1、主要内容：1、UMTS 的基本理论。简述无线通信的发展历史以及他们之间的变化。2、UMTS 基本结构的介绍。从逻辑视图介绍 UMTS 的功能结构，GSM 及 GPRS 向 UMTS 过渡的结构变化。3、无线接口。UMTS 作为 UTRAN 网络并且是 FDD 方式下的空中接口特性，包括：a、WCMDA 空中接口的基本原理b、UTRAN 网络的总体介绍，协议模型、物理层、RLC 层、MAC 层的基本功能以及所对应的信道、空中接口的通信过程、调制解调方案及 AMR 等。4、基本通信过程。移动台至核心网之间的通信过程。一、UMTS Introduction目标：1、UMTS 是什么？2、UMTS 的
2、标准由谁制定、这些标准的特点及不同标准的差异。3、UMTS 现状，各国 license 发布情况。1、移动通信的基本发展过程第一代以模拟制式为代表的空中无线接口的应用主要有：NMT（北欧）、TACS（英国）、AMPS（北美）及R2000（铁路应用）等。多种标准的存在使得彼此不兼容，不能互联互通。第二代移动通信引入数字和调频技术，最典型的技术有：GSM（欧洲）、CDMA IS-95（北美）、D-AMPS（北美）、IS-136（北美）等。在整个发展过程中，主要有三个分支，分别是欧洲、北美和日本的移动通信发展历程。日本的分支由于比较独立，一般不在讨论之中。作为欧洲第二代移动通信技术的典型代表是 GS
3、M，GSM 在空中接口的主要特点：多址方式TDMA，采用8 路时分复用的多址方式，每用户的接入是通过占用物理信道的时隙来区分。从网络侧考虑，区分上下行链路的双工方式是 FDD。在每一个频率上使用 8 路时分复用，微观的占用时间片来区分多路用户的个人通信。在通信过程中，每个用户得到的物理资源是时隙，在 GSM 中物理信道的定义为：物理信道（Phy channel）频率（Frequence）+时隙号（TS number）。由于采用电路交换方式，每用户在通信过程中，将一直占用网络分配的物理信道直至通信结束。在空中接口，物理信道的分配是采用固定的分配方式。一个用户对应一个时隙（TS），时隙用于传送话音
4、时，话音的净比特速率（经过原编码后的速率）为 13kbit/s(FR)或 12.2kbit/s(EFR)；传送数据时，单信道最大传输速率为 9.6kbit/s（限值），由于受限于该速率，所以 GSM 的数据业务归为承载业务，主要是通过 GSM 网络承载数据到外部网络。但是，如果在软件上升级，也可以支持到 14.4kbit/s 的数据速率。随着数据业务的发展，为提高空中接口上的数据传送速率，在 GSM 基础上提出了 2.5 代的 GPRS 技术。GPRS 提供的是一种数据服务，它不能独立于 GSM 存在，它的目的只是在 GSM 系统上提供高速有效地传递数据业务的服务。因此，GPRS 的无线部分不
5、会发生变化，仍然沿用 GSM 的无线接口，采用 TDMA 帧结构，但交换方式由电路交换转变为分组交换方式。在 2.5 代系统中，核心网交换域由电路交换域（CS Domain）和分组交换域（PS Domain）构成。从数据速率和业务的角度来说，GPRS 可以提高空中接口中数据业务的速率，而对于话音速率没有任何影响。如何在 GSM 系统数据速率受限的前提下提高空中接口的数据速率？可以有两种方法：第一是改变信道编码方案，提高每用户的单信道数据净比特率。在 GSM 系统中，空中接口上的每用户信息是按 20ms 分块，每信息块包含 456bits，传输速率为 22.8kbit/s。456bits 的信息
6、块内容大体可以分成二部分，即有用消息字段和保护字段。从 22.8kbps 角度来说，要提高传输速率，也就是在 20ms 时间段，增加信息块的有用消息字段的长度，减少保护字段的长度。这种机制即所谓的信道编码（channel coding）。这种方案的实现带来的缺陷就是由于保护字段的减少，数据包在空中接口传递时，它的可靠性会有所下降，数据包对无线接口的敏感性会加重，也就是对载干比（能量之比）的要求将会提高，基本要达到 14dB 以上，才能满足 CS4 的编码方案。对于 CS4 编码，数据速率为 20.4kbps，与 22.8kbps 比较，几乎没有保护。而数据业务比较关键的是块的差错率、块的丢失率
