RM1 移动网络简介和多址接入

简介

蜂窝网络

蜂窝网络由多个小区（Cell）组成，每个小区由一个基站（Base Station，BS）覆盖，并配备全向天线。

  • 每个小区的大小取决于以下因素：环境条件（如室外、室内等），发射功率，数据传输速率等
  • 涉及的规划内容包括：覆盖范围，容量规划

蜂窝网络的特点：

  • 网络的一部分是无线连接
  • 包含核心网（Core Network）和无线接入网（Radio Access Network，RAN）
  • 不同代际（2G、3G、4G）的网络架构存在差异

不同代际的网络结构

2G网络架构（左图）

  • 无线接入网（BSS：Base Station Subsystem）
    • MS（Mobile Station）：移动终端，BTS（Base Transceiver Station）：基站，BSC（Base Station Controller）：基站控制器
    • 一个区域内有多个BTS和少量BSC。
  • 核心网络（NSS：Network and Switching Subsystem）
    • MSC（Mobile Switching Center）：移动交换中心（每个国家仅有少量），HLR（Home Location Register）：归属位置寄存器，VLR（Visitor Location Register）：访客位置寄存器，AuC（Authentication Center）：认证中心
  • 通信特点
    • 各个实体之间的通信通过标准化接口和协议standardized interfaces and protocols实现。
    • 各实体间的连接可以是直接连接或更复杂的网络连接。

3G网络架构（右上）

  • 终端（Terminal）
    • USIM：用户身份模块，ME：移动终端设备
  • 接入网（Access Network）
    • Node B：基站，RNC（Radio Network Controller）：无线网络控制器，UTRAN（UMTS Terrestrial Radio Access Network）：UMTS地面无线接入网
  • 核心网络（Core Network）
    • MSC/VLR：移动交换中心/访客位置寄存器，GMSC（Gateway MSC）：网关交换中心，HLR：归属位置寄存器，SGSN（Serving GPRS Support Node）：服务GPRS支持节点，GGSN（Gateway GPRS Support Node）：网关GPRS支持节点
  • 与其他网络的互联
    • 支持与外部网络（如互联网、PLMN、PSTN）的连接。

4G网络架构

  • 特点
    • 以基站为中心设计架构，降低整体延迟。
    • 通过MME（Mobility Management Entity）完成初始认证。
  • 架构组成
    • EPC（Evolved Packet Core）：演进分组核心网
      • MME：移动性管理实体，S-GW（Serving Gateway）：服务网关，P-GW（PDN Gateway）：分组数据网关
    • eNodeB（Evolved Node B）：演进基站
    • 核心网络包括对数据网络和语音网络（如PSTN）的支持。

无线接入网（Radio Access Network, RAN）

  • 用户设备（UE）由两部分组成：
    • 移动设备（Mobile Equipment, ME）：用于通过接口 \(U_u\) 进行无线通信的终端设备。
    • UMTS用户身份模块（USIM）：一种智能卡，用于存储用户身份、执行认证算法，并保存加密密钥及终端所需的订阅信息。
  • 无线接入网（RAN）包含两个独立的元素：
    • Node B（基站）：负责在接口 \(I_{ub}\) 和 \(U_u\) 之间转换数据流，同时参与无线资源管理。
    • 无线网络控制器（RNC, Radio Network Controller）：管理其域内的无线资源（连接的Node B），并为所有服务（例如用户设备的连接管理）提供访问点。

核心网络（Core Network）

  • HLR（Home Location Register，归属位置寄存器）：
    • 位于用户归属系统中的数据库，存储用户服务配置的主副本，包括允许的服务信息、漫游限制区域、呼叫转移状态等。
    • 记录用户位置，便于路由呼叫或短消息事务。
  • MSC/VLR（移动服务交换中心/访客位置寄存器）：
    • MSC：负责电路交换（CS）事务的交换功能。
    • VLR：存储访问用户的服务配置副本及位置信息。
    • 该部分通常称为电路交换域（CS域）。
  • GMSC（网关移动交换中心）：
    • 连接外部CS网络（如公共电话交换网PSTN）的节点。
  • SGSN（Serving GPRS Support Node，服务GPRS支持节点）：
    • 类似于MSC/VLR，但主要用于分组交换（PS）服务。
    • 访问SGSN的网络部分通常称为分组交换域（PS域）。
  • GGSN（Gateway GPRS Support Node，网关GPRS支持节点）：
    • 与GMSC功能类似，但与PS服务相关联。

