G移动通信原理

1、第3章:空中信道与传输WCDMA系统信号处理过程码分多址原理WCDMA物理信道无线资源管理WCDMA系统信号处理过程基本概念WCDMA系统信号处理过程dB、dBW、dBm和dBi：无线信号的相对强度用分贝( dB )来衡量dB是取以10为底的对数的结果增益(dB)10lg(比值)射频信号的功率常用dBW、dBm表示dBW10lg(P/1W)dBm10lg(P/1mW)dBmdBW+30例如：1W等于30dBm，等于0dBWdBi是天线方向性的一个指标Bit、Symbol、Chip及其速率：Bit(比特)对应的是有用信息(Information)，是进入物理层进行基带信号处理前的信息位，它的速率

2、称为比特速率RSymbol(符号)对应的是基带信号处理之后的信号，是由一个或多个比特组成。它的速率称为符号速率Chip(码片)是空中接口上经过扩频调制之后的信息单位，用于体现能量(energy)的承载。它的速率称为码片速率速率的关系：Symbol Rate x SFChip Rate误比特率、误码率、误帧率和误块率：误比特率(BER)是在数据传输过程中比特被传错的概率误码率Pe是在数据传输系统中码元被传错的概率误帧率(FER)是数据传输过程中帧传错的概率误块率(BLER)传输块经过CRC校验后的错误概率这四个值都是统计值，即是在相对长的一段时间内的统计平均值S/N、C/I 、Ec/Io 及Eb

3、/No的区分：C/I(载干比)是有用信号能量与同信道干扰能量的比值S/N(信噪比，SIR)是信号功率与噪声功率的比值Ec/Io是空中接口上每chip的有用信号能量与噪声能量的比值。dB值一般均为负值Eb/No是空中接口后的每bit的有用信号能量与噪声能量的比值信源编码的目的：保证通信的有效性信源编码的原则：满足编码质量尽量地提高压缩率一般速率不高于16kbpsWCDMA UMTS系统使用的信源编码：AMR (Adaptive Multi-Rate，自适应多速率编码)，分为二种AMR-NB(窄带自适应多速率)，适用于3G语音和其它音频内容的编解码AMR-NB包括12.2kbps, 10.2kbp

4、s, 7.95kbps, 6.70kbps, 5.90kbps, 5.15kbps, 4.75kbpsAMR-WB(宽带自适应多速率)，适用于3G高保真语音和其它高质量音频内容的编解码信道编码的目的：保证通信的可靠性信道编码的原则：不超过信道带宽的承载能力尽量地提高冗余比，提高前端纠错的能力WCDMA UMTS系统使用的信道编码：CRC卷积码TURBO CODE交织码CRC：循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check)原理：线性编码Size: 24, 16, 12, 8 or 0 bitsWCDMA系统中卷积码：纠错能力高于CRC循环冗余校验，奇偶校验适合解离散的差错，对于连

5、续的差错效果不理想主要是用于低数据速率的语音和信令WCDMA系统中Turbo码：Turbo是英文中的前缀，指涡轮驱动，即反复迭代的含义特点：Turbo码是应用在WCDMA系统中的新的纠错编码技术Turbo码的纠错性能优于卷积编码Turbo码解码复杂度较高，而且编码时延较大Turbo码适用于对时延要求不高，但速率较高的高速数据业务卷积编码和Turbo编码的比较：卷积码编译时间快，时延小，适合于数据量小，实时性要求高的业务，如话音Turbo码更高效，适合于大数据量、对时延要求不高的业务，如IP业务、多媒体业务扩频的概念：把需要传输信号的频谱用某个特定的扩频函数扩展后成为宽频带信号，送入信道中传输接

6、收时，再利用一定技术将其还原，从而获取高质量传输信号扩频必须满足以下两条准则：传输带宽远远大于被传送的原始信息的带宽传输带宽主要由扩频函数决定，扩频函数常用伪随机编码信号WCDMA系统采用的是直接序列扩频方式(DS-SS)WCDMA系统扩频后的频宽为3.84Mcps（5MHz）扩频的主要优点：抗干扰性能好有极强的抗各种干扰能力，有利于电子反对抗保密性好采用伪随机码，有随机特性类似随机噪声，不易被识破接受端解扩时不易被破密低通量密度展开信号带宽，降低单位带宽内的电波“通量密度”，防止对地面通信的干扰WCDMA调制技术：从系统的观点看，系统所使用的调制方法是非常重要的，因为它和系统的容量和性能密切

