1-3 WCDMA系统的配置及调试

1、 了解WCDMA 系统的网络结构，主要网元和接口功能

2、 初步掌握基于R99、R4、R5的核心网结构及接口，不同版本核心网的特点

3、 了解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

4、 了解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

5、 了解IP多媒体子系统的特点、结构和功能，WCDMA网络中的编号计划

宽带码分多址（Wideband Code Division Multiple Access，WCDMA）是第三代移动通信系统3种主流无线传输技术之一，在世界范围内WCDMA已经成为被广泛采用的通信标准。

3.1 概述

第三代移动通信系统的核心网基于GSM/CDMA等2G系统演进，空中接口采用WCDMA、cdma 2000和TD-SCDMA等无线传输制式，工作于2GHz频段，快速移动环境中最高传输速率可达144kbit/s，室外到室内或步行环境中最高传输速率达到384kbit/s，室内环境中最高传输速率达到2Mbit/s。

基于WCDMA技术，采用HSDPA之后，下行数据速率可达10.8～14.4Mbit/s。 HSUPA也已处于商用阶段，上行数据速率可达1.4～5.8Mbit/s。与第二代移动通信系统相比，第三代移动通信系统具有频谱效率高、支持多媒体业务、服务质量高以及无缝漫游等特点。

目前WCDMA、cdma 2000两种技术都得到了大规模的商用，中国已经开始运营TD-SCDMA商用网络。

3.1.1 WCDMA网络的演进

图3-1 GSM到WCDMA的演进

WCDMA标准的演进简述如下：R99版本中WCDMA依然采用GSM/GPRS核心网的结构，但是采用新的空中接口协议。

R4版本中完成了中国提出的TD-SCDMA标准化工作，同时引入了软交换的概念，将电路域的控制与业务分离，便于向全IP核心网结构过渡。

R5版本将IP技术从核心网扩展到无线接入网，形成全IP的网络结构，在R4基础上增加了IP多媒体子系统（IMS），同时在无线传输中引入高速下行分组接入（HSDPA）技术。

目前R8版本已于2008年12月冻结，3GPP中还有R9等版本在同时进行研究。

WCDMA是从GSM演进而来，所以许多WCDMA的高层协议和GSM/GPRS基本相同或相似，比如移动性管理（MM）、GPRS移动性管理（GMM）、连接管理（CM）以及会话管理（SM）等。

移动终端中通用用户识别模块（USIM）的功能也是从GSM的用户识别模块（SIM）的功能延伸而来的。

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 ）。 在FDD模式下，上行链路和下行链路分别使用两个独立的5MHz的载频，发射和接

收频率间隔分别为190MHz或80MHz。

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。

WCDMA系统中，数据流用正交可变扩频码（OVSF）来扩频，扩频后的码片速率为3.84Mchip/s，OVSF码也被称作信道化码。

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。 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，即解决接收机接收到近距离发射机的信号比较容易，而接收到远距离发射机的信号比较困难的问题。

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。

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。

图3-2 WCDMA可变数据速率示意图

3.2 WCDMA网络结构与接口 3.2.1 UMTS系统结构

UMTS 与第二代移动通信系统在逻辑结构上基本相同。

如果按功能划分，UMTS 系统由核心网（CN ）、无线接入网（UTRAN ）、用户设备（UE ）与操作维护中心（OMC ）等组成。

核心网与无线接入网（UTRAN）之间的开放接口为Iu，无线接入网（UTRAN）

与用户设备（UE）间的开放接口为Uu接口，如图3-3所示。

图3-3 UMTS的系统结构

核心网是业务提供者，基本功能就是提供服务，承担各种类型业务的定义，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。

无线接入网（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。

用户设备（UE）完成人与网络间的交互。

3.2.2 UMTS网元和接口功能

图3-4 UMTS网元和接口

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 Module，USIM）两部分组成。

（1）移动设备（ME）

（2）通用用户识别模块（USIM） 2．通用陆地无线接入网络（UTRAN）

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。

UTRAN主要功能有宏分集处理、移动性管理、系统的接入控制、功率控制、信道编码控制、无线信道的加密与解密、无线资源配臵、无线信道的建立和释放等。

UTRAN由一个或几个无线网络子系统（Radio Network Subsystem，RNS）组成，RNS负责所属各小区的资源管理。

每个RNS包括一个无线网络控制器（Radio Network Controller，RNC）、一个或几

个Node B（即通常所称的基站，GSM系统中对应的设备为BTS）。

（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。

Node B逻辑功能模块包括基带处理部件，射频收发放大器、射频收发系统、基带部分和天线接口单元等部件。

Node B受RNC控制，与RNC的接口为E1或STM-1。 （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：

① 系统信息管理 ② 移动性管理

③ 无线资源管理与控制

（3）CRNC、SRNC、DRNC的概念 ① 控制无线网络控制器（CRNC） ② 服务无线网络控制器（SRNC） ③ 漂移无线网络控制器（DRNC）

图3-5 CRNC、SRNC、DRNC作用示意图

（4）UTRAN接口与协议 表3-1 UTRAN接口和协议 接 口 名 称 接 口 位 置 Iu Iur Iub Uu 3．核心网（CN）

CN-UTRAN RNC-RNC RNC-Node B Node B-UE 协 议 RANAP RNSAP NBAP WCDMA 核心网承担各种类型业务的提供以及定义，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

