4G与5G空口演进：移动通信系统的互联网接入深度解析

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"《移动通信系统的空口演进》是一本专门针对接入网领域的入门书籍，详细探讨了从传统语音主导的蜂窝移动通信系统向以数据为中心的互联网时代转变的过程。该书着重介绍了LTE（长期演进）、LTE-A、LTE Pro以及5G等关键的空口技术发展，关注的是当前大规模部署的4G系统，特别是LTE/LTE-A及其后续的LTE-A Pro技术。书中阐述了移动通信系统从语音业务为主转向以TCP/IP为基础的互联网应用的背景，移动互联网的兴起极大地改变了个人生活、商业和公共服务等领域。作者以空口接入技术为核心，深入探讨了数据传递、网络接入、连接管理和移动性管理等核心概念，旨在帮助读者理解这一复杂且快速发展的系统架构。内容上，作者将4G作为主体，同时兼顾了即将来临的5G技术，强调了技术的连续性和前瞻性。对于已过时的技术，虽然不作深入研究，但通过对现有优势和不足的分析，引导读者思考如何改进现有技术，并为未来的系统设计提供启示。书的结构设计遵循“概述-深入”的原则，先介绍通信系统的发展历程和基本概念，然后逐渐深入到具体的技术细节，以便全面掌握系统的全局视角和细节操作。通过对移动通信系统空口演进的剖析，读者不仅能理解系统的整体功能和目标，还能了解到如何通过技术创新来提升通信效率，适应不断变化的信息社会需求。这本书不仅适合专业人士学习，也是对移动通信技术感兴趣的普通读者深入了解这一领域的重要参考资料。"