7、相关调制技术可分为ASK、FSK和PSK，WCDMA系统使用PSK调制方式PSK调制方式是把比特信息用不同的载波相位来表示BPSKQPSK8PSK四相移相键控(QPSK) PK 二相移相键控(BPSK)：QPSK与BPSK比，压缩信号的频带QPSK与BPSK比，提高了信道的利用率QPSK与BPSK比，传输效率增加一倍QPSK与BPSK比，传输可靠性将随之降低WCDMA系统中调制技术的应用：下行使用QPSK上行使用BPSKWCDMA系统扩频后的调制频宽为5MHz码分多址原理:码分多址原理OVSF CODEGOLD CODE码分多址的概念：发送端用各不相同的、相互(准)正交的地址码调制其所发送的信

8、号接收端利用码型的(准)正交性，通过地址识别(相关检测)从混合信号中选出相应的信号码分多址的特点：网内所有用户使用同一载波、占用相同的带宽各个用户可以同时发送或接收信号WCDMA系统中实现码分多址用到的码：信道化码-OVSF CODE扰码-GOLD CODEOVSF CODE：当两个不同二进制序列的模二加之和等于“零”,则这两个二进制序列是正交的(ORTHOGONAL)OVSF便是这样的序列：Cch.SF.iCch.SF.j= “0” i j两个不同的OVSF序列的模二加之和等于“0”Cch.SF.iCch.SF.j= “1” i = j两个相同的OVSF序列的模二加之和等于1 (归一化值)O

9、VSF CODE在UMTS网络中的应用：在UMTS系统中，OVSF CODE用来区分同一个扇区的不同用户（信道）假设：某扇区有三个用户（信道）通话：s1(t)、s2(t)和s3(t)每个用户各分配一个OVSF序列：Cch,SF,i，Cch,SF,j，Cch,SF,k那么，空中信号为：s1(t) Cch,SF,is2(t) Cch,SF,js3(t) Cch,SF,k问题：如何将所需的信号提取出来呢？OVSF CODE在UMTS网络中的应用：依据OVSF的正交特性，选取相应的OVSF，即可解调出所需信号假设：想提取s1(t)，则应选s1(t)所对应的OVSF序列Cch,SF,i依据OVSF的正交

10、特性Cch,SF,is1(t) Cch,SF,is2(t) Cch,SF,js3(t)Cch,SF,kCch,SF,i= s1(t) Cch,SF,iCch,SF,i+ s2(t) Cch,SF,jCch,SF,i+ s3(t) Cch,SF,kCch,SF,i= s1(t)问题： 实际蜂窝系统中，信道复用被广泛应用。在不同载频和扇区之间必需复用OVSF。当空中出现多个相同的Cch,SF,i时，如何将所需的信号提取出来？先区分扇区，再区分不同的信道（用户）引入扰码（SCRAMBLING CODE） 扰码scrambling codes 分为 512 个组, 每组16个扰码,其中第一个称为主扰码

11、(Primary Scrambling Code)，其余15个称为次扰码(Secondary Scrambling Code)；再把512个组每8组分成一大组，共可分成64个大组，称为Primary Scrambling Code Group一个小区分配1个主扰码. 由 CCPCH (carrying the cell information on the logical BCCH channel) 广播.扰码（SCRAMBLING CODE）：功能下行：扰码主要用于区分不同的扇区上行：扰码主要用于区分不同的UE编码主要编码类型为GOLD CODEGOLD CODE的特性：GOLD CODE自

