GSM增强型数据业务向3G移动通信演进

2019-11-03 09:32:45

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供稿：网友

刘岚吴薇　　摘要介绍了GSM增强型数据业务系统及向第三代移动通信系统的演进，简述了我国第三代移动通信的发展策略。

　　关键词高速电路交换数据通用无线分组业务增强数据速率改进双模终端

一、引言

　　随着Internet高速发展及各种无线业务（话音、数据）需求的快速增长，迫切要求无线通信系统提高容量、扩展信息带宽，以便提供更多更好的服务。为了满足这些要求，引入3G移动通信系统是必然趋势。3G移动通信系统是以提供宽带多媒体业务和全球无缝漫游等网络功能为主，这就决定了3G系统在无线接口和核心网络技术选用上与第二代系统有很大的差异。因此，如何从第二代系统演进到3G系统便成为一个热点。GSM系统以其标准化、开放性及优秀的全球漫游能力成为最成功的第二代移动通信系统。本文将以几种主要的GSM增强型数据业务为基础，简要介绍从现有的GSM系统向3G移动通信系统的演进方案及我国向3G系统演进的策略。

二、GSM增强型数据业务

　　第二代GSM系统提供的基本数据业务是速率为9.6kbit/s、基于电路交换的低速数据通信。为了适应Internet的发展，逐步向3G移动通信系统演进，必须先发展以增强数据传送能力为目标的二代半技术（2.5Ｇ）。

　　二代半技术中对GSM增强传输数据能力的第一步骤为采用HSCSD（高速电路交换数据）技术或GPRS（通用无线分组业务）技术来提高用户的比特率。HSCSD采用TDMA（时分多址）技术，并采用时隙合并的方法形成一个高速数据传输信道，可大大提高数据传输速率。GPRS是一项基于数据包的信包交换技术，它将每时隙的传输速率从9.6kbit/s提高到14.4kbit/s，然后将8个时隙合并在一起，最大传输速率可达115.2kbit/s。采用GPRS后，许多用户可共享同一信道，尤其适用于Internet／Intranet（互联网/内联网）移动服务。

GSM增强传输数据能力的第二步骤为采用EDGE（增强数据速率改进）技术。EDGE可将GSM网络的传输速率提高到384kbit/s，以便处理多媒体业务。EDGE同样采用TDMA技术，其帧结构与GSM相同，每一载波带宽200kHz。通过提高每一GSM时隙的数据容量来实现增容，传输速率可从9.6kbit/s提高到48kbit/s，甚至高达70kbit/s。

1．HSCSD（高速电路交换数据）

　　HSCSD是由欧洲电信标准机构（ETSI）于1997年2月进行验证和确定的。它采用TDMA技术，把每一物理信道分成几个时隙，使每个时隙的传输速率高达14.4kbit/s，并将200kHz载波内的3个时隙合并在一起，形成一个高速数据传输信道。理论上讲，一个信道的最大传输速率可达57.6kbit/s，如果采用数据压缩技术，速度将会更高。同时，HSCSD还允许上行链路与下行链路的数据传输速率不同，但上行链路的传输速率不能高于下行链路的传输速率。当空中接口上的对称HSCSD连接不能满足用户速率需求时，可采用非对称HSCSD连接，网络赋予下行信道较高的优先权，即允许MS（移动台）以较低的速率发送，以较高的速率接收。因此，HSCSD适用于网络浏览、大规模文件传输、数据库更新以及电子邮件同步处理等业务。

　　目前使用的GSM系统是利用单一语音信道传送数据业务，速率会受到限制，而HSCSD采用时间复用技术，允许为每一连接同时分配多个TCH/F（称作HSCSD信道），旨在用同样的物理层结构提供多种空中接口（air I/F）速率，使HSCSD可提供比目前数据业务高出几倍的承载能力。

　　HSCSD是GSM演进过程中一种满足速度需求的技术，但可大大提高无线通信系统的数据传输速率，且HSCSD仍然是基于“电路交换”的。按照电路交换的固有特点，用户在接通系统时就像打电话一样，不管你是否开口说话，系统都会在上下行的频段中保留一个时槽给用户，这使得该技术在提供GSM数据业务时具有资源利用率低和使用成本高等不可避免的问题。从市场和技术的角度来看，作为高速电路交换数据业务的HSCSD已被中国电信逐步放弃。在这种情况下，分组移动数据业务应运而生。

