NodeB基本知识讲义(3G Basics On NodeB)V1.2

1、NodeB 基本知识讲义基本知识讲义 Table of Contents 1. NODEB 概貌概貌.3 2. 从无线信道的特点谈起从无线信道的特点谈起 .3 3. UTRAN 无线接入网的基本协议无线接入网的基本协议.4 4. 从从 NODEB 的外部接口谈起的外部接口谈起.5 4.1 IUB接口.5 4.2 UU接口.7 5. NODEB 的内部架构的内部架构.7 6. 接入网概貌（软切换、分集）接入网概貌（软切换、分集） .8 6.1 NODEB 的中继功能说明 .9 6.2 软切换和分集概念.10 7. 射频相关知识射频相关知识 .11 7.1 线性化.11 7.2 射频常用术语.12

2、 7.2 小区和扇区.12 8. 无线网络规划无线网络规划 .13 8.1 小区呼吸现象.13 8.2 无线网络规划主要考虑点.13 8.3 WCDMA 扩容的主要方法.14 9. REFERENCE MATERIALS .14 Figures Figure 1: NodeB Sketch.3 Figure 2: Air Interface Protocols in UTRAN.4 Figure 3: The Entire Protocols in UTRAN.5 Figure 4: Logical Model of NodeB .6 Figure 5: Relationship among

3、the transport Channels and the physical Channels of NodeB.7 Figure 6: The Inner Structure of NodeB.8 Figure 7: RRC Link Setup Procedure to explain the RELAY function of Node B.10 Figure 8: Structure of UTRAN.11 Figure 9: Structure of Cells.12 Tables Table 1: Reference table.14 这本讲义主要是从整体上描述这本讲义主要是从整

4、体上描述 WCDMA NodeB，使读者对，使读者对 NodeB 的来龙去脉有一个整体的来龙去脉有一个整体 的理解，是的理解，是 WCDMA NodeB 入门知识的一个引子，以帮助读者可以更有针对性的去了解入门知识的一个引子，以帮助读者可以更有针对性的去了解 感兴趣的内容和相关协议。由于时间关系，不能一一列举参考资料。感兴趣的内容和相关协议。由于时间关系，不能一一列举参考资料。 1. NodeB 概貌概貌 NodeB 从外部接口看如下图所示，有一组电缆或者光缆连接 RNC，同时通过天馈、塔放 和天线以空中电磁波的方式与 UE 相联系，它完成 UE 和 RNC 之间数据流的中继功能， 如红色的虚

5、线所示。与 NodeB 接口的还有备用时钟和电源，对应于 WCDMA NodeB 时钟 只是一个选项，不是必须的。 Figure 1: NodeB Sketch 接下来的章节将从 NodeB 的两个接口（天线侧和 RNC 侧）逐步由外向内，来说明 NodeB 的原理，下面先从无线信道的特点谈起。 2. 从无线信道的特点谈起从无线信道的特点谈起 与有线信道相比，无线信道具有易受干扰，不稳定等特点，比如大尺度衰减和小尺度衰减 等等。由于 WCDMA 无线信道所在的波段为微波，具有直线传播和反射的特点，接收点 的信号往往为多条路径信号的合成。为了增加其可靠性，必须在信道编码、调制方式、分 集、信令、

6、以及多址接入方式等方面，采取各种技术。信道编码的主要思想是增加冗余信 息（比如卷积编码，CRC 校验等技术）和进行信息交织（将集中的信息比特在时间轴错 NodeB U E 塔 放 天馈 RNC 电缆或光纤 无线电波 基站备用时钟（GPS 或者 BITS） 基站电源（AC220V 或者蓄电池） LMT/DB-MT (本地维护调试终端) 开），以减小各种瞬间突发干扰。调制方式采用传统的 QPSK。分集处理采用 Rake 接收 机技术，其原理从多条独立传输路径传来的信号中，按一定的算法得到最接近真实的信号 （比如最大比合并，等增益合并和选择合并等）。信令层比如 RLC（无线链路控制层） 具有出错重发

