第十四章 移动网络的结构与组成.ppt

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1、2,主要内容,移动网络的概念与特点 从GSM/GPRS至WCDMA网络演进 从IS-95至CDMA2000网络演进,3,14.1 移动网络的概念与特点,引言 信令与协议 路由与交换 蜂窝式网络结构 移动通信的服务质量(QOS) 爱尔兰公式与爱尔兰表格,4,14.1.1引言,移动通信网是现代通信网中的一个重要组成部分。而现代通信网主要是由下列四个主要部分组成： 终端机：其主要功能是将待传送的信息转换成电信号并送入网内，同时从网上提取所需的信息。比如电话机、手机、传真机、数传机、视频终端摄像机与显示器等。 信道：它是载荷信息的信号所传送的通道，它主要包含固体介质的传输线、电缆、光缆；空气介质的无线

2、信道等。从特性上可以分为恒参量非时变信道与变参量的时变信道，移动信道属于后者。,5,变换设施：要将简单的点对点的通信组成多点对多点的通信网就必须有交换设备。 信令与协议：仅有硬件设备还不能在通信网内高效的互相交换信息，尤其是对自动化程度高，使用的环境条件(信源、业务、信道、用户等方面)复杂时，必需要有一些规范性的约定。这些约定在电话网中称为信令，而在计算机与数据网中则被称为协议。其实它就是网内使用专用“语言”用来协调网内、网间、运行以达到互通互控的目的。,6,现代电信网一般是指全局性核心、干线网络，其最大特性是静态固定的网络。 移动通信网，相对于PSTN网，它是属于接入网，即是核心网外围面向移

3、动用户的接入网络。移动通信网不同于静态的PSTN网，其网络配置是动态的。 固定网使用的资源，比如最典型的带宽是可以通过增加设备而不断增大的。亦即可通过增加光纤线数量和电缆芯线而增大；但是移动网中带宽与功率都是受到明显的严格限制。,7,14.1.2 信令与协议,信令与协议就是网内统一使用通信规程和专用语言，用它来协调网内、网间的正常运行；以实现互通、互控的目的。下面简要介绍移动通信网中主要的信令与协议： 通信信令 七号信令SS7 网络协议 TCP/IP协议 移动应用协议 MAP WAP协议(Wireless Application Protocol),8,1.通信信令 在话音通信中，人们将统一使

4、用的通信规程和专用语言称为信令，在移动通信的话音通信中,也与固网中一样使用这些信令。 二十世纪八十年代初期，即第一代模拟移动通信时期，话音与信令同时共用一个传输信道，即带内传输，并称之为随路信令，由于信令速率远低于话音，而且当此信道不通话时为了随时呼叫还必须保证信令通信而占用该信道，从而大大降低了信道的利用率。同时，还必须不断处理(不是同时)信令和用户数据。,9,一个典型的随路电话信令原理性示例如下，它描述了电话信号从呼叫开始和拆线为止的情况。,10,电话信令主要包括用户线信令和中继线信令两大类型： 用户线信令主要包括主叫端到交换局和交换局到被叫端之间的信号规范。最常用的有摘机、拨号音、忙音、

5、拨号、振铃、挂机等。 中继线信令是交换局之间联系的语言，也称为局间信令，其信号形式随中继线类型而异。最常用的有起动、准备好、地址、应答、通话、话终止、拆线、复原等。,11,上世纪八十年代，电信网PSTN和移动电话网开始使用公共信道信令CCS系统。CCS是一种数字通信技术，它将同一信道中的用户数据(含话音和数据)和控制用的信令等网络数据分离开来，让CCS占用一个独立的信道与用户数据信息同时传送。显然CCS是一种带外信令传送技术，因此它支持的信令速率不再受到话音带宽的限制，它可以将很多用户信道控制信令以及网络数据集中起来允许更高的传输速率，即从每秒56Kbps一直到数兆比特。,12,2.七号信令S

6、S7 SS7来源于CCITT(ITU-T的前身)基于公共信道信令标准CCS NO.6开发的带外信令系统，后来又沿着ISO7层体系结构思路发展。 第二代移动通信系统中GSM与IS-95的IS-41均使用SS7规定的信令协议，SS7是在网络实体之间传送控制信息的信令系统。,13,SS7协议结构以及OSI模型对照图如下所示：,14,3.网络协议 协议这个词来源于计算机技术与数据通信，其含义与话音通信中的信令基本上类似。在现代通信中，传送的是多媒体业务，既含有话音也含有数据与图像等综合业务。因此既需要信令也需要协议，而且两者互相渗透，有时几乎不加区分 。 计算机中的网络协议是指计算机网络中互相通信的对

