黄超,WCDMA系统原理(new).ppt

1、WCDMA系统原理中兴通讯股份有限公司3G产品部黄 超,2,WCDMA系统原理,什么是3G？ 3G就是第三代移动通信! 3G系统性能特征： 信息传输速率： 144 kbps 高速移动(120km/h) 384 kbps 步行速度(3km/h) 2 Mbps 室内 业务性能： 综合（混合）业务 可变速率传输 永远在线上网,3,WCDMA系统原理,什么是CDMA？ CDMA就是码分多址，WCDMA是宽带码分多址。,4,WCDMA系统原理,为什么需要3G？ 频谱效率、新业务和业务质量需要3G！ TDMA频谱效率（系统容量）是FDMA的5倍左右。 CDMA频谱效率（系统容量）是TDMA的4倍左右。 C

2、DMA频谱效率（系统容量）是FDMA的20倍左右。,5,WCDMA系统原理,第一篇 WCDMA系统概述 一、WCDMA3G的由来 为了满足更多更高速率的业务和更高频谱效率的要求，这是发展的根本动力； 减少目前存在的各大网络之间的不兼容性； 世界性的标准IMT-2000（国际移动通信）应运而生，IMT-2000支持的网络被称为第三代移动通信系统，简称3G。,6,WCDMA系统原理,北美、欧洲、日本和中国等国家提出了10种3G标准。 欧洲和日本的WCDMA和北美的CDMA2000是主流技术。 我国提出的TD-SCDMA是3大标准之一。 WCDMA继承GSM的核心网MAP，是主流中的主流。,7,WC

3、DMA系统原理,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,8,WCDMA系统原理,二、WCDMA系统的技术特点 WCDMA系统最根本的实质是功率，资源是动态统计复用的，是一个自干扰系统，任何不需要的功率不能发射！有以下特点： 双向采用快速闭环功率控制技术补偿衰落，抗快衰落效果好。 双向采用导频进行相干解调，解调增益高。 采用发射、接收分集技术，大大提高抗衰落效果。,9,WCDMA系统原理,码片速率高（3.84Mcps），raker 接收（频率分集）效果更好，多径传播路径差仅

4、78米就可以分集接收。 采用编码增益高的信道编码技术（卷积编译码和Turbo编译码）。 基站之间不需同步。 可以进行软切换（宏分集）、更软切换（Node B内部小区间的切换）、频间硬切换、系统间的硬切换。 可适应多种速率的传输，灵活地提供多种业务。,10,WCDMA系统原理,采用优化的分组数据调度策略和传输方式。 支持高速数据传输，高速时144kbps，步行时384kbps的速率，室内是2Mbps。 WCDMA采用频分多址（FDD）工作方式，工作频率是：上行1920MHz到1980MHz，下行是2110MHz到2170MHz。收发频率间隔190MHz。 具有承载CS和PS业务等混合业务的能力。

5、,11,WCDMA系统原理,采用先进的无线资源管理算法以保证不同比特速率的混合（综合）业务的服务质量（QoS），并使系统吞吐容量最大。 与只能提供单一话音业务的第二代系统相比，第三代移动通信系统具有宽带（高速）、混合业务、可变速率的特点。 总之，WCDMA系统采用了双向快速闭环功率控制、Raker接收、接收和发射分集、高增益编码等技术，可以在高速移动（120km/h）时到达144kbps的传信率，步行速度（3km/h）时达到384kbps的传信率，室内达到2Mbps的传信率。,12,WCDMA系统原理,WCDMA与IS-95的比较,13,WCDMA系统原理,CDMA2000-1X是继承IS-9

6、5技术的3G系统， IS-95 分两个阶段， IS-95A/B 。IS-95A支持语音业务，IS-95B开始支持数据业务，采用补充码分信道，是多码传输的方式。 CDMA2000空中技术兼容IS-95A/B， IS-95A/B是CDMA2000的子集。可以平滑升级。 CDMA2000采用了新技术（Turbo译码、双向相干解调、双向快速功控等）。 CDMA2000的容量是IS-95 两倍。,14,WCDMA系统原理,WCDMA与CDMA2000-1x的比较,15,WCDMA系统原理,总之，WCDMA和CDMA2000的技术共同点是采用新技术的CDMA体制。WCDMA的渊源在欧洲各国，继承GSM核心

7、网；CDMA2000的渊源在美国高通公司，继承IS-95的核心网。都具有频谱利用率高、支持高速数据业务的特点，是成熟的技术，是3G的主流技术。,16,WCDMA系统原理,三、WCDMA系统组成,17,WCDMA系统原理,UMTS（通用移动通信系统）即WCDMA由CN（核心网）、UTRAN（无线接入网）和UE（用户设备）三部分组成，各个部分由标准接口连接。 UTRAN又由多个RNS组成。 RNS（无线网络子系统）由一个RNC（无线网络控制器）和多个Node B组成，一个Node B可以包括1个、3个或6个小区（cell，即扇区）。,18,WCDMA系统原理,CN通过Iu接口与UTRAN相连； U

