第三代移動通信WCDMA無線接入網

2019-11-05 02:43:46

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　　一、引言
　　第三代移動通信WCDMA系統的無線接入網絡（RAN）是用戶終端（UE）和核心網絡（CN）之間的部分,通過Iu接口與核心網相連,包括無線網絡控制器RNC和基站設備Node B。Node B支持FDD模式、TDD模式或雙模式,可處理一個或多個小區,并通過Iub接口與RNC相連。支持FDD模式的Node B包含可選的宏分集功能。RNC負責切換控制,提供支持不同Node B間宏分集的組合/分裂的功能。無線網絡控制器RNC通過Iur接口相互連接,Iur可通過RNC之間的物理連接直接相連或通過合適的傳輸網相連。
　　
　　WCDMA 的接口高度標準化,支持不同廠家的RNC和Node B互連。
　　
　　二、WCDMA標準化
　　ITU-R WP8F和ITU-T WP3/11分別進行無線接入網和核心網的標準化。除了ITU之外,兩個跨區域的標準化組織3GPP和3GPP2也在緊張地進行具體的標準化工作。其中,3GPP2負責制定cdma2000的標準。而WCDMA（UTRA FDD）和TDD技術（UTRA TDD與TD-SCDMA）的標準則主要由3GPP制定,他們最終都將基于GSM MAP過渡到全ip的核心網絡體系。目前,歐洲、北美、亞太（如日本、韓國）等地區的大多數營運商都將選擇WCDMA系統,甚至北美的IS-136運營商也決定在3G頻段上選擇WCDMA,因此WCDMA已經事實上成為3G最為主流、應用范圍最廣的無線傳輸技術（RTT）。
　　
　　從目前的標準化工作安排看,3GPP標準包括Release 99（R99）版本,以及今后將完成的R4、R5版本。Release 99版本的框架已經基本完備,物理層比較完善,但高層協議還需要一段時間才能穩定。Iu、Iub和Iur接口全都采用ATM,核心網采用演進的電路交換和分組交換分離的網絡結構,Release 99版本計劃在2001年3月會完全穩定下來。
　　
　　盡管全IP核心網絡是未來發展的方向,但在安全性、業務質量非凡是VoIP、IPv4到IPv6、Mobile IP方面還需要大量的工作,全IP核心網的標準化工作比預期要慢。
　　
　　從生產制造和運營的角度看,需要處理好標準的穩定和技術不斷擴展的矛盾,要有選擇地采用新技術并保持版本之間的時間間隔。一般地,標準化穩定至少一年后制造廠商才能提供完全順從于標準的設備,因此全球WCDMA運營商將首先采用Release 99版本,預計2005年以后才會逐步采用全IP方式。Release 99將是不可超越的階段,運營商可以通過Release 99網絡獲得網絡運營經驗、培育市場,另外Release 99設備的投資將通過全IP核心網絡結構得到有效保護。
　　
　　WCDMA無線接入網絡設備首先需按照Release 99進行設計、生產,其次還要順應IP向無線接入網絡滲透的趨勢,提供到全IP核心網絡的標準接口,實現無線接入網絡的IP化。
　　
　　WCDMA無線接入網絡除了受到核心網影響外,還受到增強型IMT-2000和后IMT-2000、3G擴展頻譜分配、新技術如多用戶檢測、智能天線和軟件無線電等因素的影響。
　　
　　三、WCDMA移動通信環境
　　WCDMA移動通信環境是WCDMA無線接入網絡技術的基本出發點,主要包括無線傳播環境和業務環境兩大類,其中,無線傳播環境是所有無線通信必須面臨的問題,業務環境則是第三代移動通信的多業務、多QoS要求所帶來的獨特問題。
　　
　　在移動通信系統中,信號的傳播由于移動、散射和衰落將導致復雜的電磁行為,具體表現在信號的時延、頻率和角度擴展。時延擴展使得接收端得到多個拷貝的信號,而且這些信號之間并沒有很明確的關系,時延擴展將直接導致碼間串擾ISI；頻率擴展將導致信號的時間衰落；角度擴展將導致信號的空間衰落。這是無線傳輸技術首先需要解決的問題,WCDMA采用RAKE接收、信道編譯碼、功率控制等很好地解決了無線信號傳播的復雜性。多個用戶共享無線媒體的問題是移動通信系統的另一個基本問題,也就是解決無線多址接入問題。移動通信系統的無線資源包括頻譜、時間、功率、空間和特征碼等要素。CDMA 與FDMA、TDMA相比最大不同點在于：CDMA是統計復用資源,每個載頻的所有用戶共享頻率、時間、功率資源,用戶之間只依靠特征碼來區分,是典型的自干擾系統；而FDMA、TDMA是固定分配資源,不同的用戶在頻率、時間、功率資源上部分或全部不同,用戶之間有較好的隔離度。所有CDMA、TDMA和FDMA的技術差異都來源于這個不同點。
　　
　　WCDMA無線接入網的物理層技術,包括RAKE接收、Turbo編譯碼、卷積編譯碼、交織、功率控制等主要就是為了有效地解決無線傳播環境、多個用戶和多業務共享信道的問題。
　　
　　移動通信系統中業務環境是第三代移動通信面臨的獨特問題。第三代移動通信WCDMA系統與第二代移動通信系統（如GSM）有很大的不同,數據業務非凡是多媒體業務將占較大的比重,而且不同的業務具有不同的QoS,可以占有不同的帶寬、具有不同的誤碼率等,這要求無線資源治理算法能夠按需為用戶分配資源。業務環境還包括業務的空間分布和時間分布,WCDMA系統中存在大量的突發到達業務,業務的空間分布可能是非均勻的,用戶在某些區域發起呼叫的可能性較大。
