浅析WCDMA网络的演进和部署

2019-11-05 02:59:04

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供稿：网友

摘要　文章首先简要回顾了WCDMA技术标准演进R99、R4和R5等三个阶段的主要特点，在此基础上，分析了WCDMA网络部署对GSM/GPRS网络设备的影响；最后，给出了WCDMA无线网络规划应该注重的几个要害因素。

1、WCDMA技术标准的演进

　　WCDMA作为3G的三大主流技术之一，是基于GSMMAP协议，通过引进CDMA技术演变而来的。3GPP关于WCDMA网络技术标准的演进主要分为R99、R4、R5和R6等几个主要阶段。无线网络的演进主要是通过采用高阶调制方式和各种有效的纠错机制等技术，不断增强空中接口的数据吞吐能力；而核心网络主要利用控制与承载、业务与应用相分离的思路，逐步从传统的TDM组网方式向全ip组网方式演进。最终使无线网络和核心网络全部走向IP化，在整个技术演进过程中保证了业务的连续性、完善的QoS机制和网络的安全性。以下对R99、R4和R5三个不同版本的主要技术特点进行了归纳：

　　1.1　R99

　　WCDMA R99在新的工作频段上引入了基于每载频5MHz带宽的CDMA无线接入网络，无线接入网络主要由Node B(负责基带处理、扩频处理)和RNC(负责接入系统控制与治理)组成，同时引入了适于分组数据传输的协议和机制，数据速率可支持144kb/s、384 kb/s，理论上可达2Mb/s。

　　WCDMA R99核心网络在网络结构上与GSM保持一致，其电路域(CS)仍采用TDM技术，分组域(PS)则基于IP技术来组网。WCDMA R99的3G MSC/VLR与无线接入网络(RAN)的接口Iu-cs采用ATM技术承载信令和话音，分组域R99 SGSN与RAN通过ATM进行信令交互，媒体流使用AAL5承载IP分组包。另外，为满足RNC之间的软切换功能，RNC之间还定义了Iur接口。而GSM的A接口采用基于传统E1的七号信令协议，BSC/PCU与SGSN之间的Gb接口采用帧中继续载信令和业务。因此，R99与GSM/GPRS的主要差别体现在传输模式和软件协议的不同。

　　在用户的安全机制上，GSM由AUC提供鉴权三元组，采用A3/A8算法对用户进行鉴权及业务加密；R99由AuC提供鉴权五元组，定义了新的用户加密算法(UEA)，并采用Authentication Token机制增强用户鉴权机制的安全性。

　　1.2　R4

　　WCDMA R4与R99相比无线接入网的网络结构没有改变，其区别主要在于引入了TD-SCDMA技术，同时对一些接口协议的特性和功能进行了增强。

　　在电路域核心网中主要引入了基于软交换架构的分层架构，将呼叫控制与承载层相分离，通过MSC Server、MGW将语音和控制信令分组化，使电路交换域和分组交换域可以承载在一个公共的分组骨干网上。R4主要实现了语音、数据、信令承载统一，这样可以有效降低承载网络的运营和维护成本；而在核心网中采用压缩语音的分组传送方式，可以节省传输带宽，降低传输建设成本；另外，由于控制和承载分离，使得MGW和Server可以灵活放置，提高了组网的灵活性，集中放置的Server可以使业务的开展更快捷。当然，由于R4网络主要是基于软交换结构的网络，为向R5的顺利演变奠定了基础。

　　1.3　R5

　　WCDMA R5在无线网络中主要引入基于IP的RAN和HSPDA的功能，尤其引人关注的是HSDPA支持高速下行分组数据接入，理论峰值数据速率可高达14.4Mb/s。目前HSDPA系统下行速率可达3.6Mb/s，预计2006年可以大规模商用。

