（测试计量技术及仪器专业论文）wcdma空中接口系统信息的接收、解析及应用.pdf

摘要 随着3 g 在全球的发展越来越快，技术越来越成熟，3 g 网络的建设已经提上 f i 程。由于w c d m a 系统能够实现与g s m 网络的兼容和从g s m 平滑过渡到3 g 系统， 因此，w c d m a 系统是一个具有竞争力的3 g 候选方案。 在v c d m a 系统中，用户设备( u e ) 与基站( n o d eb ) 之间的接口，即u u 接 口非常重要。通过对u u 接口的测量，我们就能够得到网络的当前运行状态，从 中发现和定位一些网络中存在的问题。 系统信息是0 u 接口上传送的层3 协议消息的一种，当u e 处于空闲状态，所 有小区的发送参数都在系统信息中体现。通过系统信息的接收，用户可以获取 l 1 、l 2 或者l 3 的消息内容；通过系统信息的详细解析，用户就能够得n - j , 区的 状态，并且能够从协议消息的测量报告中取得当前的各项测量值，诸如小区标识 号、p c c p c h 发射功率、小区分集结构和邻小区列表等重要参数，为网络的验证与 优化提供数据。 本论文主要完成一个接收、解析w c d m a 系统信息的软件模块。首先接收v c d m a 系统空中接口下行的系统信息消息，然后应用a s n 1 规则对消息进行解析，最后 给出系统信息在实际网络中的应用。 关键词：w c d i a 系统、l u 接口、系统信息、a s n 1 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ef a s d e v e l o p m e n to ft h e3 r dg e n e r a t i o n ( 3 g ) w i r e l e s s m o b i l es y s t e m s ，t h et e c h n o l o g i e sa r er e a c h i n gm a t u r i t yi nm a n ya r e a ss u c ha s c o r en e t w o r k sa n dn e t w o r kp e r f o r m a n c e ，s ot h ec o n s t r u c t i o n so ft h e3 g n e t w o r k sa r ep u t t i n go ns c h e d u l e r s b e c a u s ew c d m a s y s t e mc o u l da c h i e v e c o m p a t i b l ew i t hg s ms y s t e ma n dc o u l db et r a n s i t e df r o mg s ms y s t e m s m o o t h l y ，i ti sac o m p e t i t i v ep r o j e c tf o r3 gn e t w o r k s i nw c d m a s y s t e m ，u ui n t e r f a c ei sv e r yi m p o r t a n tw h i c hc o n n e c t su s e r e q u i p m e n t ( u e ) w i t hb a s es t a t i o n ( n o d eb ) ，t h r o u g hm e a s u r e m e n t so fu u i n t e r f a c e w ec a ng e tc u r r e n ts t a t ea n dl o c a t ep r o b l e m so ft h en e t w o r k s s y s t e mi n f o r m a t i o ni so n eo fl a y e r3m e s s a g e st r a n s m i t t e dt h r o u g ht h e u ui n t e r f a c e w h e nt h eu ei si ni d l es t a t e ，a l it h ep a r a m e t e r ss e n tb yt h ec e l l c o u l db eg o ti nt h es y s t e mi n f o r m a t i o no n l y b yr e c e i v i n gt h em e s s a g e s u s e r s c o u l dg e tt h em e s s a g ed a t ao fl a y e r1 ，l a y e r2o rl a y e r3 t h r o u g ht h ed e t a i l s a n a l y s i so ft h es y s t e mi n f o r m a t i o n ，u s e r sc o u l dg e tt h es t a t eo ft h ec e l la n d g e ti m p