小灵通分组数据技术

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摘要　利用目前庞大的PHS（小灵通）网络，承载数据业务，提高网络资源的利用率。采用PHS一种的新技术——“PHS分组数据”来实现。主要介绍PHS分组数据业务技术的原理、特点和实现方式。
1、背景
随时随地登陆Internet网络，已经成为一种时尚和需求。随着GSM移动系统的GPRS业务、CDMA2000-1X系统的数据卡、以及其它无线通信终端的推广，无线接入Internet网络得到了飞快发展。
中国固网运营商（中国电信和中国网通）拥有庞大的PHS网络。PHS网络经过多年的运营和发展，以及在移动市场环境变化的影响下，PHS网络的语音用户已趋向饱和，语音话务量也呈现下降的趋势。怎样盘活现有PHS网络资源，为客户提供高质量服务，提高运营商企业资源的使用率?是固网运营商目前需要思考的问题。然而，PHS网络的分组数据上网业务，将是一个盘活现有PHS网络资源的有效办法。
2、PHS分组数据业务技术
2.1　PHS分组数据业务组网结构
PHS分组数据业务的目标是在原有PHS网络的基础上提供高速的数据业务。为了获得高速的数据传输速率，用户终端（笔记本电脑）可以与多个基站建立多个信道，采用数据包的形式与“分组数据网关”通信，数据在“分组数据网关”进行重新封装打包与Internet网络通信。同样，从Internet网络送往用户终端的数据在“分组数据网关”进行重新分组封装，然后通过PHS网络的多个通道送往同一用户终端，在用户终端进行数据解包重。PHS网络分组数据上网技术关键在于动态多个信道的建立。

图1　PHS分组数据网络结构图

2.2　PHS分组数据空中协议
传统PHS网络接入Internet是采用电路方式，也就PIAFS（PHS Internet Access Forum Standard）。PHS网络常用的“小灵猫”上网就是采用PIAFS方式。这种方式上网的速率上限是64 kbit/s，而且不管是否有数据传送，都长期占用网络资源，这样不利网络资源的有效利用。为了有效利用无线网络资源和提高数据传输的速率，在RCR STD-28空中接口协议中增加了PPMP协议（PHS Packet Management Protocol），实现分组数据业务。
RCR STD-28空中接口协议中，把PHS所使用的频带（1899.5 MHz～1919.6 MHz）每隔300 kHz划分为一个频点，选取其中一个频点为控制频点（一般为26号频点），其余的频点为通信频点。RCR STD-28空中接口协议采用的通信方式是TDMA方式，RCR STD-28的帧长为5 ms，每帧分为4对上下行时隙。终端与无线网络进行通信时，所选定一对时隙和一个频点就构成通信信道，每个通信信道的信息数据传送速率是32 kbit/s。
PHS空中接口的PPMP协议（PHS Packet　Management Protocol）分别在控制时隙和通信时隙增加了用户分组控制信道（USCCH）和用户特定分组信道（USPCH）。在分组控制信道中，设置了“Packet LCH Estab.Request”和“Packet LCH Assign”消息，使基站知道终端申请的信道是分组数据业务的信道。在用户特定分组信道中，增加了“BIND”和“UNBIND”消息指示分组业务信道的增加和减少。PPMP协议支持一个终端与多个基站建立多个信道，数据传输速率可达128 kbit/s。
2.3　PHS分组数据业务特点
2.3.1　一用户终端多信道
PHS网络的语音业务通信中，每次通话终端与基站只占用一个信道。分组数据业务支持一个数据用户终端占用1～4个无线信道，速率最高可达到128 kbit/s。数据用户终端采用数据包的方式进行数据传送，数据分配到各个信道中进行传输，然后在数据用户终端或分组数据网关设备进行重新解包组合。在数据业务传送的过程中，数据用户终端与基站建立的信道是相对稳定独立的信道，因而，数据传输的速率比较稳定。
分组数据用户终端占用的4个通信信道可以是不同基站的信道。对于数据用户来说，只要符合条件的无线信道都是可以占用，在与第一个基站建立通信以后，可接着向第二、第三个基站请求信道。PHS的分组数据业务建立多个信道，而且多个信道可以分布在不同的基站上，在单个信道发生切换时，其它信道还是依然保持通信，数据用户终端不会中断与网络的通信。
2.3.2　语音优先
为减少分组数据业务对目前承载的语音业务的造成较强的影响，采用语音优先的方式，使得分组数据业务能够有效利用无线网络的空闲资源，而不影响语音业务的正常使用。
一般的PHS基站有1个控制信道和7个通信信道，用1C7T表示。语音优先的实现方式由两种方法组成：第一，在7个通信信道中设置部分预留的语音通信信道，分组数据只能占用基站的部分信道（一般在4个信道以下）。通过这种方式可以控制在特定区域内，分组数据业务占用信道比例不会太高，不会影响该区域的语音业务正常通信。第二，当一个基站的7个信道全部被占用，而且其中有分组数据业务时，此时语音业务尝试接入该基站，基站会释放掉分组数据业务信道，让语音业务能够正常接入。
2.3.3　数据通信的休眠
在数据通信中，用户对数据传输的表现为突发和不连续，一会儿对数据的传输速率要求比较高，一会儿对传输速率的要求比较低，甚至不需要传输数据。例如我们在浏览Internet网页，在打开网页时，需要的数据传输速率比较高，在网页打开后，阅读网页时，对要求的数据传输速率比较低。
针对数据通信用户应用特点，PHS分组数据上网业务采用连接休眠的方式，当用户终端需要较高的数据传输速率时，用户终端与网络建立多个通道，实现高速率的数据传送；当用户终端只需要少量的数据传送时，一个无线信道可以为几个用户终端提供数据服务；当用户终端较长时间不需要与网络进行数据通信时，资源可以完全释放，不占用信道，处于休眠状态，当终端重新需要进行数据通信时，再次建立信道，占用资源。
PHS分组数据业务的休眠方式，把数据用户终端的通信状态分为4种——初始态、激活态、去激活态、休眠态。初始态，即无连接状态，数据用户终端处于空闲；激活态，数据用户终端正在数据传输的收发，终端与无线接口建立一个以上的信道；去激活态，多个用户共享1个信道，用户临时让出空中信道资源，网络侧的链路保持连接；休眠态，用户在去激活状态下，长时间没有数据收发，拆除无线和网络资源，只保留分组数据网关与Internet网络连接。数据用户终端的状态变化过程如图2所示。

