《計算機網(wǎng)絡-自頂向下方法》之蜂窩網(wǎng)標準和技術

   當人們討論蜂窩技術時，經(jīng)常將其劃歸為屬于某一代。較早的幾代技術主要設計用于語音流量，最近的一些蜂窩系統(tǒng)除了語音外也支持因特網(wǎng)接入。最近幾代直接由前幾代演化而來，因而通過對第一、第二代無線系統(tǒng)做簡要來回顧。

    第一代(1G)系統(tǒng)是僅僅為語音設計的模擬FDMA系統(tǒng)。這些1G系統(tǒng)現(xiàn)在已基本消失，而被2G數(shù)字系統(tǒng)所取代。

    1.第二代(2G)

    第二代系統(tǒng)盡管是數(shù)字的，但也被設計用于語音通信。由于當前設計用于處理數(shù)據(jù)通信的2.5G和3G源于2G,因此簡要介紹2G是重要的。2G蜂窩電話首先將模擬信號轉換為數(shù)字信號，然后調制該信號并向空中發(fā)送出去。已廣泛部署了多種2G標準和技術，其中包括：

   (1)全球移動通信系統(tǒng)(Global System for Mobile Communication,GSM)。 在20世紀80年代，歐洲認識到需要一個泛歐洲的數(shù)字系統(tǒng)來取代其互相不兼容的1G系統(tǒng)，提供在不同國家之間的無縫移動性以及模擬系統(tǒng)所不具有的其他特征和功能。這一需求催生了有關蜂通信的GSM標準。歐洲在20世紀90年代早期十分成功地部署GSM技術。然后GSM擴展到了亞洲和北美，現(xiàn)在已成為應用最廣泛的蜂窩通信標準。2G蜂窩系統(tǒng)的GSM擴展到了亞洲和北美，現(xiàn)在已成為應用最廣泛的蜂窩通信標準。2G蜂窩系統(tǒng)的GSM標準為空中接口和使用了FDM/TDM組合。GSM系統(tǒng)由200kHz頻段組成，每個頻段支持8個TDM呼叫。GSM以13kbps和12.2kbps速率進行語音編碼。

   (2)IS-95 CDMA。IS-95 CDMA使用碼分多址。Qualcomm公司在20世紀80年代后期展示了CDMA用于蜂窩電話的生存能力，其后許多IS-95系統(tǒng)開始被部署，尤其是在北美和韓國。

    2.從第二代到第三代的過渡(2.5G)

    諸如IS-95和GSM等2G系統(tǒng)是為語音服務而優(yōu)化的，并不是特別適合數(shù)據(jù)通信。在20世紀90年代，標準化組織認識到對同時適用于語音和數(shù)據(jù)通信(包括因特網(wǎng)接入)的3G蜂窩技術的需求。然后，由于廣泛部署3G技術需要很長時間，一些公司開發(fā)了可以在現(xiàn)有2G基礎設施上進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹虚g協(xié)議和標準。這些系統(tǒng)被統(tǒng)稱為"2.5G蜂窩系統(tǒng)"。它們包括：

   (1)通用分組無線服務(General Packet Radio Service, GPRS)。GPRS由GSM演化而來。對于數(shù)據(jù)服務，GSM有效地模擬了在用戶設備和目的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡之間的調制解調器。此外，標準GSM僅支持最9.6kbps的數(shù)據(jù)率，這對除簡單文字而言的任何數(shù)據(jù)而言都顯得太代了。GPRS是一個提供更加高效、基于分組的數(shù)據(jù)服務的中間方案，它具有更高的數(shù)據(jù)率(通常是40~60kbps),在許多方面與家庭電話能被用于將家庭PC經(jīng)撥號連接與因特網(wǎng)連接相同。因此，GSM使用電路交換用于標準語音和數(shù)據(jù)(將用戶設備與因特網(wǎng)相連)。GPRS服務由底層的GSM網(wǎng)絡提供。然而，與普通的GSM不同，移動GPRS站點可以按需要使用一個信道中的多個時隙。在GPRS中，留出許多時隙用于數(shù)據(jù)通信，并按照移動站點的即時請求進行動態(tài)分配。

