吴晓文 赵建平 蒲迎春
摘要：WCDMA（UTRA FDD）是第三代移动通信的主流标准，预计会在全球大多数地区得到广泛的应用。WCDMA的标准化进程会影响到其无线接入网络（RAN）的研发、生产和运营，从当前标准化进程和技术趋势看，Release 99是必经的阶段。对于无线接入网络设备和相应的网络规划和优化软件，需要按照高的频谱利用率、灵活的多业务承载能力、多样化组网方式等要求来完成，以满足移动通信环境和电信运营的需要。
关键词：无线接入网络，标准化，移动通信环境，频谱效率，业务
一、引言
第三代移动通信WCDMA系统的无线接入网络（RAN）是用户终端（UE）和核心网络（CN）之间的部分,通过Iu接口与核心网相连,包括无线网络控制器RNC和基站设备Node B。Node B支持FDD模式、TDD模式或双模式,可处理一个或多个小区,并通过Iub接口与RNC相连。支持FDD模式的Node B包含可选的宏分集功能。RNC负责切换控制,提供支持不同Node B间宏分集的组合/分裂的功能。无线网络控制器RNC通过Iur接口相互连接,Iur可通过RNC之间的物理连接直接相连或通过合适的传输网相连。
WCDMA 的接口高度标准化,支持不同厂家的RNC和Node B互连。
二、WCDMA标准化
ITU-R WP8F和ITU-T WP3/11分别进行无线接入网和核心网的标准化。除了ITU之外,两个跨区域的标准化组织3GPP和3GPP2也在紧张地进行详细的标准化工作。其中,3GPP2负责制定cdma2000的标准。而WCDMA（UTRA FDD）和TDD技术（UTRA TDD与TD-SCDMA）的标准则主要由3GPP制定,他们最终都将基于GSM MAP过渡到全IP的核心网络体系。目前,欧洲、北美、亚太（如日本、韩国）等地区的大多数营运商都将选择WCDMA系统,甚至北美的IS-136运营商也决定在3G频段上选择WCDMA,因此WCDMA已经事实上成为3G最为主流、应用范围最广的无线传输技术（RTT）。
从目前的标准化工作安排看,3GPP标准包括Release 99（R99）版本,以及今后将完成的R4、R5版本。Release 99版本的框架已经基本完备,物理层比较完善,但高层协议还需要一段时间才能稳定。Iu、Iub和Iur接口全都采用ATM,核心网采用演进的电路交换和分组交换分离的网络结构,Release 99版本计划在2001年3月会完全稳定下来。
尽管全IP核心网络是未来发展的方向,但在安全性、业务质量特别是VoIP、IPv4到IPv6、Mobile IP方面还需要大量的工作,全IP核心网的标准化工作比预期要慢。
从生产制造和运营的角度看,需要处理好标准的稳定和技术不断扩展的矛盾,要有选择地采用新技术并保持版本之间的时间间隔。一般地,标准化稳定至少一年后制造厂商才能提供完全顺从于标准的设备,因此全球WCDMA运营商将首先采用Release 99版本,预计2005年以后才会逐步采用全IP方式。Release 99将是不可超越的阶段,运营商可以通过Release 99网络获得网络运营经验、培育市场,另外Release 99设备的投资将通过全IP核心网络结构得到有效保护。
WCDMA无线接入网络设备首先需按照Release 99进行设计、生产,其次还要顺应IP向无线接入网络渗透的趋势,提供到全IP核心网络的标准接口,实现无线接入网络的IP化。
WCDMA无线接入网络除了受到核心网影响外,还受到增强型IMT-2000和后IMT-2000、3G扩展频谱分配、新技术如多用户检测、智能天线和软件无线电等因素的影响。
三、WCDMA移动通信环境
WCDMA移动通信环境是WCDMA无线接入网络技术的基本出发点,主要包括无线传播环境和业务环境两大类,其中,无线传播环境是所有无线通信必须面临的问题,业务环境则是第三代移动通信的多业务、多QoS要求所带来的独特问题。
在移动通信系统中,信号的传播由于移动、散射和衰落将导致复杂的电磁行为,具体表现在信号的时延、频率和角度扩展。时延扩展使得接收端得到多个拷贝的信号,而且这些信号之间并没有很明确的关系,时延扩展将直接导致码间串扰ISI；频率扩展将导致信号的时间衰落；角度扩展将导致信号的空间衰落。这是无线传输技术首先需要解决的问题,WCDMA采用RAKE接收、信道编译码、功率控制等很好地解决了无线信号传播的复杂性。多个用户共享无线媒体的问题是移动通信系统的另一个基本问题,也就是解决无线多址接入问题。移动通信系统的无线资源包括频谱、时间、功率、空间和特征码等要素。CDMA 与FDMA、TDMA相比最大不同点在于：CDMA是统计复用资源,每个载频的所有用户共享频率、时间、功率资源,用户之间只依靠特征码来区分,是典型的自干扰系统；而FDMA、TDMA是固定分配资源,不同的用户在频率、时间、功率资源上部分或全部不同,用户之间有较好的隔离度。所有CDMA、TDMA和FDMA的技术差异都来源于这个不同点。
