无线通信组网技术.ppt

第8章无线通信组网技术 8 1无线组网基础8 2网络拓扑结构 8 3全球数字移动电话系统 GSM 8 4CDMA数字蜂窝系统 IS 95 8 5个人通信和个人通信网 PCS PCN 8 6信息时代的无线局域网 8 1无线组网基础 8 1 1无线组网的发展 1 第一代无线网络 第一代无线网络是基于模拟通信技术的 所有的蜂窝系统都采用频率调制 图8 1为第一代蜂窝无线网组成框图 其中包括移动终端 基站和MSC 移动交换中心 通常 由MSC负责各个覆盖区的系统管理和完成所有的网络管理功能 如呼叫接续 维护 计费以及监控覆盖区内的非法行为 MSC通过陆地干线和汇接交换机接到PSTN 公共交换电话网 上 同时还通过专用信令信道与其他MSC连接 相互交换用户的位置 权限以及呼叫信令 并且能提供基站和移动用户间的模拟话音和有效的低速率数据通信 不过 语音信号常通过标准的时分复用数字化后 再在基站与MSC以及MSC与PSTN间传递 蜂窝网需要与所有在网络覆盖区内登记的用户保持联系 才有可能向处于任何位置的漫游用户转发呼入的呼叫 当移动电话处于开机状态但未通话时 它一直监测着附近信号最强的控制信道 当用户漫游到其他业务提供者负责的覆盖区时 无线网必须为其重新登记 同时取消其在原先所属的业务提供者那里的注册 从而当用户来往于不同的MSC覆盖区时 网络能把呼叫连接到用户那里 图8 1第一代蜂窝无线网组成框图 2 第二代无线网络 第二代无线网络采用了数字调制技术和先进的呼叫处理技术 包括 全球移动通信系统 GSM 美国的TDMA和数字标准 CDMA 无绳电话 CT2 英国无绳电话标准 个人接入通信系统 PCAS 以及欧洲的无绳及市内电话标准欧洲数字无绳电话 DECT 第二代无线网采用了新的网络结构 使MSC的计算量降低 引入了一个新的概念 基站控制器 BSC BSC接在MSC与几个基站之间 在PACS WACS中 称BSC为无线端口控制单元 这种结构上的变革使MSC和BSC之间的数据接口标准化 因此运营商可以使用不同制造商的MSC和BSC设备 标准化和互操作性是第二代无线网的新特征 它最终使得MSC和BSC成为可采购的现成产品 所有的第二代无线网都采用了数字语音编码和调制 在空中接口中采用了专用控制信道 公共信令信道 通话中语音和控制信息通信能在用户 基站和MSC间同时进行 第二代无线网还在MSC及每个MSC与PSTN之间提供了专用语音线路和信令线路 与第一代网络相比 第二代网络增加了用来传输寻呼与其他数据业务的功能 如传真 高速数据接入等 网络控制功能则分散于网络中 移动站承担了更多的控制功能 网络中的移动单元有许多第一代网中用户单元没有的功能 如接收功率报告 临近基站搜索 数据编码以及加密等 3 第三代无线网络 第三代无线网络将在业已成熟的第二代无线网络的基础上建立起来 其目的是用单独的一套标准来满足广泛的无线通信的需求 并在全世界提供通用的通信接口 在第三代无线网络中 无线电话与蜂窝电话将没有多大区别 各种语音 数据和图像通信业务也将通过通用个人通信设备实现 宽带ISDN将在第三代无线网络中应用 以提供诸如Internet及其他公用和专用数据库这样的信息网络的接口 可以传输不同的信息 语音 数据和图像 在各种环境都能提供服务 不论是固定用户还是高速移动的移动用户 都能进行通信 在保证可靠信息传输的同时 将采用无线分组通信来分散网络的控制 第三代无线网络具有以下基本特征 1 全球普及和全球无缝漫游的系统 第二代移动通信系统一般为区域或国家标准 而第三代移动通信系统将是一个在全球范围内覆盖和使用的系统 它将使用共同的频段 全球统一标准 2 具有支持多媒体 特别是Interner 业务的能力 现有的移动通信系统主要以提供话音业务为主 随着发展 一般也仅能提供100 200kb s的数据业务 GSM演进到最高阶段的速率能力为384kb s 而第三代移动通信的业务能力将比第二代有明显改进 它能支持从话音到分组数据到多媒体业务 能根据具体的业务需要 提供必要的带宽 ITU规定的第三代移动通信系统RTT技术必须满足以下三种环境的最低要求 即快速移动环境 最高速率达144kb s 步行环境 最高速率达384kb s 室内环境 最高速率达2Mb s 3 便于过渡 演进 在第三代移动通信系统引入时 第二代网络已具有相当规模 所以第三代的网络一定要能在第二代网络的基础上逐渐灵活演进而成 并应与固定网 兼容 4 高频谱效率 5 高服务质量 6 低成本 7 高保密性 8 1 2无线组网中的业务选择 无线组网中所需的传输容量主要依赖于所传输的业务类型 例如 用户的呼叫需要专门的网络接口以保证实时通信 而控制和信令信号则常是突发的 它们与其他突发用户共享网络资源 另外 有些业务需要保证实时传输 而有些则不需要 所以 所传输的业务类型决定了无线网的路由选择策略 采用的协议以及呼叫的处理技术 网络常用的路由选择有两种 面向连接的选择机制 虚电路路由选择 和虚连接选择机制 数据包选择机制 在面向连接的选择机制中 通信路由在整个传输过程中是不变的 当呼叫建立后 网络资源将被信源和信宿独占 由于传输线路的固定 到达信宿的消息的顺序与传输前的顺序是一样的 为了保证有噪声干扰时 传输数据的正确性 在面向连接的业务中 主要依靠纠错编码 加入纠错编码但不能保证传输的正确性 通信将被中止 所有的消息必须重新传送 与此相反 虚连接的路由选择不用建立一个固定的连接 并且主要采用分组交换 由几个数据包组成一个消息 每个数据包独立选择路由 一个消息中的数据包可能是经不同的路由传输的 所用的时间不同 此时数据包不需要按发端顺序到达收端 但在收端要重新排序 由于传输路由不同 有些数据包可能由于网络或线路故障丢失 但其他的数据包能安全到达 此时它们被附加上很多信息 使得在收端能进行消息重现 因此 虚连接路由选择常能够避免重新传送整个消息 不过每个数据包需要更多的附加信头 