WCDMA的无线接入技术[转帖]

stalamo

WCDMA无线接口是指用户设备（UE）和UMTS地面无线接入网（UTRAN）之间的接口，通常也被称为空中接口，简称Uu（UE-UTRAN）接口。用户设备就是通过无线接口接入到系统固定网络部分的。

　　WCDMA的无线接口是UMTS最重要的开放接口，也是WCDMA技术的关键所在，其中涉及很多关键技术。所谓接口是开放的，意思是接口的定义允许接口的终端设备可以是不同的厂家生产的。也就是说，只要遵从接口的规范不同制造商生产的终端设备能够相互通信。一般来说，用户终端设备制造商要比网络制造商多得多。因此制定一个开放的无线接口有利于不同制造商产品之间的兼容。当然，对使用不同无线传输技术的产品而言，是无法作到相互兼容的。

　　WCDMA FDD和WCDMA TDD的无线接口有些区别，在这里我们主要介绍WCDMA FDD的无线接口。根据3GPP的协议规范，WCDMA的无线接口协议层分为三层。最底层是物理层，位于物理层（L1）之上的协议层称为数据链路层（L2）和网络层（L3）。在UTRA FDD无线接口中，数据链路层被划分为几个子层。在控制平面上，数据链路层（L2）包含两个子层——媒体接入控制（MAC）协议和无线链路控制（RLC）协议；在用户平面上，除了MAC和RLC外，还存在两个与特定业务有关的协议：分组数据会聚协议（PDCP）和广播/组播控制协议（BMC）。

　　以下主要介绍WCDMA的无线接口（Uu接口）的技术和协议规范。首先将介绍无线接口协议的结构，然后详细介绍物理层的技术，再后是高层协议。

　　在层间界面上，圆圈表示端到端的通信业务接入点（SAP）。MAC和物理层（PHY）之间的SAP提供传输信道。RLC和MAC之间的SAP提供逻辑信道。接入层向上提供通用控制（GC）、通告（Nt）和专用控制（DC）业务接入点。

　　物理层通过传输信道向MAC层提供业务。传输信道以数据的传输方式为特征，它指示数据是以何种方式以及何种特征进行传输的。

MAC层通过逻辑信道向RLC层提供业务。逻辑信道以发送数据的类型为特征，它指示传输的数据是何种类型的。

　　RLC层通过业务接入点向上层提供业务。业务接入点指示了RLC层处理数据的方式，如是否使用自动重复请求（ARQ）功能。在控制平面，RRC层使用RLC层的业务来传输信令；在用户平面，与业务相关的协议层PDCP或BMC或其他高层用户平面功能（如语音编码）使用RLC层提供的业务。在控制平面，RLC业务称为信令无线承载；在用户平面，RLC业务称为无线承载，但不用在PDCP和BMC协议层上。RLC协议以三种模式——透明模式、非确认模式和确认模式进行操作。

　　分组数据会聚协议（PDCP）仅对PS域业务存在。它的主要功能是报头压缩。PDCP提供的业务称为无线承载。

　　广播/组播控制协议（BMC）用于在无线接口上传递由小区广播中心产生的消息。BMC提供的业务称为无线承载。

　　RRC层通过业务接入点向上层提供业务。在UE侧，高层协议使用RRC提供的业务；在UTRAN侧，Iu RANAP协议使用该业务。所有高层信令（移动性管理、呼叫控制、会话管理等等）都封装在RRC消息中在无线接口上传输。

　　RRC和所有低层协议之间都存在着控制接口。RRC层使用这些控制接口对低层协议实体的参数进行配置，其中包括物理信道、传输信道和逻辑信道的参数。RRC层也能使用这些控制接口命令低层执行测量；同时，低层通过控制接口向RRC报告测量结果和错误信息。

物理层技术

　　在对不同的无线蜂窝系统进行比较时，焦点话题往往是物理层。物理层的结构直接影响无线链路的性能，同时也直接决定了用户终端与交换设备的复杂度。WCDMA系统虽然提高了系统性能，但采用了多种先进技术，如软切换、分集技术等，这无疑是向它的实现者提出了挑战。从业务的角度看，WCDMA系统是宽带的，因此不能固定于一种传统的话音业务，它能够提供更灵活、更多样的业务。3G的三种主流标准WCDMA、cdma2000和TD-SCDMA的主要区别在于物理层的技术和参数方面。所以，在介绍WCDMA的无线接入技术时，我们附带的也对比的介绍cdma2000和TD-SCDMA的无线接入技术和参数。