7、机制（ARQ）。总结起来，增加无线信道稳定可靠性的措施如下： 卷积编码、Turbo 编码、交织编码 Rake 接收技术 CDMA 接入方案 RLC（无线链路控制层） 这些措施的体现就是 UTRAN 无线接入网的协议。 3. UTRAN 无线接入网的基本协议无线接入网的基本协议 无线接入网的协议如下图所示，分层 3 层：L1，L2 和 L3 层，在实现上分别体现了上述 无线信道增加稳定可靠性的思想和技术。其中 L2 和 L3 层在 RNC 实现，L1 层在 NodeB 实现，换句话 NodeB 就是物理层。协议栈中 NodeB 与上层的接口主要有两处，一个是 RRC（Radio Resource

8、 Control Layer）的控制接口 A，另一个是对 MAC 层（Media Access Control Layer）的接口 B。 Figure 2: Air Interface Protocols in UTRAN 在上图中，RLC 提供给上层的数据传输服务被称为无线承载 RB（Radio Bearer），提供 给 RRC 的数据传输服务，为了强调 RRC 的信令特征，又被称为信令无线承载 SRB（Signal Radio Bearer）。 Transport Channels (Through Iub) Physical Layer mainly related to Node B

9、MAC Layer RLC Layer PDCPBMC RRC Logical Channels L1 L2 L3 Control Panel Data Panel A B SRBRB 整个接入网的协议如下图所示。在 UE 中集中的同时存在 UTRAN 协议各层实体，与它对 应的各对等层分别分布在 UTRAN 的 NodeB 和 RNC，例如与 UE 的 RRC 层对应的 UTRAN 的 RRC 在 RNC 中，物理层在 NodeB 中，MAC 层主要在 RNC 中等。 WCDMA L1 SAAL AAL5 ATM PHY SAAL AAL5 ATM PHY ALCAP NBAP AAL2 A

10、TM PHY FP control plane data plane SAAL AAL5 ATM PHY SAAL AAL5 ATM PHY ALCAP NBAP AAL2 ATM PHY FP MAC RLC BMCPDCPRRC SAAL AAL5 ATM PHY RNSAP AAL2 ATM PHY FP I Iu u- -C CS SI Iu u- -P PS SI Iu ur r control plane data plane data plane N No od de e B B R R N N C C control plane data plane data plane da

11、ta plane control plane control plane U U E E control plane AAL2 ATM PHY UP IP ATM PHY GTP-U UDP LLC/ SNAP AAL5 control plane Signaling bearer AAL5 ATM PHY RANAP SCCP WCDMA L1 BMCPDCPRRC RLC MAC CC/ MM/ SM/ GMM IPv4 U U E EU U u uI I u u b b Figure 3: The Entire Protocols in UTRAN Uu/Iub/Iur/Iu 等各接口处

12、的信令消息均以 ASN.1（Abstract Syntax Notation One）来描述， 以 PER（Packed Encoding Rules）格式来实现二进制编码，从而实现各接口的开放性。 4. 从从 NodeB 的外部接口谈起的外部接口谈起 4.1 Iub接口接口 UTRAN 协议中，A 接口和 B 接口两个合起来在 3GPP 协议中是 Iub 接口。A 接口对应 Iub 的 NodeB 控制端口（NodeB Control Port： 1 个）和业务终结点的通信控制端口（ Communication Control Port：多个），B 接口对应 Iub 的各个传输通道数据端口

13、（Transport Channel Data Port）。 NodeB 的逻辑模型如下图所示。Iub 上的各数据端口对应 UTRAN 协议中的各个 Transport Channel，比如 RACH 对应 RACH 数据端口，CPCH 对应 CPCH 数据端口，FACH 对应 FACH 数据端口，DCH 对应 DCH 数据端口等等。BCH 传输信道走的是 NodeB Control Port 端口，同时走的是 NBAP 公共过程信令。各 Communication Control Port 端口上走的 NBAP 专用过程信令，用来控制 UE 上下文（UE 在 NodeB 占用的资源就叫 UE

