WCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)基本原理

1、WCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)基本原理1提 綱3G發(fā)展概述無線通信原理及相關(guān)技術(shù)WCDMA資源管理WCDMA關(guān)鍵技術(shù)213423G發(fā)展概述3AMPSTACSNMT其它第一代 80年代模擬模擬技術(shù)GSMCDMA IS95TDMAIS-136PDC第二代 90年代數(shù)字需求驅(qū)動(dòng)數(shù)字技術(shù)語音業(yè)務(wù)第三代 IMT-2000UMTSWCDMAcdma2000需求驅(qū)動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)TD-SCDMA蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展歷程43G的發(fā)展?jié)M足更多種類、更高速率的業(yè)務(wù)和更高頻譜效率的要求，這是發(fā)展的根本動(dòng)力；減少目前存在的各大網(wǎng)絡(luò)之間的不兼容性；世界性的標(biāo)準(zhǔn)IMT-2000應(yīng)運(yùn)而生。IMT-2000支持的網(wǎng)絡(luò)被稱為第三代移動(dòng)通信系

2、統(tǒng)5第三代移動(dòng)通信的標(biāo)準(zhǔn)化 歐洲為主的3GPPGSM核心網(wǎng) 以美國(guó)為主的3GPP2IS-41為核心網(wǎng)3G演進(jìn)中的幾大組織負(fù)責(zé)融合多載波的CDMA模式負(fù)責(zé)融合直接序列擴(kuò)頻和TDD的CDMA模式CDMA2000WCDMA、TD-SCDMA6第三代移動(dòng)通信的標(biāo)準(zhǔn)化ITU對(duì)IMT-2000的總體要求服務(wù)質(zhì)量要求新業(yè)務(wù)能力要求發(fā)展和演進(jìn)能力要求靈活性要求：多環(huán)境、多模式、多頻帶能力7第三代移動(dòng)通信的標(biāo)準(zhǔn)化ITU對(duì)IMT-2000的總體要求服務(wù)質(zhì)量要求語音質(zhì)量、覆蓋、費(fèi)用移動(dòng)通信用戶的快速增長(zhǎng)，頻率緊張成為制約通訊發(fā)展的最大問題 在頻譜利用率方面要比二代系統(tǒng)成倍提高能利用最佳的頻譜利用率來提供目前所預(yù)期的

3、所有業(yè)務(wù)。增加效率和能力語音質(zhì)量、覆蓋和費(fèi)用是移動(dòng)通信最關(guān)心的問題改進(jìn)話音質(zhì)量、支持無縫切換、允許運(yùn)行商在競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中可以降低費(fèi)用，同時(shí)開展多項(xiàng)業(yè)務(wù)業(yè)務(wù)質(zhì)量對(duì)于多種業(yè)務(wù)如：語音、視頻、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、無線業(yè)務(wù)，不同的業(yè)務(wù)有不同的要求8第三代移動(dòng)通信的標(biāo)準(zhǔn)化ITU對(duì)IMT-2000的總體要求新業(yè)務(wù)和能力要求靈活接入能力寬帶業(yè)務(wù)非常廣泛，有低速的話音、短信，有高速的多媒體，有要求低時(shí)延（話音），有要求絕對(duì)的完整性 （文件傳輸），有連續(xù)傳輸（視頻），有突發(fā)性傳輸（Internet)。信道要求動(dòng)態(tài)，根據(jù)需要分配帶寬。根據(jù)要求分配帶寬通過不同的方法接入很寬范圍的業(yè)務(wù)能夠?qū)崿F(xiàn)一代和二代系統(tǒng)中不能實(shí)現(xiàn)的新話音和數(shù)據(jù)

