WCDMA系统基本原理课件

WCDMA系统基本原理无线案例与培训部WRAN培训组Page2学习完此课程，您将会：掌握WCDMA系统的发展历程掌握WCDMA系统结构及无线网络接口掌握CDMA技术的基本原理掌握WCDMA系统无线信道类型及其功能掌握WCDMA系统主要的信令流程目标Page3内容介绍第1章3G概述第2章WCDMA系统结构第3章CDMA基本原理第4章WCDMA无线接口第5章WCDMA接口协议与信令流程Page4什么是3G?讨论篇请思考Page5移动通信发展历程3G为用户与运营商提供了完整的综合业务解决方案1G(1980s)AMPSTACSNMSOthers2G(1992-2000)CDMAIS95GSMTDMAIS136PDC2.5G(2000-2004)CDMA20001xGPRSEGPRS3G(2004-至今)UMTS/WCDMACDMA2000-EVDOTD-SCDMAWiMAX语音业务语音业务宽带业务数据业务Page63G标准化组织Page7185019001950200020502100215022002250ITUEuropeUSAMSSPCSADBBCDCEFAFEMSSReserveBroadcastauxiliary2165MHz1990MHz1850190019502000205021002150220022501880MHz1980MHzUMTSGSM1800DECTMSS1885MHz2025MHz2010MHzIMT2000MSSUMTSJapanMSSIMT2000MSSIMT2000PHS18951918BC1885AA’2170MHzIMT20002110MHz2170MHzMSSMSSCDMATDDWLLFDDWLL19802025MHzGSM1800CDMAFDDWLL196019201945Chinacellular(1)cellular(2)cellular(2)1805MHz1865186518701885189018951910193019451965197019753G频谱分配Page8中国3G频谱分配（2009年1月）（一）中国电信：频分双工（FDD）方式：1920－1935MHz／2110－2125MHz（二）中国联通：频分双工（FDD）方式：1940－1955MHz／2130－2145MHz（三）中国移动：时分双工（TDD）方式：1880-1900MHz和2010－2025MHzPage9WCDMA能够使用的频段（一）主要工作频段：1920－1980MHz／2110－2170MHzWCDMA频点计算公式：频点号＝频率×5上行中心频点号：9612～9888下行中心频点号：10562～10838（二）补充工作频率：1755－1785MHz／1850－1880MHz中国移动和中国联通目前已有的GSM频段以后可以用于WCDMAPage10WCDMA的扩展频段OperatingBandULFrequenciesDLfrequenciesTX-RXfrequencyseparation支持的协议版本R5R6R7I1920–1980MHz2110–2170MHz190MHz√√√II1850–1910MHz1930–1990MHz80MHz.√√√III1710-1785MHz1805-1880MHz95MHz.√√√IV1710-1755MHz2110-2155MHz400MHz

√√V824–849MHz869-894MHz45MHz

√√VI830-840MHz875-885MHz45MHz

√√VII2500-2570MHz2620-2690MHz120MHz

√VIII880–915MHz925–960MHz45MHz

√IX1749.9-1784.9MHz1844.9-1879.9MHz95MHz

√Page11讨论篇开动脑筋“Serviceisthelifeof3G”你怎么理解?3G将会给我们的生活带来那些改变?3G的业务是如何分类的?Page12丰富的3G业务时延误码不同业务QOS要求会话类业务流类业务交互类业务背景类业务Page13内容介绍第1章3G概述第2章WCDMA系统结构第3章CDMA基本原理第4章WCDMA无线接口第5章WCDMA接口协议与信令流程Page14WCDMA协议版本的演进R99保留2G/2.5G核心网核心网分CS电路域和PS分组域接入网引入WCDMARAN核心网和接入网之间的Iu接口基于ATMR4保留WCDMAR99RAN核心网电路域采用NGN架构，以IP承载话音业务R5核心网增加IM（IP多媒体域），增强IPQoS能力接入网增加HSDPA功能，单载波下载高达14.4Mbps的数据接入能力接入网向IPRAN方向发展200020012002规范完成时间R6/R7/R8全IP解决方案HSUPAPhaseII单载波上载速率高达5.76MbpsHSPA＋(64QAM,CPC,MIMO)LTE(OFDMA,MIMO)2004Page15WCDMARAN体系结构RNCRNCNodeBNodeBNodeBCSPSCBCUEUTRANCNUuIuIu-CSIu-PSIu-BCIurIubIubIubPage16WCDMAR5网络结构GSM/GPRSBSSBTSBSCNodeBRNCPCUUTRAN

