WCDMA基本网络结构.doc

2008-04-08 12:26WCDMA是3G三种主流标准的一种。WCDMA系统可以分为无线接入和网络结构两部分，本文介绍其网络结构部分。WCDMA网络结构可分为无线接入网和核心网两部分，本文首先重点阐述了无线接入网的结构，对Iu、Iur、Iub接口协议模型进行了分析；接着对R99的核心网和全IP的核心网结构和相关功能实体进行了概述。 引言 WCDMA是目前全球三种主要的第三代移动通信体制之一，是未来移动通信的发展趋势。WCDMA系统是IMT-2000家族的一员，它由CN（核心网）、UTRAN（UMTS陆地无线接入网）和UE（用户装置）组成。UTRAN 和UE采用WCDMA无线接入技术。WCDMA网络在设计时遵循以下原则：无线接入网与核心网功能尽量分离。即对无线资源的管理功能集中在无线接入网完成，而与业务和应用相关功能在核心网执行。无线接入网是连接移动用户和核心网的桥梁和纽带。其满足以下目标： -允许用户广泛访问电信业务，包括一些现在还没定义的业务，象多媒体和高速率数据业务。 -方便的提供与固定网络相似的高质量的业务（特别是话音质量）。 -方便的提供小的、容易使用的、低价的终端，它要有长的通话和待机时间。 - 提供网络资源有效的使用方法（特别是无线频谱）。 目前，WCDMA系统标准的R99版本已经基本稳定，其R4、R5和R6版本还在紧锣密鼓的制订中。WCDMA系统的网络结构如图1所示。 图1 WCDMA系统结构 WCDMA系统由三部分CN（核心网）、UTRAN（无线接入网）和UE（用户装置）组成。CN与UTRAN的接口定义为Iu接口，UTRAN与UE的接口定义为Uu接口。 本文将重点阐述WCDMA系统的网络结构。其网络结构的基本特点是核心网从GSM的核心网逐步演进和过渡；而无线接入网则是革命性的变化，完全不同于GSM的无线接入网；而业务是完全兼容GSM的业务，体现了业务的连续性。 无线接入网 UTRAN包括许多通过Iu接口连接到CN的RNS。一个RNS包括一个RNC和一个或多个Node B。Node B通过Iub接口连接到RNC上，它支持FDD模式、TDD模式或双模。Node B包括一个或多个小区。 UTRAN内部，RNSs中的RNCs能通过Iur接口交互信息, Iu接口和Iur接口是逻辑接口。Iur接口可以是RNC之间物理的直接相连或通过适当的传输网络实现。UTRAN结构如图2所示。 图2 UTRAN结构 Iu、Iur、Iub接口分别为CN与RNC、RNC与RNC、RNC与Node B之间的接口。图3所示为接口通用协议模型。此结构依据层间和平面间相互独立原则而建立。 图3 UTRAN接口通用协议模型 协议结构包括三层，无线网络层、传输网络层和物理层。所有UTRAN相关问题只与无线网络层有关，传输网络层只是UTRAN采用的标准化的传输技术，与UTRAN的特定的功能无关。物理层可用E1、T1、STM-1等数十种标准接口。 控制平面包括无线网络层的应用协议以及用于传输应用协议消息的信令承载。 在Iu接口的无线网络层是无线接入网应用协议（RANAP），它负责CN和RNS之间的信令交互。在Iur接口的无线网络层是无线网络子系统应用协议（RNSAP），它负责两个RNS之间的信令交互。在Iur接口的无线网络层是节点协议（NBAP），它负责RNS内部的RNC与Node B之间的信令交互。 在传输网络层三个接口统一应用ATM传输技术，3GPP还建议了可支持七号信令的SCCP、MTP及IP等技术。 应用协议在无线网络层建立承载。信令承载与ALCAP的信令承载可同可不同。信令承载由操作维护（&M）建立。 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。它包括用户平面传输承载（数据承载）所需的ALCAP协议，还包括ALCAP所需的信令承载。传输网络控制平面的引入使得无线网络控制平面的应用协议完全独立于用户平面数据承载技术。 用户平面的数据承载和应用协议的数据承载属于传输网络用户平面。 R99核心网 为了第二代向第三代的平滑过渡和演进，目前R99核心网包括三个域，CS（电路交换）域、PS（分组交换）域和BC（广播）域，分别处理电路交换业务、分组交换业务和广播组播业务。