TD-SCDMA网络结构和接口的分析.doc

TD-SCDMA的网络结构和接口
摘要：TD-SCDMA是我国提出的具有自主知识产权的第三代移动通信标准，是国际四大主流3G标准之一。TD-SCDMA标准的产生对推动中国电信业的发展有重要的战略意义。本文从TD-SCDMA的网络结构入手，详细介绍了TD-SCDMA系统各部分的组成，连接各组成部分的接口以及各接口所使用的协议。

关键词：TD-SCDMA 3G 网络结构  接口   协议

第一章 概述
1.1 第三代移动通信概述
第三代移动通信系统（3rd Generation,3G）最早于1985年由国际电信联盟（ITU）提出，许多国家和地区的电信设备制造商先后提出了十多种空中接口建议。经过不断地协商和融合，最后形成了三大主流标准，即欧洲的WCDMA、美国的CDMA2000和中国的TD-SCDMA。第三代手机是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统，它能够处理图像，音乐，视频等多种媒体形式，提供包括网页浏览，电话会议，电子商务等多种信息服务。第三代移动电话带来全新概念的移动通信，其鲜明的特点是高速度，多媒体，个性化。在传输速度上第三代移动通信比第二代高上200多倍。
1998年6月30日，经国家有关主管部门批准，大唐电信代表中国向国际电信联盟提交了中国的第三代移动通信标准TD-SCDMA，2000年5月，TD-SCDMA被国际电信联盟接纳并成为3G三大主流标准之一。TD-SCDMA为我国通信产业的发展创造了宝贵的机遇。因为通信市场之争关键在于技术标准之争，在第一代和第二代通信发展中，由于我国不掌握核心技术，付出了上百亿美元的移动通信标准的专利费和知识产权费。未来中国的第三代移动通信大约有1万亿元的市场，由于我们有了自己的TD-SCDMA标准及核心技术，能使我们处于同发达国家平起平坐的地位，中国的制造商和运营商均取得更为明显的经济利益，最终用户也可能大大降低通信费用支出。同时，TD-SCDMA能成为3G国际标准，也说明我国的经济实力明显增强，在技术创新上，我国具有了参与核心技术竞争的实力。近期，随着中国电信业重组的逐步深化，3G时代已经离我们起来越近了。

1.2 TD-SCDMA的技术特色
TD-SCDMA标准公开后在国际上引起强烈的反响，它具有以下明显的技术特色：
（1） 采用TDD双工方式，便于频谱划分并能更好地满足未来移动多媒体业务非对称特性的发展趋势和需求；
（2） 利用DS-CDMA技术，采用TDMA和CDMA混合多址方式，有利于无线资源的合理分配和高效利用；
（3） 1.28Mchip/s低chip速率传输，使设备复杂度和成本较低；
（4） 采用联合检测，智能天线，上行同步，接力切换等先进技术，抗干扰能力强，掉话率低；
（5） 适合软件无线电的应用。
以上的技术特色使TD-SCDMA标准与其他3G标准相比具有较为明显的优势，主要体现在：
（1） 频谱分配更为灵活；
（2） 高频谱利用率；
（3） 更适合未来非对称业务的特点。

1.3 3G主流标准的比较
WCDMA是世界上获得3G牌照最多的标准，最初主要由Ericsson，Nokia公司表的欧洲通信厂商提出，其核心网基于GSM MAP。这些公司都在第二代移动通信技术和市场占尽了先机，并希望能够在第三代依然世界领先的地位。日本由于在第二代移动通信时代没有采用全球范围内的作为，所以日本希望借第三代的契机，能够进入国际市场。以NTT DoCoMo为主的各个公司提出的技术与欧洲的WCDMA比较相似，二者融合，成为现在的WCDMA系统。WCDMA主要采用带宽为5MHz的宽带CDMA技术，上下行快速功率控制，下行发射分集，基站间可以异步操作等技术特点。
CDMA2000是在IS-95系统的基础上由Qualcomm,Lucent,Motorola和Nortel等公司一起提出的，CDMA2000技术的选择和设计最大限度地考虑和IS-95系统的兵役兼容，可以使现有的CDMA运营商在IS-95系统的基础上平滑过渡到3G。
TD-SCDMA是我国提交的第三代移动通信标准，其核心网基于GSM MAP，中国大唐电信拥有自主知识产权，适合于人口多的国家使用。
WCDMA和CDMA2000都采用FDD模式的技术，而TDD由于本身固有的特点突破了FDD的许多限制，由于是上下行不需要连续对称频段，这一点在频谱资源日益紧张的今天尤显重要。TD-SCDMA就是在这种趋势下产生的，它在三个标准中具有最高的频谱效率。
TDD和FDD多址方式的比较

