3G移动通信接入网运行维护(WCDMA接入网技术原理)

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1、 书名：3G移动通信接入网运行维护（WCDMA接入网技术原理）第2版ISBN：978-7-111-48881-1作者：孙秀英出版社：机械工业出版社本书配有电子课件第第3章章 WCDMA网络结构与接口网络结构与接口3.1 WCDMA通信系统概述3.2 WCDMA无线接口3.3 WCDMA无线接口信道3.1.1 WCDMA网络结构网络结构1 UMTS1 UMTS系统构成系统构成UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移动通信系统）是采用WCDMA空中接口技术的第三代移动通信系统，通常也把UMTS系统称为WCDMA通信系统。UMTS系统组成

2、分为三部分：移动台（UE）、接入网（UTRAN）和核心网（CN）。Page 4UMTS系统网络结构Page 5Page 62.接入子网（接入子网（UTRAN）UTRAN包含一个或几个无线网络子系统（RNS）。一个RNS由一个无线网络控制器（RNC）和一个或多个基站（NodeB）组成。从功能结构上来说，UTRAN接入网部分只有两个功能节点：基站（NodeB）和无线网络控制器（RNC）。Page 7(1）NodeB NodeB是WCDMA系统的基站（即无线收发信机），通过标准的Iub接口和RNC互连，主要完成Uu接口物理层协议的处理。它的主要功能是扩频、调制、信道编码及解扩、解调、信道解码，还包括

3、基带信号和射频信号的相互转换等功能，同时，它还完成一些如内环功率控制等的无线资源管理功能。它在逻辑上对应于GSM网络中基站BTS。Page 8NodeB由下列几个逻辑功能模块构成：RF收发放大、射频收发系统（TRX）、基带部分（Base Band）、传输接口单元、基站控制部分Page 9 (2）无线网络控制器(RNC)RNC（Radio Network Controller）是无线网络控制器，它通常通过Iu接口与电路域（MSC）和分组域（SGSN）以及广播域（BC）相连，在移动台和UTRAN之间的无线资源控制（RRC）协议在此终止。Page 10RNC逻辑上由交换子系统、业务处理子系统、传输子

4、系统、时钟同步子系统、操作维护子系统、供电子系统和环境监控子系统组成组成。Page 11 RNC主要完成连接建立和断开、切换、宏分集合并、无线资源管理控制等功能。具体如下：执行系统信息广播与系统接入控制功能；切换和RNC迁移等移动性管理功能；宏分集合并、功率控制、无线承载分配等无线资源管理和控制功能。Page 12CRNC/SRNC/DRNC控制NodeB的RNC称为该NodeB的控制RNC（CRNC），CRNC负责对其控制的小区的无线资源进行管理。如果在一个移动台与UTRAN的连接中用到了超过一个RNS的无线资源，那么这些涉及的RNS可以分为：服务RNS（SRNS）：管理UE和UTRAN之间

5、的无线连接。它是对应于该UE的Iu接口（Uu接口）的终止点。无线接入承载的参数映射到传输信道的参数，是否进行越区切换、开环功率控制等基本的无线资源管理都是由SRNS中的SRNC（服务RNC）来完成的。一个与UTRAN相连的UE有且只能有一个SRNC。漂移RNS（DRNS）：除了SRNS以外，UE所用到的RNS称为DRNS，其对应的RNC则是DRNC。一个用户可以没有，也可以有一个或多个DRNS。Page 133.核心网核心网(CN)(1)移动交换中心（MSC）为电路域特有的设备，用于连接无线系统（包括BSS、RNS）和固定网。MSC完成电路型呼叫所有功能，如控制呼叫接续、管理MS在本网络内或与

6、其他网络（如PSTN/ISDN/PSPDN、其他移动网等）的通信业务，并提供计费信息。(2)拜访位置寄存器（VLR）为电路域特有的设备，存储着进入该控制区域内已登记用户的相关信息，为移动用户提供呼叫接续的必要数据。当MS漫游到一个新的VLR区域后，该VLR向HLR发起位置登记，并获取必要的用户数据；当MS漫游出控制范围后，需要删除该用户数据，因此VLR可看作为一个动态数据库。实现中通常都将MSC和VLR合为一体。(3)归属位置寄存器（HLR）为CS域和PS域共用设备，是一个负责管理移动用户的数据库系统。PLMN可以包含一个或多个HLR，具体配置方式由用户数、系统容量以及网络结构所决定。HLR存

