WCDMA移动通信系统基本原理.pptx

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1、WCDMA移动通信系统基本原理,提 纲,3G发展概述 无线通信原理及相关技术 WCDMA资源管理 WCDMA关键技术,2,1,3,4,3G发展概述,蜂窝移动通信系统发展历程,3G的发展,满足更多种类、更高速率的业务和更高频谱效率的要求，这是发展的根本动力； 减少目前存在的各大网络之间的不兼容性； 世界性的标准IMT-2000应运而生。,IMT-2000支持的网络被称为第三代移动通信系统,第三代移动通信的标准化,欧洲为主的3GPP,GSM核心网,以美国为主的3GPP2,IS-41为核心网,3G演进中的几大组织,负责融合多载波的CDMA模式,负责融合直接序列扩频和TDD的 CDMA模式,CDMA2

2、000,WCDMA、TD-SCDMA,第三代移动通信的标准化,ITU对IMT-2000的总体要求,服务质量要求,新业务能力要求,发展和演进能力要求,灵活性要求：多环境、多模式、多频带能力,第三代移动通信的标准化,ITU对IMT-2000的总体要求,服务质量要求,语音质量、覆盖、费用,移动通信用户的快速增长，频率紧张成为制约通讯发展的最大问题 在频谱利用率方面要比二代系统成倍提高 能利用最佳的频谱利用率来提供目前所预期的所有业务。,增加效率和能力,语音质量、覆盖和费用是移动通信最关心的问题 改进话音质量、支持无缝切换、允许运行商在竞争环境中可以降低费用，同时开展多项业务,业务质量,对于多种业务如

3、：语音、视频、数据业务、无线业务，不同的业务有不同的要求,第三代移动通信的标准化,ITU对IMT-2000的总体要求,新业务和能力要求,灵活接入能力,宽带业务非常广泛，有低速的话音、短信，有高速的多媒体，有要求低时延（话音），有要求绝对的完整性 （文件传输），有连续传输（视频），有突发性传输（Internet)。 信道要求动态，根据需要分配带宽。,根据要求分配带宽,通过不同的方法接入很宽范围的业务 能够实现一代和二代系统中不能实现的新话音和数据业务,增加对宽带业务的要求,无线上网 无线图象传输业务 实时地图 点播节目等多种宽带业务 能提供非常好的速率。 能以较少的费用与其他无线和有线接入网络竞

4、争,第三代移动通信的标准化,ITU对IMT-2000的总体要求,发展和演进要求,兼容、继承、发展能力,能否支持从第二代系统的发展和演进对于IMT-2000的成功意义巨大 第二代系统的巨大投资仍在进行，两个时代的系统的共存、互通必不可少。 从第二代过渡到第三代需要一个有步骤、逐步的解决方案,GSM,CDMA200,WCDMA,TDSCDMA,CDMA,PHS,向3G过渡,ITU对IMT-2000的总体要求,灵活性要求：多环境、多模式、多频带,多模/多频要求,不同网络间实现真正的无缝漫游 支持不同网络的切换 业务传递不终止 最佳路由和最小时延 支持固定无线网络接入能力，能与固定有线网竞争，或作为有

5、线网的补充,移动性管理和固网接入,几种技术形成主要标准，单一制式在短期内只是一个愿望。 要求多模/多频的多媒体终端支持不同标准的互通,灵活和自适应控制,实时控制无线信道参数 实时动态调整无线信道参数 根据环境参数调整参数（如功率控制）,优化性能、提高频谱效率,多环境,能在各种可能存在的环境中都支持高的频谱效率、覆盖效率、服务质量 具有不同的场所适应能力：室内、室外、郊区、车内 具有不同的移动性环境：静止、步行、高速车辆 不同的用户密度：城市、农村、商业区,无线原理基本概念,无线基本原理,无线传播特性,概念,基本传播机制,反射：当电磁波遇到比其波长大的多的物体时发生反射 绕射：当接收机和发射机之