SCPSMSSCEHLR/AUC/HSSSGSNCGBGGGSNGPRSbackboneCNMGWMGWVMSCServerGMSCServerIP/ATMBackboneCSdomainPSdomainIu-CSIu-PSIPbackboneMRFPIMSdomainMGWP-CSCFS-CSCFMGCFMRFCRANSS7PSTN/PLMNInternet,IntranetPage17内容介绍第1章3G概述第2章WCDMA系统结构第3章CDMA基本原理第4章WCDMA无线接口第5章WCDMA接口协议与信令流程Page18内容介绍第3章CDMA基本原理3.1双工技术与多址技术3.2扩频通信原理Page19双工技术TDD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FDD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；Page20频率时间功率FDMA频率时间功率TDMA多址技术功率时间CDMA频率Page21码分多址（CDMA）的技术特点优点频率复用度高，频谱利用率大大提高CDMA系统的用户容量是软容量，具备一定的话务自适应能力（小区呼吸）缺点CDMA系统是自干扰系统－系统内用户互相干扰技术实现难度大：功率控制技术、负载控制技术等Page22内容介绍第3章CDMA基本原理3.1双工技术与多址技术3.2扩频通信原理Page23

扩展频谱（SS:SpreadSpectrum)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DSSSCDMA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。扩频通信的定义Page24扩频通信就是将信号的频谱展宽后进行传输的技术。其理论基础为Shannon定理：C=B*log2(1+S/N)C：信道容量，单位b/sB：信号频带宽度，单位HzS：信号平均功率，单位WN：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Page25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Page26扩频与解扩（DS-CDMA）扩频解扩码片符号数据扩频码扩频信号=数据×码字扩频码数据=扩频信号×码字1-11-11-11-11-1Page27CDMA宽带扩频技术有效地利用无线信道的频率选择性衰落扩频过程中的频谱变化扩频码扩频码信号合并窄带信号fP(f)宽带信号P(f)f噪声P(f)f噪声+宽带信号P(f)f信号与噪声分离P(f)fPage28扩频通信的技术特点优点抗干扰能力强保密性强：扩频后的信号近似白噪声低发射功率大容量通信缺点占用带宽较大Page29内容介绍第1章3G概述第2章WCDMA系统结构第3章CDMA基本原理第4章WCDMA无线接口第5章WCDMA接口协议与信令流程Page30内容介绍第4章WCDMA无线接口4.1WCDMA无线接口关键技术4.2WCDMA无线信道Page31WCDMA通信模型信源解码信源编码Interleavingdeinterleaving信道编码交织去交织信道解码加扰解扰扩频解扩调制解调射频发射射频接收无线信道Page32WCDMA的信源编码系统采用AMR（AdaptiveMulti-Rate）语音编码多速率：8种编码速率，从12.2Kbps到4.75Kbps，与目前各种主流移动通信系统（如GSM，IS-95，PDC等）使用的编码兼容，利于设计多模终端；多种语音速率与目前各种主流移动通信系统使用的编码方式兼容，有利于设计多模终端；根据用户离基站远近，自动调整语音速率，减少切换，减少掉话；根据小区负荷，自动降低部分用户语音速率，可以节省部分功率，从而容纳更多用户；Page33WCDMA通信模型信源解码信源编码Interleavingdeinterleaving信道编码交织去交织信道解码加扰解扰扩频解扩调制解调射频发射射频接收无线信道Page34WCDMA的信道编码信道编码的作用：在原数据流中加入冗余信息，增加符号间的相关性，以便在受到干扰的情况下恢复信号。123456789112233445566778899编码类型语音业务：卷积码（1/2、1/3），约束长度为9，加8个尾比特数据业务：Turbo码（1/3），两个8状态的并行级联卷积码构成，加6个尾比特Page35交织交织的作用：打乱符号间的相关性，减小信道快衰落和干扰带来的影响12345678... ...452453454……816...456210...450614...45419...449412...452715...455311...451513...453B0B1B2B3B4B5B6B7{A4,B0}{A5,B1}{A6,B2}{A7,B3}{B4,C0}{B5,C1}{B6,C2}{B7,C3}一次交织：二次交织：Page36WCDMA通信模型信源解码信源编码Interleavingdeinterleaving信道编码交织去交织信道解码加扰解扰扩频解扩调制解调射频发射射频接收无线信道Page37S1xC1S2XC2WS1S2扩频解扩(S1xC1)+(S2xC2)空中接口[S1xC1+S2xC2]xC2=S2[S1xC1+S2xC2]xC1=S1