　　在核心网，R5协议引入了IP多媒体子系统，简称IMS。IMS叠加在分组域网络之上，由CSCF(呼叫状态控制功能)、MGCF(媒体网关控制功能)、MRF(媒体资源功能)和HSS(归属签约用户服务器)等功能实体组成。IMS的引入，为开展基于IP技术的多媒体业务创造了条件。目前，基于SIP协议业务主要有：VoIP、PoC、即时消息、MMS、在线游戏以及多媒体邮件等。全球运营商正在进行基于SIP协议的系统和业务测试，尤其是不同运营商的互通测试成为一个业界关注的焦点，它代表了未来业务的发展方向。

2、WCDMA网络引入对GSM/GPRS网络设备的影响

　　无论WCDMA的哪个版本，其无线网络对于GSM/GPRS无线网络都是革命性的，设备不存在平滑升级的问题。因为GSM/GPRS与WCDMA无线系统的调制方式不同，并且工作频率也不相同，GSM/GPRS系统工作在900/1800MHz，WCDMA系统主要工作在2.1GHz频段上，这对于无线网络规划提出了新的挑战。

　　对于核心网络设备而言，R99版本尽管从网络结构上延续了GSM/GPRS的特点，仍由电路域和分组域组成，但需对GSM/GPRS的电路域MSC/VLR进行改造使之适应Iu系列接口，并在容量上适应3G系统的要求。对电路域的改造存在着一定的难度，2G MSC/VLR必须引入ATM节点，而对于部署3G网络的区域主要在城市话务密集区域，这些区域的2G MSC/VLR的负荷更重，另外必须考虑网络的安全性。分组网络同样涉及到接口改造和协议软件的升级问题。因此，2G网络实际可利用的资源有限。当然，R99的产品比较成熟，多厂家互通性已经得到验证，可以大规模部署；由于R99主要考虑对GSM/GPRS的后向兼容，从技术发展方向来看，R99大规模部署也值得商榷。

　　R4系统的部署，核心网络几乎全部新建。目前，采用R4组网的商用系统很少，另外，多厂家系统组网还存在兼容性问题需要验证。部署R4网络还需要建设全国性的IP骨干网络，但R4部署对于网络向全IP化演进有利。

　　为了满足WCDMA与GSM/GPRS互操作，保证2G网络与3G网络的无缝切换，必须对2G网络进行升级改造。考虑到3G网络的部署，为了保证2G用户平滑升级到3G，即用户号码不变，考虑业务的需求，即3G用户开机优先选择3G网络。空闲模式下支持3G、2G之间双向小区重选，设置UE优先守侯在3G网络。

占用模式下，电路域采用3G到2G单向语音切换，分组域采用3G与2G的双向小区重选，分组域和电路域并发业务时，执行3G到2G的单向语音切换等原则。

　　对于GSM/GPRS设备的改造，主要涉及到以下几个方面：

　　首先现有的2G HLR应升级支持3G用户数据存储，支持2G/3G鉴权功能，支持3GPPMAP协议、ODB闭锁PS业务、可视电话回落等功能；而2G MSC/VLR应升级支持3G/2G的单向语音切换、ARD忽略、3G终端适配接入、鉴权AC版本等功能。

　　对于分组网络2G SGSN应升级支持ARD忽略、3G终端适配接入、鉴权AC版本等功能；若3G网络SGSN不进行新建，2G SGSN还要进一步升级改造满足3G业务的需要，一般而言，3G网络的SGSN一般采取新建的方式，避免对2G的SGSN网络造成很大的冲击。R4网络的部署，还需要建设全国性的IP骨干网络。

　　对于无线网络，2G BSC必须升级支持3G到2G的单向语音切换、系统间双向重选，3G终端适配接入等功能。

　　由于GSM运营商受本国CDMA运营商部署EV-DO网络的竞争压力，在部署WCDMA网络的时候，更加关注HSDPA的部署和IMS系统的引入。因此，受运营商开展业务的推动，许多后续版本的一些功能在网络部署时提前被采用，成为当今WCDMA网络部署的一种潮流。

