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2.2.1 移动宽带接入技术发展概况

移动宽带接入技术是相对同时期的移动窄带接入技术而言,从发展历史上,可分为以下几个阶段的不同技术。

① 2G技术:GSM(Global System for Mobile Communication),全球移动通信系统,简称“全球通”;GPRS(General Packet Radio Service,通用分组无线业务),俗称 2.5G;EDGE(Enhanced Data Rate for GSM Evolution,增强型数据速率GSM演进技术),俗称 2.75G。

② 3G技术:WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access,宽带码分多址接入);cdma20001x(Code Division Multiple Access 2000),是从cdma One蜕变进化出来,支持 3G的一种制式;TD-SCDMA(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access,时分同步的码分多址技术);以及相关增强技术HSPA(High Speed Packet Access,高速分组接入),HSPA+(High Speed Packet Access Plus,增强型的高速分组接入),HRPD(High Rate Packet Data,高速分组数据)。

③ 下一代移动宽带技术:当前全球一致认可的长期演进LTE(Long Term Evolution)技术。

下面将从技术原理、关键技术对各种移动宽带接入技术进行说明。

1.2G移动接入

1)通用分组无线业务GPRS

GPRS是叠加在全球移动通信系统GSM网络上并最大限度重用利用GSM系统资源来进行数据业务的GSM业务。与GSM原有电路域(CS)业务不同的是,它采用业务共享的方式,因此不需要给每个激活用户一条专用GSM电路;它允许用户在GSM网上以分组模式(共享电路)、端到端地发送和接收数据。这种思想也是分组网络设计的核心。GPRS网络架构如图 2-21 所示。

图 2-21 GPRS网络架构

GPRS网络通过SGSN(Service GPRS Support Node,GPRS服务支持节点)和GGSN(Gateway for GPRS Support Node,GPRS服务支持网关)设备,来完成相应的分组接入的工作及流程。SGSN是为移动终端(MS)提供业务的节点,在激活GPRS业务时,SGSN建立起一个移动性管理环境,包含关于这个移动终端(MS)的移动性和安全性方面的信息。SGSN的主要作用就是记录移动台的当前位置信息,并且在移动台和SGSN之间完成移动分组数据的发送和接收。GGSN是GPRS网络与外部分组数据网(PDN)相连的网关,它可以和多种不同的数据网络连接。GPRS通过时隙捆绑的方式来提供高效的无线资源利用率,无线接入速率高达 171.2 kb/s。同时,通过Gs接口将电路域(CS)与分组域(PS)联系起来,使移动交换中心/访问位置寄存器(MSC/VLR)与SGSN之间相互配合而实现诸如联合位置更新、经由GPRS进行CS寻呼等功能,从而节约网络及无线资源。

GPRS虽然是分组网络发展的第一阶段,但其设计的基本思想已经体现出电路域与分组域的差异,以及分组域的用户特征等。这些基本思想也指导了后期的 3G发展及其设计。比如,编码效率、载波功率与干扰信号功率之比(C/I)、覆盖的平衡等。GPRS本身有四种编码的选择(CS-1,CS-2,CS-3,CS-4),对应的数据速率分别为 9.05 kb/s,13.4 kb/s,15.6 kb/s,21.4 kb/s,但是前面两种编码对 C / I 要求小,能实现小区 90%左右的覆盖,后面两种编码虽然速率高,但只能满足小区某些特定区域的要求(如中心区域)。这些体现了分组数据网络的典型特征,即速率/容量与覆盖的平衡,或者以后 3G增强方案中的自适应调制和编码的问题,都是对这里采用固定编码速率的一种改进和增强方案。