7、储着本归属区的所有移动用户数据，如识别标志、位置信息、签约业务等。当用户漫游时，HLR接收新位置信息，并要求前VLR删除用户所有数据。当用户被叫时，HLR提供路由信息。Page 143.核心网核心网(CN)(4)鉴权中心（AuC）CS域和PS域共用设备，是存储用户鉴权算法和加密密钥的实体。AuC将鉴权和加密数据通过HLR发往VLR、MSC以及SGSN，以保证通信的合法和安全。每个AuC和对应的HLR关联，只通过该HLR和外界通信。通常AuC和HLR结合在同一物理实体中。(5)设备识别寄存器（EIR）为CS域和PS域共用设备，存储着系统中使用的移动设备的国际移动设备识别码（IMEI）。移动设备被

8、划分“白灰黑”三个等级，并分别存储在相应的表格中。目前中国没有用到该设备。(6)网关MSC（GMSC）电路域特有的设备。GMSC作为系统与其它公用通信网之间的接口，同时还具有查询位置信息的功能。如MS被呼时，网络如不能查询该用户所属的HLR，则需要通过GMSC查询，然后将呼叫转接到MS目前登记的MSC中。具体由运营商决定那些MSC可作为GMSC，如部分MSC或所有的MSC。Page 153.核心网核心网(CN)(7)服务GPRS支持节点（SGSN）为PS域特有的设备，SGSN提供核心网与无线接入系统BSS、RNS的连接，在核心网内，SGSN与GGSN/GMSC/HLR/EIR/SCP等均有接口

9、。SGSN完成分组型数据业务的移动性管理、会话管理等功能，管理MS在移动网络内的移动和通信业务，并提供计费信息。(8)网关GPRS支持节点（GGSN）也是分组域特有的设备。GGSN作为移动通信系统与其它公用数据网之间的接口，同时还具有查询位置信息的功能。如MS被呼时，数据先到GGSN，再由GGSN向HLR查询用户的当前位置信息，然后将呼叫转接到目前登记的SGSN中。GGSN也提供计费接口。Page 163.1.2 UMTS设计原则设计原则UMTS设计原则是无线接入网与核心网功能尽量分离。无线接入网完成无线资源的管理，它是连接核心网和用户的桥梁，处理所有与无线接入有关的无线信道的分配、释放、切换

10、、管理等功能；而核心网完成的是与业务和应用相关的功能，处理所有与话音呼叫和数据连接以及与外部网络相关的交换连接和路由等，核心网子系统从逻辑上分为电路交换域（Circuit Switched Domain,CS）和分组交换域（Packet Switched Domain,PS）。Page 173.2 WCDMA无线接口无线接口-UTRAN主要接口有主要接口有Uu、Iu、Iur和和IubRNSRNCRNSRNC核心网Node BNode BNode BNode BIuIuIurIubIubIubIubPSCS18UTRANUMTS Terrestrial Radio Access NetworkC

11、NCore NetworkUEUser EquipmentIuUTRANUEUu CNUMTS体系体系结构结构19RNSRNCRNSRNCCore NetworkNode BNode BNode BNode BIuIuIurIubIubIubIubUTRAN体系结构体系结构20接口协议结构的原则是层与平面在逻辑上相互独立，如果需要，接口协议结构的原则是层与平面在逻辑上相互独立，如果需要，在将来的协议版本协议层、甚至一个平面内的所有层可以改变。在将来的协议版本协议层、甚至一个平面内的所有层可以改变。UTRAN接口的一般协议模型接口的一般协议模型Page 21水平分层:协议结构主要由两层组成，无线

12、网络层和传输网络层。所有所有 UTRAN 相关的问题仅在无线网络层可见相关的问题仅在无线网络层可见，传输网络层表示用于 UTRAN 的标准传输技术，但不表示任何 UTRAN 的特殊要求。垂直平面:1.控制平面:控制平面包括应用协议，即 RANAP，RNSAP，NBAP 和传输应用协议消息的信令承载。应用协议用于在无线网络层建立承载（即无线接入承载或无线链路）。三个平面结构中，应用协议的承载参数不直接与用户平面技术相关，而是一般的承载参数。应用协议的信令承载类型可以和 ALCAP 的信令协议相同或不同。信令承载总是由 O&M 建立。Page 22垂直平面:1.控制平面:控制平面包括应用协议，即

