第11章 WCDMA移動通信系統(tǒng)

第11章WCDMA移動通信系統(tǒng)

寬帶碼分多址（WidebandCodeDivisionMultipleAccess，WCDMA）是第三代移動通信系統(tǒng)三種主流無線傳輸技術之一，WCDMA已經(jīng)成為在世界范圍內(nèi)被廣泛采用的通信標準。

本章介紹WCDMA系統(tǒng)與技術，主要包括以下內(nèi)容：

WCDMA系統(tǒng)的主要特點；

WCDMA系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構，主要網(wǎng)元和接口功能；

基于R99、R4、R5的核心網(wǎng)結(jié)構及接口；

IP多媒體子系統(tǒng)的特點，結(jié)構和功能；

WCDMA空中接口協(xié)議結(jié)構、各層協(xié)議功能及相互關系；

WCDMA空中接口物理層的功能，物理信道、傳輸信道與邏輯信道的映射關系，物理層上下行鏈路的進程；

WCDMA關鍵技術，主要介紹RAKE接收、軟切換、快速功率控制和信道編碼技術。

概述11.1WCDMA網(wǎng)絡結(jié)構與接口11.2WCDMA空中接口11.3WCDMA系統(tǒng)關鍵技術11.411.1概述

第三代移動通信系統(tǒng)（簡稱3G）的核心網(wǎng)基于GSM/CDMA等2G系統(tǒng)演進，空中接口采用WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三種無線傳輸制式，工作于2GHz頻段，快速移動環(huán)境中最高傳輸速率可達144kbit/s。

室外到室內(nèi)或步行環(huán)境中最高傳輸速率達到384kbit/s，室內(nèi)環(huán)境中最高傳輸速率達到2Mbit/s。

基于WCDMA技術，采用HSDPA之后，下行數(shù)據(jù)速率可達10.8～14.4Mbit/s。HSUPA也已處于商用階段，上行數(shù)據(jù)速率可達1.4～5.8Mbit/s。

與第二代移動通信系統(tǒng)相比，3G具有頻譜效率高、支持多媒體業(yè)務、服務質(zhì)量高以及無縫漫游等特點。目前WCDMA、CDMA2000兩種技術都得到了大規(guī)模的商用，中國也正在部署TD-SCDMA商用網(wǎng)絡。

本書主要針對符合標準化組織3GPP（第三代移動通信伙伴關系計劃）制訂的UMTS（通用移動通信系統(tǒng)）網(wǎng)絡架構的WCDMA和TD-SCDMA移動通信系統(tǒng)進行介紹，3GPP2制訂的CDMA2000標準不在本書介紹的范圍之內(nèi)。

WCDMA是從GSM演進而來，所以許多WCDMA的高層協(xié)議和GSM/GPRS基本相同或相似，比如移動性管理（MM）、GPRS移動性管理（GMM）、連接管理（CM）以及會話管理（SM）等。

WCDMA移動終端中通用用戶識別模塊（USIM）的功能也是從GSM的用戶識別模塊（SIM）的功能延伸而來的。

WCDMA的主要技術性能如表11-1所示，本節(jié)將對表征WCDMA特點的內(nèi)容做出簡要解釋。

（1）WCDMA支持兩種基本的雙工工作方式：頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）。（2）WCDMA是一個寬帶直擴碼分多址（DS-CDMA）系統(tǒng)，

（3）WCDMA中的聲碼器采用自適應多速率（AMR）技術。（4）WCDMA系統(tǒng)中使用的信道編碼類型有兩種：卷積編碼和Turbo編碼。

（5）快速、準確的功率控制是保證WCDMA系統(tǒng)性能的基本要求。（6）切換的目的是為了當UE在網(wǎng)絡中移動時保持無線鏈路的連續(xù)性和無線鏈路的質(zhì)量。

（7）WCDMA基站同步方式：不同基站可選擇同步和異步兩種方式，異步方式可以不采用GPS精確定時，支持異步基站運行，室內(nèi)小區(qū)和微小區(qū)基站的布站就變得簡單了，使組網(wǎng)實現(xiàn)方便、靈活。

