從GSM演進到HSDPA

1、前言

　 　第二代移動通信中，GSM系統(tǒng)顯然極為重要�，F(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)可以平滑過渡到WCDMA/UMTS網(wǎng)絡(luò)。從圖1我們可以清晰地看到GSM的演進路線。在無線通信系統(tǒng)中，無線網(wǎng)絡(luò)部分的數(shù)據(jù)處理能力，始終是一個瓶頸，從GSM到GPRS、EDGE，再到WCDMA、HSDPA，無線網(wǎng)絡(luò)部分的數(shù)據(jù)傳送能力隨著網(wǎng)絡(luò)的演進是大幅度增強的，從GSM的9.6kb/s，演進到后面的HSDPA的下行數(shù)據(jù)處理能力達到14Mb/s。無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送能力的提高，也就有能力為終端用戶提供越來越豐富的業(yè)務�？梢韵胂螅瑥腉SM系統(tǒng)僅僅提供語音業(yè)務到HSDPA系統(tǒng)可以達到高達十幾兆的數(shù)據(jù)下載速率將是一個多么驚人的變化，這也將會給人們的通信帶來極大的便利。本文主要闡述的是GSM到HSDPA無線網(wǎng)絡(luò)部分的關(guān)鍵技術(shù)變化，這種關(guān)鍵技術(shù)的變化事實上也是網(wǎng)絡(luò)演進的實質(zhì)所在。現(xiàn)有的GSM/GPRS核心網(wǎng)則可以逐步演進為UMTS核心網(wǎng)絡(luò)，它可以同時連接GSM BSS和WCDMA RAN，也就是說GSM BSS和WCDMA RAN可以共享同一個核心網(wǎng)絡(luò)。從GSM到HSDPA的演進方式能確保現(xiàn)有GSM運營商的利益，從技術(shù)上保證過渡的平穩(wěn)性。



圖1　網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)演進圖

2、GPRS

　　GPRS(General Packet Radio Service)是通用分組無線業(yè)務的簡稱。事實上，在GSM演進到HSDPA的道路上，GPRS的提出邁出了重要的第一步，GPRS允許在電路交換的基礎(chǔ)上增加數(shù)據(jù)包交換。在構(gòu)建GPRS網(wǎng)絡(luò)的時候，GSM系統(tǒng)中的絕大部分的部件都不需要作硬件改動，只需要在軟件方面進行升級，從GSM系統(tǒng)升級到GPRS+GSM系統(tǒng)，如圖2所示，主要是在GSM系統(tǒng)中增加3個主要部件：SGSN(GPRS服務支持結(jié)點)、GGSN(GPRS網(wǎng)關(guān)支持結(jié)點)、PCU(分組控制單元)。



圖2　GSM網(wǎng)絡(luò)升級到GSM+GPRS網(wǎng)絡(luò)

　　在GPRS系統(tǒng)中，定義了新的GPRS無線信道，并且信道的分配方式十分靈活，可以在每一個TDMA幀中分配1到8個無線時隙。在GPRS中，也提出了新的編碼方案，通過表1可以看出，CS 1/CS 2/CS 3/CS 4可以支持不同的數(shù)據(jù)傳送速率，這樣也就能夠根據(jù)不同的QoS要求提供給用戶多樣的服務。

表1　GPRS編碼策略

[table]

編碼策略	編碼比特	糾錯等級	數(shù)據(jù)速率(kb/s)	多時隙最大數(shù)據(jù)速率(kb/s)
CS-1	456	高	9.05	72.4
CS-2	588	中	13.4	107.2
CS-3	676	低	15.6	124.8
CS-4	456	無	21.4	171.2

[/table]
　　GPRS提供的多編碼策略能夠給不同的QoS需求提供不同的業(yè)務速率，具有較大的靈活性。GPRS系統(tǒng)能夠根據(jù)終端離基站的距離、無線鏈路的狀況和QoS要求動態(tài)的選擇編碼方案，大大的優(yōu)化了無線網(wǎng)絡(luò)資源，能自動的給用戶提供最優(yōu)的服務。

