作者：曾菊玲
出版社：电子工业出版社
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蜂窝移动通信网络规划与优化试读：
前言
一个万物相连的伟大时代正在出现。在物联网时代，如何为用户提供随时随地可用的、可靠的无线网络是通信网要解决的首要问题，蜂窝移动通信具有高效、快捷、便利、可靠等特点，必然成为无线接入的首选方式，也必然成为这个时代的基石。
在蜂窝网络的建设和维护中，存在以下问题：一方面，用户业务量需求和业务种类需求快速增长，网络建设必须充分满足用户需求，使用户满意度最高；另一方面，蜂窝移动通信技术快速发展，网络建设需要考虑如何恰当地使用这些技术来提高系统的有效性和可靠性，最终提高用户满意度；最后，移动通信的信道是开放的、时变的，有各种衰落和损耗，网络建设需要采取多种措施克服这些因素的干扰，提高系统性能，同时，网络规模和网络设施性能及布置也会影响网络容量，影响用户满意度，总之，用户满意度、网络性能和网络建设维护成本之间存在矛盾，需要合理规划和优化。无线网络规划和优化不仅需要系统外知识，也需要系统内知识，不仅需要工程实践经验，也需要扎实的理论基础，需要掌握系统知识的工程技术员和科研人员，因此，无线网络规划和优化课程应运而生。
所谓的无线网络规划，是在建网之前，根据蜂窝移动网络的特性及需求，设定相应的工程参数和无线资源参数，在满足一定的信号覆盖、系统容量和业务质量要求的前提下，使建网工程及成本降到最低，因此，它包含两方面的内容：一是如何保证通信质量；二是如何降低建网成本。所谓的无线网络优化，是在建网之后，通过对已运行的移动通信网络进行业务数据分析、测试数据采集、参数分析、硬件检查等手段，找出影响网络质量的原因，通过参数的修改、网络结构的调整、设备配置的调整和采取某些技术手段，确保系统高质量运行，并且使现有网络资源获得最佳效益，以最经济的投入获得最大的收益。
但是，无线网络规划和优化课程目前在高校开设还不普及（尤其是在本科生中），也没有太多的合适教材。目前的教材大致分为两类，一类是为工程技术人员所写，包含大量的现场施工经验和技术常识，但也存在理论基础不完善、知识没有系统化、不便于本科生学习的缺点，另一类是研究生教材，主要讲述通信新技术与新型组网技术，为培养高级研发人员准备，理论基础要求太高，本科生难以适应。本书试图弥补二者缺陷，针对本科生特点，安排了一些数学基础和专业基础理论，比如，比较详细地介绍通信网络架构、电波传播模型、天线理论、业务量模型等，同时，也注重结合工程实际，比如，给出一些具体标准、工程参数与示例，另外，也引入了一些新技术，比如，频率规划新技术等，教学目的主要放在系统外部规划上，在习题的安排上，除了一些加强基础知识的习题外，还有一些系统设计的综合题，以及关于新技术应用的研讨题。本书每一章的开始都安排了本章导读，力图帮助读者理解本章内容各部分之间的关系，以及和蜂窝网络规划、优化的关系，加强知识的系统性。另外，根据通信网络的发展趋势，本书仅针对蜂窝通信的规划与优化。
本书系统地阐述蜂窝移动通信网络规划与优化的基本原理与技术，全书共8章，分别为蜂窝移动通信网络架构及标准、无线网络规划概述、移动通信电波传播模型及校正、天线及规划、蜂窝小区初始规划、业务估算与小区容量规划、小区覆盖规划和链路预算、频率规划与干扰控制。前4章是基础，后4章从不同侧面讲述规划的原理与技术。
本书可作为高等学校通信工程、物联网工程、网络工程等专业的高年级本科生及研究生相关课程的教材，也可供相关领域的工程技术人员学习、参考。
本教材得到了国家重点研发计划（2016YFB0800403）、湖北省自然科学基金创新群体项目（No. 2015CFA025）的支持。
为适应教学模式、教学方法和手段的改革，本书提供配套电子课件，请登录华信教育资源网（http://www.hxedu.com.cn）注册下载，也可联系本书编辑（wangxq@phei.com.cn）索取。
由于作者水平和经验有限，书中难免出现不妥之处，敬请读者批评指正。作 者2017年1月第1章 蜂窝移动通信网络架构及标准本章导读
蜂窝移动通信是20世纪人类最伟大的科技成果之一。1946年，移动通信的先驱者AT＆T推出了第一个移动电话，开辟了通信领域一个崭新的发展空间。然而，移动通信真正走向商用，还应从蜂窝移动通信的出现算起。蜂窝移动通信一经推出，便得到了飞速发展，从20世纪70年代末推出第一代蜂窝移动通信至今，短短30多年的时间，蜂窝移动通信已经走过了4代历程，目前正在向第5代迈进，未来5G标准对物联网的支持，必将把人类社会带入一个高度智能化的社会。蜂窝移动通信已成为主要的无线接入方式。
蜂窝移动通信的主要特点是频率复用及基于小区制的蜂窝无线组网方式。通过频率复用，从技术上解决了频率资源有限、用户容量受限、无线电波传输干扰等问题，通过包含基站子系统和移动交换子系统等设备的网络结构，以无线通道连接终端和网络设备，支持用户在移动中通信，并具有越区切换和跨本地网自动漫游功能，使得用户在信号覆盖范围内随时随地进行通信成为可能，提供了容纳众多用户和提供话音、数据、视频图像等业务的公众移动通信，极大地方便了人们的生活。随着技术的进步，其传输方式、组网方式、网络架构的不断改进，使网络容量、业务种类及质量、移动性支持不断得到提高，蜂窝移动通信得到越来越广泛的应用。
在移动通信的发展过程中，通信标准起到了决定性作用。蜂窝移动通信标准是由各标准化组织提出、国际电联（ITU）接纳的蜂窝移动通信各个发展时期的技术规范总和，一般包括网络架构、传输技术、组网及核心网技术，以及相应的控制规程和信令等，指导移动通信的研发、产业及建网。协议标准及其实现技术决定了蜂窝移动网络性能，也决定了建网成本，因此，了解通信标准的发展变化、掌握各代标准的网络架构及技术，是蜂窝移动网络规划与优化的基础。
网络架构决定了网络组成、通信功能划分及相应的控制规程，是通信协议标准的基础。