R99核心网的CS域指GSM的核心网，PS域指GPRS的支持节点。CS域处理传统的电路交换业务，每次通信需占用占用的一些资源建立专用的一条链路，如语音业务；PS域处理分组交换业务，不需要建立专用链路，每个分组都自己找路由。R99核心网主要有以下一些设备： 移动业务交换中心(MSC)：对位于它管辖区域中的移动台进行控制、交换的功能实体。 服务GPRS支持节点（SGSN）：执行移动性管理、安全管理和接入控制和路由选择等功能。 网关GPRS支持节点（GGSN）：负责提供GPRS PLMN与外部分组数据网的接口，并提供必要的网间安全机制（如防火墙）。 拜访位置寄存器(VLR)：MSC为所管辖区域中MS呼叫接续所需检索信息的数据库。VLR存储与呼叫处理有关的一些数据，例如用户的号码，所处区域的识别，向用户提供的业务等参数。 归属位置寄存器(HLR)：管理部门用于移动用户管理的数据库。每个移动用户都应在其归属位置寄存器中注册登记。 鉴权中心(AUC)：为认证移动用户的身份和产生相应鉴权参数的功能实体。 另外，R99核心网还包括一些智能网设备和短消息中心等设备。 图4 R99核心网结构 R99核心网只是为2G向3G系统过渡而引入的解决方案，真正的WCDMA系统核心网是全IP核心网，目前在R4和R5标准中已制定了大致方案。 全IP核心网 全IP核心网体系结构基于分组技术和IP电话，用于同时支持实时和非实时的业务。此核心网体系结构可以灵活的支持全球漫游和与其它网络的互操作，诸如：PLMN、2G网络、PDN和其它多媒体VOIP网络。此核心网主要包括三部分：GPRS网络、呼叫控制和网关。 GPRS网络部分同R99 GPRS PS网络，而GPRS网络中HLR功能由归属用户服务器提供（HSS）。 网络结构中呼叫控制部分是最重要的功能。CSCF（呼叫状态控制功能）、MGCF（媒体网关控制功能）、R-SGW（漫游信令网关）、T-SGW（传输信令网关）、MGW（媒体网关）和MRF（多媒体资源功能）组成了呼叫控制和信令功能。CSCF与H.323网守或SIP服务器相似。此体系结构是一个通用结构而不是基于一个具体的H.323或SIP的呼叫控制解决方案。 用户特征文件被保存在HSS中。与多媒体IP网络通信的信令只能通过CSCF，而业务则直接通过GGSN就可。MRF与所有业务承载实体协调业务承载事宜，而与CSCF协商信令承载事宜。MRF提供媒体混合、复用以及其它处理和产生功能。 与其它网络（诸如PLMN、其它PDN、其它多媒体VOIP网络和2G继承网络GSM）的互联由GGSN、MGCF、MGW、R-SGW和T-SGW支持。其它PLMN网络与本网的信令和业务接口是它们的GPRS实体。CSCF作为一个新的实体通过信令也参与此过程。到继承网络的信令通过R-SGW、CSCF、MGCF、T-SGW和HSS，而和PSTN网络的业务承载接口通过MGW。 图5 全IP核心网结构 总结 WCDMA系统的网络结构包括核心网和无线接入网两部分。对于核心网采取由GSM的核心网逐步演进的思路，即由最初的GSM的电路交换的一些实体，然后加入GPRS的分组交换的实体，在到最终演变成全IP的核心网。这样可以保证业务的连续性和核心网络建设投资的节约化。而对于无线接入网，由于WCDMA方式是完全不同与GSM的TDMA的无线接入方式，所以无线接入网是全新的，完全不同于GSM的基战子系统。所以WCDMA系统的无线接入网需要重新进行无线网络规划和布站。 WCDMA网络的设计遵循了网络承载和业务应用相分离、承载和控制相分离、控制和用户平面相分离的原则，这样使得整个网络结构清晰，实体功能独立，便于模块化的实现。WCDMA关键技术1、RAKE接收机在CDMA扩频系统中，信道带宽远远大于信道的平坦衰落带宽。不同于传统 的调制技术需要用均衡算法来消除相邻符号间的码间干扰，CDMA扩频码在 选择时就要求它有很好的自相关特性。这样，在无线信道中出现的时延扩展， 就可以被看作只是被传信号的再次传送。如果这些多径信号相互间的延时超 过了一个码片的长度，那么它们将被CDMA接收机看作是非相关的噪声，而 不再需要均衡了。