（山东省通信公司新技术发展部，济南 250001）
摘 要：通用移动通信系统(UMTS)是IMT-2000第三代移动通信系统(3G)的重要组成部分之一，本文概述UMTS系统和技术的总体框架，首先介绍UMTS系统的体系结构及核心网演进，然后介绍地面接口技术和无线接口UTRA FDD的协议结构。
关键词： 3G UMTS WCDMA IMT-2000
1 前言
ITU-T发展第三代移动通信系统(IMT-2000)的目标是统一的标准，但由于技术、商业和政治等原因，经过多年的评选、融合，最后确立了5种IMT-2000无线传输技术(RTT，Radio Transmission Technology)规范，WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA、UMC-136和DECT，其中基于CDMA技术的WCDMA、cdma2000和TD-SCDMA成为第三代移动通信系统的主流无线传输技术规范[5]。
ITU-T在1998年确立了IMT-2000网络框架标准(Q.1701)，提出了家族(Family)的概念，目前的家族主要有两个，基于GSM MAP核心网的家族和基于ANSI-41核心网的家族，分别由3GPP和3GPP2组织负责标准化工作[5]。
尽管标准允许无线接口同时兼容两个核心网，也就是说核心网和无线传输技术可以有许多组合方式，但目前的实际情况是，GSM MAP核心网选择了WCDMA，ANSI-41核心网选择了cdma2000，而TD-SCDMA同时加入了3GPP和3GPP2两个组织。
通用移动通信系统(UMTS，Universal Mobile Telecommunication System)[30]是ITU发展的IMT-2000框架中的第三代移动通信系统之一，实现了新一代的宽带多媒体通信技术，UMTS使用ITU分配的、用于陆地和卫星无线通信的频带，可通过移动或固定、公用或专用网络接入提供IMT-2000定义的所有业务[29]。
欧洲电信标准协会（ETSI）负责UMTS的标准化工作，欧洲联盟(EU)协调15个成员国的UMTS实现，3GPP组织协调各成员(包括ETSI、ARIB、TTC、T1、TTA、CWTS等)制定UMTS和3G规范。
3GPP规范是一个十分复杂的标准体系， 本文试图综述UMTS系统和技术的总体概貌，为进一步理解和掌握3GPP规范提供参考。首先介绍UMTS系统的核心网体系结构及核心网演进，然后介绍地面接口技术和无线接口UTRA FDD的协议结构。
2 UMTS业务&&QoS
2.1 UMTS业务[6]
3GPP规范定义的电信业务是指UMTS公众陆地移动网(PLMN，Public Land Mobile Network)通过本地环境(Home Environment)和服务网络(Serving Network)提供给用户的通信能力。业务有两类，基本业务(Basic Telecommunication Services)和补充业务(Supplementary Services)。
基本电信业务分为两大类，承载业务(Bearer Services)和电信业务(Teleservices)。
承载业务提供两个接入点之间建立传输路径的能力，往往只涉及OSI模型的低层协议，用户可以用来传送高层协议。承载业务保证点对点或点对多点的面向连接或非连接的传输能力和QoS。承载业务的信息质量指标包括最大传输延迟(Maximum Transfer Delay)、延迟变化率(Delay Variation)、误位率(Bit Error Ratio)和数据率(Date Rate)。
承载业务支持以下数据速率，这与IMT-2000提出的3G目标是一致的。
(1) 卫星无线环境(Satellite Radio Environment)下至少144kbits/s；
(2) 农村室外无线环境(Rural Outdoor Radio Environment)下至少144kbits/s；
(3) 市区/郊区室外无线环境(Urban/suburban Environment)下至少384kbits/s；
(4) 室内/室外小范围无线环境(Indoor/Low range outdoor radio Environment)下至少2048kbits/s。
电信业务通过用户终端设备提供端对端的业务(End-to-End Services)，网络功能或可能的功能由专用中心提供。目前PLMN提供的电信业务有语音(Speech)、应急呼叫(Emergency Call)和短消息业务(Short Message Service)等。3GPP规范通过与外部数据网协作提供Internet接入(Internet Access)业务。
补充业务不能单独提供给用户，要和基本业务一起或关联，一种补充业务可能适用于多种业务，补充业务的详细描述参见文献[8]。
2.2 UMTS QoS类型
3GPP规范定义了四种QoS类型[7]，会话类型(Conversational class)、流类型(Streaming class)、交互类型(Interactive class)和后台类型(Background class)。会话类型和流类型业务通常以实时方式传输，交互类型和后台类型的业务主要应用于传统的Internet应用，如WWW、Email、FTP和新闻组等。
