（通信与信息系统专业论文）umts网络中hsupa重排研究.pdf

摘要 h s u p a ( 高速上行分组业务接入) 技术是一项为了提高上行数据传输速率和系 统容量的无线接入技术，其通过采用n o d eb ( 基站) 控制的调度、结合软合并的 h a r q ( 混合自动重传请求) 、更短的t t i ( 传输时间间隔) 等关键技术，使u e ( 用户设 备，即手机) 能以尽可能多的功率传输h s u p a 数据从而提供更大的上行吞吐量。 本文首先简要介绍了w c d m a 和h s u p a 的基本概念。阐述了w c d m a 在引 入h s u p a 后，u t r a n 网络内部新增模块功能和原有模块功能变化。同时，讲述 了移动终端建立r 9 9 分组业务时的整个信令流程和数据传输流程。 论文在考虑现有接入网处理r 9 9 业务流程的基础上，结合h s u p a 的特点， 给出了一种简单有效的处理h s u p a 数据包重排序问题的方法，并通过动态调整参 数适应各种业务对时延和丢包率要求。最后，将重排序算法应用到现有接入网的 新增模块m a c e s 硬件中。实验结果表明，系统开销仅增加1 0 ，而u e 上行传输 速率约提升6 0 ，说明引入该算法提高了系统性能。 关键词：u m t sw c d m a 协议重排序实体h s u p am a c e s 实体 a b s t r a c t w c d m ah i g hs p e e du p l i n kp a c k e ta c c e s s ( h s u p a ) i sak i n do fr a d i oa c c e s s t e c h n o l o g yw h i c ha i m st op r o v i d eh i g h e ru p l i n kb i tr a t ea n dc a p a c i t y t h e r ea r et h r e e k e yt e c h n o l o g i e s ： f a s ts c h e d u l eo fn o d e b ，s o f t - c o m b i n e o f h a r q ( h y b r i d a u t o m a t i c - r e p e a t r e q u e s t ) ，a n das h o r t e rt r a n s m i s s i o nt i m ei n t e r v a l t h e a p p l i c a t i o no ft h e s ek e yt e c h n o l o g i e sc a nm a k eu s e re q u i p m e n tt r a n s m i th s u p a d a t a a sm u c ha sp o s s i b l ei nl i m i t e dt r a n s m i s s i o n - p o w e r a tt h eb e g i n n i n g ，t h i st h e s i sb r i e f l yi n t r o d u c e st h eb a s i cc o n c e p t so fw c d m aa n d h s u p a t h ef u n c t i o no fn e wm o d u l e si nu t r a na n dt h ec h a n g e df u n c t i o n so f o r i g i n a lm o d u l e sa r ep r e s e n t e da f t e rc o n s i d e r i n gh s u p a a tt h es a m et i m e ，i tg i v e su s t h ee n t i r es i g n a l - f l o wa n dd a t a - f l o wp r o g r a mw h e nr 9 9d a t a - p a c k e ti ss e tu pf o ru e i nt h i st h e s i s ，a f t e r c o n s i d e r i n gt h er 9 9t r a f f i c i nc u r r e n tu t r a na n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fh s u p a ，a l le f f e c t i v ea l g o r i t h mi sp r o p o s e dt od e a lw i t ht m o r d e r e d h s u p ad a t a p a c k e t t h r o u g hd y n a m i ca d j u s t m e n to fp a r a m e t e r s ，t h ea l g o r i t h mc a n a d a