本章从蜂窝移动通信网络体系结构入手，首先介绍通信网的一般组成、2G/3G/4G网络架构及其比较，接着介绍通信网络协议结构，然后介绍移动通信不同发展阶段的标准及其相应的网络架构和组成，主要包括GSM、3G、4G及未来5G标准，最后介绍蜂窝移动通信标准，包括AMPS/GSM/IS-95/WCDMA/CDMA-2000/TD-SCDMA/HSDPA/HSUPA/LTE/LTE-A/5G等。
本章要求在理解接入网、核心网一般概念的基础上，着重掌握2G/3G/4G网络架构及组成，了解未来网络架构趋势，了解移动通信不同发展阶段的标准及主要技术，了解移动通信发展的未来趋势。1.1 蜂窝移动通信网络体系结构
将一个用户的信息送到另一个用户的全部设施通常称为一个通信系统，以蜂窝移动系统传送用户信息的称为蜂窝移动通信系统，通信网络则可视为通信系统的系统，包含所有的通信设备和通信规程，因此，通信网络体系结构不仅包含设备组成及其接口定义，还包含功能划分、协议分层等内容，本节介绍蜂窝移动通信网络的组成及协议模型。1.1.1 通信网组成
传统通信网络由传输、交换、终端三部分组成，其中，传输与交换构成通信网络，传输部分为网络的链路，交换部分为网络的节点，随着通信的发展，形成了复杂的通信网络体系，为了更清晰地描述现代通信网络结构，采用网络分层概念。从纵向分层的观点来看，可以采用计算机网络的开放系统互联七层模型，但在通信网中，一般采用应用层、业务网、传送网的概念。水平描述则是基于用户接入网络实际的物理连接来划分的，可分为用户住地网、接入网和核心网，或局域网、城域网和广域网。
核心网是将业务提供者与接入网，或者将接入网与其他接入网连接在一起的网络，通常指除接入网和用户住地网之外的网络部分。例如，可以把移动网络划分为三个部分，基站子系统、网络子系统和系统支撑部分（比如，安全管理）。核心网部分就是网络子系统，主要作用是把A口上来的呼叫请求或数据请求，接续到不同的网络上，主要涉及呼叫接续及计费、移动性管理、补充业务实现、智能触发等方面，主体支撑在交换机。
按照ITU-T G.902的定义，接入网（AN）是将用户设备连接到核心网的网络，由业务节点接口（Service Node Interface，SNI）和相关用户网络接口（User Network Interface，UNI）之间的一系列传送实体（诸如线路设施和传输设施）所组成，它是一个为传送电信业务提供所需传送承载能力的实施系统，如图1-1所示。图1-1 接入网定义
接入网所覆盖的范围可由三个接口来定界：用户网络接口UNI，业务节点接口SNI，管理接口Q3。其中，业务节点（Service Node，SN）是提供业务的实体，可提供规定业务的业务节点有本地交换机、租用线业务节点或特定配置的点播电视和广播电视业务节点等。业务节点接口（SNI）是接入网（AN）和业务节点（SN）之间的接口，是SN通过AN向用户提供电信业务的接口，包括特定业务的业务接口和模块化业务接口；用户网络接口（UNI）是用户和网络之间的接口，UNI分为单个UNI和共享UNI，如：PSTN、ISDN（单UNI），ATM（共享UNI）；Q3管理接口是接入网与电信管理网（Telecommunications Management Network，TMN）间的接口，进行配置管理、故障管理、性能管理、安全管理，可分为及时管理和非及时管理。
根据接入网框架和体制的要求，接入网的重要特征可以归纳为如下几点。（1）接入网对于所接入的业务提供承载能力，实现业务的透明传送。（2）接入网对用户信令是透明的，除了一些用户信令格式转换外，信令和业务处理的功能依然在业务节点中。（3）接入网的引入不应影响现有的各种接入类型和业务，接入网与用户间的UNI接口应该能够支持目前网络所能提供的各种接入类型和业务，并能适应新的业务和接入类型，接入网应通过有限的标准化接口与业务节点相连。（4）接入网有独立于业务节点的网络管理系统，该系统通过标准化的接口连接TMN，TMN实施对接入网的操作、维护和管理。
接入网的关联方法：一个AN可与多个SN相连，UNI与SN的关联静态，即通过与相关SN的协调指配功能完成。1.1.2 2G/3G/4G网络结构比较
蜂窝移动通信网络是移动用户与核心网之间的接入网，本身又可分为接入和核心两部分，其发展已经经历了2G/3G/4G，正在迈向5G，弄清楚各代网络架构及其发展变化，对于蜂窝网络规划与优化极其重要。
1．GSM网络结构
GSM移动蜂窝网络可以划分为三部分：基站子系统、网络子系统和系统支撑部分（比如安全管理等）。其网络子系统位于核心网部分，基站子系统即为接入网，A口为核心网与接入网的接口，主要作用是把A口上来的呼叫请求或数据请求，接续到不同的网络上。GSM网络结构如图1-2所示。图1-2 GSM网络结构
主要设备功能简介如下。
1）移动台（MS）
移动台通过无线接口Um接入GSM系统，通过用户识别模块（SIM），亦称SIM卡，提供与使用者之间的接口，具有无线传输与处理功能。
2）基站子系统（BSS）
基站子系统主要由基站收发信机（BTS）和基站控制器（BSC）构成，BTS可以直接与BSC相连接，也可以通过基站接口设备（BIE）采用远端控制的连接方式与BSC相连接。此外，基站子系统为了适应无线与有线系统使用不同传输速率进行传输，在BSC与MSC之间增加了码变换器及相应的复用设备。GSM系统的基站子系统（BSS）通过无线接口Um与移动台相接，进行无线发送、接收及无线资源管理。另一方面，基站子系统通过接口A与网络子系统（NSS）中的移动交换中心（MSC）相连，实现移动用户与固定网络用户之间或移动用户之间的通信连接。