7、等实体间交换信息时所必须遵守的规程。所谓对等实体是指计算机网络体系结构中处于相同层次的通信进程。,15,OSI网络体系结构，是由国际标准化组织ISO提出和定义的计算机和数据通信的网络分层模型。 OSI网络体系结构共分为七个层次：物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层、应用层，每层之间有相应的协议。对通信网而言，主要是下三层即物理层、数据链路层和网络层，而上面的四层可统一看作高层即网络应用高层。其示意图如下：,16,OSI网络体系结构的示意图,17,使用OSI网络体系结构时，除了物理层之外网络中数据的实际传输方向是垂直的。用户发送数据时，自上而下首先在发送端由发送进程把数据交给应用层

8、而应用层在数据前面加上该层的有关控制和识别的信息，再把它交给表示层这一过程一直重复至物理层，并由传输媒介将数据传送至接收端。在接收端信息反过来自下而上传递，并逐层拆除该层的控制和识别信息，最后将数据送至接收进程。整个变化过程如下图所示：,18,OSI网络体系结构中数据传输时的数据变化过程,19,4.TCP/IP协议 TCP/IP协议是网络中提供可靠数据传输和无连接数据服务的一组协议。提供可靠数据传输的协议称为传输控制协议TCP，提供无连接数据报服务的协议称为网际协议IP。TCP/IP与OSI协议各层次的对应关系如下表所示：,20,基于TCP/IP协议的网络体系结构如下图所示:,21,TCP/I

9、P协议分为四层： 网络层：它对应OSI协议中的物理层、数据链路层以及网络层中的一部分，该层中所使用的协议为各个通信子网本身固有的协议，比如分组交换的X.25协议、以太网的8802-3协议等等。网络层的作用是传输经网际层处理过的信号。 网际层：网际层所使用的协议是IP协议，它将运输层送来的信号组装成IP数据包并将它送至网络层。IP协议提供了统一的IP数据包格式以消除各通信子网的差异并为信号的收/发提供透明信道。网际层的主要功能有：因特网全网地址的识别与管理、IP数据包路由功能、发送与接收时使IP数据包长度与通信子网所允许的数据包长度相匹配。,22,运输层：它为应用程序提供端至端的通信功能，有三个

10、主要协议即传输控制协议(TCP)、用户数据协议(UDP)和互联网控制消息协议(ICMP)。TCP协议以建立高可靠性信号传输为目的，UDP协议提供无连接数据包服务，ICMP协议主要用于端主机和网关以及互联网管理中心，实现控制、管理网络运行。 应用层：它为用户提供所需要的各种服务，主要包含：远程登录、文件传输、电子邮件等。,23,5.移动应用协议 MAP MAP是专门用于移动通信网比如GSM与IS-41等的协议。GSM与IS-95均定义了相应的MAP协议，而MAP又定义了交换机MSC与数据库HLR、VLR之间的应用协议，以支持呼叫管理、短消息传送、位置管理、安全管理、无线资源管理和移动设备管理等一

11、系列的功能。 从原理和功能上看，GSM与IS-95各自定义的MAP是完全类似的，然而在具体实现和协议方式上是有所不同和差异的。,24,6.WAP协议 WAP即无线应用协议，也有人称它为无线因特网协议，它是开发在移动网络上实现类似于因特网应用的一系列规范的组合，即提供从无线网络接入到因特网的标准。 WAP针对无线与移动的特殊环境，如传输带宽窄、传输环境延时大、终端体积、重量小、屏幕小、存贮能力有限、处理能力有限一系列特点，对现有的因特网协议进行了改造和优化，从而能够适用于无线应用。,25,WAP通信协议采用层次化设计，每层保持各自相对的独立性，各层协议间通过标准接口进行通信。其基本结构与WWW协

12、议对照如下：,26,一个典型的WAP网络模型结构如下：,27,14.1.3路由与交换,1. 无线网络中的业务路由选择 在无线网络中所传输的业务类型决定了其网络路由选择的策略，所采用的协议以及呼叫处理技术。网络常用的路由选择机制有两种： 面向连接的选择机制，又称为虚电路路由选择机制，它在整个传输过程中通信路由是不改变的。 虚连接选择机制，又称为数据包选择机制。其路由选择不用建立一个固定的连接，而采用分组(包)交换方式，即由若干个数据包组成一个消息，而每个数据包则独立选择路由，因此一个消息中的若干个数据包可能是经不同的路由传输，且所用的时间也不相等。,28,2.电路交换 电路交换就是把两个用户终端

13、通过局站的交换机接通一条专用的通道，使它们之间能相应通信直至通信结束，而且只有在通信结束后该信道才能供其它用户终端使用。他提供的是面向连接的业务。最典型的是电话业务。 在移动通信中，基站和PSTN间的话音信道由移动交换中心MSC分配给特定的用户，无线信道被移动用户与MSC间双向通信所独占直至通信结束，因而它是通过电路交换实现面向连接的话音业务。 电路交换只适合于话音传输或者持续时间长的数据业务，而对于突发而暂短的数据业务电路交换不大适用。,29,3.分组交换 分组交换将一个消息分解为若干个数据分组(包)，每个分组(包)中由目的(宿)地址、编号和各种控制比特等组成一个包头，它有点像邮政信封按地址

