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u m t s 无线承载控制协汉的研究j 实现 u m t s 无线承载控制协议的研究与实现 摘要 随着全球经济发展，有限频谱资源和人口集中的矛盾、第二代技 术体制与非话业务快速增长需求的矛盾日益突出，3 g 系统作为解决 这一矛盾的新兴移动通信系统广受关注。无线资源控制协议( r a d i o r e s o u r c ec o n t r 0 1 ) 是3 g 的核心协议之一，它通过对l i e 与u t r a n 间无线资源的控制和管理，以达到充分利用无线资源，减少终端功耗， 满足用户业务需求的目的。 本文重点针对r r c 协议的无线承载控制功能，基于协议工程的理 论和方法，完成了以下几项工作： 1 协议分析 对i 承c 协议中的无线承载控制部分进行协议环境分析及协议功 能分析，明确系统需求，便于进一步进行协议设计。 2 协议设计 在协议分析的基础上，进行协议元素设计：设计r r c 协议无线 承载控制部分涉及的接口消息格式；基于扩展有限状态机模型分析、 设计协议状态，建立状态跃迁模型；分析设计相关协议事件，最终以 事件状态表的形式形成协议文本。 3 协议描述 在协议分析设计后，以m s c ( m e s s a g es e q u e n c ec h a r t ) 图描述无线 承载控制协议中的消息交互流程，同时采用s d l ( s p e c i f i c a t i o na n d d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 形式描述语言对无线承载控制协议进行了形式 化描述。 4 协议实现 协议分析、协议设计、协议描述有助于协议实现的可靠性、一致 性及互连性。但在具体实现时，必须考虑可移植性及效率方面的要求。 文中从协议栈实现的可移植性、可配置性着手，阐明如何在具体实现 时达到这些目的。同时针对协议栈实现中的两个关键问题：数据结构 设计、有限状态机实现做了详细分析，并基于上述分析举例说明了如 何以c 语言编程实现r r c 的无线承载控制功能。 5 协议一致性测试 r r c 协议的无线承载控制功能的一致性测试是通过测试仪软件 镐1 页 u m t s 尢线承载挎制协议的饼艽j 买土兕 在仿真和硬件环境下完成的。通过测试保证了软件的正确性、可靠性、 稳定性和健壮性，并通过一致性测试发现了协议中尚不完善之处，提 出了具体改进建议。实践证明，该建议有助于u u 接口信令速度的提 高。 本文成果应用于大唐移动通信设备有限公司自主研发的n o d eb t e s t e r 网络测试仪中，经验证，证实该部分正确有效的实现了预先设 定的功能，运行良好。 本文采用的协议分析、设计、实现方法对于通信协议软件的设计 实现具有一定的借鉴意义。 关键词：通用移动通信系统无线资源控制无线承载控制协议工程 第2 页 u m t s 无线承载控制协议的研究与实现 r e s e a r c ha n di m p l e m e n l a t i o n o fu m t sr bc o n t r o lp r o t o c o l a b s t r a c t u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e dt or e s o l v e t h ei n c r e a s i n gc o n f l i c tc a u s e db yt h el a c ko ff r e q u e n c ya n dt om e e tt h e i n c r e a s i n gd e m a n d sf o rv a r i o u st y p e so fp a c k e td a t as e r v i c e s r a d i o r e s o u r c ec o n t r o lp r o t o c o l ，w h i c hi sd e s i g n e dt oc o n f i g u r et h er a d i o r e s o u r c eb e t w e e nu ea n du t r a n ，i so n eo ft h ec e n t r a lp a r t so f3g p p p r o t o c o lf a m i l y , i ta i m st om a x i m i z et h es y s t e mc a p a c i t y , t om i n i m i z et h e m o b i l et e r m i n a l sb a t t e r yd r a i na n dt om e e tu s e r st r a 龉cr e q u i r e m e n t s t h i sp a p e rc o n c e n t r a t e so nt h ei m p l e m e n t a t i o no