　　
　　盡管WCDMA與IS95 CDMA系統在無線電波傳播上沒有太大的差別,但業務環境的復雜性將導致WCDMA系統在處理業務時需要更加復雜的機制,無線資源治理是實際業務環境映射到在物理層技術的橋梁,是無線接入網正常運行、充分發揮頻譜效率的條件和保證,技術難度大,是WCDMA的要害技術。
　　
　　四、WCDMA無線接入網絡基本要求
　　4.1 頻譜效率和技術組合
　　
　　下面就第三代移動通信標準頻譜效率和技術組合的問題進行討論。
　　
　　4.1.1 激活期吞吐量
　　
　　激活期吞吐量就是在整個激活期過程中用戶正確接收到的比特速率,這里的激活期不包括無數據發射的時間（即空緩沖狀態）。
　　
　　4.1.2 滿足用戶
　　
　　用戶是否滿足,可以分電路和分組兩種業務進行分析。
　　
　　對于電路交換業務,當用戶滿足以下三個條件時我們稱之為滿足用戶：
　　
　　用戶進入系統時不會被阻塞。假如被阻塞,服務商必須指定采用的阻塞標準。
　　
　　用戶在通信過程中大部分時間內有足夠好的服務質量,也就是說BER>BER閾值的概率< x1%。
　　
　　用戶不會掉線,假如一次呼叫中BER>BER閾值持續時間超過一定時間,這次呼叫就會掉線。
　　
　　對于分組交換業務,當用戶滿足以下三個條件時我們稱之為滿足用戶：
　　
　　用戶進入系統時不會被阻塞(對分組用戶最通常的做法并不是阻塞它們,而是把它們排隊。然而,假如服務上采用了某些接納控制,將有一定比例的被阻塞用戶。這種阻塞意味著這些分組用戶沒有參加排隊而是完全的被阻塞在系統外面)。假如被阻塞,服務商必須指定采用的阻塞標準。通信過程中的激活期吞吐量S大于等于一個閾值。
　　
　　用戶不會掉線。假如出現掉線,,服務商必須指定采用的掉線標準。
　　
　　4.1.3 系統負載
　　
　　系統負載n用[kb/s/cell/MHz]來衡量。對于電路交換用戶,系統負載Lcs計算方法如下
　　
　　ncs= ncs *用戶比特率 * 激活因子/系統帶寬 [kb/s/cell/MHz]
　　
　　其中,ncs為每小區同一時間內平均的電路交換用戶數,即提供的負載(愛爾蘭)。
　　
　　分組交換用戶的系統負載算方法如下：
　　
　　npkt = D/T/小區數/系統帶寬[kb/s/cell/MHz]
　　
　　其中：D為小區中統計出來的正確接收的用戶比特總數；T為測量時間,定義為仿真中收集統計數據持續時間；小區數指收集統計數據的那些小區的數目。對于混合服務配置情況,系統負載計算方法如下：
　　
　　這里Ncs為電路交換服務數目,Npkt為分組交換服務數目。
　　
　　4.1.4 頻譜效率
　　
　　對于單種業務情況,頻譜效率定義為恰好有x2% 滿足用戶時的系統負載。
　　
　　對于混合業務情況,每種服務必須分別至少有x2 %的滿足用戶。頻譜效率定義為任何一種服務的滿足用戶恰好達到x2% 時的系統負載。頻譜效率需要分上行鏈路和下行鏈路考慮。
　　
　　4.1.5 技術組合
　　
　　從前面分析可以看出,提高WCDMA頻譜效率就是提高在多種業務情況下的業務綜合接入能力,可以從物理層技術和無線資源治理兩個方面采取措施。除了IS95已經采用的RAKE接收、功率控制和軟切換技術外,提高WCDMA頻譜效率還可以考慮選擇更好的擴頻碼；采用多用戶檢測；智能天線等。
　　
　　4.2 業務承載能力
　　
　　一個3G終端與另外一個網絡終端通信的實例,并說明了承載業務和電信業務的關系。接入點之間的通信鏈路包括MT(移動終端)、3G網絡包括無線接入網絡和核心網絡、轉移網絡(如PSTN網絡)和終端接入網絡(如GSM BSS、LAN等)構成信息傳遞的承載。承載業務是兩個接入點之間的信號傳輸能力,屬于低層能力；電信業務則提供了用戶之間所有信息傳遞的能力,包括終端適配函數,信息的表達等,屬于高層能力。
　　
　　3G業務能力是指接入點之間的所有用QoS參數描述的承載以及承載控制機制的集合。業務能力實際上可以理解為承載業務為電信業務提供的服務,3G的業務能力將依靠于通信鏈路上每個網絡單元(Node B、RNC)本身的能力以及網絡單元之間的通信能力。
　　
　　3G標準化過程中不再定義標準的電信業務,而將重點放在了3G業務能力的標準化,使得網絡結構不再受制于電信業務。3G網絡的最大特征是具有全程數字化、智能化和分組化的統一結構,從接入方式看由于采用了統計復用的CDMA技術,信息以統一的時隙方式傳送；在RNC內部、Iub 、Iu接口采用了ATM交換、傳輸,信息以信元的方式傳送；在3G核心網中將采用全IP網絡,信息以統一的IP包傳送,即使考慮到初期采用GPRS 網絡將電路業務和分組業務分開,但邏輯上仍是一個統一的網絡,3G統一網絡提供了一個多業務實現平臺,可以方便承載各種電信業務。
　　
　　第三代移動通信能否取得成功,要害在于如何利用WCDMA承載能力開發應用。NTT DoCoMo在第三代移動通信WCDMA方面繼續引領世界潮流,推出3G業務品牌FOMA(Freedom Of Mobile multimedia access),擬提供如下類型的3G業務：下一

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