第三章移動網絡(1)

1、第三章 移動網絡(1)主主 講：郭斌講：郭斌 教授教授單單 位位：西北工業(yè)大學計算機學院：西北工業(yè)大學計算機學院 陜西省嵌入式系統(tǒng)技術重點實驗室陜西省嵌入式系統(tǒng)技術重點實驗室電電 話：話：1872922901018729229010辦辦 公公 室：計算機學院室：計算機學院512B512B房間房間電子郵箱電子郵箱 : : 個人主頁：個人主頁： http:/www.ayu.ics.keio.ac.jp/bingo/課程主頁：課程主頁： http:/www.ayu.ics.keio.ac.jp/bingo/course.html課程調整信息n第九周周一1-2節(jié)，教東D209n周三1-2節(jié)，教西A30

2、5HHME-第十屆全國和諧人機聯(lián)合會議UbiComp ConferenceUbiComp Conference內容提綱n蜂窩移動網絡發(fā)展歷程n第一代模擬系統(tǒng)（U）n第二代數(shù)字系統(tǒng)（U）n第三代移動通信系統(tǒng)（U）n全球移動通信系統(tǒng)GSM（M）n蜂窩原理nGSM體系結構n幾種編碼n通用分組無線業(yè)務GPRS（M）重要知識點n蜂窩移動網絡發(fā)展過程n蜂窩實現(xiàn)頻率復用的原理nGSM體系結構組成nGSM的編碼及其不同用途nGPRS與GSM的區(qū)別和聯(lián)系第一代模擬系統(tǒng)n1900年馬可尼等人利用電磁波進行遠距離無線電通信取得了成功;n20世紀70年代，美國貝爾實驗室提出了在移動通信發(fā)展史上具有里程碑意義的小區(qū)制、

3、蜂窩組網的理論；n美國AMPS（貝爾實驗室）、北歐的NMTnFDMA（頻分多址），分配兩個25MHz頻段 (FDD,頻分雙工)n基站到移動設備869 MHz894 MHzn移動設備到基站824 MHz849 MHzn每個頻段分為兩部分，供兩個運營商使用第一代模擬系統(tǒng)(2)n隨著模擬蜂窩技術的引入，移動通信的發(fā)展向前邁進了一大步n隨著模擬蜂窩系統(tǒng)的發(fā)展，其弱點也日益突出n頻譜利用率不高，容量有限（單信道單用戶）n制式太多，互不兼容；n提供的業(yè)務有限，無數(shù)據(jù)業(yè)務；n易被竊聽；n第二代數(shù)字系統(tǒng)n第二代移動通信以GSM、CDMA為主。n一代與二代的差別n數(shù)字業(yè)務信道(郵件、網頁等)n信道接入（每個信道

4、通過TDMA或CDMA可支持多用戶）n加密n錯誤檢測與糾錯第二代數(shù)字系統(tǒng)(2)nGSM（3GPP）n接入方式：TDMAn基站發(fā)射波段：935960（MHz）n移動站發(fā)射波段：890915（MHz）n信道帶寬：200kHznIS-95（高通）n接入方式：CDMAn基站發(fā)射波段：869894（MHz）n移動站發(fā)射波段：824849（MHz）n信道帶寬：1250kHzn均采用FDD第二代數(shù)字系統(tǒng)(3)n3GPP第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，即3GPP）是一個成立于1998年12月的標準化機構。n3GPP的目標是在ITU的IMT-2000計劃

5、范圍內制訂和實現(xiàn)全球性的（第三代）移動電話系統(tǒng)規(guī)范。第三代移動通信系統(tǒng)n第三代移動通信系統(tǒng)是一種能提供多種類型、高質量多媒體業(yè)務。與前兩代的主要區(qū)別是在傳輸聲音和數(shù)據(jù)的速度上的提升，能在全球范圍內更好地實現(xiàn)無縫漫游，并處理圖像、音樂、視頻流等多種媒體形式。n日益增長的無線業(yè)務需求n希望更高質量的語音業(yè)務n希望引入高速數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務nWCDMAWCDMA由標準化組織3GPP所制定ncdma2000cdma2000體制是基于IS-95的標準基礎上提出的3G標準，目前其標準化工作由3GPP2來完成nTD-SCDMATD-SCDMA標準由中國無線通信標準組織CWTS提出，目前已經融合到3GPP關于W