由于在多径信号中含有可以利用的信息，所以CDMA接收机可以通过合并多 径信号来改善接收信号的信噪比。其实RAKE接收机所作的就是：通过多个相 关检测器接收多径信号中的各路信号，并把它们合并在一起。2、CDMA射频和中频设计原理上图给出了CDMA射频和中频部分的原理框图，射频部分是传统的模拟结构， 有用信号在这里转化为中频信号。射频下行通道部分主要包括自动增益控制（RF AGC），接收滤波器（Rx滤波器）和下变频器。射频的上行通道部分主要包括自动增益控制（RF AGC），二次上变频，宽带线性功放和射频发射滤波器。中频部分主要包括下行的去混迭滤波器、下变频器、ADC和上行的 中频和平滑滤波器，上变频器和DAC。对于WCDMA的数字下变频器而言， 由于其输出的基带信号的带宽已经大于中频信号的10%，故与一般的GSM信 号和第一代信号不同，称为宽带信号。3、分集接收原理无线信道是随机时变信道，其中的衰落特性会降低通信系统的性能。为了对 抗衰落，可以采用多种措施，比如信道编解码技术，抗衰落接收技术或者扩 频技术。分集接收技术被认为是明显有效而且经济的抗衰落技术.我们知道，无线信道中接收的信号是到达接收机的多径分量的合成。如果在 接收端同时获得几个不同路径的信号，将这些信号适当合并成总的接收信号， 就能够大大减少衰落的影响。这就是分集的基本思路。分集的字面含义就是 分散得到几个合成信号并集中（合并）这些信号。只要几个信号之间是统计 独立的，那么经适当合并后就能是系统性能大为改善。4、信道编码信道编码的编码对象是信源编码器输出的数字序列（信息序列）。信 道编码按一定的规则给数字序列M增加一些多余的码元，使不具有规律性的 信息序列M变换为具有某种规律性的数字序列Y（码序列）。也就是说，码序 列中信息序列的诸码元与多余码元之间是相关的。在接收端，信道译码器利用这种预知的编码规则来译码，或者说检验接收到的数字序列R是否符合既 定的规则从而发现R中是否有错，进而纠正其中的差错。根据相关性来检测（发现）和纠正传输过程中产生的差错就是信道编码的基本思想。5、多用户检测技术 多用户检测技术（MUD）是通过去除小区内干扰来改进系统性能，增加系统 容量。多用户检测技术还能有效缓解直扩CDMA系统中的远/近效应。由于信道的非正交性和不同用户的扩频码字的非正交性，导致用户间存在相 互干扰，多用户检测的作用就是去除多用户之间的相互干扰。一般而言，对 于上行的多用户检测，只能去除小区内各用户之间的干扰，而小区间的干扰 由于缺乏必要的信息（比如相邻小区的用户情况），是难以消除的。对于下 行的多用户检测，只能去除公共信道（比如导频、广播信道等）的干扰。摘要:阐述了扩频通信的工作原理、特点和主要工作方式,包括直接序列扩频系统(DS-SS) 、跳频扩频系统(FH-SS) 、跳时扩频系统( TH-SS) 、脉冲线性扩频系统(Chirp-SS) 等,并对直扩与跳频两种通用工作方式作了比较。最后介绍了扩频技术的广泛应用。扩频通信技术是一种信息传输方式,其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽。扩展频谱通信( Spread Spect rum Communication) 与光纤通信、卫星通信一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。1 扩频通信的工作原理在发端输入的信息先调制形成数字信号,然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱,展宽后的信号再调制到射频发送出去。在接收端收到的宽带射频信号,变频至中频,然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩,再经信息解调,恢复成原始信息输出。可见,一般的扩频通信系统都要进行3 次调制和相应的解调。一次调制为信息调制,二次调制为扩频调制,三次调制为射频调制,以及相应的信息解调、解扩和射频解调。与一般通信系统比较,多了扩频调制和解扩部分。