1.2 WCDMA系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成

1.2.1 WCDMA的系統(tǒng)組成

與其他移動(dòng)通信系統(tǒng)類(lèi)似，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能上看，WCDMA系統(tǒng)可以劃分為如圖1.3 所示的核心網(wǎng)（CN）、無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)（UTRAN）以及終端用戶(hù)設(shè)備（UE）三大部分。其中核心網(wǎng)負(fù)責(zé)處理WCDMA系統(tǒng)內(nèi)用戶(hù)的語(yǔ)音呼叫、數(shù)據(jù)連接及與外部網(wǎng)絡(luò)的交換和路由；無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)用于處理所有與無(wú)線有關(guān)的功能，由于采用了UTRA（UMTS的陸地?zé)o線接入）技術(shù)，所以稱(chēng)為UTRAN；WCDMA系統(tǒng)中的用戶(hù)終端設(shè)備UE可以類(lèi)比于GSM中的MS。

在圖1.3 中，核心網(wǎng)（CN）、無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)（UTRAN）和終端用戶(hù)設(shè)備（UE）三大部分由兩個(gè)開(kāi)放的接口Uu和Iu連接起來(lái)，其中Uu接口連接UE和UTRAN，Iu接口連接UTRAN和CN。Uu和Iu兩個(gè)開(kāi)放接口的標(biāo)準(zhǔn)化使得WCDMA系統(tǒng)的不同部分可以獨(dú)立開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，任何符合要求的終端和系統(tǒng)設(shè)備都可以在WCDMA系統(tǒng)中正常運(yùn)行，這就給設(shè)備制造商和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)了極大的便利。

圖1.3中的Uu接口就是空中接口，UTRAN支持FDD和TDD兩種工作方式，其中FDD對(duì)應(yīng)WCDMA空中接口，TDD對(duì)應(yīng)TD-CDMA空中接口和TD-SCDMA空中接口。顯然，WCDMA系統(tǒng)采用的是WCDMA空中接口。

核心網(wǎng)（CN）、無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)（UTRAN）和終端用戶(hù)設(shè)備（UE）的主要特點(diǎn)如下所述。

（1）核心網(wǎng)絡(luò)CN

核心網(wǎng)負(fù)責(zé)與其他網(wǎng)絡(luò)的連接、管理UE以及與UE的通信?？紤]到從GSM系統(tǒng)演進(jìn)到WCDMA系統(tǒng)需要較長(zhǎng)的時(shí)間，因此核心網(wǎng)除了可接入WCDMA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)外，還可以接入GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

WCDMA核心網(wǎng)的特點(diǎn)是網(wǎng)元種類(lèi)多，各個(gè)版本的核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)和組成大相徑庭，具體結(jié)構(gòu)與組成將在1.2.2節(jié)中詳細(xì)說(shuō)明。

（2）無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)UTRAN

UTRAN負(fù)責(zé)連接核心網(wǎng)絡(luò)與終端，其主要功能有：

● 無(wú)線資源管理與控制；

● 接入控制；

● 移動(dòng)性處理；

● 功率控制；

● 隨機(jī)接入的檢測(cè)和處理；

● 無(wú)線信道的編/解碼。

UTRAN結(jié)構(gòu)和組成的詳細(xì)說(shuō)明見(jiàn)1.2.3節(jié)。

（3）終端UE

UE通過(guò)空中接口Uu與UTRAN連接，為用戶(hù)提供核心網(wǎng)提供的各種業(yè)務(wù)功能，包括語(yǔ)音、短信、視頻電話(huà)和移動(dòng)數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)。

UE由ME（Mobile Equipment，移動(dòng)設(shè)備）和USIM（UMTS Subscriber Identity Module，UMTS用戶(hù)識(shí)別單元）兩部分組成，兩部分通過(guò)Cu接口連接。ME的主要結(jié)構(gòu)包括射頻處理單元、基帶處理單元、協(xié)議棧模塊和應(yīng)用層軟件模塊等部分，并通過(guò)空中接口Uu與UTRAN連接。USIM與GSM的SIM作用相同，存儲(chǔ)了用戶(hù)的重要信息。

1.2.2 WCDMA核心網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

WCDMA核心網(wǎng)根據(jù)UMTS規(guī)范分為R99，R4和R5等多個(gè)版本，相應(yīng)的核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)與組成也大不相同，以下將分別加以介紹。

