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WCDMA无线接入系统 综合通信设计研究院赵品勇 内容提纲 一 WCDMA无线网概述二 UTRAN体系结构三 物理层四 无线资源管理 网络的演进 80 oftheusers Upto10Mbps 中国无线频段使用情况及3G频段分配 1745 3GPP标准 Release99 R3 2000年3月正式发布3GPPTSAB XYZv3 n mRelease4 R4 2001年3月正式发布3GPPTSAB XYZv4 n mRelease5 R5 2002年3月正式发布3GPPTSAB XYZv5 n mRelease6 7 R6 R7 正在完善中每次3GPP全会 3个月 后都会对规范进行修正或补充 3GPPRelease1999 3GPPRelease5 Q2 Q1 Q3 Q2 Q3 Q4 Q4 Q1 Q1 Q2 Q3 Q4 Q4 Q3 Q1 10 9 7 8 5 4 2 3 14 11 12 1 3GPPTSGsPlenaryMeetings 6 15 Versionsof3GPPRelease1999 Versionsof3GPPRelease4 Q2 13 1998 2001 1999 2000 2002 3GPP标准发布时间 R99UTRAN主要功能 频分双工模式 UTRAN FDD 上行和下行是对称的5MHz带宽 3 84Mcps在慢移动状态下 数据传输速率可以达到2Mbps时分双工模式 UTRAN TDD 上行和下行非对称的5MHz带宽 3 84Mcps在慢移动和小覆盖范围内提供高速数据服务5MHz带宽上采用扩频CDMA技术在提供UTRAN GSM间切换的同时 提供FDD TDD间的切换小区级移动性管理切换控制 Soft Softer HardHand over 无线空中接口的改进在软切换时 提供DSCH信道的功率控制功能UTRA复用器以提高覆盖面积UMTS1800 1900无线接入网络 RAN 的改进无线接入承载 RAB 的增强功能 特别是支持VoIP的包头压缩TDD基站的同步方式UTRAN传输网络的演进Iub Iur接口上AAL2连接的QoS优化Iub Iur以及Iu接口上传输承载的修改过程低码片速率的TDD方式 1 28Mcps Iub Iur接口上无线资源管理 RRM 的优化 R4在在UTRAN上的改进 R5在空中接口方面的改进 高速下行链路分组数据接入 HSDPA 提高数据吞吐量和峰值数据速率高阶调制和功率控制传输分集增益 BLAST 新的流量调度算法终端的 节电 模式通过对DPCCH信道设定传输门限从而减少UL DL的干扰基站的分级定义Macrocell Microcell Picocell适用于FDD TDD方式统一定义了使用环境 无线参数以及一致性测试规范不同频率 不同系统间测量的改进当测量其它不同频率时 改进压缩模式操作 Compressedmodeoperation 来提高系统容量 内容提纲 一 WCDMA无线网概述二 UTRAN体系结构三 物理层四 无线资源管理 UTRAN体系结构 RNS RNC CoreNetwork NodeB NodeB NodeB NodeB Iu Iu Iur Iub Iub Iub Iub Iu接口功能 Iu接口功能无线接入承载管理功能无线资源管理功能Iu链路管理功能Iu用户面 RNL 管理功能移动性管理功能安全性功能业务和网络接入功能Iu协调功能 Paging Iur接口功能 Iur接口功能传输网络管理公共传输信道的业务管理准备公共传输信道资源寻呼专用传输信道的业务管理RL建立 增加 删除测量报告对公共和专用测量目标的测量报告 Iub接口功能 Iub接口功能Iub传输资源管理NodeB逻辑OM特定实现OM的传输系统信息管理公共信道业务管理专用信道业务管理共享信道管理定时和同步管理 基本概念 基本概念ServingRNC与DriftRNCSourceRNC与TargetRNCCRNC SRNC DRNC CN SRNC DRNC Iu Iur 