8、TRAN与UE的空中接口是Uu接口； Uu接口、Iu接口和Iub接口是标准的、开放的；,19,WCDMA系统原理,第二篇 WCDMA系统原理 一、移动无线信道的特点 移动通信信道与固定通信的信道有很大不同：接收机移动时天线接收到的电波场强有着严重的快衰落（起伏）和相当大的多径时延，以及多卜勒频移。,20,WCDMA系统原理,移动台接收机接收多条传播路径来的信号，传播路径的长度不同，到来的时间就有先后，信号的相位不同。根据同相叠加、反相抵消的干涉原理，在移动路线中各处干涉的结果形成斑马线状的干涉条纹，即在移动过程中，MS(UE)收到时强时弱的起伏信号。 对于IMT-2000的2GHz工作频率来说

9、，波长仅仅为15cm，因此在高速的移动时，每秒内接收的信号强弱变化很多次。接收功率强弱相差最大可达40dB，折合1万倍的功率差别!,21,WCDMA系统原理,多径示意图,d1,d2,t,t,t,d3,发射,接收,Raker合并,噪声,22,WCDMA系统原理,接收机接收到的信号：车速80km/hr、频率为2GHz时平均衰落持续时间约6ms。,t,接收信号,-35dB,0dB,接收信号中值,23,WCDMA系统原理,二、WCDMA系统的原理 WCDMA系统是一个FDD直接序列扩频系统，码片速率3.84Mcps。 扩频的理论基础：由Shanon 定理C=Wlog2(1+S/N)可知，在信道容量一定

10、情况下，通信带宽W与信噪比S/N可以互换。即通过扩展频带使信噪比降低。 扩频通信的特点：抗干扰能力强、隐蔽性好（信号频谱密度低于白噪声）、抗衰落、抗多径干扰、可以实现码分多址通信；,24,存在远近效应：由于CDMA是同频接收系统，造成弱信号淹没在强信号中，从而使得弱信号部分无法正常工作。 扩频定义与处理增益：将信源原始信号带宽扩展的倍数就是处理增益：PG=Wc/R，其中Wc是码片速率，R是信息速率。用dB表示： PG=10log10(Wc/R) 扩频信号在接收端进行相关解扩即可恢复原始信号。扩展倍数越多，处理增益越高，抗干扰能力越强。,WCDMA系统原理,25,WCDMA系统原理,扩频通信过程

11、,信号频谱,扩频后,信道噪声,接收信号,相关解扩,低通滤波,f,f,f,f,f,f,26,WCDMA系统原理,数字通信接收端信号解调过程相乘、积分 信号正交的概念 在一段时间内相乘、积分结果为零。 例：正弦信号与余弦信号在一个周期内积分结果为零，正交。,输入信号,本地PN码,在T=Ts时刻判决,解扩输出,积分,0,Ts,(*)dt,27,WCDMA系统原理,码序列的正交概念 两个取值为+1或-1的码序列按位对应相乘，将每位相乘结果进行累加，结果为零就表示两个码序列正交。 以下两个序列正交： 以下两个序列不正交： 序列一： +1-1+1+1-1+1-1-1 +1-1+1-1-1+1-1-1 序列

12、二： -1+1+1-1-1+1+1-1 +1+1-1+1-1-1+1-1 相乘结果：-1-1+1-1+1+1-1+1 +1-1-1-1+1-1-1+1 累加结果：4个+1、4个-1，累加=0 5个-1、3个+1，累加=-2 符合正交定义 不符合正交定义,28,WCDMA系统原理,CDMA系统：CDMA系统在一个频率、相同时间内，以不同扩频码进行多址通信的系统。 WCDMA系统原理上与CDMA一样，仅仅带宽大3倍多。 CDMA系统的信道是码信道，任何时候，各个信道的频谱混合叠加在一起，所以CDMA系统是一个自干扰系统，CDMA系统接收机接收的信号是各个码信道的信号之和： Stotal(t)=A1

13、S1(t)PN1PR1+ A2S2(t)PN2PR2+ A3S3(t)PN3PR3+,29,WCDMA系统原理,WCDMA系统中，用两层码保护。因为OVSF码自相关特性不理想，而PN码互相关特性（正交性）不理想。 PN1是第一个用户的扩频码序列，PR1是第一个用户的扰码序列。在WCDMA系统中，在一个小区中，下行使用同一个扰码，用户身份靠扩频码（OVSF码）区分。上行使用相同的扩频码（相同类型的业务时），靠扰码区分用户身份。就象区分孪生兄弟，要么衬衣不同，要么外衣不同。对第一个用户进行解扩、解扰后得到所需的信号： S(t) PN1PR1 =A1S1(t)PN1PR1 PN1PR1 + A2S2

