优化UE与网络的无线接入方式

UTRAN的结构如图3.1所示。UTRAN由RNC和Node B组成，Node B也称作基站，其作用是在小区内实现无线信号的覆盖。Node B通过Uu接口连接到UE，通过Iub接口连接到RNC。逻辑上，UTRAN可以细分为多个RNS（Radio Network Subsystem，无线网络子系统），每个RNS受控于一个RNC。在图3.1中，RNC连接到CN的电路交换域上。

图3.1 UTRAN的结构

UE（User Equipment，用户设备）给用户提供网络接入服务，无线链路是UE和网络之间的接口。UE本身是由USIM（Universal Subscriber Identity Module，通用用户身份模块）和ME（Mobile Equipment，移动设备）组成的。网络为USIM和ME维护不同的标识符。

UMTS中，CN和UTRAN一起分层次进行移动性管理。CN追踪UE在RA（Routing Area，路由区域）级的位置。考虑到用户在UTRAN内的移动性和业务类型，为了让UE与UTRAN无线小区保持联系，RNC实现了UTRAN级的移动性管理功能（Kaarannen et al.，2001）。RNC用RRC（Radio Resource Control，无线资源管理）连接来追踪小区级或者URA（UTRAN Registration Area，UTRAN注册区域）级的用户位置。URA是指一定数量小区覆盖的范围。只有UTRAN内部才知道URA，所以对CN来说URA是看不见的。当进行数据传输时，RNC用活跃RRC连接追踪小区级的UE位置，当没有进行数据传输但是传输数据的可能性较高时，RNC追踪URA级的UE位置（3GPP，2002）。当追踪URA级的UE位置时，为了传输数据，RNC必须执行寻呼流程。我们将RRC的这两种状态分别称为小区连接和URA连接。

1.无线接口协议结构

无线接口协议分为3层，分别是物理层（层1或者PHY）、数据链路层（层2）和网络层（层3），后两层都分为几个子层。图3.2是详细的UMTS无线接口协议结构。最底部的3个层和子层统称为物理层、MAC层和RLC。其中MAC和RLC都属于层2的子层。

图3.2 WCDMA空中接口的协议结构（Brand and Aghvami，2002）

无线接口协议结构可以细分为控制平面（C-plane，即Control Plane）和用户平面（U-plane，即User Plane）。在处理信令承载的控制平面，RRC建立在RLC之上。RRC是层3的最底部子层，也是层3中唯一一个完全连接在UTRAN也终止在UTRAN的子层。在用户平面，层2可能需要根据服务要求而增加子层。PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分组数据汇聚协议）负责IP报头的压缩和解压，用户数据发送和维持为无损SRNC重定位而配置的无线承载序号。BMC（Broad-cast/Multicast Control，广播/多播控制）协议用于多播和广播服务。

物理层以传输信道的形式为MAC层提供服务，MAC层以逻辑信道的形式为RLC提供服务。传输信道由信息在空中接口上的传输方式来定义，而逻辑信道由被传输的信息类型来定义，数据链路层为更高层提供无线承载。RLC提供给RRC的控制面无线承载是无线信令承载。RRC不仅与RLC存在接口，还与RLC下面各层（Brand and Aghvami，2002）存在接口以达到控制目的。读者如果对无线接口协议感兴趣，可以在（3GPP，2008c）里查阅更多细节。

2.物理层基本原理

（3GPP，2007g）列出了物理层具有的多项功能，例如：

1）宏分集分配与合并、软切换的执行；

2）传输信道的FEC编码/解码、错误检测以及向上层报告错误；

3）在发射方从传输信道到CCTrCH（Coded Composite Transport Channel，编码组合传输信道）的复用，以及在接收方从CCTrCH到传输信道的解复用；

4）CCTrCH与物理信道间的映射；

5）物理信道的调制/扩频以及解调/解扩；

6）频率和时间同步，时间同步分别包括在时间片级、比特级、时隙级和帧级的同步；

7）测量误帧率，SIR和干扰功率等无线信道特征，这些将报告给更高层；

8）内环或闭环功率控制。

在WCDMA中，一个10ms的无线帧可以分为15个常规时隙。当时间片传输速率为3.84Mchip/s时，每个时隙大约相当于2560个时间片。在一个无线帧内，用户数据传输速率保持不变。然而，不同帧内的用户数据传输速率并不相等。由网络控制无线容量的分配，使分组数据服务的吞吐量达到最大。UTRA的调制方案是QPSK。

物理层用物理信道来进行空中接口上的数据传输。每个物理信道有其独特的码字、频率以及上行链路的相对相位，即同相（I相）或者正交相（Q相）。由于SF（Spreading Factor，扩频因子）是可变的，所以物理信道的信息传输速率也是可变的。在上行链路，SF的范围是256～4，下行链路中SF的范围是512～4。

