主要内容：
1、UMTS的基本理论。简述无线通信的发展历史以及他们之间的变化。
2、UMTS基本结构的介绍。从逻辑视图介绍UMTS的功能结构，GSM及GPRS向UMTS过渡的结构变化。
3、无线接口。UMTS作为UTRAN网络并且是FDD方式下的空中接口特性，包括：
  a、WCMDA空中接口的基本原理
  b、UTRAN网络的总体介绍，协议模型、物理层、RLC层、MAC层的基本功能以及所对应的信道、空中接口的通信过程、调制解调方案及AMR等。
4、基本通信过程。移动台至核心网之间的通信过程。

一、UMTS Introduction
目标：

1、UMTS是什么？
2、UMTS的标准由谁制定、这些标准的特点及不同标准的差异。
3、UMTS现状，各国license发布情况。

1、移动通信的基本发展过程
    第一代以模拟制式为代表的空中无线接口的应用主要有：NMT（北欧）、TACS（英国）、AMPS（北美）及R2000（铁路应用）等。多种标准的存在使得彼此不兼容，不能互联互通。
    第二代移动通信引入数字和调频技术，最典型的技术有：GSM（欧洲）、CDMA IS-95（北美）、D-AMPS（北美）、IS-136（北美）等。在整个发展过程中，主要有三个分支，分别是欧洲、北美和日本的移动通信发展历程。日本的分支由于比较独立，一般不在讨论之中。
作为欧洲第二代移动通信技术的典型代表是GSM，GSM在空中接口的主要特点：多址方式—TDMA，采用8路时分复用的多址方式，每用户的接入是通过占用物理信道的时隙来区分。从网络侧考虑，区分上下行链路的双工方式是FDD。在每一个频率上使用8路时分复用，微观的占用时间片来区分多路用户的个人通信。在通信过程中，每个用户得到的物理资源是时隙，在GSM中物理信道的定义为：物理信道（Phy channel）＝频率（Frequence）+时隙号（TS number）。由于采用电路交换方式，每用户在通信过程中，将一直占用网络分配的物理信道直至通信结束。在空中接口，物理信道的分配是采用固定的分配方式。一个用户对应一个时隙（TS），时隙用于传送话音时，话音的净比特速率（经过原编码后的速率）为13kbit/s(FR)或12.2kbit/s(EFR)；传送数据时，单信道最大传输速率为9.6kbit/s（限值），由于受限于该速率，所以GSM的数据业务归为承载业务，主要是通过GSM网络承载数据到外部网络。但是，如果在软件上升级，也可以支持到14.4kbit/s的数据速率。
    随着数据业务的发展，为提高空中接口上的数据传送速率，在GSM基础上提出了2.5代的GPRS技术。GPRS提供的是一种数据服务，它不能独立于GSM存在，它的目的只是在GSM系统上提供高速有效地传递数据业务的服务。因此，GPRS的无线部分不会发生变化，仍然沿用GSM的无线接口，采用TDMA帧结构，但交换方式由电路交换转变为分组交换方式。在2.5代系统中，核心网交换域由电路交换域（CS Domain）和分组交换域（PS Domain）构成。从数据速率和业务的角度来说，GPRS可以提高空中接口中数据业务的速率，而对于话音速率没有任何影响。如何在GSM系统数据速率受限的前提下提高空中接口的数据速率？可以有两种方法：第一是改变信道编码方案，提高每用户的单信道数据净比特率。在GSM系统中，空中接口上的每用户信息是按20ms分块，每信息块包含456bits，传输速率为22.8kbit/s。456bits的信息块内容大体可以分成二部分，即有用消息字段和保护字段。从22.8kbps角度来说，要提高传输速率，也就是在20ms时间段，增加信息块的有用消息字段的长度，减少保护字段的长度。这种机制即所谓的信道编码（channel coding）。