（8）WCDMA支持各種可變的用戶數(shù)據(jù)速率，適應多種速率的傳輸，可靈活地提供多種業(yè)務，并根據(jù)不同的業(yè)務質(zhì)量和業(yè)務速率分配不同的資源。

圖11-1WCDMA可變數(shù)據(jù)速率示意圖11.2WCDMA網(wǎng)絡結(jié)構與接口 11.2.1UMTS系統(tǒng)結(jié)構 UMTS與第二代移動通信系統(tǒng)在邏輯結(jié)構上基本相同。

如果按功能劃分，UMTS系統(tǒng)由核心網(wǎng)（CN）、無線接入網(wǎng)（UTRAN）、用戶設備（UE）等組成。

核心網(wǎng)與無線接入網(wǎng)（UTRAN）之間的開放接口為Iu，無線接入網(wǎng)（UTRAN）與用戶設備（UE）間的開放接口為Uu接口，下面以R99版本UMTS網(wǎng)絡結(jié)構為例，介紹UMTS網(wǎng)元和接口。如圖11-2所示。

圖11-2UMTS網(wǎng)元和接口

1．用戶設備（UE） 用戶設備（UE）完成人與網(wǎng)絡間的交互。

（1）移動設備（ME）（2）通用用戶識別模塊（USIM Cu接口是USIM和ME之間的接口，Cu接口采用標準接口。

2．通用陸地無線接入網(wǎng)絡（UTRAN） 無線接入網(wǎng)（UTRAN）位于兩個開放接口Uu和Iu之間，完成所有與無線有關的功能。

主要功能有宏分集處理、移動性管理、系統(tǒng)的接入控制、功率控制、信道編碼控制、無線信道的加密與解密、無線資源配置、無線信道的建立和釋放等。

UTRAN由一個或幾個無線網(wǎng)絡子系統(tǒng)（RNS）組成，RNS負責所屬各小區(qū)的資源管理。每個RNS包括一個無線網(wǎng)絡控制器（RNC）、一個或幾個NodeB（即通常所稱的基站，GSM系統(tǒng)中對應的設備為BTS）。

（1）節(jié)點B（NodeB） NodeB的主要功能是Uu接口物理層的處理，如擴頻、信道編碼、速率匹配、交織、調(diào)制和解擴、信道解碼、解交織和解調(diào)，還包括基帶信號和射頻信號的相互轉(zhuǎn)換功能，無線資源管理部分控制算法的實現(xiàn)等。

（2）無線網(wǎng)絡控制器（RNC） RNC主要完成連接建立和斷開、切換、宏分集合并和無線資源管理控制等功能，分為如下3類：

①系統(tǒng)信息管理 ②移動性管理 ③無線資源管理與控制

（3）CRNC、SRNC、DRNC的概念 ①控制無線網(wǎng)絡控制器（CRNC） ②服務無線網(wǎng)絡控制器（SRNC） ③漂移無線網(wǎng)絡控制器（DRNC）

圖11-3CRNC、SRNC、DRNC作用示意圖

（4）UTRAN接口與協(xié)議 UTRAN接口均為開放的、標準接口，不同廠家的設備可以很容易的互聯(lián)互通。

接口名稱接口位置協(xié)議IuCN-UTRANRANAPIurRNC-RNCRNSAPIubRNC-NodeBNBAPUuNodeB-UEWCDMA表11-2UTRAN接口和協(xié)議

3．核心網(wǎng)（CN） 核心網(wǎng)承擔各種類型業(yè)務的提供以及定義，包括用戶的描述信息、用戶業(yè)務的定義還有相應的一些其他過程。

UMTS核心網(wǎng)負責內(nèi)部所有的話音呼叫、數(shù)據(jù)連接和交換，以及與其他網(wǎng)絡的連接和路由選擇的實現(xiàn)。不同協(xié)議版本核心網(wǎng)之間存在一定的差異。核心網(wǎng)結(jié)構將在下節(jié)專門進行分析。