3）网络子系统（NSS）（1）移动交换中心（MSC）。移动交换中心（MSC）是网络的核心，面向下列功能实体提供交换功能：基站子系统、原籍位置寄存器、鉴权中心、移动设备识别寄存器、操作维护中心和固定网（公用电话网、综合业务数字网等）。从而把移动用户与固定网用户、移动用户与移动用户之间互相连接起来，从三种数据库（原籍用户位置寄存器、访问用户位置寄存器和鉴权中心）获取有关处理用户位置登记和呼叫请求等所需的全部数据，支持位置登记和更新、过区切换和漫游服务等多项功能。（2）原籍用户位置寄存器，简称HLR，GSM系统的中央数据库，存储该HLR管辖区的所有移动用户的有关数据。其中，静态数据有移动用户码、访问能力、用户类别和补充业务等。此外，HLR还暂存移动用户漫游时的有关动态信息数据。（3）访问用户位置寄存器，简称VLR，存储进入其控制区域内来访移动用户的有关数据，这些数据是从该移动用户的原籍位置寄存器获取并进行暂存的，一旦移动用户离开该VLR的控制区域，临时存储的该移动用户的数据就会被消除。VLR可视为一个动态用户的数据库。（4）鉴权中心。GSM系统采取了特别的通信安全措施，包括对移动用户鉴权，对无线链路上的话音、数据和信令信息进行保密等。因此，鉴权中心存储着鉴权信息和加密密钥，用来防止无权用户接入系统和保证无线通信安全。（5）移动设备识别寄存器。移动设备识别寄存器（EIR）存储着移动设备的国际移动设备识别码（IMEI），通过核查白色、黑色和灰色三种清单，运营部门就可判断出移动设备是属于准许使用的，还是失窃而不准使用的，还是由于技术故障或误操作而危及网络正常运行的MS设备，以确保网络内所使用的移动设备的唯一性和安全性。（6）操作与维护中心。网络操作与维护中心（OMC）负责对全网进行监控与操作。例如，系统的自检、报警与备用设备的激活，系统的故障诊断与处理，话务量的统计和计费数据的记录与传递，以及与网络参数有关的各种参数的收集、分析与显示等。
4）网络接口（1）主要接口。GSM系统的主要接口是指A接口、Abis接口和Um接口。这三种主要接口的定义和标准化可保证不同厂家生产的移动台、基站子系统和网络子系统设备能够纳入同一个GSM移动通信网中运行和使用。
A接口。A接口定义为网络子系统（NSS）与基站子系统（BSS）之间的通信接口。从系统的功能实体而言，就是移动交换中心（MSC）与基站控制器（BSC）之间的互连接口，其物理连接是通过采用标准的2.048Mbps PCM数字传输链路来实现的。此接口传送的信息包括对移动台及基站管理、移动性及呼叫接续管理等。
Abis接口。Abis接口定义为基站子系统的基站控制器（BSC）与基站收发信机两个功能实体之间的通信接口，用于BTS（不与BSC放在一处）与BSC之间的远端互连方式，它是通过采用标准的2.048Mbps或64kbps PCM数字传输链路来实现的。此接口支持所有向用户提供的服务，并支持对BTS无线设备的控制和无线频率的分配。
Um接口（空中接口）。Um接口定义为移动台（MS）与基站收发信机（BTS）之间的无线通信接口，它是GSM系统中最重要、最复杂的接口。（2）网络子系统内部接口：包括B、C、D、E、F、G接口。
B接口。B接口定义为移动交换中心（MSC）与访问用户位置寄存器（VLR）之间的内部接口。用于MSC向VLR询问有关移动台（MS）当前位置信息或者通知VLR有关MS的位置更新信息等。
C接口。C接口定义为MSC与HLR之间的接口，用于传递路由选择和管理信息。两者之间是采用标准的2.048 Mbps PCM数字传输链路实现的。
D接口。D接口定义为HLR与VLR之间的接口，用于交换移动台位置和用户管理的信息，保证移动台在整个服务区内能建立和接受呼叫。由于VLR综合于MSC中，因此D接口的物理链路与C接口相同。
E接口。E接口为相邻区域的不同移动交换中心之间的接口。用于移动台从一个MSC控制区到另一个MSC控制区时交换有关信息，以完成越区切换。此接口的物理链接方式是采用标准的2.048Mbps PCM数字传输链路实现的。
F接口。F接口定义为MSC与移动设备识别寄存器（EIR）之间的接口，用于交换相关的管理信息。此接口的物理链接方式也是采用标准的2.048Mbps PCM数字传输链路实现的。
G接口。G接口定义为两个VLR之间的接口。当采用临时移动用户识别码（TMSI）时，此接口用于向分配TMSI的VLR询问此移动用户的国际移动用户识别码（IMSI）的信息。G接口的物理链接方式与E接口相同。（3）GSM系统与其他公用电话网接口。GSM系统通过MSC与公用电信网互连。一般采用7号信令系统接口。其物理链接方式是MSC与 PSTN或ISDN交换机之间采用2.048Mbps的PCM数字传输链路实现的。
2．3G网络架构
3G网络架构如图1-3所示。图1-3 3G网络架构
1）核心网
3G网络包括核心网和接入网两部分，与GSM的核心网不同的是，核心网（CN）包括支持网络特征和通信服务的物理实体，提供的基本通信业务为电路交换呼叫的交换和分组数据的路由，此外还有增值业务，因此核心网部分从逻辑上分为电路交换（CS）域和分组交换（PS）域，提供包括用户位置信息管理、网络特征、服务控制、信令和用户信息的交换传输机制等功能。
CS域包括以下实体。（1）移动交换中心（MSC）。MSC构成了无线系统和固定网络之间的接口，执行处理电路交换业务的所有必要的功能，通常一个MSC和多个基站接口。MSC和固定网中交换机的区别在于，MSC还需要考虑无线资源分配的影响及用户移动性、执行位置登记和切换时的处理过程。MSC/VLR功能单元负责电路交换连接管理、移动性管理（MM），如地址更新、地址登记、呼叫和安全事务等功能。（2）网关移动交换中心（GMSC）。GMSC功能单元负责和其他网络的输入/输出连接。在连接管理中，GMSC和服务MSC/VLR建立了一个呼叫路径，通过这种方式寻找呼叫用户。（3）互通功能（IWF）。IWF是和MSC关联的功能实体。IWF提供了PLMN和固定网（ISDN、PSTN、PDN等）之间互通的必要功能，其功能取决于不同的业务和固定网的类型。IWF要求将PLMN中使用的协议转换为特定固定网使用的协议，当PLMN中使用的业务实现和固定网兼容时，IWF则不需要工作。
