3G技术综述.ppt

3g技术综述 议程 移动通信的历史与演进 网络架构的演进 业务的演进 应用 总结 议程 移动通信的历史与演进 网络架构的演进 业务的演进 应用 总结 最早的移动电话（1924） courtesy of rich howard 电信服务用户统计 固话用户数 移动用户数 (百万) 交叉点为 2002年5月 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 5 72 2 1 1 2 3 4 5 6 7 3 蜂窝移动技术 频率调制 天线分集 蜂窝概念 贝尔实验室(1957 & 1960) 频率复用 通常每7个小区一组 扇区划分改善频率重用 例如3个扇区 切换 端局交换机改进 hlr、寻呼、切换 第一代系统（1g） advanced mobile phone service (amps) 美国试验 (78)；日本 (79) 和美国 (83) 部署 800 mhz频段 仍然在美国广泛使用 nordic mobile telephony (nmt) 瑞典、挪威、丹麦、芬兰 1981年投入使用；现在已基本上消亡 450 mhz频段；后来也使用900 mhz频段 (nmt900) total access communications system (tacs) 英国设计；类似amps；1985年部署 900 mhz频段 少量tacs-900系统仍在欧洲使用 中国的模拟系统为tacs+ 第二代系统（2g） 数字系统 利用技术提高容量 语声压缩；数字信号处理 采用并扩展“智能网”概念 改善欺诈预防 增加新业务 2g系统多样性 gsm is-95 cdma (cdmaone) is-54/is-136 tdma（北美） pdc（日本） iden dect和phs（小灵通） gsm global system for mobile 欧洲联合开发，1982年启动 专注于泛欧无缝漫游 1991年开始商用 时分多址 (8时隙，200khz) 900 mhz频段；后扩充1800 mhz频段 1900 mhz频段 (美国pcs频段) gsm是目前的主导标准 接口定义清晰；市场竞争者多 90年代后期网络效应（麦特卡夫定律）开始起作用 现在三频gsm手机可以全球漫游 cdma 码分多址 共享相同频带 3g的基本接入技术 qualcomm演示 (1989) 提高容量，简化网络规划 香港首先部署 (1994) 韩国非常成功 1996年就突破一百万用户 美国运营商verizon和sprint采用 通往3g的最简单途径 is-95 (cdmaone) tia标准：is-95/ansi-95 (1993) is-95部署于800 mhz频段 j-std-08变种部署于1900 mhz频段 用于美国pcs频段 标准发展 解决问题，增加数据服务 is-95a (14.4 kbps) is-95b (64 kbps) 2.5g is-95a/b均符合j-std-08 核心网均采用tia is-41/ansi 41 d-amps/tdma & pdc 时分多址 3时隙，30 khz is-54/is-136标准由tia制定 1993年部署 at&t wireless和cingular采用is-136 计划过渡到gsm，再向w-cdma演进 pdc是日本的主导标准 1994年部署 ntt docomo拥有最大的pdc网络 i-mode iden motorola专利系统 时分多址 基于gsm架构 800 mhz专用移动无线电 (pmr) 频段 刚好在800 mhz蜂窝频段之下 特殊协议 支持快速 “push-to-talk” 对老式pmr服务的数字替代 nextel采用 nextel在美国市场上拥有最高的apru 提供“direct connect”品牌的push-to-talk业务 dect和phs 时分多址 digital european cordless telephony 企业应用（例如无线pbx） 极小蜂窝；楼内传播问题 高带宽 (32 kbps信道) 高质量话音及isdn数据服务 personal handiphone service 性能类似 (32 kbps信道) 曾经在日本城市（高人口密度）部署 4信道基站使用一条isdn bri线路 基站安装于电话亭顶部 目前在中国大量部署（小灵通） 2g市场分布 source: emc world cellular / gsm association 3g远景 全球漫游 多媒体（话音、数据和视频） 提升数据速率 移动中384 kbps，静止时2 mbps 提高容量（更高的频谱效率） ip架构 目前存在的问题 还没有无线数据的“killer app” 厂商驱动 国际标准化 itu（国际电信联合会） 无线电标准及频谱 imt-2000 itu的3g全称（umbrella name） international mobile telecommunications 2000 国家及地区性标准化组织协作开展3g合作项目 arib、tia、tta、ttc、cwts、t1、etsi 3g partnership projects（3gpp & 3gpp2） 关注接入及核心网络的发展 imt-2000远景内涵 卫星 宏蜂窝 微蜂窝 城区 室内 微微蜂窝 全球性 郊区 基本终端 pda终端 音频/可视终端 包括lan、wan和卫星业务 imt-2000 无线电标准 imt-sc*单载波（uwc-136）：edge gsm演进（tdma）；200 khz信道；“2.75g” imt-mc*多载波cdma：cdma2000 is-95 cdma（cdmaone ）演进 imt-ds*直扩cdma：w-cdma 3gpp新方案；utran fdd imt-tc*时间码cdma 3gpp新方案；utran tdd 中国新方案；td-scdma imt-ft* fdma/tdma（原有的dect） * 成对频谱；* 不成对频谱 cdma2000 源自qualcomm cdma cdmaone or is-95 更佳的2g到3g过渡方案 cdmaone运营商不需要另外的频谱 3x保证比 umts即w-cdma更高的数据速率 比w-cdma更优的频谱效率（?） 