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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 v 一、WCDMA无线网概述 v 二、UTRAN体系结构 v 三、物理层 v 四、无线资源管理 2G 9.6 - 14.4 kbps 网络的演进 WCDMA GSM GPRS EDGE TDMA GSM GPRS GSM PDC cdma 2000 1xEV cdma 2000 1x cdmaOne 2.5 G 64-144 kbps 3 G 384 - 2 Mbps 3 G+ 80% of the users Up to 10 Mbps 中国无线频段使用情况及中国无线频段使用情况及3G3G频段分配频段分配 890 909 中国移动 GSM 联通GSM 915 中国移动 GSM 联通GSM 935954960 中国移动 DCS 17101725 17451755 联通DCS 中国移动 DCS 1820184018501805 联通DCSPHS 190019152170211019801920 3G trial3G trial 450 无绳电话CT2 457 806 821 开放频段集群 825835 联通CDMA 840843 集群 851866870880 联通CDMA 460 467 1755 FDD补充频段 1850 188017851920 19802170211020252010 FDD补充频段FDD主要频段 TDD主要频段 TDD主要频段 FDD主要频段 2300 卫星频段 卫星频段 2400 TDD补充频段 无线电定位业务 3GPP 3GPP 标准标准 qRelease 99 (R3) 2000年3月正式发布 3GPP TS AB.XYZ v3.n.m qRelease 4 (R4) 2001年3月正式发布 3GPP TS AB.XYZ v4.n.m qRelease 5 (R5) 2002年3月正式发布 3GPP TS AB.XYZ v5.n.m qRelease 6/7 (R6/R7) 正在完善中 q每次 3GPP 全会 (3 个月)后都会对规范进 行修正或补充 21 series Requirements specifications 22 series Service aspects 23 series Technical realization 24 series Signalling protocols 25 series UTRA aspects 26 series Codecs 27 series Data 28 series Reserved for future use 29 series Signalling protocols (NSS) 30 series Programme management 31 series UIM (User Identity Module) 32 series Operation and Maintenance 33 series Security aspects 34 series Test specifications 35 series Algorithms 3GPP Release 4 3GPP Release 1999 3GPP Release 5 Q2Q1Q3Q2Q3Q4Q4Q1Q1Q2Q3Q4Q4Q3Q1 1097854231411121 3GPP TSGs Plenary Meetings 615 Versions of 3GPP Release 1999 Versions of 3GPP Release 4 Q2 13 19982001199920002002 3GPP 3GPP 标准发布时间标准发布时间 R99 UTRAN R99 UTRAN 主要功能主要功能 q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2M bps q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 q5MHz 带宽上采用扩频 CDMA技术 q在提供UTRAN/GSM间切换的同时，提供 FDD /TDD 间的切换 q小区级移动性管理 q切换控制(Soft/Softer, Hard Hand-over) q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 UMTS 1800/1900 q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 qUTRAN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 q低码片速率的TDD方式 (1.28 Mcps) qIub、Iur接口上无线资源管理(RRM)的优化 R4R4在在在在UTRANUTRAN上的改进上的改进 R5R5在空中接口方面的改进在空中接口方面的改进 q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 q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 q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 q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 (Compressed mode operation)来提高系统容量 内容提纲 v 一、WCDMA无线网概述 v 二、UTRAN体系结构 v 三、物理层 v 四、无线资源管理 UTRAN体系结构 RNS RNC RNS RNC Core Network Node BNode BNode BNode B IuIu Iur Iub Iub IubIub 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 Serving RNC与Drift RNC Source RNC与Target RNC CRNC SRNC/DRNC CN SRNCDRNC 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 Source RNC/Target RNC 在RNC之间迁移的时候： 原来为SRNC的RNC叫Source RNC； 将要成为SRNC的RNC叫Target RNC。 