14、 Context）。 . . Node B . Cell Cell Cell Cell Cell Cell Node B Communication Contexts, with attributes Common Transport Channels, with attributes Node B Control Port Iub RACH Data port Iub FACH Data port Iub PCH Data port Traffic termination point Communication Control Port Iub TDD USCH Data port Iub

15、DCH Data port Iub DSCH Data port Controlling RNC Iub FDD CPCH Data port Traffic termination point Iub DSCH Data port Iub TDD USCH Data port Iub DCH Data port Communication Control Port Iub Figure 4: Logical Model of NodeB Iub 的实现在物理上可以是电缆或者光缆，分别对应 E1/T1 或者 SDH，在链路层对应 ATM 的虚通道 VCC。比如 NodeB Control Po

16、rt 对应 ATM 的 VCC 为 VPI8，VCI128。各控制端口需要在 NodeB 和 RNC 之间事先配置好。通信控制各端 口可以占用不同的 VCC，也可以与 NodeB Control Port 合用一个 VCC。各数据端口是在 NBAP 信令与 RNC 通信过程中，由 ALCAP 协议创建起来的 AAL2 VCC，可以动态创建 和删除。而各控制端口一旦创建好后，一般保持不变。 4.2 Uu接口接口 在 NodeB 与 UE 之间的空中接口上，存在着经过物理层各种特殊处理过的电磁波，根据 载频、扩频码、扰码、时序、相位以及信息内容等特点，这个电磁波可以被划分成不同的 物理信道，UTR

17、AN 协议中 Iub 口上的各种 Transport Channel 可以被映射成不同的物理信 道，其映射关系如下： Figure 5: Relationship among the transport Channels and the physical Channels of NodeB 比如，Iub 口上来的 PCH 信息，就可以被映射到 SCCPCH 物理信道上，然后以电磁波的 形式向 UE 发射。通过这样的映射关系，UE 和 RNC 之间的信息就可以从 RNC 的各种传 输信道，再到对应的物理信道传输，或反之。 上面讲过，物理信道由载频、扩频码、扰码、时序、相位以及信息内容等参数定义，

18、需要 由 NBAP 的各种过程由 RNC 来配置。 5. NodeB 的内部架构的内部架构 从 NodeB 的两个接口向 NodeB 的内部实现看，其结构可示意如下图： NBAPFP ALCAP SAAL AAL5AAL2 Physical Layer( E1/T1, SDH, IMA ) Encoder/ Decoder spreader/ despeader modem RNC OMC T Ta an ns sp po or rt t C Ch ha an nn ne el ls s & & C Co on nt tr ro ol l P Po or rt t C Ch ha an nn

19、ne el ls s P Ph hy ys si ic ca al l C Ch ha an nn ne el ls s OMC信令 基带和RF传输 Figure 6: The Inner Structure of NodeB 从逻辑上可以分成以下几个部分： 信令 基带和 RF OMC 传输 当然还应该包括各种支撑软件和硬件，比如 CPU，CNP 以及 OS_PF 等等。NodeB 一旦配 置好后，UE 和 RNC 之间的数据流就会源源不断的沿着图中蓝线所示方向流动，从而实 现无线接入的功能。 需要注意的一点就是：天线口处接收和发送的信号是一个叠加信号，这个叠加信号和基带 部分各个单元（编解码