尚在争论 cdma2000核心网欠成熟 cmdaone的接口是厂商专有的 cdma2000厂商有望符合 3gpp2规范 umts（w-cdma） 宽带cdma universal mobile telephone service（umts） 欧洲提交的标准 gsm运营商的过渡途径 发挥gsm的主导地位 需要新频谱 5 mhz（对称） 在欧洲及其它一些地区是强制系统 欧洲已经拍卖了新频谱 现在看来价格过高 td-scdma 时分同步cdma 中国开发（与西方的谈判工具？） 相对不成熟，但是具有庞大的开发计划 很好地匹配非对称业务流量 单频带 不成对频谱；低至1.6 mhz；高频谱效率的时分双工（tdd ） 成本相对很低 手机更小，成本更低 功耗更低 功率放大器线性要求很高 相对较难满足规范 向3g过渡 移动无线频谱 cdma演进途径的优势难以抵消从gsm转向cdmaone的成本 全球漫游的前景 多种语声编码 (amr, evrc, smv, ) 多频段 800, 900, 1800, 1900, 2100, 2500, ? mhz 多调制方式 gsm/tdma, w-cdma, cdma2000, td-scmda 手持终端（多频多模） 芯片技术 软件无线电 电池 多址无线电技术 1g 频分多址 30 khz 30 khz 30 khz 30 khz 30 khz 30 khz 30 khz 30 khz frequency fdma - frequency division multiple access 2g 时分多址 frequency time 200 khz 200 khz 200 khz 200 khz one timeslot = 0.577 msone tdma frame = 8 timeslots tdma - time division multiple access 2g & 3g 码分多址 code division multiple access 扩频调制 最初为军用开发 抗干扰 编码调制 所有用户共享相同（大块）频谱 1:1频率重用 软切换 3g无线电标准的基础 cdma2000、w-cdma、td-scdma courtesy of suresh goyal & rich howard courtesy of suresh goyal & rich howard courtesy of suresh goyal & rich howard 议程 移动通信的历史与演进 网络架构的演进 业务的演进 应用 总结 核心网架构演进 当前存在两种广泛部署的架构 gsm-map：gsm运营商采用 mobile application part 基于ss7 定义附加的移动性、认证等信令 ansi-41 map：amps、tdma、cdmaone tia/ansi标准 cellular radio telecommunications inter-system operation 各自向共同的“all ip”远景演进 “all ip”仍在定义中 gait提供一条互操作途径 gsm ansi interoperability team 例如漫游 bts base transceiver station bsc base station controller 典型2g架构 msc mobile switching center vlr visitor location register hlr home location register bts bsc msc/vlr hlrbsc gmsc co bsc bsc msc/vlr co pstn plmn co tandemtandem sms-sc psdn 网络分层 与pstn一样，2g移动网络也具有网络分层 传输平面 信令平面 一些网元仅存在于信令平面 hlr、vlr、sms center、 msc hlr mscvlr transport plane (voice) signaling plane (ss7) msc sms-sc 核心网络的信令 基于ss7 isup以及特殊应用部分 gsm map和ansi-41服务 移动性、呼叫处理、认证、 o&m 补充业务 sms, 用于移动性管理的位置寄存器 hlr 永久数据 vlr 漫游终端的本地数据 pstn-to-mobile call (stp) (scp) pstnplmn (ssp)(ssp)bssms plmn (home)(visitor) (stp) hlr gmsc (ssp) vmsc vlr iam 6 2 where is the subscriber? 5 routing info 3provide roaming 4 scp 1 iam 514 581 . isup map/ is41 (over tcap) signaling over ss7 bss base station system bts base transceiver station bsc base station controller ms mobile station nss network sub-system msc mobile-service switching controller vlr visitor location register hlr home location register auc authentication server gmsc gateway msc gsm 2g架构 ss7 bts bsc msc vlr hlr auc gmsc bss pstn nss a e c d pstn abis b h ms gsm global system for mobile communication gsm增强 90年代中期以来出现的新技术 全球标准：最广泛的部署 对于增强的重大回报 跳频（frequency hopping） 克服衰落 小区同步 dfca dynamic frequency and channel assignment 为最小化干扰而分配无线资源 也用于确定移动台位置 tfo tandem free operation gsm增强（续） amr语声编码 语声比特 vs. 