3G技术之WCDMA概要.doc

3g技术之wcdma教程wcdma全名是widebandcdma，中文译名为“宽带分码多工存取”，它可支持384kbps到2mbps不等的数据传输速率，在高速移动的状态，可提供384kbps的传输速率，在低速或是室内环境下，则可提供高达2mbps的传输速率。而gsm系统目前只能传送9.6kbps，固定线路modem也只是56kbps的速率，由此可见wcdma是无线的宽带通讯。在同一些传输通道中，它还可以提供电路交换和分包交换的服务，因此，消费者可以同时利用交换方式接听电话，然后以分包交换方式访问因特网，这样的技术可以提高移动电话的使用效率，使得我们可以超过越在同一时间只能做语音或数据传输的服务的限制。wcdma-概述 wcdma(wideband code division multiple access )：wcdma源于欧洲和日本几种技术的融合。wcdma采用直扩（mc）模式，载波带宽为5mhz，数据传送可达到每秒2mbit（室内）及384kbps（移动空间）。它采用mc fdd双工模式，与gsm网络有良好的兼容性和互操作性。作为一项新技术，它在技术成熟性方面不及cdma2000，但其优势在于gsm的广泛采用能为其升级带来方便。因此，近段时间也倍受各大厂商的青睐。wcdma采用最新的异步传输模式（atm）微信元传输协议，能够允许在一条线路上传送更多的语音呼叫，呼叫数由现在的30个提高到300个，在人口密集的地区线路将不在容易堵塞。 另外，wcdma还采用了自适应天线和微小区技术，大大地提高了系统的容量。此外，在同一些传输通道中，它还可以提供电路交换和分包交换的服务，因此，消费者可以同时利用交换方式接听电话，然后以分包交换方式访问因特网，这样的技术可以提高移 动电话的使用效率，使得人们可以超过越在同一时间只能做语音或数据传输的服务的限制。在费用方面，wcdma因为是借助分包交换的技术，所以，网络使用的费用不是以接入的时间计算，而是以消费者的数据传输量来定。wcdma继承了第二代移动通信体制gsm标准化程度高和开放性好的特点，标准化进展顺利。wcdma支持高速数据传输(慢速移动时384kbit/s，室内走动时2mbit/s)，支持可变速传输。其主要特点如下：基站支持异步和同步的基站运行方式，组网方便、灵活；调制方式上行为bpsk，下行为qpsk；导频辅助的相干解调方式；适应多种速率的传输，同时对多速率、多媒体的业务可通过改变扩频比和多码并行传送的方式来实现；上、下行快速、高效的功率控制大大减少了系统的多址干扰，提高了系统容量，同时也降低了传输的功率；核心网络基于gsm/gprs网络的演进，并保持与gsm/gprs网络的兼容性；支持软切换和更软切换，切换方式包括三种，即扇区间软切换、小区间软切换和载频间硬切换等。wcdma是一种由3gpp具体制定的，基于gsm map核心网，utran（umts陆地无线接入网）为无线接口的第三代移动通信系统。目前wcdma有release 99、release 4、release 5、release 6等版本。wcdma采用直接序列扩频码分多址（ds-cdma）、频分双工（fdd）方式，码片速率为3.84mcps，载波带宽为5mhz。基于release 99/ release 4版本，可在5mhz的带宽内，提供最高384kbps的用户数据传输速率。在release 5版本引入了下行链路增强技术，即hsdpa（high speed downlink packet access，高速下行分组接入）技术，在5mhz的带宽内可提供最高14.4mbps的下行数据传输速率。在release 6版本引入了上行链路增强技术，即hsupa（high speed uplink packet access，高速上行分组接入）技术，在5mhz的带宽内可提供最高约6mbps的上行数据传输速率。目前国际上基于release 99、release 4、release 5的wcdma系统已先后进入商用。除了上述标准版本之外，3gpp从2004年即开始了lte（long term evolution，长期演进）的研究，基于ofdm、mimo等技术，试图发展无线接入技术向“高数据速率、低延迟和优化分组数据应用”方向演进。目前在3gpp组织内正在进行lte的标准化工作。