第9章 WCDMA移动通信系统.docx
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第9章WCDMA移动通信系统
第9章WCDMA移动通信系统
教学内容、难点等
教学内容:
•WCDMA系统的主要特点,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;
•空中接口物理层的功能;
•物理信道、传输信道与逻辑信道功能;
•HSDPA/HSUPA网络的特点及演进;
教学要求
•了解WCDMA系统的主要特点;
•掌握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;
•掌握WCDMA物理层的功能,物理信道、传输信道与逻辑信道的映射关系;
•了解HSDPA/HSUPA网络的特点及演进;
重点难点
•掌握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;
•掌握WCDMA物理层的功能,物理信道、传输信道与逻辑信道的映射关系;
9.1WCDMA移动通信系统的特点
WCDMA网络的主要特点如下。
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。
此外,也不排除在现有的频段或别的频段使用其他的收发频率间隔;在TDD模式下只使用一个5MHz的载频,上下行信道不是成对的,上下行链路之间分时共享同一载频。
载频的中心频率为200KHz的整数倍,发射和接收同在一个频率上。
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。
扩频后的数据流使用Gold码为数据加扰,Gold码具有很好的互相关特性,适合用来区分小区和用户。
WCDMA系统中Gold码在下行链路区分小区,在上行链路区分用户。
为支持高的比特速率(最高2Mbit/s),WCDMA采用了可变扩频因子和多码连接。
3.语音编码
WCDMA中的声码器采用自适应多速率(AMR,AdaptiveMulti-Rate)技术。
多速率声码器是一个带有8种信源速率的集成声码器,8种源码速率分别为:
12.2kbit/s(GSM-EFR)、10.2kbit/s、7.95kbit/s、7.40kbit/s(IS-641)、6.70kbit/s(PDC-EFR)、5.90kbit/s、5.15kbit/s和4.75kbit/s。
AMR声码器处理基于20ms的语音帧,相当于在采样频率为8000次/秒时要处理160个样本。
多速率声码器的编码方式为代数码激励线性预测编码(ACELP:
AlgebraicCodeExcitedLinearPredictionCoder)。
多速率ACELP编解码器也表示为MR-ACELP。
对于每160个话音样本,通过分析声音信号来提取ACELP模型的参数。
话音编码器输出的话音参数比特在传输之前需要按照它们的主观重要性来重新编排顺序,并且重排后,还需要根据它们对错误的敏感性进一步重排。
根据空中接口的负荷以及话音连接的质量,无线接入网络控制AMR话音连接的比特速率。
在高负荷期间,就有可能采用较低的AMR速率,在保证略低的话音质量的同时提供较高的容量。
如果移动终端离开了小区覆盖范围,并且已经达到了它的最大发射功率,可以利用较低的AMR速率来扩展小区的覆盖范围。
合理地利用AMR声码器,就有可能在网络容量、覆盖以及话音质量间按运营商的要求进行折中。
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。
卷积码已经被广泛使用长达几十年,很多移动通信系统均采用卷积码作为信道编码,比如GSM系统、IS-95系统以及第三代移动通信系统。
WCDMA系统中,当业务信道(公用和专用传输信道上)的数据传输速率小于或等于32kbit/s时,采用卷积编码,码率1/2或1/3,约束长度K=9;数据传输速率大于或等于64kbit/s时,采用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。
功率控制通过调整发射机的发射功率,使得信号到达接收机时,信号强度基本相等。
为了能够及时的调整发射功率,需要快速的反馈,从而减少系统多址干扰,同时也降低了传输功率,可有效满足抗衰落的要求。
WCDMA系统采用的快速功率控制速率为1500次/秒,称为内环功率控制,同时应用在上行链路和下行链路,控制步长0.25~4dB可变。
相对于内环功率控制,外环功率控制的速率要低得多,最多100次/秒。
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。
WCDMA系统支持与GSM系统之间的切换,WCDMA系统能与GSM系统协同工作,能够在引入WCDMA后达到增加GSM覆盖的目的。
