GSM、GPRS到WCDMA的发展及技术应用.ppt

1,移动通信技术(第2版),第4章GSM、GPRS到WCDMA的发展及技术应用,2,第4章GSM、GPRS到WCDMA的发展及技术应用,内容GSM主要技术及无线接口GPRS无线接口和关键技术WCDMA的无线接口和关键技术,3,第4章GSM、GPRS到WCDMA的发展及技术应用,重点GSM数字信号的处理过程及无线接口的信道配置，时隙帧结构GPRS的概念、网络结构、空中接口、用户数据的传输WCDMA的无线接口技术难点GSM中数字信号的处理过程GSM的无线接口GPRS的无线接口WCDMA的无线接口、信道结构,4,目的和要求掌握GSM各类关键技术及无线接口中信道配置、时隙帧结构理解GSM系统对信号的基本处理过程掌握GPRS网络结构、无线接口及关键技术理解WCDMA的演进及关键技术,5,4.1GSM,GSM系统组成及网络结构GSM数字信号的处理GSM中的频率利用无线接口SIM及安全技术,6,GSM数字移动通信系统的优点频谱利用率更高，进一步提高了系统容量提供了一种公共标准，便于全自动漫游提供新型非话业务，与ISDN兼容保密性好，安全性好数字传输技术抗衰落性强，传输质量高，话音质量好可降低成本费用，减小设备体积,7,GSM技术指标及参数,频段：GSM900：下行：935960MHz上行：890915MHz双工间隔：45MHz频带宽度：25MHz载频间隔：200KHz（频道间隔）信道分配：每载频8时隙；全速信道8个,8,通信方式：全双工（准双工）信道总速率：270.8kbit/s调制方式：GMSK话音编码：RPE-LTP输出速率：13kbit/s数据速率：9.6kbit/s（低速）跳频速率：217跳/秒每时隙信道速率：33.8kbit/s其他技术：FDMA/TDMA多址技术、跳频、间断传输、分集接收，交织信道编码，自适应均衡,9,4.1.1GSM系统组成及网络结构,GSM系统(符合典型2G数字移动通信系统结构)网络子系统NSS（或交换子系统SS）MSCHLR、VLR、AUC、EIR基站子系统（BSS）BSCBTS操作维护子系统（OSS）OMC移动台子系统（MS）,10,GSM网络结构,GSM话路网网络结构二级网络结构TMSC1、MSC三级网络结构TMSC1、TMSC2、MSC,11,我国的GSM网络结构：二、三级混合网络结构二、三级混合网络结构的连接方案TMSC1：网状结构，各省一对TMSC2：与对应的一对TMSC1相连MSC：与对应的两个TMSC相连,12,4.1.2GSM数字信号处理,BS与MS的数字信号处理过程相似区别：基站处理信号来自MSC的64kbit/s的PCM信号(8bit)MS处理的语音信号来自话筒MS对语音信号的处理过程,13,GSM的话音编码：RPE-LTP编码过程预处理线性预测短时分析预测长期预测规则激励编码,1.话音编码,14,信道编码方法：信道编码后输出速率：456bit/20ms=22.8kbit/s,2.信道编码,15,GSM中的交织（第一次交织）,3.交织,16,重排和交织,17,二次交织,18,GSM中的编码过程A/D分段RPE/LTP信道编码交织信息经交织编码形成8帧，每帧114bit。将114bit分成两段，填入普通突发脉冲序列。,19,分级帧结构,由普通突发脉冲序列构成帧、复帧、超帧、超高帧的分级帧结构每个突发脉冲序列共156.25bit，占时577s，在一个时隙中发送8个时隙组成一个4.62ms的TDMA帧26个话音TDMA帧组成一个持续时间为120ms的复帧；在控制信道中51个帧组成一个复帧51个26帧的复帧（或26个51帧的复帧）构成一个超帧；2048个超帧组成一个超高帧，总计2715648个TDMA帧，占时3小时28分53.7秒,20,21,数字调制方式：ASK、FSK、PSKGSM中的数字调制：GMSKMSK：f1、f2只差半个波形GMSK：MSK前加高斯低通滤波器,4.