李翠然 李承恕
摘要 介绍第三代移动通信系统相对于第二代系统的突出优点，给出UMTS的无线接口协议结构，简述服务接入点和服务原语，最后论述物理层提供的服务和功能。
关键词 IMT-2000 UMTS 无线接口协议 物理层
1第三代移动通信系统的主要特点
与第二代移动通信系统相比，第三代系统有很多突出的优点：
（1）全球性：第二代系统是地区性的，而第三代则是全球性的，可支持全球漫游，将使用共同频段。尽管WRC分配给IMT-2000的频段为1885-2025MHz和2100-2200MHz，但在美国，部分频段已用于PCS。ITU即将完成频谱规划，实现全球统一标准；
（2）多样性：现有系统主要以提供话音业务为主，一般仅能提供100-200kb/s的数据业务，GSM演进到最高阶段的速率为384kb/s。而第三代系统的业务能力将比第二代有明显改进，能支持话音、分组数据甚至多媒体业务，并根据需要提供带宽。
（3）满足移动性比特率可变业务的需求：在大动态范围快速移动环境下，数据速率至少为144kb/s，在小范围慢速移动环境下，数据速率为384kb/s，室内环境下，数据速率至少为2.048Mb/s。
（4）满足高质量业务的需求：要求各类移动业务的质量达到可与固定网相比拟的程度；
（5）频率和资源管理灵活，系统开发与维护方便，并可根据需求随时提供新业务/高级业务
（6）适用于多种应用环境，包括宏蜂窝、微蜂窝、微微蜂窝和卫星移动通信；
（7）安全性改善，能满足个人通信安全性要求；
（8）兼容性好。鉴于第二代系统的体制和标准不尽相同（主要是GSM和CDMA）以及第二、三代系统将在较长时间内共存，ITU提出“IMT-2000家庭”概念，以便与第二代移动通信系统兼容。
2 UMTS无线接口协议描述
无线接口技术是第三代移动通信的关键技术。UMTS无线接口协议结构如图1所示。可分为物理层（L1）、数据链路层（L2）和网络层（L3）。数据链路层又分为媒体接入控制（MAC）子层、无线链路控制（RLC）子层、分组数据集中协议（PDCP）子层和广播/多点控制（BMC）子层。L3层和RLC层分为控制平面（C-plane）和用户平面（U-plane）。PDCP和BMC只存在于用户平面。
在控制平面上，L3分为几个子层，其中最低层与L2层接口，并终止在UTRAN中的子层，记作无线资源控制层（RRC）。与RRC邻接的子层，记作Duplication avoidance，终止在核心网（CN），是接入段的一部分，它为更高层提供接入段服务。诸如移动管理（MM）和呼叫控制（CC）的更高层信令假定属于非接入段，因此它们不在研究范围内。
图1中的每一块分别表示一个协议体。层与层接口处的圆环表示对等通信的服务接入点（SAP）。MAC与物理层之间的SAP提供传输信道。RLC与MAC之间的SAP提供逻辑信道。控制平面内，Duplication avoidance与L3更高子层（CC,MM）间的接口由通用控制（GC）、通知（Nt）和专用控制DC的SAP定义。
图中还示出RRC与MAC和RRC与L1层间的控制SAP。同样RRC与RLC间、RRC与PDCP间、RRC与BMC间也存在控制接口。这些接口使得RRC能够对低层进行配置。基于上述目的，RRC与每个更低层之间（PDCP,RLC,MAC和L1）分别定义了控制SAP。假定每个用户装置（UE）需要一个RLC控制SAP和一个MAC控制SAP。RLC子层提供与所用无线发射技术密切相关的自动重拨请求（ARQ）功能。控制平面和用户平面的RLC协议体是一样的。如果Iu连接点不改变，CN可以请求UTRAN防止丢失数据，这是对UTRAN中RLC子层重发功能的基本要求
2.1服务接入点和服务原语
在服务接入点（SAP），每一层通过一套服务原语（operation）为其上层提供服务。
RRC层通过控制SAP(C-SAP)控制本地的低层（即不要求对等实体间的通信。）而C-SAP原语可以绕过一个或多个子层（参见图1）。
在无线接口协议描述中，应用下列原语命名规则：（1）相邻层之间SAP提供的原语，以服务提供者的名字为前缀，即PHY、MAC、RLC、PDCP或UUS；（2）由应用SAP提供的原语，以服务提供者的名字为前缀，即RRC；（3）控制SAP提供的原语，除了以服务提供者的名字为前缀外，还要加上前缀“C”，即CPHY、CMAC、CRLC或CPDCP
由上述命名法则，可导出下面的符号（其中为request,indication,response或confirm）：
物理层（PHY）与媒体接入控制（MAC）子层间的原语（primitive）：
PHY--
物理层（PHY）与无线资源控制层（RRC）间的原语（primitive）（经由C-SAP）：
CPHY--
媒体接入控制（MAC）子层与无线链路控制（RLC）子层间的原语：