o r t a n tp a r a m e t e r ss u c ha sc e l li d e n t i t yn u m b e r , p c c p c hp o w e r ， h i e r a r c h i c a lc e l ls t r u c t u r ea n di n t e d i n t r af r e q u e n c yc e l li n f o r m a t i o n l i s t s ， w h i c hc o u l db ep r o v i d e df o rp l a n n i n ga n do p t i m i z i n gt h en e t w o r k s i nt h i sa r t i c l e ，w ep r o v i d eas o f t w a r em o d u l ef o rr e c e i v i n ga n dr e s o l v i n g s y s t e mi n f o r m a t i o n o fw c d m as y s t e m a tf i r s t ，w er e c e i v et h ed o w n l i n k s y s t e mi n f o r m a t i o nm e s s a g e sw h i c ht r a n s m i tt h r o u g ht h eu ui n t e r f a c e s e c o n d l y w er e s o l v et h em e s s a g e su s i n ga s n1r u l e sa tl a s t ，w eg i v et h e a p p l i c a t i o n so ft h es y s t e mi n f o r m a t i o ni na c t u a ln e t w o r k s k e yw o r d s ：w c d m as y s t e m ，u ui n t e r f a c e s y s t e mi n f o r m a t i o n a s n 1 南京邮电学院学位论文独创性声明 y7 6 5 0 0 0 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：莲l 叁叠日期：逸巫：2 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，_ 可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：导师签名： 绺躲：盘 南京邮电学院硕士学位论文 第l 章绪论 第三代移动通信系统最早于1 9 8 5 年由国际电信联盟( i t u ) 提出，当时称为 未来公众陆地移动通信系统( f p l m t s ) ，1 9 9 6 年更名为i m t 一2 0 0 0 ( 国际移动通信 一2 0 0 0 ) ，即该系统工作在2 0 0 0 m h z 频段，最高业务速率可达2 0 0 0 k b s 。从1 9 9 7 年开始，由于第二代移动通信系统的巨大成功，用户的高速增长与有限的系统容 量和有限的业务之间的矛盾日趋明显，第三代移动通信的标准化工作开始逐渐进 入实质阶段。目前，第三代移动通信系统的框架已确定，将以卫星移动通信网与 地面移动通信网结合，形成一个对全球无缝覆盖的立体通信网络，满足城市和偏 远地区不同密度用户的通信需求，支持话音、数据和多媒体等业务，实现个人通 信的理想。 t u 对第三代陆地移动通信系统的基本要求是：在室内、手持机及移动三种 环境下，支持话音和各种多媒体数据业务( 速率达2 m b s ) ，实现高质量、高频 谱利用率、低成本的无线传输技术以及全球兼容的核心网络。目前，第三代移动 通信标准有四种：美国的c d m a 2 0 0 0 ，欧洲的w c d m a ，l a s c d m a 与我国的t d s c d m a 。 目前，在世界范围内应用最为广泛的第三代移动通信系统体制为w c d m a 和 c d m a 2 0 0 0 。 中国的移动通信产业从8 0 年代初投入商用系统以来，已经经历了从模拟通 信向数字通信的转变。随着移动通信的飞速发展，传统的以话音业务为主的第二 代地面移动通信系统已逐渐不能满足人们的要求，而新兴的数字业务，如 i - m li1 、视频传输、文件下载等将成为移动通信中不可或缺的业务组成。因此， 各大移动运营商都在积极地部署第三代移动通信系统。在作为3 ( ；标准的候选方 案中，主要有三个，即c d m a 2 0 0 0 、w c d m a 和t d s c d m a 。这其中，7 f d s c d m a 是 由我国提出，并享有自主知识产权的方案，因而受到国家的重视。欧洲提出的 w c i n a 则是为了实现与g s m 网络的兼容和从g s m 平滑过渡到3 ( ；系统而设计 的。我国移动通信用户数已达到两亿多，而其中绝大部分是( ；s m 网络用户。