4．外部網(wǎng)絡（EN） 核心網(wǎng)的電路交換域（CS）通過GMSC與外部網(wǎng)絡相連，如公用電話交換網(wǎng)（PSTN）、綜合業(yè)務數(shù)據(jù)網(wǎng)（ISDN）及其他公共陸地移動網(wǎng)（PLMN）。

核心網(wǎng)的分組交換域（PS）通過GGSN與外部的Internet網(wǎng)及其他分組數(shù)據(jù)網(wǎng)（PDN）等相連。

11.2.2基于R99、R4、R5/R6的核心網(wǎng)結(jié)構 UMTS核心網(wǎng)的標準化工作由3GPP組織完成。從網(wǎng)絡演進的角度看，R99網(wǎng)絡中核心網(wǎng)完全繼承了GSM/GPRS的結(jié)構，包括電路域和分組域兩部分，引入了新的無線接入技術（WCDMA），兼容GSM/GPRS無線終端接入。

R4網(wǎng)絡中的主要變化是在核心網(wǎng)電路域提出了承載和控制獨立的概念，而在無線接入網(wǎng)沒有太多變化。

在R5網(wǎng)絡中，核心網(wǎng)疊加了IP多媒體子系統(tǒng)（IMS），無線接入網(wǎng)引入了HSDPA技術，無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)中采用全IP傳輸。

在R6網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡架構變化不大，考慮更多的是增加了新的功能或?qū)σ延泄δ艿脑鰪?。R7、R8版本正在不斷的完善中。

1．R99網(wǎng)絡結(jié)構及接口（1）R99網(wǎng)絡結(jié)構

圖11-4R99版本網(wǎng)絡結(jié)構圖

（2）R99核心網(wǎng)的接口與協(xié)議

2．R4網(wǎng)絡結(jié)構及接口（1）R4網(wǎng)絡結(jié)構

圖11-5R4網(wǎng)絡結(jié)構圖

①MSC服務器（MSCServer） ②電路交換媒體網(wǎng)關（CS-MGW） ③關口MSC服務器（GMSCServer）

（2）R4核心網(wǎng)的接口與協(xié)議

R4版本中新增的接口在協(xié)議中也被稱為參考點，但沒有明確指出接口和參考點的區(qū)別。通常認為它們具有相同的含義。R4核心網(wǎng)的新增接口及功能如下。

①Mc接口 ②Nc接口 ③Nb接口

3．R5網(wǎng)絡結(jié)構及接口（1）R5網(wǎng)絡結(jié)構

圖11-6R5網(wǎng)絡結(jié)構

圖11-7含IMS子系統(tǒng)的R5版本網(wǎng)絡結(jié)構

（2）IMS特點 IP多媒體子系統(tǒng)（IPMultimediaSubsystem，IMS），首先由3GPP標準化組織在R5版本中提出，提出的目的是為了在移動通信網(wǎng)絡基礎上以最大的靈活性提供IP多媒體業(yè)務。

（3）IMS的主要功能實體

圖11-8IMS的主要功能實體示意圖

①呼叫會話控制功能（CSCF） ②媒體網(wǎng)關控制功能（MGCF） ③歸屬用戶服務器（HSS） ④IP多媒體-媒體網(wǎng)關（IM-MGW） ⑤多媒體資源功能（MRF）

⑥簽約定位器功能（SLF） ⑦出口網(wǎng)關控制功能（BGCF） ⑧應用服務器（AS） ⑨信令網(wǎng)關（SGW）

（4）IMS接口及協(xié)議 3GPPIMS接口及協(xié)議匯總?cè)绫?1-5所示。

4．R6版本網(wǎng)絡結(jié)構（1）PS域與承載無關的網(wǎng)絡框架，研究是否在分組域也實行控制和承載的分離，將SGSN和GGSN分為GSNServer和媒體網(wǎng)關的形式。

（2）在網(wǎng)絡互操作方面，研究IMS與PLMN/PSTN/ISDN等網(wǎng)絡的互操作，以實現(xiàn)IMS與其他網(wǎng)絡的互聯(lián)互通；研究WLAN-UMTS網(wǎng)絡互通，保證用戶使用不同的接入方式時切換不中斷業(yè)務。

