二阶段,即GERAN(GSMEDGERadioAccessNetwork)。
即2G系统。
GERAN标准由3GPP(ThirdGenerationPartnershipProject)制定和维护,是GSM的一个关键部分,也包括在UMTS/GSM网络中。
GERAN是GSM/EDGE的无线接入部分,包括基站(basestations)和基站控制器(basestationcontrollers)以及它们的接口(Ater接口、Abis接口、A接口等)。
UTRAN:
UMTSTerrestrialRadioAccessNetwork-UMTS(Release99 )陆地无线接入网
UMTS:
UniversalMobileTelecommunicationsSystem,-sometimesreferredtoas3GSMtohighlighttheevolutionof3GfromitsGSMfoundations-isanumbrellatermforthethirdgenerationradiotechnologiesdevelopedwithin3GPP.
UMTSisnotjustaboutradio:
theradioaccessnetworkconnectstothecorenetworkwhichisanevolutionfromtheGSMcore.3GPPhasexpandeditscapabilities,inprincipleallowingmostservicestobedeliveredovereither2GGERAN(GSM/EDGE)or3GUTRAN.
3GPPisnowworkingonLongTermEvolution(LTE),whichwillbuildonUMTS,astheIndustrylooksbeyond3G.
JustasGSMhasbecomesynonymouswiththewholemobilesystemfor2G,UMTSis3G,whichincludesthewholeoftheW-CDMAandHSPAspecificationscatalogue.
3G由核心网(CN)、UMTS陆地无线接入网(UTRAN)、用户设备(UE)三大部分组成。
–CN主要完成用户认证、位置管理、呼叫连接控制、用户信息传送等功能。
–UTRAN分为无线不相关和无线相关两部分:
•无线不相关部分完成与CN的接口,实现向用户提供QOS保证的信息处理和传送以及用户和网络控制信息的处理和传送;
•无线相关部分处理与UE的无线接入(用户信息传送、无线信道控制、资源管理等)。
–UE主要完成无线接入、信息处理等。
GSM新技术介绍:
移动网络IP化:
在3GPPR5时期正式提出了ALL-IP的全IP网络的传输技术,这也是2G至3G移动通信网络向LTE平滑演进的必要组成部分。
GSM全IP化所涉及到的关键技术主要有:
语音承载的IP化(VoIP)、全网信令的IP化、Gb接口的IP化、Abis接口的IP化。
EDGEEvolution:
EDGE是英文EnhancedDataRateforGSMEvolution的缩写,即增强型数据速率GSM演进技术,是基于GPRS网络的数据增强型移动通信技术。
而增强型EDGE则是GSM现网普遍使用的EDGE技术的演进和增强。
SDR全称为SoftDefinedRadio,即软件定义无线电。
1992年5月JosephMitola在美国通信会议上,首次提出了“软件无线电”的概念。
在ITU的相应规范标准化进程由国际组织“SDR论坛”(1996年成立)大力推动。
应用SDR技术,使真正的通用无线宽带接入平台成为整个通信产业链关注的热门概念。
SDR是将标准化、模块化的硬件功能单元通过一个通用硬件平台(比如用总线方式连接),再通过软件加载方式来实现各种类型的无线电通信的一种开放结构。
所以数字化硬件平台是基础,软件可编程、可重复使用时核心,实现多波段、多体制多制式通用式接受是目的。
MCPA(宽带多载波技术)技术把多个载波的基带处理输出通过先进的数字中频合路之后进行功率放大,多个载波共享一个功放。
所以它所带来的好处是:
首先,可以帮助运营商平滑扩容,简化维护;其次,由于提升了载频的高集成度,使得基站在同等空间下的容量增大;最后,采用了MCPA技术,可以使得每个载波共享功率资源,功率资源可以根据不同载波的话务量和所需功率动态进行灵活分配。
在节省了普通合路器之后,功率从载频输出之后的损耗大幅减少,因此保证基站覆盖所需要的载频功率可以降低,降低了基站的功耗。
