第6章 CDMAIS95AIS95B数据网络.docx

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第6章CDMAIS95AIS95B数据网络

第6章CDMAIS-95A/IS-95B数据网络

无线移动产业取得的巨大成功促进了新技术的研究，以便增加无线通信系统容量而不需要额外的频谱。

码分多址（CDMA）就是这样一种用于满足容量增长需要的数字技术。

它提供了增加的频谱效率，换句话说，它允许多个用户更有效地共享相同的无线频谱。

它相对于现有的模拟系统和与之进行竞争的数字技术的实际改善程度现在仍然是一个激烈争论的问题。

CDMA是扩展频谱通信技术，这意味着它不再将频谱划分成窄带信道（例如，每个信道30kHz），并且给每个信道分配一个（AMPS）或多个（例如，TIA/EIA/IS-136TDMA）话音用户，它将包含于特别感兴趣信号中的信息在比原始信号宽得多的频带上进行扩展。

CDMA呼叫将64kbit/s数字流压缩成标准的传输速率9600bit/s（或14400bit/s）。

然后将传输速率扩展到1.2288Mbit/s。

通过将每个用户所独有的数字码字应用到蜂窝中与用户相关联的数据比特上实现扩频。

扩频信号与此蜂窝中所有其他用户的信号一起在1.25MHz的信道上传输。

当接收到信号后，将所应用的码字从所需要的信号中移去，将用户分离开，并将呼叫的传输速率恢复到9600bit/s（或14400bit/s）。

将这种主信道称作为基本信道（FCH）。

在美国，将频谱划分成两个频段：

一个是用于普通公用移动电话业务的800MHz频段，而另一个是用于PCS业务的1900MHz频段。

运行于800MHz频段的新的数字无线技术需要与AMPS兼容。

在图6-1中给出了为CDMA分配的频谱。

基于CDMA的数字通信系统的网络功能在表6-1中列了出来。

网络功能

相关标准

系统间的操作

TIA/EIA/IS-41-D

移动交换中心与基站之间的接口（A接口）

TIA/EIA/IS-634

基于7号信令系统的A接口

TIA/EIA/IS-651

用于800MHz频段的无线功能在TIA/EIA/IS-95-A和TIA/EIA/IS-95-B规范中指定，并且包括与AMPS兼容的规范。

而用于l900MHz频段的无线功能在ANSIJ-STD008规范中指定。

从本质上来说，在这两个标准之间与CDMA相关的功能没有什么区别。

无线数据的业务选项在规范TIA/EIA/IS-707中定义。

TIA/EIA/IS-95-A规范的制定主要是为了提供增加的话音容量。

最初对数据的支持受限于电路交换（CS）数据。

CS数据要求在数据呼叫持续的所有时间内都要保持网络中端点之间的专用连接。

这就意味着要一直保持专用无线信道，即使没有数据需要传送。

然而，对于大多数应用，数据业务具有突发性，若使用CS数据业务，它将导致稀有无线频谱的利用率不高。

图6-1在美国CDMA分配的频谱

因此随着对数据业务研究和开发的不断增长，标准得到了增强，包括支持分组交换（PS）数据。

最终制定了标准的取代版本，命名为TIA/EIA/IS-95-B，它包括对高速PS数据业务的支持，最高的数据传输速率可以达到115.2kbit/s。

它是通过引入新的称为补充码信道（SCH）的空中信道来实现数据传输速率的增加，补充码信道的数据传输速率为14.4kbit／s。

最多可以同时分配7个补充码信道来提供高速连接。

在下表中列出了由TIA/EIA/IS-95-A/B标准所提供的数据业务能力。

标准

最大数据传输速率

数据业务

TIA/EIA/IS-95-A

14.4kbit/s（只使用FCH）

CS，PS，SMS

TIA/EIA/IS-95-B

115.2kbit/s（1个FCH+7个SCH）

CS，PS，SMS

PS数据业务的工作原理不同于CS数据业务，并且利用了数据业务的突发特征。

不同于连续地保持无线信道，PS数据呼叫只在数据传输期间占用无线信道。

在完成数据突发传送后就迅速释放无线信道。

这将导致频谱利用率得到显著提高，而付出的代价只是引入了很小的时延。

6.1结构描述

IS-95-A/IS-95-B无线数据网络附属于基于IS-4l的话音网络。

无线数据网络由移动交换中心（MSC）、交互功能（IWF）、公共分组数据网络（PPDN）、公共交换电话网络（PSTN）、归属用户位置寄存器（HLR）、访问用户位置寄存器（VLR）、数据通信设备（DCE）、数据终端设备（DTE）和调制解调器组成。

