WCDMA系统技术介绍

系统概述一、WCDMA系统的技术特点二、WCDMA系统组成第二篇WCDMA系统原理一、移动无线信道的特点二、WCDMA系统的原理三、WCDMA系统的容量四、WCDMA系统承载的业务五、WCDMA系统无线资源管理技术功率控制技术、切换技术、接入控制和负载控制系统原理第一篇WCDMA系统概述3G：第三代移动通信3G系统性能特征：信息传输速率：144kbps高速移动(120km/h)384kbps步行速度(3km/h)2Mbps室内业务性能：综合（混合）业务可变速率传输永远在线上网：码分多址，WCDMA：宽带码分多址。时间频率FDMA频率时间TDMA频率时间码字CDMA？频谱效率、新业务和业务质量需要3G！TDMA频谱效率（系统容量）是FDMA的5倍左右。CDMA频谱效率（系统容量）是TDMA的4倍左右。CDMA频谱效率（系统容量）是FDMA的20倍左右。系统原理一、WCDMA系统的技术特点WCDMA系统最根本的实质是功率，资源是动态统计复用的，是一个自干扰系统，任何不需要的功率不能发射！有以下特点：双向采用快速闭环功率控制技术补偿衰落，抗快衰落效果好。双向采用导频进行相干解调，解调增益高。采用发射、接收分集技术，大大提高抗衰落效果。系统原理码片速率高（3.84Mcps），raker接收（频率分集）效果更好，多径传播路径差仅78米就可以分集接收。采用编码增益高的信道编码技术（卷积编译码和Turbo编译码）。基站之间不需同步。可以进行软切换（宏分集）、更软切换（NodeB内部小区间的切换）、频间硬切换、系统间的硬切换。可适应多种速率的传输，灵活地提供多种业务。系统原理采用优化的分组数据调度策略和传输方式。支持高速数据传输，高速时144kbps，步行时384kbps的速率，室内是2Mbps。WCDMA采用频分多址（FDD）工作方式，工作频率是：上行1920MHz到1980MHz，下行是2110MHz到2170MHz。收发频率间隔190MHz。具有承载CS和PS业务等混合业务的能力。系统原理采用先进的无线资源管理算法以保证不同比特速率的混合（综合）业务的服务质量（QoS），并使系统吞吐容量最大。与只能提供单一话音业务的第二代系统相比，第三代移动通信系统具有宽带（高速）、混合业务、可变速率的特点。总之，WCDMA系统采用了双向快速闭环功率控制、Raker接收、接收和发射分集、高增益编码等技术，可以在高速移动（120km/h）时到达144kbps的传信率，步行速度（3km/h）时达到384kbps的传信率，室内达到2Mbps的传信率。系统原理二、WCDMA系统组成RNS—无线接入网系统RNCCNNodeBnNodeB1NodeB2UEUEUEIu接口Iub接口Uu接口RNSPSTN和Internet等Iur接口系统原理UMTS（通用移动通信系统）即WCDMA由CN（核心网）、UTRAN（无线接入网）和UE（用户设备）三部分组成，各个部分由标准接口连接。UTRAN又由多个RNS组成。RNS（无线网络子系统）由一个RNC（无线网络控制器）和多个NodeB组成，一个NodeB可以包括1个、3个或6个小区（cell，即扇区）。系统原理CN通过Iu接口与UTRAN相连；UTRAN与UE的空中接口是Uu接口；Uu接口、Iu接口和Iub接口是标准的、开放的；Iu接口Uu口UEUTRANCN系统原理第二篇WCDMA系统原理一、移动无线信道的特点移动通信信道与固定通信的信道有很大不同：接收机移动时天线接收到的电波场强有着严重的快衰落（起伏）和相当大的多径时延，以及多卜勒频移。系统原理移动台接收机接收多条传播路径来的信号，传播路径的长度不同，到来的时间就有先后，信号的相位不同。根据同相叠加、反相抵消的干涉原理，在移动路线中各处干涉的结果形成斑马线状的干涉条纹，即在移动过程中，MS(UE)收到时强时弱的起伏信号。对于IMT-2000的2GHz工作频率来说，波长仅仅为15cm，因此在高速的移动时，每秒内接收的信号强弱变化很多次。接收功率强弱相差最大可达40dB，折合1万倍的功率差别!系统原理多径示意图d1d2tttd3发射接收Raker合并噪声系统原理接收机接收到的信号：车速80km/hr、频率为2GHz时平均衰落持续时间约6ms。t接收信号-35dB0dB接收信号中值系统原理二、WCDMA系统的原理WCDMA系统是一个FDD直接序列扩频系统，码片速率3.84Mcps。扩频的理论基础：由Shanon定理C=Wlog2(1+S/N)可知，在信道容量一定情况下，通信带宽W与信噪比S/N可以互换。即通过扩展频带使信噪比降低。扩频通信的特点：抗干扰能力强、隐蔽性好（信号频谱密度低于白噪声）、抗衰落、抗多径干扰、可以实现码分多址通信；存在远近效应：由于CDMA是同频接收系统，造成弱信号淹没在强信号中，从而使得弱信号部分无法正常工作。扩频定义与处理增益：将信源原始信号带宽扩展的倍数就是处理增益：PG=Wc/R，其中Wc是码片速率，R是信息速率。用dB表示：PG=10log10(Wc/R)扩频信号在接收端进行相关解扩即可恢复原始信号。