WCDMA系统基本原理.ppt

1、WCDMA系统基本原理,无线案例与培训部 WRAN培训组,Page 2,学习完此课程，您将会： 掌握WCDMA系统的发展历程 掌握WCDMA系统结构及无线网络接口 掌握CDMA技术的基本原理 掌握WCDMA系统无线信道类型及其功能 掌握WCDMA系统主要的信令流程,目 标,Page 3,内容介绍,第1章 3G概述 第2章 WCDMA系统结构 第3章 CDMA基本原理 第4章 WCDMA无线接口 第5章 WCDMA接口协议与信令流程,Page 4,什么是3G?,讨论篇-请思考,Page 5,移动通信发展历程,3G为用户与运营商提供了完整的综合业务解决方案,Page 6,3G标准化组织,Page

2、7,3G频谱分配,Page 8,中国3G频谱分配（2009年1月）,（一）中国电信： 频分双工（FDD）方式：19201935MHz21102125MHz （二）中国联通： 频分双工（FDD）方式：19401955MHz21302145MHz （三）中国移动： 时分双工（TDD）方式：1880-1900MHz和20102025MHz,Page 9,WCDMA能够使用的频段,（一）主要工作频段： 19201980MHz21102170MHz WCDMA频点计算公式：频点号频率5 上行中心频点号：96129888 下行中心频点号：1056210838 （二）补充工作频率： 17551785MHz1

3、8501880MHz 中国移动和中国联通目前已有的GSM频段以后可以用于WCDMA,Page 10,WCDMA的扩展频段,Page 11,讨论篇-开动脑筋,“Service is the life of 3G” 你怎么理解 ? 3G将会给我们的生活带来那些改变 ? 3G的业务是如何分类的 ?,Page 12,丰富的3G业务,时延,误码,不同业务QOS要求,会话类业务,流类业务,交互类业务,背景类业务,Page 13,内容介绍,第1章 3G概述 第2章 WCDMA系统结构 第3章 CDMA基本原理 第4章 WCDMA无线接口 第5章 WCDMA接口协议与信令流程,Page 14,WCDMA协议版

4、本的演进,R99,保留2G/2.5G核心网 核心网分CS电路域和PS分组域 接入网引入WCDMA RAN 核心网和接入网之间的Iu接口基于ATM,R4,保留WCDMA R99 RAN 核心网电路域采用NGN架构，以IP承载话音业务,核心网增加IM（IP多媒体域），增强IP QoS能力 接入网增加HSDPA功能，单载波下载高达14.4Mbps的数据接入能力 接入网向IP RAN方向发展,2000,2001,2002,规范完成时间,全IP解决方案 HSUPA Phase II 单载波上载速率高达5.76Mbps HSPA(64QAM, CPC,MIMO) LTE (OFDMA , MIMO),20

5、04,Page 15,WCDMA RAN体系结构,Page 16,WCDMA R5网络结构,GSM /GPRS BSS,BTS,BSC,NodeB,RNC,PCU,UTRAN,SCP,SMS,SCE,HLR/AUC/HSS,SGSN,CG,BG,GGSN,GPRS backbone,CN,MGW,MGW,VMSC Server,GMSC Server,IP/ATM Backbone,CS domain,PS domain,Iu-CS,Iu-PS,IP backbone,MRFP,IMS domain,MGW,P-CSCF,S-CSCF,MGCF,MRFC,RAN,SS7,PSTN/PLMN,I

6、nternet, Intranet,Page 17,内容介绍,第1章 3G概述 第2章 WCDMA系统结构 第3章 CDMA基本原理 第4章 WCDMA无线接口 第5章 WCDMA接口协议与信令流程,Page 18,内容介绍,第3章 CDMA基本原理 3.1 双工技术与多址技术 3.2 扩频通信原理,Page 19,双工技术,TDD方式上下行频率相同 可用于任何频段 适合于上下行非对称及对称业务 FDD方式上下行频率配对 需要成对频段 适合于上下行对称业务；,Page 20,多址技术,Page 21,码分多址（CDMA）的技术特点,优点 频率复用度高，频谱利用率大大提高 CDMA系统的用户容量