会话类型的典型例子是语音。UMTS语音编码采用了与GSM兼容的自适应多速率(AMR，Adaptive Multi-rate)技术，3GPP规范[10]规定了8种语音速率。
理论上AMR语音编码器可以20ms切换一次语音速率，但实际中的AMR模式调整要慢得多。AMR模式的调整完全由无线网络侧因素决定，而与核心网的网络运行情况无关。系统会监测无线环境，在下行链路上，当空中接口上的业务量超过可以忍受的最大负荷时，就要改变AMR当前使用的速率，而且当误帧率较大、链路质量变坏时也需要改变AMR速率。在上行链路上，当接收到空中接口的负荷超载的报告时，就需要改变AMR速率。
2.3 UMTS业务承载结构
图1 UMTS业务承载结构
UMTS业务承载的分层结构如图1所示[7]。UMTS业务的承载涵盖了签约QoS的各个方面，终端(TE)、移动终端(MT)、无线接入网(UTRAN，UMTS Terrestrial Radio Access Network)和核心网Iu边缘节点(CN Iu EDGE NODE)和核心网网关(CN Gateway)。高层业务的承载总是利用它下面一层提供的服务实现所提供的业务。最高层的电信业务通过TE/MT本地承载业务、UMTS承载业务和外部承载业务(External Bearer Service)实现。
UMTS承载业务由无线接入承载业务(Radio Access Bearer Service)和核心网承载业务(CN Bearer Service)组成。无线接入承载业务提供了信令和用户数据在移动终端与核心网Iu边缘节点之间的保密传输，并向签约的UMTS承载业务提供足够的QoS，为信令传输提供默认的QoS。
核心网承载业务将UMTS核心网的Iu边缘节点关联到外部网上。
如图1所示，无线接入承载业务通过无线承载业务(Radio Bearer Service)和Iu承载业务(Iu Bearer Service)实现。无线承载涵盖了无线接口传输(UTRA FDD/TDD Service)的所有方面，适用于UTRA FDD和TDD两种模式。
Iu承载业务和物理承载业务(Physical Bearer Service)一起提供了无线接入网和核心网之间的传输，用于分组业务的Iu承载业务针对不同的QoS提供不同的承载业务。运营商可以选择不同的骨干网承载(Backbone Bearer Service)，基于ATM或基于IP，当采用基于IP的骨干网时，可以采用IETF的Diff-Serv(RFC 2474)QoS协议。
3 UMTS的网络结构及其演进
3.1 3GPP R99的网络结构[13]
图2 3GPP的网络结构(R99)
图2给出了支持电路交换域和分组交换域业务和接口的通用移动通信系统公众陆地移动网的基本配置(Basic Configuration of a PLMN supporting CS and PS services and interfaces)。
UMTS系统按照功能划分为两个基本域[12]，用户设备域(User Equipment Domain)和基础域(Infrastructure Domain)。用户设备域进一步划分为USIM域(User Services Identity Module Domain)和移动设备域(Mobile Equipment Domain)；基础域进一步划分为接入网域(Radio Access Network Domain)和核心网域(Core Network Domain)。总起来讲，UMTS系统由用户设备域MS、无线接入网RAN和核心网组成。
USIM域和移动设备域之间是Cu接口；用户设备域和无线接入网之间是Uu接口。接入网域和核心网域之间通过Iu接口相连，核心网通过网关连接到Internet或IP网。
UMTS R99的网络结构中，核心网分为电路交换域(Circuit Switched Domain)和分组交换域(Packet Switched Domain)，Iu接口相应地分为IuCS和IuPS接口。
如图2所示，核心网基于GSM/GPRS网络，保持了对GSM/GPRS网络的兼容性，GSM无线子系统(BSS，Base Station Sub-system)可以直接通过A接口和Gb接口直接连入UTRAN核心网。
GSM/GPRS中已经出现的实体这里不再赘述，可参考文献[5]，下面对UTRAN的基本实体做简单介绍。
(1) Node B
B节点(Node B)的主要功能是进行空中接口L1层处理(信道编码和交织、速率匹配、扩频等)，也执行一些基本的无线资源管理操作，如内环功率控制，逻辑上相当于GSM中的基站。
(2) 无线网络控制器(RNC)
RNC逻辑上相当于GSM的BSC，负责控制UTRAN无线资源，并且负责终止定义移动设备和UTRAN之间的消息和进程的无线资源协议(RRC)。
控制B节点(例如终止通向B节点方向的Iub接口)的RNC称为C-RNC，负责其所属小区的负载和拥塞控制，还要为这些小区中要建立的新的无线连接进行接纳控制和码字分配。
如果用户设备连接到多个RNS，将涉及到RNC的另外两个独立的逻辑功能S-RNC和D-RNC。