在信道设计上,GPRS同样引入了新的数据业务信道,如PDTCH(Physical Data Traffic Channel,物理数据业务信道),网络最多分配 8 个PDTCH给一个用户,由于GSM是时分复用的,这里分配 8 个PDTCH,也就是分配同一载波上的 8 个时隙给一个用户,实现单用户业务(或者说GPRS业务)的峰值速率。换言之,以后的高速下行分组接入HSDPA技术,因为是基于CDMA的码分多址技术,因此单个用户的峰值速率或者说某个特定条件下的峰值速率,都是采用多个码的,扩频因子SF(Spreading Factor)长度为 16 的码字的结果,比如 15 个码字是业界宣称的 14.4 Mb/s,10 个码字是 7.2 Mb/s的峰值速率等。这里的资源捆绑的思想同样体现在以后的演进 3G(E3G)通信系统中。

在数据业务与语音业务的关系上,同样采用语音优先的原则。通过联系分组域与电路域桥梁的Gs接口,用户在GPRS上进行数据业务时,也能及时接收来自电路域的寻呼,从而完成语音呼叫,待语音业务结束后,才会返回到GPRS网络,继续进行相应的数据业务。

2)增强型数据速率GSM演进技术EDGE

EDGE是GPRS的增强方案。EDGE在速率上有显著提升,如图 2-22 所示。

图 2-22 GPRS与EDGE的速率对比

为了在现有蜂窝系统中提供更高的数据通信速率,EDGE在技术上进行了大量的改进,主要体现在以下几个方面:

GPRS与EDGE的主要差异如表 2-2 所示。

表 2-2 GPRS与EDGE的主要差异对比

从一定意义上来看,EDGE进一步加强了分组域BE(Best Effort,尽力而为)业务的设计思想,比如增强的调制方案和以后的E3G,基本都是延续采用高阶调制来提升峰值速率的思想;多种编码方式,也是从无线信道变化的角度出发来匹配的、对应提升网络资源利用率的措施。递增冗余的传输是混合自动重传的一种方式,混合自动重传是一种较自动重传更有效的方案,该技术在E3G中也有应用。此外,如链路自适应等在E3G也有大量应用。下面再从其他角度来说明EDGE的技术特点。

EDGE技术主要影响现有GSM网络的无线访问部分,如GSM 中的BSC(Base Station Controller,基站控制器)和BTS(Base Transceiver Station,基站收发器),而对核心网部分的应用和接口并没有太大的影响。因此,运营商可最大限度地利用原有的无线网络设备,只需少量的投资就可以部署EDGE,并且通过移动交换中心(MSC)和GPRS服务支持节点(SGSN)还可以保留使用原有的网络接口。事实上,EDGE的上述改进提升了GSM应用的性能和效率,并且为将来的宽带服务提供了可能。EDGE技术有效地提高了GPRS信道编码效率及其高速移动数据的速率,它的最高传输速率理论上可达 384 kb/s,是GPRS业务的 3 倍,在一定程度上节约了网络投资,满足了无线多媒体应用的带宽需求。

2.3G移动接入

3G(The Third Generation)即第三代移动通信,它是以CDMA(Code Division Multiple Access,码分多址)为基础的技术。第一代移动通信系统采用频分多址(FDMA)的模拟调制方式,这种系统的主要缺点是频谱利用率低,信令干扰语音业务。第二代移动通信系统主要采用时分多址(TDMA)的数字调制方式,提高了系统容量,并采用独立信道传送信令,使系统性能大大改善,但TDMA的系统容量仍然有限,越区切换性能仍不完善。CDMA系统以其频率规划简单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量、软切换等特点显示出巨大的发展潜力。

国际电信联盟(ITU)在 2000 年 5 月确定了WCDMA,cdma2000,TD-SCDMA三大主流无线接口标准,已写入 3G技术指导性文件《2000 年国际移动通信计划》(简称IMT−2000)。IMT−2000 主要出于三方面的考虑:一是速率高达 2 Mb/s,二是在 2000 年商用,三是核心频段为 2 GHz。WCDMA,TD-SCDMA是由 3GPP组织制定,cdma2000 是由 3GPP2 组织制定,所以可从两条线来介绍它们,如图 2-23 所示。

