3G移动通信网络结构分析

3G移动通信网络结构分析

前言

在2009年中国国际通信展上，3G这个主角终于“闪亮登场”了，丰富的3G应用，给我们的生活增添了亮丽的色彩。一个视频通话，让远在天边的亲友变得近在眼前；有了手机电视，出门在外也不用担心错过现场直播的重要新闻和体育比赛了；绚丽多彩的手机应用，如手机音乐、GPS导航、手机支付、电子在线阅读等3G功能，让我们的生活变得丰富多彩。不仅如此，3G应用还在交通、环境等行业领域大显身手，如中国联通展出的“3GBUS”系统，不仅能及时发布交通信息，还能进行监控调度和流量管理；3G污水监测系统和无线环保监测平台，深入到了污水处理的各个环节；有了3G的帮助，交通和环保越来越智能化，我们的日常生活正在因3G而改变。

3G可视电话的应用，改变了人们对电话“只闻其声，不见其人”的传统印象，一个声像并茂的可视电话，不仅拉近了双方的距离，也让彼此的心灵更加贴近。清晰的图像和清楚的话音将带给用户良好的通话体验，视频通话可能将成为广受欢迎的3G业务。当你想念亲友的时候，只要拨打一个可视电话，你的父母、家人、同事、朋友将会感受到面对面的快乐和温馨，纵然相隔千里，亦如近在眼前。

当天有重要的新闻发布、精彩的体育节目，而你却出门在外，不能在家看电视。现在，不用再为错过电视实况转播而烦恼了，因为3G给我们带来了手机视频！通过手机看电视，解决了外出时不方便看电视的烦恼，受到了大家的青睐。先进而高端的3G网络服务，扫除了大量技术方面的障碍，如电视信号传输和接收层面的障碍等。优质的3G 终端，给用户带来了良好的视觉效果。

在人们的生活中，手机已不再单纯是打电话的工具，它不但能将和互联网的功能融合而发挥到极致，而且提供更高质量的通话、快速的上网、手机电视、视频电话、监控等功能。随着3G时代手机的不断发展和逐渐的融入社会，人们的生活已变的更加的快捷方便、多姿多彩。

那么，如今饱受大众青睐的3G移动通信系统究竟与我们原本的GSM系统又存在着哪些异同点，双方的优缺点何在呢？如果我们对3G移动通信网络结构与GSM系统的结构进行对比分析，必能得到这些答案。

13G移动系统网络发展简介

通常，我们将第三代移动通信技术简洁地称之为3G，而它的通信网络主要将目标定位在高速的Internet访问业务、实时的视频通话、3G多媒体等功能上。而以WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA为主的三大标准早在05年就被ITU（国际电信联盟）确定了。而那时候的TD-SCDMA技术对于中国来说暂不能成熟商用，所以并没有发放3G牌照，这也是为了支持和发展我国的自主知识产权。

由于当时国际上的3G技术日趋走向成熟，并且甚至出现了4GLTE网络成功商用的前例，如果继续阻碍3G的商用，对于我国来说相当不利，这与我国国情有关，结合我国国情来看，当今的中国属于正高速发展的发展中国家，如果因此而对我国的通讯技术的发展造成不利影响，这是相当不明智的。于是，在权衡利弊之后，国家决策者果断倾向了后者，发放了3G牌照。如此一来，既支持了国家的自主标准技术的发展，而且在应对金融危机与以投资的方式拉动经济方面，都能得到极大成效。

2008年，中国移动恰好成为了中国北京奥运会的合作伙伴，于是中国移动顺势推出了技术还不是特别完善的3G服务，也就是如今的TD-SCDMA。推出后逐步形成了规模，这也标志着3G在中国商业化和产业化的进步。所以，结合当时国情，创造属于通信业的第三产业也就至关重要了，无论是从创造就业方面来看，还是从将国产技术进行全面推广的目的来看都是非常有意义的。