（3）在業(yè)務方面，研究包括多媒體廣播與/多播業(yè)務（MBMS）、Push業(yè)務、Presence、PoC（Push-To-TalkoverCellular）業(yè)務、網(wǎng)上聊天業(yè)務及數(shù)字權限管理等。

（4）無線接入方面采用的新技術有正交頻分復用調(diào)制（OFDM）技術、多天線技術（MIMO）、高階調(diào)制技術和新的信道編碼方案等，OFDM和MIMO也是后3G的重點技術。

R6的高速上行分組接入（HSUPA），理論峰值數(shù)據(jù)速率可達5.76Mbit/s；R6的高速下行分組接入（HSDPA），理論峰值數(shù)據(jù)速率可達30Mbit/s。11.3WCDMA空中接口

11.3.1Uu接口協(xié)議結(jié)構 WCDMA系統(tǒng)中Uu接口，有時也稱為空中接口，是指UE和UTRAN之間的接口，通過使用無線傳輸技術（RTT）將UE接入到系統(tǒng)固定網(wǎng)絡部分。

Uu接口協(xié)議用于在UE和UTRAN之間傳送用戶數(shù)據(jù)和控制信息，建立、重新配置和釋放無線承載業(yè)務。

空口接口的協(xié)議結(jié)構如圖11-9所示（圖中只包括了在UTRAN中可見的協(xié)議），每一個方框代表一個協(xié)議實體，橢圓表示服務接入點（SAP），協(xié)議實體間的通信通過SAP進行。

圖11-9空口接口的協(xié)議結(jié)構

空口接口的協(xié)議結(jié)構分為兩面三層，垂直方向分為控制平面和用戶平面，控制平面用來傳送信令信息，用戶平面用來傳送話音和數(shù)據(jù)。

水平方向分為三層： 第一層（L1）：物理層； 第二層（L2）：數(shù)據(jù)鏈路層； 第三層（L3）：網(wǎng)絡層。

11.3.2物理層 1．物理層的功能 物理層位于空中接口協(xié)議模型的最底層，給MAC層提供不同的傳輸信道，并且為高層提供服務。在3GPP規(guī)范中，詳細描述了物理層及功能。

物理層主要實現(xiàn)以下一些功能：（1）為傳輸信道進行前向糾錯編/解碼；（2）無線特性測量，如誤幀率、信干比等，并通知高層；（3）宏分集合并以及軟切換實現(xiàn)；

（4）在傳輸信道上進行錯誤檢測并通知高層：（5）傳輸信道到物理信道的速率匹配；（6）傳輸信道至物理信道的映射；

（7）物理信道擴頻/解擴、調(diào)制/解調(diào)；（8）頻率和時間（位、碼片、比特、時隙和幀）同步；（9）閉環(huán)功率控制；（10）RF處理等。

2．物理信道

圖11-10WCDMA物理信道示意圖

（1）上行專用物理信道

圖11-11上行DPDCH/DPCCH的幀結(jié)構

（2）上行公共物理信道（3）下行專用物理信道

圖11-12下行專用物理信道幀結(jié)構

（4）下行公共物理信道 ①公共導頻信道（CPICH）

圖11-13CPICH幀結(jié)構

②同步信道（SCH）

圖11-14同步信道幀結(jié)構

③公共控制物理信道（CCPCH） ④下行物理共享信道（PDSCH）

3．傳輸信道（1）廣播信道（BCH）（2）前向接入信道（FACH）（3）尋呼信道（PCH）

（4）隨機接入信道（RACH）（5）公共分組信道（CPCH）（6）下行共享信道（DSCH）

4．物理層成幀的基本概念（1）傳輸塊（2）傳輸塊集合

（3）傳輸格式 ①動態(tài)部分 ②半靜態(tài)部分

（4）傳輸格式集（5）傳輸格式組合（6）傳輸格式指示（TFI）（7）傳輸格式組合指示（TFCI）

5．上/下行鏈路進程

圖11-15物理層上下行鏈路進程

圖11-16擴頻和加擾示意圖

圖11-17下行調(diào)制方式

11.3.3數(shù)據(jù)鏈路層 數(shù)據(jù)鏈路層使用物理層提供的服務，并向第三層提供服務。

數(shù)據(jù)鏈路層劃分為媒體接入控制（MAC）子層、無線鏈路控制（RLC）子層、分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（PDCP）子層和廣播/多播控制（BMC）子層。其中MAC和RLC由控制平面與用戶平面共用，PDCP和BMC僅用于用戶平面。