S-RNC负责终止传送用户数据和终止相应的传向或来自CN的RANAP信令的Iu连接，S-RNC也负责终止UE和UTRAN间的无线资源控制信令，负责对来自/流向无线接口的数据进行L2层处理。S-RNC执行基本无线资源管理操作，例如将无线接入承载参数转化为空中接口传输信道参数、切换判决以及外环功率控制。
D-RNC控制用户终端使用的小区，如果需要，D-RNC进行宏分集合并和分裂。除非用户设备在使用一条公共或共享信道，D-RNC不进行用户平面数据的L2层处理，而在Iub和Iur接口间透明地为数据选择路由。
一个实际的RNC通常包含所有的C-RNC、S-RNC和D-RNC的逻辑功能。
(3) UTRAN(UMTS Terrestrial Radio Access Network)
UTRAN包含RNC和Node B。Node B通过Iub接口连接到RNC，一个RNC和与之相连的一个或多个Node B组成一个无线网络子系统(RNS， Radio Network Subsystem)，UTRAN包含一个或多个RNS。RNC之间通过Iur接口连接，可以支持软切换。
3.2 3GPP 核心网的演进
图3和给出了3GPP R4网络结构[14]，与R99相比，主要变化在核心网的电路域，MSC演化为CS-MGW(Circuit Switched-Media Gateway)和MSC Server，VLR和MSC Server集在一起，GMSC则演化为CS-MGW和GMSC Server。(G)MSC Server主要由呼叫控制(Call Control)和(G)MSC中移动控制(Mobility Control)部分组成，负责电路域的呼叫控制；CS-MGW只负责业务的承载。
图3 3GPP的网络结构(R4)
MSC Server和MSC Server之间的Nc接口执行呼叫控制，3GPP规范给出Nc接口协议的例子是ISUP或BICC(Bearer Independent Call Control)协议，这些协议的承载可以采用IP。CS-MGW和CS-MGW之间的Nb接口业务承载的控制和传输，业务的传输采用RTP/UDP/IP或AAL2。(G)MSC Server和CS-MGW之间的接口Mc则兼容H.248标准和H.323标准。
从上面的叙述可以看出，在R4版本中，电路域中将呼叫控制和业务承载分开，同时电路域采用IP承载(信令和业务)成为可能。
图4 3GPP的网络结构(R5)
图4给出了3GPP R5的核心网结构[15]，与R4版本相比，一个显著变化是增加了IMS(Internet Protocol Multimedia Subsystem)，文献[16]给出了IMS的详细描述，但规范[15]中也同时指出，IM业务(IM Service)并没有定义，IMS被提议的一个定义是IMS指使用核心网分组域业务提供多媒体业务的一组核心网实体，IM业务基于IETF定义的会话控制(Session Control)能力，支持VHE(Virtual Home Environment)和OSA(Open Service Architecture) API。
图5 IM Subsystem的实体配置
IMS的基本配置如图5所示。IM-MGW(IP Multimedia Media Gateway )终结来自电路域和分组域的承载信道，可以支持媒体格式转换、承载控制和负载处理等。CSCF(Call Session Control Function)可以是Proxy CSCF(P-CSCF)、Serving CSCF(S-CSCF)和Interrogating CSCF(I-CSCF)。P-CSCF是IMS中UE的第一个连接点，UE通过Gm接口与P-CSCF相连；S-CSCF实际处理网络中的会话(Session)状态。MGCF(Media Gateway Control Function)在IM-MGW中控制属于媒体信道连接的部分呼叫状态；与CSCF通信；执行信令转换等。
R5版本核心网中，HLR演化为 HSS(Home Subscriber Server)，而HLR、AuC成为HSS的一个子集，HSS的逻辑功能结构如图6所示。
图6 HSS逻辑功能结构
HSS是特定签约用户的主数据库(Master Database)，存储着所有与签约相关的信息以支持实际处理呼叫/会话(Call/Sessions)的网络实体。HSS的功能包括移动管理、呼叫/会话建立支持、用户安全信息的生成、用户身份认证、业务认证等。HSS通过与SIP应用服务器和OSA-SCS的通信支持IMS中的多媒体业务，通过与IM-SSF的通信支持CAMEL业务。
4 UMTS地面接口协议
图7 UMTS地面接口通用协议模型
UMTS地面接口协议结构的设计是根据相同的通用协议模型(如图7所示)进行的[31]，协议结构各层及各平面逻辑上彼此独立，将来根据需要，协议结构的一部分可以进行修改，而其余部分保持不变。
在水平层面上，协议结构包含无线网络层和传输网络层，所有UTRAN的相关内容仅在无线网络层是可见的，传输网络层使用标准传输技术。