7、，话音业务比较注重的因素是时延。随着单信道数据速率的提高，对无线信道空中接口的载干比要求也会提高，因此通过提高单信道数据传递速率的方法并不是最有效的。作为第二种方案，就是通过多时隙分配来实行数据速率的提高，也就说通过改变无线资源的分配使每用户根据数据量的大小动态分配占用多个时隙来完成分组数据块的传送。这种动态分配从两个角度来考虑，首先是每用户空中接口的最大可占用时隙为 8 个 TS，其次是每时隙可支持的最大用户数为 8 个。二种方案前者是通过提高单信道速率，后者是通过提高资源利用率的角度来实现数据传递速率的提升。理论上，GPRS 网络能够提供的最大数据传递速率是采用 CS4 编码方式，8 时隙
8、共用的前提下得到的值为 160kbps。而实际上，当前的小区规划中定义的分组时隙取决于业务量的大小，以最大 4 个 TS 为例，（13）个 TS 的配置方式是指 1 个时隙是静态分配给分组时隙，3 个时隙作为混合方式的分配，完成分组或话音业务的传送。因此，目前最大的时隙分配是 4 个 TS。从信道编码方式来考虑，目前使用较多的是 CS1 和 CS2 方案，CS1 多用于信令，而 CS2 可以动态选择支持业务和信令。CS2 的速率理论值是 12.2kbps，考虑一定的阻塞（5），实际有效速率是 10kbps，而 CS1 只有 8kbps。因此，从网络侧考虑，最大的数据传递速率只有 40kbps。
9、从移动台来看，对于 GPRS 移动终端来说，移动台有所谓的多时隙能力的指标值。多时隙能力是指移动台在上下行链路上同时能够获得的最大无线资源能力，即能获得的最大时隙数。在规范中移动台按多时隙能力被分成 class1class29 共 29 个级别，而目前网络能支持的只有 class1class13 共 13 个级别。对于一个 31 级别的移动台来说，该移动台在下行方向上最大只能同时获得 3 个时隙，在上行方向上最大只能获得 1 个时隙。目前 MOTO 各式包括测试手机最大的也就是 31 的移动台，通常使用的也就是 21 或其他级别的手机。因此，数据速率还要取决于移动终端的级别，移动台只有在 cl
10、ass29 级别时，才能真正实现 88 的时隙配置。所以，在实际过程中，手机真正能获得的数据传输速率在下行方向上目前也只有 30kbps，这也是目前 GPRS 网络能够提供的有效速率，一般变化范围在 2040kbps 之间。这里所讲的速率是净比特速率，指的是业务数据包经过多重分装后，在进入 RLC 的 MAP 层之前的速率，并不是指经过信道编码之后的速率。所以，在考虑数据速率时，必须清楚所处的阶段，是原编码速率、经过信道编码的速率还是经过调制后的速率。（课间提问：GPRS 系统在通信过程中，手机要不断对系统进行测量，那么又如何能够实现 88 的时隙配置？也就说如果手机工作在 88 模式下，靠什
11、么物理信道来完成测量和信令的交互？）在 GPRS 网络中，空中接口的传递速率，无论是 30kbps 还是 160kbps，都显得太低，这样就存在了由 GSM和 GPRS 网络继续向上过渡的系统要求，被称为 EGSM 和 EGPRS，其中，E 代表的是 EDGE 技术。EDGE技术是采用了空中接口上不同的无线处理方式，主要是调制方案的改变。由于采用不同的调制方案，可以提高空中接口的信息传输速率，在原有基础上提高 3 倍的数据速率的增长。因此，EGSM 的数据速率可以达到 43.2kbps，EGPRS 可以达到 480kbps。EDGE 技术的缺点是由于无线接口调制方案的改变，需要改变所有 BTS
12、 基站的硬件和软件。EDGE 技术早在二年前，欧洲的 GSM 网络就已经投入商用。对于一个大型网络，由于采用 EDGE 技术所需要的追加投资将非常巨大，这也就是我国目前没有引入这一技术的主要原因。作为 GSM 营运商，为提高数据的传递速率，可能会考虑的方案是 GSM/GPRS 网络直接向 UMTS 的演进。UMTS技术作为欧洲 3G 的典型代表，在空中接口上选择了码分多址 CDMA 的方式，在双工方式上，既可以选择 FDD 方式，也可以采用 TDD 方式，取决于空中接口的规范。在 FDD 方式下，UMTS 理论速率为 2Mbps，是每用户所能得到的最大净比特速率，指未经过信道编码之前的速率，而
