现代移动通信技术与系统第3章WCDMA移动通信系统.ppt
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1、第3章 WCDMA移动通信系统,本章主要包括以下内容:WCDMA系统的主要特点WCDMA 系统的网络结构,主要网元和接口功能,基于R99、R4、R5的核心网结构及接口,不同版本核心网的特点IP多媒体子系统的特点、结构和功能UTRAN接口协议模型及协议栈结构WCDMA空中接口协议结构、各层协议功能及相互关系,WCDMA空中接口物理层的功能,物理信道、传输信道与逻辑信道的映射关系,物理层上下行链路的进程WCDMA网络中的编号计划,3.1 概述,3.1.1 WCDMA网络的演进 WCDMA网络架构是在GSM/GPRS网络基础上发展而来的。在GSM核心网家族中,GSM系统提供语音和基本的数据服务,GP
2、RS或EDGE可以提供更高速率的数据服务。,从技术演进的角度来看,下一代就是WCDMA。图3-1显示了从GSM到WCDMA的演进示意图。,图3-1 GSM到WCDMA的演进,3.1.2 WCDMA网络的特点,1工作频段和双工方式 WCDMA支持两种基本的双工工作方式:频分双工(FDD)和时分双工(TDD)。,2多址方式,WCDMA是一个宽带直扩码分多址(DS-CDMA)系统,通过用户数据与扩频码相乘,从而把用户信息比特扩展到更宽的带宽上去。,3语音编码,WCDMA中的声码器采用自适应多速率(Adaptive Multi-Rate,AMR)技术。多速率声码器是一个带有8种信源速率的集成声码器,8
3、种源码速率分别为:12.2kbit/s(GSM-EFR)、10.2kbit/s、7.95kbit/s、7.40kbit/s(IS-641)、6.70kbit/s(PDC-EFR)、5.90kbit/s、5.15kbit/s和4.75kbit/s。,4信道编码 WCDMA系统中使用的信道编码类型有两种:卷积编码和Turbo编码。5功率控制 快速、准确的功率控制是保证WCDMA系统性能的基本要求。功率控制解决的基本问题是远近效应。,6切换,切换的目的是为了当UE在网络中移动时保持无线链路的连续性和无线链路的质量。WCDMA系统支持软切换、更软切换、硬切换和无线接入系统间切换,也可以表述为同频小区间
4、的软切换、同频小区内扇区间的更软切换、同一无线接入系统内不同载频间的硬切换和不同无线接入系统间的切换。,WCDMA系统支持与GSM系统之间的切换,WCDMA系统能与GSM系统协同工作,能够在引入WCDMA后达到增加GSM覆盖的目的。,7同步方式,WCDMA不同基站间可选择同步和异步两种方式,异步方式可以不采用GPS精确定时,支持异步基站运行,室内小区和微小区基站的布站就变得简单了,使组网实现方便、灵活。,8可变数据速率,WCDMA系统支持各种可变的用户数据速率,适应多种速率的传输,可灵活地提供多种业务,并根据不同的业务质量和业务速率分配不同的资源。,3.2 WCDMA网络结构与接口,3.2.1
5、 UMTS系统结构 本书以R99版本所示UMTS结构和接口为例,介绍UMTS网元和接口功能。,3.2.2 UMTS网元和接口功能,UMTS网络系统结构如图3-4所示,包括的网元和接口功能如下。1用户设备(UE)用户设备(User Equipment,UE)完成人与网络间的交互,通过Uu接口与无线接入网相连,与网络进行信令和数据交换。,UE用来识别用户身份和为用户提供各种业务功能,如普通话音、数据通信、移动多媒体、Internet应用等。用户设备(UE)主要由移动设备(Mobile Equipment,ME)和通用用户识别模块(Universal Subscriber Identity Modu
6、le,USIM)两部分组成。,图3-4 UMTS网元和接口,(1)移动设备(ME),即通常所说的手机,有车载型、便携型和手持型。移动设备提供用户与无线接入网相连的交互界面,具有与网络进行信令和数据交换的能力,为用户实现各种业务功能和服务。移动设备包括射频处理单元、基带处理单元、协议栈模块以及应用层软件模块等部件。,(2)通用用户识别模块(USIM)的物理特性与GSM的SIM卡基本相同。USIM提供3G用户身份识别,储存移动用户的签约信息、电话号码、多媒体信息等,提供保障USIM信息安全可靠的安全机制。Cu接口是USIM和ME之间的接口,Cu接口采用标准接口。,2通用陆地无线接入网络(UTRAN