典型的信头包括 信源地址 信宿地址 路由信息以及用于收端排序的信息 在这里 无需在呼叫开始时进行呼叫建立 每个消息突发是在网络中独立处理的 1 电路交换 第一代蜂窝系统中提供的是面向连接的业务 实际上 语音信道被用户独占 呼叫建立后网络资源也被独占 也就是说在蜂窝电话通话过程中 基站和PSTN之间的语音信道由MSC分配给特定用户 进一步讲 需要通过呼叫建立来连接信源和信宿 由于无线信道已被移动用户与MSC间的双向通信所独占 同时也独占了MSC与终端用户间的语音线路 因而在无线通信中是通过电路交换实现面向连接的业务的 在呼叫初始化和呼叫完成时 各种无线电路以及PSTN语音线路通过切入 切出来处理业务流 电路交换在整个呼叫过程中建立了一条固定线路 包括基站与移动用户间的无线信道以及MSC与PSTN之间的独占电话线路 即使用户可能越区切换至其他基站 也始终有一条向用户提供服务的专用无线信道 同时MSC独占着一条到PSTN固定的全双工的电话连接 无线数据网不适于用电路交换实现 主要是由于其数据传输是突发而短暂的 会有很长的空闲时间 通常建立线路连接的时间比数据传输的时间还长 事实上 电路交换只适合于语音传输或持续不断的长时间数据传输 2 分组交换 虚连接业务说明了这样一个事实 消息传输不需要独占资源 分组交换是无线连接业务中最常见的技术 它允许多用户与同一物理信道保持虚电路连接 由于用户随时都可能接入网中 当用户要传递数据时无需通过呼叫建立独占线路 分组交换将每个消息分成小的单元进行传递与恢复 此时一定数量的控制信息会加到每个数据包中以明确信源 信宿以及满足纠错的需要 图8 2为一数据分组的格式 其中信头表示一个新的分组的开始与信源 信宿地址 分组顺序号以及其他路由和计费信息 用户数据包含经纠错编码的信息 信尾则包含了一个循环校验码 用于收端纠错 图8 2分组数据格式 图8 3为一个传输中的分组格式 其中帧标志是一个特殊的顺序号 代表一帧的开始和结束 地址段包括用于传输消息和接收应答的信源和信宿地址 控制段由传输确认信息 ARQ和分组排序组成 信息段包含用户信息 其长度是不变的 最后一个是帧段校验字段或CRC 用于校验错误 图8 3典型分组数据的各个信息域 与电路交换相比 分组交换在突发的消息传输中有更高的信道利用率 此时只在发射和接收时信道才被占用 这在可用带宽受限的移动通信中是非常有用的 分组交换传输能支持进行流量控制和重传的协议 从而在信道条件恶劣时也能保证高可靠传输 如X 25协议就是一个广泛应用的无线分组传输协议 它规定了分组交换的数据接口 8 1 3无线数据业务 1 蜂窝数字分组数据 CDPD 蜂窝数字分组数据 CDPD 网中的数字数据业务按分组方式在模拟蜂窝网上的空闲电路传送 由于是重叠业务 因此CDPD比采用其他技术方式更便宜 且网络运营者不必另外申请频率 可利用已有的蜂窝网络增设移动数据基站 MDBS 和移动数据中解装置 MDIS 等设备 而不必另建一个新的网络 CDPD有其独特的优点 如对于数据排队响应时间非常快 小于5s 由于CDPD是分组交换技术 连接建立约需30s 其传输速率可达到19 2kb s 所需开销将使其速率降低到9 13kb s 即使这样 仍然比专用分组业务的速率快 CDPD采用TCP IP协议 使其与陆地电信网络通信很方便 采用IP地址进入网络 其运营者的费率是按10字节计费的 CDPD提供内置的安全保密措施 包括确认及信号加密 在网络层进行加密 使数据分组在上网前就已由用户装置进行了加密处理 不论用户在什么位置或采用什么技术 CDPD均可进行移动管理 提供用户计费 CDPD特别适用于短的 突发性的信息 如销售点 POS 信用卡证实 车辆调度 跟踪包裹投递 遥测信息传送以及短的电子信箱 E mail 交换等 CDPD的基本原理是在蜂窝网中的空闲语音信道上发送分组数据 从数据终端 如笔记本电脑 发出的数据被分段 加密后 由CDPD终端装置形成138个字节的帧 这些帧被送往蜂窝内带宽为30kHz的信道 使用的多址访问协议是带冲突检测的数字侦听多址访问协议 该协议是由发送装置首先进行侦听是否有空闲信道 如果有 则立即发送数据 否则一直等待 发出的数据帧首先送往MDBS 然后传到MDIS 由它发往有线网或另一个移动用户 为确保数据的正确传送 CDPD使用了IP高层网间协议 并采用高可靠性的前向纠错技术来提高传输速率 CDPD的框图如图8 4所示 图8 4CDPD框图 2 专用分组无线系统 顾名思义 该系统是用无线频率经专用网络传送分组数据的 用户可通过计算机经过MODEM接入网络 专用分组无线系统的应用同CDPD相同 如保险公司 监视车队的运行 房地产分理处业务等 由Ram移动数据公司提供的Ram系统已用在266个大城市 由Ardis公司提供的Ardis系统已用在400个大城市 Ardis系统框图如图8 5所示 图8 5Ardis系统框图 Ardis系统可以组成全国范围的无线数据通信网 该网可由多个区域无线数据通信系统组成 系统之间通过地面公用数据通信网连接 由一个网管中心管理 该系统最大可有9个无线网络中心 54个无线网络控制器 1800个基站 共可容纳9万个用户 基站位于每个蜂窝小区的中心 覆盖半径为3 5km 每个基站含有射频收 发信机和基站控制器两部分 射频收 发信机负责移动终端与基站间无线分组数据的传送 可在806 825MHz 下行 及851 870MHz 上行 频段 带宽为25kHz的信道上提供 19 2kb s的传 输速率 基站与移动终端间采用MNP MDC MDLAP等无线通信协议 基站控制器主要用于对接收的数据信息进行检错 纠错 实现无线到地面有线通信协议的转换 检测接收信号强度 并将其送到无线网络控制器 RNG 以控制移动终端的越区切换和基站的频率复用 另外还能检测基站的故障并及时告警 无线网络中心 RNC 将实现比无线网络控制器更大范围的通信 