第3章 无线通信网络和技术概述

第3章无线通信网络和技术概述在过去的一个世纪里，无线通信网络已经成为通信的一个基本组成部分。早期采用无线通信技术的领域主要是军事、紧急业务和司法部门。例如，从反映第二次世界大战的电影中可以看到这样的场景，战士们装备了无线通信设备，他们是用背包和交通工具来运输这些设备的。随着社会向以信息为中心的方向发展，对于在任何时间、任何地方(以及可以到达任何地方)都可以获取信息的需求呈现出新的趋势。随着移动电话和网络的飞速增长，对移动信息社会(由Nokia提出)的想象力已经慢慢地变为现实。一个普遍的事实是人们通过他们的移动电话和设备进行通信。投币公用电话的时代已经过去，而站立在那里的投币公用电话已经成为过去一种生活方式的象征。利用现在的网络和覆盖，用户可能几乎在任何地方都可以进行通信。商业性无线通信网络的发展主要发生在20世纪80年代后期和90年代，并且在2000年以后继续得到发展。在过去10年里，无线通信领域的竞争特性和大众对无线通信设备的广泛接受已经使终端成本以及宣传营销费用大幅度下降。结果是在某些国家，如中国台湾省、意大利和芬兰，移动用户的普及率几乎已经达到了100％。移动用户的数量已经得到飞速的增长，到2002年年中，用户的数量已经超过10亿。在图3-1中示出了移动用户按指数增长的趋势。图3-1用户统计来源：EMC世界蜂窝数据库现在无线通信网络所提供的业务主要是话音。但是，在近几年内通过短消息业务(每个月超过240亿条消息，每个数据来源于GSM——GroupSpecialMobile——世界大会)而导致数据业务的数量增长迅速。无线通信网络已经演进成现在的通信网络，而现在已建设的网络主要使用其中两种主要的通信技术：基于TDMA的GSM通信网络和基于CDMA的通信网络。在现在的无线通信网络中，GSM网络大约占70％，CDMA网络大约占25％，而其他5％是其他类型的网络，例如日本的PDC网络。许多在美洲非常流行的基于TDMA的IS-136网络现在已经转换为GSM网络或CDMA网络。其中一个例子就是美国的AT&T无线通信网络，现在正在建设GSM／GPRS网络来代替IS-136网络。Cingular无线通信的情况与它相同。预计无线通信网络的增长将在2l世纪的前10年内得以继续保持，并且在未来的3年(到2006年)内无线用户的数量将超过有线用户的数量。3.1简要的历史回顾在20世纪50年代的开始，美国的贝尔电话公司为它的客户开通了无线电话业务。这是无线电话网络第一次用于商业目的。但是，这个无线网络很小，并且只能容纳非常少的用户。用户对无线电话业务需求的缓慢增长迫使工程师提出更好的方法来利用无线频谱，以便提高网络容量以及为更多用户提供服务。在1964年提出了共享资源(即频率复用)的概念。这个创新允许网络以动态的方式分配无线资源，因此，无线通信网络可以为更多的用户提供服务。用于无线电话的频谱是一种稀有的资源(现在仍然是)，因此优化可用的资源来提高利用率的要求将永远是无线通信网络的一种驱动力。在1971年，美国的FCC(联邦通信委员会)为无线电话系统分配了频带。贝尔电话公司提出了AMPS(先进的移动电话业务)无线通信网络，因此建设了第一个蜂窝通信网络。在1982年，美国对AMPS系统的规范进行了标准化，而且它成为了北美洲的无线电话标准。在20世纪80年代，在世界范围内建设了许多蜂窝无线通信网络。在欧洲，每个国家为自己的模拟蜂窝电话网络选择了它们自己的技术。英国和意大利选择了美国的系统，此系统名为TACS(全接入蜂窝系统)。斯堪的纳维亚(挪威、瑞典、丹麦、冰岛的泛称)国家和法国选择了NMT(北欧移动电话)标准。德国选择了C—Net标准。所有这些都是模拟系统，因而将它们称为第一代移动通信系统。在1982年，欧洲邮电大会(CEFT)创建了新的标准化实体GSM(GroupSpecialMobile)，并且受命制定移动无线通信的欧洲标准，此标准工作在为此目的而预留的频带上。