7、),无线接入网(UMTS/Universal Terrestrial Radio Access Network,UTRAN)位于两个开放接口Uu和Iu之间,完成所有与无线有关的功能。,(1)节点B(Node B),Node B的主要功能是Uu接口物理层的处理,如扩频、信道编码、速率匹配、交织、调制和解扩、信道解码、解交织和解调,还包括基带信号和射频信号的相互转换功能,无线资源管理部分控制算法的实现等。,(2)无线网络控制器(RNC),无线网络控制器(RNC)主要完成连接建立和断开、切换、宏分集合并和无线资源管理控制等功能,分为如下3类:系统信息管理:执行系统信息广播与系统接入控制功能。,移动性
8、管理:切换和RNC迁移等移动性管理。无线资源管理与控制: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)CRNC、SRNC、DRNC的概念,控制无线网络控制器(CRNC):控制Node B的操作与维护、接入控制等功能,并与Node B直接存在物理连接的RNC称为Node B的控制无线网络控制器(CRNC)。CRNC负责管理整个小区的资源,命令Node B配置、重配置或删除对小区资源的使用。,服务无线网络控制器(SRNC):负责UE和CN之间的无线连接的管理,一个与UTRAN相连的UE有并且只能有一个SRNC,通常SRNC即是CRNC,但在软切换过程中可以有例外。,漂移无线网
9、络控制器(DRNC):除了SRNC以外,UE所用到的其他RNC称为漂移无线网络控制器(DRNC),一个UE可以没有也可以有一个或多个DRNC。一个DRNC可以与一个或多个UE相连。,DRNC不与CN直接相连。DRNC控制UE使用的小区资源,可以进行宏分集合并、分裂。和SRNC不同的是,DRNC不对用户平面的数据进行数据链路层的处理,而在Iub和Iur接口间进行透明的数据传输。,(4)UTRAN接口与协议,UTRAN接口均为开放的标准接口,不同厂家的设备可以很容易地互联互通。UTRAN接口和协议如表3-1所示。,表3-1UTRAN接口和协议,3核心网(CN),核心网承担各种类型业务的提供以及定义
10、,包括用户的描述信息、用户业务的定义还有相应的一些其他过程。UMTS核心网负责内部所有的语音呼叫、数据连接和交换,以及与其他网络的连接和路由选择的实现。不同协议版本核心网之间存在一定的差异。,4外部网络(EN),核心网的电路交换域(CS)通过GMSC与外部网络相连,如公用电话交换网(PSTN)、综合业务数据网(ISDN)及其他公共陆地移动网(PLMN)。核心网的分组交换域(PS)通过GGSN与外部的Internet及其他分组数据网(PDN)等相连。,3.2.3 基于R99、R4、R5/R6的核心网结构,1R99网络结构及接口2R4网络结构及接口(1)R4网络结构 R4版本与R99版本相比,R4
11、网络中的主要变化是在核心网电路域提出了承载和控制独立的概念,引入了软交换技术,导致了核心网功能实体发生变化。,如图3-7所示。R4核心网电路域变化的实体功能介绍如下。MSC服务器(MSC Server)。MSC Server用来处理信令,独立于承载协议。它主要由MSC的呼叫控制和移动控制单元组成,负责完成CS域的呼叫、媒体网关管理、移动性管理、认证、资源分配、计费等功能,还包括R4版本核心网电路域提供的其他业务。,图3-7 R4网络结构图,电路交换媒体网关(CS-MGW)。CS-MGW用来处理用户数据,可以终结电路交换网络来的承载通道,也可以终结分组交换网来的媒体流,如IP网中的实时协议(RT
