WCDMA的系統結構淺析

一、WCDMA技術特點

　　WCDMA技術具有下述主要特色：

　?。?）WCDMA物理層采用DS-CDMA多址技術，將用戶數據和利用CDMA擴頻碼得到的偽隨機序列即碼片（chip）序列相乘，從而將用戶信息擴展到較寬的帶寬上（可以根據具體速率要求，選用不同的擴頻因子）。

　?。?）WCDMA支持FDD/TDD兩種工作模式。其中FDD要求為上下行鏈路成對分配頻譜，而TDD可以使用不對稱頻譜供上下行鏈路共享，因此從某種意義上說，TDD可以更節省地使用頻譜資源。

　?。?）WCDMA支持異步基站操作，網絡側對同步沒有要求，因而易于完成室內和密集小區的覆蓋。

　?。?）WCDMA采用10ms幀長，碼片速率為3.84Mc/s。其3.84Mc/s的碼片速率要求上下行鏈路分別使用5MHz的載波帶寬，實際載波間距離的要求根據干擾的不同在4.4MHz～5MHz之間變化，變化步長為200kHz。對于人口密集地帶可選用多個載波覆蓋。其10ms幀長允許用戶的數據速率可變，雖然在10ms內用戶比特率不變，但10ms幀之間用戶的數據容量可變。

　?。?）WCDMA在上下行鏈路均利用導頻相干檢測，擴大了覆蓋范圍。WCDMA空中接口包括先進的CDMA接收機，它利用了多用戶檢測和自適應智能天線技術，這些手段可以較好地提高系統覆蓋和容量。

　?。?）WCDMA允許不同QoS要求的業務進行復用。

　?。?）WCDMA系統允許與GSM網絡共存和協同工作，支持系統間的切換。

　?。?）WCDMA在上行傳輸信號的包絡中無周期性分量，故可避免音頻干擾。

二、WCDMA的系統結構

　　1.WCDMA系統組成

　　WCDMA作為UMTS（通用移動通信系統）的實現，其系統體系結構與大多數第二代系統甚至第一代系統基本類似。WCDMA系統包括若干邏輯網絡元素，邏輯網絡元素可以按不同子網分類，也可以按功能來劃分。

　　功能上，邏輯網絡元素可以分成UE（用戶設備終端）、無線接入網（RAN）和核心網（CN）。無線接入網也可以借用UMTS中地面RAN的概念，因此又簡稱為UTRAN。其中RAN處理與無線通信有關的功能。CN處理語音和數據業務的交換功能，完成移動網絡與其他外部通信網絡的互聯，相當于第二代系統中的MSC/VLR/HLR。UE和RAN采用全新的WCDMA無線技術規范，而CN基本上來源于GSM。

　　UMTS也可以分成若干個子網，子網之間可以獨立工作，又可以協同工作，因而子網又叫做UMTS公眾陸地移動網（PLMN）。不同運營商運營的PLMN之間可以互通，而且PLMN也可以與ISDN，PSTN，Internet以及其他數據網絡互通。圖1給出了PLMN網絡體系結構，圖中包括PLMN網絡的邏輯元素、內部元素連接以及與外部網絡的連接。

　　下面說明圖1中的邏輯網絡元素。其中UE包含如下兩個部分：

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圖1　PLMN體系結構

　　ME（移動設備）。它是通過空中無線接口Uu與Node B進行通信的無線終端。

　　USIM（UMTS用戶識別模塊）。它相當于GSM終端中的SIM智能卡，用于記載用戶標識，可執行鑒權算法，并保存鑒權、密鑰以及終端需要的預約信息。

　　RAN中則包含如下兩個部分：

　　Node B（B結點）。它是在Iub和Uu接口之間傳送數據的基站（BS），基站也參與部分無線資源管理。

　　RNC（無線網絡控制器）。它控制轄區內的所有無線資源，是與之相連的基站的管理者。RNC是RAN提供給CN的所有業務的接入點。

　　CN中包含的邏輯網絡元素有如下幾個：

　　MSC/VLR（移動業務交換中心/訪問位置寄存器）。移動交換中心MSC和數據庫VLR為UE提供電路交換服務。MSC用于完成電路交換業務，而VLR用于保存漫游用戶的服務特征描述副本，以及UE在服務系統中精確的位置信息。通過MSC/VLR連接的外部網絡稱作CS域網絡。

　　HLR（歸屬位置寄存器）。這是一個位于用戶本地的系統數據庫，它保存了用戶服務特征描述的主備份。這些服務的特征描述包括允許的業務信息、禁止漫游的地區和補充業務信息（如呼叫前轉狀態和呼叫前轉數量）。此數據庫在新用戶向系統注冊入網時為用戶創建初始化數據，創建后的數據在用戶接收服務期間始終存在。為了給呼入的用戶找到路由并連接到目的UE，HLR還在MSC/VLR和SGSN中保存UE的位置信息。