　　GPRS的優(yōu)點：

　　(1)與GSM相比，大大的提高了數(shù)據(jù)速率，若8信道全部為GPRS占用，則最大的傳輸速率可以達到171kb/s。

　　(2)GPRS能提供始終在線的服務，能夠消除連接網(wǎng)絡(luò)、推出網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的等待時間，提高了網(wǎng)絡(luò)的利用效率。

　　(3)GPRS網(wǎng)絡(luò)具有較好的健壯性，其編碼策略是依據(jù)無線狀況而定的，當基站部分接收到的數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤的時候，網(wǎng)絡(luò)要求錯誤幀進行重傳直到這一幀正確為止，這樣能減輕核心網(wǎng)的壓力。

　　(4)由于數(shù)據(jù)的傳送速率增加了，GPRS也能提供較多的服務，例如E-mail、www、WAP、ftp等等。

　　(5)GPRS能夠提供更好的安全性，除了利用原來GSM的鑒權(quán)機制以外，還能夠在用戶進入因特網(wǎng)或者其他網(wǎng)絡(luò)以前使用類似RADIUS協(xié)議。

3、EDGE

　　在GSM的演進道路上，EDGE(Enhanced Data Rate for GSM Evolution)的提出又將無線端的數(shù)據(jù)傳送速率提高到473kb/s，EDGE是GSM邁向WCDMA的最后一步，它是基于GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)的，采用了更新的調(diào)制解調(diào)技術(shù)(8PSK)和信道編碼技術(shù)。

　　從GPRS升級到EDGE，因為對于上下行信道要提供GMSK和8PSK的調(diào)制解調(diào)功能，在終端部分和BTS部分要進行硬件升級，在BSC部分進行軟件升級；在核心網(wǎng)部分無需太大改動。

　　EDGE的編碼策略跟GPRS相比，來得更加復雜，但是，采用EDGE的MCS1到MCS9的編碼方案，提供的數(shù)據(jù)傳送速率就大大增加了。圖3表明了EDGE提供的編碼方案和GPRS提供的編碼方案每時隙的速率對比。



圖3　GPRS/EDGE編碼速率對比

　　EDGE相對于GPRS而言，能提供更大的數(shù)據(jù)傳送速率，也能夠提供更多更豐富的多媒體業(yè)務，并且在原有的GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)上很容易就能升級。在鏈路控制層面上，EDGE相對與GPRS，也提供了更為強大的功能。

4、WCDMA

　　WCDMA標準是由第三代合作伙伴計劃組織(3GPP)制訂，現(xiàn)在已有R99、R4、R5三個版本定稿，現(xiàn)階段正在進行R6版本的制訂工作。目前在全球已經(jīng)安裝和試運行的WCDMA網(wǎng)絡(luò)都是基于R99版本的，其最大的特點在于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上繼承了GSM/GPRS的核心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與GSM不同的是在無線接入網(wǎng)部分引入了另外全新的無線接口——WCDMA，并采用了分組化傳輸，更加有利于實現(xiàn)高速移動數(shù)據(jù)業(yè)務的傳輸。R4版本的主要特點是支持先進的核心網(wǎng)絡(luò)，針對R99基于TDM的電路核心網(wǎng)進行了很大的改進，提出了控制與承載相分離的概念，R4電路域由MSCServer、GMSCServer、MGW等實體組成，各實體之間提供了標準化的接口，信令可以使用IP承載。在R5階段引入了IP多媒體子系統(tǒng)IMS，朝著全網(wǎng)IP化的道路邁出了重要一步。R6目前還在制訂中。圖4表示了從GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)向WCDMA R99版本演進的情況。



圖4　從GPRS網(wǎng)絡(luò)演進到WCDMA網(wǎng)絡(luò)

