WCDMA基础原理培训.ppt

-1-,WCDMA基础原理 及关键性技术,3G技术培训,京信通信系统（中国）有限公司 2008年8月,-2-,目 录,WCDMA网络结构和频率,WCDMA无线技术原理,WCDMA空中接口信道,WCDMA关键技术介绍,-3-,WCDMA网络结构和频率,-4-,R99核心网络接口介绍,GSM /GPRS BSS,BTS,BSC,NodeB,RNC,PCU,UMTS UTRAN,SS7,SCP,SMS,SCE,PSTN ISDN,Internet, Intranet,MSC/VLR,GMSC,HLR/AUC,SGSN,CG,BG,GGSN,RAN,CN,Other PLMN,A,Gb,Iu_CS,Iu_PS,Gi,Gp,C/D/Gs,Gr/Gs/Gd/Ge,Gc,WCDMA网络结构和频率,-5-,WCDMA网络结构和频率,-6-,频率分配,WCDMA网络结构和频率,-7-,上 行 频 率,下 行 频 率,频率分配,WCDMA网络结构和频率,-8-,目 录,WCDMA网络结构和频率,WCDMA无线技术原理,WCDMA空中接口信道,WCDMA关键技术介绍,-9-,1）码分多址技术 2）信道化码（OVSF) 3）信道扰码 4）扩频加扰过程,WCDMA无线技术原理,-10-,频分多址Frequency Division Multiple Access,User 1,User 2,User 3,频率,频率,码分多址Code Division Multiple Access,扩频多接入Spread Spectrum Multiple Access,Multiple Transmitters and Multiple Data Channels,时分多址Time Division Multiple Access,User 1,User 2,User 3,User N,时间,每一个发射机的扰码互不相同 每一个信道的正交码互不相同 许多用户共享同一频率和时间 IS-95, cdma2000, WCDMA,每一个用户的时隙互不相同 每一个数据信道在一个时隙内的位置互不相同 几个用户可以共享同一频率 IS-136, GSM, PDC,每一个用户的频率互不相同 (每一个用户一个语音信道) 所有用户发射机可以同时工作 AMPS, NMT, TACS,WCDMA无线技术原理,1）码分多址技术,-11-,码分多址是各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号。在接收端利用码型的（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。,码分多址特点： 1、网内所有用户使用同一载波，占用相同的带宽 2、各个用户可以同时发送或接收信号,WCDMA无线技术原理,1）码分多址技术,-12-,扩展频谱通信概念： 简称扩谱或扩频，是指需要传输信号的频谱用某个特定的扩频函数后成为宽带信号，送入信道中传输；接收时，再利用一定技术将其还原。从而获取高质量传输信号的通信系统。 扩展频谱系统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无线技术原理,1）码分多址技术,-13-,CDMA宽带扩频技术,WCDMA无线技术原理,1）码分多址技术,-14-,WCDMA无线技术原理,2）信道化码（OVSF),OVSF CODE 的生成,-15-,OVSF Code Tree,WCDMA无线技术原理,2）信道化码（OVSF),-16-,每个码字长度是2的整数次幂 上行K=2-8;下行K=2-9 对于一定的OVSF码组，共有SF个长度为SF的OVSF码字。 长度相同的不同码字相互之间正交，互相关值为0,如果一个节点已经使用，那么该节点上延伸出的其他高阶信道化序列就不能使用，同时从码树根部到该节点的所有低阶信道化序列也不能使用。,低阶,码树根,高阶,树节点,WCDMA无线技术原理,2）信道化码（OVSF),-17-,OVSF码树,低阶,高阶,假设： 一个PS384K需要一条SF8的信道， 一个PS64K需要一条SF=32的信道， 一个CS12.2K需要一条SF=128的信道。 