WCDMA系统概述

WＣＤＭＡ是目前全球两种主要的第３代移动通信体制之一，是未来移动通信的发展趋势。

    目前，ＷＣＤＭＡ系统标准规范的制订者—３ＧＰＰ正在紧锣密鼓地制订其商用化的规范。全球各大通信设备制造商、研究机构和高等院校等都在投入大量的人力物力对其进行研究，以便在未来的竞争中占有一席之地。世界著名电信公司如Ｅｒｉｃｓ-ｓｏｎ、ＤｏＣｏＭｏ等都斥巨资开发了实验系统，在２００２年左右将会推出商用系统。中国对ＷＣＤＭＡ的研究始于１９９８年中国评估组（ＣｈＥＧ）对ＩＭＴ－２０００的几种体制的评估。此后，一些高校、研究机构和公司投入到对ＷＣＤＭＡ的研究中。

１ ＷＣＤＭＡ系统结构

     ＷＣＤＭＡ系统由核心网（ＣＮ）、无线接入网（ＵＴＲＡＮ）和用户装置（ＵＥ）３部分组成。

     ＣＮ与ＵＴＲＡＮ的接口定义为Ｉｕ接口，ＵＴＲＡＮ与ＵＥ的接口定义为Ｕｕ接口。

１．１ 通用协议结构

    Ｕｕ 和 Ｉｕ 接口协议分为两部分?押

    用户平面协议

    这些协议是实现真正的无线接入承载业务的协议。

    控制平面协议

    这些协议是用于在移动终端和网络间在不同的方面（包括请求业务、控制不同的传输资源和切换等）控制无线接入承载和连接，还包括非接入层（ＮＡＳ）的透明传输机制。

１．２ ＵＴＲＡＮ结构

    ＵＴＲＡＮ包括许多通过Ｉｕ接口连接到ＣＮ的无线网络子系统（ＲＮＳ）。一个ＲＮＳ包括一个无线网络控制器（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。

    ＲＮＣ负责决定ＵＥ的切换，它具有合并／分离功能，用以支持在不同Ｎｏｄｅ Ｂ之间的宏分集。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。

１．３ ＵＴＲＡＮ功能

   ＵＴＲＡＮ的功能如下：

  系统接入控制功能包括：接入控制、拥塞控制、系统信息广播、无线信道加密和解密。

  移动性功能包括：切换、ＳＲＮＳ重布置。

  无线资源管理和控制包括：无线资源配置和操作、无线环境调查、宏分集控制、无线承载控制、无线协议功能、ＲＦ功控、ＲＦ功率设置、无线信道编码和译码、随机接入检测和处理。

２ ＷＣＤＭＡ ＵＴＲＡＮ接口协议

     ＷＣＤＭＡ ＵＴＲＡＮ主要涉及Ｕｕ、Ｉｕｂ、Ｉｕｒ和Ｉｕ这４个接口。

２．１Ｕｕ接口

     Ｕｕ接口是移动终端与基站之间的无线接口，是无线通信系统中最重要的接口，一切的关键技术都针对提高其能力而研究。

２．１．１ Ｕｕ协议结构概述

     无线接口分为３个协议层：物理层（Ｌ１）、数据链路层（Ｌ２）、网络层（Ｌ３）。

     二层又分为两个子层：媒体接入控制（ＭＡＣ）、无线链路控制（ＲＬＣ）及两个功能实体——分组数据集中协议（ＰＤＣＰ）和广播／多广播控制（ＢＭＣ）。

    三层和ＲＬＣ分为控制（Ｃ－）和用户（Ｕ－）平面。ＰＤＣＰ和ＢＭＣ只在用户平面。

    在控制平面，三层分为几个子层。最低层是无线资源控制（ＲＲＣ），与二层通过业务接入点（ＳＡＰ）相接，协议终止于Ｕ-ＴＲＡＮ。下一子层是 “Ｄｕｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｖｏｉｄａｎｃｅ”（３ＧＰＰ还需进一步研究），协议终止在ＣＮ，但是它属于接入层部分，它给高层提供接入层业务。高层信令诸如移动管理（ＭＭ）和呼叫控制（ＣＣ）属于非接入层。

    无线接口协议结构如图３所示。图３中每一模块表示相应的协议实例。子层间接口的椭圆圈表示用于端到端通信的业务接入点（ＳＡＰ）。ＭＡＣ和物理层间的ＳＡＰ提供传输信道。ＲＬＣ和ＭＡＣ间的ＳＡＰ提供逻辑信道。在控制平面，“Ｄｕｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｖｏｉｄａｎｃｅ”和三层的高子层（ＣＣ，ＭＭ）的接口由通用控制（ＧＣ）、通知（Ｎｔ）和专用控制（ＤＣ）ＳＡＰ所定义。