扩展倍数越多，处理增益越高，抗干扰能力越强。WCDMA系统原理系统原理扩频通信过程信号频谱扩频后信道噪声接收信号相关解扩低通滤波ffffff系统原理数字通信接收端信号解调过程—相乘、积分信号正交的概念在一段时间内相乘、积分结果为零。例：正弦信号与余弦信号在一个周期内积分结果为零，正交。输入信号本地PN码在T=Ts时刻判决解扩输出积分0Ts(*)dt系统原理码序列的正交概念两个取值为+1或-1的码序列按位对应相乘，将每位相乘结果进行累加，结果为零就表示两个码序列正交。以下两个序列正交：以下两个序列不正交：序列一：+1-1+1+1-1+1-1-1+1-1+1-1-1+1-1-1序列二：-1+1+1-1-1+1+1-1+1+1-1+1-1-1+1-1相乘结果：-1-1+1-1+1+1-1+1+1-1-1-1+1-1-1+1累加结果：4个+1、4个-1，累加=05个-1、3个+1，累加=-2符合正交定义不符合正交定义系统原理CDMA系统：CDMA系统在一个频率、相同时间内，以不同扩频码进行多址通信的系统。WCDMA系统原理上与CDMA一样，仅仅带宽大3倍多。CDMA系统的信道是码信道，任何时候，各个信道的频谱混合叠加在一起，所以CDMA系统是一个自干扰系统，CDMA系统接收机接收的信号是各个码信道的信号之和：Stotal(t)=A1S1(t)PN1PR1+A2S2(t)PN2PR2+A3S3(t)PN3PR3+…系统原理WCDMA系统中，用两层码保护。因为OVSF码自相关特性不理想，而PN码互相关特性（正交性）不理想。PN1是第一个用户的扩频码序列，PR1是第一个用户的扰码序列。在WCDMA系统中，在一个小区中，下行使用同一个扰码，用户身份靠扩频码（OVSF码）区分。上行使用相同的扩频码（相同类型的业务时），靠扰码区分用户身份。就象区分孪生兄弟，要么衬衣不同，要么外衣不同。对第一个用户进行解扩、解扰后得到所需的信号：S(t)PN1PR1=A1S1(t)PN1PR1PN1PR1+A2S2(t)PN2PR2PN1PR1+A3S3(t)PN3PR3PN1PR1+…=A1S1(t)+0扰码是伪随机码序列，自相关特性很好，但是互相关特性就不是理想的零值了（理论上就不正交），在采用较长的序列时还是相当小的。扩频码采用OVSF（长度可变的正交扩频因子）码，在理论上是完全正交的，但是在无线多径环境下，无法保持其正交性。即实际上在接收端进行相关处理时，不同序列之间的互相关值不为0，以上的解调表达式变成：S(t)PN1PR1=A1S1(t)PN1PR1PN1PR1+A2S2(t)PN2PR2PN1PR1+A3S3(t)PN3PR3PN1PR1+…=A1S1(t)+IAMI(t)后面部分IAMI(t)不为0，这就是多址干扰。可用干扰抵消技术或其它技术（如选取正交性良好的扩频码组）消去。WCDMA系统原理系统特有的功率攀升现象下行物理码信道之间的非正交产生多址干扰，存在功率攀升现象。WCDMA系统的所有用户同时在同一频段工作，就象一间房间里，两个广东人+两个福建人+两个上海人交谈，只要讲话的声音不是太大，可以做到互不影响。吵架影响大家交谈，声音互相提高，功率攀升。系统原理很明显，房间外的干扰也会影响房间内的谈话，这就是WCDMA系统的小区外干扰。由以上数学表达式看来，CDMA系统信号之间的关系是相加的关系，发射端需要线性的功率放大器（LPA），接收端需要线性的小信号前置放大器（LNA）。三、WCDMA系统的容量Shanon公式是：在高斯白噪声条件下，C=Wlog2(1+S/N)，这里带宽W单位是Hz，C单位是bits/s。实际容量远达不到此理论值。可以通过采用高效的无线传输技术（RTT）来接近理论值。传统的CDMA系统容量是以话路信道数来衡量的，与扩频增益成正比，与业务所需的信噪比成反比。WCDMA系统原理SNRPNERWMGbc1//10系统原理对于CS（电路交换）通信系统的容量用话务量表示。对于PS（分组交换）业务而言，信道数相差很远。比如20条64kbps的业务信道与4条384kbps业务信道的容量相当。用吞吐量bits/s来表示系统的数据传输能力。在考虑话音业务的阻塞率时用爱尔兰B公式。考虑PS业务时可用等效爱尔兰概念。系统原理等效爱尔兰容量的概念爱尔兰容量是一个针对CS域业务的传统概念，对于现在的PS域业务常常利用等效爱尔兰容量来计算系统行为特性，如可容纳的用户数（放号数）、阻塞率和掉话率等。例如：分组数据用户的行为特性是：144kbps高速上网下载图文混合的业务，忙时平均点击下载数据10次/小时，10秒/次（180kByte数据量/次），那么等效话务量=10*10/3600=0.028Erls。但对于非实时分组业务，排队等候发送（储存转发），无阻塞概念，信道利用率=100%！系统原理业务模型业务模型的实质是各种业务不同比例时，系统总体性能的数学表示。是系统设计和网络规划的依据。一、2G以前的业务是纯CS域话音，ErlangB公式将系统容量、用户忙时话务量和阻塞率联系起来。二、2.5G系统是在CS域话音业务基础上加入PS域分组业