1.R99核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)與組成

R99的WCDMA核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)與GPRS核心網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)是一樣的，如圖1.4所示。

從圖1.4中可以看到，R99的核心網(wǎng)的設(shè)備分為電路域與分組域兩大部分，電路域部分是從GSM系統(tǒng)的核心網(wǎng)發(fā)展而來(lái)的，而分組域部分是從GPRS系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)的。

電路域基于電路交換網(wǎng)絡(luò)，利用電路來(lái)承載業(yè)務(wù)，在通信過(guò)程中以電路獨(dú)占的方式保證了電路域的通信質(zhì)量，并需要建立和釋放電路的過(guò)程。電路域的設(shè)備中包括MSC（移動(dòng)交換中心）/VLR（拜訪用戶(hù)位置寄存器）和GMSC（移動(dòng)交換中心網(wǎng)關(guān)）等。

分組域基于分組交換網(wǎng)絡(luò)，信令和數(shù)據(jù)都是以數(shù)據(jù)包的形式在分組網(wǎng)中傳輸?shù)模佑行У乩昧司W(wǎng)絡(luò)資源，因而可以提供更高的傳輸效率。考慮到通信的可靠性，在數(shù)據(jù)通信前，需要建立端到端的隧道，從而保證了服務(wù)質(zhì)量。分組域的主要設(shè)備是SGSN（GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)）和GGSN（GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)）。

電路域和分組域共用一些設(shè)備，負(fù)責(zé)提供用戶(hù)管理和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理。這類(lèi)設(shè)備包括：HLR（歸屬位置寄存器）、AUC（鑒權(quán)中心）和SCP（智能網(wǎng)設(shè)備）等。另外，還有一些業(yè)務(wù)支撐設(shè)備同時(shí)提供了與電路域和分組域的接口，如SMSC（短消息中心）。

R99的核心網(wǎng)同時(shí)可以接入2G（GSM/GPRS）的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和3G（WCDMA）的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，也就是2G和3G共核心網(wǎng)，并且由MSC擔(dān)當(dāng)電路域的接口，SGSN擔(dān)當(dāng)分組域的接口。

R99核心網(wǎng)各個(gè)組成部分的功能如下：

（1）MSC（移動(dòng)交換中心）

MSC是電路域的處理中樞，負(fù)責(zé)完成業(yè)務(wù)處理、語(yǔ)音交換和計(jì)費(fèi)等任務(wù)。MSC通過(guò)連接的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，為服務(wù)區(qū)域內(nèi)的終端用戶(hù)提供服務(wù)。

（2）VLR（拜訪用戶(hù)位置寄存器）

VLR是系統(tǒng)用來(lái)存儲(chǔ)由本地提供服務(wù)用戶(hù)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，供MSC在業(yè)務(wù)處理時(shí)查詢(xún)，這些信息包括用戶(hù)的識(shí)別號(hào)碼、所處的具體位置以及為用戶(hù)提供的服務(wù)等參數(shù)等，其中一些信息來(lái)自HLR。物理上VLR與MSC是一體的，只是從功能上分為兩個(gè)邏輯實(shí)體。

（3）GMSC（移動(dòng)交換中心網(wǎng)關(guān)）

GMSC是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與其他電路交換網(wǎng)絡(luò)（如ISDN，GSM和CDMA等）的接口。

（4）HLR（歸屬位置寄存器）

HLR是系統(tǒng)用來(lái)存儲(chǔ)注冊(cè)用戶(hù)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，每個(gè)移動(dòng)用戶(hù)都需要在某個(gè)歸屬位置寄存器注冊(cè)登記。HLR主要存儲(chǔ)兩類(lèi)信息：有關(guān)用戶(hù)的各項(xiàng)參數(shù)（如業(yè)務(wù)屬性、號(hào)碼和用戶(hù)狀態(tài)）和有關(guān)用戶(hù)目前所處位置（移動(dòng)到哪個(gè)MSC/VLR和SGSN下）的信息。

（5）AUC（鑒權(quán)中心）

AUC是用來(lái)配合HLR實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)用戶(hù)的身份鑒別，只允許合法用戶(hù)接入網(wǎng)絡(luò)并獲得服務(wù)。物理上，AUC與HLR是一體的，只是從功能上分為兩個(gè)邏輯實(shí)體。

