WCDMA的系统结构浅析

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一、WCDMA技术特点
　　WCDMA技术具有下述主要特色：
　　（1）WCDMA物理层采用DS-CDMA多址技术，将用户数据和利用CDMA扩频码得到的伪随机序列即码片（chip）序列相乘，从而将用户信息扩展到较宽的带宽上（可以根据具体速率要求，选用不同的扩频因子）。
　　（2）WCDMA支持FDD/TDD两种工作模式。其中FDD要求为上下行链路成对分配频谱，而TDD可以使用不对称频谱供上下行链路共享，因此从某种意义上说，TDD可以更节省地使用频谱资源。
　　（3）WCDMA支持异步基站操作，网络侧对同步没有要求，因而易于完成室内和密集小区的覆盖。
　　（4）WCDMA采用10ms帧长，码片速率为3.84Mc/s。其3.84Mc/s的码片速率要求上下行链路分别使用5MHz的载波带宽，实际载波间距离的要求根据干扰的不同在4.4MHz～5MHz之间变化，变化步长为200kHz。对于人口密集地带可选用多个载波覆盖。其10ms帧长允许用户的数据速率可变，虽然在10ms内用户比特率不变，但10ms帧之间用户的数据容量可变。
　　（5）WCDMA在上下行链路均利用导频相干检测，扩大了覆盖范围。WCDMA空中接口包括先进的CDMA接收机，它利用了多用户检测和自适应智能天线技术，这些手段可以较好地提高系统覆盖和容量。
　　（6）WCDMA允许不同QoS要求的业务进行复用。
　　（7）WCDMA系统允许与GSM网络共存和协同工作，支持系统间的切换。
　　（8）WCDMA在上行传输信号的包络中无周期性分量，故可避免音频干扰。
二、WCDMA的系统结构
　　1.WCDMA系统组成
　　WCDMA作为UMTS（通用移动通信系统）的实现，其系统体系结构与大多数第二代系统甚至第一代系统基本类似。WCDMA系统包括若干逻辑网络元素，逻辑网络元素可以按不同子网分类，也可以按功能来划分。
　　功能上，逻辑网络元素可以分成UE（用户设备终端）、无线接入网（RAN）和核心网（CN）。无线接入网也可以借用UMTS中地面RAN的概念，因此又简称为UTRAN。其中RAN处理与无线通信有关的功能。CN处理语音和数据业务的交换功能，完成移动网络与其他外部通信网络的互联，相当于第二代系统中的MSC/VLR/HLR。UE和RAN采用全新的WCDMA无线技术规范，而CN基本上来源于GSM。
　　UMTS也可以分成若干个子网，子网之间可以独立工作，又可以协同工作，因而子网又叫做UMTS公众陆地移动网（PLMN）。不同运营商运营的PLMN之间可以互通，而且PLMN也可以与ISDN，PSTN，Internet以及其他数据网络互通。图1给出了PLMN网络体系结构，图中包括PLMN网络的逻辑元素、内部元素连接以及与外部网络的连接。
　　下面说明图1中的逻辑网络元素。其中UE包含如下两个部分：

