电信行业--码分多址(CDMA)移动通信系统(二)(PPT 144页).ppt

第9章码分多址 CDMA 移动通信系统 二 9 1WCDMA系统9 2TD SCDMA系统思考题与习题 9 1 1WCDMA系统结构 UMTS UniversalMobileTelecommunicationsSystem 通用移动通信系统 是采用WCDMA WidebandCodeDivisionMultipleAccess 无线接口技术的第三代移动通信系统 通常也把UMTS系统称为WCDMA通信系统 UMTS系统采用了与第二代移动通信系统类似的结构 包括UMTS的陆地无线接入网络 UTRAN UMTSTerrestrialRadioAccess Network 和核心网络 CN CoreNetwork 其中无线接入网络处理所有与无线有关的功能 而CN处理UMTS系统内所有的话音呼叫和数据连接 并实现与外部网络的交换和路由功能 CN从逻辑上分为电路交换 CS CircuitSwitched 域和分组交换 PS PacketSwitched 域 9 1WCDMA系统 用户设备 UE UTRAN CN构成一个完整的WCDMA移动通信系统 UE与UTRAN之间的接口称为Uu接口 无线接口 UTRAN与CN之间的接口称为Iu接口 WCDMA是一种直接序列扩频码分多址 DS CDMA 系统 WCDMA无线接口的基本参数如表9 1所示 表9 1WCDMA无线接口基本参数 WCDMA的无线帧长为10ms 分成15个时隙 信道的信息速率将根据符号率变化 而符号率取决于不同的扩频因子 SF SF的取值与具体的双工模式有关 对于FDD模式 其上行扩频因子为4 256 下行扩频因子为4 512 对于TDD模式 其上行和下行扩频因子均为1 16 无线空中接口指用户设备 UE 和网络之间的U接口 它分为控制平面和用户平面 控制平面由物理层 媒体接入控制层 MAC 无线链路控制层 RLC 和无线资源控制 RRC 等子层组成 在用户平面的RLC子层之上有分组数据汇聚协议 PDCP 和广播 组播控制 BMC 整个无线接口的协议结构如图9 1所示 图9 1无线接口的分层结构 RRC 无线资源控制 层位于无线接口的第三层 它主要处理UE和UTRAN的第三层控制平面之间的信令 包括处理连接管理功能 无线承载控制功能 RRC连接移动性管理和测量功能 媒体接入控制层屏蔽了物理介质的特征 为高层提供了使用物理介质的手段 高层以逻辑信道的形式向MAC层传输信息 MAC完成传输信息的有关变换 通过传输信道将信息发向物理层 UTRAN的结构如图9 2中的虚线框所示 图9 2UTRAN的结构 9 1 2WCDMA无线接口 1 WCDMA无线接口的物理层传输信道是物理层提供给高层 MAC 的业务 根据其传输方式或所传输数据的特性 传输信道分为两类 专用信道 DCH 和公共信道 公共传输信道又分为6类 广播信道 BCH 前向接入信道 FACH 寻呼信道 PCH 随机接入信道 RACH 公共分组信道 CPCH 和下行共享信道 DSCH 其中 RACH CPCH为上行公共信道 BCH FACH PCH和DSCH为下行公共信道 物理层将通过信道化码 码道 频率 正交调制的同相 I 和正交 Q 分支等基本的物理资源来实现物理信道 并完成与上述传输信道的映射 与传输信道相对应 物理信道也分为专用物理信道和公共物理信道 一般的物理信道包括3层结构 超帧 帧和时隙 超帧长度为720ms 包括72个帧 每帧长为10ms 对应的码片数为38400chip 每帧由15个时隙组成 一个时隙的长度为2560chip 每时隙的比特数取决于物理信道的信息传输速率 1 上行物理信道上行物理信道分为专用上行物理信道和公共上行物理信道 1 专用上行物理信道 专用上行物理信道有两类 即专用上行物理数据信道 上行DPDCH 和专用上行物理控制信道 上行DPCCH DPDCH用于传送专用传输信道 DCH 在每个无线链路中 可能有0 1或若干个上行DPDCH DPCCH用于传输物理层产生的控制信息 在WCDMA无线接口中 传输的数据速率 信道数 发送功率等参数都是可变的 为了使接收机能够正确解调 必须将这些参数在物理层控制信息中通知接收机 物理层控制信息由为相干检测提供信道估计的导频比特 发送功率控制 TPC 命令 反馈信息 FBI 可选的传输格式组合指示 TFCI 等组成 TFCI通知接收机在上行DPDCH的一个无线帧内同时传输的传输信道的瞬时传输格式组合参数 在每一个无线链路中 只有一个上行DPCCH 