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2002-09-23 10:00:00
（山东省通信公司新技术发展部，济南 250001）
摘 要：通用移动通信系统(UMTS)是IMT-2000第三代移动通信系统(3G)的重要组成部分之一，本文概述UMTS系统和技术的总体框架，首先介绍UMTS系统的体系结构及核心网演进，然后介绍地面接口技术和无线接口UTRA FDD的协议结构。
关键词： 3G UMTS WCDMA IMT-2000
1 前言
ITU-T发展第三代移动通信系统(IMT-2000)的目标是统一的标准，但由于技术、商业和政治等原因，经过多年的评选、融合，最后确立了5种IMT-2000无线传输技术(RTT，Radio Transmission Technology)规范，WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA、UMC-136和DECT，其中基于CDMA技术的WCDMA、cdma2000和TD-SCDMA成为第三代移动通信系统的主流无线传输技术规范[5]。
ITU-T在1998年确立了IMT-2000网络框架标准(Q.1701)，提出了家族(Family)的概念，目前的家族主要有两个，基于GSM MAP核心网的家族和基于ANSI-41核心网的家族，分别由3GPP和3GPP2组织负责标准化工作[5]。
尽管标准允许无线接口同时兼容两个核心网，也就是说核心网和无线传输技术可以有许多组合方式，但目前的实际情况是，GSM MAP核心网选择了WCDMA，ANSI-41核心网选择了cdma2000，而TD-SCDMA同时加入了3GPP和3GPP2两个组织。
通用移动通信系统(UMTS，Universal Mobile Telecommunication System)[30]是ITU发展的IMT-2000框架中的第三代移动通信系统之一，实现了新一代的宽带多媒体通信技术，UMTS使用ITU分配的、用于陆地和卫星无线通信的频带，可通过移动或固定、公用或专用网络接入提供IMT-2000定义的所有业务[29]。
欧洲电信标准协会（ETSI）负责UMTS的标准化工作，欧洲联盟(EU)协调15个成员国的UMTS实现，3GPP组织协调各成员(包括ETSI、ARIB、TTC、T1、TTA、CWTS等)制定UMTS和3G规范。
3GPP规范是一个十分复杂的标准体系， 本文试图综述UMTS系统和技术的总体概貌，为进一步理解和掌握3GPP规范提供参考。首先介绍UMTS系统的核心网体系结构及核心网演进，然后介绍地面接口技术和无线接口UTRA FDD的协议结构。
2 UMTS业务&&QoS
2.1 UMTS业务[6]
3GPP规范定义的电信业务是指UMTS公众陆地移动网(PLMN，Public Land Mobile Network)通过本地环境(Home Environment)和服务网络(Serving Network)提供给用户的通信能力。业务有两类，基本业务(Basic Telecommunication Services)和补充业务(Supplementary Services)。
基本电信业务分为两大类，承载业务(Bearer Services)和电信业务(Teleservices)。
承载业务提供两个接入点之间建立传输路径的能力，往往只涉及OSI模型的低层协议，用户可以用来传送高层协议。承载业务保证点对点或点对多点的面向连接或非连接的传输能力和QoS。承载业务的信息质量指标包括最大传输延迟(Maximum Transfer Delay)、延迟变化率(Delay Variation)、误位率(Bit Error Ratio)和数据率(Date Rate)。
承载业务支持以下数据速率，这与IMT-2000提出的3G目标是一致的。
(1) 卫星无线环境(Satellite Radio Environment)下至少144kbits/s；
(2) 农村室外无线环境(Rural Outdoor Radio Environment)下至少144kbits/s；
(3) 市区/郊区室外无线环境(Urban/suburban Environment)下至少384kbits/s；
(4) 室内/室外小范围无线环境(Indoor/Low range outdoor radio Environment)下至少2048kbits/s。
电信业务通过用户终端设备提供端对端的业务(End-to-End Services)，网络功能或可能的功能由专用中心提供。目前PLMN提供的电信业务有语音(Speech)、应急呼叫(Emergency Call)和短消息业务(Short Message Service)等。3GPP规范通过与外部数据网协作提供Internet接入(Internet Access)业务。