20、、复用、扩频解扩）之间是一个全连接关系。每一个基带单元在信 令的控制下，可以从这个叠加信号中提取并处理它感兴趣的部分。基带单元越多，基站的 通信处理能力就越强。 6. 接入网概貌（软切换、分集）接入网概貌（软切换、分集） 6.1 NodeB的中继功能说明的中继功能说明 在说明这个概念之前，我们首先要了解几个概念： RRC 连接：连接：RRC 连接是 UE 与 UTRAN 的 RRC 协议层之间建立的一种双向点到点的连接。 对一个 UE 来说，至多存在一条 RRC 连接。RRC 连接在 UE 与 UTRAN 之间传输无线网 络信令，如进行无线资源的分配等等。RRC 连接在呼叫建立之初建立，在通话

21、结束后释 放，并在期间一直维持。 Iu 信令连接：信令连接：如果说 RRC 连接建立了 UE 与 UTRAN 之间的信令通路，那么 Iu 信令连接 则是建立了 UE 与 CN 之间的信令通路。Iu 信令连接主要传输 UE 与 CN 之间非接入层信 令。在 UTRAN 中，非接入层信令是通过上下行直接传输信令透明传输的。 鉴权鉴权：出于网络安全性能考虑，在呼叫建立时，网络必须对 UE 进行鉴权。 无线接入承载（无线接入承载（RAB）：）：RAB 可以看作是 UE 与 CN 之间接入层向非接入层提供的业务， 主要用于用户数据的传输。RAB 直接与 UE 业务相关，它涉及接入层各个协议模块，在 空中

22、接口上，RAB 反映为无线承载（RB）。 无线承载（无线承载（RB）：）：RB 是 UE 与 UTRAN 之间 L2 向上层提供的业务。上面我们提到的 RRC 连接也可以看作是一种承载信令的 RB。 无线链路（无线链路（RL）：）：无线链路是指一个 UE 和一个 UTRAN 接入点之间的逻辑连接，它在 物理实现上通常是由一到多个无线承载传输组成。在 UE 与一个 UTRAN 接入点（通常指 小区）之间最多存在一条无线链路。 NodeB 主要体现 UTRAN 协议中物理层的实现，它在 UE 和 RNC 之间主要起到一个中继 的作用，基本上是一个透明的物理通道，我们可以从下图所示的 UE RRC

23、建立过程明显 的看到这一点。 RRCRRC RRCRRC RRCRRC NBAPNBAP NBAPNBAP UE NodeB SRNS SRNC 1.CCCH/RACH:RRC Link Setup Request 2.RL Setup Request 3.RL Setup Response 4.CCCH/FACH:RRC Link Setup Complete 5.DCCH:RRC Link Setup Complete Response Assign RNTI and Parameters of L1 and L2 Begin to Receive ALCAP: To build the

24、ATM physical Bearer Begin to Transmit Figure 7: RRC Link Setup Procedure to explain the RELAY function of Node B 除了 NBAP 和 ALCAP 过程以外，数据全部是通过 NodeB 透明的在 UE 和 RNC 之间传输， 好像 NodeB 不存在一样。我们可以分析其他的 RRC，RAB 过程，都不难发现这个特点： 即 NodeB 的中继功能。 6.2 软切换和分集概念软切换和分集概念 整个接入网的概貌如下图所示： RNC1RNC3RNC2 NB1NB6NB5NB4NB3NB2 Iu

25、bIub Iur Iur Iu IubIubIubIub UE CN Figure 8: Structure of UTRAN 接入网由 RNC 和 NodeB 组成，在 UE 和 CN 之间可能存在多条 RL，这些 RL 在 SRNC 处进行宏分集合并，然后变成一条链路接入到 CN。当 UE 在不同的 NodeB 之间移动时， 会不断的创建新的 RL 同时保留原有的 RL，当原有的 RL 质量不好时再进行释放的过程 就叫软切换。软切换的目的有两个：一是减少掉话，而是为克服远近效应而采取的功率控 制过程所需要。 7. 射频相关知识射频相关知识 7.1 线性化线性化 基站的发送功率中最多只有 1