　　媒体接入控制协议

　　媒体接入控制（MAC）层位于物理层之上。它使用物理层提供的传输信道并向无线链路层提供逻辑信道。因此，在MAC层中执行逻辑信道与传输信道之间的映射。MAC层也能根据逻辑信道的资源速率为每个传输信道选择合适的传输格式（TF）。传输格式的选择要根据连接时接入控制定义的传输格式组合集（TFCS）进行。

　　MAC层由三个逻辑实体——MAC- b、MAC-c/sh、MAC-d组成。

　　MAC- b处理广播信道（BCH），其主要完成逻辑信道BCCH和传输信道BCH之间的映射。

　　MAC-c/sh处理公共信道和共享信道——寻呼信道（PCH）、前向接入信道（FACH）、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）。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之间的映射。

　　MAC-d处理分配给一个处于连接模式的UE的专用信道（DCH）。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。

　　MAC层传输数据但不保证正确传递到对等端实体。对一些重要的数据流可以由上层功能来保证其正确传输。这将在RLC层进行介绍，MAC层没有该功能。同时，MAC层也不对数据进行分段处理。分段/重组功能也是由上层，即RLC层完成的。在MAC层按照配置的参数接收RLC层传递的大小一定的数据块。在RRC的请求下，MAC层能执行无线资源的重分配和MAC参数的改变。例如重新配置MAC实体，改变UE标识、改变传输格式（组合）集、改变传输信道类型等等。同时，MAC在RRC的控制下向RRC汇报局部的业务量和质量，以便RRC根据当前业务流量和业务质量对资源进行控制。

　　MAC层在逻辑信道上提供数据传输业务。逻辑信道类型集合对应MAC提供的不同类型的数据传输业务。每种逻辑信道类型根据其传输信息的类型定义。逻辑信道可分为两大类：用于传输控制平面信息的控制信道和用于传输用户平面信息的业务信道。 　　

无线链路控制协议

　　RLC层为用户和控制数据提供分段和重传业务。每个RLC实体由RRC配置并以三种模式进行操作：透明模式（TM）、非确认模式（UM）和确认模式（AM）。在控制平面，RLC层向上层提供的业务为信令无线承载（SRB）；在用户平面，RLC向上层提供的业务为无线承载（RB）。

　　透明模式业务和非确认模式业务有一个发送和一个接收实体，确认模式业务只有一个发送和接收结合的实体。AM实体之间的虚线表示RLC PDU的发送可能在独立的逻辑信道上，如控制PDU在一个逻辑信道上发送而数据PDU在另一个逻辑信道上发送。

　　对所有的RLC模式，CRC错误检测在物理层上执行，CRC检测结果连同数据一起传递给RLC。

　　RLC层向高层主要提供三种模式的数据传输：透明数据传输、非确认模式数据传输、确认模式数据传输。

　　透明数据传输业务传输高层PDU而不增加任何协议信息，也就是说，使用透明传输时，RLC层对高层的数据流不加任何处理，但可能包含分组/重组功能。

　　非确认模式数据传输。该业务传输高层PDU但不保证传递到对等实体。非确认数据传输模式有以下几个特征：

●检测出错数据：RLC子层通过使用序列号检查功能将没有传输错误的SDU传递给接收端高层。

●唯一传递：RLC子层通过使用复制检查功能将每个SDU只传递给高层一次。

●立即传递：接收端RLC子层实体一旦接收到SDU应立即发送给高层。

　　确认模式数据传输。该业务传输高层PDU并保证传递到对等实体中。当RLC不能正确传递数据时，RLC在发送端的用户将收到通知。对该业务来说，支持顺序和无序传递。在很多情况下高层协议能重组PDU的顺序。只要知道并可控低层的无序特性（如高层协议并不立即要求重发一个丢失的PDU），允许使用无序传递能节省接收端RLC的存贮空间。确认数据传输模式有以下特征：

