WCDMA移动通信系统

第3章WCDMA移动通信系统概述3.1WCDMA网络结构与接口3.2UTRAN接口协议结构3.3WCDMA空中接口3.4WCDMA网络中的编号计划3.5宽带码分多址（WidebandCodeDivisionMultipleAccess，WCDMA）是第三代移动通信系统3种主流无线传输技术之一，在世界范围内WCDMA已经成为被广泛采用的通信标准。本章主要包括以下内容：WCDMA系统的主要特点WCDMA系统的网络结构，主要网元和接口功能基于R99、R4、R5的核心网结构及接口，不同版本核心网的特点IP多媒体子系统的特点、结构和功能UTRAN接口协议模型及协议栈结构WCDMA空中接口协议结构、各层协议功能及相互关系WCDMA空中接口物理层的功能，物理信道、传输信道与逻辑信道的映射关系，物理层上下行链路的进程WCDMA网络中的编号计划3.1概述第三代移动通信系统的核心网基于GSM/CDMA等2G系统演进，空中接口采用WCDMA、cdma2000和TD-SCDMA等无线传输制式，工作于2GHz频段，快速移动环境中最高传输速率可达144kbit/s，室外到室内或步行环境中最高传输速率达到384kbit/s，室内环境中最高传输速率达到2Mbit/s。基于WCDMA技术，采用HSDPA之后，下行数据速率可达10.8～14.4Mbit/s。HSUPA也已处于商用阶段，上行数据速率可达1.4～5.8Mbit/s。与第二代移动通信系统相比，第三代移动通信系统具有频谱效率高、支持多媒体业务、服务质量高以及无缝漫游等特点。目前WCDMA、cdma2000两种技术都得到了大规模的商用，中国已经开始运营TD-SCDMA商用网络。3.1.1WCDMA网络的演进图3-1GSM到WCDMA的演进WCDMA标准的演进简述如下：R99版本中WCDMA依然采用GSM/GPRS核心网的结构，但是采用新的空中接口协议。R4版本中完成了中国提出的TD-SCDMA标准化工作，同时引入了软交换的概念，将电路域的控制与业务分离，便于向全IP核心网结构过渡。R5版本将IP技术从核心网扩展到无线接入网，形成全IP的网络结构，在R4基础上增加了IP多媒体子系统（IMS），同时在无线传输中引入高速下行分组接入（HSDPA）技术。目前R8版本已于2008年12月冻结，3GPP中还有R9等版本在同时进行研究。WCDMA是从GSM演进而来，所以许多WCDMA的高层协议和GSM/GPRS基本相同或相似，比如移动性管理（MM）、GPRS移动性管理（GMM）、连接管理（CM）以及会话管理（SM）等。移动终端中通用用户识别模块（USIM）的功能也是从GSM的用户识别模块（SIM）的功能延伸而来的。3.1.2WCDMA网络的特点1．工作频段和双工方式WCDMA支持两种基本的双工工作方式：频分双工（FDD）和时分双工（TDD）。在FDD模式下，上行链路和下行链路分别使用两个独立的5MHz的载频，发射和接收频率间隔分别为190MHz或80MHz。2．多址方式WCDMA是一个宽带直扩码分多址（DS-CDMA）系统，通过用户数据与扩频码相乘，从而把用户信息比特扩展到更宽的带宽上去。WCDMA系统中，数据流用正交可变扩频码（OVSF）来扩频，扩频后的码片速率为3.84Mchip/s，OVSF码也被称作信道化码。3．语音编码WCDMA中的声码器采用自适应多速率（AdaptiveMulti-Rate，AMR）技术。4．信道编码WCDMA系统中使用的信道编码类型有两种：卷积编码和Turbo编码。5．功率控制快速、准确的功率控制是保证WCDMA系统性能的基本要求。功率控制解决的基本问题是远近效应，即解决接收机接收到近距离发射机的信号比较容易，而接收到远距离发射机的信号比较困难的问题。6．切换切换的目的是为了当UE在网络中移动时保持无线链路的连续性和无线链路的质量。