第11章-WCDMA移动通信系统

第11章WCDMA移动通信系统宽带码分多址（WidebandCodeDivisionMultipleAccess，WCDMA）是第三代移动通信系统三种主流无线传输技术之一，WCDMA已经成为在世界范围内被广泛采用的通信标准。本章介绍WCDMA系统与技术，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；IP多媒体子系统的特点，结构和功能；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关键技术，主要介绍RAKE接收、软切换、快速功率控制和信道编码技术。概述11.1WCDMA网络结构与接口11.2WCDMA空中接口11.3WCDMA系统关键技术11.411.1概述第三代移动通信系统（简称3G）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三种无线传输制式，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，3G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，中国也正在部署TD-SCDMA商用网络。本书主要针对符合标准化组织3GPP（第三代移动通信伙伴关系计划）制订的UMTS（通用移动通信系统）网络架构的WCDMA和TD-SCDMA移动通信系统进行介绍，3GPP2制订的CDMA2000标准不在本书介绍的范围之内。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。WCDMA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。WCDMA的主要技术性能如表11-1所示，本节将对表征WCDMA特点的内容做出简要解释。（1）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）。（2）WCDMA是一个宽带直扩码分多址（DS-CDMA）系统，（3）WCDMA中的声码器采用自适应多速率（AMR）技术。（4）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）快速、准确的功率控制是保证WCDMA系统性能的基本要求。（6）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。（7）WCDMA基站同步方式：不同基站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）WCDMA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11-1WCDMA可变数据速率示意图11.2WCDMA网络结构与接口11.2.1UMTS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）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，下面以R99版本UMTS网络结构为例，介绍UMTS网元和接口。如图11-2所示。图11-2UMTS网元和接口1．用户设备（UE）用户设备（UE）完成人与网络间的交互。（1）移动设备（ME）（2）通用用户识别模块（USIMCu接口是USIM和ME之间的接口，Cu接口采用标准接口。2．通用陆地无线接入网络（UTRAN）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。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（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（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。（2）无线网络控制器（RNC）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11-3CRNC、SRNC、DRNC作用示意图（4）UTRAN接口与协议UTRAN接口均为开放的、标准接口，不同厂家的设备可以很容易的互联互通。接口名称接口位置协议IuCN-UTRANRANAPIurRNC-RNCRNSAPIubRNC-NodeBNBAPUuNodeB-UEWCDMA表11-2UTRAN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话音呼叫、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。核心网结构将在下节专门进行分析。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网及其他分组数据网（PDN）等相连。11.2.2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。R7、R8版本正在不断的完善中。1．R99网络结构及接口（1）R99网络结构图11-4R99版本网络结构图（2）R99核心网的接口与协议2．R4网络结构及接口（1）R4网络结构图11-5R4网络结构图①MSC服务器（MSCServer）②电路交换媒体网关（CS-MGW）③关口MSC服务器（GMSCServer）（2）R4核心网的接口与协议R4版本中新增的接口在协议中也被称为参考点，但没有明确指出接口和参考点的区别。通常认为它们具有相同的含义。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（1）R5网络结构图11-6R5网络结构图11-7含IMS子系统的R5版本网络结构（2）IMS特点IP多媒体子系统（IPMultimediaSubsystem，IMS），首先由3GPP标准化组织在R5版本中提出，提出的目的是为了在移动通信网络基础上以最大的灵活性提供IP多媒体业务。（3）IMS的主要功能实体图11-8IMS的主要功能实体示意图①呼叫会话控制功能（CSCF）②媒体网关控制功能（MGCF）③归属用户服务器（HSS）④IP多媒体-媒体网关（IM-MGW）⑤多媒体资源功能（MRF）⑥签约定位器功能（SLF）⑦出口网关控制功能（BGCF）⑧应用服务器（AS）⑨信令网关（SGW）（4）IMS接口及协议3GPPIMS接口及协议汇总如表11-5所示。4．R6版本网络结构（1）PS域与承载无关的网络框架，研究是否在分组域也实行控制和承载的分离，将SGSN和GGSN分为GSNServer和媒体网关的形式。（2）在网络互操作方面，研究IMS与PLMN/PSTN/ISDN等网络的互操作，以实现IMS与其他网络的互联互通；研究WLAN-UMTS网络互通，保证用户使用不同的接入方式时切换不中断业务。（3）在业务方面，研究包括多媒体广播与/多播业务（MBMS）、Push业务、Presence、PoC（Push-To-TalkoverCellular）业务、网上聊天业务及数字权限管理等。（4）无线接入方面采用的新技术有正交频分复用调制（OFDM）技术、多天线技术（MIMO）、高阶调制技术和新的信道编码方案等，OFDM和MIMO也是后3G的重点技术。R6的高速上行分组接入（HSUPA），理论峰值数据速率可达5.76Mbit/s；R6的高速下行分组接入（HSDPA），理论峰值数据速率可达30Mbit/s。11.3WCDMA空中接口11.3.1Uu接口协议结构WCDMA系统中Uu接口，有时也称为空中接口，是指UE和UTRAN之间的接口，通过使用无线传输技术（RTT）将UE接入到系统固定网络部分。Uu接口协议用于在UE和UTRAN之间传送用户数据和控制信息，建立、重新配置和释放无线承载业务。空口接口的协议结构如图11-9所示（图中只包括了在UTRAN中可见的协议），每一个方框代表一个协议实体，椭圆表示服务接入点（SAP），协议实体间的通信通过SAP进行。图11-9空口接口的协议结构空口接口的协议结构分为两面三层，垂直方向分为控制平面和用户平面，控制平面用来传送信令信息，用户平面用来传送话音和数据。水平方向分为三层：第一层（L1）：物理层；第二层（L2）：数据链路层；第三层（L3）：网络层。11.3.2物理层1．物理层的功能物理层位于空中接口协议模型的最底层，给MAC层提供不同的传输信道，并且为高层提供服务。在3GPP规范中，详细描述了物理层及功能。物理层主要实现以下一些功能：（1）为传输信道进行前向纠错编/解码；（2）无线特性测量，如误帧率、信干比等，并通知高层；（3）宏分集合并以及软切换实现；（4）在传输信道上进行错误检测并通知高层：（5）传输信道到物理信道的速率匹配；（6）传输信道至物理信道的映射；（7）物理信道扩频/解扩、调制/解调；（8）频率和时间（位、码片、比特、时隙和帧）同步；（9）闭环功率控制；（10）RF处理等。2．物理信道图11-10WCDMA物理信道示意图（1）上行专用物理信道图11-11上行DPDCH/DPCCH的帧结构（2）上行公共物理信道（3）下行专用物理信道图11-12下行专用物理信道帧结构（4）下行公共物理信道①公共导频信道（CPICH）图11-13CPICH帧结构②同步信道（SCH）图11-14同步信道帧结构③公共控制物理信道（CCPCH）④下行物理共享信道（PDSCH）3．传输信道（1）广播信道（BCH）（2）前向接入信道（FACH）（3）寻呼信道（PCH）（4）随机接入信道（RACH）（5）公共分组信道（CPCH）（6）下行共享信道（DSCH）4．物理层成帧的基本概念（1）传输块（2）传输块集合（3）传输格式①动态部分②半静态部分（4）传输格式集（5）传输格式组合（6）传输格式指示（TFI）（7）传输格式组合指示（TFCI）5．上/下行链路进程图11-15物理层上下行链路进程图11-16扩频和加扰示意图图11-17下行调制方式11.3.3数据链路层数据链路层使用物理层提供的服务，并向第三