图1　PLMN体系结构

　　ME（移动设备）。它是通过空中无线接口Uu与Node B进行通信的无线终端。
　　USIM（UMTS用户识别模块）。它相当于GSM终端中的SIM智能卡，用于记载用户标识，可执行鉴权算法，并保存鉴权、密钥以及终端需要的预约信息。
　　RAN中则包含如下两个部分：
　　Node B（B结点）。它是在Iub和Uu接口之间传送数据的基站（BS），基站也参与部分无线资源管理。
　　RNC（无线网络控制器）。它控制辖区内的所有无线资源，是与之相连的基站的管理者。RNC是RAN提供给CN的所有业务的接入点。
　　CN中包含的逻辑网络元素有如下几个：
　　MSC/VLR（移动业务交换中心/访问位置寄存器）。移动交换中心MSC和数据库VLR为UE提供电路交换服务。MSC用于完成电路交换业务，而VLR用于保存漫游用户的服务特征描述副本，以及UE在服务系统中精确的位置信息。通过MSC/VLR连接的外部网络称作CS域网络。
　　HLR（归属位置寄存器）。这是一个位于用户本地的系统数据库，它保存了用户服务特征描述的主备份。这些服务的特征描述包括允许的业务信息、禁止漫游的地区和补充业务信息（如呼叫前转状态和呼叫前转数量）。此数据库在新用户向系统注册入网时为用户创建初始化数据，创建后的数据在用户接收服务期间始终存在。为了给呼入的用户找到路由并连接到目的UE，HLR还在MSC/VLR和SGSN中保存UE的位置信息。
　　GMSC（移动业务交换中心网关）。这是UMTS PLMN与外部CS域网络连接处的交换设备，所有呼入和呼出的CS连接均需要经过GMSC。
　　SGSN（服务GPRS支撑节点）。它与MSC/VLR的功能类似，只不过它仅用于分组交换（PS）业务。通过SGSN连接的外部网络称作PS域网络。
　　GGSN（GPRS支持节点网关）。它与GMSC的功能类似，不过它仅用于分组交换业务。
　　图1中的外部网络包括如下两个部分：
　　CS域网络。它提供电路交换如现有电话业务的连接。CS域网络包括PSTN和ISDN等。
　　PS域网络。它提供数据分组交换如现有数据上网业务的连接。PS域网络包括Internet和X.25等。
　　3GPP规范并没有对上面描述的逻辑网络元素的内在功能作具体详细的说明，但是对逻辑网络元素之间的一些接口作了详细定义。PLMN网络主要的开放接口如下：
　　Cu接口：它是USIM智能卡和ME之间的电子接口，遵循智能卡的标准格式。
　　Uu接口：它是WCDMA的无线接口，是UE终端接入系统固定网络的必需接口。UMTS Uu接口的开发性可以保证不同制造商设计的UE终端可以接入其他制造商设计的RAN中。
　　Iub接口：它是连接Node B与RNC的标准接口。制定开放的Iub接口就是为了保证不同移动通信设备制造商生产的Node B和RCN之间可以互联互通，使运营商单独购置Node B和RNC设备成为可能。
　　Iur接口：它是RNC之间的接口，开放的Iur接口允许不同设备制造商生产的RNC之间可以进行软切换。
　　Iu接口：它是连接RAN与CN之间的标准接口，类似于GSM网络中的A接口（电路交换）和Gb（分组交换）接口。开放的Iu接口允许运营商购置不同设备制造商生产的RAN和CN设备铺设网络，这样有利于造成设备制造商之间的竞争。开放的A接口和Gb接口也是GSM成功的原因。
　　2.RAN结构
　　WCDMA的无线接入网可以包含一个或多个RNS（无线网络子系统）。一个RNS可理解为RAN内的一个子网，它包含一个RNC和一个Node B集合。不同RNS中的RNC通过Iur接口互联，而RNS内部的RNC通过Iub接口与Node B建立物理连接。RNS内部和外部的连接关系如图2所示。

图2　RNS内外部连接关系

　　RAN的主要特征：
　　●支持UTRA（即UMTS地面无线接入）及真相关的所有功能。例如，要求支持软件切换以及WCDMA特定的无线资源管理算法。
　　●尽可能与GSM兼容。
　　●最大限度地兼容CS域和PS域的处理。一方面，他们共用空中接口协议栈；另一方面它们使用同一接口从RAN连接到CN。
　　●使用ATM作为主要的传输机制，同时考虑传输网络向IP网络的过渡。
　　在WCDMA系统中，逻辑网络元素无线网络控制负责RAN无线资源管理。RNC通过MSC或者SGSN与核心网相连，并负责终止UMTS WCDMA的空中接口协议。RNC在逻辑上相当于第二代系统中的BSC。
　　我们将控制一个基站的RNC叫做控制RNC（CRNC），CRNC与所控制的基站之间必须有直接的物理连接。CRNC负责终止所控制的基站Iub协议接口，并负责所有控制小区的接纳控制和拥塞控制。另外，CRNC还要完成控制小区中新建无线连接的码字分配。
　　如果一个移动用户连接到无线接入网时需要使用多个RNS资源，那么可以从逻辑功能上将涉及到的RNC分成两类，一类叫做服务RNC（SRNC），另一类叫做漂移RNC（DRNC）。
　　一个移动用户的SRNC负责终止用户无线数据的传送，以及Iu连接的RANAP信令。Iu接口连接是CN与RAN之间的连接，因而Iu接口的RANAP信令连接简称为RANPA连接。SRNC也负责终止无线资源控制（RRC）信令，RRC是UE与RAN之间的信令协议。在实际系统设计中，空中无线接口的L2处理也在SRNC中完成。SRNC需要完成RAN内部的无线资源管理操作，例如，将无线接入承载参数转化为控制传输信道参数、切换判决或者外环功率控制。SRNC在大多数情况下作为基站的CRNC存在。
　　针对一条无线连接而言，除SRNC之外的其他所有RNC都是DRNC。DRNC负责控制移动用户使用的小区。在某种情况下，DRNC也可以进行宏分集的合并和分裂。只有UE在使用公共或者共享传输信道时，DRNC才进行用户平面数据的L2处理，否则仅在Iub和Iur接口间透明地为数据选择路由。一个UE可以有一个和多个DRNC，也可以没有。
　　RAN中的基站又叫Node B，它主要完成空中接口的L1处理，以及很小部分的L2处理。L1处理分为码片级处理和符号级处理，需要完成扩频/解扩、速率匹配以及信道编码与交织等。另外，基站也需要执行部分关键的无线资源管理操作，例如，执行内环功率控制动作。RAN中的基站在逻辑上对应于第二代系统中的BTS。
　　3.RAN接口模型
　　RAN接口的通用协议模型基于这样的原则，各层和各平面在逻辑上保持独立，这样以后可根据需要修改协议结构中的一部分，而保持其他部分不变。图3给出了RAN接口的通用协议模型，由图可见，RAN接口协议的设计是根据通用的协议模型进行的。

