蜂窩移動通信技術發(fā)展論文

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蜂窩移動通信技術從發(fā)展到現(xiàn)在主要經歷了三個階段,即第一代、第二代和第三代蜂窩移動通信技術。第一代蜂窩移動通信技術是模擬蜂窩移動通信技術,以美國貝爾實驗室開發(fā)的先進移動電話系統(tǒng)AMPS為典型代表。第一代蜂窩移動通信技術由于采用模擬技術和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、設備體積大成本高等,在實際中已經基本不再使用。

第二代移動通信技術是數(shù)字移動通信系統(tǒng),采用數(shù)字調制技術,具有頻譜利用率高,保密性好的特點,不僅可以支持話音業(yè)務,也可以支持低速數(shù)據(jù)業(yè)務,因而又稱為窄帶數(shù)字通信系統(tǒng)。第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)典型代表有美國的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)字移動通信技術是目前廣泛應用的蜂窩移動通信技術,但由于只能提供窄帶業(yè)務,已經不能滿足人們越來越多的對于移動寬帶多媒體業(yè)務的需求。

第三代移動通信系統(tǒng)是寬帶數(shù)字通信系統(tǒng),它的目標是提供移動寬帶多媒體通信,多址方式基本都采用CDMA多址接入,屬于寬帶CDMA移動通信技術。第三代移動通信系統(tǒng)能提供多種類型的高質量多媒體業(yè)務,能實現(xiàn)全球無縫覆蓋,具有全球漫游能力并與固定網絡相兼容。它可以實現(xiàn)小型便攜式終端在任何時候、任何地點進行任何種類的通信。第三代移動通信技術的標準化工作由3GPP和3GPP2兩個標準化組織來推動和實施。目前,在世界范圍內應用最為廣泛的第三代移動通信系統(tǒng)體制為WCDMA和CDMA2000。下面將對這兩種體制的第三代移動通信技術以及相應的二代半過渡性技術進行介紹。

WCDMA體制移動寬帶無線接入技術

1.GPRS技術:

GPRS技術是從第二代移動通信GSM技術向3G移動通信技術WCDMA發(fā)展演進的一種過渡技術,也即屬于所謂的2.5G移動通信技術。GPRS全稱為通用分組無線業(yè)務(GeneralPacketRadioService),是一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務。相對原來GSM的撥號方式的電路交換數(shù)據(jù)傳送方式,GPRS是分組交換技術,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。

如圖1中所示,GPRS是在GSM網絡基礎上,對原有GSM網絡子系統(tǒng)和無線子系統(tǒng)的設備及功能進行增強而成。在網絡子系統(tǒng)中增加了GGSN(網關GPRS支持節(jié)點)和SGSN(服務GPRS支持節(jié)點)。這樣,在GPRS網絡子系統(tǒng)中,GGSN和SGSN一起構成了分組交換域,可與外部分組交換網絡如X.25網絡、IP網絡直接相連;而原有的MSC和GMSC則構成了電路交換域,與PSTN網絡相連。此外,GPRS還用用戶數(shù)據(jù)和路由信息將GSM網絡中的HLR增強為GPRS的數(shù)據(jù)庫(GR)。在無線子系統(tǒng)中,GPRS增強了BSC的功能,增加了GSM業(yè)務信道和控制信道的種類,以支持GPRS的多種數(shù)據(jù)業(yè)務。

GPRS頻道采用TDMA,一個TDMA幀劃分8個時隙,每個時隙對應一個物理信道。在GPRS中,每個物理信道可以由多個用戶共享,并可根據(jù)語音和數(shù)據(jù)的業(yè)務要求動態(tài)分配。GPRS還采用了更好物理信道編碼方案,當使用8個時隙時,每個用戶的最高接入速率可達164kbps。GPRS支持IP,X.25等數(shù)據(jù)通信協(xié)議,可提供移動臺與移動臺之間,移動臺與外部分組交換網絡之間的數(shù)據(jù)通信。

GPRS可優(yōu)化利用網絡和無線資源,維護無線子系統(tǒng)和網絡子系統(tǒng)的嚴格分離,并允許采用其他非GSM標準的無線子系統(tǒng)接入GPRS網絡子系統(tǒng),這有利于GPRS網絡的升級,便于向3G演進。GPRS的缺點是其可提供的接入速率有限,可提供的多媒體業(yè)務相當有限。

2.EDGE技術:

EDGE是一種基于GSM/GPRS網絡的數(shù)據(jù)增強型技術,其英文全稱為EnhancedDataRateforGSMEvolution,中文含義為“增強數(shù)據(jù)速率的GSM演進技術”。EDGE相比GPRS最大的變化是在數(shù)據(jù)傳輸時采用8PSK調制替代原先GSM/GPRS中的GMSK調制(高斯最小頻移鍵控,為2PSK調制),再結合不同糾錯檢錯能力的信道編碼方案,EDGE共提供9種不同的調制編碼方案(MCS),而GPRS采用單一GMSK調制,僅提供四種編碼方案(CS)。這樣EDGE可以適應更惡劣更復雜多變的無線傳播環(huán)境。此外,EDGE在鏈路層數(shù)據(jù)發(fā)送和重傳機制上,采用了“鏈路適配”和“增量冗余”技術,提高了數(shù)據(jù)重發(fā)成功率。鏈路適配技術可在不同MCS之間根據(jù)實時的無線鏈路質量及時調整采用最佳MCS方案;增量冗余技術在重發(fā)信息種加入更多的冗余信息來提高接收端正確解調的概率。綜合以上各項技術,EDGE技術理論數(shù)據(jù)傳輸速率可高達384Kbps～473.6Kbps,與GPRS相比大大提高了用戶數(shù)據(jù)接入速率,因為也被稱之為2.75G技術。目前,北美和亞洲少數(shù)運營商已經開通了基于EDGE的服務,但由于運營時間尚短,其成熟性和可靠性還有待進一步觀察。

3.WCDMA技術:

WCDMA屬于3G移動通信技術,目前有R99、R4、R5以及R6共4個版本。

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,采納了功率控制、軟切換及更軟切換等CDMA關鍵技術,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)議和機制,數(shù)據(jù)速率可支持144Kbps、384Kbps,最高可達2Mbps。基站和RNC之間采用基于ATM的Iub接口,而RNC則分別通過基于ATMAAL2的Iu-CS和AAL5的Iu-PS分別與核心網的CS域和PS域相連。

R99版本核心網部分向下兼容GPRS,分為CS電路交換域和PS分組交換域,CS域和PS域分別基于演進的MSC/GMSC和SGSN/GGSN,CS域主要負責與電路型業(yè)務相關的呼叫控制和移動性管理等功能,呼叫控制采用TUP,ISUP等標準ISDN信令,移動性管理上采用了進一步演進的MAP協(xié)議,物理實體與GSM類似包括了MSC,GMSC,VLR。PS域主要負責與分組型業(yè)務相關的會話控制和移動性管理等功能,在原有的GPRS系統(tǒng)基礎上對一些接口協(xié)議,工作流和和業(yè)務功能作部分改動,相對于GPRS,增加了服務級別的概念,分組域的業(yè)務質量保證能力提高,帶寬增加;語音編解碼器在核心網實現(xiàn),支持系統(tǒng)間切換(GSM/UMTS),增強了安全和計費功能。

R4版本相對于R99,無線接入網網絡結構沒有改變,改變的只是一些接口協(xié)議的特性和功能的增強;但在核心網CS域改變較大。R4核心網CS域采用開放式結構,控制與底層承載相分離,由MSC服務器和MGW媒體網關配合,替代原有的節(jié)點式MSC交換機實現(xiàn)呼叫接續(xù)和控制功能,整個CS核心網由TDM中心節(jié)點交換型演進為典型的分組話音分布式體系結構。同時,CS核心網采用ATM/IP分組交換網替代原來的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版本在無線接入網方面引入了IPUTRAN和HSDPA高速下行分組接入。IPUTRAN在無線接入網部分采用IP來承載用戶信令和用戶數(shù)據(jù);HSDPA(高速下行分組接入)用于實現(xiàn)WCDMA網絡高速下行數(shù)據(jù)業(yè)務,下行數(shù)據(jù)接入速率理論上可高達14.4Mbps,同時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能達到這樣高的接入速率,在于其引入了先進技術以及相應的無線接入網結構的一些改進,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調制、采用自適應調制編碼AMC和物理層混合自動重傳HARQII/III,直接在NodeB中進行快速包調度等。R5版本在核心網方面增加了IP多媒體子系統(tǒng)(IMS),但IMS域還無法完全取代R4分組化的CS域,R5只是R4的補充和滿足IP多媒體業(yè)務的需求的一個版本。

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。與HSDPA相類似,HSUPA采用自適應調制編碼AMC、混合自動重傳HARQ以及更加靈活的NodeB快速調度等技術,理論上可為用戶提供5.8Mbps的上行數(shù)據(jù)接入。MBMS可在無線接入網中實現(xiàn)點到多點的高速多媒體業(yè)務廣播和組播,實現(xiàn)了網絡資源的共享,提高了網絡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體制移動寬帶無線接入技術