　　GMSC（移動業務交換中心網關）。這是UMTS PLMN與外部CS域網絡連接處的交換設備，所有呼入和呼出的CS連接均需要經過GMSC。

　　SGSN（服務GPRS支撐節點）。它與MSC/VLR的功能類似，只不過它僅用于分組交換（PS）業務。通過SGSN連接的外部網絡稱作PS域網絡。

　　GGSN（GPRS支持節點網關）。它與GMSC的功能類似，不過它僅用于分組交換業務。

　　圖1中的外部網絡包括如下兩個部分：

　　CS域網絡。它提供電路交換如現有電話業務的連接。CS域網絡包括PSTN和ISDN等。

　　PS域網絡。它提供數據分組交換如現有數據上網業務的連接。PS域網絡包括Internet和X.25等。

　　3GPP規范并沒有對上面描述的邏輯網絡元素的內在功能作具體詳細的說明，但是對邏輯網絡元素之間的一些接口作了詳細定義。PLMN網絡主要的開放接口如下：

　　Cu接口：它是USIM智能卡和ME之間的電子接口，遵循智能卡的標準格式。

　　Uu接口：它是WCDMA的無線接口，是UE終端接入系統固定網絡的必需接口。UMTS Uu接口的開發性可以保證不同制造商設計的UE終端可以接入其他制造商設計的RAN中。

　　Iub接口：它是連接Node B與RNC的標準接口。制定開放的Iub接口就是為了保證不同移動通信設備制造商生產的Node B和RCN之間可以互聯互通，使運營商單獨購置Node B和RNC設備成為可能。

　　Iur接口：它是RNC之間的接口，開放的Iur接口允許不同設備制造商生產的RNC之間可以進行軟切換。

　　Iu接口：它是連接RAN與CN之間的標準接口，類似于GSM網絡中的A接口（電路交換）和Gb（分組交換）接口。開放的Iu接口允許運營商購置不同設備制造商生產的RAN和CN設備鋪設網絡，這樣有利于造成設備制造商之間的競爭。開放的A接口和Gb接口也是GSM成功的原因。

　　2.RAN結構

　　WCDMA的無線接入網可以包含一個或多個RNS（無線網絡子系統）。一個RNS可理解為RAN內的一個子網，它包含一個RNC和一個Node B集合。不同RNS中的RNC通過Iur接口互聯，而RNS內部的RNC通過Iub接口與Node B建立物理連接。RNS內部和外部的連接關系如圖2所示。

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圖2　RNS內外部連接關系

　　RAN的主要特征：

　　●支持UTRA（即UMTS地面無線接入）及真相關的所有功能。例如，要求支持軟件切換以及WCDMA特定的無線資源管理算法。

　　●盡可能與GSM兼容。

　　●最大限度地兼容CS域和PS域的處理。一方面，他們共用空中接口協議棧；另一方面它們使用同一接口從RAN連接到CN。

　　●使用ATM作為主要的傳輸機制，同時考慮傳輸網絡向IP網絡的過渡。

　　在WCDMA系統中，邏輯網絡元素無線網絡控制負責RAN無線資源管理。RNC通過MSC或者SGSN與核心網相連，并負責終止UMTS WCDMA的空中接口協議。RNC在邏輯上相當于第二代系統中的BSC。

　　我們將控制一個基站的RNC叫做控制RNC（CRNC），CRNC與所控制的基站之間必須有直接的物理連接。CRNC負責終止所控制的基站Iub協議接口，并負責所有控制小區的接納控制和擁塞控制。另外，CRNC還要完成控制小區中新建無線連接的碼字分配。

　　如果一個移動用戶連接到無線接入網時需要使用多個RNS資源，那么可以從邏輯功能上將涉及到的RNC分成兩類，一類叫做服務RNC（SRNC），另一類叫做漂移RNC（DRNC）。

　　一個移動用戶的SRNC負責終止用戶無線數據的傳送，以及Iu連接的RANAP信令。Iu接口連接是CN與RAN之間的連接，因而Iu接口的RANAP信令連接簡稱為RANPA連接。SRNC也負責終止無線資源控制（RRC）信令，RRC是UE與RAN之間的信令協議。在實際系統設計中，空中無線接口的L2處理也在SRNC中完成。SRNC需要完成RAN內部的無線資源管理操作，例如，將無線接入承載參數轉化為控制傳輸信道參數、切換判決或者外環功率控制。SRNC在大多數情況下作為基站的CRNC存在。