目前中国电话总量达9.5亿户，其中手机1用户是6亿5千万户，不仅总量世界第一，人均持有量也在世界前列。这代表着中国的在通讯方面的市场将接近饱和状态，更是能够体现中国的庞大通讯市场，一旦宏大的用户终端生产过剩，那么手机销售市场上必将出现快速衰败情景，从而导致该行业也严重衰败，紧接着失业率大幅度增加，所以，尽快将我们的通讯技术提升至3G行列的行动已势在必行。如此一来，随着网络的提升，消费者手机终端也将面临着更新换代，也就位其他终端设备的厂商和技术维修等行业提供了机遇，就业的机会也就再一次到来，从技术层面上来看，3G属于劳动密集技术密集的行业，有此所创造的庞大服务链以及庞大的服务提供商群体也将焕然一新，提供的岗位将以数以百万计。在这样的大前提下，3G时代如雨后春笋一般到来了。

23G移动通信系统网络结构与GSM系统结构的比较

2.1 GSM系统的网络结构和特点

2.1.1 GSM系统的网络结构组成

在GSM系统结构中，主要分为网络子系统（NSS）和基站子系统（BSS）以及移动台（MS）和操作维护子系统（OSS）等几个部分，而这一部分也主要以功能单元模块的形

式体现了出来。其具体组成如图2.1.1-1所示。

图2.1.1-1 GSM系统组成

2.1.2 GSM系统的特点分析

GSM系统是传统的GSM移动通信蜂窝通信系统的简称，作为一种典型开放式结构的GSM系统，它主要是依照ETSI（通信标准委员会）制定的规范研究出来的，而且规定，只要符合GSM蜂窝数字移动通信的系统结构，都必须按照这个规范来进行。我们如果分析GSM系统的结构就可以得出这样的结论：

▲因为各个分系统相互之间都有标准化接口的明确定义，所以这套方案又可以看做GSM系统以分系统的形式表现了出来，以此达到任何时候、任何厂家提供的GSM设备都可以相互连接的目的，而且由于它在整个通信网络中都进行了标准化结构规划，所以，GSM系统最终实现了在各种公用的通信网络上进行互相联系、互相通信的目的。

▲在GSM系统中，除了开通基本的语音业务之外，还承载了大量其他业务，如ISDN相关业务、承载业务和部分补充业务等，因此在当时，GSM系统迅速占领了主流市场，赢得了大量客户资源。

▲在GSM系统中，用户网络的安全保障能得到极大的保护，这是因为GSM系统中具有很强大的加密措施和慎密的鉴权识别系统。

▲而最主要的是GSM系统的这种分层结构的建立，也就使得它的抗干扰能力较强，于是系统的通信质量得到大幅度提高。

2.2 3G移动通信系统的网络结构特点分析

3G移动通信系统的三大标准分别为WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA。由于在无线传输技术方面的差异，使得3G三大标准的最大区别是在空中接口的差异，相比之下，TD-SCDMA 在关键技术上有了很大的提高，这些关键技术包括了以上行同步技术、智能天线技术、联合检测技术和一级接力切换技术。

在CDMA的系统结构里，核心网与无线接入网络占了主要位置，例如所有与无线有关的功能基本上都需要利用无线接入网络来进行处理。表2.2-1粗略地比较了一下三种体制的结构异同点。

表2.2-1 三种3G技术体制的比较

2.2.1 WCDMA的结构特点分析

UTMS作为WCDMA的主要结构形式，它就是如今第三代移动通信系统的具体表现形式，在技术上采用了空中接口技术，而空中接口技术主要来源于WCDMA技术。因此这也是为什么我们通常把UTMS系统称之为WCDMA通信系统的原因。在UTMS系统中，主要由无线接入网络与核心网络构成，这与第二代移动通信系统的结构比较相似。其功能分配是，所有无线接入相关的事件都由无线接入网来进行处理，所有UTMS系统中的相关语音业务和数据业务相关的事情则由CN来进行梳理解决，同时，CN也是实现与其他外部网络的所有交换功能与路由功能的主要结构。从逻辑上来分，CN可以划分为分组交换域跟电路交换域。总体上来讲，UTMS的整个网络也就是由就是这三部分所组成了，即CN、UTRAN和UE终端三大部分。其系统结构图如图2.2.1-1所示。