6、间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射 散射：当电磁波遇到的物体表面粗糙、不规则时发生散射,慢衰落和快衰落,接收信号的场强中值在一段时间内的缓慢变化称为慢衰落。（阴影衰落） 接收信号在某时间内场强在振幅和相位发生非常急速变化的部分成为快衰落（多径效应）,无线基本原理,多址方式,几种多址方式,频分多址技术（FDMA） 业务信道在不同频段分配给不同的用户。如TACS、AMPS。,时分多址技术（TDMA） 业务信道在不同的时间分配给不同的用户。如GSM、DAMPS。,码分多址技术（CDMA） 所有用户在同一时间、同一频段上、根据不同的编码获得业务信道。,WCDMA相关技术,WCDMA系统结构,HLR

7、,Gn,SGSN,GGSN,MSC/VLR,Gr,Gs,Node B,Iub,Iub,GMSC,IuCS,IuPS,Internet,PSTN/ISDN,C,D,Gi,UE,RNC,Iur,IuCS,IuPS,CN,RNS,Iub,RNC,Node B,Node B,BTS,BSC,A,Gb,Abis,Gc,WCDMA数据简要发送过程,手机数据,编码交织,扩频,调制,射频发送,射频接收,解调,解扩,解码解交织,手机数据,相关技术,手机数据,编码交织,扩频,调制,射频发送,射频接收,解调,解扩,解码解交织,手机数据,WCDMA数据简要发送过程,相关技术,例子,信道编码技术,床前明月光 春眠不觉晓

8、 白发三千丈 红豆生南国,床床前前明明月月光光 春春眠眠不不觉觉晓晓 白白发发三三千千丈丈 红红豆豆生生南南国国,床？前前明明月月光光 春春眠眠？不觉觉晓晓 白白发发三三？千丈？ 红红豆豆生生南？国国,信道编码技术是通过给原数据添加冗 余信息，从而获得纠错能力 适合纠正非连续的少量错误 目前使用较多的是卷积编码和Turbo编码（1/2，1/3）,相关技术,原理及目的,信道编码技术,无纠错编码： BER10-1 10-2,不能满足通信需要,卷积编码： BER10-3,满足语音通信需要,Turbo 码： BER10-6,满足数据通信需要,卷积码,译码简单的最大问题 时延小 一般采用维特比算法 信道

9、误码率在 103数量级 适合实时业务,卷积码特点,WCDMA系统中主要用于话音信道和控制信道，编码速率为1/2和1/3,相关技术,卷积码,信道编码技术,Turbo码,译码复杂 常采用LOG-MAP算法 信道误码率可以达到106 非常适合对误码率敏感而对时延不敏感的非实时分组业务,Turbo码特点,Turbo编码结构基于两个或多个弱差错控制码组合，信息比特在两个编码交织器之间交织，产生两个相同的信息流，然后这些信息流复用并有可能打孔。 解码时需要进行循环叠代计算。 在WCDMA系统中主要用于数据业务信道 编码速率为1/3,相关技术,Turbo码,信道编码技术,交织的优点,帧内交织:一个帧内部的数

10、据比特位置的变换操作 帧间交织:不同帧之间数据的位置变换 Turbo编码的内部交织: Turbo编码的内部交织比较复杂，它不属于上面两种简单的交织模式，它的算法可以看作是帧内交织和帧间交织的复杂嵌套。,交织分类,交织技术是改变数据流的传输顺序，将突发的错误随机化。提高纠错编码的有效性。 提高纠错编码的有效性。,相关技术,交织的原理和分类,交织技术,交织的缺点,由于改变了数据流的传输顺序，必须要等整个数据块接收后才能纠错，加大了处理延时，因此交织深度应根据不同的业务要求有不同的选择 特殊情况下，若干个随机独立差错有可能交织为突发差错。 。,相关技术,例子,交织技术,床前明月光 春眠不觉晓 白发三