在RNC之间切换的时候 与CN有连接 为UE提供资源的RNC叫SRNC 与CN没有连接 为UE提供资源的RNC叫DRNC SourceRNC TargetRNC 在RNC之间迁移的时候 原来为SRNC的RNC叫SourceRNC 将要成为SRNC的RNC叫TargetRNC CN CN SourceRNC TargetRNC RNC Iu Iu Iur ServingRNC CRNC 从资源管理的角度来看 管理NodeB资源的RNC叫这些NodeB的CRNC CN CRNC Iu NodeB和RNC功能 Uu接口协议栈结构 Uu接口PDCP功能 PDCP功能映射网络PDU从网络协议到RLC协议头压缩 解压缩 Uu接口BMC功能 BMC功能小区广播消息存储业务量监测和CBS无线资源请求BMC消息调度传送BMC消息到UE Uu接口RRC功能 一 RRC功能接入层信息广播RRC连接的建立 重建 维护和释放无线承载的建立 重配置和释放RRC连接无线资源的指配 重配置和释放RRC连接移动性管理功能寻呼 通知高层PDU路由请求的QoS控制 Uu接口RRC功能 二 RRC功能 续 UE测量控制和测量报告外环功率控制加密控制ULDCH无线资源仲裁完整性保护CBS初始配置CBS无线资源分配CBS不连续接收控制 RLC的功能 RLC连接建立 释放透明数据传输分段和重组数据传输非确认方式数据传输数据错误检测传递唯一性立即传递 确认方式数据传输无差错传递传递唯一性按序传递无序传递QoS设置不可恢复错误的通知 逻辑信道 控制逻辑信道 CCH BCCH 广播控制信道PCCH 寻呼控制信道DCCH 专用控制信道CCCH 公共控制信道SHCCH 上行共享控制信道业务逻辑信道 TCH DTCH 专用业务信道CTCH 公共业务信道 Uu接口MAC功能 MAC功能逻辑信道到传输信道的映射根据瞬时数据速率选择传输格式UE内不同数据流的优先级处理动态调度UE之间优先级处理公共传输信道上标示不同UE在公共传输信道上 复用 分解高层PDU进入 从传输块集 该传输块集来自 发送到物理层在专用传输信道上 复用 分解高层PDU进入 从传输块集 该传输块集来自 发送到物理层业务量测量动态传输信道类型切换加密 传输信道 公共传输信道RACH 随机接入信道FACH 前向接入信道CPCH 公共分组信道DSCH 下行共享信道BCH 广播信道PCH 寻呼信道SCH 同步信道专用传输信道DCH 专用信道 逻辑信道到传输信道的映射关系 Uu接口L1功能 L1功能宏分集合并 分发和软切换执行传输信道错误检测 并向高层指示传输信道FEC编解码和交织 去交织传输信道复用和码组合信道解复用速率匹配码组合信道到物理信道的映射功率加权和物理信道合并物理信道调制 解调和扩频 解扩频率和时间 chip bit slot frame 同步测量并向高层指示闭环功率控制RF处理 三层信道概念 逻辑信道RLC与MAC之间传输信道MAC与物理层之间物理信道 内容提纲 一 WCDMA无线网概述二 UTRAN体系结构三 物理层四 无线资源管理 WCDMA物理链路示意 物理信道 物理信道可以由某一载波频率 码 信道码和扰码 相位确定 在采用扰码与扩频码的信道里 扰码或扩频码任何一种不同 都可以确定为不同的信道 多数信道是由无线帧和时隙组成 每一无线帧包括15个时隙 物理信道分为上行物理信道和下行物理信道 频率 码 相位 物理信道 上行物理信道 上行公共物理信道物理随机接入信道 PRACH 物理共用分组信道 PCPCH 上行专用物理信道上行专用物理数据信道 uplinkDPDCH 上行专用物理控制信道 uplinkDPCCH 上行物理信道 上行DPDCH DPCCH帧结构 上行专用物理信道 DPDCH和DPCCH在无线帧通过I Q复用DPDCH用来传输层2及更高层产生的专用数据DPCCH用来传输层1的控制信息帧长为10ms 分15个时隙 每时隙2560chipsDPDCH的扩频因子为4到256在相同的层1连接中 DPDCH与DPCCH的扩频因子是可以不同的每个DPCCH时隙由Pilot TFCI FBI