GSM/GPRS/EDGE网络建设方案
–GSM-GPRS网络建设
为了支持GPRS功能,在原来GSM网络的基础上,需作以下改进。
•GSM系统引入两种新的设备:
服务GPRS支持节点SGSN和网关GPRS支持节点GGSN。
–SGSN(SERVICINGGPRSSUPPORTNODE),类似于MSC,SGSN作为GPRS/TD-SCDMA(WCDMA)核心网分组域设备重要组成部分,主要完成分组数据包的路由转发、移动性管理、会话管理、逻辑链路管理、鉴权和加密、话单产生和输出等功能。
SGSN的功能:
•SGSN即GPRS服务支持节点,它通过Gb接口提供与无线分组控制器PCU的连接,进行移动数据的管理,如用户身份识别,加密,压缩等功能;
•通过Gr接口与HLR相连,进行用户数据库的访问及接入控制;
•它还通过Gn接口与GGSN相连,提供IP数据包到无线单元之间的传输通路和协议变换等功能;
•SGSN还可以提供与MSC的Gs接口连接以及与SMSC之间的Gd接口连接,用以支持数据业务和电路业务的协同工作和短信收发等功能。
–GGSN(GatewayGPRSSupportNode)主要是起网关作用,可提供多种互连接口,支持与Internet、X.25等外部PDN以及其他PLMN的互连。
有的文献中,把GGSN称为GPRS路由器。
GGSN可以把GSM网中的GPRS分组数据包进行协议转换,从而可以把这些分组数据包传送到远端的TCP/IP或X.25网络。
GGSN功能:
•网络接入控制功能
–GGSN具有网络控制的信息屏蔽功能,可以选择哪些分组能够进入GPRS网络,以便保证GPRS网络的安全;
–GGSN具有计费信息收集功能,能够收集每个MS实用外部数据网和GPRS网络资源相关的计费信息G_CDR。
•维护路由表,实现路由选择和分组的转发功能
–GGSN具有存储转发功能,从上一节点接收到的分组数据(PDPPDU)转发给路由中下一个节点的功能。
–GGSN同时具有对PDPPDU排序的功能。
GGSN应保证GGSN与MS之间传送的PDPPDU的最大尺寸为1500字节,对从外部数据网收到的大于上述要求的PDPPDU,GGSN应根据PDP的类型和具体实施对其进行分段、丢弃或拒绝。
–GGSN具有PDP上下文激活、PDP上下文修改、PDP上下文去激活的功能;
–GGSN具有地址翻译和映射功能,包括查找DNS,实现域名解析功能;
–GGSN具有封装和隧道传输功能,可以将来自外部数据网的PDPPDU用GTP字头和TCP/IP或UDP/IP字头进行分装的功能,并以这些字头中的恶相关地址信息作为标识,在GPRS骨干网中,利用一条点对点的双向隧道来传输封装数据。
对于发向外部数据网的PDPPDU,GGSN将去除其封装字头后再转发给外部数据网。
•用户数据管理,实现对分组数据的过滤
–GGSN能够存储、修改及删除用户数据,实现对用户分组数据的过滤。
•移动性管理功能
–GGSN能够配合SGSN实现移动性管理的功能,主要是MS在不同的SGSN登录时的位置管理功能。
•其他功能
–GGSN具有为MS动态分配IP地址的功能,或者可以通过接入DHCP(动态主机配置协议)服务器来实现动态分配IP的地址的功能;
–GGSN具有接入RADIUS(远端授权拨入用户服务)服务器等实现用户认证功能。
SGSN与GGSN配合,共同承担TD-SCDMA(WCDMA)的PS功能。
当作为GPRS网络的一个基本的组成网元时,通过Gb接口和BSS相连。
其主要的作用就是为本SGSN服务区域的MS进行移动性管理,并转发输入/输出的IP分组,其地位类似于GSM电路网中的VMSC。
此外,SGSN中还集成了类似于GSM网络中VLR 的功能,当用户处于GPRSAttach(GPRS附着)状态时,SGSN中存储了同分组相关的用户信息和位置信息。
当SGSN作为TD-SCDMA(WCDMA)核心网的PS域功能节点,它通过Iu_PS接口与UTRAN相连,主要提供PS域的路由转发、移动性管理、会话管理、鉴权和加密等功能。
GGSN9811主要提供PS与外部PDN(PacketDataNetwork,分组数据网)的接口,承担网关或路由器的功能。
SGSN和GGSN合称为GSN(GPRSSupportNode)。
运营商通过增加SGSN和GGSN这两种设备,利用现有的传输网络,组建一个GPRS骨干网,并且对原有的GSM网络进行适当改造,就可以轻松地提供电路和分组双业务,有效地利用无线资源和网络地面资源。
•BSC增加分组控制模块(PCU)并且对BSS进行相关软件升级。
CDMA