UMTS核心网的标准化工作由3GPP组织完成。 从网络演进的角度看，R99网络中核心网完全继承了GSM/GPRS的结构，包括电路域和分组域两部分，引入了新的无线接入技术（WCDMA），兼容GSM/GPRS无线终端接入。

R4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，而在无线接入网没有太多变化。

在R5网络中，核心网叠加了IP多媒体子系统（IMS），无线接入网引入了HSDPA技术，无线接入网和核心网中采用全IP传输。

在R6网络中，网络架构变化不大，考虑更多的是增加了新的功能或对已有功能的增强。

目前R8版本已于2008年12月冻结，3GPP中还有R9等版本在同时进行研究。 1．R99网络结构及接口 （1）R99网络结构

图3-6 R99版本网络结构图

（2）R99核心网的接口与协议 接口接口信令协连接实体 信令协议 连接实体 名 名 议 A MSC—BSC BSSAP Ga GSN—CG GTP Iu-CS MSC—RNS RANAP Gb SGSN—BSC BSSGP 䦋㌌㏒㧀좈໱琰茞Gc GGSN—HLR B MSC—VLR MAP ᓀ㵂Ü C MSC—HLR MAP Gd SGSN—SMS-GMSC/IWMSC MAP D E F G Gs H VLR—HLR MSC—MSC MSC—EIR VLR—VLR MSC—SGSN HLR—AuC MAP Ge MAP Gf MAP Gi MAP Gp BSSAP+ Gn 䦋㌌㏒㧀좈໱琰茞Gr ᓀ㵂Ü SGSN—SCP CAP SGSN—EIR MAP GGSN—PDN TCP/IP GSN—GSN（Inter PLMN） CTP GSN—GSN（Intra PLMN） CTP SGSN—HLR MAP RANAP MSC—PSTN/ISDN/PSPDN TUP/ISUP Iu-PS SGSN—RNC 表3-2 R99核心网的接口协议

2．R4网络结构及接口 （1）R4网络结构

R4 核心网电路域变化的实体功能介绍如下。 ① MSC 服务器（MSC Server ）

② 电路交换媒体网关（CS-MGW ） ③ 关口MSC 服务器（GMSC Server ）

图3-7 R4网络结构图

（2）R4核心网的接口与协议 表3-3 R4核心网新增接口与协议 接 口 名 连 接 实 体 Mc （G）Server—CS-MGW

信令与协议 MSC H.248 Nc MSC Server—（G）MSC ISUP、BICC Server Nb CS-MGW—CS-MGW RTP/UDP/IP AAL2、STM、H.245 R99全部信令与协议 R99全部接口名 R99全部连接实体

R4核心网的新增接口及功能如下。 ① Mc 接口 ② Nc 接口 ③ Nb 接口

3．R5网络结构及接口

R5版本在无线接入网方面的改进如下。

① 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技术将在后面的章节介绍。

② 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3-8 R5网络结构

图3-9 含IMS子系统的R5版本网络结构

4．R6版本网络结构

与R5版本相比，网络结构没有太大的变动，主要是对已有功能的增强，增加了一

些新的功能特性。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/PSTN/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 1．IMS概述

IP 多媒体子系统（IP Multimedia Subsystem ，IMS ），首先由3GPP 标准化组织在R5 版本中提出，提出的目的是为了在移动通信网络基础上以最大的灵活性提供IP 多媒体业务。

IP多媒体子系统（IMS）是建立在Internet工程任务小组（IETF）所制定的会话初始化协议（SIP）基础上的。

IMS能把Internet的发展和无线通信的发展结合起来，是一个融合了数据、语音、图像、消息、基于Web的技术和移动网络的体系架构。

R5版本定义了IMS的核心结构、网元功能、接口、流程和IMS的基本功能；R6版本增加了部分IMS业务特性、IMS与其他网络的互通规范和WLAN接入等特性；R7加强了对固定、移动融合的标准化制定，要求IMS支持xDSL、Cable等固定接入方式，研究了IMS与电路域语音平滑切换的内容等。

R6版本已经在2005年第一季度冻结，基于R6版本的IMS已经可以满足IMS在移动通信网络中的应用。

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。

（2）IMS继承了移动通信系统特有的网络技术，继续使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

（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。

（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。

2．IMS的主要功能实体

图3-10 IMS的主要功能实体示意图

按功能划分，IMS的主要功能实体大致分为6大类别：会话管理和路由类（CSCF）、数据库（HSS、SLF）、网间互通（BGCF，MGCF，IM-MGM，SGW）、业务提供类（AS，MRFC，MRFP）、支撑（SEG，PDF）和计费（CHF）类。

下面简要介绍主要功能实体的功能。 （1 ）呼叫会话控制功能 ① P-CSCF ② I-CSCF ③ S-CSCF

（2）媒体网关控制功能

① 控制IM-MGW中媒体信道与连接控制相关部分的呼叫状态； ② IMS用户和CS用户之间可以进行通信的网关；

③ 根据从传统网络中来的呼叫路由号码选择CSCF，与CSCF通信；

④ 进行CS用户与IMS的呼叫控制协议的转换，完成ISUP/BICC与SIP间的转换； ⑤ 接收本网络以外的信息并转发到CSCF/IM -MGW。 （3）归属用户服务器

