WCDMA的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)淺析

一、WCDMA技術(shù)特點(diǎn)

WCDMA技術(shù)具有下述主要特色：

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

（2）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(jié)省地使用頻譜資源。

（3）WCDMA支持異步基站操作，網(wǎng)絡(luò)側(cè)對同步?jīng)]有要求，因而易于完成室內(nèi)和密集小區(qū)的覆蓋。

（4）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(shí)際載波間距離的要求根據(jù)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(shù)據(jù)速率可變，雖然在10ms內(nèi)用戶比特率不變，但10ms幀之間用戶的數(shù)據(jù)容量可變。

（5）WCDMA在上下行鏈路均利用導(dǎo)頻相干檢測，擴(kuò)大了覆蓋范圍。WCDMA空中接口包括先進(jìn)的CDMA接收機(jī)，它利用了多用戶檢測和自適應(yīng)智能天線技術(shù)，這些手段可以較好地提高系統(tǒng)覆蓋和容量。

（6）WCDMA允許不同QoS要求的業(yè)務(wù)進(jìn)行復(fù)用。

（7）WCDMA系統(tǒng)允許與GSM網(wǎng)絡(luò)共存和協(xié)同工作，支持系統(tǒng)間的切換。

（8）WCDMA在上行傳輸信號的包絡(luò)中無周期性分量，故可避免音頻干擾。

二、WCDMA的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.WCDMA系統(tǒng)組成

WCDMA作為UMTS（通用移動通信系統(tǒng)）的實(shí)現(xiàn)，其系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與大多數(shù)第二代系統(tǒng)甚至第一代系統(tǒng)基本類似。WCDMA系統(tǒng)包括若干邏輯網(wǎng)絡(luò)元素，邏輯網(wǎng)絡(luò)元素可以按不同子網(wǎng)分類，也可以按功能來劃分。

功能上，邏輯網(wǎng)絡(luò)元素可以分成UE（用戶設(shè)備終端）、無線接入網(wǎng)（RAN）和核心網(wǎng)（CN）。無線接入網(wǎng)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(guān)的功能。CN處理語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的交換功能，完成移動網(wǎng)絡(luò)與其他外部通信網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，相當(dāng)于第二代系統(tǒng)中的MSC/VLR/HLR。UE和RAN采用全新的WCDMA無線技術(shù)規(guī)范，而CN基本上來源于GSM。

UMTS也可以分成若干個子網(wǎng)，子網(wǎng)之間可以獨(dú)立工作，又可以協(xié)同工作，因而子網(wǎng)又叫做UMTS公眾陸地移動網(wǎng)（PLMN）。不同運(yùn)營商運(yùn)營的PLMN之間可以互通，而且PLMN也可以與ISDN，PSTN，Internet以及其他數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)互通。圖1給出了PLMN網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，圖中包括PLMN網(wǎng)絡(luò)的邏輯元素、內(nèi)部元素連接以及與外部網(wǎng)絡(luò)的連接。

下面說明圖1中的邏輯網(wǎng)絡(luò)元素。其中UE包含如下兩個部分：

圖1　PLMN體系結(jié)構(gòu)

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

USIM（UMTS用戶識別模塊）。它相當(dāng)于GSM終端中的SIM智能卡，用于記載用戶標(biāo)識，可執(zhí)行鑒權(quán)算法，并保存鑒權(quán)、密鑰以及終端需要的預(yù)約信息。

RAN中則包含如下兩個部分：

Node B（B結(jié)點(diǎn)）。它是在Iub和Uu接口之間傳送數(shù)據(jù)的基站（BS），基站也參與部分無線資源管理。

RNC（無線網(wǎng)絡(luò)控制器）。它控制轄區(qū)內(nèi)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(yè)務(wù)的接入點(diǎn)。

CN中包含的邏輯網(wǎng)絡(luò)元素有如下幾個：

MSC/VLR（移動業(yè)務(wù)交換中心/訪問位置寄存器）。移動交換中心MSC和數(shù)據(jù)庫VLR為UE提供電路交換服務(wù)。MSC用于完成電路交換業(yè)務(wù)，而VLR用于保存漫游用戶的服務(wù)特征描述副本，以及UE在服務(wù)系統(tǒng)中精確的位置信息。通過MSC/VLR連接的外部網(wǎng)絡(luò)稱作CS域網(wǎng)絡(luò)。

HLR（歸屬位置寄存器）。這是一個位于用戶本地的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，它保存了用戶服務(wù)特征描述的主備份。這些服務(wù)的特征描述包括允許的業(yè)務(wù)信息、禁止漫游的地區(qū)和補(bǔ)充業(yè)務(wù)信息（如呼叫前轉(zhuǎn)狀態(tài)和呼叫前轉(zhuǎn)數(shù)量）。此數(shù)據(jù)庫在新用戶向系統(tǒng)注冊入網(wǎng)時為用戶創(chuàng)建初始化數(shù)據(jù)，創(chuàng)建后的數(shù)據(jù)在用戶接收服務(wù)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(yè)務(wù)交換中心網(wǎng)關(guān)）。這是UMTS PLMN與外部CS域網(wǎng)絡(luò)連接處的交換設(shè)備，所有呼入和呼出的CS連接均需要經(jīng)過GMSC。

