WCDMA移动通信系统基本原理

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21343G发展概述AMPSTACSNMT其它第一代80年代模拟模拟技术GSMCDMAIS95TDMAIS-136PDC第二代90年代数字需求驱动数字技术语音业务第三代IMT-2000UMTSWCDMAcdma2000需求驱动宽带业务TD-SCDMA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。第三代移动通信的标准化欧洲为主的3GPPGSM核心网以美国为主的3GPP2IS-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CDMA2000WCDMA、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：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GSMCDMA200WCDMATDSCDMACDMAPHS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PowerPowerPower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HLRGnSGSNGGSNMSC/VLRGrGsNodeBIubIubGMSCIuCSIuPSInternetPSTN/ISDNCDGi信令＋数据信令UERNCIurIuCSIuPSCNRNSIubRNCNodeBNodeBBTSBSCAGbAbisGcWCDMA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信道误码率在10－3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1/3Output0G0=557(octal)InputDDDDDDDDOutput1G1=663(octal)Output2G2=711(octal)Rate1/3convolutionalcoder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10－6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器卷积编码器1卷积编码器2复用输入输出交织的优点帧内交织:一个帧内部的数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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)C---信道容量(用传输速率度量)W---信号频带宽度S---信号功率N---白噪声功率无线通信原理扩频抗干扰扩频原理fS（f）f0扩频前的信号频谱信号S（f）ff0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SpreadingDespreading1-11-11-11-11-1Chip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Symbol1-11-18-88-8Chip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OVSF码扰码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1Cch,SF,mjI+jQSdl,nG1Cch,SF,mjI+jQSdl,nG2下行物理信道2GpGpP-SCHS-SCHcos(wt)-sin(wt)TTRe(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成型脉冲成型cos(wt)-sin(wt)Sdpch,nSRe(S)Im(S)∑Cd,1βdIccQjI+jQ∑∑DPDCH1Cd,3βdDPDCH3Cd,5βdDPDCH5Cd,2βdDPDCH2Cd,4βdDPDCH4Cd,6βdDPDCH6ccCcβcDPCCHQ扩频原理无线通信原理解扩输入信号扩频码在T=Ts时刻判决解扩输出积分0Ts(*)dt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Powerf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:功率攀升频率时间码字码分多址自干扰示意相关输出时间同步影响容量的几个现象多径效应接收信号时间强度0发射信号容量和无限资源管理的关系影响WCDMA容量的因素作用分类功率控制减少干扰、节省功率、增大容量无线资源管理（RRM）切换控制软切换比例、切换算法影响容量接纳控制决定是否接入某一个用户负载控制根据当前的系统负载状况，对当前小区的业务状况、用户数进行调整码资源码资源的合理分配与否，可以影响到接入用户的数目WCDMA的容量特点•WCDMA系统容量特点：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！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