WCDMA无线接入网的物理层技术,包括RAKE接收、Turbo编译码、卷积编译码、交织、功率控制等主要就是为了有效地解决无线传播环境、多个用户和多业务共享信道的问题。
移动通信系统中业务环境是第三代移动通信面临的独特问题。第三代移动通信WCDMA系统与第二代移动通信系统（如GSM）有很大的不同,数据业务特别是多媒体业务将占较大的比重,而且不同的业务具有不同的QoS,可以占有不同的带宽、具有不同的误码率等,这要求无线资源管理算法能够按需为用户分配资源。业务环境还包括业务的空间分布和时间分布,WCDMA系统中存在大量的突发到达业务,业务的空间分布可能是非均匀的,用户在某些区域发起呼叫的可能性较大。
尽管WCDMA与IS95 CDMA系统在无线电波传播上没有太大的差别,但业务环境的复杂性将导致WCDMA系统在处理业务时需要更加复杂的机制,无线资源管理是实际业务环境映射到在物理层技术的桥梁,是无线接入网正常运行、充分发挥频谱效率的条件和保证,技术难度大,是WCDMA的关键技术。
四、WCDMA无线接入网络基本要求
4.1 频谱效率和技术组合
下面就第三代移动通信标准频谱效率和技术组合的问题进行讨论。
4.1.1 激活期吞吐量
激活期吞吐量就是在整个激活期过程中用户正确接收到的比特速率,这里的激活期不包括无数据发射的时间（即空缓冲状态）。
4.1.2 满意用户
用户是否满意,可以分电路和分组两种业务进行分析。
对于电路交换业务,当用户满足以下三个条件时我们称之为满意用户：
●用户进入系统时不会被阻塞。如果被阻塞,服务商必须指定采用的阻塞标准。
●用户在通信过程中大部分时间内有足够好的服务质量,也就是说BER>BER阈值的概率< x1%。
●用户不会掉线,如果一次呼叫中BER>BER阈值持续时间超过一定时间,这次呼叫就会掉线。
对于分组交换业务,当用户满足以下三个条件时我们称之为满意用户：
●用户进入系统时不会被阻塞(对分组用户最通常的做法并不是阻塞它们,而是把它们排队。然而,如果服务上采用了某些接纳控制,将有一定比例的被阻塞用户。这种阻塞意味着这些分组用户没有参加排队而是完全的被阻塞在系统外面)。如果被阻塞,服务商必须指定采用的阻塞标准。 ●通信过程中的激活期吞吐量S大于等于一个阈值。
●用户不会掉线。如果出现掉线,,服务商必须指定采用的掉线标准。
4.1.3 系统负载
系统负载n用[kb/s/cell/MHz]来衡量。对于电路交换用户,系统负载Lcs计算方法如下
ncs= ncs *用户比特率 * 激活因子/系统带宽 [kb/s/cell/MHz]
其中,ncs为每小区同一时间内平均的电路交换用户数,即提供的负载(爱尔兰)。
分组交换用户的系统负载算方法如下：
npkt = D/T/小区数/系统带宽[kb/s/cell/MHz]
其中：D为小区中统计出来的正确接收的用户比特总数；T为测量时间,定义为仿真中收集统计数据持续时间；小区数指收集统计数据的那些小区的数目。对于混合服务配置情况,系统负载计算方法如下：
这里Ncs为电路交换服务数目,Npkt为分组交换服务数目。
4.1.4 频谱效率
对于单种业务情况,频谱效率定义为恰好有x2% 满意用户时的系统负载。
对于混合业务情况,每种服务必须分别至少有x2 %的满意用户。频谱效率定义为任何一种服务的满意用户恰好达到x2% 时的系统负载。频谱效率需要分上行链路和下行链路考虑。
4.1.5 技术组合
从前面分析可以看出,提高WCDMA频谱效率就是提高在多种业务情况下的业务综合接入能力,可以从物理层技术和无线资源管理两个方面采取措施。除了IS95已经采用的RAKE接收、功率控制和软切换技术外,提高WCDMA频谱效率还可以考虑选择更好的扩频码；采用多用户检测；智能天线等。
4.2 业务承载能力
一个3G终端与另外一个网络终端通信的实例,并说明了承载业务和电信业务的关系。接入点之间的通信链路包括MT(移动终端)、3G网络包括无线接入网络和核心网络、转移网络(如PSTN网络)和终端接入网络(如GSM BSS、LAN等)构成信息传递的承载。承载业务是两个接入点之间的信号传输能力,属于低层能力；电信业务则提供了用户之间所有信息传递的能力,包括终端适配函数,信息的表达等,属于高层能力。