在垂直平面上，协议结构包含控制平面、用户平面、和传输网络控制平面。控制平面用于所有的UMTS特定控制命令，包含应用协议和用于传输应用协议消息的信令承载。用户收发的所有信息都经过用户平面传输，包括数据流和数据流的数据承载，每个数据流的特征都由一个或多个接口特定的帧协议来描述。传输网络控制平面用于为传输层内的所有控制信令服务，包括用于为用户平面建立传输承载(数据承载)的ALCAP协议，也包括ALCAP需要的信令承载。传输网络控制平面位于控制平面和用户平面之间，它的引入使无线控制平面的应用协议与在用户平面中为数据承载而采用的技术之间完全独立成为可能。
图8 Iu(cs)协议结构
图8给出了Iu(cs)总体协议结构[17]， Iu(cs)控制平面协议栈包含位于宽带7号信令协议(BB No. 7)上层的RANAP，协议可用层是信令连接控制部分(SCCP)、消息传送部分(MTP3-b)和网对网接口信令ATM适配层(SAAL-NNI)。SAAL-NNI进一步划分成业务特定对等功能(SSCF)、业务特定面向连接协议(SSCOP)和ATM AAL5。
Iu(cs)协议结构的传输网络控制平面协议栈包含在BB No. 7上层用于建立AAL2连接(Q.2630.1和Q.2150.1)的信令协议。相应的BB No.7信令系统如前所述，只是没有SCCP层。Iu(cs)协议结构的用户平面用户数据直接由ATM AAL2承载。
其他的UMTS地面接口协议可以参阅相应的3GPP规范，本文不再一一介绍。
5 UMTS的无线接口协议
UMTS系统的空中接口Uu有UTRA(Universal Terrestrial Radio Access) FDD和TDD两种操作模式。本文只介绍UTRA FDD。
无线接口协议用来建立、重新配置和释放无线承载业务。无线接口协议结构如图9所示[19]，图中椭圆表示业务接入点(Service Access Point)。
图9 UTRAN FDD无线接口协议结构
UTRA无线接口协议包括三层，第一层(L1)物理层，第二层(L2)数据链路层，第三层(L3)网络层。
L2被分成几个子层，从控制平面看，包含媒体接入控制(MAC，Medium Access Control)协议层和无线链路控制(Radio Link Control)协议层；从用户平面看，除了MAC层和RLC层外，还有两个依赖于业务的协议层，分组数据汇聚协议层(PDCP，Packet Data Convergence Protocol)和广播/组广播控制(BMC，Broadcast/Multicast Control)协议。
L3只有一个协议子层即无线资源控制(RRC，Radio Resource Control)层，是属于控制平面的。
物理层通过传输信道向MAC提供业务，所要传输的数据决定传输信道如何和以什么样的特征传输。MAC层通过逻辑信道提供业务给RLC层，逻辑信道由发送的数据类型决定其特征。
RLC层通过业务接入点将业务提供给高层，业务接入点用来描述RLC层如何处理数据分组。在控制平面，RRC使用RLC传输信令；在用户平面，所有的业务都使用RLC。PDCP只存在于分组域业务，BMC用来传送由小区广播中心产生的无线接口协议。
RRC层也是通过SAP将业务提供给高层(非接入层)，SAP在UE和UTRAN侧分别由高层协议和Iu接口RANAP协议使用。
5.1 物理信道与传输信道
(1) 传输信道[20]
传输信道根据数据在无线接口上传输的方式和特点分为两种：专用传输信道和公共传输信道。
专用传输信道只有一种，即DCH(Dedicated Transport Channels)，可以是上行或下行，覆盖整个小区或采用波束赋形天线(Beam-forming antennas)只覆盖小区的一部分。
公共传输信道有广播信道(BCH，Broadcast Channel)、前向接入信道(FACH，Forward Access Channel)、寻呼信道(PCH，Paging Channel)、随机接入信道(RACH，Random Access Channel)、公共分组信道(CPCH，Common Packet Channel)和下行共享信道(DSCH，Downlink Shared Channel)。
BCH是下行信道，用来传送UTRA或某一小区的特殊信息，覆盖整个小区并且采用独立的格式。
FACH是下行信道，向某特定小区的UE传送控制信息，也可用来传输少量数据，覆盖整个小区，可以使用慢速功率控制。
PCH是下行信道，覆盖整个小区，为了支持睡眠模式过程，PCH信道上的信息和物理层产生的寻呼指示(PI)一起传输。
RACH是上行信道，用来传输来自UE的控制信息，也可以用来传输少量的分组数据，在整个小区内都必须对RACH监听，其需要碰撞检测，支持开环功率控制。
CPCH是RACH信道的扩展，用来传输上行分组数据，在下行方向有一个与之随路的DCH用于提供功率控制及CPCH控制命令。
DSCH是下行信道，用来传输用户数据或控制信息，可以由多个用户共享，DSCH总是与一个或多个DCH相关联，可以覆盖整个小区或采用波束赋形天线只覆盖小区的一部分。
基本的UTRA网络必须的公共传输信道是RACH、FACH、BCH和PCH，而DSCH和CPCH是可选的。