上行专用物理信道的帧结构如图9 3所示 每一长度10ms的帧分为15个时隙 每一时隙的长度为Tslot 2560个码片 chip 对应于一个功率控制周期 DPDCH和DPCCH是并行码分复用传输的 图9 3上行专用物理信道的帧结构 2 公共上行物理信道 与上行传输信道相对应 公共上行物理信道也分为两类 用于承载RACH的物理信道称为物理随机接入信道 PRACH 用于承载CPCH的物理信道称为物理公共分组信道 PCPCH 物理随机接入信道 PRACH 用于移动台在发起呼叫等情况下发送接入请求信息 PRACH的传输基于时隙ALOHA协议 可在一帧中的任一个时隙开始传输 随机接入的发送格式示于图9 4 随机接入发送由一个或几个长度为4096chip的前置序列和10ms或20ms的消息部分组成 随机接入突发前置部分长为4096chip 由长度为16的特征序列的256次重复组成 图9 4随机接入的发送格式 物理公共分组信道 PCPCH 是一条多用户接入信道 传送CPCH传输信道上的信息 接入协议基于带冲突检测的时隙载波侦听多址 CSMA CD 用户可以在无线帧中的任何一个时隙作为开头开始传输 其传输结构如图9 5所示 图9 5PCPCH上的传输结构 3 上行信道的扩频与调制 上行专用物理信道和上行公共物理信道的扩频和调制分别如图9 6和9 7所示 图9 6上行DPDCH DPCCH的扩频与调制 图9 7PRACH消息部分的扩频和调制 复数扰码是采用下列方法产生的 9 1 其中 w0和w1是码片速率的序列 定义为 w0 1 1 1 1 1 1 1 1 9 2 w1 1 1 1 1 1 1 1 1 9 3 用下式给出 k 0 1 2 9 4 图9 8产生正交可变扩频因子码的码树 图9 9上行链路短扰码生成器 2 下行物理信道 1 下行专用物理信道 DPCH 下行DPCH由传输数据部分的DPDCH和传输控制信息 导频比特 TPC命令和可选的TFCI 部分 DPCCH 组成 以时分复用的方式发送 如图9 10所示 每个下行DPCH时隙的总比特数由扩频系数SF 512 2k决定 扩频系数的范围由512到4 图9 10下行DPCH的帧结构 在不同的下行时隙格式中 下行链路DPCH中Npilot的比特数为2到16 NTPC为2到8比特 NTFCI为0到8比特 Ndata1和Ndata2的确切比特数取决于传输速率和所用的时隙格式 下行链路使用哪种时隙格式由高层设定 下行链路可能采用多码传输 一个或几个传输信道经编码复接后 组成的组合编码传输信道 CCTrCH 使用几个并行的扩频系数相同的下行DPCH进行传输 此时 物理层的控制信息仅放在第一个下行DPCH上 其他附加的DPCH相应的控制信息的传输时间不发送任何信息 即采用不连续发射 DTX 如图9 11所示 图9 11多码传输时下行链路的时隙格式 2 公共下行导频信道 CPICH CPICH是固定速率 30kb s SF 256 的下行物理信道 携带预知的20比特 10个符号 导频序列 且没有任何物理控制信息 公共导频信道有两类 基本CPICH和辅助CPICH 它们的用途不同 物理特征上也有所不同 3 基本公共控制物理信道 PCCPCH 基本CCPCH为固定速率 SF 256 的下行物理信道 用于携带BCH 在每个时隙的前256个码片不发送CCPCH的任何信息 Txoff 因而可携带18比特的数据 4 辅助公共控制物理信道 SCCPCH 辅助CCPCH用于携带FACH和PCH 有两类辅助CCPCH 包括TFCI的和不包括TFCI的 由UTRAN决定是否发送TFCI 辅助CCPCH可能的速率集和下行DPCH相同 辅助CCPCH的帧结构如图9 12所示 扩频系数的范围为4 256 图9 12辅助公共控制物理信道的帧结构 5 同步信道 SCH 同步信道 SCH 是用于小区搜索的下行信道 SCH由两个子信道组成 基本SCH和辅助SCH SCH无线帧的结构如图9 13所示 图9 13同步信道 SCH 结构 6 捕获指示信道 AICH 捕获指示信道 AICH 为用于携带捕获指示 AI 的物理信道 它给出移动终端是否已得到一条PRACH的指示 AIi对应于PRACH或PCPCH上的特征码i AICH的帧结构如图9 14所示 包括由15个连续接入时隙 AS 组成的重复序列 每一个AS的长度为40个比特间隔 每个AS包括32个比特和1024个码片长度的空部分 采用固定的扩展因子128 图9 14捕获指示信道 AICH 的结构 7 寻呼指示信道 PICH 寻呼指示信道 PICH 