无线通信3G以及LTE汇总介绍

1、1. 综合材料1.1. 目录content table1. 综合材料11.1. 目录content table11.2. 三大3g主流制式比较31.2.1. 序言31.2.2. tdd与fdd比较31.2.3. td-scdma,wcdma以及cdma2000比较41.2.4. 具体分析这三种通信系统的区别41.2.5. 结语61.3. wcdma系统结构和关键技术61.3.1. wcdma技术特点61.3.2. wcdma的系统结构71.3.3. wcdma关键技术-引言101.3.4. wcdma关键技术-rake接收机111.3.5. wcdma关键技术-cdma射频和中频设计原理141

2、.3.5.1. cdma射频和中频的总体结构141.3.5.2. cdma的射频设计性能和考虑141.3.5.3. 数字中频技术151.3.6. wcdma关键技术-分集接收原理151.3.7. wcdma关键技术-信道编码161.3.7.1. 卷积码171.3.7.2. turbo码171.3.8. wcdma关键技术-多用户检测技术181.4. tdscdma系统结构和关键技术191.4.1. 引言191.4.2. tdscdma系统结构201.4.3. tdscdma关键技术201.5. cdma系统结构和关键技术251.5.1. cdma的常用术语251.5.2. cdma移动通信网的

3、关键技术261.5.3. cdma蜂窝移动通信网的特点261.6. lte系统结构和关键技术281.6.1. lte系统概述281.6.2. lte的网络结构281.6.3. lte工作过程301.6.3.1. lte开机及工作过程如下图所示：301.6.3.2. 小区搜索及同步过程301.6.3.3. 随机接入过程321.6.3.4. 数据传输过程331.7. 无线通信相关技术简述361.7.1. 调制解调361.7.2. 信道编码401.7.2.1. 引言401.7.2.2. 信道编码的基本概念401.7.2.3. 分组码421.7.2.4. 循环码431.7.2.5. 其它信道编码441

4、.7.2.6. 结束语441.7.3. rake接收441.7.3.1. 引言441.7.3.2. 分集技术451.7.3.3. 合并技术461.7.3.4. rake接收机471.7.3.5. 结束语481.7.4. 相干解调481.2. 三大3g主流制式比较1.2.1. 序言 2009年1月7日，工业和信息化部批准发放3张第三代移动通信（3g）牌照，此举标志着我国正式进入了3g时代。它们分别是基于fdd制式的cdma2000和wcdma,以及tdd制模式的td-scdma。其中td-scdma在高效的频谱利用率以及对业务支撑的灵活性等方面有着天然的优势，非常符合未来移动通信的发展方向，将会

5、在未来的3g竞争中展现出强大的竞争力。1.2.2. tdd与fdd比较在fdd（频分双工）制式中，系统采用成对对称的频谱来提供语音业务以及数据传输业务。整个频带被裁分未若干窄带业务信道， 每对信道之间须保留一定的保护间隔，以防止临频干扰。毫无疑问，fdd制式非常适合于语音类的上下行对称业务，因而可以成为移动通信系统的典型标准之一。 然而，用户对高速数据传输的需求日益增长，3gpp提出3g的下行传输速度需达到2mbit/s以适应各种对称的以及非对称的业务需求，由此导致用户对频带以及数据吞吐量猛增。因而，频谱的利用效率必将成为3g竞争的重点。 fdd难以实现最佳的频谱效率 在3g的对称业务方面，上

6、、下行链路形成一个对称的双工业务负载。在fdd制式下，由于上、下行链路业务负载的对称性，对称业务将在成对对称的频谱上呈现最佳的频谱效率。然而，随着大规模的无线包交换业务的广泛应用，非对称双工业务成为无线通信网 络的主要负载。其最典型的特征就是上、下行链路中的业务负载量不再是对称出现，而是取决于不同的业务类型。为了达到最佳的频谱效率，则需要各种业务都可能 灵活的调用有限的频谱资源。然而在fdd的固定的上、下行频谱分配的模式下，灵活的将对称的频谱分配给非对称的上、下行业务负载是不可能的。因此，基于 fdd成对对称的频带分配制式实现语音或数据等对称及非对称的业务负载很难达到最佳的频谱利用效率，最终将

7、造成一定程度上的频谱资源浪费。 tdd将频谱利用率推向最高 为了实现对称及非对称业务的最佳的频谱效率，灵活的、自适应的频谱分配是十分必要的。在tdd制式中，无线信道被分为若干的tdma无线帧，这个帧结构又被进一步细化为若干的时隙，从而实现了无线信道在时域中的周期性重复。td-scdma采用时分双工制式，能在同一频段的不同时隙中发送上行（由终端到基站）或下行（由基站到终端）数据，从而实现了基于不同的业务类型，上、下行频段的灵活分配。当无线信道承载非对称业务是，更多的时隙被分配给下行链路；而当进行语音等对称业务时，上、下行链路则占有相同数量的时隙。码分多址接入（cdma）技术的 采用，使得同一频段