14、在各交换点转接与交换。每份消息的各个分组(包)可以在同一路由上传送，称它为虚电路方式，也可以经过不同路由传送，称它为虚连接或数据报，它可以在接收端收到后按发送编号重新组成这个消息。每个消息包可进行差错控制；收端可以根据数据分组(包)的编号检测信息包的丢失。,30,一个典型的分组数据格式如下图所示：,帧标志是一个特殊的顺序号，代表一帧的开始和结束； 地址段包含用于传输消息与接收应答的信源和信宿地址；控制段含有传输的确认信息、自动请求重发ARQ以及分组排序的功能； 用户信息段包含用户信息且其长度是不确定的； 帧序号段包含帧段校验字段或CRC(循环冗余校验)，用于校验错误。,31,分组交换是无连接(

15、或虚连接)业务中最常用的技术，它允许许多数据用户与同一物理信道保护虚电路连接，用户可随时接入网中无需通过呼叫建立专用的独占线路。 与电路交换相比较，分组交换只有在发送和接收信息包分组(包)时信道才被占用，虽然每个分组(包)要占用一定比例的信息头，但是它对突发性强的较短的数据信息的传输仍具有更高的信道利用率。 数据传输中，采用分组交换的比较多，最主要的有，X.25、帧中继、ATM和IP；在移动通信中有蜂窝数字分组数据CDPD、通用无线分组业务GPRS，以及CDMA2000 1x数据业务与CDMA2000 1x EV-DO等。,32,4.异步传送模式ATM ATM是以分组交换为基础并融合电路交换高

16、速化的优点发展而成的一种高速传送与交换技术。但是它本质上仍是一种高速分组传送模式。 ATM将数据、图像和话音等信息分解定长的信息块，并在信息块前面装上含有地址等控制信息的信头以构成信元，并以信元为单位进行标志复用。由于在ATM中信息插入是见缝插针或有空隙即可插入,其位置是非周期性的，故称之为异步传送模式。,33,ATM中的信元实际上就是分组(包) 。ATM信元具有固定的长度为53B(字节)，其中5B为信头。 ATM的信元结构如下所示：,34,ATM信元中的信头对于用户网络接口UNI和网间接口NNI稍有不同。如下所示：,35,虚通路VP、虚信道VC与传输信道之间的关系可以用下图表示 ：,36,A

17、TM呼叫接续不是按信元逐个进行路由控制，而是采用分组交换中虚电路概念进行。即传送信息前先建立该呼叫的信元接续路由，它一直用到呼叫结束为止。ATM的交换原理可以表示为下图：,37,ATM网功能很单纯，它只有与OSI参考模型第一层相对应的物理层和ATM层，而与其它高层无关。在ATM中将OSI参考模型的第一层细分为物理层、ATM层和ATM自适应层AAL 。,ATM协议模型,38,下图是ATM与分组交换、帧中继之间的功能比较。,39,14.1.4蜂窝式网络结构,上世纪七十年代美国贝尔实验室提出了蜂窝网概念，使移动通信正式走向商用化。 移动通信网利用蜂窝小区结构实现了频率的空间复用，从而大大提高了系统的

18、容量。蜂窝的概念也真正解决了公用移动通信系统要求容量大与有限的无线频率资源之间的矛盾。 蜂窝网不仅成功的用于第一代模拟移动通信系统，第二代、第三代也继续延用了蜂窝网的概念，并在原有基本蜂窝网基础上进一步改进和优化，比如多层次的蜂窝网结构等等。,40,为了实现无缝隙覆盖，一个个天线辐射源产生的覆盖圆形必然会产生重叠。在通信中重叠区就是干扰区。那么在理论上采用什么样的多边形无缝隙结构才能使实际的天线覆盖圆圈重叠最小呢？ 无缝隙的正多边形来逼近圆形覆盖小区的一些例子与参数如下：,由此可见，在服务区面积一定的情况下，蜂窝式的正六 边形重叠面积最小，是最佳形式的小区形状 。,41,移动通信网中蜂窝区群结

19、构与组成：在蜂窝移动通信系统中为了避免干扰，显然相邻近小区不能采用相同的信道，若想要实现同一信道在服务区内重复使用，同信道小区之间应有足够的空间隔离距离。满足空间隔离距离的区域称为空间复用区，而在同一个空间复用区内的小区组成了一个蜂窝区群，且只有在不同的区群间的小区才能实现信道再用。 区群组成的基本条件：区群之间可以互相邻接，且无缝隙、无重叠的进行覆盖；相互邻接的区群应保证各个相邻同信道小区之间的距离相等,42,经证明，区群内的小区数目应满足下列表达式：其中：a0，b0的整数 下面给出几种简单区群结构的组成：,43,在第一代模拟移动通信网中经常采用7/21区群结构，即每个区群中包含7个基站，而