信的一种变化形式是广播通信（Multicast），即信息的发送端只有一个、而接收端有多个。广

播往往是单向的。相应的称点对点通信为单播（Unicast）

图 1.1.1-1 点对点通信模型

通信距离增大和用户增多后，在任意通信双方间用线缆或无线信道架设点对点通信链路

的方式显然效率低下。连接大量通信端点的、并为它们之间自动建立通信链路的交换机在 19

世纪 80 年代开始应用，形成了通信网络。在通信网络中，通信双方之间的信息交互可以称

为一个会话（尽管信息不仅局限于话音，这个从电话网络产生的历史名词现今仍在沿用），

会话使用由多段点对点通信链路所组成的一条“逻辑”通信连接来传递信息。此时如果想强调

发送端和接收端之间的通信是由多个点到点的通信链路组成，则称其为端到端通信。

多个通信连接（或会话）可使用同一条点对点物理链路，使得它们可服务的会话数量（即

容量）增加。而通信连接又可以通过增加物理链路的数量来延伸到更远更广的地方。因此，

使用交换机的通信网络极大扩张了通信系统的容量和范围。

当一个点对点通信链路承载多个通信连接时，就需要某种共享信道的复用（Multiplexing）

技术。最早使用的是时分复用（TDM，Time Division Multiplexing），即将时间分为等长的时

隙，不同连接使用不同的时隙；以及频分复用（FDM，Frequency Division Multiplexing），即

不同连接使用光/电信号的不同频率范围携带信息。对于信息传输速率给定的会话，如话音

通信，点对点技术所能提供的信息传输速率越高，能复用在一起的连接数或会话数就越多

（或说容量越大）。另一方面，交换机要有效得利用所有点对点链路，组织起满足任意两端

间的通信需求的连接。因此，可将一直以来通信技术发展所追求的两大方向概括为：

（1）提高点对点通信链路的信息传输速率；

（2）构建高效率的通信网络。

通信网络技术有着丰富的内容和类型。可根据其服务范围从小到大，将通信网络分为局

域网、接入网、城域网、广域网等。也常以网络使用的点对点通信技术来称呼一个网络，例

如有线网络和无线网络。还会根据网络所承载的信息类型而称其为电话网、广播电视网、数

据网等。在互联网之前，用户和设备规模最大的通信网络是各个国家和地区的公共交换电话

网络（PSTN，Public Switched Telephone Network），提供拨号语音服务。

不同网络采用了适合各自特点的不同技术，但在发展方向上却有着共同的趋势：点对点

通信技术从模拟方式进化为数字方式，而通信网络交换机的工作方式也从电路交换演进为分

组交换。见下面两小节。

3. 模拟通信和数字通信

在通信技术发展初期，表示和传递信息所使用的电信号或电磁波信号往往是对信息本身

的直接模拟，例如语音（电话）、静态图像（传真）、动态图像（电视、可视电话）等信息的

传递。这些信号有两个特点，一是信号随时间连续变化，二是变化的幅度是连续的，称之为

模拟信号（Analog Signal）。用模拟信号表示的信息源也可称为模拟信源。

早期通信系统多数是针对某种单一的模拟信号传输进行设计和优化，系统的输入和输出

均为模拟信号，称之为模拟通信系统，例如模拟电话系统、传真系统、模拟广播电视系统等。

但莫尔斯的电报系统则是一个特例，它传递的是离散信号，即在时间上非连续的信号。

从 20 世纪 40 年代开始，随着计算机技术的发展，开始需要在计算机之间进行信息传

递。计算机中存储的是用数（常用二进制的 0 和 1）表示的数码（Digit）。它们要么是从模

拟信源经过数字化（包括采样和量化编码，又称为模-数转化）来生成的，要么是由离散信

源（例如文本信息）通过编码直接生成，统称为数据（Data）。为传递数据而设计的通信系

统被称为数字通信系统（Digital Communication）或数据通信系统。与此同期，香农用统计

学为数字通信构建了理论基础－信息论。遵循该理论可将数字通信系统的模型分为如图

1.1.1-2 的三个部分：信源编码和解码、信道编码和解码、调制和解调。

信息的生产者（信源）生成原始信息或原始信号后，通过发送端的信源编码转换为信息

数据（或称信源码字）。这一部分通常包含采样、量化、压缩编码等过程，以去除原始信号

中的冗余成分，从而更“有效”得利用信道。信道编码部分则在信息数据中加入可控的冗余成

分，生成信道码字，以对抗信道中的噪声和干扰对信号的破坏，使它们可被接收端“可靠”得

接收。调制部分将各个信道码字用某种模拟信号的变化来表示，形成适合在信道上传输的通

信信号，最终发送到信道中。在接收端，通过对应的解调、信道解码和信源解码部分，恢复

出原始信息，交付给信息的使用者（信宿）。

图 1.1.1-2 数字通信模型

上面提到的有效性和可靠性是数字通信系统的两个主要性能指标。有效性指在给定信道

条件下，系统应能传递尽可能多的信息，这意味着要对原始信息进行压缩再通过信道传输；

可靠性指接收端收到的信息要与发送端发出的尽可能保持一致，这又意味要给信道中传输