14、(t)PN2PR2 PN1PR1 + A3S3(t)PN3PR3 PN1PR1 +=A1S1(t)+0,30,扰码是伪随机码序列，自相关特性很好，但是互相关特性就不是理想的零值了（理论上就不正交），在采用较长的序列时还是相当小的。扩频码采用OVSF（长度可变的正交扩频因子）码，在理论上是完全正交的，但是在无线多径环境下，无法保持其正交性。即实际上在接收端进行相关处理时，不同序列之间的互相关值不为0，以上的解调表达式变成： S(t) PN1PR1 =A1S1(t)PN1PR1 PN1PR1 + A2S2(t)PN2PR2 PN1PR1 + A3S3(t)PN3PR3 PN1PR1 +=A1S1(

15、t)+IAMI(t) 后面部分IAMI(t)不为0，这就是多址干扰。可用干扰抵消技术或其它技术（如选取正交性良好的扩频码组）消去。,WCDMA系统原理,31,WCDMA系统原理,WCDMA系统特有的功率攀升现象 下行物理码信道之间的非正交产生多址干扰，存在功率攀升现象。 WCDMA系统的所有用户同时在同一频段工作，就象一间房间里，两个广东人+两个福建人+两个上海人交谈，只要讲话的声音不是太大，可以做到互不影响。 吵架影响大家交谈，声音互相提高，功率攀升。,32,WCDMA系统原理,很明显，房间外的干扰也会影响房间内的谈话，这就是WCDMA系统的小区外干扰。 由以上数学表达式看来，CDMA系统信

16、号之间的关系是相加的关系，发射端需要线性的功率放大器（LPA），接收端需要线性的小信号前置放大器（LNA）。,33,三、 WCDMA系统的容量 Shanon公式是：在高斯白噪声条件下， C=Wlog2(1+S/N)，这里带宽W单位是Hz，C单位是bits/s。实际容量远达不到此理论值。 可以通过采用高效的无线传输技术（RTT）来接近理论值。 传统的CDMA系统容量是以话路信道数来衡量的，与扩频增益成正比，与业务所需的信噪比成反比。,WCDMA系统原理,34,WCDMA系统原理,对于CS（电路交换）通信系统的容量用话务量表示。忙时话务量的定义是： 话务量A=忙时通话次数*平均每次通话时间（分钟）

17、/60（分钟） 信道数C与阻塞率B、话务量A的关系用爱尔兰B公式表达： B(C,A)=(AC/C!)/(1+A+A2/2!+A3/3!+ AC/C!) 爱尔兰 系统容量用爱尔兰或信道数表示。 对于PS（分组交换）业务而言，信道数相差很远。 比如20条64kbps的业务信道与4条384kbps业务信道的容量相当。用吞吐量bits/s来表示系统的数据传输能力。 在考虑话音业务的阻塞率时用爱尔兰B公式。考虑PS业务时可用等效爱尔兰概念。,35,WCDMA系统原理,等效爱尔兰容量的概念 爱尔兰容量是一个针对CS域业务的传统概念，对于现在的PS域业务常常利用等效爱尔兰容量来计算系统行为特性，如可容纳的用

18、户数（放号数）、阻塞率和掉话率等。 例如：分组数据用户的行为特性是：144kbps高速上网下载图文混合的业务，忙时平均点击下载数据10次/小时，10秒/次（180kByte数据量/次），那么等效话务量=10*10/3600=0.028Erls。但对于非实时分组业务，排队等候发送（储存转发），无阻塞概念，信道利用率=100%！,36,WCDMA系统原理,业务模型 业务模型的实质是各种业务不同比例时，系统总体性能的数学表示。是系统设计和网络规划的依据。 一、2G以前的业务是纯CS域话音，Erlang B公式将系统容量、用户忙时话务量和阻塞率联系起来。 二、2.5G系统是在CS域话音业务基础上加入P

19、S域分组业务，话音部分采用传统的Erlang B公式描述，分组业务是发送及接收电子邮件、浏览互联网、在线游戏、移动办公、电子商务等，采用无呼损的等效爱尔兰容量方法。业务统计特性和比例没有标准，建立业务模型困难。 三、3G的业务种类比2.5G的还要多。比如可视电话、小电影等。业务模型也是混合的业务模型。可以分近、中、远期的发展和城市、乡村对业务比例进行预测，建立混合业务模型。近期还是以话音业务为主。,37,WCDMA系统原理,WCDMA系统容量特点：容量是软的。 软容量有以下含义：一是传统的软容量概念，没有绝对固定的信道数，降低无线链路的通信质量，可以容纳更多用户，即系统容量与通信质量可以互换；