是固定速率的物理信道 SF 256 用于携带寻呼指示 PI PICH总是与SCCPCH相关联 PICH的帧结构如图9 15所示 一个长度为10ms的PICH由300bit组成 其中288bit用于携带寻呼指示 剩下的12bit未用 在每一个PICH帧中发送N个寻呼指示 N 18 36 72或144 如果在某一帧中寻呼指示置为 1 则表示与该寻呼指示有关的移动台应读取SCCPCH的对应帧 图9 15寻呼指示信道 PICH 的结构 8 下行链路的扩频和调制 除了SCH外 所有下行物理信道的扩频和调制过程如图9 16所示 数字调制方式是QPSK 每一组两个比特经过串 并变换之后分别映像到I和Q支路 I和Q支路随后用相同的信道码扩频至码片速率 实数扩频 然后再用复数的扰码Sdl n对其进行扰码 不同的物理信道使用不同的信道码 而同一个小区的物理信道则使用相同的扰码 图9 16下行DPCH的扩频和调制 SCH和其它下行物理信道的时分多路复用如图9 17所示 基本SCH和辅助SCH是码分多路的 并且在每个时隙的第1个256码片中同时传输 SCH的传输功率可以通过增益因子GP和GS来分别加以调节 与PCCPCH的传输功率是不相关的 图9 17SCH和下行物理信道的时分多路复用 图9 16中使用的信道化扩频码与上行中所用的信道化扩频码相同 为正交扩频因子 OVSF 码 基本CPICH使用c256 0 PCCPCH使用c256 1 其余信道的扩频码由网络决定 扰码的长度为38400码片 共有218 1 262143个扰码 序号为0 262142 但实际上只用序号为k 0 1 8191的扰码 共8192个 分成512个集合 每个集合有16个码 其中一个是基本扰码 码序号为n 16 i i 0 511 其它15个为辅助扰码 第i个集合中的码序号为16 i k k 1 15 在一个CCTrCH上可以混合使用基本扰码和辅助扰码 扰码序列是通过将两个实数序列合并为一个复数序列构成的 每一个实数序列由如下两个x和y序列的对应位模2加而成 它实际上是一个Gold序列 x序列用本原多项式1 x7 x18 y序列用多项式1 x5 x7 x10 x18 x序列取决于选定的扰码序号n 表示为xn 这样 令xn i 和y i 分别表示序列xn和y的第i个符号 m序列xn和y就可以这样构成 初始条件 x0 0 x0 1 x0 16 0 x0 17 1 y 0 y 1 y 16 y 17 1 其后序列的递归定义为 xn i 18 xn i 7 xn i mod2i 0 218 2y i 18 y i 10 y i 7 y i 5 y i mod2i 0 218 2 xn用如下的等式构成 xn i x0 i n mod218 1 i 0 218 2第n个Gold码序列zn定义为zn i xn i y i mod2i 0 218 2经过 0 1 1 1 变换成为实数值 最后 第n个复数扰码序列cscramb定义为 其中 N为38400 M 217 131072 cscramb i zn i jzn i M i 0 1 N 1 哈达码序列有如下的递归定义 9 下行链路发射分集 下行链路发射分集是指在基站方通过两根天线发射信号 每根天线被赋予不同的加权系数 包括幅度 相位等 从而使接收方增强接收效果 改进下行链路的性能 发射分集包括开环发射分集和闭环发射分集 开环发射分集不需要移动台的反馈 基站的发射先经过空间时间块编码 再在移动台中进行分集接收解码 改善接收效果 闭环发射分集需要移动台的参与 移动台实时监测基站的两个天线发射的信号幅度和相位等 然后在反向信道里通知基站下一次应发射的幅度和相位 从而改善接收效果 开环发射分集主要包括TSTD TimeSwitchedTransmitDiversity 时间切换发射分集 和STTD SpaceTimeblockcodingbasedTransmitantennaDiversity 空间时间发射分集 图9 18STTD编码过程 下面以DPCH为例说明STTD编码的应用 其过程如图9 19所示 其中的信道编码 速率匹配和交织与在非分集模式下相同 为了使接收端能够确切地估计每个信道的特性 需要在每个天线上插入导频 图9 19DPCH的STTD编码过程 闭环发射分集实质上是一种需要移动台参与的反馈模式发射分集 只有DPCH采用闭环发射分集方式 需要使用上行信道的FBI域 DPCH采用反馈模式发射分集的发射机结构如图9 20所示 其与通常的发射机结构的主要不同在于这里有两个天线的加权因子w1和w2 复数 