3G WCDMA空口、网络架构与关键特性本文面向从事移动通信和网络工程的读者系统介绍3G WCDMAWideband CDMA技术。内容包括基于CDMA的空口原理、扩频与加扰、无线帧结构和物理信道、RNCNodeB网络架构及软切换机制、QoS业务类别与承载服务以及通过HSPA/HSPA演进的关键特性。文中包含若干示意图和表格以帮助理解。1. WCDMA概述WCDMA作为UMTS通用移动通信系统的一部分由3GPP在Rel-99中标准化标志着从2G GSM/GPRS/EDGE向3G的重大跨越。初版WCDMA支持电路交换语音和分组数据业务下行峰值速率可达384 kbps。与GSM相比WCDMA采用5 MHz载波的宽带CDMA空口通过扩频和加扰技术在码域实现多用户复用支持语音和数据并发、更高容量和多媒体业务为移动互联网奠定了基础。图12G GSM/GPRS到3G WCDMA/HSPA再到LTE的演进时间线示意。2. WCDMA空口设计2.1 宽带CDMA基本原理WCDMA采用直接序列扩频技术使用5 MHz宽带载波。用户数据通过信道化码如OVSF码进行扩频再使用小区或终端特定的加扰码进行加扰。多个用户共享相同的时间和频率资源通过码域区分实现多址访问。扩频因子SF决定芯片速率与符号速率的关系扩频因子越大处理增益越高但频谱效率越低扩频因子越小用户吞吐量越高但对干扰管理要求更高。WCDMA的芯片速率为3.84 Mcps对应5 MHz载波。图2WCDMA Rel-99、HSDPA和HSPA的下行峰值速率示意。2.2 扩频码与加扰码信道化码例如正交可变扩频因子OVSF码用于在同一小区内为不同物理信道提供尽量正交的码域如专用信道、公共信道等。加扰码用于区分不同小区或终端的信号帮助接收端进行小区搜索和干扰管理。下行中各物理信道之间的正交性可降低同小区内干扰但多径传播和同步误差会削弱正交效果上行中不同UE的传输通常不正交相互构成干扰需要通过功率控制、扩频和调度等手段进行管理。图3扩频因子SF与归一化频谱效率之间的示意关系。2.3 无线帧结构与物理信道WCDMA无线帧时长为10 ms每帧包含15个0.667 ms时隙。不同物理信道如DPCCH、DPCH、CPICH、P-CCPCH等在时间、码和功率维度上进行映射共同构成下行和上行传输结构。导频信道和控制信道携带用于信道估计、功率控制、切换和其他控制流程的参考符号和信令。帧结构与RNC/NodeB功能以及高层协议如RLC、RRC紧密配合。3. WCDMA网络架构WCDMA无线接入网由无线网络控制器RNC和基站NodeB组成。RNC负责无线资源管理、小区间移动性管理以及来自多个NodeB的业务聚合核心网包含电路域和分组域实体如MSC、SGSN和GGSN等。软切换是WCDMA的一项重要特性允许UE在同一频率上同时与多个NodeB保持连接并在RNC侧进行合并提高链路鲁棒性降低切换引起的掉话概率但也增加了系统复杂度和功耗。3GPP版本年份约关键WCDMA/HSPA特性说明Rel-992001WCDMA初版FDD/TDD、384 kbps下行、R99电路/分组业务3G WCDMA空口基础版本。Rel-4/52002–2005核心网拆分MSC server/MGW、引入HSDPA改善核心架构与分组数据性能。Rel-62006HSUPA、提升上行、HSPA上的VoIP增强上行能力和实时业务。Rel-72007HSPA、MIMO、更高阶调制提升容量和频谱效率。Rel-82008进一步HSPA特性为LTE铺路LTE并行出现WCDMA/HSPA持续演进。表1部分3GPP版本及其对应的WCDMA/HSPA关键特性。维度2G GSM3G WCDMA影响多址方式FDMA/TDMA宽带CDMAW-CDMA提升频谱效率支持更高数据速率。峰值速率GPRS/EDGE约百kbps级R99约384 kbpsHSPA更高支持移动互联网和多媒体业务。载波带宽200 kHz5 MHz宽带载波适应宽带业务需求。网络架构BSCBTS电路核心网RNCNodeB分组核心网SGSN/GGSN以分组数据为中心支持IP业务。