15.1 移动网络的概念与特点在线视频

同学们大家好

那么今天我们来讲

第15章的内容

移动通信网络的结构与组成

这一章与下一章

第16章

我们把这两章内容作为一类

这两章内容

我们重点来给大家介绍了

移动通信的网络原理

这一章我们重点来讲的是

网络的结构与组成

下一章我们讲网络的运营与管理

那么这一章的内容

我们从5个方面来给大家介绍

首先是一个移动网络的概念和

特点的

简单归纳

我们不会

面面俱到

哪一个点都讲

我们重点讲一些

移动通信网络的突出特点

和重要的概念

然后第二方面

我们就从 GSM

这样的一个典型的

2G网络的结构特点出发

来给大家介绍 GSM

GPRS到WCDMA

2G到3G

这样的一个网络结构的演进

同时第三部分

我们来讲3G

移动通信

它的网络基本的特点

第4部分

我们来讲

IS-95到CDMA2000

另外一条技术路线

网络的结构与演进

第五部分我们来介绍

B3G

还有4G移动通信网络的架构

好

这就是我们

这一章的主体内容

首先我们先给大家介绍

移动通信网络

在结构方面

所涉及到的一些基本概念和特点

移动通信的网络

它里面包含了非常多的概念

这些概念我们可以做一些归纳

主要包括这4大部分

也就是信令协议

路由交换

蜂窝组网结构

还有QS

主要是这些内容

首先我们先看一看

网络的一些基本特点

那么什么是个网络

这个网络

我们可以看作是由通信设备

终端设备

还有交换设备

那么通过互联互通组织成的一个

系统

那实际上网络是一个复杂的

复杂连接的系统

在这个系统当中

我们有相应的硬件设备

这硬件设备大家看就包含了

比如说

终端

信道

交换

还有签订协议

那么简言之

我们可以把一个移动通信的网络

它的设备或者它的组成

我们把它划分为两大类

一类是硬件的设备

包括终端设备

交换设备

另外一类是软件的信令和协议

硬件的设备我们是有形的

大家要是去运营商

移动运营商看它机房

机房里很多的交换设备

还有基站设备等等

那么这都是硬件

软件是无形的

但是软件非常的重要

限定移动通信网络的限定和协议

它构成了整个网络管理的中枢

它是个神经

我们看一看这个信令和协议

在移动通信网络

或者说一般的通信网络当中

所涉及到的信令和协议

多种多样的

我们不能够一一介绍

我们重点给大家列举一些

非常

重要的一些协议或者信令

首先我们先看一看最基本的信令

基本信令实际上就是一些

通话的

操作流程管理的训练

这些信令

在随着固定通信网络的发展

而发展起来的

那么在第一代移动通信体制当中

应用于移动通讯网络

这一代系列我们就称为是随路

信令

因为它的信令

和业务是占用同一个通道

随着业务的传输

而传输信念的

所以我们就称它为是随路信令

但它的效率是比较低的

那么一个典型的

随路信令的流程

大家看就是从摘机

到最后拆线

这样的一个在交换机之间

来进行两个交换机之间

来进行交互的过程

细节我们不介绍

因为现在都已经不怎么用了

那么在固定电话交换网络当中的

信令

主要包括了用户线

信令和中继线信令

其他新的内容

大家参与熟悉

我们不再说明了

随着信令技术的发展

或者协议通信协议技术的发展

在上个世纪的80年代

电信交换网络

就不再使用的随路信令了

而变成了所谓的

公共信道信令

也说

共路信息系统的CCS

CCS信令当中

最核心的

其实就是所谓的

7号信令

7号信令

它的体制是比较完备的

并且信念的设计是比较理想的

所以7号信令是非常重要的一代

有线和无线通信网络的

应用层信令

SS7信令

它的协议站的基本结构

我们可以对照

OSI的模型

来简单给大家说明一下

同学们看呢

OSI就开放系统

互连 它的7层信令

模型

是这个样子

最底层是物理层是

第二层是数据电路层

第三层是网络层

第四层传输层

在上面是绘画表示应用层

对吧

那么在7号信令协议当中

它在下三层

我们称为是MTP MTP

123层

就对应的物理层

链路层

网络层

上4层

实际上不是明确对应的

但实质上的功能是差不多的

包括了

网络层的底层SCCP以及最重要

的是应用层里面有

比如说对于移动通信来讲

主要有会有一些OMAP