2．GPRS（通用无线分组业务）

　　GPRS（General Packet Radio Service）是一种基于GSM的高速率分组交换业务。GPRS通过在原有GSM网络的基础上增加了SGSN（服务GPRS节点）和GGSN（网关GPRS节点）等新网络实体，SGSN负责移动管理、安全性管理和接入控制；GGSN负责与因特网和其它兼容网络的交互。GPRS对HLR（归属寄存器）、MSC（移动交换中心）、VLR（访问寄存器）和OMC（操作和维修中心）等网络实体进行升级，在原有的GSM网络上叠加一个新的网络。它以分组交换技术为基础，采用ip（网际协议）数据网络协议，数据传输速率可以高达150kbit/s，完全可以满足移动用户电子邮件收发、因特网浏览和BBS讨论的需要。同时由于分组型传输不占信道，因此用户可长时间保持与外部数据网的连接，而不必进行频繁的连接和断开操作，真正实现“永远在线，永远连接”。

　　GPRS采用分组交换技术，每个用户可以同时占有多个无线信道，从而大大提高了信息传输速率。GPRS采用了“统计复用”的复用方式，多个用户可以动态地共享一个信道，对比电路交换方式中的“静态复用”，则大大提高了带宽资源的利用率。由于GPRS采用的是分组交换和统计复用方式，计费方式不是按发送时间计费而是按发送数据量计费，对用户来说节省了费用。更重要的是，GPRS不但充分利用了原有的GSM网络资源，而且在提供高速数据业务的同时不会影响电话业务的质量。因此GPRS一经推出，就深受运营商、设备厂商和广大用户的普遍欢迎。

3．EGDE（增强数据速率改进）

　　由于在GSM系统中采用了GMSK的调制方式，因此即使HSCSD和GPRS采用了多时隙的操作模式，数据速率只能有限提高。这与3G移动通信系统的数据速率为384kbit/s的广域覆盖和数据速率大约为2Mbit/s的局域覆盖相距甚远。因此有必要采用更先进的通信和信号处理技术，以进一步扩大GSM系统的容量。

　　EGDE是欧洲电信标准协会（ETSI）制定增强速率的GSM演进方案，该技术采用高效的8相相移键控（8PSK）技术，可大大提高频谱效率，最高数据传输率可达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频段上提供第3代移动通信业务。EDGE包括两部分：增强的电路交换数据（ECSD）和增强的GPRS（EGPRS），二者分别以电路交换和分组交换为基础。EDGE包括ECSD模式是为了使现有GSM系统中的电路交换数据业务协议尽量保持不变。EGPRS采用自适应编码和自适应调制方式，使用链路自适应技术以实现编码和调制方案之间的动态转换，从而保证链路的鲁棒性。

　　EDGE是一种类似GPRS但带宽比GPRS大的一种网络技术，是GSM的进化版。但由于EDGE需要不同于目前GSM的调制技术，投入将较大。它是否会被广泛采用将取决于设备、终端和相关应用等多方面的因素。

　　从技术发展与市场需求相统一来看，GPRS是一种比较适合现有的GSM过渡的技术，且已经成功地投入商用。目前全世界已有近百个运营商开通了GPRS商用系统、试商用系统或实验系统。2000年12月，中国移动通信集团公司已宣布正式启动GPRS网络的建设，到2001年6月，中国移动GPRS一期工程已完成，目前正处于试运营阶段。

三、GSM的网络演进

　　IMT-2000网络在现有GSM系统中的引入可以逐步进行。可采用在业务负荷较大的小区内首先引入IMT-2000的方法，形成若干“3G岛”，为了实现对第2代移动通信承载业务的全覆盖，可以先引入双模终端来同时接入GSM和IMT-2000的无线接入网。GSM的无线接入网通过A接口连至移动交换中心（MSC）以提供电路交换业务，通过Gb接口连至SGSN、GGSN以提供分组业务，再通过它们接入固定网PSTN、ISDN和ATM。IMT-2000的无线接入网则分别通过互联单元IWU1-A和IWU1-Gb接入MSC和SGSN（见图1）。

