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1.2.2 2G数字蜂窝系统
2012-08-24 15:07:32     我来说两句 
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随着时间的推移,硬件平台的处理能力得到了提高,从而使得2G无线系统的开发成为可能。设计时2G系统也主要瞄准语音市场,但与第一代系统不同,它采用数字调制。从模拟到数字的转变能从几个方面提高系统的性能。系统容量的提高则通过以下措施实现:(1)使用频谱效率更高的数字编码技术;(2)通过时分或码分复用技术把几个用户复用到同一频道上;(3)数字调制、编码及均衡技术有较好的误差性能,可以把载干比从18 dB降低到只有几dB,因此能更好地重复使用频率。通过使用优质的语音编解码器和健壮链路层信号处理技术,通话质量也能得到提高。2G系统也使用简单的加密技术,提供一种对抗偷听和欺诈问题的安全测量手段,该问题曾是第一代模拟系统担心的主要地方。
2G数字蜂窝系统的例子包括GSM(Global System for Mobile Communications,全球移动通信系统)、IS-95 CDMA及IS-136 TDMA系统。目前为止,GSM是这些系统里部署最广泛的系统;北美和部分亚洲地区部署了IS-95;IS-54(之后升级为IS-136)起初在北美得到部署,但之后中断,大部分为GSM取代。IS-136是一种基于TDMA的系统,被设计作为AMPS的数字演进,使用30 kHz的信道。中国、日本、中国台湾和其他一些亚洲国家或地区部署的PHS(Personal Handyphone System,个人手持式电话系统)通常也被认为是一种2G系统。PHS是一种与DECT(Digital Enhanced Cordless Telephone,数字增强型无绳电话)系统类似的无绳电话系统,但它具有从一个小区向另一个小区的切换能力,在1880~1930 MHz频段上运行。表1-3简单概括了不同2G数字蜂窝系统的区别。
表1-3 主要的2G蜂窝系统
  GSM IS-95 IS-54/IS-136
引入年份 1990 1993 1991
频段 850/900MHz,
1.8/1.9GHz
850MHz/1.9GHz 850MHz/1.9GHz
信道带宽 200 kHz 1.25MHz 30kHz
多址接入 TDMA/FDMA CDMA TDMA/FDMA
双工 FDD FDD FDD
语音调制 GMSK DS-SS:BPSK,QPSK π/4QPSK
数据演进 GPRS,EDGE IS-95-B CDPD
峰值数据速率 GPRS:107kbps;
EDGE:384kbps
IS-95-B:115kbps 约12kbps
典型用户速率 GPRS:20~40kbps;
EDGE:80~120kbps
IS-95B:<64kbps; 9.6kbps
用户面延时 600~700ms >600ms >600ms
 
 
2G系统不仅能提供更高的通话质量、容量和安全性,还能提供新的应用。其中主要是SMS(Short Messaging Service,短信业务)。SMS首先于1991年在欧洲部署,之后迅速成为非常受年轻手机用户欢迎的交流工具。仅在美国,每天就有超过25亿条短信发送。该服务已用于递送新闻更新、业务流程警报、手机支付、投票、微博以及其他诸如此类的应用。
除了SMS之外,2G系统也支持低速无线数据应用。起初2G系统支持电路交换数据业务(其概念与拨号上网调制解调器类似),接着演进成也能支持分组数据业务。早期的无线数据业务包括信息服务如新闻、股票报价、天气及指南等的投递。手持设备中数据速率及可用空间的限制意味着需要开发特定技术如WAP(Wireless Acess Protocol,无线接入协议),用于为手持设备订制和投递因特网内容。
1. GSM及其演进
1982年,许多欧洲国家在CEPT(Conference of European Posts and Telegraphs,欧洲邮电大会)的支持下走到一起,共同开发一个用于规范移动业务的泛欧洲系统并制定其标准。为此组成一个名为GSM(Groupe Special Mobile,移动特别小组)的小组,他们的主要职能即是开发一种系统,该系统能以较低的成本提供无线语音业务,能够在整个欧洲无缝工作。在GSM出现前,欧洲的蜂窝市场被分割成很多彼此不兼容的系统,由不同的国家进行部署:斯堪的纳维亚地区的国家部署有NMT-400和NMT-900,德国有C-450,英国有TACS,法国有Radiocom。
1989年,ETSI(European Telecommunications Standards Institute,欧洲电信标准协会)着手制定GSM标准,并于1990年发布第1版,即GSM PhaseⅠ。不久,欧洲的几个运营商开始部署GSM。很快,GSM也为欧洲之外的地区所接受,名字也相应改为全球移动通信系统(Global System for Mobile Communications)。据行业分析公司电信与媒体信息公司(Informa Telecoms and Media)的分析,目前GSM及其后续技术已遍及220个国家,占全球市场份额的90%,拥有42亿用户。GSM在世界范围内的广泛应用使得国际无缝漫游成为现实。
GSM的空中接口基于TDMA方案,8个用户中的每一个都被分配到不同的时隙,从而被复用到同一个200 kHz的频道上。GSM使用的调制技术是FSK的一个变型,即GMSK(Guassian Minimum Shift Keying,高斯最小频移键控)。之所以选择GMSK,是因为它具有包络恒定的性质,能提供良好的功率和频谱效率特性。