p tt oav a r i e t yo fd e l a ya n dd r o p p e dr a t eo fd i f f e r e n tt r a f f i c s f i n a l l y ，t h i sa l g o r i t h m i sa p p l i e dt ot h en e wm o d u l em a c - e so fa c c e s sn e t w o r k t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h es y s t e mc o s tj u s ti n c r e a s e sa b o u t10p e r c e n t ，b u tt h eu p l i n kd a t ar a t eo fu ei s i m p r o v e da b o u t6 0p e r c e n t i ti n d i c a t e st h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mp e r f o r m sb e t t e r k e yw o r d s ：u m t sw c m d ar e o r d e r i n g - e n t i t y h s u p am a c - e se n t i t y 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 l 本人签名： 昼圣建笙 日期五主! z ! 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撩写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的 论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期1 2 墨鱼 期oqh 芗，口 期兰：尘 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百y 匕 本章主要介绍论文的选题背景，分别对w c d m a 技术的产生、网络构成、发 展演进及研究现状进行了概述，最后给出了本文的主要研究工作和内容安排。 1 1 课题背景与w c d m a 现状 移动通信系统经历了第一代的小区制蜂窝系统模拟蜂窝系统( a m p s ) 1 1 、第二 代的基于t d m a 和窄带c d m a 基础的数字蜂窝系统( g s m ) 、第2 5 代的通用分组 数字蜂窝( g p r s ) ，到现在的第三代移动通信系统。第三代移动通信的目标是实现 任何人在任何地点、任何时间与其他任何人进行任何方式的通信。同时随着3 g ( 3 r d g e n e r a t i o n ) 牌照的颁布推动了各运营商对3 g 网络的建设和运营，人们也将享受到 高速，移动通信带来的快乐。 为了满足更多更高速率的业务和更高频谱效率的要求，减少目前存在的各大 网络之间的不兼容性，世界性的标准一m t 一2 0 0 0 ( 国际移动通信) 应运而生， i m t 2 0 0 0 支持的网络被称为第三代移动通信系统，简称3 g 。北美、欧洲、日本和 中国等国家提出了1 0 种3 g 标准，分别是欧洲和日本的w c d m a 和北美的 c d m a 2 0 0 0 以及我国提出的t d s c d m a 。 众所周知，第二代移动通信系统中，g s m 系统占有最大的比例，为了使g s m 系统能顺利发展和演进到使用基于c d m a 技术的第三代移动通信系统，欧洲与日 本一些研究机构先后进行了技术融合，并提出了w c d m a 技术以及成立第三代移 动通信伙伴计划( 3 g p p ) ，来进行w c d m a 标准的制定与完善。w c d m a 完全可以 实现全球覆盖及全球无缝漫游，全球使用共用频段为1 8 8 5 2 0 2 5 和2 11 0 2 2 0 0 。 其服务质量高、比特误码率小，具有低成本、低功耗、高保密性等良好的商业特 性。w c d m a 继承了g s m 的核心网，将是各大运供应商追捧的对象，也将成为主 流中的主流。同时随着美国高通公司放弃c d m a 2 0 0 0 的研发而转向l t e 的演进， 也将推动w c d m a 走向巅峰。 而随着移动多媒体、i n t e r n e t 等大量数据业务的丰富和发展，w c d m a 协议也 不断在被刷新，在1 9 9 9 年1 2 月，w c d m a 有了第一个公认的比较稳定的版本 r e l e a s e - 9 9 ( r 9 9 ) 。此后，w c d m a 标准的演进升级经历了从稳定的r 9 9 到 r e l e a s e - 4 ( r 4 ) 、r e l e a s e 5 ( r 5 ) 、r e l e a s e - 6 ( r 6 ) 。