1.CDMA20001X:

cdma20001x是由IS-95A/B演化而來的,它是cdma2000第三代移動通信系統(tǒng)的第一個階段,可以看作是2.5G技術。cdma20001x在IS-95A/B的基礎上,對無線接入網絡部分進行了改進,采用比IS295A/B更先進的技術,在無線信道類型、物理信道調制和無線分組接口功能上都有很大的增強。cdma20001x的話音容量大約是IS-95A/B的1.5～2倍,能夠在1.25MHz的帶寬上提供高達153.6kbit/s的雙向數(shù)據(jù)業(yè)務。核心網部分則原來的電路交換網基礎上,增加了一個分組交換網絡,支持移動IP業(yè)務,支持QoS,能適應更多、更復雜的多媒體業(yè)務。

根據(jù)IMT-2000原定計劃,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通信系統(tǒng)的兼容。隨著技術的發(fā)展,通過把三個或三個以上的載波捆綁在一起的方式,進一步提高性能。但之后,多個載波的方式沒有成為主要的研究方向。而是在單個載波的基礎上,提出了一系列新的技術,來增強cdma2000的性能。這些新的技術被叫做1xEV技術,即1x技術的演進。這些1xEV技術主要包括1xEV-DO和1xEV-DV。

2.CDMA20001XEV-DO:

1xEV-DO采用將數(shù)據(jù)業(yè)務和和語音業(yè)務分離的思想,在獨立于cdma20001x的載波上向移動終端提供高速無線數(shù)據(jù)業(yè)務,不支持話音業(yè)務。1xEV-DO針對高速分組數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c,在前向鏈路上采用了諸如前向最大功率發(fā)送、高階調制、動態(tài)速率控制、自適應編碼調制、HARQ、多用戶分集和調度以及時分調度等多項技術,前向鏈路速率可達2.46Mbps;而對于反向鏈路上的數(shù)據(jù)傳輸,和cdma20001x基本相同。

1xEV-DO與1x不完全兼容,1xEV-DO單模終端不能在cdma20001x網絡中通信,同樣cdma20001x單模終端也不能在1xEV-DO網絡中通信。在組網方面,對于那些只需要分組數(shù)據(jù)業(yè)務的用戶,1xEV-DO可以單獨組網,此時的核心網配置可采用基于IP的、較為簡單的網絡結構;對于同時需要語音、數(shù)據(jù)業(yè)務的用戶,可以與cdma20001x聯(lián)合組網,同時提供語音與高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務,不過這時用戶終端需要采用同時支持1xEV-DO與cdma20001x的雙模終端。

1xEV-DO保持了與cdma20001x在設計和網絡結構上的兼容性。在無線射頻部分,1xEV-DO具有與cdma20001x相同的射頻特性及實現(xiàn)方式,升級時可以直接使用已有的cdma20001x射頻部分;在核心網部分,1xEV-DO也可以與cdma20001x共用相同的分組數(shù)據(jù)核心網。目前國際上,1xEV-DO已經商用,技術較為成熟。

3.CDMA20001XEV-DV:

與1xEV-DO只提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務不同,1xEV-DV的設計目標要求能提供混合高速數(shù)據(jù)和話音業(yè)務。1xEV-DV可完全后向兼容cdma20001x,便于從1x網絡升級,其空中接口標準分兩個版本:Rel.C和Rel.D。Rev.C主要改進和增強了CDMA20001X的前向鏈路,前向峰值速率達到3.1Mbps,Rev.D則改進和增強了反向鏈路,反向峰值速率達到1.8Mbps,而在Rev.C中反向峰值速率僅為230.4kb/s。但Rev.C和Rev.D版本中對話音容量都沒有很大的改善。

Rel.C結合諸多新技術如自適應調頻編碼(AMC)、混合自動重發(fā)請求(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)務組合;后向兼容cdma20001x,不必采用雙模終端,可由1X系統(tǒng)平滑演進到1XEV-DV;能更有效地支持數(shù)據(jù)業(yè)務等。

Rev.D主要技術特點有:反向鏈路增強,采用靈活的反向鏈路控制方式,通過改進的快速調度控制和速率控制實現(xiàn)反向鏈路速率控制,有效的縮短了時延,改善了Qos;提供點到多點的廣播和組播業(yè)務(BCMC);快速呼叫建立;3G移動設備標識(MEID)支持等。

相比于1x,1xEV-DV可以提供更高的數(shù)據(jù)速率和更完善的QoS機制。目前,3GPP2基本完成CDMA20001xEV-DV技術規(guī)范的制定工作,并已開始相關測試規(guī)范的討論和制定,一些廠家也已經推出了1xEV-DV的系統(tǒng),但1xEV-DV技術還不成熟,目前還沒有實現(xiàn)商用。