8、的同一时隙中可以承载多个用户，用户间使用独立的码分信道，用户数据分布于整个带宽上，从而更加高效的利用了频谱资源。td- scdma有效的结合了tdd和cdma的优势，大幅度的提高了无线传输速率（达到2mbit/s）；同时支持根据不同的业务类型，灵活的分配上、下行链 路的频谱资源。由以上的分析可以看出，fdd制式下的上、下行链路固定频谱分配，无法从频域上根本的解决频谱利用率低的问题。而td-scdma采用tdd系统制式，可以灵活分配对称、非对称以及混合业务的上、下行链路所占用的频谱资源。同时，由于td-scdma不需要成对的频带资源支持，因而可以利用目前频谱规划中的散杂频谱资源，使得整个频谱规划

9、更加简便。1.2.3. td-scdma,wcdma以及cdma2000比较wcdmatd-scdmacdma2000信号带宽5m*21.6m1.25m*2码片速率3.84mchip/s1.28mchip/s1.228mchip/s双工方式fddtddfdd帧长10ms10ms(子帧5ms)20ms信道编码卷积码，turbo码卷积码，turbo码卷积码，turbo码调制方式qpsk/bpskqpsk/8psk数据调制：qpsk/bpsk功率控制开环，快速闭环结合开环，闭环结合开环，快速闭环结合功率控制速率1500次/s200次/s800次/s机站同步同步/异步同步同步关键技术1.发射分集：ts

10、td sttd、fbtd；2.支持软切换和更软切换；3map和gprs隧道技术是wcdma模式移动性管理的关键。1.智能天线：提高频谱效率；2.同步cdma技术：降低用户间干扰；3.联合检测：降低用户间干扰；4.接力切换:降低掉话率，提高切换效率。5.基站间须同步，以减少基站间干扰。1.前向发射分集：otd、sts；2.支持f-qpch，延长手机待机时间；3.采用可变帧长；4.核心网基于ansi网络的演进，并保持与ansi网络的兼容性。5.支持软切换和更软切换。 表1: wcdma, td-scdma和cdma-2000特点td-scdma，wcdma及cdma2000都是基于cdma技术的无

11、线通信制式，分别由3gpp和3gpp2开发和维护。其各自的主要特点如上表所示。由表1可以得出，td-scdma系统具有显著的优势。它同时采用智能天线和联合检测技术，减少了用户间的干扰，增加系统容量；采用上、下行时隙不对称分配，提高了频谱利用效率，更适应于数据业务的传输；采用接力切换技术，有效地结合了软切换的低掉话率和硬切换的高资源利用率。然而，由于td-scdma 系统特殊的物理层结构和对同步精度的较高要求，导致其所支持的用户移动速率比较低；同时，它仍然存在tdd系统所固有的基站间干扰问题。wcdma和 cdma2000的特点比较相似，而且wcdma更具有基站间无需严格同步的特点。td-scd

12、ma、wcdma和cdma2000都在提高系统下行速率方面有了很大发展1.2.4. 具体分析这三种通信系统的区别1. 不同的双工模式td-scdma系统采用tdd双工方式，无线帧传输不再需要成对频谱，使频谱的分配更加灵活；上、下行时隙可以根据不同的业务灵活分配，可同时适用于对称的语音业务和不对称的数据传输或ip业务，大大提高了频谱的利用效率。wcdma和cdma2000采用fdd双工方式，比较适合于相对对称的业务，如语音，交互式实时数据传输业务等。2. 多址及检测技术td-scdma采用空分多址sdma，码分多址cdma，频分多址fdma，时分多址tdma相结合的方式，利用智能天线、联合检测和

13、上、下行同步等技术降低同信道干扰（cci）、码间干扰（isi）和多址干扰（mai），缩短了频谱复用距离，提高频谱利用效率并且有效地降低了系统成本。wcdma和 cdma2000采用码分多址cdma和频分多址fdma相结合的技术，采用智能天线导频符号辅助相干检测的技术，降低系统中各种干扰，提高频谱的利用效 率。3. 信道分配在基于cdma技术的3g系统中，信息传输都是占用公共信道。因而，固定信道分配（fca）没有被采用，而是采用动态信道分配（dca）和随机信道分配 （rca）相结合的方式。虽然3g系统中主要采用dca信道分配方式，但是由于数据包长度有限，可能无法及时地传送足够的信道质量信息，此时

14、采用与rca 结合的方法能够更有效的利用资源。在td-scdma系统中，采用dca信道分配方式，可以在空域、时域、频域以及码域根据实时测得的信道质量，灵活的进行信道分配。该方式能够有力的保证信道有效利用，增加系统容量，但td-scdma系统对设备的要求相对较高。4. 切换方式在3g系统中，软切换取代了以往的硬切换方式，有效地降低掉话率，保证了通信质量。wcdma系统在扇区间和小区间采用软切换，载频间切换则采用硬切换。wcdma系统是异步系统，因此不需要外部同步资源。在执行软切换之前，终端须测量两个基站之间的下行共享信道的定时差别，并将该差别报告给服务基站，服务基站根据该差别调整下行软切换执行时

15、间。cdma2000同样采用扇区间和小区间的软切换，以及载频间的硬切换。软切换的过程与wcdma时分类似。td-scdma系统采用接力切换，它不同于传统的软切换和硬切换，而是采用二者结合的方式。他支持同频或异频操作，根据用户的位置（通过智能天线和用户定位技术），结合算法和上行同步技术准确的将移动终端切换到新基站，大大提高了通信质量，同时节省了系统资源开销。5. 功率控制技术在wcdma和cdma2000系统中，采用前向和反向信道快速功率控制。而在td-scdma系统中，继承第二代gsm功率控制的基础上，采用开环和闭环的慢速功率控制（控制速度仅为0-200次/sec）。在未来的3g技术发展过程中