CNCN Source RNC Target RNC RNC IuIu IurServing RNC 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 UL DCH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 RLCRLC连接建立连接建立/ /释放释放 透明数据传输透明数据传输 分段和重组 数据传输 非确认方式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 QoSQoS设置设置 不可恢复错误的通知不可恢复错误的通知 逻辑信道 vv控制逻辑信道（控制逻辑信道（CCHCCH） 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 vv业务逻辑信道（业务逻辑信道（TCHTCH） 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 vv公共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 vv专用传输信道专用传输信道 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 vv逻辑信道逻辑信道 RLC与MAC之间 vv传输信道传输信道 MAC与物理层之间 vv物理信道物理信道 内容提纲 v 一、WCDMA无线网概述 v 二、UTRAN体系结构 v 三、物理层 v 四、无线资源管理 WCDMA物理链路示意 物理信道 v 物理信道可以由某一载波频率、码（信道码和扰码） 、相位确定。 v 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。 v 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。 v 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(uplink DPDCH) 上行专用物理控制信道 (uplink DPCCH) 上行物理信道 上行DPDCH/DPCCH帧结构 上行专用物理信道 v DPDCH和DPCCH在无线帧通过I/Q复用 v DPDCH用来传输层2及更高层产生的专用数据 v DPCCH用来传输层1的控制信息 v 帧长为10ms，分15个时隙，每时隙2560 chips v DPDCH的扩频因子为4到256 v 在相同的层1连接中，DPDCH与DPCCH的扩频因子是 可以不同的 v 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 v 随机接入是基于快速捕获指示的时隙ALOHA方法 v 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 v 哪些时隙可以使用由高层给定 v 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signature 10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 v CPCH传输是基于快速捕获指示的DSMA-CD方法 v CPCH也是在与RACH一样的时隙开始时刻传输的 v CPCH随机访问信号包括： 1个或多个接入前缀AP，长度为4096chips 1个冲突检测前缀CD-P，长度为4096chips 1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） v 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 v 控制信息包括：导频、TPC、可选的TFCI。 v DCH的扩频因子可以为512到4，并且在连接过程中可 以改变 v DPDCH和DPCCH是时间复用的 v 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。 v 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 v common Pilot Channel (CPICH) v 传送确知序列 v 固定速率30KBPS， SF=256 v 发射分集时，使用相同的扩频码和扰码，但传送序列 不同 CPICH v 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, Primary CCPCH, 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。 v 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 SCCPCH 和下行 DPCH的参考. 主公共控制物理信道PCCPCH v 固定数率（30kbps，SF=256） v 用于承载BCH信道 v 每个时隙的头256chips为空 v 只有数据域 v 可以采用STTD传输分集 从公共控制物理信道S-CCPCH v 用于传送 FACH和PCH. v 两种SCCPCH: 有TFCI 和无 TFCI。UTRAN 决定 TFCI是 否发送，UE支持TFCI。 v 可能的传送速率与下行DPCH 相同。 v SF =256 - 4. v FACH and PCH 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 v SCH用于小区搜索 v 分成 P-SCH和S-SCH. v SCH信道占用前256个CHIP v 主同步码 (PSC) 在每个时隙内 重复发射。 v 从同步码 (SSC)指定小区扰码 的码组 v 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 v PDSCH传送 DSCH, DSCH 被多个码分用户共享。 v PDSCH 总是与一个 DPCH相联系，所需控制信息在 DPCH上传送 v 两种方式通知 UE 解调 DSCH（用TFCI域，用高层信令） v 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。 DSCH 数据 PDSCH 承载承载DSCHDSCH数据数据 捕获指示信道（AICH） v AICH的帧结构：两帧，共20 ms，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 。 v 捕获指示AI有16种Signature v AICH的相位参考为CPICH. 寻呼指示信道 寻呼指示信道（继续） v PICH为固定速率(SF=256)的物理信道，用于传送Page Indicators (PI). v PICH 总是与一个S-CCPCH 相联系，这个信道正在传送一 个PCH v PICH的帧结构：一帧为10ms，包括300bits.其中，288 bits 用于传送 Page Indicators. 其余12 bits尚未定义。 