WCDMA

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寬頻碼分多址(Wideband Code Division Multiple Access,WCDMA)

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什麼是WCDMA

  WCDMA亦稱寬頻碼分多址,是一種第三代無線通訊技術,是種由3GPP具體制定的,基於GSM MAP核心網,UTRAN(UMTS陸地無線接入網)為無線介面的第三代移動通信系統。目前WCDMA有Release 99、Release 4、Release 5、Release 6等版本。目前中國聯通採用的此種3G通訊標準。

WCDMA的主要特點

  WCDMA系統作為3G確立的主要標準之一,滿足業務豐富、價格低廉、全球漫游、高頻譜利用率4個基本要求,主要有以下特點。

  (1)通道複雜,可適應各種業務需求

  WCDMA可通過公共通道/共用通道、接入通道和專用通道等不同類型的通道實現不同業務,適應不同時延和分佈特點要求,使資源的調配更加靈活。而CDMAIS.95和GSM只通過TCH承載業務,cdma2000lx對分組業務由FCH和SCH承載,資源的利用和業務性能方面較WCDMA有所不足。利用靈活的資源調配方式和各種通道,WCDMA可以更好的滿足不同業務的QoS,WCDMA所承載的業務可以大致分為4類:會話類、數據流類、互動類、後臺類,主要區別在於對時延的敏感度:會話類業務對時延最敏感,後臺類業務對時延最不敏感。

  (2)更大的容量和更高的業務速率

  WCDMA的碼片速率達3.84Mchip/s,載波帶寬約5MHz,相對窄帶系統,WCDMA的帶寬能夠支持更高的速率,同時帶來了無線傳播的頻率分集;對於速率大致相同的話音業務,具有更高的擴頻增益,接收靈敏度更高。

  (3)功率控制更加完善

  WCDMA採用開環功率控制和閉環功率控制兩種方式,當鏈路沒有建立時,開環功率控制用來調節接入通道的發射功率,鏈路建立之後使用閉環功率控制。閉環功率控制又包括內環功率控制和外環功率控制,外環功率控制以誤碼率或者誤幀率作為控制目標。

  WCDMA提供的上行和下行快速功率控制是它的一個顯著特點,頻率為1500Hz,而Is。95上行功率控制的頻率只有800Hz,下行鏈路為慢速功率控制。WCDMA的快速功率控制速度比任何較明顯的路徑損耗的變化都要快,甚至比低速和中速移動的UE產生的Rayleigh快衰落的速度還快,可以有效抵抗鏈路的功率不平衡現象和Rayleigh衰落,能夠更好地控制系統內的干擾,提升網路覆蓋、容量方面的性能。

  (4)切換機制更加健全,更為靈活的分層組網結構(HCS)

  WCDMA系統具有軟切換方式,利於提高覆蓋,但會增加開銷;還具有硬切換方式,可通過壓縮模式實現通話狀態下不同載頻、不同系統的測量,提高硬切換成功率。

  WCDMA提供分層小區結構(HCS,Hierarchical Cell Structure)組網和與GSM系統混合組網的靈活組網方式,HCS組網可以根據容量密度和覆蓋需求,分別選擇巨集小區、微小區、微微小區進行組網,既能滿足不同的容量密度需求,又能適應不同區域的覆蓋需求;與GSM系統混合組網,則能夠為具有GSM網資源的運營商,在建網初期提供更高投入產出的建設策略。

  (5)對於分組數據業務,具有靈活的資源調度機制

  針對分組數據業務非實時等特點,可以通過選擇資源調度機制,均衡資源利用率和用戶服務質量2G系統的業務重點是語音業務,數據業務僅是作為一種附加業務提供服務,數據用戶的QoS很難保證,在面向不同用戶推出不同的數據業務時,難以區分不同的QoS,對市場發展和網路資源利用率提高都形成了限制,WCDMA藉助不同的承載業務通道和靈活的資源分配機制,能夠根據業務類型提供不同的QoS,適應市場和網路兩方面的需求。此外,相對於GSM和CDMA等移動網路,WCDMA一項嶄新而重要的特性就是它允許對無線承載的特性進行協商。

  (6)WCDMA的干擾來自網內和網外

  網內干擾是由碼分多址系統白干擾的機制決定的,網外干擾主要來自同制式的不同系統和頻率鄰近的其他網路,存在遠近效應。無論網內干擾還是網外干擾,都與網路的覆蓋、容量緊密相關。

