蜂窝移动网络技术：计算机网络导读

前文介绍过的Wi-Fi技术可以使移动终端通过无线局域网接入互联网，但是，接入网络的设备必须是处于Wi-Fi热点的覆盖范围之内。就目前的技术水平来说，民用无线AP设备所能支持的热点覆盖范围直径为10～100 m，且Wi-Fi热点需要人为事先搭建，并非无处不在，所以，如果想随时随地都能够接入互联网，仅依靠Wi-Fi是不够的。

近年来，蜂窝无线通信网络发展非常迅速。蜂窝移动通信又称为小区移动通信，它的特点是将整个网络服务区划分为若干小区（cell，也就是“蜂窝”），每个小区设置一个基站，负责本小区各个移动站的联络与控制。目前，蜂窝移动通信网络的信号覆盖范围已经相当广泛，人们经常活动的场所基本上都可以进行可靠的无线通信，比Wi-Fi无线局域网的覆盖范围要大得多。所以，如果希望能够在移动的状态下随时接入互联网，利用蜂窝无线通信网是一个非常理想的选择。蜂窝无线通信技术是一门相当复杂的技术，本书仅对其进行简单的介绍。

1.蜂窝移动通信的发展历程

第一代蜂窝移动通信即1G（Generation）网络，它是为语音通信所设计的模拟FDM系统。目前，1G网络已经被淘汰。

第二代蜂窝移动通信即2G，它的代表性体制是最为流行的GSM系统。GSM系统使用的带宽只有200 kHz，因此除了基本的语音通信之外，只能提供低速的数字通信（短信息业务）。为了能够提供接入到互联网的服务，2G蜂窝移动通信系统增加了GPRS和EDGE等技术。GPRS和EDGE技术依然属于2G技术，但是要比2G更好一些，通常来说，GPRS为2.5G技术，EDGE为2.75G技术，这说明GPRS和EDGE是从2G向3G过渡的衔接性技术。

第三代蜂窝移动通信即3G，它的使用带宽增大到5 MHz，采用IP体系结构和混合交换机制（电路交换和分组交换的混合），能够提供包括语音、数据、视频、邮件、网页等在内的移动宽带多媒体业务。3G有3个无线接口国际标准，即CDMA2000（中国电信采用的标准，由美国提出）、WCDMA（中国联通采用的标准，由欧洲提出）和TD-SCDMA（中国移动采用的标准，由中国提出），每一种标准提供的调制和编码方式都各不相同，多种移动通信标准的出现是由于不同厂商利益竞争的结果。3G蜂窝移动通信网络在兼顾2G功能的同时，重点强调了数据业务传输。

第四代蜂窝移动通信即4G。它的正式名称为高级国际移动通信（International Mobile Telecommunications-Advanced，IMT-Advanced），这个标准是国际电联无线电通信部门ITU-R在2008年3月提出的，我国工业和信息化部于2013年12月正式向运营商发放了4G牌照，宣告我国移动通信业务正式进入4G时代。4G数据率的目标峰值是：在固定或低速移动状态下为1 Gb／s，在高速移动状态下为100 Mb／s。可见，目前世界各国宣称的4G蜂窝无线网络都远远没有达到真正的4G标准。根据向后兼容的原则，4G要兼容3G，目前大部分手机都可兼容4G／3G／2G网络，能够自动根据所处网络环境进行自动切换。与此同时，为了使普通的计算机也能够像手机一样利用3G／4G蜂窝移动网络接入互联网，人们设计开发了专门的上网卡，将一张USIM（Universal Subscriber Identity Module）卡嵌入一个带有USB插口的卡托中，然后插入计算机的USB接口中，计算机就可以实现利用3G／4G蜂窝移动网络接入互联网。

下一代蜂窝移动通信为5G，其峰值理论传输速度可达20 Gb／s，比4G网络的传输速度快10倍以上。截至2020年9月中旬，全球共有129个国家／地区的397家运营商对5G网络进行了投资，124家运营商已经进行5G网络的建设，其中来自44个国家／地区的101家运营商已经推出了符合3GPP标准的5G服务。5G网络在中国的发展较为迅速，根据工业和信息化部2020年11月公布的数据现实，截至数据统计时，中国5G基站建设已达70万个，全球占比达70%，超过1.8亿个终端接入5G网络。

2.蜂窝通信系统的组成

一个完整的蜂窝通信系统主要由两部分组成，分别为无线接入网络和有线转发网络，如图3-20所示。

图3-20　蜂窝通信系统的构成(www.xing528.com)

