第三代移動通信WCDMA無線接入網

2019-11-03 09:37:55

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供稿：網友

吳曉文趙建平蒲迎春　　摘要：WCDMA（UTRA FDD）是第三代移動通信的主流標準，預計會在全球大多數地區得到廣泛的應用。WCDMA的標準化進程會影響到其無線接入網絡（RAN）的研發、生產和運營，從當前標準化進程和技術趨勢看，Release 99是必經的階段。對于無線接入網絡設備和相應的網絡規劃和優化軟件，需要按照高的頻譜利用率、靈活的多業務承載能力、多樣化組網方式等要求來完成，以滿足移動通信環境和電信運營的需要。

　　關鍵詞：無線接入網絡，標準化，移動通信環境，頻譜效率，業務

一、引言

　　第三代移動通信WCDMA系統的無線接入網絡（RAN）是用戶終端（UE）和核心網絡（CN）之間的部分,通過Iu接口與核心網相連,包括無線網絡控制器RNC和基站設備Node B。Node B支持FDD模式、TDD模式或雙模式,可處理一個或多個小區,并通過Iub接口與RNC相連。支持FDD模式的Node B包含可選的宏分集功能。RNC負責切換控制,提供支持不同Node B間宏分集的組合/分裂的功能。無線網絡控制器RNC通過Iur接口相互連接,Iur可通過RNC之間的物理連接直接相連或通過合適的傳輸網相連。

WCDMA 的接口高度標準化,支持不同廠家的RNC和Node B互連。

二、WCDMA標準化

　　ITU-R WP8F和ITU-T WP3/11分別進行無線接入網和核心網的標準化。除了ITU之外,兩個跨區域的標準化組織3GPP和3GPP2也在緊張地進行詳細的標準化工作。其中,3GPP2負責制定cdma2000的標準。而WCDMA（UTRA FDD）和TDD技術（UTRA TDD與TD-SCDMA）的標準則主要由3GPP制定,他們最終都將基于GSM MAP過渡到全ip的核心網絡體系。目前,歐洲、北美、亞太（如日本、韓國）等地區的大多數營運商都將選擇WCDMA系統,甚至北美的IS-136運營商也決定在3G頻段上選擇WCDMA,因此WCDMA已經事實上成為3G最為主流、應用范圍最廣的無線傳輸技術（RTT）。

　　從目前的標準化工作安排看,3GPP標準包括Release 99（R99）版本,以及今后將完成的R4、R5版本。Release 99版本的框架已經基本完備,物理層比較完善,但高層協議還需要一段時間才能穩定。Iu、Iub和Iur接口全都采用ATM,核心網采用演進的電路交換和分組交換分離的網絡結構,Release 99版本計劃在2001年3月會完全穩定下來。

　　盡管全IP核心網絡是未來發展的方向,但在安全性、業務質量特別是VoIP、IPv4到IPv6、Mobile IP方面還需要大量的工作,全IP核心網的標準化工作比預期要慢。

　　從生產制造和運營的角度看,需要處理好標準的穩定和技術不斷擴展的矛盾,要有選擇地采用新技術并保持版本之間的時間間隔。一般地,標準化穩定至少一年后制造廠商才能提供完全順從于標準的設備,因此全球WCDMA運營商將首先采用Release 99版本,預計2005年以后才會逐步采用全IP方式。Release 99將是不可超越的階段,運營商可以通過Release 99網絡獲得網絡運營經驗、培育市場,另外Release 99設備的投資將通過全IP核心網絡結構得到有效保護。

　　WCDMA無線接入網絡設備首先需按照Release 99進行設計、生產,其次還要順應IP向無線接入網絡滲透的趨勢,提供到全IP核心網絡的標準接口,實現無線接入網絡的IP化。

　　WCDMA無線接入網絡除了受到核心網影響外,還受到增強型IMT-2000和后IMT-2000、3G擴展頻譜分配、新技術如多用戶檢測、智能天線和軟件無線電等因素的影響。