物理层提供给上层的另外的服务是指示(Indicator)，规范中规定的指示包括：捕获指示(AI，Acquisition Indicator)、接入前缀指示(API，Access Preamble Indicator)、信道指配指示(CAI，Channel Assignment)、碰撞检测指示(CDI，Collision Detection Indicator)、寻呼指示(PI，Page Indicator)和状态指示(SI，State Indicator)。
(2) 物理信道[20]
物理信道定义为一个特定的载频(Carrier Frequency)、扰码(Scrambling Code)、信道化码(Channelization Code)、起止时间(时间间隔)和一个上行相对相位(0或1/2)的组合。时间间隔以码片标识。
默认的物理信道持续时间是连续的，从开始时刻到结束时刻没有间断。持续时间不连续的物理信道必须明确指出。
以一种更抽象的物理层高层模型看，传输信道映射到物理信道上，某些信道（如DCH）是从编码组合传输信道(CCTrCH)映射到物理信道的数据部分。另外，物理信道除了数据部分外，还包括控制部分和一些物理符号(Signal)。
规范中规定的码片组合有以下几种：
(1) 无线帧：一个无线帧包含15个时隙，38400个码片；
(2) 时隙：一个时隙是包含数据位的域组成的时间间隔，2560个码片。
上行物理信道分为上行专用物理信道和公共上行物理信道。上行专用物理信道分为专用物理数据信道(DPDCH，Dedicated Physical Data Channel)和专用物理控制信道(DPCCH，Dedicated Physical Control Channel)，图10 给出了上行专用物理信道(DPDCH/DPCCH)的帧结构。其中，Pilot为导频比特，用来进行信道估计；TFCI为传输格式组合指示，指示当前帧的数据格式；TPC为发送功率控制，传送进行下行链路功率控制需要的功率控制命令；FBI为反馈信息比特，下行链路使用闭环发射分集时使用FBI比特。
图10 上行专用物理信道(DPDCH/DPCCH)帧结构
公共上行物理信道有物理随机接入信道(PRACH，Physical Random Access Channel)和物理公共分组信道(PCPCH，Physical Common Packet Channel)。
PRACH由一个或多个长度为4096个码片的接入前缀和一个长度为10ms或20ms的消息部分组成，每个接入前缀包含长度为16码片的256次重复，最多有16个签名(Signature)可用。随机接入是以一种有快速接入指示的时隙化的ALOHA方式进行的。
PCPCH用来承载CPCH，CPCH传输基于一种快速捕获指示DSMA-CD方式进行的，接入时隙的定时和结构与RACH类似。PCPCH由一个或多个长度为4096个码片的接入前缀(A-P)、一个长度为4096码片的碰撞检测前缀(CD-P)和一个长度为0个或N×10ms的变长消息部分组成，CPCH的接入前缀与RACH类似，消息部分的帧结构与上行专用物理信道类似。
下行物理信道分为下行专用物理信道和下行公共物理信道。下行专用物理信道只有一种，即DPCH(Dedicated Downlink Physical Channel)，在一个下行DPCH信道上，L2层及高层产生的专用数据与物理层产生的控制信息以时间复用的方式传输。下行专用物理信道的帧结构如图11所示。
图11 下行专用物理信道(DPCH)的帧结构
下行公共物理信道有公共导频信道(CPICH，Common Pilot Channel)、主公共控制物理信道(P-CCPCH，Primary Common Control Physical Channel)和辅助公共控制物理信道(S-CCPCH，Secondary Common Control Physical Channel)、同步信道(SCH，Synchronization Channel)和下行物理共享信道(PDSCH，Physical Downlink Shared Channel)。
CPICH是一个固定速率为30kbits/s的下行公共物理信道，携带预定义的比特符号序列，用来在UE对专用信道进行信道估计，当公共信道没有与专用信道关联，或没有使用自适应天线技术时，CPICH为这些公共信道提供信道估计参考。UTRA有主公共导频信道(P-CPICH)和辅助公共导频信道(S-CPICH)两种公共导频信道。P-CPICH有固定的信道化码并从属于主扰码，一个小区或扇区只有一个P-CPICH。S-CPICH有任意长度为256的信道化码，并从属于一个辅扰码。
SCH用于小区搜索，包含主同步信道(P-SCH)信道和辅助同步信道(S-SCH)两个子信道。P-SCH包含一个长度为2560个码片的调制码，一个小区的主同步码(PSC)是相同的，S-SCH包含长度为2560的辅同步码(SSC)的15次重复，并且与主同步码并行传输。
PDSCH携带DSCH，分配是基于无线帧进行的，在一个无线帧内，每个PDSCH都与一个DPCH信道随路，所有相关的物理层控制信息在随路DPCH的DPCCH部分传输。
