ＷＣＤＭＡ標準的演進及其發(fā)展預測

中圖分類號:TN929.533 文獻標識碼:A 文章編號:1009-6868(2002)03-40-03

中國移動通信發(fā)展起步雖晚，但發(fā)展勢頭迅猛。截至2002年3月，中國移動電話用戶已超過1.6億，成為世界最大的移動通信網(wǎng)。目前中國以至世界范圍內(nèi)第2代移動通信系統(tǒng)，特別是GSM系統(tǒng)占據(jù)著絕大多數(shù)市場，但隨著多媒體業(yè)務、數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展，人們對通信業(yè)務和質(zhì)量的要求不斷增加。

早在1985年，國際電信聯(lián)盟(ITU)就提出了未來公用陸地移動通信系統(tǒng)的第3代移動通信概念，1996年改為IMT 2000。但由于移動通信在未來的信息產(chǎn)業(yè)中的重要作用，以及標準和市場之間聯(lián)系密切，第3代移動通信標準化工作由于各種利益交織而呈現(xiàn)出異常復雜的局面。標準之爭已成為名副其實的市場之爭，誰擁有標準，誰就將擁有未來的市場，這已是業(yè)界不爭的事實。1999年11月，ITU-R TG8/1會議確定了5個IMT 2000無線接口技術(shù)的框架性標準。其主流體制主要分為三大類——WCDMA，cdma 2000和中國的TD－SCDMA，焦點主要集中在WCDMA和cdma 2000上。而基于第2代移動通信的考慮和目前全球范圍內(nèi)3G的應用情況，可以說WCDMA已經(jīng)事實上成為最為主流、應用范圍最廣的第3代無線傳輸技術(shù)。

1 WCDMA標準化發(fā)展進程

世界五大標準制訂組織和若干制造運營商組成3GPP(第3代伙伴計劃)標準化組織，目標主要是制訂基于GSM MAP(移動應用協(xié)議)的核心網(wǎng)和基于WCDMA無線接口的第3代移動通信技術(shù)規(guī)范，此外還負責高碼片速率和低碼片速率TDD(時分雙工)模式的標準制訂和GSM標準的演進和維護。

3G標準化的一個非常突出的特點是版本多、更新快。目前WCDMA成形的標準版本基本上分為R99/R4/R5 3個階段，R6正處于構(gòu)思階段。其版本和擬完成日期參見表1。其中R99是目前最成熟、最穩(wěn)定的版本，且其后版本能與之后向兼容。

除對標準本身的修改和各公司出于自身利益考慮推出各自的技術(shù)外，WCDMA版本的演進過程基本上體現(xiàn)了技術(shù)和業(yè)務需求不斷提高的過程。

(1)考慮到二代GSM系統(tǒng)的應用情況和話音業(yè)務在一定時期內(nèi)占優(yōu)勢的現(xiàn)狀，R99采用基于GSM/GPRS MAP的核心網(wǎng)絡，引入新的WCDMA的無線接入網(wǎng)絡。

(2)隨著數(shù)據(jù)業(yè)務的增長和無線互聯(lián)網(wǎng)的應用，WCDMA的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)逐漸向全IP化方向發(fā)展，先是核心網(wǎng)，然后是全網(wǎng)IP化，R5是全IP的第1個版本。

(3)隨著日益增長的對高速數(shù)據(jù)業(yè)務的需求，無線接口上下行特別是下行數(shù)據(jù)傳輸速率在不斷提高。R4/R5版本中加入了很多增強無線接口傳輸能力的新技術(shù)，特別是R5引入支持下行速率達10 Mbit/s的HSDPA(高速下行分組接入)技術(shù)。

(4)隨著用戶對多業(yè)務的需求不斷提高，WCDMA標準在不同的版本中引入很多新業(yè)務，使業(yè)務向多樣化、個性化方向發(fā)展，代表性的有虛擬歸屬環(huán)境(VHE)概念、引入IMS(基于IP的多媒體業(yè)務)及形式多樣的補充業(yè)務等。

為保持技術(shù)和需求的同步，WCDMA標準化進程也與時俱進，不斷開展新的課題研究，形成標準，因此標準版本本身的發(fā)展就是一個不斷修改、成熟和發(fā)展的過程。