CDMA技术体制从最初的IS-95向cdma2000系列演进,分为Phase0、Phase1、Phase2和Phase3阶段,最终实现cdma2000ALL-IP网络。
1.Phase0
该阶段为传统的电路模式无线网,支持电路交换和分组交换技术。
–核心网:
支持TIA-41网络,对分组数据网络的支持由IS-707规定的serviceoption33能力集来提供,不提供基于TIA-41网络的分组数据切换的支持。
–接入网:
由IOS4.0定义,详细定义了基于传统TIA-41网络的MSC与BSC间的接口以及PCF与PDSN间的接口。
–空中接口:
由cdma2000Release0定义。
2.Phase1
该阶段支持电路交换和最初的基于网络的分组交换技术,具体包括:
–支持分组数据会话切换;
–支持电路模式呼叫切换后发起分组数据的会话;
–支持分组会话切换后发起或终结电路模式的话音呼叫;
–支持电路交换话音呼叫与激活的分组会话的并发业务。
此阶段支持的协议标准有N.S0005、N.S0029-0、cdma2000ReleaseA、IOS4.1,具体如下:
–核心网:
支持传统的TIA-41网络,由N.S0005和N.S0029-0共同定义,对于分组数据网络来说,其支持的无线IP网络数据标准协议为P.S0001ReleaseB。
–接入网:
提供接入到传统TIA-41网络和分组数据网的接入网使用IP传输信令,信令链路和承载流相分离,承载的传输由IOS4.1标准来具体规定。
–空中接口:
空中接口的演化独立于核心网的演化,基于cdma2000Release0或ReleaseA。
3.Phase2
该阶段引入传统的MS域LMSD概念,是向All-IP网络演进的第一步,信令和传输承载独立演进,核心网与接入网独立演进,核心网可继续使用已有的承载架构,提供对传统的TIA-41网络已有的业务的支持。
–核心网:
核心网在Phase2阶段又细分为Step-1、Step-2和Step-N,分别对应于LMSD-Step1、LMSD-Step2和LMSD-StepN,每个Step其系统要求都有所差别;
在Phase2阶段,MSC演进为MSCe和MGW/MRFP两个网络实体,新增加了一些接口,如xx、yy、zz和39,原有接口在功能上有所加强,承载方式发生了改变,如27接口对应于A2和A5接口、48接口对应于A1接口等;
核心网Step-2及后续阶段提供对基于分组的TrFO和RTO的支持。
–接入网:
支持LMSD,接入网与LMSDS(LegacyMSDomainSupport)间的接口支持独立的信令链路和承载流传输,在Step-2和Step-N阶段向IP传输演进。
–空中接口:
独立于核心网演进。
4.Phase3:
该阶段是向ALL-IP演进过程的顶点,其显著标志是空中接口的扩展IP传输。
Phase0和Phase1阶段CDMA网络结构与系统功能:
CDMA网络基本结构
网元名称及其功能:
缩写
英文含义
中文含义
MS
MobileStation
移动台
BTS
BaseTransceiverStation
基站收发信机
BSC
BaseStationController
基站控制器
MSC
MobileservicesSwitchingCenter
移动交换中心
VLR
VisitorLocationRegister
拜访位置登记器
HLR
HomeLocationRegister
归属位置登记器
AUC
AuthenticationCentre
鉴权中心
PCF
PacketControlFunction
分组控制功能
PDSN
PacketDataServingNode
分组数据服务节点
AAA
Authentication/Authorization/AccountingServer
鉴权、授权与计账服务器
OMC
OperationandMaintenanceCenter
操作维护中心
DAS
DispatchingAgentServer
调度台服务器
PDC
PTTDispatchingClient
PTT调度客户端
PDS
PTTDispatchingServer
PTT调度服务器
PHR
PTTHomeRegister
PTT归属寄存器
PLMN
PublicLandMobileNetwork
公共陆地移动网
PSTN
PublicSwitchingTelephoneNetwork
公用电话交换网
SC
ShortMessageCenter
短消息中心
SCP
Servicecontrolpoint
业务控制点
CDMA系统包含下列子系统:
–基站子系统(BSS,BaseStationSubsystem)