移 动运营商在部署3 g 的时候，期望能够实现与现有系统的兼容和平滑过渡，以节 约投资。因此，w c d m a 对于我国是一个具有竞争力的候选方案。 第1 页 南京邮电学虎硕士学位论文 在我国通信史上，大概没有一种技术能像3 g 这样受到如此普遍而持久的关 注。在现有四家最大的运营商中，中国联通和中国电信参与c d m a 2 0 0 0 的测试， 中国移动和网通则进行w c d m a 的测试。中国拥有自主知识产权的t d - s c d m a 标准 被指定由国内六大运营商同时进行测试。华为、中兴等4 家系统设备提供厂商， 在北京、上海和广州建设相应的移动通信业务与应用平台。w c d m a 和c d r n a 2 0 0 0 技术在每个城市分别建设一套业务平台，t d s c d m a 与w c d m a 基本共用一套业务 平台。从测试的情况来看，中国目前的3 g 运营环境已经趋于成熟。 w c d m a 测试目前已经完成了s i m m e 之间的互操作测试，2 g 与3 g 之间的漫游 和切换( 室内) 测试，已进入到现场测试阶段。从2 0 0 4 年3 月底到4 月下旬， 已经完成了系统与终端之间的无线接口互操作测试工作，5 月份开始了无线网络 性能、业务与应用等方面的测试。3 g 外场的第三次测试也在2 0 0 4 年底在广州完 成，可以预见，3 g 技术商用将很快实现。 随着3 g 技术的不断成熟，各大运营商也已经蓄势待发，大多数的运营商都 在利用快速部署更新一代的移动通信网络以获得与竞争对手的优势。对于末来的 网络运营商而言，如何经济有效地建设一个网络，保证网络建设的高性价比是其 关心的问题。概括地讲，就是能够支持多种业务，并满足一定q o s 条件下，获得 良好的网络容量，满足一定的无线覆盖要求，同时通过调整容量、覆盖、质量之 间的均衡关系提供最佳的服务。然而3 g 作为一种先进而又复杂的通信系统，其 实现和运营都存在着很大的技术难度，特别是对于没有任何3 g 运营经验的中国 运营商来说，如何规划好这么一个庞大的网络成为面临的一道难题。 网络质量在很大程度上决定于用户数量，任何移动通信网络要一步规划到位 是不可能的，网络建设是一个不断由规划走向优化的过程，不断的去发现和修正 网络中存在的问题，最终使网络达到理想的运营状态。对于w c d m a 移动通信系统， 网络优化更为重要，因为w c d m a 系统是干扰受限系统，系统的容量是软容量。如 果规划的好，不但可以减少网络中出现的问题，而且还可以增加系统的容量。因 此，3 g 网络的优化是3 g 网络建设中的一个很重要的环节。 网络优化就是对已运行的网络进行数据采集、分析，找出影响网络质量的原 第2 页 南京邮电学院项士学位论文 因，通过技术手段或参数调整使网络达到最佳运行状态，使网络资源获得最佳的 利用率。无线网络的优化和维护是保证通讯设备正常、高效运营，不断提高用户 满意度的一项重要工作。同时它也是一项复杂和繁琐的工程，随着用户数量和无 线环境等因素的变化而长期存在。w c d m a 网络优化要经常对网络进行数据采集、 统计分析，找出影响网络质量的原因，并通过物理硬件或网络参数的调整使网络 达到最佳运行状态，从而使网络资源获得最佳的利用率。网络优化重在分析，通 常有信令跟踪分析、话务统计分析、测试分析及用户投诉分析等。w c d m a 网络优 化工作，首先要解决现有网络的覆盖问题，让网络达到无缝覆盖，基本没有盲区； 然后解决网络的服务质量问题，使一个覆盖良好的网络有良好的服务质量；最后 是优化网络资源，使网络在良好运营的情况下创造出最高的效益。优化工作具体 讲就是通过测试和分析，发现系统的问题，修改调整系统的参数，逐步改善系统 的性能。如此反复不断进行，最终使系统在接近最优的状态下工作。 在3 g 系统中，最重要的一个接口就是用户( u e ) 与基站( n o d eb ) 之间的 接口，即u u 接口。为了对网络性能和状态进行全面了解，需要一些可以量化的 指标对网络进行评估。指标的选择依赖于评估者对不同网络性能的侧重。无线网 络的性能通常由话音质量、无线覆盖、掉话率、主叫失败率、被叫失败率、系统 容量和建筑物穿透率等确定。u u 接口是w c d m a 网络的一个重要接口，手机与基 站之间的一些重要的信令传输都通过此接口，通过接收这些信令，用户可以根据 需要获耿l 1 、l 2 或者l 3 的消息内容，并可以根据协议消息中的测量报告取得当 前的各项测量值。例如通过系统信息的接收，就能够得到诸如小区标识号、b c c h 发射功率、小区分集结构和邻小区列表等重要参数。通过这些参数，能够得到网 络的当前运行状态，对这些参数进行各种分析，能够从中发现和定位一些网络中 存在的问题，为网络的验证与优化提供数据，成为网络优化的一个重要环节。 本论文的软件模块是日本芝测公司的w c d m a 网络优化项目的部分。现在日 本已经把w c d m a 标准投入了商用，因此具有定的w c d m a 网络运营的知识与经验。 其生产的m w 7 7 7 a 无线网络分析仪就是一种测量w c d m a 网络空中接口参数的仪 器。