2 WCDMA各版本的演進和變化

以前業(yè)界一般認為R4只是個過渡版本，主要增加的是窄帶TDD模式和全IP化的初步，R5才是完善的全IP版本。但R5也不能實現(xiàn)完全的IP化，而R4中加入的窄帶TDD模式可能在中國會有用武之地。現(xiàn)在R4基本上已經(jīng)成形，內(nèi)容已經(jīng)凍結(jié)，而R5目前還沒有完全確定。

2.1 R4的特點及較R99的改進

2.1.1業(yè)務趨向?qū)崟r和多樣化

R4的業(yè)務與R99相比，更趨向于實時業(yè)務和多媒體業(yè)務，并在業(yè)務多樣化方面有較大進展，具體歸納如下：

(1)隨著分組交換(PS)域?qū)崟r業(yè)務不斷發(fā)展的需要，R4中針對實時業(yè)務設(shè)計了UTRAN(UMTS地面無線接入網(wǎng)，主要是Iu接口)中支持實時業(yè)務下PS域切換的優(yōu)化機制，使其更加支持VoIP/Multimedia over IP等業(yè)務；R4在R99基礎(chǔ)上改進PS域的QoS (服務質(zhì)量)過程，提供可靠的QoS服務，但只在UMTS(通用移動通信系統(tǒng))內(nèi)部進行。

(2)與R99在核心網(wǎng)的電路交換(CS)域支持基于小區(qū)標識的LCS(定位業(yè)務)相比，R4版本中LCS將在CS域和包括GPRS的PS域中獲得支持，并將在UTRAN FDD和UTRAN TDD中獲得支持。UTRAN中的定位方法將至少包括基于小區(qū)覆蓋、基于下行鏈路空閑周期測量到達時間差法(IPDL-OTDOA)和輔助GPS(全球定位系統(tǒng))等方法。

(3)在實現(xiàn)VHE概念的智能業(yè)務中，R4和R99都限于CAMEL3(移動網(wǎng)絡增強定制應用邏輯階段3)，R4比R99一方面增強了對電路交換型業(yè)務的CAMEL控制能力，另一方面也引入了對GPRS，SMS(短消息服務)等業(yè)務的CAMEL控制。

(4)R4在R99基礎(chǔ)上改進了用戶設(shè)備(UE)和網(wǎng)絡側(cè)的若干應用層業(yè)務開發(fā)工具包，如UE側(cè)的USIM(UMTS 用戶識別模塊)工具包、USAT(USIM應用工具包)解釋器等、UE側(cè)和網(wǎng)絡側(cè)的MExE(移動臺應用執(zhí)行環(huán)境)工具包，基本思想是從定義標準的業(yè)務轉(zhuǎn)向定義業(yè)務生成的工具，以方便添加新業(yè)務，實現(xiàn)VHE的目的。

(5)由于網(wǎng)絡側(cè)不斷增加新業(yè)務，終端側(cè)也不斷開發(fā)增加新功能和規(guī)范。如用戶設(shè)備的AT命令(終端設(shè)備和終端適配器之間的命令)集中，R4中增加了SIM(用戶識別模塊)命令支持VGCS(語音群組呼叫業(yè)務)和VBS(語音廣播業(yè)務)；在多媒體信息業(yè)務(MMS)規(guī)范中，R4明確定義MMS的最小支持格式集，并增加了MMS業(yè)務行為描述。

2.1.2無線接口及性能的提高

R4中最主要的特點是加入低碼片速率TDD模式(LCR TDD)，即由中國提出的TD-SCDMA，提高無線接口性能并修改了相關(guān)規(guī)范中的無線射頻和測試參數(shù)，在終端側(cè)也加入相應LCR TDD的一致性測試規(guī)范。

此外，R4還在很多性能方面較R99有很大的提高，簡要歸納如下：

(1)R4對現(xiàn)有UTRAN的RRM(無線資源管理)Iub/Iur接口的過程進行優(yōu)化，提高了終端用戶的服務質(zhì)量。R4在RNSAP(無線網(wǎng)絡子系統(tǒng)應用部分)中添加類似Iub的公共測量過程，以使SRNC(源無線網(wǎng)絡控制器)了解DRNC(漂移無線網(wǎng)絡控制器)中的負載情況，作為軟切換時的判據(jù)。

(2)R4改進了CS/PS的業(yè)務RLC(無線鏈路控制層)算法，并在網(wǎng)絡側(cè)對MAP控制層加密。MAP協(xié)議變化主要是對系統(tǒng)間和多呼叫切換的支持，增加對CAMEL3的支持。

