现代移动通信技术与系统-第3章 WCDMA移动通信系统课件

1、第3章 WCDMA移动通信系统概述3.1WCDMA网络结构与接口3.2本章主要包括以下内容：WCDMA系统的主要特点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IP多媒体子系统的特点、结构和功能UTRAN接口协议模型及协议栈结构WCDMA空中接口协议结构、各层协议功能及相互关系WCDMA空中接口物理层的功能，物理信道、传输信道与逻辑信道的映射关系，物理层上下行链路的进程WCDMA网络中的编号计划3.1 概述3.1.1 WCDMA网络的演进 WCDMA网络架构是在GSM/GPRS网络基础上发展而来的。 在GSM核心网家族中，GSM系

2、统提供语音和基本的数据服务，GPRS或EDGE可以提供更高速率的数据服务。 从技术演进的角度来看，下一代就是WCDMA。 图3-1显示了从GSM到WCDMA的演进示意图。图3-1 GSM到WCDMA的演进3.1.2 WCDMA网络的特点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）。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更宽的带宽上去。3语音编码 WCDMA中的声码器采用自适应多速率 （Adaptive Multi-Rate，AMR）技术。多速率声码器是一个带有8

3、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。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。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。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

4、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。3.2 WCDMA网络结

5、构与接口3.2.1 UMTS系统结构 本书以R99版本所示UMTS结构和接口为例，介绍UMTS网元和接口功能。3.2.2 UMTS网元和接口功能 UMTS网络系统结构如图3-4所示，包括的网元和接口功能如下。1用户设备（UE） 用户设备（User Equipment，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。用户设备（UE）主要由移动设备（Mobile Equipment，ME）和通用用户识别模块（Universal Subscriber Iden

6、tity Module，USIM）两部分组成。图3-4 UMTS网元和接口 （1）移动设备（ME），即通常所说的手机，有车载型、便携型和手持型。移动设备提供用户与无线接入网相连的交互界面，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）的物理特性与GSM的SIM卡基本相同。USIM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

7、网络（UTRAN） 无线接入网（UMTS/Universal Terrestrial Radio Access Network，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。（1）节点B（Node B） Node B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。（2）无线网络控制器（RNC） 无线网络控制器（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： 系统信息管理：执行系统信息广播与系统接入控制

8、功能。 移动性管理：切换和RNC迁移等移动性管理。 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 控制无线网络控制器（CRNC）：控制Node B的操作与维护、接入控制等功能，并与Node B直接存在物理连接的RNC称为Node B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Node B配置、重配置或删除对小区资源的使用。 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

9、。 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地互联互通。 UTRAN接口和协议如表3-1所示。接 口 名 称接 口 位 置协 议IuCN-UTRANRANAPIur

10、RNC-RNCRNSAPIubRNC-Node BNBAPUuNode B-UEWCDMA表3-1UTRAN接口和协议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。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及其他分

11、组数据网（PDN）等相连。3.2.3 基于R99、R4、R5/R6的核心网结构1R99网络结构及接口2R4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。 如图3-7所示。 R4核心网电路域变化的实体功能介绍如下。 MSC服务器（MSC Server）。MSC Server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他业务。图3-7

12、R4网络结构图 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。 关口MSC服务器（GMSC Server）。GMSC Server主要由GMSC的呼叫控制和移动控制单元组成，负责与其他网络（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。（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3-3所示为核心网新增接口与协议。接 口 名连 接 实 体信令与

13、协议Mc（G）MSC ServerCS-MGWH.248NcMSC Server（G）MSC ServerISUP、BICCNbCS-MGWCS-MGWRTP/UDP/IP AAL2、STM、H.245R99全部接口名R99全部连接实体R99全部信令与协议表3-3R4核心网新增接口与协议3R5网络结构及接口 R5版本在无线接入网方面的改进如下。 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。 Iu，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版本在核心网（Core Network，

14、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3-9所示。图3-9 含IMS子系统的R5版本网络结构4R6版本网络结构 R6研究的主要内容如下。 （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GSN Server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。