20、每个基站覆盖3个小区，每个频率只用一次。在第二代数字式GSM系统中，经常采用4/12模式；其结构如下：,44,蜂窝网的概念实质上是一种系统级的概念，它采用许多小功率的发射机形成的小覆盖区来代替采用大功率发射机形成的大覆盖区，并将大覆盖区内较多的用户分配给不同蜂窝小区的小覆盖区以减少用户间和基站间的干扰，同时再通过区群间空间复用的概念满足用户数量不断增长的需求。,45,14.1.5移动通信的服务质量(QOS),ITU-T建议E-800对通信服务质量(QOS)作了如下定义：“通信性能的综合效果，决定了用户对其服务的满意程度”。 在移动通信中，QOS的需求对网络规划设计以及网络成本均具有很大影响。

21、QOS主要取决于下列四个因素： 业务支撑。主要通过辅助性服务(信息、供应和收费等)反映出来； 使用便利性； 传输的完整性； 适用性。它是指网络在需要时建立呼叫和维持通信的能力。 以上四个要素中适用性最为重要。,46,在移动话音通信网络中，QOS参数主要与话音呼叫过程和通话质量密切相关，它通常与下列四个阶段有关： 在开始呼叫阶段，网络无法提供服务，或者称为拒呼率 ； 在网络可用时呼叫失败，或称为呼损率； 呼叫成功建立后发生中断，话音通信中断并收到忙音或没有声音； 一次通话完成，但通话质量低劣。,47,在数字与数据通信系统中，一般采用平均误码率BER(或 )来描述QOS性能 ，它又可分为：平均误码

22、率BER，平均误帧率FER或者平均误包(分组)率PER。 若为数字话音，按前面呼叫通话的四个阶段又可细分为：多信道冲突概率(一般小于20%)，虚、假呼叫(告警)概率，呼叫失败(呼损)概率，错误呼叫(同步丢失)概率，平均误帧率，信号处理时延(一般小于110ms)。 话音的QOS除了上述数字化传送过程的以客观测试指标为主的一系列指标以外，还与人的主观接受系统的性能有关。话音的最终评判准则一般采用与主观用户评估的MOS得分来度量。,48,14.1.6爱尔兰公式与爱尔兰表格,在移动话音通信系统中，一般认为呼叫到达遵从泊松分布，而等待一个信道释放的时间则服从负指数分布。 在一个时间间隔t内到达k次呼叫的

23、概率为：,其中为用户到达率。达时间间隔 的概率 为：,49,则平均到达时间间隔为：,通常呼损率由下式给出：,其中： ，N为提供服务的信道数目。在N个信道系统中，如果所用的信道忙，则到达呼叫会丢失，这时概率Pk变为：,50,当N个信道忙时，呼叫受阻，这种情况的概率为:,上式称为爱尔兰B公式。如果N很大，它可进一步简化为:,51,在移动通信中，由于用户的移动性、切换和漫游大为减少呼叫建立的小区信道的使用时间，而漫游到该小区的移动台也会导致业务量的增大。因此上述爱尔兰B公式这时不再适用，应予以修改。 受阻呼叫延迟模型中，受阻的呼叫在获得资源以前进行排序：,其中：,52,无信道可用时，一个呼叫被延迟的

24、概率为,这就是爱尔兰C公式，如果平均通信时间为S，则可求得下列公式：,所用呼叫平均等待时间：,排列序列中所有呼叫平均等待时间：,53,所有呼叫延时大于t秒的概率：,排队序列中所有呼叫延时大于t秒的概率：,位于排队序列中位置为p(或更高)呼叫被延迟的概率为：,54,14.2 从GSM网络到GSM/GPRS网络,GSM网络结构 GSM/GPRS网络,55,14.2.1 GSM网络结构,GSM是欧洲电信标准委员会ETSI为第二代移动通信制定的，可以国际漫游的泛欧数字式蜂窝移动通信系统的标准。 下面以表格形式给出GSM900第一、第二两阶段以及DCS1800第一、第二两阶段无线接口(空口接口)的主要性