SGSN（服務(wù)GPRS支撐節(jié)點(diǎn)）。它與MSC/VLR的功能類似，只不過它僅用于分組交換（PS）業(yè)務(wù)。通過SGSN連接的外部網(wǎng)絡(luò)稱作PS域網(wǎng)絡(luò)。

GGSN（GPRS支持節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)）。它與GMSC的功能類似，不過它僅用于分組交換業(yè)務(wù)。

圖1中的外部網(wǎng)絡(luò)包括如下兩個部分：

CS域網(wǎng)絡(luò)。它提供電路交換如現(xiàn)有電話業(yè)務(wù)的連接。CS域網(wǎng)絡(luò)包括PSTN和ISDN等。

PS域網(wǎng)絡(luò)。它提供數(shù)據(jù)分組交換如現(xiàn)有數(shù)據(jù)上網(wǎng)業(yè)務(wù)的連接。PS域網(wǎng)絡(luò)包括Internet和X.25等。

3GPP規(guī)范并沒有對上面描述的邏輯網(wǎng)絡(luò)元素的內(nèi)在功能作具體詳細(xì)的說明，但是對邏輯網(wǎng)絡(luò)元素之間的一些接口作了詳細(xì)定義。PLMN網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)格式。

Uu接口：它是WCDMA的無線接口，是UE終端接入系統(tǒng)固定網(wǎng)絡(luò)的必需接口。UMTS Uu接口的開發(fā)性可以保證不同制造商設(shè)計的UE終端可以接入其他制造商設(shè)計的RAN中。

Iub接口：它是連接Node B與RNC的標(biāo)準(zhǔn)接口。制定開放的Iub接口就是為了保證不同移動通信設(shè)備制造商生產(chǎn)的Node B和RCN之間可以互聯(lián)互通，使運(yùn)營商單獨(dú)購置Node B和RNC設(shè)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(shè)備制造商生產(chǎn)的RNC之間可以進(jìn)行軟切換。

Iu接口：它是連接RAN與CN之間的標(biāo)準(zhǔn)接口，類似于GSM網(wǎng)絡(luò)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(yùn)營商購置不同設(shè)備制造商生產(chǎn)的RAN和CN設(shè)備鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)，這樣有利于造成設(shè)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(jié)構(gòu)

WCDMA的無線接入網(wǎng)可以包含一個或多個RNS（無線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)）。一個RNS可理解為RAN內(nèi)的一個子網(wǎng)，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(lián)，而RNS內(nèi)部的RNC通過Iub接口與Node B建立物理連接。RNS內(nèi)部和外部的連接關(guān)系如圖2所示。

圖2　RNS內(nèi)外部連接關(guān)系

RAN的主要特征：

●支持UTRA（即UMTS地面無線接入）及真相關(guān)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(xié)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(jī)制，同時考慮傳輸網(wǎng)絡(luò)向IP網(wǎng)絡(luò)的過渡。

在WCDMA系統(tǒng)中，邏輯網(wǎng)絡(luò)元素?zé)o線網(wǎng)絡(luò)控制負(fù)責(zé)RAN無線資源管理。RNC通過MSC或者SGSN與核心網(wǎng)相連，并負(fù)責(zé)終止UMTS WCDMA的空中接口協(xié)議。RNC在邏輯上相當(dāng)于第二代系統(tǒng)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(fù)責(zé)終止所控制的基站Iub協(xié)議接口，并負(fù)責(zé)所有控制小區(qū)的接納控制和擁塞控制。另外，CRNC還要完成控制小區(qū)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(wǎng)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(wù)RNC（SRNC），另一類叫做漂移RNC（DRNC）。

一個移動用戶的SRNC負(fù)責(zé)終止用戶無線數(shù)據(jù)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(fù)責(zé)終止無線資源控制（RRC）信令，RRC是UE與RAN之間的信令協(xié)議。在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)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(nèi)部的無線資源管理操作，例如，將無線接入承載參數(shù)轉(zhuǎn)化為控制傳輸信道參數(shù)、切換判決或者外環(huán)功率控制。SRNC在大多數(shù)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(fù)責(zé)控制移動用戶使用的小區(qū)。在某種情況下，DRNC也可以進(jìn)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(jìn)行用戶平面數(shù)據(jù)的L2處理，否則僅在Iub和Iur接口間透明地為數(shù)據(jù)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(kuò)頻/解擴(kuò)、速率匹配以及信道編碼與交織等。另外，基站也需要執(zhí)行部分關(guān)鍵的無線資源管理操作，例如，執(zhí)行內(nèi)環(huán)功率控制動作。RAN中的基站在邏輯上對應(yīng)于第二代系統(tǒng)中的BTS。