1．媒體接入控制子層（MAC）（1）MAC層功能 MAC子層位于物理層之上，向高層提供無確認的數(shù)據(jù)傳送、無線資源重分配和測量等服務，通過物理層提供的傳輸信道借助邏輯信道與上層交換數(shù)據(jù)。

（2）MAC層結(jié)構 MAC層是由MAC-b、MAC-c/sh和MAC-d三個邏輯實體構成，如圖11-18所示。

圖11-18MAC結(jié)構

（3）邏輯信道 MAC層通過邏輯信道與高層進行數(shù)據(jù)交互，在邏輯信道上提供不同類型的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務。

邏輯信道是MAC子層向RLC子層提供的數(shù)據(jù)傳輸服務，表示承載的任務和類型。邏輯信道根據(jù)不同數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務定義邏輯信道的類型。邏輯信道通常分為兩類：控制信道用來傳輸控制平面信息；業(yè)務信道用來傳輸用戶平面信息。

①控制信道

廣播控制信道（BCCH

尋呼控制信道（PCCH

公共控制信道（CCCH

專用控制信道（DCCH）

②業(yè)務信道

專用業(yè)務信道（DTCH

公共業(yè)務信道（CTCH）

（4）邏輯信道、傳輸信道和物理信道之間的映射關系

圖11-19傳輸信道和邏輯信道之間的映射（R99版本）

2．無線鏈路控制層（RLC）（1）RLC層主要功能 ①數(shù)據(jù)分段和重組 ②級聯(lián)和填充 ③用戶數(shù)據(jù)傳輸和糾錯

④高層PDU順序傳輸和復制檢測 ⑤流量控制 ⑥序列檢查 ⑦協(xié)議錯誤檢測與恢復 ⑧加密

（2）RLC層結(jié)構 RLC層支持3種傳輸模式：透明模式（Tr）、非確認模式（UM）和確認模式（AM）。

透明模式和非確認模式的實體是單向?qū)嶓w，可以配置為發(fā)送實體或者接收實體；確認模式實體是雙向?qū)嶓w，包含發(fā)送側(cè)和接收側(cè)，可同時進行收發(fā)。

3．分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（PDCP） 分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議層（PDCP）僅存在于用戶平面，提供分組域業(yè)務。

4．廣播/組播控制協(xié)議（BMC） 廣播/組播控制協(xié)議（BMC）僅存在于用戶平面，以無確認方式提供公共用戶的廣播/多播業(yè)務。

11.3.4無線資源控制層 RRC屬于控制平面，UE和UTRAN間的控制信令主要是無線資源控制層（RRC）消息，控制接口管理和對低層協(xié)議實體的配置。

主要完成的功能有：接入層控制、系統(tǒng)信息廣播、RRC連接管理、無線承載管理、RRC移動性管理、無線資源管理尋呼和通知、高層信息路由功能、加密和完整性保護、功率控制、測量控制和報告等。

1．RRC層結(jié)構 RRC層通過業(yè)務接入點向高層提供業(yè)務。在UE側(cè)，高層協(xié)議使用RRC提供的業(yè)務；在UTRAN側(cè)，Iu接口上無線接入網(wǎng)絡應用部分（RANAP）使用RRC提供的業(yè)務。