① HSS用于存储所有用户和业务相关的数据信息。

② 通过该接口IMS用户获取所要求的S-CSCF信息，将基本的IMS签约信息下载到S-CSCF； ③ 在注册过程中执行用户接入和漫游权限的识别，提供用户/网络所需的鉴权信息； ④ HSS提供与IM-SSF接口，实现电路域的CAMEL/INAP业务在IMS网络的继承； ⑤ 提供与增值业务平台SIP AS，OSA-SCS，SCP接口。 （4）IP多媒体—媒体网关

IP多媒体—媒体网关（IM-MGW）提供电路交换域的网络（PSTN，GSM）和IMS之间的用户平面连接。

（5）多媒体资源功能

多媒体资源功能（MRF）在归属网络提供多媒体信息源，包括多媒体资源功能控制器（MRFC）和多媒体资源功能处理器（MRFP）两部分，这两部分分别完成媒体流的控制和承载功能。

（6）签约定位器功能

签约定位器功能（SLF）作为一种地址解析机制，应用在网络中部署了多个独立可寻址的HSS时，SLF作为一个简单的数据库，用来将用户地址映射到不同的HSS。

（7）出口网关控制功能

出口网关控制功能（BGCF）是一个SIP服务器，根据S-CSCF的请求，负责选择到CS域或PSTN互通的出口位臵，所选择的出口点既可以与BGCF处于同一网络中，也可以处于另

一个网络中。

（8）应用服务器

应用服务器（AS）是在IMS中提供增值多媒体服务的SIP实体，不仅可以向IMS提供多媒体服务，也可以向其他网络提供业务；可以位于用户所在网络中，也可位于第三方网络中。

（9）信令网关

信令网关（SGW）连接CS（PSTN）网络，用于不同信令网的互联，负责传输层信令的转换。

3．IMS接口及协议 参 考 点 对应的实体 协 议 Gm UE—CSCF SIP Mw P-CSCF—I-CSCF—S-CSCF SIP Cx CSCF—HSS Diameter Dx CSCF—SLF Diameter Sh SIP AS—OSA SCS—HSS Diameter Si IM-SSF—HSS MAP SIP Dh Diameter AS—OSA—SCF—IM-SSF—HSS Mg MGCF—CSCF SIP Mi CSCF—BGCF SIP Mj BGCF—MGCF SIP Mk BGCF—BGCF SIP Mr CSCF—MRFC SIP Mp MRFC—MRFP H.248 Mn MGCF—IM-MGW H.248 Ut UE—AS HTTP Go PDF—GGSN COPS Gq CSCF—PDF Diameter 表3-4 IMS接口及协议汇总

3.3 UTRAN接口协议结构 3.3.1 UTRAN接口协议模型

UMTS 系统是模块化设计的，模块之间通过网络协议互联。 1．UMTS分层结构

从功能方面考虑，UMTS分为接入层（AS）和非接入层（NAS）两大部分，两者之间的接口称为业务接入点（SAP），如图3-11所示，图中各业务接入点（SAP）用椭圆来表示。

2．UTRAN接口协议模型

图3-11 UMTS分层结构

UTRAN接口通用协议模型如图3-12所示。 接口协议分为两层二平面。

两层指从水平的分层结构来看，分为无线网络层和传输网络层。 二平面指从垂直面来看，每个接口分为控制面和用户面。

UTRAN内部的3个接口（Iu，Iur和Iub）都遵循统一的基本协议模型结构。

图3-12 UTRAN接口的协议栈模型

（1）水平面

从水平的分层结构来看，协议结构分为无线网络层和传输网络层。 ① 无线网络层处理所有与UTRAN有关的事务，所有UTRAN相关的信息只有在无线网络层才是可见的。

② 传输网络层是指UTRAN选用的标准传输技术，与UTRAN本身的功能无关，主要是已有的传输技术规范。3GPP并不对传输层的协议进行特殊定义，3GPP在R99版本中选用ATM传输技术。

（2）垂直面

① 无线网络控制平面用于处理接口上的控制信令协议，由各种应用协议和传输网用户面的信令承载组成。

② 无线网络用户平面用于处理相应接口传输的用户数据，包括在该接口传输的数据流和与数据流对应的数据承载，数据流由接口上的一个或者多个帧协议定义。

③ 传输网络控制面不包含任何无线网络层的信息，包括ALCAP以及它所使用的信令承载。

④ 传输网络用户面包括无线网络层用户面的数据承载以及应用协议的信令承载。数据承载由传输网络控制面实时控制，信令承载由操作维护功能控制完成。

3．ATM技术简介

异步传送模式（ATM）是分组交换方式的一种，它吸收了分组交换的高效率和电路交换的高速率的特点，ATM网络被设计为高速率、低时延的复用和交换网络。

它能够根据不同速率灵活地分配带宽和QoS，并且采用固定长度的信元格式，因而便于采用硬件处理，处理速度较高，适合语音、数据和图像等业务的传送。

图3-13 ATM协议的分层结构

（1）ATM协议的分层结构 协 议

功 能 会聚子层（CS） AAL层 向高层提供接口，在发/收端加入控制信息，分割/恢复用户数据。 分段与重组子层信元组和数据单元相互转换 （SAR） 信头产生和提取、信元复用与解复用、虚电路（VCI）/虚通路（VPI）转换、流量控制 信元速率解耦、信元校验序列产生和检传输会聚子层（TC） 验、信元产生（定界）、传输帧适配、传输帧传输/恢复 物理媒介相关子层线路编码比特定时、物理媒体接入 （RMD） ATM层 物理层

