ＷＣＤＭＡ標準的演進及其發展預測

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

中國移動通信發展起步雖晚，但發展勢頭迅猛。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。目前中國以至世界范圍內第2代移動通信系統，特別是GSM系統占據著絕大多數市場，但隨著多媒體業務、數據傳輸的發展，人們對通信業務和質量的要求不斷增加。

早在1985年，國際電信聯盟(ITU)就提出了未來公用陸地移動通信系統的第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業中的重要作用，以及標準和市場之間聯系密切，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3G的應用情況，可以說WCDMA已經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。

1 WCDMA標準化發展進程

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(移動應用協議)的核心網和基于WCDMA無線接口的第3代移動通信技術規范，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外，WCDMA版本的演進過程基本上體現了技術和業務需求不斷提高的過程。

(1)考慮到二代GSM系統的應用情況和話音業務在一定時期內占優勢的現狀，R99采用基于GSM/GPRS MAP的核心網絡，引入新的WCDMA的無線接入網絡。

(2)隨著數據業務的增長和無線互聯網的應用，WCDMA的網絡結構逐漸向全IP化方向發展，先是核心網，然后是全網IP化，R5是全IP的第1個版本。

(3)隨著日益增長的對高速數據業務的需求，無線接口上下行特別是下行數據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，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。

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

為保持技術和需求的同步，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展就是一個不斷修改、成熟和發展的過程。

2 WCDMA各版本的演進和變化

以前業界一般認為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。現在R4基本上已經成形，內容已經凍結，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業務趨向實時和多樣化

R4的業務與R99相比，更趨向于實時業務和多媒體業務，并在業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)域實時業務不斷發展的需要，R4中針對實時業務設計了UTRAN(UMTS地面無線接入網，主要是Iu接口)中支持實時業務下PS域切換的優化機制，使其更加支持VoIP/Multimedia over IP等業務；R4在R99基礎上改進PS域的QoS (服務質量)過程，提供可靠的QoS服務，但只在UMTS(通用移動通信系統)內部進行。

(2)與R99在核心網的電路交換(CS)域支持基于小區標識的LCS(定位業務)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)等方法。

(3)在實現VHE概念的智能業務中，R4和R99都限于CAMEL3(移動網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)等業務的CAMEL控制。

(4)R4在R99基礎上改進了用戶設備(UE)和網絡側的若干應用層業務開發工具包，如UE側的USIM(UMTS 用戶識別模塊)工具包、USAT(USIM應用工具包)解釋器等、UE側和網絡側的MExE(移動臺應用執行環境)工具包，基本思想是從定義標準的業務轉向定義業務生成的工具，以方便添加新業務，實現VHE的目的。

(5)由于網絡側不斷增加新業務，終端側也不斷開發增加新功能和規范。如用戶設備的AT命令(終端設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(語音群組呼叫業務)和VBS(語音廣播業務)；在多媒體信息業務(MMS)規范中，R4明確定義MMS的最小支持格式集，并增加了MMS業務行為描述。

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規范中的無線射頻和測試參數，在終端側也加入相應LCR TDD的一致性測試規范。

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

(2)R4改進了CS/PS的業務RLC(無線鏈路控制層)算法，并在網絡側對MAP控制層加密。MAP協議變化主要是對系統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，從而對DSCH的功率作相應調整。

(5)R4中增強OSA(開放業務結構)功能以實現VHE的概念，使業務獨立于下層網絡，在業務和網絡功能之間采用標準接口，R4新增12個OSA的API(應用協議接口)定義規范，以支持不同的應用。

(6)核心網和UTRAN側增加和改善的功能在終端側都有體現，都要增加相關的測試規范，具體反映在3GPP TSG-T1組(終端工作組1)的工作中。

(7)對現有的無線接入承載機制進行了優化。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的相關規范、緊急呼叫業務(基于CS)性能增強、GTT(Global Text Telephony)業務和提高終端的節電性能方面的修改等。

2.1.3網絡結構分層化

由于業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據量用戶和廣大區域的中低密度用戶群共存的局面，因此可能產生FDD/FDD分層小區結構和FDD/FDD，FDD/TDD基站共站址和重復覆蓋的問題，從而導致網絡分層化的趨勢。對于由此產生的干擾等問題，WCDMA規范也作了相關規定。

在網元結構上增加了部分網元和結構復雜性，R4在R99的基礎上增加了多媒體網關(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、控制和業務分離。