三、WCDMA移動通信環境

　　WCDMA移動通信環境是WCDMA無線接入網絡技術的基本出發點,主要包括無線傳播環境和業務環境兩大類,其中,無線傳播環境是所有無線通信必須面臨的問題,業務環境則是第三代移動通信的多業務、多QoS要求所帶來的獨特問題。

　　在移動通信系統中,信號的傳播由于移動、散射和衰落將導致復雜的電磁行為,具體表現在信號的時延、頻率和角度擴展。時延擴展使得接收端得到多個拷貝的信號,而且這些信號之間并沒有很明確的關系,時延擴展將直接導致碼間串擾ISI；頻率擴展將導致信號的時間衰落；角度擴展將導致信號的空間衰落。這是無線傳輸技術首先需要解決的問題,WCDMA采用RAKE接收、信道編譯碼、功率控制等很好地解決了無線信號傳播的復雜性。多個用戶共享無線媒體的問題是移動通信系統的另一個基本問題,也就是解決無線多址接入問題。移動通信系統的無線資源包括頻譜、時間、功率、空間和特征碼等要素。CDMA 與FDMA、TDMA相比最大不同點在于：CDMA是統計復用資源,每個載頻的所有用戶共享頻率、時間、功率資源,用戶之間只依靠特征碼來區分,是典型的自干擾系統；而FDMA、TDMA是固定分配資源,不同的用戶在頻率、時間、功率資源上部分或全部不同,用戶之間有較好的隔離度。所有CDMA、TDMA和FDMA的技術差異都來源于這個不同點。

　　WCDMA無線接入網的物理層技術,包括RAKE接收、Turbo編譯碼、卷積編譯碼、交織、功率控制等主要就是為了有效地解決無線傳播環境、多個用戶和多業務共享信道的問題。

　　移動通信系統中業務環境是第三代移動通信面臨的獨特問題。第三代移動通信WCDMA系統與第二代移動通信系統（如GSM）有很大的不同,數據業務特別是多媒體業務將占較大的比重,而且不同的業務具有不同的QoS,可以占有不同的帶寬、具有不同的誤碼率等,這要求無線資源管理算法能夠按需為用戶分配資源。業務環境還包括業務的空間分布和時間分布,WCDMA系統中存在大量的突發到達業務,業務的空間分布可能是非均勻的,用戶在某些區域發起呼叫的可能性較大。

　　盡管WCDMA與IS95 CDMA系統在無線電波傳播上沒有太大的差別,但業務環境的復雜性將導致WCDMA系統在處理業務時需要更加復雜的機制,無線資源管理是實際業務環境映射到在物理層技術的橋梁,是無線接入網正常運行、充分發揮頻譜效率的條件和保證,技術難度大,是WCDMA的關鍵技術。

四、WCDMA無線接入網絡基本要求

4.1 頻譜效率和技術組合

　　下面就第三代移動通信標準頻譜效率和技術組合的問題進行討論。

4.1.1 激活期吞吐量

　　激活期吞吐量就是在整個激活期過程中用戶正確接收到的比特速率,這里的激活期不包括無數據發射的時間（即空緩沖狀態）。

4.1.2 滿意用戶

　　用戶是否滿意,可以分電路和分組兩種業務進行分析。

　　對于電路交換業務,當用戶滿足以下三個條件時我們稱之為滿意用戶：

●用戶進入系統時不會被阻塞。如果被阻塞,服務商必須指定采用的阻塞標準。

●用戶在通信過程中大部分時間內有足夠好的服務質量,也就是說BER>BER閾值的概率< x1%。

●用戶不會掉線,如果一次呼叫中BER>BER閾值持續時間超過一定時間,這次呼叫就會掉線。

對于分組交換業務,當用戶滿足以下三個條件時我們稱之為滿意用戶：

●用戶進入系統時不會被阻塞(對分組用戶最通常的做法并不是阻塞它們,而是把它們排隊。然而,如果服務上采用了某些接納控制,將有一定比例的被阻塞用戶。這種阻塞意味著這些分組用戶沒有參加排隊而是完全的被阻塞在系統外面)。如果被阻塞,服務商必須指定采用的阻塞標準。●通信過程中的激活期吞吐量S大于等于一個閾值。