加权因子由移动台决定 并用上行DPCCH的FBI域中的D域来传送 图9 20DPCH采用反馈模式发射分集的发射机结构 3 业务信道的复接传输信道到物理信道的映射关系如图9 21所示 如图所示 DCH经编码和复用后 形成的数据流串行地映射 先入先映射 到物理信道 BCH FACH和PCH的数据流经编码 交织后分别直接映射到基本和辅助CCPCH上 对RACH 编码和交织后的比特映射到PRACH的随机接入突发的消息部分 下面讨论具体的编码和复用过程 图9 21传输信道到物理信道的映射 1 物理层数据传输格式 在物理层和MAC间交互的所有传输信道规定为单向链路 即上行或下行 移动终端可以同时具有一个或多个传输信道 在物理层和MAC间信息交换的基本单元定义为传输块 典型的传输块为RLC的一个协议数据单元 PDU 物理层为每一个传输块添加CRC 在同一时间使用同一个传输信道 在物理层和MAC间交换的一组传输块称作传输块集 传输块中的比特数定义为传输块的大小 在一个给定的传输块集中 传输块的大小总是固定的 也就是说 在一个传输块集中的所有传输块应是相同大小的 MAC层是按照固定的传输时间间隔向物理层传输数据块的 传输时间间隔 TTI 定义为传输块集的到达间隔 它等于物理层在无线接口中发送传输块集的周期 TTI总是最小交织周期 10ms 的倍数 MAC层每个TTI向物理层发送一次传输块集 图9 22为在物理层与MAC间通过三个并行的传输信道同时交换传输块集的示例 每一个传输块集由大量的传输块组成 图中同时也示出了不同TTI的大小 可能的TTI大小为10 20 40和80ms 图9 22MAC和物理层间数据的交换 传输格式定义为在一个传输信道上 在一个TTI中发送传输块集的格式 传输格式由两部分组成 分别称作动态部分和半静态部分 动态部分的属性包括传输块大小 传输块集大小 半静态部分的属性包括传输时间间隔 使用的差错保护方案 差错保护类型 Turbo编码 卷积编码或不编码 纠错编码速率 静态速率匹配参数 凿孔极限 以及CRC大小 动态部分 320bit 640bit 它表示传输块大小为320bit 传输块集由两个传输块组成 其大小为640bit 半静态部分 10ms 卷积编码 静态速率匹配参数 1 它表示传输时间间隔为10ms 采用的纠错编码为卷积编码 静态速率匹配参数为1 传输格式组合集定义为在编码组合传输信道上的传输格式组合的集合 动态部分 组合1DCH1 20bit 20bit DCH2 320bit 1280bit DCH3 320bit 320bit 组合2DCH1 40bit 40bit DCH2 320bit 1280bit DCH3 320bit 320bit 组合3DCH1 160bit 160bit DCH2 320bit 320bit DCH3 320bit 320bit 半静态部分 DCH1 10ms 卷积编码 静态速率匹配参数 1 DCH2 10ms 卷积编码 静态速率匹配参数 1 DCH3 40ms Turbo编码 静态速率匹配参数 2 2 信道编码与复接 上行和下行信道编码 复接分别如图9 23和图9 24所示 其基本的过程包括 添加CRC校验比特 传输块级联和码组分段 信道编码 速率匹配 交织 无线帧分段 传输信道复接 物理信道分段 交织和物理信道映射等 在下行信道中还需插入不连续发送指示比特 DTX 图9 23上行传输信道复接结构 图9 24下行传输信道复接结构 CRC为24 16 12 8或0bit 其生成多项式分别为 gCRC24 D D24 D23 D6 D5 D 1gCRC16 D D16 D12 D5 1gCRC12 D D12 D11 D3 D2 D 1gCRC8 D D8 D7 D4 D3 D 1 传输块级联和码块分段的功能是将一个TTI中的所有传输块级联到一起 如果级联后的比特数大于一个信道编码单元 码块 的最大允许比特数Z 那么要将级联后的比特进行分段 分段后的码块具有相同的长度 码块的最大长度取决于TrCH的编码方式 卷积编码时 Z 504 Turbo编码时 Z 5114 不编码时 Z不受限 分段后的码块送给信道编码模块进行信道编码操作 从而形成无线帧 TrCH可用的信道编码方案为卷积编码 Turbo编码 不编码 不同类型的TrCH上使用的编码方案和编码速率如表9 2所示 表9 2编码方案和编码速率 2 WCDMA无线接口的MAC层MAC层负责将逻辑信道映射到传输信道 为每个传输信道选择合适的传输格式 TF MAC向上层提供以下业务 1 数据传输 