WCDMA标准的演进及其发展预测

中国移动通信发展起步虽晚，但发展势头迅猛。截至2002年3月，中国移动电话用户已超过1.6亿，成为世界最大的移动通信网。目前中国以至世界范围内第2代移动通信系统，特别是GSM系统占据着绝大多数市场，但随着多媒体业务、数据传输的发展，人们对通信业务和质量的要求不断增加。

　　早在1985年，国际电信联盟(ITU)就提出了未来公用陆地移动通信系统的第3代移动通信概念，1996年改为IMT 2000。但由于移动通信在未来的信息产业中的重要作用，以及标准和市场之间联系密切，第3代移动通信标准化工作由于各种利益交织而呈现出异常复杂的局面。标准之争已成为名副其实的市场之争，谁拥有标准，谁就将拥有未来的市场，这已是业界不争的事实。1999年11月，ITU-R TG8/1会议确定了5个IMT 2000无线接口技术的框架性标准。其主流体制主要分为三大类--WCDMA，cdma 2000和中国的TD－SCDMA，焦点主要集中在WCDMA和cdma 2000上。而基于第2代移动通信的考虑和目前全球范围内3G的应用情况，可以说WCDMA已经事实上成为最为主流、应用范围最广的第3代无线传输技术。

　　1 WCDMA标准化发展进程

　　世界五大标准制订组织和若干制造运营商组成3GPP(第3代伙伴计划)标准化组织，目标主要是制订基于GSM MAP(移动应用协议)的核心网和基于WCDMA无线接口的第3代移动通信技术规范，此外还负责高码片速率和低码片速率TDD(时分双工)模式的标准制订和GSM标准的演进和维护。

　　3G标准化的一个非常突出的特点是版本多、更新快。目前WCDMA成形的标准版本基本上分为R99/R4/R5 3个阶段，R6正处于构思阶段。其版本和拟完成日期参见表1。其中R99是目前最成熟、最稳定的版本，且其后版本能与之后向兼容。

　　表1　WCDMA各版本完成和预计完成时间

　　除对标准本身的修改和各公司出于自身利益考虑推出各自的技术外，WCDMA版本的演进过程基本上体现了技术和业务需求不断提高的过程。

　　(1)考虑到二代GSM系统的应用情况和话音业务在一定时期内占优势的现状，R99采用基于GSM/GPRS MAP的核心网络，引入新的WCDMA的无线接入网络。

　　(2)随着数据业务的增长和无线互联网的应用，WCDMA的网络结构逐渐向全IP化方向发展，先是核心网，然后是全网IP化，R5是全IP的第1个版本。

　　(3)随着日益增长的对高速数据业务的需求，无线接口上下行特别是下行数据传输速率在不断提高。R4/R5版本中加入了很多增强无线接口传输能力的新技术，特别是R5引入支持下行速率达10 Mbit/s的HSDPA(高速下行分组接入)技术。

　　(4)随着用户对多业务的需求不断提高，WCDMA标准在不同的版本中引入很多新业务，使业务向多样化、个性化方向发展，代表性的有虚拟归属环境(VHE)概念、引入IMS(基于IP的多媒体业务)及形式多样的补充业务等。

　　为保持技术和需求的同步，WCDMA标准化进程也与时俱进，不断开展新的课题研究，形成标准，因此标准版本本身的发展就是一个不断修改、成熟和发展的过程。

　　2 WCDMA各版本的演进和变化

　　以前业界一般认为R4只是个过渡版本，主要增加的是窄带TDD模式和全IP化的初步，R5才是完善的全IP版本。但R5也不能实现完全的IP化，而R4中加入的窄带TDD模式可能在中国会有用武之地。现在R4基本上已经成形，内容已经冻结，而R5目前还没有完全确定。

　　2.1 R4的特点及较R99的改进

　　2.1.1业务趋向实时和多样化

　　R4的业务与R99相比，更趋向于实时业务和多媒体业务，并在业务多样化方面有较大进展，具体归纳如下：

　　(1)随着分组交换(PS)域实时业务不断发展的需要，R4中针对实时业务设计了UTRAN(UMTS地面无线接入网，主要是Iu接口)中支持实时业务下PS域切换的优化机制，使其更加支持VoIP/Multimedia over IP等业务；R4在R99基础上改进PS域的QoS (服务质量)过程，提供可靠的QoS服务，但只在UMTS(通用移动通信系统)内部进行。