●无错传递：无错传递通过重发机制来保证。接收端RLC实体仅向高层发送正确的SDU。

●唯一传递：RLC子层应使用复制检测功能，对每个SDU只向接收端高层传送一次。

●顺序传递：RLC子层应提供支持顺序传递SDU，如RLC子层向接收端高层实体传递SDU的顺序与发送端高层实体传递给RLC实体的顺序相同。

●无序传递：RLC子层向接收端高层实体传递SDU的顺序与发送端高层实体传递给RLC实体的顺序不同。

　　此外，RLC层还执行RLC连接的建立/释放功能。当发生正常过程无法解决的错误时，RLC还负责通知高层。

分组数据会聚协议
　　WCDMA支持多种网络层协议。对用户业务而言，这些协议都是透明的。也就是说，新的网络层协议应能在UTRAN中传输而无须改变UTRAN协议。因此，UTRAN实体应透明传输高层的分组。分组数据会聚协议（PDCP）正是执行该功能的实体。PDCP只存在于用户平面，处理PS域业务。PDCP采用头压缩算法能提高信道的利用率。每个PDCP实体使用一个或多个头压缩算法，也可以不使用头压缩算法。几个PDCP实体可能使用同一头压缩算法。算法的类型和参数由RRC协商并通过PDCP控制业务接入点（PDCP-SAP）指示PDCP。

广播/组播控制协议

　　L2的另一个与业务相关的协议——广播/组播控制协议是为处理广播域产生的广播和组播业务而设计的。广播/组播控制（BMC）是仅在用户平面存在的数据链路层的子层。它在RLC之上。L2/BMC子层除了对BMC之外，对所有其他的服务都是透明的。BMC在无线接口用户平面提供广播/组播发送业务，它以非确认模式发送公共用户数据。

无线资源控制协议

　　RRC层对无线资源的分配进行控制并发送有关信令。UE与UTRAN之间的大多数控制信令是无线资源控制（RRC）消息。RRC消息包含建立、修改和释放L2和L1协议实体所需的全部参数。RRC允许MAC层在无线资源分配中对用户和无线负载之间进行仲裁。UTRAN RRC使用下层和UE RRC汇报的测量信息决定可用的无线资源。然后将决定的无线资源通过控制信令告知下层和UE RRC，再由UE RRC告知UE的下层。本地控制与测量将通过RRC与低层的控制接入点处理。

　　RRC层的功能实体有：路由功能实体(RFE)、 广播控制功能实体(BCFE)、 寻呼及通告功能实体(PNFE)、 专用控制功能实体(DCFE)、 共享控制功能实体(SCFE)和传输模式实体(TME)。

　　路由功能实体(RFE)处理高层信息到不同的移动管理/连接管理实体（UE侧）或不同的核心网络控制域（UTRAN侧）的路由选择。

　　广播控制功能实体(BCFE)处理广播功能。该实体用于发送一般控制接入点（GC-SAP）所需要的RRC业务。BCFE能使用低层透明模式接入点（Tr-SAP）和非确认模式接入点（UM-SAP）提供的服务。

　　寻呼及通告功能实体(PNFE)控制寻呼空闲模式的UE。该实体用于发送通告接入点（Nt-SAP）所需要的RRC业务。能使用低层Tr-SAP和UM-SAP提供的服务。

　　专用控制功能实体(DCFE)处理特定的一个UE的所有功能。该实体用于发送专用控制（DC-SAP）所需要的RRC业务。根据发送的消息和当前UE业务状态，DCFE可使用低层Tr-SAP和UM/AM-SAP提供的服务。

　　共享控制功能实体(SCFE)控制PDSCH 和PUSCH的分配。该实体使用低层Tr-SAP和UM-SAP提供的服务。SCFE用于TDD模式下，协助专用控制功能实体。

　　传输模式实体(TME)处理RRC层内不同实体和RLC提供的接入点之间的映射。

RRC层有以下功能：

●广播由非接入层（核心网）提供的信息：RRC执行从网络到所有UE的系统消息的广播。系统消息通常进行有规律的重复。RRC层执行调度、分段和重复。该功能支持高层（RRC以上）信息的广播。该信息可能是针对某一特定小区也可能不是。

●广播与接入层相关的信息：RRC层执行从网络到所有UE的系统消息的广播。系统消息通常进行有规律的重复。RRC层执行调度、分段和重复。该功能一般支持对特定某一小区消息的广播。

●广播ODMA中继邻近节点信息：RRC层执行探测收集允许ODMA路由信息的广播。

●建立、维持和释放UE与UTRAN之间的RRC连接：RRC连接的建立由UE端高层请求启动，为UE建立最初的信令连接。RRC连接的建立包括一个可选的小区重选、接入控制和L2信令连接的建立。RRC连接的释放由高层请求启动，为UE释放最后的信令连接或当RRC连接失败时由RRC层启动。当失去连接时，UE要求进行RRC连接重建立。当RRC连接失败时，RRC释放有关该RRC连接的所有资源。

