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Chapter 10 Wireless Networks 无线通信原理与应用 1
Chapter 10 Wireless Networks
无线通信原理与应用
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Overview Fixed Telephone Networks
Public Switched Telephone Network(PSTN) Wireless telecommunication networks
1G & 2G cellular network 3G cellular network LTE & SAE
Traffic Routing in Wireless Networks Common Channel Signaling
Signaling System No. 7（SS7）
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10.1.1 The Public Switched Telephone Network (PSTN）
The PSTN is a highly integrated communications network that connects 70% of the world’s users.
Each exchange consists of a CO which provides PSTN connection to the CPE (may be an individual phone or PBX).
The CO is connected to a tandem switch, which connect local exchange to the PSTN.
The tandem switch physically connects the local telephone network to the point of presence(POP) of trunked long distance lines provided by IXCs.
Sometimes IXCs connect directly to the CO to avoid local transport charges levied by the LEC.
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汇接交换机Tandem switcher
专用小交换机PBX
中心局
（CO)
本地
交换
局间运营商IXC A
IXC B
IXC C
其他 SCO
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Wireless networks How do MSs and the BSs communicate
over radio frequencies ——Wireless MSs are connected with the BSs through
Common air interface (CAI）: How do various traffic exchange among
users ——Network Voice Data service
Signalling for control Route – for data service Management- database
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Differences Between Wireless and Fixed Telephone Networks
Transfer of information Wireless: Air Interface between BSs and subscribes
to provide telephone grade communications. Fixed network: landline trunked lines comprised of
fiber optic cables, copper cables, microwave links, and satellite links.
Configuration The network configurations in the PSTN are static. Wireless network must reconfigure themselves for users
within small intervals of time to provide roaming and imperceptible handoffs.
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Signalling: A separate cellular signaling : MSC must provide
connection for each mobile users to PSTN.
Capacity Spectrum: Wireless systems are constrained to operate
in a fixed bandwidth. The available channel bandwidth for fixed network can
be increased by installing high capacity cables.
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During the mid 1980’s, the PSTN was transformed into two parallel common channel signaling (CCS).
In 1G cellular systems Dedicated signaling channels have been used by cellular
MSCs to provide global signaling interconnection. the cellular telephone signaling network uses SS7, MSC communication: uses the IS-41 Protocol However, CCSs were not used in AI, and signaling data was
sent on the same trunked channel as the voice user. Traffic channel
In 2G wireless systems, the air interfaces have been designed to provide parallel
user and signaling channels for each mobile, so that each mobile receives the same features and services as fixed wireline telephones in the PSTN.
Merging Wireless Network and the PSTN
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移动交换中心（MSC)或移动电话交换局（MTSO)
PSTN
基站2基站1 基站3
语音和数据链路（地面或微波线路）
无线链路（空中接口）
Wireless networks are comprised of:the mobile-to-BS linkBSs connect to the MSCMSCs connect to the PSTNinterconnection of MSCs throughout the world.
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10.2 Development of Wireless Networks
在第一代和第二代的移动通信网中，设计的思路往往是由下而上的，核心网和整个协议结构都是为了CAI服务的,对上层网络所能提供的服务的要求很低，只要能够进行普通的电话业务，能够和PSTN进行业务的交换。
物理层几乎完全是为支持语音的单一业务而设计的,物理信道的速率很低(8kbps-32kbps），只支持单一的业务。
网络层的设计只对电路交换的实时业务进行了考虑，上层协议的设计是随着物理层的不同而各具特色。这样造成的一个后果就是各个系统各自成网，互相之间不兼容，对于支持大的范围内的移动性管理造成了很大的困难。无线资源的利用和系统所能够提供的服务就越来越不能适应要求。
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以电路交换为基础和目标设计的网络已经大大的落后。
基于这样的考虑，第二代移动通信系统纷纷推出了改进或增强的网络结构用以支持无线的分组业务，GSM推出了GPRS（Global Packet Radio System），IS-95推出了IS-95B，这些被称为2G+的无线网络无一例外地都将移动无线终端无缝的接入Internet作为设计目标和系统的特色加以推广。
所谓无缝，就必须要求移动通信系统的网络层到物理层的空中接口都要支持分组业务和能够简单地接入Internet。但是，这些2G+的系统还是沿用了第二代系统的空中接口，只是在核心网之上进行了有限的改进，以便适应分组业务。由于空中接口（例如调制、速率和接入方式等）的限制，使得这些2G+的系统并不能满足需要。
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10.2.1 First Generation Wireless Networks 1st cellular networks are based on analog
technology. All first generation cellular systems use FM modulation.