本论文主要完成一个解析w c d m a 系统信息的软件模块。首先接收w c d m a 系统 空中接口下行的系统信息消息，然后应用a s n 1 规则对消息进行解析，最后给出 第3 页 南京邮电学虎硕士学位论文 系统信息在实际网络中的应用。 为了实现空中接口下行系统信息消息的接收与解析，必须先理解w c d m a 系统 空中接口的相关理论知识。因此在论文的前几章，介绍了相关的基础知识。论文 共分七章。第一章介绍中国对3 g 研究的进展状况以及论文的大概内容。第二章 为w c d m a 系统的基本理论，包括系统各组成部分和各个接口等的介绍。第三章介 绍了w c d m a 系统空中接口的协议层，详细的描述和分析物理层( l i ) 、数据链路 层( l 2 ) 和网络层( l 3 ) 的结构、功能以及为上层提供的服务等。第四章将重点 介绍用于描述空中接口层3 消息结构的a s n 】描述，因为层3 消息的传递最终要 依赖于消息的a s n 1 描述。然后介绍一个具体的层3 消息：系统信息以及它的结 构。第五章是基于m w 7 7 7 a 的空中接口系统信息解析模块的具体实现，包括消息 数据的接收与消息数据的解析，并以系统信息的接收为例来说明空中接口上层3 协议的接收与解析。第六章分析了部分系统信息块的解析内容，以及其在实际中 的应用。最后一章为本文小结。 第4 页 南京邮电学院硕士学位论文 2 1 概述 第2 章w c d m a 系统结构 u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ，通用移动通信系统) 是采用w c d m a 空中接口技术的第三代移动通信系统，通常也把u m t s 系统称为 w c d m a 通信系统。w c d m a 通信系统采用了与第二代移动通信系统类似的结构，包 括u m t s 无线接入网络( u m t sr a d i oa c c e s sn e t w o r k ，u t r a n ) 和核心网络( c o r e n e t w o r k ，c n ) 。无线接入网络采用先进的w c d m a 技术，核心网络则采用灵活的、 可从g s m 网络平滑演进过来的、分层的体系结构。其中无线接入网络处理所有与 无线有关的功能，而c n 处理w c d m a 通信系统内所有的话音呼叫和数据连接，并 实现与外部网络的交换和路由功能。c n 从逻辑上分为电路交换域( c i r c u i t s w i t c h e dd o m a i n ，c s ) 和分组交换域( p a c k e ts w i t c h e dd o m a if i ，p s ) 。 u t r a n 、c n 与u e ( u s e re q u i p m e n t ，用户设备) 一起构成了整个w c d m a 通 信系统。其系统结构如图2 1 所示： 图2 1w c d m a 的系统结构 从3 g p pr 9 9 标准的角度来看，u e 和u t r a n 由全新的协议构成，其设计基于 w c d m a 无线技术。而c n 则采用了g s m g p r s 的定义，这样可以实现网络的平滑过 渡，此外在第三代网络建设的初期可以实现全球漫游。 第5 页 南京邮电学院硕士学位论文 2 2 w c d m a 系统网络构成 w c d m a 网络单元构成如图2 2 所示 图2 2 w c d m a 网络单元构成示意图 从图2 2 的w c d m a 系统网络构成示意图中可以看出，w c d m a 系统的网络单元包 括如下部分： 1 u e u e 是用户终端设备，它主要包括射频处理单元、基带处理单元、协议栈模块 以及应用层软件模块等。u e 通过u u 接e l 与网络设备进行数据交互，为用户提供电 路域和分组域内的各种业务功能，包括普通话音、数据通信、移动多媒体、 i n t e r n e t 应用( 如e m a i l 、w w w 浏览、f t p 等) 。 u e 包括两部分： m e ( m o b i l ee q u i p m e n t ) ，提供应用和服务 u s i m ( u m t ss u b s c r i b e rm o d u l e ) ，提供用户身份识别 u t r a n 分为基站( n o d eb ) 和无线网络控制器( r n c ) 两部分。 第6 页 南京邮电学晓硕士学位论文 n o d eb 是w c d m a 系统的基站( 即无线收发信机) ，包括无线收发信机和基带 处理部件。通过标准的i u b 接口和r n c 互连，主要完成u u 接口物理层扔议的处理。 它的主要功能是扩频、调制、信道编码及解扩、解调、信道解码，还包括基带信 号和射频信号的相互转换等功能。 n o d eb 由下列几个逻辑功能模块构成：r f 收发放大、射频收发系统( t r x ) 、 基带部分( b b ) 、传输接口单元、基站控制部分。 r n c ( r a d i 0n e t w o r kc o n t r o l l e r ) r n c 是无线网络控制器，主要完成连接建立和断开、切换、宏分集合并、无 线资源管理控制等功能。