7.详解第三代移动通信系统——WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000

第三代移动通信系统旨在提供包括卫星在内的全球覆盖并实现有线和无线以及不同无线网络之间业务的无缝连接，同时针对不同的业务应用，提供从9.6kbit/s～2Mbit/s的接入速率，满足多媒体业务的要求。国际电联（ITU）把第三代移动通信系统称为IMT-2000。第三代移动通信系统主流的技术标准有 WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000。

WCDMA

主要技术指标和特点

WCDMA 核心网络基于 GSM/GPRS 网络的演进，保持与 GSM/GPRS 网络的兼容性；核心网络可以基于 TDM、ATM和IP 技术，并向全 IP 的网络结构演进；核心网络逻辑上分为电路域和分组域两部分，分别完成电路型业务和分组型业务；MAP 技术和GPRS 隧道技术是WCDMA体制移动性管理机制的核心。WCDMA的主要技术指标和特点如下：

• 基站同步方式：支持同步和异步
• 调制方式：上行BPSK、下行QPSK
• 解调方式：导频辅助的相干解调
• 多址接入方式：CDMA-DS方式
• 3种编码方式：卷积码、R-S编码和Turbo编码
• 适应多种速率的传输，可灵活提供多种业务，分配不同资源
• 采用功率控制方式：开环，闭环——内环和外环
• 核心网络基于GSM/GPRS演进
• 异步的PN码，无需基站间同步
• 切换：更软切换，软切换，硬切换
• 先进技术的采用：智能天线、多用户检测、分集接收、分层小区结构。

空中接口协议结构

在 Uu 接口上，协议栈按其功能和任务，被分为物理层（Layer 1，L1）、数据连路层（Layer2，L2）和网络层（Layer 3，L3）3层。其中L2又分为媒体接入控制（Media AccessControl，MAC）、无线链路控制（Radio Link Control，RLC）、分组数据会聚协议（PacketData Convergence Protocol，PDCP）和广播/多播控制（Broadcast/Multicast Control，BMC）4个子层。L3和RLC 按其功能又被分为控制平面（C-平面）和用户平面（U-平面），L2的PDCP和BMC只存在于U-平面中。在C-平面上，L3又分为无线资源控制（Radio ResourceControl， RRC）、移动性管理（Mobility Management，MM）和连接管理（ConnectionManagement， CM）等3个子层，其中 CM层还可按其任务进一步进行划分（如呼叫控制、补充业务、短消息等功能模块）。按其信令及过程是否和接入有关，Uu 接口协议也被分作接入层（包括L1、L2和L3的RRC子层）和非接入层（MM、CM等），其中，非接入层信令属于核心网功能。在图3-15中，用圆圈来标注的是层（或子层）之间的业务接入点（Service AccessPoints，SAP）。在物理层和MAC 子层之间的SAP提供传输信道，在RLC子层和MAC子层之间的SAP 提供逻辑信道，RLC子层提供3类SAP，对应于RLC的3种操作模式：非确认模式（Unacknowledge Mode，UM）、确认模式（Acknowledge Mode，AM）和透明模式（Transparent Mode，TM）。在C-平面中，接入层和非接入层之间的SAP定义了通用控制（General Control，GC）、通知（Notification，Nt）和专用控制（Dedicated Control，DC）3类业务接入点。

 物理层通过传输信道为MAC层提供相应的服务；MAC层通过逻辑信道承载RLC的业务；RLC通过业务接入点为上层提供业务。PDCP 只存在于分组域，主要是对分组数据进行头压缩，以提高空中接口的传输效率，以及对诸如IPv6等其他网络协议，使其能够通过UMTS网络进行传输而毫不影响UMTS网络协议本身。BMC用于在空中接口上传递由小区广播中心产生的消息，主要是原GSM系统的短消息小区广播业务。在UE侧，高层NAS通过接入点和RRC交互消息；在UTRAN侧，Iu RANAP通过业务接入点和核心网进行交互。

小区搜索

在小区搜索过程中，UE 将搜索小区并确定该小区的下行链路扰码和该小区的帧同步，小区搜索一般分为3步：时隙同步、帧同步和码组识别、扰码识别。

TD-SCDMA

作为我国具有自主知识产权的3G技术标准，TD-SCDMA 因其特色得到很大的支持与发展。

TD-SCDMA是世界上第一个采用时分双工（TDD）方式和智能天线技术的公众陆地移动通信系统，也是唯一采用同步 CDMA（SCDMA）技术和低码片速率（LCR）的第三代移动通信系统，同时采用了多用户检测、软件无线电、接力切换等一系列高新技术。TD-SCDMA标准被3GPP接纳，包含在R4版本中。TD-SCDMA 又可以分为两个发展阶段：TSM（TD-SCDMA Over GSM）阶段，TD-SCDMA基于GSM核心网；LCR（Low Chip Rate）阶段，TD-SCDMA基于WCDMA核心网。