●用戶不會掉線。如果出現掉線,,服務商必須指定采用的掉線標準。

4.1.3 系統負載

系統負載n用[kb/s/cell/MHz]來衡量。對于電路交換用戶,系統負載Lcs計算方法如下

ncs= ncs *用戶比特率 * 激活因子/系統帶寬 [kb/s/cell/MHz]

其中,ncs為每小區同一時間內平均的電路交換用戶數,即提供的負載(愛爾蘭)。

分組交換用戶的系統負載算方法如下：

npkt = D/T/小區數/系統帶寬[kb/s/cell/MHz]

其中：D為小區中統計出來的正確接收的用戶比特總數；T為測量時間,定義為仿真中收集統計數據持續時間；小區數指收集統計數據的那些小區的數目。對于混合服務配置情況,系統負載計算方法如下：

這里Ncs為電路交換服務數目,Npkt為分組交換服務數目。

4.1.4 頻譜效率

　　對于單種業務情況,頻譜效率定義為恰好有x2% 滿意用戶時的系統負載。

　　對于混合業務情況,每種服務必須分別至少有x2 %的滿意用戶。頻譜效率定義為任何一種服務的滿意用戶恰好達到x2% 時的系統負載。頻譜效率需要分上行鏈路和下行鏈路考慮。

4.1.5 技術組合

　　從前面分析可以看出,提高WCDMA頻譜效率就是提高在多種業務情況下的業務綜合接入能力,可以從物理層技術和無線資源管理兩個方面采取措施。除了IS95已經采用的RAKE接收、功率控制和軟切換技術外,提高WCDMA頻譜效率還可以考慮選擇更好的擴頻碼；采用多用戶檢測；智能天線等。

4.2 業務承載能力

　　一個3G終端與另外一個網絡終端通信的實例,并說明了承載業務和電信業務的關系。接入點之間的通信鏈路包括MT(移動終端)、3G網絡包括無線接入網絡和核心網絡、轉移網絡(如PSTN網絡)和終端接入網絡(如GSM BSS、LAN等)構成信息傳遞的承載。承載業務是兩個接入點之間的信號傳輸能力,屬于低層能力；電信業務則提供了用戶之間所有信息傳遞的能力,包括終端適配函數,信息的表達等,屬于高層能力。

　　3G業務能力是指接入點之間的所有用QoS參數描述的承載以及承載控制機制的集合。業務能力實際上可以理解為承載業務為電信業務提供的服務,3G的業務能力將依賴于通信鏈路上每個網絡單元(Node B、RNC)本身的能力以及網絡單元之間的通信能力。

　　3G標準化過程中不再定義標準的電信業務,而將重點放在了3G業務能力的標準化,使得網絡結構不再受制于電信業務。3G網絡的最大特征是具有全程數字化、智能化和分組化的統一結構,從接入方式看由于采用了統計復用的CDMA技術,信息以統一的時隙方式傳送；在RNC內部、Iub 、Iu接口采用了ATM交換、傳輸,信息以信元的方式傳送；在3G核心網中將采用全IP網絡,信息以統一的IP包傳送,即使考慮到初期采用GPRS 網絡將電路業務和分組業務分開,但邏輯上仍是一個統一的網絡,3G統一網絡提供了一個多業務實現平臺,可以方便承載各種電信業務。

　　第三代移動通信能否取得成功,關鍵在于如何利用WCDMA承載能力開發應用。NTT DoCoMo在第三代移動通信WCDMA方面繼續引領世界潮流,推出3G業務品牌FOMA(Freedom Of Mobile multimedia access),擬提供如下類型的3G業務：下一代i-mode業務；視頻電話業務；高速internet/intranet業務；視頻分發業務；多呼叫業務。