fr a d i ob e a r e r c o n t r o lf u n c t i o n so fr r cp r o t o c o la n da d d r e s s e st h ef o l l o w i n ga s p e c t so f p r o t o c o le n g i n e e r i n g ： 1 p r o t o c o la n a l y s i s t h ed e t a i l e da n a l y s i sa b o u tt h ep r o t o c o le n v i r o n m e n ta n dt h e p r o t o c o lf u n c t i o n so fr r cm a k e sac l e a rd e f i n i t i o na b o u ts o f a v a r e s r e q u i r e m e n t s ，a n di tp r o v i d e s af o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e r p r o t o c o l d e s i g n a t i o n 2 p r o t o c o ld e s i g n a t i o n b a s i n go nt h er e s u l t s o ft h ep r o t o c o la n a l y s i s ，t h i sd i s s e r t a t i o n d e s i g n st h ef o r m a ta b o u tt h em e s s a g e si nr r c si n t e r f a c e s ，a n dd e v i s e s v a r i o u ss u b s t a t e st oc o n s t r u c ts t a t et r a n s i t i o nm o d e lb a s i n go ne x t e n d e d f i n i t es t a t em a c h i n em o d e l a tl a s ti tf o r m st e x t u a ld e s c r i p t i o no ft h e p r o t o c o lw i t hs o m et a b l e so fe v e n t s s t a t e s 3 p r o t o c o ls p e c i f i c a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nu s e sm e s s a g es e q u e n c ec h a r tt oc a p t u r et h e n o r m a ls c e n a r i oo fs y s t e mi n t e r a c t i o na n du s e s s p e c i f i c a t i o na n d d e s c r i p t i o nl a n g u a g e t oc o n s t r u c tf o r m a lp r o t o c o ls p e c i f i c a t i o n 4 p r o t o c o li m p l e m e n t a t i o n a f t e r p e r f o r m i n gp r o t o c o la n a l y s i s ，p r o t o c o ld e s i g n a t i o n a n d 第3 页 u m t s 无线承载控制协议的研究与实现 p r o t o c o ls p e c i f i c a t i o n ，w h i c hc o n t r i b u t e st ot h er e l i a b i l i t y , c o h e r e n c ya n d i n t e r o p e r a b i l i t yo fp r o t o c o li m p l e m e n t a t i o n , t h i sd i s s e r t a t i o ni m p l e m e n t s t h er bc o n t r o lf i ：n c t i o ni na n s ic t h ek e yp o i n t si nt h i sp a r ta r e p o r t a b i l i t y a n dc o n f i g u r a b i l i t y , w h i c hb ei l l u s t r a t e df u r t h e r b yd a t a s t r u c t u r ed e s i g na n df i n i t es t a t em a c h i n er e