2.2 R5的主要特點和發展

R5最主要的特點是引進HSDPA新技術、UTRAN/核心網中的全IP傳輸和IMS業務三方面，但由于要保證R5的及時完成，這三方面原定在R5中實現的若干功能和業務已被包括在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內容將在2002年6月完成。

2.2.1業務趨向多媒體和多樣化

R5最主要的業務特點是提供IMS業務，包括多媒體編譯碼、核心網絡與其他多媒體網絡的互通、多媒體消息服務的增強性業務、IMS業務的PS域端到端QoS保證等。其他方面同樣有很多業務增強，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，可支持寬帶語音業務。

(2)R5在R4的基礎上將CAMEL業務升級到第4階段。

(3)R5對VHE概念也作了改進，具體包括：在OSA的業務中增加了推送業務(Push Service)；終端側改進了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中在終端側加入功能模塊結構(Terminal Local Model)，協調不同的工具軟件間的運行，減少了應用軟件和OS/協議棧間的沖突。

(5)要求UE支持與版本無關的UMTS 1800(R4)/1900(R5)頻段，并增加了相關規范，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，基本的技術特性是自適應編碼調制(AMC)和混合ARQ(混合重發請求)，減少延遲并增加數據傳輸的吞吐量和峰值數據率，可達到8～10 Mbit/s的峰值數據速率，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務。目前已經定出第2階段的規范，并對受影響的核心規范進行了修改。但由于前面提到的和3GPP2高速數據業務的融合設想，所以HSDPA的規范進度可能還要受此影響，但不可能發生很大的變化。R5在安全性能、定位業務和其他方面也有很大的性能提高：

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

(2)由于業務分層化的趨勢，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。

(3)定位業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)在現有壓縮模式方法的基礎上，R4/5中提出側重于靈活位置打孔的壓縮模式，更好地進行頻間和系統間測量。

(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)業務性能、終端節電功能等方面。

2.2.3網絡結構和傳輸控制方式趨向

全IP化

網絡結構上將以前偏重于業務/交換/服務器節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傳輸網上，完成不同的業務控制功能，向采用公共業務和傳輸平臺，業務、控制、傳輸分離的方向發展。

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

3 WCDMA標準向后三代

技術演進的方向

從R99到R5標準的演進可以看出WCDMA的演進和發展方向。筆者認為，豐富的多媒體數據業務、高速下行數據傳輸、全網IP化、不同無線接入技術間的切換和漫游等方面是WCDMA向后三代發展的方向，現簡述如下：

(1)多媒體數據業務：從第1代移動通信的全話音業務到第2代的主要話音伴隨低速率數據業務，再到第3代的側重數據業務的發展趨勢，可以看出，話音業務和數據業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手機和網站的不斷增長的趨勢推測，多媒體數據業務將成為一直對“Killer Application”概念比較模糊的3G業務的主要利潤增長點。

(2) 高速下行數據傳輸：多媒體數據業務的不斷豐富和強化必然對上下行特別是下行數據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，必將出現高速下行的技術解決方案，目前是以HSDPA為代表(如前所述)。其發展方向可能還有更寬的帶寬，更先進的調制技術等。

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

(4)切換和漫游：基于目前世界上各種移動通信接入技術的應用情況復雜，而且在相當長的時間內，各種體制并存的狀態將長期存在。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定，國際標準化組織(如ITU)早已將目光轉向了能提供更高無線傳輸速率和統一靈活的全IP網絡平臺的下一代移動通信新系統，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)已經開始了后IMT 2000的研究計劃。由于目前第3代移動通信技術還沒有大規模商用，技術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。目前ITU WP8F正在對這些頻譜進行規劃，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技術的傳輸速率將超過100 Mbit/s，靜止環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務和寬帶數據業務。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技術還沒有形成清晰、一致的概念，但新一輪技術和標準之爭已拉開序幕。

4 結束語

綜上所述，WCDMA系統的整體演進方向為：網絡結構向全IP化發展，業務向多樣化、多媒體化和個性化方向發展，無線接口向高速傳送分組數據發展，小區結構向多層次、多制式重復覆蓋方向發展，用戶終端向支持多制式、多頻段方向發展。總而言之，第3代移動通信最終的發展方向是實現個人通信的目標。□

(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部高級工程師，碩士。1998年畢業于東北大學。主要研究方向是WCDMA通信標準和關鍵技術。

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

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

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