通过该服务 可以实现端到端MAC层实体间MACSDU的无分段 非确认的传输 2 无线资源和MAC层参数的重新分配 该服务是由RRC来控制执行的 3 测量报告 该服务向RRC报告本地测量结果 MAC层通过逻辑信道向高层提供服务 或者说逻辑信道是MAC层向上层提供数据传输服务的接口 逻辑信道类型是由其传输的信息类别来定义的 所有逻辑信道可分为两大类 控制信道和业务信道 控制信道包括同步控制信道 SCCH 广播控制信道 BCCH 寻呼控制信道 PCCH 专用控制信道 DCCH 公共控制信道 CCCH 以及共享控制信道 SHCCH 业务信道包括专用业务信道 DTCH 和公共业务信道 CTCH 逻辑信道的信息经过MAC层后 将映射至相应的传输信道 以下列出了逻辑信道至传输信道的映射关系 反之亦然 BCCH可映射至BCH 也可映射至FACH PCCH可映射至PCH CCCH可映射至RACH和FACH DCCH和DTCH可映射至RACH和FACH 或CPCH和FACH 或RACH和DSCH 或DCH和DSCH 或DCH DCCH还可映射至FAUSCH CTCH映射至FACH SHCCH映射至RACH和USCH FACH以及DSCH MAC层的主要功能有 进行逻辑信道和传输信道间的映射 为每一传输信道选择合适的传输格式 对每一移动终端 UE 的不同数据流进行优先级处理 对不同UE进行优先级处理 在DSCH和FACH上对不同用户的数据流进行优先级处理 在公用传输信道上识别不同移动终端 UE 复用和解复用 业务流量监控 动态传输信道类型切换 对透明RLC进行加密和解密 为RACH和CPCH进行ASC选择 3 WCDMA无线接口的链路层控制协议1 无线链路控制 RLC 协议无线链路控制 RLC 协议主要完成对数据单元的分割和组装 加密和解密 用判决反馈重传实现对数据单元的差错控制 并通过收 发窗口进行流量控制等 RLC有三种工作模式 透明模式 TransparentMode 非确认模式 UnacknowledgedMode 和确认模式 AcknowledgedMode RLC的建立 释放和重新配置由RRC控制 1 透明模式 Tr 对于透明模式 发射端从高层接收业务数据单元 RLC将业务数据单元分割成一定大小的RLC协议数据单元而不附加任何RLC开销 2 非确认模式 UM 对于非确认模式 发射端从高层接收业务数据单元 RLC将业务数据单元分割成一定大小的RLC协议数据单元 3 确认模式 AM 确认模式比较复杂 它包含反馈重传机制ARQ 通过ARQ 可以实现RLC层的差错控制 与非确认模式类似 发射端通过AM SAP从高层接收业务数据单元 RLC将业务数据单元 SDU 分段 级联为固定长度的有效载荷单元 PU 一个AM协议数据单元 PDU 内有一个有效载荷单元 PU MUX决定在什么时候将哪一个协议数据单元送给MAC 通常控制协议数据单元在一个逻辑信道里传输 而数据协议数据单元在另外一个逻辑信道里传输 如图9 25所示 图9 25应答模式实体模型 2 分组数据汇聚协议 PDCP 目前 最常见的高层数据业务的传输协议有 网络层的IPv4与IPv6 传输层的用户数据报协议 UDP 和传输控制协议 TCP 等 为了有效支持上述协议和其他新型的协议 而不需对RLC或MAC层作任何改动 在WCDMA中引入了分组数据汇聚协议 PDCP PDCP以三种不同的RLC传输方式 确认 非确认和透明方式 来提供对网络协议数据单元 PDU 的发送和接收 PDCP负责协议数据单元 PDU 从一种网络协议到一种RLC实体间的映射 并且完成了在传输实体端对网络PDU的冗余控制信息的压缩和在接收实体端的解压缩 3 广播 组播 BMC 协议广播 组播 BMC 协议子层负责传输来自网络的需要广播或组播给小区内所有移动台的信息 BMC子层仅存在于无线空中接口的用户平面上 它暂时存放从高层来的用户数据 直到将它们调度好后准备发送 它在一条公用业务信道 CTCH 上使用RLC的非确认模式来传输信息 对不希望在小区内广播的用户数据 BMC对其进行透明传递 BMC还完成其他一些功能 如在网络侧周期性地估计小区广播的业务量大小 并用一个指示原语将此信息转给RRC层 4 WCDMA无线接口的无线资源控制RRC协议是UTRAN中高层协议的核心规范 其中包括了UE和UTRAN之间传递的几乎所有的控制信令 以及UE在各种状态下无线资源的使用情况 测量任务和执行的操作 系统中无线资源包含WCDMA频率 不同信道类型 信道码 扩频因子 扰码和控制发射功率的能力等 图9 