12、相关特性：归一化值：Ci(t)Cj(t)=1 ( i=j )GOLD CODE互相关特性:归一化值：Ci(t)Cj(t)1 ( ij )OVSF CODE和GOLD CODE的应用举例：假设:两个扇区，扰码分别为：Cs.i(t)；Cs.j(t) 每个扇区各有两个信道通话：S1a(t)，S1b(t)；S2a(t)，S2b(t) 每个信道各分配一个OVSF CODE：Cch,m(t)、Cch,n(t)；Cch,m(t)、Cch.n(t)则空中的合成信号S为：S= S1a(t) Cch,m(t) Cs,i(t)+ S1b(t) Cch,n(t) Cs,i(t)+ S2a(t) Cch,m(t) Cs

13、,j(t)+ S2b(t) Cch,n(t) Cs,j(t)问题：如何将S1a(t) 从S中提取出来呢?OVSF CODE和GOLD CODE的应用举例：首先区分扇区，用Cs,i(t)来提取该扇区信号:Cs,i(t) S= Cs,i(t) Cs,i(t) s1a(t) Cch,m(t) + s1b(t) Cch,n(t) +Cs,i(t) Cs,j(t) s2a(t) Cch,m(t) + s2b(t) Cch,n(t) s1a(t) Cch,m(t) + s1b(t) Cch,n(t)(因为:Cs,i(t) Cs,i(t) =1; Cs,i(t) Cs,j(t) 1)然后利用OVSF COD

14、E 的正交特性提出s1a(t):Cch,m(t) Cs,i(t) S= Cch,m(t) Cch,m(t) s1a(t) +Cch,m(t) Cch,n(t) s1b(t)= s1a(t)(因为: Cch,m(t) Cch,m(t) =1; Cch,m(t) Cch,n(t) =0)WCDMA 中利用信道化码和扰码实现码分多址：信道化码-OVSF CODE下行：区分同一个小区内的不同用户和信道上行：区分来自相同UE的数据和控制信道扰码-GOLD CODE下行：扰码主要用于区分不同的小区上行：扰码主要用于区分不同的UEWCDMA信道层次物理信道的基本概念物理信道的通用帧结构上行物理信道下行物理信

15、道物理信道时序关系话音业务接入流程数据业务接入流程WCDMA信道层次：物理信道(Physical Channel)传输信道(Transport Channel)逻辑信道(Logical Channel)物理信道：物理信道=特定的载频+扰码+信道化编码+一段持续时间+参考相位分为专用物理信道(DPCH)和公共物理信道(CPCH)传输信道：传输信道(TransportChannel)位于MAC层和物理层之间逻辑信道：逻辑信道(Logical Channel)位于MAC层和应用层之间物理信道的定义：物理信道：一个特定的载频、扰码、信道化码、开始和结束时间（一段持续时间）以及参考相位物理信道是由无线帧

16、（Radio Frame）组成：一个无线帧是由15个时隙组成的处理单元。一个无线帧的长度对应38400个码片物理信道的最小时间单位是时隙（Time Slot）：一个时隙是由包含一定比特的字段组成的一个单元。一个时隙的长度对应2560个码片WCDMA信道单载频信道宽度5MHz信道号码（UARFCN UARFCN ） WCDMA的频点称为UARFCN（UTRA Absolute Radio Frequency Channel Number，UTRA绝对频点号）。2.1GHz频段上行频点号为96129888，下行频点号为1056210838，频点除以5就可以得到频点中心对应的频率值（以MHz为单位）

17、上行:上行专用物理信道UL-DPCH物理随机接入信道PRACH物理公共分组信道PCPCH下行:下行专用物理信道DL-DPCH同步信道SCH,公共导频信道CPICH寻呼指示信道PICH,捕获指示信道AICH公共控制物理信道CCPCH, CPCH状态指示信道CSICH接入前导捕获指示信道AP-AICH,冲突检测/信道指配指示信道CD/CA-ICH下行有8192个扰码(Scrambling Code)，将这8192个码分成512个组，每组16个码，其中第一个称为主扰码(Primary Scrambling Code)，其余15个称为次扰码(Secondary Scrambling Code)；再把5