    ＲＲＣ与ＭＡＣ以及ＲＲＣ与Ｌ１存在控制交互。同样ＲＲＣ与ＲＬＣ、ＲＲＣ与ＰＤＣＰ以及ＲＲＣ与ＢＭＣ都有控制接口。这些接口允许ＲＲＣ控制低层的配置。

    ＲＬＣ子层提供与无线传输技术紧密结合的自动重发请求（ＡＲＱ）功能。控制平面和用户平面的ＲＬＣ实例没有区别。

   ＣＮ可以要求ＵＴＲＡＮ防止数据丢失。如果Ｉｕ的连接点未变，则此要求由ＵＴＲＡＮ的ＲＬＣ重发功能实现；如果发生了变化，则此要求通过“Ｄｕｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｖｏｉｄａｎｃｅ”完成。

２．１．２ ＭＡＣ层协议规范概述

２．１．２．１ ＭＡＣ层功能

   ＭＡＣ层功能有：

    逻辑信道和传输信道间的映射

    ＭＡＣ负责将逻辑信道映射到适当的传输信道上。

    根据即时源速率为每一个传输信道选择适当的传输格式

     假定ＲＲＣ指定传输格式合成集，ＭＡＣ根据源速率为每一个激活的传输信道在指定传输格式集中选择传输格式。传输格式控制传输信道的有效使用。

     ＵＥ数据流间优先权处理

     在给定的传输格式合成集中选择传输格式合成时，映射到对应传输信道上的数据流的优先权将被考虑。优先权由无线接入载波服务的性质和ＲＬＣ缓冲器状态决定。优先权处理通过选择传输格式实现。即高优先权数据映射到Ｌ１上带有“高比特率”传输格式，同时，低优先权数据映射成带有“低优先权”传输格式。传输格式选择也要考虑从Ｌ１中来的传输功率指示。

      通过动态调度完成ＵＥ间优先权处理

     为了对突发传输有效地利用频谱资源，使用动态调度功能优先权处理。在共享和公共传输信道上优先权的处理由ＭＡＣ实现。注意，对专用传输信道，动态调度功能隐含在ＲＲＣ子层配置功能中。对于ＴＤＤ来说，这将是未来研究的内容。

      公共传输信道上ＵＥ的标识

      当一个特定ＵＥ在公共下行信道上被寻址时，或当ＵＥ使用随机接入信道（ＲＡＣＨ），需要内带ＵＥ标识。由于ＭＡＣ层处理接入，多路复用到传输信道，标识功能自然放到ＭＡＣ上。

      高层ＰＤＵ的复用／解复用

      层ＰＤＵ多路复用到传输块，通过公共传输信道发送到物理层或通过解多路复用将物理层公共传输信道来的传输块变成高层ＰＤＵ。

     业务量监视。

      加密。

      ＲＡＣＨ传输接入服务级别选择。

      链路监测。

      高层信令路由。

２．１．２．２ ＭＡＣ实体

    ＲＲＣ控制ＭＡＣ的配置。ＭＡＣ实体有：

  （１）ＭＡＣ－ｂ：表示处理广播信道（ＢＣＨ）的ＭＡＣ实体。每个ＵＥ一个ＭＡＣ－ｂ。每个小区ＵＴＲＡＮ一个ＭＡＣ－ｂ。

   （２）ＭＡＣ－ｃ?押 表示处理前向接入信道（ＦＡＣＨ）?熏随机接入信道（ＲＡＣＨ）和寻呼信道（ＰＣＨ）的ＭＡＣ实体。每个ＵＥ一个ＭＡＣ－ｃ。每个小区ＵＴＲＡＮ一个ＭＡＣ－ｃ。