补充业务不能单独提供给用户，要和基本业务一起或关联，一种补充业务可能适用于多种业务，补充业务的详细描述参见文献[8]。
2.2 UMTS QoS类型
3GPP规范定义了四种QoS类型[7]，会话类型(Conversational class)、流类型(Streaming class)、交互类型(Interactive class)和后台类型(Background class)。会话类型和流类型业务通常以实时方式传输，交互类型和后台类型的业务主要应用于传统的Internet应用，如WWW、Email、FTP和新闻组等。
会话类型的典型例子是语音。UMTS语音编码采用了与GSM兼容的自适应多速率(AMR，Adaptive Multi-rate)技术，3GPP规范[10]规定了8种语音速率。
理论上AMR语音编码器可以20ms切换一次语音速率，但实际中的AMR模式调整要慢得多。AMR模式的调整完全由无线网络侧因素决定，而与核心网的网络运行情况无关。系统会监测无线环境，在下行链路上，当空中接口上的业务量超过可以忍受的最大负荷时，就要改变AMR当前使用的速率，而且当误帧率较大、链路质量变坏时也需要改变AMR速率。在上行链路上，当接收到空中接口的负荷超载的报告时，就需要改变AMR速率。
2.3 UMTS业务承载结构
图8 Iu(cs)协议结构
图8给出了Iu(cs)总体协议结构[17]， Iu(cs)控制平面协议栈包含位于宽带7号信令协议(BB No. 7)上层的RANAP，协议可用层是信令连接控制部分(SCCP)、消息传送部分(MTP3-b)和网对网接口信令ATM适配层(SAAL-NNI)。SAAL-NNI进一步划分成业务特定对等功能(SSCF)、业务特定面向连接协议(SSCOP)和ATM AAL5。
Iu(cs)协议结构的传输网络控制平面协议栈包含在BB No. 7上层用于建立AAL2连接(Q.2630.1和Q.2150.1)的信令协议。相应的BB No.7信令系统如前所述，只是没有SCCP层。Iu(cs)协议结构的用户平面用户数据直接由ATM AAL2承载。
其他的UMTS地面接口协议可以参阅相应的3GPP规范，本文不再一一介绍。
5 UMTS的无线接口协议
UMTS系统的空中接口Uu有UTRA(Universal Terrestrial Radio Access) FDD和TDD两种操作模式。本文只介绍UTRA FDD。
无线接口协议用来建立、重新配置和释放无线承载业务。无线接口协议结构如图9所示[19]，图中椭圆表示业务接入点(Service Access Point)。
图9 UTRAN FDD无线接口协议结构
UTRA无线接口协议包括三层，第一层(L1)物理层，第二层(L2)数据链路层，第三层(L3)网络层。
L2被分成几个子层，从控制平面看，包含媒体接入控制(MAC，Medium Access Control)协议层和无线链路控制(Radio Link Control)协议层；从用户平面看，除了MAC层和RLC层外，还有两个依赖于业务的协议层，分组数据汇聚协议层(PDCP，Packet Data Convergence Protocol)和广播/组广播控制(BMC，Broadcast/Multicast Control)协议。
L3只有一个协议子层即无线资源控制(RRC，Radio Resource Control)层，是属于控制平面的。
物理层通过传输信道向MAC提供业务，所要传输的数据决定传输信道如何和以什么样的特征传输。MAC层通过逻辑信道提供业务给RLC层，逻辑信道由发送的数据类型决定其特征。
RLC层通过业务接入点将业务提供给高层，业务接入点用来描述RLC层如何处理数据分组。在控制平面，RRC使用RLC传输信令；在用户平面，所有的业务都使用RLC。PDCP只存在于分组域业务，BMC用来传送由小区广播中心产生的无线接口协议。
RRC层也是通过SAP将业务提供给高层(非接入层)，SAP在UE和UTRAN侧分别由高层协议和Iu接口RANAP协议使用。
5.1 物理信道与传输信道
(1) 传输信道[20]
传输信道根据数据在无线接口上传输的方式和特点分为两种：专用传输信道和公共传输信道。
专用传输信道只有一种，即DCH(Dedicated Transport Channels)，可以是上行或下行，覆盖整个小区或采用波束赋形天线(Beam-forming antennas)只覆盖小区的一部分。