1）无线接入网络

无线接入网络是指用户的网络接入部分。在这里，将用户接入区域划分成为一个一个如同六边形的小区，多个小区拼接在一起，形成了类似蜂窝的形状，这也是蜂窝移动通信网络名字的由来。在每个小区内部都设置了属于该小区的独立的信号转发基站，相邻小区的基站不可以采用相同的工作频率，不相邻的小区可以进行频率复用（即在保证不会互相干扰的前提下，不同的基站也可以使用相同的频率进行工作。之所以将小区设置为六边形，就是为了能够更好地实现频率复用，但在实际操作中，小区不可能做成严格的六边形，只需尽量接近这个形状即可）。

多个相邻小区的组合称为“小区组”，每个小区组都会配备一个负责管理基站和小区无线通信信道的无线网络控制器（Radio Network Controller，RNC），基站与RNC之间的通信由基站收发信机负责。在RNC的小区接入端为无线通信网络，而在RNC的核心接入端，为有线通信网络。处于无线接入网络区域内的移动站的通信请求会经由小区基站转发到小区组的无线网络控制器RNC，再由RNC接入GPRS核心网络，从而形成一条从接入网络到核心网络的数据传输通道。

2）有线转发网络

在有线转发网络区域存在两条不同的数据传输通道，蜂窝小区内的移动站发出的数据传输请求经由RNC汇聚后，统一进行分类处理。如果移动站发出的是语音通话请求，基站会通过RNC连接到移动交换中心（Mobile Swiching Center，MSC）。MSC控制了所有的语音业务，提供电路交换功能处理所控制区域内移动站的信令以及移动站的位置更新。MSC再通过网关移动交换中心（Gateway Mobile Switching Center，GMSC）连接到公用电话网络或者其他移动通信网络。如果移动站发出的是需要连接互联网的数据传输请求，RNC就把移动站发来的IP数据报转发到GPRS核心网络。GPRS核心网络包括两个组成部分，分别是GPRS服务支持结点（Serving GPRSSupport Node，SGSN）和网关GPRS支持结点（Gateway GPRS Support Node，GGSN）。其中，SGSN主要完成IP数据报的转发、移动性管理、会话管理、逻辑链路管理、鉴别和加密、话单产生和输出等功能。另外，还要和移动交换中心MSC通信，以便完成用户的鉴别、通信的切换等功能。GGSN具有网络接入控制功能，因此又称为GPRS路由器，它负责选择哪里分组可以进入GPRS网络，以保证网络的安全。

3.蜂窝通信的移动IP技术

移动IP（Mobile IP）是由IETF开发的一种允许计算机在物理位置发生变化时，依然保留原有IP地址的技术。

在一般情况下，当一台计算机的物理位置发生了变化时，就需要获取一个新的IP地址以接入互联网，在IP地址变更的过程中，需要经历一个从断开网络连接到重新接入网络的过程，这个过程对于上网连续性要求不强的计算机来说，并没有什么特别之处。因为计算机往往是在静止状态下进行网络连接的。但是，对于始终处于移动状态下进行网络连接的移动终端来说，这种IP地址的变更会让使用非常不便，因为它会使网络连接变得时断时续。在这种情况下，移动IP技术的应用就显得尤为重要。该技术可以使移动终端在漫游连网状态下保持IP地址不变，意思是使该终端的移动性对于上层的网络来说是透明的。要让自己建立的TCP连接与漫游无关，并且让互联网中的其他主机能够找到这个移动终端，具体做法为：

首先，一个移动站A（如手机）需要拥有一个原始IP地址，这个地址也叫永久地址，或者说归属地址。移动站原始连接的网络叫作归属网络，永久地址和归属网络的关联是不会改变的。

其次，为了让地址的改变对互联网的其余部分是透明的，移动IP使用了代理服务。其中，连接在归属网络上的路由器称为归属代理。当移动站A更换新的物理位置后，它所接入的新的网络称为被访网络或外地网络，在外地网络中的路由器称为外地代理。它的一个主要任务是为移动站A创建一个临时地址（这个临时地址叫作转交地址），然后将这个转交地址通知到移动站A的归属代理。

最后，当有其他站点想要和移动站A进行通信时，只需要将数据发送给移动站A的归属代理，归属代理就会将数据转发给移动站A的外地代理，从而完成数据的接收。