release 99（以下简称r99） r99接入部分主要定义了全新的5mhz每载频的宽带码分多址接入网，采纳了功率控制、软切换及更软切换等cdma关键技术，基站只做基带处理和扩频，接入系统智能集中于rnc统一管理，引入了适于分组数据传输的协议和机制，数据速率可支持144kbit/s 、384kbit/s ，理论上可达2mbit/s 。基站和rnc之间采用基于atm的iub接口，rnc分别通过基于atm aal2的iu-cs和aal5的iu-ps分别与核心网的cs域和ps域相连。在核心网定义的过程中，r99充分考虑到了向下兼容gprs，其电路域与gsm完全兼容，通过编解码转换器实现话音由atm aal2至64k电路的转换，以便与gsmmsc互通。分组域仍然采用了gprssgsn和ggsn的网络结构，相对于gprs，增加了服务级别的概念，分组域的业务质量保证能力提高，带宽增加。从系统角度来看，系统仍然采用分组域和电路域分别承载与处理的方式，分别接入pstn和公用数据网。从一般观点来看，r99比较成熟，较适用于需要立即部署网络的新运营商，同时也适用于拥有gsm/gprs 网络的既有移动网络运营商，因其充分考虑了对现有产品的向下兼容及投资保护，目前的商业部署全都采用了r99，其主要优点在于： 1.技术成熟，风险小； 2.多厂商供货环境形成； 3.互联互通测试基本完成；但也正因为考虑了向下兼容，r99也存在这样或那样的缺点：1.核心网因为考虑向下兼容，其发展滞后于接入网，接入网已分组化的aal2话音仍须经过编解码转换器转化为64k电路，降低了话音质量，核心网的传输资源利用率低；2.核心网仍采用过时的tdm技术，虽然技术成熟，互通性好，价格合理，但未来存在技术过时，厂家后续开发力度不够，备品备件不足，新业务跟不上的问题，从5-10年期投资的角度来看，仍属投资浪费；3.分组域和电路域两网并行，不仅投资增加，而且网管复杂程度提高，网络未来维护费用较高，演进思路不清晰；4.网络智能仍然基于节点，全网新业务部署仍需逐点升级，耗时且成本高。release 4（以下简称r4）相对于r99，r4无线接入网网络结构没有改变，改变的只是一些接口协议的特性和功能的增强，如引入直放站，解决复杂地形覆盖问题和扇区降低终端和基站的发射功率以提高容量， node b 同步减少系统邻近小区的交调干扰，降低传输网络的成本，iub和iur上的aal2连接的qos优化、rrm(无线资源管理)的优化，iu上rab(无线接入承载)的qos协商，增强的rab支持，iub、iur和iu上的传输承载过程的修改；而核心网电路域变化较大，主要体现在：1.网络由tdm中心节点交换型演进为典型的分组话音分布式体系结构；2.网络采用开放式结构，业务逻辑与底层承载相分离，话音分组化，由包方式承载， utran 与核心网话音承载方式均由分组方式实现；3.由于优化了话音编解码转换器，改善了wcdma系统网络内部话音分组包的时延，提高了话音质量，编解码转换有可能只需在与pstn的公网网关上实现，同时提高了核心网传输资源的利用率； 4.同时，由于话音采用统计复用方式传递，相对于tdm 64k静态电路带宽分配而言，可提高传输网的效率，实现网络带宽动态分配，避免tdm扩容时需反复调配2m电路的烦琐程序。但r4相对于r99，也存在缺点，主要体现在：1.全新协议和技术；2.目前暂时无商业部署；3.互连互通有待测试；4.与r99业务基本相同；release 5（以下简称r5） r5于今年6月间定稿，接入网中主要引入ip utran和hspda的概念，ip可作为utran的信令传输和用户数据承载， hsdpa支持高速下行分组数据接入，应用不同的技术实现手段，峰值数据速率可高达8-10mbps 。采纳了混和arqii/iii以增强分组数据信号传输的可靠性和高效性，支持rab增强功能，对iub/iur的无线资源管理进行了优化，增强了ue定位功能，支持相同域内的不同ran节点与不同cn节点的交叉连接。相对于r4，r5核心网增加了ims(ip multimedia subsystem)ip多媒体子系统，但由于标准刚刚定稿，同时大量业务由于时间关系，不得不推后到r6考虑，故ims域目前还无法完全取代r4分组化的cs域，支持某些传统业务和满足管制规定方面的要求，换句话说，r5仍然需要r4分组化的cs域的部署，r5只是r4的补充和满足ip多媒体业务的需求的一个版本。