13、实际上可以达到 2.1Mbps。这个速率是含有数据包头的数据流，如用户的数据是 IP 数据，IP 应用层数据可能是某个 FTP 数据包，数据包在封装时会选择各种合适的底层协议数据，即 IP 数据的包头。第二个移动通信演进的分支，是北美分支。首先作为第一代系统，选择的是 800MHz 的 AMPS 系统。北美与欧洲的发展模式不同，欧洲在模拟系统中由于采用了多种制式，导致它在做 GSM 规范时，力求一体化，所以 GSM 是先有规范后有网络。而这个问题，对北美来说就不是那么重要。由于北美从一开始就选择了统一的 AMPS 制式，所以它首先要考虑的是不断改善网络的性能。作为北美第二代系统的一个重要分支
14、DAMPS 系统，就是在原有的 AMPS 基础上引入了数字化技术。与此同时，欧洲 GSM1900MHz 也被引入了北美，作为第二代系统的补充。北美二代系统的第三个分支，就是高通公司研制并拥有专利的 CDMA 系统。CDMA 在北美的发展大致经历了几个阶段，首先是窄带 CDMA，引入的是 IS95 空中接口的标准，IS41 是核心网标准（对应 GSM 是 MAP 标准）。IS95 标准系列通称为 CDMA One 技术，1993 年 IS95 标准被最终确定，作为第一个被引入的 CDMA 系统，采用的是 IS95A 的标准，标准确定在扩频时使用的带宽为 1.25MHz、速率为 1.2288Mcp
15、s，相对于 WCDMA 中 5MHz 的带宽，1.25MHz 带宽则被称为窄代系统。对于 CDMA 来说，物理信道的定义是指：物理信道（Phy channel）频率（Frequence）+码子（Code）。与 GSM 相对应，CDMA 系统中的每用户是通过分配的码子来得到单业务信道，目前的 IS95A 标准，单信道码子上的最大数据用户速率是 14.4kbps。发展到 IS95B 标准时，通过码子捆绑技术，单用户可占用的码子最大可以分配 8 个码子，所以可以得到的最大数据速率为 14.4x8115.2kbps。与 GPRS 对应，CDMA 的 2.5 代技术被称为 CDMA20001X，所对应的
16、标准仍然是 2.5 代的标准而非 3 代标准。在 CDMA2000 1X 单载波中，带宽仍为 1.25MHz，双工方式为 FDD 方式，提供用户共二类信道，一类称为Fundamental Channel(基本信道)，另一类称为 Supplemental Channel（附加信道）。在通信过程中，用户会固定的得到一个 F 信道，并始终维持不会释放，在基本信道上，传送的是信令（Signaling）和业务（Traffic）信息，速率为 9.6kbps；当用户申请高速率业务时，系统会提供 S 信道，S 信道的获得并非按Qos 由系统自动分配，而是任何用户都可以根据需要向系统申请。在系统中，S 信道的配
17、置数量不多，因为它的实现要用到 Walsh 四阶矩阵中的二个码子，另外 2 个码子要分配给公共信道，所以最多只有 2 个 S信道，每小区只能同时分配 2 个用户使用独立的 S 信道。用户只有申请并获得 S 信道后，才能提供 153kbps 的业务。由于信道数较少，系统就规定了单个用户占用该信道的时长（ms 级的占用周期），因此，信道的占用具有非连续性。用户在 F 信道上通过发送信令消息，向系统申请 S 信道，获得 S 信道后，用户会在 S 信道上传送业务信息，而自动释放在 F 信道上传业务信息；如果在占用周期内没有传完业务信息，用户将再次申请 S 信道，所以，用户的业务速率会有所波动，这也是
18、CDMA2000 1X 的特点和缺陷，目前的码子规划只能做到这一步。与 GPRS 连续占用时隙的工作模式相比，CDMA2000 1X 存在明显的缺陷，即所谓的信道重配置过程，这也体现了欧洲与北美在制定规范体制上的区别。在核心网部分，CDMA2000 1X 同样被分为 CS 和 PS 域，与 GPRS 不同的是，CDMA 在制定标准时，各实体间的接口都是内部的（Internal），这样的结构更适合内部高效的运作。只有在中国的使用过程中，由于营运商的要求，才对 A 接口开放，从而实现多厂家设备的互联。在 CDMA 由 IS95 向 CDMA20001X 过渡过程中，BSC 增加了分组交换的功能，相
19、当于 GPRS 中 SGSN 的功能由 BSC 来实现。这与 GPRS 中 CS 域与 PS 域是独立完成的结构截然不同。所以，由于接口的不开放，使 CDMA20001X 的物理实体较 GPRS 网要少，对应 GGSN 的网关实体称为 PDSN。在 CDMA2000 向三代过渡的过程中，最初有二个分支。一个分支称为 CDMA2000MC 叫多载波 CDMA 技术，这一技术是在空中接口中通过多载波码分多址实现宽带业务的提供，目前，该技术已被搁置。另一分支是CDMA20001XEV（增强型），已作为主流技术被发展。其中 CDMA20001XEVDO（data only）已被韩国商用，CDMA200