在物理信道中，信号首先使用通道化标识码（Channelization Code）进行扩频，然后使用扰码，其中扰码的时间片传输速率与扩频码相同，以免影响信号带宽。通道化标识码的作用是隔离开数据源相同的信道，如在下行链路中同一个扇区或者小区的信道，上行链路中一个移动终端使用的多个专用信道。扰码的作用是分离不同数据源的信号。通道化标识码是基于OVSF（Orthogonal Variable Spreading Factor，正交可变扩频因子）的技术，根据OVSF技术，即使同时使用不同扩频因子的码字，也能从码树中选出相互正交的码字。UTRA中使用了两种扰码，周期为38400时间片的Gold码和周期为256时间片的扩展S（2）码。S（2）码是可选项，而且只用于上行链路。

物理层提供通往MAC子层的多种类型的传输信道。传输信道为单向信道，可以分为两类：公共传输信道和专用传输信道。公共传输信道为多用户所共享，如果要向某一特定的移动终端发送数据，必须携带该移动终端的带内标识（In-band Identification）信息。由于专用传输信道是专用于某种特定通信的，所以移动终端就可以隐含地被其所使用的物理信道指明（Brand and Aghvami，2002）。

下面是Release 99，第一个定义UTRAN和FDD模式的UMTS的系列所支持的通用传输信道：

1）上行链路的RACH（Random Access Channel，随机接入信道）；

2）下行链路的FACH（Forward Access Channel，前向接入信道）；

3）下行链路的DSCH（Downlink Shared Channel，下行共享信道）；

4）上行链路的CPCH（Common Packet Channel，公共分组信道）；

5）下行链路的BCH（Broadcast Channel，广播信道）；

6）下行链路的PCH（Paging Channel，寻呼信道）。

Release 99只定义了一种专用传输信道，那就是DCH（Dedicated Channel，专用信道）。

MAC层通过传输信道发往物理层的基本信息单元是传输块。在每一个TTI（Transmission Time Interval，传输时间间隔）内，MAC层都会将一个或一组传输块通过指定传输信道发送给物理层。那个传输块组中每个传输块大小都相等。不同的TTI内，传输块大小可以不同。

每个指定的传输信道都有其独特的传输格式，它含有如下一些属性，例如传输块大小、一个传输块集中的传输块数量、TTI、差错保护方案和CRC（Cyclic Re-dundancy Check，循环冗余校验）信息的大小。我们定义了“传输格式集”这个术语，用来描述传输信道的特性。

物理层能够将一个或多个传输信道复用到一个已编码的CCTrCH，每个被复用的信道保留自身的传输格式，其中传输格式是从传输格式集中挑选出来的。然而，并不是合并这些信道的所有排列方式都是可行的。事实上，只能使用一组授权的TFC（Transport Format Combination，传输格式组合）。在发射部分，物理层用TFI（Transport Format Identifier，传输格式标识符）来构造TFCI（Transport Format Com-binations Identifier，传输格式组合标识符），然后TFCI就被添加到物理控制信令上。通过在物理控制信道上对TFCI进行译码，接收端可以获得译出物理数据信道上的信息，并将信息以合适的传输信道格式传送给MAC。

3.MAC层基本原理

按照（3GPP，2008b）的定义，MAC层能够实现以下功能：

1）逻辑信道和传输信道之间的映射；(www.xing528.com)

2）根据数据源的瞬时速率，为传输信道选择合适的传输格式；

3）解决各种优先级分配问题，既包括来自一个终端的不同数据流的优先级，也包括来自不同终端的数据流的优先级；

4）在发射端将高层的PDU（Packet Data Unit，分组数据单元）复用到传输块，然后在发送端的物理层将传输块发送出去，最后在接收端的物理层将传输块解复用为PDU。

MAC子层有通往RLC的逻辑信道。逻辑信道可以分为两类，分别是传输控制平面信息的控制信道和传输用户平面信息的业务信道。控制信道包括：

1）BCCH（Broadcast Control Channel，广播控制信道），这是用于广播系统控制信息的下行链路信道；

2）PCCH（Paging Control Channel，寻呼控制信道），这是一个下行链路信道，当网络不知道UE位于哪个小区时或者当UE处于睡眠模式时，PCCH负责传输寻呼信息；

3）CCCH（Common Control Channel，公共控制信道），这是用于传输控制信息的双向信道；

4）DCCH（Dedicated Control Channel，专用控制信道），这是用于传输UE和网络间的专用控制信息的点对点双向信道。

两种业务信道如下：

1）DTCH（Dedicated Traffic Channel，专用业务信道），这是专门为某一个MS传输用户信息的点对点信道，可以是上行链路，也可以是下行链路；

2）CTCH（Common Traffic Channel，公共业务信道），为所有移动终端或者某组移动终端传输专门用户信息的点对多点单向信道（只用于下行链路）。

DTCH可以映射为专用或者通用传输信道。这是由被传信息的类型（由逻辑信道定义的）和无线接口的传输信道中信息的传输方式决定的。

MAC实体可以分为3类：MAC-b，MAC-s/ch和MAC-d。MAC-b在网络端管理BCH，它位于Node B。MAC_-s/ch负责管理所有其他的通用信道或者共享信道，它位于控制性RNC。最后，MAC-d管理DCH，DCH是唯一一个专用传输信道。MAC-d位于服务性RNC。