结论： 进行一个PS384K业务的同时牺牲了4个PS64K业务或16个语音业务； 进行一个PS64K业务同时牺牲了4个语音业务，同时也相当与牺牲了一个PS384K业务。但同阶的其他3个PS64K业务仍然可以开展。,WCDMA无线技术原理,2）信道化码（OVSF),-18-,符号速率 扩频因子 码片速率 15k 256 3.84M 30k 128 3.84M 60k 64 3.84M 120k 32 3.84M 240k 16 3.84M 480k 8 3.84M 960k 4 3.84M 1920k 2 3.84M,可变正交码产生技术,WCDMA无线技术原理,2）信道化码（OVSF),-19-,OC1, OC2,OC3, OC4,OC5, OC6, OC7,OC1 , OC2, OC3,OC1, OC2,OC1, OC2, OC3, OC4,下行: 正交码用于区分从单个基站来的多个数据信道,上行: 正交码用于区分从单个手机来的多个数据信道,WCDMA无线技术原理,2）信道化码（OVSF),-20-,WCDMA无线技术原理,3）信道扰码,-21-,扰码分为512个集合，每个集合有一个主扰码和15个次扰码。,WCDMA无线技术原理,3）信道扰码,-22-,512个主扰码又进一步分为64个扰码组，每组8个。,WCDMA无线技术原理,3）信道扰码,-23-,下行: SC码用于区分不同的基站 上行: SC 码用于区分不同的手机,扰码（Scrambling Code）,扰码主要编码类型：GOLD CODE,WCDMA无线技术原理,3）信道扰码,-24-,WCDMA物理层最重要的两个步骤：扩频和加扰,扩频：扩频操作又称信道化操作，将一个高速数字序列与数字信号相乘，把一个一个的数据符号转换成一系列码片。WCDMA采用OVSF码作为信道化码；每个符号被转换成码片的数目叫扩频因子SF（Spreading Factor）,加扰：用一个伪随机序列与扩频后的序列相乘，起到加密作用，扰码码片速率与已扩频的符号相同，不影响符号速率。加扰操作上行用来区分用户，下行区分小区。,WCDMA无线技术原理,4）扩频加扰过程,-25-,系统为每一个小区分配且仅分配一个主扰码，公共导频信道，公共控制信道使用主扰码加扰，其他下行物理信道可以使用主扰码也可使用同个集合里的次扰码。,一条物理信道可以由频率、信道码、扰码以及相位来描述,频率？信道码？扰码？相位？,频率？信道码？扰码？相位？,WCDMA无线技术原理,4）扩频加扰过程,-26-,2个数据信道 (语音, 控制) SC3 + OC1 + OC2,2个数据信道 (14 kbps数据, 控制) SC4 + OC1 + OC2,3个数据信道 (话音, 视频, 控制) SC2 + OC1 + OC2 + OC3,3个数据信道 (voice, video, control) SC5 + OC1 + OC2,4个数据信道 (384 kbps数据, 话音, 视频, 控制) SC6 + OC1 + OC2 + OC3 + OC4,4个数据信道 (384 kbps数据,话音,视频,控制) SC2 + OC4 + OC5 + OC6 + OC7,2个数据信道 (语音, 控制) SC1 + OC1 + OC2,1个数据信道 (控制) SC1 + OC3,语音用户,上行数据,可视电话,可视电话和数据,导频, 广播 SC1 + OCP + OCB,导频, 广播 SC2 + OCP + OCB,WCDMA无线技术原理,4）扩频加扰过程,-27-,WCDMA无线技术原理,4）扩频加扰过程,-28-,目 录,WCDMA网络结构和频率,WCDMA无线技术原理,WCDMA空中接口信道,WCDMA关键技术介绍,-29-,1）物理层结构和功能 2）空中接口信道类型 3）下行物理信道类型 4）上行物理信道类型 5）下行公共导频介绍 6）上行DPCH信道介绍 7）下行DPCH信道介绍,WCDMA空中接口信道,-30-,无线接口协议结构,由CN下来的业务数据，我们称为逻辑信道。 逻辑信道经过MAC层处理之后的信道称为传输信道。 传输信道在映射到物理信道上去传输。