用于CS数据以及用于PS数据的网络结构分别在图6-2和图6-3中示出。

在随后的小节中将介绍前述结构组成中的各种节点，但是像HLR和VLR这些在无线通信技术中常用的节点就不介绍了。

图6-2无线电路交换数据网络的结构

6.1.1数据终端设备

终端设备在标准的DCE/DTE关系中担当了DTE。

终端设备与和它相关联的DCE之间的通信是通过标准的异步串行输入来实现的。

终端设备使用一组AT命令——“AT”序列称为“注意命令（ATTENTIONCOMMAND）”序列——来控制由DCE提供的业务。

在移动台具有WAP功能的情况下，MS既担当DCE也担当DTE。

6.1.2数据通信设备

在无线侧，移动台担当了标准DCE/DTE关系中的DCE。

它将从DTE接收的数据流分组化，并通过空中信道传送到蜂窝基础网络。

图6-3无线分组交换数据网络的结构

6.1.3移动交换中心

在绝大部分情况下，MSC将CS数据呼叫当作正常的话音呼叫来对待。

但是它在支持分组数据业务中起着非常边缘的作用，而它的主要作用是将呼叫寻路到IWF。

另外，MSC负责控制系统间切换、漫游以及支持无线数据业务无缝运行的呼叫传送能力。

6.1.4交互功能

IWF所起的作用就是在CDMA通信系统中的数字业务与所连接的有线话音和IP网络中的业务之间起翻译器的作用。

它将协议、信令和所传送的数据翻译成合适的格式，此格式与CS和PS网络都兼容。

对于CS或传真数据呼叫，IWF终止空中链路协议组并且将数据转换成标准的有线调制解调器的调制。

而在与PPDN连接时的PS数据情况下，IWF终止空中链路协议组并且为PPDN中的分组化的数据进行路由选择。

IWF在数据呼叫持续期间支撑PSTN呼叫中也起作用。

这将保证在无线数据呼叫切换到另外一个MSC的时候保持业务的连续性。

作为一个例子，如果在传送数据经过PSTN时发生载波中断，数据调制解调器可能发生掉话，而传真调制解调器也可能发生掉话或造成寻呼错误。

在呼叫持续期间，IWF位于支撑MSC中。

6.1.5基站

在标准中定义的基站功能通常将其划分成两个分离的实体：

基站控制器（BSC）和基站发射/接收机子系统（BTS）。

1．BSC

BSC包括无线链路管理、蜂窝移动性管理和数据处理（RLP的功能）功能。

另外，它包括一些所需要的功率控制功能，将为BTS提供有关功率控制门限的反馈。

2．BTS

BTS将在MS和BSS之间提供TIA/EIA/IS-95的空中接口。

它负责对空中接口帧进行解码/编码，并且将它们传送到BSS或MS。

另外，它通过控制对每个信道的功率分配来执行功率控制功能。

6.1.6调制解调器

调制解调器代表V.x系列标准的标准有线调制解调器，它需要支持V．21、V．22、V．22bis、V.32、V.32bis、V.42bis、V.17、V.27ter和V.29，而对V.34、Bell-103和Bell-212A的支持是可选的。

