蜂窩移動(dòng)寬帶無線接入技術(shù)

本文關(guān)鍵字: 移動(dòng)通信, 3G, 寬帶, 多媒體, 寬帶接入, 無線接入, WCDMA, CDMA2000, GPRS, EDGE, EV-DO, FDMA, 頻譜利用率, GSM, TDMA, CDMA, 多媒體通信, 漫游, 網(wǎng)絡(luò), 3GPP, 3GPP2, 電路交換, 分組交換, 信令, UMTS, 網(wǎng)關(guān), SGSN, IP, PSTN, 數(shù)據(jù)通信, GMSK, 糾錯(cuò), 運(yùn)營(yíng)商, 接入網(wǎng), 基站, ATM, 服務(wù)器, 交換機(jī), TDM, HSDPA, IMS, MBMS, Qos, CDMA2000 1x EV-DO, 雙模, 射頻, 測(cè)試

　　在移動(dòng)通信領(lǐng)域，目前為人們所廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)技術(shù)即是第三代移動(dòng)通信技術(shù)（3G）。與第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)相比，第三代移動(dòng)通信技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)是能夠向用戶提供移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)接入，從而能向用戶提供寬帶多媒體業(yè)務(wù)。除了3G以外，從2G向 3G演進(jìn)的2.5G、2.75G移動(dòng)通信技術(shù)也能向用戶提供一定的寬帶接入能力。由此，作者也把包括2.5G、2.75G、3G在內(nèi)的能向用戶提供一定寬帶接入能力的蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，歸于寬帶無線接入技術(shù)進(jìn)行介紹。本文主要介紹了包括wcdma系列和cdma2000系列的包括 2.5G/2.75G/3G在內(nèi)的蜂窩移動(dòng)寬帶無線接入技術(shù)，如gprs/edge/wcdma、cdma2000 1x/1x EV-DO/1x EV-DV等。

蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展概述

　　蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)從發(fā)展到現(xiàn)在主要經(jīng)歷了三個(gè)階段，即第一代、第二代和第三代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)。第一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)是模擬蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，以美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的先進(jìn)移動(dòng)電話系統(tǒng)AMPS為典型代表。第一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)由于采用模擬技術(shù)和FDMA多址接入方式，在使用中暴露出很多弊端，如頻譜利用率比較低、保密性差、只能提供低速語音業(yè)務(wù)、設(shè)備體積大成本高等，在實(shí)際中已經(jīng)基本不再使用。

　　第二代移動(dòng)通信技術(shù)是數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，采用數(shù)字調(diào)制技術(shù)，具有頻譜利用率高，保密性好的特點(diǎn)，不僅可以支持話音業(yè)務(wù)，也可以支持低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，因而又稱為窄帶數(shù)字通信系統(tǒng)。第二代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)典型代表有美國(guó)的DAMPS系統(tǒng)、IS-95系統(tǒng)和歐洲GSM系統(tǒng)，其中 DAMPS和GSM都采用TDMA多址接入方式，而IS-95采用則采用CDMA多址接入方式，系統(tǒng)容量比GSM和DAMPS要大的多。第二代數(shù)字移動(dòng)通信技術(shù)是目前廣泛應(yīng)用的蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，但由于只能提供窄帶業(yè)務(wù)，已經(jīng)不能滿足人們?cè)絹碓蕉嗟膶?duì)于移動(dòng)寬帶多媒體業(yè)務(wù)的需求。

　　第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)是寬帶數(shù)字通信系統(tǒng)，它的目標(biāo)是提供移動(dòng)寬帶多媒體通信，多址方式基本都采用CDMA多址接入，屬于寬帶CDMA移動(dòng)通信技術(shù)。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)能提供多種類型的高質(zhì)量多媒體業(yè)務(wù)，能實(shí)現(xiàn)全球無縫覆蓋，具有全球漫游能力并與固定網(wǎng)絡(luò)相兼容。它可以實(shí)現(xiàn)小型便攜式終端在任何時(shí)候、任何地點(diǎn)進(jìn)行任何種類的通信。第三代移動(dòng)通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作由3GPP和3GPP2兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化組織來推動(dòng)和實(shí)施。目前，在世界范圍內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)體制為WCDMA和CDMA2000。下面將對(duì)這兩種體制的第三代移動(dòng)通信技術(shù)以及相應(yīng)的二代半過渡性技術(shù)進(jìn)行介紹。