表22G GSM与3G WCDMA在关键技术和架构维度上的高层对比。图4软切换中合并分支数量与合并增益关系示意。4. QoS业务类别与承载服务UMTS/WCDMA定义了会话类Conversational、流式类Streaming、交互类Interactive和后台类Background等业务类别用于刻画不同业务的QoS需求。承载服务通过配置最大速率、保证速率、时延、抖动和误码率等参数来满足具体应用需求。业务类别示例业务典型特征会话类Conversational语音、视频电话低时延、低抖动、上下行速率较为对称。流式类Streaming视频流可容忍一定时延对抖动相对敏感。交互类Interactive网页浏览、交互应用中等时延容忍度上下行可对称或非对称。后台类Background电子邮件、文件传输高时延容忍度尽力而为服务。表3WCDMA业务类别、示例业务及典型特征。QoS框架使运营商能够区分语音、视频和数据等业务并提供适当的调度和资源分配策略也为LTE和5G NR等后续系统中的QoS设计提供了借鉴。5. HSPA与HSPA演进高速下行分组接入HSDPA和高速上行分组接入HSUPA统称为HSPA显著提升了WCDMA的分组数据性能。HSDPA引入了快速调度、自适应调制编码、混合ARQ和新的共享信道HS-DSCH等概念HSUPA则提升了上行容量和时延性能。HSPA在此基础上进一步增加了64QAM等高阶调制、MIMO、连续分组连接等特性使下行峰值速率超过42 Mbps在一定程度上缩小了与早期LTE部署之间的差距。图5HSPA与HSPA下行峰值速率示意。6. 总结与遗产3G WCDMA相较2G系统实现了重大飞跃引入宽带CDMA空口、以分组数据为中心的核心网和QoS感知的承载服务支持第一波移动互联网和多媒体应用并通过HSPA/HSPA进一步提升能力。尽管LTE和5G NR已成为当前主力技术WCDMA在软切换、QoS类别以及RNC式无线资源管理等方面的设计思想仍然在后续系统演进中具有重要参考价值。
3G WCDMA：空口、网络架构与关键特性
3G WCDMA空口、网络架构与关键特性本文面向从事移动通信和网络工程的读者系统介绍3G WCDMAWideband CDMA技术。内容包括基于CDMA的空口原理、扩频与加扰、无线帧结构和物理信道、RNCNodeB网络架构及软切换机制、QoS业务类别与承载服务以及通过HSPA/HSPA演进的关键特性。文中包含若干示意图和表格以帮助理解。1. WCDMA概述WCDMA作为UMTS通用移动通信系统的一部分由3GPP在Rel-99中标准化标志着从2G GSM/GPRS/EDGE向3G的重大跨越。初版WCDMA支持电路交换语音和分组数据业务下行峰值速率可达384 kbps。与GSM相比WCDMA采用5 MHz载波的宽带CDMA空口通过扩频和加扰技术在码域实现多用户复用支持语音和数据并发、更高容量和多媒体业务为移动互联网奠定了基础。图12G GSM/GPRS到3G WCDMA/HSPA再到LTE的演进时间线示意。2. WCDMA空口设计2.1 宽带CDMA基本原理WCDMA采用直接序列扩频技术使用5 MHz宽带载波。用户数据通过信道化码如OVSF码进行扩频再使用小区或终端特定的加扰码进行加扰。多个用户共享相同的时间和频率资源通过码域区分实现多址访问。扩频因子SF决定芯片速率与符号速率的关系扩频因子越大处理增益越高但频谱效率越低扩频因子越小用户吞吐量越高但对干扰管理要求更高。WCDMA的芯片速率为3.84 Mcps对应5 MHz载波。图2WCDMA Rel-99、HSDPA和HSPA的下行峰值速率示意。2.2 扩频码与加扰码信道化码例如正交可变扩频因子OVSF码用于在同一小区内为不同物理信道提供尽量正交的码域如专用信道、公共信道等。加扰码用于区分不同小区或终端的信号帮助接收端进行小区搜索和干扰管理。下行中各物理信道之间的正交性可降低同小区内干扰但多径传播和同步误差会削弱正交效果上行中不同UE的传输通常不正交相互构成干扰需要通过功率控制、扩频和调度等手段进行管理。图3扩频因子SF与归一化频谱效率之间的示意关系。