7、是软容量，具备一定的话务自适应能力（小区呼吸） 缺点 CDMA系统是自干扰系统系统内用户互相干扰 技术实现难度大：功率控制技术、负载控制技术等,Page 22,内容介绍,第3章 CDMA基本原理 3.1 双工技术与多址技术 3.2 扩频通信原理,Page 23,扩展频谱（SS:Spread Spectrum)通信简称扩频通信。 扩频通信技术:在发端采用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息必须的带宽，在收端采用相同的扩频码进行相关解调来解扩以恢复所传信息数据。,直接序列扩展频谱DSSS CDMA采用的是直接序列扩频，即将需要传送的信号与速率远大于信息速率的伪随机序列编码（扩频码）直接混

8、合，这样调制信号的频谱宽度远大于原来信息的频谱宽度。,扩频通信的定义,Page 24,扩频通信就是将信号的频谱展宽后进行传输的技术。 其理论基础为Shannon定理： C=B*log2(1+S/N),C：信道容量，单位b/s B：信号频带宽度，单位Hz S：信号平均功率，单位W N：噪声平均功率，单位W,结论：在信道容量C不变的情况下，信号频带宽度B与信噪比S/N完全可以互相交换，即可以通过增大传输系统的带宽以在较低信噪比的条件下获得比较满意的传输质量.,扩频通信的理论基础,Page 25,扩频码速率：3.84Mc/s； 扩频码：OVSF码。,直接扩频通信,Page 26,扩频与解扩（DS-C

9、DMA）,Page 27,扩频过程中的频谱变化,Page 28,扩频通信的技术特点,优点 抗干扰能力强 保密性强：扩频后的信号近似白噪声 低发射功率 大容量通信 缺点 占用带宽较大,Page 29,内容介绍,第1章 3G概述 第2章 WCDMA系统结构 第3章 CDMA基本原理 第4章 WCDMA无线接口 第5章 WCDMA接口协议与信令流程,Page 30,内容介绍,第4章 WCDMA无线接口 4.1 WCDMA无线接口关键技术 4.2 WCDMA无线信道,Page 31,WCDMA通信模型,信源 解码,信源 编码,Interleaving,deinterleaving,信道编码 交织,去交

10、织 信道解码,加扰,解扰,扩频,解扩,调制,解调,射频发射,射频接收,无线信道,Page 32,WCDMA的信源编码,系统采用AMR（Adaptive Multi-Rate）语音编码 多速率：8种编码速率，从12.2Kbps到4.75Kbps，与目前各种主流移动通信系统（如GSM，IS-95，PDC等）使用的编码兼容，利于设计多模终端； 多种语音速率与目前各种主流移动通信系统使用的编码方式兼容，有利于设计多模终端； 根据用户离基站远近，自动调整语音速率，减少切换，减少掉话； 根据小区负荷，自动降低部分用户语音速率，可以节省部分功率，从而容纳更多用户；,Page 33,WCDMA通信模型,信源

11、解码,信源 编码,Interleaving,deinterleaving,信道编码 交织,去交织 信道解码,加扰,解扰,扩频,解扩,调制,解调,射频发射,射频接收,无线信道,Page 34,WCDMA的信道编码,信道编码的作用：在原数据流中加入冗余信息，增加符号间的相关性，以便在受到干扰的情况下恢复信号。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 22 33 44 55 66 77 88 99 编码类型 语音业务：卷积码（1/2、1/3），约束长度为9，加8个尾比特 数据业务：Turbo码（1/3），两个8状态的并行级联卷积码构成，加6个尾比特,Page 35,交织,交织的作用：打乱符号间的相

12、关性，减小信道快衰落和干扰带来的影响,Page 36,WCDMA通信模型,信源 解码,信源 编码,Interleaving,deinterleaving,信道编码 交织,去交织 信道解码,加扰,解扰,扩频,解扩,调制,解调,射频发射,射频接收,无线信道,Page 37,扩频解扩过程,Page 38,码序列的正交 累加为0表示正交,码序列的正交性,Page 39,WCDMA的扩频码：OVSF,OVSF：正交可变扩频因子，由Walsh矩阵生成,SF = 1,SF = 2,SF = 4,Cch,1,0 = (1),Cch,2,0 = (1,1),Cch,2,1 = (1,-1),Cch,4,0 =(