a l i z a t i o ni nt h i ss e c t i o n 5 p r o t o c o lc o n f o r m a n c et e s t i n g t h et a r g e to fc o n f o r m a n c et e s t i n gi st oa s s u r e t h ec o r r e c t n e s s r e l i a b i l i t y , s t a b i l i t ya n d r o b u s t n e s so fs o f t w a r e d u r i n gt e s t i n g ，s o m e s h o r t a g eo fr r cp r o t o c o lw a sf o u n d a n dt h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e sa s o l u t io nt oo v e r c o m et h i sp r o b l e m ，a n di tw a sp r o v e dt or e d u c es i g n a l i n g i n t e r a c t i o no fu ui n t e r f a c ee f f e c t i v e l yi nr e a l i t y t h ei m p l e m e n t e dr bc o n t r o le n t i t yh a sb e e nd e v e l o p e da sap a r to f n o d ebt e s t e ro fd a t a n gm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n tc o u d t h em e t h o d sp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o nc o u l db eu s e da sar e f e r e n c ei n p r o t o c o ls o f t w a r ed e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， r a d i or e s o u r c ec o n t r o l ，r a d i ob e a r e rc o n t r o l ，p r o t o c o le n g i n e e r i n g 第4 页 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识 产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保 密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： 日期： u m 1s 无线乐载控制协议的研究，实现 1 1 技术背景 1 1 13 g 系统 第1 章绪论 移动通信的发展经历了第一代模拟系统、第二代数字系统，现在j 下向第三代 多媒体系统发展。 第代模拟系统自8 0 年代开始发展，该系统由于技术落后，标准不统一， 使用时话音质量差，漫游范围有限，已逐步被淘汰。 第二代数字系统自9 0 年代开始发展，其主要制式有：g s m 、i s 9 5c d m a 、 1 s 1 3 6 、t d m a c d m a 数字无绳电话和w l l 。该系统标准化工作较完善，可在 全球较大范围内实现漫游，其性能基本满足了话音通信的要求，能提供低速数据 ( 6 4 k b i t s s ) 业务，但由于其技术的局限性，存在着话音质量仍不理想、数据传 输率低、频谱利用率不高等问题。 随着全球经济发展、信息化社会及通信设备移动性和个人化的要求以及 i n t e m e t 的异军突起等等，有限频谱资源和人口集中的矛盾、第二代技术体制与 非话业务快速增长需求的矛盾日益突出，市场和技术驱动促使人们探索和研究新 的通信系统，这就是第三代移动通信系统，即3 g 系统。鉴于全世界第二代移动 通信体制和标准不尽相同，以及第二代与第三代将在今后较长的时间内共存， i t u 提出了“i m t - 2 0 0 0 家族”的概念。这表明只要某系统在网络和业务能力上 满足要求，都可以成为i m t - 2 0 0 0 成员。 1 1 1 13 g 系统特点概述 3 g 系统是有能力解决第一、第二代移动通信系统主要弊端的先进的移动通 信系统，其主要目标是实现移动通信系统网络全球化、业务综合化和通信个人化， 它的一个突出特点就是使个人终端用户能够在全球范围内的任何时间、任何地 点、与任何人、用任意方式高质量的实现任何信息的移动通信与传输，所以又称 为未来个人通信系统。 在3 g 系统所要实现的目标中，最核心的问题是要高效地提供不同环境下的 多媒体业务并实现包含水、陆、空的全球覆盖。