公共传输信道有广播信道(BCH，Broadcast Channel)、前向接入信道(FACH，Forward Access Channel)、寻呼信道(PCH，Paging Channel)、随机接入信道(RACH，Random Access Channel)、公共分组信道(CPCH，Common Packet Channel)和下行共享信道(DSCH，Downlink Shared Channel)。
BCH是下行信道，用来传送UTRA或某一小区的特殊信息，覆盖整个小区并且采用独立的格式。
FACH是下行信道，向某特定小区的UE传送控制信息，也可用来传输少量数据，覆盖整个小区，可以使用慢速功率控制。
PCH是下行信道，覆盖整个小区，为了支持睡眠模式过程，PCH信道上的信息和物理层产生的寻呼指示(PI)一起传输。
RACH是上行信道，用来传输来自UE的控制信息，也可以用来传输少量的分组数据，在整个小区内都必须对RACH监听，其需要碰撞检测，支持开环功率控制。
CPCH是RACH信道的扩展，用来传输上行分组数据，在下行方向有一个与之随路的DCH用于提供功率控制及CPCH控制命令。
DSCH是下行信道，用来传输用户数据或控制信息，可以由多个用户共享，DSCH总是与一个或多个DCH相关联，可以覆盖整个小区或采用波束赋形天线只覆盖小区的一部分。
基本的UTRA网络必须的公共传输信道是RACH、FACH、BCH和PCH，而DSCH和CPCH是可选的。
物理层提供给上层的另外的服务是指示(Indicator)，规范中规定的指示包括：捕获指示(AI，Acquisition Indicator)、接入前缀指示(API，Access Preamble Indicator)、信道指配指示(CAI，Channel Assignment)、碰撞检测指示(CDI，Collision Detection Indicator)、寻呼指示(PI，Page Indicator)和状态指示(SI，State Indicator)。
(2) 物理信道[20]
物理信道定义为一个特定的载频(Carrier Frequency)、扰码(Scrambling Code)、信道化码(Channelization Code)、起止时间(时间间隔)和一个上行相对相位(0或1/2)的组合。时间间隔以码片标识。
默认的物理信道持续时间是连续的，从开始时刻到结束时刻没有间断。持续时间不连续的物理信道必须明确指出。
以一种更抽象的物理层高层模型看，传输信道映射到物理信道上，某些信道（如DCH）是从编码组合传输信道(CCTrCH)映射到物理信道的数据部分。另外，物理信道除了数据部分外，还包括控制部分和一些物理符号(Signal)。
规范中规定的码片组合有以下几种：
(1) 无线帧：一个无线帧包含15个时隙，38400个码片；
(2) 时隙：一个时隙是包含数据位的域组成的时间间隔，2560个码片。
上行物理信道分为上行专用物理信道和公共上行物理信道。上行专用物理信道分为专用物理数据信道(DPDCH，Dedicated Physical Data Channel)和专用物理控制信道(DPCCH，Dedicated Physical Control Channel)，图10 给出了上行专用物理信道(DPDCH/DPCCH)的帧结构。其中，Pilot为导频比特，用来进行信道估计；TFCI为传输格式组合指示，指示当前帧的数据格式；TPC为发送功率控制，传送进行下行链路功率控制需要的功率控制命令；FBI为反馈信息比特，下行链路使用闭环发射分集时使用FBI比特。
图10 上行专用物理信道(DPDCH/DPCCH)帧结构
公共上行物理信道有物理随机接入信道(PRACH，Physical Random Access Channel)和物理公共分组信道(PCPCH，Physical Common Packet Channel)。
PRACH由一个或多个长度为4096个码片的接入前缀和一个长度为10ms或20ms的消息部分组成，每个接入前缀包含长度为16码片的256次重复，最多有16个签名(Signature)可用。随机接入是以一种有快速接入指示的时隙化的ALOHA方式进行的。
PCPCH用来承载CPCH，CPCH传输基于一种快速捕获指示DSMA-CD方式进行的，接入时隙的定时和结构与RACH类似。PCPCH由一个或多个长度为4096个码片的接入前缀(A-P)、一个长度为4096码片的碰撞检测前缀(CD-P)和一个长度为0个或N×10ms的变长消息部分组成，CPCH的接入前缀与RACH类似，消息部分的帧结构与上行专用物理信道类似。
