《WCDMA无线原理》PPT课件.ppt

WR_BT01_C1_1 WCDMA无线原理 中兴通讯学院 无线团队 课程目标 学完本课程，您将能够： 掌握无线基础知识 了解IMT-2000的频谱规划情况 掌握扩频通信原理 课程内容 无线基础知识 3G频谱规划 扩频通信原理 AMPS TACS NMT 其它 第一代 80年代 模拟 模 拟 技 术 GSM CDMA IS95 TDMA IS-136 PDC 第二代 90年代 数字 需求驱动 数 字 技 术 语 音 业 务 第三代 IMT-2000 UMTS WCDMA cdma 2000 需求驱动 宽 带 业 务 TD- SCDMA 移动通信的发展历程 无线基础知识 双工技术 lTDD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 lFDD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； TDD(时分双工；如TD-SCDMA) D U D D D DDD FDD（频分双工；如WCDMA和 CDMA2000） DD D D DDD U 无线基础知识 多址技术使众多的用户共用公共的通信线路而相互不干扰. 常用的方法基本上有三种：频分多址FDMA、时分多址TDMA 、码分多址CDMA 多址技术 无线基础知识 各用户使用不同的频率各用户使用不同的频率 时间 频率 FDMA 频分多址FDMA n频分多址技术 业务信道在不同频段分配给不同的用户。如TACS、AMPS。 无线基础知识 时间 频率 TDMA 各用户使用不同的时隙各用户使用不同的时隙 时分多址TDMA n时分多址技术 业务信道在不同的时间分配给不同的用户。如GSM、DAMPS。 无线基础知识 时间 频率 CDMA 码 各用户使用不同的正交化码序列各用户使用不同的正交化码序列 码分多址CDMA n码分多址技术 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 。 无线基础知识 Freq. 1 Freq. 1 Code A Code B Code C BS1 BS2 Code D Code E CDMA码分多址应用 n用户通过编码来区分 n自干扰系统 nCDMA系统是一个受限于干扰的系统 (GSM是一个受限于频率的系统) 无线基础知识 频率复用 无线基础知识 无线传输技术RTT需求 nData： 144 kbps 高速运动 384 kbps 步行运动 2 Mbps 室内运动 nVoice 4.75Kb/s - 12.2Kb/s n根据带宽需求可变速率信息传递； n满足不同业务的延时要求。 无线基础知识 3G业务 无线基础知识 课程内容 无线基础知识 3G频谱规划 扩频通信原理 IMT-2000的频谱分配 18501900195020002050210021502200 ITU Europe USA MSS PCS AD BBCDCEFAFE MSSReserve Broadcast auxiliary 2165 MHz 1990 MHz 18501900195020002050210021502200 UMTS GSM 1800DECT MSS 1885 MHz2025 MHz 2010 MHz IMT 2000 MSSUMTS JapanMSS IMT 2000 MSS IMT 2000 PHS IMT 2000 2110 MHz2170 MHz MSSMSS TDD WLL 1980 GSM 1800 CDMA 1960 1920 1945 China 1865 1865 1870 1885 1890 1910 1930 1945 1965 1970 1975 FDD WLL CDMA FDD WLL 3G频谱规划 185019001950200020502100215022002250 ITU 185019001950200020502100215022002250 1880 MHz1980 MHz 1885 MHz2025 MHz 2010 MHz IMT 2000 2170 MHz IMT 2000 2110 MHz2170 MHz MSSMSS China MSSMSSMSSFDDFDD 1920 MHz TDDTDD 中国3G频谱分配（2002年11月） 3G频谱规划 中国的3G频率规划-招标后具体分配 3G频谱规划 运营商频段制式双工方式总频谱资 源 中国联通1940-1955MHz 2130-2145MHz WCDMAFDD30MHz 中国移动1880-1900MHz 2010-2025MHz TD-SCDMATDD35MHz 中国电信1920-1935MHz 2110-2125MHz CDMA2000FDD30MHz 小灵通1880-1920MHzPDCTDD频段日后将用于服务 TD-SCDMA 中国的3G频率规划 n主要工作频段： 频分双工(FDD)方式：1920-1980 MHz / 2110-2170 MHz 时分双工(TDD)方式：1880-1920MHz、2010-2025 MHz n补充工作频段： 频分双工(FDD)方式：1755-1785 MHz / 1850-1880 MHz 时分双工(TDD)方式：2300-2400MHz n卫星移动通信系统工作频段： 1980-2010 MHz / 2170-2200 MHz n目前已规划给公众移动通信系统的825 - 835 MHz / 870 - 880 MHz、 885 - 915 MHz / 930 - 960 MHz和1710 - 1755 MHz / 1805 - 1850 MHz频段 同时规划为第三代公众移动通信系统FDD方式的扩展频段,上、下 行频率使用方式不变。 