第三代移动通信第3章 教学讲义 大纲等0601Word文档下载推荐.docx
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4．信道编码
WCDMA系统中使用的信道编码类型有两种：
卷积编码和Turbo编码。
5．功率控制
快速、准确的功率控制是保证WCDMA系统性能的基本要求。
功率控制解决的基本问题是远近效应。
6．切换
切换的目的是为了当UE在网络中移动时保持无线链路的连续性和无线链路的质量。
WCDMA系统支持软切换、更软切换、硬切换和无线接入系统间切换，也可以表述为同频小区间的软切换、同频小区内扇区间的更软切换、同一无线接入系统内不同载频间的硬切换和不同无线接入系统间的切换。
7．同步方式
WCDMA不同基站间可选择同步和异步两种方式，异步方式可以不采用GPS精确定时，支持异步基站运行，室内小区和微小区基站的布站就变得简单了，使组网实现方便、灵活。
8．可变数据速率
WCDMA系统支持各种可变的用户数据速率，适应多种速率的传输，可灵活地提供多种业务，并根据不同的业务质量和业务速率分配不同的资源。
3.2WCDMA网络结构与接口
3.2.1UMTS系统结构
UMTS与第二代移动通信系统在逻辑结构上基本相同。
如果按功能划分，UMTS系统由核心网（CN）、无线接入网（UTRAN）、用户设备（UE）与操作维护中心（OMC）等组成。
核心网与无线接入网（UTRAN）之间的开放接口为Iu，无线接入网（UTRAN）与用户设备（UE）间的开放接口为Uu接口。
3.2.2UMTS网元和接口功能
UMTS网络系统结构如图3-4所示，包括的网元和接口功能如下。
图3-4UMTS网元和接口
1．用户设备（UE）
用户设备（UE，UserEquipment）完成人与网络间的交互，通过Uu接口与无线接入网相连，与网络进行信令和数据交换。
UE用来识别用户身份和为用户提供各种业务功能。
用户设备（UE）主要由移动设备（ME，MobileEquipment）和通用用户识别模块（USIM，UniversalSubscriberIdentityModule）两部分组成。
（1）移动设备（ME）
（2）通用用户识别模块（USIM）
Cu接口是USIM和ME之间的接口，Cu接口采用标准接口。
2．通用陆地无线接入网络（UTRAN）
无线接入网（UTRAN，UMTS/UniversalTerrestrialRadioAccessNetwork）位于两个开放接口Uu和Iu之间，完成所有与无线有关的功能。
UTRAN主要功能有宏分集处理、移动性管理、系统的接入控制、功率控制、信道编码控制、无线信道的加密与解密、无线资源配置、无线信道的建立和释放等等。
（1）节点B（NodeB）
（2）无线网络控制器（RNC）
①系统信息管理：
执行系统信息广播与系统接入控制功能。
②移动性管理：
切换和RNC迁移等移动性管理。
③无线资源管理与控制：
宏分集合并、功率控制、无线承载分配等无线资源管理和控制功能。
（3）CRNC、SRNC、DRNC的概念
①控制无线网络控制器（CRNC）
控制NodeB的操作与维护、接入控制等功能，并与NodeB直接存在物理连接的RNC称为NodeB的控制无线网络控制器（CRNC）。
CRNC负责管理整个小区的资源，命令NodeB配置、重配置或删除对小区资源的使用。
②服务无线网络控制器（SRNC）
负责UE和CN之间的无线连接的管理，一个与UTRAN相连的UE有并且只能有一个SRNC，通常SRNC即是CRNC，但在软切换过程中可以有例外。
SRNC负责启动／终止用户数据的传送、控制和CN的Iu连接以及通过无线接口协议和UE进行信令交互。
SRNC执行基本的无线资源管理操作，如无线资源的分配、释放和重配置，切换判决和外环功率控制等。
③漂移无线网络控制器（DRNC）
除了SRNC以外，UE所用到的其他RNC称为漂移无线网络控制器（DRNC），一个UE可以没有也可以有一个或多个DRNC。
一个DRNC可以与一个或多个UE相连。
DRNC不与CN直接相连。
DRNC控制UE使用的小区资源，可以进行宏分集合并、分裂。