或者说还有其他的一些应用

相对于固网的话

还有SDN等等

信令和协议

它是我们整个通讯网络

进行消息交互

非常重要的控制机能

那么在信念和协议

对于通讯网络的控制当中

我们有一个非常重要的概念

这个概念我们称为是

对等通信

什么叫对等通信

请大家看照片上给的示意图

左侧实际上是发送进程

右侧实际上是接收进程

通信过程当中

所有的数据包从左侧发

右侧收

或者从右侧发

左侧收

都是可以的

因为他们是

这个通信是双向的

那么大家注意

每一层

就是左侧的应用层

到右侧的应用层

左侧的表示层到右侧的表示层

每一层实际上

都可以看作是一个

对等的收发

实体

那么在这两个对等的层实体当中

可以进行数据包的交互

那么这就是对等通行的概念

就层和层

对等的两个层之间

他们是可以通过

通信

就是虚拟通信的这种方式

来进行数据交互

这也就是我们在进行信令设计的

时候

最基本的一个观点

那么除掉7号信令之外

随着互联网技术的发展

TCPIP协议

得到了普遍的应用

用 TCPIP协议

他的对应关系

与OSI对应关系

我们可以看作是一个4层协议

下3层实际上与OSI是完全

对应的

就包括了网络层

往基层

运输层

在它之后

OSI的信令是对应

在上面

我们就没有什么表示绘画了

实际上就主要对应的是应用层

这就是它的一个基本结构

对于移动通信来讲

还有一个重要的概念

就是我们应用的7层

我们应用了

7号信令之后的话

那么在7号线的高层

要加载移动应用协议

OMAP协议

是GSM的核心网的协议

它是加载着7号线的高层

是7号线的应用层

OMap协议

对移动通信的

核心网的业务管理

是非常重要的

那么另外一类东西

我们再讲一讲

网络当中的交换机制

无线网络当中的业务路由选择

或者所涉及到的路由机制

一般而言

我们把它划分为是两类

一类我们称为是

电路交换

另外一类我们称为是

分组交换

所谓电路交换

它主要针对的是发音业务

是一种传统的业务的交换机制

那么分组交换

我们主要针对的是数据业务

呃主要是对数据包来进行交换

而在这个数据包

分组交换的时候

我们常用到的路由选择机制

又可以细分为两种

第一种

我们称为是面向连接的

路由选择机制

第二种

我们称为是虚连接的

路由选择机制

前者

所谓面向连接的路由选择机制

他实际上是在发端和收端

通过数据报的方式

建立起来一个数据

分组传输的固定通道

它是一个端到端的路由

在传输过程当中

路也是不变的

所以这样的路由选择机制

我们就称为是虚电路路由

选择机制

或者是称为是面向连接的录入

有选择机制

那么另外一种路由选择机制

我们称为是虚连接选择机制

所谓的虚连接选择机制

他指的是说

是不是一个固定的连接

每一个数据包

可以走不同的连接

比如说这是

每一个数据包走一个不同的连接

那么这样的方式

每一个数据包

他都走了一个单独的路由

因此一个消息当中

不同的数据包

传输的路径是不一样的

所用的时间也是不相同的

这个叫做是虚连接

或者是数据包选择机制

这两种路由选择机制

它在具体的分组交换网络当中的

应用

各有侧重

或者是各有典型的方案的

那么后者实际上就是

TCPIP

或者今天我们现在 IP网络

主要应用的机制

而前者实际上是ATM

ATM使用到的路由机制

那么随着网络交换技术的发展

现在 TCPIP

已经成为了整个网络的

主要的交换机制

所以虚连接这种机制

得到了普遍的应用

那么在移动网络的概念当中啊

有一类特别重要的概念

就是

移动通信网络的组网方式

我们怎么把移动通信

网络组建起来

可以覆盖整个地理区

移动通信的

我们经常用到的一种

我们把移动通信网络

叫做是蜂窝移动通信

cellular network

所谓蜂窝的概念

这样指的就是它的组网方式

什么叫蜂窝呢

蜂窝网络

他是在上个世纪70年代

贝尔实验室提出来的

它是第一代

移动通信体制的组网结构

那么蜂窝移动通信网络

提出来之后

那么历经了各代的发展

到今天来讲

就第1代到第4代

仍然还是移动通信的

组网的主要方式

虽然随着从第4代开始

有了很多的这些

分布式网络的结构的变化

但是蜂窝网络还是它的主体

我们就来看一看

蜂窝网的基本概念

什么叫做蜂窝网

我们画个示意图来说明一下

大家看呢这是一个基站

它收尾也有基站

有好多个基站上下都有

我们就假设说一个基站

还有覆盖一个范围

每一个基站

都能发电磁波的信号

我们现在问的问题就是说呢

假设说我们给定一个地理区域

比如咱们举个例子

就是海淀区

大概有个1000平方公里的

面积

我们现在问的问题是说

为了满足海淀区的

这种地理覆盖要求

我们到底要建多少个基站

当然如果说的你有钱是土豪

你多捐点基站

砸钱建个一两万个基站

甚至10万个基站

肯定密密麻麻全是基站

这肯定信号覆盖的范围好

但投资太大

这说收不回成本

但是如果说我们很很穷没钱建

建个一个两个基站

很多地方覆盖不了信号

所以建基站是

最关键的是站址怎么选

基站和基站之间

间距要多远

就基站间的站间距

怎么进行优化

既要保证的基本的覆盖要求

又要尽量减少基站的数目

或者换言之

我们让小区的面积尽量大一点

或者说站间距尽可能的大一点

在保证这个信号覆盖的前提下

所以怎么样去设计呢一个小区的

形状

那么尽量减少

相邻小区的公共面积

也就是他们的重叠区

同时还能保证型号的覆盖

这就是一个非常重要的问题

这就是我们所谓的

蜂窝组网的基本概念

从理论上有

前人已经做过探讨了

说是我一个基站所覆盖的区域

这是一个小区

到底是什么样的形状

可以尽量增大

他们的半径

减少相邻小区的覆盖面积

你比如是相邻小区它有重叠部分

这就是重叠部分

我们希望重叠部分尽量减少

但是不能有

两个小区都覆盖不到的

他们的是空集

这是不行的

否则的话覆盖效果就差了

但是又不希望他们之间的覆盖

重叠区域太大

太大的话

我们等于是有过覆盖

或者说投资呢

成本就高了

所以考虑到两方面的约束

覆盖想去的面积

覆盖小区的形状

我们可以取不同的形状

比如说

可以是三角形的小区

也可以是正方形的小区

还可以是六边形的小区

经过几何学家的研究呢

我们发现说

用六边形的校区是最好的

用蜂窝网的结构

他们的重叠区域

最少大概只有0.35Π方

他比0.35派R的平方

他比正三角形或者正方形

这两种覆盖面积

的重叠区域

要小得多

所以考虑到几何上的优化

我们现在在移动通信网络的组网

的时候

典型的技术都是蜂窝

组网方式

那么用六边形的结构

来作为小区的

最佳形状

好

有了蜂窝结构之后呢

那么随着技术的发展

人们又认识到呢

我要想覆盖一个大的地理区域

光靠一个基站是不够的

肯或者说一个小区是覆盖不足的

肯定要考虑到多个小区联合覆盖

可是问题是

我每一个小区

比如在1G2G时代

它都要分配的单独的一个频率

你要覆盖1万个基站

我不可能有1万个频点

因为无线频率是稀缺资源

所以我们还得考虑到

怎么用有限的频率资源呢

进行这种空间复用

在空间上隔了一定距离之后

进行多次使用

这就是所谓的频率复用

通过频率复用的方式

来覆盖大范围的区域

既然你涉及到频率费用的方式

就是说我们需要构建一个

蜂窝群

或者我们确切讲

叫做是小区群

涉及到小区群的结构

利用这种小区群的概念

我们在整个地理区域上面

进行各个方向进行拷贝和复制

就能够覆盖整个地理区域

所以小区这个概念

是在蜂窝组网结构当中

非常重要的概念

理论上我们可以证明

这并不是任意的

数目的小区

都能构成一个区群

这个区群结构它是有约束的

一般来讲

一个区群当中

小区的数目还是以

满足下面的公示才可以的

这个公式我们实际上是表示

为这样的一种平方数求和的方式

如图所示

如图所示

如图所示

这样的一些数目的区群

才能够变成一个可以进行大范围

连续覆盖

地理区域的

合适的区群结构

我们给大家去讲

常见的区群事例

比如说我们看胶片给的例子

这是一个三小区的区群

三个小区内部

F1 F2 F3

相邻的这三个小区

有不同的频点

但是我这三个频点构成的区群

可以在整个地理区域上

来进行扩展

这样的话就能够覆盖

在6个方向上扩展

就能覆盖整个地理区域了

那么类似

比如这也是这样的区群结构

就是四小区区群结构

这样的就是七小区区群

结构

这个就是九小区区群结构

总而言之

大家可以检查

这样的一些区群结构都满足

A方+AB+B方

这样的要求

下面我们来分析一下

第一代和第二代移动通信网络

当中

典型的区群结构

第一代移动通讯网络

所用到的区群结构

是一种

7/ 21区群结构

7 /21区群结构

实际上我们看是胶片给的这样的

一个

这样的一个结构

这有在第一代移动通讯体制当中

7个小区构成了1个区群

这7个小区

因为他都采用FDMA方式

因此都用不同的频点

为了能够进行连续覆盖

在第一代制式当中

每一个小区划的稍大一点

实际上还是分裂为

三个扇区的

每个扇区用一个不同的频率

就F1 F2

F3

并且我们有7个小区

所以实际上是21个不同的频点

所以这样的制式

我们就称为7/21

七指的是它7个小区构成区群

21指的是它的频点的数目

因为每个小区又分裂为三个扇区

所以一共需要

那21个不同的频点

大家看

这21个频点

其实在整个区群当中

每一个频点只使用一次

所以它的频率的利用率

是比较低的

它应该只有1/21

对吧

这么低的频率

那么在其他的方向

是怎么覆盖呢

我们把这样的1个7小区区群

在地理区域上6个方向

进行了平移复制

这样的话

在空间上进行了隔离

这21个平点就可以重复使用了

这就是它的一个基本概念

好

我们再看呢

为了进一步提高频率的利用率

1/21太小了

因此

在第二代GSM移动通信体制

当中

它就不再采用

7 /21 区群结构了

而进一步提高为呢

4 /12曲群结构

胶片上给的

这就是一个4/12方式

它有4个小区

让大家看这画三角

就是4个小区的中心

每个小区又分类为三个扇区

每个扇区用

用一个不同的频点

所以一共是4个小区

12个频点

所以我们就称为4 /12

它的频率利用率

比FDMA第一代的

FDMA高

它变成了1/12

那么到了第三代

移动通信体制当中

有人们认识到

那这样的这种4/12复用方式

也还是太低了

所以进一步考虑

直接采用的是码分

我们就不再是频分复用了

变成码分复用

它是把不同的码字

在相邻小区

不同的码字

或者相位

来进行划分使用的

所以它的频率的利用率

其实就已经约等于1

但有时候达不到

你大概是几分之1

比如说

1/3

那么到了第4代

移动通信体制当中

我们已经根本不考虑这种

频率复用的方式

所有的基站

都可以使用的所有的频率

这样的话

那么对于4G移动通信来讲

它的频率的利用率

就肯定是等于1的了

但是

虽然频率利用率提升了

相邻小区之间的干扰变大了

所以在4G度通讯当中

要用各种各样的手段

去抑制干扰

进行干扰协调

否则的话系统容量

会由于干扰的增加而下降

好

那么关于这个区群

我们就介绍这么多了

最后一个概念

我们讲一讲

移动通信的业务质量

就是所谓的 QOS

业务质量是衡量应用

或者衡量业务的一个重要的指标

一般来讲

QOS主要有4个因素来决定的

比如说第一个是业务的支撑

第2个使用的便利性

第3个是传输的完整性

第4个是实用性

在这4个因素当中

最重要的实际上是实用性

也就是说是网络建立业务的时候

那么它的呼叫建立

和维持通信的能力

这个最重要

我们在业务QOS的分析当中

重点给大家讲一讲

两大类业务

他们各自的QOS的

一些代表性的指标

对于话音业务而言

那么代表性的指标

主要就是两个

大家注意

第一个是时延

因为话音业务是端到端的

实质性业务

所以对时延要求是比较苛刻的

一般我们要求端到端

那么它的时延

不得超过150

好

没有

所以这个时间要求

比较苛刻

才能够保证了实时性的需求

第二个就是误比特率的要求

一般来讲

对于话音业务

它的误比特率BER

大致上我们要求

是10的-3次方

就可以了

那么有的时候

你达到10的-2次方

也基本上能够满足

要求

所以对于话音业务来讲

主要大家记住有两个指标

一个是实验端到端

不能超过150毫秒

另外一个是误比特率

一般来讲

10的-2次方以下

最好在10的-3

这么一个要求

而对于数据业务来讲

它的业务类型是多种多样的

其中最重要的一类指标

就是误比特率的要求

一般来讲

数据业务的务必特例

都得要求在10的-5

甚至10的-6次方

而对于时延来讲

各有各的差异性

我们不再详细列举了

好

以上就是我们对

移动通信网络的

基本概念的一个回顾归纳

和强调