MAC--
媒体接入控制（MAC）子层与无线资源控制层（RRC）间的原语（primitive）（经由C-SAP）：
CMAC--
无线链路控制(RLC)子层与上层（upper layers）间的原语（primitive）、无线链路控制（RLC）子层与无线资源控制层（RRC）间的数据传输原语、无线链路控制子层与分组数据集中协议子层间的原语：
RLC--
无线资源控制层对无线链路控制子层的控制原语：
CRLC--
Uu子层（stratum）上的原语（primitive）：
UUS--
分组数据集中协议（PDCP）子层与非接入子层（non-access stratum）间的原语（primitive）：
PDCP--
分组数据集中协议（PDCP）子层与无线资源控制层（RRC）间的原语（primitive）（C-SAP）上：
CPDCP--
无线资源控制层（RRC）对广播/多点控制（BMC）子层的控制原语（primitive）（C-SAP上
）：
CBMC--
3.物理层服务和功能
3.1物理层服务
物理层为MAC层和更高层提供信息传输服务。物理层传输服务描述数据在无线接口上的传输方式和特征。传输信道通常分为两类：（1）共用传输信道，当寻址某个特定UE时，需要采用UE常内识别方式；（2）专用传输信道，UE的身份识别是由物理信道（如FDD方式下的扩频码和频率，TDD方式下的扩频码）、时隙和频率来完成的。
共用传输信道可详细地分为下面几类：（1）随机接入信道（RACH）：只在上行链路存在，通过竞争机制接入，可用于初始接入、非实时专用控制（或业务）信道等数据业务量相对较小的场合，长度受限的数据域（所允许的数据域确切位数待定），采用开环功率控制方式；（2）前向接入信道（FACH）：只在下行链路存在，可用于数据业务量相对较小的场合，慢速功率控制，可快速改变速率（每10ms），缺乏快速功率控制；（3）广播信道（BCH）：仅在下行链路存在，固定低比特率，需要在整个小区广播；（4）寻呼信道（PCH）：只存在于下行链路，支持睡眠模式规程，需要在整个小区广播；（5）下行共享信道（DSCH）：只在下行链路存在，并且总是与另一信道相关联（DCH或DSCH控制信道），慢速功率控制，当和DCH相联系时，也可采用快速功率控制，可在整个小区广播；（6）DSCH的控制信道：只在下行链路存在，慢速功率控制，缺乏快速功率控制；（7）共用分组信道（CPCH）：只存在于FDD方式的上行链路中，对消息部分采用快速功率控制，可快速改变速率，冲突检测，开环功率估计等。
专用传输信道可细分为下面几类：（1）专用信道（DCH）：在上行和下行链路中都存在，可快速改变速率（每10ms），快速功率控制等；（2）快速上行链路信令信道（FAUSCH）：与FACH相配合，用于分配专用信道。UE通过FAUSCH来传送预留请求。
FAUSCH只在上行链路存在；UE寻址是副刊固定好的，即每个UE对应一个独特的时间偏移（相对于10ms帧开始），UE从此位置开始发送上行链路信令码。基站收到后即可知UE需要预留一个DCH，并通过FACH告知所分配的DCH。
每个传输信道（FAUSCH除外，它只传送预留的请求）的特征由其传输格式（用于固定速率和慢变速率数据）或传输格式集（用于快变速率数据）确定。传输格式定义为信道编码方式、交织、位速率适配以及它们在物理信道上的映射集合。传输格式集一组传输格式，比如，一个可变速率的DCH有一个传输格式集（每种速率对应一种传输格式），而固定速率的DCH只有一种传输格式。
3.2物理层功能
物理层主要完成下列功能：宏分集分离/合并和软切换的执行；传输信道睥误码探测及对高层的指示；传输信道的FEC编解码和传输信道的交织去交织；传输信道的复用和已编码组合传输信道的解复用；速率匹配；物理信道的功率加权与合并；物理信道的调制与扩频/解调与解扩；频率和时间同步（码片同步、位同步、时隙同步和帧同步）； 对高层的测量和指示（比如FER、SIR、干扰功率和发射功率等）；闭环功率控制；射频（RF）处理。
4结论
未来无线网络将是基于移动和宽带网的信息网络，其发展需要解决三个问题：（1）各种电信业务的无缝隙寻址接入；（2）移动通信业务质量受无线信道的限制；（3）实现智能化、多媒体和个性化的各种应用。人们对IMT-2000的期望是，实现国际漫游、固定/移动无缝隙多媒体业务，使固定和移动通信系统融合一体。IMT-2000的一个重要概念是将接入功能从核心网功能中分离出来，接入网络移动终端提供一个独立于核心网技术的接入平台，通过它可以接入核心网，并为移动终端提供网络服务。因此，对无线接口协议各层进行研究，对实现第三代移动通信的目标有重要意义。
摘自《电信快报》2001.1
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