PS域包括以下实体。（1）服务GPRS支持节点（SGSN）。SGSN节点支持通向接入网的分组通信，在GSM BSS中，接口是Gb；在UTRAN中，接口则是Iu。SGSN主要负责MM（移动性管理）相关事务，如路由区域更新、地址登记、分组寻呼和控制分组通信的安全机制等，即SGSN主要执行分组数据的路由和转发，负责跟踪登记移动台的位置信息，具有网络接入控制、用户数据管理及计费、网络管理等功能。SGSN中的本地登记功能存储了两类处理发起和终止的分组数据传输用户数据：①用户信息，包括IMSI、临时识别号和PDP地址；②位置信息，包括MS登记的路由区域（取决于MS的操作模式），相关VLR的序号，以及存在相关的激活PDP上、下文的每个GGSN的地址。（2）网关GPRS支持节点（GGSN）。GGSN主要完成移动性管理、路由选择和转发等功能，提供GPRS PLMN与外部分组数据网的接口，完成不同网络之间数据格式、信令协议和地址信息的转换，并提供必要的网间安全机制（如防火墙）。GGSN的位置登记功能存储了来自HLR和SGSN的两类用户数据：①用户信息，包括IMSI（国际移动用户识别码）和PDP地址（用户网络层地址）；②位置信息，包括MS登记的SGSN地址。
两者的公共实体主要包括以下部分。（1）归属位置寄存器（HLR）。HLR负责管理移动用户的数据库，用于存储管理归属移动用户的信息，包括用户的签约信息、用于计费和路由呼叫所需的位置信息等。（2）拜访位置寄存器（VLR）。VLR负责用户的位置登记和位置信息的更新，存储位于管辖区内的移动用户信息。该数据库含有一些用户的临时信息（保留在其服务区内用户的数据），如手机鉴权、当前所处的小区（或小区组）等信息。（3）鉴权中心（AuC）。AuC负责存储移动用户用于鉴权和在空中接口加密时所需的数据，防止非法用户接入系统，并保证通过无线接口的用户数据安全。（4）设备标识寄存器（EIR）。EIR是负责国际移动设备标识（IMEI）的数据库，完成对移动设备的鉴别和监视，并拒绝非法移动台接入网络。（5）短信服务网关MSC（SMS-GMSC）。SMS-GMSC作为短消息业务中心和PLMN之间的接口，使得短消息能够从业务中心（SC）传送到移动台（MS）。（6）短信服务互连MSC（SMS-IMSC）。SMS-IMSC作为PLMN和短消息业务中心之间的接口，使得短消息能够从移动台传送到业务中心。
2）3G网络与GSM网络在接入部分的区别
前者采用无线接入网RAN，后者采用基站子系统。3G网络的接入网将在1.1.3节详细介绍。
3．4G网络架构：将改RAN为CAN结构
整个LTE网络从接入网和核心网方面分为E-UTRAN和EPC。首先，接入网方面，它不再包含两种功能实体，整个网络只有一种基站eNodeB，它包含整个NodeB和部分RNC的功能；其次，EPC（Evolved Packet Core）方面，它对之前的网络结构能够保持前向兼容，而自身结构方面，也不再有之前各种实体部分，取而代之的主要就换成了移动管理实体MME（Mobile Management Entity）与服务网关S-GW，分组数据网关，外部网络只接入IP网。
LTE网络结构如图1-4所示。图1-4 LTE网络结构1.1.3 3G无线接入网结构及设备
以3G UMTS系统的接入网为例，UMTS系统按照功能可分为两个基本域，用户设备域（User Equipment Domain）和基本架构域（Infrastructure Domain），如图1-5所示。用户设备域进一步划分为用户业务识别模块（USIM）域和移动设备（ME）域；基本架构域进一步划分为接入网（RAN）域和核心网（CN）域。总体来讲，UMTS系统由用户设备（UE）域、接入网（RAN）域和核心网（CN）域组成。图1-5 3G UMTS网络组成
UMTS的无线接入网（UTRAN）由无线网络子系统（RNS）组成，这些RNS通过Iu接口和核心网相连，通过Uu接口与用户设备域相连，如图1-6所示。一个RNS包括一个无线网络控制器（RNC）和一个或多个Node B，Node B通过Iub接口和RNC相连，可支持FDD、TDD模式或双模式，RNC负责UE的切换控制，提供支持不同Node B间宏分集信息流的组合/分裂等功能，RNS之间的RNC通过Iur接口相连，Iur接口可以通过RNC 之间的物理连接直接相连，也可以通过任何合适的传输网络相连。图1-6 3G UMTS接入网组成
1．用户设备/移动台
UE是蜂窝移动通信网中用户使用的设备，是用户能够直接接触的蜂窝通信系统中的唯一设备，包括手持机、车载台和便携式台。UE通过无线接口提供接入蜂窝移动通信系统的无线处理功能，还提供与使用者之间的接口，比如话筒、扬声器、显示屏和按键，或者提供与其他一些终端设备之间的接口，比如与个人计算机或传真机之间的接口，或同时提供这两种接口。根据应用与服务情况，UE可以是单独的移动终端（MT）或者是直接与终端设备（TE）相连接的移动终端（MT），或者是通过相关终端适配器（TA）与终端设备（TE）相连接的移动终端（MT），如图1-7所示。图1-7 用户设备类型
2．基站（Node B）（1）基本功能：基站（Node B，也称为Base Station，简称BS）位于Uu接口和UMTS的Iub接口之间。对于用户终端而言，Node B的主要任务是实现Uu接口的物理功能，通过Uu接口，Node B可以实现WCDMA无线接入物理信道的功能，并且能把来自传输信道的信息根据RNC的安排映射到物理信道；而对于网络端而言，Node B的主要任务是通过使用为各种接口定义的协议栈来实现Iub接口的功能。（2）结构及工作机制：基站的主要作用是实现逻辑信道与物理信道之间的映射。基站的逻辑信道如图1-8所示，分为控制信道和业务信道，其中广播控制信道用以移动台的日常管理和通信常数的广播，公共控制信道是一种“一点对多点”的双向控制信道，其用途是在呼叫接续阶段，传输链路连接所需要的控制信令与信息，专用控制信道是基站与移动台间的点对点的双向信道，用以控制用户的通信过程。