调制解调器代表标准的模拟和数字传真机以及允许用户连接到Internet业务提供（ISP）的调制解调器池。

6.2协议结构

在本节中，我们将深入研究构成协议栈的层，这些协议用于MS和IWF之间基于CDMA的无线数据。

最初基于CDMA的无线数据配置限于规范TIA/EIA/IS-99所指定的CS数据，随后在规范TIA／EIMS-657中定义了对PS数据的支持。

后来，这些标准被合并成一个替代标准，由规范TIA／EIMS-707定义。

随着引入TIA／EIA／IS-95-B标准，TIA／EIA/S-707得到增强，使其包括高速PS数据，产生一个新的版本TIA／EIA/IS-707-A。

可以将协议栈结构划分成3个独特的类别：

●异步数据和三类（数字）传真

●模拟传真

●分组数据

对于绝大部分，模拟传真类似于三类数字传真。

根本的区别是在模拟传真情况下，Rm接口由RJ-11接口替代，DTE是用户传真机，并且在应用接口层上引入模拟传真层。

对于我们的目标，介绍异步数据和三类传真协议栈结构就足够了。

6.2.1异步数据和传真的协议栈结构

用于异步数据和传真的协议栈在图6-4中显示出来。

对于模拟传真，在图6-4中，定义Rm接口的EIA-232接口由RJ-11接口代替，并且异步数据或传真层由模拟传真层代替。

图6-4异步数据和三类传真的协议栈结构（电路交换数据）

1．应用层

应用层由DTE上的异步数据或传真用户应用和DCE以及IWF上与之相关联的应用层接口组成。

除空中接口数据压缩和实际数据压缩协商之外，应用层接口还提供调制解调器控制以及AT命令处理功能。

来自传送层的数据流由应用层接口解析并从中抽取所有选项协商命令。

本地AT命令由应用接口层处理，而剩余的数据由DTE传送给Rm接口，或者由IWF传送给PSTN数据或传真调制解调器。

来自Rm接口，或者PSTN数据或传真调制解调器接口的数据流由MS和IWF进行整理，并插入到任意带内命令或选项协商命令中。

另外，MS的应用层接口也进行抽取和处理所有依赖于本地时间的调制解调器的控制命令。

2．传送层

传送层为上层和用户数据交换提供可靠的传送业务。

它基于传送控制协议（RFC793），并且在规范RFC1122中对其做了一些改进。

此差错恢复功能保证在移动台与IWF之间需要处理系统间切换和硬切换时的数据完整性。

3．网络层

网络层包括在规范RFC791中定义的Internet协议（IP）和在规范RFC792中定义的Intemet控制消息协议（ICMP），在规范RFC1122中对ICMP作了一些改进。