这种方案的实现带来的缺陷就是由于保护字段的减少，数据包在空中接口传递时，它的可靠性会有所下降，数据包对无线接口的敏感性会加重，也就是对载干比（能量之比）的要求将会提高，基本要达到14dB以上，才能满足CS4的编码方案。对于CS4编码，数据速率为20.4kbps，与22.8kbps比较，几乎没有保护。而数据业务比较关键的是块的差错率、块的丢失率，话音业务比较注重的因素是时延。随着单信道数据速率的提高，对无线信道空中接口的载干比要求也会提高，因此通过提高单信道数据传递速率的方法并不是最有效的。作为第二种方案，就是通过多时隙分配来实行数据速率的提高，也就说通过改变无线资源的分配使每用户根据数据量的大小动态分配占用多个时隙来完成分组数据块的传送。这种动态分配从两个角度来考虑，首先是每用户空中接口的最大可占用时隙为8个TS，其次是每时隙可支持的最大用户数为8个。二种方案前者是通过提高单信道速率，后者是通过提高资源利用率的角度来实现数据传递速率的提升。理论上，GPRS网络能够提供的最大数据传递速率是采用CS4编码方式，8时隙共用的前提下得到的值为160kbps。而实际上，当前的小区规划中定义的分组时隙取决于业务量的大小，以最大4个TS为例，（1＋3）个TS的配置方式是指1个时隙是静态分配给分组时隙，3个时隙作为混合方式的分配，完成分组或话音业务的传送。因此，目前最大的时隙分配是4个TS。从信道编码方式来考虑，目前使用较多的是CS1和CS2方案，CS1多用于信令，而CS2可以动态选择支持业务和信令。CS2的速率理论值是12.2kbps，考虑一定的阻塞（5％），实际有效速率是10kbps，而CS1只有8kbps。因此，从网络侧考虑，最大的数据传递速率只有40kbps。从移动台来看，对于GPRS移动终端来说，移动台有所谓的多时隙能力的指标值。多时隙能力是指移动台在上下行链路上同时能够获得的最大无线资源能力，即能获得的最大时隙数。在规范中移动台按多时隙能力被分成class1~class29共29个级别，而目前网络能支持的只有class1~class13共13个级别。对于一个3＋1级别的移动台来说，该移动台在下行方向上最大只能同时获得3个时隙，在上行方向上最大只能获得1个时隙。目前MOTO各式包括测试手机最大的也就是3＋1的移动台，通常使用的也就是2＋1或其他级别的手机。因此，数据速率还要取决于移动终端的级别，移动台只有在class29级别时，才能真正实现8＋8的时隙配置。所以，在实际过程中，手机真正能获得的数据传输速率在下行方向上目前也只有30kbps，这也是目前GPRS网络能够提供的有效速率，一般变化范围在20～40kbps之间。这里所讲的速率是净比特速率，指的是业务数据包经过多重分装后，在进入RLC的MAP层之前的速率，并不是指经过信道编码之后的速率。所以，在考虑数据速率时，必须清楚所处的阶段，是原编码速率、经过信道编码的速率还是经过调制后的速率。
    在GPRS网络中，空中接口的传递速率，无论是30kbps还是160kbps，都显得太低，这样就存在了由GSM和GPRS网络继续向上过渡的系统要求，被称为E-GSM和E-GPRS，其中，E代表的是EDGE技术。EDGE技术是采用了空中接口上不同的无线处理方式，主要是调制方案的改变。由于采用不同的调制方案，可以提高空中接口的信息传输速率，在原有基础上提高3倍的数据速率的增长。因此，E-GSM的数据速率可以达到43.2kbps，E-GPRS可以达到480kbps。EDGE技术的缺点是由于无线接口调制方案的改变，需要改变所有BTS基站的硬件和软件。EDGE技术早在二年前，欧洲的GSM网络就已经投入商用。对于一个大型网络，由于采用EDGE技术所需要的追加投资将非常巨大，这也就是我国目前没有引入这一技术的主要原因。