因而，它要求实现多种网络的综 第1 页 u m is 尢线水载控制协议的彬 乡与头现 合：无线网与无线网的综合；移动网与固定网的综合；陆地网与卫星网的综合等， 它又要能适应多种业务环境，且与第二代移动通信系统兼容，以便平滑升级。对 于通信终端而言，它面对的是多种网络的综合系统，因而需要实现多频多模式终 端。 为了满足未来业务的需求，丰耳对于现有的移动通信系统，3 g 系统应具有下 列功能【l 】： 1 、 提供更大的通信容量和覆盖范围 第三代移动通信系统提出的宽带c d m a 可以使用更宽的信道或在小区中使 用更多的载频，从而可以提供更大的小区容量。由于带宽更大，还可以改善 频率分集效果，从而降低衰减，为用户提供更好的统计平均效果。频带更宽 还可改善功率控制精度，进一步抵消衰减的影响。此外，第三代移动通信系 统使用的多项新技术( 如智能天线、联合检测等) 可以提高解调增益，增大 系统的覆盖范围，在保证用户服务质量的前提下，提供更大的通信容量。 2 、 具有可变的高速数据率 第三代移动通信系统同时支持无线接口不同的高低数据比特率。在快速移动 环境下，最高数据率达1 4 4 k b i t s ；在室内环境下，最高数据率可达2 m b i t s ： 在室外到室内或步行环境下，最高数据率达3 8 4 k b i t s 。这种数据率不仅可支 持普通话音，还可支持多媒体数据，可满足具有不同通信要求的各类用户的 需要。通过使用可变正交扩频码可实现可变高速数据率，也使得发射机输出 功率的自适应得以实现。 3 、能够同时提供高速电路交换和分组交换业务 虽然在窄带c d m a 与g s m 移动通信业务中，也能提供电路交换和分组交换， 但两者却很难同时提供，而3 g 系统的协议层设计可以很方便地解决这一难 题。每个终端均可以同时使用多种业务，因而可使用户在连接到局域网的同 时还能够接收话音呼叫，同时进行话音通信和收发数据。分组交换所提供的 与主机始终“联机”而不占用专用信道的特性，可以实现只根据用户所传输 数据的多少来付费。在专用信道上，也支持大型或比较频繁的分组。 除了上述特点，3 g 系统还有许多其他优点，如提供更加可靠的信道编码、 灵活配置的传输信道和逻辑信道、支持多种话音编码方案、为用户提供更为灵活 的接入服务等。此外，3 g 系统还继承了容易通过使用软件无线电实现窄带c d m a 系统、话音质量高、手机功耗小等优点。 1 1 1 23 g 通信标准发展 早在1 9 8 5 年i t u 就提出了第三代移动通信的概念，同时建立了专门的组织 机构t g 8 1 进行研究，当时称为未来陆地移动通信系统( f p l m t s ) 。这时g s m 第二代移动通信技术还没有成熟，c d m a 技术尚未出现。在t g 8 1 成立后的前 1 0 年，研究进展比较缓慢。1 9 9 2 年，世界无线电行政大会( w a r c ) 分配了2 3 0 m h z 的频率给f p l m t s ：1 8 8 5 - - 2 0 2 5 h z 和2 11 0 - 2 2 0 0 m h z 。此时，f p l m t s 的研究 工作主要由i t u 完成，其中丌u t 负责网络方面的标准化工作，i t u r 负责无 第2 页 u m t s 无线承载控制协议的研究1 j 实现 线接口方面的标准化工作。 f p l m t s 的研究工作在1 9 9 6 年后取得了迅速进展。首先，i t u 于1 9 9 6 年确 定了正式名称：同际移动通信2 0 0 0 ( i m t 0 2 0 0 0 ) ，其含义为该系统预期在2 0 0 0 年 左右投入使用，工作于2 0 0 0 m h z 频带，最高传输数据速率为2 0 0 0 k b i t s 。 i m t - 2 0 0 0 最关键的是无线传输技术( r t t ) 。无线传输技术主要包括多址技 术、调制解调技术、信道编解码与交织、双工技术、信道结构和复用、帧结构、 射频( r f ) 信道参数等。i t u 于1 9 9 7 年制定了m 1 2 2 5 建议，对i m t - 2 0 0 0 无线 传输技术提出了最低要求，并面向世界范围征求无线传输建议。 i t u 所定义的i m t - 2 0 0 0 系统需要具有下述3 个特性： 全球化i m t - 2 0 0 0 是一个全球性的系统，各个地区多种系统组成了一个 i m t - 2 0 0 0 家族，各个系统间在设计上具有高度的互通性，使用共同的频段和全 球同一标准，能提供全球无缝漫游。 综合化能够提供多种业务，特别能够支持多媒体业务和因特网业务，并 有能力容纳新型的业务。 个人化用户使用全球唯一的个人号码；系统能提供足够的容量、高保密 性、高服务质量。 为了能够在未来的全球化标准的竞赛中取得领先地位，各个地区、国家、公 司及标准化组织纷纷提出了自己的技术标准，到截至日期1 9 9 8 年6 月3 0 日，i t u 共收到了1 6 项建议，针对地面移动通信的就有1 0 项之多。其中包括我国电信科 学技术研究院( c a t t ) 代表中国提出的t d s c d m a 技术。