这些版本的升级都是前向兼容的， 在原来的基础上提出了新的技术，其中最值得我们关注的就是h s d p a ( 高速下行 链路分组接入) 和h s u p a ( 高速上行链路分组接入) 。 2 u m t s 网络中h s u p a 重排研究 1 2 论文的主要工作与安排 1 2 1 论文的主要工作 1 简要分析了现有的w c d m a 中协议栈之间的关系和用户建立业务的整个信 令面流程。 2 详细分析了h s u p a 的关键技术【3 】州和r 9 9 业务的处理流程。认真分析了重 排序引入对各个层的影响、重排序引入的目的、以及其将达到的效果。 3 根据协议给出的对h s u p a 的处理新增加的处理模块m a c e s 功能，给出了 一种解决h s u p a 业务重排序的有效方法，并对重传次数模糊的情况进行了仿真分 析，最终实现在实际网络系统中。 4 根据重传的特点，给出了一种动态调整重排序的窗口机制，可以有效地动态 适应网络中终端做业务时业务量的变化，从而提高性能。 5 通过仿真验证了算法的有效性。给出了应用重排算法的测试结果和性能分 析，发现h s u p a 重排算法的使用提高了传输速率，减少了传输时延，从而提高了 系统的整体性能。 1 2 2 论文的安排 论文共分为五章： 第一章介绍了本论文的发展现状、h s u p a 的简介，对论文的总体安排进行 了说明。 第二章简要分析了现有u m t s 网络的结构、逻辑接口、w c d m a 中重要的 基本概念，协议栈级的u e 通信的流程等。 第三章详细分析了h s u p a 技术中的关键技术和由于其引入带来网络侧 0 a t r a n ) 的变化包括物理层、m a c 层等。 第四章认真分析h s u p a 对l 2 的影响，根据协议对h s u p a 中重排功能的描 述，给出了一种h s u p a 重排序的算法，并与传统的r 9 9 业务中没有重排序方案 进行了比较分析，充分考虑重排中各种因素的影响，最终给出了重排算法流程。 第五章通过单个终端在现实网络中做h s u p a 时，是否增加重排序算法的测 试结果，并对其性能影响作了分析。 第二章u m t s 网络简介 第二章u m t s 网络简介 2 iu m t s 网络结构 u m t s f u n i v e r s a l m o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 通用移动通信系统，是i t u i m t - 2 0 0 0 的重要组成部分。早在1 9 9 1 年e t s i ( e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n s s t a n d a r d si n s t i t u t e ) 就开始从事此方面的研究，1 9 9 8 年初u m t s 选择了一种无线接 口成为u t r a 。u m t s 终端与g s m 终端最大的区别张于采用分组交换技术，而不 是g s m 系统中的电路数据交换技术，同时其采用w c d m a 空中接口。 图z 1u m t $ 网络结掏 1 无线接入层 u t r a n 0 m v r r st e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k ，u n i t s 陆地无线接入网份为 基站( n o d eb ) 和无线网络控制器( r n c ) 两部分，如图21 所示。 n o d eb “是w c d m a 系统的基站( 即无线收发信机1 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 接口物理层协议的处 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。其由下列几个逻辑功能模块构成，r f 收发 4 u m t s 网络中h s u p a 重排研究 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 on e t w o r kc o n t r o l l e r ) 又称为无线网络控制器，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：执行系统信息 广播与系统接入控制功能，切换和r n c 迁移等移动性管理功能，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。 2 业务汇聚层 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，它通过p s t n i s d n 接口与外部网络( p s t n 、i s d n 、其它p l m n ) 相连，通过c 接口与h l r 相连，通过c a p 接口与s c p 相连。它的主要功能是完成v m s c 功能中的 呼入呼叫的路由功能。 