UMTS無線接口協議物理層描述

2019-11-03 09:38:54

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供稿：網友

李翠然　李承恕摘要　介紹第三代移動通信系統相對于第二代系統的突出優點，給出UMTS的無線接口協議結構，簡述服務接入點和服務原語，最后論述物理層提供的服務和功能。

關鍵詞　IMT-2000 UMTS 無線接口協議　物理層

　　1第三代移動通信系統的主要特點

　　與第二代移動通信系統相比，第三代系統有很多突出的優點：

　　（1）全球性：第二代系統是地區性的，而第三代則是全球性的，可支持全球漫游，將使用共同頻段。盡管WRC分配給IMT-2000的頻段為1885-2025MHz和2100-2200MHz，但在美國，部分頻段已用于PCS。ITU即將完成頻譜規劃，實現全球統一標準；

　?。?）多樣性：現有系統主要以提供話音業務為主，一般僅能提供100-200kb/s的數據業務，GSM演進到最高階段的速率為384kb/s。而第三代系統的業務能力將比第二代有明顯改進，能支持話音、分組數據甚至多媒體業務，并根據需要提供帶寬。

　?。?）滿足移動性比特率可變業務的需求：在大動態范圍快速移動環境下，數據速率至少為144kb/s，在小范圍慢速移動環境下，數據速率為384kb/s，室內環境下，數據速率至少為2.048Mb/s。

　　（4）滿足高質量業務的需求：要求各類移動業務的質量達到可與固定網相比擬的程度；

　?。?）頻率和資源管理靈活，系統開發與維護方便，并可根據需求隨時提供新業務/高級業務

　　（6）適用于多種應用環境，包括宏蜂窩、微蜂窩、微微蜂窩和衛星移動通信；

　?。?）安全性改善，能滿足個人通信安全性要求；

　?。?）兼容性好。鑒于第二代系統的體制和標準不盡相同（主要是GSM和CDMA）以及第二、三代系統將在較長時間內共存，ITU提出“IMT-2000家庭”概念，以便與第二代移動通信系統兼容。

　　2　UMTS無線接口協議描述

　　無線接口技術是第三代移動通信的關鍵技術。UMTS無線接口協議結構如圖1所示。可分為物理層（L1）、數據鏈路層（L2）和網絡層（L3）。數據鏈路層又分為媒體接入控制（MAC）子層、無線鏈路控制（RLC）子層、分組數據集中協議（PDCP）子層和廣播/多點控制（BMC）子層。L3層和RLC層分為控制平面（C-plane）和用戶平面（U-plane）。PDCP和BMC只存在于用戶平面。

　　在控制平面上，L3分為幾個子層，其中最低層與L2層接口，并終止在UTRAN中的子層，記作無線資源控制層（RRC）。與RRC鄰接的子層，記作Duplication avoidance，終止在核心網（CN），是接入段的一部分，它為更高層提供接入段服務。諸如移動管理（MM）和呼叫控制（CC）的更高層信令假定屬于非接入段，因此它們不在研究范圍內。

　　圖1中的每一塊分別表示一個協議體。層與層接口處的圓環表示對等通信的服務接入點（SAP）。MAC與物理層之間的SAP提供傳輸信道。RLC與MAC之間的SAP提供邏輯信道?？刂破矫鎯?，Duplication avoidance與L3更高子層（CC,MM）間的接口由通用控制（GC）、通知（Nt）和專用控制DC的SAP定義。

　　圖中還示出RRC與MAC和RRC與L1層間的控制SAP。同樣RRC與RLC間、RRC與PDCP間、RRC與BMC間也存在控制接口。這些接口使得RRC能夠對低層進行配置?；谏鲜瞿康?，RRC與每個更低層之間（PDCP,RLC,MAC和L1）分別定義了控制SAP。假定每個用戶裝置（UE）需要一個RLC控制SAP和一個MAC控制SAP。RLC子層提供與所用無線發射技術密切相關的自動重撥請求（ARQ）功能。控制平面和用戶平面的RLC協議體是一樣的。如果Iu連接點不改變，CN可以請求UTRAN防止丟失數據，這是對UTRAN中RLC子層重發功能的基本要求

　　2.1服務接入點和服務原語

　　在服務接入點（SAP），每一層通過一套服務原語（Operation）為其上層提供服務。

　　RRC層通過控制SAP(C-SAP)控制本地的低層（即不要求對等實體間的通信。）而C-SAP原語可以繞過一個或多個子層（參見圖1）。

　　在無線接口協議描述中，應用下列原語命名規則：（1）相鄰層之間SAP提供的原語，以服務提供者的名字為前綴，即PHY、MAC、RLC、PDCP或UUS；（2）由應用SAP提供的原語，以服務提供者的名字為前綴，即RRC；（3）控制SAP提供的原語，除了以服務提供者的名字為前綴外，還要加上前綴“C”，即CPHY、CMAC、CRLC或CPDCP