第二章 TD-SCDMA的网络结构
2.1 IMT2000的目标和要求
1.全球漫游。用户能够以低成本的多模式终端在整个系统和全球漫游；
    2.适用于多种环境。IMT2000应该适应于多层小区结构，如微微小区，微小区，宏小区等，同时将地面移动通信系统和卫星移动通信结合在一起。
    3.提供多种业务，如高质量话音，可变速率的数据，高分辨率的图象和多媒体业务等；
4.具有较高的频谱利用率和较大的系统容量。为此，系统需要拥有强大的多种用户管理能力，高保密性能和服务质量；
5.在全球范围内，系统设计必须保持高度一致。在IMT2000家族内部，以及与IMT2000与固定通信网之间的业务要相互兼容。
6.有较好的经济性能，即网络投资费用，包括网络建设费，系统设备费和用户终端费要尽可能低。并且终端设备体积小，耗电省，满足通信个人化的要求。
为了实现上述目标，对IMT2000的无线传输技术提出了以下要求：
1.为支持高速率数据和多媒体业务，在各种条件下所应支持的业务速率为：
（1）室内环境至少2Mbps;
（2）室外步行环境至少384Kbps;
（3）室外车载运动中至少114Kbps。
2.传输速率能够按需分配；
3.上，下行链路适应于传输不对称业务的需要。
同时，第三代移动通信应能够后向兼容第二代移动通信系统，实现2G到3G的平滑过渡。
2.2 TD-SCDMA网络结构概述
TD-SCDMA的网络结构和UMTS的网络结构是一样的。其基本结构网络如下图所示：

UMTS网络主要由CN，UTRAN，CN和外部网络组成，其中前三部分是UMTS网络的主体。UE和UTRAN间的接口称为Uu接口，是无线接口，又称为空中接口。UTRAN和CN之间的接口称为Iu接口，是有线接口。下面介绍UMTS各网络单元。

1.UE（用户终端设备）
包括移动设备（Mobile Equipment,ME）和UMTS用户识别模块（UMTS Subscriber Identity Module,USIM）组成，其中移动设备提供应用和服务，UMTS用户识别模块提供用户身份识别。
2.UTRAN（UMTS陆地无线拉入网）
由Node  B和无线网络控制器（RNC）两部分组成。Node B通过Iub接口与RNC互连，通过Uu接口与UE进行通信，RNC主要完成连接建立和断开，切换，宏分集合并，无线资源管理控制等功能，RNC之间的通信主要通过Iur接口完成。
3.CN（核心网络）
负责与其他网络的连接和对UE的通信和管理，由移动业务交换中心/访问位置寄存器（Mobile Switch Center/Visitor Location Register，MSC/VLR），网关移动业务交换中心（Gateway Mobile Switch Center，GMSC），服务GPRS支撑节点（Serving GPRS Supporting Node，SGSN），网关GPRS支持节点（Gateway GPRS Supporting Node，SGSN），归属位置寄存器（Home Location Register，HLR）组成。
4.External Network（外部网络）
可以分为两类：电路交换网络（CS Network），提供电路交换的连接服务，如通话服务；分组交换网络（PS Network）：提供数据包的连接服务，Internet属于分组数据交换网络。
UMTS与GSM网络相比，CN部分变化不大，UTRAN部分主要有如下接口：
1.Uu接口：Uu接口是UMTS的无线接口。UE通过Uu接口接入UMTS的固定网络部分，它是UMTS中最重要的开放接口。
2.Iu接口：Iu接口是连接UTRAN与CN的接口。Iu接口是一个开放的标准接口，这也使通过Iu接口相连接的UTRAN与CN可以分别由不同的设备制造商提供。
3.Iur接口：Iur接口是连接RNC之间的接口。Iur接口是UMTS特有的接口，用于对无线接入网中移动台的移动管理。
4.Iub接口：Iub接口是连接Node B与RNC之间的接口，Iub接口也是一个开放的标准接口。
UE部分有Cu接口：Cu接口是USIM卡和ME之间的电气接口，Cu接口采用标准接口。
2.3 UMTS陆地无线接入网