　　針對一條無線連接而言，除SRNC之外的其他所有RNC都是DRNC。DRNC負責控制移動用戶使用的小區。在某種情況下，DRNC也可以進行宏分集的合并和分裂。只有UE在使用公共或者共享傳輸信道時，DRNC才進行用戶平面數據的L2處理，否則僅在Iub和Iur接口間透明地為數據選擇路由。一個UE可以有一個和多個DRNC，也可以沒有。

　　RAN中的基站又叫Node B，它主要完成空中接口的L1處理，以及很小部分的L2處理。L1處理分為碼片級處理和符號級處理，需要完成擴頻/解擴、速率匹配以及信道編碼與交織等。另外，基站也需要執行部分關鍵的無線資源管理操作，例如，執行內環功率控制動作。RAN中的基站在邏輯上對應于第二代系統中的BTS。

　　3.RAN接口模型

　　RAN接口的通用協議模型基于這樣的原則，各層和各平面在邏輯上保持獨立，這樣以后可根據需要修改協議結構中的一部分，而保持其他部分不變。圖3給出了RAN接口的通用協議模型，由圖可見，RAN接口協議的設計是根據通用的協議模型進行的。

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圖3　RAN接口的通用協議模型

　　RAN接口的通用協議模型在水平方向分為無線網絡層和傳輸網絡層。所有RAN的相關內容僅在無線網絡層體現。而傳輸網絡層使用標準的傳輸技術，如ATM，IP。RAN在引用傳輸技術時完全保持其原有特征，不針對RAN作任何特定修改，這也是WCDMA移動通信系統充分使用現有傳輸網絡基礎設施的體現。

　　RAN接口的通用協議模型在垂直方向分為控制平面、用戶平面、傳輸網絡控制平面以及傳輸網絡用戶平面。

　　控制平面用于實現所有接口的控制信令，它不僅包含應用控制協議，如Iu口的RANAP，Iur中的RASAP，以及Iub中的NBAP，還包含應用控制協議的信令承載。

　　RAN與UE之間的承載由控制平面的控制協議建立。RAN與UE之間的承載分為Iu中的無線接入承載和Iur/Iub中的無線連接。

　　在控制平面的三層結構中，物理層和信令承載分別對應層L1和層L2，處于無線網絡層水平面的控制協議對應層L3。

　　控制協議的信令承載與傳輸網絡控制平面的信令承載可以相同，也可以不同?？刂茀f議的信令承載總是通過操作維護（OAM）動作建立。

　　用戶平面用于實現所有接口的媒體流傳輸，它不僅包含應用媒體協議，如CCH FP和DCH FP，還包含媒體協議的數據承載。

　　用戶收發的所有信息，例如，話音呼叫中已編碼的話音或者數據流業務中的分組，都通過用戶平面傳輸。

　　用戶平面的媒體協議主要處理數據流的幀，因此稱為幀協議（FP）。FP分為公共信道FP和專用信道FP。

　　傳輸網絡控制平面服務于傳輸網絡層的所有控制信令，它不包含任何無線網絡層信息。它包括用于建立用戶平面內數據傳輸承載的承載信令控制協議（如建立ATM數據傳輸承載的ALCAP協議），同時也包括信令控制協議需要的信令承載（如ALCAP協議要求的SAAL協議）。

　　邏輯上，傳輸網絡控制平面位于控制平面和用戶平面之間。它的引入使控制平面的控制協議與用戶平面中的媒體協議所采用的承載技術之間完全獨立成為可能。例如，控制協議的信令承載可以使用AAL5等可靠的適配技術，而媒體協議的數據承載則可采用AAL2等實時性較高的適配技術。

　　應用傳輸網絡控制平面時，用戶平面中數據承載的傳輸承載可以按如下方式建立：首先，控制平面的控制協議通過信令分析發現有建立數據承載的要求；其次，控制協議通過傳輸網絡控制平面的承載信令控制協議（如ALCAP）引發數據承載的建立。

　　一般來說，承載信令控制協議特定于用戶平面技術要求?？刂破矫婧陀脩羝矫娴莫毩⑿砸蟪休d信令控制協議參與用戶平面數據承載的建立過程。然而，承載信令控制協議并不用于所有類型的數據承載上，如果承載信令控制協議不再存在，那么傳輸網絡控制平面就沒有存在的必要。在這種情況下，要使用預先配置的數據承載。

　　承載信令控制協議不一定與控制協議具有相同的信令承載。3GPP規范推薦承載信令控制協議總是使用操作維護（OAM）動作建立，但是對建立的細節沒有規定。

　　前面講到的控制平面的信令承載和用戶平面的數據承載都屬于傳輸網絡用戶平面。傳輸網絡用戶平面的數據承載在實時操作期間由傳輸網絡控制平面直接控制。但是，傳輸網絡用戶平面在為控制平面的控制協議建立信令承載時必須受操作維護（OAM）控制。