4、業(yè)務(wù)增加對(duì)寬帶業(yè)務(wù)的要求無線上網(wǎng)無線圖象傳輸業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)地圖點(diǎn)播節(jié)目等多種寬帶業(yè)務(wù)能提供非常好的速率。能以較少的費(fèi)用與其他無線和有線接入網(wǎng)絡(luò)競(jìng)爭(zhēng)9第三代移動(dòng)通信的標(biāo)準(zhǔn)化ITU對(duì)IMT-2000的總體要求發(fā)展和演進(jìn)要求兼容、繼承、發(fā)展能力能否支持從第二代系統(tǒng)的發(fā)展和演進(jìn)對(duì)于IMT-2000的成功意義巨大第二代系統(tǒng)的巨大投資仍在進(jìn)行，兩個(gè)時(shí)代的系統(tǒng)的共存、互通必不可少。從第二代過渡到第三代需要一個(gè)有步驟、逐步的解決方案GSMCDMA200WCDMATDSCDMACDMAPHS向3G過渡10ITU對(duì)IMT-2000的總體要求靈活性要求：多環(huán)境、多模式、多頻帶多模/多頻要求不同網(wǎng)絡(luò)間實(shí)現(xiàn)真正的無縫漫游支持

5、不同網(wǎng)絡(luò)的切換業(yè)務(wù)傳遞不終止最佳路由和最小時(shí)延支持固定無線網(wǎng)絡(luò)接入能力，能與固定有線網(wǎng)競(jìng)爭(zhēng)，或作為有線網(wǎng)的補(bǔ)充移動(dòng)性管理和固網(wǎng)接入幾種技術(shù)形成主要標(biāo)準(zhǔn)，單一制式在短期內(nèi)只是一個(gè)愿望。要求多模/多頻的多媒體終端支持不同標(biāo)準(zhǔn)的互通靈活和自適應(yīng)控制實(shí)時(shí)控制無線信道參數(shù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整無線信道參數(shù) 根據(jù)環(huán)境參數(shù)調(diào)整參數(shù)（如功率控制）優(yōu)化性能、提高頻譜效率多環(huán)境能在各種可能存在的環(huán)境中都支持高的頻譜效率、覆蓋效率、服務(wù)質(zhì)量具有不同的場(chǎng)所適應(yīng)能力：室內(nèi)、室外、郊區(qū)、車內(nèi)具有不同的移動(dòng)性環(huán)境：靜止、步行、高速車輛 不同的用戶密度：城市、農(nóng)村、商業(yè)區(qū)11無線原理基本概念12無線基本原理無線傳播特性概念基本傳播機(jī)制

6、反射：當(dāng)電磁波遇到比其波長(zhǎng)大的多的物體時(shí)發(fā)生反射繞射：當(dāng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的無線路徑被尖利的邊緣阻擋時(shí)發(fā)生繞射散射：當(dāng)電磁波遇到的物體表面粗糙、不規(guī)則時(shí)發(fā)生散射慢衰落和快衰落 接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)中值在一段時(shí)間內(nèi)的緩慢變化稱為慢衰落。（陰影衰落） 接收信號(hào)在某時(shí)間內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)在振幅和相位發(fā)生非常急速變化的部分成為快衰落（多徑效應(yīng)）13無線基本原理多址方式幾種多址方式FrequencyTimePowerFrequencyTimePowerFrequencyTimePower頻分多址技術(shù)（FDMA）業(yè)務(wù)信道在不同頻段分配給不同的用戶。如TACS、AMPS。時(shí)分多址技術(shù)（TDMA） 業(yè)務(wù)信道在不同的時(shí)間分配給不