具体如下： ( 1 ) 执行系统信息广播与系统接入控制功能； ( 2 ) 切换和r n c 迁移等移动性管理功能； ( 3 ) 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 c n c n ，即核心网络，负责与其他网络的连接和对u e 的通信和管理。主要功能实 体如下： m s c v l r 是w c d m a 核心网c s 域功能节点，m s c v l r 的主要功能是提供c s 域的呼 叫控制、移动性管理、鉴权和加密等功能。 ( 2 ) 6 、_ i s c g m s c 是w c d m a 移动网c s 域与外部网络之间的网关节点，是可选功能节点。g m s c 的主要功能是充当移动网和固网之间的移动关口局，完成p s t n 用户呼叫移动用户 第7 页 南京邮电学院硕士学位论文 时呼入呼叫的路由功能，承担路由分析、网间接续、网间结算等重要功能。 ( 3 ) s g s n s g s n ( 服务g p r s 支持节点) 是w c d m a 核心网p s 域功能节点。s g s n 的主要功能 是提供p s 域的路由转发、移动性管理、会话管理、鉴权和加密等功能。 g g s n ( 网关g p r s 支持节点) 是w c d m a 核心网p s 域功能节点，g g s n 主要功能是 同外部i p 分组网络的接口功能，g g s n 需要提供u e 接入外部分组网络的关口功能， 从外部网的观点来看，g g s n 就好象是可寻址w c d m a 移动网络中所有用户i p 的路由 器，需要同外部网络交换路由信息。 ( 5 ) h l r h l r ( 归属位置寄存器) 是w c d m a 核心网c s 域和p s 域共有的功能节点。h l r 的 主要功能是提供用户的签约信息存放、新业务支持、增强的鉴权等功能。 e x t e r n a n e t w o r k s ，即外部网络，可以分为两类： 电路交换网络( c sn e t w o r k s ) ：提供电路交换的连接服务，如通话服务。 s d n 和p s t n 均属于电路交换网络。 分组交换网络( p sn e t w o r k s ) ：提供数据包的连接服务，i n t e r n e t 属于 分组数据交换网络。 2 3 系统接口 从图2 2 的u m t s 网络单元构成示意图中可以看出，3 gw c d m a 系统与2 gg s m 网 络相比，c n 部分的接口变化不大，只列出了与r a n 相关的接口，没有列出c n 内部 的接口。 第8 页 南京邮电学院项士学位论文 w c d m a 网络u t r a n 部分的标准接口主要包括u u 、i u b 、i u r 、i u 等。w c d m a 的 网络接口具有以下三个特点：所有接口具有开放性；将无线网络层与传输层分离； 控制面和用户面分离。 u t r a n 部分主要有如下接口： 1 c u 接口 c u 接口是u s i m 卡和m e 之间的电气接口，c u 接口采用标准接口。 2 u u 接口 u u 接口是w c d m a 的无线接口，u e 通过u u 接口接入至i j u m t s 系统的固定网络部分， 可以说u u 接口是u m t s 系统中最重要的开放接口。 3 i u 接口 i u 接口是连接u t r a n 和c n 的接口。类似于g s m 系统的a 接口和g b 接口。i u 接口 是一个开放的标准接口，这也使得通过i u 接口相连接的u t r a n 与c n 可以分别由不 同的设备制造商提供。 4 i u f 接口 i u r 接口是连接r n c 之间的接口，i u r 接口是u m t s 系统特有的接口，用于对r a n 中移动台的移动管理。比如在不同的r n c 之间进行软切换时，移动台所有数据都 是通过i u r 接口从正在工作的r n c 传到候选r n c 。i u r 是开放的标准接口。 5 i u b 接口 l u b 接口是连接n o d eb 与r n c 的接口，i u b 接1 3 也是一个开放的标准接口。这 也使通过i u b 接口相连接的r n c 与n o d ea n - i 以分别由不同的设备制造商提供。 2 4 无线接入网 2 4 1 无线接入网结构 第9 页 南京邮电学院项士擎位论文 u t r a n 包括许多通过i u 接口连接到c n 的r n s 。一个r n s 包括一个r n c 和一 个或多个n o d eb 。n o d eb 通过i u b 接口连接到r n c 上，它支持f d d 模式、t d d 模式或双模。n o d eb 包括一个或多个小区。 u t r a n 内部，r n s 中的r n c s 能通过i u r 接口交互信息，i u 接口和i u r 接口 是逻辑接口。l u r 接口可以是r n c 之间物理的直接相连或通过适当的传输网络实 现。u t r a n 结构如图2 _ 3 所示。 口。 