不同无线网络控制器所辖区域内移动终端间的通信必须通过无线网络中心进行交换 移动网络与地面网上的固定终端间的通信也必须通过无线网络中心 另外 用户还可以申请全国漫游服务 以实现不同的无线网络中心之间的漫游 通信网关 HUB 可根据需要配置不同类型的标准插卡 以实现无线数据网络与地面公用数据网络 局域网 主机等的连接 它具备路由器及网管的部分功能 支持X 25 TCP IP等协议 网管中心 NMC 主要用来确定系统内每个移动终端的位置 并监视 记录系统的告警及运行状况 移动用户数据终端包括一个无线分组调制解调器 RPM 和可移动的计算机终端 如笔记本电脑 个人数据助理 PDA 等 RPM是无线数据通信系统的专门部件 它能完成无线数据通信协议的功能 接收和发送分组数据 扫描测量无线信道质量 以便在越区切换时选择合适的信道 RPM有RS 232接口和PCMCIA PersonalComputerMemoryCardInternationalAssociation 卡插口 RPM也可以集成到无线用户终端里 使用户使用起来更方便 专用无线数据网络的最大缺点是吞吐量小 Ram网络有效的吞吐量为2 4 4 8kb s Ardis网络吞吐量为2 8kb s Ardis网络采用由 MOTOROLA和 IBM公司专门开发的协议 Ram网络采用 ERICSSON公 司的Mobiter标准 这就意味着它们为组网设计的硬件不能与其他网络 兼容 Ardis网络按照字符计费 Ram网络按照字符或千字节计费 CDPD ARDIS与Ram的信道特性如表8 1所示 表8 1CDPD ARDIS与RAM信道特性比较 8 2网络拓扑结构 8 2 1无线网络拓扑 无线网络拓扑 WirelessNetworkTopology 是一种配置结构 移动终端 MS 在这种结构下彼此通信 无线网络中使用了两种基本拓扑类型 基础结构网络拓扑和分布式网络拓扑 adhoc 图8 6单个BS AP下的基础结构网络 1 基础结构网络拓扑 在基础结构网络拓扑中 固定 有线 基础结构用来支持MS之间和MS与固定终端之间的通信 基础结构网络通常设计用于大的覆盖区域和使用多个基站 BS 的情况下 图8 6为单个 BS AP下 的基础结构网络的基本工作情况 BS AP为网络中心 MS位于覆盖区中 BS之间的通信 均要通过BS AP 中心站控制MS并监控每个MS传输的内容 因此中心站通常被用于管理用户接入网络 2 分布式 adhoc 网络拓扑 分布式 adhoc 网络拓扑可用于重组网络 它不需要固定的基础结构就能工作 这种网络主要用于军事领域 也可用在一些商业领域进行语音和数据传输 这种拓扑适用于在移动或固定情况下快速部署无线网络 图8 7为两种不同的adhoc网络拓扑 图8 7两种不同的adhoc网络拓扑 3 两种网络拓扑的比较 基础结构网络拓扑与分布式 adhoc 网络拓扑的差异体现在以下几个方面 1 灵活性 运行基础结构网络需要部署网络基础设施 通常既费时又费钱 而adhoc网络则天生就具有灵活性 可快速组网 因此 adhoc网络通常用于最看重灵活性的应用中 2 可控性 为了协调无线网络的正常工作 需要集中控制它的有些特性 诸如时间同步 在确定区域工作的移动台发射功率等等 在一个基础结构网络中 所有对这些特性的控制自然是在BS或AP中实现 而在adhoc网络中 实现对这些特性的控制则需要更复杂的结构 要求改变所有的终端 3 覆盖范围 在广域网 WLAN 中 网络的覆盖范围是一个受到关注的问题 因为它影响到网络拓扑形式的选择 在单跳对等网络拓扑中 两个终端之间的最大距离就是终端无线接口的覆盖范围 在一个基础结构网络中 两个无线终端之间的通信是依靠一个BS或AP来实现的 这两个终端之间的最大距离是单个无线MODEM覆盖范围的2倍 因为它们可以位于BS或AP覆盖区域的边缘 实际中的BS或AP通常使用高架固定 以增加无线MODEM的覆盖范围 这使得在基础结构网络中两终端之间的最大距离为adhoc网络中使用相同无线MODEM的覆盖范围的2倍 4 可靠性 固定结构网络是 单点破坏 网络 如果BS或AP遭到攻击 整个通信网络都会瘫痪 而这种情形在adhoc网络中就不会出现 8 2 2蜂窝网络拓扑 1 蜂窝概念 蜂窝无线通信是指在传输中使用大量低功率的BS 每个BS只覆盖有限的区域 用这种方式 每次建立一个新的BS时 容量就会增加 因为同样的频谱在指定的区域内可以被复用几次 蜂窝的基本原理是把覆盖区域分为大量相连的小区域 每个小区域都使用自己的无线基站 对这些小区域以智能的方式分配信道 这样可以减小干扰 提供充分的性能以及满足这些区域的通信量 这种小区域被称为小区 一组小区组成区群 在每个区群中使用相同的频谱 因此可以把整个频带分成频带组 并分配给区群中的小区使用 在区域中无线频率组的空间分布必须采用某种方式 以便获得理想的性能 这是蜂窝无线通信网络规划的重要内容 一个区群中小区的数量称为区群大小或频率复用因子 蜂窝结构拓扑能有效地增加可用频率所能支持的用户数量 例如在一个城市中 可供使用的总带宽为25MHz 每个用户需要30kHz带宽 如果使用单个天线覆盖整个城市 就只能同时支持25MHz 30kHz 833个用户 现在使用蜂窝结构 合理分布20个低功率天线 以减少各种干扰 将可用频带分成五部分 每个小区分配一部分 每个小区分配到的频谱为25MHz 5 5MHz 使用包含5个小区的区群 每个小区同时支持的用户数量为5MHz 30KHz 166 每个区群的用户数量为5 166 830 如果城市中有4个包含5个小区的区群 则同时可支持的总的用户数量为830 4 3320 约为单个天线所支持容量的4倍 如果可用总频谱为W 每个用户需要的带宽为B 频率复用因子为N 覆盖区域所需的小区数目为m 则同时支持的用户数量为 8 1 通常增加容量的方式有 1 增加m 通过减小每个小区的大小来实现 2 减小频率复用因子N 2 