3G频谱规划 IMT-2000 CDMA DS IMT-2000 CDMA MC IMT-2000 TDMA SC IMT-2000 TDMA FT IMT-2000 CDMA TDD WCDMA CDMA 2000 UWC136 DECT TD-SCDMA 无 线 接 口 3G标准化历程 3G频谱规划 3G 标准化历程 3G 标准 WCDMA 核心网络：基于MAP TD-SCDMA 核心网络：基于MAP CDMA2000 核心网络：基于ANSI-41 CDMA技术是3G的主流技术 3G频谱规划 WCDMATD-SCDMACDMA2000 信道带宽5MHz1.6MHzN*1.25MHz N=1,3,6,9,12 码片速率3.84Mcps1.28McpsN*1.2288Mcps N=1,3,6,9,12 扩频 方式DS-CDMADS-CDMA, SF=1,2,4,8,16 DS-CDMA和MC-CDMA 双工方式FDDTDDFDD 调制方式QPSK/BPSKQPSK/8PSKQPSK/BPSK 功率控制开环结 合快速闭环 （ 1.5KHz） 开环结 合快速闭环 （200Hz） 开环结 合快速闭环 （ 800Hz） 基站同步同步/异步同步同步 3G三种主要技术的比较 3G频谱规划 课程内容 无线基础知识 3G频谱规划 扩频通信原理 编码 交织 基带 调制 扩 频 加 扰 射频 调制 无线信道 解码解 交织 基带 解调 解 扩 解 扰 射频 解调 收发信机数据处理过程 手机 数据 手机 数据 扩频通信原理 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 信道编码 nWCDMA采用高性能的信道编码，提高系统性能 n编解码极大地降低了工作点的信噪比，是无线传输中的常用手段 nTurbo码能够使传输信号的信噪比接近Shannon极限 n 编码目的：在原数据流中加入冗余信息，使接收机能够检测和纠正 由于传输媒介带来的信号误差，同时提高数据传输速率。 扩频通信原理 信道编码的原理 n信道编码 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 目前使用较多的是卷积编码和Turbo编码（1/2，1/3） 使用编码增加了无效负荷和传输时间 适合纠正非连续的少量错误 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 扩频通信原理 x1 x6 x11 x16 x21 x2 x7 x22 x3 x8 x23 x4 x9 x24 x5 x10 x25 输入数据 A = (x1 x2 x3 x4 x5 x25) 输出数据 A= (x1 x6 x11 x16 x25) 举例： 交织技术 n交织：打乱原来的数据排列规则，按照一定顺序重新排列。 n作用：减小信道快衰落带来的影响。 n缺点： 带来了附加的额外延时 在特殊情况下，若干个随机独立差错有可能交织为突发差错 。 扩频通信原理 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 信道编码和交织技术的使用 扩频通信原理 交织技术 n交织：打乱原来的数据排列规则，按照一定顺序重新排列。 n作用：减小信道快衰落带来的影响。 n优点 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。 n 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 在特殊情况下，若干个随机独立差错有可能交织为突发差错。 扩频通信原理 编码 交织 基带 调制 扩 频 加 扰 射频 调制 无线信道 解码解 交织 基带 解调 解 扩 解 扰 射频 解调 收发信机数据处理过程 手机 数据 手机 数据 扩频通信原理 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）直接混合，这样调制信号的频 谱宽度远大于原来信息的频谱宽度。 调频FH 跳时TH 扩频通信的定义 扩频通信原理 CDMA的几种形式 n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； n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照一定规律跳变，跳变规律由地址 码决定。 