13、1,1,1,1),Cch,4,1 = (1,1,-1,-1),Cch,4,2 = (1,-1,1,-1),Cch,4,3 = (1,-1,-1,1),Page 40,信道化码的特点,1.分配码的前提： 要保证其到树根路径上和其子树上没有其它码被分配； 2.分配码的结果： 会阻塞掉其子树上的所有低速扩频码和其到根路径上的高速扩频码；,Page 41,三个结果中任取一个,码分配示例,Page 42,OVSF码的用途,在下行信道，OVSF用于区分用户 在上行信道，OVSF用于区分同一个用户的不同业务,Page 43,WCDMA通信模型,信源 解码,信源 编码,Interleaving,deinter

14、leaving,信道编码 交织,去交织 信道解码,加扰,解扰,扩频,解扩,调制,解调,射频发射,射频接收,无线信道,Page 44,数据 比特,扩频后 码片,扰码使用户信息伪随机化，加强保密性 WCDMA扰码是两个m序列（最大长度线性移位寄存器序列）的叠加，成为Gold码序列。 扰码分为上行扰码和下行扰码，作用不一样,扰码介绍,Page 45,WCDMA的扰码：GOLD序列,在上行信道，扰码用于区分用户 上行有224个上行长扰码和224个上行短扰码 在下行信道，扰码用于区分小区（扇区载频） 下行有2 181262143个扰码，但目前只使用08191号扰码中的主扰码。 0，1，8191，分为51

15、2个集合，每个集合包括一个主扰码和15个次级扰码。 512个主扰码又可以分为64个扰码组，每组由8个主扰码组成 扰码每10ms重复一次，长度是38400chips,Page 46,下行扰码,集0,集1,集511,主扰码0,从扰码1,从扰码15,主扰码 51116,从扰码 511161,从扰码 5111615,8192个扰码,512集,每集分为1个主扰码，15个从扰码,目前系统主要采用主扰码,主扰码和从扰码,Page 47,WCDMA通信模型,信源 解码,信源 编码,Interleaving,deinterleaving,信道编码 交织,去交织 信道解码,加扰,解扰,扩频,解扩,调制,解调,射频

16、发射,射频接收,无线信道,Page 48,WCDMA的调制,调制的作用 把需要传递的信息送上射频信道 采用不同的调制方式可以极大地影响空中接口提供数据业务的能力 R99/R4：采用QPSK，下行最大数据速率2.7Mbps HSDPA：采用16QAM，下行最大数据速率14.4Mbps,Page 49,WCDMA调制方式,调制方式QPSK（HSDPA阶段引入16QAM调制）,Page 50,WCDMA通信模型,信源 解码,信源 编码,Interleaving,deinterleaving,信道编码 交织,去交织 信道解码,加扰,解扰,扩频,解扩,调制,解调,射频发射,射频接收,无线信道,Page

17、51,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),Re(T),Im(T),物理信道扩频调制过程-下行,Page 52,实部 与 虚部 分离,脉冲 成型,脉冲 成型,cos(wt),-sin(wt),Sdpch,n,Re(S),Im(S),Cd,1,d,I,cc,Q,j,I+jQ,DPDCH1,Cd,3,d,DPDCH3,Cd,5,d,DPDCH5,Cd,2,

18、d,DPDCH2,Cd,4,d,DPDCH4,Cd,6,d,DPDCH6,cc,Cc,c,DPCCH,Q,物理信道扩频调制过程-上行,Page 53,无线通信的大敌：衰落,Page 54,快衰落的类型,空间选择性衰落 在不同地点（空间）衰落特性不一样 一般是由于物体反射形成 时间选择性衰落 在不同时间衰落特性不一样 主要是快速移动用户引起的多普勒频移造成 频率选择性衰落 在不同频率衰落特性不一样 主要由宽带信号的时间色散引起,Page 55,分集技术克服快衰落的主要手段,空间选择性衰落 空间分集：分集天线水平距离大于10倍波长 极化分集：两接收天线极化方向正交 发射分集：克服大尺度衰落，可以提