电路交换（CS）和分组交换（PS）

电力交换

  • 在通信双方（如两个电话用户）之间建立一个固定的通信路径（电路），这条路径会在整个通信过程中独占使用。
  • 只有当通信结束后，这条路径才会释放给其他用户使用。
  • 固定路径，资源独占，连续传输，延迟较低，效率较低。

分组交换

  • 数据在发送前被分割成一个个独立的小单元（称为分组或包，Packet），每个分组携带目的地址和其他必要信息。
  • 分组通过网络的不同路径独立传输，到达目的地后再按照顺序重组。
  • 动态路径，资源共享，高效利用，允许延迟，灵活性强
特性 电路交换 分组交换
连接模式 需建立固定连接 无需固定连接
资源利用 独占资源，效率低 动态分配资源，效率高
传输模式 连续传输数据 分组传输
适用场景 实时通信（如语音） 数据通信（如网页浏览、电子邮件）
延迟 延迟低，但建立连接时间较长 延迟高，适合容忍一定延迟的场景
可靠性 连接稳定、无丢包 网络拥塞时可能丢包

多址接入 Multiple Access

多用户通信简介 introduction of multi-user communications

双工 duplexing

时分双工和频分双工，用于分离信号输入和输出。

多用户接入 Multiple Access Techniques

  • 无冲突方式 conflict free methods
    • 在时间（TDMA，时分多址，红色图像）、频率（FDMA，频分多址，蓝色图像）、码（CDMA，码分多址，绿色图像）上分离信号。
    • 这些技术称为正交接入技术。
  • 争用方式 contention-based methods
    • 基于概率的接入/传输（如 Aloha、时隙 Aloha、CSMA 等）。

码分多址接入 Code-Division multiple access (CDMA)

基本原理 main concept

设用户1发送：\(x_1^i, x_2^i, \ldots, x_k^i, \ldots\)，用户2发送：\(x_1^i, x_2^i, \ldots, x_k^i, \ldots\)

用户1设置编码：\(c_0^i, c_1^i, \ldots, c_{L-1}^i\)，为用户2设置编码：\(c_0^j, c_1^j, \ldots, c_{L-1}^j\)

并保证两组编码正交orthogonal ，即：

\[ \sum_{l=0}^{L-1} c_l^i c_l^j=0，\frac{1}{L} \sum_{l=0}^{L-1}\left(c_l^i\right)^2=1 \]

由此，使用户传输的信号为：

\[ \underbrace{x_1^i c_0^i, x_1^i c_1^i, \ldots, x_1^i c_{L-1}^i}_{x_1^i}, \underbrace{x_2^i c_0^i, x_2^i c_1^i, \ldots, x_2^i c_{L-1}^i \ldots,}_{x_2^i} \underbrace{x_k^i c_0^i, x_k^i c_1^i, \ldots, x_k^i c_{L-1}^i}_{x_k^i}, \ldots \]

即可实现码分多址接入。在解析时，将传输信号与编码相乘即可解码：

\[ \frac{1}{L}\left[\begin{array}{llll}x_k^i c_0^i & x_k^i c_1^i & \cdots & x_k^i c_{L-1}^i\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}c_0^i \\c_1^i \\\vdots \\c_{L-1}^i\end{array}\right] \]

CDMA没有损失信息

\[ \begin{aligned}& \frac{1}{L}\left[\begin{array}{llll}x_k^i c_0^i & x_k^i c_1^i & \cdots & x_k^i c_{L-1}^i\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}c_0^l \\c_1^i \\\vdots \\c_{L-1}^i\end{array}\right]=\frac{1}{L}\left(x_k^i\left(c_0^i\right)^2+\right. \\& \left.x_k^i\left(c_1^i\right)^2+\ldots+x_k^i\left(c_{L-1}^i\right)^2\right)=x_k^i \frac{1}{L} \sum_{l=0}^{L-1}\left(c_l^i\right)^2=x_k^i\end{aligned} \]