16、，克服功率控制与信道通信性能之间的矛盾仍然是一个值得研究的问题。4.td-scdma系统优势作为第三代移动通信系统，最主要的目标就是能够提供语音、视频以及日益增征的包交换等对称或非对称业务。td-scdma能够提供峰值为2mbit/s的 下行速率，符合未来通信需求；其特有的技术能使无线资源达到较高的利用效率；同时，由于其非对称性，它向未来第四代通信系统的过渡也相对容易。 td-scdma系统灵活的综合了sdma,fdma,cdma和tdma等基本传输方式，通过联合检测技术，使其能够提供较高的系统容量。同时，由于智能天线侧采用，有效地减低了用户间干扰，容量进一步被提高，而且通信质量也得到了优化。

17、与cdma2000和wcdma相比，td-scdma具有以下几方面的优势。1. 高频谱利用率td-scdma采用tdma,cdma多址技术，可以随业务需求而设置上、下行之间的转换点。如为对称的业务设置对称的上下行时隙（3:3）而为数据等非对称业务设置非对称上下行链路（1:5）等等。因此，td-scdma系统可以使总的频谱效率达到较高水平。2. 频谱灵活性强td-scdma第三代移动通信系统具有较高的频谱灵活性，仅需要1.6m带宽便可提供2mbps传输速率。并且它并不需要成对的频谱实现上下行链路，可以利用频谱划分过程中的散杂频段，使系统的成本有效降低。3. 较高系统稳定性td-scdma系统采用

18、tdd双工方式，上、下行链路在相同频率载波发送。因此，对上行信号波束的估算结果，完全可以应用于下行波束赋形,使智能天线能够更加简便有效的工作，减少系统内干扰，并且减低了设备成本。同时，采用联合检测技术，有效地抑制了用户码间干扰，在增加系统容量的同时，有效提高了系统的稳定性。4. 系统优势td-scdma系统能够支持从现有通信系统到第三代通信系统的平滑过渡，支持现有的覆盖结构。信令协议等也支持后向兼容，系统中不需要引进新的呼叫模式。并且td-scdma系统支持频点技术，在不增加系统干扰的情况下，可以成倍地增加热点地区的用户容量。1.2.5. 结语在当今的移动通信市场中，频谱资源日益匮乏。找到能够

19、供fdd系统利用的成对频谱已经非常困难。在这种情况下，具有很高频谱效率，并且不需要成对频谱构成上、下行链路的td-scdma系统的优势将日益显现。它不但可以解决频谱资源不足问题，并且可以满足用户密集区的通信要求。在诸多标准中，起步较晚的td-scdma系统将以其特殊的优势，和相对较低的成本称为未来3g市场中强有力的竞争者。1.3. wcdma系统结构和关键技术1.3.1. wcdma技术特点 wcdma技术具有下述主要特色： （1）wcdma物理层采用ds-cdma多址技术，将用户数据和利用cdma扩频码得到的伪随机序列即码片（chip）序列相乘，从而将用户信息扩展到较宽的带宽上（可以根据具体

20、速率要求，选用不同的扩频因子）。 （2）wcdma支持fdd/tdd两种工作模式。其中fdd要求为上下行链路成对分配频谱，而tdd可以使用不对称频谱供上下行链路共享，因此从某种意义上说，tdd可以更节省地使用频谱资源。 （3）wcdma支持异步基站操作，网络侧对同步没有要求，因而易于完成室内和密集小区的覆盖。 （4）wcdma采用10ms帧长，码片速率为3.84mc/s。其3.84mc/s的码片速率要求上下行链路分别使用5mhz的载波带宽，实际载波间距离的要求根据干扰的不同在4.4mhz5mhz之间变化，变化步长为200khz。对于人口密集地带可选用多个载波覆盖。其10ms帧长允许用户的数据速

21、率可变，虽然在10ms内用户比特率不变，但10ms帧之间用户的数据容量可变。 （5）wcdma在上下行链路均利用导频相干检测，扩大了覆盖范围。wcdma空中接口包括先进的cdma接收机，它利用了多用户检测和自适应智能天线技术，这些手段可以较好地提高系统覆盖和容量。 （6）wcdma允许不同qos要求的业务进行复用。 （7）wcdma系统允许与gsm网络共存和协同工作，支持系统间的切换。 （8）wcdma在上行传输信号的包络中无周期性分量，故可避免音频干扰。 1.3.2. wcdma的系统结构 wcdma作为umts（通用移动通信系统）的实现，其系统体系结构与大多数第二代系统甚至第一代系统基本类

22、似。wcdma系统包括若干逻辑网络元素，逻辑网络元素可以按不同子网分类，也可以按功能来划分。 功能上，逻辑网络元素可以分成ue（用户设备终端）、无线接入网（ran）和核心网（cn）。无线接入网也可以借用umts中地面ran的概念，因此又简称为utran。其中ran处理与无线通信有关的功能。cn处理语音和数据业务的交换功能，完成移动网络与其他外部通信网络的互联，相当于第二代系统中的msc/vlr/hlr。ue和ran采用全新的wcdma无线技术规范，而cn基本上来源于gsm。 umts也可以分成若干个子网，子网之间可以独立工作，又可以协同工作，因而子网又叫做umts公众陆地移动网（plmn）。不