  (7)基站無需同步

  優點是擺脫了美國GPS系統的控制,可採用較為自由的通道管理方式,缺點是需要快速實現小區搜索。

WCDMA的發展

  1.WCDMA的發展和現狀

  第三代移動通信(3G)最早由總部設在日內瓦的聯合國標準化組織國際電信聯盟(ITU)於1985年提出,當時稱為未來公眾陸地移動通信系統(FPLMTs,Future Public Land Mobile Telecommunication System),1996年更名為國際移動通信.2000(IMT-2000,International Mobile Telecommunications2000),其本來的含義是系統工作在2000MHz頻段、最高業務速率可達2000kbit/s、原定於2000年左右開始商用。此後ETSI、ARIB、TIA、T1、TTA、CWTS、TTC等區域化標準組織分別開展了各自的研究。

  歐洲電信標準協會(ETSI)把3G技術統稱為通用移動通信系統(UMTS,Universal Mobile Telecommunications System),1998年,日本和歐洲在寬頻CDMA建議的關鍵參數上取得一致,使之正式成為UMTS體系中頻分雙工(FDD,FrequencyDivisionDuplex)頻段的空中介面的入選技術方案,並由此通稱為WCDMA,即寬頻CDMA(WidebandCDMA),以有別於源於北美的窄帶CDMA(帶寬1.25MHz)標準,進一步的細化工作交給了標準化組織3GPP,該組織是由歐洲ETSI發起,並由ETSI(歐洲)、CWTS(中國)、ARIB(日本)、TTC(日本)、TTA(南韓)和T1(美國)等成員組成的第三代合作組織,其目標是制定與GSM/GPRS兼容的第三代移動通信標準WCDMA,在歐洲又稱為UMTS

  WCDMA的推出適應了數據業務和移動通信兩方面的發展。隨著電腦互聯網的迅速普及,數據業務已經滲入到各行各業,用戶需要使用更加方便靈活、速率更快的數據業務服務,WCDMA藉助寬頻、無線接入、可變的無線承載速率、靈活的QoS控制等特點,很好地適應了數據業務的需求。同時,移動通信也在快速發展,人們越來越多地依靠移動通信實現溝通,對網路容量的需求迅速增長,相對有限的頻率資源,對移動通信技術的頻譜利用率提出了更高的要求。WCDMA是最早、也是最完善的3G移動通信體制,為全球3G運營商所廣泛採用。

  WCDMA網路可以開展的業務有Web瀏覽、WAP瀏覽、E-mail、鈴聲/圖片下載、視/音頻業務、線上游戲、實時視頻、一鍵通、電子商務、短消息以及多媒體短消息等。依靠豐富的業務品種和良好的業務質量,WCDMA取得了良好的發展。

  自從2001年10月,日本NTTDoCoMo開通了第一個WCDMA商用網路以來,WCDMA在全球得以迅速發展壯大。

  從網路部署看:根據2010年3月的統計數據,全球135個國家已經建設325個商用WCDMA網路,占全球3G系統份額超過了73%。其中97%的WCDMA網路運營商同時開通了HSPA服務。

  全球144個國家的364個運營商承諾部署HSPA,其中133個國家的315個運營商已實現商用部署。超過79%的HSDPA網路支持3.6Mbit/s或者更高的峰值速率。53.3%的商用HSDPA網路支持7.2Mbit/s或更高的峰值速率。

  商用HSPA網路分佈情況如圖所示。

  全球第一個HSPA+系統由澳大利亞運營商Telstra於2009年2月23日開通,採用64QAM調製,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在歐洲開通了第一個商用的HSPA+系統。2009年3月27日,亞洲的第一個HSPA+系統在新圖1.1商用HSPA網路分佈情況加坡開通。目前全球已承諾部署HSPA+的網路達80個,其中26個國家的41個運營商已部署商用HSPA+網路。

  UMTS900(HSPA)商用網路已達14個,終端類型也已有258款。另外全球已部署了2個LTE商用網路。TeliaSonera於2009年12月15日在Stockholm和Oslo開通了全球第一個LTE系統。從用戶數發展看:截至2009年底,全球WCDMA用戶數已達到4.53億。2009年一年內用戶增長1.51億,增長率達50%。從終端類型看:目前已發佈的HSDPA終端達到2137款,年增長率67%,HSUPA終端達到493款,年增長率156%。