26RRC与低层的交互动作 RRC层的主要功能有 广播由非接入层 核心网 提供的信息 广播与接入层相关的信息 建立 维持及释放UE和UTRAN之间的一个RRC连接 建立 重新配置及释放无线承载 分配 重新配置及释放用于RRC连接的无线资源 RRC连接移动功能 控制所需的QoS UE测量的报告和对报告模式的控制 外环功率控制 安全模式控制 慢速动态信道分配 寻呼 初始小区选择和重选 上行链路DCH上无线资源的仲裁 RRC消息完整性保护 定时提前 CBS控制 RRC的连接建立过程如图9 27所示 图9 27RRC的连接建立过程 9 1 3WCDMA系统的网络1 WCDMA系统的网络结构R99版本中的网络结构如图9 28所示 图9 28R99网络结构 R99网络结构的设计中充分考虑了第二代 2G 第三代 3G 移动通信系统的兼容 以支持GSM GPRS 3G的平滑过渡 因此 在核心网络中 CS域和PS域是并列的 R99中CS域的功能实体包括MSC VLR GMSC等 PS域特有的功能实体包括SGSN和GGSN 为用户提供分组数据业务 HLR AuC EIR为CS域和PS域共用设备 在无线接入网中可支持GSM的BSS以及UTRAN的RNS 图9 28中所有功能实体都可作为独立的物理设备 1 CS域的接口A接口和Abis接口定义在GSM08 series技术规范中 Iu CS接口定义在UMTS25 4xx series技术规范中 B C D E F和G接口则是以7号信令方式实现相应的移动应用部分 MAP 用于完成数据交换 H接口未提供标准协议 2 PS域的接口Gb接口定义在GSM08 14 08 16和08 18技术规范中 Iu PS接口定义在UMTS25 4xx series技术规范中 Gc Gr Gf Gd接口则是基于7号信令的MAP协议 Gs实现SGSN与MSC之间的联合操作 基于SCCP BSSAP 协议 Ge基于CAP协议 Gn Gp协议由GTPV0升级到V1版本 Ga Gi协议没有太大改动 图9 29所示为R4版本的PLMN基本网络结构 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 但为了支持全IP网发展需要 R4版本中CS域实体有所变化 如MSC根据需要可分成两个不同的实体 MSC服务器 MSCServer 仅用于处理信令 和电路交换媒体网关 CS MGW 用于处理用户数据 MSC服务器和CS MGW共同完成MSC功能 对应的GMSC也分成GMSC服务器和CS MGW 各实体的功能如下 图9 29支持CS和PS业务的PLMN的基本配置 R4 1 MSC服务器 MSCServer 主要由MSC的呼叫控制和移动控制组成 负责完成CS域的呼叫处理等功能 MSC服务器终接用户 网络信令 并将其转换成网络 网络信令 MSC服务器也可包含VLR以处理移动用户的业务数据和CAMEL相关数据 2 电路交换媒体网关 CS MGW 是PSTN PLMN的传输终接点 并且通过Iu接口连接核心网和UTRAN 3 GMSC服务器 GMSCServer 主要由GMSC的呼叫控制和移动控制组成 图9 30是R5版本的PLMN基本网络结构 没有包括多媒体 IM 子系统部分 图9 30R5版本的PLMN基本网络结构 归属用户服务器 HSS 是指定用户的主数据库 包含支持网络实体处理呼叫 会话的相关签约信息 HSS包括HLR和鉴权中心 AuC R5新增了漫游信令网关 R SGW 和T SGW 新增了IP多媒体子系统 IMS IP多媒体核心网子系统实体配置如图9 31所示 下面简要介绍该子系统的各实体功能 1 呼叫服务器控制功能 CSCF CSCF可起到代理CSCF P CSCF 服务CSCF S CSCF 或询问CSCF I CSCF 的作用 P CSCF是IP多媒体核心网子系统 IMS 内的第一个接触点 接受请求并进行内部处理或在翻译后接着转发 S CSCF实现UE的会话控制功能 维持网络运营商支持该业务所需的会话状态 I CSCF是运营网络内关于所有到用户的IMS连接的主要接触点 用于所有与该网络内签约用户或当前位于该网络业务区内漫游用户相关的连接 图9 31IP多媒体核心网子系统实体配置 2 媒体网关控制功能 MGCF MGCF的主要功能包括 负责控制适于媒体信道连接控制的呼叫状态部分 与CSCF的通信 根据来自传统网络的入局呼叫的路由号码选择CSCF 执行ISUP与IMS网络呼叫控制协议间的转换 并能将其所收到的频段信息转发给CSCF IM MGW 3 