N

S扩频解扩过程Page38码序列的正交－累加为0表示正交码序列的正交性Page39WCDMA的扩频码：OVSFOVSF：正交可变扩频因子，由Walsh矩阵生成SF=1SF=2SF=4Cch,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)Page40信道化码的特点1.分配码的前提：要保证其到树根路径上和其子树上没有其它码被分配；2.分配码的结果：会阻塞掉其子树上的所有低速扩频码和其到根路径上的高速扩频码；Page41三个结果中任取一个码分配示例Page42OVSF码的用途在下行信道，OVSF用于区分用户在上行信道，OVSF用于区分同一个用户的不同业务典型业务数据速率下行SF上行SFAMR12.2+3.412864Modem28.8k28.8+3.4643212.2kAMR&64kpacketdata12.2+64+3.4321612.2kAMR&144kpacketdata12.2+144+3.416812.2kAMR&384kpacketdata12.2+384+3.484Page43WCDMA通信模型信源解码信源编码Interleavingdeinterleaving信道编码交织去交织信道解码加扰解扰扩频解扩调制解调射频发射射频接收无线信道Page44OVSF码扰码数据比特扩频后码片扰码使用户信息伪随机化，加强保密性WCDMA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。扰码分为上行扰码和下行扰码，作用不一样扰码介绍Page45

WCDMA的扰码：GOLD序列在上行信道，扰码用于区分用户上行有224个上行长扰码和224个上行短扰码在下行信道，扰码用于区分小区（扇区载频）下行有218－1＝262143个扰码，但目前只使用0……8191号扰码中的主扰码。0，1，……，8191，分为512个集合，每个集合包括一个主扰码和15个次级扰码。512个主扰码又可以分为64个扰码组，每组由8个主扰码组成扰码每10ms重复一次，长度是38400chipsPage46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＋158192个扰码512集每集分为1个主扰码，15个从扰码目前系统主要采用主扰码主扰码和从扰码Page47WCDMA通信模型信源解码信源编码Interleavingdeinterleaving信道编码交织去交织信道解码加扰解扰扩频解扩调制解调射频发射射频接收无线信道Page48WCDMA的调制调制的作用把需要传递的信息送上射频信道采用不同的调制方式可以极大地影响空中接口提供数据业务的能力R99/R4：采用QPSK，下行最大数据速率2.7MbpsHSDPA：采用16QAM，下行最大数据速率14.4MbpsPage49WCDMA调制方式调制方式QPSK（HSDPA阶段引入16QAM调制）Page50WCDMA通信模型信源解码信源编码Interleavingdeinterleaving信道编码交织去交织信道解码加扰解扰扩频解扩调制解调射频发射射频接收无线信道Page51∑∑实部与虚部分离脉冲成型脉冲成型串并转换串并转换…………下行物理信道1Cch,SF,mjI+jQSdl,nG1Cch,SF,mjI+jQSdl,nG2下行物理信道2GpGpP-SCHS-SCHcos(wt)-sin(wt)Re(T)Im(T)物理信道扩频调制过程-下行Page52实部与虚部分离脉冲成型脉冲成型cos(wt)-sin(wt)Sdpch,nRe(S)Im(S)∑Cd,1βdIccQjI+jQ∑∑DPDCH1Cd,3βdDPDCH3Cd,5βdDPDCH5Cd,2βdDPDCH2Cd,4βdDPDCH4Cd,6βdDPDCH6ccCcβcDPCCHQ物理信道扩频调制过程-上行Page53无线通信的大敌：衰落Distance(m)接收功率(dBm)102030-20-40-60慢衰落快衰落Page54快衰落的类型空间选择性衰落在不同地点（空间）衰落特性不一样一般是由于物体反射形成时间选择性衰落在不同时间衰落特性不一样主要是快速移动用户引起的多普勒频移造成频率选择性衰落在不同频率衰落特性不一样主要由宽带信号的时间色散引起Page55分集技术－克服快衰落的主要手段空间选择性衰落空间分集：分集天线水平距离大于10倍波长极化分集：两接收天线极化方向正交发射分集：克服大尺度衰落，可以提高下行覆盖，使WCDMA基站覆盖与GSM900相当，从而支持WCDMA与GSM共站址建设！时间选择性衰落时间分集－信道交织、RAKE接收机频率选择性衰落频率分集－跳频、扩频Page56RAKE接收机前端接收机第一接收径第二接收径第三接收径延时估计器计算延时及相位偏转