所有高層信令（移動性管理、呼叫控制、會話管理等）都被壓縮成RRC消息在空中接口傳送。UE側(cè)RRC模型結(jié)構如圖11-20所示。

圖11-20UE側(cè)RRC模型

RRC層功能實體如下。（1）路由功能實體（RFE）發(fā)（2）廣播控制功能實體（BCFE）（3）尋呼及通告控制功能實體（PNFE）

（4）專用控制功能實體（DCFE）（5）共享控制功能實體（SCFE）：（6）傳輸模式實體（TME）

2．RRC層的狀態(tài) RRC的各種狀態(tài)模式及各種模式間的轉(zhuǎn)換關系如圖11-21所示。

圖11-21RRC的各種狀態(tài)模式及各種模式間的轉(zhuǎn)換關系

其中包括：UTRAN連接模式和GSM連接模式在電路域的狀態(tài)轉(zhuǎn)移；UTRAN連接模式和GSM連接模式在分組域的狀態(tài)轉(zhuǎn)移；空閑模式和UTRAN連接模式間的轉(zhuǎn)移；UTRAN連接模式內(nèi)的RRC狀態(tài)轉(zhuǎn)移。

（1）空閑模式（2）UTRAN連接模式 ①CELL_DCH狀態(tài) ②CELL_FACH狀態(tài) ③CELL_PCH狀態(tài) ④URA_PCH狀態(tài)11.4WCDMA系統(tǒng)關鍵技術 與第二代移動通信系統(tǒng)相比，第三代移動通信系統(tǒng)除了提供高質(zhì)量的話音業(yè)務外，還具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。在WCDMA系統(tǒng)中，采用了很多先進通信技術，用于提高系統(tǒng)性能，下面將簡要介紹RAKE接收、軟切換、快速功率控制和信道編碼技術。

11.4.1RAKE接收機 對采用CDMA技術的系統(tǒng)，無線信道傳輸中出現(xiàn)的時延擴展，可以被認為是信號的再次傳輸。

如果這些多徑信號相互間的時延超過了一個碼片的寬度，RAKE接收機就可以對它們分別進行解調(diào)，通過對多個信號進行分別處理合成得到接收信號。

RAKE接收不同于傳統(tǒng)的空間、頻率與時間分集技術，充分利用了信號統(tǒng)計與信號處理技術，將分集的作用隱含在被傳輸?shù)男盘栔?，所以又稱為隱分集。

1．RAKE接收機工作原理

圖11-22RAKE接收機的工作原理示意圖

2．第三代移動通信系統(tǒng)中的RAKE接收

11.4.2軟切換 1．切換的概念 切換通常指越區(qū)切換，在移動臺從一個基站覆蓋的小區(qū)進入到另一個基站覆蓋的小區(qū)的情況下，為了保持通信的連續(xù)性，將移動臺與當前基站之間的通信鏈路轉(zhuǎn)移到移動臺與新基站之間的通信鏈路的過程。

根據(jù)切換方式不同，通常分為硬切換和軟切換兩種情況。

2．WCDMA系統(tǒng)中的切換 根據(jù)切換發(fā)生時移動臺與源基站和目標基站連接方式的不同，WCDMA系統(tǒng)采用的切換方式有：軟切換、更軟切換和硬切換。

3．切換過程 切換過程通常分為以下三個步驟：無線測量、網(wǎng)絡判決、系統(tǒng)執(zhí)行。

圖11-23WCDMA軟切換原理示意圖

11.4.3快速功率控制 1．功率控制的意義 CDMA技術采用相互正交的偽隨機碼區(qū)分用戶，碼分多址技術是在同一頻段建立多個碼分信道，雖然偽隨機碼具有很好的互不相關性，但是由于使用單一的頻率，無法避免其他信道對特定通信鏈路的干擾，這種干擾稱為多址干擾。

功率控制的目的是確保發(fā)射機輸出合適的發(fā)射功率，使得到達接收機的信號強度大致相同，盡量降低對其他信道的干擾，進而提高系統(tǒng)容量。

常用的減小干擾技術還有分集技術，分集技術的目的是通過增強信道自身的抗干擾能力來保證系統(tǒng)容量?？紤]到多址干擾，CDMA系統(tǒng)需要采用功率控制技術。

CDMA系統(tǒng)中還存在著所謂的“遠近效應”、“邊緣問題”的影響，同時由于移動信道是一個衰落信道，要求功率控制可以隨著