7、同的用戶。如GSM、DAMPS。碼分多址技術(shù)（CDMA） 所有用戶在同一時(shí)間、同一頻段上、根據(jù)不同的編碼獲得業(yè)務(wù)信道。14WCDMA相關(guān)技術(shù)15WCDMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)HLRGnSGSNGGSNMSC/VLRGrGsNode BIubIubGMSCIuCSIuPSInternet PSTN/ISDNCDGi信令數(shù)據(jù)信令UERNCIurIuCSIuPSCNRNSIubRNCNode BNode BBTSBSCAGbAbisGc16WCDMA數(shù)據(jù)簡(jiǎn)要發(fā)送過程手機(jī)數(shù)據(jù)編碼交織擴(kuò)頻調(diào)制射頻發(fā)送射頻接收解調(diào)解擴(kuò)解碼解交織手機(jī)數(shù)據(jù)17相關(guān)技術(shù)手機(jī)數(shù)據(jù)編碼交織擴(kuò)頻調(diào)制射頻發(fā)送射頻接收解調(diào)解擴(kuò)解碼解交織手機(jī)數(shù)據(jù)WC

8、DMA數(shù)據(jù)簡(jiǎn)要發(fā)送過程18相關(guān)技術(shù)例子信道編碼技術(shù)床前明月光春眠不覺曉白發(fā)三千丈紅豆生南國(guó)床床前前明明月月光光春春眠眠不不覺覺曉曉白白發(fā)發(fā)三三千千丈丈紅紅豆豆生生南南國(guó)國(guó)床？前前明明月月光光春春眠眠？不覺覺曉曉白白發(fā)發(fā)三三？千丈？紅紅豆豆生生南？國(guó)國(guó)19 信道編碼技術(shù)是通過給原數(shù)據(jù)添加冗 余信息，從而獲得糾錯(cuò)能力 適合糾正非連續(xù)的少量錯(cuò)誤 目前使用較多的是卷積編碼和Turbo編碼（1/2，1/3）相關(guān)技術(shù)原理及目的信道編碼技術(shù)無糾錯(cuò)編碼： BER10-1 10-2不能滿足通信需要卷積編碼： BER10-3滿足語音通信需要Turbo 碼： BER目標(biāo)SIR， 降低移動(dòng)臺(tái)發(fā)射功率,若測(cè)定SIRIt

9、hreshold 上行接納控制Ptotal_old+P=Pthreshold下行接納控制total_old 小區(qū)基站所接收到的總寬帶功率I 新業(yè)務(wù)接入后基站所接收到的干擾功率增量的預(yù)測(cè)值Threshold 接入門限值total_old 小區(qū)基站目前的總發(fā)射功率 P 新業(yè)務(wù)接入后基站總發(fā)射功率增量的預(yù)測(cè)值Phreshold 接入門限值53負(fù)荷控制原理負(fù)荷控制無線資源管理系統(tǒng)不斷在實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)小區(qū)的負(fù)荷，當(dāng)負(fù)荷平均值在一個(gè)設(shè)定的時(shí)間內(nèi)超越某一個(gè)門限值時(shí)，說明系統(tǒng)負(fù)荷較重，使負(fù)荷進(jìn)入系統(tǒng)的不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，此時(shí)就有必要進(jìn)行負(fù)荷控制原理下行快速負(fù)荷控制：拒絕從移動(dòng)臺(tái)來的增加功率的命令上行快速負(fù)荷控制：減少

10、上行用于上行快速功率控制的SIR目標(biāo)值減少分組業(yè)務(wù)的吞吐量（降低傳輸速率）切換到其它的WCDMA載頻切換到GSM系統(tǒng)減少實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的速率執(zhí)行掉話操作54負(fù)荷控制流程負(fù)荷控制無線資源管理開始判斷負(fù)荷情況（1）允許切入、接入（2）允許增加功率（3）提高速率（4）其它負(fù)荷偏低負(fù)荷偏高負(fù)荷正常（1）允許切入、接入（2）允許增加功率（1）停止切入、接入（2）停止增加功率（3）速率降低（4）切換（切出）（5）執(zhí)行掉話55小區(qū)呼吸負(fù)荷控制無線資源管理小區(qū)呼吸是負(fù)載控制的一個(gè)手段小區(qū)呼吸的主要目的是將某些“熱點(diǎn)小區(qū)”的負(fù)載分擔(dān)到周圍負(fù)載較輕的小區(qū)中，提高系統(tǒng)容量的利用率56碼資源規(guī)劃碼資源分配無線資源管理WCD