蜂窝小区的分类 在现代蜂窝网络中 出现了一系列支持各种不同应用的小区 这些小区如下定义 1 大小区 用于覆盖全国性的区域 覆盖范围为几百公里 主要应用在卫星通信 方面 2 宏小区 用于覆盖大城市地区 覆盖范围为几公里 天线安装在覆盖区主要建筑物的房顶上 3 微小区 用于覆盖街道之内 覆盖范围为几百米 天线高度低于沿街两侧建筑物房顶的高度 4 微微小区 主要是在建筑内使用的小型小区 支持本地室内网络 覆盖范围为几十米内 例如无线 LAN 5 毫微微小区 这是蜂窝中最小的单元 用于连接个人设备 覆盖范围为几米以内 例如笔记本电脑和蜂窝电话 8 2 3信号信噪比的计算 使用蜂窝结构实质上是为了复用可供使用的频谱 同时减少由于频谱复用产生的 干扰 通常 信号信噪比可用下式表示 其中 P有效为来自BS的有效信号强度 P干扰 i为第i个造成干扰的BS的信号强度 信号强度随距离d的d a衰落 a为距离功率斜率或路径损耗斜率 例如 某处有两个基站BS1和BS2 其发射功率均为Pi MS与BS1和BS2的距离分别为d1和d2 如果MS与BS1通信 则来自BS2的信号就形成干扰 该MS的信号信噪比为 8 3 8 2 d1 d2的比值越大 Sr就越大 性能也就越好 蜂窝系统的目标是在区群中分配频率或信道给小区 使相互干扰小区之间的距离尽可能的大 对于给定的一个BS 周围有N个产生干扰的BS 则信噪比一般表达式为8 2 4容量扩展技术 在20世纪90年代 蜂窝移动电话发展非常迅速 为适应激烈的市场竞争和获取更大的运营利润 产生了不少用于扩展蜂窝移动电话网络的方法 目前 用于容量扩展的方法有三种 第一种方法是改变蜂窝结构 包括小区分裂 小区划分扇区使用定向天线 Lee微小区区域技术和使用多个复用因子 它们通过增加小区站点或修改天线特性改变了小区覆盖的大小和形状 从而增加了能量 这些技术不需要额外的频谱 也不需要对无线MODEM或系统接入技术作任何重大改变 因而不需用户购买新的终端 这些特点证明了它们是一种实用的 廉价的扩展网络容量的方法 第二种方法是改变频率的分配方案 根据不同小区流量需求动态地分配频率 每个小区的通信量都随着服务区的地形和与通信量有关的时间动态地变化 例如 在大部分城市地区 高峰时间的通信量最大 而晚上或节假日的通信量相对较小 而在住宅地区恰与此相反 这样将信道动态地分配给不同的小区 就可增加网络的容量 这些技术不需要改变终端或系统的物理体系结构 只需要改变相应的软件程序就可以 第三种方法也是最有效的扩展网络容量的方法 即改变MODEM和接入技术 蜂窝移动产业的空中接口最初使用FM模拟调制技术 现在发展成为使用TDMA技术 接下来是使用数字MODEM的CDMA技术 数字技术增加了网络容量 同时也为语音和数据业务的结合提供了一个良好的环境 但是 这种技术上的改变既需要用户购买新的终端 又需要服务提供商安装新的基础设备 8 3全球数字移动电话系统 GSM 8 3 1GSM业务和功能 先前的模拟蜂窝系统是只为通话而设计的 GSM则综合了语音和数据业务 不仅提供移动电话服务 还提供其他一系列的相关业务 见表8 2 这些业务可分为三类 用户终端业务 承载业务以及补充业务 表8 2GSM业务 用户终端业务供两个终端用户之间依据协议标准进行通信 包括电话 紧急呼叫 自动传真 短消息 单播和多播 和可视图文 标准协议的最上层协议要规定好 以便应用程序依据上层协议进行通信 承载业务提供在用户网络接口或应用程序之间传递信息的能力 传统的承载业务包括不同的同步或异步数据对PSTN ISDN和分组交换的公共数据网的访问 为了实现承载业务 标准的底层协议和帧格式中要规定如何通过空中接口实现数据传输 补充业务是对用户终端业务和承载业务的补充 包括呼叫转发 呼叫阻塞等 这些业务都是由蜂窝网络的有线基础结构实现的 8 3 2GSM系统体系结构 描述无线网络标准是一个复杂的过程 需要具体描述终端的标准 固定硬件骨干和支持系统运行的软件数据库 为了描述这种复杂的系统 需要有一个参考模型或全面的体系结构 通过它全面地理解网络的部件和运行 并把系统划分为子系统 与此相似 将GSM系统划分为三个主要的部分 如图8 8所示 移动台 MS 基站子系统 BSS 网络和交换子系统 NSS 图8 8GSM的体系结构 1 移动台 MS 当MS与用户通信时 为适应空中接口的传输协议 需改变信号的格式 用户和MS通信 语音通信可借助于麦克风和扬声器来实现 短消息可通过键盘来实现 对于其他的数据终端的通信可通过有线连接来实现 MS由两部分组成 一部分为移动设备 ME 包括扬声器 麦克风 键盘和无线MODEM 另一部分为用户识别模块 SIM 用户在申请服务时获得 并能惟一识别用户 包括用户地址和用户申请的服务类型 SIM卡携带了用户的私有信息 在GSM中采用了安全机制 用户使用卡时需要输入4位PIN码 2 基站子系统 BSS BSS通过无线空中接口与用户进行通信 借助于有线协议和有线基础结构进行通信 也就是说 BSS通过空中接口和固定的有线基础结构协议来传输信息 对于无线和有线介质要求不同 因为无线介质是不可靠的 带宽有限并需支持移动性 因此在无线介质和有线介质中 采用的协议不同 BSS可为这些协议间提供转换 BSS包括BTS和BSC两部分 BTS是系统与MS通过空中接口通信的物理部分 BTS包括发送器 接收器以及通过空中接口运行的信令设备 信令设备位于各种安装有天线的小区中心 一个BSS中可能有一个或几百个BTS BSC相当于BSS内的一个小型的交换机 主要的功能是管理频率 完成BSS内BSC间的越区切换 在单个BTS站点中 BSC的硬件部分位于天线上 在多BTS系统中 NSS的其他一些硬件位于交换中心 3 网络和交换子系统 NSS NSS负责网络的运行 它提供与有线和无线网的通信 支持MS的登记和维持与MS建立的连接 NSS为无线交换方式 需与PSTN的其他交换方式进行通信 