25、能:,56,GSM主要性能表,57,GSM信道可以分为物理信道和逻辑信道。所谓物理信道，这里是指实际物理承载的传输信道，而逻辑信道则是按信道的功能来划分的。逻辑信道是通过物理信道传送的。 1.物理信道与帧结构 GSM是一类数字式移动通信体制，它主要是通过时分多址TDMA方式来实现的，亦即用户间是以时间分割的不同时隙方式来传送不同用户信息的。 GSM仅有8个时隙，它不足以满足每个小区内的实际用户数的需求，因此GSM系统是采用以时分为主体时分、频分相结合的方式(TDMA/FDMA方式)。,58,GSM的帧结构：GSM最大特色是时分多址，而时分是利用帧结构来实现的，其结构如右图所示：,59,2. G

26、SM逻辑信道 GSM逻辑信道结构如下所示 ：,60,3.GSM网络组成 GSM总体体系结构图如下所示。GSM网络由三个面向和四个组成部分构成：面向用户的移动台MS与基站系统的两个组成部分；面向外部网络(一般为本地核心网PSTN)的网络子系统NSS部分；面向运营者的操作支撑系统OSS部分。,61,GSM的网络结构如下图所示 ：,62,由图可见， GSM的网络结构由下列四个主要部分组成：MS、BSS、NSS和OSS。 移动台MS(Mobile Station):它主要包含手机、车载台(便携式)两种类型 基站子系统BSS(Base Station Subsystem) :它由基站收/发信台BTS和基

27、站控制器BSC两个部分组成，它是组成蜂窝小区的基本组成部分。一个BSC可以控制数十个BTS。 网络子系统NSS(Network Subsystem):它主要满足GSM的话音与数据业务的交换功能以及相应的辅助控制功能。 操作支持子系统(Operation Support System):它主要面向运营商，是相对独立于GSM的核心BSS与NSS的一个管理服务中心。,63,GSM系统取得成功的最主要因素之一是将它设计成一个开放的系统，在GSM系统中统一规定了国际上建议的接口标准和协议要求，并对所有国家、地区、厂家开放，以此可实现网络系统中不同功能实体的不同厂家设备的互连互通。 GSM系统主要接口关系

28、如下图所示 ：,64,4.GSM系统的协议栈 GSM规范对各接口所使用的分层协议也作了详细的规定。 GSM系统各接口采用的分层协议结构是符合开发系统互连OSI参考模型的。 GSM协议分层结构由以下三层组成： L1层，又称为物理层，它是无线接口的最低层，提供传送比特流所需的物理(无线)链路、为高层提供各种不同功能的逻辑信道。 L2层，又称为链路层，它的主要目的是在移动台与基站之间建立可靠的专用数据链路。 L3层，又称为网络高层，它主要是负责控制和管理的协议层。,65,GSM系统主要接口的协议分层示意图如下：,66,14.2.2 GSM/GPRS网络,GPRS(General Packet Rad

29、io Service)即通用分组无线业务，其标准是欧洲电信标准化协会ETSI从1993开始制订并于1998年完成的。 GPRS是从GSM系统基础上发展起来的，与GSM共用频段、共用基站并共享GSM系统与网络中的一些设备和设施。GPRS大为拓广了GSM业务的服务范围，在GSM原有电路交换的话音与数据业务的基础上提供了一个平行的分组交换的数据与话音业务的网络平台。,67,GPRS的主要功能是在移动蜂窝网中支持分组交换业务，按时隙，而不是占用整个通路，将无线资源分配给所需的移动用户，收费亦按占用时隙计算，故能为用户提供更为经济的低价格服务；利用分组传送实现快速接入、快速建立通信线路大大缩短用户呼叫建

30、立时间，实现了几乎“永远在线”服务，并利用分组交换提高网络效率。 GPRS不仅可应用于GSM系统，还可以用于其它基于X.25与IP的各类分组网络中，为无线因特网业务提供一个简单的网络平台，为第三代3GPP WCDMA提供了过渡性网络演进平台。,68,1. GPRS的物理信道结构 与GSM一样，GPRS信道可以分为物理信道和逻辑信道两大部分。GPRS物理信道的总体结构与GSM是一样的，只是在具体实现的帧结构上有所差别。 GPRS物理信道中的分组数据信道PDCH的具体结构如下：,69,GPRS中分组数据信道PDCH结构,70,2. GPRS逻辑信道 GPRS逻辑信道结构如下：,71,3. GPRS

31、网络结构,72,由图可见GPRS网络的主要功能实体为： 分组控制单元PCU：完成无线链路控制(RLC)与媒体接入控制(MAC)的功能；完成PCU与SGSN之间Gb接口分组业务的转换 ； 服务GPRS支持节点SGSN：负责GPRS与无线端的接入控制、路由选择、加密、鉴权、移动管理；完成它与MSC、SMS、HLR、IP及其它分组网之间的传输与网络接口 ； 网关GPRS支持节点GGSN：GGSN是与外部因特网以及X.25分组网连接的网关，可看作提供移动用户IP地址的网关路由器；GGSN还可以包含防火墙和分组滤波器等；提供网间安全机制；,73,边界网关BG：它是其它运营者的GPRS网与本地GPRS主干