,1）物理层结构和功能,WCDMA空中接口信道,-31-,物理层的数据处理,1）物理层结构和功能,WCDMA空中接口信道,-32-,1）物理层结构和功能,WCDMA空中接口信道,物理层技术实现,-33-,物理层功能： 将编码后的信息速率匹配到物理信道，加权合并，扩频/解扩，加扰/解扰，调制/解调，频率匹配，时间同步，无线测量，功率控制，射频处理等。,物理层处理单元：帧和时隙,帧：由15个时隙组成的处理单元，长度是38400chip 时隙：由一定长度的比特组成的处理单元，长度为2560chip,1）物理层结构和功能,WCDMA空中接口信道,-34-,基站Node B,用户终端UE,2）空中接口信道类型,WCDMA空中接口信道,-35-,公共下行物理信道 P-CCPCH 主公共控制物理信道 - 广播小区信息 - 广播小区系统帧号(SFN); 所有下行信道帧定时参考 SCH 同步信道 - 快速同步：主同步码用于时隙同步，辅同步码用于帧同步 与P-CCPCH时分复用 S-CCPCH 辅助公共控制物理信道 - 在Idle，CELL_PCH,CELL_FACH下发送寻呼和控制信令 P-CIPCH 公共导频信道 S-CIPCH 辅助公共导频信道（用于波束成型小区） PDSCH 下行物理共享信道 - 多用户共享下行时分高速数据信道 专用下行物理信道 DPDCH 专用下行物理数据信道 DPCCH 专用物理下行控制信道 - 发送专用连接模式下物理层信令和控制信息,3）下行物理信道类型,WCDMA空中接口信道,-36-,下行指示信道 捕获指示信道(AICH) 基站向移动台指示捕获到随即接入试探 指示方式：回应移动台随机接入签名码 寻呼指示信道(PICH) 通知移动台监视下一个寻呼帧(S-CCPCH) 接入前导指示信道(AP-AICH) 确认基站已捕获到移动台分组接入试探 指示方式：回应移动台随机接入签名码 冲突检测与防止指示信道(CD/CA-ICH) 证实分组接入试探无冲突 指示方式：回应移动台分组接入冲突检测签名码 也可以提供可用分组信道指配 分组状态指示信道(CSICH) 广播分组信道可用状态信息,3）下行物理信道类型,WCDMA空中接口信道,-37-,上行物理信道 公共上行物理信道 PRACH 物理随机接入信道 - 移动台发起向基站的接入信息 PCPCH 物理公共分组信道 - 移动台发送无连接的分组数据 专用上下物理信道 DPDCH 专用上行物理数据信道 DPCCH 专用上行物理控制信道 - 移动台向基站发送专用连接模式下物理层信令和控制信息,4）上行物理信道类型,WCDMA空中接口信道,-38-,Pilot符号数据 (10 符号/时隙),1 无线帧 = 15 时隙 = 10 mSec,1 时隙 = 2560 码片 = 10 符号 = 20 bits = 666.667 uSec,6,5,7,8,9,10,11,12,13,14,4,3,2,1,0,主公共导频信道P-CPICH 扩频码：信道码 Cch,256,0 主扰码 每小区仅有一个并在全小区广播 为SCH, P-CCPCH, AICH, PICH, AP-AICH, CD/CA-ICH, CSICH, CPCH附带的下行DPCCH和S-CCPCH信道提供相位参考和信道估计 主P-CPICH作为下行DPCH及 PDSCH信道相位参考和信道估计 切换测量和小区选择/再选择 调节主导频功率可以调节邻小区间的负载平衡,5）公共导频信道（CPICH),WCDMA空中接口信道,-39-,由于WCDMA属于异步传输系统，必需对所传输数据的格式进行严格的定义，所以在WCDMA系统中一条信道包括数据和控制两个部分。,一条DCH信道,6）上行DPCH信道介绍,WCDMA空中接口信道,-40-,上行DPCH信道帧结构,6）上行DPCH信道介绍,WCDMA空中接口信道,-41-,专用数据信道DPDCH,专用控制信道DPCCH,用户数据发送,上行专用物理信道原理,6）上行DPCH信道介绍,WCDMA空中接口信道,-42-,上行业务信道扩频和加扰,控制部分和数据部分分别扩频后分别映射到I、Q两条信道中。,DPCH分为DPDCH和DPCCH， 它们在每一个无线帧中I/Q码分复用， 它们分别有各自的信道化编码和同一个扰码,6）上行DPCH信道介绍,WCDMA空中接口信道,-43-,控制部分固定扩频因子SF256；数据部分为可变扩频因子，最大允许一条控制信道与6条数据信道合并使用。