基本参数

TD-SCDMA基本参数如下图所示：

主要特点

TDD模式：上下行无需成对的频段，可用于不成对的零碎频段；可变切换点技术提供业务和无线资源的最佳适配，频谱效率得到了提高；上下行使用相同的载频，无线传播是对称的，最适合于智能天线技术的实现。

低码片速率：TD-SCDMA 系统的码片速率为 1.28Mchip/s，仅为高码片速率 3.84Mchip/s 的 1/3，接收机接收信号采样后的数字信号处理量大大降低，从而降低系统设备成本，适合采用软件无线电技术，还可以在目前 DSP 的处理能力允许和成本可接受的条件下使用智能天线、多用户检测、MIMO 等新技术来降低干扰、提高容量。另外，低码片速率也提高了频谱利用率、使频率使用灵活。

采用了智能天线、上行同步、联合检测等新技术：因为 TD-SCDMA 系统的 TDD 模式可以利用上下行信道的互易（或互惠）性，即基站对上行信道估计的信道参数可以用于智能天线的下行波束成型，这样相对于 FDD 模式的系统，智能天线技术比较容易实现。

适合软件无线电的应用：由于TD-SCDMA系统的TDD模式和低码片速率的特点，使得数字信号处理量大大降低，适合采用软件无线电技术。所谓软件无线电技术就是在通用芯片上用软件实现专用芯片的功能。软件无线电的优势主要有：可克服微电子技术的不足，通过软件方式灵活完成硬件/专用ASIC的功能，在同一硬件平台上利用软件处理基带信号，通过加载不同的软件，可实现不同的业务性能；系统增加功能可通过软件升级来实现，具有良好的灵活性及可编程性，对环境的适应性好，不会老化；可代替昂贵的硬件电路，实现复杂的功能，减少用户设备费用支出。

空中接口

在 TD-SCDMA 系统中，Uu接口的第2和第3层是3GPP和CWTS融合后的标准，它既支持3GPP的FDD和TDD系统，也能支持TD-SCDMA系统。

Uu 空中接口包括：L1（物理层）、L2（链路层）和L3（网络层）：

 小区搜索

小区搜索利用DwPTS和BCH进行。在初始小区搜索中，UE搜索到一个小区，建立DwPTS同步，获得扰码和基本midamble码，控制复帧同步，然后读取BCH信息。

随机接入 

随机接入准备：当 UE 处于空闲模式下，它将维持下行同步并读取小区广播信息。从该小区所用到的DwPTS，UE可以得到为随机接入而分配给UpPTS物理信道的8个SYNC-UL码（特征信号）的码集，一共有256个不同的SYNC-UL码序列，其序号除以8就是DwPTS中的SYNC-DL的序号。从小区广播信息中 UE 可以知道码集中的哪个SYNC-UL 将被使用，并且还可以知道P-RACH信道的详细情况（采用的码、扩频因子、midamble码和时隙）、F-PACH信道的详细信息（采用的码、扩频因子、midamble码和时隙）和其他与随机接入有关的信息。在BCH所发送的信息中，还包括了SYNC-UL与F-PACH资源、F-PACH 与P-RACH资源、P-RACH资源与（P/S）-CCPCH（承载FACH逻辑信道）资源的相互关系。因此，当UE发送SYNC-UL 序列时，它就知道了接入时所使用的 F-PACH 资源，P-RACH 资源和CCPCH资源。

随机接入过程：在UpPTS中紧随保护时隙之后的SYNC-UL序列仅用于上行同步，UE从它要接入的小区所采用的8个可能的 SYNC-UL码中随机选择一个，并在 UpPTS 物理信道上将它发送到基站。然后 UE 确定 UpPTS 的发射时间和功率（开环过程），以便在 UpPTS 物理信道上发射选定的特征码。一旦Node B检测到来自UE的UpPTS信息，那么它到达的时间和接收功率也就知道了。Node B确定发射功率更新和定时调整指令，并在以后的4个子帧内通过F-PACH（在一个突发/子帧消息）将它发送给 UE。注意，F-PACH 中也包含用于 UE 进行交叉检测的特征码信息和相对帧号（接收到被确认的特征码之后的帧号）。一旦当UE从选定的F-PACH（与所选特征码对应的F-PACH）中收到上述控制信息时，表明Node B已经收到了UpPTS序列。然后，UE将调整发射时间和功率，并确保在接下来的两帧后，在对应于F-PACH的P-RACH信道上发送RACH。这一步，UE发送到Node B的RACH将具有较高的同步精度。之后，UE 将会在对应于 P-RACH 的 CCPCH 的信道上接收到来自网络的响应，指示UE 发出的随机接入是否被接受，如果被接受，将在网络分配的 UL 及 DL 专用信道上通过FACH建立起上下行链路。在利用分配的资源发送信息之前，UE可以发送第2个UpPTS并等待来自F-PACH的响应，从而可得到下一步的发射功率和SS更新指令。