图3　RAN接口的通用协议模型

　　RAN接口的通用协议模型在水平方向分为无线网络层和传输网络层。所有RAN的相关内容仅在无线网络层体现。而传输网络层使用标准的传输技术，如ATM，IP。RAN在引用传输技术时完全保持其原有特征，不针对RAN作任何特定修改，这也是WCDMA移动通信系统充分使用现有传输网络基础设施的体现。
　　RAN接口的通用协议模型在垂直方向分为控制平面、用户平面、传输网络控制平面以及传输网络用户平面。
　　控制平面用于实现所有接口的控制信令，它不仅包含应用控制协议，如Iu口的RANAP，Iur中的RASAP，以及Iub中的NBAP，还包含应用控制协议的信令承载。
　　RAN与UE之间的承载由控制平面的控制协议建立。RAN与UE之间的承载分为Iu中的无线接入承载和Iur/Iub中的无线连接。
　　在控制平面的三层结构中，物理层和信令承载分别对应层L1和层L2，处于无线网络层水平面的控制协议对应层L3。
　　控制协议的信令承载与传输网络控制平面的信令承载可以相同，也可以不同。控制协议的信令承载总是通过操作维护（OAM）动作建立。
　　用户平面用于实现所有接口的媒体流传输，它不仅包含应用媒体协议，如CCH FP和DCH FP，还包含媒体协议的数据承载。
　　用户收发的所有信息，例如，话音呼叫中已编码的话音或者数据流业务中的分组，都通过用户平面传输。
　　用户平面的媒体协议主要处理数据流的帧，因此称为帧协议（FP）。FP分为公共信道FP和专用信道FP。
　　传输网络控制平面服务于传输网络层的所有控制信令，它不包含任何无线网络层信息。它包括用于建立用户平面内数据传输承载的承载信令控制协议（如建立ATM数据传输承载的ALCAP协议），同时也包括信令控制协议需要的信令承载（如ALCAP协议要求的SAAL协议）。
　　逻辑上，传输网络控制平面位于控制平面和用户平面之间。它的引入使控制平面的控制协议与用户平面中的媒体协议所采用的承载技术之间完全独立成为可能。例如，控制协议的信令承载可以使用AAL5等可靠的适配技术，而媒体协议的数据承载则可采用AAL2等实时性较高的适配技术。
　　应用传输网络控制平面时，用户平面中数据承载的传输承载可以按如下方式建立：首先，控制平面的控制协议通过信令分析发现有建立数据承载的要求；其次，控制协议通过传输网络控制平面的承载信令控制协议（如ALCAP）引发数据承载的建立。
　　一般来说，承载信令控制协议特定于用户平面技术要求。控制平面和用户平面的独立性要求承载信令控制协议参与用户平面数据承载的建立过程。然而，承载信令控制协议并不用于所有类型的数据承载上，如果承载信令控制协议不再存在，那么传输网络控制平面就没有存在的必要。在这种情况下，要使用预先配置的数据承载。
　　承载信令控制协议不一定与控制协议具有相同的信令承载。3GPP规范推荐承载信令控制协议总是使用操作维护（OAM）动作建立，但是对建立的细节没有规定。
　　前面讲到的控制平面的信令承载和用户平面的数据承载都属于传输网络用户平面。传输网络用户平面的数据承载在实时操作期间由传输网络控制平面直接控制。但是，传输网络用户平面在为控制平面的控制协议建立信令承载时必须受操作维护（OAM）控制。