01-WCDMA无线原理.pdf

1 WCDMA无线原理无线原理 中兴通讯学院中兴通讯学院 主要内容主要内容 3G概述概述 无线基础知识无线基础知识 3G频谱规划 扩频通信原理 频谱规划 扩频通信原理 2 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移动通信的发展历程 3G概述 3G概述 移动通信的发展移动通信的发展 第三代移动通信系统的目标 更高和灵活的传输速率 丰富多彩的业务服务 高品质的话音质量 更大的容量 更低的代价 抗多径干扰能力强 抗突发脉冲干扰 更低的发射功率 全球漫游 全球统一频段 统一标准 高频谱效率 高服务质量 高保密性能 易于第二代系统的过渡 演进 3 3G 标准化历程标准化历程 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概述 R99 R4 R5 R6 引入 Iu 接口 最大速率 2Mbps 商用版本 2001 6 后续 CR 2000 3 2001 32002 6 功能冻结时间点 控制与承载分离 增加 TD SCDMA 已经商用 引入多媒体域 IMS 无线引入 HSDPA 逐步商用 研究IMS 与 PLMN PSTN ISDN 的电 路交换的互操作 MBMS HSUPA 2004 12 3G概述 3G标准发展进程 标准发展进程 WCDMA 4 AuCAuC AuCAuC GGSNGGSN GGSNGGSN InternetInternetPSTNPSTN Other PLMN Other PLMN SGSNSGSN SGSNSGSN GGSNGGSN Node BNode BNode BNode B Iu CS RNCRNC Iu PS Gb A Gs Gr Gn GcC D GpGs Gr Gn GcC D Gp Iub BTSBTSBTSBTS BSCBSC Abis Um Uu RNCRNC Iur CS域PS域CS域PS域 Node BNode B Iub Nb Nc MGWMGW MGWMGW GMSC Server GMSC Server GMSC Server GMSC Server Mc MSC Server VLR MSC Server VLR MSC Server VLR MSC Server VLR Mc H H HLRHLR HLRHLR MGWMGW MGWMGW GiGi 3G概述 WCDMA 系统基本结构系统基本结构 WCDMA 组网图组网图 MGWMGW MSC ServerMSC Server BBU Macro Node B Large scale BBU RRU RNCRNCRNCRNC GGSNGGSN SGSNSGSN Macro Node B RRURRU RRURRU RRU RRU 宏站建网方式宏站建网方式 射频拉远站的灵活使用射频拉远站的灵活使用 5 同步 开环结合快速闭环 同步 开环结合快速闭环 200Hz QPSK 8PSK TDD DS CDMA SF 1 2 4 8 16 1 28Mcps 1 6MHz TD SCDMA QPSK BPSKQPSK BPSK调制方式 开环结合快速闭环 调制方式 开环结合快速闭环 800Hz 开环结合快速闭环 开环结合快速闭环 1 5KHz 功率控制 同步同步 功率控制 同步同步 异步基站同步异步基站同步 FDDFDD双工方式双工方式 DS CDMA和和MC CDMADS CDMA扩频方式扩频方式 N 1 2288Mcps N 1 3 6 9 12 3 84Mcps码片速率码片速率 N 1 25MHz N 1 3 6 9 12 5MHz信道带宽信道带宽 CDMA2000WCDMA 3G概述 3G三种主要技术的比较三种主要技术的比较 主要内容主要内容 3G概述概述 无线基础知识无线基础知识 3G频谱规划 扩频通信原理 频谱规划 扩频通信原理 6 双工技术双工技术 TDD方式 方式 上下行频率相同 可用于任何频段可用于任何频段 适合于小区适合于小区 微微小区组网微微小区组网 适合于上下行非对称及对称业务适合于上下行非对称及对称业务 FDD方式 方式 上下行频率配对 需要成对频段需要成对频段 适合于大区制全国性组网适合于大区制全国性组网 适合于上下行对称业务 适合于上下行对称业务 其他其他 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 多址技术多址技术 无线基础知识 7 各用户使用不同的频率各用户使用不同的频率各用户使用不同的频率各用户使用不同的频率 时间 频率 时间 频率 FDMA 频分多址频分多址FDMA 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 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各用户使用不同的时隙各用户使用不同的时隙 时分多址时分多址TDMA 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 8 时间 频率 时间 频率 CDMA 码码 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 码分多址码分多址CDMA 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 无线基础知识 CDMA码分多址应用码分多址应用 用户通过编码来区分用户通过编码来区分 自干扰系统自干扰系统 CDMA系统是一个受限于干扰的系统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 是一个受限 于频率的系统 9 GSM900 1800 3G WCDMA 无线基础知识 频率复用频率复用 3G业务业务 无线基础知识 10 主要内容主要内容 3G概述 无线基础知识 概述 无线基础知识 3G频谱规划频谱规划 扩频通信原理扩频通信原理 IMT 2000的频谱分配的频谱分配 18501900195020002050210021502200 ITU Europe USA MSS PCS AD BBCDCEFAFE MSSReserve Broadcast auxiliary 2165 MHz 1990 MHz 18501900195020002050210021502200 UMTS GSM1800DECT MSS 1885MHz2025 MHz 2010 MHz IMT 2000 MSS UMTS JapanMSS IMT2000 MSS IMT 2000 PHS IMT2000 2110MHz2170MHz 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 11 185019001950200020502100215022002250 ITU 