第三代移動通信WCDMA無線接入網(wǎng)

2019-11-05 02:43:46

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供稿：網(wǎng)友

　　一、引言
　　第三代移動通信WCDMA系統(tǒng)的無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）是用戶終端（UE）和核心網(wǎng)絡(luò)（CN）之間的部分,通過Iu接口與核心網(wǎng)相連,包括無線網(wǎng)絡(luò)控制器RNC和基站設(shè)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(qū),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(fù)責(zé)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)相連。
　　
　　WCDMA 的接口高度標(biāo)準(zhǔn)化,支持不同廠家的RNC和Node B互連。
　　
　　二、WCDMA標(biāo)準(zhǔn)化
　　ITU-R WP8F和ITU-T WP3/11分別進(jìn)行無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化。除了ITU之外,兩個跨區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP和3GPP2也在緊張地進(jìn)行具體的標(biāo)準(zhǔn)化工作。其中,3GPP2負(fù)責(zé)制定cdma2000的標(biāo)準(zhǔn)。而WCDMA（UTRA FDD）和TDD技術(shù)（UTRA TDD與TD-SCDMA）的標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)絡(luò)體系。目前,歐洲、北美、亞太（如日本、韓國）等地區(qū)的大多數(shù)營運(yùn)商都將選擇WCDMA系統(tǒng),甚至北美的IS-136運(yùn)營商也決定在3G頻段上選擇WCDMA,因此WCDMA已經(jīng)事實上成為3G最為主流、應(yīng)用范圍最廣的無線傳輸技術(shù)（RTT）。
　　
　　從目前的標(biāo)準(zhǔn)化工作安排看,3GPP標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)基本完備,物理層比較完善,但高層協(xié)議還需要一段時間才能穩(wěn)定。Iu、Iub和Iur接口全都采用ATM,核心網(wǎng)采用演進(jìn)的電路交換和分組交換分離的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),Release 99版本計劃在2001年3月會完全穩(wěn)定下來。
　　
　　盡管全I(xiàn)P核心網(wǎng)絡(luò)是未來發(fā)展的方向,但在安全性、業(yè)務(wù)質(zhì)量非凡是VoIP、IPv4到IPv6、Mobile IP方面還需要大量的工作,全I(xiàn)P核心網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作比預(yù)期要慢。
　　
　　從生產(chǎn)制造和運(yùn)營的角度看,需要處理好標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定和技術(shù)不斷擴(kuò)展的矛盾,要有選擇地采用新技術(shù)并保持版本之間的時間間隔。一般地,標(biāo)準(zhǔn)化穩(wěn)定至少一年后制造廠商才能提供完全順從于標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備,因此全球WCDMA運(yùn)營商將首先采用Release 99版本,預(yù)計2005年以后才會逐步采用全I(xiàn)P方式。Release 99將是不可超越的階段,運(yùn)營商可以通過Release 99網(wǎng)絡(luò)獲得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營經(jīng)驗、培育市場,另外Release 99設(shè)備的投資將通過全I(xiàn)P核心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得到有效保護(hù)。
　　
　　WCDMA無線接入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備首先需按照Release 99進(jìn)行設(shè)計、生產(chǎn),其次還要順應(yīng)IP向無線接入網(wǎng)絡(luò)滲透的趨勢,提供到全I(xiàn)P核心網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)接口,實現(xiàn)無線接入網(wǎng)絡(luò)的IP化。
　　
　　WCDMA無線接入網(wǎng)絡(luò)除了受到核心網(wǎng)影響外,還受到增強(qiáng)型IMT-2000和后IMT-2000、3G擴(kuò)展頻譜分配、新技術(shù)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(huán)境