数字调制技术,22,GSM中使用的均衡方式Viterbi均衡：最小均方误差准则GSM的普通突发脉冲序列NB中26bit的训练序列，收端已知，收端根据收到的解调序列比较，取差值最小作为信道模型输出给信道解码用于纠错,5.Viterbi均衡,23,4.1.3GSM中的频率利用,频率复用：同一载波的无线信道用于覆盖相隔一定距离的不同区域频道序号对应工作频率的计算GSM系统中的频率复用方式典型的频率复用方式:43、33、26、13方式,24,频率紧密复用需注意的问题跳频方式、功控、DTX等抗干扰措施跳频点数频率加载率网络优化,25,2.频道序号对应工作频率的计算,已知n为频道序号GSM900n：1124上行：fl(n)=890.2+(n-1)*0.2MHz下行：fh(n)=935.2+(n-1)*0.2MHz=fl(n)+45MHz*实际工作中的“信道”往往指的是频道，请注意区分使用场合DCS1800n：512885上行：fl(n)=1710.2+(n-512)*0.2MHz下行：fh(n)=1805.2+(n-512)*0.2MHz=fl(n)+95MHz,26,4.1.4无线接口,GSM中的接口类型及位置A接口：MSCBSCAbis接口：BSCBTSUm接口：BTSMSSm接口：MESIM、用户B：MSCVLRC：MSCHLRD：HLRVLRE：MSCMSCF：MSCEIRG：VLRVLR,27,2.数字无线接口Um,信道逻辑信道的分类突发脉冲序列逻辑信道到物理信道的映射MS测试原理移动用户接续过程中逻辑信道的应用,28,(1)信道,物理信道：物理的实际存在的GSM中：一个载频上的一个时隙每个载频分为8个时隙-8个物理信道一个时隙中传送的信息格式-突发逻辑信道：根据信息种类人为定义必须映射到物理信道才能实现信息传输类型：业务信道TCH：传送编码后的话音或用户数据（可能被FACCH借用）控制信道CCH：传送信令或同步数据,29,(2)逻辑信道的分类,逻辑信道的配置,30,CCH,BCH：FCCH：用于校正MS工作频率SCH：传时间同步信息(含TDMA帧号、BSIC)BCCH：广播每个BTS的特定的通用信息CCCH：(所有MS共用)PCH：用于寻呼MSRACH：用于寻呼响应或主呼接入，申请分配一个SDCCHAGCH：用于为MS分配一个SDCCHDCCH：(给特定的MS)SDCCH：分配TCH前，呼叫建立过程中传系统信令，如：登记、鉴权SACCH：传连接信令，与TCH、SDCCH相关如：RSSI报告，MS功率管理，时间调整FACCH：传比SACCH处理速率快得多的信息，与TCH相关，如：切换指令,31,(3)突发脉冲序列,突发脉冲序列-时隙共156.25bit，占时0.577ms类型普通突发脉冲序列NB频率校正突发脉冲序列FB同步突发脉冲序列SB接入突发脉冲序列AB空闲突发脉冲序列DB,32,NB,使用信道：BCCH、PCH、AGCH、SDCCH、TCH格式,33,FB,使用信道：FCCH(使MS获得频率上的同步)格式,34,SB,使用信道：SCH，使MS获得时间同步格式,35,AB,使用信道：RACH格式,36,DB,使用：无信息需传输时，代替NB发送，以避免由于干扰和噪声影响而使MS误动作不携带任何信息，不分配给任何MS格式：与NB相同加密比特改为具有一定模型的混合比特,37,逻辑信道到物理信道的映射,C0载频TS0：51个时隙重复（构成51帧的复帧）FFCCH；SSCH；BBCCH；CCCCH（PCH、AGCH）,38,TS0：51个时隙重复（构成51帧的复帧）RRACH,39,TS1：102个时隙重复DnSDCCH；SnSACCH上下行偏移3个时隙,40,TS2TS7：26个时隙重复TTCH；AFACCH上下行偏移3个时隙，使MS收发不需同时进行,41,基站中的其余载频C1Cn全部8个时隙(TS0TS7)用作TCH,42,MS测试原理,空闲状态开机：小区选择扫描最强的BCH载频是否本系统？