业务信道是用户站和基站之间的通信通路，用于用户业务和信令信号传输，业务信道实际上包括成对的前向业务信道和反向业务信道，一个通信的发起一般从公众信道开始，再转入专用信道，最后在业务信道上实现。从网络端来看，在Iub端，Node B分成两个逻辑实体：公共传输信道和业务结束点，如图1-9所示。公共传输信道实体中还包含一个基站控制器，用于操作和维护；业务结束点由基站通信内容决定，基站通信内容由所有的专用资源提请要求形成，这些要求是由处于专用模式的UE发起的，一个基站通信内容中至少包含一个通信专用信道，特殊情况只包含一个下行共享信道。基站由几个称之为小区的逻辑实体构成，每个小区都有自己的ID，并且对用户公共可见，通过广播信道发送给用户，一个小区至少包含一个TRX，按照一定的规则，TRX将从Iub口来的数据发射到无线信道和实际环境中。图1-8 逻辑信道示例图1-9 基站工作原理
3．无线网络控制器（1）无线网络控制器（Radio Network Controller，RNC）是UTRAN的交换和控制元素，RNC位于Iub和Iu接口之间，它也可能会有第三个接口Iur，主要用于RNS间的连接。RNC的实现也是非常独立的，但是也有一些公共特性，如图1-10所示。图1-10 无线网络控制器结构（2）RNC可分为CRNC、SRNC、DRNC，其中，CRNC控制NodeB（如终止通向NodeB方向的Iub接口）的RNC，CRNC管理所属小区的负载和拥塞控制，还为所属小区待建的无线新连接进行接纳控制和码字分配。SRNC负责启动、终止用户的数据传输、控制和核心网的Iu连接及通过无线接口协议与UE信令交互，DRNC控制UE使用的小区资源，可进行宏分集合并、分裂。（3）RNC的整个功能可以分为两部分：UTRAN无线资源管理（Radio Resource Management，RRM）和控制功能。UTRAN RRM是一系列算法的集合，主要用于保持无线传播的稳定性和无线连接的QoS，包括接入控制（AC）、切换（HO）、负载控制（LC）、功率控制（PC）和动态信道分配（DCA）等。UTRAN控制功能包含所有和RB建立、保持和释放相关的功能，这些功能能够支持RRM算法。1.2 通信网络协议结构
1．OSI协议结构模型
OSI（Open System Interconnect），即开放式系统互联，一般都称为OSI参考模型，是ISO（国际标准化组织）在1985年研究的网络互联模型。该体系结构标准定义了网络互连的七层框架（物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层），即ISO开放系统互连参考模型。在这一框架下进一步详细规定了每一层的功能，以实现开放系统环境中的互联性、互操作性和应用的可移植性。
开放系统OSI标准将整个庞大而复杂的问题划分为若干容易处理的小问题，即分层，每个层次完成一定的通信功能。在OSI中，采用了三级抽象，即体系结构、服务定义和协议规定说明。所谓体系结构，即OSI参考模型定义了开放系统的层次结构、层次之间的相互关系及各层所包含的可能的服务。它是作为一个框架来协调和组织各层协议的制定，也是对网络内部结构最精练的概括与描述。OSI的服务定义详细说明了各层所提供的服务。某一层的服务就是该层及其下各层的一种能力，它通过接口提供给更高一层。各层所提供的服务与这些服务是怎么实现的无关。同时，各种服务定义还定义了层与层之间的接口和各层的所使用的原语，但是不涉及接口是怎么实现的。OSI标准中的各种协议精确定义了应当发送什么样的控制信息，以及应当用什么样的过程来解释这个控制信息。协议的规程说明具有最严格的约束。
ISO/OSI参考模型只是描述了一些概念，用来协调进程间通信标准的制定，并没有提供一个可以实现的方法。在OSI范围内，只有在各种协议可以被实现并且各产品只有和OSI的协议相一致才能互联，准确地说，OSI参考模型并不是一个标准，而只是一个在制定标准时所使用的概念性的框架。
ISO将整个通信功能划分为七个层次，划分原则是对等、开放、互联：（1）网路中各节点都有相同的层次；（2）不同节点的同等层具有相同的功能；（3）同一节点内相邻层之间通过接口通信；（4）每一层使用下层提供的服务，并向其上层提供服务；（5）不同节点的同等层按照协议实现对等层之间的通信。
OSI协议模型的分层结构：应用层，通过软件应用实现网络与用户的直接对话；表示层：代码及代码转换；会话层，在网络实体间建立、管理及终止通信服务请求和响应会话；传输层，提供端到端的可靠传输；网络层，选择路由，传输IP分组；数据链路层，控制媒体接入、差错控制、传输数据帧；物理层：定义物理链路的电气和机械性能，传输物理比特。OSI协议模型如图1-11所示。图1-11 OSI协议模型
2．通信协议结构模型
从纵向分层的观点来看，通信协议具有与OSI协议结构类似的层次模型，可以采用计算机网络的开放系统互联七层模型，但通信网络提供面向连接、有质量保证的移动业务，一般采用应用层、业务网、传送网的概念，但随着移动通信的发展，物理层和数据链路层的研究越来越重要，因此，在蜂窝移动网络中，接入网与核心网协议结构层次不完全相同，核心网协议通常包括：上层——IP；底层——移动通信协议。接入网协议包括：上层——移动应用协议、IP；底层——移动通信协议。移动通信协议包含物理层通信协议及MAC层协议，例如，GSM无线信令接口为三层协议：物理层协议、TDMA 及数据链路层LAPDm，第三层（管理子层）包括RM/MM/CM。1.3 蜂窝移动通信标准概述1.3.1 蜂窝移动通信主要标准化组织
在制定移动通信技术规范的过程中起重要作用的标准化组织主要包括以下几个。
1．ITU（国际电信联盟，International Telecommunication Union）