3G PS

MSC ／VLR ，GMSC ，gsmSSF 3G CS

PSTN

SGSN,GGSN UTRAN 业务应用域

HLR, SCP

接入网3G 核心网络

外部网络Internet

图2.2.1-1 UMTS 的系统结构

在数据传输上，系统以往的平均速率能够达到2M ，随着W 技术的高速发展，在联通的DC 双载波开通后，其速率更是能达到理论值40M 的高速率，仅次于如今快速崛起的LTE 。高速率传输是WCDMA 的一个主要特点，这得归功于RNC 的结构中几种不同的同步方式。

▲在基站的建立上，系统不仅支持同步传输，更是能支持异步传输，这样做的最大特点就是让组网变得方便而灵活，这种同步方式被称为基站同步方式；

▲调制上采用上行为BPSK ，下行为QPSK 的方式；

▲解调方式则是导频辅助下的相干解调；

▲接入方式：DS-CDMA 方式；

▲在各种信道中使用卷积码、Veterbi 解码、ReedSolomon 编码三种解码方式，而这三种解码方式则是WCDM 系统中常用的编码方式，其中话音信道中的内部编码一般采用的就是R=1/3，K=9的卷积码以及Veterbi 解码，数据信道中则是使用ReedSolomon 编码，控制信道内部编码与话音信道中的内部编码一样，只是卷积码变成了R=1/2，K=9；

这种同步方式有一个最大的优点，那就是使得系统能够更加灵活地给用户推出各种数据业务，让用户能够根据自身所能承受的消费限度来选择不同速率的业务，而系统也可以根据用户的不同选择提供不同的业务质量，或者对不同业务的速率分配不同的资源。更可以通过变化扩频比例、多种编码并行传送的方式来实现多媒体等业务。

由于WCDMA 强大的功控方式，使得系统最严重的多址干扰问题得到大大降低，甚至能够使系统的容量得到极大提高的同时还能降低传输时的功率损耗，而这种功率控制的办法则是对上下行频率进行精确控制的方法来完成的。

而GSM 系统的BTS 则不需要同步，GSM 系统的同步方式跟BS 结构有关，因为BS 能

够接受和发送异步的PN码，BS能够跟踪扫描收到的PN码，再让MS利用这些PN码进行识别追踪，以此来达到同步的效果。这样的能力是因为尽管GSM的核心网络演进了，但是GSM与GPRS网络的兼容性却完整地保留了下来，这也是为什么BTS不需要同步的原因。

在切换上，WCDMA因为支持软切换和更软切换，切换方式包括三种，即：扇区间软切换、小区间软切换和载频间硬切换，这使得用户的通话质量更高，感知度也得到大大提高。

WCDMA也拥有第二代移动通信体制的一些特点，例如标准化程度较高，和高开放性等特点，这主要跟WCDMA的发起者密切相关，因为WCDMA的发起者正是当初GSM系统发起者，欧洲和日本等一些厂家和组织，而这些标准化厂家与组织也正是GSM的发起者。

2.2.2 cdma2000的主要结构特点分析

在cdma2000系统中，由于其基于ANSI-41核心网的系统结构的原因，cdma2000主要由一些节点组成，如BSC、PCF、BTS、PDSN等节点就是cdma2000的核心所在。其核心网系统结构如图2.2.2-1所示。

图2.2.2-1 基于ANSI-41核心网的系统结构

由于在核心网中新增了PCF和PDSN两个模块，cdma2000 容量是IS -95A系统的两倍，可支持144Kbps的数据传输。在当下，随着手机行业的大力发展，各种强大的功能让人眼花缭乱，因此，为了适应日趋增多、日趋复杂的新一代业务，相对于IS-95A来说，cdma2000拥有了更多特点，因为cdma2000在很多地方都进行了很大的加强，如无线信道的形式、无线分组数据传输业务上的接口功能、物理信道层面上的调制方式等，