WCDMA體制移動(dòng)寬帶無線接入技術(shù)

1．GPRS技術(shù)：

　　GPRS技術(shù)是從第二代移動(dòng)通信GSM技術(shù)向3G移動(dòng)通信技術(shù)WCDMA發(fā)展演進(jìn)的一種過渡技術(shù)，也即屬于所謂的 2.5G移動(dòng)通信技術(shù)。GPRS全稱為通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service），是一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)。相對(duì)原來GSM的撥號(hào)方式的電路交換數(shù)據(jù)傳送方式，GPRS是分組交換技術(shù)，它以一種有效的方式采用分組交換模式來傳送數(shù)據(jù)和信令。

圖1：GPRS/UMTS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖{{分頁}}

　　如圖1中所示，GPRS是在GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，對(duì)原有GSM網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)和無線子系統(tǒng)的設(shè)備及功能進(jìn)行增強(qiáng)而成。在網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)中增加了GGSN（網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)）和SGSN（服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)）。這樣，在GPRS網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)中，GGSN和SGSN一起構(gòu)成了分組交換域，可與外部分組交換網(wǎng)絡(luò)如X.25網(wǎng)絡(luò)、IP網(wǎng)絡(luò)直接相連；而原有的MSC和GMSC則構(gòu)成了電路交換域，與PSTN網(wǎng)絡(luò)相連。此外，GPRS還用用戶數(shù)據(jù)和路由信息將GSM網(wǎng)絡(luò)中的HLR增強(qiáng)為GPRS的數(shù)據(jù)庫（GR）。在無線子系統(tǒng)中，GPRS增強(qiáng)了BSC的功能，增加了GSM業(yè)務(wù)信道和控制信道的種類，以支持GPRS的多種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

　　GPRS頻道采用TDMA，一個(gè)TDMA幀劃分8個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙對(duì)應(yīng)一個(gè)物理信道。在GPRS中，每個(gè)物理信道可以由多個(gè)用戶共享，并可根據(jù)語音和數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)要求動(dòng)態(tài)分配。GPRS還采用了更好物理信道編碼方案，當(dāng)使用8個(gè)時(shí)隙時(shí)，每個(gè)用戶的最高接入速率可達(dá) 164kbps。GPRS支持IP，X.25等數(shù)據(jù)通信協(xié)議，可提供移動(dòng)臺(tái)與移動(dòng)臺(tái)之間，移動(dòng)臺(tái)與外部分組交換網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信。

　　GPRS可優(yōu)化利用網(wǎng)絡(luò)和無線資源，維護(hù)無線子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的嚴(yán)格分離，并允許采用其他非GSM標(biāo)準(zhǔn)的無線子系統(tǒng)接入GPRS網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)，這有利于GPRS網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)，便于向3G演進(jìn)。GPRS的缺點(diǎn)是其可提供的接入速率有限，可提供的多媒體業(yè)務(wù)相當(dāng)有限。

2．EDGE技術(shù)：

　　EDGE是一種基于GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)增強(qiáng)型技術(shù)，其英文全稱為Enhanced Data Rate for GSM Evolution，中文含義為“增強(qiáng)數(shù)據(jù)速率的GSM演進(jìn)技術(shù)”。EDGE相比GPRS最大的變化是在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)采用8PSK調(diào)制替代原先 GSM/GPRS中的GMSK調(diào)制（高斯最小頻移鍵控，為2PSK調(diào)制），再結(jié)合不同糾錯(cuò)檢錯(cuò)能力的信道編碼方案，EDGE共提供9種不同的調(diào)制編碼方案（MCS），而GPRS采用單一GMSK調(diào)制，僅提供四種編碼方案（CS）。這樣EDGE可以適應(yīng)更惡劣更復(fù)雜多變的無線傳播環(huán)境。此外，EDGE在鏈路層數(shù)據(jù)發(fā)送和重傳機(jī)制上，采用了“鏈路適配”和“增量冗余”技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)重發(fā)成功率。鏈路適配技術(shù)可在不同MCS之間根據(jù)實(shí)時(shí)的無線鏈路質(zhì)量及時(shí)調(diào)整采用最佳MCS方案；增量冗余技術(shù)在重發(fā)信息種加入更多的冗余信息來提高接收端正確解調(diào)的概率。綜合以上各項(xiàng)技術(shù)， EDGE技術(shù)理論數(shù)據(jù)傳輸速率可高達(dá)384Kbps～473.6Kbps，與GPRS相比大大提高了用戶數(shù)據(jù)接入速率，因?yàn)橐脖环Q之為2.75G技術(shù)。目前，北美和亞洲少數(shù)運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)開通了基于EDGE的服務(wù)，但由于運(yùn)營(yíng)時(shí)間尚短，其成熟性和可靠性還有待進(jìn)一步觀察。

