浅谈WCDMA

2019-11-03 09:30:34

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供稿：网友

　　UMTS（Universal Mobile Telecommunication systems，通用移动通信系统）是采用WCDMA空中接口的第三代移动通信系统，标准由3GPP具体定义。WCDMA可以采用FDD与TDD模式，其3GPP版本分为R99、R4和R5版。R99于2000年6月版本基本稳定，9月份版本比较成熟、完善，其Iu、Iub、Iur接口均采用ATM和ip方式，网络是以ATM交换为核心的网络，电路与分组交换节点逻辑上分开。R4、R5提出了基于IP的核心网结构，将传输、控制和业务分离，IP化将从核心网（CN）逐步延伸到无线接入网（RAN）和终端用户设备（UE），现R4版本已经冻结。

　　WCDMA网络单元从功能上可以分为RAN和CN。

二、WCDMA系统网元构成

1、用户设备（UE）

　　UE是用户终端设备，它通过空中接口Uu与网络侧设备进行通信，为用户提供电路域/分组数据域的各种应用，包括普通AMR（自适应多速率）话音业务、宽带数据、移动多媒体信息服务、Internet应用等等；它主要由射频、基带处理模块、协议栈及应用层软件构成。通常包括2个部分：（1）ME（Mobile Equipment）提供应用和服务；（2）USIM（UMTS用户识别模块）类似于GSM中的SIM卡，提供用户身份识别。

2、B节点（NodeB）

　　由于在讨论制定规范的过程中，始终将UMTS的基站用B节点称呼，故一直沿用并被纳入3GPP协议中。它是WCDMA系统的（基站）无线收发信机，主要完成扩频、调制、信道编码及其反过程。WCDMA系统中，在基站的基带处理部分引入了共享资源池概念，其收发信单元共享基带处理资源，提高了基带处理设备的利用率。B节点通过Iub接口与RNC（无线网络控制器）相连接。按照R99协议规范，Iub基于ATM传输，底层支持E1、STM-1光/电口等连接。RNC主要完成连接的建立、释放、切换、宏分集合并、无线资源的管理等功能。

3、核心网络（CN）

　　核心网逻辑上分为电路域和分组域两部分，基于R99的核心网与GSM/GPRS的核心交换部分无太大的变化，物理实体有以下几部分：MSC（移动交换中心）、SGSN、GGSN（GPRS网关节点）、HLR（归属位置寄存器）、AuC（鉴权中心）/EIR（设备识别寄存器）。

　　R4版本中，PS（分组域）的功能实体SGSN/GGSN及其与外部的接口都没有改变。为了向全IP发展，便在CS（电路域）中进行变化：（1）MSC/GMSC根据需要在可分成两个不同的实体：MSC Server用以处理信令，MGW（媒体网关）用以处理用户数据；（2）HLR升级为HSS（归属位置服务器）；（3）新增R-SGW（漫游信令网关）；（4）相应地增加了一些接口协议。

　　R5版本的网络结构基本与R4版本的一致。

　　对比3个版本，在PS域设备的主体没有大的改变，只进行协议的升级和优化。在CS域，主要变化有：MSC被替代为MSC server和MGW、HLR被替换为HSS；同时新增了R-SGW。

三、WCDMA频谱的分配

　　在1992年ITU召开的世界无线电管理大会（WARC）上，2GHz附近的频率被指定为IMT-2000第三代移动通信用。对于欧洲和亚洲的大部分地区WCDMA-FDD分配的2x60MHz（1920-1980MHz和2110-2170MHz）是可用的，同时也为TDD分配了专用频段。在中国，上述频段由于没有分配给任何运营商，所以在频率使用方面不会存在太大的问题；在美国，由于没有新的频谱可用，可以将第三代系统移植到现在的PCS频谱中。

　　在ITU2000年5月的WARC-2000会议上，下列频带被列入IMT-2000使用：（1）1710-1885MHz；（2）2500-2690MHz；（3）806-960MHz。

四、WCDMA关键技术

　　WCDMA是一个直扩码分多址（DS-CDMA）系统，其主要参数如表1所示。通过扩频码将用户信息比特扩展到很宽的带宽上（5MHz），码片速率可达3.8Mc/s。WCDMA支持各种不同的用户数据速率，特定的用户数据速率以10ms为单位，可调，在此10ms时间内速率恒定。它支持频分/时分双工。TDD模式基本上参照了FDD模式的概念与设计思路，但是TDD模式可以使用频谱上剩余的不对频率，使用灵活性大大提高。WCDMA能与GSM协同工作，同时支持与GSM的双向转换、漫游。

表1 WCDMA系统主要参数

参数 WCDMA

信道带宽 5MHz

码片速率 3.84Mc/s

多址方式 DS-CDMA

双工方式 FDD/TDD

帧长 10ms

多速率概念可变的扩频因子和多码

功率控制开环+快速闭环（1.5kHz）

1、RAKE接收技术

　　在移动通信系统中，周围环境的多样性引起了无线电波出现多反射、绕射及电平值的衰减，这称之为多径效应。在WCDMA系统中，每一个码片的多径能量在可分辨的时刻被接收机所接收，RAKE接收机能将这些多径能量经过相位的偏转，将接收到的信号变回原来的相位。然后进行简单的相加并进行最大比例合并。在RAKE接收机的典型应用中，分为码片级和符号级的处理过程，码片级的处理（相关器、码发生器、匹配滤波器）由ASIC完成，符号级的处理（信道预测器、相位旋转器、合并器）由DSP完成。RAKE接收技术有效利用了信道相干时间形成的时间分集效应，有效地克服多径干扰，提高了接收性能。