信号合成器合并信号tts(t)s(t)RAKE接收技术有效地克服多径干扰，提高接收性能Page57RAKE接收A?接收AA发射codingA直射信号反射信号如果时间差<1码片长度AAAAAdecoding直射信号反射信号发射接收如果时间差>1码片长度codingdecodingPage58WCDMA的快速功率控制功率控制速度达到1500次/秒，功控速度大于衰落速度，可以有效地克服阴影衰落和快衰落降低网络干扰，提高系统质量和容量省电，延长手机的通话时间Page59三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噪比（SIRTar）相比较，并发送指令调整发射功率（WCDMA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－外环测量误块率（BLER），调整目标信噪比Page60UENodeB开环功率控制的目的：提供初始发射功率的粗略估计

开环功率控制Page61UERNC外环内环1500Hz测量接收信号SIR并比较10-100Hz设置SIRtar测量接收数据BLER并比较TPC设置BLERtarNodeB闭环功率控制Page62UEmoveTargetBSSourceBStimeDataUEreceived/sent“GAP”ofcommunicationWCDMA的切换－硬切换硬切换的特点先中断源小区的链路，后建立目标小区的链路通话会产生“缝隙”非CDMA系统都只能进行硬切换Page63WCDMA切换－软切换软切换特点CDMA系统所特有，只能发生在同频小区间先建立目标小区链路，后中断源小区链路，可以避免通话“缝隙”软切换会比硬切换占用更多的系统资源当进行软切换的两个小区属于同一个NodeB时，此时为“更软切换”;UEmoveTargetBSSourceBStimeDataUEreceived/sentNo“GAP”ofcommunication

Page64内容介绍第4章WCDMA无线接口4.1WCDMA无线接口关键技术4.2WCDMA无线信道Page65信道分类从不同协议层次上讲，WCDMA承载用户各种业务的信道被分为三类:逻辑信道：直接承载用户业务根据承载的是控制平面业务还是用户平面业务，分为控制信道和业务信道传输信道：物理层对MAC层提供的服务根据传输的是针对一个用户的专用信息还是针对所有用户的公共信息，分为专用信道和公共信道物理信道：各种信息在无线接口传输时的最终体现形式

Page66信道概念PHYlayerMAClayerRLClayer传输信道物理信道逻辑信道L1L2Page67业务逻辑信道（TCH）控制逻辑信道（CCH）

专用业务信道（DTCH）公共业务信道（CTCH）广播控制信道（BCCH）寻呼控制信道（PCCH）专用控制信道（DCCH）公共控制信道（CCCH）逻辑信道分类Page68广播信道 BCH前向接入信道 FACH寻呼信道 PCH反向（随机）接入信道RACH专用信道 DCH公共传输信道专用传输信道

传输信道分类Page69物理信道分类物理信道分为上行物理信道和下行物理信道物理信道可以由某一载波频率、码（信道码和扰码）、相位确定多数信道由无线帧和时隙组成，每一无线帧10ms，包括15个时隙

Data

Slot#0

Slot#1

Slot#14

Tslot

=2560chips

T=10ms,38400chips

Data

Slot#iPage70上行公共物理信道物理随机接入信道(PRACH)上行专用物理信道专用物理数据信道

(uplinkDPDCH)专用物理控制信道(uplinkDPCCH)上行物理信道上行物理信道Page71下行公共物理信道公共控制物理信道

(CCPCH)同步信道

(SCH)寻呼指示信道

(PICH)捕获指示信道

(AICH)公共导频信道

(CPICH)下行专用物理信道

(downlinkDPCH)下行物理信道下行物理信道Page72传输信道和物理信道的映射关系系统信道分类Page73公共物理信道的功能SCH（同步信道）：用于小区搜索分成主同步信道P-SCH和从同步信道S-SCHCPICH（公共导频信道）：用于扰码识别分成主公共导频信道P-CPICH和从公共导频信道S-CPICHP-CPICH：信道码固定为Cch,256,0，扰码为主扰码P-CPICH是其它下行物理信道的功率基准从公共导频信道S-CPICH：主要用于智能天线P-CCPCH（主公共控制物理信道）：用于承载系统消息信道码固定为Cch,256,1以上信道每个小区必须配置且仅能配置一条

Page74公共物理信道的功能S-CCPCH（从公共控制物理信道）：用于承载下行信令PICH（寻呼指示信道）：用于承载寻呼指示，与S-CCPCH成对配置PRACH（物理随机接入信道）：用于承载上行信令接入时隙的间隔为5120chips，代表WCDMA基站最大覆盖半径为200公里AICH（捕获指示信道）：用于承载对PRACH前缀的捕获指示，与PRACH成对配置以上信道每个小区必须至少配置一条

Page75专用物理信道的功能DPDCH（专用物理数据信道）：用于承载用户的业务数据，单码道最大数据速率为384KbpsDPCCH（专用物理控制信道）：用于承载控制信息，为DPDCH提供解调、功控等控制数据上行DPDCH和DPCCH在不