18、12个组每8组分成一大组，共可分成64个大组，称为Primary Scrambling Code Group下行专用物理信道：DPCH信道由两部分组成：DPDCH和DPCCHDPDCH：用于传送话音和数据DPCCH：用于传送控制信息DPDCH和DPCCH在同一个无线帧中，时分复用传送同步信道（SCH）：主同步信道(P-SCH)辅同步信道(S-SCH)内容：SCH没有用户数据、没有进行信道化编码处理，也没有加扰码P-SCH只有主同步码(PSC)，PSC是256个固定的Chips特定码组S-SCH只有辅同步码(SSC)，SSC是256个固定的Chips特定码组功能：SCH 属于公共下行物理信道,

19、利用PSC的非周期性的自相关特性为UE提供同步P-SCH提供UE与小区的时隙同步S-SCH给UE提供无线帧的同步和主扰码组(PSCG)的信息公共导频信道CPICH：CPICH为固定速率（30kbps，SF256）的下行物理信道，用于传送预定义的比特/符号序列CPICH有两种类型主公共导频信道(P-CPICH) 辅公共导频信道(S-CPICH)P-CPICH和S-CPICH的区别：P-CPICHOVSF码：Cch,256,0扰码：主扰码配置：每小区1个覆盖范围：全小区S-CPICHOVSF码：任意扰码：主扰码或辅扰码配置：每小区0个，1个或几个覆盖范围：全小区或小区的一部分主公共控制物理信道（P

20、-CCPCH）：内容：传送小区系统消息(BCCH)，包括MCC、MNC、Cell ID等相关参数帧长：10ms；时隙长度：2560chips；速率：30kbpsOVSF码：Cch,256,1SF=256P-CCPCH和SCH的传输关系：主公共控制物理信道(P-CCPCH)每个时隙的前256chips不发任何信息由同步信道(P-SCH和S-SCH)占用这个位置进行发送辅公共控制物理信道（S-CCPCH）：内容：PCH和FACH的信息一个无线帧的时长：10ms数据传送速率可变：15ksps960ksps(30kbps1920kbps)可变的扩谱系数：4256没有固定的信道化编码扰码选用主扰码(PS

21、C)捕获指示信道(AICH)： 属于下行公共指示信道, 用于给手机提供上行接入捕获指示AIs(AcquisitionIndicator)。通知其接入信息已被系统获知。该信息AI与PRACH中的Signature相对应接入前置捕获指示信道(AP-AICH)：传送PCPCH接入信息已被系统获知的确认消息属于下行公共指示信道，用于给UE提供(UL-PCPCH)接入捕获指示APIs(AP Acquisition Indicator)。该信息API与UL-PCPCH中的Access Preamble Signature相对应寻呼指示信道(PICH)：属于下行公共指示信道，用于给手机提供寻呼指示，通知UE

22、到S-CCPCH上接收Paging信CPCH状态指示信道(CSICH)：属于下行公共指示信道，用于给手机(UE)指示CPCH信道的状态，包括数量、扩谱系数SF等CPCH是公共信道, UE若使用它传输数据，要进行争抢WCDMA系统容量和覆盖无线资源管理WCDMA的QoSWCDMA系统容量和覆盖：由于CDMA系统使用同一个频率通信，且扰码的准正交特性以及码同步的不准确性，使得CDMA系统成为一个自干扰系统容量和覆盖是一对矛盾：软容量呼吸效应：小区覆盖范围会随着系统中用户数的变化而变化定量描述三条定理：用户速率越高，干扰越大用户速率越高，该用户要求距离基站的距离越短在用户速率恒定的前提下，随着噪声功

23、率的增加，小区的范围将减小无线资源管理无线资源管理概述接纳控制功率控制切换控制负荷控制分组调度无线资源管理(Radio Resource Management，RRM)：在UTRAN中执行管理功能，位于UE和RNC之间执行各种算法，保证无线链路能够稳定且实现在无线传播路径下的业务QoS灵活分配和动态调整无线传输部分和网络的可用资源，最大程度提高频谱利用率，防止网络阻塞和保持尽可能小的信令负荷目标：防止系统过载保证无线连接的质量作用：接受或拒绝RRC连接建立接受或拒绝业务新增、删除请求接受或拒绝业务修改请求在UE初始接入、发生切换和处于连接模式的UE需修改业务需求时，根据QoS等参数以及无线资源