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。
在每个10ms期间,用户数据速率是恒定的,然而这些用户之间的数据容量帧与帧之间是可变的,如图9-2所示。
图9-2WCDMA可变数据速率示意图
9.2WCDMA网络结构与接口
9.2.1UMTS系统结构
UMTS网元和接口如图9-3所示。
图9-3UMTS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。
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应用等等。
用户设备(UE)主要由移动设备(ME)和通用用户识别模块(USIM)两部分组成。
(1)移动设备(ME),通常所说的手机,有车载型、便携型和手持型。
为用户提供与无线接入网相连的交互界面,移动设备具有与网络进行信令和数据交换的能力,为用户实现各种业务功能和服务。
移动设备包括射频处理单元、基带处理单元、协议栈模块以及应用层软件模块等部件。
(2)通用用户识别模块(USIM),物理特性与GSM的SIM卡相同。
用来提供3G用户身份识别,储存移动用户的签约信息、电话号码、多媒体信息等,提供保障USIM信息安全可靠的安全机制。
Cu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:
执行系统信息广播与系统接入控制功能。
②移动性管理:
切换和RNC迁移等移动性管理。
③无线资源管理与控制:
宏分集合并、功率控制、无线承载分配等无线资源管理和控制功能。
(3)CRNC、SRNC、DRNC的概念
由于WCDMA网络存在软切换,可能存在1个UE和1个或多个无线网络子系统RNS中的RNC连接的情况,因此针对RNC所起作用的不同,引入CRNC、SRNC、DRNC的概念,如图9-4所示。
图9-4CRNC、SRNC、DRNC作用示意图
①控制无线网络控制器(CRNC)
控制NodeB的操作与维护、接入控制等功能,并与NodeB直接存在物理连接的RNC称为NodeB的控制无线网络控制器(CRNC)。
CRNC负责管理整个小区的资源,命令NodeB配置、重配置或删除对小区资源的使用。
②服务无线网络控制器(SRNC)
负责UE和CN之间的无线连接的管理,一个与UTRAN相连的UE有并且只能有一个SRNC,通常SRNC即是CRNC,但在软切换过程中可以有例外。
SRNC负责启动/终止用户数据的传送、控制和CN的Iu连接以及通过无线接口协议和UE进行信令交互。
SRNC执行基本的无线资源管理操作,如无线资源的分配、释放和重配置,切换判决和外环功率控制等。
③漂移无线网络控制器(DRNC)
除了SRNC以外,UE所用到的其他RNC称为漂移无线网络控制器(DRNC),一个UE可以没有也可以有一个或多个DRNC。
一个DRNC可以与一个或多个UE相连。
DRNC不与CN直接相连。
DRNC控制UE使用的小区资源,可以进行宏分集合并、分裂。
和SRNC不同的是,DRNC不对用户平面的数据进行数据链路层的处理,而在Iub和Iur接口间进行透明的数据传输。
(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。
表9-1UTRAN接口和协议
接口名称
接口位置
协议
Iu
CN-UTRAN
RANAP
Iur
RNC-RNC
RNSAP
Iub
RNC-NodeB
NBAP
Uu
NodeB-UE
WCDMA
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。
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。
9.2.2基于R99、R4、R5/R6的核心网结构
1.R99网络结构及接口
(1)R99网络结构
R99版本网络结构如图9-5所示,图中所有功能实体都可作为独立的物理设备,在实际应用中一些功能实体可以组合到同一个物理实体中,如MSC/VLR、HLR/AuC、SGSN/MSC/VLR等等,相应接口将变为内部接口。
图9-5R99版本网络结构图
R99版本电路域的功能实体包括:
GMSC、MSC、VLR等。
可以根据需求的不同将MSC设置为短消息-网关移动交换中心(SMS-GMSC)、短消息-互联移动交换中心(SMS-IWMSC)等等。
为实现不同网络间互通,系统配置了互操作功能(IWF),IWF通常与MSC组合在一起。
R99版本分组域的功能实体包括服务GPRS支持节点(SGSN)和网关GPRS支持节点(GGSN),作为无线用户和固定网络之间分组交换业务的桥梁,为用户提供分组数据业务。
R99版本核心网还包括CS域和PS域共用的HLR、AuC、EIR等功能实体。
各功能实体间通过不同的接口相连,与GSM/GPRS网络结构相比,增加了Iu接口,核心网通过A接口和Gb接口可以与GSM/GPRS无线网络相通,保证了系统与GSM/GPRS系统的兼容性。