wcdma-关键技术 1.cdma技术：fddwcdma系统采用了宽带的cdma方式，吸纳了了很多cdma的关键技术，如直接扩频，软切换(包括更软切换)，功率控制等。从纯话音的角度看，同is-95系统一样，wcdma系统仍可视为上行受限系统，但如果考虑数据及多媒体业务对发射功率的要求，系统则可能是下行功率受限。从无线网络规划角度而言，wcdma同is-95 ，更多考虑的是如小区收缩等cdma无线网络的特性，系统规划从gsm的频率规划变为pn码规划。从容量的角度来看， wcdma同is-95一样，采纳软容量的概念，通过误块率实现对系统容量的动态控制和调整。 2.电路交换：在wcdma系统目前产品化较为成熟的、市场上正在大量部署的r99版本标准来看，cs域采用的仍是基于64k电路交换的msc架构，所有从utran当中传出的分组话音，需经适当的编解码转换，变为电路方式通过核心网传送；反之则做相反的转换；3.atm技术及协议：在wcdma系统标准，尤其是r99和r4的utran中，大量采用了atm及其相关协议作为2层传送机制和服务质量保证机制，如aal2话音封装，aal5信令封装，cac连接接纳控制机制及网络pnni网络信令等；4.ip承载及应用：ip作为目前数据业务事实上的底层承载标准，在wcdma系统标准当中获得了广泛采用，从utran当中传出的数据包，透过ps域，可承载于ip，通过sgsn传至ggsn至公共数据网。r4及以后的版本，分组话音也可承载于ip，至pstn出口网关编解码转换至电路方式，入pstn；反之则做相反的转换；5.分组语音技术：r4以后，电路域的话音采用了分组而非tdm方式承载，采用了标准的分组话音网关加服务器的分布式网络体系结构，采用h.248作为网关控制协议，采用bicc作为msc服务器间互通协议，同时，相对于64k电路静态交换方式而言，话音转变为分组承载方式，从传统的基于节点提供业务的节点式网络转变为通过网络提供业务的分布式网络；6.传统信令：wcdma系统标准中由于考虑到对gsm核心网设备的向下兼容性，大量保留了传统的信令和协议如map，isup等，这些信令对wcdma系统网络与gsm网络的漫游切换和与pstn系统的互联至关重要。目前，移动通信系统正朝第三代发展，由于存在两种不同的2g制式，所以2g向3g的演进也存在两条路线。gsm采用wcdma的演进策略，窄带cdma采用cdma2000的演进策略。wcdma和cdma2000作为未来的主流技术，已经得到业界的广泛认可。wcdma与cdma2000两种制式无论是无线技术还是网络技术都存在很多相似之处，但又有许多差别。文章着重讨论了网络结构的相似和差异。移动通信系统已经历了第一代模拟通信系统和第二代数字通信系统（gsm、cdma），目前正朝第三代移动通信系统发展。由于存在两种不同的2g制式，所以在2g向3g的演进过程中，也存在相应的两条路线。gsm采用wcdma的演进策略，窄带cdma（is95+ansi41）采用cdma2000的演进策略。wcdma与cdma2000作为未来主流技术，已得到业界的广泛认可。在技术创新和市场驱动的双重作用下，3g从概念向产业化的发展进程正在加快，全球主要设备运营商和制造商都在积极跟踪和研发基于wcdma或cdma2000技术的3g网络产品，因此，对它们进行研究和对比有重要意义。无论是无线技术还是网络技术方面，wcdma与cdma2000两种制式都有很多相似之处，但也有差别。1、两种制式的逐步演进两种制式标准的制定都非常注重逐步演进的概念，保证整个网络体系能平滑演进，并且为不同的运营商提供不同的解决方案和建网策略，以满足不同运营商的特殊需求。由于标准是逐步演进的，所以标准的制定也必然是分阶段的。从目前的标准来看，wcdma分成三个比较清晰的阶段，即r99、r4、r5。cdma2000标准的阶段划分比较模糊，但也基本划分为三个阶段，即phase0、phase1/2、phase 3。本文主要讨论两种制式的第二、第三阶段。2、wcdmar4阶段对两种制式来说，第二阶段都是向全ip网络演进的过渡阶段。在第二阶段，两种网络结构的相似性很强，主要改变在电路域中（即话音），而对分组数据的处理改变很小。下面主要针对电路域进行讨论。在第二阶段都将处理话音的移动交换中心（msc）和移动网网关局（gmsc）分裂成两个网元，即mscserver/gmscserver和其控制的媒体网关（mgw）。