GSM增強型數據業務向3G移動通信演進

2019-11-03 09:32:45

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劉嵐吳薇　　摘要介紹了GSM增強型數據業務系統及向第三代移動通信系統的演進，簡述了我國第三代移動通信的發展策略。

　　關鍵詞高速電路交換數據通用無線分組業務增強數據速率改進雙模終端

一、引言

　　隨著Internet高速發展及各種無線業務（話音、數據）需求的快速增長，迫切要求無線通信系統提高容量、擴展信息帶寬，以便提供更多更好的服務。為了滿足這些要求，引入3G移動通信系統是必然趨勢。3G移動通信系統是以提供寬帶多媒體業務和全球無縫漫游等網絡功能為主，這就決定了3G系統在無線接口和核心網絡技術選用上與第二代系統有很大的差異。因此，如何從第二代系統演進到3G系統便成為一個熱點。GSM系統以其標準化、開放性及優秀的全球漫游能力成為最成功的第二代移動通信系統。本文將以幾種主要的GSM增強型數據業務為基礎，簡要介紹從現有的GSM系統向3G移動通信系統的演進方案及我國向3G系統演進的策略。

二、GSM增強型數據業務

　　第二代GSM系統提供的基本數據業務是速率為9.6kbit/s、基于電路交換的低速數據通信。為了適應Internet的發展，逐步向3G移動通信系統演進，必須先發展以增強數據傳送能力為目標的二代半技術（2.5Ｇ）。

　　二代半技術中對GSM增強傳輸數據能力的第一步驟為采用HSCSD（高速電路交換數據）技術或GPRS（通用無線分組業務）技術來提高用戶的比特率。HSCSD采用TDMA（時分多址）技術，并采用時隙合并的方法形成一個高速數據傳輸信道，可大大提高數據傳輸速率。GPRS是一項基于數據包的信包交換技術，它將每時隙的傳輸速率從9.6kbit/s提高到14.4kbit/s，然后將8個時隙合并在一起，最大傳輸速率可達115.2kbit/s。采用GPRS后，許多用戶可共享同一信道，尤其適用于Internet／Intranet（互聯網/內聯網）移動服務。

GSM增強傳輸數據能力的第二步驟為采用EDGE（增強數據速率改進）技術。EDGE可將GSM網絡的傳輸速率提高到384kbit/s，以便處理多媒體業務。EDGE同樣采用TDMA技術，其幀結構與GSM相同，每一載波帶寬200kHz。通過提高每一GSM時隙的數據容量來實現增容，傳輸速率可從9.6kbit/s提高到48kbit/s，甚至高達70kbit/s。

1．HSCSD（高速電路交換數據）

　　HSCSD是由歐洲電信標準機構（ETSI）于1997年2月進行驗證和確定的。它采用TDMA技術，把每一物理信道分成幾個時隙，使每個時隙的傳輸速率高達14.4kbit/s，并將200kHz載波內的3個時隙合并在一起，形成一個高速數據傳輸信道。理論上講，一個信道的最大傳輸速率可達57.6kbit/s，如果采用數據壓縮技術，速度將會更高。同時，HSCSD還允許上行鏈路與下行鏈路的數據傳輸速率不同，但上行鏈路的傳輸速率不能高于下行鏈路的傳輸速率。當空中接口上的對稱HSCSD連接不能滿足用戶速率需求時，可采用非對稱HSCSD連接，網絡賦予下行信道較高的優先權，即允許MS（移動臺）以較低的速率發送，以較高的速率接收。因此，HSCSD適用于網絡瀏覽、大規模文件傳輸、數據庫更新以及電子郵件同步處理等業務。

　　目前使用的GSM系統是利用單一語音信道傳送數據業務，速率會受到限制，而HSCSD采用時間復用技術，允許為每一連接同時分配多個TCH/F（稱作HSCSD信道），旨在用同樣的物理層結構提供多種空中接口（air I/F）速率，使HSCSD可提供比目前數據業務高出幾倍的承載能力。

　　HSCSD是GSM演進過程中一種滿足速度需求的技術，但可大大提高無線通信系統的數據傳輸速率，且HSCSD仍然是基于“電路交換”的。按照電路交換的固有特點，用戶在接通系統時就像打電話一樣，不管你是否開口說話，系統都會在上下行的頻段中保留一個時槽給用戶，這使得該技術在提供GSM數據業務時具有資源利用率低和使用成本高等不可避免的問題。從市場和技術的角度來看，作為高速電路交換數據業務的HSCSD已被中國電信逐步放棄。在這種情況下，分組移動數據業務應運而生。

