WCDMA

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宽带码分多址(Wideband Code Division Multiple Access,WCDMA)

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什么是WCDMA

  WCDMA亦称宽带码分多址,是一种第三代无线通讯技术,是种由3GPP具体制定的,基于GSM MAP核心网,UTRAN(UMTS陆地无线接入网)为无线接口的第三代移动通信系统。目前WCDMA有Release 99、Release 4、Release 5、Release 6等版本。目前中国联通采用的此种3G通讯标准。

WCDMA的主要特点

  WCDMA系统作为3G确立的主要标准之一,满足业务丰富、价格低廉、全球漫游、高频谱利用率4个基本要求,主要有以下特点。

  (1)信道复杂,可适应各种业务需求

  WCDMA可通过公共信道/共享信道、接入信道和专用信道等不同类型的信道实现不同业务,适应不同时延和分布特点要求,使资源的调配更加灵活。而CDMAIS.95和GSM只通过TCH承载业务,cdma2000lx对分组业务由FCH和SCH承载,资源的利用和业务性能方面较WCDMA有所不足。利用灵活的资源调配方式和各种信道,WCDMA可以更好的满足不同业务的QoS,WCDMA所承载的业务可以大致分为4类:会话类、数据流类、互动类、后台类,主要区别在于对时延的敏感度:会话类业务对时延最敏感,后台类业务对时延最不敏感。

  (2)更大的容量和更高的业务速率

  WCDMA的码片速率达3.84Mchip/s,载波带宽约5MHz,相对窄带系统,WCDMA的带宽能够支持更高的速率,同时带来了无线传播的频率分集;对于速率大致相同的话音业务,具有更高的扩频增益,接收灵敏度更高。

  (3)功率控制更加完善

  WCDMA采用开环功率控制和闭环功率控制两种方式,当链路没有建立时,开环功率控制用来调节接入信道的发射功率,链路建立之后使用闭环功率控制。闭环功率控制又包括内环功率控制和外环功率控制,外环功率控制以误码率或者误帧率作为控制目标。

  WCDMA提供的上行和下行快速功率控制是它的一个显著特点,频率为1500Hz,而Is。95上行功率控制的频率只有800Hz,下行链路为慢速功率控制。WCDMA的快速功率控制速度比任何较明显的路径损耗的变化都要快,甚至比低速和中速移动的UE产生的Rayleigh快衰落的速度还快,可以有效抵抗链路的功率不平衡现象和Rayleigh衰落,能够更好地控制系统内的干扰,提升网络覆盖、容量方面的性能。

  (4)切换机制更加健全,更为灵活的分层组网结构(HCS)

  WCDMA系统具有软切换方式,利于提高覆盖,但会增加开销;还具有硬切换方式,可通过压缩模式实现通话状态下不同载频、不同系统的测量,提高硬切换成功率。

  WCDMA提供分层小区结构(HCS,Hierarchical Cell Structure)组网和与GSM系统混合组网的灵活组网方式,HCS组网可以根据容量密度和覆盖需求,分别选择宏小区、微小区、微微小区进行组网,既能满足不同的容量密度需求,又能适应不同区域的覆盖需求;与GSM系统混合组网,则能够为具有GSM网资源的运营商,在建网初期提供更高投入产出的建设策略。

  (5)对于分组数据业务,具有灵活的资源调度机制

  针对分组数据业务非实时等特点,可以通过选择资源调度机制,均衡资源利用率和用户服务质量2G系统的业务重点是语音业务,数据业务仅是作为一种附加业务提供服务,数据用户的QoS很难保证,在面向不同用户推出不同的数据业务时,难以区分不同的QoS,对市场发展和网络资源利用率提高都形成了限制,WCDMA借助不同的承载业务信道和灵活的资源分配机制,能够根据业务类型提供不同的QoS,适应市场和网络两方面的需求。此外,相对于GSM和CDMA等移动网络,WCDMA一项崭新而重要的特性就是它允许对无线承载的特性进行协商。

  (6)WCDMA的干扰来自网内和网外

  网内干扰是由码分多址系统白干扰的机制决定的,网外干扰主要来自同制式的不同系统和频率邻近的其他网络,存在远近效应。无论网内干扰还是网外干扰,都与网络的覆盖、容量紧密相关。