表1 1 中列出了1 0 种i m t - 2 0 0 0 地面无线传输技术提案。 表1 1i m t - 2 0 0 0 地面无线传输技术提案【2 】 技术名称提交组织 双工方式使用环境 j ：w c d m a 闩本a r i b f d d 、t d d 所用环境 u t r a u m t s欧洲e t s i f d d 、t d d ( u t r a )所有环境 w i m sw c d m a美国t i af d d 所有环境 w c d m a n a 美国t i p i f d d 所有环境 g l o b a lc d m ai i韩国n a f d d 所有环境 t d s c d m a中国c w t st d d 所有环境 c d m a2 0 0 0美国t i af d d 、t d d 所有环境 g l o b a lc d m ai韩国t t af d d所有环境 u w c 1 3 6 美国t i a f d d 所有环境 e p d e c t 欧洲e t s i t d d 室内、室外到室内 欧洲提出5 种u m t s i m 2 0 0 0 无线传输技术方案，其中比较有影响的是 w c d m a 和t d c d m a 两种。前者主要由爱立信、诺基亚公司提出，后者主要 第3 页 u mi s 尢线承裁控制协议的研与头i 兕 由西门子公司提出。e t s i 将w c d m a 和t d c d m a 融合为一种方案，统称为 u t r a ，这种方案以w c d m a 作为主流，同时吸收t d c d m a 技术的优点作为 补充。 美国负责i m t - 2 9 0 0 研究的组织是a n s i 下的t 1 p 1 组、t i a 和e i a 。美国提 出的i m t - 2 0 0 0 方案是c d m a 2 0 0 0 ，主要由高通、朗讯、摩托罗拉和北电等公司 一起提出。美国还提出了另外一些类似于w c d m a 的标准和时分多址标准 u w c 1 3 6 。 日本的a r i b 先后制定出6 种无线传输方案，经过层层筛选和合并，形成了 以n t td o c o m o 公司为主提出的w c d m a 方案。日本的w c d m a 方案和欧洲 提出的w c d m a 极为相似，两者相互融合。 这1 0 种方案中以欧洲的w c d m a 和美国的c d m a 2 0 0 0 在技术方面较为成 熟。同时中国的t d s c d m a 由于采用先进的技术并得到中国政府、运营商和产 业界的支持，也很受瞩目。 通过一年半时间的评估和融合，1 9 9 9 年1 1 月5 日i t u 在赫尔辛基举行的 t g 8 1 第1 8 次会议上，通过了输出文件i t u rm 1 4 5 7 ，确认了包括码分多址 ( c d m a ) 和时分多址( t d m a ) 两大类共5 种第三代移动通信无线传输技术【。 ( 1 ) i m t - 2 0 0 0c d m a d s ( i m t - d s ) i m t - 2 0 0 0c d m ad s 是3 g p p 的w c d m a 技术与3 g p p 2 的c d m a2 0 0 0 技术 的直接扩频部分( d s ) 融合的技术，仍称为w c d m a 。此标准将同时支持g s m m a p 和a n s i 4 1 两个核心网络。 ( 2 ) i m t - 2 0 0 0c d m am c ( i m t - m c ) i t m 。2 0 0 0c d m a m c ，即c d m a 2 0 0 0 。经融合后，只含多载波方式，即1 x 、 3 x 等。此标准也将同时支持a n s i - - 4 1 和g s mm a p 两大核心网。 ( 3 ) i m t - 2 0 0 0c d m at d d ( i m t - t d ) i m t - 2 0 0 0c d m at d d 目前包括了低码片速率t d s c d m a 和高码片速率 u t r a t d d 两个技术。这两个技术的物理层在3 g p p 内归属在同个文档中， 只是涉及到两者不相同的部分才分开描述，文档中对层2 和层3 的处理也基 本上类似。 ( 4 1i m t - 2 0 0 0c d m as c ( i m t - s c ) i m t - 2 0 0 0c d m as c 是在美国的i s 1 3 6 基础上发展的u m c 1 3 6 标准，对美 国的i s 1 3 6 网有继承性，属于t d m a 接入方式，双工方式可以是f d d 或 t d d ，此体制对北美以外地区基本上没有使用价值。 ( 5 )i m t - 2 0 0 0c d m af d m a 厂r d m a ( i m t - f t ) i m t - 2 0 0 0c d m af d m a f i d m a 是在欧洲d e t c 基础上提出的e p d e c t ，对 于没采用第二代d e t c 的地区没有意义。 