15、（3）在业务方面，研究包括多媒体广播/多播业务（MBMS）、Push业务、Presence、PoC（Push-To-Talk over Cellular）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，OFDM和MIMO也是后3G的重点技术。 （5）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。3.2.4 IP多媒体子系统1IMS概述 IMS主要特点如下。 （1）IMS的重

16、要特点是对控制层功能做了进一步的分解，实现了会话控制实体和承载控制实体在功能上的分离，体现了“业务与控制分离”、“控制与接入和承载分离”的原则，网络构架层次化为不同网络的互通和业务的融合奠定了基础。 IMS的设计是独立于接入网的，不依赖于任何接入技术和接入方式。 通过利用核心网的设备，使得不同的用户终端用不同的接入方式接入IMS网络，支持各种融合业务的公共平台，提供新型的基于IP的交互式多媒体业务。 （2）IMS继承了移动通信系统特有的网络技术，继续使用归属网络和访问网络的概念，支持用户全程全网漫游能力，具有切换功能，集中用户数据管理等。 （3）IMS中重用了IETF组织制定的互联网技术和协议

17、。会话控制层采用了具有灵活性和标准化的开放接口SIP。网络层选用IPv6，同样运用域名系统（Domain Name System，DNS）协议进行地址解析。终端用户安全认证、授权和计费沿用计算机网络中AAA方式，使用RADIUS协议基础上开发的Diameter协议。 （4）IMS业务应用平台支持多种业务，能为SIP用户提供全程全网漫游能力和虚拟归属业务环境（VHE）能力。IMS在原有UMTS技术基础上，提供根据用户、业务、数据流、内容、事件、时间等的更多计费手段，通过新的在线计费功能，运营商还可以实时控制业务流程。 （5）IMS由多个标准化组织定义并发展完善，如3GPP/3GPP2、ITU-T

18、、IETF和ETSI等，IMS越来越受到业界的关注。2IMS的主要功能实体 3GPP IMS的主要功能实体如图3-10所示，包括呼叫会话控制功能（CSCF）、归属用户服务器（HSS）、媒体网关控制功能（MGCF）、IP多媒体-媒体网关功能（IM-MGW）、多媒体资源功能控制器（MRFC）、多媒体资源功能处理器（MRFP）、签约定位器功能（SLF）、出口网关控制功能（BGCF）、信令网关（SGW）、应用服务器（AS）、多媒体域业务交换功能 （IM-SSF）、业务能力服务器（OSA-SCS）等。图3-10 IMS的主要功能实体示意图3.3 UTRAN接口协议结构3.3.1 UTRAN接口协议模型

19、UMTS系统是模块化设计的，模块之间通过网络协议互联。 UMTS网络接口采用用户面与控制面分离、无线网络层与传输网络层相分离的设计原则，以保证层间和逻辑体系上的相互独立性，尽可能地满足了开放性和可升级性的要求，便于协议的修改和扩充。 UTRAN是UMTS系统的无线接入网部分，为UMTS系统设计的主要部分。1UMTS分层结构图3-11 UMTS分层结构2UTRAN接口协议模型 UTRAN接口通用协议模型如图3-12所示。接口协议分为两层二平面。 两层指从水平的分层结构来看，分为无线网络层和传输网络层。 二平面指从垂直面来看，每个接口分为控制面和用户面。 UTRAN内部的3个接口（Iu，Iur和I

20、ub）都遵循统一的基本协议模型结构。图3-12 UTRAN接口的协议栈模型3.3.2 Iu接口1Iu接口结构及功能 Iu接口是UTRAN与核心网之间的接口，也可以看作RNC与CN之间的一个参考点。 UTRAN与核心网电路域的接口称为Iu-CS，与核心网分组域的接口称为Iu-PS，与小区广播系统之间的接口称为Iu-BC，Iu接口结构如图3-14所示。图3-14 Iu接口结构 Iu-CS和Iu-PS接口由控制面和用户面构成。 Iu-BC接口只有一个平面，既包括控制信息也包含用户信息。 3.3.3 Iub接口 Iub接口作为RNC与Node B之间的接口，负责所有RNC与Node B之间的通信过程。