图2 3u t r a n 结构 i u 、i u r 、i u b 接口分别为c n 与r n c 、r n c 与r n c 、r n c 与n o d eb 之间的接 2 4 2 u t r a n 接口模型 l t r a n 接口通用协议模型依据层间和平面间相互独立原则而建立。 l t r a n 包括无线网络层和传输网络层。其中，无线网络层分为用户平面和控 制平面；传输网络层分为传输网络用户平面和传输网络控制平面。 无线网络层： 控制平面包括应用协议以及用于传输应用协议消息的信令承载。 第1 0 页 南京邮电学院项士学位论文 无线网络层的用户平面包括数据流和用于传输数据流的数据承载。数据流是 各个接口规定的帧协议。 传输网络层：为用户平面传输、信令传输和特定的运行与维护( 0 m ) 传输提供 服务，而与u t r a n 的特定的功能无关。 传输网络控制平面只在传输层，它不包括任何无线网络控制平面的信息。 传输网络用户平面用于用户平面的数据承载和应用协议的数据承载。 2 4 3 u u 和i u 接口协议结构 u u 和i u 接口上的协议一般分成两种结构 用户平面协议 这些协议完成真正的无线接入承载业务等，同时携带底层接入的用户数据。 用户平面协议结构如图2 4 所示： 控制平面协议 图2 4 用户平面协议结构 协议包括：控制无线接入承载以及u e 与不同网络之间的连接，( 包括请求服 务，控制不同的传输资源，也包括n a s 信息的透明传输机制。用户平面拂议结构 第1 i 页 南京邮电学虎项士学位论文 如图2 5 所示： m m ，g m m ，m非接入层 c m k m o m m s “ 删安口 嘛舔 舔 协爱 议议 议 接入层 ； u e u u u t r a n i u c n 图2 5 控制平面协议结构 第1 2 页 南京邮电学院项士学位论文 第3 章空中接口协议栈 3 1 空中接口协议结构 w c d m a 的无线接入技术主要体现在无线接口的设计上。所以本文主要对无线 接口的各个协议进行介绍。w c d l d a 无线接口是指用户设备( i j e ) 和u m t s 地面无 线接入网( u t r a n ) 之间的接口，通常也被称为空中接口，简称u u ( u e u t r a n ) 接口。用户设备就是通过无线接口接入到系统固定网络部分的。 w c d m a 的无线接口是u m t s 最重要的开放接口，也是w c d m a 技术的关键所在， 其中涉及很多关键技术。所谓接口是开放的，意思是接口的定义允许接口的终端 设备可以是不同的厂家生产的。也就是说，只要遵从接口的规范，不同制造商生 产的终端设备也能够相互通信。一般来说，用户终端设备制造商要比网络制造商 多得多。因此制定一个开放的无线接口有利于不同制造商产品之间的兼容。当然， 对使用不同无线传输技术的产品而言，是无法作到相互兼容的。 下面主要介绍w c d m a 的空中接口( u u 接口) 的技术和协议规范。首先将介 绍无线接口协议的结构，然后详细介绍物理层的技术，再后是高层协议。 空中接口分为三个协议层：物理层( l 1 ) 、数据链路层( l 2 ) 、网络层( l 3 ) 。 l 2 被进一步分成媒体接入层( m a c ) 、无线链路控制层( r l c ) 、分组数据会聚 协议层( p d c p ) 和广播多点传送控制层( b m c ) 。 空中接口协议结构如图3 1 所示。 第1 3 页 南京邮电学院项士学位论文 图3 1 空中接口协议结构 p d c p 分组数据会聚协议p h y 物理层 r r c 无线资源控制 m a c 媒体接入控制d c 专用控制 r l c 无线链路控制 n t 通知 b m c 广播多点传送控制协议g c 通用控制 图中每个方块代表一个协议的实例。 在层问界面上，圆圈表示端到端的通信服务接入点( s a p ) 。m a c 和物理层 ( f ) t t y ) 之间的s a p 提供传输信道。r l c 和m a c 之间的s a p 提供逻辑信道。接入 层向上提供通用控制( g c ) 、通告( n t ) 和专用控制( d c ) 服务接入点。 从图中可以看到在r r c 和r l c 、r r c 和m a c 、r r c 和l l 、r r c 和p d c p 以及r r c 和b m c 之间存在连接，r r c 通过这些接口控制低层的配置。因此在r r c 和每个低 层p d c p 、r l c 、m a c 和l l 之间分别定义了一个独立的控制服务接入点。 第1 4 页 南京邮电学院硕士学位论文 物理层通过传输信道向m a c 层提供服务。传输信道以数据的传输方式为特 征，它指示数据是以何种方式以及何种特征进行传输的。 m a c 层通过逻辑信道向r l c 层提供服务。逻辑信道以发送数据的类型为特征， 它指示传输的数据是何种类型的。 r 1 。c 层通过业务接入点向上层提供服务。业务接入点指示了r l c 层处理数据 的方式，如是否使用自动重复请求( a r q ) 功能。