扩频通信应具备如下特征: (1) 数字传输方式;(2) 传输信号的带宽远大于被传信息带宽; (3) 带宽的展宽,是利用与被传信息无关的函数(扩频函数) 对被传信息的信元重新进行调制实现的; (4) 接收端用相同的扩频函数进行相关解调(解扩) ,求解出被传信息的数据。用扩频函数(也称伪随机码) 调制和对信号相关处理是扩频通信有别于其他通信的两大特点。摘要:扩频通信是现代通信系统中新的通信方式，它具有较强的抗干扰、抗衰落和抗多径性能，频谱利用率高。本文介绍了扩频通信的工作原理、特点、及其发展应用。关键词: 扩频通信 原理 特点 发展应用。一、扩频通信的工作原理在发端输人的信息先调制形成数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱，展宽后的信号再调制到射频发送出去。在接收端收到的宽带射频信号，变频至中频，然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩，再经信息解调，恢复成原始信息输出。可见，一般的扩频通信系统都要进行3次调制和相应的解调。一次调制为信息调制，二次调制为扩频调制，三次调制为射频调制，以及相应的信息解调、解扩和射频解调。与一般通信系统比较，多了扩频调制和解扩部分。扩频通信应具备如下特征：(1)数字传输方式；(2)传输信号的带宽远大于被传信息带宽；(3)带宽的展宽，是利用与被传信息无关的函数(扩频函数)对被传信息的信元重新进行调制实现的；(4)接收端用相同的扩频函数进行相关解调(解扩)，求解出被传信息的数据。用扩频函数(也称伪随机码)调制和对信号相关处理是扩频通信有别于其他通信的两大特点。二、扩频通信技术的特点扩频信号是不可预测的、伪随机的宽带信号，其带宽远大于要传输的数据(信息)带宽，同时接收机中必须有与宽带载波同步的副本。扩频系统具有以下特点。1抗干扰性强扩频信号的不可预测性，使扩频系统具有很强的抗干扰能力。干扰者很难通过观察进行干扰，干扰起不了太大作用。扩频通信系统在传输过程中扩展了信号带宽，所以即使信噪比很低，甚至在有用信号功率低于干扰信号功率的情况下，仍能不受干扰、高质量地进行通信，扩展的频谱越宽，其抗干扰性越强。2.低截获性扩频信号的功率均匀分布在很宽的频带上，传输信号的功率密度很低，侦察接收机很难监测到，因此扩频通信系统截获概率很低。3.抗多路径干扰性能好多路径干扰是电波传播过程中因遇到各种非期望反射体(如电离层、高山、建筑物等)引起的反射或散射，在接收端的这些反射或散射信号与直达路径信号相互干涉而造成的干扰。多路径干扰会严重影响通信。扩频通信系统中增加了扩频调制和解扩过程，利用扩频码序列间的相关特性，在接收端解扩时，从多径信号中分离出最强的有用信号，或将多径信号中的相同码序列信号叠加，这样就可有效消除无线通信中因多径干扰造成的信号衰落现象，使扩频通信系统具有良好的抗多径衰落特性。4.保密性好在一定的发射功率下，扩频信号分布在很宽的频带内，无线信道中有用信号功率谱密度极低，这样信号可以在强噪声背景下，甚至在有用信号被噪声淹没的情况下进行可靠通信，使外界很难截获传送的信息，要想进一步检测出信号的特征参数就更难了所以扩频系统可实现隐蔽通信。同时，对不同用户使用不同码，旁人无法窃听通信，因而扩频系统具有高保密性。5.易于实现码分多址在通信系统中，可充分利用在扩频调制中使用的扩频码序列之间良好的自相关特性和互相关特性，接收端利用相关检测技术进行解扩，在分配给不同用户不同码型的情况下，系统可以区分不同用户的信号，这样同一频带上许多用户可以同时通话而互不干扰。三、扩频技术的发展与应用在过去由于技术的限制，人们一直在走增加信号功率，减少噪声，提高信噪比的道路。即使到了70年代，伪码技术已经出现，但作为相关器的“码环”的钟频只能做到几千赫兹也无助于事近几年，由于大规模集成电路的发展，几十兆赫兹，甚至几百兆赫兹的伪码发生器及其相关部件都已成为现实，扩频通信获得极其迅速的发展通信的发展史又到了一个转折点，由用信噪比换带宽的年代进入了用宽带换信噪比的年代从最佳通信系统的角度看扩频通信最佳通信系统一最佳发射机+最佳接收机几十年来，最佳接收理论已经很成熟，但最佳