　　(2)与R99在核心网的电路交换(CS)域支持基于小区标识的LCS(定位业务)相比，R4版本中LCS将在CS域和包括GPRS的PS域中获得支持，并将在UTRAN FDD和UTRAN TDD中获得支持。UTRAN中的定位方法将至少包括基于小区覆盖、基于下行链路空闲周期测量到达时间差法(IPDL-OTDOA)和辅助GPS(全球定位系统)等方法。

　　(3)在实现VHE概念的智能业务中，R4和R99都限于CAMEL3(移动网络增强定制应用逻辑阶段3)，R4比R99一方面增强了对电路交换型业务的CAMEL控制能力，另一方面也引入了对GPRS,SMS(短消息服务)等业务的CAMEL控制。

　　(4)R4在R99基础上改进了用户设备(UE)和网络侧的若干应用层业务开发工具包，如UE侧的USIM(UMTS 用户识别模块)工具包、USAT(USIM应用工具包)解释器等、UE侧和网络侧的MExE(移动台应用执行环境)工具包，基本思想是从定义标准的业务转向定义业务生成的工具，以方便添加新业务，实现VHE的目的。

　　(5)由于网络侧不断增加新业务，终端侧也不断开发增加新功能和规范。如用户设备的AT命令(终端设备和终端适配器之间的命令)集中，R4中增加了SIM(用户识别模块)命令支持VGCS(语音群组呼叫业务)和VBS(语音广播业务)；在多媒体信息业务(MMS)规范中，R4明确定义MMS的最小支持格式集，并增加了MMS业务行为描述。

　　2.1.2无线接口及性能的提高

　　R4中最主要的特点是加入低码片速率TDD模式(LCR TDD)，即由中国提出的TD-SCDMA，提高无线接口性能并修改了相关规范中的无线射频和测试参数，在终端侧也加入相应LCR TDD的一致性测试规范。

　　此外，R4还在很多性能方面较R99有很大的提高，简要归纳如下：

　　(1)R4对现有UTRAN的RRM(无线资源管理)Iub/Iur接口的过程进行优化，提高了终端用户的服务质量。R4在RNSAP(无线网络子系统应用部分)中添加类似Iub的公共测量过程，以使SRNC(源无线网络控制器)了解DRNC(漂移无线网络控制器)中的负载情况，作为软切换时的判据。
(2)R4改进了CS/PS的业务RLC(无线链路控制层)算法，并在网络侧对MAP控制层加密。MAP协议变化主要是对系统间和多呼叫切换的支持，增加对CAMEL3的支持。

　　(3)R4中加入不使用代码转换器的操作的功能。

　　(4)R4中加入DSCH(下行共享信道)在软切换过程中增强功控的改进，是用SSDT(位置选择分集)上行信令确定主辅小区，从而对DSCH的功率作相应调整。

　　(5)R4中增强OSA(开放业务结构)功能以实现VHE的概念，使业务独立于下层网络，在业务和网络功能之间采用标准接口，R4新增12个OSA的API(应用协议接口)定义规范，以支持不同的应用。

　　(6)核心网和UTRAN侧增加和改善的功能在终端侧都有体现，都要增加相关的测试规范，具体反映在3GPP TSG-T1组(终端工作组1)的工作中。

　　(7)对现有的无线接入承载机制进行了优化。目前主要的研究方向是VoIP的鲁棒性头压缩(ROHC)，并已基本完成。

　　(8)给出了UTRA Repeater的相关规范、紧急呼叫业务(基于CS)性能增强、GTT(Global Text Telephony)业务和提高终端的节电性能方面的修改等。

　　2.1.3网络结构分层化

　　由于业务的适用范围和用户群体的不同，从而造成局部高密度和高数据量用户和广大区域的中低密度用户群共存的局面，因此可能产生FDD/FDD分层小区结构和FDD/FDD,FDD/TDD基站共站址和重复覆盖的问题，从而导致网络分层化的趋势。对于由此产生的干扰等问题，WCDMA规范也作了相关规定。