（2）ATM物理层

ATM物理层主要提供ATM信元的传输通路，它与ATM层之间交换的信元大小为53byte。

物理层根据物理介质的特性形成传送帧，并采用物理实体进行比特流的传送和接收。

物理层分为传输汇聚（TC）子层和物理介质相关（PMD）子层。 （3）ATM层

ATM层以信元为单位进行通信，并为上层的AAL提供服务，它与物理介质的类型，以及物理层所具体传送的业务类型无关。

（4）ATM适配层（AAL）

AAL位于ATM层之上，主要作用是将高层的应用层信息映射到ATM层的信元结构中，用于扩展和增强ATM层的能力，以适合各种特定业务的需要。

AAL的具体功能包括数据的分割和恢复、差错控制、同步和时钟恢复、流量控制和多种数据流的复用等。 表3-6 ATM业务分类和对应的AAL类型

参数\\业务 定时需求 比特率 连接方式 AAL类型 A类 B类 C类 D类 䦋㌌㏒㧀좈໱琰茞ᓀ㵂Ü 需要 固定速率 面向连接 AAL1 AAL2 可变速率 不需要 AAL3 AAL5 AAL4 业务举例 可变速率的语音面向连接数据无连接数据电路交换业务 和 传输帧中继、传输SMDS TCP/TP 视频 3.3.2 Iu接口

1．Iu接口结构及功能

Iu 接口是UTRAN 与核心网之间的接口，也可以看作RNC 与CN 之间的一个参考点。

UTRAN与核心网电路域的接口称为Iu-CS，与核心网分组域的接口称为Iu-PS，与小区广播系统之间的接口称为Iu-BC，Iu接口结构如图3-14所示。

图3-14 Iu接口结构

Iu-CS和Iu-PS接口由控制面和用户面构成。

Iu-BC接口只有一个平面，既包括控制信息也包含用户信息。 （1）Iu-CS和Iu-PS

① Iu-CS和Iu-PS接口的控制面。 ② Iu-CS和Iu-PS接口的用户面。 （2）Iu-BC

RNC与CN的广播域（也称为小区广播中心）之间的接口称为Iu-BC，服务区内广播协议（Service Area Broadcast Protocol，SABP）是Iu-BC接口的应用协议，完成消息处理、负载处理等功能，使CN中的小区广播中心通过小区广播业务发送移动用户小区广播信息。

2．Iu接口协议栈

Iu接口协议栈完全符合UTRAN接口协议的通用模型，总体来说，采用3层共享异步传输模

式（ATM）或全IP传输方式（R5版本），但由于分组域与电路域的业务特性以及传输技术有所不同，对于Iu接口而言，Iu-PS和Iu-CS的协议栈结构也有所不同。

（1）Iu-CS接口协议栈

Iu-CS接口协议栈的结构如图3-15所示。

图中的物理层为与物理介质的接口，可以选择不同的传输规范，如E1等。

图3-15 Iu-CS接口协议栈的结构

R5版本规定的Iu-CS接口协议栈相应于ATM传输方式增加了全IP传输方式。 Iu-CS接口用于支持电路域的实时业务，典型的电路域业务有AMR语音服务、64kbit/s的可视电话业务等。

（2）Iu-PS协议栈结构

Iu-PS协议栈的结构如图3-16所示。

Iu-CS是RNC与MSC之间的接口，它负责完成电路域相关的呼叫流程。 Iu-PS则是RNC与SGSN之间的接口，负责处理数据业务。

图3-16 Iu-PS协议栈结构

图3-17 Iu-BC接口协议栈结构

3．RANAP协议主要功能及实现 （1）RANAP协议主要功能

RANAP 协议位于Iu 接口协议栈的最高层，属于Iu 接口应用层协议，负责处理UTRAN 和CN 之间的信令交互。

① RANAP 协议主要功能。

② 根据业务接入点（SAP）的不同，RANAP业务可以分为3组。

专用控制业务（DC）

③ 信令传送将为RANAP提供面向连接的数据传送业务和无连接的数据传送业务两类业务模式。

（2）RANAP功能的实现

RANAP功能通过一个或多个RANAP基本过程（Elementary Procedures，EP）实现。

一个EP是一个RNS与CN之间的交互单元。

每个RANAP功能可以通过一个或多个EP过程完成。 按照请求信息和响应信息，EP分为3类。 ① 第1类EP：包含请求、响应信息的EP。响应信息为成功或失败，成功表示EP接受并处理，失败表示EP不成功或超时。

② 第2类EP：只有请求，没有响应信息的EP，通常认为都发送成功。 ③ 第3类EP：包含一个请求、多个响应信息的EP。 表3-7 RANAP的第1类EP 基 本 过 程 请求/响应信息 Iu释放 安全模式控制 复位 复位资源 重定位准备 重定位资源分配 重定位取消 数据量报告 SRNS上下文转发 Iu Release Required李 Security Mode Command/Complete李 Reset/Acknowledge李 Reset Resource/Acknowledge李 Relocation Required/ Command李 Relocation Resource Allocation李 Relocation Cancel/Acknowledge李 Data Volume Report Request/Report李 SRNS Context Transfer Request/Response李 1、 2、 3、