,6）上行DPCH信道介绍,WCDMA空中接口信道,-44-,下行DCH信道帧结构,7）下行DPCH信道介绍,WCDMA空中接口信道,-45-,用户数据发送,下行专用信道(DPCH)功能描述,7）下行DPCH信道介绍,WCDMA空中接口信道,-46-,下行多码传输的时隙结构,多个DL-DPCH可以并行传送，采用相同的扩谱系数 控制信息在第一个DL-DPCH上传送，其余的DPCH相应位置不连续发射（DTX）,7）下行DPCH信道介绍,WCDMA空中接口信道,-47-,下行业务信道扩频和加扰：,控制部分和数据部分采用时分复用到一条信道上，经过串并转换逐比特映射到I、Q支路。然后采用相同的扩频码（扩频因子可变）扩频，最后加扰。,串并转换（DEMUX）：一路输入符号数字序列被分为两路， 即第0，2，4，6，8位送入”I”支路 而第1，3，5，7，9 位送入”Q”支路 每支路符号速率实际降为输入符号速率的一半，最后的信息速率保持不变。,7）下行DPCH信道介绍,WCDMA空中接口信道,-48-,对于速率为60kbps的数字信号进行信道化（扩频）操作,上行需要的扩频码为64 下行需要的扩频码为128,由于上下行信道映射方式不同,7）下行DPCH信道介绍,WCDMA空中接口信道,-49-,目 录,WCDMA网络结构和频率,WCDMA无线技术原理,WCDMA空中接口信道,WCDMA关键技术介绍,-50-,1）RAKE接收 2）功率控制 3）呼吸效应 4）软容量 5）导频污染 6）软切换 7) 硬切换 8）小区同步过程,WCDMA关键技术介绍,-51-,衰落,无线传播环境,1） RAKE接收,WCDMA关键技术介绍,-52-,RAKE 接收技术有效地克服多径干扰，提高接收性能,1） RAKE接收,WCDMA关键技术介绍,-53-,互不相关（延迟大于一个码片延迟）的信号先后进入不同的路径，进行延迟估计、延迟均衡后，进行最大比合并。,只要迟来的信号能够进入RAKE接收机内的分支，并可以相加合并就可以视为有用信号，否则将视为干扰。,RAKE接收集分支数目越多越好，但系统越复杂，造价越高,1） RAKE接收,WCDMA关键技术介绍,-54-,PL1,PL2,L1 L2 PRX,2 PRX,1,PTX,2,PTX,1,PRX,2,PRX,1,每个用户对于其他用户都相当于干扰，远近效应严重影响系统容量，基站接收端某个用户过大的功率甚至阻碍其它用户的通信 采用功控技术减少了用户间的相互干扰，消除远近效应，提高了系统整体容量,远近效应的问题,WCDMA关键技术介绍,2） 功率控制,-55-,由于远近效应，WCDMA系统必须引入功率控制；引入功率控制后，还能带来很多其它的好处： 调整发射功率，保持上下行链路的通信质量 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 分类： 开环功率控制 闭环功率控制 上下行内环功率控制 上下行外环功率控制,功控的目的,2） 功率控制,WCDMA关键技术介绍,-56-,WCDMA系统是一个自干扰系统，各个用户之间均存在干扰，这样系统必须严格控制每个用户的发射功率，只要其功率能够保证通话要求就以最低功率发射。,离基站远近不同的用户他们发射功率也不同，但相同的是到达基站的信噪比是相同的。这也是功率控制的最终目的。,2） 功率控制,WCDMA关键技术介绍,-57-,内环功控的收敛过程,准确计算内环所需要的初始发射功率，加速其收敛时间 降低对系统负载的冲击,开环功控对闭环功控的影响,2） 功率控制,WCDMA关键技术介绍,-58-,NodeB,UE,RACH,BCH: CPICH channel power UL interference level,开环功控的目的是提供初始发射功率的粗略估计。它是根据测量结果对路径损耗和干扰水平进行估计，从而计算初始发射功率的过程。