  (7)基站无需同步

  优点是摆脱了美国GPS系统的控制,可采用较为自由的信道管理方式,缺点是需要快速实现小区搜索。

WCDMA的发展

  1.WCDMA的发展和现状

  第三代移动通信(3G)最早由总部设在日内瓦的联合国标准化组织国际电信联盟(ITU)于1985年提出,当时称为未来公众陆地移动通信系统(FPLMTs,Future Public Land Mobile Telecommunication System),1996年更名为国际移动通信.2000(IMT-2000,International Mobile Telecommunications2000),其本来的含义是系统工作在2000MHz频段、最高业务速率可达2000kbit/s、原定于2000年左右开始商用。此后ETSI、ARIB、TIA、T1、TTA、CWTS、TTC等区域化标准组织分别开展了各自的研究。

  欧洲电信标准协会(ETSI)把3G技术统称为通用移动通信系统(UMTS,Universal Mobile Telecommunications System),1998年,日本和欧洲在宽带CDMA建议的关键参数上取得一致,使之正式成为UMTS体系中频分双工(FDD,FrequencyDivisionDuplex)频段的空中接口的入选技术方案,并由此通称为WCDMA,即宽带CDMA(WidebandCDMA),以有别于源于北美的窄带CDMA(带宽1.25MHz)标准,进一步的细化工作交给了标准化组织3GPP,该组织是由欧洲ETSI发起,并由ETSI(欧洲)、CWTS(中国)、ARIB(日本)、TTC(日本)、TTA(韩国)和T1(美国)等成员组成的第三代合作组织,其目标是制定与GSM/GPRS兼容的第三代移动通信标准WCDMA,在欧洲又称为UMTS

  WCDMA的推出适应了数据业务和移动通信两方面的发展。随着计算机互联网的迅速普及,数据业务已经渗入到各行各业,用户需要使用更加方便灵活、速率更快的数据业务服务,WCDMA借助宽带、无线接入、可变的无线承载速率、灵活的QoS控制等特点,很好地适应了数据业务的需求。同时,移动通信也在快速发展,人们越来越多地依靠移动通信实现沟通,对网络容量的需求迅速增长,相对有限的频率资源,对移动通信技术的频谱利用率提出了更高的要求。WCDMA是最早、也是最完善的3G移动通信体制,为全球3G运营商所广泛采用。

  WCDMA网络可以开展的业务有Web浏览、WAP浏览、E-mail、铃声/图片下载、视/音频业务、在线游戏、实时视频、一键通、电子商务、短消息以及多媒体短消息等。依靠丰富的业务品种和良好的业务质量,WCDMA取得了良好的发展。

  自从2001年10月,日本NTTDoCoMo开通了第一个WCDMA商用网络以来,WCDMA在全球得以迅速发展壮大。

  从网络部署看:根据2010年3月的统计数据,全球135个国家已经建设325个商用WCDMA网络,占全球3G系统份额超过了73%。其中97%的WCDMA网络运营商同时开通了HSPA服务。

  全球144个国家的364个运营商承诺部署HSPA,其中133个国家的315个运营商已实现商用部署。超过79%的HSDPA网络支持3.6Mbit/s或者更高的峰值速率。53.3%的商用HSDPA网络支持7.2Mbit/s或更高的峰值速率。

  商用HSPA网络分布情况如图所示。

  全球第一个HSPA+系统由澳大利亚运营商Telstra于2009年2月23日开通,采用64QAM调制,可支持21Mbit/s的下行峰值速率和5.8Mbit/s的上行峰值速率。2009年3月23日,MobilkomAustria在欧洲开通了第一个商用的HSPA+系统。2009年3月27日,亚洲的第一个HSPA+系统在新图1.1商用HSPA网络分布情况加坡开通。目前全球已承诺部署HSPA+的网络达80个,其中26个国家的41个运营商已部署商用HSPA+网络。

  UMTS900(HSPA)商用网络已达14个,终端类型也已有258款。另外全球已部署了2个LTE商用网络。TeliaSonera于2009年12月15日在Stockholm和Oslo开通了全球第一个LTE系统。从用户数发展看:截至2009年底,全球WCDMA用户数已达到4.53亿。2009年一年内用户增长1.51亿,增长率达50%。从终端类型看:目前已发布的HSDPA终端达到2137款,年增长率67%,HSUPA终端达到493款,年增长率156%。