3G业务能力是指接入点之间的所有用QoS参数描述的承载以及承载控制机制的集合。业务能力实际上可以理解为承载业务为电信业务提供的服务,3G的业务能力将依赖于通信链路上每个网络单元(Node B、RNC)本身的能力以及网络单元之间的通信能力。
3G标准化过程中不再定义标准的电信业务,而将重点放在了3G业务能力的标准化,使得网络结构不再受制于电信业务。3G网络的最大特征是具有全程数字化、智能化和分组化的统一结构,从接入方式看由于采用了统计复用的CDMA技术,信息以统一的时隙方式传送；在RNC内部、Iub 、Iu接口采用了ATM交换、传输,信息以信元的方式传送；在3G核心网中将采用全IP网络,信息以统一的IP包传送,即使考虑到初期采用GPRS 网络将电路业务和分组业务分开,但逻辑上仍是一个统一的网络,3G统一网络提供了一个多业务实现平台,可以方便承载各种电信业务。
第三代移动通信能否取得成功,关键在于如何利用WCDMA承载能力开发应用。NTT DoCoMo在第三代移动通信WCDMA方面继续引领世界潮流,推出3G业务品牌FOMA(Freedom Of Mobile multimedia Access),拟提供如下类型的3G业务：下一代i-mode业务；视频电话业务；高速internet/intranet业务；视频分发业务；多呼叫业务。
3G业务发展趋势是业务的种类和对带宽的需求会越来越多。如果将3G业务分为CS和PS两类,CS域和PS域的业务量以及CS域、PS域业务量比例将随着业务运营发生变化,若采用R99核心网,Iu-CS和Iu-PS的承载能力需要适应这种变化。在3G运营初期,将集中在话音和低端数据业务,而后期高端数据业务需求会增加,这时干扰抵消技术和智能天线技术的实用价值才更为明显。
4.3 组网方式
WCDMA的组网方式将更加复杂,至少需要考虑如下因素：
●话音要求连续覆盖,用户需要随时随地发起呼叫和接听电话
●低端数据业务也需要连续覆盖
●人在移动中处理语音的能力远大于处理图象、文本、数据能力,也大于信息录入的能力,只有在相对静止的环境下人对高端数据的需求才比较大
●业务密集区需要更多的无线资源
●运营商可能拥有GSM网络
●运营商可能拥有一段TDD频谱
●TDD标准比较适合非对称数据业务,而对大范围覆盖和高速移动支持能力较差
根据上述考虑,对于有GSM基础的运营商,若同时拥有FDD/TDD频谱（下面假设有2*15MHz的FDD和5MHz的TDD）,可以考虑如图3的组网方案,以最大限度地发挥3G FDD/TDD模式和GSM各自优势。
切换机制是系统可靠运行的重要保证,GSM双频网络与WCDMA网络之间如何进行业务分配也是考虑的重点,所有上述问题的解决都离不开网络规划和优化软件,网络规划和优化软件将使系统运行更安全、更可靠、更有效率。
WCDMA的网络规划与GSM的网络规划最典型的差异在于：WCDMA的网络是一个动态的网络,网络的覆盖、容量、服务质量与业务分布密切相关,而业务分布却也是一个动态变化的过程,因此,WCDMA网络规划的过程就是通过调整网络的站点分布、各站点的天线布局以及网络的无线资源参数等,使得网络对于一系列预先设定的业务分布情况,能够满足覆盖、容量、服务质量等设计指标。
对于WCDMA移动通信系统的系统组网设计,主要是根据运营商的网络现状、近期与远期网络规划发展目标、网络发展各阶段的目标要求,设计网络的拓扑结构、各网络节点的配置、评估网络的信令流量、业务流量、交换容量、无线容量等,确认是否满足要求、是否留有足够的余量。在完成网络的系统设计评估之后,需要根据设备性能配置各网络节点的硬件设备以及配套软件,并且根据具体的硬件与软件配置计算网络建设总费用。
在移动通信网络建设过程中,随着网络的复杂程度以及网络规划与优化的技术难度不断增加,网络规划与优化工程本身已经具有不容忽视的技术价值和商业价值。
五、结束语
WCDMA作为目前最为主流的3G无线技术受到了全球主要的设备制造商和营运商的高度关注。中兴通讯早于1998年就开始进行WCDMA研究开发,并积极参加各种国际、国内的标准化活动,以及国家组织的3G项目研发。承担了C3G(863)一期和二期项目,研究成果受到国家有关部委领导的高度评价。
按照高的频谱利用率、灵活的多业务承载能力、多样化组网方式等要求,中兴通讯遵照3GPP标准,采用先进的技术来设计商用化的WCDMA无线接入网络(Node B、RNC)和相应网络规划和优化软件,以最大限度地满足当前和未来最终用户和电信运营需求。
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