20、01XEVDV（data部分接口不标准提供基于 Qos 的服务；提供更加灵活的业务和开放的标准接口2、UMTS 网络结构UMTS 结构中接入网络无非只是提供空中接口的接入手段，网络可以根据不同需求选择不同类型的接入网络。如典型的 UTRAN陆地无线接入网络就是接入网络类型之一，它可以提供宏蜂窝、微蜂窝、微微蜂窝等陆地资源上的覆盖。除此之外，还可以提供由卫星接入，通过卫星通道提供全球的覆盖；将来可能会通过 WLAN 接入等等宽带无线接入网络，或者其他无线接入技术如无绳电话的应用，都可以作为不同类型的接入网络，适用于不同类型的终端。因此，UMTS 网络对接入网络的定义可以是多种类型的。UTRAN
21、作为陆地无线接入网络，它的结构分二部分，即接入网部分和核心网部分。在接入网部分有二个主要功能节点，Node B 和 RNC。Node B 主要提供空中接口与移动台间对话以及与 RNC 间（Iub）的对话；RNC 称为无线网络控制器，完成空中接口无线资源的管理和分配以及陆地资源的管理和分配（完成Iu、Iub、Iur 的管理和分配）。从功能结构上来说，UTRAN 接入网部分只有二个功能节点，相当于二代中的基站和 BSC，但功能上与二代是有区别的。（UM10 3-13）Node B 的主要功能包括：A、呼叫处理（Call Processing）：基站完成基带信号的处理，不管是话音呼叫还是数据呼叫，对
22、 UMTS基站来说所完成的都是基带信号处理过程。简单说，从协议层角度，Node B 只涉及物理层的功能，包括物理层的传输子层和物理子层功能，不涉及高层功能。所以 UMTS 基站功能相对较简单。B、无线接入（Radio Access）：指的是移动台在空中接口公共信道上的无线接入的监测，以实现开环功率控制的功能随机接入过程的开环功控。移动台发出 preamble 前导部分来试探功率，基站对 preamble作出应答，只是给出指示，属于物理层的功能。C、性能监测（Performance Monitoring）：在二代系统中，基站涉及到 RR 层的部分功能，要完成对空中接口测量报告的预处理，以及由基站
23、完成相邻小区的筛选和判决，并将结果上报给 BSC。在三代系统，Node B 将不再完成上述这些功能，所谓性能监测指的是，基站完成对上行链路空中接口上 Ec/Io 的测量，同时将测量结果上报给 RNC。由 RNC 根据测量结果，来设置功率控制的目标值，由基站执行物理层的功率控制。所以无论是功率控制还是切换的决定，控制端都放在了 RNC，基站只是执行端。对 Node B 来说执行的是闭环功率控制的内环功控，外环功控则由 RNC 来完成。D、网络接口（Network Interface）：Node B 提供面向移动台的空中接口Uu 接口和面向 RNC 的 Iub 接口。当 Node B 和 RNC
24、之间对话时，要有上层协议的支持，在 Iub 上的上层信令协议是 NBAP 协议，这个协议仅指 Node B 和 RNC 之间的协议，不是移动台和 RNC 间的协议。Node B 为将空中接口上收到的信令和业务信息发送至 RNC，需要在 Iub 接口上支持作为 UMTS 来说所必须的一种特殊的协议FP（帧协议）。在 Iub 这个在 ATM 承载之上的异步接口上，Node B 和 RNC 之间对话，所有的信息都将转换成 FP 协议发送至 RNC，所以在 Node B 和 RNC 之间需要同步。E、随机接入监测（Random Access detection）：与无线接入的概念一样。Node B 对
25、随机接入的过程进行应答，实现开环功率控制。从协议层来角度来讲，物理层的协议是终结于 Node B 的，也就是说空中接口上只有物理层协议，而上层的 RLC、MAC、RRC 等都是移动台与 RNC 之间的对话，Node B 只是执行，所以在后续的协议封装过程会有所不同。这也是三代基站与二代基站在功能上的差别，所以在产品设计上，基站侧相对来说比较简单，主要由数字化模块和射频模块二部分组成。射频模块提供功放和射频端口，数字化模块完成基带信号的处理过程，包括 Rake 接受机过程、基带信号的正处理和逆处理过程等。（UM10 3-14）RNC 的主要功能包括：A、无线资源管理（Radio Resource