下行物理信道分为下行专用物理信道和下行公共物理信道。下行专用物理信道只有一种，即DPCH(Dedicated Downlink Physical Channel)，在一个下行DPCH信道上，L2层及高层产生的专用数据与物理层产生的控制信息以时间复用的方式传输。下行专用物理信道的帧结构如图11所示。
图11 下行专用物理信道(DPCH)的帧结构
下行公共物理信道有公共导频信道(CPICH，Common Pilot Channel)、主公共控制物理信道(P-CCPCH，Primary Common Control Physical Channel)和辅助公共控制物理信道(S-CCPCH，Secondary Common Control Physical Channel)、同步信道(SCH，Synchronization Channel)和下行物理共享信道(PDSCH，Physical Downlink Shared Channel)。 CPICH是一个固定速率为30kbits/s的下行公共物理信道，携带预定义的比特符号序列，用来在UE对专用信道进行信道估计，当公共信道没有与专用信道关联，或没有使用自适应天线技术时，CPICH为这些公共信道提供信道估计参考。UTRA有主公共导频信道(P-CPICH)和辅助公共导频信道(S-CPICH)两种公共导频信道。P-CPICH有固定的信道化码并从属于主扰码，一个小区或扇区只有一个P-CPICH。S-CPICH有任意长度为256的信道化码，并从属于一个辅扰码。
SCH用于小区搜索，包含主同步信道(P-SCH)信道和辅助同步信道(S-SCH)两个子信道。P-SCH包含一个长度为2560个码片的调制码，一个小区的主同步码(PSC)是相同的，S-SCH包含长度为2560的辅同步码(SSC)的15次重复，并且与主同步码并行传输。
PDSCH携带DSCH，分配是基于无线帧进行的，在一个无线帧内，每个PDSCH都与一个DPCH信道随路，所有相关的物理层控制信息在随路DPCH的DPCCH部分传输。
另外，还有携带指示的捕获指示信道(AICH，Acquisition Indication Channel)、CPCH接入前缀捕获指示信道(AP-AICH，Access Preamble Acquisition Indication Channel)、CPCH碰撞检测/信道指配指示信道(CD/CA-ICH，Collision Detection/Channel Assignment Indicator Channel)、寻呼指示信道(PICH，Paging Indicator Channel)和CPCH状态指示信道(CSICH，CPCH Status Indicator Channel)。这些信道没有相对应的传输信道。
(3) 传输信道和物理信道的映射[20]
传输信道和物理信道的映射关系如图12所示。
图13 下行传输信道的传输结构
下行链路的信道编码/复用过程分以下几步：
(1) 附加CRC校验位(CRC attachment)
给每个块附加循环冗余校验(CRC)，长度可以是24、16、12、8或0比特；
(2)传输块级联和码块分割(TrBk concatenation/Code block segmentation)
在一个TTI内传输的所有传输块是串联在一起的，如果一个TTI的总比特数大于规定的码块最大尺寸，传输块级联之后将进行分割。
(3) 信道编码(Channel coding)
码块送到信道编码模块根据编码方案进行编码：卷积编码、Turbo编码或不编码。BCH、PCH和RACH采用1/2卷积编码，CPCH、DCH、DSCH和FACH采用1/3、1/2卷积编码或1/3Turbo编码。
(4) 速率匹配(Rate matching)
通过复用或打孔，将发送的比特数与单个帧中可用的比特数匹配起来。
(5) 第一次插入非连续传输指示(1# insertion of DTX indication)
第一次插入非连续传输指示意味着下行链路使用固定比特位置确定DTX插入点。
(6) 第一次交织(1# interleaving)
第一次交织又叫帧间交织，仅在时延预算允许10ms以上的延迟时使用，交织长度可以是20ms、40ms或80ms。
(7) 无线帧分割(Radio frame segmentation)
如果TTI长度大于10ms，输入的比特序列将被分段，并映射到连续的无线帧中。
(8) 传输信道复用(TrCH Multiplexing)
每隔10ns，来自传输信道的无线帧就被送到传输信道复用单元，把所有的比特顺序串联起来，形成编码组合传输信道(CCTrCH)。
(9) 第二次插入非连续传输指示(2# insertion of DTX indication)