其中有两种t d m a 技术：s c t d m a ( u m c - 1 3 6 ) 、m c t d m a ( e p - d e c t ) ； 三种c d m a 技术：m c c d m a ( c d m a2 0 0 0m c ) 、d c - c d m a ( 包括 u t r a w c d m a 和c d m a2 0 0 0 d s ) 、t d dc d m a ( 包括t d - s c d m a 和u t r a t d d ) 。c d m a 为目前公认的主流技术，它包括两种频分双工( f d d ) 技术和一 种时分双工( t d d ) 技术，分别为i m t - 2 0 0 0c d m a - d s 、i m t 2 0 0 0c d m am c 第4 页 u m t s 无线承载拎制协议的研究j 实脱 和i m t - 2 0 0 0c d m at d 。 该无线接口标准在2 0 0 0 年5 月举行的i t u r 2 0 0 0 年全会上最终得到批趾和 通过，被正式命名为i m t - 2 0 0 ( 、无线接口技术规范。 i t u rm 1 4 5 7 能通过标志着第三代移动通信标准的基本定型。我国提出的 t d s c d m a 建议标准与欧洲、日本提出的w c d m a 和美国提出的c d m a2 0 0 0 标准一起列入该建议。 1 1 1 3 主流标准比较 1 1 1 3 1 网络结构比较 由于i t u 要求第三代移动通信的实现应易于从第二代系统逐步演进，而第 二代系统又存在两大互不兼容的通信体n - g s m 和c d m a ，所以i m t - 2 0 0 0 的 标准化研究实际上出现了两种不同的主流演进趋势：一种是以由欧洲e t s i 、日 本a r i b t t c 、美国t 1 、韩国1 队和中国c w t s 为核心发起成立的3 g p p 组织， 专门研究如何从g s m 系统向i m t - 2 0 0 0 演进；另一种是以美国t i a 、日本 a r i b t t c 、韩国t 1 队和中国c w t s 为首成立的3 g p p 2 组织，专门研究如何从 c d m a 系统向i m t - 2 0 0 0 演进。 3 g p p 主要制定基于g s mm a p 核心网、以w c d m a 和c d m at d d 为无线 接口的标准，称为u t r a 。同时也在无线接口上定义与a n s i 4 1 核心网兼容的 协议。它的核心网g s mm a p 将完全在第二代m s c + g p r s 的网络基础上演进， 而无线接入网( r a n ) 则是全新的1 2 j 。网络结构如图1 1 所示。 图1 1基于g s m 核心网演进的u t r a 系统【2 】 从图中可以看出，系统的核心网基于g s m 的电路交换网络( m s c ) 和分组 交换网络( g p r s ) 平台，以实现第二代向第三代网络的平滑演进。通过无线接 入网络新定义的i u 接口与核心网连接。i u 接口包括支持电路交换业务的i u c s 和支持分组交换的i u p s 两部分，分别实现电路和分组型业务。无线接入网由无 第5 页 u m t s 尢线承裁控制协议的研c j 实现 线网络控制器r n c 和b 节点两个物理实体构成，分别对应于第二代网络的b s c 和b t s 。 3 g p p 2 主要制定基干a n s i 4 1 核心网、以c d m a 2 0 0 0 为无线接口的标准， 同时也在无线接 j 定义与g s mm a p 核心网兼容的协议。3 g p p 2 的标准化也是 分阶段进行的，而且第二代与第三代之间无论是无线部分还是核心网部分都是平 滑过渡的。1 9 9 9 年，3 g p p 2 完成了c d m a 2 0 0 0 1 x ( 单载波) 和c d m a 2 0 0 0 3 x ( 多载波) 无线接口的标准，2 0 0 0 年完成了c d m a 2 0 0 0 的全部标准的制定，2 0 0 1 年开始制定c d m a 2 0 0 0 与其他3 g 制式的接口。其网络结构如图1 2 所示： 图1 2 基于a n s i 4 1 网演进的c d m a2 0 0 0 系统【2 j 鉴于无法采用一种统一的无线接口传输技术以实现3 g 系统希望达到的全球 漫游、无缝接入的目标，同时考虑到3 g 系统应从2 g 平滑升级，保护现有投资， 所以i m t - 2 0 0 0 定义了无线接口技术与核心网间的关系，这种关系主要基于g s m m a p 和a n s i 4 1 两类网络，此两大网络与i m t - 2 0 0 0 的三个主流c d m a 无线接 口技术的对应关系如图1 3 所示。 n n i 图1 3i m t - 2 0 0 0 无线接口技术与核心网的关系1 1 从图中可以看出，虽然一般来讲，w c d m a 和c d m a t d d 对应于g s mm a p 核心网，c d m a2 0 0 0 对应于a n s i 4 1 核心网，但目前的标准可以允许任意无线 接口同时与这两个核心网络兼容，也就是通过在无线接1 2 1 定义相应的兼容协议， 通过各系统标准的r a n c n 接口，接入不同的核心网。 