　　3G業務發展趨勢是業務的種類和對帶寬的需求會越來越多。如果將3G業務分為CS和PS兩類,CS域和PS域的業務量以及CS域、PS域業務量比例將隨著業務運營發生變化,若采用R99核心網,Iu-CS和Iu-PS的承載能力需要適應這種變化。在3G運營初期,將集中在話音和低端數據業務,而后期高端數據業務需求會增加,這時干擾抵消技術和智能天線技術的實用價值才更為明顯。

4.3 組網方式

　　WCDMA的組網方式將更加復雜,至少需要考慮如下因素：

●話音要求連續覆蓋,用戶需要隨時隨地發起呼叫和接聽電話

●低端數據業務也需要連續覆蓋

●人在移動中處理語音的能力遠大于處理圖象、文本、數據能力,也大于信息錄入的能力,只有在相對靜止的環境下人對高端數據的需求才比較大

●業務密集區需要更多的無線資源

●運營商可能擁有GSM網絡

●運營商可能擁有一段TDD頻譜

●TDD標準比較適合非對稱數據業務,而對大范圍覆蓋和高速移動支持能力較差

　　根據上述考慮,對于有GSM基礎的運營商,若同時擁有FDD/TDD頻譜（下面假設有2*15MHz的FDD和5MHz的TDD）,可以考慮如圖3的組網方案,以最大限度地發揮3G FDD/TDD模式和GSM各自優勢。

　　切換機制是系統可靠運行的重要保證,GSM雙頻網絡與WCDMA網絡之間如何進行業務分配也是考慮的重點,所有上述問題的解決都離不開網絡規劃和優化軟件,網絡規劃和優化軟件將使系統運行更安全、更可靠、更有效率。

　　WCDMA的網絡規劃與GSM的網絡規劃最典型的差異在于：WCDMA的網絡是一個動態的網絡,網絡的覆蓋、容量、服務質量與業務分布密切相關,而業務分布卻也是一個動態變化的過程,因此,WCDMA網絡規劃的過程就是通過調整網絡的站點分布、各站點的天線布局以及網絡的無線資源參數等,使得網絡對于一系列預先設定的業務分布情況,能夠滿足覆蓋、容量、服務質量等設計指標。

　　對于WCDMA移動通信系統的系統組網設計,主要是根據運營商的網絡現狀、近期與遠期網絡規劃發展目標、網絡發展各階段的目標要求,設計網絡的拓撲結構、各網絡節點的配置、評估網絡的信令流量、業務流量、交換容量、無線容量等,確認是否滿足要求、是否留有足夠的余量。在完成網絡的系統設計評估之后,需要根據設備性能配置各網絡節點的硬件設備以及配套軟件,并且根據具體的硬件與軟件配置計算網絡建設總費用。

　　在移動通信網絡建設過程中,隨著網絡的復雜程度以及網絡規劃與優化的技術難度不斷增加,網絡規劃與優化工程本身已經具有不容忽視的技術價值和商業價值。

五、結束語

　　WCDMA作為目前最為主流的3G無線技術受到了全球主要的設備制造商和營運商的高度關注。中興通訊早于1998年就開始進行WCDMA研究開發,并積極參加各種國際、國內的標準化活動,以及國家組織的3G項目研發。承擔了C3G(863)一期和二期項目,研究成果受到國家有關部委領導的高度評價。

　　按照高的頻譜利用率、靈活的多業務承載能力、多樣化組網方式等要求,中興通訊遵照3GPP標準,采用先進的技術來設計商用化的WCDMA無線接入網絡(Node B、RNC)和相應網絡規劃和優化軟件,以最大限度地滿足當前和未來最終用戶和電信運營需求。

摘自《無線產品世界》

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