185019001950200020502100215022002250 1880 MHz1980 MHz 1885 MHz2025 MHz 2010 MHz IMT 2000 2170 MHz IMT 2000 2110 MHz2170 MHz MSSMSS China MSSMSSMSS FDDFDD 1920 MHz TDDTDD 3G频谱规划 中国中国3G频谱分配 频谱分配 2002年年11月 月 中国的中国的3G频率规划频率规划中国的中国的3G频率规划频率规划 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 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 卫星移动通信系统工作频段 1980 2010 MHz 2170 2200 MHz 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 12 主要内容主要内容 3G概述 无线基础知识 概述 无线基础知识 3G频谱规划频谱规划 扩频通信原理扩频通信原理 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收发信机数据处理过程 手机 数据 手机 数据 扩频通信原理 13 无纠错编码 BER 10 1 10 2 不能满足通信需要 卷积编码 BER 10 3 满足语音通信需要 Turbo 码 BER 10 6 满足数据通信需要 信道编码信道编码 WCDMA采用高性能的信道编码 提高系统性能 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 Turbo码能够使传输信号的信噪比接近Shannon极限 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 信道编码的原理信道编码的原理 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 14 交织 打乱原来的数据排列规则 按照一定顺序重新排列 作用 减小信道快衰落带来的影响 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 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 扩频通信原理 交织技术交织技术 信道编码和交织技术的使用信道编码和交织技术的使用 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 扩频通信原理 15 交织技术交织技术 交织 打乱原来的数据排列规则 按照一定顺序重新排列 作用 减小信道快衰落带来的影响 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 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收发信机数据处理过程 手机 数据 手机 数据 扩频通信原理 16 理论基础理论基础Shanon公式公式 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 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 扩频通信原理 扩频通信的理论基础扩频通信的理论基础 高速扩频序列高速扩频序列 信源信号信源信号 TX 解调信号解调信号 RX 高速扩频序列高速扩频序列 扩频信号扩频信号 扩频码速率 3 84Mc s 扩频码 Walsh码 扩频码速率 3 84Mc s 扩频码 Walsh码 扩频通信原理 直接扩频通信直接扩频通信 17 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 脉冲干扰白噪声 扩频通信原理 扩频通信示意图扩频通信示意图 不同用户使用不同的扩频码不同用户使用不同的扩频码 扩频通信原理 18 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 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 0 亦即它们之间是正交的 亦即它们之间是正交的 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 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 0 亦即它们之间是正交的 亦即它们之间是正交的 WCDMA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 WCDMA系统扩频码 信道化码 系统扩频码 信道化码 SF 1SF 2SF 4 Cch 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 扩频通信原理 OVSF 19 码序列的正交码序列的正交 码序列的正交性码序列的正交性 扩频通信原理 Spreading Despreading 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Chip 信息数据 扩频码 扩频数据 扩频码 还原信息 扩频通信原理 WCDMA扩频示意扩频示意 20 S1xC1S1xC1 S2XC2S2XC2 WW S1S1 S2S2 扩频扩频 解扩解扩 S1xC1 S2xC2 S1xC1 S2xC2 空中接口空中接口空中接口空中接口 S1xC1 S2xC2 xC1 S1xC1 S2xC2 xC1 S1S1 S1xC1 S2xC2 xC2 S1xC1 S2xC2 xC2 S2S2 N N S S C1与正交 与正交 C1xC2 0C1xC2 0 扩频通信原理 扩频解扩过程举例扩频解扩过程举例 扩频解扩过程举例扩频解扩过程举例 1 1 11 1 11 1 1 111 11 1 1 De spreadDe spread 11 11 1 11 1 1 1 1 1 44 00 JudgeJudge 11 1 1 1 1 1 1 SpreadSpread Integral 1 1 1 1 1 1 1 1 扩频通信原理 21 符号速率 SF 3 84Mcps WCDMA中 上行信道码的SF为 4 256 下行信道码的SF为 4 512 OVSF 正交可变扩频因子正交可变扩频因子 OVSF码码扰码扰码 数据 符号 数据 符号 扩频后 码片 扩频后 码片 扩频通信原理 WCDMA系统的扩频系统的扩频 扩频中的品质因子扩频中的品质因子Eb No 其他用户的信号其他用户的信号 Eb No PG 扩频通信原理 22 Eb N0与与PG关系关系 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 扩频通