    作为GSM营运商，为提高数据的传递速率，可能会考虑的方案是GSM/GPRS网络直接向UMTS的演进。UMTS技术作为欧洲3G的典型代表，在空中接口上选择了码分多址CDMA的方式，在双工方式上，既可以选择FDD方式，也可以采用TDD方式，取决于空中接口的规范。在FDD方式下，UMTS理论速率为2Mbps，是每用户所能得到的最大净比特速率，指未经过信道编码之前的速率，而实际上可以达到2.1Mbps。这个速率是含有数据包头的数据流，如用户的数据是IP数据，IP应用层数据可能是某个FTP数据包，数据包在封装时会选择各种合适的底层协议数据，即IP数据的包头。
    第二个移动通信演进的分支，是北美分支。首先作为第一代系统，选择的是800MHz的AMPS系统。北美与欧洲的发展模式不同，欧洲在模拟系统中由于采用了多种制式，导致它在做GSM规范时，力求一体化，所以GSM是先有规范后有网络。而这个问题，对北美来说就不是那么重要。由于北美从一开始就选择了统一的AMPS制式，所以它首先要考虑的是不断改善网络的性能。作为北美第二代系统的一个重要分支D-AMPS系统，就是在原有的AMPS基础上引入了数字化技术。与此同时，欧洲GSM1900MHz也被引入了北美，作为第二代系统的补充。北美二代系统的第三个分支，就是高通公司研制并拥有专利的CDMA系统。CDMA在北美的发展大致经历了几个阶段，首先是窄带CDMA，引入的是IS-95空中接口的标准，IS-41是核心网标准（对应GSM是MAP标准）。IS-95标准系列通称为CDMA One技术，1993年IS-95标准被最终确定，作为第一个被引入的CDMA系统，采用的是IS-95A的标准，标准确定在扩频时使用的带宽为1.25MHz、速率为1.2288Mcps，相对于WCDMA中5MHz的带宽，1.25MHz带宽则被称为窄代系统。对于CDMA来说，物理信道的定义是指：物理信道（Phy channel）＝频率（Frequence）+码字（Code）。与GSM相对应，CDMA系统中的每用户是通过分配的码字来得到单业务信道，目前的IS-95A标准，单信道码字上的最大数据用户速率是14.4kbps。发展到IS-95B标准时，通过码字捆绑技术，单用户可占用的码字最大可以分配8个码字，所以可以得到的最大数据速率为14.4x8＝115.2kbps。
    与GPRS对应，CDMA的2.5代技术被称为CDMA2000-1X，所对应的标准仍然是2.5代的标准而非3代标准。在CDMA2000 1X单载波中，带宽仍为1.25MHz，双工方式为FDD方式，提供用户共二类信道，一类称为Fundamental Channel(基本信道)，另一类称为Supplemental Channel（附加信道）。在通信过程中，用户会固定的得到一个F信道，并始终维持不会释放，在基本信道上，传送的是信令（Signaling）和业务（Traffic）信息，速率为9.6kbps；当用户申请高速率业务时，系统会提供S信道，S信道的获得并非按Qos由系统自动分配，而是任何用户都可以根据需要向系统申请。在系统中，S信道的配置数量不多，因为它的实现要用到Walsh四阶矩阵中的二个码字，另外2个码字要分配给公共信道，所以最多只有2个S信道，每小区只能同时分配2个用户使用独立的S信道。用户只有申请并获得S信道后，才能提供153kbps的业务。由于信道数较少，系统就规定了单个用户占用该信道的时长（ms级的占用周期），因此，信道的占用具有非连续性。用户在F信道上通过发送信令消息，向系统申请S信道，获得S信道后，用户会在S信道上传送业务信息，而自动释放在F信道上传业务信息；如果在占用周期内没有传完业务信息，用户将再次申请S信道，所以，用户的业务速率会有所波动，这也是CDMA2000 1X的特点和缺陷，目前的码字规划只能做到这一步。