21、Iub接口的协议栈结构如图3-18所示。图3-18 Iub接口的协议栈结构 与UTRAN接口的协议模型一致，Iub接口分为控制面和用户面，其中控制面根据功能的不同又分为无线网络控制面和传输网络控制面。3.3.4 Iur接口 在GSM网络中，两个BSC之间是没有逻辑接口的，而在WCDMA中，为了更好地满足对用户移动性的支持，引入了任意两个RNC之间的逻辑接口Iur。 与Iu接口相同，水平方向分为无线网络层和传输网络层；垂直方向分为控制面和用户面，如图3-19所示。图3-19 Iur接口协议栈结构 在无线网络层控制面是无线网络子系统应用部分（RNS Application Part，RNSAP）协

22、议，用户面是Iur FP协议。3.4 WCDMA空中接口3.4.1 Uu接口协议结构 WCDMA系统中Uu接口，有时也称为空中接口，是指UE和UTRAN之间的接口，通过使用无线传输技术（RTT）将UE接入到系统固定网络部分。 Uu接口协议用于在UE和UTRAN之间传送用户数据和控制信息，建立、重新配置和释放无线承载业务。 空口接口的协议结构如图3-20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，椭圆表示业务接入点（SAP），协议实体间的通信通过SAP进行。 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

23、语音和数据。水平方向分为3层：第1层（L1）：物理层；第2层（L2）：数据链路层；第3层（L3）：网络层。 其中第2层又分为几个子层：媒体接入控制（MAC）子层、无线链路控制（RLC）子层、分组数据汇聚协议（PDCP）子层和广播/多播控制（BMC）子层。图3-20 空口接口的协议结构3.4.2 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。 在3GPP规范中，详细描述了物理层及功能。 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，并通知高层； （3）宏分集合并以及软切换

24、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。 WCDMA的物理信道帧结构如图3-21所示。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。图3-21 WCDMA的物理信道帧结构2物理信道 物理信道的特征可由载频

25、、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Node B）和下行物理信道（Node B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3-22所示，其中HS-SCCH、HS-PDSCH、HS-DPCCH为在R5中引入的信道，将在后面的章节介绍。图3-22 WCDMA物理信道示意图3.4.3 数据链路层 数据链路层使用物理层提供的服务，并向第3层提供服务。 数据链路层划分为媒体接入控制（MAC）子层、无线链路控制（RLC）子层、分组数据汇聚协议（PDCP）子层和广播/多播控制（BMC）子层。 其中M

26、AC和RLC由控制面与用户面共用，PDCP和BMC仅用于用户面。1媒体接入控制（MAC）子层（1）MAC子层功能 MAC子层位于物理层之上，向高层提供无确认的数据传送、无线资源重分配和测量等服务，通过物理层提供的传输信道借助逻辑信道与上层交换数据。完成的主要功能如下： 逻辑信道与传输信道间的映射； 根据瞬时源速率为每个传输信道选择适当的传输格式（TF），保证高的传输效率； 通过选择高比特速率或低比特速率的传输格式，实现一个UE的数据流之间优先级处理； 通过动态调度为不同的UE间进行优先级处理； 把高层来的协议数据单元（PDU）复用成传输块后发送给物理层，或者把从物理层来的传输块解复用成高层的P

27、DU，对于专用信道适用于相同QoS参数的业务，PDU是对等协议层之间进行交流的基本数据单元； 测量逻辑信道业务量并向RRC报告，此测量报告有可能引发对无线承载/或传输信道参数的重新配置； 在RRC层的命令下，MAC子层执行传输信道类型转换； 为在RLC子层使用透明模式传输的数据进行加密； 为RACH和CPCH选择接入类别和等级。（2）MAC子层结构 MAC子层由MAC-b、MAC-c/sh和MAC-d 3个逻辑实体构成，如图3-35所示。图3-35 MAC子层结构2无线链路控制（RLC）子层（1）RLC子层主要功能 数据分段和重组：根据实际传输格式，RLC子层对高层来的长度变化的PDU进行分割