19、高下行覆盖，使WCDMA基站覆盖与GSM 900相当，从而支持WCDMA与GSM共站址建设！ 时间选择性衰落 时间分集信道交织、 RAKE接收机 频率选择性衰落 频率分集跳频、扩频,Page 56,RAKE接收机,RAKE 接收技术有效地克服多径干扰，提高接收性能,Page 57,RAKE接收,A,?,接收,A,A,发射,coding,A,直射信号,反射信号,如果时间差 1 码片长度,coding,decoding,Page 58,WCDMA的快速功率控制,功率控制速度达到1500次/秒，功控速度大于衰落速度，可以有效地克服阴影衰落和快衰落 降低网络干扰，提高系统质量和容量 省电，延长手机的通

20、话时间,Page 59,三种功率控制,开环 从信道中测量干扰条件，并调整发射功率；,闭环内环 测量信噪比和目标信噪比（SIR Tar）相比较，并发送指令调整发射功率（WCDMA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；,闭环外环 测量误块率（BLER），调整目标信噪比,Page 60,UE,Node B,开环功率控制的目的：提供初始发射功率的粗略估计,开环功率控制,Page 61,UE,外环,内环,1500Hz,测量接收信号 SIR并比较,10-100Hz,设置SIRtar,测量接收数据 BLER并比较,T

21、PC,设置BLERtar,Node B,闭环功率控制,Page 62,UE move,Target BS,Source BS,WCDMA的切换硬切换,硬切换的特点 先中断源小区的链路，后建立目标小区的链路 通话会产生“缝隙” 非CDMA系统都只能进行硬切换,Page 63,WCDMA切换软切换,软切换特点 CDMA系统所特有，只能发生在同频小区间 先建立目标小区链路，后中断源小区链路，可以避免通话“缝隙” 软切换会比硬切换占用更多的系统资源 当进行软切换的两个小区属于同一个NodeB时，此时为“更软切换”;,UE move,Target BS,Source BS,N o “GAP” of co

22、mmunication,Page 64,内容介绍,第4章 WCDMA无线接口 4.1 WCDMA无线接口关键技术 4.2 WCDMA无线信道,Page 65,信道分类,从不同协议层次上讲，WCDMA承载用户各种业务的信道被分为三类: 逻辑信道：直接承载用户业务 根据承载的是控制平面业务还是用户平面业务，分为控制信道和业务信道 传输信道：物理层对MAC层提供的服务 根据传输的是针对一个用户的专用信息还是针对所有用户的公共信息，分为专用信道和公共信道 物理信道：各种信息在无线接口传输时的最终体现形式,Page 66,信道概念,Page 67,业务逻辑信道（TCH）,控制逻辑信道（CCH）,专用业务

23、信道 （DTCH） 公共业务信道 （CTCH）,广播控制信道 （BCCH） 寻呼控制信道 （PCCH） 专用控制信道 （DCCH） 公共控制信道 （CCCH）,逻辑信道分类,Page 68,广播信道 BCH 前向接入信道 FACH 寻呼信道 PCH 反向（随机）接入信道 RACH,专用信道 DCH,公共传输信道,专用传输信道,传输信道分类,Page 69,物理信道分类,物理信道分为上行物理信道和下行物理信道 物理信道可以由某一载波频率、码（信道码和扰码）、相位确定 多数信道由无线帧和时隙组成，每一无线帧10ms，包括15个时隙,Data,Slot #0,Slot #1,Slot #14,T,s

24、lot,= 2560 chips,T = 10 ms, 38400chips,Data,Slot #i,Page 70,上行公共物理信道 物理随机接入信道 (PRACH),上行专用物理信道 专用物理数据信道 (uplink DPDCH) 专用物理控制信道 (uplink DPCCH),上行物理信道,上行物理信道,Page 71,下行公共物理信道 公共控制物理信道 (CCPCH) 同步信道 (SCH) 寻呼指示信道 (PICH) 捕获指示信道 (AICH) 公共导频信道 (CPICH),下行专用物理信道 (downlink DPCH),下行物理信道,下行物理信道,Page 72,传输信道和物理信