　　由上述命名法則，可導出下面的符號（其中為request,indication,response或confirm）：

　　物理層（PHY）與媒體接入控制（MAC）子層間的原語（PRimitive）：

　　PHY--

　　物理層（PHY）與無線資源控制層（RRC）間的原語（primitive）（經由C-SAP）：

　　CPHY--

　　媒體接入控制（MAC）子層與無線鏈路控制（RLC）子層間的原語：

　　MAC--

　　媒體接入控制（MAC）子層與無線資源控制層（RRC）間的原語（primitive）（經由C-SAP）：

　　CMAC--

　　無線鏈路控制(RLC)子層與上層（upper layers）間的原語（primitive）、無線鏈路控制（RLC）子層與無線資源控制層（RRC）間的數據傳輸原語、無線鏈路控制子層與分組數據集中協議子層間的原語：

　　RLC--

　　無線資源控制層對無線鏈路控制子層的控制原語：

　　CRLC--

　　Uu子層（stratum）上的原語（primitive）：

　　UUS--

　　分組數據集中協議（PDCP）子層與非接入子層（non-access stratum）間的原語（primitive）：

　　PDCP--

　　分組數據集中協議（PDCP）子層與無線資源控制層（RRC）間的原語（primitive）（C-SAP）上：

　　CPDCP--

　　無線資源控制層（RRC）對廣播/多點控制（BMC）子層的控制原語（primitive）（C-SAP上

）：　　CBMC--

　　3.物理層服務和功能

　　3.1物理層服務

　　物理層為MAC層和更高層提供信息傳輸服務。物理層傳輸服務描述數據在無線接口上的傳輸方式和特征。傳輸信道通常分為兩類：（1）共用傳輸信道，當尋址某個特定UE時，需要采用UE常內識別方式；（2）專用傳輸信道，UE的身份識別是由物理信道（如FDD方式下的擴頻碼和頻率，TDD方式下的擴頻碼）、時隙和頻率來完成的。

　　共用傳輸信道可詳細地分為下面幾類：（1）隨機接入信道（RACH）：只在上行鏈路存在，通過競爭機制接入，可用于初始接入、非實時專用控制（或業務）信道等數據業務量相對較小的場合，長度受限的數據域（所允許的數據域確切位數待定），采用開環功率控制方式；（2）前向接入信道（FACH）：只在下行鏈路存在，可用于數據業務量相對較小的場合，慢速功率控制，可快速改變速率（每10ms），缺乏快速功率控制；（3）廣播信道（BCH）：僅在下行鏈路存在，固定低比特率，需要在整個小區廣播；（4）尋呼信道（PCH）：只存在于下行鏈路，支持睡眠模式規程，需要在整個小區廣播；（5）下行共享信道（DSCH）：只在下行鏈路存在，并且總是與另一信道相關聯（DCH或DSCH控制信道），慢速功率控制，當和DCH相聯系時，也可采用快速功率控制，可在整個小區廣播；（6）DSCH的控制信道：只在下行鏈路存在，慢速功率控制，缺乏快速功率控制；（7）共用分組信道（CPCH）：只存在于FDD方式的上行鏈路中，對消息部分采用快速功率控制，可快速改變速率，沖突檢測，開環功率估計等。

　　專用傳輸信道可細分為下面幾類：（1）專用信道（DCH）：在上行和下行鏈路中都存在，可快速改變速率（每10ms），快速功率控制等；（2）快速上行鏈路信令信道（FAUSCH）：與FACH相配合，用于分配專用信道。UE通過FAUSCH來傳送預留請求。

　　FAUSCH只在上行鏈路存在；UE尋址是副刊固定好的，即每個UE對應一個獨特的時間偏移（相對于10ms幀開始），UE從此位置開始發送上行鏈路信令碼?；臼盏胶蠹纯芍猆E需要預留一個DCH，并通過FACH告知所分配的DCH。

　　每個傳輸信道（FAUSCH除外，它只傳送預留的請求）的特征由其傳輸格式（用于固定速率和慢變速率數據）或傳輸格式集（用于快變速率數據）確定。傳輸格式定義為信道編碼方式、交織、位速率適配以及它們在物理信道上的映射集合。傳輸格式集一組傳輸格式，比如，一個可變速率的DCH有一個傳輸格式集（每種速率對應一種傳輸格式），而固定速率的DCH只有一種傳輸格式。

　　3.2物理層功能　

　　物理層主要完成下列功能：宏分集分離/合并和軟切換的執行；傳輸信道睥誤碼探測及對高層的指示；傳輸信道的FEC編解碼和傳輸信道的交織去交織；傳輸信道的復用和已編碼組合傳輸信道的解復用；速率匹配；物理信道的功率加權與合并；物理信道的調制與擴頻/解調與解擴；頻率和時間同步（碼片同步、位同步、時隙同步和幀同步）；　對高層的測量和指示（比如FER、SIR、干擾功率和發射功率等）；閉環功率控制；射頻（RF）處理。

　　4結論

　　未來無線網絡將是基于移動和寬帶網的信息網絡，其發展需要解決三個問題：（1）各種電信業務的無縫隙尋址接入；（2）移動通信業務質量受無線信道的限制；（3）實現智能化、多媒體和個性化的各種應用。人們對IMT-2000的期望是，實現國際漫游、固定/移動無縫隙多媒體業務，使固定和移動通信系統融合一體。IMT-2000的一個重要概念是將接入功能從核心網功能中分離出來，接入網絡移動終端提供一個獨立于核心網技術的接入平臺，通過它可以接入核心網，并為移動終端提供網絡服務。因此，對無線接口協議各層進行研究，對實現第三代移動通信的目標有重要意義。

摘自《電信快報》2001.1

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