　　这种在高业务负荷的小区内先引入IMT-2000的GSM网络演进方案有效地保护了运营商的既有投资，是一种值得引起重视的网络演进方案。演进的GSM核心网包括MSC，HLR，VLR，SGSN，GGSN以及其它适配ATM，IP等未来发展的技术。其移动性管理基于移动应用代理（MAP）对HLR和VLR数据库进行复用。无线网络控制和MSC/SGSN之间的Iu接口将会完全标准化。

四、我国向3G移动通信发展的策略

　　我国从第二代GSM移动通信系统平滑演进到3G的主要目标是：满足市场需求，最大限度地保护已有投资和减小历史包袱，到3G移动通信系统设备成熟以后，建成覆盖全国的以IP为核心网、FDD地区覆盖、TDD覆盖城市密集地区和热点区域的移动通信网络。

　　面对我国已经建成的世界上最大的GSM网，我国提出了采用TD-SCDMA（时分-同步码分多址）向3G过渡的方案。TD-SCDMA中运用了智能天线、同步CDMA和软件无线电技术等具有世界先进水平的关键技术，且具有上下行链路可以不对称、频谱利用率高和发射功率低等优点，非常适合非对称数据业务。TD-SCDMA可以提供较高的系统容量，特别是能够满足我国一些地方人口密集但频谱资源紧张的需要，从技术上也可以保证目前的GSM网向3G的平滑过渡，最大限度地保护运营者和用户已有投资。

　　我国由现有GSM网向3G的平滑过渡，可采用依托GSM网的岛式发展战略，首先在大城市及高人口密度地区建设TD-SCDMA基站，解决目前GSM频率资源紧张的问题，然后逐步建设3G网络。

　　从时间上可分成两个步骤实施：第一步，在2005年前，采用第二代GSM核心网和TD-SCDMA无线传输技术基站子系统（BSS），解决系统容量问题，提供部分3G移动通信业务。在现有的GSM系统中，需要扩容和提供较高速数据业务的区域率先使用3G移动通信频谱和TD-SCDMA的BSS，在现有GSM基站的站址增加TD-SCDMA基站，通过A和Gb接口接入GSM核心网。终端采用TD-SCDMA/GSM双频双模用户终端，其中TD-SCDMA模可提供话音、低于57kbit/s的实时数据和低于384kbit/s的非实时（包交换）数据业务，GSM模支持传统的话音业务和低于9.6Mbit/s的实时数据业务。这些用户终端在TD-SCDMA基站覆盖区内，优先使用TD-SCDMA系统，可以得到话音和部分3G移动通信业务服务。在覆盖区域以外，则使用GSM系统。TD-SCDMA/GSM双频双模用户终端不仅可支持GSM，而且随着核心网的演进还可以支持3G的服务，其基站子系统可进行软件升级支持全IP核心网。这种演进方式的优势在于，在高话务量和有移动数据服务需求的区域，采用3G移动通信频谱和高频谱利用率的3G无线传输技术，满足了市场需求。移动通信基础设施中，数量最多投资最大的是基站子系统（至少占投资总额的70％），在3G核心网成熟后，已建设的TD-SCDMA基站子系统可根据业务需求逐步连接到全IP核心网，为以后向3G过渡打下了基础，从而保证设备的生命周期，减轻了历史包袱。

　　第二步：在2005年左右，开始建设3G移动通信系统。到2004或2005年，基于全IP的核心网络和IMT-2000无线传输技术的3G移动通信将进入高速成长期，各个具有经营3G移动通信系统许可证的营运商都将进入建设完整的商用3G移动通信网络时期。此时，已建成的TD-SCDMA基站子系统，通过软件升级可以由RNC（无线网络控制器）通过Iu接口（核心网和RNC的接口）进入全IP的核心网，也可能在基站（Node B）直接通过Iub接口（RNC与Node B之间的接口）进入此核心网。同时，采用IMT-2000 FDD技术和设备进行大区覆盖，在全国范围内提供3G移动通信业务服务。

五、结束语

　　基于GSM的第二代移动通信系统向3G的平滑过渡还是一个值得研究的问题，除了技术上的发展和更新之外，保护已有投资及市场的连贯性也是很重要的参考因素。其基本的策略应该是：依托第二代移动通信网，开通3G移动通信业务，平稳地从第二代向3G移动通信过渡。

摘自《电信网技术》

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