11、千丈 红豆生南国,床床前前明明月月光光 春春眠眠不不觉觉晓晓 白白发发三三千千丈丈 红红豆豆生生南南国国,床春白红床春白红 前眠发豆前眠发豆 明不三生明不三生 月觉千南月觉千南 光晓丈国光晓丈国,床春白红？ ？前眠发豆 明不三生明不三生 月觉千南月觉千南 光晓丈国光晓丈国,床？前明明月月光光 春？眠不不觉觉晓晓 白？发三三千千丈丈 红？豆生生南南国国,编码,交织,去交织,解码,突发错误,相关技术,手机数据,编码交织,扩频,调制,射频发送,射频接收,解调,解扩,解码解交织,手机数据,WCDMA数据简要发送过程,无线通信原理,概述,扩频原理,扩频的基本方式,抗干扰 抗噪音 抗多径衰落 具有保密性

12、可多址复用和任意选址 功率谱密度低，具有隐蔽性和低的截获概率,优点,信息的频谱扩展后形成宽带传输 相关处理后恢复成窄带信息数据,无线通信原理,香农公式,扩频原理,C=Wlog2(1+S/N),无线通信原理,扩频抗干扰,扩频原理,f,S（f）,f0,扩频前的信号频谱,信号,S（f）,f,f0,扩频后的信号频谱,信号,无线通信原理,扩频抗干扰,扩频原理,无线通信原理,信号扩频,扩频原理,Spreading,Despreading,1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1,Chip,信息数据,扩频码,扩频数据,扩频码,还原信息,无线通信原理,去除扩频无用信号,扩频原理,Symbol,1 -1

13、 1 -1 8 -8 8 -8,Chip,解扩数据,解扩后其他信号,积分后数据,积分后其他信号,无线通信原理,WCDMA系统扩频,扩频原理,数据 比特,扩频后 码片,无线通信原理,扩频原理,下行物理信道扩频调制过程,实部 与 虚部 分离,脉冲 成型,脉冲 成型,串 并 转 换,串 并 转 换,下行物理 信道1,Cch,SF,m,j,I+jQ,Sdl,n,G1,Cch,SF,m,j,I+jQ,Sdl,n,G2,下行物理 信道2,Gp,Gp,P-SCH,S-SCH,cos(wt),-sin(wt),T,T,Re(T),Im(T),无线通信原理,上行物理信道扩频调制过程,实部 与 虚部 分离,脉冲

14、成型,脉冲 成型,cos(wt),-sin(wt),Sdpch,n,S,Re(S),Im(S),Cd,1,d,I,cc,Q,j,I+jQ,DPDCH1,Cd,3,d,DPDCH3,Cd,5,d,DPDCH5,Cd,2,d,DPDCH2,Cd,4,d,DPDCH4,Cd,6,d,DPDCH6,cc,Cc,c,DPCCH,Q,扩频原理,无线通信原理,解扩,扩频原理,无线资源管理,主要内容,功率控制,切换功率,负载功率,接纳功率,码资源分配,影响容量的一些现象,远近效应,影响容量的几个现象,一个UE就能阻塞整个小区,信号被离基站近的UE的信号“淹没”，无法通信,功率攀升,影响容量的几个现象,码信道之

15、间的非正交产生多址干扰，存在功率攀升现象。 WCDMA网络 会议室 码信道传输用方言交谈 信道功率说话声音 保证信道质量听清对话 信道功率增加谈话声音提高 功率攀升大家都提高声音 超过线性范围崩溃喊破喉咙，仍然听不清 小区外的干扰房间外的干扰,CDMA系统是一个同频自干扰系统，任何多余不必要的功率不允许发射，这是一个一定要遵守的总准则,功率攀升,影响容量的几个现象,多址干扰,影响容量的几个现象,WCDMA是一个自干扰系统 来源: 共享频谱；没有理想自相关和互相关特性的扩频码 现象: 功率攀升,影响容量的几个现象,多径效应,发射信号,容量和无限资源管理的关系,WCDMA的容量特点,WCDMA系统

16、容量特点：容量是软的。 软容量有以下含义： 一是传统的软容量概念，没有绝对固定的信道数，降低无线链路的通信质量，可以容纳更多用户，即系统容量与通信质量可以互换； 二是不同的业务有不同的容量，比如8kbps话音的吞吐容量比144kbps分组业务的吞吐容量低； 三是承载混合业务时，不同的业务比例和构成，有不同的容量，即针对不同的业务模型，系统有不同的容量。,概述,功率控制,无线资源管理,CDMA通信技术并不是一种崭新的技术 功率控制是CDMA通信技术的关键 实现CDMA通信的规模商用，必须解决好功率控制,CDMA系统是一个同频自干扰系统，任何多余不必要的功率不允许发射，这是一个一定要遵守的总准则！