3、WCDMA无线网络规划必须考虑的几个问题

　　首先，3G网络的部署对于拥有2G网络的移动运营商来说，主要是增强系统无线数据业务的能力，满足用户中高速数据业务的需求，而不是解决话音业务的需要。而对于新进入移动领域的运营商，3G网络部署既要满足用户语音的需求，又要满足数据业务的需求。因此，不同运营商建网策略有很大的不同。目前全球除日本外，获得3G牌照的新运营商主要采取在经济发达的城市开始部署WCDMA网络，而在其他没有网络覆盖的地区通过与原有2G网络的运营商签署漫游协议，实现在3G覆盖区域以外的资源共享，这也是政府在发放3G牌照时对2G网络运营商的强制性规定。

　　对于拥有GSM网络的移动运营商，在确定了市场定位、业务策略以及建网策略后，首先要进行2G现有资源的调查，调查主要包括基础设施(机房面积、供电、铁塔、传输等)、基站城乡比例、室内分布及信号源、话务密度、话务分布，尤其是GPRS数据业务分布、流量分布、用户业务类型以及不同业务的闲忙时分布，不同业务对于资源的占用情况等。基础设施的调查主要是可以充分利用现有基础设施节省投资，同时可以大大加快网络的部署，在时间上争取主动。而对于现网话务分布、话务密度以及GPRS数据业务流量、数据用户行为等方面的调查，是WCDMA网络覆盖和资源配置的主要依据。

　　其次，WCDMA无线网络规划主要涉及3G网络覆盖目标、容量目标、质量目标等方面。覆盖目标：有数据业务需求为首要考虑因素，由于3G工作在2.1G频段上，必须进行传播特性校正。在传播模型校正的基础上，对于目标区域CS64、PS64、PS128以及PS384业务应用场景以及要求明确后，为保证覆盖区内各业务的应用，不同业务、不同的QoS要求，业务覆盖规划又是WCDMA无线规划的重点和难点问题。

　　一般在WCDMA覆盖区内首先必须保证CS64连续覆盖。PS32和PS64两种业务基本保证连续覆盖，而PS384业务主要适用于室内覆盖。对于更高数据业务的需求或考虑竞争策略的需求，可以在重点地区进行HSDPA的部署，网络部署初期可以同WCDMA采用同一个载频，待业务发展到一定阶段，再考虑用独立的载频进行HSDPA的部署。对于HSDPA网络的引入，网络规划的协调难度进一步加大。目前，商用的WCDMA网络规划软件还没有HSDPA的规划模块。

　　第三，WCDMA无线接入技术基于CDMA技术，因此3G无线网络在进行覆盖规划和容量规划时，要充分考虑CDMA技术的特点。CDMA是一个自干扰系统，系统容量为一个动态容量，系统在不同负荷情况下存在呼吸效应，在网络规划中必须重视这一点。网络规划时不同的话务密度区域考虑上行负载取值不同，室内及室外热点地区一般取50%，城区和郊县取30%-40%，其他区域小于30%。

　　第四，关于网络规划的容量设计，语音资源配置模型可以参考2G网络实际运行的话务模型，而对于数据业务资源的配置，除结合2G网络的数据业务模型外，要根据语音业务与数据业务的不同特点，以及用户对这两种业务的使用忙时不同，综合考虑进行资源合理配置，以便节省投资。这里，非凡要提到软切换比例问题，软切换技术对于改善网络质量，尤其是减少掉话作用比较明显，但是以消耗资源为代价的。一般CDMA系统设计时，城区软切换因子取38%左右，郊区等其他地区原则上小于20%。

　　第五，对于拥有2G网络的运营商，在规划3G网络时，2G/3G的无缝漫游与切换的配合问题非常重要。2G/3G无缝配合问题主要涉及到非常复杂的技术问题，如2G、3G独立组网还是将2G网络升级改造后组网，这部分内容在本文第二部分已经进行了论述，但具体的数据设置如位置区的划分以及相邻小区的关系等，不仅影响网络的质量，而且对于今后的运行维护与网络优化至关重要。

4、结束语

　　WCDMA网络的部署是一个长期的过程，不同运营商市场定位、业务策略等不同，版本选择和组网的原则也不相同。由于我国目前还没有大规模的网络建设，加之我们对WCDMA技术的理解和熟悉有限，欢迎大家批评指正。

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