是：锁定否：扫描次强BCH待机：小区重选监听BCH信道中6个最强载波表、PCH中是否有呼叫、是否需小区重选(进入新小区),43,呼叫接续状态BTS发，MS收并测试本工作信道的RSSIMS在规定工作时隙发MS在收发间隔测试周边BTS的BCH的RSSIMS在空闲帧读取周边BTS的SCH上的BSIC，以便在的测试中区分不同BTS,以MS占用TS2为例,44,滑动复帧原因：在呼叫接续测试中，MS须读取周边BTS的SCH上的BSIC，但根据映射关系，10个时隙仅有一个SCH，MS读取到BSIC的概率很小滑动复帧TCH：26帧一个周期BCH+CCCH：51帧一个周期使MS有更多机会读取到SCH上的BSIC,45,46,移动用户的接续过程,移动用户开机，初始化搜索最强的BCH锁定，在FCCH上获取频率同步在SCH上获得时间同步在BCCH上读取小区特定信息如：邻近小区载波表本小区载频，LAI系统国家码、网络码随后进入空闲状态,47,移动用户登记（位置登记、鉴权）MS在RACH上要求接入，申请分配一个SDCCH系统在AGCH上分配一个SDCCH在SDCCH上完成登记在SACCH上发控制指令随后进入空闲状态,48,MS被呼系统在PCH上发起呼叫MS在RACH上寻呼响应，申请接入系统在AGCH上分配SDCCHMS和系统在SDCCH上完成鉴权，在SACCH上发控制指令，在SDCCH上分配TCHMS转入TCH上通信,49,MS主呼MS在RACH上主呼，申请接入系统在AGCH上分配SDCCHMS和系统在SDCCH上完成鉴权，在SACCH上发控制指令，在SDCCH上分配TCHMS转入TCH上通信,50,4.1.5SIM及安全技术,SIM（用户识别模块）功能数据存储：IMSI、TMSI、鉴权键Ki、密钥Kc、密钥序号n、加密算法A3、A5、A8、PIN、PUK、PLMN号、LAI、BSIC、业务、个人信息执行安全操作：鉴权、加密、IMSI的保密、PIN操作,51,SIM结构组成：CPU、RAM、ROM、EEPROM、串行通信单元触点：,52,使用插入SIM后MS才能正常通信寿命物理：插拨约1万次芯片：写入约5万次SIM防水、耐磨、防静电、接触可靠，但使用仍需注意：不人为浸水、硬物括擦不随意弯折不经常插拔拆前先关机保持清洁，清洁用纯酒精或橡皮擦拭正确进行PIN操作,53,PIN操作操作：PIN连续输错3次，SIM被锁需输入PUK解锁PUK连续输错10次，SIM报废PUK的提供普通用户：由运营商管理预付费用户：随卡,54,安全操作安全措施鉴权、加密、IMSI的保密、设备识别、PIN操作三参数组随机数RAND符号响应SRES加密密钥Kc,55,鉴权,SRES,SRES,56,加密,57,用户识别码的保密为防止IMSI被窃取，由VLR分配TMSI代替IMSI在空中传输，并不断更新TMSI的更新,58,设备识别在EIR中对接收到的IMEI比较白名单、灰名单、黑名单，确定是否允许接入MS主呼接入时，同时发送三个号码：IMSI-鉴权；IMEI-设备识别；被叫号码-号码分析，接续选路PIN操作正确输入操作,59,4.2GPRS,GPRS概述GPRS的结构无线接口GPRS功能及实现,60,GPRS概念：在GSMPhase2+阶段引入的通用分组无线数据业务，核心网采用基于分组交换的IP传输技术，传送不同速率的数据及信令。GPRS是对GSM的升级，应用于GSM，不会替代GSM；是2.5G的过渡技术。,61,4.2.1GPRS概述,GPRS产生的背景IP技术已成为发展方向移动数据市场的形成GSM向第三代移动通信系统的演进,62,GPRS的特点,GPRS主要特点分组交换、IP传输新的无线信道，分配方式灵活多用户共享一个信道一个用户享有多个信道GPRS局限性中高速数据速率CS-1：9.05kbit/sCS-2：13.4kbit/sCS-3：15.6kbit/sCS-4：21.4kbit/s实际速率根据预留的信道数确定最高理论速率：21.48=171.2kbit/s不对GSM网络作较大的改动时：14.48