v N 个寻呼指示 PI0, , PIN-1 在一帧内传送，N=18, 36, 72, or 144. v 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 Logical Channels (Layers 3+) Transport Channels (Layer 2) Physical Channels (Layer 1) Uplink RF Out UE Scrambling Code I+jQ I/Q Mod. Q I Chc I Filter Filter CCCH Common Control Ch. DTCH (packet mode) Dedicated Traffic Ch. RACH Random Access Ch. PRACH Physical Random Access Ch. DPDCH #1 Dedicated Physical Data Ch. CPCH Common Packet Ch. PCPCH Physical Common Packet Ch. Data Coding Data Coding DPDCH #3 (optional) Dedicated Physical Data Ch. DPDCH #5 (optional) Dedicated Physical Data Ch. DPDCH #2 (optional) Dedicated Physical Data Ch. DPDCH #4 (optional) Dedicated Physical Data Ch. DPDCH #6 (optional) Dedicated Physical Data Ch. Q DPCCH Dedicated Physical Control Ch. Pilot, TPC, TFCI bits Chd Gc Gd j Chd,1Gd Chd,3Gd Chd,5Gd Chd,2Gd Chd,4Gd Chd,6Gd ChcGd Chc Chd Gc Gd j RACH Control Part PCPCH Control Part j DCCH Dedicated Control Ch. DTCH Dedicated Traffic Ch. N DCH Dedicated Ch. Data Encoding DTCH Dedicated Traffic Ch. 1 DCH Dedicated Ch. Data Encoding M U X CCTrCH DCH Dedicated Ch. Data Encoding WCDMA 上行 (FDD) WCDMA 下行 (FDD) 扩频技术 v 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 v 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。 v 扰码：区分上行终端，区分下行扇区。 v 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 v 信道码使用OVSF码 v 定义：Cch,SF,k, 描述信道码，SF 为扩频因子 ， k 为码号, 0 目标SIR， 降低移动台发射功率 若测定SIR target? 增加发射功率1dB 降低发射功率1dB No Yes 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_cmdTPC_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 800 updates/sec (IS-95, cdma2000) 1500 updates/sec (WCDMA) 切换基本分类 q 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） q 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(Soft Handover) v 相对门限减少了移动终端软 切换的数量 Time C/I Add B Delete A Add margin Drop margin BA 更软切换(Softer Handover) v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 WCDMA 网络 GSM 网络 多膜终端 系统间的切换 系统间切换 v 频间测量支持系统间切换 v 压缩模式支持频间测量 系统间 WCDMA GSM 测量时间 Tf = 10 ms SF=SF0 SF=SF0/2 SF=SF0 压缩模式 频间切换 Micro Macro 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 转到专用信道 释放专用信道 Random-Access Request 随机接入信道 PacketPacketPacket 专用信道 TTime-out 转到公共信道 Random-Access Request User 1 User 2 信道类型切换 信道速率切换 软切换相关的几个概念 v 激活小区集（Active Set）：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。 v 监测小区集（Monitored Set）：除了激活小区集外，UE需要监测 的小区。 v 检测小区集（Detected Set）：UE检测到的所有小区。 v 列项小区集（Listed Set）：激活小区集和监测小区集的并集。 v 同频率检测小区子集（IAF Monitored Subset Cells）：UE需要监 测的同频率小区。 v GSM率检测小区子集（GSM Monitored Subset Cells）：UE需要 监测的GSM小区。 v 相邻关系表（Neighbor Cell List）：SRNC中设置的每小区的相 邻小区。 v 建议激活小区集（Proposed Active Set）：软切换评估和执行的 建议激活小区集。 只连接小区1 Event 1A 增加小区2 Event 1C 用小区3 来替换1 Event 1B 删除小区3 CPICH 1 CPICH 2 CPICH 3 时间 测量 质量 DT DT DT 软切换举例 软切换过程和效果 v 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 v 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 v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。 v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；下行负荷的衡量是发射功率是否分配 完毕。在呼叫（新接入呼叫和切换呼叫）时要测量系 统小区当前的负荷情况，并对呼叫进行预测和估计， 判断是否能接入呼叫，这就是接纳控制过程。 接纳控制 v接纳控制的关键是在混合业务环境中精确预测呼叫业务对 资源的要求 v 由于功率攀升存在，业务对资源的要求是非线性规律的， 需要深入研究、仿真和实验才能得到。 在用户发起呼叫时，RRM根据系 统资源的可用情况决定接纳还是拒绝 用户。 当系统剩余的资源足够用户使用时， 接纳呼叫的用户，并分配相应的资源 （如扰码、信道码等）给呼叫用户。 接纳控制 Itotal_old+jI jIthreshold 小区基站所接收到的总的宽带 功率(Received Total Wide Power) 接入门限值 业务优先级（切换余量） 业务类型 上行链路的覆盖 I