1st wireless systems provide analog speech and inefficient, low-rate, data transmission.
All 1st system use the transport architecture:
AMPS （USA，Japan），
TACS （UK， CHN）
移动用户 基站 MSC
反向话音信道前向话音信道
反向呼叫建立信道 前向呼叫建立信道
语音电路
9600比特/秒 数据链路
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1st ->2nd cellular radio network:
The system control for each market resides in the MSC, which maintains all mobile related information and controls each mobile handoff, performs network management (call processing, billing , fraud detection).
基站
基站
MSC2（移动交换中心）
PSTN
基站控制器
MSC1（归属移动交换中心）
基站控制器 基站
控制器
AUC
HLR
VLR
AUC
HLR
VLR
归属 MSC数据库
访问MSC数据库
SS7
用户变成漫游者
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voice traffic is carried on the PSTN signaling information is carried on the
SS7 network. used to provide call set-up and to inform
MSCs about a particular user IS-41 protocol: autonomous registration allow different cellular systems to
automatically accommodate subscribes to roam into their coverage region.
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IS-41 SS7
用户情况
HLR
SS7 IS-41
分配TDN
VLR
数据包
SS7信令网
PSTN
用户话音/数据业务
访问MSC归属MSC
10.2.2 Second Generation Wireless Networks
digital modulation advanced call processing capabilities. To introduced new network architectures that have
reduced the computational burden of the MSC. E.g. BSC.
standardization and interoperability simultaneously exchanging voice and control
information between the subscriber, the BS, and the MSC.
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D-AMPS (USA, JPN) GSM (EURO, CHN) CDMA (NORTH America)
Circuit Switching
Voice channels are dedicated for users, and network resources are dedicated to them upon initiation.
A call initiation sequence is required to connect the called and calling parties.
CS is best suited for dedicated voice traffic, or for data which is continuously sent over long periods of time.
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GSM的网络结构
MS BTS
BSC
BSC
MSC
GMSC
EIR
AUCHLR
VLR
PSTN ISDN PDN
MS
MS
BTS
BTS
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Packet Switching Dedicated resources are not required for message
transmission. It is the most common technique used to
implement connectionless services. It breaks each message into smaller units for
transmission and recovery.
Packet data format is shown：
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Fields in a typical packet of data are shown：
PS provides excellent channel efficiency for bursty data transmissions of short length.
The packet radio approach supports intelligent protocols for data flow control and retransmission.
帧标志 地址段 控制段 信息段 帧顺序号
信头 用户数据 信尾
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针对数据服务，引入分组交换传输模式。GPRS的网络结构在GSM的基础上增加了两个新的节点， SGSN（Serving GPRS Support Node）位于GPRS
的核心网与GPRS的接入网之间，它负责将分组传送到正确的基站子系统中，与MSC/VLR和HLR一起负责与MS的会话管理、移动性管理和逻辑链路管理。而MSC/VLR和HLR负责电路交换业务的移动台接入和移动性管理。
GGSN(Gateway GPRS Support Node)负责与外部的分组数据网（如Internet或者x.25网）与GPRS核心网的交换与路由。从外部的IP网络看来，GGSN就相当于是一个普通的网关，支持所有MS的IP地址，同时它也可以具有防火墙的功能。
2.5G20
General Packet Radio Service
GPRS的网络结构
MS BTS
BSS
BSC
SGSN GGSN
EIR
AUC
HLRMSCVLR
Other GPRS PLMN
PDN
D
Gp
Gd Gp
Gf
Gs Gr
Gc
Gn
Gi
BTS
BSC
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GPRS的核心网内部，在网络协议中设计了很多的接口，不论传送什么业务，都采用IP协议，并利用GPRS的隧道协议GTP（GPRS TunnelProtocol）实现对多种类多协议分组的统一支持。这种方式对于IP业务可以容易地实现无缝连接，而且可以充分地发挥IP的优势，但是这种方式对于一些实时业务的QoS的实现带来一定的困难。
无线网络的核心已经由MSC变成了SGSN，而MSC/VLR只是负责传统业务的呼叫控制、业务的交换和移动性的管理，而核心网络本身已经是在IP的基础上，通过GGSN接入Internet和其他的网络。
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ITU提出的IMT2000对第三代移动通信系统的基本特点和要求