另外，还有携带指示的捕获指示信道(AICH，Acquisition Indication Channel)、CPCH接入前缀捕获指示信道(AP-AICH，Access Preamble Acquisition Indication Channel)、CPCH碰撞检测/信道指配指示信道(CD/CA-ICH，Collision Detection/Channel Assignment Indicator Channel)、寻呼指示信道(PICH，Paging Indicator Channel)和CPCH状态指示信道(CSICH，CPCH Status Indicator Channel)。这些信道没有相对应的传输信道。
(3) 传输信道和物理信道的映射[20]
传输信道和物理信道的映射关系如图12所示。
图12 传输信道和物理信道的映射关系
5.2 信道编码与复用(Multiplexing and channel
coding)[21]
为了在无线传输链路上提供可靠的数据传输服务，物理层将对高层数据流(传输块/传输集)进行信道编码，信道编码方案由差错检测、差错校正、速率匹配、交织以及传输信道和物理信道之间的映射组成。
下行链路的信道编码/复用步骤如图13所示。
图13 下行传输信道的传输结构
下行链路的信道编码/复用过程分以下几步：
(1) 附加CRC校验位(CRC attachment)
给每个块附加循环冗余校验(CRC)，长度可以是24、16、12、8或0比特；
(2)传输块级联和码块分割(TrBk concatenation/Code block segmentation)
在一个TTI内传输的所有传输块是串联在一起的，如果一个TTI的总比特数大于规定的码块最大尺寸，传输块级联之后将进行分割。
(3) 信道编码(Channel coding)
码块送到信道编码模块根据编码方案进行编码：卷积编码、Turbo编码或不编码。BCH、PCH和RACH采用1/2卷积编码，CPCH、DCH、DSCH和FACH采用1/3、1/2卷积编码或1/3Turbo编码。
(4) 速率匹配(Rate matching)
通过复用或打孔，将发送的比特数与单个帧中可用的比特数匹配起来。
(5) 第一次插入非连续传输指示(1# insertion of DTX indication)
第一次插入非连续传输指示意味着下行链路使用固定比特位置确定DTX插入点。
(6) 第一次交织(1# interleaving)
第一次交织又叫帧间交织，仅在时延预算允许10ms以上的延迟时使用，交织长度可以是20ms、40ms或80ms。
(7) 无线帧分割(Radio frame segmentation)
如果TTI长度大于10ms，输入的比特序列将被分段，并映射到连续的无线帧中。
(8) 传输信道复用(TrCH Multiplexing)
每隔10ns，来自传输信道的无线帧就被送到传输信道复用单元，把所有的比特顺序串联起来，形成编码组合传输信道(CCTrCH)。
(9) 第二次插入非连续传输指示(2# insertion of DTX indication)
这一步骤插入的DTX指示将被放在无线帧的尾部， 将分布在二次交织后的所有时隙中。
(10) 物理信道分割(Physical channel segmentation)
当使用多个物理信道时，需要将输入比特流分段，放到不同的物理信道中。
(11) 第二次交织(2# interleaving)
第二次交织是帧内交织，完成一个无线帧内部数据比特的位置变换操作。
（12） 物理信道映射(Physical Channel mapping)
输入到物理信道单元的比特用γP1，γP2，……γPu表示，其中p表示物理信道数，U表示一个物理信道在无线帧中的比特数。所有的比特γpk都将被映射到物理信道上，以k的升序通过空中借口传输。
上行链路的编码/复用步骤与下行链路相似，只是速率匹配要在无线帧分割之后进行，而且不需要插入DTX指示。
5.3 扩频与调制(Spreading and modulation)[22]
物理信道成帧以后，经过扩频与调制，通过无线端口发射出去。文献[32]对扩频、调制的原理以及Ｗａｌｓｈ函数和Ｇｏｌｄ码有较好的描述，这里不在赘述，只简单介绍３ＧＰＰ规范中的扩频和调制过程。
(1) 扩频
扩频分为两步，信道化(Canalization)和加扰(Scrambling)。上行链路信道化操作时，I分支和Q分支的数据乘以不同的扩频码，I分支和Q分支进而乘以复扰码的实部和虚部进行加扰操作。上行专用物理信道的扩频过程如图14所示，其中 和 为功率控制因子。
信道化操作也是所谓的扩频操作，输入端采用正交可变扩频因子码(OVSF，Orthogonal Variable Spreading Factor codes，如图14中的Cd,1)与输入符号相乘；在接收端，用相同的扩频码与接收符号相乘，进行相关运算，即可得到原始符号。
OVSF码片速率为3.84M，因此信道化操作后的符号扩频为码片速率。
OVSF上行链路中区分同一UE的不同信道，下行链路中用来区分同一小区中不同用户的下行连接。OVSF可以唯一地定义为 ，SF是扩频因子，k为码序列的信号。规范规定了上行链路不同信道可用的扩频码，下行链路的扩频码由UTRA分配。图14所示的上行专用物理信道可以有1～6个DPDCH，DPDCH固定采用 ，当只有一个DPDCH时，扩频码使用 ，k=SF/4，当有多个DPDCH时，SF=4， ，其中n=1,2时k=1，n=3,4时k=3，n=5,6时k=2。