ITU总部位于瑞士日内瓦，是联合国的一个重要专门机构，也是联合国机构中历史最长的一个国际组织，简称“国际电联”、“电联”或“ITU”，主管联合国信息通信技术事务，负责分配和管理全球无线电频谱与卫星轨道资源，制定全球电信标准，向发展中国家提供电信援助，促进全球电信发展。国际电联通过其麾下的无线电通信、标准化开展电信展览活动，是信息社会世界高峰会议的主办机构。
ITU的组织结构主要分为电信标准化部门（ITU-T）、无线电通信部门（ITU-R）和电信发展部门（ITU-D）。ITU每年召开1次理事会，每4年召开1次全权代表大会、世界电信标准大会和世界电信发展大会，每2年召开1次世界无线电通信大会。各主要部门简介如下。（1）电信标准化部门（ITU-T）
目前电信标准化部门主要活动的有10个研究组。
SG2：业务提供和电信管理的运营问题；
SG3：包括相关电信经济和政策问题在内的资费及结算原则；
SG5：环境和气候变化；
SG9：电视和声音传输及综合宽带有线网络；
SG11：信令要求、协议和测试规范；
SG12：性能、服务质量（QoS）和体验质量（QoE）；
SG13：包括移动和下一代网络（NGN）在内的未来网络；
SG15：光传输网络及接入网基础设施；
SG16：多媒体编码、系统和应用；
SG17：安全。（2）无线电通信部门（ITU-R）
目前无线电通信部门主要活动的有6个研究组。
SG1：频谱管理；
SG3：无线电波传播；
SG4：卫星业务；
SG5：地面业务；
SG6：广播业务；
SG7：科学业务。（3）电信发展部门（ITU-D）
电信发展部门由原来的电信发展局（BDT）和电信发展中心（CDT）合并而成。其职责是鼓励发展中国家参与电联的研究工作，组织召开技术研讨会，使发展中国家了解电联的工作，尽快应用电联的研究成果；鼓励国际合作，为发展中国家提供技术援助，在发展中国家建设和完善通信网，目前ITU-D设立了两个研究组，分别为：SG1——电信发展政策和策略研究；SG2——电信业务、网络和ICT应用的发展和管理。
2．ETSI（欧洲电信标准化协会，European TeIecommunications Standards Institute）
ETSI是由欧共体委员会1988年批准建立的一个非营利性的电信标准化组织，总部设在法国南部的尼斯。ETSI的标准化领域主要是电信业，并涉及与其他组织合作的信息及广播技术领域。ETSI作为一个被CEN（欧洲标准化协会）和CEPT（欧洲邮电主管部门会议）认可的电信标准协会，其制定的推荐性标准常被欧共体作为欧洲法规的技术基础而采用并被要求执行。
主要领域有：
3rd Generation Mobile（第三代移动通信）；
ATM（异步传输模式，Asynchronous Transfer Mode）；
GSM（全球移动通信系统，Global System for Mobile communication）；
HIPERLAN1（高性能无线局域网1，High Performance Radio LAN）；
HIPERLAN2（高性能无线局域网2，High Performance Radio LAN）；
VoIP（互联网语音，Voice over Internet Protocol）；
VPN（虚拟专用网络）；
xDSL（数字用户线，Digital Subscriber Line）。
ETSI目前也是5G标准的重要开发者之一。
3．3GPP（第三代伙伴计划协议，3rd Generation Partnership Project）
3GPP成立于1998年12月，多个电信标准组织伙伴签署了“第三代伙伴计划协议”。目前欧洲ETSI、美国TIA、日本TTC、ARIB、韩国TTA及我国CCSA作为3GPP的6个组织伙伴（OP）。目前独立成员有300多家，此外，3GPP还有TD-SCDMA产业联盟（TDIA）、TD-SCDMA论坛、CDMA发展组织（CDG）等13个市场伙伴（MRP）。3GPP最初的工作范围是为第三代移动通信系统制定全球适用技术规范和技术报告，实现由2G网络到3G网络的平滑过渡，保证未来技术的后向兼容性，支持轻松建网及系统间的漫游和兼容性，制订以GSM核心网为基础，UTRA（FDD为W-CDMA技术，TDD为TD-CDMA技术）为无线接口的第三代技术规范。目前增加了对UTRA长期演进系统的研究和标准制定。
3GPP制定的标准规范以Release作为版本进行管理，平均一到两年就会完成一个版本的制定，从建立之初的R99到之后的R4，目前已经发展到R10。3GPP也是LTE及LTE_ADVANCED的主创，目前是5G标准的主要参与者。
4．3GPP2（第三代伙伴计划协议2，3rd Generation Partnership Project 2）
第三代合作伙伴计划2成立于1999年1月，由美国TIA、日本的ARIB、日本的TTC、韩国的TTA四个标准化组织发起，中国无线通信标准研究组（CWTS）于1999年6月在韩国正式签字加入3GPP2。3GPP2声称其致力于使ITU的 IMT-2000计划中的（3G）移动电话系统规范在全球的发展，实际上它是从2G的CDMA One或IS-95发展而来的CDMA2000标准体系的标准化机构，受到拥有多项CDMA关键技术专利的高通公司的较多支持。与之对应的3GPP致力于从GSM向WCDMA（UMTS）过渡，因此两个机构存在一定竞争。
3GPP2主要工作是制订以ANSI-41核心网为基础，cdma2000为无线接口的移动通信技术规范。
5．IETF（国际互联网工程任务组，The Internet Engineering Task Force）
公开性质的大型民间国际团体。汇集了与互联网架构和互联网顺利运作相关的网络设计者、运营者、投资人和研究人员，并欢迎所有对此行业感兴趣的人士参与，3G核心网中使用了大量IETF协议，如IPV6（Internet Protocol Version 6）/AAA（Authentication、Authorization、Accounting）/SIP（Session Initiation Protocol，会话初始协议）等。1.3.2 蜂窝移动通信主要标准