   (2)支持全球演化的增強數(shù)據(jù)速率(Enhanced Data Rates for Global Evolution, EDGE)。EDGE的主要目的是增加GSM/GPRS網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)率，即更好地使用具有8個時隙TDMA幀的GSM 200kHz的信道。這主要通過一個更加有效的機制替代GSM的調制機制。在理論上，EDGE可以為用戶數(shù)據(jù)能信提供384kbps的數(shù)據(jù)率。

   (3)CDMA 2000,Phase 1.這種2.5G技術是由IS-95演化而來的。它可以高達144.4kbps的速率提供分組數(shù)據(jù)服務，并為CDMA 2000,Phase 2的3G的部署奠定了基礎。

   3.第三代(3G)

   3G蜂窩系統(tǒng)要求以比其相應的2G系統(tǒng)高得多的速度提供電話服務以及數(shù)據(jù)通信。特別是3G系統(tǒng)要求提供：

   (1)駕車行駛時速率達144kpbs。

   (2)室外靜止或行走時速率達384kbps。

   (3)室內速度達2Mbps。

   在3G領域有兩個主要(并且是相互競爭)的標準：

   (1)CDMA-2000。CDMA-2000由IS-95 2G系統(tǒng)演化而來，并向后兼容IS-95。從其名字可以推測，它同們也使用CDMA作為其空間接口的部分。CDMA-2000正在北美和亞洲部分地區(qū)部署。與CDMA-2000關聯(lián)的數(shù)據(jù)服務稱為1xEVDO(Evolution Data Optimized--演化數(shù)據(jù)優(yōu)化，這可是最糟糕的首字母縮寫詞之一！)，期望數(shù)據(jù)率達3Mbps量級。

   我們在前面的WiMAX標準中遇到的機會主義調度技術實際上是以前為EVDO和它的CDMA-2000-HDR(高數(shù)據(jù)率)前任而研發(fā)的。

   (2)通用移動電信(Universal Mobile Telecommunications Service, UMTS)。UMTS是GSM為支持3G能力進行的演化。UMTS網(wǎng)絡體系結構借鑒了很多已經(jīng)建立的GSM網(wǎng)絡體系結構。然而，UMTS的無線電接入與GSM中使用的FDMA/TDMA方案有很大的不同。具體地說，UMTS使用一種稱作直接序列寬帶CDMA(DS-WCDMA)的CDMA技術(TDMA時隙的幀在多個頻率上可用，這是一種我們前面指出的所有三種專門的信道共享方法的有趣使用)。由于UMTS源于GSM，幫歐洲正在廣泛部署UMTS也沒有什么值得驚奇的。與WCDMA規(guī)范相關的數(shù)據(jù)服務稱為HSDPA/HSUPA(高速上行/下行分組接入)，期望數(shù)據(jù)率達到14Mbps。與EVDO一樣，HSDPA/HSUPA使用機會主義調度和其他一些先進技術。

    4.第四代(4G)

    既然我們已經(jīng)分析了無線LAN技術和全部的蜂窩接入技術，那么我們退一步思考一下，作為用戶，我們理想中的無線因特網(wǎng)接入將是怎么樣的，下面列出了一些愿望：

    (1)我們希望無處不在的無線因特網(wǎng)接入。不論在家、辦公室、車上，咖啡屋，還是在海灘上，我們希望都能夠接入因特網(wǎng)。

   (2)接入因特網(wǎng)速率是所處物理和移動速度的函數(shù)，我們希望能夠以最高可能的速率接入因特網(wǎng)。

   (3)當穿越異構環(huán)境漫游時，我們能夠自動、透明地從一種接入技術切換到另一種接入技術，這僅僅取決于可用性，不需要任何用戶的干預。

   (4)當然，在移動過程中，我們希望保持正在進行的TCP連接。更進一步，我們希望系統(tǒng)知道我們在何處，從而在移動時新的呼叫能夠繼續(xù)到達我們。

   (5)我們希望系統(tǒng)在IP上支持語音和實時視頻。