WCDMA系统支持软切换、更软切换、硬切换和无线接入系统间切换，也可以表述为同频小区间的软切换、同频小区内扇区间的更软切换、同一无线接入系统内不同载频间的硬切换和不同无线接入系统间的切换。7．同步方式WCDMA不同基站间可选择同步和异步两种方式，异步方式可以不采用GPS精确定时，支持异步基站运行，室内小区和微小区基站的布站就变得简单了，使组网实现方便、灵活。8．可变数据速率WCDMA系统支持各种可变的用户数据速率，适应多种速率的传输，可灵活地提供多种业务，并根据不同的业务质量和业务速率分配不同的资源。图3-2WCDMA可变数据速率示意图3.2WCDMA网络结构与接口3.2.1UMTS系统结构UMTS与第二代移动通信系统在逻辑结构上基本相同。如果按功能划分，UMTS系统由核心网（CN）、无线接入网（UTRAN）、用户设备（UE）与操作维护中心（OMC）等组成。核心网与无线接入网（UTRAN）之间的开放接口为Iu，无线接入网（UTRAN）与用户设备（UE）间的开放接口为Uu接口，如图3-3所示。图3-3UMTS的系统结构核心网是业务提供者，基本功能就是提供服务，承担各种类型业务的定义，包括用户的描述信息、用户业务的定义还有相应的一些其他过程。UMTS核心网负责内部所有的语音呼叫、数据连接和交换，以及与其他网络的连接和路由选择的实现。无线接入网（UTRAN）位于两个开放接口Uu和Iu之间，完成所有与无线有关的功能。用户设备（UE）完成人与网络间的交互。3.2.2UMTS网元和接口功能图3-4UMTS网元和接口1．用户设备（UE）用户设备（UserEquipment，UE）完成人与网络间的交互，通过Uu接口与无线接入网相连，与网络进行信令和数据交换。UE用来识别用户身份和为用户提供各种业务功能，如普通话音、数据通信、移动多媒体、Internet应用等。用户设备（UE）主要由移动设备（MobileEquipment，ME）和通用用户识别模块（UniversalSubscriberIdentityModule，USIM）两部分组成。（1）移动设备（ME）（2）通用用户识别模块（USIM）2．通用陆地无线接入网络（UTRAN）无线接入网（UMTS/UniversalTerrestrialRadioAccessNetwork，UTRAN）位于两个开放接口Uu和Iu之间，完成所有与无线有关的功能。UTRAN主要功能有宏分集处理、移动性管理、系统的接入控制、功率控制、信道编码控制、无线信道的加密与解密、无线资源配置、无线信道的建立和释放等。UTRAN由一个或几个无线网络子系统（RadioNetworkSubsystem，RNS）组成，RNS负责所属各小区的资源管理。每个RNS包括一个无线网络控制器（RadioNetworkController，RNC）、一个或几个NodeB（即通常所称的基站，GSM系统中对应的设备为BTS）。（1）节点B（NodeB）NodeB的主要功能是Uu接口物理层的处理，如扩频、信道编码、速率匹配、交织、调制和解扩、信道解码、解交织和解调，还包括基带信号和射频信号的相互转换功能，无线资源管理部分控制算法的实现等。NodeB逻辑功能模块包括基带处理部件，射频收发放大器、射频收发系统、基带部分和天线接口单元等部件。NodeB受RNC控制，与RNC的接口为E1或STM-1。（2）无线网络控制器（RNC）无线网络控制器（RNC）主要完成连接建立和断开、切换、宏分集合并和无线资源管理控制等功能，分为如下3类：①系统信息管理②移动性管理③无线资源管理与控制（3）CRNC、SRNC、DRNC的概念①控制无线网络控制器（CRNC）②服务无线网络控制器（SRNC）③漂移无线网络控制器（DRNC）图3-5CRNC、SRNC、DRNC作用示意图（4）UTRAN接口与协议接口名称接口位置协议IuCN-UTRANRANAPIurRNC-RNCRNSAPIubRNC-NodeBNBAPUuNodeB-UEWCDMA表3-1UTRAN接口和协议3．