　　在网元结构上增加了部分网元和结构复杂性，R4在R99的基础上增加了多媒体网关(MGW)和MSC/GMSC服务器。其中MSC 服务器和GMSC 服务器提供呼叫控制和移动性管理功能，MGW提供承载控制和传输功能，MGW还包含了流处理功能，主导思想是将传输、控制和业务分离。

　　2.2 R5的主要特点和发展

　　R5最主要的特点是引进HSDPA新技术、UTRAN/核心网中的全IP传输和IMS业务三方面，但由于要保证R5的及时完成，这三方面原定在R5中实现的若干功能和业务已被包括在R6中了。2002年3月基本上确定了R5所包括的范围，而安全部分和部分无线接口相关内容将在2002年6月完成。

　　2.2.1业务趋向多媒体和多样化

　　R5最主要的业务特点是提供IMS业务，包括多媒体编译码、核心网络与其他多媒体网络的互通、多媒体消息服务的增强性业务、IMS业务的PS域端到端QoS保证等。其他方面同样有很多业务增强，简介如下：

　　(1)支持扩展带宽(50 Hz～7 kHz)的多速率宽带语音编码器，可支持宽带语音业务。

　　(2)R5在R4的基础上将CAMEL业务升级到第4阶段。

　　(3)R5对VHE概念也作了改进，具体包括：在OSA的业务中增加了推送业务(Push Service)；终端侧改进了MExE,USIM,USAT等工具包的性能；增强OSA在多媒体呼叫控制上的应用及OSA安全等方面。

　　(4)R5中在终端侧加入功能模块结构(Terminal Local Model)，协调不同的工具软件间的运行，减少了应用软件和OS/协议栈间的冲突。
(5)要求UE支持与版本无关的UMTS 1800(R4)/1900(R5)频段，并增加了相关规范，进一步扩展了WCDMA应用的频段范围，与ITU扩展IMT 2000频段的趋势相适应。

　　2.2.2无线接口传输及性能的提高

　　R5采用了HSDPA技术，基本的技术特性是自适应编码调制(AMC)和混合ARQ(混合重发请求)，减少延迟并增加数据传输的吞吐量和峰值数据率，可达到8～10 Mbit/s的峰值数据速率，并有2～3倍的容量改善，特别适合移动多媒体等大量下载信息的业务。目前已经定出第2阶段的规范，并对受影响的核心规范进行了修改。但由于前面提到的和3GPP2高速数据业务的融合设想，所以HSDPA的规范进度可能还要受此影响，但不可能发生很大的变化。R5在安全性能、定位业务和其他方面也有很大的性能提高：

　　(1)网络安全性能有很大增强，提供了基于网络的端到端的安全保护。在接入网侧继续改进RLC算法，核心网中对控制平台的保护从R4的只对MAP加密发展到对GTP(GPRS隧道协议)、CAP(CAMEL应用协议)、MAP和用户平台(IP)都进行加密保护。

　　(2)由于业务分层化的趋势，R5中引入各种制式下(FDD/TDD/LCR TDD)的基站分级，将目前的单纯基于宏蜂窝的基站，演进到分为广域基站和局域基站等级别，更适合于分层小区。

　　(3)定位业务的增强包括基于事件的定位请求和周期性定位请求、Le接口标准化等方面。

　　(4)为减少分配的资源和增加资源分配的灵活性，R5中允许多个专用CCTrCH(编码合成传输信道)采用不同SF(扩频因子)的信道，将传输信道映射到多个CCTrCHs来考虑QoS差异比较大的情况。

　　(5)在现有压缩模式方法的基础上，R4/5中提出侧重于灵活位置打孔的压缩模式，更好地进行频间和系统间测量。

　　(6)其他方面的改善有：DSCH硬拆分模式的增强、基于IP和PS的紧急呼叫性能增强、增强AMR(自适应多速率语音编码)业务性能、终端节电功能等方面。

　　2.2.3网络结构和传输控制方式趋向全IP化

　　网络结构上将以前偏重于业务/交换/服务器节点的划分趋向于功能的划分，即不同的功能实体建立在共用的IP传输网上，完成不同的业务控制功能，向采用公共业务和传输平台，业务、控制、传输分离的方向发展。