32、网之间互连的网关，它应具有基本的安全功能，此外还可以根据漫游协定增加相关功能； 计费网关CG：它通过相关接口Ga与GPRS网中的计费实体相连接，用于收集各类GSN的计费数据并记录和进行计费； 域名服务器DNS：它负责提供GPRS网内部SGSN、GGSN等网络节点域名解析以及接入点名APN的解析。,74,4. GPRS网络逻辑结构与接口 GPRS在逻辑功能上可以通过原有的GSM网络增加两个核心节点：SGSN与GGSN，因此需要定义一些新的接口，其基本逻辑结构如下图所示：,75,图中，实线表示数据和信令传输及接口，虚线仅表示信令传输及接口。 MAP-C、D、H、F以及Sm、Um和A表示原有GSM信

33、令传输及接口，而其它接口则为GPRS新增接口。,76,5. GPRS系统的协议栈 GPRS协议栈在传输平面和信令平面之间是有区别的，下图给出传输平面的协议栈，它提供用户信息传递分层协议结构和相关信息传递过程 。,77,GPRS传输平面的协议栈结构与GSM的主要区别 ：GSM协议主要针对电路交换业务，而GPRS协议则针对分组交换业务的。GPRS允许移动用户占用多个时隙，但在GSM中移动用户一般仅能占用一个时隙。 GPRS的信道分配很灵活，可以是对称的，也可以是不对称的，然而GSM中信道分配必须是对称的。 GPRS的资源分配也与GSM有些不同，在GSM中小区可以支持GPRS，也可以不支持GPRS。

34、对于支持GPRS的小区，其无线资源应在GSM和GPRS业务之间动态分配。 GPRS中上行链路和下行链路的传输是独立的，而在GSM中由于话音的对称性，这两者是不独立的。,78,GPRS信令平面由控制和支持传输平面功能的协议组成。它主要包含：控制GPRS网络接入连接；控制一个已建立的网络接入连接过程；控制一个已建立的网络连接的路由通道；控制网络资源安排，指派网络资源；短消息业务SMS的网络和分层协议。下图是控制信令平面的协议栈结构：,79,6.短消息业务SMS 短消息业务类似于因特网中对等实体间的立即消息业务。SMS用户可交换160个字符(映射域140 byte)的包括字母和数字的消息，并且消息的

35、提交在几秒内即可完成。只要有GSM就可提供SMS服务 。 SMS主要有两类业务：小区广播服务和点对点PTP服务。 SMS占用GSM的逻辑信道，不管是否有呼叫，消息都会被传送并可能得到确认。 SMS采用GSM/GPRS网络结构协议和物理层来传送和管理消息，它具有存贮转发特征。,80,SMSC存贮和传送每则消息，并对消息恰当的分类和路由，消息采用SS7在网中传送。 在GSM中，SM在HLR中排队或直接发送给接收方的本地MSC中的SMSGMSC，然后SM再转发给恰当的MSC，再由这个MSC将消息传送至MS。,SMS的网络结构如下图所示 ：,81,SMS协议包含四层：应用层AL、传输层TL、中继层RL

36、和链路层LL。SMAL显示包含字母、数字和单字的消息；SMTL为SMAL提供服务与SM交换消息并接受接收方SM的确认消息，它在每个方向上都可获得传递报告或发送SM的状态；SMRL通过SMLL中继短消息协议数据单元SMSPDU。SMS的网络协议栈如下图所示：,82,在空中接口，SMS占用控制信道的时隙来传送，它可分几种情况： 若MS处于空闲状态，则在独立专用控制信道SDCCH上传送短消息； 若MS处于激活状态，这时SDCCH用于呼叫建立和维持，则采用慢速随路控制信道SACCH来传送短消息； 若SMS在传送过程中，MS状态产生了变化，则报告传送失败，短消息需重传； 在小区广播情况下，比如发送天气预

37、报或广播其它短消息给多个BSC的MS，则采用小区广播信道CBCH来传送MS。,83,14.3 第三代(3G)移动通信与3GPP网络,IMT2000简介 WCDMA简介 WCDMA的网络结构 从第二代(2G)网络向第三代(3G)网络的平滑过渡与演进,84,14.3.1 IMT2000简介,IMT-2000原含义为International Mobile Telecommunications，工作于2000MHz频段，大约于2000年左右商用。 IMT-2000的目标与要求： 全球同一频段、统一体制标准、无缝隙覆盖，全球漫游； 提供以下不同环境下的多媒体业务：车速环境：144Kbps，步行环境：3