通用控制业务（GC） 寻呼及通告业务（Nt）

表3-8 RANAP的第2类EP 基 本 过 程 请 求 信 息 RAB释放请求 RAB Release Request李 寻呼 Paging李 公共ID Common ID李 位置报告控制 Location Reporting Control李 位置报告 Location Report李 初始UE信息 Initial UE Message李 直接传送 Direct Transfer李 错误指示 Error Indication李 重定位检测 Relocation Detect李 重定位完成 Relocation Complete李 过载控制 Overload Control李 CN Invoke Trace CN Invoke Trace李 CN 去激活追踪 CN Deactivate Trace李 SRNS数据转发初始化 SRNS Data Forwarding Initiation李 SRNS上下文从源RNC到CN转SRNS Context Forwarding from Source 发 RNC to CN李 SRNS上下文从CN到目标RNCSRNS Context Forwarding to Target RNC from CN李 转发 3.3.3 Iub接口

1．Iub接口的协议栈

Iub 接口作为RNC 与Node B 之间的接口，负责所有RNC 与Node B 之间的通信过程。

Iub 接口的协议栈结构如图3-18 所示。

图3-18 Iub接口的协议栈结构

2．NBAP协议的功能及实现 （1）NBAP的功能

① 小区的配臵和管理 ② 公共传输信道的管理 ③ 系统广播信息的管理 ④ 资源事件管理 ⑤ 配臵协调功

⑥ 无线链路管理功能

⑦ 公共资源测量和专用资源测量过程 ⑧ 下行链路功率漂移的调整功 ⑨ 通用错误形式的报

（2）NBAP功能的实现

NBAP协议包含CRNC与Node B之间交互的基本过程（Elementary Procedures，EP），由请求信息和可能的响应信息组成。

EP分为两类，第1类EP需要应答，用以表示成功接收或者不成功接收，第2类EP无须应答，都被认为正确接收。

R99定义的NBAP基本过程分别如表3-10和表3-11所示。 表3-10 NBAP的第1类EP 基 本 过 程 请求/响应信息 Cell Setup Request/Response/Failure 小区建立 Cell Reconfiguration Request/Responese/Failure 小区重配置 Cell Deletion Request/Response 小区删除 Common Transport Channel Setup Request 公共传输信道建立 /Reaponse/Failure Common Transport Channel Reconfiguration 公共传输信道重配置 Request/Response/Fai lure Common Transport Channel Deletion 公共传输信道删除 Request/Response AUDIT REQUEST/Response 审计 Block Resoirce Request/Response/Failure 闭塞资源 Radion Lik Setup 无线链路建立 Request/Request/Response/Faillure System Information Update 系统信息更新 Request/Response/Failure Common Measurement Initiation 公共测量启动 Request/Response/Failure Radio Link Addition Request/Response/Failure 无线链路增加 Radio Link Deletion Request/Request/Response 无线链路删除 Link Reconfiguration 同步的无线链路重配准备 Radio Prepare/Ready/Failure Radio Link Reconfiguration Request 异步的无线链路重配置 /Rseponse/Failure Dedicated Measurement Initiatioon Requret 专用测量启动 /Response/Failure RESET REQUEST/Response 重启 表3-11 NBAP的第2类EP 基 本 过 程 请求/响应信息 Resource Status Indication 资源状态指示 Audit Requirde Indication 审计请求 Common Measurement Report 公共测量结果报告 Common Measurement Termination Request 公共测量中止 Common Measurement Failure Indication 公共测量失败 Radio Lihk Reconfiguration Commit 同步的无线链路重配置 同步的无线链路重配置取消 Radio Lihk Reconfiguration Cancellation Radio Lihk Failure Indication 无线链路失败 Radio Lihk Restore Indication 无线链路恢复 Dedicated Measurement Report 专用测量结果报告 Dedicated Measurement Termination Request 专用测量中止 Dedicated Measurement Failure Indication 专用测量失败 Dl Power Control Request 下行链路功率控制 Compressed Mode Command 压缩模式控制命令 Unblock Resource Indication 解闭资源 Error Indication 错误指示 3.3.4 Iur接口

在GSM网络中，两个BSC之间是没有逻辑接口的，而在WCDMA中，为了更好地满足对用户移动性的支持，引入了任意两个RNC之间的逻辑接口Iur。

与Iu接口相同，水平方向分为无线网络层和传输网络层；垂直方向分为控制面和用户面，如图3-19所示。

图3-19 Iur接口协议栈结构

在无线网络层控制面是无线网络子系统应用部分（RNS Application Part，RNSAP）协议，用户面是Iur FP协议。

1．Iur接口协议栈结构

Iur接口传输网络层的传输网络用户面由基于SAAL的MTP3-b和SCCP组成，或者基于SCTP和M3UA组成。

SAAL包含SSCF、SSCOP和AAL5等3部分。 2．RNSAP主要功能

无线网络层协议（RNSAP）负责RNC和RNC之间的信令交换，接收来自传输层的数据传送服务，是Iur接口的应用层协议，其主要功能如下。

（1）无线链路相关功能。

（2）公共控制信道信令在Iur接口的传输。 （3）公共传输信道资源管理。 （4）寻呼。

（5）通用错误报告。 3.4 WCDMA空中接口

3.4.1 Uu接口协议结构

WCDMA 系统中Uu 接口，有时也称为空中接口，是指UE 和UTRAN 之间的接口，通过使用无线传输技术（RTT ）将UE 接入到系统固定网络部分。

Uu接口协议用于在UE和UTRAN之间传送用户数据和控制信息，建立、重新配臵和释放无线承载业务。

空口接口的协议结构如图3-20所示（图中只包括了在UTRAN中可见的协议）。 每一个方框代表一个协议实体，椭圆表示业务接入点（SAP），协议实体间的通信通过SAP进行。