而最重要的是cdma2000在网络部分的改进，在网络上cdma2000更是引入了分组交换的方式，使其能够支持大量移动业务，同时这样也体现出了3G高速率传输的特点。

cdma2000在频率规划上的优势也不容小觑，因为cdma2000能工作的RF频段共有8个，这8个包括频段了北美PCS频段、TACS、频段、MT-2000频段等，而最重要的频段却是其中的北美蜂窝频段，因为它能够提供与AMPS/IS-95CDMA同频的运营条件。

由于cdma2000采用独特的正向和反向信道结构，因此可大大提高接入效率的同时还适应多媒体业务。

cdma2000有许多特点，其中同步方式上的GPS方式、前反向的导频辅助的相干解调、相同M序列的扩频码选择、可调的射频带宽、快速前向反向的功控方式,前反向同时采用导频辅助相干解调,射频带宽从1.25MHz到20MHz可调,下行信道中采用公共连续导频方式进行相干检测，提高系统容量；这也是它可支持144Kbps的数据传输的根本原因所在，这些结构设计的前提都是因为cdmaOne，因为cdma2000正是从cdmaOne演进来的。事实上，cdma2000同样还包含一系列的子标准。所以在结构设计上，cdma2000还继承了以下技术特点：

▲在下行信道的传输过程中与前者有所不同，首先它使用的码片速率为1.22Mcps和3.6864Mcps，这种方式属于在先定义然后直接扩展，然后采用多载波传输的方式，其原因是因为多载波能极大地与IS-95系统进行兼容，其次系统支持F-QPCH，确保手机的待机时间通过系统的帮助而得到延长；

▲核心网同步着跟ANSI-41网络系统兼容性的同时，还给予了ANSI-41的演进的方向；

▲支持软切换和更软切换，这样就规避了GSM系统切换单一的缺陷，使得用户感知度更高，通话质量得到了提高；

▲用于语音传送、低速率传输、信令传送的信道为基本信道，这种信道的速率往往可进行改变，通过应用ALOHA技术改善了传输性能后，高速率数据传输就用补充信道进行了，这两种码复用的信道类型使得系统性能得到了极大的提高；

2.2.3 TD-SCDMA的结构特点分析

TD-SCDMA在设计过程中，为了能够平滑地过度到3G系统中去，因此系统在技术的融合设计上有很大特点，基本上融TDMA、SCDMA、CDMA、FDMA等技术于一体，而这也是因为当前不仅在中国，甚至许多国家都还广泛地采用着GSM通信系统的客观存在性导致，所以TD-SCDMA的功能模块也就与其他几种网络模式相差无几了，核心网、基站控制器（BSC）、基站（BTS）和用户终端设备(UE)就构成了TD-SCDMA的功能模块了。其系统的

简略结构如图2.2.3-1所示。

图2.2.3-1 TD-SCDMA的系统功能模块结构

TD-SCDMA严格来讲并不属于第三代移动通信系统，主要是因为系统的IP业务接入到了X25分组交换机，而且是通过GPRS的网络关口通过所接入，在移动交换机上，该系统的话音业务跟ISDN业务仍然使用以往的GSM移动交换机，等到建网初期基于IP的3G核心网建立完成之后，TD-SCDMA才真正意义上迈入了第三代移动通信系统的行列中来。

尽管TD-SCDMA较前两种技术标准还略显稚嫩。但是它也有自己特有的结构特点：▲信号带宽为1.23MHz，码片速率为1.28Mchip/s；

▲采用智能天线技术，这样使得频谱效率大大提高；

▲在降低干扰上与保持系统时隙宽度上，系统也采用CDMA的同步技术，这样就使得干扰大大降低了；

▲系统不仅能够实现智能天线与载波恢复，而且能够实现智能天线的功能，这取决于系统接收机与发射机使用了新型的软件无线电技术。

▲虽然系统能够很大程度上减少来至于多路径和多地址上的干扰，但是也存在着很多问题，例如在多种码信道上处理复杂的与一些不能全部解决的多址干扰等问题上还存在着许多不足，最终系统只能利用多用户同时检测与智能天线的手段来取得较为不错的成效。