13、RANAP，RNSAP，NBAP 和传输应用协议消息的信令承载。应用协议用于在无线网络层建立承载（即无线接入承载或无线链路）。三个平面结构中，应用协议的承载参数不直接与用户平面技术相关，而是一般的承载参数。应用协议的信令承载类型可以和 ALCAP 的信令协议相同或不同。信令承载总是由 O&M 建立。2.用户平面:用户平面包括数据流和数据承载。数据流以特定接口帧协议来区分。Page 23传输网络控制平面:传输网络控制平面不包含任何网络层信息，完全在传输层。传输网络控制平面包括用于建立用户平面传输承载（数据承载）的 ALCAP 协议，还包括 ALCAP 协议所需的信令承载。传输网络控制平面介于控制

14、平面和用户平面之间。引入传输网络控制平面使得在无线网络控制平面的应用协议完全独立于用户平面数据承载所用的技术。ALCAP 不能用于所有类型的数据承载。如果没有 ALCAP 信令事务，传输网络控制平面根本不需要。使用预先配置的数据承载就属这种情况。还需指出传输网络控制平面中的 ALCAP 协议在实时操作时不用于为应用协议或 ALCAP 建立信令承载。ALCAP 的信令承载类型和应用协议的信令承载类型可相同也可不同。ALCAP 的信令承载总是由O&M 建立。Page 24传输网络用户平面:用户平面的数据承载和应用协议的信令承载也属于传输网络用户平面。如前所述，传输网络的用户平面在实时操作时直接由传

15、输网络控制平面控制，但为应用协议建立信令承载是 O&M 的事。Page 253.3 WCDMA无线接口信道 根据3GPP的协议规范，WCDMA的空中接口协议分为三层。最底层是物理层由L1层、L2层、层L3组成，分别称作物理层 （Physical Layer）、媒体接入控制层（Medium Access Control）也叫数据链路层、无线资源控制层（Radio Resource Control）从协议层次的角度看，WCDMA无线接口上存在三种信道，物理信道、传输信道、逻辑信道。26Uu接口协议结构Page 27Uu接口协议:第2层分为媒体接入控制层(MAC)无线链路控制层(RLC)分组数据汇聚

16、层(PDCP)和广播/多播控制层(BMC)。层3和层2划分为控制面C-plane和用户面U-plane，其中PDCP和BMC只属于用户面。在控制面，层3划分为多个子层，其中最底层就是无线资源管理（RRC）层。RRC层属于接入层（AS），而其上面的移动性管理（MM）和呼叫控制（CC）则属于非接入层（NAS）。RLC和MAC之间的业务接入点（SAP）提供逻辑信道，物理层和（MAC）之间的SAP提供传输信道。RRC与下层的PDCP、BMC、RLC和物理层之间都有连接，用以对这些实体的内部控制和参数配置。无线接口中传送的信令主要有两类：一类是由RRC产生的信令消息，另一类是由高层产生的NAS消息。Pa

17、ge 28Uu接口各层的主要功能1.物理层物理层 物理层在OSI参考模型中处于最底层，主要是为MAC层和高层提供信息传输。物理层在无线接口协议模型处于的最底层，它提供物理介质中比特流传输所需要的所有功能,它通过MAC子层的传输信道实现向上层提供数据传输服务。物理层是以传输信道的形式向MAC和高层传递信息的。从MAC层来看，物理层提供的服务可以按照“传输信道”来划分.不同的传输信道提供不同的信息传送机制，传输信道定义为数据如何和以什么样的特征进行传输，例如传输的时间间隔、每个时间间隔内传输块的大小、多少等。物理层的主要功能包括：信道编解码，扩频调制和解扩解调，闭环功率控制等等。Page 292.

18、媒体接入层媒体接入层(MAC)媒体接入层也叫做数据链路层。MAC层位于物理层之上，它使用物理层提供的传输信道向数据链路层提供逻辑信道，MAC向上提供逻辑信道，向下使用传输信道，因此，MAC层执行逻辑信道与传输信道之间的映射。逻辑信道将在3.3节中详细讲述。MAC层有三个逻辑实体，即MAC-b，MAC-c/sh和MAC-d。Page 30MAC层协议结构MAC-b实体处理广播信道（BCH）上的，在NodeB上每个小区都存在一个MAC-b实体，完成逻辑信道BCCH（广播控制信道）和传输信道（BCH）之间的映射。MAC-c/sh实体处理公共信道和共享信道，包括寻呼信道（PCH）、前向接入信道(FAC