和SRNC不同的是，DRNC不对用户平面的数据进行数据链路层的处理，而在Iub和Iur接口间进行透明的数据传输。
需要指出以上三个概念是从逻辑上进行描述的。
实际一个RNC通常包含CRNC、SRNC、DRNC的功能，这三个概念是从不同层次上对RNC的描述。
CRNC是从管理整个小区公共资源的角度引出的概念。
而SRNC和DRNC是针对一个具体的UE和UTRAN的连接中，从专用数据处理的角度进行区分的。
（4）UTRAN接口与协议
UTRAN接口和协议如表3-1所示。
表3-1UTRAN接口和协议
接口名称
接口位置
协议
Iu
CN-UTRAN
RANAP
Iur
RNC-RNC
RNSAP
Iub
RNC-NodeB
NBAP
Uu
NodeB-UE
WCDMA
3．核心网（CN）
核心网承担各种类型业务的提供以及定义，包括用户的描述信息、用户业务的定义还有相应的一些其他过程。
UMTS核心网负责内部所有的语音呼叫、数据连接和交换，以及与其他网络的连接和路由选择的实现。
不同协议版本核心网之间存在一定的差异。
4．外部网络（EN）
核心网的电路交换域（CS）通过GMSC与外部网络相连，如公用电话交换网（PSTN）、综合业务数据网（ISDN）及其他公共陆地移动网（PLMN）。
核心网的分组交换域（PS）通过GGSN与外部的Internet网及其他分组数据网（PDN）等相连。
3.2.3基于R99、R4、R5/R6的核心网结构
1．R99网络结构及接口
（1）R99网络结构
R99版本网络结构如图3-6所示。
图3-6R99版本网络结构图
（2）R99核心网的接口与协议
1．R4网络结构及接口
（1）R4网络结构
图3-7R4网络结构图
R4核心网电路域变化的实体功能介绍如下：
①MSC服务器（MSCServer）
MSCServer用来处理信令，独立于承载协议。
它主要由MSC的呼叫控制和移动控制单元组成，负责完成CS域的呼叫、媒体网关管理、移动性管理、认证、资源分配、计费等功能，还包括R4版本核心网电路域提供的其它业务。
②电路交换媒体网关（CS-MGW）
CS-MGW用来处理用户数据，可以终结电路交换网络来的承载通道，也可以终结分组交换网来的媒体流，如IP网中的实时协议（RTP）数据流。
③关口MSC服务器（GMSCServer）
GMSCServer主要由GMSC的呼叫控制和移动控制单元组成，负责与其它网络（PSTN/ISDN/PLMN）的互通，实现GMSC的呼叫管理、路由和移动性管理，控制MGW交换等等。
R4版本与R99版本相比，增加了低码片速率的TDD模式，即TD-SCDMA系统的空中接口标准。
（2）R4核心网的接口与协议
表3-3R4核心网新增接口与协议
接口名
连接实体
信令与协议
Mc
（G）MSCServer—CS-MGW
H．248
Nc
MSCServer—（G）MSCServer
ISUP、BICC
Nb
CS-MGW—CS-MGW
RTP/UDP/IPAAL2、STM、H.245
R99全部接口名
R99全部连接实体
R99全部信令与协议
2．R5网络结构及接口
R5版本在无线接入网方面的改进为：
①提出高速下行分组接入（HSDPA）技术，使下行数据速率峰值可达14．4Mbit／s。
②Iu、Iur、Iub接口增加了基于IP的可选择传输方式，保证无线接入网实现全IP化。
R5版本在核心网（CN，CoreNetwork）方面，在R4基础上增加了IP多媒体子系统（IMS），它和PS域一起实现了实时和非实时的多媒体业务，并可实现与CS域的互操作。
3．R6版本网络结构
与R5版本相比，网络结构没有太大的变动，主要是对已有功能的增强，增加了一些新的功能特性。
R6研究的主要内容有：
（1）PS域与承载无关的网络框架，研究是否在分组域也实行控制和承载的分离，将SGSN和GGSN分为GSNServer和媒体网关的形式。
（2）在网络互操作方面，研究IMS与PLMN/PSTN/ISDN等网络的互操作，以实现IMS与其他网络的互联互通；
研究WLAN-UMTS网络互通，保证用户使用不同的接入方式时切换不中断业务。
（3）在业务方面，研究包括多媒体广播/多播业务（MBMS）、Push业务、Presence、PoC（Push-To-TalkoverCellular）业务、网上聊天业务及数字权限管理等。