同时也支持在蜂窝移动环境下进行通信 GSM中的NSS通过ISDN协议与PSTN相连 实际上 在GSM发展的过程中 尽量使用与ISDN兼容的协议 在GSM网络中 NSS是最重要的部分 NSS的硬件为MSC 软件包括 访问位置寄存器 VLR 原籍位置寄存器 HLR 设备标示寄存器 EIR 和鉴权中心 AUC MSC通过7号信令协议与PSTN通信 同时与服务提供商所覆盖范围内的其他MSC进行通信 有时称与PSTN进行通信的MSC为网关MSC 同时MSC给网络提供移动终端状态的特定信息 HLR是管理移动用户的数据库 存储的数据有用户地址 服务类型 当前的位置信息 转发地址 鉴权 密钥和计费信息 SIM卡除了需要终端的ISDN电话号码外 还需要国际移动用户识别 IMSI 号码 AUC包含对用户进行鉴权和信息加密的各种不同的算法 不同类型的SIM卡 其鉴权和信息加密的算法也不同 因此AUC应包括所有的算法 从而NSS可对不同地理位置的不同终端进行操作 EIR为存储移动台设备识别码的数据库 功能是拒绝非法的移动台入网 数据库存储的信息有国际移动设备识别码 IMEI IMEI包括制造商 生产的国家和终端类型 这些信息可反映有故障的移动台或用来对正在使用的移动台进行校验看是否与类型一致 EIR的使用与否是由服务提供商决定的 与HLR相似 VLR为临时数据库软件 用于识别在MSC覆盖区内访问的用户 VLR分配临时移动用户识别码 TMSI 从而可避免在空中接口使用IMSI 用户在不同的MSC间漫游时 如采用本地和访问位置的数据库 可支持呼叫中路由和拨号 8 3 3支持移动环境的机制 1 位置登记 在有线网络中 用户安装电话后 便可以在其数据库中登记此电话号码 同时登记的信息是固定的 因此 有线接入网络的连接和登记过程只需占用1时隙 就一直处于激活状态 而在蜂窝网络的无线接入中 每次开启MS后 都需重新建立连接 并且还可能需在网络内重新进行位置登记过程 与网络建立连接可以通过不同位置的BS来完成 因此 无线网络的位置登记的过程复杂度远远大于在有线网的环境下的复杂度 在GSM中 MS开机后位置登记过程如表8 3所示 表8 3位置登记过程 2 呼叫建立 在有线网络中 呼叫建立是以拨号过程开始的 采用路由选择算法中介交换局到目的地最佳的路由 并将号码传送给最近的PSTN交换局 当建立链路后 目的端的最后一个交换局给源端发送一个信号来通知主叫方被叫方是处于空闲状态还是处于忙状态 当被叫方处于摘机状态时 将发送一个信号给源端局让其停止发送等待音 从而建立业务链路 在移动环境中 存在两种独立的呼叫建立过程 一种为MS到固定用户的呼叫 另一种为固定用户到MS的呼叫 MS之间的呼叫建立则为这两者的总和 移动用户为主叫方的呼叫建立过程可分为15步 如表8 4所示 表8 4移动用户为主叫方的呼叫建立过程 呼叫建立过程中最复杂的情况为固定用户呼叫漫游的移动用户 如图8 9所示 图8 9漫游用户为被叫方的情况 固定用户拨号后 根据目的端地址 PSTN将呼叫转发给相应的MSC MSC从HLR中获取路由信息 原因在于在新的情况下 移动用户在不同的MSC内漫游 新的MSC需将地址传送给原来的MSC 以供两者联系 在目的MSC内 在MSC控制下根据位置登记的信息 VLR向所有的BSS发出寻呼请求 收到从MS来的应答以后 VLR发出必要的参数给MSC建立到MS的连接 3 越区切换 越区切换包括两种类型 内部越区切换和外部越区切换 内部越区切换发生在同一BSS内的不同BTS之间 外部越区切换发生在同一MSC的不同BSS之间 越区切换非常有必要 其原因是 第一 由于蜂窝小区边缘信号强度的减弱 第二 通过越区切换可将阻塞小区的呼叫转移到负荷较轻的蜂窝小区中 从而减少网络业务的阻塞 平衡通信 在同一MSC控制下的两个不同小区的BSS之间的切换过程如图8 10所示 通过BCCH信道 BTS向MS提供相邻蜂窝小区可用的信道 MS监控相邻小区BCCH信道的RSS信号值 再通过SACCH信道将结果报告给MSC BTS同时也监控MS的RSS值 从而做出是否需进行越区切换的判断 并且需借助于合适的算法 如需进行越区切换 MSC需与具有新BSS的新信道协商 并需采用越区切换命令通知MS发生蜂窝小区越区切换 完成蜂窝小区越区切换后 MS发送蜂窝小区越区切换完成消息给MSC 图8 10单MSC和两个BSS的越区切换 8 3 4网络基础结构中的通信 前面讨论了GSM的服务 体系结构以及为支持移动性而采用的一些机制 接下来将讨论网络各部件通信是如何通过协议来完成的 GSM标准指定前面所讨论的体系结构的所有部件之间通信的接口 主要的硬件和相关软件接口之间通信协议的体系结构如 图8 11所示 MS和BTS通信的空中接口Um 是指与无线相关的接口 其定义最为复杂 BTS和BSC间的接口为A bit BSC和MSC之间的接口为A 这两者采用的协议与现有的ISDN协议类似 协议可分为三层 第一层 物理层 第二层 数据链路层 DLL 第三层 网络层 图8 11GSM协议的体系结构 1 物理层 物理层的A和A bit接口标准遵循ISDN中的每个语音用户的64kb s数字数据的标准 GSM标准所定义的新的物理层为Um空中接口 该层指定不同的语音和数据业务信息如何格式成分组并如何通过无线信道进行传输 该层体指定无线调制解调的方式 在空中的业务分组和控制分组的结构 以及如何将不同的业务打包成为一个分组的比特 该层定义了建立和维护信道所需要的调制方法和编码技术 功率控制方法和时间同步方法 2 数据链路层 任何面向连接的网络可分为两部分 一部分用于传输业务信息 另一部分用于传输信令和控制信息 信令和控制信息传输的物理信道可相同 也可不同 该层总的功能包括校验第三层的分组流 并提供在同一物理层上的多个服务接入点 SAP 在GSM中 DLL校验第三层分组的地址和序列号并管理传输分组的确认 另外 DLL可为信令和短消息 SMS 