20、二是不同的业务有不同的容量，比如8kbps话音的吞吐容量比144kbps分组业务的吞吐容量低；三是承载混合业务时，不同的业务比例和构成，有不同的容量，即针对不同的业务模型，系统有不同的容量。 硬容量：取决于基站硬件资源。,38,WCDMA系统原理,容量与通信带宽（码片速率）、无线传输技术（RTT）、所需的信噪比Eb/N0、无线环境等因素有关。 不同的业务，其QoS（服务质量）不同，所需的 Eb/N0不同，因而容量不同。如可容纳大约100个用户8kbps话音业务，折合800kbps的吞吐量；或容纳20个用户64kbps数据业务时，折合1280kbps的吞吐容量；或容纳10个用户144kbps业务

21、，折合1440kbps的吞吐容量；或容纳4个用户384kbps业务，折合1536kbps的吞吐容量。一般上行容量先受限。大约一个384kbps数据与25个8kbps话音（不是384/8=48）相当。,39,WCDMA系统原理,WCDMA系统接入的是混合业务，业务的典型速率分别是8kbps、12.2kbps的话音，和64kbps、144kbps、384kbps、2048kbps的数据。 影响系统容量的因素有：功率控制方法与精度、扩频码的正交性、无线传输环境（移动速率、多径、干扰）等，在通信带宽、无线传输技术（RTT）、扩频码、功控算法等确定的情况下，要求通信质量越高（要求信噪比越高，即误码率越低

22、），系统的容量就越小，反之就越大。,40,WCDMA系统原理,混合业务情况下，每种业务所占用的资源不同。 WCDMA系统软容量理解示意图：一个外皮富有弹性的集装箱，内混装兔子、毛驴、狮子等动物，对应业务是话音、中速分组数据、高速分组数据业务。全装狮子是可以装5只，全装毛驴时可以装20只，全装兔子时可以装100只。混装时怎么说内装多少动物呢，不好说。因为一只狮子所占的位置顶25只兔子的。最好用重量来表示一个统一的量，否则一只兔子与一头只狮子相差太远。当然，全部装狮子时总重量就比全装兔子的大，因为狮子的力气大，将橡皮箱空间挤大了些。,41,WCDMA系统原理,42,WCDMA系统原理,上行容量干扰

23、受限，上行是多对一通信模式，利用功率控制技术消除远近效应。除自己的信号外全是干扰，当用户较多时干扰较大，使信噪比降低；为了达到额定的信噪比，必然通过功控加大功率，造成互相影响，互相攀比，引起功率攀升，最后使接收的总功率超出前置线性放大器的线性范围，使CDMA系统不再成立！即引起系统崩溃。 下行容量功率受限，下行是一对多通信模式，一般总发射功率不超过20W/载频，公共导频信道等公共信道约需20%的开销，业务信道可用功率为16W，当每条码信道需要0.5W时，可接入32个用户，可见下行容量受功率限制。当小区覆盖地域较小时，下行容量就不受功率的限制了。,43,WCDMA系统原理,四、WCDMA系统承载

24、的业务 第三代移动通信系统承载的业务主要有四大类（级）：会话型、交互型、流和后台型。他们有不同的QoS要求和特性。这样在系统中有不同的编码方式、不同的资源分配方法。因此研究业务特性是最佳使用系统资源和满足其QoS的前提。 会话型：主要是双向传输的实时业务，对时延、时延抖动很敏感。典型的业务有：话音、可视电话和Telnet、交互游戏等。误码率在10-3 （对应的误块率约为10-2左右）就能保证话音质量（MoS）达到4.0以上，对应长途电话的话音质量水平。时延小于200ms，抖动小于1ms。而Telnet、交互游戏等业务则要求无错传输，但是时延可以适当延长，采用ARQ时时延不能太长，故要求误块率相

25、当低，很少出现重传的情况。,44,WCDMA系统原理,交互型业务：双向不对称非实时的业务，主要应用是WWW游览、电子商务等。要求无错传输，但时延和时延抖动要求不是很高。大约时延小于1s。 流业务：单向业务，主要是音频流、视频流和FTP、静态图象传输等。音频流和视频流可以有错误传输，FTP和静态图象不能有错误。时延要求较低，一般要求1到10s。 后台型业务：单向或双向非对称业务，主要是电子邮件（E_mail）传输和传真业务。电子邮件不能出错，传真可以出错。时延要求很低，可以超过10s。 因为业务的QoS是端到端的，在无线接入网部分如何实现总的QoS要求，是无线接入网的核心任务。QoS分解和分段实