38、84Kbps，室内环境：2Mbps； 具有接近固定网络业务服务质量； 与现有移动通信系统相比，具有更高的视频利用率，可以很灵活地引入新业务； 易于从第二代平滑过渡和演变； 具有更高的保密性能； 较低价格袖珍多媒体实用化手机。,85,国际电联ITU-R/TG8-1组于1999年10月25日至11月5 日在芬兰赫尔辛基会议上通过建议草案“IMT-2000无线接口规范”，共列有以下五项： IMT-2000 CDMA-DS，它含UTRA/WCDMA和美、日、韩提出的W-CDMA等； IMT-2000 CDMA-MS，主要含CDMA2000-1x； IMT-2000 CDMA-TDD，主要含UTRA-T

39、DD和我国提出的TD-SCDMA； IMT-2000 TDMA-SC，主要含UMC136； IMT-2000 TDMA-MC，主要含DECT。,86,1992年，在世界无线电大会上将2GHz频段上大约230MHz频段分配给当时的FPLMTS和卫星业务。其核心频段为18852025MHz和21102200MHz。其中19802010MHz和21702200MHz仅供卫星使用。后来WARC2000又为第三代增加了以下的额外频带：即806960MHz，17101885MHz，25002690MHz三个新频段，各国可根据市场需求和各国情况具体选择，但需要进行统一协调。IMT-2000的核心频段如下图所

40、示：,87,IMT-2000的核心频段,88,IMT-2000无线接口主要参数要求 ：,89,3GPP与3GPP2是一个跨国的标准化组织的第三代伙伴计划。 3GPP由欧洲ETSI、日本ARIB、TTC，韩国TTA以及美国TI等组成，其宗旨是制定以GSM网络为核心网，以UTRA(Universal Terrestrial Radio Access)为无线接口标准。它于1998年12月正式成立。 3GPP2由美国ANSI(TIA)，日本ARIB、TTC、韩国TTA等组成，其宗旨是制定以北美ANSI/IS-41网络为核心网，以CDMA-2000以及UMC-136为无线接口标准。它于1999年1月正式

41、成立。,90,14.3.2 WCDMA简介,WCDMA是一类直接序列扩频的码分多址(DS-CDMA)技术。1998年6月提交到ITU的第三代移动通信无线传输技术(RTT)共由10个提案，其中涉及DS-CDMA的有六个，他们是；欧洲ETSI UTRA-UMTS(WCDMA)；日本ARIB J.W-CDMA；美国TIA WIMS W-CDMA；美国TIPI WCDMA/NA；韩国TTA CDMAII；中国TD-SCDMA，(TDD方式)。以欧洲提案为主体融合其他方案形成最后的3GPP WCDMA方案。 3GPP的WCDMA方案分为WCDMA-FDD方式和WCDMA-TDD方式，TDD方式主要包含我

42、国TD-SCDMA与UTRA WCDMA-TDD方案(以德国西门子公司为代表)。,91,WCDMA系统的参数如下表所示 ：,92,WCDMA信道可以划分为物理信道、传输信道和逻辑信道。其中物理信道是以物理承载特性定义的，比如占用频带、时隙、码资源等，而传输信道则以数据通过空中接口的方式和特征来定义的，逻辑信道则是按信道的功能来划分。 在WCDMA系统中是采用码分为主体，码分、频分相结合的方式来实现。WCDMA上/下行在IMT-2000占用一定频段，然后将这一频段分配给不同的5MHz的信道，即每个码分信道只占用5MHz，而且在组网时，不仅可以在使用频段中占用不同的5MHz信道，而且还可以类似于G

43、SM进行空间小区群复用，不过复用的不是频率而是导频码的相位。,93,1. 物理信道与帧结构 物理信道主要是以物理承载特性加以区分，在WCDMA中，由于业务与控制类型都很复杂，所以物理信道也比较复杂。 WCDMA中基本物理资源是每个频点(即载波频率)上的码子数，另外还包括无线帧结构和时隙结构和符号速率等。传输信道经过了信道编码，并且与物理信道提供的数据速率相一致，这样传输信道和物理信道就可以对应起来。,94,WCDMA的上/下行物理信道如下图所示：,95,上行数据链路中仅给出DPDCH/DPCCH的帧结构，如下图所示。其中一个超帧含72帧，每帧长10ms，含有15个时隙，每个时隙含有2560个码

44、元(chip)且与一个功控周期相同。而每个时隙中比特的个数则与物理信道的扩散因子有关 即SF=256/2k ,它可以取2564。256码元中含有导频、功控、反馈和传输格式组合指示。,96,下行链路中仅给出DPCH信道的帧结构。同样一个超帧含72帧，每帧长10ms，含有15个时隙，每个时隙含有2560个码元(chip) ，其内容有两组数据，一组发送功率控制TPC命令，一组传输格式组合指示信息TFCI 和一组导频。,97,2. 逻辑信道 WCDMA系统的逻辑信道如下图所示：,98,3. 传输信道 WCDMA的传输信道结构如下图所示：,99,逻辑信道与传输信道间的映射关系如下图所示：,100,14.