26、5的功率是作为有效信号发射到空间中去，其它部分都做 无用功无端的消耗掉了，基站里矛盾还不很突出，但对于手机终端来看就不可接受了。还 有 CDMA 技术的前提就是 RF 部分的线性化，如果没有线性化，CDMA 就根本不可能实 现。 RF 功放的非线性化的根本原因在于功放工作在丙类放大方式下，功放的非线性很差。改 善的根本途径是改善功放的线性，常用的线性化技术有：反馈法，前馈法，基带预失真等 办法。 7.2 射频常用术语射频常用术语 RSSI：天线处接收场强 dBm：绝对功率值 临道泄漏：临道泄漏：泄漏道设计频段外的功率比 MxN 配置：配置：M 个扇区，每一个扇区 N 个载频。从软件的角度一个载

27、频对应一个小区。 匹配：匹配：射频传输通道的负载阻抗与特征阻抗接近时就叫匹配，相差较大叫不匹配。不匹配 时就会产生驻波，射频功率就不能有效的通过天线发送出去。 分集：分集：空间分集、极化分集；STTD，TSTD 等。 频点：频点：整个的 WCDMA 国际电联给分了一个频段，分别为上行部分（从 UE 到 UTRAN） 和下行部分（从 UTRAN 到 UE）。每一个部分又被分成 5M 带宽各个频段，这些频段的 中心频点就是我们通常说的频点。 7.2 小区和扇区小区和扇区 蜂窝（cell site）指地理上的一个区域（往往被设计为六角形），与之对立的概念是无线 通信的大区制。一个蜂窝可以分裂为 1

28、个或者 1 个以上的扇区：1 扇区（又叫全向扇区， 英文名叫 omni）、2 扇区、3 扇区等等，以增加系统容量。在一个蜂窝里可以有 1 个或者 1 个以上的载频，蜂窝的容量可以成倍增加。一个扇区一个载频在信令里对应一个本地小 区（local cell）。因此一个基站的 Local cell 数量扇区数载频数。UE 主要通过射频信 号的载频和扰码来区分 local cell。在不同的扇区，采用不同的小区扰码。 Figure 9: Structure of Cells 如上图所示，每一个基站采用 3 个定向天线形成 3 个六角形的扇区，这 3 个扇区又组合成 一个大的六角形的蜂窝（cell si

29、te）。如果采用 1 个载频，网络的配置就是 1C x 3S，1 个 基站对应 3 个扇区，1 个扇区对应 1 个小区（cell）。如果采用 2 个载频，网络的配置就 是 2C x 3S，1 个基站对应 3 个扇区，1 个扇区对应 2 个小区（cell）。在空中接口上不同 的小区采用不同的下行扰码相区分。 8. 无线网络规划无线网络规划 8.1 小区呼吸现象小区呼吸现象 WCDMA 小区的覆盖范围会随着小区内活动用户的数量变化而变化。当用户数增加时小 区的覆盖范围变小；当用户数减少时小区的覆盖范围变大。这种现象称之为“小区呼吸”， 仿佛人的呼吸一般。在网络环境下，呼吸效应会导致相邻小区之间，可

30、以相互补偿负载容 量。比如一个小区用户数增加，它的覆盖范围收缩；但其相邻小区由于用户数减少，其覆 盖范围扩大。在应用薄覆盖的网络规划策略时，如果用户数逐渐增长时，则各小区的覆盖 范围都在收缩，会导致网络覆盖“空洞”。 8.2 无线网络规划主要考虑点无线网络规划主要考虑点 UMTS网络规划的复杂性要求我们在各个层面都具备新技术和新知识。第一第一、是受过专业培训的网络 规划工程师，他们精通系统技术；第二第二、是谙熟业务并富有远见的管理者，他们在建网初期就能洞悉 UMTS网络的扩容条件和成本。第三第三、就是出类拔萃的规划软件工具，这对UMTS网络规划是必不可少 的。无线网络规划需要解决的最主要矛盾是覆盖和容量