核心网（CN）核心网承担各种类型业务的提供以及定义，包括用户的描述信息、用户业务的定义还有相应的一些其他过程。UMTS核心网负责内部所有的语音呼叫、数据连接和交换，以及与其他网络的连接和路由选择的实现。不同协议版本核心网之间存在一定的差异。4．外部网络（EN）核心网的电路交换域（CS）通过GMSC与外部网络相连，如公用电话交换网（PSTN）、综合业务数据网（ISDN）及其他公共陆地移动网（PLMN）。核心网的分组交换域（PS）通过GGSN与外部的Internet及其他分组数据网（PDN）等相连。3.2.3基于R99、R4、R5/R6的核心网结构UMTS核心网的标准化工作由3GPP组织完成。从网络演进的角度看，R99网络中核心网完全继承了GSM/GPRS的结构，包括电路域和分组域两部分，引入了新的无线接入技术（WCDMA），兼容GSM/GPRS无线终端接入。R4网络中的主要变化是在核心网电路域提出了承载和控制独立的概念，而在无线接入网没有太多变化。在R5网络中，核心网叠加了IP多媒体子系统（IMS），无线接入网引入了HSDPA技术，无线接入网和核心网中采用全IP传输。在R6网络中，网络架构变化不大，考虑更多的是增加了新的功能或对已有功能的增强。目前R8版本已于2008年12月冻结，3GPP中还有R9等版本在同时进行研究。1．R99网络结构及接口（1）R99网络结构图3-6R99版本网络结构图（2）R99核心网的接口与协议接口名连接实体信令协议接口名连接实体信令协议AMSC—BSCBSSAPGaGSN—CGGTPIu-CSMSC—RNSRANAPGbSGSN—BSCBSSGPBMSC—VLRGcGGSN—HLRMAPCMSC—HLRMAPGdSGSN—SMS-GMSC/IWMSCMAPDVLR—HLRMAPGeSGSN—SCPCAPEMSC—MSCMAPGfSGSN—EIRMAPFMSC—EIRMAPGiGGSN—PDNTCP/IPGVLR—VLRMAPGpGSN—GSN（InterPLMN）CTPGsMSC—SGSNBSSAP+GnGSN—GSN（IntraPLMN）CTPHHLR—AuCGrSGSN—HLRMAPMSC—PSTN/ISDN/PSPDNTUP/ISUPIu-PSSGSN—RNCRANAP表3-2R99核心网的接口协议2．R4网络结构及接口（1）R4网络结构R4核心网电路域变化的实体功能介绍如下。①MSC服务器（MSCServer）②电路交换媒体网关（CS-MGW）③关口MSC服务器（GMSCServer）图3-7R4网络结构图（2）R4核心网的接口与协议接口名连接实体信令与协议Mc（G）MSCServer—CS-MGWH.248NcMSCServer—（G）MSCServerISUP、BICCNbCS-MGW—CS-MGWRTP/UDP/IPAAL2、STM、H.245R99全部接口名R99全部连接实体R99全部信令与协议表3-3R4核心网新增接口与协议R4核心网的新增接口及功能如下。①Mc接口②Nc接口③Nb接口3．R5网络结构及接口R5版本在无线接入网方面的改进如下。①提出高速下行分组接入（HSDPA）技术，使下行数据速率峰值可达14.4Mbit/s。HSDPA技术将在后面的章节介绍。②Iu，Iur，Iub接口增加了基于IP的可选择传输方式，保证无线接入网实现全IP化。R5版本在核心网（CoreNetwork，CN）方面，在R4基础上增加了IP多媒体子系统（IMS），它和PS域一起实现了实时和非实时的多媒体业务，并可实现与CS域的互操作，包括IMS子系统的R5版本网络结构如图3-9所示。图3-8R5网络结构图3-9含IMS子系统的R5版本网络结构4．R6版本网络结构与R5版本相比，网络结构没有太大的变动，主要是对已有功能的增强，增加了一些