与GPRS连续占用时隙的工作模式相比，CDMA2000 1X存在明显的缺陷，即所谓的信道重配置过程，这也体现了欧洲与北美在制定规范体制上的区别。在核心网部分，CDMA2000 1X同样被分为CS和PS域，与GPRS不同的是，CDMA在制定标准时，各实体间的接口都是内部的（Internal），这样的结构更适合内部高效的运作。只有在中国的使用过程中，由于营运商的要求，才对A接口开放，从而实现多厂家设备的互联。在CDMA由IS-95向CDMA2000-1X过渡过程中，BSC增加了分组交换的功能，相当于GPRS中SGSN的功能由BSC来实现。这与GPRS中CS域与PS域是独立完成的结构截然不同。所以，由于接口的不开放，使CDMA2000-1X的物理实体较GPRS网要少，对应GGSN的网关实体称为PDSN。
    在CDMA2000向三代过渡的过程中，最初有二个分支。一个分支称为CDMA2000-MC叫多载波CDMA技术，这一技术是在空中接口中通过多载波码分多址实现宽带业务的提供，目前，该技术已被搁置。另一分支是CDMA2000-1XEV（增强型），已作为主流技术被发展。其中CDMA2000-1XEV-DO（Data Only）已被韩国商用，CDMA2000-1XEV-DV（Data & Voice）将在下阶段被采用，并将作为真正的CDMA2000的3G标准。该技术使用的带宽仍然是单载波的1.25MHz，它的发展趋势并不打算向宽带过渡，由于使用了增强的数据速率和新的调制方案，使得速率提高，可以在1.25MHz带宽上达到2.4Mbps（HDR方案）。CDMA在向3G过渡的过程中，无线部分也将发生较大变化，这是因为采用了高通的专利技术使得在16QAM的调制方案上提高速率。欧洲在制定WCDMA规范时，就有意要避开高通的专利，所以采用了5MHz带宽来实现2Mbps的数据传递速率。
    二种技术的比较表明，3G标准都采用了码分多址的多址方案，它的特点在于：
    a、增加了系统容量（Increased Capacity）。这一特点值得考虑的有以下观点。所谓容量是指同时使用的用户数，在TDMA方式中，由于物理资源是固定分配，所以容量是指硬容量，容量受限于系统的载频数和可用的时隙数。在GSM中，单载频同时通话的用户数是8个，所以，一旦网络规划完毕，系统的容量也就确定下来。而对于CDMA来说，容量是指软容量，是不受物理资源的限制，CDMA的物理资源是码字，只要码字是无穷的，它的容量就是无穷的。对于单载频来说，采用多少矩阵的码字，有多少个码字，就会同时接入多少个用户。但是，CDMA作为一个自干扰系统，它容量的增长受两个因素的影响，首先是在上行链路上，容量受限于干扰因素，也就是在上行链路不同用户使用相同频率时会产生同频干扰，同频干扰的加剧，达到一定门限时，使容量的增加受限。这也称为上行链路的容量干扰受限。其次在下行链路上，容量增加受限于能量（Power）。在下行链路上，所有的用户分享同一个能量，所以能量的分配也就决定了下行链路上的用户容量。因此，GSM和CDMA的容量一般不具有可比性，这是因为对同样是单载波系统CDMA根据不同的业务需求，容量是不定的，要根据实际情况来算，而GSM系统则具有确定的容量值。