TPC构成 上行物理信道的特点 RACH接入时隙分配 RACH发射结构 RACH信息部分 随机接入是基于快速捕获指示的时隙ALOHA方法时间上用接入时隙来确定 UE只能在时隙的开始位置进行随机接入传送 每个时隙5120chips 每2帧有15个slot哪些时隙可以使用由高层给定随机接入传送数据由两部分组成 1或多个的preamble 4096chips长度 由16长度的signature进行256次重复构成 共有16种signature10或20ms的信息部分使用哪个signature及信息部分长度由高层决定 PRACH信道 物理公共分组信道PCPCH CPCH传输是基于快速捕获指示的DSMA CD方法CPCH也是在与RACH一样的时隙开始时刻传输的CPCH随机访问信号包括 1个或多个接入前缀AP 长度为4096chips1个冲突检测前缀CD P 长度为4096chips1个DPCCH功率控制前缀PC P 长度为0或8个时隙 由高层决定1个message部分 长度为Nx10ms 最多的帧数由N Max frames参数决定 此为高层的参数 每10ms帧分为15个时隙 每个时隙2560chips也分为两个并行的部分 传输高层信息的数据部分和传输层1控制信息的控制部分数据部分的扩频因子为256到4数据部分与控制部分分别与上行的DPDCH与DPCCH结构相同 物理公共分组信道 继续 专用下行物理信道 专用下行物理信道 继续 DCH包括专用的数据及控制信息 专用数据用于传输层2或更高层产生的数据 控制信息用于传输层1的控制信号控制信息包括 导频 TPC 可选的TFCI DCH的扩频因子可以为512到4 并且在连接过程中可以改变DPDCH和DPCCH是时间复用的同一CCTrCH的多码传输使用相同的扩频因子 此时 只需传输第一个DPCH的控制信息就行 当有多个CCTrCH给同一用户时 每个CCTrCH可以使用不同的扩频因子 并且只需传输一个DPCCH信息 下行多码传输的时隙结构 公共导频信道CPICH commonPilotChannel CPICH 传送确知序列固定速率30KBPS SF 256发射分集时 使用相同的扩频码和扰码 但传送序列不同 CPICH 主CPICH使用相同的信道码 即Cch 256 0扰码为主扰码一个小区只有一个主CPICH在整个小区广播主CPICH为SCH PrimaryCCPCH AICH PICH提供相位基准 还是其它下行物理信道的缺省相位基准 从CPICH可以使用任意信道码 只要满足SF 256扰码可以使用主扰码 也可以使用从扰码一个小区可以有0 1或几个从扰码可以在小区内部分发射可以作为S CCPCH和下行DPCH的参考 主公共控制物理信道PCCPCH 固定数率 30kbps SF 256 用于承载BCH信道每个时隙的头256chips为空只有数据域可以采用STTD传输分集 从公共控制物理信道S CCPCH 用于传送FACH和PCH 两种SCCPCH 有TFCI和无TFCI UTRAN决定TFCI是否发送 UE支持TFCI 可能的传送速率与下行DPCH相同 SF 256 4 FACHandPCH可被映射到同一个或不同的SCCPCHs 如果映射到同一个SCCPCH 它们可以映射到相同的帧 同步信道SCH SCH用于小区搜索分成P SCH和S SCH SCH信道占用前256个CHIP主同步码 PSC 在每个时隙内重复发射 从同步码 SSC 指定小区扰码的码组SSC从16个长为256的码组中选择 共有64组 代表64个扰码码组 物理下行共享信道PDSCH PDSCH传送DSCH DSCH被多个码分用户共享 PDSCH总是与一个DPCH相联系 所需控制信息在DPCH上传送两种方式通知UE解调DSCH 用TFCI域 用高层信令 DSCH是特殊形式的多码传输 DSCH与相联系的DCH可以具有不同的SF SF可在帧间改变 承载DSCH数据 捕获指示信道 AICH AICH的帧结构 两帧 共20ms 包括重复的15接入时隙AS 每个时隙有20个符号 5120码片 每个时隙包括两部分 捕获指示AI和空部分 