其中，server主要完成对信令和呼叫控制的处理，而mgw提供语音流的处理及与外部网络的互连。server与mgw之间的网关控制协议都采用h.248，server与server之间都采用与承载无关的呼叫控制协议（bicc）。server与外部传统网络的信令互连都采用信令网关（sgw）实现互连互通。其中，t-sgw实现与公共交换电话网（pstn）网络的互连互通，r-swg实现与2g移动网的互连互通。r4网络结构由r99直接演进而来，在r4网络中新增了一部分网元（如mgw、t-sgw、r-sgw）。并增强了一部分r99网元的功能（如msc、sgsn、ggsn、hlr），核心网可以支持r99cs域的终端，并允许终端在r99网络与r4网络中无缝漫游。这一阶段可以认为是向全ip网络的过渡阶段。通过各种媒体网关和信令网关，核心网可以与2g网络、pstn等外部网络进行互连互通，能够实现2g网络与3g网络之间的相互漫游。3g网络如果是从2g网络演进而来，则可以将2g网络看作是3g核心网络的一个外部网络。r4网络中网元的智能化是其最基本的特点，3gpp在制定协议时，采用了大量传统的智能网协议，并进行了很多修改，从而使网络具有强大的智能化功能。智能网的功能分布在各个网元中，各网元都具有业务交换点（ssp）功能。智能网功能可以看作是3g核心网的不可分割的一部分。3、cdma2000phase1/2阶段向全ip的演进过程中（phase1），cdma2000与wcdma体系相同，这一阶段，将目前的ios4.x标准中的msc分裂成mscserver/gmsc server和mgw两个功能实体，并支持atm/ip传输。对于cdma2000来说，这是向全ip演进的第一阶段，开始将信令与传输分开、核心网与接入网分开，各自独立发展。在这个阶段，核心网中的电路部分信令与承载分开，信令在ip传输，承载继续沿用原来的承载方式。分组部分和接入网独立发展。接入网部分采用ip传输（如a3、a7、a9、a11等）。空中接口采用release0或releasea。在这个阶段，全ip中引进了“ipmultimediadomain”和“legacy ms domain support”两个概念。前者处理voip、多媒体以及两者的混合业务，后者实现对全ip中传统手机的支持。通过漫游信令处理原来的ansi-41电路网中的业务。“ip multimedia domain”虽然也支持传统手机，但是信令和业务均在ip上传输，它与通过漫游信令解决原来用户的业务是不同的概念。在全ip中由于有两个域的支持，双模手机可以根据自己的能力选择相应的模式向全ip的无线接入网（ran）注册。ran应该支持两种域的接入。空中接口需要增加全ip中ip域的会话发起协议（sip）呼叫信令的承载，但对传统移动台（ms）的支持可以继续采用原来的接口。在ran中，内部接口通过全ip开放，特别是声码器部分的接口应该是开放的，可以使声码器能方便地移到核心网。声码器的位置最终将从基站控制器（bsc）移到mgw。这时a1、a2、a5接口演变成a1、a2及a5接口，语音和ss7信令由ip传输。ran向着全ip和更开放的方向演进，不仅支持传统的ms，而且支持核心网的多媒体域（multimediadomain）。两种制式第二阶段网络的主要差别如下：a）对于r-sgw，两种制式采用的事务处理能力应用部分（tcap）和移动应用部分（map）信令不同。b）对于分组数据，wcdma的服务gprs支持节点（sgsn）和gprs网关支持节点（ggsn）主要采用gprs隧道协议（gtp），cdma2000的分组数据服务节点（pdsn）与归属代理（ha）之间主要采用移动ip（mip）协议。c）cdma2000基站与核心网间的语音采用evrc/rtp的形式传输，wcdma基站与核心网间的语音采用atmaal2承载。d）aaa服务器在wcdma中是可选的，在cdma2000中是网络的一部分。4、wcdmar5阶段网络由无线网络、gprs网络、呼叫控制、连接外部网络的各类网关以及业务构架五部分构成。无线网络由移动用户、无线链路及无线接入等部分构成。gprs网络由gprs支撑节点构成，包括提供移动性管理的sgsn、提供分组数据协议（pdp）激活上下文管理的sgsn及提供归属位置寄存器（hlr）功能的归属用户服务器（hss）等构成。