11、MA是一個(gè)自干擾、動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)復(fù)用的無線接入系統(tǒng)到另一個(gè)基站或信道的過程。 CDMA碼分多址技術(shù)的目的是實(shí)現(xiàn)多用戶在相同載頻并行傳輸，有效提升頻譜利用率。信道碼分配的目標(biāo)是為每個(gè)用戶分配自己的信道碼（OVSF碼），在同一個(gè)載頻上標(biāo)識(shí)并區(qū)分不同用戶的連接（信源-信宿），從而實(shí)現(xiàn)了多用戶在相同載頻并行傳輸在WCDMA系統(tǒng)中，上行的用戶靠擾碼區(qū)分，下行的物理信道靠OVSF碼區(qū)分。上行容量是干擾受限，下行容量是功率和碼資源受限。 由于正交可變擴(kuò)頻因子碼是稀有資源，一個(gè)小區(qū)對(duì)應(yīng)一張碼表，為了使得系統(tǒng)既能接入盡量多的用戶，提高系統(tǒng)的容量，就必須考慮碼資源的合理使用問題，所以對(duì)于下行信道化碼資源的規(guī)化和管理就非

12、常重要。上行擾碼數(shù)量非常多，但為了避免在不同的RNC之間的小區(qū)不同用戶使用相同的擾碼，則也需對(duì)RNC的擾碼進(jìn)行規(guī)劃57碼資源分配概述碼資源分配無線資源管理上行鏈路擾碼上行鏈路信道化碼下行鏈路擾碼下行鏈路信道化碼一個(gè)小區(qū)有一個(gè)主擾碼，一個(gè)主擾碼下對(duì)應(yīng)一個(gè)碼樹，下行鏈路信道化碼的碼樹是一個(gè)典型的二叉樹，對(duì)應(yīng)于SF=4512WCDMA系統(tǒng)中所用到的碼的類型： 在RNC中主要需要規(guī)劃的是下行信道化碼 信道化碼的產(chǎn)生：58信道化碼分配策略碼資源分配無線資源管理 碼表利用率高：分配掉的碼字所阻塞掉的碼字越少，說明碼表利用率越高 碼表復(fù)雜度低：盡量用短碼分配 先分配公共和共享物理信道的的下行鏈路信道化碼，盡

13、量保證下行公共物理信道碼資源的使用 按照一定的策略分配下行專用物理信道的信道化碼示例：三個(gè)結(jié)果任取一個(gè)紅色：已分配的碼字；綠色：由于低速擴(kuò)頻因子碼字被分配而阻塞掉的高速擴(kuò)頻因子碼字；藍(lán)色：由于高速擴(kuò)頻因子碼字被分配而阻塞掉的低速擴(kuò)頻因子碼字；黑色：根據(jù)申請(qǐng)的擴(kuò)頻因子而優(yōu)化分配的碼字。59關(guān)鍵技術(shù)60分集概念分集技術(shù)兩重含義：分散傳輸；集中處理是通過利用和查找自然界無線傳播環(huán)境中的獨(dú)立（或至少高度不相關(guān)）多徑信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的可簡(jiǎn)單解釋為：如果一條路徑中的信號(hào)經(jīng)歷了深度衰落，而另一條相對(duì)獨(dú)立的路徑中可能仍包含著較強(qiáng)的信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)： 易獲得相對(duì)穩(wěn)定的信號(hào)可獲得分集處理增益提高信噪比關(guān)鍵技術(shù)61分集類型分集