17、,功率控制技术是CDMA系统的基础，可以说没有功率控制就没有CDMA系统。 功率控制可以补偿衰落，接收功率不够时要求发射方增大发射功率 功率控制可以克服远近效应，对上行功控而言，功率控制的目标即为所有的信号到达基站的功率够用即可 由于移动信道是一个衰落信道，快速闭环功控可以随着信号的起伏进行快速改变发射功率，使接收电平由起伏变得平坦,功率控制种类,功率控制,无线资源管理,开环,接收机测量接收到的宽带导频信号的功率，并估计传播路径损耗，根据路径损耗计算得到需要发射的功率。 接收到的功率越强，说明收发双方距离较近或有非常好的传播路径，发射的功率就越小 开环功控只能在决定接入初期发射功率和切换时决定

18、切换后初期发射功率的时候使用。,闭环,测量信噪比和目标信躁比比较，并向移动台发送指令调整它的发射功率 CDMA闭环功率控制频率为1500Hz 若测定SIR目标SIR， 降低移动台发射功率,若测定SIR目标SIR， 增加移动台发射功率,内环控制,外环控制,测量误帧率（误块率），调整目标信噪比,开环控制,功率控制,无线资源管理,NodeB,UE,进行功率估计,接收机测量接收到的宽带导频信号的功率，并估计传播路径损耗，根据路径损耗计算得到需要发射的功率,闭环内环功率控制,功率控制,无线资源管理,功率控制的目的：使基站处接收到的每个UE信号的bit能量相等,NodeB,UE,下发TPC,测量接收信号

19、SIR并比较,内环,设置SIRtar,1500Hz,每一个UE都有一个自己的控制环路,闭环外环功率控制,功率控制,无线资源管理,NodeB,UE,下发TPC,测量接收信号 SIR并比较,内环,设置SIRtar,测量传输信道上的BLER,外环,RNC,测量接收数据 BLER并比较,设置BLERtar,10-100Hz,切换概念,切换控制,无线资源管理,基本概念：切换是指当移动台处于移动状态中，通讯从一个基站或信道转移到另一个基站或信道的过程。 根据切换方式不同，切换可以分为硬切换和软切换两种情况,上、下行链路质量，上、下行链路信号的测量，距离或业务的变化，更优的蜂窝出现，操作和管理的干涉，业务流

20、量情况等,切换原因,无线测量、网络判决和系统执行,切换步骤,切换分类,切换控制,无线资源管理,同一NodeB下的小区软切换（更软切换） 不同NodeB间的小区软切换 不同RNC间的小区软切换,软切换,不同载频间的硬切换 同一载频下的硬切换（强制性硬切换） 系统间硬切换（如与GSM之间） 不同模式间硬切换（如FDD与TDD之间）,硬切换,什么是接纳控制及接纳控制的目的,接纳控制,无线资源管理,无线资源是十分有限和宝贵的，在一定的无线调制解调技术（RTT）下，频谱利用率是固定的，比如WCDMA系统所采用的BPSK和QPSK技术，那么频谱利用率是1bite/Hz和2bites/Hz，这样在5MHz带

21、宽内，实际是3.84MHz内的传输速率不会超过10Mbps。 仿真结果表明，在周围小区负荷较满时，一个小区可以同时容纳约120多个12.2kbps的话音用户，是CDMA的3倍多；或者可以容纳30个64kbps的数据用户；或者容纳7个384kbps的数据用户 可见还是不能满足日益增长的业务要求，尤其是高速无线上网的数据业务要求。在无限要求和有限资源的情况下，必须要对各种业务的接入进行接纳控制（进入许可控制） 接纳控制应当基于无线测量，在满足系统稳定的前提下尽量满足新呼叫的服务质量（QoS）请求，即通信速率、通信质量（信噪比或误码率）和时延要求。尽量避免过载情况的发生,接纳控制条件,接纳控制,无线