6、CDMA-TDD的相關規(guī)范中第三代移動通信系統(tǒng)(2)第三代移動通信系統(tǒng)(3)RTT技術技術WCDMAcdma2000-1xTD-SCDMA信道間隔信道間隔5MHz1.25MHz1.6 MHz多址方式多址方式單載波直接序列擴頻單載波直接序列擴頻CDMA多址多址單載波直接序列擴頻單載波直接序列擴頻CDMA多址多址單載波直接序列擴頻單載波直接序列擴頻時分多址同步時分多址同步CDMA多址多址雙工方式雙工方式FDDFDDTDD碼片速率碼片速率3.84Mcps1.2288Mcps1.28Mcps基站同步基站同步異步（無異步（無GPS）可選同步）可選同步同步（需同步（需GPS）同步（主從同步，需同步（主從同

7、步，需GPS）幀長幀長10ms20ms10ms越區(qū)切換越區(qū)切換軟切換，頻間切換軟切換，頻間切換與與GSM間的切換間的切換軟切換，頻間切換軟切換，頻間切換與與IS-95B間的切換間的切換接力切換，頻間切換，與接力切換，頻間切換，與GSM間的切換間的切換語音編碼語音編碼自適應多速率自適應多速率可變速率可變速率可變速率可變速率功率控制功率控制內環(huán)、外環(huán)內環(huán)、外環(huán)控制速率控制速率1500Hz開環(huán)、閉環(huán)開環(huán)、閉環(huán)控制速率控制速率800Hz內環(huán)、外環(huán)內環(huán)、外環(huán)支持可變數(shù)支持可變數(shù)據(jù)速率據(jù)速率最高為最高為2.048Mbps1X最高最高307kbps，1XEV支支持持2.4Mbps最高為最高為2.048Mbp

8、s業(yè)務特性業(yè)務特性適合于對稱業(yè)務。適合于對稱業(yè)務。適合于對稱業(yè)務。適合于對稱業(yè)務。支持對稱業(yè)務，支持不對支持對稱業(yè)務，支持不對稱業(yè)務具有突出的表現(xiàn)。稱業(yè)務具有突出的表現(xiàn)。第四代移動通信系統(tǒng)n20082008年年2 2月，國際電信聯(lián)盟（月，國際電信聯(lián)盟（ITUITU）發(fā)出通函，向各國和各標準化組織發(fā)出通函，向各國和各標準化組織征集征集IMT-AdvancedIMT-Advanced（4G4G的標準族）的標準族）技術提案。技術提案。IMT-AIMT-A就是就是4G4G。IMT-AIMT-A技術的目標峰值速率為：低速移動、熱點覆蓋場景下技術的目標峰值速率為：低速移動、熱點覆蓋場景下1Gbit/s1G

9、bit/s，高速移動、廣域覆蓋場景下，高速移動、廣域覆蓋場景下100Mbit/s100Mbit/s?，F(xiàn)有4G標準-LTEv LTELTE（long term evolutionlong term evolution），即），即長期演進技術長期演進技術。始于。始于20042004年年3GPP3GPP的多倫多會議。它改進并增強了的多倫多會議。它改進并增強了3G3G的空中接入技術，采用的空中接入技術，采用OFDMOFDM（正（正交頻分復用技術）和交頻分復用技術）和MIMOMIMO（多入多出技術）（多入多出技術）作為其無線網絡演進的作為其無線網絡演進的技術方式。實現(xiàn)在技術方式。實現(xiàn)在20MHz20MH

10、z頻譜帶寬下提供下行頻譜帶寬下提供下行326Mbit/s326Mbit/s與上行與上行86Mbit/s86Mbit/s的峰值速率。的峰值速率。v 基于舊的基于舊的GSMGSM技術進行演進技術進行演進v LTELTE并非等同于并非等同于4G4G，而是一種，而是一種B3GB3G技術，其技術，其300300多兆的速度雖然遠超多兆的速度雖然遠超3G3G，但與，但與ITUITU提出的提出的1Gbit/s1Gbit/s的的4G4G技術要求，還有距離。技術要求，還有距離。LTELTE常被稱常被稱為為3.9G3.9G。現(xiàn)有4G標準- WIMAXv WiMax（Worldwide Interoperabilit