图 2-23 IMT-2000 的家族成员图

WCDMA(宽带码分多址),是一种第三代无线通信技术,由欧洲的 3GPP(The ThirdGeneration Parthnership Project )标准组织制定,又称为UMTS ( Universal Mobile Telecommunications System,通用移动通信系统)。由于是 3GPP标准组织所制定,因此演进上在很大程度上有GSM的思想,核心网络上基于GSM MAP核心网,只是无线侧进行了增强改进。WCDMA是采用UTRAN(UMTS Terrestrial Radio Access Network,UMTS陆地无线接入网)为无线接口的第三代移动通信系统。WCDMA采用直接序列扩频码分多址(DS-CDMA,Direct Spreading−CDMA)、频分双工(FDD)方式,码片速率为 3.84 Mb/s,载波带宽为 5 MHz。WCDMA有R99 和R4 版本。可在 5 MHz的带宽内,提供最高 384 kb/s的用户数据传输速率。随着后续R5,R6,R7 版本的引入,相继出现HSDPA,HSUPA,以及HSPA+等概念,峰值速率也以倍数级增长,从R99 的 384 kb/s增加到现有的 21 Mb/s。由于该标准的开放性,吸引利益各方参与积极,产业发展情况良好,终端多,价格低,占据了全球绝大部分移动通信市场,是 3G三大标准中发展最好的一种。

TD−SCDMA(Time Division−Synchronous CDMA,时分同步CDMA),也是由 3GPP标准组织制定的标准。它是由中国主导的 3G标准。该标准将智能无线电、同步CDMA和软件无线电等国际领先技术融于其中,在频谱利用率、对业务支持的灵活性、频率灵活性及成本等方面具有独特优势。由于同属 3GPP的标准,TD-SCDMA技术的核心网与WCDMA完全相同,无线网有自身的特色,采用TDD即时分双工模式,采用 1.6 MHz的带宽,同时采用了智能天线,接力切换等无线侧新技术。

cdma2000 是由窄带CDMA IS−95 技术发展而来的,是由 3GPP2 组织制定的标准。cdma2000 分为cdma2000 1x和cdma2000 3x两种。cdma2000 1x的“1x”有两层含义,一是说频宽只有一个载频,即 1.25 MHz,同时也是指 1X网络。cdma2000 3x指的是有三个载频,也就是 5 MHz,由于后期的评估结论证明在 5 MHz这么窄的频宽里面的载波捆绑效率不高,同时复杂性加大,因此cdma2000 3x没有投入商用。随着数据业务的发展,cdma2000又推出E3G的系统,如cdma2000 1x EV-DO,分为Rev0 版本、RevA版本和RevB版本,其中Rev0 版本商用较少,当前运营商主要采用RevA版本,RevB版本尚处于试商用阶段。

3.下一代接入技术

下一代接入技术主要指LTE(长期演进项目),该项目一定程度上是 3GPP标准组织迫于WiMAX的竞争而出现的产物,因此LTE在关键技术的选择上与WiMAX极为相似。比如采用OFDMA(正交频分多址),MIMO(多入多出天线)等技术。作为后发者,LTE在系统性能及目标上有贴近或者超越 3G之势,常常被业界称为 3.9G技术。3GPP LTE项目的主要性能目标包括:在 20 MHz频谱带宽下能够提供下行 100 Mb/s、上行 50 Mb/s的峰值速率;改善小区边缘用户的性能;提高小区容量;降低系统延迟,用户平面内部单向传输时延低于 5 ms,控制平面从休眠状态到激活状态迁移时间低于 50 ms,从驻留状态到激活状态的迁移时间小于 100 ms;支持 100 km半径的小区覆盖;能够为 350 km/h高速移动用户提供大于 100 kb/s的接入服务;支持成对或非成对频谱,并可灵活配置 1.25 MHz到20 MHz多种带宽。 qSLowBWkH2NkHTr3e0uHb21+OgyYGVqyyQfuTdJMHYmY6DUhvedEgyhmkciEiv1X

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