–网络交换子系统(NSS,NetworkSwitchingSubsystem)
–分组数据业务子系统(PDSS,PacketDataServiceSubsystem)
–集群调度子系统(DSS)
–操作维护中心子系统(OMC,OperationandMaintenanceCenterSubsystem)
–MSC/VLR、HLR/AUC、SCP、SC、BSC、BTS一起和PSTN、PLMN网络实现传统电路域的话音业务和短信业务。
–PDSN、AAA、PCF(内置在BSC中)、BSC、BTS一起和Internet网络实现分组域的数据业务,也是实现其他所有的数据业务的基础。
–PDS、PHR、DAS、PDC(内置在BSC中)、BSC、BTS一起实现集群通信业务。
–OMC管理各个网元(如MSC、HLR、BSC等),并且提供标准的Q3网管接口,以便与上级网管中心连接。
–MSC和VLR一般合设,二者之间采用内部接口。
HLR和AUC一般合设,二者之间采用内部接口。
Phase2阶段的LMSD组网CDMA网络结构与系统功能:
LMSD阶段,网络交换子系统(NSS)可以升级为CDMA2000ALL-IP核心网。
LMSD阶段系统结构图
–与传统的电路域NSS系统相比,LMSD最大的变化在于呼叫控制和承载的分离,用分组网技术替换TDM技术。
–传统的MSC/VLR网元演进成MSCe和MGW,MSCe提供呼叫控制和移动性管理功能(电路域),MGW提供媒体控制功能(分组域),并提供传输资源,具有媒体流操纵功能。
–传统的HLR/AUC网元演进为HLRe,传统的SCP网元演进为SCPe。
–LMSD核心网提供对3GBSS系统的接入,提供对传统的2GBSS系统接入,提供与TIA/EIA/IS-41网络的互通,提供对GSMMAP网络的互通,提供对固定PSTN网络的互通。
CDMA2000技术演进路线
WCDMA技术演进路线
TD-SCDMA
TD-SCDMA(TimeDivision-SynchronizationCodeDivisionMultipleAccess)含义为时分同步码分多址接入。
TD-SCDMA使用1.28Mcps的低码片速率,扩频带宽为1.6MHz,同时采用了智能天线、联合检测、上行同步、接力切换、动态信道分配等先进技术。
基于Release4版本的TD-SCDMA可在1.6MHz的带宽内,提供最高384kbps的用户数据传输速率。
TD-SCDMA采用不需成对频率的TDD双工模式以及FDMA/TDMA/CDMA相结合的多址接入方式。
在频率上,TD-SCDMA系统以1.6MHz为基本间隔,划分成许多载波。
在时间上,TD-SCDMA系统以10ms为一帧,每一帧又进一步分成2个各5ms长的子帧,两个子帧的结构相同。
在一个子帧内,分成3个特殊时隙(DwPTS、GP、UpPTS)和7个常规时隙(TS0,TS1,….,TS6)。
TS0时隙为下行时隙,用于基站发送广播等公共控制信道。
TS1~TS6这6个时隙用于承载诸如话音等各种业务,在业务建立时系统可将用户分配到不同的时隙上。
在同一时隙内,又可进一步采用码分,即为不同用户(或信道)分配不同的扩频码的方式来区分用户(或信道)。
多址接入图
TD-SCDMA特点:
1.TDD双工方式
上、下行使用相同的频率,有利于提高频谱利用率,同时上、下行无线传播环境基本对称,便于智能天线技术的实现;无需射频双工器,便于基站的小型化。
2.FDMA/TDMA/CDMA的结合
根据用户业务需求,可以灵活配置时隙,支持非对称业务,适应无线互联网需求,同时利于优化频谱利用率。
3.使用联合检测技术
有效降低小区内的多址干扰和多径引起的符号间干扰。
4.使用智能天线技术
减少小区间和小区内干扰、降低多径干扰。
增大小区覆盖半径、增加系统容量。
降低发射功率,提高待机时间。
便于用户定位,支持接力切换,便于发展新型业务。
5.使用上行同步技术
上行链路各终端信号到达基站的时间同步,保持码道之间的正交性,从而降低多址干扰、提高系统容量。
6.采用接力切换技术
节约系统资源、提高系统容量、节约设备成本。
7.采用软件无线电技术
便于系统升级,降低用户成本。
8.使用低码片速率
频带窄,便于“见缝插针”,组网容易,适合城市高热点地区。
图1.TD-SCDMA(WCDMA)3GPPR4网络结构
图2.TD-SCDMA(WCDMA)3GPPR5网络结构
图3.UTRAN接入网基本结构(TD-SCDMA/WCDMA)
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