图3-20 空口接口的协议结构

空口接口的协议结构分为两面三层，垂直方向分为控制平面和用户平面，控制平面用来传送信令信息，用户平面用来传送语音和数据。

水平方向分为3层：

第3层（L3）：网络层。

3.4.2 物理层 1．物理层的功能

物理层位于空中接口协议模型的最底层，给MAC 层提供不同的传输信道，并且为高层提供服务。

在3GPP规范中，详细描述了物理层及功能。 物理层主要实现以下一些功能： （1）为传输信道进行前向纠错编/解码；

（2）无线特性测量，如误帧率、信干比等，并通知高层；

（3）宏分集合并以及软切换实现；

（4）在传输信道上进行错误检测并通知高层： （5）传输信道到物理信道的速率匹配； （6）传输信道至物理信道的映射； （7）物理信道扩频/解扩、调制/解调；

（8）频率和时间（位、码片、比特、时隙和帧）同步； （9）闭环功率控制； （10）RF处理等。

4、 5、 6、

第1层（L1）：物理层； 第2层（L2）：数据链路层；

图3-21 WCDMA的物理信道帧结构

2．物理信道

物理信道的特征可由载频、扰码、信道化码（可选的）和相对相位来体现。 按照信息的传送方向，物理信道可分为上行物理信道（UE至Node B）和下行物理信道（Node B至UE）；按照物理信道是否由多个用户共享还是一个用户使用分为专用物理信道和公共物理信道，如图3-22所示，其中HS-SCCH、HS-PDSCH、HS-DPCCH为在R5中引入的信道，将在后面的章节介绍。

图3-22 WCDMA物理信道示意图

（1）上行专用物理信道

上行专用物理信道包括上行专用物理数据信道（DPDCH）和上行专用物理控制信道（DPCCH）。

图3-23 上行DPDCH/DPCCH的帧结构

（2）上行公共物理信道

上行公共物理信道包括物理随机接入信道（PRACH）和物理公共分组信道（PCPCH）。

① 物理随机接入信道（PRACH）

图3-24 RACH接入时隙

图3-25 随机接入发射的结构

图3-26 随机接入消息部分的结构

② 物理公共分组信道（PCPCH）

图3-27 PCPCH的帧结构

（3）下行专用物理信道

下行链路只有一种专用物理信道，即专用物理信道（DPCH），用于传送物理层控制信息和用户数据。

下行链路帧结构如图3-28所示。

图3-28 下行专用物理信道帧结构

（4）下行公共物理信道

下行公共物理信道包括公共导频信道（CPICH）、同步信道（SCH）、公共控制物理信道（CCPCH）、下行物理共享信道（PDSCH），其中捕获指示信道（AICH）、接入前导捕获指示信道（AP-AICH）、寻呼指示信道（PICH）、冲突检测/信道分配指示信道（CD/CA-ICH）、CPCH状态指示信道（CSICH）均采用固定扩频因子（SF = 256），无传输信道向它们映射，限于篇幅，不作介绍。

① 公共导频信道（CPICH）

图3-29 CPICH帧结构

② 同步信道（SCH）

图3-30 同步信道帧结构

③ 公共控制物理信道（CCPCH） ④ 下行物理共享信道（PDSCH） 3．传输信道

在WCDMA空中接口中，高层数据由传输信道承载，物理层与MAC层通过传输信道进行数据交换，传输信道的特性由传输格式（TF）定义，传输格式同时也指明物理层对这些传输信道的处理方式。

传输信道分为专用传输信道和公共传输信道。

专用传输信道仅存在一种形式，即DCH（Dedicated Channel），属于双向传输信道，用来传输特定用户物理层以上的所有信息，包括业务数据以及高层控制信息，能够实现以10ms无线帧为单位的业务速率变化、快速功率控制和软切换。

公共传输信道包括广播信道（BCH）、前向接入信道（FACH）、寻呼信道（PCH）、随机接入信道（RACH）、公共分组信道（CPCH）和下行共享信道（DSCH）。

（1）广播信道（BCH）

（2）前向接入信道（FACH） （3）寻呼信道（PCH）

（4）随机接入信道（RACH） （5）公共分组信道（CPCH） （6）下行共享信道（DSCH）

4．物理层成帧的基本概念

无论MAC子层到物理层的数据流，还是物理层到MAC子层的数据流（传输块/传输块集），都需要经过从传输信道到物理信道的映射，以便在无线传输链路上进行传输。

下面介绍实现传输信道到物理信道的映射中涉及到的基本概念。 （1 ）传输块 （2 ）传输块集合

图3-31 传输块集合示意图

（3）传输格式（TF） （4）传输格式集（TFS） （5）传输格式组合（TFC） （6）传输格式指示（TFI）

（7）传输格式组合指示（TFCI） 5．上/下行链路进程 （1）加CRC

（2）传输块级联和编码块分段 （3）信道编码与速率匹配

图3-32 物理层上下行链路进程

表3-13 信道编码方式与编码速率 传输信道类型 BCH 卷积编码 PCH 编 码 方 式 编 码 速 率 1/2 PACH CPCH、DCH、DSCH、FACH Turbo编码 （4）插入不连续发送（DTX）指示比特（第1次/第2次）