捕获指示AI有16种SignatureAICH的相位参考为CPICH 寻呼指示信道 寻呼指示信道 继续 PICH为固定速率 SF 256 的物理信道 用于传送PageIndicators PI PICH总是与一个S CCPCH相联系 这个信道正在传送一个PCHPICH的帧结构 一帧为10ms 包括300bits 其中 288bits用于传送PageIndicators 其余12bits尚未定义 N个寻呼指示 PI0 PIN 1 在一帧内传送 N 18 36 72 or144 如果某一帧中的PIi被置为1 说明PIi对应UE应对S CCPCH的对应帧进行解调 传输信道与物理信道的映射关系 LogicalChannels Layers3 TransportChannels Layer2 PhysicalChannels Layer1 UplinkRFOut UEScramblingCode I jQ I QMod Q I Chc I Filter Filter CCCHCommonControlCh DTCH packetmode DedicatedTrafficCh RACHRandomAccessCh PRACHPhysicalRandomAccessCh DPDCH 1DedicatedPhysicalDataCh CPCHCommonPacketCh PCPCHPhysicalCommonPacketCh DataCoding DataCoding DPDCH 3 optional DedicatedPhysicalDataCh DPDCH 5 optional DedicatedPhysicalDataCh DPDCH 2 optional DedicatedPhysicalDataCh DPDCH 4 optional DedicatedPhysicalDataCh DPDCH 6 optional DedicatedPhysicalDataCh Q DPCCHDedicatedPhysicalControlCh Pilot TPC TFCIbits Chd Gc Gd j Chd 1 Gd Chd 3 Gd Chd 5 Gd Chd 2 Gd Chd 4 Gd Chd 6 Gd Chc Gd Chc Chd Gc Gd j RACHControlPart PCPCHControlPart j DCCHDedicatedControlCh DTCHDedicatedTrafficCh N DCHDedicatedCh DataEncoding DTCHDedicatedTrafficCh 1 DCHDedicatedCh DataEncoding MUX CCTrCH DCHDedicatedCh DataEncoding WCDMA上行 FDD WCDMA下行 FDD 扩频技术 扩频包括两个操作 信道化 channelization 操作 它使数据符号变为码片 并增加了信号带宽 每符号的码片数称为扩频因子 SF 可以通过与OVSF相乘得到扰码操作 它作用在扩频信号上 数据比特 OVSF码 扰码 扩频后码片 扩频码 区分上行同一终端的数据信息和控制信息 下行区分同一小区不同用户的连接 扰码 区分上行终端 区分下行扇区 扩频包括两个操作 信道化 channelization 操作 它使数据符号变为码片 并增加了信号带宽 每符号的码片数称为扩频因子 SF 可以通过与OVSF相乘得到扰码操作 它作用在扩频信号上 信道码 信道码使用OVSF码定义 Cch SF k 描述信道码 SF为扩频因子 k为码号 0 k SF 1 上行链路长扰码 共有224个长扰码可以通过扰码号n设定第一个移位寄存器的初始相位确定扰码序列 上行链路短扰码 共有224个短扰码可以通过扰码号n设定3个移位寄存器的初始相位确定扰码序列 下行链路扰码 共218 1 262143个扰码 只用0 8191号的扰码 上行扩频 DPCCH DPDCH扩频可以同时传输1个DPCCH和0到6个的DPDCH扰码可以为长扰码或短扰码比重因子 c和 