28、成为RLC的净负荷单元，此负荷单元经处理后称为RLC PDU；将低层来的RLC PDU重组为变长的高层PDU。 级联和填充：服务数据单元（SDU）是协议栈中层与层或层与子层之间进行交流的基本数据单元。如果RLC SDU中的内容不能填满整数个RLC PDU，就把下一个RLC SDU的第一段与当前RLC SDU的最后一段进行级联，进而构成RLC PDU；当不能应用级联而且传输的数据不能填满给定RLC PDU的大小时，剩下的部分用填充比特填满。 用户数据传输和纠错：RLC支持确认模式、非确认模式和透明模式3种数据传输模式；在确认模式下，RLC通过重传提供纠错功能。 高层PDU顺序传输和复制检测：为采

29、用确认模式传输的数据提供顺序发送的功能，否则系统支持乱序发送；复制检测收到的RLC PDU，保证合成的高层PDU只向上层提供。 流量控制：接收RLC实体可以控制对端信息发送的速率。 序列检查：序列检查用于非确认模式，在RLC PDU被重组到RLC SDU中时，通过检查RLC PDU中的序列号，检测错误的RLC SDU。错误的RLC SDU将被丢弃。 协议错误检测与恢复：检测并纠正在RLC操作中的错误并进行恢复。 加密：适用于非透明模式下数据传输，加密算法与MAC子层的方法相同。（2）RLC子层结构 RLC子层支持3种传输模式：透明模式（Tr）、非确认模式（UM）和确认模式（AM）。透明模式和非

30、确认模式的实体是单向实体，可以配置为发送实体或者接收实体；确认模式实体是双向实体，包含发送侧和接收侧，可同时进行收发。RLC子层的结构如图3-37所示。图3-37 RLC子层结构3分组数据汇聚协议（PDCP）子层 分组数据汇聚协议（PDCP）子层仅存在于用户平面，提供分组域业务。 高层通过SAP配置PDCP，如图3-38所示。PDCP子层主要功能如下。图3-38 PDCP子层结构图 （1）分别在接收与发送实体对IP数据流执行头压缩和解压缩功能。头压缩协议专用于特定的网络层、传输层或高层协议的组合，如TCP/IP和RTP/UDP/IP等，使网络层协议（如IPv4、IPv6等）的引入独立于UTRA

31、N协议。 （2）用户数据传输，非接入层送来的PDCP-SDU与 RLC实体间的互相转发。 （3）为无线承载（RB）提供一个序列号，支持无损的SRNC重定位。4广播/组播控制协议（BMC）子层 广播/组播控制协议（BMC）子层仅存在于用户平面，以无确认方式提供公共用户的广播/多播业务。 BMC子层结构如图3-39所示。BMC主要功能如下。图3-39 BMC子层结构图（1）小区广播消息的存储；（2）为小区广播业务进行业务量检测和无线资源请求；（3）BMC消息的调度；（4）向UE发送BMC消息；（5）向高层NAS传递小区广播消息。3.4.4 无线资源控制层 RRC层属于控制平面，UE和UTRAN间的

32、控制信令主要是无线资源控制（RRC）层消息，控制接口管理和对低层协议实体的配置。 RRC层主要完成的功能有：接入层控制、系统信息广播、RRC连接管理、无线承载管理、RRC移动性管理、无线资源管理、寻呼和通知、高层信息路由功能、加密和完整性保护、功率控制、测量控制和报告等。 RRC层功能实体如下。 （1）路由功能实体（RFE）：处理高层消息到不同的移动管理/连接管理实体（UE侧）或不同的核心网络域（UTRAN侧）的路由选择。 （2）广播控制功能实体（BCFE）：处理系统信息的广播。在RNC中，每个小区都至少有一个BCFE。 （3）寻呼及通告控制功能实体（PNFE）：控制对还未建立RRC连接的UE的寻呼。在RNC中，对由这个RNC控制的小区都至少有一个PNFE实体。 （4）专用控制功能实体（DCFE）：处理一个特定UE的所有功能和信令。SRNC中，对每个与这个RNC连接的UE，都有一个DCFE实体与之相对应。 （5）共享控制功能实体（SCFE）：控