=115.2kbit/s,63,接入快，与IP、X.25网互通多业务种类与GSM相同的安全措施基于数据流量、服务等级的QoS计费功能可浏览普通网页“永远在线”-逻辑连接终端需要有GPRS功能，但不需换SIM卡A类：可同时使用B类：同时接入，但不能同时使用C类：需切换，或支持GPRS,64,局限性可靠性较差小区总容量有限实际传输速率与理论值间存在较大差值需一个载频的8个时隙同时提供给同一用户，且不能采用任何形式的纠错措施，并需对现有的GSM网络作较大的改动终端得不到保证调制方式有待改进传输时延大,65,GPRS的发展(EGPRS)GPRS的发展的第二个阶段是EGPRS（增强型GPRS），采用EDGE技术EDGE（改进数据率GSM服务）数据传输速率384kbit/sEGPRS支持GMSK、8PSK两种调制技术，支持每时隙最高速率可达473kbit/s,66,GPRS的编号,与GSM相同的编号：MSISDN、IMSI、IMEI、TMSI、LAI、CGI、新编号路由寻址区标识RAI分组临时移动用户标识符P-TMSIPDP地址网络层服务接入点标识NSAPI临时逻辑链路标识TLLI隧道标识符TIDGSN地址和GSN号码,67,路由寻址区标识RAI路由寻址区RA：一些小区的集合，比LA小LARAcell用于选路、接续结构：RAI=LAI+RAC分组临时移动用户标识符P-TMSI类似于TMSI区分：TMSI：00、01、10P-TMSI：11,68,PDP地址用户网络层地址，用于在网络层识别用户可以有一个或多个PDP地址的分配临时或永久分配可以是IPV4、IPV6或X.121地址传输时用PDP分组数据协议PDP地址的激活、失效对应PDP报文激活、修改和清除,69,网络层服务接入点标识NSAPI用于在一个路由区内标识MS和SGSN间的逻辑链路-端点形式：标识PDP报文（和MS相关）临时逻辑链路标识TLLI用于标识MS和SGSN间的逻辑链路-链路形式：定义一个RA内，MS和SGSN间的对应关系即：只对MS和SGSN有效,70,隧道标识符TID隧道技术：将不同的地点的两个同类型网络相连，节点对信息内容不作任何处理用于在SGSN与GGSN间标识PDP报文结构：IMSI和NSAPI的组合-唯一标识匿名接入时为AA-TID由TLLI和NSAPI组成，结构与TID相同,71,GSN地址每个GSN(包括SGSN、GGSN)一个IP地址，用于骨干网间通信IPV4或IPV6型内部地址：GGSN分配形成专用内网，公众互联网不能接入GSN号码与GSM设备通信的需要No.7信令系统中的号码,72,4.2.2GPRS的结构,基于GSM的GPRS网络结构,73,组成（在GSM网络结构上的改造）新增节点业务支持节点SGSN：鉴权、移动性管理、防火墙、位置登记、传输、计费网关支持节点GGSN：转发、协议转换、防火墙、地址分配、计费分组控制单元PCU：信道管理、（对分组数据）接入控制-设在BSC中,1.基于GSM的GPRS网络结构,74,改造BTS：对目前使用的CS-1、CS-2只需软件升级支持新的逻辑信道和编码方式BSC：需增加PCU模块（分组数据处理）HLR：软件升级，支持GPRS用户数据和路由信息及与SGSN的Gr接口OMC：增加对新网络单元管理功能计费系统：软件升级，采用按数据流量等计费的方式终端：采用支持GPRS的终端类型MSC/VLR：需实现MSC与SGSN的Gs接口时（可选）对MSC做软件升级,75,2.GPRS骨干网络,基于IP网络，提供GPRS内部和GPRS间的通信内网：专用IP网，确保网络安全和GPRS的性能组成边界网关BG：确保不同运营商间GPRS网络的通信能力域名系统DNS：提供逻辑域名和IP地址间的映射在GPRS中用于提供：逻辑接入点GGSN的IP地址计费网关：收集来自SGSN和GGSN的计费信息，并将计费信息送往运营商的计费系统,76,77,4.2.3GPRS接口,GPRS中的接口GPRS中采用G接口分为：信令接口、信令和