d至少有一个为1扰码的边界和无线帧边界一致 DPCCH DPDCH扩频 PRACH扩频 message部分如下图 比重因子取值与DPDCH DPCCH相同 PCPCH扩频 message部分如下图 比重因子也如DPCCH DPDCH部分 上行信道码配置 上行DPCCH DPDCH信道码配置DPCCH固定为Cc Cch 256 0 当只有一个DPDCH时 Cd 1 Cch SF k k SF 4当有多个DPDCH传输时 所有的DPDCH的扩频因子为4 DPDCHn由cd n Cch 4 k扩频 当n为1 2 时k 1 n为3 4时 k 3 当n为5 6时 k 2PRACHmessage部分信道码配置控制部分固定256扩频 扩频码为cc Cch 256 m 其中m 16 s 1 15 s为preamble的signature号 1 s 16 数据部分可以32到256扩频 扩频码为Cd Cch SF m 其中SF为datapart的扩频因子且m SF s 1 16PCPCH信道码配置message部分的控制部分同PRACH的控制部分message部分的数据部分的扩频因子可以为4到256PCPCH功率控制preamble的扩频码和控制部分是一样的 上行扰码配置 上行DPCCH DPDCH扰码配置当使用长扰码时 Slong n i Clong n i i 0 1 38399当使用短扰码时 Sshort n i Cshort n i i 0 1 38399PRACHmessage部分扰码PRACHmessage部分扰码为10ms长度 与preamble部分扰码是一一对应的 并为上层决定固定采用长扰码 为Sr msg n i Clong n i 4096 i 0 1 38399PCPCH扰码信息部分扰码10ms长度 由小区决定 并且与signature和accesspreamble的接入子信道一一对应可以使用长扰码和短扰码 上行调制 调制的码片数率为3 84Mbps 下行链路扩频 除SCH外的其他下行物理信道 经串并变换后 用同一扩频码扩频 然后进行复扰码操作扰码的起始码片与P CCPCH的帧边界同步每个信道都有不同的加权因子 下行链路扩频 下行信道码配置 下行信道码也使用OVSF码主CPICH固定使用Cch 256 0信道码主CCPCH固定使用Cch 256 1信道码其他物理信道由UTRAN确定 下行链路扰码特点 总共可以产生218 1 262143个扰码 但只使用了0 8191号的扰码扰码分为512集 set 每集包含1个主扰码和15个从扰码 主扰码包括扰码号为n 16 i i 0 511 对应第I集的从扰码扰码号为16 i k 1 15 512个主扰码又可以分为64组 group 每一组有8个主扰码 第j个主扰码组包括包括扰码号16 8 j 16 k 其中 j 0 63 k 0 7对一个CCTrCH可以混合使用主从扰码小区有一个也只能有一个主扰码 即只能属于某一扰码组 下行链路扰码特点 下行扰码 集0 集1 集511 主扰码0 从扰码1 从扰码15 主扰码511 16 从扰码511 16 1 从扰码511 16 15 8192个扰码 512集 每集分为1个主扰码15个从扰码 下行链路扰码特点 下行主扰码 组0 组1 组63 主扰码16 8 63 512个主扰码 64组 每组8个主扰码 主扰码16 8 63 16 主扰码16 8 63 16 7 下行链路调制 码片速率为3 84Mbps 同步过程 小区搜索 内容提纲 一 WCDMA无线网概述二 UTRAN体系结构三 物理层四 无线资源管理 无线资源管理的地位 好的基带芯片 好的射频子系统 好的无线资源方法 好的UMTS 混合业务 系统 基带芯片 ASIC 和射频子系统 硬件 无线资源管理是系统控制算法 软件 当硬件性能日趋成熟和一致时 系统性能主要取决于资源管理技术 RNC系统无线资源管理 克服远近效应和补偿衰落减小多址干扰 保证网络容量延长电池使用时间 下行功率控制 小区发射功率 上报功率控制比特 手机发射信号 功率控制命令 上行功率控制 功率控制 三种功率控制 