23、同运营商运营的plmn之间可以互通，而且plmn也可以与isdn，pstn，internet以及其他数据网络互通。图1给出了plmn网络体系结构，图中包括plmn网络的逻辑元素、内部元素连接以及与外部网络的连接。 下面说明图1中的逻辑网络元素。其中ue包含如下两个部分： 图1plmn体系结构 me（移动设备）。它是通过空中无线接口uu与node b进行通信的无线终端。 usim（umts用户识别模块）。它相当于gsm终端中的sim智能卡，用于记载用户标识，可执行鉴权算法，并保存鉴权、密钥以及终端需要的预约信息。 ran中则包含如下两个部分： node b（b结点）。它是在iub和uu接口之间传

24、送数据的基站（bs），基站也参与部分无线资源管理。 rnc（无线网络控制器）。它控制辖区内的所有无线资源，是与之相连的基站的管理者。rnc是ran提供给cn的所有业务的接入点。 cn中包含的逻辑网络元素有如下几个： msc/vlr（移动业务交换中心/访问位置寄存器）。移动交换中心msc和数据库vlr为ue提供电路交换服务。msc用于完成电路交换业务，而vlr用于保存漫游用户的服务特征描述副本，以及ue在服务系统中精确的位置信息。通过msc/vlr连接的外部网络称作cs域网络。 hlr（归属位置寄存器）。这是一个位于用户本地的系统数据库，它保存了用户服务特征描述的主备份。这些服务的特征描述包括允

25、许的业务信息、禁止漫游的地区和补充业务信息（如呼叫前转状态和呼叫前转数量）。此数据库在新用户向系统注册入网时为用户创建初始化数据，创建后的数据在用户接收服务期间始终存在。为了给呼入的用户找到路由并连接到目的ue，hlr还在msc/vlr和sgsn中保存ue的位置信息。 gmsc（移动业务交换中心网关）。这是umts plmn与外部cs域网络连接处的交换设备，所有呼入和呼出的cs连接均需要经过gmsc。 sgsn（服务gprs支撑节点）。它与msc/vlr的功能类似，只不过它仅用于分组交换（ps）业务。通过sgsn连接的外部网络称作ps域网络。 ggsn（gprs支持节点网关）。它与gmsc的功

26、能类似，不过它仅用于分组交换业务。 图1中的外部网络包括如下两个部分： cs域网络。它提供电路交换如现有电话业务的连接。cs域网络包括pstn和isdn等。 ps域网络。它提供数据分组交换如现有数据上网业务的连接。ps域网络包括internet和x.25等。 3gpp规范并没有对上面描述的逻辑网络元素的内在功能作具体详细的说明，但是对逻辑网络元素之间的一些接口作了详细定义。plmn网络主要的开放接口如下： cu接口：它是usim智能卡和me之间的电子接口，遵循智能卡的标准格式。 uu接口：它是wcdma的无线接口，是ue终端接入系统固定网络的必需接口。umts uu接口的开发性可以保证不同制造

27、商设计的ue终端可以接入其他制造商设计的ran中。 iub接口：它是连接node b与rnc的标准接口。制定开放的iub接口就是为了保证不同移动通信设备制造商生产的node b和rcn之间可以互联互通，使运营商单独购置node b和rnc设备成为可能。 iur接口：它是rnc之间的接口，开放的iur接口允许不同设备制造商生产的rnc之间可以进行软切换。 iu接口：它是连接ran与cn之间的标准接口，类似于gsm网络中的a接口（电路交换）和gb（分组交换）接口。开放的iu接口允许运营商购置不同设备制造商生产的ran和cn设备铺设网络，这样有利于造成设备制造商之间的竞争。开放的a接口和gb接口也是

28、gsm成功的原因。 2.ran结构 wcdma的无线接入网可以包含一个或多个rns（无线网络子系统）。一个rns可理解为ran内的一个子网，它包含一个rnc和一个node b集合。不同rns中的rnc通过iur接口互联，而rns内部的rnc通过iub接口与node b建立物理连接。rns内部和外部的连接关系如图2所示。 图2rns内外部连接关系 ran的主要特征： 支持utra（即umts地面无线接入）及真相关的所有功能。例如，要求支持软件切换以及wcdma特定的无线资源管理算法。 尽可能与gsm兼容。 最大限度地兼容cs域和ps域的处理。一方面，他们共用空中接口协议栈；另一方面它们使用同一接

29、口从ran连接到cn。 使用atm作为主要的传输机制，同时考虑传输网络向ip网络的过渡。 在wcdma系统中，逻辑网络元素无线网络控制负责ran无线资源管理。rnc通过msc或者sgsn与核心网相连，并负责终止umts wcdma的空中接口协议。rnc在逻辑上相当于第二代系统中的bsc。 我们将控制一个基站的rnc叫做控制rnc（crnc），crnc与所控制的基站之间必须有直接的物理连接。crnc负责终止所控制的基站iub协议接口，并负责所有控制小区的接纳控制和拥塞控制。另外，crnc还要完成控制小区中新建无线连接的码字分配。 如果一个移动用户连接到无线接入网时需要使用多个rns资源，那么可以