这一步骤插入的DTX指示将被放在无线帧的尾部， 将分布在二次交织后的所有时隙中。
(10) 物理信道分割(Physical channel segmentation)
当使用多个物理信道时，需要将输入比特流分段，放到不同的物理信道中。
(11) 第二次交织(2# interleaving)
第二次交织是帧内交织，完成一个无线帧内部数据比特的位置变换操作。
（12） 物理信道映射(Physical Channel mapping)
输入到物理信道单元的比特用γP1，γP2，……γPu表示，其中p表示物理信道数，U表示一个物理信道在无线帧中的比特数。所有的比特γpk都将被映射到物理信道上，以k的升序通过空中借口传输。
上行链路的编码/复用步骤与下行链路相似，只是速率匹配要在无线帧分割之后进行，而且不需要插入DTX指示。
5.3 扩频与调制(Spreading and modulation)[22]
物理信道成帧以后，经过扩频与调制，通过无线端口发射出去。文献[32]对扩频、调制的原理以及Ｗａｌｓｈ函数和Ｇｏｌｄ码有较好的描述，这里不在赘述，只简单介绍３ＧＰＰ规范中的扩频和调制过程。
(1) 扩频
扩频分为两步，信道化(Canalization)和加扰(Scrambling)。上行链路信道化操作时，I分支和Q分支的数据乘以不同的扩频码，I分支和Q分支进而乘以复扰码的实部和虚部进行加扰操作。上行专用物理信道的扩频过程如图14所示，其中 和 为功率控制因子。
信道化操作也是所谓的扩频操作，输入端采用正交可变扩频因子码(OVSF，Orthogonal Variable Spreading Factor codes，如图14中的Cd,1)与输入符号相乘；在接收端，用相同的扩频码与接收符号相乘，进行相关运算，即可得到原始符号。
OVSF码片速率为3.84M，因此信道化操作后的符号扩频为码片速率。
OVSF上行链路中区分同一UE的不同信道，下行链路中用来区分同一小区中不同用户的下行连接。OVSF可以唯一地定义为 ，SF是扩频因子，k为码序列的信号。规范规定了上行链路不同信道可用的扩频码，下行链路的扩频码由UTRA分配。图14所示的上行专用物理信道可以有1～6个DPDCH，DPDCH固定采用 ，当只有一个DPDCH时，扩频码使用 ，k=SF/4，当有多个DPDCH时，SF=4， ，其中n=1,2时k=1，n=3,4时k=3，n=5,6时k=2。
采用OVSF可以获得不同比特速率，如图10所示，上行链路扩频因子SF=4～256，一个DPDCH可以获得的比特速率为15kbits/s～960kbits/s，当需要更高的数据速率时，要使用并行信道(图14)，使用6个并行信道时可以获得5.470Mbits/s的比特率，如果编码率为1/2就可以获得2Mbits/s的用户数据速率。
图14 上行专用物理信道(DPDCH/DPCCH)的扩频示意图
信道化操作后进行加扰操作，信道化后的数据符号乘以扰码序列，UTRA采用Gold码作扩频序列的扰码，扰码序列的速率是3.84M，与信道化后符号的速率一致，因此加扰操作不改变数据符号速率。
上行链路扰码区分不同信源的传输，如图14中的Sdpch,n，上行链路扰码可以是长码或短码，长码选用25阶生成多项式产生的Gold序列截短为10ms帧；短码从扩展的S(2)码族中选取。下行链路扰码用来区分小区，网络规划时每个小区会分配一个主扰码，下行链路选用18阶M序列。同步信道(SCH)不进行加扰操作。
(2) 调制
图15给出了上行链路的调制过程，图中S对应图14中的S点，通过扩频产生的复数码片序列分裂为实部和虚部，分别脉冲成型，进行QPSK调制。下行链路的调制过程与此类似。
图15 上行链路调制
5.4 媒体接入控制协议(MAC)子层
MAC子层通过逻辑信道向高层主要提供数据传输、无线资源和MAC参数的重分配和测量的执行及报告等服务。规范中定义了一组不同类型的逻辑信道，传输控制信息的信道称为控制信道，包括广播控制信道(BCCH，Broad Control Channel)、寻呼控制信道(PCCH，Paging Control Channel)、专用控制信道(DCCH，Dedicated Control Channel)、公共控制信道(CCCH，Common Control Channel)和共享信道控制信道，传输业务信息的信道称为业务信道，包括专用业务信道(DTCH，Dedicated Traffic Channel)和公共业务信道(CTCH，Common Traffic Channel)。图16给出了逻辑信道和传输信道之间的映射关系[19]。
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