采用OVSF可以获得不同比特速率，如图10所示，上行链路扩频因子SF=4～256，一个DPDCH可以获得的比特速率为15kbits/s～960kbits/s，当需要更高的数据速率时，要使用并行信道(图14)，使用6个并行信道时可以获得5.470Mbits/s的比特率，如果编码率为1/2就可以获得2Mbits/s的用户数据速率。
图14 上行专用物理信道(DPDCH/DPCCH)的扩频示意图
信道化操作后进行加扰操作，信道化后的数据符号乘以扰码序列，UTRA采用Gold码作扩频序列的扰码，扰码序列的速率是3.84M，与信道化后符号的速率一致，因此加扰操作不改变数据符号速率。
上行链路扰码区分不同信源的传输，如图14中的Sdpch,n，上行链路扰码可以是长码或短码，长码选用25阶生成多项式产生的Gold序列截短为10ms帧；短码从扩展的S(2)码族中选取。下行链路扰码用来区分小区，网络规划时每个小区会分配一个主扰码，下行链路选用18阶M序列。同步信道(SCH)不进行加扰操作。
(2) 调制
图15给出了上行链路的调制过程，图中S对应图14中的S点，通过扩频产生的复数码片序列分裂为实部和虚部，分别脉冲成型，进行QPSK调制。下行链路的调制过程与此类似。
图15 上行链路调制
5.4 媒体接入控制协议(MAC)子层
MAC子层通过逻辑信道向高层主要提供数据传输、无线资源和MAC参数的重分配和测量的执行及报告等服务。规范中定义了一组不同类型的逻辑信道，传输控制信息的信道称为控制信道，包括广播控制信道(BCCH，Broad Control Channel)、寻呼控制信道(PCCH，Paging Control Channel)、专用控制信道(DCCH，Dedicated Control Channel)、公共控制信道(CCCH，Common Control Channel)和共享信道控制信道，传输业务信息的信道称为业务信道，包括专用业务信道(DTCH，Dedicated Traffic Channel)和公共业务信道(CTCH，Common Traffic Channel)。图16给出了逻辑信道和传输信道之间的映射关系[19]。
图16 逻辑信道和传输信道之间的映射关系
MAC屏蔽了物理传输媒质的特性，为高层提供了使用物理介质的手段。高层通过MAC提供的逻辑信道传输数据和信令，MAC根据物理介质的特性将这些信息映射到物理层提供的传输信道上，并为每一个传输信道选择合适的传输格式，必要时MAC还会进行逻辑信道到传输信道的复用。
MAC通过MAC实体使用传输信道，MAC实体分为MAC-b、MAC-c/sh和MAC-d三类。MAC-b实体是广播信道(BCH)的控制实体。每个UE有一个MAC-b实体，UTRAN侧的每个小区有一个MAC-b实体，位于Node B中。MAC-b实体与业务无关，MAC-b实体的体系结构如图17所示。
图17 UE侧和UTRAN侧的MAC-b实体
MAC-c/sh实体控制公共及共享传输信道的接入，MAC-d实体控制专用传输信道的接入。图18和图19分别给出了UE侧和UTRAN侧的MAC体系结构。UTRAN侧的MAC体系结构和UE侧相似，唯一不同的是UE只有一个MAC-d实体，而且与一个特定小区相关的所有UE的MAC-d实体都和控制该小区的MAC-c/sh实体相连。图19中，MAC-c/sh实体位于CRNC侧，MAC-d实体位于SRNC侧。MAC控制服务接入点(MAC Control SAP)用于传递各MAC实体的控制信息。
图18 UE侧的MAC体系结构
图19 UTRAN侧的MAC体系结构
5.5 无线链路控制协议(RLC)子层[25]
无线链路控制协议利用MAC子层提供的逻辑信道向高层提供可靠的数据传输业务，是无线接口上保证QoS的重要环节。
RLC层为用户数据和控制信息提供分段和重传服务，根据不同级别的QoS要求，RLC提供3种模式的数据传输服务：透明模式(Tr)、非确认模式(UM)和确认模式(AM)。RLC向上层提供的业务为信令无线А承载(SRB)；在用户平面，当PDCP和BMC协议都没有被该业务使用时，RLC提供的业务为无线承载(RB)，否则RB业务由PDCP或者BMC提供。
RLC总体模型如图20所示，每个实体在UE-UTRAN中基本对等。对于透明模式和非确认模式业务，一个发送实体和一个接收实体成对出现，而确认模式只使用一个实体，该实体同时包含负责发送和接收的逻辑信道。确认模式可以使用一条逻辑信道，数据PDU和控制PDU在同一条逻辑信道上传输，也可以同时使用两条逻辑信道，一条传数据PDU，一条传控制PDU。
图20 RLC总体模型
5.6 无线资源控制协议(RRC)[26]
无线资源控制协议主要负责UE和之间无线资源分配的控制，并在空中接口上交换与无线资源有关的控制信息。UE和UTRAN之间控制信令的主要部分是无线资源控制(RRC)消息。RRC消息承载了建立、修改和释放L2和L1协议实体所需的全部参数，RRC消息在他们的负荷中还承载高层信令(MM、M、SM等)。RRC结构模型如图21所示。
图21 UE侧的RRC结构模型
RRC模型包括以下功能实体。
（1）路由功能实体(RFE，Routing Function Entity)负责处理高层消息到不同的移动性/管理实体(UE侧)或不同的核心网域(UTRAN侧)的路由选择。