30、从逻辑功能上将涉及到的rnc分成两类，一类叫做服务rnc（srnc），另一类叫做漂移rnc（drnc）。 一个移动用户的srnc负责终止用户无线数据的传送，以及iu连接的ranap信令。iu接口连接是cn与ran之间的连接，因而iu接口的ranap信令连接简称为ranpa连接。srnc也负责终止无线资源控制（rrc）信令，rrc是ue与ran之间的信令协议。在实际系统设计中，空中无线接口的l2处理也在srnc中完成。srnc需要完成ran内部的无线资源管理操作，例如，将无线接入承载参数转化为控制传输信道参数、切换判决或者外环功率控制。srnc在大多数情况下作为基站的crnc存在。 针对一条无线

31、连接而言，除srnc之外的其他所有rnc都是drnc。drnc负责控制移动用户使用的小区。在某种情况下，drnc也可以进行宏分集的合并和分裂。只有ue在使用公共或者共享传输信道时，drnc才进行用户平面数据的l2处理，否则仅在iub和iur接口间透明地为数据选择路由。一个ue可以有一个和多个drnc，也可以没有。 ran中的基站又叫node b，它主要完成空中接口的l1处理，以及很小部分的l2处理。l1处理分为码片级处理和符号级处理，需要完成扩频/解扩、速率匹配以及信道编码与交织等。另外，基站也需要执行部分关键的无线资源管理操作，例如，执行内环功率控制动作。ran中的基站在逻辑上对应于第二代系

32、统中的bts。 3.ran接口模型 ran接口的通用协议模型基于这样的原则，各层和各平面在逻辑上保持独立，这样以后可根据需要修改协议结构中的一部分，而保持其他部分不变。图3给出了ran接口的通用协议模型，由图可见，ran接口协议的设计是根据通用的协议模型进行的。 图3ran接口的通用协议模型 ran接口的通用协议模型在水平方向分为无线网络层和传输网络层。所有ran的相关内容仅在无线网络层体现。而传输网络层使用标准的传输技术，如atm，ip。ran在引用传输技术时完全保持其原有特征，不针对ran作任何特定修改，这也是wcdma移动通信系统充分使用现有传输网络基础设施的体现。 ran接口的通用协议

33、模型在垂直方向分为控制平面、用户平面、传输网络控制平面以及传输网络用户平面。 控制平面用于实现所有接口的控制信令，它不仅包含应用控制协议，如iu口的ranap，iur中的rasap，以及iub中的nbap，还包含应用控制协议的信令承载。 ran与ue之间的承载由控制平面的控制协议建立。ran与ue之间的承载分为iu中的无线接入承载和iur/iub中的无线连接。 在控制平面的三层结构中，物理层和信令承载分别对应层l1和层l2，处于无线网络层水平面的控制协议对应层l3。 控制协议的信令承载与传输网络控制平面的信令承载可以相同，也可以不同。控制协议的信令承载总是通过操作维护（oam）动作建立。 用户

34、平面用于实现所有接口的媒体流传输，它不仅包含应用媒体协议，如cch fp和dch fp，还包含媒体协议的数据承载。 用户收发的所有信息，例如，话音呼叫中已编码的话音或者数据流业务中的分组，都通过用户平面传输。 用户平面的媒体协议主要处理数据流的帧，因此称为帧协议（fp）。fp分为公共信道fp和专用信道fp。 传输网络控制平面服务于传输网络层的所有控制信令，它不包含任何无线网络层信息。它包括用于建立用户平面内数据传输承载的承载信令控制协议（如建立atm数据传输承载的alcap协议），同时也包括信令控制协议需要的信令承载（如alcap协议要求的saal协议）。 逻辑上，传输网络控制平面位于控制平面

35、和用户平面之间。它的引入使控制平面的控制协议与用户平面中的媒体协议所采用的承载技术之间完全独立成为可能。例如，控制协议的信令承载可以使用aal5等可靠的适配技术，而媒体协议的数据承载则可采用aal2等实时性较高的适配技术。 应用传输网络控制平面时，用户平面中数据承载的传输承载可以按如下方式建立：首先，控制平面的控制协议通过信令分析发现有建立数据承载的要求；其次，控制协议通过传输网络控制平面的承载信令控制协议（如alcap）引发数据承载的建立。 一般来说，承载信令控制协议特定于用户平面技术要求。控制平面和用户平面的独立性要求承载信令控制协议参与用户平面数据承载的建立过程。然而，承载信令控制协议并

36、不用于所有类型的数据承载上，如果承载信令控制协议不再存在，那么传输网络控制平面就没有存在的必要。在这种情况下，要使用预先配置的数据承载。 承载信令控制协议不一定与控制协议具有相同的信令承载。3gpp规范推荐承载信令控制协议总是使用操作维护（oam）动作建立，但是对建立的细节没有规定。 前面讲到的控制平面的信令承载和用户平面的数据承载都属于传输网络用户平面。传输网络用户平面的数据承载在实时操作期间由传输网络控制平面直接控制。但是，传输网络用户平面在为控制平面的控制协议建立信令承载时必须受操作维护（oam）控制。1.3.3. wcdma关键技术-引言本章主要从原理的角度介绍wcdma收发信机的各个