UMTS陆地无线接入网的结构图如上图所示。UTRAN包含一个或几个无线网络子系统（Radio Network Subsystem，RNS）。一个RNS由一个无线网络控制器（RNC）和一个或多个基站（Node B）组成。RNS是一个逻辑概念，是用户与核心网中MSC和SGSN的连接枢纽，话音通过Iu-CS接口由RNS送往MSC，数据信息由Iu-PS接口送往SGNS。
每个RNS管理一组小区的资源，通常UE和UTRAN的扇区连接时，只涉及一个RNS，此时这个RNS称为服务RNS（Serving RNS，SRNS）；由于软切换的出现，可能会发生一个UE与UTRAN的连接使用多个RNS资源的情况，这里就引入了漂移RNS（Drift RNS，DRNS）。SRNS与DRNS的关系如下图：

Node B是UMTS的无线收发信机，通过标准的Iub接口和RNC互连，主要完成Uu接口物理层协议的处理。它的主要功能是信道编码和交织，速率匹配，调制和扩频，还包括提供基带信号和射频信号的相互转换等功能，还完成一些如内环功率控制等无线资源管理功能。
无线网络控制器（RNC）用来支持和管理它所带的Node B，具体功能如下：
（1）执行系统信息的广播与系统接入控制功能；
（2）切换和RNC迁移等移动性管理功能；
（3）宏分集合并、功率控制、无线承载分配等无线资源管理和控制功能。
控制Node B的RNC称为该Node B的控制RNC（CRNC），CRNC负责对其控制的小区的无线资源进行管理；服务RNC（SRNC）管理UE和UTRAN之间的无线连接，它是对应于该UE的Iu接口的终止点；漂移RNC（DRNC）控制UE使用的小区资源，可以进行宏分集合并、分裂。这三个概念只是从逻辑上进行描述。实际中，一个RNC通常可以包含SRNC，DRNC和CRNC的功能，另外，这几个概念是从不同层次上对RNC的一种描述。SRNC和DRNC是针对一个具体的UE和UTRAN的连接中，从专用数据处理的角度进行区分，CRNC是从管理整个小区公共资源的角度出发派生的概念。
通过前面对Node B和RNC的介绍，UTRAN的主要功能如下：
（1）系统的接入控制；
（2）无线信号的收发和无线信道的加密，解密；
（3）与移动相关的功能；
（4）无线资源管理与控制。
2.4 用户设备
用户终端设备（User Equipment，UE）通过Uu接口与无线网络设备进行数据交换，为用户提供CS域和PS域内各种业务功能，主要包括射频处理单元，基带处理单元，协议栈模块和应用层软件模块等。如下图所示，UE由两部分组成：移动设备（Mobile Equipment，ME）和用户识别模块（User Service Identity Module，USIM）。

移动设备（ME）用于完成语音或数据信号在空中的接收和发送，它包含两个方面的内容：
（1）支持无线接入以及相关功能；
（2）支持端到端的应用。
移动设备是移动网络中用户真正看到的唯一部分，移动设备根据其支持的不同功能，又被分为不同的操作模式：
（1）PS/CS操作模式：手机可同时监测PS域和CS域，且能同时进行PS和CS服务；
（2）PS操作模式：手机只能监测PS域，话音信息也走PS域，如VoIP（Voice over IP）；
（3）CS操作模式：手机只能监测CS域，数据也走CS域，相当于在数据的传送方面没有实现包交换。
用户识别模块（USIM）用于识别唯一的移动台使用者。主要功能是：
（1）对USIM的规范信息能通过空中接口以安全的模式更新；
（2）用户鉴权；
（3）安全机制以保证USIM的信息安全可靠。
2.4 核心网

