华为WCDMA系统原理概述

WCDMA系统原理概述2前言现在在移动通信领域最流行的一个词就是：3G！那么什么是3G？3G究竟能给我们带来什么样的精彩生活？今天我们就一起来认识一下3G基本原理！3WCDMA原理介绍无线传输环境无线传输技术和多址技术CDMA原理和RAKE接收技术分集技术智能天线技术多用户检测技术4多径环境时间接收信号强度发射信号5衰落发射数据-40-35-30-25-20-15-10-50dB接收数据6衰落距离(m)接收功率(dBm)102030-20-40-60慢衰落快衰落7移动信道的多径特征电磁传播－反射、散射和绕射无线环境中的信号衰减分成三部分：幅度衰减较大的路径损耗伴随中等幅度衰减的具有对数正态分布特性的慢变化成分－大尺度变化衰减幅度较小的快变化成分－小尺度衰落两类典型小尺度衰落包络分布的描述方法瑞利分布（非视距传播）莱斯分布（视距传播）8无线信道模型高斯噪声信道模拟当前径权重接收信号发射信号信道模拟当前径权重信道模拟当前径权重信道模拟当前径权重9CDMA原理介绍无线传输环境无线传输技术和多址技术CDMA原理和RAKE接收技术分集技术智能天线技术多用户检测技术10多址技术：时分多址频分多址码分多址双工技术：时分双工频分双工多址技术与双工技术11频率时间TDMA时间频率FDMA频率时间码字CDMA传统多址技术码分多址技术（直接扩频方式）多址技术图示12码分多址（CDMA）多用户共享同一频率，频谱利用率大大提高；CDMA系统是自干扰系统－系统内用户存在互相之间的干扰；CDMA系统的用户容量是软容量，当用户数目增加时，对所有用户而言，系统性能下降；相应当用户数目减少时，系统性能提高；13CDMA的几种不同形式直接扩频码分多址（DS－CDMA）多用户完全同一时间、同一地点占用同一频率资源可以使用RAKE接收技术；利用宏空间分集，多个基站同时监听；实现软切换，大大降低切换掉话率，提升服务质量。跳频码分多址（FH－CDMA）单一用户单一时刻占用的频谱带宽较窄，占用频率随时间变化按一定规律跳变，跳变规律由地址码确定。跳时码分多址（TH－CDMA）单一用户不定时占用较宽的频谱，占用的时间按一定规律改变，时间改变的规律由地址码确定。14CDMA示意图frequencytimeDSFHTH15CDMA系统基本框图信源编码信道编码扩频调制信源译码信道译码解扩解调无线信道16简单的CDMA发射接收机框图宽带调制载波产生码字产生数据数据宽带调制载波产生码字同步/跟踪码字产生解扩DS－CDMA信号发射/接收机17CDMA原理介绍无线传输环境无线传输技术和多址技术CDMA原理和RAKE接收技术分集技术智能天线技术多用户检测技术18几个为什么1.为什么CDMA系统更加抗干扰？2.为什么CDMA系统更加保密？3.为什么CDMA手机更加环保？19码字的自相关和互相关不同用户采用不同的扩频码字x1(t)，x2(t)…其自相关特性决定了多径干扰特性其互相关特性决定了多址干扰特性自相关函数R(τ)=x1(t)，x1(t+τ)互相关函数V(τ)=x1(t)，x2(t+τ)20CDMA的码生成技术随机序列（贝努利序列）0和1个数各一半1或者0连续个数的概率，连续一个为1/2，连续两个为1/4，连续三个为1/8，…移位序列和原序列有一半相同，另一半不同m序列由移位寄存器生成是最大长度的线性移位寄存器序列，周期是2n-1（n为移位寄存器长度）其自相关函数只有一个最大值（延迟为零处），其他均为-1，单值性符合贝努利序列性质21Gold序列Gold序列由两个优选的m序列异或而成自相关函数有多值，没有m序列好比m序列多得多由于Gold序列具有良好的自相关性质，用于码分多址中区分基站和用户良好的自相关性质决定了其分段序列之间互相关很小，可以用于区分用户，进行多址22Gold序列生成clong,1,nclong,2,nMSBLSBGold序列的随机性好，符合伪随机序列的特性0和1发生的相对频率各为1/2，连续出现0或1的概率小，用于加扰23OVSF&WalshSF=1SF=2SF=4Cch,1,0=(1)Cch,2,0=(1,1)Cch,2,1=(1,-1)Cch,4,0=(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)OVSF码的互相关为零，相互完全正交。Walsh与OVSF码一样24扩频因子与业务速率符号速率×扩频因子＝码片速率如WCDMA，码片速率＝3.84MHz，扩频因子＝4，则符号速率＝960Kbps；cdma2000-1x，码片速率＝1.2288MHz，扩频因子＝64，则符号速率＝19.2Kbps；符号速率＝（业务速率＋校验码）×信道编码×重复或打孔率如WCDMA，业务速率＝384Kbps，信道编码＝1/3Turbo码，符号速率＝960Kbps；cdma2000-1x，业务速率9.6Kbps，信道编码＝1/3卷积码，符号速率＝19.2Kbps；25扩频与解扩（DS-CDMA）扩频解扩码片符号数据扩频码扩频信号=数据×码字扩频码数据=扩频信号×码字1-11-11-11-11-126扩频与解扩（DS-CDMA）期望信号其他用户信号期望的扩频信号扩频码解扩后的数据其他扩频信号积分后的其他信号1-11-11-18-81-18-8解扩后的其他信号相关接收机的基本操作积分后的数据处理增益27CDMA宽带扩频技术有效地利用无线信道的频率选择性衰落扩频码扩频码信号合并CDMA过程中的频谱变化窄带信号fP(f)宽带信号P(f)f噪声P(f)f噪声+宽带信号P(f)f信号与噪声分离P(f)f28Rake接收机∑Q∑I合并相加I延迟估计相位旋转信道估计延迟均衡IQ第一径第二径第三径基带输入信号时间量（径位置）的相关器带DLL本地扩频码29频率选择性衰落窄带系统大衰落发射信号接收到的衰落信号频率频率强度强度大衰落发射信号接收到的衰落信号频率频率强度强度宽带系统30采用RAKE接收机，有效利用了信道相干时间形成的时间分集效应；宽带传输系统，利用了信道的频率分集效果码字的多址传输，利用了多用户分集的效果信号在信道中传输功率低，降低了干扰，提高了保密性扩频因子灵活变换，有助于多媒体等多速率并发业务的传输频谱效率高，优于以往的AMPS和GSM，频率复用系数WCDMA为1，GSM为1～18。