开环从信道中测量干扰条件 并调整发射功率 闭环 内环测量信噪比和目标信躁比比较 并向移动台发送指令调整它的发射功率CDMA闭环功率控制频率为1500Hz若测定SIR 目标SIR 降低移动台发射功率若测定SIR 目标SIR 增加移动台发射功率 闭环 外环测量误帧率 误块率 调整目标信噪比 BLER BlockErrorRateSIR SignaltoInterferenceRatioTPC TransmitPowerControl 三种功率控制 功率控制流程 接收方根据接收到信号的信干比与控制信道的信干比目标值比较 然后向发送方返回一个TPC命令 发送方根据接收到的TPC命令 通过高层给定的闭环功率控制算法得出是增加发射功率还是减小发射功率调整的幅度 TPC cmd TPC STEP SIZE 闭环功率控制基本原理 随着移动通信环境的变化和移动速度的变化 传输的业务需要满足的信干比也要变化 而且上行的SIRtarget是由网络侧指定的 有可能初始给定的值与实际需要的信干比相差的比较多 这些都需在外环功率控制根据业务的质量情况对SIRtarget作调整 上行链路的外环功率算法在SRNC侧进行 下行链路的外环功率控制算法在UE侧进行 外环功率控制基本原理 功率控制 内环功率控制 起始接收功率目标值l 基站接收功率目标值 开环功率控制接入前导 I外环功率控制 更新的接收功率目标值 基站接收功率 时间 800updates sec IS 95 cdma2000 1500updates sec WCDMA 切换基本分类 软切换同一NodeB下的小区软切换 更软切换 不同NodeB间的小区软切换不同RNC间的小区软切换 涉及Iur口 硬切换不同载频间的硬切换同一载频下的硬切换 强制性硬切换 系统间硬切换 如与GSM之间 不同模式间硬切换 如FDD与TDD之间 软切换 SoftHandover 相对门限减少了移动终端软切换的数量 更软切换 SofterHandover 更软切换时的接收从一个基站来的联合信号 BS 减少了掉话 从WCDMA到GSM的切换 覆盖 从GSM到WCDMA的切换 高负荷或系统优先 多膜终端 系统间的切换 系统间切换 频间测量支持系统间切换压缩模式支持频间测量 系统间 测量时间 压缩模式 频间切换 支持高容量地区多载频的应用负荷分担 提高性能 载频间负荷分配 信道切换 信道类型切换信道速率切换 软切换相关的几个概念 激活小区集 ActiveSet 这些小区与UE同时进行通信 在UE处被同时解调进行相关合并 就是软切换与更软切换中 与UE同时保持通信的小区 监测小区集 MonitoredSet 除了激活小区集外 UE需要监测的小区 检测小区集 DetectedSet UE检测到的所有小区 列项小区集 ListedSet 激活小区集和监测小区集的并集 同频率检测小区子集 IAFMonitoredSubsetCells UE需要监测的同频率小区 GSM率检测小区子集 GSMMonitoredSubsetCells UE需要监测的GSM小区 相邻关系表 NeighborCellList SRNC中设置的每小区的相邻小区 建议激活小区集 ProposedActiveSet 软切换评估和执行的建议激活小区集 只连接小区1 Event1A 增加小区2 Event1C 用小区3 来替换1 Event1B 删除小区3 CPICH1 CPICH2 CPICH3 时间 测量 质量 D T D T D T 软切换举例 软切换过程和效果 在上行链路 二个或多个基站可以接收同样的信号 在下行链路移动台可以相干地合并来自不同基站的信号 即宏分集由于新基站发射额外的信号给移动台 由于RAKE的Finger数目有限 若移动台不能合并所有的能量 在下行链路 软切换增加了对系统的干扰软切换的增益决定于宏分集增益和由于增加的干扰引起的性能损失 接纳控制 接纳控制的目的 在于根据系统目前的资源状况对新的用户 新的无线接入承载 RAB 和新的无线链路 RL 例如切换 给予接纳或拒绝 上行负荷的衡量是接收总干扰功率是否超出LNA的线性动态范围