如图所示，UMTS核心网部分由3个部分组成，核心网电路交换（Core Network-Circuit Switched，CN-CS），核心网包交换（Core Network-Packet Switched，CN-PS），以及两者共有的部分。
核心网电路交换部分主要处理语音信息，包括网关交换中心（GMSC），移动交换中心（MSC），访问位置寄存器（VLR），互连单元（IWF）和回声抑制（EC）等功能设备。
核心网包交换部分主要处理数据信息，包括网关GPRS支撑节点（GGSN），服务GPRS支撑节点（SGSN）。
公共部分主要完成注册、鉴权功能，包括位置归属寄存器（HLR），鉴权中心（AC），设备识别寄存器（EIR）。
UMTS核心网的功能如下：
（1）呼叫的处理和控制；
（2）信道的管理和分配；
（3）越区切换和漫游的控制；
（4）用户位置信息的登记与管理；
（5）用户号码和移动设备号码的登记和管理；
（6）对用户实施鉴权，互连功能；
（7）计费功能。
第三章 TD-SCDMA的网络接口和协议栈
3.1 Uu接口概述
Uu接口是UTRAN与用户设备的接口，也称无线接口或者空中接口。Uu接口是TD-SCDMA系统区别于其它3G系统的关键。
3.2 Iub接口
Iub接口是RNC与Node B之间的接口，用来传输RNC和Node B之间的信令及无线接口的数据，包括用户数据传送、用户数据及信令的处理和Node B逻辑上的操作和维护等三部分。它的协议栈是典型的三平面表示法：无线网络层、传输网络层和物理层。
无线网络层由控制平面的NBAP和用户平面的帧协议（FP）组成。传输网络层目前采用ATM传输，在Release 5以后的版本中，引入了IP传输机制。物理层常用的标准接口是E1和STM-1。由于RNC与Node B之间具有较短的传输距离，没有必要采用复杂的七号信令系统，所以无线网络层和传输网络层控制平面中作为信令承载的SS7协议栈被更为简单的SAAL-UNI所代替。
3.3 Iur接口
Iur接口是两个RNC之间的逻辑接口，用来传送RNC之间的控制信令和用户数据。Iur接口是一个开放接口，其最初的设计是为了支持RNC之间的软切换，但是后来加入了其它特性，现在Iur接口的主要功能是支持基本的RNC之间的移动性、支持公共信道业务、支持专用信道业务和支持系统管理过程。
同Iub接口类似，Iur协议栈也是典型的三平面表示法：无线网络层、传输网络层和物理层。无线网络层由控制平面的RASAP和用户平面的帧协议（FP）组成。传输网络层目前采用ATM传输，在Release 5以后的标准中，将引入IP传输机制。在物理层实现中可以使用多种标准接口，目前常用的是E1和STM-1。
Iur接口的功能包括支持基本的RNC之间的移动性、支持公共信道业务、支持专用信道业务、支持系统管理。
3.4 Iu接口
Iu接口是连接UTRAN和CN的接口，同时也可以看作RNS和CN之间的参考点，Iu接口也是一个开放接口，它将系统分成专用于无线通信的UTRAN和负责处理交换、路由及业务控制的两部分。图示为Iu接口的基本结构，其中一个CN可以与几个RNC相连，而任何一个RNC与CN之间的Iu接口可以分为3个域：Iu-CS（电路交换域）、Iu-PS（分组交换域）和Iu-BC（广播域）。

Iu接口协议栈的所有域都可分为无线网络层和传输网络层。在无线网络层，对于PS域和CS域，Iu接口协议栈分为控制平面和用户平面，对应的协议是无线接入网应用协议（RANAP）和Iu接口用户平面帧协议，对于BC域，不区分控制平面和用户平面，对应的协议是服务区广播协议（Service Area Broadcast Protocol，SABP）。Iu接口的功能有：
（1）无线接入承载管理功能；
（2）无线资源管理功能；
（3）连接管理功能；
（4）用户平面管理功能；
（5）移动性管理功能；
（6）安全功能。
第四章 TD-SCDMA空中接口
4.1 概述
TD-SCDMA系统的空中接口是用户和（UE）和UMTS陆地无线接入网（UTRAN）之间的Uu接口，通常也称为无线接口。其主要功能是用来建立、重配置和释放各种3G无线承载业务的。不同的空中接口协议使用各自的无线传输技术，因此第三代移动通信三种主流标准的区别主要体现在空中接口上。
空中接口是一个完全开放的接口，主要由物理层，数据链路层和网络层组成。具体结构如下图所示。