在世界范围内的通用性；
在IMT2000的系统内以及与现存的其他系统的完全兼容性；
高质量的服务；
小的但是支持多业务的多媒体终端；
支持在世界范围的漫游；
提供多种业务包括多媒体的分组业务。
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10.2.3 Third Generation Wireless Networks
先进的无线网络设计思路变成了由上而下，或者说是上下兼顾。对于网络的上层，一定要能实现与分组网络主要是IP网络的无缝集成，网络的下层则针对了上层对分组业务的要求而进行了设计
PSTN为核心网转为Internet为核心网。交换被路由所代替。
网络的核心实体是实现移动性管理和交换的MSC，其网络的核心实体已经变成了服务器（server）、网关(Gateway)。
移动通信网络的发展目标是实现移动蜂窝系统无缝地与Internet的连接，即实现所谓的IPoC 。
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对照GPRS，接入网部分发生改变，CN变化不大
E-GGSN E-SGSN GSM BSS
UTRAN PSTN/ ISDN
IP
MS
STM lu-cs
Uu
Um
广播 lu-ps
A
控制 传输
Gb IP Gi
HLR
MSC GMSC
分组域
电路域
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UMTS Archietecture
终端开机搜寻网络。
收到广播信息后，上传IMSI，存储于HLR。HLR可实现与终端之间的加密。
主叫。 核心网从HLR复制用户数据到VLR。如允许呼叫，则
通知MSC进行无线资源分配，终端离开空闲模式，进入连接模式。如呼叫对象为外网，则语音被传送到GMSC，进入PSTN。
呼叫结束。用户离开连接模式，回到空闲模式。
被叫 外网呼叫被送至GMSC。GMSC在HLR中查找被叫用户所属MSC，
并将呼叫转发给对应MSC，寻呼。进入和主叫相同流程。
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UMTS下业务实例
数据业务。 终端激活PDP上下文。即，通知SGSN和GGSN建立包传输环境。
开始进行数据传输业务。
PDP上下文去激活。
如果被呼。数据包到达GGSN，查HLR，发现用户，如果有PDP上下文，直接传输，否则，发送寻呼消息。
去附着（关机）。
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UMTS下业务实例（II）
3GPP Release 99可实现步行用户384kbps速率，车载用户144kbps速率。空口基本采用了与电路交换匹配的的空口技术。
3GPP Release 4引入全IP核心网。同时为了实现GSM向UMTS的平滑过渡，由3GPP完成 Enhanced Data rate for GSM Evolution (Edge) 的标准制定(2.75G)，并融合
GERAN(GPRS Edge Radio Access network)
UTRAN
Edge在GSM原有GMSK调制方式外引入8PSK，将每符号比特提升3倍。
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3GPP的IP业务发展（I）
3GPP Release 5。引入IMS，IPv6，引入高速下行分组接入（HSDPA），WCDMA可实现下行高14.4Mbps速率。
引入AMC（2ms调度一次）
64QAM
HARQ
3GPP Release 6 引入高速上行分组接入(HSUPA)。与HSDPA并称3.5 G
3GPP Release 7引入HSPA+ （MIMO）
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3GPP的IP业务发展（II）
全IP方案的WCDMA网络结构
IP
IP
VoIP/VoATM
UTRAN
MGW
VMSC 服务器GMSC 服务器
MGW
MGW E-SGSN E-GGSN
E-MPSN
CSCF
MRFMGCF
IP
PSTN/
ISDN
控制 传输
lu-cs
lu-ps
lu-ps
Gi
Gi
IP 多媒体子系统
分组域
语音呼叫代理域
Collapsed 分组
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这种方案的特点是不但非实时的分组业务用IP来传送，而且实时的语音业务也通过VoIP或者VoATM来传送，通过MGW（Media Gateway）接入到传统的PSTN中去。可以看到，传统的MSC已经不存在了，取而代之的是一系列的网关和服务器，如VMSC和GMSC。
从上述移动通信系统无线网络的发展可以得到结论，与TCP/IP的有效集成是无线网络的发展方向，IP分组已经越来越接近空中接口，核心网逐渐架构在TCP/IP之上，而交换和移动性管理等功能逐渐由IP网络代替，IP即交换，网络即交换的概念将逐渐成为现实。
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全IP核心网方案
3GPP R5开始引入IMS。可支持综合的语音、数据和多媒体业务。 MRF。Media Resource function。控制媒体流的资源。
CSCF。Call Session Control function。负责会话状态的处理。IMS的核心。 P-CSCF: proxy CSCF:接入IMS系统
S-CSCF: serving CSCF:呼叫控制
I-CSCF: interrogating CSCF:与其他IMS网络路由
MGCF。Media Gateway Control Function。IMS和CS域业务的网关。处理协议转换，控制来自CS域的业务。
注意IMS几乎可以代替掉CS域的工作。IMS被认为是固网，移动网融合的基础。
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IP多媒体子系统
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实例：登记和会话建立
CSCF Call Session Control Function
P- ProxyS- ServingI- InterrogatingHSS Home Subscriber
ServerUE User Equipment
Home Network of UE A
Network visited by UE A
Home Network of UE B
Network visited by UE B
UE A UE B
P-CSCF-A P-CSCF-B
1
4
S-CSCF-A S-CSCF-B
I-CSCF-B
I-CSCF-A
HSS-BHSS-A User Profile
3
7
5
6
Call C
ontro
l / Di
alog
2
INVI
TE
REGI
STER
Media Session
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IMS summary
基于IP承载。
与接入网之间保持独立性。
用户数据集中管理。
支持分组域业务漫游。通过P-CSCF(proxy-CSCF)实体，实现用户必须通过拜访网络的CSCF接入到IMS。
加强归属网络控制。利于计费和服务质量管理。
具备较完整安全机制。
CDMA技术的自干扰特点制约了通信速率和容量。
业务多样性还不够。
标准不够统一。三种标准
来自IEEE 802.16的竞争 OFDM等宽带技术。优于CDMA。
802.16由无线接入转向支持移动特性。
尤其是802.16e（Wimax）的发展
2007年加入ITU的3GPP标准之一。TDD。
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3G的局限性
LTE（3GPP Long Term Evolution -4G）技术。 Release 8-9.