▲对上行下行不对称的信道也拥有分配的能力，多种时隙功能，而且能够适应高速率传输下的数据业务；采用接力切换，降低掉话率，提高切换的效率；

▲语音编码：AMR与GSM兼容；

▲核心网络基于GSM/GPRS网络的演进，并保持与它们的兼容性，正是因为这

种兼容性，使得BTS之间能够使用GPRS的网络同步方式，以此来大大减少BTS之间的干扰。

▲就目前的现状来看，相比于WCDMA和cdma2000而言，着重对TD-SCDMA进行投资和大力宣传的厂商相对较少，也仅仅有中国的大唐集团与西门子公司在开发而已。

2.2.4 三种标准与GSM的技术分析比较

GSM、WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA几种不同的体制，由于结构上的较大差异，因此它们彼此在频率规划、功控规划、切换规划、干扰控制等方面都存在着很多差别。分别如表2.2.4-1四种网络结构的功率控制差异、2.2.4-2四种网络结构的频率规划差异、2.2.4-3四种网络结构的切换规划差异、2.2.4-4四种网络结构的干扰控制差异所示。

表2.2.4-1 四种网络结构的功率控制差异

表2.2.4-2 四种网络结构的频率规划差异

表2.2.4-3 四种网络结构的切换规划差异

表2.2.4-4 四种网络结构的干扰控制差异

3 3G移动通信网络发展现状及未来趋势

3.1 3G在我国的发展现状及趋势

其实早在1999年，中国通信标准化协会就成立了很多相关单位，对3G移动通信技术的三大体制进行了研究，而对3G三大标准的起草和审核等决定却是在2004年初开始的。这一工作是根据前几年内编订的大量研究报告为基础，结合了3G的各种现场试验以及模拟试验才最终完成了以四个子体系为基础的3G系列标准，这四个子系列包含了TD-SCDMA、cdma2000、WCDMA和业务的应用等几个方面，总共多大98项的起草工作，这样的一系列措施为3G技术在我国以后的商用铺下了强大的理论基础。

在3G技术的大力发展下，随着以更高带宽更大容量和更优质的服务质量为目的的无线接口技术的的出现，3G核心网实现了朝着全IP得网络架构的方向全面发展。

3.2 3G全球发展现状及趋势

截止于2004年九月份，仅在3G核心频段发放的许可证全球就已达到了120张之多，其中时分与频分模式的组合就有100张，这也是很多位于欧洲的运营商采用的模式。这其中，WCDMA技术下的就有116张，使用的国家达19个，网络数量更是达到38个之多，用户数量超过1000万；而采用时分技术的许可证也有101张，但是商用网络却暂未出现；cdma2000的牌照只有3张，也未有商用网络出现，但是cdma2000升级之后的cdma2000 1x和1x EV-DO/1x EV-DV，却有了80个商用网络，用户数量也达到了1.13个亿，其中

EV-D0单独拥有的用户就达到了930万。

由于中国印度等发展中国家的影响，到2010年底全球的移动覆盖率达到了百分之80左右，因为3G用户的主要增加来源基本上都属于这些发展较快的发展中国家，但是这也导致移动市场慢慢接近饱和，如今，移动用户的增长趋势已经放缓了，但是3G的发展对于整个市场的影响却不会因此停下脚步。预测经历这样的变化之后，今后通信市场的主流将会以3G+技术为主了，而HSPA用户所占比例将会大大上升，也将成为3G用户的另一种增长来源。