3.2 空中接口结构
空中接口的整体结构如下图所示。物理层（层1）支持数据信息在物理介质上的传输，向高层提供数据传输业务。数据链路层（层2）由媒体接入控制（MAC）子层、无线链路控制（RLC）子层、分组数据协议汇聚（PDCP）子层和广播/多播控制（BMC）子层组成，该层可以在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输，并向网络层提供良好的服务接口。网络层（层3）由无线资源控制（RRC）、移动性管理（MM）和连接管理（CM）三个子层组成，完成无线接入网络和终端之间交互的所有信令处理以及和更高层之间的关系。层2和层3的功能又可以分为两个平面：用户平面（U平面）和控制平面（C平面）。用户平面包括数据流和相应的承载，用户所发的所有信息，都经过这个平面传输。控制平面负责对无线承载以及UE和网络之间的连接控制。层2中的数据协议汇聚（PDCP）子层和广播/多播控制（BMC）子层仅在用户平面。此外，按其信令与接入是否有关，空中接口也分为接入层和非接入层。层1、层2和层3的RRC子层属于接入层，而层3的MM，CM子层属于非接入层。

3.3 信道的定义和映射关系
在空中接口中，物理层通过传输信道向媒体接入控制子层（MAC）提供数据传输服务。MAC子层通过逻辑信道向无线链路控制子层（RLC）提供数据传输业务。下面介绍逻辑信道、传输信道和物理信道。
1.逻辑信道
逻辑信道可以分为两类：用来传输控制平面信息的控制信道，和用来传输用户平面信息的业务信道。控制信道分为广播控制信道（BCCH），寻呼控制信道（PCCH），公共控制信道（CCCH），专用控制信道（DCCH），共享控制信道（SHCCH）。业务信道分为公共业务信道（CTCH），专用业务信道（DTCH）。
2.传输信道
传输信道分为公共传输信道和专用传输信道。公共传输信道有7类：广播信道（BCH），寻呼信道（PCH），前向接入信道（FACH），随机接入信道（RACH），上行共享信道（USCH），下行共享信道（DSCH）以及高速分组下行链路接入（HSPDA）。专用传输信道仅有一类专用传输信道（DCH），可用于上下行链路作为承载网络和特定UE之间的用户信息和控制信息。
3.物理信道
物理信道可以分为两大类：专用物理信道（DPCH）和公共物理信道（CPCH）。共有13种不同的物理信道，分别是主公共控制信道（P-CCPCH），辅助公共控制信道（S-CCPCH），快速物理接入信道（FPACH），物理随机接入信道（PRACH），同步信道（DwPCH,UpPCH），物理上行共享信道（PUSCH），物理下行共享信道（PDSCH），寻呼指示信道（PICH），HS-DSCH的共享控制信道（HS-SCCH），高速物理下共享信道（HS-PDSCH），HS-DSCH的共享信息信道（HS-SICH），广播多播指示信道（MBMS），物理层公共控制信道（PLCCH）。
信道映射关系