  2.WCDMA标准的演进

  3GPP标准体系提出了GSM(2G)—GPRs—EDGE—WCDMA(3G)一LTE—4G的演进策略。GPRS是General Packet Radio Service(通用分组无线业务)的简称,EDGE是Enhanced Dataratefor GSM Evolution(增强数据速率的GSM演进)的简称,这两种技术被称为2.5代移动通信技术。目前运营GSM网络的电信运营商大多采用这一方案向3G过渡,并已将原有的GSM网络升级为GPRS网络。

  作为完整的3G移动通信技术标准,WCDMA并不仅限于定义空中接口,它的主体包括接入网络和分组化的核心网络等一系列技术规范和接口协议。

  3GPP对WCDMA的系列规范划定了不同的版本。从最早推出的R99版本到目前正在制定中的R10版本,WCDMA标准已经过多年发展和完善,日益成熟。

  R99版本是第一个WCDMA标准,它引入了全新的接入网——通用地面无线接入网络(UTRAN),空中接口技术采用宽带码分多址方式,核心网是基于GSM系统核心网的演进,协议采用移动应用部分(MAP),可通过网络扩展方式提供在基于ANSI-41的核心网上运行的能力。同时,3GPPR99采用了分组化传输,更有利于实现高速移动数据业务的传输。

  R4版本在电路域完全体现了NGN的体系构架思想,引入软交换的概念,实现控制和承载分离,3GPPR4的CS域将MSC分为MSC服务器和媒体网关(MGW),将网关移动交换中心(GMSC)分为GMSC服务器和MGW,MSC服务器和GMSC服务器承担控制功能,主要完成呼叫控制、媒体网关接入控制、移动性管理资源分配、协议处理、路由、认证和计费等功能。MGW执行实际的用户数据交换和跨网处理,各实体之间提供标准化的接口,主要完成将一种网络中的媒体格式转换成另一种网络所要求的媒体格式的功能。除了MSC服务器和MGW外,其它3GPPR4版本的核心网设备,如HLR、VLR、SGSN和GGSN等都继承了3GPPR99的功能。并在业务提供方面增加了UTRAN定位业务和无线接口首标(header)压缩等功能。

  R5版本在核心网中增加了多媒体(IMS)子系统;无线接入网可以采用IP传输的可选方式,并可实现与ATM的互通;采用HSDPA技术(下行链路峰值速率提高到14.4Mbit/s)、CAMEL4和宽带AMR的新型编码方式;引入RAN节点可以同若干CN节点连接的概念,业务上可实现全IP网络的功能。

  R6版本网络结构方面没有太大变更,主要是增加了一些新的功能特性,以及对已有功能特性的增强。无线接入部分引入了HSUPA,并对HSDPA进行了增强。R6版本功能于2004年12月冻结,在R6版本中,UMTS移动网为PTT(一键通)业务提供承载能力,PTT业务应用层规范由OMA(开放移动联盟)制定;用户经过WLAN接入时可与UMTS用户一样使用移动网业务,有多个互通层面,包括统一鉴权、计费、利用移动网提供的PS和IMS业务、不同接入方式切换时业务不中断;多个移动运营商共享接入网,且有各自独立的核心网或业务网。

  3GPP R6版本计划推出以下功能,考虑到版本冻结时间,一些功能推迟成为后续R7版本的工作任务。

  (1)引入HSUPA,HSDPA属于R5中的内容,主要用于对下行分组域的数据速率进行增强;在R6中,3GPP正在致力于HSUPA标准的制定。HSUPA主要是用于对上行分组域的数据速率进行增强。

  (2)多媒体广播和多播,网络需要增加广播和多播中心功能实体,多媒体广播和多播(MBMS)业务对用户终端、接入网以及核心网均有新的需求,并需要对空中信道、接入网和核心网接口信令进行修改。

  (3)增强空中接口,支持不同频率的UMTS系统,包括UMTS850、UMTS800、UMTSl.7/2.1GHz,增强了不同频率和不同系统间的测量。

  (4)基于Ps和IMS的紧急呼叫业务,改变仅电路域支持紧急呼叫业务的现状,提出IMS紧急呼叫业务,对PS有一定的影响。

  (5)定位业务增强,支持IMS公共标识,伽利略卫星系统应用于定位业务研究、UE定位增强、开放式移动定位服务中心——服务无线电网络控制器接口。

  (6)增强RAN,从UTRAN到GERAN(GSM/EDGE无线接入网)网络辅助的小区改变对网络的影响、天线倾角的远端控制、RAB支持增强、Iub/Iur接口无线资源管理的优化。