14、技術(shù)空間分集又稱天線分集，如果天線間的距離大于半個(gè)波長(zhǎng)，則從不同的天線上收到的信號(hào)包絡(luò)基本上是不相關(guān)的時(shí)間分集以超過信道相干時(shí)間的時(shí)間間隔重復(fù)發(fā)送信號(hào)，以便讓再次接收到的信號(hào)具有獨(dú)立的衰落環(huán)境，從而產(chǎn)生分集效果頻率分集在多個(gè)頻率上傳送信號(hào)，其理論基礎(chǔ)是在信道相干帶寬之外的頻率上不會(huì)出現(xiàn)同樣的衰落極化分集信號(hào)在空中傳播進(jìn)行了多次反射，由于不同極化方向的反射系數(shù)不 同，使得信號(hào)在不同的極化方向上是不相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)62WCDMA使用的分集技術(shù)分集技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)開環(huán)發(fā)射分集(TSTD和STTD)使用空時(shí)編碼對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，并從兩根天線上發(fā)射，綜合利用了時(shí)間分集和空間分集技術(shù)閉環(huán)發(fā)射分集由接收端反饋參數(shù)控

15、制兩根發(fā)射天線的加權(quán)，是帶反饋技術(shù)的空間分集交織技術(shù) 是一種隱含的時(shí)間分集技術(shù)，與WCDMA系統(tǒng)選用的編碼方案配合使用。RAKE接收技術(shù) 也是一種隱含的時(shí)間分集技術(shù)。認(rèn)為：一個(gè)碼片時(shí)間 信道的相關(guān)時(shí)間，RAKE接收利用的多徑信號(hào)被認(rèn)為是發(fā)射機(jī)多次發(fā)送過來的信號(hào)63STTD發(fā)射分集示意分集技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)射分集技術(shù)提高系統(tǒng)下行容量開環(huán)模式中的STTD分集64RAKE接收機(jī)RAKE接收關(guān)鍵技術(shù)d1d2d3由于在多徑信號(hào)中含有可以利用的信息，所以，CDMA接收機(jī)可以通過合并多徑信號(hào)來改善接收信號(hào)的信噪比。RAKE接收機(jī)就是通過多個(gè)相關(guān)檢測(cè)器接收多徑信號(hào)中各路信號(hào)，并把它們合并在一起，可有效克服多徑效應(yīng)

16、。65RAKE接收機(jī)RAKE接收關(guān)鍵技術(shù)接收機(jī)單徑接收電路單徑接收電路單徑接收電路搜索器計(jì)算信號(hào)強(qiáng)度與時(shí)延合 并合并后的信號(hào)tts(t)s(t)66智能天線的原理智能天線關(guān)鍵技術(shù) 智能天線采用空分多址（SDMA）技術(shù)，利用信號(hào)在傳輸方向上的差別，將同頻率或同時(shí)隙、同碼道的信號(hào)區(qū)分開來，最大限度地利用有限的信道資源。全向小區(qū)三扇區(qū)小區(qū)智能天線小區(qū)67智能天線的優(yōu)點(diǎn)智能天線關(guān)鍵技術(shù)高速率用戶帶來很大的干擾，動(dòng)態(tài)調(diào)整的智能天線陣列的波束跟蹤高速率用戶，起到空間隔離、消除干擾的作用；動(dòng)態(tài)調(diào)整的智能天線陣列的性能優(yōu)于固定的多波束天線增加系統(tǒng)容量增加覆蓋范圍，改善建筑物中和高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的信號(hào)接收質(zhì)量提高信號(hào)接收質(zhì)量，降低掉話率，提高語音質(zhì)量減少發(fā)射功率，延長(zhǎng)移動(dòng)臺(tái)電池壽命提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的靈活性68多用戶檢測(cè)技術(shù)多用戶檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)當(dāng)前的CDMA接收機(jī)基于RAKE 原理，將其他用戶的干擾視為噪聲基于RAKE 的CDMA系統(tǒng)的容量受干擾的限制最優(yōu)接收機(jī)是聯(lián)合檢測(cè)所有的信號(hào)，并將其他用戶的干