　　WCDMA移動通信環(huán)境是WCDMA無線接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基本出發(fā)點,主要包括無線傳播環(huán)境和業(yè)務(wù)環(huán)境兩大類,其中,無線傳播環(huán)境是所有無線通信必須面臨的問題,業(yè)務(wù)環(huán)境則是第三代移動通信的多業(yè)務(wù)、多QoS要求所帶來的獨特問題。
　　
　　在移動通信系統(tǒng)中,信號的傳播由于移動、散射和衰落將導(dǎo)致復(fù)雜的電磁行為,具體表現(xiàn)在信號的時延、頻率和角度擴(kuò)展。時延擴(kuò)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(guān)系,時延擴(kuò)展將直接導(dǎo)致碼間串?dāng)_ISI；頻率擴(kuò)展將導(dǎo)致信號的時間衰落；角度擴(kuò)展將導(dǎo)致信號的空間衰落。這是無線傳輸技術(shù)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(fù)雜性。多個用戶共享無線媒體的問題是移動通信系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)計復(fù)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(qū)分,是典型的自干擾系統(tǒng)；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(shù)差異都來源于這個不同點。
　　
　　WCDMA無線接入網(wǎng)的物理層技術(shù),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(huán)境、多個用戶和多業(yè)務(wù)共享信道的問題。
　　
　　移動通信系統(tǒng)中業(yè)務(wù)環(huán)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(tǒng)與第二代移動通信系統(tǒng)（如GSM）有很大的不同,數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)非凡是多媒體業(yè)務(wù)將占較大的比重,而且不同的業(yè)務(wù)具有不同的QoS,可以占有不同的帶寬、具有不同的誤碼率等,這要求無線資源治理算法能夠按需為用戶分配資源。業(yè)務(wù)環(huán)境還包括業(yè)務(wù)的空間分布和時間分布,WCDMA系統(tǒng)中存在大量的突發(fā)到達(dá)業(yè)務(wù),業(yè)務(wù)的空間分布可能是非均勻的,用戶在某些區(qū)域發(fā)起呼叫的可能性較大。
　　
　　盡管WCDMA與IS95 CDMA系統(tǒng)在無線電波傳播上沒有太大的差別,但業(yè)務(wù)環(huán)境的復(fù)雜性將導(dǎo)致WCDMA系統(tǒng)在處理業(yè)務(wù)時需要更加復(fù)雜的機(jī)制,無線資源治理是實際業(yè)務(wù)環(huán)境映射到在物理層技術(shù)的橋梁,是無線接入網(wǎng)正常運(yùn)行、充分發(fā)揮頻譜效率的條件和保證,技術(shù)難度大,是WCDMA的要害技術(shù)。
　　
　　四、WCDMA無線接入網(wǎng)絡(luò)基本要求
　　4.1 頻譜效率和技術(shù)組合
　　
　　下面就第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)頻譜效率和技術(shù)組合的問題進(jìn)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(shù)據(jù)發(fā)射的時間（即空緩沖狀態(tài)）。
　　
　　4.1.2 滿足用戶
　　
　　用戶是否滿足,可以分電路和分組兩種業(yè)務(wù)進(jìn)行分析。
　　
　　對于電路交換業(yè)務(wù),當(dāng)用戶滿足以下三個條件時我們稱之為滿足用戶：
　　
　　用戶進(jìn)入系統(tǒng)時不會被阻塞。假如被阻塞,服務(wù)商必須指定采用的阻塞標(biāo)準(zhǔn)。
　　
　　用戶在通信過程中大部分時間內(nèi)有足夠好的服務(wù)質(zhì)量,也就是說BER>BER閾值的概率< x1%。
　　
　　用戶不會掉線,假如一次呼叫中BER>BER閾值持續(xù)時間超過一定時間,這次呼叫就會掉線。
　　
　　對于分組交換業(yè)務(wù),當(dāng)用戶滿足以下三個條件時我們稱之為滿足用戶：
　　
　　用戶進(jìn)入系統(tǒng)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,假如服務(wù)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(tǒng)外面)。假如被阻塞,服務(wù)商必須指定采用的阻塞標(biāo)準(zhǔn)。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。假如出現(xiàn)掉線,,服務(wù)商必須指定采用的掉線標(biāo)準(zhǔn)。
　　
　　4.1.3 系統(tǒng)負(fù)載
　　