在控制平面，r r c 层使用r l c 层的服务来传输信令，r l c 服务称为信令无线承载；在用户平面，与服务相关的 协议层p d c p 或b m c 或其他高层用户平面功能( 如语音编码) 使用r l c 层提供的 服务，r l c 业务称为无线承载。r l c 协议以三种模式透明模式、非确认模式 和确认模式进行操作。 分组数据会聚协议( p d c p ) 仅对p s 域服务存在。它的主要功能是报头压缩。 p d c p 提供的服务称为无线承载。 广播组播控制协议( b m c ) 用于在无线接口上传递e h + 区广播中心产生的消 息。b m c 提供的服务称为无线承载。 r r c 层通过服务接入点向上层提供服务。在u e 侧，高层协议使用r r c 提供 的服务；在u t r a n 侧，i ur a n a p 协议使用该服务。所有高层信令( 移动性管理、 呼叫控制、会话管理等等) 都封装在r r c 消息中在空中接口上传输。 r r c 和所有低层协议之间都存在着控制接口。r r c 层使用这些控制接口对低 层协议实体的参数进行配置，其中包括物理信道、传输信道和逻辑信道的参数。 r r c 层也能使用这些控制接口命令低层执行测量；同时，低层通过控制接口向r r c 报告测量结果和错误信息。 3 2 物理层 物理层也即l 1 层，是u u 接口的最底层，是其它层完成功能的基础。它支持 所有要求在物理介质上进行传输比特流的功能。 第1 5 页 南京邮电学院项士学位论文 3 2 i 物理层提供的服务 物理层位于协议结构模型中的最底层，它的主要任务是为上层提供数据传输 服务以及完成其它一些基本过程，如物理层测量、小区选择、随机接入、同步建 立与锁定等。物理层与高层的通信接口有两个：无线资源控制层( r r c ) 和介质 接入控制层( 姒c ) ，这两接口通常也叫做控制信道和传输信道。 一、控制信道 控制信道位于r r c 子层和物理层之间，信道上主要传递控制类和状态类的信 息，使用c p h y 原语进行层间通信。r r c 子层通过控制信道对物理层的结构和过 程进行控制，如传输信道结构、无线链路配置、测量过程及参数等。而物理层则 通过同一信道对来自r r c 子层的请求进行证实，将检测到的信道同步失步以及 其它一些错误情况向r r c 子层进行指示等。 二、传输信道 传输信道位于m a c 子层和物理层之间，使用p h y 原语进行层间通信。物理层 通过与m a c 层间的s a p 向m a c 及高层提供信息传输服务。物理层为m a c 层提供了 不同的传输信道，通过“传输信道”这一概念描述了物理层数据传递服务的方式 和特征。通过映射到不同物理信道上的传输信道，u t r a n 中高层产生的数据可以 经由空中接口进行传输。一个传输信道定义了通过空中接口的数据怎样进行传输 以及传输具有什么样的特点。 传输信道分为两大类：公共传输信道和专用传输信道。公共传输信道是小区 中所有用户或一组用户共享的资源，而专用传输信道是为某个用户预留的资源。 公共传输信道 广播信道( b c h ) ：用于传输u t r a n 网络或指定小区特有的信息( 例如，随机 接入码、小区接入时隙、小区类发射分集方法等) 。 前向接入信道( f a c h ) ：向位于给定小区中的终端传输下行链路控制信息。 寻呼信道( p c h ) ：传输与寻呼过程有关的数据。 第1 6 页 南京邮电学院项士学位论文 随机接入信道( r a c h ) ：传输上行链路控制信息，如建立一个r r c 连接的请求。 公共分组信道( c p c h ) ：传输上行链路基于分组的用户数据。 下行链路共享信道( d s c h ) ：传输专用用户的数据和或控制信息，同时可供 多个用户分时使用。 专用传输信道： 在3 g p p 中规定的唯一专用物理信道是专用传输信道( d c h ) ，它支持可变比 特速率和复合业务。专用传输信道携带来自高层的所有用户信息，包括实际数据 ( 语言帧、数据等) 和控制信息( 测试控制命令、u e 测试报告等) 。专用传输信 道映射在专用网络数据信道( d p d c h ) 上。 三、层间参数( 格式与配置) 前面已经提到，一个传输信道定义了通过空中接口的数据怎样进行传输以及 传输具有什么样的特点。通过传输信道交换的信息多涉及到对等层实体间的通 信，为了保障通信的正常进行，在3 g p p 的规范中对传输信道进行了规范化处理， 定义了一系列的层间通信参数和通信过程。在通信建立或通信进行过程中，网络 随时可以对这些参数进行配置或重配置。 为了描述物理层是如何完成和控制传输信道( t r c h ) 的映射，下面介绍一些 对所有类型的传输信道都适用的一般术语和定义。 传输块( t b ) ：是提供给物理层处理的、m a c 子层与物理层之间数据交换的基 本单元，典型的一个t b 对应于一个r l cp d u 或相应的单元。 传输块集( t b s ) ：定义为同一时间使用相同传输信道的m a c 子层与物理层之 间交换的一组t b 。 传输时间间隔( t t i ) ：定义为t b s 到达的时间间隔，且等于t b s 在空中接口 的物理层上的传输周期。 