提供两个SAP 在GSM中 SMS业务信息不是通过业务信道来传输的 而GSM的其他数据业务通过业务信道进行传输 在GSM中 SMS采用的是伪信令分组 其中携带的用户信息是通过信令信道来传输的 GSM中DLL的提供的这种机制可对SMS数据进行复用而形成信令流 3 网络层 网络层提供其他一些附加的控制功能和支持业务 业务信道根据不同的语音和数据业务映射为不同格式 并通过普通突发进行传输 信令信息使用其他的突发模式 并且DLL分组的形成过程更为复杂 信令过程 机制或协议由系统硬件部分之间一系列的通信事件或消息构成 例如表8 3所示的位置登记过程 这些事件或消息在逻辑信道中采用DLL帧封装 8 4CDMA数字蜂窝系统 IS 95 8 4 1频率和信道规范 CDMA系统与模拟系统和TDMA系统相比其系统的容量大大提高 CDMA采用性能更好的声码器来提高语音的质量 可抑制多径效应和衰落 使用软切换 功率消耗更小 平均为6 7MW 由于采用功率控制而使其为模拟系统和TDMA系统消耗功率的10 而且不需要对频率进行分配 因为所有的蜂窝小区在同一时间采用同一频率 尽管CDMA系统具有很大的优势 但其缺点在于功率控制和实现的复杂性上 CDMA数字蜂窝系统 IS 95 是一个能同目前的模拟AMPS系统兼容的双模式系统 其频率设置成同AMPS系统相互错开的方式 以减少干扰 小区内基站与移动台之间采用频分双工 FDM 方式 基站还可通过使用定向天线将小区划分成几个扇区 基站一般有两根接收天线 以增加信号的分集效果 基站通过微波局域网同移动电话交换中心 MTSO 用时分双工 TDM 方式连接起来 最后 MTSO通过7号信令与当地的公众电话网联络 概括起来 IS 95CDMA系统有如下主要性能 1 频段 下行869 894MHz 发 824 849MHz 收 上行824 849MHz 发 869 894MHz 收 2 信道数 64个 码分信道 每1 25MHz RF 每一小区 cell 可分为3个扇区 可共用一个RF 每一网络分9个RF 其中收发各占12 5MHz 共占25MHz 3 RF带宽 第一信道为2 1 77MHz 其他信道为2 1 23MHz 4 扩频调制 QPSK 基站 OQPSK 移动台 5 扩频方式 DS PN 6 数字滤波器带宽1 25MHz 7 语音编码 可变速率CELP 最大速率为8kb s 最大数据速率9 6kb s 每帧20ms 8 信道编码采用卷积码和维特比译码 9 PN码 频率为1 2288MHz 基站识别码为 215 1 b 用户识别码为 242 1 b 64个正交Walsh函数组成64个信道 10 交织编码 采用交织编码作为时间分集20ms间距 11 接收方式 采用RAKE接收 移动台为3RAKE 基站为4RAKE 8 4 2前向CDMA信道 前向CDMA信道共有64个 包括导频信道1个 同步信道 必要时可改作业务信道 因为移动台在获得同步后不再监听同步信道 1个 传输数据率为1 2kb s 寻呼信道 必要时可改作业务信道 直至全部用完 7个 传输数据率为9 6 4 8kb s 前向业务信道 最多63个 55个 传输数据率为9 6 4 8 2 4 1 2kb s可变 前向CDMA信道的结构如图8 12所示 图中从左至右依次为导频信道 W0 同步信道 W32 寻呼信道 W1 W7 和前向业务信道 W8 W31及W33 W63 的结构 这64个前向信道的信源信息符号被其相应的Walsh函数扩展 64Walsh函数序列周期为 64 1 2288Mc s 52 083 s 注 c s即码片 秒 其码片速率为1 2288Mc s 后 经I Q支路分别被码片速率为1 2288Mc s的短码PN序列 215 扩展及QPSK调制 图8 12IS 95前向信道 由图8 12可知 前向信道的64个CDMA信道是由正交的Walsh函数来实现码分的 而这个基站的前向信道信号是由短码PN序列 215 来识别的 短码PN序列规定有64个偏移 每一个偏移为512码片 从扩频CDMA来看 业务信道的扩频处理增益为18dB 同步信道的扩频处理增益为24dB 1 前向导频信道 前向导频信道发送的是不包含信息数据的扩频信号 它始终在发送 与其他信道的信号相比 导频信号的发射功率较大 以便于移动台对基站发送的两个相位与该基站对应的扩频伪随机序列的捕获和跟踪 当移动台和基站同步后 导频信号对其他信道的相干解调起到相位基准的作用 此外 导频信号也是移动台判断是否要越区切换的一个基准 前向导频信道非常简单 不传输任何数据信息 或者说 输入的数据信息为全 0 或全 1 因而没有卷积编码 码元重复和分组交织等过程 另外它使用的Walsh码W0是全0 或全1 序列 64个 0 或者64个 1 2 前向同步信道 基站在此信道发送同步信息 供移动台建立与系统的定时和同步 移动台通过导频信道与基站发送的两个相位与该基站相对应的扩频伪随机序列同步后 开始解调同步信道的信息数据 同步信道的信息数据主要包括系统时间和导频偏置 使移动台确知正在接入的是哪一个基站 此外 公布寻呼信道的速率是9600b s和 4800b s 长伪随机码的状态等 1 数据速率 前向同步信道传输速率为1200b s 2 卷积编码 数据传输之前都要进行卷积编码 卷积码的码率为1 2 约束长度为9 3 码元重复 对于同步信道 经过卷积编码后的各码元 在分组交织之前 都要重复一次 每码元连续出现2次 这样做的目的是使各种信息速率均变成相同的调制码元速率 即每秒19200个调制码元 4 分组交织 所有码元重复之后都要进行分组交织 分组交织的跨度为26 666ms 交织器组成的阵列是24行 16列 即384单元 5 数据掩蔽 数据掩蔽用于前向同步信道 其作用是为通信提供保密 扰码器把交织器输出的码元流和用户编址的伪随机序列进行模2相加 这种PN序列是时钟为1 2288MHz 周期P 242 1的长码 