纠错比特 掉话率更低 dtx discontinuous transmission 更低干扰（静默时接近 0 bps） 小区呼叫数更高 hscsd - high speed circuit-switched data 信道聚合 超越9.6 kbps限制 (50 kbps) gprs - general packet radio service edge - enhanced data rates for global evolution tfo的概念 对于mobile-to-mobile call，取消不必要的编码转换， 改善话音质量 可在现有网络中工作 (bsc、msc) 新型trau在呼叫建立之后协商tfo（带内） tfo帧使用64 kbps电路的lsbits承载压缩语声帧和 tfo 信令 msbits仍承载正常的g.711语声抽样 局限性 手机中的语声编解码器相同 核心网中的数字透明性 (ec off!) tfo随小区切换、呼叫转移、带内 dtmf、通告或电话会 议而取消 tfo tandem free operation no tfo : 2 unneeded transcoders in path with tfo (established) : no in-path transcoder a bts bsc trau ater mscmsc trau bsc msmsbts abis gsm codingg.711 / 64 kbgsm coding c d d c c d d c (*) or 7 bits if half-rate coder is used a bts bsc trau ater mscmsc trau bsc msmsbts abis gsm codinggsm coding + tfo sig (2bits) + g.711 (6bits*) / 64 kbgsm coding c d t f o t f o d c pstn* pstn* (*) or tdm-based core network 新的语声编码 amr: adaptive multi-rate 为umts (w-cdma) 定义 正在改进以便用于gsm smv: selectable mode vocoder 3gpp2为cdma2000定义 多种可用编码速率 amr 8种速率 12.2、10.2、7.95、7.4、6.7、5.9、5.15、4.75 kbps 以及静默帧（接近 0 bps） smv 4种速率 8.5、4、2、0.8 kbps 更低比特率允许更强纠错 根据无线干扰状况动态调节 gprs 2.5g（gsm） general packet radio service 首次引入分组技术 聚合无线信道 最多8个信道（时隙） cs-1cs-4 支持更高数据速率 根据信道可用性 多用户共享聚合信道 全新的ip数据基础设施 对话音网络没有改变 cs-19.0572.4 cs-213.4107.2 cs-315.6124.8 cs-421.4171.2 ss7 bts bsc msc vlr hlr auc gmsc bss pstn nss a e c d pstn abis b h ms bss base station system bts base transceiver station bsc base station controller nss network sub-system msc mobile-service switching controller vlr visitor location register hlr home location register auc authentication server gmsc gateway msc gprs架构 sgsn serving gprs support node ggsn gateway gprs support node gprs general packet radio service ip 2g+ ms (voice & data) psdn gi sgsn gr gb gs ggsn gc gn 2g ms (voice only) edge 2.75g（gsm） enhanced data rates for global evolution 为gsm提供更高数据速率 仍是200 khz信道频宽 仍采用tdma 8-psk调制 3 bits/symbol 3倍数据速率 覆盖范围更小 对噪声/干扰更敏感 gait gsm ansi interoperability team 允许is-136 tdma运营商向edge演进 新的gsm/edge无线技术 演进的ansi-41核心网 gsm演进（数据访问） 1997200020032003+ gsm gprs edge umts 9.6 kbps 115 kbps 384 kbps 2 mbps gsm evolution3g 3g partnership project (3gpp) 3gpp定义从gsm到umts（w-cdma）的演进 从仅有gsm演进到支持gsm、gprs以及新的w-cdma设 施 3gpp release 99 增加3g无线技术 3gpp release 4 增加软交换/话音网关和分组核心网 3gpp release 5 首次引入ip多媒体业务 (ims) 采用sip技术及qos机制 3gpp release 6 “all ip”网络 仍在定义中 3g rel99架构 3g无线技术 ss7 ip bts bsc msc vlr hlr auc gmsc bss sgsnggsn pstn psdn cn c d gc gr gngi abis gs b h bss base station system bts base transceiver station bsc base station controller rns radio network system rnc radio network controller cn core network msc mobile-service switching controller vlr visitor location register