37、组成部分，包括rake接收机的原理和结构，射频和中频处理技术，信道编解码技术和多用户检测的技术。图4-1 数字通信系统框图如图4-1为一般意义上的数字通信系统，wcdma的收发信机就建立在这个基本的框图上，其中信道编译码采用卷积码或者turbo码，调制解调采用码分多址的直接扩频通信技术，信源编码部分根据应用数据的不同，对语音采用amr自适应多速率编码，对图像和多媒体业务采用itu rec. h.324系列协议。1.3.4. wcdma关键技术-rake接收机在cdma扩频系统中，信道带宽远远大于信道的平坦衰落带宽。不同于传统的调制技术需要用均衡算法来消除相邻符号间的码间干扰，cdma扩频码在选

38、择时就要求它有很好的自相关特性。这样，在无线信道中出现的时延扩展，就可以被看作只是被传信号的再次传送。如果这些多径信号相互间的延时超过了一个码片的长度，那么它们将被cdma接收机看作是非相关的噪声，而不再需要均衡了。由于在多径信号中含有可以利用的信息，所以cdma接收机可以通过合并多径信号来改善接收信号的信噪比。其实rake接收机所作的就是：通过多个相关检测器接收多径信号中的各路信号，并把它们合并在一起。图4-2所示为一个rake接收机，它是专为cdma系统设计的经典的分集接收器，其理论基础就是：当传播时延超过一个码片周期时，多径信号实际上可被看作是互不相关的。图4-2 rake接收机框图带d

39、ll的相关器是一个具有迟早门锁相环的解调相关器。迟早门和解调相关器分别相差1/2（或1/4）个码片。迟早门的相关结果相减可以用于调整码相位。延迟环路的性能取决于环路带宽。由于信道中快速衰落和噪声的影响，实际接收的各径的相位与原来发射信号的相位有很大的变化，因此在合并以前要按照信道估计的结果进行相位的旋转，实际的cdma系统中的信道估计是根据发射信号中携带的导频符号完成的。根据发射信号中是否携带有连续导频，可以分别采用基于连续导频的相位预测和基于判决反馈技术的相位预测方法。如图4-3、图4-4所示。图4-3 基于连续导频信号的信道估计方法图4-4 使用判决反馈技术的间断导频条件的信道估计方法lp

40、f是一个低通滤波器，滤除信道估计结果中的噪声，其带宽一般要高于信道的衰落率。使用间断导频时，在导频的间隙要采用内插技术来进行信道估计，采用判决反馈技术时，先硬判决出信道中的数据符号，在已判决结果作为先验信息（类似导频）进行完整的信道估计，通过低通滤波得到比较好的信道估计结果，这种方法的缺点是由于非线性和非因果预测技术，使噪声比较大的时候，信道估计的准确度大大降低，而且还引入了较大的解码延迟。延迟估计的作用是通过匹配滤波器获取不同时间延迟位置上的信号能量分布（如图4-5所示），识别具有较大能量的多径位置，并将它们的时间量分配到rake接收机的不同接收径上。匹配滤波器的测量精度可以达到1/41/2

41、码片，而rake接收机的不同接收径的间隔是一个码片。实际实现中，如果延迟估计的更新速度很快（比如几十ms一次），就可以无须迟早门的锁相环。图4-5 匹配滤波器的基本结构延迟估计的主要部件是匹配滤波器，匹配滤波器的功能是用输入的数据和不同相位的本地码字进行相关，取得不同码字相位的相关能量。当串行输入的采样数据和本地的扩频码和扰码的相位一致时，其相关能力最大，在滤波器输出端有一个最大值。根据相关能量，延迟估计器就可以得到多径的到达时间量。从实现的角度而言，rake接收机的处理包括码片级和符号级，码片级的处理有相关器、本地码产生器和匹配滤波器。符号级的处理包括信道估计，相位旋转和合并相加。码片级的处

42、理一般用asic器件实现，而符号级的处理用dsp实现。移动台和基站间的rake接收机的实现方法和功能尽管有所不同，但其原理是完全一样的。对于多个接收天线分集接收而言，多个接收天线接收的多径可以用上面的方法同样处理，rake接收机既可以接收来自同一天线的多径，也可以接收来自不同天线的多径，从rake接收的角度来看，两种分集并没有本质的不同。但是，在实现上由于多个天线的数据要进行分路的控制处理，增加了基带处理的复杂度。1.3.5. wcdma关键技术-cdma射频和中频设计原理1.3.5.1. cdma射频和中频的总体结构图4-6 cdma射频和中频原理框图图4-6给出了cdma射频和中频部分的原

43、理框图，射频部分是传统的模拟结构，有用信号在这里转化为中频信号。射频下行通道部分主要包括自动增益控制（rf agc）、接收滤波器（rx滤波器）和下变频器。射频的上行通道部分主要包括自动增益控制（rf agc）、二次上变频、宽带线性功放和射频发射滤波器。中频部分主要包括下行的去混迭滤波器、下变频器、adc和上行的中频和平滑滤波器、上变频器和dac。对于wcdma的数字下变频器而言，由于其输出的基带信号的带宽已经大于中频信号的10%，故与一般的gsm信号和第一代信号不同，称为宽带信号。1.3.5.2. cdma的射频设计性能和考虑前面已经提到，cdma的信号是宽带信号，因此射频部分必须设计成适合于