第6 页 u m t s 无线承蛾羚制协议的研究j 实现 本文针对的是3 g p p 制定的通用移动通信系统u m t s 。u m t s 是i m t - 2 0 0 0 的重要成员之一，主要由欧洲和日本等国家和地区的移动通信设备供应商提出， 它由核心网c n 、u m t s 陆工也无线接入网u t r a n 和用户设备u e 三部分组成， 其结，：勾如图1 - 4 所示，c n 和u t r a n 之间的接1 3 称为i u 接口，u t r a n 和u l 之间接口称为u u 接口。 图1 4u m t s 的结构【3 】 u e 是用户终端设备。它主要包括射频处理单元、基带处理单元、协议栈模 块以及应用层软件模块等。u e 为用户提供电路域和分组域的各种业务功能，包 括话音、短信、移动数据业务。 u m t s 系统中包括两类接入网络：g s m g p r s 的b s s ( b a s i cs t a t i o ns y s t e m ) 和u t r a n 。b s s 系统与g s m g p r s 终端和双模终端进行通信，主要负责完成 无线发送接收和无线资源管理等功能，功能实体可分为基站控制器( b s c ) 和基 站收发信台( b t s ) 。u t r a n 包括基站( n o d eb ) 和无线网络控制器( r n c ) 两部分。 u t r a n 比b s s 系统更复杂，u t r a n 由若干个通过i u 接口连接到c n 的无 线网络子系统( r n s ， r a d i on e t w o r ks u b s y s t e m ) 组成。每个r n s 管理一组小 区的资源。其中一个r n s 包含一个r n c 和一个或多个n o d eb ，而n o d eb 通过 i u b 接口与r n c 相连接。i 斟c 之间可以直接相连。u t 弛卅系统基于a t m 网络， 因此提供了更高的信令和数据速率，它针对话音传输采用了a m r 技术，可以提 高话音质量和系统容量。同时，u t r a n 比b s s 系统更开放，b s c 和b t s 之间 的a b i s 接口是b s s 厂家的私有接口，而n o d e b 和r n c 之间的i u b 接口和r n c 之间的i u r 接口都是3 g p p 所规定的公共接口。 核心网负责与其他网络的连接和对u e 的通信和管理。核心网分成两个子系 统：电路域和分组域。电路域基于电路交换网络，链路需要建立和释放，通信过 程中链路独占的方式保证了电路域的通信质量。电路域的设备中包括m s c v l r 和g m s c 等。分组域基于分组交换网络，信令和数据都是以数据包形式在分组 网中传输，更加有效地利用了网络资源，因而可以提供更加高速的传输速度。考 第7 页 u m l s 尢线承载控制协议的研究j j 实现 虑到通信的可靠性，在数据通信前，需要建立端到端的隧道，从而保证了服务质 量。分组域的主要设备是s g s n 和g g s n 。电路域和分组域共用一些设备，负责 提供用户管理和网络设备管理。这类设备有：h l r 、a u c 和智能网设备( s c p ) 等。另外，还有一些业务支撑设备同髓浞供了与电路域和分组域的接口，如短消 息中心( s m s c ) 。 本文工作集中在u u 接口协议栈的实现上。 1 1 1 3 2无线接口技术比较 在3 g 系统中，各种系统的不同之处主要表现在物理层，正是出于物理层的 差异导致链路层、网络层上测量的具体信道、具体参数及一些门限位的不同。以 下对t d - s c d m a 、w c d m a 和c d m a2 0 0 0 这三类主流接口技术做简要比较， 表1 2 列出了它们在空中接口参数上的差异。 表1 2t d s c d m a w c d m a c d m a 2 0 0 0 空中接口参数比较 空中接口 t d s c d m aw c d m a c d m a 2 0 0 0 规范参数 复用方式 t d df d d f d d t d d 基本带宽 1 6 m h z1 6 m h z 1 2 5 m l l z或 3 7 5 m h z 码片速率 1 2 8 m c h i p s3 8 4 m c h i p s1 2 2 8 1 3 6 8 6 4 m c h i p s 无线帧长 1 0 m s1 0 m s1 0 5 m s 信道编码卷积编码、t u r b o 码卷积编码、t u r b o 码卷积编码、t u r b o 码 等等等 数据调制q p s k 和8 p s k ( 高速 q p s k ( 下行链路) 、q p s k ( 下行链路) 、 率)h p s k ( 上行链路) b p s k ( 上行链路) 扩频方式q p s kq p s kq p s k 功率控制开环+ 闭环功率控开环+ 闭环功率控开环+ 闭环功率控 制，控制步长l d b 、制，控制步长l d b 、 制，控制步长l d b ， 2 d b 、3 d b2 d b 、3 d b可选0 5 d b 0 2 5 3 d b 分集接收智能天线r a k e 接收技术r a k e 接收技术 方式 基站间同同步同步或非同步需要g p s 同步 步关系 多用户检使用未使用未使用 测 业务特性 对称和非对称对称和非对称对称和非对称 支持的核 g s m m a p g s m m a p a s n i - 4 l 心网 其中，t d d 方式便于提供非对称业务，在每种独立的业务中都呈现出满负 荷的数据吞吐量。