(3)R4中加入不使用代碼轉(zhuǎn)換器的操作的功能。

(4)R4中加入DSCH(下行共享信道)在軟切換過程中增強功控的改進，是用SSDT(位置選擇分集)上行信令確定主輔小區(qū)，從而對DSCH的功率作相應調(diào)整。

(5)R4中增強OSA(開放業(yè)務結(jié)構(gòu))功能以實現(xiàn)VHE的概念，使業(yè)務獨立于下層網(wǎng)絡，在業(yè)務和網(wǎng)絡功能之間采用標準接口，R4新增12個OSA的API(應用協(xié)議接口)定義規(guī)范，以支持不同的應用。

(6)核心網(wǎng)和UTRAN側(cè)增加和改善的功能在終端側(cè)都有體現(xiàn)，都要增加相關(guān)的測試規(guī)范，具體反映在3GPP TSG-T1組(終端工作組1)的工作中。

(7)對現(xiàn)有的無線接入承載機制進行了優(yōu)化。目前主要的研究方向是VoIP的魯棒性頭壓縮(ROHC)，并已基本完成。

(8)給出了UTRA Repeater的相關(guān)規(guī)范、緊急呼叫業(yè)務(基于CS)性能增強、GTT(Global Text Telephony)業(yè)務和提高終端的節(jié)電性能方面的修改等。

2.1.3網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)分層化

由于業(yè)務的適用范圍和用戶群體的不同，從而造成局部高密度和高數(shù)據(jù)量用戶和廣大區(qū)域的中低密度用戶群共存的局面，因此可能產(chǎn)生FDD/FDD分層小區(qū)結(jié)構(gòu)和FDD/FDD，F(xiàn)DD/TDD基站共站址和重復覆蓋的問題，從而導致網(wǎng)絡分層化的趨勢。對于由此產(chǎn)生的干擾等問題，WCDMA規(guī)范也作了相關(guān)規(guī)定。

在網(wǎng)元結(jié)構(gòu)上增加了部分網(wǎng)元和結(jié)構(gòu)復雜性，R4在R99的基礎(chǔ)上增加了多媒體網(wǎng)關(guān)(MGW)和MSC/GMSC服務器。其中MSC 服務器和GMSC 服務器提供呼叫控制和移動性管理功能，MGW提供承載控制和傳輸功能，MGW還包含了流處理功能，主導思想是將傳輸、控制和業(yè)務分離。

2.2 R5的主要特點和發(fā)展

R5最主要的特點是引進HSDPA新技術(shù)、UTRAN/核心網(wǎng)中的全IP傳輸和IMS業(yè)務三方面，但由于要保證R5的及時完成，這三方面原定在R5中實現(xiàn)的若干功能和業(yè)務已被包括在R6中了。2002年3月基本上確定了R5所包括的范圍，而安全部分和部分無線接口相關(guān)內(nèi)容將在2002年6月完成。

2.2.1業(yè)務趨向多媒體和多樣化

R5最主要的業(yè)務特點是提供IMS業(yè)務，包括多媒體編譯碼、核心網(wǎng)絡與其他多媒體網(wǎng)絡的互通、多媒體消息服務的增強性業(yè)務、IMS業(yè)務的PS域端到端QoS保證等。其他方面同樣有很多業(yè)務增強，簡介如下：

(1)支持擴展帶寬(50 Hz～7 kHz)的多速率寬帶語音編碼器，可支持寬帶語音業(yè)務。

(2)R5在R4的基礎(chǔ)上將CAMEL業(yè)務升級到第4階段。

(3)R5對VHE概念也作了改進，具體包括：在OSA的業(yè)務中增加了推送業(yè)務(Push Service)；終端側(cè)改進了MExE，USIM，USAT等工具包的性能；增強OSA在多媒體呼叫控制上的應用及OSA安全等方面。

(4)R5中在終端側(cè)加入功能模塊結(jié)構(gòu)(Terminal Local Model)，協(xié)調(diào)不同的工具軟件間的運行，減少了應用軟件和OS/協(xié)議棧間的沖突。

(5)要求UE支持與版本無關(guān)的UMTS 1800(R4)/1900(R5)頻段，并增加了相關(guān)規(guī)范，進一步擴展了WCDMA應用的頻段范圍，與ITU擴展IMT 2000頻段的趨勢相適應。