（4）无线接入方面采用的新技术有正交频分复用调制（OFDM）技术、多天线技术（MIMO）、高阶调制技术和新的信道编码方案等等，OFDM和MIMO也是后3G的重点技术。
3.2.4IP多媒体子系统（IMS）
1．IMS特点
IMS主要特点如下：
（1）IMS的重要特点是对控制层功能做了进一步的分解，实现了会话控制实体和承载控制实体在功能上的分离，体现了“业务与控制分离”、“控制与接入和承载分离”的原则，网络构架层次化为不同网络的互通和业务的融合奠定了基础。
（2）IMS继承了移动通信系统特有的网络技术，继续使用归属网络和访问网络的概念，支持用户全程全网漫游能力、具有切换功能、集中用户数据管理等等。
（3）IMS中重用了IETF组织制定的互联网技术和协议。
（4）IMS业务应用平台支持多种业务，能为SIP用户提供全程全网漫游能力和虚拟归属业务环境（VHE）能力。
（5）IMS由多个标准化组织定义并发展完善，如3GPP／3GPP2、ITU-T、IETF和ETSI等，IMS越来越受到业界的关注。
2．IMS的主要功能实体
3GPPIMS的主要功能实体如图3-10所示，包括呼叫会话控制功能（CSCF）、归属用户服务器（HSS）、媒体网关控制功能（MGCF）、IP多媒体-媒体网关功能（IM-MGＷ）、多媒体资源功能控制器（MRFC）、多媒体资源功能处理器（MRFP）、签约定位器功能（SLF）、出口网关控制功能（BGCF）、信令网关（SGW）、应用服务器（AS）、多媒体域业务交换功能（IM-SSF）、业务能力服务器（OSA-SCS）等等。
按功能划分，IMS的主要功能实体大致分为6大类别：
会话管理和路由类（CSCF）、数据库（HSS、SLF）、网间互通（BGCF、MGCF、IM-MGM、SGW）、业务提供类（AS、MRFC、MRFP）、支撑（SEG、PDF）和计费类CHF）
3.3UTRAN接口协议结构
3.3.1UTRAN接口协议模型
1．UMTS分层结构
从功能方面考虑，UMTS分为接入层（AS）和非接入层（NAS）两大部分，两者之间的接口称为业务接入点（SAP），如图3-11所示，图中各业务接入点（SAP）用椭圆来表示。
图3-11UMTS分层结构
接入层（AS）是指UE和UTRAN间的无线接口协议集、UTRAN和CN间的接口协议集。
非接入层（NAS）指UE和CN间的核心网协议，对于UTRAN是透明传输的。
UTRAN只与接入层协议有关，在UE和核心网络之间传输数据时起中继作用。
接入层为非接入层提供了以下3种类型的业务接入点：
通用控制业务接入点（GC-SAP）、专用控制业务接入点（DC-SAP）和寻呼及通告业务接入点（Nt-SAP）。
2．UTRAN接口协议模型
UTRAN接口通用协议模型如图3-12所示。
接口协议分为两层二平面。
两层指从水平的分层结构来看，分为无线网络层和传输网络层。
二平面指从垂直面来看，每个接口分为控制面和用户面。
UTRAN内部的3个接口（Iu、Iur和Iub）都遵循统一的基本协议模型结构。
图3-12UTRAN接口的协议栈模型
（1）水平面
从水平的分层结构来看，协议结构分为无线网络层和传输网络层。
①无线网络层处理所有与UTRAN有关的事务，所有UTRAN相关的信息只有在无线网络层才是可见的。
无线网络层由控制平面和用户平面组成。
无线网络层控制平面包括应用协议和用于传输这些应用协议的信令承载。
无线网络层用户平面包括数据流和用于承载这些数据流的数据承载。
②传输网络层是指UTRAN选用的标准传输技术，与UTRAN本身的功能无关，主要是已有的传输技术规范。
3GPP并不对传输层的协议进行特殊定义，3GPP在R99版本中选用ATM传输技术。
如果在传输层需要使用更先进的传输层技术，如IP技术，那么仅需要将无线网络层中的传输资源映射到新引入的传输技术就可以了，不需要对无线网络层进行大的修改。
传输网络层由控制平面和用户平面组成。
传输网络层控制平面使得无线网络层控制平面应用协议与传输网络层用户平面的数据承载所选用的技术无关。
传输网络层用户平面用于用户平面的数据承载和应用协议的信令承载。
