淺談WCDMA

　　UMTS（Universal Mobile Telecommunication systems，通用移動(dòng)通信系統(tǒng)）是采用WCDMA空中接口的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)由3GPP具體定義。WCDMA可以采用FDD與TDD模式，其3GPP版本分為R99、R4和R5版。R99于2000年6月版本基本穩(wěn)定，9月份版本比較成熟、完善，其Iu、Iub、Iur接口均采用ATM和IP方式，網(wǎng)絡(luò)是以ATM交換為核心的網(wǎng)絡(luò)，電路與分組交換節(jié)點(diǎn)邏輯上分開。R4、R5提出了基于IP的核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)，將傳輸、控制和業(yè)務(wù)分離，IP化將從核心網(wǎng)（CN）逐步延伸到無(wú)線接入網(wǎng)（RAN）和終端用戶設(shè)備（UE），現(xiàn)R4版本已經(jīng)凍結(jié)。



　　WCDMA網(wǎng)絡(luò)單元從功能上可以分為RAN和CN。



二、WCDMA系統(tǒng)網(wǎng)元構(gòu)成



1、用戶設(shè)備（UE）



　　UE是用戶終端設(shè)備，它通過(guò)空中接口Uu與網(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)備進(jìn)行通信，為用戶提供電路域/分組數(shù)據(jù)域的各種應(yīng)用，包括普通AMR（自適應(yīng)多速率）話音業(yè)務(wù)、寬帶數(shù)據(jù)、移動(dòng)多媒體信息服務(wù)、Internet應(yīng)用等等；它主要由射頻、基帶處理模塊、協(xié)議棧及應(yīng)用層軟件構(gòu)成。通常包括2個(gè)部分：（1）ME（Mobile Equipment）提供應(yīng)用和服務(wù)；（2）USIM（UMTS用戶識(shí)別模塊）類似于GSM中的SIM卡，提供用戶身份識(shí)別。



2、B節(jié)點(diǎn)（NodeB）



　　由于在討論制定規(guī)范的過(guò)程中，始終將UMTS的基站用B節(jié)點(diǎn)稱呼，故一直沿用并被納入3GPP協(xié)議中。它是WCDMA系統(tǒng)的（基站）無(wú)線收發(fā)信機(jī)，主要完成擴(kuò)頻、調(diào)制、信道編碼及其反過(guò)程。WCDMA系統(tǒng)中，在基站的基帶處理部分引入了共享資源池概念，其收發(fā)信單元共享基帶處理資源，提高了基帶處理設(shè)備的利用率。B節(jié)點(diǎn)通過(guò)Iub接口與RNC（無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器）相連接。按照R99協(xié)議規(guī)范，Iub基于ATM傳輸，底層支持E1、STM-1光/電口等連接。RNC主要完成連接的建立、釋放、切換、宏分集合并、無(wú)線資源的管理等功能。



3、核心網(wǎng)絡(luò)（CN）



　　核心網(wǎng)邏輯上分為電路域和分組域兩部分，基于R99的核心網(wǎng)與GSM/GPRS的核心交換部分無(wú)太大的變化，物理實(shí)體有以下幾部分：MSC（移動(dòng)交換中心）、SGSN、GGSN（GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)）、HLR（歸屬位置寄存器）、AuC（鑒權(quán)中心）/EIR（設(shè)備識(shí)別寄存器）。



　　R4版本中，PS（分組域）的功能實(shí)體SGSN/GGSN及其與外部的接口都沒(méi)有改變。為了向全I(xiàn)P發(fā)展，便在CS（電路域）中進(jìn)行變化：（1）MSC/GMSC根據(jù)需要在可分成兩個(gè)不同的實(shí)體：MSC Server用以處理信令，MGW（媒體網(wǎng)關(guān)）用以處理用戶數(shù)據(jù)；（2）HLR升級(jí)為HSS（歸屬位置服務(wù)器）；（3）新增R-SGW（漫游信令網(wǎng)關(guān)）；（4）相應(yīng)地增加了一些接口協(xié)議。



　　R5版本的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本與R4版本的一致。


　　對(duì)比3個(gè)版本，在PS域設(shè)備的主體沒(méi)有大的改變，只進(jìn)行協(xié)議的升級(jí)和優(yōu)化。在CS域，主要變化有：MSC被替代為MSC server和MGW、HLR被替換為HSS；同時(shí)新增了R-SGW。



三、WCDMA頻譜的分配



　　在1992年ITU召開的世界無(wú)線電管理大會(huì)（WARC）上，2GHz附近的頻率被指定為IMT-2000第三代移動(dòng)通信用。對(duì)于歐洲和亞洲的大部分地區(qū)WCDMA-FDD分配的2x60MHz（1920-1980MHz和2110-2170MHz）是可用的，同時(shí)也為TDD分配了專用頻段。在中國(guó)，上述頻段由于沒(méi)有分配給任何運(yùn)營(yíng)商，所以在頻率使用方面不會(huì)存在太大的問(wèn)題；在美國(guó)，由于沒(méi)有新的頻譜可用，可以將第三代系統(tǒng)移植到現(xiàn)在的PCS頻譜中。



　　在ITU2000年5月的WARC-2000會(huì)議上，下列頻帶被列入IMT-2000使用：（1）1710-1885MHz；（2）2500-2690MHz；（3）806-960MHz。



四、WCDMA關(guān)鍵技術(shù)



　　WCDMA是一個(gè)直擴(kuò)碼分多址（DS-CDMA）系統(tǒng)，其主要參數(shù)如表1所示。通過(guò)擴(kuò)頻碼將用戶信息比特?cái)U(kuò)展到很寬的帶寬上（5MHz），碼片速率可達(dá)3.8Mc/s。WCDMA支持各種不同的用戶數(shù)據(jù)速率，特定的用戶數(shù)據(jù)速率以10ms為單位，可調(diào)，在此10ms時(shí)間內(nèi)速率恒定。它支持頻分/時(shí)分雙工。TDD模式基本上參照了FDD模式的概念與設(shè)計(jì)思路，但是TDD模式可以使用頻譜上剩余的不對(duì)頻率，使用靈活性大大提高。WCDMA能與GSM協(xié)同工作，同時(shí)支持與GSM的雙向轉(zhuǎn)換、漫游。



表1 WCDMA系統(tǒng)主要參數(shù)


參數(shù) WCDMA


信道帶寬 5MHz


碼片速率 3.84Mc/s


多址方式 DS-CDMA


雙工方式 FDD/TDD


幀長(zhǎng) 10ms


多速率概念 可變的擴(kuò)頻因子和多碼


功率控制 開環(huán)+快速閉環(huán)（1.5kHz）



1、RAKE接收技術(shù)



　　在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，周圍環(huán)境的多樣性引起了無(wú)線電波出現(xiàn)多反射、繞射及電平值的衰減，這稱之為多徑效應(yīng)。在WCDMA系統(tǒng)中，每一個(gè)碼片的多徑能量在可分辨的時(shí)刻被接收機(jī)所接收，RAKE接收機(jī)能將這些多徑能量經(jīng)過(guò)相位的偏轉(zhuǎn)，將接收到的信號(hào)變回原來(lái)的相位。然后進(jìn)行簡(jiǎn)單的相加并進(jìn)行最大比例合并。在RAKE接收機(jī)的典型應(yīng)用中，分為碼片級(jí)和符號(hào)級(jí)的處理過(guò)程，碼片級(jí)的處理（相關(guān)器、碼發(fā)生器、匹配濾波器）由ASIC完成，符號(hào)級(jí)的處理（信道預(yù)測(cè)器、相位旋轉(zhuǎn)器、合并器）由DSP完成。RAKE接收技術(shù)有效利用了信道相干時(shí)間形成的時(shí)間分集效應(yīng)，有效地克服多徑干擾，提高了接收性能。



2、分集接收



　　在無(wú)線通信中，由于傳播環(huán)境的不確定性，接收端將接收到不同路徑來(lái)的信號(hào)，將這些信號(hào)適當(dāng)處理，合并有用成分而成的接收信號(hào)，稱為分集接收。采用分集接收技術(shù)可大大減少衰落的影響。分集接收可以利用不同路徑、不同頻率、不同極化方式來(lái)完成，這就是我們所謂的“空間分集、頻率分集、極化分集”。分集信號(hào)的合并有3種方法：最佳選取、等增益相加和最大比合并。



3、功率控制



　　WCDMA系統(tǒng)是一個(gè)自干擾系統(tǒng)，尤其是上行信號(hào)，如果沒(méi)有功率控制或功率控制不理想，一個(gè)功率過(guò)強(qiáng)的UE可能阻塞整個(gè)小區(qū)，引起CDMA系統(tǒng)中所稱的“遠(yuǎn)近效應(yīng)”。在WCDMA系統(tǒng)中，主要有3種功控方式：開環(huán)功控、快速閉環(huán)功控和外環(huán)功控。



　　開環(huán)功控是通過(guò)測(cè)量下行信號(hào)的路徑損耗來(lái)粗略估計(jì)上行信號(hào)的路徑損耗，通常用于連接的開始階段，給移動(dòng)臺(tái)提供粗略的初始功率設(shè)定。



　　WCDMA系統(tǒng)上下行鏈路都支持快速閉環(huán)功控。以上行信號(hào)為例，在上行鏈路的功率控制中，基站將估計(jì)的SIR（信干比）的值與目標(biāo)SIR進(jìn)行比較，若測(cè)得的SIR高于SIR目標(biāo)值，基站就命令移動(dòng)臺(tái)降低功率；反之，則命令移動(dòng)臺(tái)加大功率�；�站測(cè)試一發(fā)出命令一移動(dòng)臺(tái)調(diào)整功率這一頻率可達(dá)1500Hz，其速度大于快衰落的變化，所以快速閉環(huán)功控能盡可能地克服快衰落的影響，同時(shí)也避免了CDMA系統(tǒng)上行的遠(yuǎn)近效應(yīng)。



　　外環(huán)功控通過(guò)為快速功控設(shè)定目標(biāo)值來(lái)保持所需電平處的通信質(zhì)量。即通過(guò)測(cè)得的BLER與目標(biāo)BLER（誤塊率）值進(jìn)行比較來(lái)調(diào)整SIR目標(biāo)值，同時(shí)通過(guò)上述測(cè)得的SIR與SIR目標(biāo)值進(jìn)行比較來(lái)調(diào)整其發(fā)信功率。外環(huán)功控的頻率典型值為10-100Hz。



五、3G的業(yè)務(wù)



　　3G制定標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候，將其開展的業(yè)務(wù)定位為：提供多種類型、高質(zhì)量多媒體業(yè)務(wù)，能實(shí)現(xiàn)全球無(wú)穎覆蓋，具有全球漫游能力，與固定網(wǎng)絡(luò)相兼容，并以小型便攜式終端在任何時(shí)候、任何地點(diǎn)進(jìn)行任何種類通信（見表2）。



表2 3G業(yè)務(wù)分類表


基本電信業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù) 移動(dòng)辦公類業(yè)務(wù) 娛樂(lè)類


基本語(yǔ)音業(yè)務(wù) 企業(yè)VPN Mobile TV


寬帶語(yǔ)音業(yè)務(wù) Internet接入 Mobile Radio


多媒體電話 文件傳送 Mobile Film


短消息業(yè)務(wù) 信息檢索 ……


小區(qū)廣播業(yè)務(wù)


高質(zhì)量的音頻、視頻點(diǎn)播



　　移動(dòng)數(shù)據(jù)及多媒體業(yè)務(wù)發(fā)展將使通信產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈發(fā)生巨大的變化，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商為最終用戶提供端到端的基礎(chǔ)電信業(yè)務(wù)的時(shí)代即將結(jié)束（現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)），將形成網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供業(yè)務(wù)承載平臺(tái)、業(yè)務(wù)內(nèi)容提供商在此平臺(tái)上開發(fā)具體應(yīng)用以滿足客戶不斷增長(zhǎng)的需求。價(jià)值鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)必須均衡發(fā)展，這是移動(dòng)數(shù)據(jù)多媒體業(yè)務(wù)發(fā)展的關(guān)鍵。移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展促使新興合作關(guān)系的建立，戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系成為設(shè)備供應(yīng)商、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商、業(yè)務(wù)提供商和內(nèi)容提供商的一種新興合作體系。



六、GSM網(wǎng)絡(luò)向3G的演變



　　第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)是在第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)已經(jīng)擁有龐大的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)與眾多客戶的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。無(wú)疑它首先考慮與第二代系統(tǒng)的互聯(lián)和兼容問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)在最初階段兩大系統(tǒng)并存時(shí)的綜合利用。



　　第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)無(wú)線接口使用新的頻段、新的無(wú)線傳輸技術(shù)、新的話音編碼形式，因而不是“演進(jìn)”，而是“革命”。在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，3G業(yè)務(wù)首先在話務(wù)熱點(diǎn)地區(qū)引入，通過(guò)接入演變后的核心網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)多頻多模終端實(shí)現(xiàn)第三代用戶到第二代網(wǎng)絡(luò)的漫游。



　　而對(duì)于核心網(wǎng)部分，3GPP制定了GSM經(jīng)過(guò)R99向R4、R5演變之路，最終進(jìn)入全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)。從技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，核心網(wǎng)將趨于一致，由IP核心骨干網(wǎng)“外掛”各式各樣的服務(wù)器來(lái)為用戶提供越來(lái)越完善的服務(wù)。未來(lái)無(wú)線基站（BTS）也將可以通過(guò)IP協(xié)議直接接入“全I(xiàn)P核心網(wǎng)絡(luò)”，原BSC（基站控制器）、MSC、HLR、VLR、AuC等涉及的呼叫處理、移動(dòng)性管理、用戶數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)生成等功能都將是這一網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)提供某種功能的服務(wù)器或數(shù)據(jù)庫(kù)，其差異性越來(lái)越向最終接入節(jié)點(diǎn)處延伸，共性越來(lái)越大。從協(xié)議結(jié)構(gòu)來(lái)看，只是拿IP取代了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的傳輸層（如MTP信息傳輸協(xié)議），而控制層（如SCCP信號(hào)連續(xù)控制部分）、應(yīng)用層（如TCAP、MAP移動(dòng)應(yīng)用部分、ANSI-41美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局-41系列等）等都只是傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加、增強(qiáng)了新的功能而已。運(yùn)營(yíng)商也必須順應(yīng)這種趨勢(shì)，從現(xiàn)在這種大而全的方式逐漸向?qū)�業(yè)化發(fā)展，將出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸提供商（長(zhǎng)途的、本地的）、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商、接入提供商（有線、無(wú)線）、接入運(yùn)營(yíng)商等等新的運(yùn)營(yíng)形式。



　　在核心網(wǎng)部分，現(xiàn)階段絕大部分的廠商都供了2G—2.5G—3G的平滑演變，但隨著全球3G商用計(jì)劃普遍推遲，GSM向WCDMA的發(fā)展出現(xiàn)了兩種情況：（1）繼續(xù)走GSM—GPRS—R99—R4/R5發(fā)展。由于絕大部分GSM運(yùn)營(yíng)商開始或已經(jīng)大規(guī)模建設(shè)GPRS網(wǎng)絡(luò)，因此，經(jīng)過(guò)GPRS的全網(wǎng)升級(jí)后，2.5G 核心網(wǎng)數(shù)據(jù)承載能力已大幅提高，在3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)前已可以提供給用戶準(zhǔn)快速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；引入R99后，核心網(wǎng)同時(shí)支持A接口/Gh接口和Iu電路域/分組域的接口，從而演進(jìn)成第三代R99版核心網(wǎng)。（2）獨(dú)立建設(shè)基于R4的第三代網(wǎng)絡(luò)。由于上面提到的全球商用計(jì)劃的推遲，為R4、R5版本的發(fā)展和完善提供了時(shí)間，一些廠商為了擺脫2G網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)的劣勢(shì)，也推薦運(yùn)營(yíng)商直接選擇建設(shè)R4版的核心網(wǎng)，于一些新興的3G運(yùn)營(yíng)商更樂(lè)意采納此種方案。



摘自《現(xiàn)代通信》（2002年第6期）