19、H)、随机接入信道（RACH）上行链路公共分组信道（CPCH）、和下行链路共享信道（DSCH）。每个UE中有一个使用共享信道的实体MAC-c/sh，MAC-c/sh实体在UTRAN中位于CRNC中。MAC-c/sh实体主要完成逻辑信道与公共传输信道和共享传输信道的映射。MAC-d实体处理分配给一个处于连接模式下的UE专用信道（DCH），每个UE中有一个使用共享信道的实体MAC-d，MAC-d实体在UTRAN中位于SRNC中。MAC-d实体主要完成逻辑信道DCCH/DTCH和传输信道DCH之间的映射。Page 313.无线链路控制层（无线链路控制层（RLC）RLC一般可以分成三种模式：透明模式T

20、M（Transparent Mode）非确认模式UM（Unacknowledged Mode）确认模式AM（Acknowledged Mode）RLC在控制面向RRC子层提供信令无线承载服务；RLC在用户面和PDCP子层一起提供业务无线承载服务并向BMC子层提供信息广播和多播所需的业务接入功能。Page 324.分组数据汇聚协议（分组数据汇聚协议（PDCP）PDCP一般只存在于分组域，按照三种RLC模式：确认、非确认和透明发送。接收网络层PDU(Protocol Data Unit,协议数据单元)，用于将不同类型的网络层协议适配到无线接口，并通过头压缩等算法提高信道的利用率。PDCP层主要在发

21、送与接收实体中，分别执行IP数据流的头部压缩与解压缩，将非接入层送来的PDCP-SDU转发到RLC层，将多个不同的RB复用到同一个RLC实体。Page 335.广播广播/多点传送控制多点传送控制(BMC)BMC用于在无线接口传递广播和组播信息。在3GPP R99中唯一定义的广播服务，就是从GSM继承而来的小区广播短消息。PDCP层主要功能是存储小区广播消息，发送BMC消息到UE，向高层NAS递交小区广播消息等。6.无线资源控制（无线资源控制（RRC）在控制面，L3的最低子层是RRC层，它属于接入层，终止于UTRAN。高层信令层如移动管理（MM）和呼叫控制（CC）属于非接入层。RRC协议用于向非

22、接入层提供服务，例如用于将呼叫控制、会话管理、移动性管理等消息封装之后在控制接口传输RRC还提供对其下各层协议的控制和管理功能。华为机密，未经许可不得扩散34无线接口的物理结构无线接口的物理结构(无线接口协议结构无线接口协议结构)无 线 资 源 控 制(RRC)媒 质 接 入 控 制(M AC)传 输 信 道 物 理 层 控制/测量 层 3 逻 辑 信 道 层 2 层 1 物 理 信 道 Page 35由由无线接口的物理结构图可以看出：1）物理层物理层提供了高层所需的数据传输业务。对这些业务的存取是通过使用经由MAC子层的传输信道来进行的。2）物理层通过传输信道向MAC层提供业务，而传输数据本

23、身的属性决定了什么种类的传输信道和如何传输。3）MAC层通过逻辑信道向RRC层提供业务，MAC层负责根据逻辑信道的瞬间源速率为每个传输信道选择适当的传输格式(TF)。4）在媒体接入控制（MAC）层中，逻辑信道被映射为传输信道，而发送数据本身的属性决定了逻辑信道的种类。Page 36 WCDMA无线接口信道分为物理信道、传输信道和逻辑信道三种。1.逻辑信道 逻辑信道又分为两大类，即控制信道和业务信道 逻辑信道直接承载用户业务 控制信道用于传输控制平面信息，而业务信道用于传输用户平面信息。Page 371.逻辑信道 Page 38（1）控制信道 以下控制信道只用于控制平面信息的传送:广播控制信道(

24、BCCH)：广播系统消息的下行链路信道。寻呼控制信道(PCCH)：传送寻呼消息的下行链路信道。公共控制信道(CCCH)：在网络和UE之间发送控制信息的双向信道，该信道映射到RACH/FACH传输信道。由于该信道中要求长UTRAN UE的标识（U-RNTI，包括SRNC），保证了上行链路消息能够正确传送到正确的SRNC中。专用控制信道(DCCH)：在网络和UE之间发送控制信息的双向信道，该信道在RRC建立的时候由网络分配给UE的点对点专用信道。WCDMA网络下，手机开机搜索PLMN区，小区选择和驻留，RRC Connect Request 建立在CCCH上，RRC建立完成在DCCH上。即先占用C