s g s n l 6 h f i w c d m a 核心网p s 域功能节点，它通过i up s 接口与u t r a n 相 连，通过g n g p 接口与g g s n 相连，通过g r 接口与h l r a u c 相连，通过g s 接口与 v m s c v l r ，通过c a p 接口与s c p 相连，通过g d 接口与s m c 相连，通过g a 接口与 c g 相连，通过g n g p 接口与s g s n 相连。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 是网关g p r s 支持节点，通过g n 接口与s g s n 相连，通过g i 接口与外 部数据网络( i n t c m e t i n t r a n e t ) 相连。g g s n 提供数据包在w c d m a 移动网和外部数 据网之间的路由和封装。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。 3 业务管理层 v m s c n l r 7 】w c d m a 核心网c s 域功能节点，它通过i uc s 接口与u t r a n 相连，通过p s t n i s d n 接口与外部网络( p s t n 、i s d n 、其它p l m n ) 相连，通过c d 接口与h l r a u c 相连，通过e 接口与v m s c n l r 或s m c 相连，通过c a p 接口与s c p 相连，通过g s 接口与s g s n 相连。v m s c v l r 的主要功能是提供c s 域的呼叫接续、 移动性管理、鉴权和加密等功能。 h l rw c d m a 移动网归属位置寄存器，它通过c 接口与v m s c v l r 或 g m s c 相连，通过g r 接口与s g s n 相连，通过g c 接口与g g s n 相连。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、以及移动用户 目前的漫游，位置等功能。 o m c 功能实体包括设备管理系统和网络管理系统。设备管理系统完成对 各独立网元的维护和管理，包括的性能管理、配置管理、故障管理、计费管理和 安全管理的业务功能。网络管理系统能够实现对全网所有相关网元的统一维护和 管理，实现综合集中的网络业务功能，具体同样包括网络业务的性能管理、配置 管理、故障管理、计费管理和安全管理。 第二章u m t s 网络简介 4 业务申请者 u e ( u s e re q u i p m e n t ) 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 接口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、宽带话音、 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( 1 ) m e ( t h em o b i l ee q u i p m e n t ) 移动设备：提供应用和服务， 通过u u 接口进行无线通信的无线终端。( 2 ) u s i m ( t h eu m t ss u b s r i b e rm o d u l e ) 提供 用户身份识别，一张智能卡，记载有关用户标识，可执行鉴权算法，并存储权、 密钥及终端所需的一些用户签约信息。 5 外部网络 电路交换网络( c sn e t w o r k s ) 提供电路交换的连接，像通话服务。i 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 m e t 属于分组数据 交换网络。 2 2w c d m a 基本概念详述 2 2 1 传输信道( t r a n s p o r tc h a n n e l ) 传输信道【8 】是物理层对m a c 层提供的在l 1 的对等层之间传输数据的信道。 传输信道的分类是按照数据传输的方式进行的。传输信道以发送数据的传输方式 为特征，它指示数据是以何种方式以及何种特征传输的。传输信道承载了高层产 生的数据，并且在物理层上映射到不同的物理信道。传输信道可以分为两类：专 用传输信道和公用传输信道。它们的区别在于公共信道资源可以由小区内的所有 用户或一组用户共同分配使用，而专用信道资源仅仅为单个用户预留，并在某个 特定的频率采用特定编码加以识别。 专用传输信道有两种类型，即专用信道( d c h ，d e d i c a t e dc h a n n e l ) 和增强型专 用信( e d c he n h a n c e dd e d i c a t e dc h a n n e l ) 。专用传输信道用于发送特定用户的物理 层以上的信息，包括业务数据和控制信息。专用传输信道的特征包括采用快速功 率控制、数据速率可以逐帧变化、支持软切换。增强型专用信道还采用了n o d eb 控制的物理层快速重传、快速调度和2 m s 短帧等技术来提高上行链路分组数据的 传输能力。公共传输信道共分五种，部分公共信道支持软切换和快速功率控制。 