  2.WCDMA標準的演進

  3GPP標準體系提出了GSM(2G)—GPRs—EDGE—WCDMA(3G)一LTE—4G的演進策略。GPRS是General Packet Radio Service(通用分組無線業務)的簡稱,EDGE是Enhanced Dataratefor GSM Evolution(增強數據速率的GSM演進)的簡稱,這兩種技術被稱為2.5代移動通信技術。目前運營GSM網路的電信運營商大多採用這一方案向3G過渡,並已將原有的GSM網路升級為GPRS網路。

  作為完整的3G移動通信技術標準,WCDMA並不僅限於定義空中介面,它的主體包括接入網路和分組化的核心網路等一系列技術規範和介面協議。

  3GPP對WCDMA的系列規範劃定了不同的版本。從最早推出的R99版本到目前正在制定中的R10版本,WCDMA標準已經過多年發展和完善,日益成熟。

  R99版本是第一個WCDMA標準,它引入了全新的接入網——通用地面無線接入網路(UTRAN),空中介面技術採用寬頻碼分多址方式,核心網是基於GSM系統核心網的演進,協議採用移動應用部分(MAP),可通過網路擴展方式提供在基於ANSI-41的核心網上運行的能力。同時,3GPPR99採用了分組化傳輸,更有利於實現高速移動數據業務的傳輸。

  R4版本在電路域完全體現了NGN的體系構架思想,引入軟交換的概念,實現控制和承載分離,3GPPR4的CS域將MSC分為MSC伺服器和媒體網關(MGW),將網關移動交換中心(GMSC)分為GMSC伺服器和MGW,MSC伺服器和GMSC伺服器承擔控制功能,主要完成呼叫控制、媒體網關接入控制、移動性管理資源分配、協議處理、路由、認證和計費等功能。MGW執行實際的用戶數據交換和跨網處理,各實體之間提供標準化的介面,主要完成將一種網路中的媒體格式轉換成另一種網路所要求的媒體格式的功能。除了MSC伺服器和MGW外,其它3GPPR4版本的核心網設備,如HLR、VLR、SGSN和GGSN等都繼承了3GPPR99的功能。併在業務提供方面增加了UTRAN定位業務和無線介面首標(header)壓縮等功能。

  R5版本在核心網中增加了多媒體(IMS)子系統;無線接入網可以採用IP傳輸的可選方式,並可實現與ATM的互通;採用HSDPA技術(下行鏈路峰值速率提高到14.4Mbit/s)、CAMEL4和寬頻AMR的新型編碼方式;引入RAN節點可以同若幹CN節點連接的概念,業務上可實現全IP網路的功能。

  R6版本網路結構方面沒有太大變更,主要是增加了一些新的功能特性,以及對已有功能特性的增強。無線接入部分引入了HSUPA,並對HSDPA進行了增強。R6版本功能於2004年12月凍結,在R6版本中,UMTS移動網為PTT(一鍵通)業務提供承載能力,PTT業務應用層規範由OMA(開放移動聯盟)制定;用戶經過WLAN接入時可與UMTS用戶一樣使用移動網業務,有多個互通層面,包括統一鑒權、計費、利用移動網提供的PS和IMS業務、不同接入方式切換時業務不中斷;多個移動運營商共用接入網,且有各自獨立的核心網或業務網。

  3GPP R6版本計劃推出以下功能,考慮到版本凍結時間,一些功能推遲成為後續R7版本的工作任務。

  (1)引入HSUPA,HSDPA屬於R5中的內容,主要用於對下行分組域的數據速率進行增強;在R6中,3GPP正在致力於HSUPA標準的制定。HSUPA主要是用於對上行分組域的數據速率進行增強。

  (2)多媒體廣播和多播,網路需要增加廣播和多播中心功能實體,多媒體廣播和多播(MBMS)業務對用戶終端、接入網以及核心網均有新的需求,並需要對空中通道、接入網和核心網介面信令進行修改。

  (3)增強空中介面,支持不同頻率的UMTS系統,包括UMTS850、UMTS800、UMTSl.7/2.1GHz,增強了不同頻率和不同系統間的測量。

  (4)基於Ps和IMS的緊急呼叫業務,改變僅電路域支持緊急呼叫業務的現狀,提出IMS緊急呼叫業務,對PS有一定的影響。

  (5)定位業務增強,支持IMS公共標識,伽利略衛星系統應用於定位業務研究、UE定位增強、開放式移動定位服務中心——服務無線電網路控制器介面。

  (6)增強RAN,從UTRAN到GERAN(GSM/EDGE無線接入網)網路輔助的小區改變對網路的影響、天線傾角的遠端控制、RAB支持增強、Iub/Iur介面無線資源管理的優化。