26、现是系统设计的任务。比如对要求无错传输的业务研究采用何种传输方式和协议。,45,WCDMA系统原理,五、WCDMA系统的关键技术 移动通信信道是一个随机信道，存在快衰落、多径传输、阴影慢衰落等不利因素。WCDMA系统还存在远近效应。快衰落分为瑞利（Rayleigh）衰落和莱斯（Ricean）衰落，莱斯衰落存在一条直视（LOS）主径，瑞利衰落没有主径（NLOS）存在，是最不利的情况。由于快衰落引起接收信号强弱变化很大，能否将功率增大到使最弱时仍然保证高质量的通信呢？答案是否定的，因为此时最强的信号可能已经超出线性放大器的动态范围了，同时发射功率太大，对于CDMA这个自干扰系统来说是一场大灾难。为

27、了克服这些不利的情况，采用了功率控制、Raker接收、分集技术、高增益的编码技术等措施。,46,WCDMA系统原理,衰落信道的通信质量： 在高斯白噪声信道中，数字通信的误码率与信噪比的关系是一个互补误差函数。 式中r=S/N是信噪比。 信噪比与误码率有对数的关系，即随着信噪比的增加，误码率很快指数下降。 对于衰落信道，误码率随信噪比的增加下降很慢，大约是:,47,WCDMA系统原理,在误码率为10-3时，高斯白噪声信道仅需7dB左右的信噪比，而在瑞利衰落信道中，需要26dB左右的信噪比！注意：任何时候二进制系统传输最大误码率是50%！,48,WCDMA系统原理,在WCDMA系统中，采用卷积编码

28、和Turbo编码，编码增益较高。在高斯白噪声信道中，对于1/3速率的编码，编码与未编码的所需信噪比Eb/No值相差5dB以上，比3倍的带宽处理增益理论值4.78dB要高，尤其Turbo编码增益更高；在瑞利衰快落信道中，若将RTT技术（功率控制、分集接收、raker接收、相干解调等）的作用理解为：解决误码率从50%降低到10%，这些技术的总增益约10dB左右，而Turbo译码可以将10%的误码率降到10-6以下，甚至更低，再加ARQ技术就可以达到无差错传输数据，达到上网、传输文件的要求。这样推算，Turbo编译码+ARQ技术增益达到50dB以上，这是非常惊人的，这是时间、空间（编码增益）互换的结

29、果！因为Turbo译码需要较长时间，在实时业务（如话音）传输中不能采用。,49,WCDMA系统原理,1.功率控制技术 功率控制技术是CDMA系统的基础，可以说没有功率控制就没有CDMA系统。Qualcomm公司就是解决了这个问题才实现了CDMA蜂窝通信网。 “远近效应” ：在上行链路中，如果小区内所有UE的发射功率相同，而各UE与NodeB的距离是不同的，导致NodeB接收较近UE的信号很强，接收较远UE的信号很弱，由于CDMA是同频接收系统，造成弱信号淹没在强信号中，从而使得距离较远部分的UE无法正常工作。 功率控制可以补偿衰落，接收功率不够时要求发射方增大发射功率。 功率控制可以克服远近效

30、应，对上行功控而言，功率控制的目标即为所有的信号到达基站的功率相同。,50,WCDMA系统原理,功率是CDMA系统的核心，一切是围绕着功率进行。CDMA系统是一个同频自干扰系统，任何多余不必要的功率不允许发射，这是一个一定要遵守的总准则！功率控制就是维护这个准则的手段。 码分多址技术是在同一频段同时建立多个码分信道，伪随机码具有很好的自相关性，但互相关不为0，产生码信道之间的干扰多址干扰（AMI）。 多用户检测和干扰对消技术、智能天线技术可以降低多址干扰。,51,WCDMA系统原理,由于移动信道是一个衰落信道，快速闭环功控可以随着信号的起伏进行快速改变发射功率，使接收电平由起伏变得平坦。 功率

31、控制技术能够解决以上提到的几种问题，是使CDMA走向实用化的重要关键技术之一。 功率控制分为上行功控和下行功控。功控又分为开环功控和闭环功控两大类。 开环功控是接收机测量接收到的宽带导频信号的功率，并估计传播路径损耗，根据路径损耗计算得到需要发射的功率。接收到的功率越强，说明收发双方距离较近或有非常好的传播路径，发射的功率就越小。由于在FDD系统，收发频差是190MHz，大大超过了信道的相关带宽（约100KHz左右），收发频率（信道）的快衰落特性不相关，因而从接收信号得到的路径损耗决定发射功率的方法误,52,WCDMA系统原理,差较大，最大可达8dB以上，因此开环功控只能在决定接入初期发射功率