E-UTRN。Evolved-UTRAN
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3GPP的发展(LTE/SAE)
核心网：开展了一项并行于LTE的研究，System Architecture Evolution (SAE)。研究成果及EPC(Evolved Packet Core),All-IP 网络，
E-UTRAN 结构图
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LTE目标
支持1.25MHz～20MHz带宽；
极大提高峰值数据速率(在20MHz带宽下支持下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率)；
在保持现有基站位置的同时提高小区边缘比特速率；
有效提高频谱效率(3GPP版本6的2～4倍)；
将接入网时延降低到10ms以下；将控制平面时延降低到100ms以内；
优化15km/h以下低速用户的性能，能为15-120km/h的移动用户提供高性能的服务，可以支持120-350km/h的用户；
吞吐量、频谱效率和移动性指标在5km半径的小区内将得到充分保证，当小区半径增大到30km时，只对以上指标带来轻微的弱化；
支持多种载波带宽，以满足配置系统时窄带频谱分配时的灵活性；
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LTE目标（II）
支持与现有的3G系统和非3GPP规范系统的协同工作：增强的MBMS(Multimedia Broadcast Multicast Service)；降低CAPEX(资本支出，Capital Expenditure)和OPEX(运营支出，Operation Expenditure)的成本；
降低空中接口和网络架构的成本；
实现合理的终端复杂度、成本和耗电；
支持增强的IP多媒体子系统(IP Multimedia Sub-system，IMS)和核心网；尽可能保证后向兼容，有效地支持多种业务类型，尤其是分组域(PS-Domain)业务(如VoIP等)；
支持增强型的广播多播业务；
系统应该能工作在对称和非对称频段；尽可能简化处于相邻频带运营商共存的问题。
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E-UTRAN&EPC
E-UTRAN & EPC
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eNB功能 Radio Resource Management,RRM.无线承载控制，无线准
入控制，资源动态分配。
IP头压缩和数据加密。
选择MME。
路由用户数据至S-GW;
调度与传输寻呼消息。
调度与传输广播消息。
MME功能 MME(Mobility Management Entity)是SAE的控制核心，它
主要负责用户接入控制、业务承载控制、寻呼、切换控制等控制信令的处理。
NAS信令及信令安全
P-GW & S-GW选择
SGSN选择，为了切换到2G或者3G网络。
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S-GW功能
本地基站间切换时的锚定点
移动性管理。
数据包路由。
运营商之间交换用户信息。计费信息等。
P-GW功能
用户的包过滤
UE的IP地址分配。
上下行服务的速率控制，计费。
基于总 大速率的下行速率控制。
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SAE特性——控制与承载分离
控制平面由MME来完成，用户平面由SAE GW来完成；
用户数据直接在eNodeB和SAE GW之间的通道进行传输。
好处在于：
采用控制承载分离的架构，可以较好满足LTE高速数据传输和永远在线的用户接入。
采用控制承载分离的架构，用户面较2G/3G网络更加扁平。
对3G网元的要求
Iu-PS接口IP化
SGSN 需要支持3GPP R8版本；
需引入SAE GW；
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SAE架构
SAE支持各种异构无线接入技术，包括3GPP接入（2G/3G/LTE)和非3GPP 接入（WLAN/WiMAX等)