数据接口,78,接口：Gb：SGSN与BSS(PCU)间Gn：GSN间（同一PLMN）Gp：不同PLMN的GSN间Gr：SGSN与HLR间Gd：SGSN与SMS间Gs：SGSN与MSC/VLR间Gf：SGSN与EIR间Gc：GGSN与HLR间Gi：GGSN与外部分组网间Ga：GGSN与CGF间,79,2.GPRS的空中接口,GPRS的空中接口主要特征动态分配物理资源上下行不对称业务多用户共用一个信道一个用户享有多个信道多种编码方案GPRS需完成的传统信令功能功率控制及测量时间提前量确定小区选择/重选信道编码,80,GPRS空中接口与GSM相关部分,空中接口的组成物理层媒体接入控制层MAC无线链路控制层RLC,81,物理层结构和功能物理射频子层载波频率特性、GSM无线信道结构、调制/解调、收发信机特性性能与要求物理链路子层处理功能：FEC、成帧、无线块数据格式、阻塞控制ARQ控制功能：同步、信号质量判别、小区选择/重选、功率控制、监测评估链路质量另外：电池功率保持功能（DRX、功控）,82,MAC/RLC层MAC用于定义和分配空中接口的GPRS逻辑信道-共享MAC功能：数据和信令的复用、MS发起的接入(冲突、碰撞时)、MS终止信道接入、优先级处理RLC功能：LLC与MAC的接口、LLC-PDU的分割重组、后向纠错BEC,83,LLC数据链路层的高层功能：在SNDCP的数据单元上形成LLC地址、帧字段-形成LLC帧,84,分组数据逻辑信道PDCH,完成类似GSM中的逻辑信道功能部分功能可使用GSM信道，如鉴权、同步分组及相关功能使用GPRS分组信道信道结构,85,分组业务信道PTCH包括全速率PDTCH-F和半速率PDTCH-H分组业务信道用于传输分组数据，当提供点到多点业务时可分配给小区内一个MS或一组MS系统支持一个用户使用多个PDTCH分组控制信道PCCH包括PBCCH、PCCCH、PDCCH分组广播控制信道PBCCH用于下行链路广播分组数据传输是可选的，用BCCH来指示存在与否，如果不存在，用BCCH为分组数据传输发送广播信息,86,公共控制信道PCCCH没有分配PCCCH，分组交换信息通过CCCH传输；分配的PCCCH也可为电路交换业务传递信息分组寻呼信道PPCH：仅用于下行链路被叫用户寻呼，可指示分组数据业务，也用于电路交换业务分组随机接入信道PRACH：仅用于上行链路，用来请求分配一条或多条PDTCH，与RACH信道以相同方式工作分组允许接入信道PAGCH：仅用于下行链路，用于在用户分组数据传输前给MS分配PDTCH。如已有分组在传输，需改变下行链路的资源分配，也可以通过PAGCH完成分组通知信道PNCH：仅用于下行链路，在GPRS阶段，用于在点到多点分组业务呼叫PTM-M初始化前通知相关的一组MS,87,专用控制信道PDCCH分组随路控制信道PACCH为单向信道，PACCH/U用于上行链路，PACCH/D用于下行链路。PACCH用于在MS和基站间交换专用信令信息。包括功率控制和定时提前信息、资源分配和再分配消息等。即使一个MS分配了多个PDCCH，仅需一个PACCH上行链路分组定时提前控制信道PTCCH/U：用于发送随机接入突发序列，使MS可估计定时提前量下行链路分组定时提前控制信道PTCCH/D：用于向多个MS发送定时提前量更新。一个PTCCH/D与多个PTCCH/U成对使用,88,GPRS物理信道,突发脉冲序列与GSM相同的类型和格式（包括保护间隔）NB、FB、SB、AB、DB无线块结构复帧结构,89,无线块结构,GPRS中考虑分组业务的突发性单终端多信道能力多用户共享信道逻辑信道映射到物理信道才能实现信息传输物理信道的共享通过无线块实现无线块是GPRS在空中接口传输用户数据和信令的物理信道基本单位一个无线块由4个突发构成,90,MAC头上行链路状态标识USF()：指出下个上行链路无线块的所有者、内容及类型临时块标识TFI：临时标识无线块所有者信息单元：用户数据或信令RLC数据块RLC头：表示收端MSRLC数据：几个逻辑链路控制层的数据单元(LLC、PDU)RLC/MAC信令信息块校验序列BCS用于差错检测（对MAC头和内容）在物理层与高层间切换时,91,复帧,结构：12个无线块和4个空闲帧构成消息类型利用无线块头判断除PRACH外均用NB传输区别不同的逻辑信道,92,信道编码,4种编码方案类型：CS-1、CS-2、CS-3、CS-4差别：附加冗余码元数目不同不同的净数据传输能力不同的检、纠错能力CS-1：9.05kbit/sCS-2：13.4kbit/sCS-3：15.6kbit/sCS-4：21.4kbit/s,93,CS-1适用信道：PACCH、PBCCH、PPCH、PAGCH、PNCHCS-2在CS-1基础上通过比特打孔移去一部分比特降低检纠错能力，提高传输速率以降低可靠性为代价CS-3在CS-1基础上比CS-2打孔去掉更多比特CS-4没有前向纠错，仅对MAC头编码（其余部分保持不变）,94,过程,1:2卷积,(6+312+16+4)2676bit,打孔,588-220=456bit,净数据速率：312/20ms=15.6kbit/s,95,456bit的无线块交织857bit的4个突发不同的信道可采用不同的信道编码方案（根据信息可靠性要求）无线块中的开销比特可指示编码类型简化解码PDTCH：CS1、CS-2、CS-3、CS-4PRACH、PBCCH、PAGCH、PPCH、PTCH：CS-1,96,用户数据在空中接口的传输,临时资源的分配过程两个阶段阶段1：分组信道请求-PRACH/RACH分组直接分配-PAGCH/AGCH少量资源分配，给用户一个或多个PDCH阶段2：分组资源请求-PACCH分组资源分配-PACCH在对阶段1分配的上行链路资源不满意时可选资源分配时考虑预约和请求,97,上行链路物理信道的资源分配方法固定分配方式：MS请示无线块数目，系统使用分组固定直接分配和分组固定资源分配方法给MS分配固定的上行资源动态分配方式：在无线块中MAC头包含USF和TFI无线块正确地与LLC帧和特定的MS相关联自动重发请求ARQ在确认模式下传递RLC数据块发：发送RLC块收：临时分组确认/非确认,98,4.2.4GPRS功能及实现,GPRS中必须实现的多种独立功能（六种）网络接入控制功能分组路由选择和传输功能移动性管理功能逻辑链路管理功能无线资源管理功能网络管理功能会话管理用户数据传输,99,1.接入控制功能,基本功能注册功能鉴权功能允许接入控制消息过滤功能分组终端适配功能计费数据采集功能,100,2.分组路由选择和传输功能,传输与选路步骤哪些路径可达选最佳路径格式适配传送选路：路由器在收到一个IP数据包后，根据路由表中的数据，决定下一跳的地址路由管理网络如何寻址如何建立传送路由,101,子功能转发功能路由选择功能地址翻译地址翻译：内、外网协议地址转换(网关中进行)地址映射：同类型网络内的地址转换封装功能隧道功能压缩功能加密域名服务功能,102,3.移动性管理功能,跟踪本地PLMN或其他PLMN中的MS位置移动性管理状态移动性管理体现在状态转换上MS的三种状态空闲Idle等待Standby就绪Ready,103,104,管理流程业务接入功能业务断开功能清除功能安全功能位置管理功能,105,106,SGSN和MSC/VLR的交互对A、B类终端，有Gs接口交互：联合的GPRS/IMSI连接（和去连接）MSSGSNMSC/VLR(记录SGSN地址)联合的LA/RA更新MS的RA更新同时LA变化，同时执行LA、RA更新通过GPRS网络进行电路交换寻呼MSC收到对MS的寻呼或短信时，通过已连接的SGSN地址发起寻呼,107,4.逻辑链路管理功能,协调MS和PLMN间的链路状态信息；监管该逻辑链路上的数据传输活动子功能建立维护释放,108,5.无线资源管理功能,参与无线通信路径的分配和维护（电路域和分组域共享）子功能Um管理小区选择Um-trax路径管理功能,109,6.