45、3.3 WCDMA的网络结构,WCDMA网络结构如右图所示。共由下列三个主要部分组成： 用户设备 无线接入网 移动核心网,101,WCDMA系统与网络是分阶段实现的，目前是按R99(Release 99)标准来部署的。R99标准基于ATM，其CN采用GSM/GPRS增强型，UE和UTRAN则是基于全新的WCDMA无线接口协议。 与第二代GSM类似，第三代WCDMA网络主要接口有Uu、Iub和 Iu。另外在3G中还增加了一个RNC之间的Iur接口，主要用于软切换。,102,1. 无线接口(Uu)协议结构,103,无线接入网UTRAN接口通用协议模型如下所示：,104,上述结构是按照层间与平面间相

46、互独立的原则而建立的，这样可以带来更大的灵活性。 协议结构横向包括两层：无线网络层和传输网络层。所有UTRAN相关问题只与无线网络层有关，传输层只是UTRAN采用的标准化传输技术，而与UTRAN的特定功能无关。 协议结构的纵向为三个垂直平面： 主控制平面 ，包含无线网络层的应用协议以及传输层用于传送应用协议消息的信令承载； 用户平面 ，包含数据流和用于传输数据流的数据承载； 传输网络控制平面 ，不包含任何无线网络控制平面信息，但包含用户平面数据承载所需的ALCAP协议以及ALCAP所需的信令承载。,105,2. Iu接口协议结构 Iu接口是无线接入网UTRAN和核心网CN之间的接口，它是开放接

47、口，以便多个制造商产品兼容。 Iu接口有三种类型： 面向电路交换的Iucs 面向分组交换的Iups 面向广播的Iubs。,106,Iu接口主要支持以下功能： 建立、维持和释放无线业务承载过程； 系统内切换，系统间切换和SRNS的重新分配； 小区广播服务； 一系列的一般服务，即不是针对某个人特定UE的服务； 在协议层次上对不同的UE的信令区分和管理； 在UE和CN之间传输非接入层的信令的直接传输； 位置服务和UTRAN向CN的位置报告； 对于分组数据流提供资源预留机制。,107,Iucs接口协议结构如下所示：,108,Iups接口的协议结构如下图所示：,109,3. Iub接口协议结构 Iub是

48、一个连接基站(3GPP协议中称为NodeB)与RNC之间的逻辑接口，它是一个开放式接口。,110,4. Iur接口协议结构 Iur接口是两个RNC间的接口，专门用来支持RNC间的软切换 。 Iur接口设计的主要目标为： 连接不同厂家生产的RNC； 保持UTRAN与不同的RNC之间的服务连续性； 将Iur接口的无线网络功能与传输网络功能相分离，使得可以在将来方便地实现新的技术(指新的传输网络技术)。,111,Iur接口的协议结构如下图所示：,112,14.3.4从2G网络向3G网络的平滑过渡与演进,从总体上来说，由2G向3G演进的步骤分为两步：第一步为过渡性方案，第二步实现IP核心网。,113,

49、R99标准的WCDMA过渡性方案 3GPP R99标准的WCDMA过渡性方案，其结构如下所示：,114,该方案基本上是在二代的GSM与二代半的GPRS的网络平台基础上过渡和升级产生的。与2G GSM PHASE2+以及GPRS标准相比，3G的R99中的主要改动有： 无线接口 ：2G和2.5G的GSM 和GSM/GPRS采用的是时分多址TDMA方式，而 3G的WCDMA则采用码分多址CDMA方式。3G在2.5G的GPRS基础上，分别支持电路交换CS和分组交换PS两类业务。3G的传送数据能力有很大的增强，即从原来2G最低的9.6k/s提高至3G最高达2Mb/s。 话音业务：引入了自适应多速率话音编

50、码AMR，从而进一步提高了话音质量和系统的容量。,115,数据业务，特别是分组数据业务，为移动因特网的实现，得到了实质性的进展。 无线接入网系统：在3G中，基于2G原有结构与接口，引入了基于ATM的Iu、Iub和Iur接口。 核心网系统：将核心网粗分为两个域，即电路交换CS和分组交换PS两个部分，电路交换CS域供电路交换型业务，并负责电路交换业务的呼叫、控制和移动管理；分组交换PS域供分组交换型业务，即分组数据业务的接入、控制和移动性管理。,116,2. 3GPP的全IP核心网络 所谓全IP 是指结构(含网络和终端)IP化、协议IP化到也有业务IP化的全过程。 全IP化应首先从核心网IP化开始，并逐步从核心网开始逐步延伸至无限接入网、无线接口直至移动终端 。 全IP核心网结构是基于分层结构的，并且控制域和传输域相互独立。,