11、y for Microwave Access）,即全球微波互聯(lián)接入，也叫802.16無線城域網。v 由美國Intel所主導，是目前傳輸距離最遠的4G技術也是目前發(fā)展最快技術。4G在中國4G在中國(2)內容提綱n蜂窩移動網絡發(fā)展歷程n第一代模擬系統(tǒng)（U）n第二代數(shù)字系統(tǒng)（U）n第三代移動通信系統(tǒng)（U）n全球移動通信系統(tǒng)GSM（M）n蜂窩原理nGSM體系結構n幾種編碼n通用分組無線業(yè)務GPRS（M）蜂窩概念n蜂窩通信是一種使用頻率復用的智能方法，以使有限的帶寬可以容納大區(qū)域、大容量的用戶。n其基本原理是把覆蓋區(qū)域分為大量相連的小區(qū)域，每個小區(qū)域都使用自己的、低功率的無線基站。n同樣的頻譜在分散的區(qū)

12、域內可以被多次復用n小區(qū)域被稱為小區(qū)或單元（cell），一組小區(qū)組成區(qū)群（cluster）n一個區(qū)群中小區(qū)的數(shù)量稱為區(qū)群大小或頻率復用因子蜂窩形狀：Why六邊形？比正方形、圓形銜接性好，模擬效果更好蜂窩-頻率復用N=4頻率復用模型123457612345761234576123424343213122143134N=7頻率復用模型n以FDMA為例，K為分配給系統(tǒng)的頻率總數(shù)，N為頻率復用因子，假定每個蜂窩區(qū)分配相同數(shù)量的頻率，則每個蜂窩區(qū)有K/N個頻率需要對這些小區(qū)域以智能的方式分配信道，以避免兩種干擾：同頻道干擾（co-channel interference）鄰道干擾（adjacent ch

13、annel interference） 內容提綱n蜂窩移動網絡發(fā)展歷程n第一代模擬系統(tǒng)（U）n第二代數(shù)字系統(tǒng)（U）n第三代移動通信系統(tǒng)（U）n全球移動通信系統(tǒng)GSM（M）n蜂窩原理nGSM體系結構n幾種編碼n通用分組無線業(yè)務GPRS（M）GSM系統(tǒng)體系結構基站子系統(tǒng)（BSS）移動設備網絡與交換子系統(tǒng)（NSS）GSM系統(tǒng)體系結構nMS 移動終端移動終端n用戶使用的終端設備 n類型：手機、車載臺、便攜臺n通過無線接口接入GSM系統(tǒng)；提供與使用者間的接口n用戶識別模塊SIM：n包含所有與用戶有關的信息和某些無線接口的信息，其中也包括鑒權和加密信息GSM系統(tǒng)體系結構n基站子系統(tǒng)（BSS）：通過無線發(fā)送

14、和接受信息，負責提供和管理MS與NSS間的傳輸路徑。nBSC：n管理設備，控制BTS，負責所有的無線接口管理控制和處理，主要是無線信道的分配、釋放、切換處理及功率控制。n BTS：n傳輸設備，包括無線發(fā)射和接收設備、天線及所有無線接口特有的信號處理設備（基帶、載頻、控制單元）。GSM系統(tǒng)體系結構n網絡和交換子系統(tǒng)（NSS）： GSM系統(tǒng)的交換功能，管理GSM用戶之間和其他電信網絡用戶之間的通信，以及對用戶數(shù)據(jù)、移動性管理、安全性管理所需的數(shù)據(jù)庫功能。n移動業(yè)務交換中心（MSC-Mobile Switch Center）n訪問位置寄存器（VLR- Visited Location Registe

15、r）n歸屬位置寄存器（HLR- Home Location Register）n鑒權中心（AC- Authentication Centre ）n設備標識寄存器（EIR- Equipment Identify Register）n操作維護中心（OMC）GSM系統(tǒng)體系結構nMSC-移動業(yè)務交換中心n是網絡的核心 n完成系統(tǒng)的電話交換功能 n呼叫建立、控制、終止、選路n業(yè)務的提供、計費處理、區(qū)內切換n功能實體間及網絡間接口、公共信令等n從HLR、VLR、AUC中獲取位置登記和呼叫請求所需的數(shù)據(jù)nHLR-歸屬位置寄存器nGSM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，它存儲著固定區(qū)域內歸屬所有移動用戶的信息。n存儲信息n用戶