4.RLC层基本原理

RLC层提供3种面向高层的数据传输方式：透明数据传输、无应答数据传输和有应答数据传输。采用透明数据传输方式时，高层的PDU无需增加任何协议信息（例如RLC报头），直接发送出去。无应答数据传输是指不需要保证高层PDU可靠传输给对等实体。在无应答模式中，RLC负责错误检测，并且只将没有传输错误的SDU（Service Data Unit，服务数据单元）传输给高层的应用。在有应答模式，RLC层采用合适的ARQ技术实现无差错传输。ARQ是一种控制数据传输错误的方法，它利用应答和超时检测（time-out）来实现可靠数据传输。应答是接收端发送给发送端的一条消息，用于指示接收端已经正确接收数据帧或者数据包。如果在超时检测周期结束后发送者还没有接收到应答，那么发送方就重传数据帧或者数据包，直到发送方收到应答或者超出事先规定的重传次数。

5.物理信道

物理信道有其独特的码字、频率以及上行链路的相对相位，即I相（同相）或Q相（正交相）。更准确地说，上行调制是所采用的是双通道QPSK，也就是说I通道和Q通道分别采用BPSK调制。下行链路的调制方式是普通QPSK（也就是说，一个信道既调制为同相也调制为正交相位）。这意味着当给定扩频因子时上行链路信道和下行链路信道的符号传输速率是相等的，但是下行物理信道的传输速率是上行物理信道的两倍，举个例子，当扩频因子等于256时，下行链路传输速率是30kbit/s，上行链路传输速率是15kbit/s。与物理信道一样，存在没有对应传输信道映射的物理信号。通常来说，物理信道可以分为专用物理信道和公共物理信道两类。

所有的专用物理信道都有一个共同特点，那就是帧长度为10ms。在上行链路方向，携带物理层控制信息的DPCCH（Dedicated Physical Control Channel，专用物理控制信道）与DPDCH（Dedicated Physical Data Channel，专用物理数据信道）通过不同的码字实现复用。在下行链路方向，为了提高效率，层2及其以上层生成的数据与物理层控制信息进行时分复用后映射到DPCH（Dedicated Physical Channel，专用物理信道）上。

上行链路定义的公共物理信道包括PRACH（Physical Random Access Channel，物理随机接入信道）和PCPCH（Physical Common Packet Channel，物理公共分组信道）。不难想到，它们分别用于传输RACH和CPCH。

下行链路定义了如下一些物理信道和信号：

1）CPICH（Common Pilot Channel，公共导频信道），每个小区必须有一个P-CPICH（Primary CPICH，主CPICH），一个或一个以上的S-CPICH（Secondary CPICH，辅助CPICH）。P-CPICH必须在整个小区进行广播，而S-CPICH可以仅在小区的一部分传输，例如采用智能天线技术。

2）P-CCPCH（Primary CCPCH，主公共控制物理信道），它传输速率固定，用于传输BCH。

3）S-CCPCH（Secondary CCPCH，辅助公共控制物理信道），它传输速率可变，用于传输FACH和PCH。

4）SCH（Synchronization Channel，同步信道），它是用于小区搜索的下行链路信号，它由初级SCH和第二级SCH两个子信道组成。

5）PDSCH（Physical Downlink Shared Channel，物理下行共享信道），它用于传输DSCH。

许多指示信道也是下行通用物理信道的一部分。其中的4个为下行通用物理信道操作提供其所需的快速下行信令，即PRACH和PCPCH。指示信道包括：

1）AICH（Acquisition Indicator Channel，捕获指示信道），它传输回应PRACH前同步码的AI。

2）AP-AICH（Access Preamble AICH，接入前缀捕获指示信道），它传输回应CPCH接入前同步码的API。

3）CD/CA-ICH（CPCH Collision Detection/Channel Assignment Indicator Chan-nel，冲突检测/信道分配指示信道），它可能传输CDI，当为CPCH进行信道分配时，它也可能传输回应CPCH冲突检测前同步码的CDI/CAI。

4）CSICH（CPCH Status Indicator Channel，CPCH状态指示信道）传输SI（Status Indicator，状态指示），指示CPCH是否可用的信令。

5）PICH（Paging Indicator Channel，寻呼指示信道），它传输PI（Paging Indi-cator，寻呼指示）。

6.信道映射

图3.3表示的是逻辑信道和传输信道间的映射关系。DTCH可以映射到通用传输信道或者专用传输信道，比如RACH、CPCH、DSCH、FACH和DCH。多个DTCH可以同时映射到一个DCH，但是不同的DTCH必须映射到不同的DCH，这都取决于相关无线承载的配置。

图3.3 逻辑信道与传输信道之间的映射

物理层通过连接高层的传输信道提供服务。物理层还提供指示信息，它们是不取决于信息块，可以直接在传输信道上发送的快速低级信令实体。传输信道和指示与物理信道之间的映射如图3.4所示。

图3.4 传输信道和指示与物理信道之间的映射