1 随机接入信道( r a c h ，r a n d o ma c c e s sc h a n n e l ) ，是上行链路传输信道，用 于发送来自l i e 的控制信息，如接入请求等，也可用于传输少量的上行分组数据。 2 广播信道( b c h ，b r o a d c a s tc h a n n e l ) ，是下行链路传输信道，用于发送u t r a 6 u m t s 网络中h s u p a 重排研究 网络要使整个小区覆盖中的用户都能准确地接收，因此广播信道一般以相对较高 的功率发射。 3 前向接入信道( f a c h ，f o r w a r da c c e s sc h a n n e l ) ，是下行链路传输信道，用 于向处于给定小区的终端发送控制信息，一般是在n o d eb 接收到u e 的随机接 入消息后，从前向接入信道给n o d eb 发送控制信息。前向接入信道也可用于传 输少量分组数据。 4 寻呼信道( p c h ，p a g i n gc h a n n e l ) ，是下行链路传输信道，用于发送与寻呼 过程有关的数据，用于u e 与网络之间建立通信的初始化过程。寻呼信道的消息 必须保证在整个小区内都能被正确接收，因此需要以较高的功率发射。u e 通过与 网络约定寻呼时隙的方式来安排休眠和唤醒时间，以达到省电的目的。 5 高速下行链路共享信道( h s - d s c h ，h i g hs p e e dd o w n l i n ks h a r e dc h a n n e l ) ， 是下行链路传输信道，通过使用n o d eb 控制的快速物理层重传、快速链路自适 应技术、高阶调制等方式获得高速率的下行链路分组数据传输能力。h s d s c h 不 支持快速功率控制，支持软切换。 2 2 2 逻辑信道( l o g i c a lc h a n n e l ) 逻辑信道是m a c 层向r l c 层提供的传输数据的信道，逻辑信道的分类是按 照传输的业务信息的类型进行的。逻辑信道以发送数据的类型为特征，指示传输 的数据是何种类型的。逻辑信道分为：控制信道用于传输控制平面信息。业 务信道用于传输用户平面信息。 2 2 3 物理信道( p h y s i c a lc h a n n e l ) 物理信道【9 】【2 0 】可以由某一载波频率、码( 信道码和扰码) 、相位确定。在采用扰 码与扩频码的信道里，扰码或扩频码任何一种不同，都可以确定为不同的物理信 道。物理信道分为上行物理信道，下行物理信道。物理信道可以分为专用物理信 道和公用物理信道： 1 上行专用物理信道有五种类型，分别为上行专用物理数据信道( d p d c h ) 、上 行专用物理控制信道、增强型上行专用物理数据信道( e d p d c h ) 、增强型上行专 用物理控制信道、上行链路高速专用物理控制信道( h s d p c c h ) 。d p d c h 和 d p c c h ，e d p c c h 和e d p d c h 分别在每个无线帧内以i q 两路复用，专用物理数 据信道可以承载传输信道中的专用信道( d c h ) ；专用物理控制信道则用于承载第一 层产生的控制信息，包括用于支持相关检测中信道估计的导频比特、发射功率控 制、闭环传输分集的反馈信息，以及可选的传输组合指示。在每个无线连接的上 行链路中，有且仅有一个专用物理控制信道，但专用物理数据信道可以没有，也 可以有多个。图2 2 示意了上行链路专用物理数据信道和控制信道的帧结构。物理 第二章u m t s 网络简介 7 帧- 妫l o m s ，每帧l 主l1 5 个时隙构成。每个时隙长度为2 5 6 0 c h i p s 。 图2 2 专用物理信道帧结构 图2 2 中的n d a t a 为专用物理数据信道的数据长度，由参数k 决定。k 与d p d c h 的扩频因子s f 之间的关系是s f = 2 5 6 2 k 。k 的取值范围为0 - 6 ，因此s f 的取值 范围是2 5 6 - 4 之间的2 的整数次幂。相应的，d p d c h 的数据速率为1 5 k b p s - 9 6 0 k b p s 。d p c c h 的扩频因子固定为2 5 6 ，数据速率为1 5 k b p s 。 2 上行公共物理信道即物理随机接入信道是唯一的上行公共物理信道，用于 承载传输信道中的随机接入信道，采用基于a l o h a 的接入方式。在小区中，移 动台在收到广播控制信道后，相应广播控制信道的边缘按照预定的接入时隙进行 随机接入尝试。接入时隙间有1 3 3 m s 的时间间隔，随机接入尝试由两部分组成， 4 0 9 6 c h i p s 的前导部分和1 0 m s 或2 0 m s 的信息部分。 3 。下行专用物理信道有四种，下行链路专用物理信道( d p c h ) 、分数专用物理 信道( f d p c h ，f r a c t i o n a ld e d i c a t e dp h y s i c a lc h a n n e l ) 、e d c h 相对授权信道 ( e r g c h ，e d c hr e l a t i v eg r a n tc h a n n e l ) 和e d c hh a r q 标识指示信道( e h i c h ， h y b r i da r qi n d i c a t o rc h a n n e l ) 。