32、和切换时决定切换后初期发射功率的时候使用。 闭环功控是发方根据收方链路质量测量结果的反馈信息，进行增加或减少（降低）发射功率。可见闭环功控需要一个反馈通道。闭环功控又分快速闭环功控（内环功控）、慢速功控（外环功控）两种。 快速闭环（内环）功控：快速闭环功控在每个时隙（0.67ms）进行一次，功控频率是1500Hz。接收机在每个时隙测量信道的信噪比（SIR），并与目标SIR进行比较，当测量的SIR低于目标值时给出增加功率的指令，发射方增加一个单位功率，这个单位功率就是功控步长，从0.5dB到2dB不等，一般是1dB，也可以变步长改变发射功率。当SIR测量值高于目标值时，就发出降低一个单位（步长）

33、的功率。直到满足接收方通信质量为止。,53,WCDMA系统原理,慢速闭环（外环）功控：慢速闭环功控比快速闭环功控慢得多，时间一般是在TTI（传输时间间隙）级，一个TTI从20ms到80ms不等。慢速闭环（外环）功控是接收方通过每帧的CRC校验来统计误帧（块）率（BLER），当误帧率高于目标值时就提高SIR目标值，通过快速闭环功控实现通信质量的提高；当误帧率低于目标值时就降低SIR目标值，通过快速闭环功控实现刚好的通信质量，以降低不必要的功率发射。注意：在这里也体现了不发射任何多余不必要的功率，以达到CDMA系统的最大容量。当业务要求误块率为10-3时，需要统计1000个以上的数据块才能给出一个

34、统计的结果，这样就需要20s以上的时间才能进行一次外环功控！实际上是通过时间窗来统计的，在通信初期可能需要长时间的统计，在通信过程中，是一个滑动的时间窗（窗口尺寸是20s），每个TTI时间滑动一次，这样就可以在一个TTI时间进行外环功控了。,54,WCDMA系统原理,2.切换控制技术 基本概念：切换是指当移动台处于移动状态中，从一个基站或信道转移到另一个基站或信道的过程。在蜂窝结构的无线移动通信系统中，当移动台从一个小区移动到另一个小区时，为保持移动用电话不中断通信需要进行的信道切换称为越区切换。根据切换方式不同，越区切换可以分为硬切换和软切换两种情况。硬切换是指移动台在载波频率不同的基站覆盖

35、小区之间信道的切换。切换过程中，移动用户仅与新旧基站其中一个连通，从一个基站切换到另一个基站过程中，通信链路有短暂的中断时间。当切换时间较长时，将影响用户通话。软切换是指移动台在载波频率相同的基站覆盖小区之间的信道切换。切换过程中，移动用户可能同时与两个基站进行通信，,55,WCDMA系统原理,56,WCDMA系统原理,从一个基站到另一个基站的切换过程中，不需要改变收发频率，没有通信暂时中断的现象。 第三代移动通讯系统的切换分为软切换和硬切换。 软切换可以不掉话，提高了服务等级：GoS=Pb+10Pd ，即掉话率Pd在服务等级中占了比阻塞率Pb高得多的份量。 切换可以分为以下三个步骤：无线测量

36、、网络判决和系统执行。 切换的原因可能是：上行链路质量，下行链路的质量，上行链路信号的测量，下行链路信号的测量，距离或业务的变化，更优的蜂窝出现，操作和管理的干涉，业务流量情况等。 凡是网络侧发起的切换，是由于资源，负载平衡的原因和网络侧操作管理的干涉，强制完成。,57,WCDMA系统原理,根据UE测量报告发起的切换，可以根据一定的算法机制来处理完成，而宏分集的处理是第三代移动通信WCDMA的一大优点。 切换过程分为三个阶段：测量、判决(算法)和执行阶段。切换是在UE辅助下完成的。测量是由UE和Node B完成的，判决在RNC中进行，执行在UE、Node B和RNC共同协作下完成。 在切换测量

37、阶段，移动台要测量下行链路的信号质量、该移动台所属的小区及临近小区的信号能量；基站需要测量上行链路的信号质量。测量结果被送到相关的RRC层。 测量结果以测量报告的形式上报。RNC根据测量报告上报的参数，作出初始切换判决。RNC的RRM根据负载控制算法和CAC算法，作出无线资源的分配，如果必要（如系统间切换，SRNC重定位，,58,WCDMA系统原理,MSC间的频间切换等）CN将和RNC共同作出切换决定（硬切换还是宏分集处理的决定，还会用到上报的测量类型信息），然后发出最终的切换命令。同时更新有效集。 如果是强制切换（由于负荷控制引起），RNC直接分配资源，进行硬切换。 更软切换是CDMA系统的