图2　用户状态变化图

通过分组数据业务的休眠技术，数据用户上网的网络利用率与电路方式上网的网络利用率截然不同。分组数据业务能够在有需要的时候增大数据的传输速率，在数据传输空闲时，可以不占用无线网络的资源；而电路方式上网只能长期专用无线资源，直至终端结束上网业务。
3、PHS分组数据优势
3.1　PHS分组数据业务与电路方式上网的比较
PHS电路方式上网业务（小灵猫）采用与话音业务同样的接续方式，直接长期占用无线接口资源，不会根据数据业务量调整资源占用情况，而且这种方式上网只能通过一个基站上网，不能同时占用两个以上的基站，通信的稳定性较差。PHS电路方式上网的速率为32 kbit/s和64 kbit/s，也就是占用空中接口的1个信道或2个信道。
PHS分组数据业务上网方式，能够根据数据业务需要的调整无线网络资源的使用情况，PHS分组数据业务的速率在0～128 kbit/s之间动态调整，有效提高网络资源复用程度。分组数据业务还有语音优先的功能，避免数据业务对语音业务的冲击。
3.2　微蜂窝与宏蜂窝的比较
CDMA2000-1X、WCDMA、TD-SCDMA等3G系统一般采用的宏蜂窝基站覆盖，宏蜂窝的无线覆盖半径可以达到几公里到几十公里。同一区域的基站覆盖层数不会很多，一般有效信号在三层以下，而且3G网络的多层覆盖只能获得软切换增益，不能直接增加数据传输的业务通道。在通常情况下，宏蜂窝是一个基站对应多个数据用户终端同时通信。多个用户使用同一基站资源，在码分多址的制式下，数据传输速率自然快速降低。通过实际测试发现，WCDMA系统在设置最大数据传输速率384 kbit/s的情况下，1个数据用户终端使用时，实际数据传输速率可达320 kbit/s；3个数据用户终端使用时，实际数据传输速率为80 kbit/s；5个数据用户终端使用时，实际数据传输速率只是40kbit/s。
PHS分组数据业务采用的基站是微蜂窝基站，一般的无线信号覆盖范围在几十到几百米。微蜂窝基站在承载语音业务时，容易造成基站之间的通信切换，影响语音用户的通信感受，而在承载PHS分组数据业务则不存在该问题，而且有利于数据业务的传送。PHS网络基站的覆盖范围小，基站容量小，允许多个基站覆盖同一区域，增强覆盖与容量。PHS分组数据业务一个终端能够与多个基站通信，从而获得多个通信信道，数据用户终端可以获得稳定高速的数据业务。实际测试结果，PHS分组数据系统在设置最大数据传输速率128 kbit/s的情况下，1个数据用户终端使用时，实际数据传输速率可达90 kbit/s；3个数据用户终端使用时，实际数据传输速率为80 kbit/s；5个数据用户终端使用时，实际数据传输速率只是60 kbit/s。宏蜂窝与微蜂窝的数据用户通信时，如图3所示。

图3　微蜂窝与宏蜂窝的数据使用示意图

4、PHS网络改造
为实现PHS分组数据业务，PHS网络改造必须简单。PHS数据业务是利用现有PHS网络实现新业务，发挥现有网络资源的潜力，因而，采用最小变动改造网络、最小投资改造网络。原来的PHS网络硬件组网不需要改变，原来承载的语音业务还是依照原来的方式实现，不加改变。只要通过简单的软件升级和网关建设就可以实现分组数据业务。
通过升级基站的软件和核心网络的软件，使其实现分组数据业务承载的功能。基站的软件升级能够支持空中接口的分组数据业务部分；核心网络的软件升级，使其能够分组数据的网络传输。
新建一个分组数据网关，该网关主要功能是实现PHS用户分组数据协议与Internet网络协议的转换；实现和控制分组数据业务使用过程的休眠、唤醒功能。
数据业务终端主要有分组数据卡和分组数据上网的手机终端。分组数据卡通过笔记本电脑上网，其上网方式与拨号上网方式基本一致，目前的CDMA数据上网卡一般也是采用这种形式。分组数据上网的手机终端可以直接通过手机浏览网页。