每一调制码元长度等于1 2288 106 19200 64个PN子码宽度 长码经分频后 其速率变为19200b s 因而送入模2加法器进行数据掩蔽时 是每64个子码中的第一个子码在起作用 6 功率控制子信道 前向同步信道中包含了一个功率控制子信道 在该子信道中 基站连续发送功率控制信息数据 以不断地控制移动台发射的功率 使基站所收到的移动台发送的信号功率既满足解调器输出信噪比的要求 又对其他正在通信的移动台不产生过大的干扰 7 正交调制 为使前向传输的各信道之间具有正交性 在前向CDMA信道中所传输的所有信号都要用六十四进制的Walsh码进行正交调制 其中 号码为0的Walsh码 W0分配给导频信道 W32分配给同步信道 W1 W7分配给寻呼信道 其余 Walsh码分配给前向业务信道 Walsh码的子码速率为1 2288Mc s 并以52 083 s 64 1 2288Mc s 为周期重复 此周期就是前向业务信道调制码元的宽度 8 四相调制 在正交扩展之后 各种信号都要进行四相调制 用的两个伪随机序列称为引导PN序列 引导PN序列的作用是给不同基站发出的信号赋予不同的特征 便于移动台识别不同的基站 不同的基站使用相同的PN序列 但各自采用不同的时间偏置 不同的相位 不同的时间偏置用不同的偏置系数 共512个 3 前向寻呼信道 基站在此信道寻呼移动台 发送寻呼指令及业务信道支配信息 每个基站有一个或几个寻呼信道 当呼叫时 在移动台没有转入业务信道以前 基站通过寻呼信道向移动台传送控制信息 信令 当需要时 寻呼信道可以变成业务信道 用于传输用户业务数据 所传输的数据经过与用户号码所对应的长伪随机码的变换序列调制后再传输 以使通信保密 寻呼信道的数据速率是9600b s或4800b s 移动用户根据同步信道的信息可以知道其速率 4 前向业务信道 基站在前向业务信道中的业务帧给移动台发送报文信息 在业务信道中传输的是用户语音编码数据或其他业务数据 为了通信保密 所传输的业务数据经过与用户号码所对应的长伪随机码的变换序列调制后再传输 此外 业务信道中包含了一个功率控制子信道 用于传输功率控制信息来控制移动台的发射功率 另外 业务信道还传输如越区切换等控制信息 图8 13为前向业务信道的调制过程 前向业务信道上的数据被分成20ms的帧 用户数据首先进行卷积编码 接着根据实际的用户数据速率格式化和交织 最后用一个Walsh码和一个速率为1 2288Mc s的长PN序列来扩展信号 表8 5为前向业务信道调制参数 图8 13CDMA前向业务信道的调制过程 表8 5IS 95前向业务信道调制参数 8 4 3后向CDMA信道 后向CDMA信道 移动台 基站 由若干业务信道和接入信道组成 每个CDMA信道能有高达62个的业务信道 每个寻呼信道能支持高达32个接入信道 其中 每个业务信道用不同的用户长伪随机码序列加以识别 每个接入信道用不同的接入信道长伪随机码序列加以识别 后向CDMA信道的结构如图8 14所示 图8 14IS 95后向信道 与前向信道相似 后向信道中也采用PN码扩频调制 此PN码的长度也与前向信道中的相同 为215 不同的是 在这里使用了一个固定的相位偏差 移动台发送的数字信号也进行了卷积编码 码组交织 64元Walsh函数正交调制 长PN码扩频和四相扩频调制 但是 与前向信道相比 后向信道有下面一些主要的不同之处 发送的数字信号使用码率为1 3 不是1 2 约束长度为9的卷积编码方案 因此 编码后的符号速率是28 8kb s 卷积编码后的信息以20ms间隔进行交织 信号完成交织编码后 将6个二进制符号形成一组 用它来选择64个不同正交函数之一作为发射 这里的Walsh函数应用不同于前向信道 在前向信道上Walsh函数是由分配给移动台的信道来确定 而在后向信道上Walsh函数则是由发送的信息来确定的 也就是说 后向信道上Walsh函数是用来作64元正交调制的 调制后的符号速率变为28 8 6 4 8kb s 切片速率则为307 2kc s 在后向信道上 长PN码 242 1 不是用来扰码 而是直接用来扩频 用它来区别不同的移动台 由于这个长PN码每一个可能的相位偏差都对应于一个有效地址 因而可以提供一个非常大的地址空间 并具有较高的保密性 当用短PN码 215 进行四相调制时 对任一移动台而言都统一使用零偏置码 这是因为在后向信道上不需标识基站身份 后向信道最后送出的信号也是一个由所分配的频率为中心频率 经过一对PN码的四相调制产生的信号 1 后向接入信道 后向接入信道是一个随机接入信道 供网内移动台随机占用 移动台在此信道发起呼叫及传送应答信息 每个接入信道对应前向信道中的一个寻呼信道 但每个寻呼信道可对应多个接入信道 移动台通过接入信道向基站进行登记 发起呼叫 响应基站发来的呼叫等 当呼叫时 在移动台没有转入业务信道以前 移动台通过接入信道向基站传送控制信息 信令 当需要时 接入信道可以变成业务信道 用于传输用户业务数据 所传输的数据经过与用户号码所对应的长伪随机码的变换序列调制后再传输 以使通信保密 接入信道的数据速率是4800b s 在一个CDMA频道中 最多可有32个接入信道 最少是0 每个接入信道用不同的接入信道长伪随机码序列加以识别 后向接入信道以固定的4800kb s速率传输 码符号只重传一次 在其传输过程中没有随机化选通门的参与 因而两个重复的码符号均被发送 后向接入信道的参数及性质如下所示 1 数据速率 后向接入信道以固定的4800kb s速率传输 2 卷积编码 后向接入信道要进行卷积编码 码率为1 3 约束长度为9 卷积编译码的作用是为了纠错 尤其是可以纠突发错误 3 码元重复 在接入信道时 因为数据速率固定为4800b s 因而每一码元只重复一次 而两个重复的码元都要发送 4 分组交织 所有码元重复之后都要进行分组交织 分组交织的跨度为20ms 交织器组成的阵列是32行 18列 即576单元 的 