e r g c h 和e h i c h 将在第三章第二节中h s u p a 的 物理信道中进行介绍。d p c h 分为专用物理数据信道( d p d c h ) 和专用物理控制信道 ( d p c c h ) 。其中d p d c h 用于承载上层传输信道产生的数据，d p c c h 承载第一层产 生的控制信息。d p d c h 和d p c c h 以指定的格式在d p c h 上时分复用。通过灵活多 变的时隙复用格式选择，d p d c h 的数据速率可以根据需要从0 。6 k b p s 至l j l 8 6 0 k b p s 变 化。 4 下行公共物理信道，下行公用物理信道有九种，公用导频信道( c p i c h ， c o m m o np i l o tc h a n n e l ) 、公用控制信道( c c p c h ，c o m m o nc o n t r o lp h y s i c a l c h a n n e l ) 、同步信道( s c h ，s y n c h r o n i z a t i o nc h a n n d ) 、捕获指示信道( r i c h ， a c q u i s i t i o ni n d i c a t o rc h a n n e l ) 、寻呼指示信道( p i c h ，p a g i n gi n d i c a t o rc h a n n e l ) 、共 u n i t s 网络中h s u p a 重排研究 享控制信道( h s s c c h ，s h a r e dc o n t r o lc h a n n e l ) 、高速下行链路共享物理信道 ( h s p d s c h ，h i g hs p e e dp h y s i c a ld o w n l i n ks h a r e dc h a n n e l ) 、e - d c h 绝对授权信 道f e a g c h ，e d c ha b s o l u t eg r a n tc h a n n e l ) 、m b m s 指示信道( m i c h ，m b m s i n d i c a t o rc h a n n e l ) 。 c p i c h 承载的是预先定义的全零序列，用固定速率3 0 k b p s 发射，每个时隙上 的2 0 b i t s 分配到i q 两路上发射。c p i c h 又分为主公用导频信道和辅助公用导频 信道。所有的p c p i c h 使用相同的信道码，每个小区有且仅有一个p c p i c h ，该 p c p i c h 在整个小区中广播，并使用主扰码加扰；s - c p i c h 在一个小区中可以没 有，也可以有一个或多个，使用s f = 2 5 6 的信道码扩频，通过主扰码或辅助扰码加 扰，在整个小区或小区的一部分中发送。公用控制物理信道分为主公用控制物理 信道和辅助公用控制物理信道。主公用控制物理信道固定速率2 0 k b p s ，承载b c h 传输信道。辅助公用控制物理信道承载的是f a c h 和p c h 传输信道。 5 h s d p a 物理信道，在使用h s d p a 时，w c d m a 的两个最基本的特征( 可变 s f 和快速功率控制) 不再起作用，取而代之的是自适应编码( a m c ) 、多码传输、以 及快速重传机制。高速下行链路共享信道( h s p d s c h ) 承载了下行链路的用户数 据，信道编码的扩频因子固定为s f = 1 6 ，允许多码传输，即在同一个h s p d s c h 子帧上，一个u e 可以使用多个不同信道码编码的数据。h s p d s c h 可以选择q p s k 或1 6 q a m 两种调制方式。高速共享控制信道( u s s c c h ) 承载了必要的物理层控制 信息，以确保h s - p d s c h 上的数据能够被正确解码。当数据包在传输过程中发生 错误时，还有可能根据需要将h s p d s c h 上传送的数据进行物理层合并。 图2 3 逻辑信道影射关系 2 2 4w c d m a 信道间映射 信道影射如图2 3 ，可以看出逻辑信道到传输信道再到物理信道的映射【1 0 1 。对 于数据业务和信令通过逻辑信道映射到传输信道，如果逻辑信道被识别为b c c h 、 第二章u m t s 网络简介 9 c c c h 或者c t c h ，则m a cp d u 不含需要读取的首部。相应的逻辑信道从当前的 m a c 配置中获取并发送数据到识别出的r l c 实体。 2 3u t r a n 网络内部结构 2 3 1u t r a n 接入侧组成 如图2 4 ，u t r a n 包括多个无线网络子系鲥1 1 l ，r n s 通过i u 接口连接到的 u m t s 核心网络( c n ) 。