特别适合于在城市人口密集区提供高密度大容量话音、数据和 第8 页 u m t s 无线承敏拄制协议的研究j 实现 多媒体业务。系统可以单独运营，以满足e t s u u m t s 和i t u i m t - 2 0 0 0 的要求， 也可与其他无线接入技术配合使用。例如，在城市人口密集区，使用t d s c d m a 技术，而夺非人口密集区，则使用g s m 、w c d m a 或卫星通信等来实现大区或 全球的覆盖。 t d d 系统的主要缺陷体现在终端的移动速度和覆盖距离等方面。在移动终 端速度上，i t u 对t d d 系统的移动速度要求达1 2 0 k m h ，而f d d 系统则要求达 到5 0 0 k m h ，这主要是因为f d d 系统是连续控制，而t d d 系统是时间分割控制 的。在高速移动时，多普勒效应将导致快衰落，速度越高，衰落变换频率越高， 衰落深度越深，上、下行链路信道特征的相关性也越来越强，联合检测就越困难。 在覆盖距离上，由于t d d 系统平均功率与峰值功率之比随时隙数增加而增加， 考虑到耗电和成本因素，用户终端的发射功率不可能很大，故通信距离( 小区半 径) 较小，一般不超过1 0 k m ，而f d d 系统的小区半径可达到数十几千米。 f d d 系统的优势在于能够提供较高的数据传输速率：有效地利用了频率选 择性分集和空间的接收和发射分集，可以解决多径问题和衰落问题；能够提供广 域的全覆盖，下行基站区分采用独有的小区搜索方法，无需基站间严格同步；采 用连续导频技术，能够支持高速移动终端。 f d d 系统的主要缺陷在于不能实现综合最佳频谱利用率。在3 g 的非对称包 交换业务和互联网业务方面，所有不对称的双工业务的典型特征是上行链路和下 行链路中的业务量负载的不对称性，负载的大小取决于不同的业务类型。为了达 到最佳频谱利用率，非对称业务要求每种业务都可灵活地利用频谱资源。然而， 在一个固定的上下行链路进行频率分配，想运用灵活的方法理想地实现频谱资 源的有效利用是不可能的，最佳频域的频谱利用率是不能通过僵硬成对的频谱分 配来实现的。而且在f d d 模式中由于增长的非对称业务量的关系，数据吞吐量 有一个固有的下落。因此，对于实现对称业务和非对称的上下行链路业务来说 对称频带上的f d d 模式并不是一个最佳的解决方案。 从以上分析可以看出，几种技术各有优缺点，并没有一个单一的完美方案。 1 1 2 协议工程 通信协议设计和实现的复杂性的增加导致了协议工程技术的出现。协议工程 就是用工程的方法来开发协议。开发协议有两种含义，一个是为了满足新的通信 需求，研究开发新的协议，制定协议标准：另一个则是在一个特定应用环境下， 实现某个已经成熟的协议。所谓成熟的协议是指已经成为标准文本的协议，如 3 g p p 制定的一系列关于第三代移动通信的协议文本等。 对于第一种含义( 开发新的协议) ，开发协议的目标是形成新的协议文本， 第9 页 u m t s 无线承载掩制协议的研究与实现 重点是说明本协议应该具有什么功能。其协议开发过程包括f 4 j ： 协议环境分析，包括用户要求、通道性质、工作模式等。 协议功能设计，根据环境分析结果明确本协议应具有的功能。 协议元素设计，设计服务原语、p d u 格式等。 形成协议文本，用自然语言描述协议结构及协议元素之间的关系。 协议描述，用一种形式化语言来描述协议内容，包括建议的软件系统结 构、模块划分、系统应具有的行为等。 协议验证，在开发环境下仿真运行协议软件，验证协议的丑i 确性。 对于第二种含义( 实现具体协议) ，开发协议的目标是生成一个软件系统， 该软件系统可以实现具体协议的全部功能或一个功能子集，重点是说明如何实现 协议功能。其协议开发过程包括： 协议分析，包括协议环境分析和协议功能分析。 协议设计，包括协议机制设计及协议元素设计。 协议描述，用一种形式化语言来描述设计结果，包括软件系统结构、模 块划分、系统行为实现细节等。 协议验证，在开发环境下仿真运行协议软件，验证协议的f 确性。 协议实现，用某种编程语言实现协议软件系统( 自动生成代码或手工编 码) 。 协议测试，在目标环境下测试协议软件系统。 协议维护，在协议软件的使用过程中不断完善系统。 实现具体协议的过程基本上涵盖了开发新的协议的过程，只是两个过程的出 发点和侧重点是不同的。从应用角度来看，实现具体协议的需求大于开发新的协 议的需求。本文正是从实现具体协议的角度，基于上述理论方法，实现了