22、资源管理,接纳控制的过程：当用户（或业务）发起接入呼叫申请资源时，无线接入子系统（RNS）中的RNC（无线网络控制器）进行呼叫接纳（入）控制（CAC）。若业务的负荷增量小于系统的剩余容量，则接纳，分配相应的资源给呼叫用户；若负荷增量大于系统的剩余容量，则拒绝接纳此呼叫用户，或者进行协商，协商成功后接纳此呼叫用户。,Itotal_old+I Ithreshold,上行接纳控制,Ptotal_old+P=Pthreshold,下行接纳控制,total_old 小区基站所接收到的总宽带功率 I 新业务接入后基站所接收到的干扰功率增量的预测值 Threshold 接入门限值,total_old 小区基

23、站目前的总发射功率 P 新业务接入后基站总发射功率增量的预测值 Phreshold 接入门限值,负荷控制原理,负荷控制,无线资源管理,系统不断在实时测量系统小区的负荷，当负荷平均值在一个设定的时间内超越某一个门限值时，说明系统负荷较重，使负荷进入系统的不稳定运行区，此时就有必要进行,负荷控制原理,下行快速负荷控制：拒绝从移动台来的增加功率的命令 上行快速负荷控制：减少上行用于上行快速功率控制的SIR目标值,减少分组业务的吞吐量（降低传输速率） 切换到其它的WCDMA载频 切换到GSM系统 减少实时业务的速率 执行掉话操作,负荷控制流程,负荷控制,无线资源管理,开始,判断负荷情况,（1）允许切入

24、、接入,（2）允许增加功率,（3）提高速率,（4）其它,负荷偏低,负荷,偏高,负荷,正常,（1）允许切入、接入,（2）允许增加功率,（1）停止切入、接入 （2）停止增加功率 （3）速率降低 （4）切换（切出） （5）执行掉话,小区呼吸,负荷控制,无线资源管理,小区呼吸是负载控制的一个手段,小区呼吸的主要目的是将某些“热点小区”的负载分担到周围负载较轻的小区中，提高系统容量的利用率,码资源规划,码资源分配,无线资源管理,WCDMA是一个自干扰、动态统计复用的无线接入系统到另一个基站或信道的过程。 CDMA码分多址技术的目的是实现多用户在相同载频并行传输，有效提升频谱利用率。 信道码分配的目标是为

25、每个用户分配自己的信道码（OVSF码），在同一个载频上标识并区分不同用户的连接（信源-信宿），从而实现了多用户在相同载频并行传输,在WCDMA系统中，上行的用户靠扰码区分，下行的物理信道靠OVSF码区分。上行容量是干扰受限，下行容量是功率和码资源受限。 由于正交可变扩频因子码是稀有资源，一个小区对应一张码表，为了使得系统既能接入尽量多的用户，提高系统的容量，就必须考虑码资源的合理使用问题，所以对于下行信道化码资源的规化和管理就非常重要。上行扰码数量非常多，但为了避免在不同的RNC之间的小区不同用户使用相同的扰码，则也需对RNC的扰码进行规划,码资源分配概述,码资源分配,无线资源管理,上行链路扰

26、码 上行链路信道化码 下行链路扰码 下行链路信道化码,一个小区有一个主扰码，一个主扰码下对应一个码树，下行链路信道化码的码树是一个典型的二叉树，对应于SF=4512,WCDMA系统中所用到的码的类型：,在RNC中主要需要规划的是下行信道化码,信道化码的产生：,信道化码分配策略,码资源分配,无线资源管理,码表利用率高：分配掉的码字所阻塞掉的码字越少，说明码表利用率越高 码表复杂度低：尽量用短码分配 先分配公共和共享物理信道的的下行链路信道化码，尽量保证下行公共物理信道码资源的使用 按照一定的策略分配下行专用物理信道的信道化码,示例：,红色：已分配的码字； 绿色：由于低速扩频因子码字被分配而阻塞掉