2.2.2無線接口傳輸及性能的提高

R5采用了HSDPA技術(shù)，基本的技術(shù)特性是自適應編碼調(diào)制(AMC)和混合ARQ(混合重發(fā)請求)，減少延遲并增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝亢头逯禂?shù)據(jù)率，可達到8～10 Mbit/s的峰值數(shù)據(jù)速率，并有2～3倍的容量改善，特別適合移動多媒體等大量下載信息的業(yè)務。目前已經(jīng)定出第2階段的規(guī)范，并對受影響的核心規(guī)范進行了修改。但由于前面提到的和3GPP2高速數(shù)據(jù)業(yè)務的融合設(shè)想，所以HSDPA的規(guī)范進度可能還要受此影響，但不可能發(fā)生很大的變化。R5在安全性能、定位業(yè)務和其他方面也有很大的性能提高：

(1)網(wǎng)絡安全性能有很大增強，提供了基于網(wǎng)絡的端到端的安全保護。在接入網(wǎng)側(cè)繼續(xù)改進RLC算法，核心網(wǎng)中對控制平臺的保護從R4的只對MAP加密發(fā)展到對GTP(GPRS隧道協(xié)議)、CAP(CAMEL應用協(xié)議)、MAP和用戶平臺(IP)都進行加密保護。

(2)由于業(yè)務分層化的趨勢，R5中引入各種制式下(FDD/TDD/LCR TDD)的基站分級，將目前的單純基于宏蜂窩的基站，演進到分為廣域基站和局域基站等級別，更適合于分層小區(qū)。

(3)定位業(yè)務的增強包括基于事件的定位請求和周期性定位請求、Le接口標準化等方面。

(4)為減少分配的資源和增加資源分配的靈活性，R5中允許多個專用CCTrCH(編碼合成傳輸信道)采用不同SF(擴頻因子)的信道，將傳輸信道映射到多個CCTrCHs來考慮QoS差異比較大的情況。

(5)在現(xiàn)有壓縮模式方法的基礎(chǔ)上，R4/5中提出側(cè)重于靈活位置打孔的壓縮模式，更好地進行頻間和系統(tǒng)間測量。

(6)其他方面的改善有：DSCH硬拆分模式的增強、基于IP和PS的緊急呼叫性能增強、增強AMR(自適應多速率語音編碼)業(yè)務性能、終端節(jié)電功能等方面。

2.2.3網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和傳輸控制方式趨向

全IP化

網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)上將以前偏重于業(yè)務/交換/服務器節(jié)點的劃分趨向于功能的劃分，即不同的功能實體建立在共用的IP傳輸網(wǎng)上，完成不同的業(yè)務控制功能，向采用公共業(yè)務和傳輸平臺，業(yè)務、控制、傳輸分離的方向發(fā)展。

此外，R5將在全網(wǎng)中采用IP化，必選IPv6技術(shù)。UTRAN系統(tǒng)可選擇性地利用IP傳輸或AAL2(ATM適配層2)/ATM傳輸，提供支持3G業(yè)務的解決方案，提供UTRAN在Iu/Iur/Iub接口上傳輸信令和數(shù)據(jù)的IP技術(shù)。

3 WCDMA標準向后三代

技術(shù)演進的方向

從R99到R5標準的演進可以看出WCDMA的演進和發(fā)展方向。筆者認為，豐富的多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務、高速下行數(shù)據(jù)傳輸、全網(wǎng)IP化、不同無線接入技術(shù)間的切換和漫游等方面是WCDMA向后三代發(fā)展的方向，現(xiàn)簡述如下：

(1)多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務：從第1代移動通信的全話音業(yè)務到第2代的主要話音伴隨低速率數(shù)據(jù)業(yè)務，再到第3代的側(cè)重數(shù)據(jù)業(yè)務的發(fā)展趨勢，可以看出，話音業(yè)務和數(shù)據(jù)業(yè)務在移動通信中此消彼長。再從短消息在世界風行、日本imode的成功應用、WAP手機和網(wǎng)站的不斷增長的趨勢推測，多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務將成為一直對“Killer Application”概念比較模糊的3G業(yè)務的主要利潤增長點。