26、 Management）：由 RNC 来完成空中接口的码字资源的分配和管理，RNC 将根据不同服务的请求，来执行 Qos 的功能，即根据不同的业务服务质量，分配合适的空中接口的信道，包括码字（物理信道）、传输信道等的分配。为不同的业务选择不同的基带信号处理方式，如话音和数据在空中接口上对块差错率的要求是不一样的，话音在选择传输信道时采用 1/2 卷积编码，而数据业务选择 Turbe 码 1/3 的效率。所以在 UMTS 中正是选择了不同的传输信道来实现空中接口的 Qos。信道的复杂化就是指无论是从逻辑信道、传输信道还是物理信道上，都有了详细定义和区分。不像 GSM 中没有传输信道概念，因为所有
27、业务信息的基带处理方式都是一样的，没有 Qos。RNC 承担 Qos 的功能，又称为 RB（无线承载）的分配，RB 分配取决于服务类型，而服务由 CN（Core Network）提供。所以说 RNC 在承担无线资源管理时，关于无线承载的匹配是来源于核心网的请求，即 RAB（无线访问承载）的分配请求消息。RB或 RAB 都是逻辑概念，对应的都是 Qos。当用户发出呼叫提出业务请求，由核心网在 HLR 上查询用户的 profile，查看该用户请求的级别、标准，由 CN 向 RNC 提出 RAB 的分配请求，由 RNC 完成空中接口的映射。B、用户移动性管理（User Mobility Handli
28、ng）：由 RNC 负责的移动性管理所涉及的内容比较有限，主要包含二个功能，即软切换功能和宏分集功能。软切换的判决、邻小区的筛选都由 RNC 来决定（在 GSM 中是由 BTS 来决定）。除此之外，在空中接口上软切换要求移动台要同时维持多条无线接口链路，导致 RNC必须完成来自多条无线链路上的用户信息的合成过程，再送往核心网，即所谓的宏分集功能。宏分集只与软切换相关，在后续中提到的更软切换将不会涉及到宏分集的概念。C、RNS 监视（RNS supervision）：RNS（无线网络子系统）包括 Node B 和 RNC 二部分，所谓 RNS 监视，也就是负责完成 RNS 重定位过程的决定。所谓
29、重定位就是完成服务的 RNC（Serving RNC）面向核心网的 Iu 接口的切换的监视。简言之，空中接口的软切换完成之后，移动台将会选择到新的目标 RNC（Drift RNC），该目标 RNC 在决定成为移动台的服务 RNC 时，必须建立目标 RNC 到核心网的 Iu 端口。新旧 Iu 端口的倒换过程，即为重定位过程。也就是目标 RNC 将要完成整个监视和重定位过程。D、接口管理（Interfaces）：RNC 将负责管理面向 Node B 的 Iub 接口、面向核心网的 Iu 接口以及面向其他 RNC 的新的 Iur 接口。E、安全性功能（Security）：主要体现在加密上，在 GSM
30、 中，由 MSC 激活加密功能，设置加密模式，向BSC 发送设置加密模式的信令消息，在空中接口上完成对业务信息的加密，上行链路是移动台完成加密，基站侧解密，下行是基站加密，移动台解密。加密参数由鉴权中心产生并送给基站和移动台，所以加密过程是对空中接口的数据加密。在 GPRS 中，由 SGSN 激活对数据业务的加密功能，在 SGSN 侧完成加密过程，被加密的数据包一定是 LLC 层的数据包，该数据包是移动台和 SGSN 间的直接对话，换言之，数据将通过空中接口、基站、BSC、PCU 至 SGSN 后才被解密。在 UMTS 中，加密功能仍然是由核心网激活，由鉴权中心产生的加密参数将被送往 RNC，
31、完成移动台与 RNC 之间的加密过程，是对 RLC 层或 MAC 层的加密，取决于业务类型和传输信道的定义。被加密的信息可以分成二个过程，第一个过程是针对信令部分，称为信令加密（信令消息的完整性测试），是移动台和 RNC 之间信令的完整性测试，完成信令信息的正确性和完整性的测试。移动台发送的信令消息送至 RNC，如非法则 RNC 将不做应答。第二个过程是对业务消息的加密，对 RLC 和 MAC 层的保护。因此在鉴权中心将会增加对信令部分的鉴权参数，又称为完整性测试钥匙。由上可知，RNC 完成的功能不再像二代中 BSC 只是对无线资源和陆地资源的管理，它同时要涉及参与与 Qos 相关的高速网络呼叫允许控制算法；与用户和核心网之间网络资源的协商；完成 Iu 接口的切换的监控