3．WCDMA技術(shù)：

　　WCDMA屬于3G移動(dòng)通信技術(shù)，目前有R99、R4、R5以及R6共4個(gè)版本。

　　R99版本接入部分主要定義了全新的5MHz每載頻的寬帶碼分多址無線接入網(wǎng)，采納了功率控制、軟切換及更軟切換等 CDMA關(guān)鍵技術(shù)，提高了頻譜效率和數(shù)據(jù)傳送能力。基站只做基帶處理和擴(kuò)頻，接入系統(tǒng)智能集中于RNC統(tǒng)一管理，引入了適于分組數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議和機(jī)制，數(shù)據(jù)速率可支持144Kbps 、384Kbps ，最高可達(dá)2Mbps ?；竞蚏NC之間采用基于ATM的Iub接口，而RNC則分別通過基于ATM AAL2的Iu-CS和AAL5的Iu-PS分別與核心網(wǎng)的CS域和PS域相連。

　　R99版本核心網(wǎng)部分向下兼容GPRS，分為CS電路交換域和PS分組交換域，CS域和PS域分別基于演進(jìn)的 MSC/GMSC和SGSN/GGSN，CS域主要負(fù)責(zé)與電路型業(yè)務(wù)相關(guān)的呼叫控制和移動(dòng)性管理等功能，呼叫控制采用TUP，ISUP等標(biāo)準(zhǔn)ISDN信令，移動(dòng)性管理上采用了進(jìn)一步演進(jìn)的MAP協(xié)議，物理實(shí)體與GSM類似包括了MSC，GMSC，VLR。PS域主要負(fù)責(zé)與分組型業(yè)務(wù)相關(guān)的會(huì)話控制和移動(dòng)性管理等功能，在原有的GPRS系統(tǒng)基礎(chǔ)上對(duì)一些接口協(xié)議，工作流和和業(yè)務(wù)功能作部分改動(dòng)，相對(duì)于GPRS，增加了服務(wù)級(jí)別的概念，分組域的業(yè)務(wù)質(zhì)量保證能力提高，帶寬增加；語音編解碼器在核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，支持系統(tǒng)間切換（GSM/UMTS），增強(qiáng)了安全和計(jì)費(fèi)功能。{{分頁}}

　　R4版本相對(duì)于R99，無線接入網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)沒有改變，改變的只是一些接口協(xié)議的特性和功能的增強(qiáng)；但在核心網(wǎng)CS域改變較大。R4核心網(wǎng)CS域采用開放式結(jié)構(gòu)，控制與底層承載相分離，由MSC服務(wù)器和MGW媒體網(wǎng)關(guān)配合，替代原有的節(jié)點(diǎn)式MSC交換機(jī)實(shí)現(xiàn)呼叫接續(xù)和控制功能，整個(gè)CS核心網(wǎng)由TDM中心節(jié)點(diǎn)交換型演進(jìn)為典型的分組話音分布式體系結(jié)構(gòu)。同時(shí)，CS核心網(wǎng)采用ATM/IP分組交換網(wǎng)替代原來的TDM電路交換，提高了帶寬利用效率。R4版本在無線寬帶接入速率方面與R99基本相同。

　　R5版本在無線接入網(wǎng)方面引入了IP UTRAN和HSDPA高速下行分組接入。IP UTRAN在無線接入網(wǎng)部分采用IP來承載用戶信令和用戶數(shù)據(jù)；HSDPA(高速下行分組接入)用于實(shí)現(xiàn)WCDMA網(wǎng)絡(luò)高速下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，下行數(shù)據(jù)接入速率理論上可高達(dá)14.4 Mbps，同時(shí)可以把同樣無線頻段中的系統(tǒng)數(shù)據(jù)容量提高一倍以上。HSDPA能達(dá)到這樣高的接入速率，在于其引入了先進(jìn)技術(shù)以及相應(yīng)的無線接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)的一些改進(jìn)，如引入了高速下行共享信道HS-DSCH，采用縮短的子幀和高階QAM調(diào)制、采用自適應(yīng)調(diào)制編碼AMC和物理層混合自動(dòng)重傳HARQ II/III，直接在NodeB中進(jìn)行快速包調(diào)度等。R5版本在核心網(wǎng)方面增加了IP多媒體子系統(tǒng)（IMS），但I(xiàn)MS域還無法完全取代R4分組化的CS 域， R5只是R4的補(bǔ)充和滿足IP多媒體業(yè)務(wù)的需求的一個(gè)版本。

　　R6版本中引入了HSUPA高速上行分組接入以及MBMS多媒體廣播和組播業(yè)務(wù)。與HSDPA相類似，HSUPA采用自適應(yīng)調(diào)制編碼AMC、混合自動(dòng)重傳HARQ以及更加靈活的NodeB快速調(diào)度等技術(shù)，理論上可為用戶提供5.8Mbps的上行數(shù)據(jù)接入。MBMS可在無線接入網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到多點(diǎn)的高速多媒體業(yè)務(wù)廣播和組播，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)資源的共享，提高了網(wǎng)絡(luò)資源特別是無線資源的利用效率。目前R6版本還沒完全確定，還在 3GPP的討論和不斷演化之中。

CDMA2000體制移動(dòng)寬帶無線接入技術(shù)

1．CDMA2000 1X：

　　cdma2000 1x是由IS-95A/B演化而來的，它是cdma2000第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的第一個(gè)階段，可以看作是2.5G技術(shù)。cdma2000 1x在IS-95A/B的基礎(chǔ)上，對(duì)無線接入網(wǎng)絡(luò)部分進(jìn)行了改進(jìn)，采用比IS295A/ B 更先進(jìn)的技術(shù)，在無線信道類型、物理信道調(diào)制和無線分組接口功能上都有很大的增強(qiáng)。cdma2000 1x的話音容量大約是IS-95A/B的1.5～2倍，能夠在1.25 MHz的帶寬上提供高達(dá)153.6kbit/ s的雙向數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。核心網(wǎng)部分則原來的電路交換網(wǎng)基礎(chǔ)上, 增加了一個(gè)分組交換網(wǎng)絡(luò)，支持移動(dòng)IP業(yè)務(wù)，支持QoS，能適應(yīng)更多、更復(fù)雜的多媒體業(yè)務(wù)。

　　根據(jù)IMT-2000原定計(jì)劃，cdma2000系統(tǒng)將從1x起步，即首先使用單載波系統(tǒng)來保證與第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)的兼容。隨著技術(shù)的發(fā)展，通過把三個(gè)或三個(gè)以上的載波捆綁在一起的方式，進(jìn)一步提高性能。但之后，多個(gè)載波的方式?jīng)]有成為主要的研究方向。而是在單個(gè)載波的基礎(chǔ)上,提出了一系列新的技術(shù)，來增強(qiáng)cdma2000 的性能。這些新的技術(shù)被叫做1x EV技術(shù)，即1x技術(shù)的演進(jìn)。這些1x EV技術(shù)主要包括1x EV-DO和1x EV-DV。

2．CDMA2000 1X EV-DO：

　　1x EV-DO采用將數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和和語音業(yè)務(wù)分離的思想，在獨(dú)立于cdma2000 1x的載波上向移動(dòng)終端提供高速無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，不支持話音業(yè)務(wù)。1x EV-DO針對(duì)高速分組數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，在前向鏈路上采用了諸如前向最大功率發(fā)送、高階調(diào)制、動(dòng)態(tài)速率控制、自適應(yīng)編碼調(diào)制、HARQ、多用戶分集和調(diào)度以及時(shí)分調(diào)度等多項(xiàng)技術(shù)，前向鏈路速率可達(dá)2.46Mbps；而對(duì)于反向鏈路上的數(shù)據(jù)傳輸，和cdma2000 1x基本相同。 {{分頁}}

　　1x EV-DO與1x不完全兼容，1x EV-DO單模終端不能在cdma2000 1x網(wǎng)絡(luò)中通信，同樣cdma2000 1x單模終端也不能在1x EV-DO網(wǎng)絡(luò)中通信。在組網(wǎng)方面，對(duì)于那些只需要分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的用戶，1x EV-DO可以單獨(dú)組網(wǎng)，此時(shí)的核心網(wǎng)配置可采用基于IP的、較為簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；對(duì)于同時(shí)需要語音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的用戶，可以與cdma2000 1x聯(lián)合組網(wǎng)，同時(shí)提供語音與高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，不過這時(shí)用戶終端需要采用同時(shí)支持1x EV-DO與cdma2000 1x的雙模終端。

　　1x EV-DO保持了與cdma2000 1x在設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上的兼容性。在無線射頻部分，1x EV-DO具有與cdma2000 1x相同的射頻特性及實(shí)現(xiàn)方式，升級(jí)時(shí)可以直接使用已有的cdma2000 1x射頻部分；在核心網(wǎng)部分，1x EV-DO也可以與cdma2000 1x共用相同的分組數(shù)據(jù)核心網(wǎng)。目前國(guó)際上，1x EV-DO已經(jīng)商用，技術(shù)較為成熟。

3．CDMA2000 1X EV-DV：

　　與1x EV-DO只提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)不同，1x EV-DV的設(shè)計(jì)目標(biāo)要求能提供混合高速數(shù)據(jù)和話音業(yè)務(wù)。1x EV-DV可完全后向兼容cdma2000 1x，便于從1x網(wǎng)絡(luò)升級(jí)，其空中接口標(biāo)準(zhǔn)分兩個(gè)版本：Rel.C和Rel.D。Rev.C主要改進(jìn)和增強(qiáng)了CDMA2000 1X的前向鏈路，前向峰值速率達(dá)到3.1Mbps，Rev.D則改進(jìn)和增強(qiáng)了反向鏈路，反向峰值速率達(dá)到1.8Mbps，而在Rev.C中反向峰值速率僅為230.4kb/s。但Rev.C和Rev.D版本中對(duì)話音容量都沒有很大的改善。

　　Rel.C結(jié)合諸多新技術(shù)如自適應(yīng)調(diào)頻編碼(AMC)、混合自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求(HARQ)、使用TDM/CDM混合的新高速分組數(shù)據(jù)信道(F-PDCH)；可支持多種業(yè)務(wù)組合；后向兼容cdma2000 1x，不必采用雙模終端，可由1X系統(tǒng)平滑演進(jìn)到1X EV-DV；能更有效地支持?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)等。

　　Rev.D主要技術(shù)特點(diǎn)有：反向鏈路增強(qiáng)，采用靈活的反向鏈路控制方式，通過改進(jìn)的快速調(diào)度控制和速率控制實(shí)現(xiàn)反向鏈路速率控制，有效的縮短了時(shí)延，改善了Qos；提供點(diǎn)到多點(diǎn)的廣播和組播業(yè)務(wù)(BCMC)；快速呼叫建立；3G移動(dòng)設(shè)備標(biāo)識(shí)(MEID)支持等。

　　相比于1x，1x EV-DV 可以提供更高的數(shù)據(jù)速率和更完善的QoS機(jī)制。目前，3GPP2 基本完成CDMA2000 1x EV-DV技術(shù)規(guī)范的制定工作，并已開始相關(guān)測(cè)試規(guī)范的討論和制定，一些廠家也已經(jīng)推出了1x EV-DV的系統(tǒng)，但1x EV-DV技術(shù)還不成熟，目前還沒有實(shí)現(xiàn)商用