无线网络子系统r n s 包括无线网络控制器( r n c ) 和一个或 多个基站( n o d e b ) 。n o d e b 和r n c 之间通过接口i u b 连接。在u t r a n 内部，无线 网络子系统通过i u r 接口互联，i u r 可以通过之间的直接物理连接或通过传输网连 接即有线连接。r n c 用来分配和控制与之相连或相关的n o d e b 的无线资源。n o d e b 则完成i u b 接口和u u 接口之间的数据流的转换，同时也参与一部分无线资源的管 理。m 接口规定了核心网和u t r a n 之间的接口，连接c n 电路交换部分的i u 接 口成为i u c s ，其为了将无线传输部分与核心网相独立，提供一种约定的格式进行 数据交互，在建立连接之前需要进行带内信令的通信。 f 。- 。 ；目 蓦 曰砸 ：l u b ；目 ；日 | 刚c 雌因 珀虱 u t r a n , ：i c n j 兰竺竺奠 图2 4i r r r a n 网络结构 从水平平面来看，协议结构主要包含两层，无线网络层和传输网络层。所有 与陆地无线接入网有关的协议都包含在无线网络层，传输网络层是指被所选用的 标准的传输技术，与的特定的功能无关。 如图2 5 ，2 6 ，从垂直平面来看，包括控制面和用户面【1 2 1 。控制面用于完成用 户通讯所需要的控制信息传送的链路的建立，包括应用协议( i u 接口中的r a n a p ， i l l r 接i z l 中的r n s a p ，l u b 接口中的n b a p ( n o d e ba p p l y i n gp r o t o c 0 1 ) ) 及用于传输这 些应用协议的信令承载。应用协议用于建立到u e 的承载包括无线接入承载( r a b ) 等，而这些应用协议的信令承载与接入链路控制协议的信令承载可以一样也可以 不一样，它通过操作与维护( o & m ) 操作建立。 1 0 u m t s 网络中h s u p a 重排研究 图2 5 用户面示意图 图2 6 控制面示意图 用户面用于传送用户的实际数据，包括数据流和用于承载这些数据流的数据 承载。用户发送和接收的所有信息，例如语音和p s 数据等都是通过用户面来进行 传输的。传输网络控制面在控制面和用户面之间，只在传输层，不包括任何无线 第二章u m t s 网络简介 网络控制平面的信息。它包括协议接入链路控制协议和所需的信令承载。建立用 于用户面的传输承载。引入传输网络控制面，使得在无线网络层控制面的应用协 议的完成与用户面的数据承载所选用的技术无关。 2 3 2u m t s 网络逻辑接口介绍 1 i u 接口【1 3 】，处于u t r a n 和核心网之间的逻辑接口，主要功能：建立，维 护和释放无线接入承载的程序；完成系统内切换，系统间切换和s r n s 重定位的 程序；与特定u e 无关的一系列程序：u e 和c n 之间的非接入层( n a s n o n a c c e s s s u bl a y e r ) 信令消息的传送；从c n 向u t r a n 传送请求的位置业务， 和从u t r a n 到c n 的位置消息。此位置消息即l a c 位置区指示可以指示u e 所 处的小区和地理信息等。为单个u e 立即接入多个c n 域；为分组数据流资源预留 的机制。 i u 接口的协议分成两个平面，用户平面协议，实现无线接入业务，即通过接 入层传送用户数据。控制平面协议，用于控制u e 和网络之间的无线接入载体和连 接包括请求的业务，控制不同的传输资源，切换和流量等。还包括n a s 消息的透 明传输。每个c n 接入点可以连接到一个或多个u t r a n 接入点。每个u t r a n 接 入点只能连接到每个c n 交换部分的一个接入点。 i u 接口的物理层分为两部分物理媒介依赖子层( p m d ) 和传输会聚子层( t c ) ，其 中物理媒介依赖子层可以采用光，同轴电缆或无线等任何物理媒介，传输方式可 以是p d h 、s d h 、点到点、点到多点的任何方式，但应遵从相关的技术规范。传 输会聚子层( t c ) 与物理媒介依赖子层( p m d ) 的传输方式密切相关，i u 接口上提供到 高层的业务应独立于底层的传输技术。 i u 接口的信令承载，传送和之间的信令消息使用s c c p 。为此规定一个的用户 功能模块，称为无线接入应用部分( r a n a p ) 。r a n a p 使用s c c p 的无连接和面向 连接业务。 i u 接口用户数据承载，使用a a l 2 作为c s 的用户数据承载。a a l 2 协议用于 动态建立i u 接口到c s 的从l 2 连接。使用基于a a l 5 的g t p u 作为到p s 用户 数据承载。r a n a p 信令用于建立，修改和释放p s 的g t p u 通道。 