从大众消费的主要目标来看，中低端智能手机也还会持续增长，随着高端智能手机的能力逐步以PC化的形式表现出来，无论是在计算还是处理储存性能等方面朝着PC方向靠近，因此高端智能终端整体上面逐步走低，使用范围持续扩大。原本依托于劳动化和标准化以及通用化的成本降低。

从浏览器的发展来看，由于浏览器逐步发展为新型载体，这也就标志着应用商店的形式会飞速发展更新，进入一个持续高速发展的阶段，并伴着智能手机的类型的增加继续扩大，最终变成一个通用下载平台。这些应用的来源将非常广泛，如来至于智能手机、电子书、平板电脑等。随着这些程序商店的继续壮大，最终跨越终端和浏览器的服务也将会随之出现，这其中，有一个比较的就是web和一些操作系统的应用商店的相互竞争了，web的应用商店的最大特点是产品使用起来灵活、丰富，操作系统的应用商店则比较实用。伴着GTML5的出现，web应用得到了大大增强，那么基于操作系统的应用软件甚至会因为web的挑战而改变经营模式。

总体来说3G的新用户还是会不断增长，由此可见，3G引领的潮流将不会突然止步。

4 结束语

如今的3G时代，在HSPA的推动下快速发展，直到发展至后3G网络时代，紧接着将向4G时代的来临埋下铺垫，这种过度从3GPP R8所提出的SAE跟LTE理论可以看出来，两者为后期无线网络的演进方向、分组核心网络的发展道路奠定了基础和明确了方向。

在未来的通信模式中，多媒体数据交互将成为主流，所以LTE或者SAE都在进行分组交换域规划，同时，分组交换域的承载也完全可以作为以往电路交换业务的基础。而增强用户对高速率传输的感知度以及降低系统时延、增强系统的BTS覆盖率和提高系统容量、降低运营成本、对非3GPP的所拥有的其他技术如更灵活的移动性等优点进行整理收集等，也成为了开发SAE过程中所明确的三大工作目标，确立3GPP在未来很长一

段时间内的竞争力。

如今，在不考虑已经逐步兴起的LTE技术的前提下，可以说WCDMA作为3G移动通信的标志技术已成为了当代通信技术的主流技术，这是因为WCDMA已经将数据业务的传输速率提升到了40Mbit/s，任何媒体基本上都能通过计算机中的应用软件轻松进行传递。在话音业务处理上，WCDMA充分而有效地利用宽频带，将声音处理、数据连接、图片传送、互联网的急速连接都处理得非常顺畅，除此之外，MPEG-4技术也被WCDMA充分结合利用，以此来处理一些动态图像从而达到真实效果。在这样的条件下，人与人间的交流和沟通障碍会被大大打破，因为网络的高速传输将转变为各种新颖的模式以应用程序的方式展现出来。在以上论述的各种强大通信技术的基础上，伴随着13年4GLTE牌照的发放，无线通信技术将快速迈向4G通信技术时代，而作为奠定基础的3G时代或许会昙花一现，但是奠定的深厚基础将使得无论今后的通信技术发展到何种高度，我们终能在其身上发现3G的影子。

首先衷心地感谢我的指导老师孙老师，对于专业基础如此强的文章来说，没有孙老师的悉心指导是绝对无法完成的，一条明确的思路更是非常重要。

然后要感谢所有给我传授我知识的老师，如果没有大学期间每一位老是的悉心指导，每一位老师的传授，也就没有了这篇文章的基础。

更要感谢那些对我学习上支持和鼓励的人。同时感谢所有关心帮助过我的同学及朋友。

最后要感谢的是我的父母和家人，如果没有你们的良苦用心，和一如既往的支持与鼓励，也就没有今天，四年来的点点滴滴，都伴随着家人的无私支持和奉献，快乐的事情因为有你们的分享而更快乐，失意的日子因为有你们的关怀能忘却伤痛，坚强前行。无论我成功与否，你们总以鼓励的言语告诉我很棒，谢谢你们，我会努力向前行，相信终会迎来美好的明天。

总之，在以后的学习生活中我将以加倍的努力对给予我帮助的人回报。

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