这一组织制定了现在广泛使用的GSM标准，并引入了数字无线电话。因此第二代移动通信系统诞生了。在美国，电信工业联合会制定了两个过渡性的标准：在1990年制定了IS-54标准，它基于TDMA；在1993年制定了IS-95标准，它基于CDMA。在第15章中将介绍这些网络的演进。3.2蜂窝通信的基本原理蜂窝电话的一些基本概念包括频率复用、多址接入技术、语音编码、移动性、加密、认证和网络规划。从另外的观点来看，也可以将蜂窝通信网络分成无线接入网络~RAN)和核心网络(CN)。在以下各节中将讨论这些问题。3.2.1无线接入网络无线接入网由基站发射／接收机(BTS)和控制单元组成，控制单元又称作基站控制器(BSC)。BTS是基本的网络侧的无线单元(RF设备)。移动终端通过BTS与网络相连接。BTS在为广播网络特定的信息而定义的信道上传送系统信息，并且移动台在执行接入功能之前收听这些信道。BTS连接到蜂窝基站上，基站将天线安装到高塔或建筑物的顶端。根据蜂窝的覆盖半径可以将蜂窝的类型分为宏蜂窝、微蜂窝和微微蜂窝。蜂窝覆盖半径的大小依赖于BTS的发射功率电平。图3-2示出了一般的无线接入网络。图3-2无线接入网无线接入网是移动通信网络中最大的一部分，并且为了保证覆盖需要提供大量的基站设备和蜂窝装置。移动通信网络的全国性覆盖需要配置数千的BTS(例如美国的全国性覆盖)。BTS以动态的方式为用户提供可使用的信道。根据所使用的技术类型来定义空中接口的业务信道和控制信道。BTS由基站控制器控制。因此，从关联的角度来看，一个BSC可以控制许多BTS。BSC负责管理BTS的无线资源。BSC根据需要为用户分配信道。另外，它不断地了解移动台所在的位置以及正在处于的状态。它测量信号强度(需要BTS和MS的辅助)，并且作出切换决定。在CDMA通信网络的情况下，BSC也负责执行在扩展频谱通信系统所要求的宏分集合并功能。另外，在某些情况下也可以将语音编码功能合并到BSC中。BSC通过有线网络，使用T1或E1与BTS连接。T1或E1是被通信运营商广泛使用的物理层传输技术。Tl能够在一个帧内的24个用户时隙将话音与数据复用在一起，与Tl相比，El在每个帧内有30个用户时隙。微波链路也用于这些连接。BTS通常安装在蜂窝的基站内，因此它在地理位置上是分散的。将连接BTS和BSC的网络称为回程(Backhaul)网络。BSC通常处于中心位置，例如中央办公区。BTS与BSC连接的成本是无线通信网络中的主要费用。3.2.2核心网络核心网络由移动交换中心(MSC)、归属用户位置寄存器(HLR)、访问用户位置寄存器(VLR)、鉴权中心(AUC)、计费服务器、运行和支持系统(OSS)、短消息业务中心(SMSC)和许多其他单元组成。与公共交换电话网络(PSTN)和分组数据网络(PDN)的接口是从核心网络中的MSC开始。用户描述以及允许用户访问的业务的描述存储在HLR中。HLR也知道移动台的当前位置。BSC是通过MSC与核心网接口。一个MSC可以为多个BSC提供服务。移动性管理以及与HLR、VLR和鉴权中心的通信是通过移动性应用协议来完成的，例如GSMMAP或IS-41都是移动性应用协议。核心网络各单元之间通过7号信令(SS7)网络互相连接，7号信令网为信令消息提供传输。MSC也提供呼叫控制和交换功能。MSC也支持补充业务，例如三方呼叫和呼叫禁止。对于数据业务，核心网络提供SMSC以及为电路交换数据提供调制解调器池。核心网也负责在允许用户接入网络或获得业务之前对用户进行鉴权。图3-3显示了一个核心网的例子。图3-3核心网无线通信网络中的交互功能(IWF)使其能够提供电路交换数据业务。它由调制解调器池和与分组数据网络(例如ISP)的接口组成。GSM网络中的电路交换数据业务将在第4章详细介绍。网络运行中心(NOC)管理RAN和核心网络。运行和支持系统(OSS)是一个支持基础网络日常运行的通信网络单元。OSS包括网络管理设备，它监视网络的状态。