　　此外，R5将在全网中采用IP化，必选IPv6技术。UTRAN系统可选择性地利用IP传输或AAL2(ATM适配层2)/ATM传输，提供支持3G业务的解决方案，提供UTRAN在Iu/Iur/Iub接口上传输信令和数据的IP技术。

　　3 WCDMA标准向后三代技术演进的方向

　　从R99到R5标准的演进可以看出WCDMA的演进和发展方向。笔者认为，丰富的多媒体数据业务、高速下行数据传输、全网IP化、不同无线接入技术间的切换和漫游等方面是WCDMA向后三代发展的方向，现简述如下：

　　(1)多媒体数据业务：从第1代移动通信的全话音业务到第2代的主要话音伴随低速率数据业务，再到第3代的侧重数据业务的发展趋势，可以看出，话音业务和数据业务在移动通信中此消彼长。再从短消息在世界风行、日本imode的成功应用、WAP手机和网站的不断增长的趋势推测，多媒体数据业务将成为一直对“Killer Application”概念比较模糊的3G业务的主要利润增长点。

　　(2) 高速下行数据传输：多媒体数据业务的不断丰富和强化必然对上下行特别是下行数据传输速率提出更高的要求，到时2 Mbit/s的速率很显然不符合需要，必将出现高速下行的技术解决方案，目前是以HSDPA为代表(如前所述)。其发展方向可能还有更宽的带宽，更先进的调制技术等。

　　(3)全网IP化：如前述分析，WCDMA的网络结构正逐步向IP化发展，这也是支持基于IP的多媒体业务所需要的，可以推测后三代的网络平台将是基于IP的传输网，并与多种类型的服务器相结合，网络结构也趋向于分为接入层、控制层和应用层等分层结构。未来网络将提供开放的业务结构，移动运营商可在网络提供的开放业务平台上开发出各种业务，做到业务开发和网络运营分离。

　　(4)切换和漫游：基于目前世界上各种移动通信接入技术的应用情况复杂，而且在相当长的时间内，各种体制并存的状态将长期存在。为提供给用户满意的无“缝”接入及漫游服务，解决好不同无线接入体制间的切换和漫游将是后三代技术的一大重点。

　　实际上随着3GPP和3GPP2的标准化工作逐渐深入和趋于稳定，国际标准化组织(如ITU)早已将目光转向了能提供更高无线传输速率和统一灵活的全IP网络平台的下一代移动通信新系统，一般称为后三代,后IMT 2000,Beyond 3G或4G。

　　ITU-R的WP8F和ITU-T IMT 2000 SSG(IMT 2000 特别工作组)已经开始了后IMT 2000的研究计划。由于目前第3代移动通信技术还没有大规模商用，技术能力又有很大的扩展空间，目前不宜确定下一代移动通信的概念，所以ITU强烈呼吁不要使用“第4代移动通信”这个术语。WRC-2000(2000年世界无线电大会)确定了IMT 2000的扩展频谱，用于IMT 2000增强及后IMT 2000系统。目前ITU WP8F正在对这些频谱进行规划，预计2002年6月完成，并计划完成后IMT 2000的目标和远景。预计后IMT 2000技术的传输速率将超过100 Mbit/s，静止环境最高速率可能会达到1 Gbit/s或更高，能更好地支持高速率的多媒体业务和宽带数据业务。目前日、美及欧洲等国，特别是日本正踊跃进行这方面的研究。事实上，虽然对于后IMT 2000技术还没有形成清晰、一致的概念，但新一轮技术和标准之争已拉开序幕。

　　4 结束语

　　综上所述，WCDMA系统的整体演进方向为：网络结构向全IP化发展，业务向多样化、多媒体化和个性化方向发展，无线接口向高速传送分组数据发展，小区结构向多层次、多制式重复覆盖方向发展，用户终端向支持多制式、多频段方向发展。总而言之，第3代移动通信最终的发展方向是实现个人通信的目标。