随机接入（冲突）处理：在有可能发生碰撞的情况下，或在较差的传播环境中，Node B 不发射 F-PACH，也不能接收SYNC-UL，也就是说，在这种情况下，UE 就得不到 Node B 的任何响应。因此， UE 必须通过新的测量，来调整发射时间和发射功率，并在经过一个随机延时后重新发射SYNC-UL。注意，每次（重）发射，UE 都将重新随机地选择 SYNC-UL 突发，这种两步方案使得碰撞最可能在UpPTS上发生，即RACH资源单元几乎不会发生碰撞，这也保证了在同一个UL时隙中可同时对RACH和常规业务进行处理。

接力切换

接力切换的前提是：网络知道 UE 的准确位置信息。由于 TD-SCDMA 系统采用智能天线，可以定位用户的方位和距离，所以系统可采用接力切换方式。接力切换是TD-SCDMA移动通信系统的核心技术之一。其设计思想是利用智能天线和上行同步等技术，在对UE的距离和方位进行定位的基础上，根据UE方位和距离信息作为辅助信息来判断目前UE是否移动到了可进行切换的相邻基站的临近区域。如果UE进入切换区，则RNC通知该基站做好切换的准备，从而达到快速、可靠和高效切换的目的。这个过程就像是田径比赛中的接力赛一样，因而形象地称为“接力切换”。

两个小区的基站将接收来自同一手机的信号，两个小区都将对此手机定位，并在可能切换区域时，将此定位结果向基站控制器报告，基站控制器根据用户的方位和距离信息，判断手机用户现在是否移动到应该切换到另一基站的临近区域，并告知手机其周围同频基站信息，如果进入切换区，便由基站控制器通知另一基站做好切换准备，通过一个信令交换过程，手机就由一个小区像交接力棒一样切换到另一个小区。

CDMA2000

第三代移动通信系统主要追求目标是更高的比特率和更好的频谱效率。CDMA2000 是IMT-2000的三大主流技术之一。它采用CDMA的宽带扩频接口，其网络系统在室内环境、室内/外步行环境、车载环境中，均可达到或超过相应指标，室内最高数据速率达 2Mbit/s，步行环境最高数据速率达384kbit/s，车载环境最高速率达144kbit/s；同时支持从2G网络向3G网络的演进。

技术指标

CDMA2000系列的主要技术特点如下图所示：

网络结构

CDMA2000系统网络部分结构如下图所示：

无线接口

无线接入网由BSC、BTS和PCF组成，其中BSC和BTS合称为BSS。CDMA2000接口如下：

AT为接入终端，与IS-2000系统中的MS是同一个概念；AN为接入网络，包含BSC和BTS；AN-AAA 为接入网络侧的AAA服务器。主要接口参考点分为4类：A、Ater、Aquinter和Aquater。接口参考点的分类和功能具体如下：

 分组域网络

为支持最新引入的高速分组数据业务，3GPP2为无线网络的分组域技术设定了如下的设计目标：

• 支持动态和静态归属地址配置，同一时刻支持多个IP地址。
• 提供无缝漫游服务。
• 提供可靠的认证与授权服务。
• 提供QoS服务，以支持不同等级的业务。
• 提供计费服务，支持根据QoS信息计费，支持对漫游用户的计费等。

3GPP2无线网络的分组域功能模型中各个实体的功能如下：

归属代理（HA）：对移动台发出的移动IP注册请求进行认证；从AAA服务器获得用户业务信息；把由网络侧来的数据包正确传输至当前为移动台服务的外地代理（FA）；为移动用户动态指定归属地址。

分组数据服务节点（PDSN）：建立、维护与终止与移动台的PPP连接；为简单IP用户指定IP地址；为移动IP业务提供FA的功能；与AAA服务器通信，为移动用户提供不同等级的服务，并将服务信息通知AAA；与PCF共同建立、维护及终止第二层的连接。

分组控制功能（PCF）：建立、维护与终止和PDSN的第二层链路连接；与PDSN交互以便支持休眠切换；与 RRC 联系请求与管理无线资源，并记录无线资源的状态；在移动用户不能获得无线资源时，提供数据分组的缓存功能；收集与无线链路有关的计费信息，并通知PDSN。

无线资源控制（RRC）：建立、维护与终止为分组用户提供的无线资源；管理无线资源，记录无线资源状态。

鉴权、授权和计费（AAA）：业务提供网络的AAA负责在PDSN和归属网络之间传递认证和计费信息；归属网络的 AAA 对移动用户进行鉴权（Authentication）、授权（Authorization）与计费（Accounting）；中介网络的AAA在归属网络与业务提供网络之间进行消息的传递与转发。

移动台（MS）：建立、维护与终止和PDSN的数据链路协议；请求无线资源，并记录无线资源的状态；在不能获得无线资源时，提供数据分组的缓存功能；初始休眠切换。