（2）垂直面
从垂直面来看，每个接口分为控制面和用户面。
考虑到处于不同层的功能不同，分为无线网络控制面、无线网络用户面，传输网络控制面和传输网络用户面。
①无线网络控制平面用于处理接口上的控制信令协议，由各种应用协议和传输网用户面的信令承载组成。
应用协议包括Iu接口上的无线接入网络应用部分（RANAP，RadioAccessNetworkApplicationPart）协议、Iur接口上的无线网络系统应用部分（RNSAP，RadioNetworkSystemApplicationPart）协议及Iub接口上的节点B应用部分（NBAP，NodeBApplicationPart）协议。
信令承载资源的建立总是通过操作维护功能来完成的，可以与传输网控制面的信令承载一样也可以不一样。
②无线网络用户平面用于处理相应接口传输的用户数据，包括在该接口传输的数据流和与数据流对应的数据承载，数据流由接口上的一个或者多个帧协议定义。
③传输网络控制面不包含任何无线网络层的信息，包括ALCAP以及它所使用的信令承载。
传输层控制面的ALCAP用于在接口的两个网络节点之间建立该接口上用户面的传输承载。
传输层控制面是控制平面和用户平面之间的一个联系的桥梁，由于传输层控制面的引入，才使得无线网络层的应用协议完全独立于传输层技术。
④传输网络用户面包括无线网络层用户面的数据承载以及应用协议的信令承载。
数据承载由传输网络控制面实时控制，信令承载由操作维护功能控制完成。
3．ATM技术简介
（1）ATM协议的分层结构
ATM协议层从逻辑上可以分为4个独立的通信层，即物理层、ATM层、ATM适配层（AAL层和SAAL层）和作为高层协议的应用层。
ATM网络协议分层之间的数据传输过程简述如下。
①将高层的数据流经AAL层组成48字节的信息段，并将此信息段传送到ATM层，或者AAL层将从ATM层接收到的ATM信元解封装后形成48字节的信息单元传送到高层。
②ATM层用于将AAL层接收到的数据形成信元并传送到目的地，或者将从物理层所接收到的信元经由AAL层传送到高层。
ATM信元为53字节，每个信元都有一个与特定连接相对应的标识符，用以进行本地点到点的选路功能。
③物理层提供ATM层信元的传输通路。
（2）ATM物理层
物理层主要提供ATM信元的传输通路，它与ATM层之间交换的信元大小为53字节。
物理层根据物理媒体的特性形成传送帧，并采用物理实体进行比特流的传送和接收。
物理层分为传输汇聚（TC）子层和物理媒介相关（PMD）子层。
（3）ATM层
ATM层以信元为单位进行通信，并为上层的AAL层提供服务，它与物理媒介的类型，以及物理层所具体传送的业务类型无关。
ATM层基本功能包括信元操作、信元复用/解复用、虚电路/虚通路转换和流量控制等功能。
（4）ATM适配层（AAL）
AAL层位于ATM层之上，主要作用是将高层的应用层信息映射到ATM层的信元结构中，用于扩展和增强ATM层的能力，以适合各种特定业务的需要。
ATM的具体功能包括数据的分割和恢复、差错控制、同步和时钟恢复、流量控制和多种数据流的复用等。
3.3.2Iu接口
1．Iu接口结构及功能
Iu接口是UTRAN与核心网之间的接口，也可以看作RNC与CN之间的一个参考点。
UTRAN与核心网电路域的接口称为Iu-CS，与核心网分组域的接口称为Iu-PS，与小区广播系统之间的接口称为Iu-BC，Iu接口结构如图3-14所示。
Iu-CS和Iu-PS接口由控制面和用户面构成。
Iu-BC接口只有一个平面，即包括控制信息也包含用户信息。
图3-14Iu接口结构
（1）Iu-CS和Iu-PS
①Iu-CS和Iu-PS接口的控制面
RANAP是Iu接口控制面的应用协议，完成CN和UTRAN间所有过程的控制，能在UE和CN间透明传输信息。
Iu-CS和Iu-PS接口的控制面使用RANAP完成核心网与RNC之间的信令交互，Iu接口控制面的的主要功能如下：
●传输UE与核心网之间非接入层的信令消息，RNC不处理这些RANAP的内容，而是将这些消息进行透明传输。
RNC在此完成的功能主要是完成空中接口的RRC信令消息和Iu接口上的RANAP消息的映射。