   （３）ＭＡＣ－ｄ?押 表示处理分配给一个ＵＥ的专用逻辑信道和专用传输信道（ＤＣＨ）的ＭＡＣ实体。每个ＵＥ一个ＭＡＣ－ｄ。ＵＴＲＡＮ对应每个ＵＥ一个ＭＡＣ－ｄ。

   （４）ＭＡＣ－ｓｈ?押表示处理下行共享信道（ＤＳＣＨ）的ＭＡＣ实体。每个ＵＥ一个ＭＡＣ－ｓｈ。ＵＴＲＡＮ对应每个小区一个ＭＡＣ－ｓｈ。

２．１．３ ＲＬＣ层协议规范概述

   （１）ＲＬＣ功能

    ＲＬＣ功能有：连接控制、封装和重组、报头压缩、级连、填充、用户数据传输、纠错、流量控制、序号检测、加密、协议错误检测和修复等。

   （２）ＲＬＣ模式

    ＲＬＣ层按结构、功能可以分为３种模式，分别为：

    透明模式（ＴＭ）：发送端接收高层自Ｔｒ－ＳＡＰ传来的ＳＤＵ，可以将其分成适当长度的ＰＤＵ，不加任何帧头，如何分段在建立连接时确定。ＲＬＣ通过ＢＣＣＨ、ＰＣＣＨ、ＤＴＣＨ或 ＣＣＣＨ（只用于上行连接）将ＰＤＵ传给ＭＡＣ层。接收端通过逻辑信道从ＭＡＣ层接收ＰＤＵ。若分段则需要重装成ＳＤＵ。通过Ｔｒ－ＳＡＰ传给高层。

    无应答模式（ＵＭ）：发送端接收高层自Ｕｍ－ＳＡＰ传来的ＳＤＵ，将其分成适当长度的ＰＤＵ，如何分段在建立连接时确定。ＳＤＵ可与其他ＳＤＵ串接。ＲＬＣ对ＰＤＵ加帧头和加密。ＲＬＣ通过ＤＣＣＨ、ＤＴＣＨ、ＣＴＣＨ或 ＣＣＣＨ（只用于下行连接）将ＰＤＵ传给ＭＡＣ层。接收端通过逻辑信道从ＭＡＣ层接收ＰＤＵ，若分段则需要重装成ＳＤＵ，通过Ｕｍ－ＳＡＰ传给高层。

     应答模式（ＡＭ）：发送端接收高层自Ａｍ－ＳＡＰ传来的ＳＤＵ，将其分成适当长度的ＰＤＵ，如何分段在建立连接时确定。ＳＤＵ可与其他ＳＤＵ串接。ＲＬＣ对ＰＤＵ加帧头和加密，通过ＤＣＣＨ或ＤＴＣＨ将ＰＤＵ传给ＭＡＣ层。接收端通过逻辑信道从ＭＡＣ层接收ＰＤＵ，若分段则需要重装成ＳＤＵ，通过Ａｍ－ＳＡＰ传给高层。为保证可靠传输，该模式采用ＡＲＱ协议建立反馈系统，将ＰＤＵ分为若干ＰＵ，作为统计的最小单位，并可以采用帧头压缩以提高效率。

２．１．４ ＲＲＣ子层规范概述

     该规范是ＷＣＤＭＡ系统中最重要、复杂的规范，其核心功能是无线资源的控制。ＲＲＣ子层控制ＲＬＣ与ＭＡＣ子层、ＰＤＣＰ、ＢＭＣ以及物理层的配置。

     ＲＲＣ和其它层的交互通过原语进行，和对等ＲＲＣ的交互通过消息进行。为了进行一个服务，网络给移动终端分配无线资源的消息发给终端的ＲＲＣ，在此消息中包含了所有低层的参数。ＲＲＣ收到此消息后对低层进行配置，成功后通知网络，即可进行通信。

    ＲＲＣ子层有以下实体：

    路由功能实体 （ＲＦＥ）：处理高层信息到不同的ＭＭ／ＣＭ实体（ＵＥ端）或不同的核心网络控制域（ＵＴＲＡＮ端）的路由选择。

    广播控制功能实体（ＢＣＦＥ）：处理广播功能，发送ＧＣ－ＳＡＰ所需要的ＲＲＣ业务。

    传呼及通告功能实体 （ＰＮＦＥ）：控制传呼空闲模式的ＵＥ，发送ＮＴ－ＳＡＰ所需要的ＲＲＣ业务。

    专用控制功能实体（ＤＣＦＥ）：处理特定ＵＥ的所有功能，发送ＤＣ－ＳＡＰ所需要的ＲＲＣ业务。

    共享控制功能实体（ＳＣＦＥ）：控制ＰＤＳＣＨ的分配。

    传输模式实体（ＴＭＥ）：处理ＲＲＣ层内不同实体之间的映射。

２．１．５ ＰＤＣＰ子层规范概述

   ＰＤＣＰ功能有：

   发送和接收实体的ＩＰ数据流（例如ＴＣＰ／ＩＰ和ＲＴＰ／ＵＤＰ／ＩＰ头）的数据头压缩和解压缩。头压缩方法对网络层、传输层或高层协议组合是特定的，例如ＴＣＰ／ＩＰ和ＲＴＰ／ＵＤＰ／ＩＰ。