hlr home location register auc authentication server gmsc gateway msc sgsn serving gprs support node ggsn gateway gprs support node a epstn 2g ms (voice only) 2g+ ms (voice & data) umts universal mobile telecommunication system gb 3g ue (voice & data) node b rnc rns iub iucs atm iups 3g rel4架构 软交换 ss7 ip/atm bts bsc msc server vlr hlr auc gmsc server bss sgsnggsn pstn psdn cn c d gc gr gngi gb abis gs b h bss base station system bts base transceiver station bsc base station controller rns radio network system rnc radio network controller cn core network msc mobile-service switching controller vlr visitor location register hlr home location register auc authentication server gmsc gateway msc sgsn serving gprs support node ggsn gateway gprs support node a nc 2g ms (voice only) 2g+ ms (voice & data) node b rnc rns iub iucs iups 3g ue (voice & data) mc cs-mgw cs-mgw nb pstn mc atm transcoder free operation (trfo) 避免不必要编码转换，改善话音质量 类似tfo 基于分组核心网 带外协商 呼叫建立时两终端选取相同编解码方式 通过信令过程支持突发信道重新配置 切换、 无法实现trfo时，可以尝试 tfo 例如在分组交换核心网与电路交换核心网之间过渡 trfo + tfo示例 2g手机到3g手机 结合trfo和tfo 避免话路中的编码转换 3g packet core network 3g ue radio access network 2g plmn msc server cs-mgw cs-mgw gmsc server msc gsm coding (trfo)gsm coding c d d c t f o gsm coding + tfo sig (lsb) + g.711 (msb) / 64 kbt f o radio access network trau 2g ms 3g rel5架构 ip多媒体 gb/iups a/iucs ss7 ip/atm bts bsc msc server vlr hss auc gmsc server bss sgsnggsn pstn cn c d gc gr gngi abis gs b h im ip multimedia sub-system mrf media resource function cscf call state control function mgcf media gateway control function (mc=h248,mg=sip) im-mgw ip multimedia-mgw nc 2g ms (voice only) 2g+ ms (voice & data) node b rnc rns iub 3g ue (voice & data) mc cs-mgw cs-mgw nb pstn mc iucs iups atm im ip pstn mc mgcf im-mgw mrf cscf mg gs ip network 3gpp rel6目标 ip multimedia services, phase 2 ims消息及群组管理 wlan互通 语声激活的业务 distributed speech recognition (dsr) number portability 其它增强功能 进行中 范围 定义 3gpp2 3rd generation partnership project “two” 分立的组织 定义is-41演进 3gpp专注于gsm和umts 保留最终合并的目标 3gpp + 3gpp2 is-41向“all ip”的演进 更直接 跳过atm阶段 更快？ 1xrtt 支持ip分组（类似gprs） 1xev-do 只支持分组数据 1xev-dv 增加软交换/话音网关 3x 三倍的无线数据速率 a ref (a1, a2, a5) stm over t1/t3 a ref (a1, a2, a5) stm over t1/t3 stm over t1/t3 or aal1 over sonet bsc bsc proprietary interface bts bts proprietary interface bts is-95 ms is-95 ms bts - base transceiver station bsc - base station controller ms - mobile station msc - mobile switching center hlr - home location registry sms-sc - short message service - serving center stm synchronous transfer mode ater ref (a3, a7) a1 signaling interface for call control and mobility management between msc and bsc a2 64 kbps bearer interface