●完成Iu接口上RNC与核心网之间的控制功能，如无线接入承载的管理（RAB）、无线资源管理、安全模式控制、过载控制、位置报告、错误指示及资源重配等功能。
无线接入承载（RAB）是指UE到核心网之间的传输承载，RANAP负责RAB的建立、修改以及释放，并完成RAB特征参数到Iu、Uu承载的映射。
●具有移动性管理功能，可以跟踪移动用户的位置信息并对用户进行寻呼。
如位置区报告、SRNS重定位和寻呼、系统内或系统间硬切换。
SRNS重定位功能是将UE与核心网的接入点从原来的SRNC转变到新的目标SRNC，通过SRNC重定位功能，改变UE的Iu接口位置。
②Iu-CS和Iu-PS接口的用户面
Iu-CS和Iu-PS接口的用户面主要用来在RNC与核心网之间传输业务数据，同时也会完成一些用户面特有的控制功能。
Iu接口用户面的主要功能如下：
●提供基于RAB的用户平面操作模式：
透明模式或支持模式，同时根据不同的模式形成相应的帧结构。
用户平面操作模式由CN在RAB建立时根据RAB特性决定，可因RAB的修改而改变。
在透明模式下，在Iu接口上传输的数据没有特定的帧格式，如GTP-U数据；
在支持模式下，用户数据按照预定义的格式进行传输，如使用预定SDU大小的模式，SDU大小与AMR语音编码对应。
●完成用户面业务数据传输使用的相关参数的配置、用户面速率控制及时间调整功能，时间调整功能负责实现Iu接口上数据传输的同步。
（2）Iu-BC
RNC与CN的广播域（也称为小区广播中心）之间的接口称为Iu-BC，服务区内广播协议（SABP，ServiceAreaBroadcastProtocol）是Iu-BC接口的应用协议，完成消息处理、负载处理等功能，使CN中的小区广播中心通过小区广播业务发送移动用户小区广播信息。
2．Iu接口协议栈
Iu接口协议栈完全符合UTRAN接口协议的通用模型，总体来说，采用三层共享异步传输模式（ATM）或全IP传输方式（R5版本），但由于分组域与电路域的业务特性以及传输技术有所不同，所以对于Iu接口而言，Iu-PS和Iu-CS的协议栈结构也有所不同。
（1）Iu-CS接口协议栈
（2）Iu-PS协议栈结构
（3）Iu-BC接口协议栈
3．RANAP协议主要功能及实现
（1）RANAP主要功能
RANAP协议位于Iu接口协议栈的最高层，属于Iu接口应用层协议，负责处理UTRAN和CN之间的信令交互。
①RANAP主要功能如下。
②根据业务接入点（SAP）的不同，RANAP业务可以分为三组。
●通用控制业务（GC）。
●寻呼及通告业务（Nt）。
●专用控制业务（DC）。
③信令传送将为RANAP提供面向连接的数据传送业务和无连接的数据传送业务两类业务模式。
●面向连接的数据传送业务。
●无连接的数据传送业务。
（2）RANAP功能的实现
RANAP功能通过一个或多个RANAP基本过程（EP，ElementaryProcedures）实现。
一个EP是一个RNS与CN之间的交互单元。
每个RANAP功能可以通过一个或多个EP过程完成。
按照请求信息和响应信息，EP分为3类。
3.3.3Iub接口
1．Iub接口的协议栈
2．NBAP协议的功能及实现
3.3.4Iur接口
1．Iur接口协议栈结构
2．RNASP主要功能
3.4WCDMA空中接口
3.4.1Uu接口协议结构
空口接口的协议结构如图3-20所示（图中只包括了在UTRAN中可见的协议）。
每一个方框代表一个协议实体，椭圆表示业务接入点（SAP），协议实体间的通信通过SAP进行。
图3-20空口接口的协议结构
空口接口的协议结构分为两面三层，垂直方向分为控制平面和用户平面，控制平面用来传送信令信息，用户平面用来传送语音和数据。
水平方向分为三层：
第一层（L1）：
物理层；
第二层（L2）：
数据链路层；
第三层（L3）：
网络层。
其中第二层又分为几个子层：
媒体接入控制（MAC）子层、无线链路控制（RLC）子层、分组数据汇聚协议（PDCP）子层和广播／多播控制（BMC）子层。
PDCP和BMC只存在于用户平面。
在控制平面，L3分为多个子层
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