3G技术之WCDMA概要

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 GTP，而 CDMA2000 的 PDSN与 H