38、特色，在基站的小区（扇区）之间同频工作时可方便地进行。 系统内切换是指在同一系统内的切换，如UMTS系统内的切换；系统间切换是指在两个不同系统间的切换，如从GSM到UMTS的切换，或从UMTS到GSM的切换。,59,WCDMA系统原理,硬切换的测量对移动台设备的要求更复杂。如果要进行不同频率的硬切换，需要在切换前测量多个小区的导频信号强度。WCDMA采用压缩模式的方式来实现频间小区信号的测量，可以减少系统的设备复杂度。压缩模式就是在发送帧中插入压缩帧，压缩帧中空出一段时隙用于进行对其他频率的操作（测量）。 压缩模式分为上行压缩和下行压缩。下行压缩是基站通过压缩发射时间空出一些时间给UE测量其它

39、频率的信号。上行压缩是为了测量GSM1800的信号，以免UE发射1900MHz的信号影响其接收、测量1800MHz频段的GSM信号。,60,WCDMA系统原理,压缩模式发射时间示意图,61,WCDMA系统原理,3.接纳（拥塞）控制和负荷控制技术 无线资源是十分有限和宝贵的，在一定的无线调制解调技术（RTT）下，频谱利用率是固定的，比如WCDMA系统所采用的BPSK和QPSK技术，那么频谱利用率是1bite/Hz和2bites/Hz，这样在5MHz带宽内，实际是3.84MHz内的传输速率不会超过10Mbps。尽管3G系统的容量比2G的大得多，但与有线相比还是很有限的。仿真结果表明，在周围小区负荷

40、较满时，一个小区可以同时容纳约80多个12.2kbps的话音用户，是CDMA的3倍多；或者可以容纳20个64kbps的数据用户；或者容纳10个144kbps的数据用户。可见还是不能满足日益增长的业务要求，尤其是高速无线上网的数据业务要求。在无限要求和有限资源的情况下，必须要对各种业务的接入进行接纳控制（进入许可控制）。,62,WCDMA系统原理,接纳控制的过程：当用户（或业务）发起接入呼叫申请资源时，无线接入子系统（RNS）中的RNC（无线网络控制器）进行呼叫接纳（入）控制（CAC）。接纳控制是根据当前测量的系统负荷，与允许的负荷（容量）门限相比较，得到一个剩余容量。再对申请接入业务所需的资源

41、进行评估，得到一个负荷增量值。将这个负荷增量值与系统小区剩余容量相比较，若业务的负荷增量小于系统的剩余容量，则接纳，分配相应的资源给呼叫用户；若负荷增量大于系统的剩余容量，则拒绝接纳此呼叫用户，或者进行协商，协商成功后接纳此呼叫用户。用公式表示为： 接纳 不接纳,63,WCDMA系统原理,接纳控制时对呼叫业务分优先级进行接纳判断。切换呼叫的优先级高，资源优先分配给切换过来的业务，以降低掉话率，提高服务质量；新呼叫的优先级低，在保证切换呼叫资源使用后才能接入。 在新呼叫和切换呼叫中又细分优先级，即将其中的实时业务和非实时业务分优先级。实时业务对时延的要求较高，非实时业务往往是时延不限制（UDD）

42、业务，对时延的要求较低，因此实时业务（CS域业务）的优先级要高些。可以分为两个排队队列，采用先进先出（FIFO）策略，实时业务的排队时间短一些，当“排队时间到”时队列头部的呼叫丢失，计入呼损。由于非实时业务（PS域业务）的时延要求不高，排队队列和时间可以长一些。,64,WCDMA系统原理,负荷控制的过程：系统不断在实时测量系统小区的负荷，当负荷平均值在一个设定的时间内超越某一个门限值时，说明系统负荷较重，使负荷进入系统的不稳定运行区，此时就有必要进行负荷控制。负荷控制的核心思想是保证系统在稳定运行的前提下，最大限度地接入尽可能多的业务，以达到高效运行的目的。在确定系统崩溃的底线后，留一些富余量

43、，以此作为负荷控制的门限值。当系统负荷接近或超过负荷门限值时，系统的负荷控制功能就开始起作用，主要进行以下的动作： 下行快速负荷控制：拒绝从移动台来的增加功率的命令； 上行快速负荷控制：减少上行用于上行快速功率控制的SIR目标值;,65,WCDMA系统原理,减少分组业务的吞吐量（降低传输速率）； 切换到其它的WCDMA载频； 切换到GSM系统; 减少实时业务的速率，如AMR语音编码模式；目前AMR模式从6.60kbps到23.85kbps分为9挡速率（4.74kbps到12.2kbps）； 执行掉话操作。 实际上，第一、二项快速降低负荷（功率）是在基站（Node B）实现的，当在十分紧急情况（