OSS也包括计费系统，它负责捕获用户使用网络的数据。呼叫数据记录(CDR)是根据计费系统从MSC中接收的信息生成的，呼叫数据记录用于对用户的计费。核心网络的功能是一个棘手的话题。如果想详细了解，请参阅对此问题进行详细讨论的文章。3.2.3多址接入为了防止每个用户使用稀有资源时产生干扰，任何被多个用户同时使用的稀有资源都需要将其进一步分成更小的部分。在通信系统中，资源就是传输介质，为了允许多个用户同时接入到相同的传输介质，需要将其分成信道。这种对信道的同时使用就称为多址接入。可以将信道定义为个别分配的、用于传送单个用户信息的、经过传输媒介的专用路径。根据一系列准则，可以将物理传输媒介分成单独的信道，在我们这种情况下物理传输媒介就是无线频谱。这些准则依赖于它所使用的、用于区分不同信道的技术。为了区分用户信道，在无线蜂窝通信网络中所使用的3种主要技术是：频分多址接入(FDMA)；时分多址接入(TDMA)；码分多址接入(CDMA)。在图3-4中使用将传输资源类比成房间的方式来举例说明这些技术。图3-4FDMA、TDMA和CDMA技术在FDMA中，信道就是特定的频率，并且在呼叫期间为每个用户分配不同的频率。在我们的房间类比中，它相当于房间的分割，并且希望进行通信的用户放置到每个分割的房间内。但是，由于人类语言的特征，在很大一部分时间内资源没有得到利用。换句话说，就是没有信息需要传输。这种独占式的分配导致资源利用率很低。在TDMA中，信道就是特定频率上的时隙，并且为每个用户分配特定频率上的不同时隙。在我们的房间类比中，它相当于在一个房间分割中允许多对希望进行通信的用户，并且限制每对用户可以进行不中断通信的时间。然后每一对用户轮流在分配给他们的时间周期内进行通信，然后等待直到下一次轮换。在TDMA中，这种用户之间的轮换如此之快以至于用户从来没有感觉到他们正在与其他用户共享所分配的频率。在CDMA中，信道是一个惟一的码号，并且为每个用户分配不同的码号。在我们的房间类比中，它相当于不进行房间分割，并且允许所有希望进行通信的用户同时进行谈话。但是，有一个限制，这些用户中的每一对用户必须使用不同的语言，并且每个用户有高度演进的耳朵，这些耳朵可以关掉那些使用他所不理解的语言进行的谈话。因此，每一对用户能够同时使用房间进行谈话而不打扰其他用户的谈话。3.2.4频率复用蜂窝通信系统利用频率复用的概念来提供更大的容量。蜂窝通信系统的核心概念是在一个网络中重复使用相同的频率许多次。重复使用相同无线频率许多次的能力是由于对载波干扰信号电平比(C/I)进行了控制的结果。一个基站在特定的无线频率上以一定的功率电平进行发射，这个功率电平可以在适当的蜂窝半径内支持通信。由于控制功率的限度来提供有限的覆盖范围，所以在相同的频率上可以同时发射或被其他基站重复使用，只要在它和任意其他使用相同频率基站之间没有干扰。在蜂窝通信业界，现在有多种频率复用模式在使用。每一种复用模式都有自己的优缺点。在蜂窝通信网络中，最通用的复用模式是N=4和N=7的模式。频率重复模式确定了可以分配给单一蜂窝基站的最大无线频率的数量。N=4的模式可以为蜂窝基站配置6个扇区，而N＝7的模式使用3扇区蜂窝。图3-5显示出了N＝7模式的频率复用。图3-5N＝7的频率复用模式3.2.5语音和信道编码语音编码对数字传输系统非常关键，并且语音编码主要应用于无线通信网络。对于话音传输，有线通信网络使用64kbit／s的数字脉冲编码调制(PCM)。语音综合系统，例如线性预测编码(LPC)，根据过去抽样值的线性组合来预测当前的抽样值。付出的代价是语音质量很差，但它确实达到了很高的效率。自适应差分PCM(ADPCM)技术是另外一种根据过去抽样值预测语音波形的方法。另外一类语音编码是通过算法来实现，称为声码器。声码器是相对复杂的系统，并且以较低的比特速率运行(一般是2.4kbit／s)。剩余激励线性编码(RELP)是一种混合编码方式，它相当于有线质量的语音，用很少的集成数字语音处理器实现。CDMA