传输格式( t f ) ：是指一个t t i 期间内在给定传输信道上为了发送一个t b s 而由物理层向m a c 提供的格式。传输格式由两部分组成：1 动态部分：包括 传输块大小和传输块集大小。所谓动态就是指的这两部分可以在不同的t t i 第1 7 页 南京邮电学虎项士学位论文 中发生变化。2 半静态部分：包含传输时间间隔、信道编码方案、编码速率、 静态速率匹配参数r m 和c r c 的比特数等。 传输格式集( t f s ) ：是与传输信道有关的一组t f 。它定义了一条传输信道上 允许的传输格式的集合。对固定速率或慢变速率的传输信道，存在一个与之 相关联的传输格式。而对快变速率的传输信道，需要一个传输格式集( t f s ) 来定义m a c 子层和物理层间信息交换的方式。t f s 是一组传输格式，m a c 子 层根据信息源的瞬时速率可在每一t t i 时间基础内从t f s 中选择一个合适的 传输格式。 传输格式组合( t f c ) ：为了提高传输效率，物理层将把从一条或多条传输信 道上接收到的数据组合起来构成一条或多条编码组合传输信道( c c t r c h ) 。 在每一条编码组合传输信道上都存在着一个传输格式集。 传输格式组合集( t f c s ) ：定义为一条编码组合传输信道c c t r c h 上所有传输 格式组合的集合。 传输格式指示( t f i ) ：t f i 是m a c 子层与物理层交换数据时的一个参数，用 以指示信道传输格式集中的一个特定传输格式。 传输格式组合指示( t f c i ) ：描述了当前的传输格式组合。一个特定的t f c i 值与一种特定的传输格式组合有着一一对应的关系。 我们可以将发送端与接收端对等层实体间的通信简单描述一下。发送端的 m a c 子层在每个时间间隔与物理层通信时，用t f i 指示传输信道的传输块集。物 理层根据从所有的并行传输信道上收到的t f i 值来生成物理层的控制信令t f c i 。 做为物理层的信令，t f c i 用于通知接收端当前激活的传输格式组合，接收端的 物理层可以根据此信息确定怎么对接收到的数据进行解码、去复用以及用什么样 的传输格式将接收到的数据块集送到m a c 子层。可供物理层选用的t f c i 值由通 信双方的高层( r r c ) 在配置物理信道时给出。通信建立时，通信的双方通过磋 商机制制定出一套双方都能支持的传输格式组合集。 3 2 2 物理层主要功能 物理层主要完成以下功能： 第1 8 页 南京邮电学院硕士学位论文 传输信道的前向纠错编码( f e c ) 解码； 宏分集的分解合成以及软切换的实现； 传输信道上的错误检测： 传输信道的多路复用以及解编码组合传输信道； 速率匹配问题； 编码组合传输信道在物理信道上的映射； 物理信道上的调制、扩频以及解调和解扩； 频率和时间( 时隙、比特、码片、帧) 的同步； 闭环功率控制； 物理信道的功率加权和组合； 射频( r f ) 处理。 由于本文主要讨论空中接口的协议栈，不对物理层的数据处理过程加以讨 论，因此不对基带信号处理( 信道编码和多路复用、扩频与调制等) 给出具体分 析。 3 3 数据链路层 3 3 1 m a c 子层 媒体接入控制子层( m a c ) 位于物理层之上。它使用物理层提供的传输信道 并向无线链路层提供逻辑信道。因此，在m a c 子层中执行逻辑信道与传输信道之 间的映射。本节首先介绍m a c 子层的逻辑结构，及其主要逻辑实体的作用和功能， 然后说明m a c 子层提供的服务和功能。 一、m a c 子层的逻辑结构 第1 9 页 南京邮电学晓硕士擘位论文 ；c c k 哺 c 恃辅信道 b c h 图3 2m a c 子层的逻辑结构图 从图中可以看出，m a c 子层由三个逻辑实体m a c b 、m a c c s h 、m a c d 组成。 m a c 子层与r l c 子层之间的通信使用逻辑信道，与物理层之间的通信使 用传输信道。m a c 子层通过与物理层间服务接入点( s a p ) 。接收物理层提供的数 据传递业务。m a c 子层通过与r l c 层间的s a p 向r l c 层提供逻辑信道，并通过该 s a p 向离层提供数据传递、无线资源和m a c 参数的重新分配、测量报告等业务， 接受上层的控制信息。m a c 子层的三个逻辑实体都要完成逻辑信道与传输信道之 间的功能映射。 m a c b 处理广播信道( b c h ) 上传输的信息，其主要完成逻辑信道广播 控制信道( b c c h ) 和传输信道广播信道( b c h ) 之间的映射。 m a c c s h 处理公共信道和共享信道寻呼信道( p c h ) 、前向接入信道 ( f ? a c f ) 、随机接入信道( r a c l 4 ) 、上行链路公共分组信道( c p c t d 和下行链路共 享信道( d s c h ) 上的信息。m a c c s h 实体主要完成逻辑信道与公共传输信道和 共享传输信道之间的映射。 m a c d 处理分配给一个处于连接模式的u e 的专用信道( d c h ) 上传输的信息。 y a c d 实体主要完成逻辑信道d c c h d t c h 和传输信道d c h