输入码元 包括重复单元 按顺序逐列从左到右写入交织器的32 18矩阵 直到填满 5 可变数据速率传输 为了减少移动台的功耗和减少它对其他移动台产生的干扰 对交织器输出的码元 用一时间滤波器进行选通 只允许所需码元输出而删除其他重复码元 6 正交调制 在后向CDMA信道中 把交织器输出的码元每6个作为一组 用六十四 2 6 64 进制的Walsh码 称为调制码元 进行传输 调制码元的传输速率为28800 6 4800b s 调制码元时间宽度为1 4800 208 333 s 每一调制码元含64个子码 因此Walsh码的子码速率为64 4800 307 2kc s 相应的子码宽度为3 25 s 7 四相调制 用I Q伪随机序列进行调制 2 后向业务信道 后向业务信道是移动台是移动台通过业务帧给基站发送报文信息的信道 图8 15为后向业务信道的调制过程 后向信道上的用户数据被分成20ms的帧 后向信道上的所有传输数据在传输之前都要经过卷积编码 块交织 64阶正交调制和扩频 表8 6为后向业务信道的调制参数 图8 15CDMA后向业务信道的调制过程 表8 6IS 95后向业务信道调制参数 8 4 4CDMA的移动性和无线资源管理 1 软切换 软切换是建立在CDMA系统宏分集接收基础上的一项技术 已成功应用于 IS 95CDMA系 统 软切换是IS 95系统引入的一个崭新的概念 除了技术实现上的改善外 还给通信话音质量 系统容量等方面带来了突破 当移动台慢慢走出原先的服务小区 将要进入另一个服务小区时 原基站与移动台之间的链路将由新基站与移动台之间的链路来取代 这就是切换的含义 IS 95中支持三种类型的切换 软切换 CDMA与CDMA的硬切换 CDMA至模拟的切换 当移动台开始与一个新的基站联系时 并不立即中断与原来基站之间的通信 这种切换方式即为软切换 软切换仅仅能运用于具有相同频率的CDMA信道之间 FDMA TDMA系统中广泛采用硬切换技术 当硬切换发生时 因为原基站与新基站的载波频率不同 移动台必须在接收新基站的信号之前 中断与原基站的通信 往往由于在与原基站链路切断后 移动台不能立即得到与新基站之间的链路而中断通信 另外 当硬切换区域面积狭窄时 会出现新基站与原基站之间来回切换的 乒乓效应 影响业务信道的传输 在CDMA系统中提出的软切换技术 很好地利用了直接扩频系统的特点 与硬切换技术相比 具有以下更好的性能 1 软切换发生时 移动台只有在取得了与新基站的链接之后 才会中断与原基站的联系 通信中断的概率大大降低 2 软切换进行过程中 移动台和基站均采用了分集接收的思想 有抵抗衰落的能力 不用过多增加移动台的发射功率 同时 基站宏分集接收保证在参与软切换的基站中 只要有一个基站能正确接收移动台的信号就可以进行正常的通信 由于通过反向功率控制 可以使移动台的发射功率降至最低 这进一步降低了移动台对系统的干扰 3 进入软切换区域的移动台即使不能立即得到与新基站的链路 也可以进入切换等待的排队队列 从而减少了系统的阻塞率 IS 95系统对软切换作了以下的规定 软切换的过程从移动台开始 它必须不断测量系统内导频信道的信号强度 为了有效地对导频信道进行搜索 IS 95中的导频信道被分为活动集 候选集 邻近集和剩余集四个集合 活动集由具有足够强度 并正在参与移动台接收的导频组成 候选集是由曾经在活动集中 或是强度超过T ADD的有关导频构成 邻近集是由不在活动集与候选集中的 但有可能参与软切换的导频构成 剩余集是由目前频率上的除了活动集 候选集 邻近集以外的其他导频构成 当移动台测得邻近集或剩余集中的一个导频的强度超过T ADD 或者候选集中的一个导频的强度超过有效集中任意导频强度的一半 或者有效集的导频低于T ADD并且持续时间达到T TDROP时 移动台会向基站发送 导频强度测量消息 报告导频搜索的结果以及切换跌落定时器的状态 同时 导频强度测量消息 中还应报告有关导频信道相对于移动台时间基准的相对时间间隔 基站子系统 通过发送 切换指示消息 即分配给移动台的新的前向业务信道 来响应 导频强度测量消息 另外 切换指示消息 也用来标识从活动集中去掉的导频 移动台将停止使用已从有效导频集中去掉的导频 并发出 切换完成消息 软切换时 与所有活动集中的导频相联系的前向业务信道将发送除功率控制子信道以外的完全相同的调制符号 移动台应该对相应的前向业务信道进行分集接收 移动台必须支持最大达150 的相对信号传播延时 软切换时 相同的前向功率控制子信道被划分为不同的功率控制集 移动台必须支持对属于相同功率控制集中的功率控制子信道进行分集合并 当不同功率控制集的功率控制比特均指示发射功率上升时 移动台提高发射功率 当任何一个功率控制集的功率控制比特指示发射功率下降时 移动台降低发射功率 2 功率控制 跟所有的蜂窝电话系统相同 CDMA系统也受干扰的限制 然而 同频道干扰和邻道干扰并不是主要的问题 事实上 CDMA的干扰来自同一时间采用同一频率传输的其他所有用户的信息 为了避免 远 近 效应 采用很好的功率控制相当重要 同时为了获得良好的链路质量 并考虑到衰落和阴影效应 需增加发射的功率 在CDMA中 即使信号的强度很强 由于存在干扰 所接收到的帧也可能出错 因此在CDMA中的功率控制策略借助于帧差错比率 FER 在其他的系统中借助于信号强度 通常假定 FER为1 同时最大差错率突发为两帧时的性能是最佳的 通常FER的允许范围为0 2 0 3 最大差错突发允许达到4帧 功率控制保证每一用户到达基台的信号具有相同的功率 以便获得最佳的信号干扰比 提供系统的信道容量 由于系统的不完善 必然存在功率控制误差 而功率控制误差的存在影响了系统的性能 一般分析中功率控制误差被认为服从对数正态分布 在以往的分析中为了简化计算 功率控制源的选择采用基于距离的方法 即用户所在基区的基台便是用户的功率控制源 用户的移动台将受该基台的功率控制 然而在实际