支持软切换和更软切换支持新技术的应用，如多用户检测WCDMA有下行发射分集，而GSM没有CDMA在无线信道中传输的优势31CDMA原理介绍无线传输环境无线传输技术和多址技术CDMA原理和RAKE接收技术分集技术智能天线技术多用户检测技术32是通过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相对投资低廉克服小尺度衰落（由移动台附近物体的复杂反射引起），可以采用双天线接收分集克服大尺度衰落（由于周围环境地段和地物的差别而导致的阴影区引起），可以选择一个所发信号不在阴影区的基站－位置选择发射分集发射分集技术还用来提高无线通信中单用户的峰值吞吐率分集技术33空间分集空间发射分集空间接收分集极化分集：利用水平分量和垂直分量的不相关性频率分集：宽带信号时间分集：以超过信道相干时间的时间间隔重复发射信号，RAKE接收机，认为：一个码片时间信道的相关时间分集技术34最大比合并在接收端由N个分集支路，经过相位调整后，按照适当的增益系数，同相相加，在送入检测器进行监测等增益合并在接收端由N个分集支路，经过相位调整后，按照相等的增益系数，同相相加，在送入检测器进行监测选择性合并在N个分集支路中选择具有最大信噪比的支路作为输出分集接收合并技术35前向链路容量是当前CDMA蜂窝系统容量的瓶颈，WCDMA标准在发射分集上的应用上进行了深入的研究，提出了新的发射分集方案，提高前向链路容量；开环发射分集基于时空块编码的发射天线分集（STTD）SCH上的时间切换传输分集（TSTD）闭环发射分集WCDMA的发射分集36b0b1b2b3b0b1b2b3-b2b3b0-b1Antenna1Antenna2ChannelbitsSTTDencodedchannelbitsforantenna1andantenna2.基于时空块编码的发射天线分集37Spread/scramblew1w2DPCHDPCCHDPDCHRxRxCPICH1TxCPICH2Ant1Ant2TxWeightGenerationw1w2DetermineFBImessagefromUplinkDPCCH闭环发射分集3851015SNR（dB)0.00010.0010.010.11BER1径瑞利2径瑞利5径瑞利无衰落不同多径分集的接收效果39CDMA原理介绍无线传输环境无线传输技术和多址技术CDMA原理和RAKE接收技术分集技术智能天线技术多用户检测技术40现有结果：(Arraycomm，京瓷)针对DCS-1800和PHS的产品，提高覆盖范围230%降低要求基站数目70%，平均降低成本40%实现关键：多波束形成技术自适应干扰抑制技术空时二维的RAKE接收技术多通道的信道估计和均衡技术智能天线研究41降低来自其他方向的干扰，提高所需信号方向的接收灵敏度扩大基站的覆盖范围，改善信号的传输质量智能天线原理42全向小区三扇区小区智能天线小区智能天线的小区配置43智能天线可以对高速率用户进行波束跟踪，起到空间隔离、消除干扰的作用；大大增加系统容量；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，延长移动台电池寿命；提高系统设计时的灵活性。智能天线的优点45CDMA原理介绍无线传输环境无线传输技术和多址技术CDMA原理和RAKE接收技术分集技术智能天线技术多用户检测技术46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多用户检测技术47本章小结问题：1.为什么CDMA系统更加抗干扰？2.为什么CDMA系统更加保密？3.为什么CDMA手机更加环保？答案要点：1.CDMA扩频与解扩过程产生扩频增益2.RAKE接收机多径接收产生多径分集增益3.宽带发射与接收产生频率分集增益4.。。。48WCDMAFDD模式技术规范调制方式：上行：QPSK；下行：QPSK语音编码：AMR信道编码：卷积码和Turbo码解调方式：导频辅助的相干解调发射分集方式：TSTD、STTD、FBTD功率控制：上下行闭环功率控制，开环功率控制基站同步方式：支持异步和同步的基站运行信号带宽：5MHz；码片速率：3.84Mcps49WCDMA与GSM空中接口的主要区别WCDMAGSM载波间隔5MHz200KHz频率重用系数11～18功率控制频率1500Hz2Hz或更低服务质量控制（QoS）无线资源管理算法网络规划（频率规划）频率分集MHz频率的带宽使其可以采用Rake接收机进行多径分集跳频分组数据基于负载的分组调度GPRS中基于时隙的调度下行发分集支持，以提高下行链路的容量标准不支持，但可以应用50采用AMR语音编码，支持从4.75Kbps到12.2Kbps的语音质量；采用软切换和发射分集，提高容量；将提供高保真的语音模式；快速功率控制WCDMA的语音演进51支持最高2Mbps的数据业务支持包交换目前采用ATM平台提供QoS控制CPCH公共分组信道和下行共享信道（DSCH）