,UE测量CPICH的接收功率 计算上行初始发射功率,开环功控,2） 功率控制,WCDMA关键技术介绍,-59-,上行随机接入初始发射功率计算 Preamble_Init_Power = CPICH_Tx_Power CPICH_RSCP + UL_interference + UL_required_CI CPICH_Tx_Power：基站导频发射功率，手机通过读取系统广播消息（SIB5/6-PRACH sys info list-P-CPICH Tx Power）得到 CPICH_RSCP: 手机实测的基站导频信号码功率 CPICH_Tx_Power CPICH_RSCP: 链路损耗 UL_interference: 上行链路干扰功率电平，手机通过读取系统广播消息（SIB7）得到 UL_required_CI: 上行前导正确解调所需信噪比常数,手机通过读取系统广播消息（SIB5/6-PRACH sys info list-Constant value）得到 PCPCH接入前缀传输功率设定与随机接入信道采取相同功率估算方法,开环功率控制,2） 功率控制,WCDMA关键技术介绍,-60-,内环功率控制的目的：使基站处接收到的每个UE信号的bit能量相等,NodeB,UE,下发TPC,测量接收信号 SIR并比较,内环,设置SIRtar,1500Hz,每一个UE都有一个自己的控制环路,上行内环功控,2） 功率控制,WCDMA关键技术介绍,-61-,上行外环功控,2） 功率控制,WCDMA关键技术介绍,-62-,10-100Hz,1500Hz,下行闭环功控,2） 功率控制,WCDMA关键技术介绍,-63-,升功率,降功率,UE 降低发射功率,升功率,升功率,UE 发射功率升高,多小区功率控制,2） 功率控制,WCDMA关键技术介绍,-64-,呼吸效应,WCDMA系统在没有用户时，仅发送导频、同步、和广播信息。 随着用户的增多不断提高，加大业务信道的发射功率，用户之间的干扰也随之加大。由于其自身又是一个干扰受限系统，这样远处的用户由于其到达基站上行功率弱，不能满足最低信噪比要求而被拒绝接入。覆盖范围随用户的增多而缩小。即“呼吸效应”,3） 呼吸效应,WCDMA关键技术介绍,-65-,系统容量与通信质量可以互换 不同的业务有不同的容量 不同的业务比例和构成，有不同的容量,WCDMA系统在达到一定的用户数之后，再增加一个用户时，系统功率受到限制。但可以降低一些用户的信噪比，容量可以变化。称之为“软容量”,4） 软容量,WCDMA关键技术介绍,-66-,导频污染定义为： 能够进入激活导频集的导频数目大于激活导频集限定的数量，频繁发生进入和退出激活导频集事件。,WCDMA系统将导频分为三类： 激活导频集、侦测导频集、相邻导频集,导频污染后果： 激活导频集数目一般设为与RAKE接收集路径数相同，因此不能进入激活导频集地导频，不能进行合并形成有用信号，这样其变成一路同频干扰。 加大信令开销，占用过多空中接口资源。,5） 导频污染,WCDMA关键技术介绍,-67-,软切换和更软切换 先建立后断开 同一个RNC的软切换，不同RNC的软切换。 硬切换 先断开后建立 不同载波之间的切换，以及与GSM系统的切换。,6） 软切换,WCDMA关键技术介绍,-68-,Note: DT为测量报告触发时间延时，即在DT时间内测量触发条件均满足时才发送测量报告,软切换测量报告,6） 软切换,WCDMA关键技术介绍,-69-,1A （无线链路增加事件）:有一个导频满足进入激活导频集门限并进入激活导频集。 1B （无线链路删除事件） ：有一个导频满足退出激活导频集门限并推出激活导频集。 1C （无线链路替代事件 ） ：当激活导频集内激活导频已经达到最大数目，但又有一个导频G的强度比当前激活导频集内最差导频W强度强，并且时间大于定时器时间，导频G将进入，导频W将被剔出。,1D：激活导频集内有一个导频强度比当前最佳导频强度强过一个定时器时间，则发生参考导频更替。 1E ：一个主导频信道的导频信号强度超过绝对门限值 1F：一个主导频信道的导频信号强度低于绝对门限值,6） 软切换,WCDMA关键技术介绍,-70-,软切换合并,上行在RNC中进行选择性合并； 下行在手机处通过RAKE接收机进行最大比合并。,6） 软切换,WCDMA关键技术介绍,-71-,硬切换的测量对移动台设备的要求更复杂。 如果是不同频率的硬切换，需要测量其他频点的信号 WCDMA采用压缩模式的方式来实现频间小区信号的测量,7） 硬切换,WCDMA关键技术介绍,-72-,压缩模式,压缩模式的目的