2.3 无线帧结构与物理信道WCDMA无线帧时长为10 ms每帧包含15个0.667 ms时隙。不同物理信道如DPCCH、DPCH、CPICH、P-CCPCH等在时间、码和功率维度上进行映射共同构成下行和上行传输结构。导频信道和控制信道携带用于信道估计、功率控制、切换和其他控制流程的参考符号和信令。帧结构与RNC/NodeB功能以及高层协议如RLC、RRC紧密配合。3. WCDMA网络架构WCDMA无线接入网由无线网络控制器RNC和基站NodeB组成。RNC负责无线资源管理、小区间移动性管理以及来自多个NodeB的业务聚合核心网包含电路域和分组域实体如MSC、SGSN和GGSN等。软切换是WCDMA的一项重要特性允许UE在同一频率上同时与多个NodeB保持连接并在RNC侧进行合并提高链路鲁棒性降低切换引起的掉话概率但也增加了系统复杂度和功耗。3GPP版本年份约关键WCDMA/HSPA特性说明Rel-992001WCDMA初版FDD/TDD、384 kbps下行、R99电路/分组业务3G WCDMA空口基础版本。Rel-4/52002–2005核心网拆分MSC server/MGW、引入HSDPA改善核心架构与分组数据性能。Rel-62006HSUPA、提升上行、HSPA上的VoIP增强上行能力和实时业务。Rel-72007HSPA、MIMO、更高阶调制提升容量和频谱效率。Rel-82008进一步HSPA特性为LTE铺路LTE并行出现WCDMA/HSPA持续演进。表1部分3GPP版本及其对应的WCDMA/HSPA关键特性。维度2G GSM3G WCDMA影响多址方式FDMA/TDMA宽带CDMAW-CDMA提升频谱效率支持更高数据速率。峰值速率GPRS/EDGE约百kbps级R99约384 kbpsHSPA更高支持移动互联网和多媒体业务。载波带宽200 kHz5 MHz宽带载波适应宽带业务需求。网络架构BSCBTS电路核心网RNCNodeB分组核心网SGSN/GGSN以分组数据为中心支持IP业务。表22G GSM与3G WCDMA在关键技术和架构维度上的高层对比。图4软切换中合并分支数量与合并增益关系示意。4. QoS业务类别与承载服务UMTS/WCDMA定义了会话类Conversational、流式类Streaming、交互类Interactive和后台类Background等业务类别用于刻画不同业务的QoS需求。承载服务通过配置最大速率、保证速率、时延、抖动和误码率等参数来满足具体应用需求。业务类别示例业务典型特征会话类Conversational语音、视频电话低时延、低抖动、上下行速率较为对称。流式类Streaming视频流可容忍一定时延对抖动相对敏感。交互类Interactive网页浏览、交互应用中等时延容忍度上下行可对称或非对称。后台类Background电子邮件、文件传输高时延容忍度尽力而为服务。表3WCDMA业务类别、示例业务及典型特征。QoS框架使运营商能够区分语音、视频和数据等业务并提供适当的调度和资源分配策略也为LTE和5G NR等后续系统中的QoS设计提供了借鉴。5. HSPA与HSPA演进高速下行分组接入HSDPA和高速上行分组接入HSUPA统称为HSPA显著提升了WCDMA的分组数据性能。HSDPA引入了快速调度、自适应调制编码、混合ARQ和新的共享信道HS-DSCH等概念HSUPA则提升了上行容量和时延性能。HSPA在此基础上进一步增加了64QAM等高阶调制、MIMO、连续分组连接等特性使下行峰值速率超过42 Mbps在一定程度上缩小了与早期LTE部署之间的差距。图5HSPA与HSPA下行峰值速率示意。6. 总结与遗产3G WCDMA相较2G系统实现了重大飞跃引入宽带CDMA空口、以分组数据为中心的核心网和QoS感知的承载服务支持第一波移动互联网和多媒体应用并通过HSPA/HSPA进一步提升能力。尽管LTE和5G NR已成为当前主力技术WCDMA在软切换、QoS类别以及RNC式无线资源管理等方面的设计思想仍然在后续系统演进中具有重要参考价值。