除了语音和SMS,GSM起初还支持速率为9.6 kbps的电路交换数据。20世纪90年代中期,ETSI把GPRS (GSM Packet Radio System,GSM分组无线系统)作为GSM的一种演进系统而引入,它向更高速数据传输的方向发展。GPRS和GSM共享同一频段、时隙和信令链路。GPRS定义了4种不同的信道编码方案,支持每时隙8~20 kbps的数据速率。在较好的信道状况下,可以采用比较高的20 kbps的数据速率,如果GSM TDM帧内所有的8个时隙均用于数据传输,理论上GPRS能提供160 kbps的最大数据速率。GPRS的典型用户速率是20~40 kbps。
图1-2给出了GSM/GPRS网络的高层体系结构。因为它是后来3G及LTE演进的基础,所以有必要回顾一下。早期的GSM有以下两个组成部分。
基站子系统——由BTS(Base-Station Transceiver,基站收发信台)单元和BSC(Base Station Controller,基站控制器)组成。BTS把MS(Mobile Station,移动站)通过空中接口连接起来。BSC管理和集中来自几个BTS的业务数据,以便将其传送到交换中心,对直接连接到BTS的移动性进行管理。GSM演进为3G后,BSC演进为RNC(Radio Network Controller,无线网络控制器)。
网络交换子系统——由MSC(Mobile Switching Center,移动交换中心)和用户数据库组成。MSC提供所需要的交换,为主叫用户和被叫用户建立连接,并和PSTN (Public Switched Telephone Network,公共交换电话网)互连。为实现呼叫控制,MSC利用HLR(Home Location Register,归属位置寄存器)和VLR(Visitor Location Register,访问位置寄存器)确定移动用户的位置。





图1-2 GSM 网络体系结构
如图1-2所示,通过引入SGSN(Service GPRS Supporting Node ,GPRS业务支持节点)和GGSN(Gateway GPRS Support Node ,GPRS 网关支持节点)等新元素,以及升级现有的网络元素(比如给BTS加一个分组控制单元以处理数据),GSM系统可以升级为GPRS系统。SGSN提供位置和移动性管理,可以认为是MSC的分组数据等效。GGSN提供IP接入路由器功能,把GPRS网络和因特网及其他IP网络相连。
1997年年初,EDGE(Enhanced Data rate for GSM Evolution,数据速率增强型GSM演进)系统的引入使GSM标准的数据处理能力得到进一步的增强。为提高数据速率,EDGE增加了对8PSK调制的支持。允许的最大每时隙数据速率为59.2 kbps,是GPRS速度的3倍。典型用户速率范围为80~120 kbps。
2. CDMA(IS-95)及其演进
1989年,高通,加利福尼亚州圣地亚哥市的一个当时还名不见经传的新兴公司提出了CDMA(Code Division Multiple Access,码分多址),将其作为一种更有效、品质更高的无线技术,并且用一个系统对它进行了验证。1993年,高通公司取得了非凡的成功,使TIA(Telecommunications Industry Association,电信工业协会)采纳他们的提议,将之作为IS-95标准,以替代早前作为AMPS数字演进的IS-54 TDMA标准。与GSM等其他数字无线系统不同,在IS-95 CDMA系统内,多个用户在同一时间共享同一个频道。它不再采用在给定的频道内对多个用户的时间进行分片的技术,而是给每个用户分配一个不同的正交扩频码,以便接收器用此来做信号区分。速率高很多的码序列可以扩展所占用的带宽,将其与用户数据符号相乘来应用正交扩频码。IS-95 CDMA使用1.25 MHz带宽,传输9.2 kbps或速率更低的语音信号。将信号扩展到更高的带宽上能更好地避免多径衰落及干扰。
据称IS-95 CDMA系统用于语音业务比TDMA系统具有更多优势。首先,它能重复使用整个频率,即每个小区都可以使用同一频道,这样可以简化频率规划,增加容量。其次,它使用耙式(RAKE)接收器,能把多径信号有效地合成为一个较强的信号,从而降低所需的发射功率。再次,依靠软切换提高了切换性能,使手机在中断与当前基站的连接以前,就能建立与新基站的连接。由于各基站使用的频率相同,这是能够实现的。最后,它应用语音激活检测技术,在静默期关掉传输,从而减小干扰电平总值,增加系统容量。所有的这些特点都使得CDMA系统比GSM的语音容量更大。然而,应该注意到的是,通过应用慢跳频技术,GSM比CDMA有更多的频率复用优势。为了抑制干扰,提高系统容量,IS-95使用快速(上行链路800 Hz)有效的功率控制机制,这在当时是个巨大的挑战。
在数字蜂窝技术的早期,TDMA和CDMA的支持者之间曾爆发了一场激烈的争论,内容是关于哪种技术能提供更大的容量和覆盖范围。实际的部署常常表明IS-95 CDMA技术能提供更大的覆盖范围和容量。然而,更进一步的证据是,即便是TDMA的支持者也把基于CDMA的技术作为他们的3G演进计划中的一部分。但是IS-95 CDMA系统的使用并不像GSM那样几乎遍布全球。截至2009年,IS-95及其演进系统约有4.8亿用户,大多数位于北美、韩国、巴西和印度。
早期的系统(IS-95A)除了支持语音业务外,还支持速率为9.6 kbps的一条专用数据信道。为提高效率,稍后的演进系统内,IS-95B引入突发或分组模式传输。该系统也定义了一种新的SCH(Supplemental Code Channel,补充编码信道),它能支持14.4 kbps的数据速率,允许7条SCH相结合,支持115.2 kbps的峰值速率。
CDMA界提出3G演进计划,并野心勃勃地进行部署,远远走在那些正为GSM运营商所获得的同类系统的前面。他们能够获得3G速率,而不必改变1.25 MHz的信道带宽或者放弃后向兼容性,这样对运营商来说迁移更容易。当GSM运营商还在寻找更多通过GPRS和EDGE逐步演进到3G的技术时,CDMA运营商已快速地部署他们的3G网络:CDMA2000-1X和EV-DO。
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