25、CCH后占用DCCH的逻辑信道。Page 39（2）业务信道 以下业务信道只用于用户平面信息的传送:专用业务信道(DTCH)：是传输用户信息的专用于一个UE的点对点双向信道。公共业务信道(CTCH)：向全部或者一组特定UE传输专用用户信息的点对多点下行链路。Page 402.传输信道 指由物理层提供给高层的服务。传输信道定义了在空中接口上数据传输的方式和特性，是物理层对MAC层提供的服务。传输信道分为专用信道和公共信道两大类。公共信道是由小区内的所有用户或一组用户共同分配使用资源；专用信道资源由特定频率上特定的编码确定，只能是单个用户专用。（1）专用传输信道专用传输信道只有一种，即专用信道(D

26、CH)。专用信道(DCH)是一个上行或下行传输信道，它在整个小区或小区内的某一部分使用波束赋形的天线进行发射。（2）公共传输信道公共传输信道共有六类，Page 412.传输信道（2）公共传输信道，共有六类 分别是：BCH-广播信道：是一个下行传输信道，用于广播系统或小区特定的信息。BCH总是在整个小区内发射，且有一个单独的传输格式。FACH-前向接入信道是一个下行传输信道，在整个小区或小区内某一部分使用波束赋形的天线进行发射，用来传送相对短小的数据包。PCH-寻呼信道：是一个下行传输信道，总是在整个小区内进行发送，用来在下行方向传送寻呼和通知信息。RACH-随机接入信道：是一个上行传输信道，在

27、整个小区内进行接收，用来传输相对短小的数据包，比如初始接入。RACH的特性是带有碰撞冒险，使用开环功率控制。CPCH-公共分组信道：一个上行传输信道，用来传送一些突发的数据包。CPCH与一个下行链路的专用信道相随，该专用信道用于提供上行链路CPCH的功率控制和CPCH控制命令（例：紧急停止）。CPCH的特性是带有初始的碰撞冒险和使用内环功率控制。DSCH-下行共享信道：是一个被一些UEs共享的下行传输信道，用来承载专用控制或用户信息。DSCH与一个或几个下行DCH相随路。DSCH使用波束赋形天线在整个小区内发射，或在一部分小区内发射。Page 42传输信道是为逻辑信道服务的，逻辑信道和传输信道

28、之间的映射关系Page 433.物理信道物理信道的相关概念：1）物理信道：是由一个特定的载频、扰码、信道化码（可选的）、开始、结束的时间段（有一段持续时间）和上行链路中相对的相位（0或/2）定义的。持续时间由开始和结束时刻定义，用chip的整数倍来测量。2）无线帧：无线帧是一个包括15个时隙的处理单元。一个无线帧的长度是38400chips。3）时隙：是由包含一定比特的字段组成的一个单元。时隙的长度是2560chips。Page 443.物理信道物理信道的生成：一个物理信道用一个特定的载频、扰码、信道化码（可选的）、开始和结束时间（有一段持续时间）来定义。在采用扰码与扩频码的信道里，扰码或扩频

29、码任何一种不同，都可以确定为不同的信道。多数信道是由无线帧和时隙组成，每一无线帧包括15个时隙,10ms。物理信道是各种信息在无线接口传输时的最终体现形式。在发射端，来自MAC和高层的数据流在无线接口进行发射，要经过复用和信道编码、传输信道到物理信道的映射以及物理信道的扩频和调制，其中，编码和复用是在传输信道到物理信道的映射过程中实现的，扩频调制则是对物理信道的操作，最后形成无线接口的数据流在无线接口进行传输。在接收端，则是一个逆向过程，如图所示。华为机密，未经许可不得扩散45MAC层（层2）物理信道扩频调制传输信道物理信道的生成华为机密，未经许可不得扩散46下行专用物理信道(downlink

30、 DPCH)下行物理信道下行公共物理信道公共控制物理信道(CCPCH)同步信道(SCH)物理下行共享信道(PDSCH)寻呼指示信道(PICH)捕获指示信道(AICH)公共导频信道(CPICH)下行物理信道下行物理信道华为机密，未经许可不得扩散47上行公共物理信道物理随机接入信道(PRACH)物理共用分组信道(PCPCH)上行专用物理信道上行专用物理数据信道(uplink DPDCH)上行专用物理控制信道(uplink DPCCH)上行物理信道上行物理信道上行物理信道Page 48WCDMA空口主要物理信道 谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH