淺談WCDMA

2019-11-03 09:30:34

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供稿：網友

　　UMTS（Universal Mobile Telecommunication systems，通用移動通信系統）是采用WCDMA空中接口的第三代移動通信系統，標準由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，網絡是以ATM交換為核心的網絡，電路與分組交換節點邏輯上分開。R4、R5提出了基于IP的核心網結構，將傳輸、控制和業務分離，IP化將從核心網（CN）逐步延伸到無線接入網（RAN）和終端用戶設備（UE），現R4版本已經凍結。

　　WCDMA網絡單元從功能上可以分為RAN和CN。

二、WCDMA系統網元構成

1、用戶設備（UE）

　　UE是用戶終端設備，它通過空中接口Uu與網絡側設備進行通信，為用戶提供電路域/分組數據域的各種應用，包括普通AMR（自適應多速率）話音業務、寬帶數據、移動多媒體信息服務、Internet應用等等；它主要由射頻、基帶處理模塊、協議棧及應用層軟件構成。通常包括2個部分：（1）ME（Mobile Equipment）提供應用和服務；（2）USIM（UMTS用戶識別模塊）類似于GSM中的SIM卡，提供用戶身份識別。

2、B節點（NodeB）

　　由于在討論制定規范的過程中，始終將UMTS的基站用B節點稱呼，故一直沿用并被納入3GPP協議中。它是WCDMA系統的（基站）無線收發信機，主要完成擴頻、調制、信道編碼及其反過程。WCDMA系統中，在基站的基帶處理部分引入了共享資源池概念，其收發信單元共享基帶處理資源，提高了基帶處理設備的利用率。B節點通過Iub接口與RNC（無線網絡控制器）相連接。按照R99協議規范，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、無線資源的管理等功能。

3、核心網絡（CN）

　　核心網邏輯上分為電路域和分組域兩部分，基于R99的核心網與GSM/GPRS的核心交換部分無太大的變化，物理實體有以下幾部分：MSC（移動交換中心）、SGSN、GGSN（GPRS網關節點）、HLR（歸屬位置寄存器）、AuC（鑒權中心）/EIR（設備識別寄存器）。

　　R4版本中，PS（分組域）的功能實體SGSN/GGSN及其與外部的接口都沒有改變。為了向全IP發展，便在CS（電路域）中進行變化：（1）MSC/GMSC根據需要在可分成兩個不同的實體：MSC Server用以處理信令，MGW（媒體網關）用以處理用戶數據；（2）HLR升級為HSS（歸屬位置服務器）；（3）新增R-SGW（漫游信令網關）；（4）相應地增加了一些接口協議。

　　R5版本的網絡結構基本與R4版本的一致。

　　對比3個版本，在PS域設備的主體沒有大的改變，只進行協議的升級和優化。在CS域，主要變化有：MSC被替代為MSC server和MGW、HLR被替換為HSS；同時新增了R-SGW。

三、WCDMA頻譜的分配

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

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

四、WCDMA關鍵技術

　　WCDMA是一個直擴碼分多址（DS-CDMA）系統，其主要參數如表1所示。通過擴頻碼將用戶信息比特擴展到很寬的帶寬上（5MHz），碼片速率可達3.8Mc/s。WCDMA支持各種不同的用戶數據速率，特定的用戶數據速率以10ms為單位，可調，在此10ms時間內速率恒定。它支持頻分/時分雙工。TDD模式基本上參照了FDD模式的概念與設計思路，但是TDD模式可以使用頻譜上剩余的不對頻率，使用靈活性大大提高。WCDMA能與GSM協同工作，同時支持與GSM的雙向轉換、漫游。

表1 WCDMA系統主要參數

參數 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 10ms

多速率概念可變的擴頻因子和多碼

功率控制開環+快速閉環（1.5kHz）

1、RAKE接收技術

　　在移動通信系統中，周圍環境的多樣性引起了無線電波出現多反射、繞射及電平值的衰減，這稱之為多徑效應。在WCDMA系統中，每一個碼片的多徑能量在可分辨的時刻被接收機所接收，RAKE接收機能將這些多徑能量經過相位的偏轉，將接收到的信號變回原來的相位。然后進行簡單的相加并進行最大比例合并。在RAKE接收機的典型應用中，分為碼片級和符號級的處理過程，碼片級的處理（相關器、碼發生器、匹配濾波器）由ASIC完成，符號級的處理（信道預測器、相位旋轉器、合并器）由DSP完成。RAKE接收技術有效利用了信道相干時間形成的時間分集效應，有效地克服多徑干擾，提高了接收性能。

2、分集接收

　　在無線通信中，由于傳播環境的不確定性，接收端將接收到不同路徑來的信號，將這些信號適當處理，合并有用成分而成的接收信號，稱為分集接收。采用分集接收技術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系統是一個自干擾系統，尤其是上行信號，如果沒有功率控制或功率控制不理想，一個功率過強的UE可能阻塞整個小區，引起CDMA系統中所稱的“遠近效應”。在WCDMA系統中，主要有3種功控方式：開環功控、快速閉環功控和外環功控。

　　開環功控是通過測量下行信號的路徑損耗來粗略估計上行信號的路徑損耗，通常用于連接的開始階段，給移動臺提供粗略的初始功率設定。

　　WCDMA系統上下行鏈路都支持快速閉環功控。以上行信號為例，在上行鏈路的功率控制中，基站將估計的SIR（信干比）的值與目標SIR進行比較，若測得的SIR高于SIR目標值，基站就命令移動臺降低功率；反之，則命令移動臺加大功率。基站測試一發出命令一移動臺調整功率這一頻率可達1500Hz，其速度大于快衰落的變化，所以快速閉環功控能盡可能地克服快衰落的影響，同時也避免了CDMA系統上行的遠近效應。

　　外環功控通過為快速功控設定目標值來保持所需電平處的通信質量。即通過測得的BLER與目標BLER（誤塊率）值進行比較來調整SIR目標值，同時通過上述測得的SIR與SIR目標值進行比較來調整其發信功率。外環功控的頻率典型值為10-100Hz。

五、3G的業務

　　3G制定標準的時候，將其開展的業務定位為：提供多種類型、高質量多媒體業務，能實現全球無穎覆蓋，具有全球漫游能力，與固定網絡相兼容，并以小型便攜式終端在任何時候、任何地點進行任何種類通信（見表2）。

表2 3G業務分類表

基本電信業務和多媒體業務移動辦公類業務娛樂類

基本語音業務企業VPN Mobile TV

寬帶語音業務 Internet接入 Mobile Radio

多媒體電話文件傳送 Mobile Film

短消息業務信息檢索 ……

小區廣播業務

高質量的音頻、視頻點播

　　移動數據及多媒體業務發展將使通信產業價值鏈發生巨大的變化，網絡運營商為最終用戶提供端到端的基礎電信業務的時代即將結束（現在已經出現），將形成網絡運營商提供業務承載平臺、業務內容提供商在此平臺上開發具體應用以滿足客戶不斷增長的需求。價值鏈的各個環節必須均衡發展，這是移動數據多媒體業務發展的關鍵。移動數據業務發展促使新興合作關系的建立，戰略合作伙伴關系成為設備供應商、網絡運營商、業務提供商和內容提供商的一種新興合作體系。

六、GSM網絡向3G的演變

　　第三代移動通信系統是在第二代移動通信系統已經擁有龐大的基礎網絡與眾多客戶的基礎上發展起來的。無疑它首先考慮與第二代系統的互聯和兼容問題，以實現在最初階段兩大系統并存時的綜合利用。

　　第三代移動通信系統無線接口使用新的頻段、新的無線傳輸技術、新的話音編碼形式，因而不是“演進”，而是“革命”。在網絡建設初期，3G業務首先在話務熱點地區引入，通過接入演變后的核心網絡，并通過多頻多模終端實現第三代用戶到第二代網絡的漫游。

　　而對于核心網部分，3GPP制定了GSM經過R99向R4、R5演變之路，最終進入全IP網絡。從技術發展趨勢來看，核心網將趨于一致，由IP核心骨干網“外掛”各式各樣的服務器來為用戶提供越來越完善的服務。未來無線基站（BTS）也將可以通過IP協議直接接入“全IP核心網絡”，原BSC（基站控制器）、MSC、HLR、VLR、AuC等涉及的呼叫處理、移動性管理、用戶數據、業務生成等功能都將是這一網絡上的一個提供某種功能的服務器或數據庫，其差異性越來越向最終接入節點處延伸，共性越來越大。從協議結構來看，只是拿IP取代了傳統網絡的傳輸層（如MTP信息傳輸協議），而控制層（如SCCP信號連續控制部分）、應用層（如TCAP、MAP移動應用部分、ANSI-41美國國家標準局-41系列等）等都只是傳統的基礎上增加、增強了新的功能而已。運營商也必須順應這種趨勢，從現在這種大而全的方式逐漸向專業化發展，將出現網絡傳輸提供商（長途的、本地的）、網絡運營商、接入提供商（有線、無線）、接入運營商等等新的運營形式。

　　在核心網部分，現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商用計劃普遍推遲，GSM向WCDMA的發展出現了兩種情況：（1）繼續走GSM—GPRS—R99—R4/R5發展。由于絕大部分GSM運營商開始或已經大規模建設GPRS網絡，因此，經過GPRS的全網升級后，2.5G 核心網數據承載能力已大幅提高，在3G網絡建設前已可以提供給用戶準快速數據業務；引入R99后，核心網同時支持A接口/Gh接口和Iu電路域/分組域的接口，從而演進成第三代R99版核心網。（2）獨立建設基于R4的第三代網絡。由于上面提到的全球商用計劃的推遲，為R4、R5版本的發展和完善提供了時間，一些廠商為了擺脫2G網絡市場的劣勢，也推薦運營商直接選擇建設R4版的核心網，于一些新興的3G運營商更樂意采納此種方案。

摘自《現代通信》（2002年第6期）

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