的信息量增添一定冗余。两者是否存在矛盾呢？香农用“熵”来度量信息量，并用一系列定理

回答了这一疑虑。

香农的信源编码定理表明：只要编码后的信息量 “不低于”原始信息含义中的信息量，

接收端就可以无损得恢复出原始信息。信道编码定理则表明：对于任意给定的受噪声影响的

信道，只要传输信息的速率“不高于”信道容量，就可保证传输差错率达到任意小。也就是说，

点对点通信的性能取决于信道本身，而上限可以用信道容量，即理论上该信道的最大信息传

输速率来定量的给出。而信源－信道分离定理则指出，只要信源编码和信道编码符合上述两

个定理，则压缩信息后再增加冗余的两步处理方式，可以获得与其他任何最优传输方式一样

好的性能。这就意味着，信源编码不需要考虑信道的特性，而信道编码也无需知道原始信息

的特性，两者完全可以独立发展。

在信息论建立之后，信道编码技术的发展致力于达到信道容量，实际上现今已经非常接

近了。而各种信息源或模拟信号经过数字化后，都可以进行数字通信，因此数字通信的应用

范围更加广阔。此外，数字通信比模拟通信更容易进行加密保护。通信由模拟方式向数字方

式的转型从 20 世纪 70 年代开始。到了 90 年代，PSTN 系统也开始大量使用数字通信技术。

从此通信系统以数字通信技术为主导。但模拟电视广播则一直到 21 世纪才开始被数字技术

大规模替代。数字通信和计算机技术的发展共同推动了信息时代的到来。

注意数字通信系统并不能离开模拟通信：在信道中传输的通信信号是模拟的。在理论和

工程上通常从频域上分析信号。信号的频率范围制约其表示或传输信息的能力。常将承载信

息的模拟信号所占用的频率范围称为信号或通信系统的带宽，单位为 Hz（赫兹），例如某个

系统的带宽为 20MHz。而在计算机技术和信息论中，常使用比特作为信息量的单位，而作

为度量信息传输能力的数据传输速率（以 bps、即比特每秒为单位）也习惯被称为数据通信

网络的带宽，例如称某个城域网的带宽为 10Gbps。而 1K=2^10=1024、1M=1024K、1G=1024M。

4. 电路交换和分组交换

初期的为话音服务的交换机在通信双方间建立的是专用的、在会话过程中一直工作的通

信连接，占用专用的物理链路，过去常称为“电路”。会话结束后交换机才释放该电路。为了

提高每条物理链路的利用率，可以将链路的占用时间分给不同会话使用，从而让多个会话时

分复用在一起。交换机的这种工作方式称为电路交换（CS，Circuit Switch），在电路交换中，

一个会话占用的时隙是在通信连接建立之初固定分配的。在语音或其他业务数据传输之前，

需要先在交换机间传递预先定义的、起控制作用的特殊数据，称为信令。通过信令交互预先

建立传输通道。它的优点主要在于可保障通信道路的畅通无阻，代价是要为每个会话预留出

传输资源，即使某个会话可能在某个时刻并未充分使用该资源。电话网络在初期很长一段时

间都使用电路交换，例如，其通话的建立和释放等操作由 7 号信令系统（SS7，Signaling System

No. 7）中的 ISUP（ISDN User Part）信令完成。

计算机的“存储-处理”工作模式极大影响了通信网络的设计。基于电路交换的通信网络

通过预先建立的通路将信息（常按固定的传输速率）直接从发送端发往接收端；而在计算机

或数据通信系统中，“缓存-转发”的模式被通信设备所采用。发送端将信息数据组织成一个

个的数据包（Data Packet，又称为数据分组），为每个数据包指明目的地后，发送给交换机。

交换机将数据包缓存起来（存储的时间很短），根据其目的地把它们发往下一个交换机，直

至到达接收端。这种工作方式称为包交换或分组交换（PS，Packet Switch）。在数据包传递

过程中，各个交换机根据数据包的目的地信息以及当前的忙闲状态转发数据，而不需要预先

设定传输路径和传输时机，这一传输方式称为无连接的（Connectionless）。相对的，将预先

确定通信路径和时机的传输方式称为面向连接的（Connection Oriented）。

分组交换特别适合于传输大小不确定的数据包。在分组交换中，每个数据包的转发是独

立的。尽管多个会话往往仍会共享同一个物理链路，但其所用的时隙是由各个交换机在转发

时才决定的，这样可以只在一个会话真正需要时才分配网络资源。此时，一个物理传输媒质

（如电缆或光纤）不再由几个会话通过固定的时分复用或频分复用独占，而是让多个会话按

需使用该传输资源，只是有数据包传递的会话才使用资源，没有数据包时让给别人使用。资

源是动态共享的，资源利用率取决于资源提供量与实际需求产生概率之间的匹配程度，而不

是资源提供量与资源用户数量之间的匹配程度，因此资源使用效率更高。相对于 TDM 和

FDM，常用统计复用来强调分组交换的这个资源共享特点。

出现在 20 世纪 60 年代末的互联网雏形 ARPANET 就是一个分组交换网络，其他例子

有 X.25 和帧中继系统等。20 世纪 80 年代，基于 TCP/IP 的分组交换网络（常称为 IP 网络）