2 i u b 接口【1 4 】，接口功能包括，传送资源的管理；n o d e b 的操作与维护，包括 i u b 链路管理、小区配置管理、无线网络性能；资源管理、公共传输信道管理、无 线资源管理以及系统信息升级，实现专用的o & m 传送；公共信道的流量管理分为 管理控制、功率控制和数据传送；专用信道的流量管理包括无线链路建立、信道 分配与取消分配、功率管理、量报告与专用传输信道管理及数据传送下行共享信 道的流量管理包括信道分配与取消分配、功率管理、传输信道理和数据传送；上 行共享信道的流量管理包括信道分配与取消分配、功率管理、传送信道管理和数 1 2 u m t s 网络中h s u p a 重排研究 据传送：定时和同步管理包括传输信道同步、基站r n c 同步和基站间同步。 i u b 接口协议有两个功能层： 无线网络层，定义了有关节点工作的过程。由无线网络控制平面和无线网用 户平面组成。 传输层，定义了在节点和间建立物理连接的过程。需要指出的是对于每一个 f a c h 和r a c h 传输信道，应由一个专用的从l 2 连接。 i u b 接口的协议结构如图2 7 图2 7l u b 接口示意图 i u r 接口【1 5 】，功能包括，传送网络管理、公共传送信道的业务管理、公共传送 信道资源的准备、寻呼、专用传送信道的业务管理，公共和专用测量目标的测量 上报、接口协议结构由两个功能层组成、无线网络层定义了在一个内有关两个的 互动过程。无线网络层由个无线网络控制平面和一个无线网络用户平面组成。传 送层定义了在一个两个间建立物理连接的过程。接口的物理层的基本要求于接口 相同。迁移过程中两个r n c 之间的数据信息交互通道。 2 3 3u e 到u e 的呼叫信令流程分析 1 w c d m a 中u e 呼叫信令流程及u e 状态 如2 5 图所示，w c d m a 中u e 处于5 种状态，下面进行了分别说明。 c e l ld c hw c d m a 移动终端u e 建立r r c 连接之后，且该r r c 连接建立 在d c h 上，此时u e 处于c e l ld c h 状态，u e 处于该状态可以直接发起业务请求或 接受寻呼并建立业务连接即i 强建立。 第二章u m t s 网络简介 c e l lf a c hw c d m a 移动终端u e 建立的r r c 连接在f a c h 上，此时仅支 持少量的下行数据发送，若要建立业务一般情况下需要切换传输信道至u d c h ，即 u e 状态切换至u c e l ld c h 状态。 c e l lp c hr n c 知道u e 处于那个小区中，同时r r c 连接建立在p c h 上， 此时若有其他u e 呼叫次用户，此时u t r a n 采用p a g i n gt y p e 2 进行寻呼此用户即 针对手机所在小区进行寻呼，若寻呼成功则该手机进入c e l lf a c h 状态。 urap c h 手机处于u t r a n 中并将r r c 连接建立在p c h 上，此时若有其 他u e 呼叫次用户，此时u t r a n 采用p a g i n gt y p e l 进行寻呼此用户即针对所有小 区进行寻呼该用户，若寻呼成功则该手机进入c e l lf a c h 状态。 i d l em o d e 手机处于i d l e 状态，此时手机可以读取c e l l , j , 区发送的广播信息， 包括m i b ，s b 等，以便手机更新其位置区和当前的p l m n 和一些定时器等信息。 注：对于不同的生产厂商可能其存在差异，但各种状态都必须存在。对于从 3 g 网络到2 g 网络的切换本文不涉及，故不作介绍。 图2 8l i e 状态切换 2 u e 呼叫u e 信令分析介绍 rrc s e t u pr e q 当手机首次进x , w c d m a d , x e q a 或者要发起呼叫请求，或 者关机等操作时，其第一条信令为r r c 建立请求。在建立请求中存在信元 r r ce s t a b l i s hc a u s e 将指示建立r r c 连接的原因。一般为r e g i s t r a t i o n ， o r i g i n a le o n v a - s a t i o n d e t a c h 等分别代表注册，主叫，挂机分离，如图2 9 1 4 u m t s 网络中h s u p a 重排研究 为w c d m a 网络中u e 呼d q u e 的信令面流程。 rl n o d e b 完成。 第5 步，r r cs e t u p 机的驻留或者叫注册。而对于需要进行业务的终端而言此时，空口的信令 面建立完成。 i n i t i a ld i r e c tt r a n s 初始直传消息用于u e 和核心网进行交互，以发起位置 区更新或路由区更新，对于c s 则为位置区更新，p s 为路由区更新。同时 确定手机是否监权。对于初始接入的u e 而言此时需要有两条初始直传消 息分别为p s 和c s 的，而若为业务连接则只需要一条初始直传消息。 图2 9l i e 呼叫u e 信令流程 第二章u m t s 网络简介 s e tc mc o m m d 发起安全模式命令，即需要在空口进行加密，此时u t r a n 和u e 需要核对加密参数等信息，如从哪个时刻开始加密等信息。这也是