(2) 高速下行數(shù)據(jù)傳輸：多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務的不斷豐富和強化必然對上下行特別是下行數(shù)據(jù)傳輸速率提出更高的要求，到時2 Mbit/s的速率很顯然不符合需要，必將出現(xiàn)高速下行的技術(shù)解決方案，目前是以HSDPA為代表(如前所述)。其發(fā)展方向可能還有更寬的帶寬，更先進的調(diào)制技術(shù)等。

(3)全網(wǎng)IP化：如前述分析，WCDMA的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)正逐步向IP化發(fā)展，這也是支持基于IP的多媒體業(yè)務所需要的，可以推測后三代的網(wǎng)絡平臺將是基于IP的傳輸網(wǎng)，并與多種類型的服務器相結(jié)合，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)也趨向于分為接入層、控制層和應用層等分層結(jié)構(gòu)。未來網(wǎng)絡將提供開放的業(yè)務結(jié)構(gòu)，移動運營商可在網(wǎng)絡提供的開放業(yè)務平臺上開發(fā)出各種業(yè)務，做到業(yè)務開發(fā)和網(wǎng)絡運營分離。

(4)切換和漫游：基于目前世界上各種移動通信接入技術(shù)的應用情況復雜，而且在相當長的時間內(nèi)，各種體制并存的狀態(tài)將長期存在。為提供給用戶滿意的無“縫”接入及漫游服務，解決好不同無線接入體制間的切換和漫游將是后三代技術(shù)的一大重點。

實際上隨著3GPP和3GPP2的標準化工作逐漸深入和趨于穩(wěn)定，國際標準化組織(如ITU)早已將目光轉(zhuǎn)向了能提供更高無線傳輸速率和統(tǒng)一靈活的全IP網(wǎng)絡平臺的下一代移動通信新系統(tǒng)，一般稱為后三代，后IMT 2000，Beyond 3G或4G。

ITU-R的WP8F和ITU-T IMT 2000 SSG(IMT 2000 特別工作組)已經(jīng)開始了后IMT 2000的研究計劃。由于目前第3代移動通信技術(shù)還沒有大規(guī)模商用，技術(shù)能力又有很大的擴展空間，目前不宜確定下一代移動通信的概念，所以ITU強烈呼吁不要使用“第4代移動通信”這個術(shù)語。WRC-2000(2000年世界無線電大會)確定了IMT 2000的擴展頻譜，用于IMT 2000增強及后IMT 2000系統(tǒng)。目前ITU WP8F正在對這些頻譜進行規(guī)劃，預計2002年6月完成，并計劃完成后IMT 2000的目標和遠景。預計后IMT 2000技術(shù)的傳輸速率將超過100 Mbit/s，靜止環(huán)境最高速率可能會達到1 Gbit/s或更高，能更好地支持高速率的多媒體業(yè)務和寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務。目前日、美及歐洲等國，特別是日本正踴躍進行這方面的研究。事實上，雖然對于后IMT 2000技術(shù)還沒有形成清晰、一致的概念，但新一輪技術(shù)和標準之爭已拉開序幕。

4 結(jié)束語

綜上所述，WCDMA系統(tǒng)的整體演進方向為：網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)向全IP化發(fā)展，業(yè)務向多樣化、多媒體化和個性化方向發(fā)展，無線接口向高速傳送分組數(shù)據(jù)發(fā)展，小區(qū)結(jié)構(gòu)向多層次、多制式重復覆蓋方向發(fā)展，用戶終端向支持多制式、多頻段方向發(fā)展?？偠灾?，第3代移動通信最終的發(fā)展方向是實現(xiàn)個人通信的目標?！?/p>

(收稿日期：2002-01-26)

作者簡介

任惠民，深圳市中興通訊股份有限公司移動事業(yè)部高級工程師，碩士。1998年畢業(yè)于東北大學。主要研究方向是WCDMA通信標準和關(guān)鍵技術(shù)。

張軍，深圳市中興通訊股份有限公司移動事業(yè)部高級工程師，碩士。1999年畢業(yè)于北京理工大學。主要研究方向是WCDMA無線通信系統(tǒng)。

蒲迎春，深圳市中興通訊股份有限公司移動事業(yè)部主任工程師，碩士。從事WCDMA無線傳輸技術(shù)研究。

黃超，深圳市中興通訊股份有限公司移動事業(yè)部主任工程師，碩士。從事WCDMA無線傳輸關(guān)鍵技術(shù)研究。