  (7)IMS(IP多媒体子系统)第二阶段,这是在R5IMS第一阶段基础上提供的新特性,它包括IMS本地业务/Mm接口(UE与外部IP多媒体网之问的互通)、IMS与CS互通、Mn接口(IM—MG与MGCF之间)增强、Mp接口(MRFC与MRFP之间)协议定义、R6监听的需求和网络框架、PDF与P.CSCF之间的Gq接口策略控制、基于IPV4与基于IPv6的IMS互通和演进、Cx和Sh接口增强、IMS群组管理、IMS附加SIP能力、IMS会议业务、IMS消息业务。

  (8)基于不同IP连接网的IMS互通,3GPPIMS用户与3GPP2IMS、固网IMS等用户之间的互通。

  (9)Push业务,网络主动向用户Push内容,根据网络和用户的能力推出多种实现方案。

  (10)在线实时了解用户的状态和可及性等信息。

  (11)增强安全,基于IP传输的网络域安全,应用IPSec等安全技术。

  (12)WLAN。UMTS互通,用户经过WLAN接入时可与UMTS用户一样使用移动网业务,有多个互通层面,包括统一鉴权、计费、利用移动网提供的PS和IMS业务、不同接入方式切换时业务不中断。(13)优先业务,指导电路域优先业务的实现,分组域和IMS优先业务将来考虑。

  (14)网络共享,多个移动运营商共享接入网,有各自独立的核心网或业务网。

  (15)增强QoS,提供端到端QoS动态策略控制增强。

  (16)计费管理,WLAN计费、基于IP流的承载计费和在线计费系统。

  (17)PoC(无线一键通),UMTS移动网为PTT业务提供承载能力,PTT业务应用层规范由OMA制定。

  目前中国联通的WCDMA网络开通了HSPA功能,实现了R6版本无线接入的主要功能特性,而其核心网的架构还主要属于R4版本。R7版本主要继续R6未完成的标准和业务(如MIMO技术,包括多种MIMO实现技术等),使得HSPA的能力更加接近LTE的目标,因此也被称作HSPA+。R7版本的主要特性包括以下几方面。

   (1)R7版本在上下行链路中均采用了高阶调制(64QAM),并且在下行链路方向采用MIMO传输方式,下行链路峰值速率最大28Mbit/s,采用2×2MIMO和64QAM调制的组合理论上最大可达到42Mbit/s以上,上行链路采用16QAM调制数据速率也可提高到11.5Mbit/s;

  (2)R7版本还对下行链路层2结构进行了优化,采用灵活的RLC和MAC—hs分段方案,降低RLC层的相对开销,缩短处理时问,提高频谱效率;

  (3)提出了基于双天线码片级均衡器的终端Rake接收机结构,支持MIMO传输方式;

  (4)提出了上行链路(DPCCH)不连续传输方案,允许在没有内容传输时关闭终端的射频部分;

  (5)上行链路采用分组包绑定技术,可减少物理层开销,增大VolP容量;

  (6)包含有核心网分组域和无线网侧扁平化结构的一些改进,考虑了后向兼容问题;

  (7)R7还定义了增强型EDGE初始阶段的关键技术和指标。

  R8版本工作开始于2007年,于2008年12月冻结,也即是所谓的LTE标准。LTE将增强对速率要求高的应用如交互式电视、移动视频博客、高级互动游戏和专业服务等的支持。R8版本的主要特性包括以下几方面。

  (1)在20MHz的带宽上,上下行分别可支持50Mbit/s和100Mbit/s的最大峰值速率;

  (2)可灵活地按1.25MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz和20MHz分配频率,并且可与WCDMA邻近部署;

  (3)对端到端QoS支持的增强,用户平面时延小于5ms;

  (4)无线接入技术方面,下行采用OFDMA,上行采用SC.FDMA,支持MIMO空间复用技术;(5)核心网结构基于全IP,取消了核心网电路域,确定了EPC的核心网架构(SAE),网络结构实现了扁平化

  R9版本于2009年12月冻结,主要是对R8版本协议的增强,包括增强SAES、WiMAX及LTE/UMTS之间的互通性等。

  R10版本协议目前正在制定中,ITU给这一阶段技术的正式名称为IMT-Advanced,属于B3G或4G的范畴。

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