24、使用的情况，调用相应的算法来实现分类：初始用户接纳业务新增接纳业务修改接纳 CMDA系统中用户共享频点,通过不同的CODE来识别, 必须进行功率控制以保证接收端能够还原出不同用户的原始信号.功率控制(Power Control)：WCDMA功率控制的基本概念功控的分类功控的测量参数功控的步长WCDMA与GSM功率控制在实现方法和具体参数等方面存在很大差异GSM：控制速度最快约2次/秒(480ms/次)UMTS：控制速度最快1500次/秒功率控制的目的：降低多址干扰的影响、克服远近效应以及衰落的影响在满足信噪比(SIR)基本要求的前提下，尽可能降低发射功率，以降低相互之间的干扰，从而提高系统容量

25、提高手机电池使用时间功率控制的方式：上行功率控制(Uplink Power Control)开环功率控制(Open Loop Power Control)闭环功率控制(Close Loop Power Control) 内环功率控制(Inner Loop Power Control) 外环功率控制(Outer Loop Power Control)下行功率控制(Downlink Power Control )闭环功率控制(Close Loop Power Control )上行功控的目的是抗干扰，而下行功控的目的是克服功率受限开环功率控制是指在公共信道上的功率控制，是在RLC连接建立过程中所执

26、行的功率控制。一旦RLC连接建立成功，获得专用信道，将转入闭环功率控制上行功率控制：开环功率控制(Open Loop Power Control)-根据NodeB的信号强度，UE自行估算自己所需的发射功率，这个过程发生在Node-B对UE控制之前-UE测量的是NodeB的公共导频信道的Ec/Io值-UE接收的灵敏度闭环功率控制(Closed Loop Power Control)UE和NodeB共同配合，估算所需发射功率，这个过程发生在NodeB对UE控制之后上行闭环功率控制：内环功率控制(Inner Loop Power Control)用估算的信噪比SIRest与设定门限SIRtarget

27、比较，控制NodeB/UE发射功率这一过程通常发生在NodeB和UE之间，反应快外环功率控制(Outer Loop Power Control)用BLER与设定门限比，控制Node-B和UE的发射功率这一过程通常发生在UTRAN和UE之间，需时间积累，反应慢下行闭环功率控制：下行功率控制只用到了闭环功率控制，根据不同的控制机制又分为二类:-内环功率控制：NodeB和UE之间，根据SIRes控制-外环功率控制：UTRAN和UE之间，根据BLER控制基站的最大发射功率切换(HO)：切换的概念指移动台在进行业务处理期间所在小区位置发生变换时，而改变与网络的连接关系的过程切换的特点发生在呼叫进行中位置

28、发生了变换呼叫保持切换过程对用户是透明的切换的过程链路监视和测量目标小区的确定和切换触发切换执行切换(HO)：硬切换(HHO-Hard Handover)软切换(SHO-Soft Handover)软切换(Soft HO)更软切换(Softer HO)硬切换(HHO)：先断后连不同的载频之间不同WCDMA系统之间(FDD/TDD)WCDMA系统与2G系统之间软切换(SHO)：先连后断能够同时与多个基站保持通信Intra RNS软切换：同一个RNS，不同Node-B之间上行的两路信号由RNS进行帧选择下行信号由RNS进行帧复制Inter RNS软切换：不同RNS之间，不同Node-B之间上行的两路信号由始呼RNS进行帧选择下行信号由始呼RNS进行帧复制S-RNC/D-RNC更软切换(SHO-Softer Handoff)：同一个Node-B下，不同小区之间的软切换基站发射时，占用多个OVSF码资源基站接收时，多路信号合成一路信号，传给RNS负荷控制技术分为：准入控制(Call Admission Control) 涉及负荷监测和衡量，负荷预测，不同业务和不同呼叫类型有不同的的准入策略。上下行分别进行准入控制小区间负荷的平衡 分为同频小区间负荷的平衡(小区呼吸)和异频小区间负荷的平 衡(异频负荷平衡)及潜在用户控制 目的：将某些“