44、宽带低功率谱密度信号。cdma的高动态范围、高峰值因数（由于采用线性调制和多码传输）、精确的快速功率控制环路向功率放大器的线性和效率提出了挑战。cdma对rf前端提出了非常困难的线性和效率要求。线性约束是由于要求了严格的输出频谱的掩模（mask），同时输出的信号包络变化幅度很大。当然，为了保证功放有足够的效率，功放的工作电平一般也保持在1db压缩点附近。为了减少移动台的体积和功耗，要求在接收和发射端实现基带到射频或者相反方向的一次直接变频，这种技术的困难在于混频器需要有良好的线性，避免相邻信道的互调产物。同时混频器的输入隔离也必须足够高，以避免自混频而可能出现的直流分量。射频部分的自动增益控制

45、器（agc）和低噪声放大器（lna）的性能也非常关键，wcdma设计中agc的要求在80db左右；而lna的指标直接决定了接收机的总噪声指标，wcdma中要求lna的噪声指标低于4db。模拟的射频器件使射频指标变化比较大，同时个体的差异也比较大。我们要按照最坏的情况对每个射频部件可能带来的整体接收机性能损失进行仿真，从而得到一组较好而且稳定的射频设计参数。另外，最新的设计方法也提出尽可能的减少模拟器件的数量，这也要求我们把模数变换（adc）和数模变换（dac）的位置近可能向射频部分前移，鉴于目前器件信号处理能力的考虑，数字中频技术是常用的设计方法。1.3.5.3. 数字中频技术抽样定理表明：一

46、个频带限制在（0，fh）赫兹内的时间连续信号m(t)，如果以1/2fh秒间隔对它进行等间隔采样，则m(t)将被所得到的抽样值完全确定。此时2fh被称为奈奎斯特频率。现代的接收机结构一般是在中频部分实现模数变换和采样，带宽为b的中频信号m()通过fs 2b（1 n）的中频采样，得到信号ms()，再通过低通滤波器h()，得到经过量化和采样的低中频信号ms()，这个信号的频谱和原来信号的频谱是完全一样的。从这个过程可以看出，中频采样可以用一个比信号频率最高值低的频率进行采样，而只要求这个频率满足条件。同时中频采样还可以完成频率的变换，将信号变换到一个较低的中频频率上，此时再经过和数字域的同频相乘，就

47、可以得到基带的i、q分量。1.3.6. wcdma关键技术-分集接收原理无线信道是随机时变信道，其中的衰落特性会降低通信系统的性能。为了对抗衰落，可以采用多种措施，比如信道编解码技术，抗衰落接收技术或者扩频技术。分集接收技术被认为是明显有效而且经济的抗衰落技术。我们知道，无线信道中接收的信号是到达接收机的多径分量的合成。如果在接收端同时获得几个不同路径的信号，将这些信号适当合并成总的接收信号，就能够大大减少衰落的影响。这就是分集的基本思路。分集的字面含义就是分散得到几个合成信号并集中（合并）这些信号。只要几个信号之间是统计独立的，那么经适当合并后就能使系统性能大为改善。互相独立或者基本独立的一

48、些接收信号，一般可以利用不同路径或者不同频率、不同角度、不同极化等接收手段来获取：(1) 空间分集：在接收或者发射端架设几副天线，各天线的位置间要求有足够的间距（一般在10个信号波长以上），以保证各天线上发射或者接收的信号基本相互独立。如图4-7所示就是一个双天线发射分集的提高接收信号质量的例子，通过双天线发射分集，增加了接收机获得的独立接收路径，取得了合并增益：图4-7 正交发射分集原理如图4-7所示为正交发射分集的原理，图中两个天线的发射数据是不同的，天线1发射的偶数位置上的数据，天线2发射的是奇数位置上的数据，利用两个天线上发射数据的不相关性，通过不同天线路径到达接收机天线的数据具备了相

49、应的分集作用，降低了数据传输的功率。同时由于发射天线上单天线发射数据的比特率降低，使得数据传输的可靠性增加。因此发射分集可以提高系统的数据传输速率。(2) 极化分集：分别接收水平极化和垂直极化波形成的分集方法。其他的分集方法还有时间分集：是利用不同时间上传播的信号的不相关性进行合并。频率分集：用多个不同的载频传送同样的信息，如果各载频的频差间隔比较远，其频差超过信道相关带宽，则各载频传输的信号也相互不相关。角度分集：利用天线波束指向不同使信号不相关的原理构成的一种分集方法。例如，在微波面天线上设置若干个照射器，产生相关性很小的几个波束。 分集方法相互是不排斥的，实际使用中可以组合。分集信号的合

50、并可以采用不同的方法：(1) 选择合并：从几个分散信号中选取信噪比最好的一个作为接收信号。(2) 等增益合并：将几个分散信号以相同的支路增益进行直接相加，相加后的信号作为接收信号。(3) 最大比合并：控制各合并支路增益，使它们分别与本支路的信噪比成正比，然后再相加获得接收信号。上面方法对合并后的信噪比（）的改善（分集增益）各不相同，但总的说来，分集接收方法对无线信道接收效果的改善非常明显的。图4-8 不同合并方式的增益比较图4-8中给出了不同合并方法的接收效果改善情况，可以看出当分集数k较大时，选择合并的改善效果比较差，而等增益合并和最大比值合并的效果相差不大，仅仅1db左右。 1.3.7.