IP多媒体 媒体网关功能 IM MGW IM MGW能够支持媒体转换 承载控制和有效负荷的处理 并能提供支持UMTS GSM传输媒体的必需资源 4 多媒体资源功能控制器 MRFC MRFC负责控制MRFP中的媒体流资源 解释来自应用服务器和S CSCF的信息并控制MRFP 5 多媒体资源功能处理器 MRFP MRFP负责控制Mb参考点上的承载 为MRFC的控制提供资源 产生 合成并处理媒体流 6 签约位置功能 SLF 在注册和会话建立期间 用于I CSCF询问并获得包含所请求用户特定数据的HSS的名称 而且 S CSCF也可以在注册期间询问SLF 7 突破网关控制功能 BGCF BreakoutGatewayControlFunction BGCF的主要功能是选择在哪个网络中将发生PSTN突破 2 WCDMA系统的接入网络协议模型图9 32为UTRAN地面接口的通用协议模型 UTRAN从层次上可以分为无线网络层和传输网络层两部分 UTRAN涉及的内容都是与无线网络层相关的 而传输网络层使用标准的传输技术 根据UTRAN的具体应用进行选择 图9 32UTRAN地面接口的通用协议模型 1 控制平面 控制平面包含应用层协议 如无线接入网应用部分 RANAP 无线网络子系统应用部分 RASAP NodeB应用协议 NBAP 和传输层应用协议的信令承载 该信令承载的建立通过操作维护来完成 2 用户平面 用户收发的所有信息 例如语音和分组数据 都经过用户平面传输 用户平面包括数据流和相应的承载 每个数据流的特征都由一个或多个接口的帧协议来描述 3 传输网络层控制平面 传输网络层控制平面为传输层内的所有控制信令服务 不包含任何无线网络层信息 它包括为用户平面建立传输承载 数据承载 的接入链路控制应用部分 ALCAP 协议 以及ALCAP需要的信令承载 ALCAP是专门针对AAL2连接的信令协议 负责AAL2点对点连接的建立 维持和维护 其协议规程为Q 2630 2 9 2 1TD SCDMA的物理层TD SCDMA系统的多址接入方案属于DS CDMA 码片速率为1 28Mc s 扩频带宽约为1 6MHz 采用TDD工作方式 它的下行 前向链路 和上行 反向链路 的信息是在同一载频的不同时隙上进行传送的 在TD SCDMA系统中 其多址接入方式上除具有DS CDMA特性外 还具有TDMA的特点 因此 TD SCDMA的接入方式也可以表示为TDMA CDMA 9 2TD SCDMA系统 TD SCDMA的基本物理信道特性由频率 码字和时隙决定 其帧结构将10ms的无线帧分成两个5ms子帧 每个子帧中有7个常规时隙和3个特殊时隙 信道的信息速率与符号速率有关 符号速率由1 28Mc s的码片速率和扩频因子 SF 所决定 上 下行信道的扩频因子在1 16之间 因此调制符号速率的变化范围为80 0ks s 1 28Ms s TD SCDMA系统空中接口的体系结构可参照图9 1 物理层是空中接口的最底层 支持比特流在物理介质上的传输 物理层与数据链路层的MAC子层及网络层的RRC子层相连 物理层向MAC层提供不同的传输信道 传输信道定义了信息是如何在空中接口上传输的 物理信道在物理层定义 物理层受RRC的控制 物理层向高层提供数据传输服务 这些服务的接入是通过传输信道来实现的 为提供数据传输服务 物理层需要完成以下功能 传输信道错误检测和上报 传输信道的FEC编译码 传输信道和编码组合传输信道的复用 解复用 编码组合传输信道到物理信道的映射 物理信道的调制 扩频和解调 解扩 频率和时钟 码片 比特 时隙和子帧 同步 功率控制 物理信道的功率加权和合并 RF处理 速率匹配 无线特性测量 包括FER SIR 干扰功率等等 上行同步控制 上行和下行波束成形 智能天线 UE定位 智能天线 TD SCDMA的传输信道与WCDMA的传输信道基本相同 TD SCDMA的物理信道采用四层结构 系统帧 无线帧 子帧和时隙 码字 时隙用于在时域上区分不同用户信号 具有TDMA的特性 TD SCDMA的物理信道信号格式如图9 33所示 图9 33TD SCDMA的物理信道信号格式 TD SCDMA系统帧结构的设计考虑到了对智能天线和上行同步等新技术的支持 一个TDMA帧长为10ms 分成两个5ms子帧 这两个子帧的结构完全相同 每一子帧又分成长度为675 s的7个常规时隙和3个特殊时隙 这3个特殊时隙分别为DwPTS GP和UpPTS 在7个常规时隙中 TS0总是分配给下行链路 而TS1总是分配给上行链路 上行时隙和下行时隙之间由转换点分开 