16、信息：用戶的入網信息，注冊的有關業(yè)務信息等；n位置信息（處理來電呼叫）：VLR變更后，進行位置更新過程。n分配給移動用戶的兩個號碼：IMSI、MSISDNn靜態(tài)數(shù)據(jù)庫GSM系統(tǒng)體系結構GSM系統(tǒng)體系結構nVLR-訪問位置寄存器n負責存儲MSC管轄區(qū)域范圍內已登記的移動用戶的相關信息（例如用戶號碼，所處位置區(qū)的識別，向用戶提供的服務等參數(shù)）n漫游功能實現(xiàn)（西安用戶-上海出差）n動態(tài)用戶數(shù)據(jù)庫GSM系統(tǒng)體系結構-VLR與HLR內容提綱n蜂窩移動網絡發(fā)展歷程n第一代模擬系統(tǒng)（U）n第二代數(shù)字系統(tǒng)（U）n第三代移動通信系統(tǒng)（U）n全球移動通信系統(tǒng)GSM（M）n蜂窩原理nGSM體系結構n幾種編碼n通用分

17、組無線業(yè)務GPRS（M）GSM中的幾種編號n移動用戶的ISDN號碼MSISDN n主叫用戶為呼叫GSM用戶所需的撥叫號碼 n號碼結構國家碼CC：我國為86國內有效ISDN號：移動業(yè)務接入號NDC（N1N2N3 ）：13S （S=94屬于中國移動；S=03屬于中國聯(lián)通） HLR識別號：H0H1H2H3 移動用戶號：ABCD GSM中的幾種編號n國際移動用戶識別碼IMSIn用于在國際上唯一識別移動用戶，網內部使用 n結構（15位）：如圖所示我國MCC為460MNC的值中國移動為00、中國聯(lián)通為01 GSM中的幾種編號n臨時移動用戶識別碼TMSI n為了對IMSI保密，IMSI僅在空中傳送一次，便由

18、VLR給來訪移動用戶分配一個惟一的TMSI號碼替代 n僅在本地有效 ，當用戶離開此VLR服務區(qū)后釋放 n由VLR臨時分配n移動用戶漫游號碼MSRNn用于在呼叫時為移動用戶選路nVLR臨時分配 ，接續(xù)完成后即釋放n在被訪VLR區(qū)域內是惟一有效的n國際移動設備識別碼IMEIn用于在國際上惟一地識別一個移動設備 GMSCHLRMSC/VLRBSMS固定用戶撥號固定用戶撥號查詢路由信息查詢路由信息查詢路由信息響應查詢路由信息響應撥號信息撥號信息尋呼請求尋呼請求尋呼響應尋呼響應加密加密呼叫建立呼叫建立呼叫證實呼叫證實信道指配信道指配回鈴音回鈴音連接完成連接完成撥號應答撥號應答連接連接連接確認連接確認提供

19、漫游號碼請求提供漫游號碼請求提供漫游號碼響應提供漫游號碼響應信道指配完成信道指配完成鑒權鑒權鑒權響應鑒權響應基本工作原理固定用戶呼叫移動用戶的接續(xù)過程內容提綱n蜂窩移動網絡發(fā)展歷程n第一代模擬系統(tǒng)（U）n第二代數(shù)字系統(tǒng)（U）n第三代移動通信系統(tǒng)（U）n全球移動通信系統(tǒng)GSM（M）n蜂窩原理nGSM體系結構n幾種編碼n通用分組無線業(yè)務GPRS（M）GPRS由來nGSM只有9.6kbps數(shù)據(jù)帶寬，設計時未考慮數(shù)據(jù)業(yè)務大量增長問題。n實現(xiàn)以流量計費，而非占用GSM信道時間計費。在Web上大部分時間處于瀏覽狀態(tài)。nGSM-連接/電話思想nGPRS-分組/Internet思想GPRS nGeneral

20、Packet Radio Service（通用分組無線業(yè)務）：它是利用“包交換”（Packet-Switched）的概念發(fā)展出的一套無線傳輸方式。n是一種基于GSM的移動分組數(shù)據(jù)業(yè)務數(shù)據(jù)業(yè)務。用戶只需注冊GPRS服務，無需換SIM卡，只要更換一部支持GPRS的手機或終端，就可以享受GPRS服務。nGPRS是一項高速數(shù)據(jù)處理的科技，用戶通過GPRS可以在移動狀態(tài)下使用各種高速數(shù)據(jù)業(yè)務，包括收發(fā)E-mail、進行Internet瀏覽等 。GPRS空中接口0124356701234012435670123401243567012340124356701234UplinkDownlinkVoice User1Voice User2GPRS User1GPRS User2GPRS User3F1F2F3F4F1F2F3F4