44、收发总功率超过线性范围致使WCDMA系统不再成立时）下由Node B快速处理。当发现接收总功率超过门限值时，降低各条码信道的接收SIR目标值（减少一个百分比数），降低各个UE的发射功率，从而降低基站接收的总功率使上行负荷减轻；当发现实际发射总功率达到（下行）最大允许发射功率时，,66,WCDMA系统原理,通过降低各条物理码信道的最大允许发射功率值来屏蔽增加功率的要求。当然，对于实时的CS域业务，其通信质量会降低一些，比如话音质量稍有降低，视频图象有一些麻点，等等。对于非实时的PS域业务，在ARQ的作用下，数据仍然没有出错，但是重传次数增加，使时延增加。 中、慢速操作：一般来说，由RNC判断后，

45、通过RL重配置的方法改变各条物理信道的最大允许发射功率、目标SIR值和TFCS等。从而在较长时间内实现降低系统负荷。若需要长期降低系统负荷，必须通过重协商的方法，即在通信过程中，RNC与CN协商，降低业务的资源占用要求。或者，在RNS中通过在相邻小区分担负荷的方法，降低负荷较重的小区负荷。这样相邻小区负荷的一吞一吐，即是小区呼吸。,67,WCDMA系统原理,4.码资源分配技术 WCDMA是一个自干扰、动态统计复用的无线接入系统。 CDMA码分多址技术的目的是实现多用户在相同载频并行传输，有效提升频谱利用率。 信道码分配的目标是为每个用户分配自己的信道码（OVSF码），在同一个载频上标识并区分不

46、同用户的连接（信源-信宿），从而实现了多用户在相同载频并行传输。 在WCDMA系统中，上行的用户靠扰码区分，下行的用户（物理信道）靠OVSF码区分。上行容量是干扰受限，下行容量是功率和码资源受限。因为码树结构的特点，任何一个节点前后均不正交，只有在相同SF值的垂直方向才是正交的，因此码资源可能不够用。必须进行码资源分配与管理。,68,WCDMA系统原理,码资源分配是在呼叫接入时进行的，码资源管理是在系统运行中进行的，因为建立和释放无线链路均是随机的，可能造成码树的空洞。使码资源出现虚假的短缺现象。实际中取SF=4到256（下行512）。,69,WCDMA系统原理,码分配原则 OVSF码是CDM

47、A系统中比较宝贵的资源。下行只有一个码树给很多用户使用。码分配的目标是以尽可能低的复杂度支持尽可能多的用户。然而，在码资源有限的情况下，如何才能提高码资源利用效率？按照“密切相关码或最相宜的码”原则进行分配，码分配准则有两个： 1）利用率 2）复杂度 利用率方面：就是尽量减少因码分配而阻塞掉的低值码的数量，使其达到码资源最少化。比如，一个的单码C4,1承载能力与（C8,1，C8,3）的双码承载能力是相等的。用一个单码C4,1更好。,70,WCDMA系统原理,复杂度方面：就是要尽量减少分配的码数量，尽量不用多码传输。 公共物理信道：PRACHs（上行）、PCPCHs（上行）、PCPICH、PCC

48、PCH、SCCPCHs、P-SCH、PICH、AICH、AP-AICH、CD/CA-ICH、CSICH、PDSCH。 专用物理信道：DPCCH（上行）、DPDCH（上行）、DPCH。,71,WCDMA系统原理,5.智能天线技术 智能天线阵列由多个阵元组成，每个阵元是全向辐射元，通过一系列的算法控制各个阵元的幅度、相位，使它们在某个方向某点进行空中叠加，以同相增强，反相抵消的干涉原理叠加，空中每一点的叠加结果都不一样，形成在某个方向的信号很强，某个方向的信号很弱。用方向图来表示可以很清楚看到效果。 控制阵元的幅度、相位，可以在天线射频处实现，也可以在基带部分实现。通过基带算法改变各个阵元的幅度、

49、相位，就可以形成任意波束，对准特定的用户进行接收或发射（收发互易）。 采用智能天线的好处：降低干扰，信噪比提高，大大提高容量，基站数目减少约50%，覆盖更好、更远，方向增益高，基站和手机的发射功率降低，更符合绿色手机概念。,72,WCDMA系统原理,73,WCDMA系统原理,74,WCDMA系统原理,智能天线示例,75,WCDMA系统原理,6.其它技术 高速调制解调技术 可以采用多进制的调制解调技术，如16QAM、32QAM、64QAM技术，频谱效率从QPSK的2bite/Hz提高到4、5、6bite/Hz。容量大大提高，但是由于所需的信噪比要高，覆盖半径变小。 干扰抵消技术 由于存在多址干扰，可以采用多用户检测和串并行抵消技术减小干扰分量，提高信噪比，从而提高容量。 软件无线电技术 数