为支持3G业务,有些功能实体增添了相应的接口协议,另外对原有的接口协议进行了改进。
(2)R99核心网的接口与协议
R99核心网的接口协议如表9-2所示。
表9-2R99核心网的接口协议
2.R4网络结构及接口
(1)R4网络结构
R4版本与R99版本相比,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,引入了软交换技术,导致了核心网功能实体发生变化。
MSC根据需要可分成两个不同的实体:
MSC服务器(MSCServer)和电路交换媒体网关(CS-MGW),MSCServer和CS-MGW共同完成MSC功能,VLR和MSC服务器组合到一起。
GMSC也分成GMSC服务器(GMSC-Server)和CS-MGW。
R4版本中PS域的功能实体SGSN和GGSN没有改变,与外界的接口也没有改变。
其它的功能实体HLR、AuC、EIR等等,相互间关系也没有改变,如图9-6所示。
图9-6R4网络结构图
R4核心网电路域变化的实体功能介绍如下:
①MSC服务器(MSCServer)
MSCServer用来处理信令,独立于承载协议。
它主要由MSC的呼叫控制和移动控制单元组成,负责完成CS域的呼叫、媒体网关管理、移动性管理、认证、资源分配、计费等功能,还包括R4版本核心网电路域提供的其它业务。
MSCServer可以与VLR一起配置,完成移动用户业务数据和相关移动网络增强逻辑用户化应用(CAMEL)数据的存储、查询和管理等功能。
MSCServer终结用户-网络信令,并将其转换成网络-网络信令,位于端局时,通常与VLR一起配置。
②电路交换媒体网关(CS-MGW)
CS-MGW用来处理用户数据,可以终结电路交换网络来的承载通道,也可以终结分组交换网来的媒体流,如IP网中的实时协议(RTP)数据流。
CS-MGW通过Iu接口使CN和UTRAN连接,负责核心网电路域和接入网间语音和数据的交互,可支持媒体转换、承载控制和有效载荷处理,如多媒体数字信号编解码器、回音消除器、会议桥等,可支持基于ATM的适配层2(AAL2/ATM),或基于RTP/UDP/IP的CS业务不同的Iu选项。
CS-MGW作为关口局时,处于网间互连的位置,实现语音和数据的交互,以及承载媒体的转换。
如图9-6所示与PSTN网络的互通,CS-MGW应拥有回音消除器等资源。
CS-MGW可以起到汇接局的作用,实现同质数据流和承载媒体类型的汇接,具有话音数据流和承载媒体汇接功能。
CS-MGW还应具有必要的资源来支持UMTS/GSM传输媒体。
CS-MGW的承载控制和有效载荷处理能力也用来支持移动性功能,如SRNS重分配/切换和定位。
③关口MSC服务器(GMSCServer)
GMSCServer主要由GMSC的呼叫控制和移动控制单元组成,负责与其它网络(PSTN/ISDN/PLMN)的互通,实现GMSC的呼叫管理、路由和移动性管理,控制MGW交换等等。
(2)R4核心网的接口与协议
R4核心网实现了控制与承载的分离,除新增接口外,R4核心网的接口、实现方式和功能与R99相似。
表9-3所示为核心网新增接口与协议。
表9-3R4核心网新增接口与协议
接口名
连接实体
信令与协议
Mc
(G)MSCServer—CS-MGW
H.248
Nc
MSCServer—(G)MSCServer
ISUP、BICC
Nb
CS-MGW—CS-MGW
RTP/UDP/IPAAL2、STM、H.245
R99全部接口名
R99全部连接实体
R99全部信令与协议
R4核心网的新增接口及功能如下:
①Mc接口
(G)MSC服务器与CS-MGW间的接口,承载方式为IP和ATM。
遵从H.248标准,H.248是媒体网关控制协议,用于物理分开的多媒体网关单元控制的协议,能把呼叫控制从媒体转换中分离出来。
Mc接口支持不同呼叫模式和媒体处理方式的灵活连接,支持开放结构,可以根据需要进行扩展,可以动态共享MGW物理节点资源,也支持动态共享不同域间的传输资源。
能实现特殊的移动网络功能,如SRNC重定位和切换等。
②Nc接口
MSC服务器与(G)MSC服务器间的接口,通过该接口,使不同网络间的通话能顺利进行。
如果Nc接口承载方式为IP和ATM,Nc接口将采用与承载无关的BICC协议。
如果Nc接口承载方式为TDM,Nc接口将采用ISUP协议。
比如Nc的协议可以是综合业务数字网用户部分(ISUP)或改进ISUP。
在软交换系统间的互通协议方面,电话业务域间采用BICC协议,多媒体业务域之间采用SIP协议,电话业务域和多媒体业务域之间采用BICC协议。
③Nb接口
CS-MGW与CS-MGW间的接口,用于执行承载控制和数据传输。
用户数据的传输方式可以是RTP/UDP/IP或AAL2/ATM。