    b、增加覆盖（Improved Coverage）。不同的观点认为，覆盖一般有3种不同的含义，第一种称为计划的覆盖范围（Planned Cell Coverage），也就是在规划过程中，希望获得的理想覆盖；第二种称为实际的覆盖范围（Practical Coverage），由于无线环境的限制，无论采取何种措施，都无法加大覆盖范围，称为实际的覆盖；第三种称为可操作的覆盖范围（Operational Coverage），指的是移动台可接入系统的最大距离。所以在考虑覆盖范围时，应该考虑以上因素，一般认为GSM和CDMA也不具有可比性。在GSM中，实际的覆盖范围一般认为是不可变的，当实行网优时，系统的可操作范围是可变的。如改变最小接受电平值，用户可接入的距离就会发生相应变化。所以这种范围的变化，是可以人为来操作的。而在CDMA中，覆盖范围是动态变化的，不像GSM是静态的变化，这也被称为CDMA的呼吸效应。随着小区负荷的增加，实际可操作范围的小区半径会缩小，小区半径随用户的干扰而发生动态的变化，这也就是CDMA小区规划的复杂性所在。
    c、简化系统规划（Simplified System Planning）。这一提法应改为不用做频率规划，因为它简化的只是频率复用方案。而码字仍需要规划，所以对于CDMA的系统设计来说，并不会简化，如果考虑无线射频的规划，由于小区是动态变化，系统的规划只会更加复杂。要考虑小区的负荷，小区呼吸的可行性、呼吸效应之后的重叠覆盖区的大小等因素。
    d、增加电池使用时间（Increased Battery Time ）。这也同样不具有可比性。GSM手机在工作过程中，是采用突发脉冲的发式工作的，信号总是在自己的脉冲时间段发射，所以，手机无论在监测公共控制信道还是通话过程，信号的接受和发射都有一个不连续性，由发射期、空闲期和不发射期构成整个工作时间。而对于CDMA来说，手机始终处于持续工作方式，即使在没有信号传递的过程中，也需要连续监听公共导频信道的信息并解码。所以到底那个手机的待机时间更长，不具有可比性。另外，由于开环功率控制的原因，CDMA手机的平均接续时间（呼叫建立时间）要比GSM手机长，尤其是在系统干扰较大的时候，接续时间会更长。一般情况下，CDMA手机的接续时间是ms级，规范中规定，在最差情况下，接续时间可以达到秒级。
    e、灵活的切换（Facilitated Handovers）。根据欧洲GSM对切换的的定义，切换是指系统在无线接口上为用户提供连续性服务的过程。UMTS的切换和IS-95中的切换是不同的。UMTS中的软切换和更软切换，是在无线接入网内部的过程，而把跨MSC或SGSN之间的切换，定义成重定位过程（Re-location），二种切换过程促发的机制和建立过程是独立的。由于软切换的引入，使无线接口的掉话率有明显改善。除了软切换，CDMA还定义了各种硬切换，如从UMTS系统切换到GSM系统、在网络初期，系统不提供Iur接口时，UMTS之间的切换、今后使用多载波之间的切换等。
    f、需要的带宽（Bandwidth on Demand）。从空中接口角度来说，经过扩频之后的速率是可以调整的。如在UMTS规范中，WCDMA在最初提交空中接口的标准时，速率是4.096Mcps，而不是3.84Mcps。结合余弦滚降系数α＝0.22的射频转换之后，4.096x(1+α)=4.99MHz，将占用空中接口上的5MHz带宽。但是为了实现多系统在空中接口的兼容，鉴于MC当时提出的载波是三载波，也就是3个1.25MHz构成的带宽，欧洲WCDMA的带宽提出了让步，将4.096MHz带宽减为3.84MHz带宽。而它的余弦滚降系数并未发生变化，仍为0.22，因此，3.84 x(1+α)=4.7MHz，与CDMA2000-MC三载波的带宽几乎一样。由此可见，扩频之后的带宽可以由系统自己决定。除此之外，这一特点还可以体现在分组技术的特点上，将来过渡到R4活R5时，在核心网的业务上，它所有的业务资源都是共享的，也就存在着Qos的引入。用户和网络之间，可以通过协商Qos获得它所需要的带宽。在网络闲的情况下，可以获得较高的带宽，而在网络忙时，只能维持保证速率。

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