　　系統(tǒng)負(fù)載n用[kb/s/cell/MHz]來衡量。對于電路交換用戶,系統(tǒng)負(fù)載Lcs計算方法如下
　　
　　ncs= ncs *用戶比特率 * 激活因子/系統(tǒng)帶寬 [kb/s/cell/MHz]
　　
　　其中,ncs為每小區(qū)同一時間內(nèi)平均的電路交換用戶數(shù),即提供的負(fù)載(愛爾蘭)。
　　
　　分組交換用戶的系統(tǒng)負(fù)載算方法如下：
　　
　　npkt = D/T/小區(qū)數(shù)/系統(tǒng)帶寬[kb/s/cell/MHz]
　　
　　其中：D為小區(qū)中統(tǒng)計出來的正確接收的用戶比特總數(shù)；T為測量時間,定義為仿真中收集統(tǒng)計數(shù)據(jù)持續(xù)時間；小區(qū)數(shù)指收集統(tǒng)計數(shù)據(jù)的那些小區(qū)的數(shù)目。對于混合服務(wù)配置情況,系統(tǒng)負(fù)載計算方法如下：
　　
　　這里Ncs為電路交換服務(wù)數(shù)目,Npkt為分組交換服務(wù)數(shù)目。
　　
　　4.1.4 頻譜效率
　　
　　對于單種業(yè)務(wù)情況,頻譜效率定義為恰好有x2% 滿足用戶時的系統(tǒng)負(fù)載。
　　
　　對于混合業(yè)務(wù)情況,每種服務(wù)必須分別至少有x2 %的滿足用戶。頻譜效率定義為任何一種服務(wù)的滿足用戶恰好達(dá)到x2% 時的系統(tǒng)負(fù)載。頻譜效率需要分上行鏈路和下行鏈路考慮。
　　
　　4.1.5 技術(shù)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(yè)務(wù)情況下的業(yè)務(wù)綜合接入能力,可以從物理層技術(shù)和無線資源治理兩個方面采取措施。除了IS95已經(jīng)采用的RAKE接收、功率控制和軟切換技術(shù)外,提高WCDMA頻譜效率還可以考慮選擇更好的擴(kuò)頻碼；采用多用戶檢測；智能天線等。
　　
　　4.2 業(yè)務(wù)承載能力
　　
　　一個3G終端與另外一個網(wǎng)絡(luò)終端通信的實例,并說明了承載業(yè)務(wù)和電信業(yè)務(wù)的關(guān)系。接入點之間的通信鏈路包括MT(移動終端)、3G網(wǎng)絡(luò)包括無線接入網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)絡(luò)、轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)(如PSTN網(wǎng)絡(luò))和終端接入網(wǎng)絡(luò)(如GSM BSS、LAN等)構(gòu)成信息傳遞的承載。承載業(yè)務(wù)是兩個接入點之間的信號傳輸能力,屬于低層能力；電信業(yè)務(wù)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(shù),信息的表達(dá)等,屬于高層能力。
　　
　　3G業(yè)務(wù)能力是指接入點之間的所有用QoS參數(shù)描述的承載以及承載控制機(jī)制的集合。業(yè)務(wù)能力實際上可以理解為承載業(yè)務(wù)為電信業(yè)務(wù)提供的服務(wù),3G的業(yè)務(wù)能力將依靠于通信鏈路上每個網(wǎng)絡(luò)單元(Node B、RNC)本身的能力以及網(wǎng)絡(luò)單元之間的通信能力。
　　
　　3G標(biāo)準(zhǔn)化過程中不再定義標(biāo)準(zhǔn)的電信業(yè)務(wù),而將重點放在了3G業(yè)務(wù)能力的標(biāo)準(zhǔn)化,使得網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不再受制于電信業(yè)務(wù)。3G網(wǎng)絡(luò)的最大特征是具有全程數(shù)字化、智能化和分組化的統(tǒng)一結(jié)構(gòu),從接入方式看由于采用了統(tǒng)計復(fù)用的CDMA技術(shù),信息以統(tǒng)一的時隙方式傳送；在RNC內(nèi)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(wǎng)中將采用全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò),信息以統(tǒng)一的IP包傳送,即使考慮到初期采用GPRS 網(wǎng)絡(luò)將電路業(yè)務(wù)和分組業(yè)務(wù)分開,但邏輯上仍是一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò),3G統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)提供了一個多業(yè)務(wù)實現(xiàn)平臺,可以方便承載各種電信業(yè)務(wù)。
　　
　　第三代移動通信能否取得成功,要害在于如何利用WCDMA承載能力開發(fā)應(yīng)用。NTT DoCoMo在第三代移動通信WCDMA方面繼續(xù)引領(lǐng)世界潮流,推出3G業(yè)務(wù)品牌FOMA(Freedom Of Mobile multimedia access),擬提供如下類型的3G業(yè)務(wù)：下一

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