for pcm voice a5 full duplex bearer interface byte stream (sms ?) a3 signaling interface for inter-bsc mobile handoff a7 bearer interface for inter-bsc mobile handoff 2g cdmaone (is-95 + is-41) cdma2000 1x网络 bts - base transceiver station bsc - base station controller ms - mobile station msc - mobile switching center hlr - home location registry sms-sc - short message service - serving center stm synchronous transfer mode pdsn packet data serving node aaa authentication, authorization, and accounting home agent mobile ip home agent a10 bearer interface between bsc (pcf) and pdsn for packet data a11 signaling interface between bsc (pcf) and pdsn for packet data a ref (a1, a2, a5) stm over t1/t3 stm over t1/t3 or aal1 over sonet bsc proprietary interface bts bts is-2000 ms aquarter ref (a10, a11) ip over ethernet/aal5 radius over udp/ip packet data serving node (pdsn) 建立、维持和终结与移动台的ppp会话 支持简单和移动ip业务 为来访移动台充当移动ip foreign agent 处理对移动台的认证、授权和计费（aaa） 采用radius协议 路由数据包 移动台与外部分组数据网之间 收集使用数据并转发给aaa server aaa server和home agent aaa server 认证 ppp和移动ip连接 授权 业务特征描述 安全密钥分发及管理 计费 用于计费的使用数据 home agent 当移动ip用户从一个网络移动到另一个网络时追踪其位置 当移动节点附着在外部网络上时代替其接收数据包并将数 据包传送到其当前附着点 1xev-do 只支持ip数据 is-2000 is-2000 radius over udp/ip nextgen msc ? 1xev-dv 支持ip数据和话音 packet switched voice sip sipss7sctp/ip h.248 (maybe mgcp) circuit switched voice is-2000 sip proxy session initiation protocol proxy server mgcf media gateway control function sgw signaling gateway (ss7) mgw media gateway (voice) is-2000 议程 移动通信的历史与演进 网络架构的演进 业务的演进 应用 总结 生机勃勃的移动业务 sms、ems、mms 位置服务 3g-324m视频 voip（无qos）；push-to-talk ip多媒体业务（qos） 远景 融合的“all ip”网络 short message service (sms) 点对点的简短文本消息业务 通过信令信道传送消息 map或is-41 smsc存储转发短消息 送达报告 sme是移动台或任意数据终端 btsbsc msc vlr hlr sms-iwmsc a e c b ms sme sms-gmsc psdn sc pc sms- gmsc gateway msc sms- iwmsc interworking msc sc- service center sme- short messaging entity smes sms要点 基本业务 sm mt (mobile terminated) sm mo (mobile originated) sm mo可取消 (3gpp2) 用户可确认 (3gpp2) 中继和存储转发短消息 sm service center (3gpp) message center (3gpp2) 最多140字节 可压缩 (ms-to-ms) 可分割 sms传送 送达/提交报告 3gpp2中可选 messages-waiting sc通知hlr/vlr消 息无法送达ms alert-sc hlr通知sc相关ms 已准备好接收 所有消息通过信令信道传 送 通常是ss7 smsc可选择支持ip delivery (mt) report submission (mo) report scms ems要点 enhanced message service 利用sms基础设施 负载格式化属性支持 文本格式化 对齐、字号、字体、色彩、 图片或矢量图形 动画 音效 兼容2g sms移动台 2g sms规范可以支持负载格式化 2g ms忽略特殊格式 mms要点 非实时多媒体消息业务 文本 语声 (amr编码) 音频 (mp3、合成midi) 图像、图形 (jpeg、gif) 视频 (mpeg4、h.263) 随多媒体技术发展而发展 采用ip数据通道和ip协议 非ss7 wap、http、smtp、. 