51、wcdma关键技术-信道编码信道编码按一定的规则给数字序列m增加一些多余的码元，使不具有规律性的信息序列m变换为具有某种规律性的数字序列y（码序列）。也就是说，码序列中信息序列的诸码元与多余码元之间是相关的。在接收端，信道译码器利用这种预知的编码规则来译码，或者说检验接收到的数字序列r是否符合既定的规则从而发现r中是否有错，进而纠正其中的差错。根据相关性来检测（发现）和纠正传输过程中产生的差错就是信道编码的基本思想。通常数字序列m总是以k个码元为一组来进行传输的。我们称这k个码元的码组为信息码组，信道编码器按一定的规则对每个信息码组附加一些多余的码元，构成了n个码元的码组。这n个码元之间是相关

52、的。即附加的n-k个码元称为该码组的监督码元。从信息传输的角度来说，监督码元不载有任何信息，所以是多余的。这种多余度使码字具有一定的纠错和检错能力，提高了传输的可靠性，降低了误码率。另一方面，如果我们要求信息传输的速率不变，在附加了监督码元后，就必须减少码组中每个码元符号的持续时间，对二进制码也就是要减少脉冲宽度，若编码前每个码脉冲的归一化宽度为1，则编码后的归一化宽度为k/n，因此信道带宽必须展宽n/k倍。在这种情况下，我们是以带宽的多余度换取了信道传输的可靠性。如果信息传输速率允许降低，则编码后每个码元的持续时间可以不变。此时我们以信息传输速度的多余度或称时间的多余度换取了传输的可靠性。表

53、4-1给出了不同的编码方法所能够得到的编码增益，和理想的编码增益（达到shannon限）之间有很大的差别。表4-1 bpsk或qpsk编码增益采用编码编码增益（dbber=10-3）编码增益（dbber=10-5）数据速率理想编码11.213.6级联码（rs与卷积码viterbi译码）6.57.58.59.5适中卷积码序列译码（软判决）6.07.08.09.0适中级联码（rs与分组码）4.55.56.57.5很高卷积码viterbi译码4.05.55.06.5高卷积码序列译码（硬判决）4.05.06.07.0高分组码（硬判决）3.04.04.55.5高卷积码门限译码1.53.02.54.0很高

54、由此可以看出对于相同的调制方式，不同的编码方案得到编码增益是不同的。我们通常采用的编码方式有卷积码、reed-solomon码、bch码、turbo码等。wcdma选用的码字是语音和低速信令采用卷积码，数据采用turbo码。1.3.7.1. 卷积码卷积编码器在任何一段规定时间内产生的n个码元，不仅取决于这段时间中的k个信息位，而且还取决于前n-1段时间内的信息位。此时监督码元监督着这n段时间内的信息，这n段时间内的码元数目nn称为这种码字的约束长度。卷积码的解码方法有门限解码、硬判决viterbi解码和软判决viterbi解码。其中软判决viterbi解码的效果最好，是通常采用的解码方法，与硬

55、判决方法相比复杂度增加不多，但性能上却优于硬判决1.52db。1.3.7.2. turbo码逼近shannon极限是编码领域的主要努力方向，turbo码是领域里具有里程杯意义的创新。格状编码在带限信道情况下能够比较接近shannon极限，而turbo码则在深空通信、卫星通信等非带限信道上有突出的表现。理论仿真表明，在eb/n0为0.7db的awgn信道上，1/2码率的turbo码的误比特率为10-5。turbo编码由两个或以上的基本编码器通过一个或以上交织器并行级联构成，如图4-9所示。turbo码的原理是基于对传统级联码的算法和结构上的修正，内交织器的引入使得迭代解码的正反馈得到了很好的消除

56、。turbo的迭代解码算法包括sova（软输出viterbi算法）、map（最大后验概率算法）等。由于map算法的每一次迭代性能的提高都优于viterbi算法，因此map算法的迭代译码器可以获得更大的编码增益。图4-9 turbo编码器1.3.8. wcdma关键技术-多用户检测技术多用户检测技术（mud）是通过去除小区内干扰来改进系统性能，增加系统容量。多用户检测技术还能有效缓解直扩cdma系统中的远/近效应。由于信道的非正交性和不同用户的扩频码字的非正交性，导致用户间存在相互干扰，多用户检测的作用就是去除多用户之间的相互干扰。一般而言，对于上行的多用户检测，只能去除小区内各用户之间的干扰，而小区间的干扰由于缺乏必要的信息（比如相邻小区的用户情况），是难以消除的。对于下行的多用户检测，只能去除公共信道（比如导频、广播信道等）的干扰。多用户检测的系统模型可以用图4-10来表示，每个用户发射数据比特，通过扩频码字进行频率扩展，在空中经过非正交的衰落信道，并加入噪声n(t)，接收端接收的用户信号与同步的扩频码字相关，相关由乘法器和积分清洗器组成，解扩后的结果通过多用户检测的算法去除用户之间的干扰，得到用户的信号估计值，。从下图可以看到，多用户检测的性能取决于相关器的同步扩频码字跟踪、各个用户信号的检