n跳时码分多址（TH-CDMA）：单一用户不定时占用较宽的频谱， 占用的时间按照一定规律变化，时间改变的规律由地址码决定。 扩频通信原理 n扩频通信就是将信号的频谱展宽后进行传输的技术。 n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 扩频通信原理 高速扩频序列 低速信号 TX 解调信号 RX 高速扩频序列 扩频信号 扩频码速率：3.84Mc/s； 扩频码：OVSF码。 直接扩频通信 扩频通信原理 码序列的正交 累加为0表示正交 码序列的正交性 扩频通信原理 Walsh函数是一种非正弦波的完备正交函数系统，可用哈达玛矩 阵H通过递推关系构成。由于它仅有可能的取值是1和1（或0 和1），比较适合于用来表达和处理数字信号。 Walsh函数具有理想的互相关特性。在Walsh函数中，两两之间 的互相关函数为“0”，亦即它们之间是正交的。 WCDMA系统扩频码（信道化码） nWCDMA扩频码是由Walsh函数生成，叫做OVSF码（正交可变扩频 因子码），OVSF码互相关为零，相互完全正交。 扩频通信原理 SF = 1 SF = 2 SF = 4 C ch,1,0 = (1) C ch,2,0 = (1,1) C ch,2,1 = (1,-1) Cch,4,0 =(1,1,1,1) C ch,4,1 = (1,1,-1,-1) C ch,4,2 = (1,-1,1,-1) C ch,4,3 = (1,-1,-1,1) OVSF：Orthogonal variable spreading factor OVSF-正交可变扩频因子 扩频通信原理 符号速率扩频因子码片速率 上行信道码的SF为：4256 下行信道码的SF为：4512 OVSF码扰码 数据 符号 扩频后 码片 WCDMA系统的扩频 扩频通信原理 用户数据 -1+1-1-1+1-1 扩频码 +1-1-1+1-1+1+1-1 扩频信号 用户数据扩频码 解扩数据 用户数据扩频码 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 解扩 扩频 WCDMA扩频示意 扩频通信原理 n解扩的方法 输入信号 本地PN码 在T=Ts时刻判决 解扩输出 积分 0 Ts (*)dt WCDMA的解扩 扩频通信原理 -1 1-11-1-11 1-1-111-11-1 1 解 扩 -1 1-11-1-11 1 1 -1 1 -1 1 1 1 1 -44 00 判 断 -11 1 -1 1 -1 -1 1 扩频 积 分 扩频解扩过程举例 扩频通信原理 不同用户使用不同的扩频码 扩频通信原理 S1xC1S1xC1 S2XC2S2XC2 WW S1S1 S2S2 扩频 解扩 (S1xC1)+(S2xC2)(S1xC1)+(S2xC2) 空中接口空中接口 S1xC1+S2xC2xC2=S1xC1+S2xC2xC2=S2S2 S1xC1+S2xC2xC1=S1xC1+S2xC2xC1=S1S1 N N S S C1与C2正交：C1xC2=0 扩频解扩过程举例 扩频通信原理 其他用户的信号 Eb/NoPG 处理增益PG=Wc/R Wc是码片速率 R是信息速率 扩频中的品质因子Eb/No 扩频通信原理 Eb = Signal Power Bit Rate = S R E / t B / t = N0 = Noise Power Bandwidth = N W Eb N0 = S R N W = S R X W N = S N X W R Signal to Noise Processing Gain 扩展倍数越多，处理增益越高，抗干扰能力越强 Eb/N0与PG关系 扩频通信原理 f S（f） f0 扩频前的信号频谱 信号 S（f） f f0 扩频后的信号频谱 信号 S（f） f f0 解扩频后的信号频谱 信号 干扰噪声 f S（f） f0 解扩频前的信号频谱 信号 干扰噪声 信号 窄带干扰宽带干扰 扩频通信示意图 扩频通信原理 n抗干扰能力强 n保密性高 n低发射功率 n易于实现大容量多址通信 n占用频带宽 扩频通信的特点 扩频通信原理 编码 交织 基带 调制 扩 频 加 扰 射频 调制 无线信道 解码解 交织 基带 解调 解 扩 解 扰 射频 解调 收发信机数据处理过程 手机 数据 手机 数据 扩频通信原理 OVSF码扰码 数据 比特 扩频后 码片 n扰码使用户信息伪随机化，加强保密性 nWCDMA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。 n扰码分为上行扰码和下行扰码，作用不一样 扰码介绍 扩频通信原理 WCDMA系统中的扰码 nWCDMA的扰码是由GOLD序列生成的 Gold序列具有良好的自相关性质，其分段序列之间互相关 很小，用于码分多址中区分小区和用户，进行多址。 nWCDMA系统中的扰码是一种 伪随机序列(PN码) 它具有类似噪声序列的性质，是一种貌似随机但实际上有 规律的周期性二进制序列。通过扰码可以使用户数据进一 步随机化，增强了保密性