27、的高速扩频因子码字； 蓝色：由于高速扩频因子码字被分配而阻塞掉的低速扩频因子码字； 黑色：根据申请的扩频因子而优化分配的码字。,关键技术,分集概念,分集技术,两重含义：分散传输；集中处理 是通过利用和查找自然界无线传播环境中的独立（或至少高度不相关）多径信号来实现的 可简单解释为：如果一条路径中的信号经历了深度衰落，而另一条相对独立的路径中可能仍包含着较强的信号。 优点： 易获得相对稳定的信号 可获得分集处理增益 提高信噪比,关键技术,分集类型,分集技术,空间分集 又称天线分集，如果天线间的距离大于半个波长，则从不同的天线上收到的信号包络基本上是不相关的 时间分集 以超过信道相干时间的时间间隔

28、重复发送信号，以便让再次接收到的信号具有独立的衰落环境，从而产生分集效果 频率分集 在多个频率上传送信号，其理论基础是在信道相干带宽之外的频率上不会出现同样的衰落 极化分集 信号在空中传播进行了多次反射，由于不同极化方向的反射系数不 同，使得信号在不同的极化方向上是不相关的,关键技术,WCDMA使用的分集技术,分集技术,关键技术,开环发射分集(TSTD和STTD) 使用空时编码对信号进行处理，并从两根天线上发射，综合利用了时间分集和空间分集技术 闭环发射分集 由接收端反馈参数控制两根发射天线的加权，是带反馈技术的空间分集 交织技术 是一种隐含的时间分集技术，与WCDMA系统选用的编码方案配合使

29、用。 RAKE接收技术 也是一种隐含的时间分集技术。认为：一个码片时间 信道的相关时间，RAKE接收利用的多径信号被认为是发射机多次发送过来的信号,STTD发射分集示意,分集技术,关键技术,发射分集技术提高系统下行容量,开环模式中的STTD分集,RAKE接收机,RAKE接收,关键技术,d1,d2,d3,由于在多径信号中含有可以利用的信息，所以，CDMA接收机可以通过合并多径信号来改善接收信号的信噪比。 RAKE接收机就是通过多个相关检测器接收多径信号中各路信号，并把它们合并在一起，可有效克服多径效应。,RAKE接收机,RAKE接收,关键技术,接收机,单径接收电路,单径接收电路,单径接收电路,搜

30、索器,计算信号强度与时延,合 并,合并后的信号,t,t,s(t),s(t),智能天线的原理,智能天线,关键技术,智能天线采用空分多址（SDMA）技术，利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来，最大限度地利用有限的信道资源。,全向小区,三扇区小区,智能天线小区,智能天线的优点,智能天线,关键技术,高速率用户带来很大的干扰，动态调整的智能天线阵列的波束跟踪高速率用户，起到空间隔离、消除干扰的作用；动态调整的智能天线阵列的性能优于固定的多波束天线 增加系统容量 增加覆盖范围，改善建筑物中和高速运动时的信号接收质量 提高信号接收质量，降低掉话率，提高语音质量 减少发射功率，延

31、长移动台电池寿命 提高系统设计时的灵活性,多用户检测技术,多用户检测,关键技术,当前的CDMA接收机基于RAKE 原理，将其他用户的干扰视为噪声 基于RAKE 的CDMA系统的容量受干扰的限制 最优接收机是联合检测所有的信号，并将其他用户的干扰从期望的信号中减去（信号的相干特性是已知的，干扰是确定的） 多用户检测（MUD）称为联合检测和干扰对消，降低了多址干扰，从而提高系统的容量 多用户检测可以消除远近效应问题 最优的多用户检测相当复杂，实际中用次优的多用户和干扰对消接收机,多用户检测技术,多用户检测,关键技术,WCDMA通信系统是一个多用户同时接入的通信环境。分析表明，多址干扰与信道中的噪声具有不同的统计特性。 多址干扰具有可估计、可再生的特性。 多用户检测的目标，就是综合各个用户的有用信息，采用一定的信号处理手段去降低接收信号中的多址干扰直至为0。,谢谢！,