2．GPRS（通用無線分組業務）

　　GPRS（General Packet Radio Service）是一種基于GSM的高速率分組交換業務。GPRS通過在原有GSM網絡的基礎上增加了SGSN（服務GPRS節點）和GGSN（網關GPRS節點）等新網絡實體，SGSN負責移動管理、安全性管理和接入控制；GGSN負責與因特網和其它兼容網絡的交互。GPRS對HLR（歸屬寄存器）、MSC（移動交換中心）、VLR（訪問寄存器）和OMC（操作和維修中心）等網絡實體進行升級，在原有的GSM網絡上疊加一個新的網絡。它以分組交換技術為基礎，采用ip（網際協議）數據網絡協議，數據傳輸速率可以高達150kbit/s，完全可以滿足移動用戶電子郵件收發、因特網瀏覽和BBS討論的需要。同時由于分組型傳輸不占信道，因此用戶可長時間保持與外部數據網的連接，而不必進行頻繁的連接和斷開操作，真正實現“永遠在線，永遠連接”。

　　GPRS采用分組交換技術，每個用戶可以同時占有多個無線信道，從而大大提高了信息傳輸速率。GPRS采用了“統計復用”的復用方式，多個用戶可以動態地共享一個信道，對比電路交換方式中的“靜態復用”，則大大提高了帶寬資源的利用率。由于GPRS采用的是分組交換和統計復用方式，計費方式不是按發送時間計費而是按發送數據量計費，對用戶來說節省了費用。更重要的是，GPRS不但充分利用了原有的GSM網絡資源，而且在提供高速數據業務的同時不會影響電話業務的質量。因此GPRS一經推出，就深受運營商、設備廠商和廣大用戶的普遍歡迎。

3．EGDE（增強數據速率改進）

　　由于在GSM系統中采用了GMSK的調制方式，因此即使HSCSD和GPRS采用了多時隙的操作模式，數據速率只能有限提高。這與3G移動通信系統的數據速率為384kbit/s的廣域覆蓋和數據速率大約為2Mbit/s的局域覆蓋相距甚遠。因此有必要采用更先進的通信和信號處理技術，以進一步擴大GSM系統的容量。

　　EGDE是歐洲電信標準協會（ETSI）制定增強速率的GSM演進方案，該技術采用高效的8相相移鍵控（8PSK）技術，可大大提高頻譜效率，最高數據傳輸率可達473.6kbit/s，符合IMT-2000的最低要求，因而可以在原有的GSM 900MHz和DCS 1800MHz頻段上提供第3代移動通信業務。EDGE包括兩部分：增強的電路交換數據（ECSD）和增強的GPRS（EGPRS），二者分別以電路交換和分組交換為基礎。EDGE包括ECSD模式是為了使現有GSM系統中的電路交換數據業務協議盡量保持不變。EGPRS采用自適應編碼和自適應調制方式，使用鏈路自適應技術以實現編碼和調制方案之間的動態轉換，從而保證鏈路的魯棒性。

　　EDGE是一種類似GPRS但帶寬比GPRS大的一種網絡技術，是GSM的進化版。但由于EDGE需要不同于目前GSM的調制技術，投入將較大。它是否會被廣泛采用將取決于設備、終端和相關應用等多方面的因素。

　　從技術發展與市場需求相統一來看，GPRS是一種比較適合現有的GSM過渡的技術，且已經成功地投入商用。目前全世界已有近百個運營商開通了GPRS商用系統、試商用系統或實驗系統。2000年12月，中國移動通信集團公司已宣布正式啟動GPRS網絡的建設，到2001年6月，中國移動GPRS一期工程已完成，目前正處于試運營階段。

三、GSM的網絡演進

　　IMT-2000網絡在現有GSM系統中的引入可以逐步進行。可采用在業務負荷較大的小區內首先引入IMT-2000的方法，形成若干“3G島”，為了實現對第2代移動通信承載業務的全覆蓋，可以先引入雙模終端來同時接入GSM和IMT-2000的無線接入網。GSM的無線接入網通過A接口連至移動交換中心（MSC）以提供電路交換業務，通過Gb接口連至SGSN、GGSN以提供分組業務，再通過它們接入固定網PSTN、ISDN和ATM。IMT-2000的無線接入網則分別通過互聯單元IWU1-A和IWU1-Gb接入MSC和SGSN（見圖1）。