　　對于現(xiàn)在運營GSM網(wǎng)絡(luò)的運營商來講，由于GSM和WCDMA可以共用同一個核心網(wǎng)，所以從GSM平滑過渡到WCDMA是最佳方式。隨著人們對數(shù)據(jù)速率的要求越來越高，WCDMA和其他第三代移動通信制式的提出，具有革命性的意義。WCDMA的空中接口和原有的GSM/GPRS完全不同，高效的空中接口技術(shù)能使得WCDMA的下行速率達到2Mb/s，也能滿足人們豐富的多媒體業(yè)務。WCDMA的主要空中接口參數(shù)如表2所示：

表2　WCDMA的空中接口參數(shù)

[table]

帶寬	5MHz
DS與MC	單載波直擴
雙工方式	FDD和TDD
碼片速率	3.84Mb/s
幀長	10ms
調(diào)制方式	下行QPSK；上行BPSK
信道編碼方式	卷積碼和Turbo碼
擴頻因子	下行4-512；上行4-256
功控頻率	1.6kHz
下行擴頻	可變長正交序列(區(qū)分不同信道)Gold序列(區(qū)分不同小區(qū)與用戶)
上行擴頻	可變長正交序列(區(qū)分不同信道)Gold序列241(不同用戶以序列區(qū)分，I、Q路以不同相位區(qū)分)

[/table]
　　WCDMA利用先進的碼分復用和擴頻技術(shù)，使得其比先前的2G系統(tǒng)具有更高的頻譜利用率。WCDMA還使用快速功控、軟切換等先進技術(shù)，能較大限度的降低干擾，提高服務質(zhì)量。根據(jù)不同的業(yè)務需求，WCDMA還能提供不同類型、不同速率、不同QoS要求的無線接入承載，從而支持更加豐富多彩的服務。

5、HSDPA

　　WCDMA向下演進的第一步就是提高下行速率，也就是演進到HSDPA(High Speed Downlink Packet Access)，跟WCDMA相比，HSDPA大大提高了系統(tǒng)的容量，下行速率最大能達到14Mb/s，也能為用戶提供更多更豐富的業(yè)務。

　　在WCDMA R5版本中，已經(jīng)提出了一種新的傳輸信道HS-DSCH，利用這種信道能夠增強下行速率。HSDPA對于原有的WCDMA的協(xié)議層產(chǎn)生的影響并不是很大，所以在原有的WCDMA上通過軟件升級和少量硬件升級就能提升為HSDPA。

　　HSDPA相對與WCDMA，具有下面一些特性：

　　(1)自適應調(diào)制和編碼。HSDPA中鏈路將根據(jù)無線鏈路的情況來自動調(diào)整調(diào)制方式和編碼方法，在WCDMA R99中，對于下行信道的調(diào)制方式為QPSK，但是對于HSDPA，除了采用QPSK，還采用16QAM調(diào)制方式。不論終端在基站的附近還是在小區(qū)的邊緣，HSDPA中鏈路的自適應調(diào)制總能保證用戶獲得最大的數(shù)據(jù)傳輸速率。

　　(2)快速調(diào)度。HSDPA中包調(diào)度是直接由基站控制的，而不像WCDMA R99中是由RNC控制的。這種調(diào)度方法更加靠近空中接口部分，從而效率更高�？焖僬{(diào)度方法所需要的信息包括信道質(zhì)量、容量、QoS等級等。

　　(3)混合自動重發(fā)請求。混合自動重發(fā)請求實際上是一個結(jié)合自動重發(fā)請求(ARQ)和前向錯誤更正(FEC)的技術(shù)，能利用原來傳輸失敗的數(shù)據(jù)進行后續(xù)的解碼。

6、結(jié)束語

　　現(xiàn)在在中國運營的最大的無線網(wǎng)絡(luò)就是GSM網(wǎng)絡(luò)，由于技術(shù)特點，GSM在更新技術(shù)演進的道路上，必然朝著GPRS、WCDMA、HSDPA的方向發(fā)展。本文簡單闡述了演進道路上的各種制式的關(guān)鍵技術(shù)特點和網(wǎng)絡(luò)實體的演進變化。隨著無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們也將從網(wǎng)絡(luò)的演進過程中享受更多移動通信帶來的便利。