编码和解码

CDMA能够区分不同用户的接入

在编码之后，基站接收的信号为：

  • 用户1：

\[ \underbrace{x_1^i c_0^i, x_1^i c_1^i, \ldots, x_1^i c_{L-1}^i}_{x_1^i}, \underbrace{x_2^i c_0^i, x_2^i c_1^i, \ldots, x_2^i c_{L-1}^i}_{x_2^i} \ldots, \underbrace{x_k^i c_0^i, x_k^i c_1^i, \ldots, x_k^i c_{L-1}^i}_k, \ldots \]

  • 用户2：

\[ \underbrace{x_1^j c_0^j, x_1^j c_1^j, \ldots, x_1^j c_{L-1}^j}_{x_1^j}, \underbrace{x_2^j c_0^j, x_2^j c_1^j, \ldots, x_2^j c_{L-1}^j}_{x_2^j} \ldots, \underbrace{x_k^j c_0^j, x_k^j c_1^j, \ldots, x_k^j c_{L-1}^j}_{x_k^j}, \]

  • 混合后的信号：

\[ \underbrace{x_1^i c_0^i+x_1^j c_0^j, x_1^i c_1^i+x_1^j c_1^j, \ldots, x_1^i c_{L-1}^i+x_1^j c_{L-1}^j}, \underbrace{x_2^i c_0^i+x_2^j c_0^j, x_2^i c_1^i+x_2^j c_1^j, \ldots, x_2^i c_{L-1}^i} .\\, \ldots, x_k^i c_0^i+x_k^j c_0^j, x_k^i c_1^i+x_k^j c_1^j, \ldots, x_k^i c_{L-1}^i+x_k^j c_{L-1}^j, \ldots \]

解析第一个用户的信号：

\[ \begin{aligned}& \frac{1}{L}\left[x_k^i c_0^i+x_k^j c_0^j \quad x_k^i c_1^i+x_k^j c_1^j \quad \ldots x_k^i c_{L-1}^i+x_k^j c_{L-1}^j\right]\left[\begin{array}{c}c_0^i \\c_1^i \\\vdots \\c_{L-1}^i\end{array}\right]= \\& \frac{1}{L}\left(x_k^i\left(c_0^i\right)^2+x_k^i\left(c_1^i\right)^2+\ldots+x_k^i\left(c_{L-1}^i\right)^2\right)+\frac{1}{L}\left(x_k^j c_0^j c_0^i+\right. \\& \left.x_k^j c_1^j c_1^i+\ldots+x_k^j c_{L-1}^j c_{L-1}^i\right)=x_k^i \frac{1}{L} \sum_{l=0}^{L-1}\left(c_l^i\right)^2+x_k^j \frac{1}{L} \sum_{l=0}^{L-1} c_l^i c_l^j=\boldsymbol{x}_{\boldsymbol{k}}^i\end{aligned} \]

解析第二个用户的信号：

\[ \begin{aligned}& \frac{1}{L}\left[\begin{array}{llll}x_k^i c_0^i+x_k^j c_0^j & x_k^i c_1^i+x_k^j c_1^j & \ldots & \left.x_k^i c_{L-1}^i+x_k^j c_{L-1}^j\right]\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}c_0^j \\c_1^j \\\vdots \\c_{L-1}^j\end{array}\right]= \\& \frac{1}{L}\left(x_k^j\left(c_0^j\right)^2+x_k^j\left(c_1^j\right)^2+\ldots+x_k^j\left(c_{L-1}^j\right)^2\right)+\frac{1}{L}\left(x_k^i c_0^i c_0^j+\right. \\& \left.x_k^i c_1^i c_1^j+\ldots+x_k^i c_{L-1}^i c_{L-1}^j\right)=x_k^j \frac{1}{L} \sum_{l=0}^{L-1}\left(c_l^j\right)^2+x_k^i \frac{1}{L} \sum_{l=0}^{L-1} c_l^i c_l^j=\boldsymbol{x}_{\boldsymbol{k}}^{\boldsymbol{j}}\end{aligned} \]

可见两个用户的信号没有混合。

双用户情况下的编码和解码