（6）SGSN（GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)）

從名稱(chēng)上看就知道SGSN是用于分組域業(yè)務(wù)。SGSN的角色類(lèi)似于電路域的MSC/VLR，負(fù)責(zé)為服務(wù)區(qū)域內(nèi)的分組數(shù)據(jù)用戶(hù)提供服務(wù)，并進(jìn)行分組數(shù)據(jù)用戶(hù)的接入控制、安全認(rèn)證和位置管理等工作。

（7）GGSN（GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)）

GGSN負(fù)責(zé)將分組數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，是GPRS網(wǎng)絡(luò)與外部分組交換網(wǎng)絡(luò)的接口，需要完成協(xié)議轉(zhuǎn)換、路由選擇和消息過(guò)濾等工作，GGSN功能類(lèi)似電路域的GMSC。

在圖1.4中還可以看到，核心網(wǎng)設(shè)備之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的接口連接，除了MSC/VLR和HLR/AUC之間的接口已經(jīng)變成內(nèi)部接口外，MSC與2G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間的接口為A接口，MSC與HLR之間的接口為D接口；而SGSN與2G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間的接口為Gb接口，SGSN與HLR之間的接口為Gr接口，SGSN與GGSN之間的接口為Gn接口。這些接口都在GSM和GPRS的相應(yīng)規(guī)范中定義。

在這些接口中，Gb接口基于幀中繼網(wǎng)絡(luò)，Gn接口基于IP網(wǎng)絡(luò)，而A接口、D接口和Gr接口等都基于電路交換網(wǎng)絡(luò)，采用SS7信令。

由于UTRAN需要通過(guò)Iu接口接入到核心網(wǎng)中，而核心網(wǎng)分為兩個(gè)業(yè)務(wù)域，對(duì)應(yīng)不同的接口設(shè)備，因此Iu接口也分為Iu-CS接口（電路域）和Iu-PS接口（分組域）兩個(gè)接口。UTRAN通過(guò)Iu-CS接口連接到MSC，通過(guò)Iu-PS接口連接到SGSN，這兩個(gè)接口都基于ATM網(wǎng)絡(luò)。

2.R4核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)與組成

R4核心網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖1.5所示，目前中國(guó)聯(lián)通的WCDMA核心網(wǎng)就是基于此版本。與R99核心網(wǎng)相比，R4核心網(wǎng)絡(luò)主要變化發(fā)生在電路域上，引入了移動(dòng)軟交換MSS，而分組域沒(méi)有變化。

從圖1.5中可以看到，R4的電路域采用分層結(jié)構(gòu)，為此R99中MSC網(wǎng)元被MSC-Server網(wǎng)元和MGW（Media Gateway，媒體網(wǎng)關(guān)）網(wǎng)元取代，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)承載與控制的分離。MSC-Server對(duì)應(yīng)MSC的控制功能，包括呼叫控制、用戶(hù)管理、計(jì)費(fèi)和協(xié)議管理等，還包含MGW的控制，并包含VLR的功能；MGW對(duì)應(yīng)MSC的承載功能，主要是負(fù)責(zé)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的接入，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通過(guò)A接口和Iu-CS接口與MGW相連。值得注意的是，由于MSC-Server承擔(dān)控制功能，因此無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的信令還需要透過(guò)MGW傳輸，由MSC-Server進(jìn)行處理。MSC-Server也可以簡(jiǎn)寫(xiě)為MSC-S。

由于引入了新的網(wǎng)元，因此R4的電路域也引入了3種新的開(kāi)放接口：Mc接口、Nc接口和Nb接口。其中，Mc接口是MSC-Server與MGW之間的接口，采用媒體網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議MEGACO/H.248；Nc接口是MSC-Server之間的接口，采用BICC（Bearer Independent Call Control，與承載無(wú)關(guān)的呼叫控制）協(xié)議；Nb接口是MGW之間的接口，用于業(yè)務(wù)的承載。

目前Mc接口、Nc接口和Nb接口多基于ATM網(wǎng)絡(luò)，隨著技術(shù)的發(fā)展將逐步向IP網(wǎng)絡(luò)過(guò)渡。此外，Iu-PS接口已經(jīng)IP化，而Iu-CS接口也在考慮IP化。