一个关键性的限制是在空中接口上不能对IP数据报进行分段。

IP提供独立于底层网络类型的全球范围内可寻址的能力，而ICMP控制IP层的各方面。

在CS数据呼叫建立之上，IWF为用户会话分配一个暂时使用的IP地址。

这个IP地址只有在呼叫持续期间对MS是惟一的。

4．链路层

链路层提供端到端链路管理、复用和形成帧业务。

它由点到点协议（PPP）、链路控制协议（LCP）以及Internet协议的控制协议（IPCP）组成。

链路层连接状态机由两个状态构成：

关闭和开放。

在关闭状态，没有已建立的链路层连接。

在开放状态，有已建立的链路层连接。

PPP提供帧的形成、CRC检查和控制消息。

LCP为MS和IWF提供用于链路建立和各种PPP选项协商的机制。

IPCP提供在会话建立时用于协商IP地址以及来自IWF的报头压缩的机制。

子网决定的汇聚功能（SNDCF）实际上执行传送层报头和网络层报头的压缩。

5．中继层

中继层的范围跨越Rm、Um和L接口。

它由支持上层所需要的物理信道和逻辑信道组成。

DTE和DCE之间的中继层称为Rm接口，并且由简单的EIA／TIA-232-E接El（串行链路）定义。

MS和BS之间的中继层称为Um接口，并且由无线链路协议（RLP）层和为数据传输提

供介质的底层物理层构成。

它由TIA／EIA／IS-95-A／B标准定义。

RLP是基于非确认的协议，并且提供使帧适合在空中传输的分段和重新组合功能。

另外，RLP层通过提供差错检测和分组重新传输来改善无线链路容易出差错的特征。

这就降低了由于数据丢失而对传送层重新传输的需求。

中继层也提供呼叫控制、予层复用以及无线链路管理功能。

MSC和IWF之问的中继层称为L接口，并且使用由规范TIA／EIA/S-658定义的协议。

它提供通过虚拟电路在MS和IWF之间传送终端用户数据的机制。

对于CS呼叫，为了代表调制解调器用户发起和终止话音频带调制解调器的呼叫，它提供到PSTN的接入。

标准并没有规定用于PS数据业务的PPDN与IWF的接口。

6.2.2分组交换数据的协议栈结构

对于协议栈的绝大部分，它都类似于CS数据的协议栈。

关键的区别是对链路层状态和中继层的增强。

分组数据协议栈在图6-5中显示出来。

图6-5PS数据的协议栈结构（中继层的Rm接口是可选的）

1．网络层

不像CS数据的协议栈，它对II）的支持是可选的。

替代的网络层协议是无连接网络协议（CNLP），在规范ISO-8473中定义；或者是CDPD协议，在规范TIA／EIA／IS-732中定义。

但是，最通用的实现还是通过对IP的支持。

2．链路层

为了支持PS数据业务，增强了链路层，将新的子状态引入到连接状态机中。

链路层连接状态可以处于两个主要的状态之一：

关闭和开放。

为了支持PS数据，对开放状态进行了增强，它包括两个子状态：

激活子状态和休眠子状态。

当数据正在MS和IWF之间传送时，处于开放状态的链路层连接，处于激活子状态。

在这种情况下，在IWF上存在一个用于MS的L接口虚拟电路，并且MS处于有分组数据业务选项的业务信道上。

当在MS和IWF之间没有数据需要传送时，处于开放状态的链路层连接处于休眠子状态。

在这种情况下，在IWF上没有用于MS的L接口虚拟电路，并且MS并不处于业务信道上。

但是，MS、BS／MSC和IWF保持链路连接状态信息（PPP会话信息）。

在处于休眠子状态期问，如果IWF或MS有数据要发送，那么它就不需要重新建立任何链路层连接（PPP会话）或重新初始化任何上层协议。

从休眠子状态向激活子状态的过渡只需要简单地在MS和BS／MSC之间建立空中业务信道。

3．中继层

正如在CS数据情况下一样，中继层的范围跨越Rm、Um和L接口。

对于Um接口，PS数据的中继层由无线链路协议（RLP）层和为数据传输提供介质的底层物理层构成。

通过为MS和BS／MSC中的无线链路引入呼叫控制状态机来提供对低速PS数据的支持（最高可达到14.4kbit/s）。

然而，不需要对物理层进行增强。

随着在与其竞争的技术中出现对高速数据的支持，例如GPRS，就引入了EIA／TIA／IS-95-B标准，它在Um接口增强了中继层来提供对高速数据的支持。

引入了一种新类型的物理业务信道，称为补充码信道。

补充码信道与原来TIA／EIA／IS-95-A中的业务信道有相同的特性，而现在这种业务信道称为基本信道。

增强了RLP层来提供对此新型信道的分配和释放，并且提供在基本信道和补充码信道之间的数据和控制帧的复用。

6.3数据业务

6.3.1无线Internet接入