1．第一代蜂窝移动通信AMPS
第一代蜂窝移动通信于20世纪70年代末由贝尔实验室开发完成，其传输的无线信号为模拟信号，采用频分多址即FDMA方式接入，仅能提供语音业务，被称为模拟通信系统，也称为第一代移动通信系统（1G）。典型代表有美国的AMPS（主要技术指标见表1-1）和欧洲的TACS等，这也是我国建设移动通信系统初期引入的两类主要系统。模拟系统存在频谱效率低、网络容量有限、保密性差等缺陷，仅能提供语音通信业务，无法满足人们的需求。表1-1 AMPS的主要技术指标
2．第二代移动通信标准GSM及IS-95
随着移动通信市场的大发展，对移动通信技术提出了更高的要求，20世纪90年代初期，人们开发出了基于数字通信的移动通信系统，即所谓的数字蜂窝移动通信系统，也称为第二代移动通信系统（2G）。最有代表性的2G系统是欧洲的GSM系统和美国的基于N-CDMA的IS-95系统。
GSM系统空中接口的主要技术指标如表1-2所示，由于采用了高效调制器、信道编码、交织、均衡和语音编码技术，系统具有高频谱效率。由于每个信道传输带宽增加，使同频复用载干比要求降低至9dB，故GSM系统的同频复用模式可以缩小到4/12或3/9甚至更小（模拟系统为7/21）；加上半速率话音编码的引入和自动话务分配以减少越区切换的次数，使GSM系统的容量效率（每兆赫每小区的信道数）比TACS系统高3～5倍。表1-2 GSM及IS-95的主要技术指标
GSM系统主要由移动台（MS）、移动网子系统（NSS）、基站子系统（BSS）和操作支持子系统（OSS）四部分组成。GSM标准所提供的开放性接口，不仅限于空中接口，而且包括网络之间及网络中各设备实体之间，如A接口和Abis接口。GSM通过鉴权、加密和TMSI号码的使用，达到安全的目的。鉴权用来验证用户的入网权利。GSM能够与ISDN、PSTN等互连，与其他网络的互连通常利用现有的接口，如ISUP或TUP等。GSM系统可在SIM卡基础上实现全球漫游。
IS-95系统与GSM网络结构基本相同，主要区别在空口，技术参数如表1-2所示，利用全球定位系统GPS作为时标，每载频带宽1.25MHz，码片速率为1.2288Mcps，采用卷积编码、功率控制、软切换等技术，系统容量有较大提高，并可提供软容量及可变速率业务，除语音业务外，可传输低速数据业务。
但2G系统的带宽仅能提供语音通信和少量数据通信，如短消息业务，随着人们对数据通信业务需求的日益增高，特别是Internet的发展大大推动了人们对数据业务的需求，2.5G被提了出来。2.5G基于2G系统的数据系统，即在不大量改变2G系统的条件下，适当增加一些网络和一些适合数据业务的协议，使系统可以较高效率地传送数据业务，如GPRS、CDMA2000 1X。尽管2.5G系统可以方便地传输数据业务，然而由于其空中接口的频谱效率较低及电路交换模式，没有从根本上解决无线信道传输速率低的问题。此后开发的第三代移动通信系统才能基本达到人们对快速传输数据业务的需求。
3．第三代移动通信标准WCDMA/CDMA-2000/TD-SCDMA
第三代网络在ITU被称为IMT-2000（International Mobile Telecom System-2000），在欧洲被称为UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，全球移动通信系统）。最早于1985年由国际电信联盟（ITU）提出，当时称为未来公众陆地移动通信系统（FPLMTS），1996年更名为IMT-2000，意即该系统工作在2000MHz频段，最高业务速率可达2000kbps，已在2000年左右得到商用。IMT-2000是一个全球无缝覆盖、全球漫游，包括卫星移动通信、陆地移动通信和无绳电话等蜂窝移动通信的大系统，它可以向公众提供前两代产品不能提供的各种宽带信息业务，如图像、音乐、网页浏览、视频会议等，是一种真正的“宽频多媒体全球数字移动电话技术”，并与改进的GSM网络兼容。
IMT-2000的无线传输技术基本要求：（1）室内环境至少2Mbps；（2）室外步行环境至少384kbps；（3）室外车载运动中至少144kbps；（4）传输速率能够按需分配；（5）上、下行链路适应于传输不对称业务的需要。
它分为CDMA和TDMA两大类共5种技术。其中主流技术为以下三种CDMA技术：（1）IMT-2000 CDMA-DS（IMT-2000直接扩频CDMA），即WCDMA，它是在一个宽达5M的频带内直接对信号进行扩频；（2）IMT-2000 CDMA-MC（IMT-2000 多载波CDMA），即CDMA2000，这是美国提出的技术，由多个中国IMT-2000频谱分配1.25M的窄带直接扩频系统组成的一个宽带系统；（3）IMT-2000 CDMA TDD（IMT-2000时分双工CDMA），目前包括TD-SCDMA和UTRA TDD，其中TD-SCDMA是我国提出的技术。TD-SCDMA在1.6MHz带宽上理论峰值速率可达到2.8Mbps。
3种标准的技术细节，主要是由3GPP和3GPP2两大标准组织根据ITU的建议来进一步完成的。其中，WCDMA和TD-SCDMA标准由3GPP开发和维护，CDMA2000标准由3GPP2开发和维护。这些技术都是以CDMA技术为基础的，但在网络结构和技术特点上各有差异。
1）三种标准网络架构比较
WCDMA，也就是UMTS，是目前应用最广泛、产业链最成熟的3G技术，与GSM技术之间平滑过渡且具有自身的技术优势，在较新的版本中，在空中接口引入了HSDPA、HSUPA技术，即高速上、下行分组接入技术，使下行峰值速率达到14.4Mbps，上行的峰值速率可以达到5.7Mbps，成为真正意义上的宽带，接入网中引入IP承载，从而实现全网的IP传输，称为全IP，引入了IP多媒体子系统，简称IMS。