所谓信道映射，是指一种承载关系。例如某传输信道映射到某物理信道，也就是指该传输信道的数据由该物理信道来承载。所有的传输信道都有至少一个物理与之相映射，而部分物理信道与传输信道没有映射关系（这部分物理信道在图中未画出），这些物理信道只传输物理层自身的信息。
4.4数据链路层协议
数据链路层协议从下到上分为四层：媒体接入控制（MAC）子层，无线链路控制（RLC）子层，分组数据协议汇聚（PDCP）子层和广播/多播控制子层。
MAC子层负责处理来自RLC子层与RRC子层的数据流，其主要功能是向高层提供3种业务：数据传输，无线资源和MAC参数的重分配以及测量报告。数据传输功能提供MAC子层对等层实体之间服务数据单元的非确认传输，非确认传输即虽然传输数据但不保证数据正确传输到对方，保证数据正确传输以及数据分段/重组功能都是由RLC层完成的。根据RRC的请求，MAC子层可执行无线资源的重分配和改变MAC层参数的功能，在TD-SCDMA系统中，MAC子层可以自主处理资源分配而不需要高层的指示。同时，在RRC层的控制下，MAC子层可以向RRC子层报告当前的业务流量和质量，以便RRC子层根据当前业务流量和质量对资源进行控制。
RLC层为用户和控制数据提供分段和重传业务。从该层开始，层2 和层3被分为控制平面和用户平面两个平面。在控制平面，RLC子层向高层提供的服务为信令无线承载（SRB），SRB通常在RRC子层建立连接期间建立；在用户平面，RLC子层向高层提供的服务为无线承载（RB），用于实现用户平面的一个无线接入承载或其子流。根据业务类型的不同，RLC实体可以分为3种模式：透明模式（TM），非确认模式（UM）和确认模式（AM）。究竟选择哪种模式取决于无线承载业务对服务质量的要求，也就是说对模式的选择主要是根据业务的特性决定的。
PDCP层只存在于用户平面，处理PS业务。通常，每一个RB连到一个PDCP实体，每一个PDCP实体都对应于一个RLC实体。主要实现的功能有数据包头压缩和用户数据传输。
BMC层也只是只存在于用户平面，对除了广播/多播业务外的所有业务都是透明的。BMC实体在空中接口用非确认模式发送公共用户数据。主要实现的功能有小区广播消息的存储，业务量监测和为小区无线广播服务请求无线资源，BMC消息的调度，发送BMC消息以及将小区广播信息发送到高层。
4.5 网络层协议
网络层包括3个子层：无线资源控制（RRC）子层，移动性管理（MM）子层和连接管理（CM）子层。
RRC子层主要完成无线资源的控制和管理功能，其中包括UE和UTRAN之间传递的几乎所有控制信令，以及UE在各种状态下无线资源使用的情况、测量任务和执行的操作等。RRC子层主要有6个功能实体组成，分别是：路由功能实体，广播控制功能实体，寻呼及通告功能实体，专用控制功能实体，共享控制功能实体，传输模式实体。RRC子层在连接模式下有4种不同状态：CELL_DCH状态，CELL_FACH状态，CELL_PCH状态，URA_PCH状态。下面详细介绍4种状态及它们之间的转换。

1.CELL_DCH状态
UE被分配专用的物理信道，并且SRNC能够知道UE所在的小区；在此状态下，UE可以使用专用的传输信道、上下行共享信道或者两者的组合。
2.CELL_FACH状态
UE与UTRAN之间没有专用的物理信道连接。可以使用RACH/FACH信道传递信令或少量的用户数据，同时也可以建立一个或多个USCH/DSCH信道。
3.CELL_PCH状态
在CELL_PCH状态下UE没有专用的物理信道，并且不可以使用任何上行物理信道。UE将根据网络提供的算法选择PCH信道，并使用DRX（非连续接收）监控与之相伴随的PICH读取寻呼信息，以达到终端节电的目的。此状态下，小区重选必须迁移到CELL_FACH状态。
4.URA_PCH状态
URA_PCH状态与CELL_PCH状态非常类似。两者区别在于在URA_PCH状态下，UTRAN通过UE最后一次上报的小区更新消息确定其位置。在此状态下，UE也可以进行小区重选，重选后不执行小区更新，而是从BCH中读取UTRAN注册区标识（URA），仅当URA发生变更时，UE才将其位置信息重新通知SRNC。同CELL_PCH一样，此动作也要迁回到CELL_FACH状态。URA由一个或多个小区组成，多个URA在地理上可以覆盖，这种重叠区域设置在一定程度上避免了网络的乒乓效应。
MM子层主要功能是支持用户终端的移动性，另一个功能是向上层连接管理子层的不同实体提供连接管理业务。移动性管理子层包括两个程序：非GPRS业务的MM程序和GPRS业务的GMM程序。
CM子层包括CC呼叫控制、SMS（GSMS）短消息业务、SM会话管理和SS补充业务等对网络提供业务的控制、提供和支持。