Nb接口上的用户数据传输和承载控制可以有不同的方式,如同步传送模式(STM),RTP/H.245方式,H.245是H.323多媒体通信体系中的控制信令协议,主要用于处于通信中的H.323终点或终端间的端到端H.245信息交换。
3.R5网络结构及接口
(1)R5网络结构
R5版本是全IP(或全分组化)的第一个版本,R5版本的PLMN基本网络结构(无IMS部分)如图9-7所示。
R5版本的网络结构和接口形式与R4版本基本一致,所不同的是当PLMN包括IMS时,HLR被HSS所替代;BSS和CS-MSC、MSC服务器之间支持A接口以及Iu-CS接口;BSC和SGSN之间也同时支持Gb及Iu-PS接口。
图9-7R5网络结构
R5版本在无线接入网方面的改进为:
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9-8所示。
图9-8含IMS子系统的R5版本网络结构
IMS是在基于IP的PS域的基础上构架的,IMS控制平面信令采用基于IP的SIP协议。
具有IMS功能的移动终端由WCDMA接入网(或其它无线接入网)接入网络,与分组域的GGSN经Go接口与IMS网络呼叫会话控制功能实体(CSCF)相连,由IMS网络负责信令的处理,IMS引发的数据传输直接由GGSN连接到外部应用服务器或数据网。
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,增加了一些新的功能特性。
R6研究的主要内容有:
(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等。
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。
9.4WCDMA空中接口
9.4.1Uu接口协议结构
空口接口的协议结构如图9-11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9-11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,用户平面用来传送语音和数据。
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。
其中第二层又分为几个子层:
媒体接入控制(MAC)层、无线链路控制(RLC)层、分组数据汇聚协议(PDCP)层和广播/多播控制(BMC)层。
从图中可以看到,RRC与RLC、MAC层、物理层之间存在连接,这些连接提供了RRC层间控制业务。
RRC也与PDCP和BMC之间存在连接。
与低层的这些连接,保证RRC能够配置低层协议实体的参数,包括物理信道、传输信道和逻辑信道的参数。
同时,通过这些控制接口,命令低层进行特定的测量,向RRC层发送测量报告和错误信息。
9.4.2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。
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。
物理层的基本传输单元为无线帧,持续时间为10ms,长度为38400chip;无线帧又被划分为15个时隙的处理单元,每个时隙有2560chip,持续时间为2/3ms。
物理层的信息速率随着符号速率的变化而变化,而符号速率则取决于扩频因子。
2.物理信道
物理信道的特征可由载频、扰码、信道化码(可选的)和相对相位来体现。
按照信息的传送方向,物理信道可分为上行物理信道(UE至NodeB)和下行物理信道(NodeB至UE);按照物理信道是否由多个用户共享还是一个用户使用分为专用物理信道和公共物理信道。
如图9-12所示。
其中HS-SCCH、HS-PDSCH、HS-DPCCH为在R5中引入的信道。
图9-12WCDMA物理信道示意图
(1)上行专用物理信道
上行专用物理信道包括上行专用物理数据信道(DPDCH)和上行专用物理控制信道(DPCCH)。
上行DPDCH用于承载专用传输信道(DCH)的用户数据,在每个无线链路中可以有0个、1个或多个上行DPDCH,上行DPDCH数据速率可以逐帧改变,取决于选定的扩频因子。
上行DPCCH用于传输物理层产生的控制信息。
物理层的控制信息包括支持信道估计以进行相干检测的已知导频比特(Pilot)、发射功率控制指令(TPC)、反馈信息(FBI)以及一个可选的传输格式组合指示(TFCI)。
TFCI将复用在上行DPDCH上的不同传输信道的瞬时参数通知给接收机,并与同一帧中要发射的数据对应起来。
在每个物理层连接中有且仅有一个上行DPCCH。
上行专用物理信道的帧结构如图9-13所示。
图9-13上行DPDCH/DPCCH的帧结构
图中的参数k决定了每个上行DPDCH/DPCCH时隙的比特数。
它与物理信道的扩频因子SF有关,
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