3.R5核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)與組成

與R4核心網(wǎng)相比，R5核心網(wǎng)絡(luò)主要變化是增加了IMS（IP多媒體子系統(tǒng)）域，未來(lái)中國(guó)聯(lián)通的WCDMA核心網(wǎng)有可能會(huì)升級(jí)到此版本。IMS域的基本結(jié)構(gòu)如圖1.6所示。

IMS域?qū)4中分層結(jié)構(gòu)的思想又推進(jìn)了一步，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)控制層的完全分離，業(yè)務(wù)應(yīng)用層采用AS（Application Server，應(yīng)用服務(wù)器）提供各種應(yīng)用，大大方便了各種新業(yè)務(wù)的引入。

IMS域?qū)⒖刂乒δ芊纸鉃镃SCF（Call Session Control Function，呼叫會(huì)話(huà)控制功能）實(shí)體、MGCF（Media Gateway Control Function，媒體網(wǎng)關(guān)控制功能）實(shí)體和MRF（Media Resource Function，媒體資源功能）實(shí)體，這些功能實(shí)體之間都通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)連接。

IMS域還引入了歸屬用戶(hù)服務(wù)器HSS（Home Subscribers Server），配合SLF（Subscibers Location Function，用戶(hù)定位功能），取代了傳統(tǒng)的HLR。HSS與CSCF之間采用Cx接口。

IMS實(shí)現(xiàn)了全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)，目前被視為基于IP的軟交換的發(fā)展方向，正朝著移動(dòng)網(wǎng)與固網(wǎng)融合的方向發(fā)展。

1.2.3 WCDMA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

WCDMA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC）和若干個(gè)基站Node B組成，如圖1.7所示。其中RNC與核心網(wǎng)CN連接，負(fù)責(zé)控制Node B，并且承擔(dān)無(wú)線資源的管理和調(diào)度工作；而Node B提供無(wú)線資源，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)覆蓋，通過(guò)空中接口與終端UE連接，是終端接入網(wǎng)絡(luò)的門(mén)戶(hù)。RNC與Node B之間通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)連接。為了方便理解，圖1.7中RNC可以看成GSM網(wǎng)絡(luò)中的基站控制器，而Node B可以看成GSM網(wǎng)絡(luò)中的基站收發(fā)信臺(tái)。

UTRAN比GSM的BSS系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，UTRAN的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1.8所示。

在圖1.8中，RNC和Node B之間通過(guò)Iub接口連接，RNC以及其下屬的Node B構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，稱(chēng)為RNS（Radio Network Subsystem，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)）。與GSM不同的是，UTRAN中RNC和RNC之間還需要建立連接，該接口命名為Iur接口。

Iu，Iub和Iur接口建立在傳輸網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，其中Iu接口是一個(gè)統(tǒng)稱(chēng)，實(shí)際上分為Iu-CS和Iu-PS兩個(gè)接口，分別接入核心網(wǎng)不同的設(shè)備，詳細(xì)情況可以參閱1.1節(jié)的內(nèi)容。目前成熟的產(chǎn)品Iu-CS接口以采用ATM技術(shù)的為多，而Iu-PS接口已經(jīng)采用了IP技術(shù)。Iur接口往往是邏輯接口，可以包含在Iu-CS接口中，不需要建立單獨(dú)的物理連接。Iub接口同時(shí)采用了ATM技術(shù)以及IP技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)基站的雙接入。

與核心網(wǎng)不同版本結(jié)構(gòu)發(fā)生變化不同，各個(gè)版本的UTRAN的結(jié)構(gòu)沒(méi)有變化，只是組成部分的功能有了擴(kuò)充和改進(jìn)。比如，R5的UTRAN支持HSDPA技術(shù)，因此Node B和RNC也就增加了HSDPA的處理能力；而R6的UTRAN支持HSUPA技術(shù)，因此Node B和RNC也相應(yīng)增加了HSUPA的處理能力；而R7的UTRAN支持HSPA+技術(shù)，因此Node B和RNC也相應(yīng)增加了HSPA+的處理能力。

目前中國(guó)聯(lián)通WCDMA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基于R6的版本，并正在向R7升級(jí)。