（5）交织（第1次/第2次） （6）无线帧均衡

（7）无线帧分段、传输信道复用和物理信道映射 （8）扩频和加扰 （9）调制

1/2，1/3 1/3 图3-33 扩频和加扰示意图

图3-34 下行调制方式

3.4.3 数据链路层

数据链路层使用物理层提供的服务，并向第3层提供服务。

数据链路层划分为媒体接入控制（MAC）子层、无线链路控制（RLC）子层、分组数据汇聚协议（PDCP）子层和广播/多播控制（BMC）子层。

其中MAC和RLC由控制面与用户面共用，PDCP和BMC仅用于用户面。 1．媒体接入控制（MAC）子层 （1）MAC子层功能

MAC 子层位于物理层之上，向高层提供无确认的数据传送、无线资源重分配和测量等服务，通过物理层提供的传输信道借助逻辑信道与上层交换数据。

（2）MAC子层结构

图3-35 MAC子层结构

（3）逻辑信道

MAC子层通过逻辑信道与高层进行数据交互，在逻辑信道上提供不同类型的数据传输业务。

逻辑信道是MAC子层向RLC子层提供的数据传输服务，表述承载的任务和类型。 逻辑信道根据不同数据传输业务定义逻辑信道的类型。

逻辑信道通常分为两类：控制信道，用来传输控制平面信息；业务信道，用来传输用户平面信息。

逻辑信道共有6类，分别介绍如下。 ① 控制信道

7、 8、 9、 10、 11、 12、

广播控制信道（BCCH） 寻呼控制信道（PCCH） 公共控制信道（CCCH）

专用控制信道（DCCH）

② 业务信道

专用业务信道（DTCH）

公共业务信道（CTCH）

（4）逻辑信道、传输信道和物理信道之间的映射关系

图3-36 逻辑信道、传输信道和物理信道之间的映射（R99版本）

2．无线链路控制（RLC）子层 （1）RLC子层主要功能 ① 数据分段和重组 ② 级联和填充

③ 用户数据传输和纠错

④ 高层PDU顺序传输和复制检测

⑤ 流量控制

⑥ 序列检查

⑦ 协议错误检测与恢复 ⑧ 加密

（2）RLC子层结构

图3-37 RLC子层结构

3．分组数据汇聚协议（PDCP）子层

图3-38 PDCP子层结构图

4．广播/组播控制协议（BMC）子层

图3-39 BMC子层结构图

3.4.4 无线资源控制层

RRC层属于控制平面，UE和UTRAN间的控制信令主要是无线资源控制（RRC）层消息，控制接口管理和对低层协议实体的配臵。

RRC层主要完成的功能有：接入层控制、系统信息广播、RRC连接管理、无线承载管理、RRC移动性管理、无线资源管理、寻呼和通知、高层信息路由功能、加密和完整性保护、功率控制、测量控制和报告等。

1．RRC层结构

图3-40 UE侧RRC模型

图3-41 UTRAN侧RRC模型

2．RRC层的状态

图3-42 RRC的各种状态模式及各种模式间的转换关系

（1）空闲模式

（2）UTRAN连接模式

（3）RRC各种状态间的转换关系 3.5 WCDMA网络中的编号计划 3.5.1 UMTS网络的服务区域划分

在蜂窝移动通信网络中，为了向用户提供服务，网络需要随时掌握移动用户所在位臵，网络需要进行位臵和服务区域管理。

UMTS 网络的服务区域划分如图3-43 所示。

图3-43 UMTS网络服务区域划分

3.5.2 WCDMA网络中的编号计划 1．与服务区有关的编号

（1 ）PLMN 标识（PLMN-Id ） PLMN-Id = MCC + MNC

（2）核心网的域标识

核心网的域标识有两种定义：

13、 14、

核心网电路域标识：CS-Id = PLMN-Id + LAC

核心网分组域标识：PS-Id = PLMN-Id + LAC+RAC

（3）服务区标识

SAI = PLMN-Id + LAC + SAC （4）位臵区标识

LAI = MCC + MNC + LAC （5）路由区标识

RAI = MCC + MNC + LAC + RAC （6）小区全球标识

图3-44 WCDMA网络标识

CGI = MCC + MNC + LAC + CI 2．WCDMA中移动终端用户的标识 （1）移动用户号码（MSISDN） MSISDN = CC + NDC + SN

（2）国际移动用户识别码（IMSI）

IMSI = MCC + MNC + MSIN

（3）临时用户身份识别（TMSI和P-TMSI）

（4）国际终端设备识别号和国际终端设备与软件版本号（IMEI和IMEISV） IMEI = TAC + SNR + SP

IMEISV = TAC + SNR + SVN

（5）移动用户漫游号码（MSRN） （6）无线网络临时标识（RNTI）

小 结

1．WCDMA系统网络结构按功能划分，由核心网（CN）、无线接入网（UTRAN）、用户设备（UE）与操作维护中心（OMC）等组成。

核心网与无线接入网（UTRAN）之间的开放接口为Iu接口，无线接入网（UTRAN）与用户设备（UE）间的开放接口为Uu接口。

用户设备（UE）主要由移动设备（ME）和通用用户识别模块（USIM）两部分组成。

UTRAN由一个或几个无线网络子系统（RNS）组成。

每个RNS包括一个无线网络控制器（RNC）、一个或几个Node B。

为了从逻辑上描述RNC的功能，引入了SRNC，DRNC，CRNC的概念。

2．R99版本核心网电路域、分组域的功能实体与GSM/GPRS基本一致，为支持3G业务，增加了Iu接口，核心网通过A接口和Gb接口可以与GSM/GPRS无线网络相通。