TD-SCDMA的TD意为TDD（时分双工）。TD-SCDMA在1.6MHz带宽上理论峰值速率可达到2.8Mbps。2001年3月，TD-SCDMA被写入3GPP的 R4版本，此后跟随WCDMA的不同版本共同演进。
CDMA2000也称为CDMA Multi-Carrier，由美国高通北美公司为主导提出，摩托罗拉、Lucent和后来加入的韩国三星都有参与，韩国现在成为该标准的主导者。CDMA2000基于IS-95发展而来，可由窄带CDMA升级而来，建设成本较低。
2）WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000三种标准技术特点比较（1）TD-SCDMA制式的主要技术特点
① 信号带宽1.23MHz；码片速率1.28Mchip/s；
② 采用智能天线技术，提高频谱效率；
③ 采用同步CDMA技术，降低上行用户的干扰和保持时隙的宽度；
④ 接收机和发射机采用软件无线电技术；
⑤ 采用联合检测技术，降低多址干扰；
⑥ 多时隙CDMA＋DS-CDMA，具有上下行不对称信道分配能力，适应数据业务；采用接力切换，降低掉话率，提高切换的效率；
⑦ 语音编码：AMR与GSM兼容；核心网络基于GSM/GPRS网络的演进，并保持与GSM/GPRS网络的兼容性；
⑧ 基站间采用GPS或网络同步方法，降低基站间干扰。（2）WCDMA制式的主要技术特点
① 信号带宽5MHz；码片速率3.84Mchip/s；
② 发射分集方式：TSTD，STTD，FBTD；
③ 信道编码：卷积码和Turbo码支持2Mbps速率数据业务；
④ 调制方式：上行BPSK，下行QPSK；解调方式：导频辅助的相关解调；
⑤ 功率控制：上下行闭环功率控制，外环功率控制；
⑥ 语音编码：AMR与GSM兼容；核心网络基于GSM/GPRS网络的演进，并保持与GSM/GPRS网络的兼容性；
⑦ MAP技术和GPRS隧道技术是WCDMA移动性管理机制的核心，保持与GSM网络的兼容性；
⑧ 基站同步方式：支持异步和同步的基站运行方式，灵活组网；
⑨ 支持软切换和更软切换。（3）CDMA2000制式的主要技术特点
① 分成两个方案，即CDMA2000-1x和CDMA2000-3x两个阶段；
② CDMA2000-1x：信号带宽1.25MHz，码片速率1.2288Mchip/s；
③ CDMA2000-3x采用多载波CDMA技术，前向信号由3个1.25MHz的载波组成，反向信号是信号带宽为5MHz的单载波，码片速率为3.6864Mchip/s；
④ 兼容IS-95A/B；前反向同时采用导频辅助相干解调；
⑤ 快速前向和反向功率控制；
⑥ 前向发射分集：OTD，STS；
⑦ 信道编码：卷积码和Turbo码；
⑧ CDMA2000-1x最高433.5kbps业务速率（一个基本信道＋两个补充信道）；
⑨ CDMA2000-1xDO最高支持2.4Mbps业务速率，CDMA2000-3x最高支持2Mbps业务速率；
⑩ 可变帧长：5ms，10ms，20ms，40ms，80ms；支持F-QPCH，延长手机待机时间；
⑪核心网络基于ANSI-41网络的演进，并保持与ANSI-41的兼容性；
⑫网络采用GPS同步，给组网带来一定的复杂性；
⑬支持软切换和更软切换。
3）TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000的技术优势比较
三种制式中，TD-SCDMA的优势在于它同时采用了智能天线和联合检测技术，上下行时隙的不对称分配，提高了频谱效率，适应数据业务，其弱点是用户移动速度比较低，基站间干扰比较大，采用基点同步技术能够减少一部分干扰。三种主流方案的差别如下。（1）频率规划：ITU目前对第三代移动通信系统的频率规划为：1900～2025MHz（上行FDD），2110～2170MHz（下行FDD）及2110～2170MHz（TDD方式）3段。
① TD-SCDMA利用2110～2170MHz频段；
② WCDMA利用1900～2025MHz频段；
③ CDMA2000利用2110～2170MHz频段。（2）双工模式
① TDD：适合于高密度用户地区、城市及近郊区的局部覆盖。无线传输技术不需要成对频率，具有频谱安排灵活性，适合对称和不对称即语音和第三代移动通信的移动业务（或IP）业务，提高了频谱利用率。TD-SCDMA采用TDD模式。
② FDD：适合于大区域的全国系统，对称业务如果话音、交互式实时数据业务等。WCDMA和CDMA2000采用FDD模式。（3）提高利用率
TD-SCDMA采用了空分多址（SDMA）、码分多址（CDMA）、频分多址（FDMA）和时分多址（TDMA）相结合的多址技术。采用智能天线、联合检测，上行同步技术，消除扇区间（Inter-cell）和扇区内（Intra-cell）的同信道干扰（CCI）、多址干扰（MAI）和码间干扰（ISI）。缩短频率利用距离，提高了频谱利用率，降低设备成本。WCDMA和CDMA2000采用码分多址、频分多址相结合的多址技术，采用智能天线导频符号辅助相干检测的多用户检测，上下行同步技术，消除各种干扰，提高频谱利用率。（4）切换
① TD-SCDMA采用接力切换技术，它不同于传统的软切换和硬切换，可以工作在同频和异频状态，利用已知的移动台用户位置（采用用户定位业务）；
② WCDMA扇区间采用软切换，小区间采用软切换，载波间采用硬切换。WCDMA的基站不需要同步，因此不需要外部同步资源，如GPS；
③ CDMA2000扇区间采用软切换，小区间也采用软切换，载频间采用硬切换。基本信道的软切换类似于IS-95。（5）功率控制
3G系统中分布式功率控制应用很广泛，恒定接收功率控制应用于CDMA系统中，而TD-SCDMA系统则在继承第二代GSM功率控制技
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