基于CDMA的数字无线通信网络提供无所不在并具有鲁棒性的无线数据连接性来浏览Internet，以及发送或接收电子邮件。

用户只需简单地拨叫他们的ISP并登录到网络上。

它类似于通过调制解调器的有线拨号连接。

在CDMA网络中，MS担当无线调制解调器来提供与数据通信网络的连接。

一旦连接到网络上，用户就可以从任何地方浏览Internet并获得所有的Internet应用。

下面就是一些Internet应用：

●电子邮件

●万维网（文本、图片、声音和链接等等）

●文件传送协议（FTP）

●远端文件获取

●多媒体业务的获取（声音和视频）

对于绝大多数现有的支持无线Internet接入的网络，它们都依赖于电路交换数据。

为了解释呼叫建立过程这一目的，我们选择介绍BSC-MSC之间的信令，它们之间的接口是称为“A接口”的开放接口。

A接口在TIA／EIA／IS-634标准中定义。

然而，对于BSC／MSC之间的接口，我们谨慎地注意到绝大多数供应商都有自己的实现方案。

图6-6显示出了用于CS异步数据呼叫的呼叫流程图。

图6-6移动台初始化的异步数据呼叫建立的消息流程图

用户通过在DTE（计算机）上键入适当的AT命令来初始化CS异步数据呼叫。

DTE通过Rm接口将AT命令前转到DCE（MS）。

接收到ATD命令后，MS通过将调制解调器服务器端口（380）作为目的地端口来发送OPEN呼叫进行传送层的初始化，但没有指定源和目的地IP地址。

为了建立CS数据呼叫，MS然后就发送有数据业务选项的起呼消息（OriginationMessage）向基站发出请求。

然后BSC构建CM业务请求消息（CM-Service-RequestMessage），并将这种带有异步数据呼叫业务标识的消息发送到MSC。

MSC识别出此请求是请求数据业务，用SCCP连接确认消息（SCCP-Connection-ConfirmedMessage）来响应，以便完成SCCP连接的建立而不需要分配任何有线PSTN电路。

然后它通过向BSC发送分配请求消息（Assignment-RequestMessage）来初始化无线链路的建立。

为了完成无线链路的建立，BSC和MS就要在由TIA／EIA／IS-95-A／B指定的Um接口上交换适当的消息。

一旦移动台成功地获取了业务信道，而且完成了合适的业务协商，BSC就向MSC发送分配完成消息（Assignment-CompleteMessage）。

在此过程期间，初始化了RLP层来支持CS数据业务选项。

成功地接收到分配完成消息（Assignment-CompleteMessage）就触发了MSC来建立IWF与移动台之问的数据路径。

为了完成这一任务，它通过TIA／EIA／IS-658指定的L接口交换消息。

它根据ANSIT1.617来构造SETUP消息（SETUPMessage）并将此消息发送到IWF。

在接收到SETUP消息以后，IWF用CONNECT消息（CONNECTMessage）来响应，以表明分配了中断。

MSC用CONNECT-ACK消息（CONNECT-ACKMessage）来响应，并且完成L接口虚拟电路的打开和分配。

IWF中继层用信令告知IWFPPP层此事件的发生。

然后IWF中的PPP层和IPCP层执行自我配置，如TIA／EIA／IS-707-A所指定的那样。

然后IWF向MS发送带有将IP地址参数设置成IWF的地址的IPCP配置请求消息（Configure-RequestMessage）。

MS将此IP地址存储到传送层连接的目的地IP地址域（此域在此前是空的）。

移动台用它自己的IPCP配置请求消息（Configure-RequestMessage）来响应，并且此消息中的所有IP地址域都设置为零。

这是向IWF表示需要为MS分配IP地址，IWF为MS分配IP并将分配给MS的IP地址包含在发送给MS的配置——非确认消息（Configure-NakMessage）中，然后它通过发布OPEN呼叫来初始化传送层，在OPEN呼叫中，将调制解调器服务器的端口（380）作为本地源端口，将它自己的IP地址作为本地源地址，但不指定外部网络的地址和端口号码。

MS从接收的配置——非确认消息（Configure-NakMessage）中抽取IP地址并将其存储到传送层连接中的源IP地址域（此域在此前是空的），从此完成了它的传送层连接以及PPP连接的建立。

PPP层的建立触发了MS将ATD命令前转到IWF。

ATD命令的接收触发IWF进入到建立通过PSTN的与数据呼叫目的地连接的过程，它是通过按照ANSIT1.607构建SETUP消息（SETUPMessage）并将其发送到MSC的方法实现的。