●校对ODMA中继临近节点列表及梯度信息：ODMA中继临近节点列表及它们各自的梯度信息由RRC来维护。

●维持ODMA中继临近节点数目：RRC将调整用于探测维护要求的邻居数目消息的广播功率。

●建立、维持和释放ODMA中继节点之间的路由：ODMA路由和RRC连接的建立基于路由算法。

●关口ODMA中继节点和UTRAN之间的互操作： RRC 层将控制关口ODMA中继节点和UTRAN之间的标准TDD或FDD通信链路的互操作。

●建立、重配置和释放用于RRC连接的无线负载：RRC 层在高层的请求下能建立、重配置和释放用户平面的无线负载。一个UE可同时建立多个无线承载。在建立和重配置时，RRC层执行接入控制并基于高层信息选择在L1和L2进行处理的无线承载的参数。

●分配、重配置和释放用于RRC连接的无线资源：RRC层处理用于RRC连接的无线资源（如，编码，CPCH信道）的分配，包括控制平面和用户平面。RRC 层可以在建立RRC连接时无线资源重配置。该功能包括调节与同一RRC连接相关的多个无线承载之间的无线资源分配。RRC 控制上行和下行链路的无线资源，使UE和UTRAN能使用非平衡的无线资源（非对称上行和下行链路）。在切换到GSM或其它无线系统时，RRC向UE发送信令指示资源的分配。

●RRC连接移动功能：RRC 层在RRC连接建立过程中执行与RRC连接移动性相关的评估、决策及实行。如切换、切换到GSM或其它系统的准备、小区重选择和小区/寻呼位置更新进程。这些都基于UE所作的测量。

●寻呼/通知：RRC层能广播从网络到选定UE的寻呼信息。网络端高层能请求寻呼和通知。RRC层能在RRC连接建立时启动寻呼 。

●为高层PDU选路由：该功能在UE端执行将高层的PDU选路到正确的高层实体，在UTRAN端选路到正确的RANAP实体。

●对所需QoS进行控制：该功能应保证达到无线承载要求的QoS。它包括分配足够数量的无线资源。

●UE测量报告及对报告进行控制：UE进行的测量由RRC层控制，测量内容，测量时间及测量方法等方面，包括UMTS无线接口和其它系统。RRC同样执行UE到网络的测量报告。

●外部环路功率控制：RRC层控制闭环功率控制指标的设置。

●密码控制：RRC层提供设置UE和UTRAN之间密码（开/关）的进程。

●上行链路DCH上无线资源的仲裁：该功能控制上行链路DCH无线资源的分配，使用广播信道发送所有涉及到的控制信息。注：该功能在CRNC中完成。

●空闲模式中的初始化小区选择和重选：在空闲模式测量和小区选择准则的基础上，选择最合适的小区。

●完整性保护：该功能在那些被认为敏感或包含敏感信息的RRC消息增加一个消息鉴别码（MAC-I）。

●CBS（小区广播业务）的初始配置：该功能执行BMC子层的初始配置。

●CBS无线资源的分配：该功能基于BMC业务量请求为CBS分配无线资源。RRC设置的无线资源分配指示BMC以产生预定消息。CBS的资源分配在系统消息中广播。

●CBS非连续接收配置：该功能配置UE的低层（L1，L2），监听根据从BMC收到的预定信息为CBS分配的资源。

　　总之，UTRAN RRC是无线资源的管理和控制中心，无线链路的一切操作和无线蜂窝的一些配置参数都由UTRAN RRC决定。UE RRC是终端侧的无线资源的管理和控制中心，下层的协议实体都需要其配置和管理。

总结

　　WCDMA的无线接入技术主要体现在无线接口的设计上。无线接口包含物理层、MAC、RLC、PDCP、BMC和RRC等一些无线协议。物理层主要体现了WCDMA的多址接入方式，MAC的重点是对多业务和多速率的灵活支持，RLC定义了三种不同的传输模式，PDCP核心是解决报头压缩问题，BMC是完成对广播组播业务的支持，而RRC统一负责和控制无线资源以及对以上协议实体的配置。WCDMA无线接口的设计完全体现了对多媒体业务和移动性的支持，是一个理想的3G无线接入解决方案。