  (7)IMS(IP多媒體子系統)第二階段,這是在R5IMS第一階段基礎上提供的新特性,它包括IMS本地業務/Mm介面(UE與外部IP多媒體網之問的互通)、IMS與CS互通、Mn介面(IM—MG與MGCF之間)增強、Mp介面(MRFC與MRFP之間)協議定義、R6監聽的需求和網路框架、PDF與P.CSCF之間的Gq介面策略控制、基於IPV4與基於IPv6的IMS互通和演進、Cx和Sh介面增強、IMS群組管理、IMS附加SIP能力、IMS會議業務、IMS消息業務。

  (8)基於不同IP連接網的IMS互通,3GPPIMS用戶與3GPP2IMS、固網IMS等用戶之間的互通。

  (9)Push業務,網路主動向用戶Push內容,根據網路和用戶的能力推出多種實現方案。

  (10)線上實時瞭解用戶的狀態和可及性等信息。

  (11)增強安全,基於IP傳輸的網路域安全,應用IPSec等安全技術。

  (12)WLAN。UMTS互通,用戶經過WLAN接入時可與UMTS用戶一樣使用移動網業務,有多個互通層面,包括統一鑒權、計費、利用移動網提供的PS和IMS業務、不同接入方式切換時業務不中斷。(13)優先業務,指導電路域優先業務的實現,分組域和IMS優先業務將來考慮。

  (14)網路共用,多個移動運營商共用接入網,有各自獨立的核心網或業務網。

  (15)增強QoS,提供端到端QoS動態策略控制增強。

  (16)計費管理,WLAN計費、基於IP流的承載計費和線上計費系統。

  (17)PoC(無線一鍵通),UMTS移動網為PTT業務提供承載能力,PTT業務應用層規範由OMA制定。

  目前中國聯通的WCDMA網路開通了HSPA功能,實現了R6版本無線接入的主要功能特性,而其核心網的架構還主要屬於R4版本。R7版本主要繼續R6未完成的標準和業務(如MIMO技術,包括多種MIMO實現技術等),使得HSPA的能力更加接近LTE的目標,因此也被稱作HSPA+。R7版本的主要特性包括以下幾方面。

   (1)R7版本在上下行鏈路中均採用了高階調製(64QAM),並且在下行鏈路方向採用MIMO傳輸方式,下行鏈路峰值速率最大28Mbit/s,採用2×2MIMO和64QAM調製的組合理論上最大可達到42Mbit/s以上,上行鏈路採用16QAM調製數據速率也可提高到11.5Mbit/s;

  (2)R7版本還對下行鏈路層2結構進行了優化,採用靈活的RLC和MAC—hs分段方案,降低RLC層的相對開銷,縮短處理時問,提高頻譜效率;

  (3)提出了基於雙天線碼片級均衡器的終端Rake接收機結構,支持MIMO傳輸方式;

  (4)提出了上行鏈路(DPCCH)不連續傳輸方案,允許在沒有內容傳輸時關閉終端的射頻部分;

  (5)上行鏈路採用分組包綁定技術,可減少物理層開銷,增大VolP容量;

  (6)包含有核心網分組域和無線網側扁平化結構的一些改進,考慮了後向兼容問題;

  (7)R7還定義了增強型EDGE初始階段的關鍵技術和指標。

  R8版本工作開始於2007年,於2008年12月凍結,也即是所謂的LTE標準。LTE將增強對速率要求高的應用如互動式電視、移動視頻博客、高級互動游戲和專業服務等的支持。R8版本的主要特性包括以下幾方面。

  (1)在20MHz的帶寬上,上下行分別可支持50Mbit/s和100Mbit/s的最大峰值速率;

  (2)可靈活地按1.25MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz和20MHz分配頻率,並且可與WCDMA鄰近部署;

  (3)對端到端QoS支持的增強,用戶平面時延小於5ms;

  (4)無線接入技術方面,下行採用OFDMA,上行採用SC.FDMA,支持MIMO空間復用技術;(5)核心網結構基於全IP,取消了核心網電路域,確定了EPC的核心網架構(SAE),網路結構實現了扁平化

  R9版本於2009年12月凍結,主要是對R8版本協議的增強,包括增強SAES、WiMAX及LTE/UMTS之間的互通性等。

  R10版本協議目前正在制定中,ITU給這一階段技術的正式名稱為IMT-Advanced,屬於B3G或4G的範疇。

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