（2）广播控制功能实体(BCFE，Broadcast Control Function Entity)负责实现广播功能，处理通用控制接入点(Gc-SAP)需要的RRC业务，使用下层Tr-SAP和UM-SAP提供的服务。
（3）寻呼及通告功能实体(PNFE，Paging and Notification Control Functional Entity)负责寻呼空闲模式的UE，处理通告业务接入点(Nt-SAP)需要的RRC业务，使用下层Tr-SAP和UM-SAP提供的服务。
（4）专用控制功能实体(DCFE，Dedicated Control Function Entity)负责实现与一个特定UE相关的所有功能，处理专用控制业务接入点(Dc-SAP)需要的RRC业务，使用下层Tr-SAP和UM/AM-SAP提供的服务。
（5）共享控制功能实体(SCFE，Shared Control Function Entity)负责控制PDSCH和PUSCH的分配，协助专用控制功能实体的工作，使用下层Tr-SAP和UM-SAP提供的服务。
（6）传输模式实体(TME，Transfer Mode Entity)负责处理RRC层的不同功能实体与RLC提供的服务接入点之间的映射。
5.7 分组数据集中协议(PDCP)[27]
图22所示为UTRAN协议架构中的PDCP模型。该图仅仅是PDCP的一种可能结构，并不限制具体实现方法。
图22 PDCP结构
作为L2层的一个子层，PDCP主要功能是在空中接口上承载网络层的分组数据，例如IP数据流。为了提高数据流在空中接口上的传输效率，PDCP包含压缩算法，对分组数据信息的头进行压缩，目前的IP头压缩算法有IETF的RFC 2506、RFC 3095等。
每个分组域的RAB都与一个RB相关联，而每个RB又与一个PDCP实体关联，每个PDCP实体连接到一个RLC实体。每个PDCP实体使用特定参数的零、一或多种头压缩算法。几个PDCP实体可以使用同一种PDCP算法。算法类型和参数由RRC指定并通过PDCP控制服务接入点(PDCP-C-SAP)通知给PDCP。
5.8 广播/组播控制协议BMC[28]
广播/组播控制(BMC)协议只存在与用户平面，用于承载空中接口上的广播/组播业务，除广播/组播业务外，L2/BMC子层对所有业务都是透明的。3GPP R99版本中，应用这个协议的业务是短消息(SMS)小区广播业务，着种业务直接继承于GSM。L2/BMC协议模型入图23所示。
图23 BMC子层协议模型
在UTRAN侧，每个小区有一个BMC协议试题，每个BMC要求一个单独的CTCH，该逻辑信道经过RLC子层由MAC子层提供。BMC要求使用RLC非确认模式的服务。
一般认为，RNC的BMC之上有一项功能，负责从小区广播中心来的CBS消息中解析出地理区域信息(可能的话，还应该执行小区列表的评估)。
6 结束语
本文介绍了UMTS体系结构及其演进，接口协议基于R99版本。R99版本是3GPP规范中最稳定、成熟的版本，目前推出的3G产品基本上是基于这个版本的。R4版本的主要特征是完成了TD-SCDMA在3GPP的标准，核心网部分主要是在电路交换域将承载与控制分开。R5版本的核心网部分结构上有较大变化，引入IP多媒体子系统，是全IP的第一个版本。R5版本已经于2002-03冻结，进一步的工作留到R6版本中。
3GPP规范是十分复杂的规范体系，而且第三代移动通信技术发展迅猛，规范也在不断完善和发展中，核心网在不断演进，无线接口规范也添加了许多新内容，本文通过概述UMTS系统概貌，希望能抛砖引玉，对读者了解第三代移动通信技术有所裨益。
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24 3GPP TS 25.321 V3.10.0(2001-12) Technical Specification Group Radio Access Network; MAC protocol specification (Release 1999)
25 3GPP TS 25.322 V3.9.0(2001-12) Technical Specification Group Radio Access Network; RLC protocol specification (Release 1999)
（上接第13页）
26 3GPP TS 25.331 V3.9.0(2001-12) Technical Specification Group Radio Access Network; Radio Resource Control (RRC); protocol specification (Release 1999)
27 3GPP TS 25.323 V3.7.0(2001-12) Technical Specification Group Radio Access Network; Packet Data Convergence Protocol(PDCP) specification (Release 1999)
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