兴起。通过 IP 技术，原本各个独立发展、独立运作的通信网络开始相互连通，社会生活和

生产的需求也推动了这个融合发展的进程，催生了最大的通信网络——互联网（Internet）。

互联网顾名思义是网络的联网（Inter-Net），即是由多个网络相互连接组成的端到端的网

络。经过几十年的迅猛发展，代表分组交换的互联网成为了连接全球的通信网络，服务着数

以亿计的用户。任何一个通信网络都想要成为互联网的一部分，至少能与它兼容。原来以电

路交换为主的 PSTN 和移动通信网络在 20 世纪末开始使用分组交换，使电路交换逐渐淡出

历史舞台。

20 世纪 90 年代的 ATM（Asynchronous Transfer Mode，异步交换模式）网络则是一个

将电路交换和分组交换相结合的尝试。ATM 以面向连接的方式传输分组数据包（称为信元），

可以兼有两种交换方式的优点。但由于 ATM 的设计过于复杂，降低了网络设备的性价比，

未能在新世纪继续发展下去。不过，ATM 所使用的面向连接的标签交换（Label Switching）

设计被广泛应用在互联网中，提供高速的数据包传送能力。分组和面向连接正在成为网络交

换的主流方向。

5. 通信协议和系统架构

无论是有线通信还是无线通信，接收端和发送端都需要遵循某种预先约定的通用规则，

常称为通信协议（Communication Protocol）。

在点对点通信中，通信协议一般根据特定的通信内容、技术和物理传输媒质特性来设计

和优化。随着数字通信和分组交换等技术的出现，使得通信系统所需的协议越来越复杂：

 首先，通信协议要规定信号在点对点物理链路上的收发和传输方式。

 然后，对于多个设备共享同一传输介质的物理链路，通信协议要解决传输介质的共

享和使用方式。

 最后，通信协议还需规定所传输信息的组织表达形式。

最后一点对于数字通信系统更为重要。在不论是信源是模拟的还是数字的，都要转换为

0 和 1 的数字在链路上传输，收发双方需要约定好这些数字的含义，才能传递有用的信息。

如果能为上述这几类不同目的设计相对独立的通信协议，那么每种协议就可以关注于各自的

功能和实现。而将这几种协议组合在一起，可以提供一个完整的数据传输服务。因此，通信

协议普遍采用了分层（Layering）的设计模式。例如上述三种协议可分别称为物理层协议、

链路层协议和应用层协议。每一层都是从整个通信过程中抽象出来的，各层相对独立又相互

关联。

图 1.1.1-3 分层的通信协议

一般来说，发送端和接收端使用同一层的协议完成通信的一部分工作；而在一个设备上，

上一层协议的工作依赖于下层协议提供的服务，如图 1.1.1-3 所示。“服务”类似于编程语言

的接口，具体实现对于上层是不可见的。协议一般定义如何在同层对等的两端间交换和解析

信息，但不规定具体实现方式。协议的具体执行由每层的一个或多个功能实体（Entity）来

完成。

通信协议分层的好处是：

1）每层通信协议负责本层的具体工作细节，上一层协议只需要按照层间约定的服务

方式来使用下一层通信协议，从而将复杂的通信系统设计问题分成几个独立的子

问题，简化了协议设计和开发工作；

2）对某层协议的内部工作方式进行改进时，只要层间的服务方式定义没有发生改变，

不会导致其他层内部工作方式的改动。这有助于各层协议的独立优化和发展。

在通信网络中，单一的点对点的通信协议是不够的。首先，网络设备需要相互协作传递

信息，因此需要制定网络层协议。其次，在网络中不同组成部分所提供的通信服务可能是不

同的，例如有些部分需要由高速传输能力的通信链路组成，有些部分则需要采用低成本低速

率的通信链路，这意味着一个通信网络要由使用多种点对点通信协议的多种通信链路组成。

网络层协议需要能够适配或兼容各种通信链路和设备，向上层的使用者屏蔽下层网络的技术

细节，从而提供一个更大更广的的端到端网络。这一机制即为网络互联（internetwork）。最

后，从通信服务的使用者角度看，通信网络提供的端到端通信连接同样需要某种协议，应对

诸如连接建立释放、可靠性保障、传输速率控制等端到端的问题，称为传输层协议。

尽管分层是协议设计的通用模式，但严格的分层会带来效率低下的问题。某些通信协议

需要跨层优化（Cross-Layer Optimization），即某一层的工作方式需要另一层的信息反馈，通

过反馈优化协议的效率或性能。例如无线链路上的丢包率比有线链路的大，使得跨层的反馈

机制有助于提高传输效率。

不同层的多个协议组成一个协议栈，通信系统中的各个设备可能运行一个协议栈的一层

或多层协议，共同完成通信任务。系统中不同设备的分工、相互关系及其所用通信协议构成

了系统架构的主要内容。

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空星忘仰

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