呼叫控制部分的网络实体包括部分媒体网关和信令网关，主要由呼叫状态控制功能（cscf）、媒体网关控制功能（mgcf）、漫游信令网关（r-sgw）、mgw、传送信令网关（t-sgw）以及媒体资源功能（mrf）构成，完成呼叫控制与信令功能，实现各种实时移动业务。5、cdma2000phase3阶段该阶段是向全ip网络演进的顶点，在该阶段，全部成为ip多媒体域，没有传统ms。ip将延伸至所有领域，空中接口、接入网和核心网均为ip承载，包括全部信令和业务。目前，ms的分组数据业务通过msc到相应的hlr来鉴权用户的数据业务权限，并指示bsc完成分组数据连接。在多媒体域中，通过bsc中的移动性管理模块（mm），由本地aaa与homeaaa交互完成。在这一阶段，传统移动台域（lmsd）将不再继续发展，如果直接从本阶段构建网络，将不再支持传统的ms。但如果网络是从以前的阶段发展而来，运营商可以选择保留以前的lmsd，与ip多媒体域并存，以支持传统的ms。在该阶段，ip多媒体应该是网络中占统治地位的技术，用来支持新业务或增强的ip多媒体业务，并能满足增强的业务能力及qos的要求。6、wcdma与cdma2000在第三阶段的相似之处第三代移动通信wcdma系统是在gsm和gprs的基础上演进而来，其规范的制订是在继承phase1、phase2和phase 2+协议标准的基础上，随着技术和业务的变化，新增和修改了部分技术规范，有很多gsm和gprs的协议被3gpp直接引用，转化为r99阶段的协议。总体来说，r99作为wcdma技术规范第一阶段的版本，与gsm（phase 1/phase 2/phase 2+）的技术规范相比，无论是在无线接入网络部分还是核心网络部分都有非常大的变化。在无线网络侧，gsm和gprs均是采用tdma技术，而在r99中，则采用具有革命性的cdma技术。在核心网络侧，同时引入了电路交换和分组交换技术，利用atm作为iu接口承载，能够兼容第二代的基站子系统（bss）及gsm、gprs的核心网，并能与pstn、isdn和ip网实现互通互连。也就是说，3g核心网应该能同时支持无线网络子系统（rns）和bss两种接入，并同时支持2g和3g的用户及相关业务。wcdma的核心网从总体上可以分为cs域和ps域两大部分，分别对应于gsm系统中的电路交换部分和gprs部分，ps域基本继承了gprs的设计思想。msc/vlr负责处理cs域的相关业务，sgsn和ggsn负责处理ps域的相关业务。与原gprs系统相比，wcdma显著提高了无线资源的利用率，并简化了核心网部分的协议栈，将处理工作下推给无线网络控制器（rnc）。核心网中的主要技术突破是引进了具有aal2和aal5适配方式的atm交换技术、ip技术、amr编解码技术、transcode技术和基于cs/ps域的iu接口技术。与第二代相比，核心网在移动网络增强性逻辑的用户定制应用（camel）业务、定位业务（lcs）系统等方面都进行了功能增强性设计。3g的骨干网还需要与一系列网络（如pstn、isdn、internet、其他2g的plmn、其他3g的plmn、多媒体网络等）互通，实现各种互通业务。wcdma与二代的gsm相比，由于引进了新的无线制式，网络改变相对较大。其中，rnc和nodeb与二代的bsc和bts比较，在无线制式、传输、协议上均有根本改变。核心网由于在无线侧引入了新的无线与传输技术，也有较大变化。wcdmar99的核心网最本质的变化在iu口（相当于原gsm的a接口与gb接口）引入了atm的传输。wcdma r5阶段与cdma2000 phase 3阶段都是真正的全ip网络。对于第三阶段来说，两种网络都引入了基于h.248协议的媒体控制分离技术和ip多媒体会话控制技术，以便在分组域中实现话音和多媒体业务。都实现了从移动终端到网络传输以及业务实现的ip技术。对于叠加演进，可能还存在第二阶段的一些网元。对于完全渐进演进的网络，全部采用ip多媒体技术实现。cdma2000网络中的hlr被aaa完全取代。wcdma则演进为hss，成为网络用户管理业务实现的中心。两种制式在分组域实现话音业务的技术也非常相似。 7、wcdma与cdma2000第三阶段的差异该阶段两种制式的主要差别：a）对于r-sgw，由于两种制式采用的tcap和map信令不同，r-sgw在软件上也不同。b）对分组数据，wcdma的sgsn和ggsn主要采用gt