25、道的映射关系,系统信道分类,Page 73,公共物理信道的功能,SCH（同步信道）：用于小区搜索 分成主同步信道P-SCH和从同步信道S-SCH CPICH（公共导频信道）：用于扰码识别 分成主公共导频信道P-CPICH和从公共导频信道S-CPICH P-CPICH：信道码固定为Cch,256,0，扰码为主扰码 P-CPICH是其它下行物理信道的功率基准 从公共导频信道S-CPICH：主要用于智能天线 P-CCPCH（主公共控制物理信道）：用于承载系统消息 信道码固定为Cch,256,1 以上信道每个小区必须配置且仅能配置一条,Page 74,公共物理信道的功能,S-CCPCH（从公共控制物理

26、信道）：用于承载下行信令 PICH（寻呼指示信道）：用于承载寻呼指示，与S-CCPCH成对配置 PRACH（物理随机接入信道）：用于承载上行信令 接入时隙的间隔为5120chips，代表WCDMA基站最大覆盖半径为200公里 AICH（捕获指示信道）：用于承载对PRACH前缀的捕获指示，与PRACH成对配置 以上信道每个小区必须至少配置一条,Page 75,专用物理信道的功能,DPDCH（专用物理数据信道）：用于承载用户的业务数据，单码道最大数据速率为384Kbps DPCCH（专用物理控制信道）：用于承载控制信息，为DPDCH提供解调、功控等控制数据 上行DPDCH和DPCCH在不同码道上传

27、送； 下行DPDCH和DPCCH在同一码道上以时间复用的方式传送 当用户所需数据速率大于单码道最大数据速率时，可以采用多码道传输 上行最大数据速率：384Kbps6码道 下行最大数据速率：384Kbps7码道,Page 76,HSDPA物理信道的功能,HS-PDSCH（HSDPA物理下行共享信道）：用于承载用户的业务数据，单码道最大数据速率为960Kbps HS-SCCH（HSDPA共享控制信道）：用于承载HS-PDSCH信道的控制信令 HS-DPCCH（HSDPA专用物理控制信道）：用于信令传输和功率控制 HSDPA最大数据速率： 960Kbps15码道14.4Mbps,Page 77,开机

28、及搜索小区,UE开机并开始搜索网络； 与所在小区(SCH)进行同步； 通过P-SCH的基本同步码（PSC），可以实现时隙同步； 通过S-SCH，可以实现帧同步，并且识别小区的扰码码组； 通过与P-CPICH进行相关计算，得到小区的下行扰码； 根据小区主扰码，检测到BCH(P-CCPCH)，并读取系统消息，从而获得小区的相关基本信息； 侦听PICH和PCH(S-CCPCH)上的寻呼信息； UE进入IDLE 状态； UE准备进行位置更新； 完成位置更新后，UE的位置信息登记到网络侧，UE进入待机状态，可以进行主叫或被叫；,Page 78,第一步：选择小区和时隙同步,Page 79,第二步：帧同步和

29、确定扰码组,Page 80,第三步：确定扰码号,CPICH是预先定义的符号序列 扩频因子为256 (Cch,256,0) 采用主扰码进行加扰 UE根据确定的扰码族中的8个主扰码对CPICH进行解码，解码正确的主扰码即为该小区的主扰码,Page 81,解码P-CCPCH信道获得广播消息,P-CCPCH包括当前的SFN和系统广播消息 P-CCPCH的扩频因子为256 (Cch,256,1) P-CCPCH用主扰码加扰 UE可以用主扰码对P-CCPCH承载的BCH信道进行解码，获得系统广播,Page 82,物理信道的功能,基站Node B,用户终端UE,Page 83,内容介绍,第1章 3G概述 第2章 WCDMA系统结构 第3章 CDMA系统原理 第4章 WCDMA无线接口 第5章 WCDMA接口协议与信令流程,Page 84,思考题,所有的接口是