12、P)数据流。,关口MSC服务器(GMSC Server)。GMSC Server主要由GMSC的呼叫控制和移动控制单元组成,负责与其他网络(PSTN/ISDN/PLMN)的互通,实现GMSC的呼叫管理、路由和移动性管理,控制MGW交换等。,(2)R4核心网的接口与协议,R4核心网实现了控制与承载的分离,除新增接口外,R4核心网的接口、实现方式和功能与R99相似。表3-3所示为核心网新增接口与协议。,表3-3R4核心网新增接口与协议,3R5网络结构及接口,R5版本在无线接入网方面的改进如下。提出高速下行分组接入(HSDPA)技术,使下行数据速率峰值可达14.4Mbit/s。HSDPA技术将在后面
13、的章节介绍。Iu,Iur,Iub接口增加了基于IP的可选择传输方式,保证无线接入网实现全 IP化。,R5版本在核心网(Core Network,CN)方面,在R4基础上增加了IP多媒体子系统(IMS),它和PS域一起实现了实时和非实时的多媒体业务,并可实现与CS域的互操作,包括IMS子系统的R5版本网络结构如图3-9所示。,图3-9 含IMS子系统的R5版本网络结构,4R6版本网络结构,R6研究的主要内容如下。(1)PS域与承载无关的网络框架,研究是否在分组域也实行控制和承载的分离,将SGSN和GGSN分为GSN Server和媒体网关的形式。,(2)在网络互操作方面,研究IMS与PLMN/P
14、STN/ISDN等网络的互操作,以实现IMS与其他网络的互联互通;研究WLAN-UMTS网络互通,保证用户使用不同的接入方式时切换不中断业务。,(3)在业务方面,研究包括多媒体广播/多播业务(MBMS)、Push业务、Presence、PoC(Push-To-Talk over Cellular)业务、网上聊天业务及数字权限管理等。,(4)无线接入方面采用的新技术有正交频分复用调制(OFDM)技术、多天线技术(MIMO)、高阶调制技术和新的信道编码方案等,OFDM和MIMO也是后3G的重点技术。,(5)R6的高速上行分组接入(HSUPA),理论峰值数据速率可达5.76Mbit/s;R6的高速下
15、行分组接入(HSDPA),理论峰值数据速率可达30Mbit/s。,3.2.4 IP多媒体子系统,1IMS概述 IMS主要特点如下。(1)IMS的重要特点是对控制层功能做了进一步的分解,实现了会话控制实体和承载控制实体在功能上的分离,体现了“业务与控制分离”、“控制与接入和承载分离”的原则,网络构架层次化为不同网络的互通和业务的融合奠定了基础。,IMS的设计是独立于接入网的,不依赖于任何接入技术和接入方式。通过利用核心网的设备,使得不同的用户终端用不同的接入方式接入IMS网络,支持各种融合业务的公共平台,提供新型的基于IP的交互式多媒体业务。,(2)IMS继承了移动通信系统特有的网络技术,继续使
16、用归属网络和访问网络的概念,支持用户全程全网漫游能力,具有切换功能,集中用户数据管理等。,(3)IMS中重用了IETF组织制定的互联网技术和协议。会话控制层采用了具有灵活性和标准化的开放接口SIP。网络层选用IPv6,同样运用域名系统(Domain Name System,DNS)协议进行地址解析。终端用户安全认证、授权和计费沿用计算机网络中AAA方式,使用RADIUS协议基础上开发的Diameter协议。,(4)IMS业务应用平台支持多种业务,能为SIP用户提供全程全网漫游能力和虚拟归属业务环境(VHE)能力。IMS在原有UMTS技术基础上,提供根据用户、业务、数据流、内容、事件、时间等的更
17、多计费手段,通过新的在线计费功能,运营商还可以实时控制业务流程。,(5)IMS由多个标准化组织定义并发展完善,如3GPP/3GPP2、ITU-T、IETF和ETSI等,IMS越来越受到业界的关注。,2IMS的主要功能实体,3GPP IMS的主要功能实体如图3-10所示,包括呼叫会话控制功能(CSCF)、归属用户服务器(HSS)、媒体网关控制功能(MGCF)、IP多媒体-媒体网关功能(IM-MGW)、多媒体资源功能控制器(MRFC)、多媒体资源功能处理器(MRFP)、签约定位器功能(SLF)、出口网关控制功能(BGCF)、信令网关(SGW)、应用服务器(AS)、多媒体域业务交换功能(IM-SSF
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