适应终端能力 媒体格式转换 (jpeg to gif) 媒体类型转换 (fax to image) sms (2g) 终端互通 mm可转发 (无需下载) 可设置有效期限 单一或多个地址 电话号码或电子邮件地址寻址 e.164 rfc 822 扩展的报告功能 提交、存储、送达、读取、 删除 支持mmbox 即一个电子邮箱 可选支持流媒体 (rtp/rtsp) mms架构 plmn hlr sn mm5* sn mms relay / server pdnsn sn mm4 ue mm1 mms user agent mm6 mms relay / server (or proxyrelay server) mm3 external legacy servers (e-mail, fax, ums, smsc) sn sn mm7 value-added services application mms user databases (*) optional wap gw smtpmap soap/http wsp-http smtp, pop/imap 位置服务 应急服务 e911 - enhanced 911 增值个人服务 找朋友、问路 商务服务 优惠券、促销信息 网络内部服务 业务量及覆盖测量 合法监听扩展服务 定位嫌疑犯 位置信息 三维位置、速度、方向 具有时间戳 测量精度 响应时间 qos量度 安全性和私密性 授权客户端 安全信息交换 私密性控制 用户还是运营 商 定位技术 小区标识 基于定时 ta: timing advance 基于定时和三角测量 toa: time of arrival tdoa: time difference of arrival aoa: angle of arrival eotd: enhanced observed time difference 基于卫星导航系统 gps: global positioning system a-gps: assisted gps 多种技术途径 网络技术 手持终端技术 网络辅助终端技术 附加核心网基础设施 位置计算 移动位置服务器 e911 phase ii架构 pde bsc pde msc pde access tandem sn pde sn ali db sn mpc public service answering point esrk & voice esrk & voice esrk callback #, long., lat. esrk callback #, long., lat. pde - position determining entity mpc - mobile positioning center esrk - emergency service routing key ali db - automatic location identification data base lcs架构 (3gpp) lmu cn btsbsc vlr hlr sgsn abis gs lmu location measurement unit smlc serving mobile location center gmlc gateway mobile location center a gb node b rnc iub iu ue lmu abis lmu smlc ls lb sn lh lg msc gmlc (lcs server) sn gmlc lr le lcs client lg smlc (type a) (type b) (lmu type b) lcs signaling over map lcs signaling in bssap-le lcs signaling (rrlp) over rr-rrc/bssap lcs signaling (llp) over rr/bssap lcs signaling over ranap 3g-324m视频业务 初始移动视频服务 利用3g数据带宽 在没有ip多媒体基础设施的情况下 docomo已经在日本部署 利用高速电路交换数据通道 64 kbps h.324视频结构 mpeg 4视频编码 amr音频编码 支持视频剪辑、视频流和实况视频会话 ms to ms ms to internet或isdn 使用网关 node b 3g-324m mobile msc utran umts core network ip network rnc iu-cs 3g-324m h.323 terminal streaming/mail media server soft switch or gate keeper h.248 or ras h.323 support for h.323 calls & streaming media multi-media gw rtp 3g-324m业务的通用技术平台 push-to-talk业务 nextel的“direct connect”服务 20-25%额外arpu 基于完全专利的iden 其他运营商非常眼红 遗留问题 “一直在线”的ip连接并非一直在线 暂停未使用的无线连接 重建需要2-3秒 push-to-talk是半双工服务 可以忍受不太长的时延 sprint宣布提供push-to-talk服务 通过cdma2000 1xrtt网络 voip 在不具备qos的情况下 all ip 业务 ip multimedia subsystem (ims) 3gpp multi-media domain (mmd) 3gpp2 通过ip实现具有qos保证的 话音和视频服务 废弃电路交换话音设备 以融合两种独立核心网络架 构为目标 ims/mmd服务 presence location instant messaging (voice+video) conferencing media streaming/ annoucements multi-player gaming with voice channel 3g qos 对无线接入网的新需求 业务等级 conversational streaming interactive background 可规定能力 业务处理优先级 分配/保持优先级 差错率 传输时延 数据速率 定序递送 ims概念 核心网基于internet概念 独立于电路交换网络 信令和承载业务以分组交换传送 利用现有无线基础设施 utran 3g (w-cdma) radio network geran gsm evolved radio network 使用进化的手持终端 ims架构 ps ue sg