在TD SCDMA系统中 每个5ms的子帧有两个转换点 UL到DL和DL到UL 通过灵活地配置上 下行时隙的个数 使TD SCDMA适用于上 下行对称及非对称的业务模式 TD SCDMA帧结构如图9 34所示 图中分别给出了时隙对称分配和不对称分配的例子 图9 34TD SCDMA帧结构 a DL UL对称分配 b DL UL不对称分配 每个子帧中的DwPTS是作为下行导频和同步而设计的 该时隙由长为64chip的下行同步序列SYNC DL和32chip的保护间隔组成 其时隙结构如图9 35所示 图中SYNC DL是一组PN码 用于区分相邻小区 系统中定义了32个码组 每组对应一个SYNC DL序列 SYNC DLPN码集在蜂窝网络中可以复用 将DwPTS放在单独的时隙 便于下行同步的迅速获取 同时也可以减小对其他下行信号的干扰 图9 35DwPTS的时隙结构 图9 36UpPTS的时隙结构 TD SCDMA系统采用的突发结构如图9 37所示 图中CP表示码片长度 突发由两个长度分别为352chip的数据块 一个长为144chip的中间码和一个长为16chip的GP组成 数据块的总长度为704chip 所包含的符号数等于352除以扩频因子 1 2 4 8 16 图9 37TD SCDMA系统突发结构 TD SCDMA系统的突发结构传送的物理层控制信令包括传输格式合成指示 TFCI 发射功率控制 TPC 和同步偏移 SS 物理层控制信令在相应物理信道的数据部分发送 即物理层控制信令和数据比特具有相同的扩频操作 物理层控制信令的结构如图9 38所示 图中的SS和TPC部分可以不发送 图9 38发送SS和TPC时的物理层控制信令结构 对于每个用户 TFCI信息将在每10ms无线帧里发送一次 编码后的TFCI符号分为四个部分 在子帧内和数据块内都是均匀分布的 TFCI的发送是由高层信令配置的 对于每个用户 TPC信息在每5ms子帧里发送一次 这使得TD SCDMA系统可以进行快速功率控制 对于每个用户 SS信息在每5ms子帧里发送一次 SS用于命令终端每M帧进行一次时序调整 调整步长为 k 8 Tc 其中 Tc为码片周期 M值和k值由网络设置 并在小区中进行广播 上行突发中没有SS信息 但是SS位置予以保留 以备将来使用 TD SCDMA的信道编码 复用 传输信道到物理信道的映射与WCDMA系统类似 这里给出其广播信道的编码 交织和映射的过程 如图9 39所示 图中 MA为突发中的中间码 图9 39TD SCDMA广播信道数据块的编码 交织及映射过程 表9 3TD SCDMA的功率控制参数 9 2 2TD SCDMA系统的特征表9 4对WCDMA TD SCDMA和cdma2000三种主流标准的主要技术性能进行了比较 其中仅有TD SCDMA使用了智能天线 联合检测和同步CDMA等先进技术 因此在系统容量 频谱利用率和抗干扰能力等方面具有突出的优势 表9 4三种主流第三代移动通信系统标准主要技术性能比 TD SCDMA与其他第三代移动通信系统标准相比具有较为明显的优势 主要体现在如下几个方面 1 频谱灵活性和支持蜂窝网的能力 TD SCDMA采用TDD方式 仅需要1 6MHz 单载波 的最小带宽 因此频率安排灵活 不需要成对的频率 可以使用任何零碎的频段 能较好地解决当前频率资源紧张的矛盾 2 高频谱利用率 TD SCDMA频谱利用率高 抗干扰能力强 系统容量大 适于在人口密集的大 中城市传输对称与非对称业务 尤其适合移动Internet业务 3 适用于多种使用环境 TD SCDMA系统全面满足ITU的要求 适用于多种环境 1 DCA技术TD SCDMA系统中的任何一条物理信道都是通过它的载频 时隙 扩频码的组合来标记的 信道分配实际上就是一种无线资源的分配过程 DCA算法具有如下特点 1 能够较好地避免干扰 使信道重用距离最小化 从而高效率地利用有限的无线资源 提高系统容量 2 适应第三代移动通信业务的需要 尤其是高速率的上 下行不对称的数据业务和多媒体业务 2 智能天线技术的应用在基于CDMA技术的移动通信系统中 采用智能天线技术可以提高系统容量 减少用户间干扰 扩大小区的覆盖范围 提高网络的安全性以及实施用户定位等 因此 智能天线将在第三代及其以后的移动通信系统中获得广泛的应用 采用智能天线技术后必将影响到网络的许多功能 如无线资源管理和移动性管理等 1 智能天线对于DCA的影响智能天线的引入可以极大地提升系统性能 但会对DCA的策略和方案带来较大影响 图9 40所示为按照时隙干扰大小分配