2、分集接收

　　在无线通信中，由于传播环境的不确定性，接收端将接收到不同路径来的信号，将这些信号适当处理，合并有用成分而成的接收信号，称为分集接收。采用分集接收技术可大大减少衰落的影响。分集接收可以利用不同路径、不同频率、不同极化方式来完成，这就是我们所谓的“空间分集、频率分集、极化分集”。分集信号的合并有3种方法：最佳选取、等增益相加和最大比合并。

3、功率控制

　　WCDMA系统是一个自干扰系统，尤其是上行信号，如果没有功率控制或功率控制不理想，一个功率过强的UE可能阻塞整个小区，引起CDMA系统中所称的“远近效应”。在WCDMA系统中，主要有3种功控方式：开环功控、快速闭环功控和外环功控。

　　开环功控是通过测量下行信号的路径损耗来粗略估计上行信号的路径损耗，通常用于连接的开始阶段，给移动台提供粗略的初始功率设定。

　　WCDMA系统上下行链路都支持快速闭环功控。以上行信号为例，在上行链路的功率控制中，基站将估计的SIR（信干比）的值与目标SIR进行比较，若测得的SIR高于SIR目标值，基站就命令移动台降低功率；反之，则命令移动台加大功率。基站测试一发出命令一移动台调整功率这一频率可达1500Hz，其速度大于快衰落的变化，所以快速闭环功控能尽可能地克服快衰落的影响，同时也避免了CDMA系统上行的远近效应。

　　外环功控通过为快速功控设定目标值来保持所需电平处的通信质量。即通过测得的BLER与目标BLER（误块率）值进行比较来调整SIR目标值，同时通过上述测得的SIR与SIR目标值进行比较来调整其发信功率。外环功控的频率典型值为10-100Hz。

五、3G的业务

　　3G制定标准的时候，将其开展的业务定位为：提供多种类型、高质量多媒体业务，能实现全球无颖覆盖，具有全球漫游能力，与固定网络相兼容，并以小型便携式终端在任何时候、任何地点进行任何种类通信（见表2）。

表2 3G业务分类表

基本电信业务和多媒体业务移动办公类业务娱乐类

基本语音业务企业VPN Mobile TV

宽带语音业务 Internet接入 Mobile Radio

多媒体电话文件传送 Mobile Film

短消息业务信息检索 ……

小区广播业务

高质量的音频、视频点播

　　移动数据及多媒体业务发展将使通信产业价值链发生巨大的变化，网络运营商为最终用户提供端到端的基础电信业务的时代即将结束（现在已经出现），将形成网络运营商提供业务承载平台、业务内容提供商在此平台上开发具体应用以满足客户不断增长的需求。价值链的各个环节必须均衡发展，这是移动数据多媒体业务发展的关键。移动数据业务发展促使新兴合作关系的建立，战略合作伙伴关系成为设备供应商、网络运营商、业务提供商和内容提供商的一种新兴合作体系。

六、GSM网络向3G的演变

　　第三代移动通信系统是在第二代移动通信系统已经拥有庞大的基础网络与众多客户的基础上发展起来的。无疑它首先考虑与第二代系统的互联和兼容问题，以实现在最初阶段两大系统并存时的综合利用。

　　第三代移动通信系统无线接口使用新的频段、新的无线传输技术、新的话音编码形式，因而不是“演进”，而是“革命”。在网络建设初期，3G业务首先在话务热点地区引入，通过接入演变后的核心网络，并通过多频多模终端实现第三代用户到第二代网络的漫游。

　　而对于核心网部分，3GPP制定了GSM经过R99向R4、R5演变之路，最终进入全IP网络。从技术发展趋势来看，核心网将趋于一致，由IP核心骨干网“外挂”各式各样的服务器来为用户提供越来越完善的服务。未来无线基站（BTS）也将可以通过IP协议直接接入“全IP核心网络”，原BSC（基站控制器）、MSC、HLR、VLR、AuC等涉及的呼叫处理、移动性管理、用户数据、业务生成等功能都将是这一网络上的一个提供某种功能的服务器或数据库，其差异性越来越向最终接入节点处延伸，共性越来越大。从协议结构来看，只是拿IP取代了传统网络的传输层（如MTP信息传输协议），而控制层（如SCCP信号连续控制部分）、应用层（如TCAP、MAP移动应用部分、ANSI-41美国国家标准局-41系列等）等都只是传统的基础上增加、增强了新的功能而已。运营商也必须顺应这种趋势，从现在这种大而全的方式逐渐向专业化发展，将出现网络传输提供商（长途的、本地的）、网络运营商、接入提供商（有线、无线）、接入运营商等等新的运营形式。

　　在核心网部分，现阶段绝大部分的厂商都供了2G—2.5G—3G的平滑演变，但随着全球3G商用计划普遍推迟，GSM向WCDMA的发展出现了两种情况：（1）继续走GSM—GPRS—R99—R4/R5发展。由于绝大部分GSM运营商开始或已经大规模建设GPRS网络，因此，经过GPRS的全网升级后，2.5G 核心网数据承载能力已大幅提高，在3G网络建设前已可以提供给用户准快速数据业务；引入R99后，核心网同时支持A接口/Gh接口和Iu电路域/分组域的接口，从而演进成第三代R99版核心网。（2）独立建设基于R4的第三代网络。由于上面提到的全球商用计划的推迟，为R4、R5版本的发展和完善提供了时间，一些厂商为了摆脱2G网络市场的劣势，也推荐运营商直接选择建设R4版的核心网，于一些新兴的3G运营商更乐意采纳此种方案。

摘自《现代通信》（2002年第6期）

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