    传输用户数据。这是指ＰＤＣＰ从非接入层接收ＰＤＣＰ－ＳＤＵ，把它发到ＲＬＣ层，反之亦然。

    发送ＰＤＣＰ ＳＤＵ的缓存和发送及接收ＰＤＣＰ ＳＤＵ序列号，为保证无损的ＳＲＮＳ重置。

    不同无线承载复用到一个ＲＬＣ实体上。

２．１．６ ＢＭＣ

   ＢＭＣ功能有：

   存储小区广播消息。

   业务量监测和请求小区广播业务的无线资源。

   ＢＭＣ消息排序。

   ＢＭＣ消息向ＵＥ发送。

   小区广播消息向高层发送。

２．２ Ｉｕ、Ｉｕｒ、Ｉｕｂ接口协议

   Ｉｕ、Ｉｕｒ、Ｉｕｂ接口分别为ＣＮ与ＲＮＣ、ＲＮＣ与ＲＮＣ、ＲＮＣ与Ｎｏｄｅ Ｂ之间的接口。此结构依据层间和平面间相互独立原则而建立。随着３ＧＰＰ标准化的进展，此结构可能会变化。

（１）水平层

   协议结构包括两层：无线网络层和传输网络层。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的特定功能无关。物理层可用Ｅ１、Ｔ１、ＳＴＭ－１等数十种标准接口。

（２）垂直平面

   控制平面

   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Ｂ节点协议（ＮＢＡＰ），负责ＲＮＳ内部的ＲＮＣ与Ｎｏｄｅ Ｂ之间的信令交互。在传输网络层３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（Ｏ＆Ｍ）建立。

    用户平面

    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

    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，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。

     传输网络用户平面

    用户平面和应用协议的数据承载属于传输网络用户平面。

（３）Ｉｕ接口

     为了第２代向第３代的平滑过渡和演进，目前ＣＮ包括３个域：ＣＳ（电路交换）域、ＰＳ（分组交换）域和ＢＣ（广播）域。ＣＳ业务域由ＭＳＣ／ＶＬＲ等组成，ＰＳ业务域由ＳＧＳＮ、ＧＧＳＮ等组成。

    Ｉｕ接口的功能主要有：

     对ＲＡＢ的管理（建立、修改和释放）

     无线资源管理

    Ｉｕ链路管理

      移动性管理

      安全性功能

      业务和网络接入功能

      Ｉｕ协调功能。

（４）Ｉｕｒ接口

     Ｉｕｒ接口是ＣＲＮＣ与ＳＲＮＣ之间的接口，传输ＣＲＮＣ与ＳＲＮＣ之间的信令和数据，主要功能如下：

     对传输网络的管理。

    公用传输信道的管理：公用传输信道资源的准备；寻呼管理。

     专用传输信道的管理：无线链路的建立、增加、删除以及重配置；对专用资源的测量报告；对专用资源的功率控制。

     对无线资源的测量。

（５）Ｉｕｂ接口

   Ｉｕｂ接口是ＲＮＣ与Ｎｏｄｅ Ｂ之间的接口，传输ＲＮＣ与Ｎｏｄｅ Ｂ 之间的信令和数据，主要功能如下：

  Ｉｕｂ传输资源管理

  Ｎｏｄｅ Ｂ逻辑Ｏ＆Ｍ

  系统信息管理

  公共信道管理

  专用信道管理

  共享信道管理

  定时和同步管理。

３ 结束语

     目前，ＧＳＭ在全球拥有最多的用户，ＷＣＤＭＡ作为由ＧＳＭ向上演进的第３代系统，必将在未来移动通信市场有着广阔的前景。当前，国际上对ＷＣＤＭＡ系统的标准和规范正在制订中，如果我们积极参与，那么就会在未来的移动通信市场中占有相应的份额。

（收稿日期：２０００－０９－０５）

[摘要] WCDMA是第3代移动通信主要体制之一。文章概述了WCDMA的系统结构，重点阐述了UTRAN的结构和功能，对无线、Iu、Iur、Iub等接口的高层协议规范进行了分析。

[关键词] WCDMA体制 无线接入网 接口 协议

[Abstract] WCDMA is one of the important systems of the 3rd－generation mobile communications. This paper introduces the system architecture of WCDMA, and emphasizes the architecture and functions of UTRAN. The high layer specification of U u, I u, I u r and I ub interfaces are also analyzed.

[Keywords] WCDMA system UTRAN Interface Protocol