　　這種在高業務負荷的小區內先引入IMT-2000的GSM網絡演進方案有效地保護了運營商的既有投資，是一種值得引起重視的網絡演進方案。演進的GSM核心網包括MSC，HLR，VLR，SGSN，GGSN以及其它適配ATM，IP等未來發展的技術。其移動性管理基于移動應用代理（MAP）對HLR和VLR數據庫進行復用。無線網絡控制和MSC/SGSN之間的Iu接口將會完全標準化。

四、我國向3G移動通信發展的策略

　　我國從第二代GSM移動通信系統平滑演進到3G的主要目標是：滿足市場需求，最大限度地保護已有投資和減小歷史包袱，到3G移動通信系統設備成熟以后，建成覆蓋全國的以IP為核心網、FDD地區覆蓋、TDD覆蓋城市密集地區和熱點區域的移動通信網絡。

　　面對我國已經建成的世界上最大的GSM網，我國提出了采用TD-SCDMA（時分-同步碼分多址）向3G過渡的方案。TD-SCDMA中運用了智能天線、同步CDMA和軟件無線電技術等具有世界先進水平的關鍵技術，且具有上下行鏈路可以不對稱、頻譜利用率高和發射功率低等優點，非常適合非對稱數據業務。TD-SCDMA可以提供較高的系統容量，特別是能夠滿足我國一些地方人口密集但頻譜資源緊張的需要，從技術上也可以保證目前的GSM網向3G的平滑過渡，最大限度地保護運營者和用戶已有投資。

　　我國由現有GSM網向3G的平滑過渡，可采用依托GSM網的島式發展戰略，首先在大城市及高人口密度地區建設TD-SCDMA基站，解決目前GSM頻率資源緊張的問題，然后逐步建設3G網絡。

　　從時間上可分成兩個步驟實施：第一步，在2005年前，采用第二代GSM核心網和TD-SCDMA無線傳輸技術基站子系統（BSS），解決系統容量問題，提供部分3G移動通信業務。在現有的GSM系統中，需要擴容和提供較高速數據業務的區域率先使用3G移動通信頻譜和TD-SCDMA的BSS，在現有GSM基站的站址增加TD-SCDMA基站，通過A和Gb接口接入GSM核心網。終端采用TD-SCDMA/GSM雙頻雙模用戶終端，其中TD-SCDMA模可提供話音、低于57kbit/s的實時數據和低于384kbit/s的非實時（包交換）數據業務，GSM模支持傳統的話音業務和低于9.6Mbit/s的實時數據業務。這些用戶終端在TD-SCDMA基站覆蓋區內，優先使用TD-SCDMA系統，可以得到話音和部分3G移動通信業務服務。在覆蓋區域以外，則使用GSM系統。TD-SCDMA/GSM雙頻雙模用戶終端不僅可支持GSM，而且隨著核心網的演進還可以支持3G的服務，其基站子系統可進行軟件升級支持全IP核心網。這種演進方式的優勢在于，在高話務量和有移動數據服務需求的區域，采用3G移動通信頻譜和高頻譜利用率的3G無線傳輸技術，滿足了市場需求。移動通信基礎設施中，數量最多投資最大的是基站子系統（至少占投資總額的70％），在3G核心網成熟后，已建設的TD-SCDMA基站子系統可根據業務需求逐步連接到全IP核心網，為以后向3G過渡打下了基礎，從而保證設備的生命周期，減輕了歷史包袱。

　　第二步：在2005年左右，開始建設3G移動通信系統。到2004或2005年，基于全IP的核心網絡和IMT-2000無線傳輸技術的3G移動通信將進入高速成長期，各個具有經營3G移動通信系統許可證的營運商都將進入建設完整的商用3G移動通信網絡時期。此時，已建成的TD-SCDMA基站子系統，通過軟件升級可以由RNC（無線網絡控制器）通過Iu接口（核心網和RNC的接口）進入全IP的核心網，也可能在基站（Node B）直接通過Iub接口（RNC與Node B之間的接口）進入此核心網。同時，采用IMT-2000 FDD技術和設備進行大區覆蓋，在全國范圍內提供3G移動通信業務服務。

五、結束語

　　基于GSM的第二代移動通信系統向3G的平滑過渡還是一個值得研究的問題，除了技術上的發展和更新之外，保護已有投資及市場的連貫性也是很重要的參考因素。其基本的策略應該是：依托第二代移動通信網，開通3G移動通信業務，平穩地從第二代向3G移動通信過渡。

摘自《電信網技術》

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