在MSC初始化建立PSTN连接的过程时它用CALL-PROCEEDING消息（Call-PROCEEDINGMessage）来响应。

一旦分配了PSTN电路，MSC将向IWF发送CONNECT消息（CONNECTMessage）。

这就完成了端到端电路连接的建立，并且使应用的双方能够开始互相通信。

由现有TIA／EIA／IS-95-B的CDMA网络提供的连接决不能与由电话网络提供的连接相比较。

用于PS数据业务的呼叫建立反映出了CS数据业务的呼叫建立，但是增强了提供更高数据传输速率的补充码信道的分配和释放。

尽管标准允许数据传输速率达到115kbit／s，但是极少有制造商选择实现此功能，而绝大多数的数据传输速率限制在14.4kbit／s。

出现这种情况的主要原因是CDMA标准已经快速演进到第三代标准，它提供了真正的PS能力。

这个称为cdma2000的标准将在第10章中进行详细介绍。

6.3.2短消息业务

在引入无线数据之前，只有短消息业务（SMS）机制用于传送数据。

SMS是发送和接收具有有限数量字符的消息，并直接在你的MS上显示的能力。

SMS允许你的电话成为一个文字与数字的寻呼机。

消息可以在公用信道上传送，或者在专用业务信道上传送，此公用信道在TIA／EIA／IS-95通信网络中称为寻呼信道。

SMS网络由SMS中心（SMSC）、MSC和接入网络组成，而接入网络包括BSC和BTS。

消息登录特性、管理特性和消息传送能力分布在MSC和SMS消息中心（SMC）之间。

图6-7显示出了SMS网络的拓扑结构。

图6-7与SMS相关的网络单元

CDMASMS由标准。

TIA／EIA／IS-637定义，它基于TIA／EIA／IS-95标准组。

SMS业务由两种类型的业务组成：

SMS承载业务和SMS终端业务。

SMS承载业务被认为是基本功能，例如寻呼、文本消息和消息等待通知。

SMS终端业务是先进的业务，例如广播业务、预定传送、自主传送和数据库信息业务。

SMS承载业务由SMS中继层和SMS传送层来提供，而SMS终端业务由SMS终端业务层来提供。

对于空中传送，这些层驻留在TIA／EIA／IS-95A的链路层，而对于系统间的连接，这些层驻留在TIA／EIA／IS-4l的链路层。

在图6-8中图示出了一个SMS事务的例子。

图6-8SMS事务的一个例子

6.3.3安全的企业LAN／企业内部互联网接入

在基于CDMA技术的无线通信网络中，空中链路是加密的，为机密数据提供安全性。

这样就能够为安全地接入到企业LAN提供解决方案。

一些基于CDMA的业务提供者利用此能力来提供到企业LAN的虚拟私有网络（VPN）。

6.3.4数字传真和模拟传真

数字或三类传真业务使用标准的（前）CCITT传真协议来确定PSTN连接的条件以及端点传真单元的能力。

数据在基于数字的CS连接上传送。

数据在空中接口上以分组的形式传送，然后在传送到PSTN之前将其变换成数字PCM并传送到目的地传真单元。

模拟传真业务的工作方式与此方式类似。

6.3.5无线应用协议（WAP）的应用

无线数据应用的一个缺点是需要计算机或膝上计算机来获取它们，原因是MS缺乏处理能力和真实状态的显示。

此外，还有低的带宽、高的反应时间、不可预测的可用性和缺乏连接稳定性而造成的那些问题。

为了克服这些障碍，开发了一组标准，它们一起被称为无线应用协议（WAP）。

WAP协议组的组成要素是无线标记语言（WML）。

它类似于用于展示Internet上的环球网主页的超文本标记语言（HTMI。

），但是为了用于无线通信网络而进行了优化。

在基于WML的环球网主页上通过使用称为WMLScript的脚本语言来启用程序上和计算上的逻辑。

使用这些和其他WAP单元可以提供类似于环球网浏览（微浏览器）、较小的可下载的程序、与浏览器合并的电话功能以及推送（push）业务的信息业务。

6.3.6展望未来

尽管通过引入TIA／EIA／IS-95-B标准可以实现更高的数据传输速率，但是绝大多数供应商选择了不实现此功能。

主要原因是补充码信道是固定的数据传输速率。

因此，为了提供更高的数据传输速率链路，最多必须分配和管理8个分离的信道。

这极大地增加了实现的复杂性。

cdma2000标准通过允许可变速率的补充码信道降低了这种实现的复杂性。

单一可变速率的补充码信道可以支持的数据传输速率的范围是从9.6kbit/s到153.6kbit/s，因此降低了维持多个信道的复杂性。

另外，cdma