有些功能实体增添了相应的接口协议，同时对原有的接口协议进行了改进。 3．R4版本与R99版本相比，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。

R4版本在无线接入网网络结构方面没有变化，但在无线接入技术方面针对WCDMA规范作了改进，增加了TD-SCDMA系统的空中接口标准。

R4核心网变化的实体有MSC服务器（MSC Server）、电路交换媒体网关（CS-MGW）和关口MSC服务器（GMSC Server），新增接口：Mc，Nc，Nb接口。

4．R5版本在无线接入网方面，提出高速下行分组接入（HSDPA）技术，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；在CN方面，在R4基础上增加了IP多媒体子系统（IMS）。

5．IMS的主要功能实体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）、业务能力服务器（OSA-SCS）等。

按功能划分，IMS的主要功能实体大致分为6大类别。

6．UTRAN是UMTS系统的无线接入网部分。UTRAN接口通用协议模型分为两层二平面。 两层指从水平的分层结构来看，分为无线网络层和传输网络层。 二平面指从垂直面来看，每个接口分为控制面和用户面。

UTRAN内部的3个接口（Iu，Iur和Iub）都遵循统一的基本协议模型结构。 7．Iu接口是UTRAN与核心网之间的接口，也可以看作RNC与CN之间的一个参考点。 UTRAN与核心网电路域的接口称为Iu-CS，与核心网分组域的接口称为Iu-PS，与小区广播系统之间的接口称为Iu-BC。

RANAP协议位于Iu接口协议栈的最高层，属于Iu接口应用层协议，负责处理UTRAN和CN之间的信令交互。

RANAP功能通过一个或多个RANAP基本过程（EP）实现。 按照请求信息和响应信息，EP分为3类。

8．Iub接口作为RNC与Node B之间的接口，负责所有RNC与Node B之间的通信过程。协议结构与UTRAN接口的协议模型一致。

无线网络控制面中的NBAP是RNC与Node B之间的控制协议，但NBAP并不关心底层所用传输协议的细节。

NBAP协议包含CRNC与Node B之间交互的基本过程（EP），EP分为两类。

9．在GSM网络中，两个BSC之间是没有逻辑接口的，而在WCDMA中，为了更好地满足对用户移动性的支持，引入了任意两个RNC之间的逻辑接口Iur。

协议结构与UTRAN接口的协议模型一致，在无线网络层控制面是无线网络子系统应用协议（RNSAP），用户面是Iur FP协议。

RNSAP负责RNC和RNC之间的信令交换，接收来自传输层的数据传送服务，是Iur接口的应用层协议。

10．WCDMA系统中Uu接口（空中接口）协议结构分为两面三层，垂直方向分为控制平面和用户平面。

水平方向分为3层：物理层、数据链路层、网络层。

数据链路层又包括媒体接入控制（MAC）层、无线链路控制（RLC）层、分组数据汇聚协议（PDCP）层和广播/多播控制（BMC）层。

其中MAC和RLC由控制面与用户面共用，PDCP和BMC仅用于用户面。

11．在WCDMA空中接口中，物理信道的特征可由载频、扰码、信道化码（可选的）和相对相位来体现。

按照信息的传送方向，物理信道可分为上行物理信道和下行物理信道；按照物理信道是否由多个用户共享还是一个用户使用分为专用物理信道和公共物理信道。

12．实现传输信道到物理信道的映射中涉及的基本概念包括：传输块、传输块集合、传输格式、传输格式集、传输格式组合、传输格式指示、传输格式组合指示。

13．物理层位于空中接口协议模型的最底层，MAC子层位于物理层之上，物理层与MAC层通过传输信道进行数据交换，不同传输信道必须由不同的物理信道承载。

MAC层通过逻辑信道与高层进行数据交互，在逻辑信道上提供不同类型的数据传输业务。

通过物理层提供的传输信道借助逻辑信道与上层交换数据。 逻辑信道、传输信道和物理信道间有特定的映射关系。

14．来自MAC层的传输信道的数据以传输块的形式传输，物理层对传输块进行信道编码等处理，形成编码组合传输信道（CCTrCH）。

形成CCTrCH后，传输信道映射到物理信道，物理信道扩频、加扰和调制后，数据发送到空中接口。

15．RLC层支持3种传输模式：透明模式、非确认模式和确认模式。

透明模式和非确认模式的实体是单向实体，可以配臵为发送实体或者接收实体；确认模式实体是双向实体，包含发送侧和接收侧，可同时进行收发。

16．UE和UTRAN间的控制信令主要是无线资源控制（RRC）层消息。

RRC子层通过通知业务接入点（Nt-SAP）、专用业务接入点（DC-SAP）和通用控制接入点（GC-SAP）向高层提供服务。

RRC的各种状态及各种模式间可以相互转换，UTRAN连接模式有4种状态：CELL

DCH，CELL FACH，CELL PCH和URA PCH状态。

17．与GSM网络的服务区域相比，UMTS网络分为电路域（CS）、分组域（PS）、广播域（BC）及IMS域（R5版本），新增了业务区（SA）的概念。

网络实体的编号和用户编号对于呼叫处理过程以及用户的移动性管理过程都是非常重要的。

网络的编号计划与网络结构、网络功能及移动性管理等紧密相关。