蜂窝互联网接入：连接世界的无缝体验

通过Wi—Fi，人们可以方便地接入互联网，但无线局域网的覆盖范围通常只有10～100m。当我们携带笔记本电脑在外面四处移动时，并不是在所有地方都能找到可接入互联网的Wi—Fi热点，这时候蜂窝移动通信系统可以为我们提供广域无线接入服务。蜂窝移动通信系统非常复杂，详细讨论该系统已超出本书的范围，在此仅从通过蜂窝移动通信系统接入互联网的角度对该系统进行简要介绍。

蜂窝移动通信系统概述

蜂窝移动通信系统将整个地理覆盖区域划分成许多被称为小区（Cell）的小块区域，典型的小区如图3-49所示的六边形，形状类似“蜂窝”，因此而得名。每个小区由一个小功率收发基站（Base Station）为本小区内的用户服务。为了避免同频率信号之间的干扰，相邻小区使用不同频率，相距较远的若干不相邻小区可复用同一频率。

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蜂窝移动通信系统经历了多次更新换代，其技术发展主要体现在空中接口无线通信技术和系统体系结构两个方面：

第一代（1G） ：采用频分多址（FDMA）的模拟调制方式，频谱利用率低，只能提供模拟话音通信，现已被淘汰。
第二代（2G） ：采用数字化技术，主要提供数字话音和短信服务，标准主要有GSM和IS-95 CDMA。GSM引入了时分多址（TDMA）的数字调制方式，提高了系统容量，并采用独立信道传送信令。后来扩展出对分组数据（即互联网业务）的支持（2.5G），可进行收发邮件和浏览网页等低速率数据通信。
第三代（3G） ：能够提供话音和数据通信，具有比2G高得多的数据率，能够处理图像、视频流等多种媒体形式，并提供电话会议、电子商务等多种信息服务。主要有三个标准：WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。
第四代（4G） ：主要采用正交频分复用（OFDM）、多输入多输出（MIMO）等无线电新技术，比3G具有更高的带宽、更大的容量、更高的频谱效率。4G采用全IP网络结构，语音和数据都承载在IP数据报中进行传输。主要标准有LTE和LTE-A。
第五代（5G） ：主要性能目标是超高速、大容量、低时延和大规模设备连接，不仅满足普通用户的上网需求，还满足高清视频、虚拟现实、自动驾驶、远程手术等需求。采用大规模MIMO、天线波束赋形、先进的多址技术和信道编码技术，并开发使用了新的频谱资源——毫米波。

蜂窝移动通信系统体系结构

蜂窝移动通信系统的体系结构主要包括三个功能子系统：用户设备（User Equipment, UE）、无线电接入网（Radio Access Network, RAN）和核心网（Core Network, CN）。我们以4G为例介绍蜂窝移动通信系统的体系结构。4G系统体系结构被称为演进型分组系统（Evolved Packet System, EPS），如图3-50所示。

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用户设备（UE） ：用户利用蜂窝移动通信系统上网的终端设备，如智能手机、移动无线网卡或内置在平板电脑中的蜂窝无线网卡。
无线电接入网（RAN） ：在用户设备（UE）与核心网（CN）之间提供通信连接。4G系统体系结构中的无线电接入网称为演进型通用陆地无线电接入网（E-UTRAN），由互连的eNodeB构成。
核心网（CN） ：主要作用是在用户设备（UE）和外部分组数据网（PDN）（如互联网）之间建立起一条传输用户IP数据报的通道，称为PDN连接。4G系统体系结构中的核心网被称为演进型分组核心网（EPC），由一些功能实体组成，主要包括移动性管理实体（MME）、服务网关（S-GW）、分组数据网网关（P-GW）、归属用户服务器（HSS）等。

各功能实体的作用：

移动性管理实体（MME） ：负责接入控制、移动性管理和会话管理。
分组数据网网关（P-GW） ：作为UE与外部分组数据网之间的网关，负责给UE分配IP地址，所有UE流量都通过P-GW转发到外部PDN。
服务网关（S-GW） ：负责eNodeB和P-GW间的用户数据分组的路由和转发。
归属用户服务器（HSS） ：存储用户签约信息、位置信息和安全信息。

移动终端接入互联网

以4G系统为例说明用户终端如何接入互联网。EPC需要在UE和PDN（如互联网）之间建立起一条IP通道，即PDN连接，用来承载各种不同的宽带数据业务。

接入过程：

附着注册：UE开机后首先找到一个eNodeB建立无线链路，并向系统进行注册。eNodeB为UE选择一个MME，并将附着请求转发给该MME。
建立连接：MME将UE信息发送给HSS，并为UE选择一个S-GW和一个P-GW，建立一条连接互联网的通道，同时P-GW为UE分配一个IP地址。该连接由UE到eNodeB的无线电链路、eNodeB到S-GW的GTP隧道和S-GW到P-GW的GTP隧道组成。

数据传输过程：

上行传输：UE发出一个IP数据报给互联网服务器，IP数据报通过无线电链路发送给eNodeB，然后eNodeB将该IP数据报封装为GTP分组在eNodeB到S-GW的GTP隧道中传输，再由S-GW转发给P-GW，最后P-GW将IP数据报转发到互联网。
下行传输：与上行传输过程正好相反。

切换和移动性：

当UE位置发生变化时，可能会导致PDN连接中的eNodeB、S-GW发生变化。若UE移动范围较小，只是eNodeB发生改变，要重建eNodeB到S-GW的GTP隧道。若UE的移动范围超出原来S-GW的服务范围，还要重建S-GW到P-GW的GTP隧道。
在UE的移动过程中，MME也可能发生变化，这时新的MME要从旧的MME获取UE的上下文信息，并向HSS通报UE位置的改变情况。一旦建立PDN连接，无论UE如何移动，PDN连接中的P-GW都不会发生改变，UE的IP地址也不会改变。

为什么需要S-GW：主要是因为eNodeB的数量巨大，全部直连到P-GW会让P-GW承受很大的负载，UE的任何事务，P-GW都要了解并处理。其次，这会让整个EPS架构的设计缺乏灵活性。在漫游场景中，跨国的P-GW和MME通信会涉及不同电信运营商以及不同网络之间的接入问题，因此需要S-GW为UE提供“本地（区域性）”的接入和移动性服务。

P-GW的角色：P-GW为UE分配公网的DNS服务器地址，并在P-GW与互联网之间配置NAT设备，将多个专网IP地址映射到同一个公网IP地址上。