3.RAN接口模型

RAN接口的通用協(xié)議模型基于這樣的原則，各層和各平面在邏輯上保持獨(dú)立，這樣以后可根據(jù)需要修改協(xié)議結(jié)構(gòu)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(xié)議模型，由圖可見，RAN接口協(xié)議的設(shè)計是根據(jù)通用的協(xié)議模型進(jìn)行的。

圖3　RAN接口的通用協(xié)議模型

RAN接口的通用協(xié)議模型在水平方向分為無線網(wǎng)絡(luò)層和傳輸網(wǎng)絡(luò)層。所有RAN的相關(guān)內(nèi)容僅在無線網(wǎng)絡(luò)層體現(xiàn)。而傳輸網(wǎng)絡(luò)層使用標(biāo)準(zhǔn)的傳輸技術(shù)，如ATM，IP。RAN在引用傳輸技術(shù)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(tǒng)充分使用現(xiàn)有傳輸網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的體現(xiàn)。

RAN接口的通用協(xié)議模型在垂直方向分為控制平面、用戶平面、傳輸網(wǎng)絡(luò)控制平面以及傳輸網(wǎng)絡(luò)用戶平面。

控制平面用于實(shí)現(xiàn)所有接口的控制信令，它不僅包含應(yīng)用控制協(xié)議，如Iu口的RANAP，Iur中的RASAP，以及Iub中的NBAP，還包含應(yīng)用控制協(xié)議的信令承載。

RAN與UE之間的承載由控制平面的控制協(xié)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(jié)構(gòu)中，物理層和信令承載分別對應(yīng)層L1和層L2，處于無線網(wǎng)絡(luò)層水平面的控制協(xié)議對應(yīng)層L3。

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

用戶平面用于實(shí)現(xiàn)所有接口的媒體流傳輸，它不僅包含應(yīng)用媒體協(xié)議，如CCH FP和DCH FP，還包含媒體協(xié)議的數(shù)據(jù)承載。

用戶收發(fā)的所有信息，例如，話音呼叫中已編碼的話音或者數(shù)據(jù)流業(yè)務(wù)中的分組，都通過用戶平面?zhèn)鬏敗?

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

傳輸網(wǎng)絡(luò)控制平面服務(wù)于傳輸網(wǎng)絡(luò)層的所有控制信令，它不包含任何無線網(wǎng)絡(luò)層信息。它包括用于建立用戶平面內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸承載的承載信令控制協(xié)議（如建立ATM數(shù)據(jù)傳輸承載的ALCAP協(xié)議），同時也包括信令控制協(xié)議需要的信令承載（如ALCAP協(xié)議要求的SAAL協(xié)議）。

邏輯上，傳輸網(wǎng)絡(luò)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(xié)議與用戶平面中的媒體協(xié)議所采用的承載技術(shù)之間完全獨(dú)立成為可能。例如，控制協(xié)議的信令承載可以使用AAL5等可靠的適配技術(shù)，而媒體協(xié)議的數(shù)據(jù)承載則可采用AAL2等實(shí)時性較高的適配技術(shù)。

應(yīng)用傳輸網(wǎng)絡(luò)控制平面時，用戶平面中數(shù)據(jù)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(xié)議通過信令分析發(fā)現(xiàn)有建立數(shù)據(jù)承載的要求；其次，控制協(xié)議通過傳輸網(wǎng)絡(luò)控制平面的承載信令控制協(xié)議（如ALCAP）引發(fā)數(shù)據(jù)承載的建立。

一般來說，承載信令控制協(xié)議特定于用戶平面技術(shù)要求�？刂破矫婧陀脩羝矫娴莫�(dú)立性要求承載信令控制協(xié)議參與用戶平面數(shù)據(jù)承載的建立過程。然而，承載信令控制協(xié)議并不用于所有類型的數(shù)據(jù)承載上，如果承載信令控制協(xié)議不再存在，那么傳輸網(wǎng)絡(luò)控制平面就沒有存在的必要。在這種情況下，要使用預(yù)先配置的數(shù)據(jù)承載。

承載信令控制協(xié)議不一定與控制協(xié)議具有相同的信令承載。3GPP規(guī)范推薦承載信令控制協(xié)議總是使用操作維護(hù)（OAM）動作建立，但是對建立的細(xì)節(jié)沒有規(guī)定。

前面講到的控制平面的信令承載和用戶平面的數(shù)據(jù)承載都屬于傳輸網(wǎng)絡(luò)用戶平面。傳輸網(wǎng)絡(luò)用戶平面的數(shù)據(jù)承載在實(shí)時操作期間由傳輸網(wǎng)絡(luò)控制平面直接控制。但是，傳輸網(wǎng)絡(luò)用戶平面在為控制平面的控制協(xié)議建立信令承載時必須受操作維護(hù)（OAM）控制。