网络管理功能,GPRS与GSM中相同,110,7.会话管理,MS和外网间的连接控制体现在PDP上下文的状态转移上PDP上下文的激活接入建立连接获取IP地址并和外网建立连接透明接入和非透明接入透明接入：用户使用公网的IP地址，可直接访问Internet非透明接入：用户使用内网的IP地址，用户访问需GGSN、Internet服务器进行鉴权,111,8.用户数据传输,基本分组数据单元：PDP、PDU,112,4.3WCDMA,WCDMA标准的演进WCDMA无线接入技术WCDMA中的关键技术,113,4.3.1WCDMA标准的演进,R99核心网继承了GSM/GPRS的网络结构，即保留了GSM电路交换部分，增加了分组域部分；无线网络部分引入了全新的、基于宽带CDMA技术的无线接入网络R99重点考虑GSM网络向WCDMA网络的平滑演进网络结构方面，R99核心网与GSM保持一致网络接口和协议方面，R99进行了更多的改进和优化业务能力方面业务计费方面网络设备,114,从R99到R4网络的演进R4版本只是在无线技术方面提出了一些改进来提高系统性能。R4无线接入网正式引入TD-SCDMA技术。演进核心网方面，在电路域R4引入了软交换概念网络结构的差异承载网的差别信令网的差别组网模式的差异,115,从R4到R5网络的演进R5版本的目标是构造全IP移动网络，在研究过程中分为R5、R6两个版本R5主要定义了全IP网络的架构R6重点集中于业务增强及与其他网络的互通方面R5在无线接入网和核心网领域进行了重大改进演进无线接入网方面核心网方面两个重点在无线接入网实现分组化，作为可选承载方式，实现高速数据接入功能；在核心网增加IMS域，实施IP多媒体业务和全IP网络。,116,R6版本在网络架构方面，R6主要是增加了一些新的功能特性，及对已有功能特性的增强。演进引入HSDPA多媒体广播和多播业务增强RANIMS第二阶段基于不同IP连接网的IMS互通Push业务增强安全网络共享增强QoS计费管理,117,5R7版本,R7版本主要继续R6未完成的标准和业务制定工作WCDMA系统的整体演进方向网络结构向全IP化发展业务向多样化、多媒体化和个性化方向发展无线接口向高速传输分组数据发展小区结构向多层次、多制式、重复覆盖方向发展用户终端向支持多制式、多频段方向发展,118,4.3.2WCDMA无线接入技术,UMTS系统结构UTRAN体系结构主要接口空中接口,119,1UMTS系统结构,UMTS是采用WCDMA空中接口技术的3G，通常也把UMTS系统称为WCDMA通信系统由核心网CN、UMTS陆地无线接入网UTRAN和用户设备UE组成UMTS网络在设计时遵循以下原则RAN与CN功能尽量分离，即对无线资源的管理集中在RAN完成，而与业务和应用相关功能在CN执行其中，CN与UTRAN的接口定义为Iu，UTRAN与UE的接口为Uu接口,120,121,2UTRAN体系结构,UTRAN包含许多无线网络子系统RNS，一个RNS由一个RNC和一个或多个NodeB组成一个NodeB可支持FDD或TDD模式在TDD模式中有3种可选码片速率：7.68Mchip/sTDD，3.84Mchip/sTDD和1.28Mchip/sTDD,122,RNC,RNC用于控制UTRAN无线资源，通过Iu接口与CS域MSC和PS域SGSN及广播域BC相连，在移动台和UTRAN间的无线资源控制RRC协议在此终止。控制RNC(CRNC)：控制一个NodeB的RNC叫该NodeB的，CRNC负责对其控制小区的无线资源进行管理。服务RNC（SRNC）：管理UE和UTRAN间的无线连接，它是对应于该UE的Iu接口和Uu接口的终止点。无线接入承载的参数映射到传输信道的参数、是否进行越区切换、开环功率控制等基本的无线资源管理都是由SRNC来完成的。一个UE某一时刻有且只有一个SRNC。漂移RNC（DRNC）：除SRNC外，UE所用到的RNC为DRNC，控制着移动终端使用的小区。如有需要，DRNC可进行宏分集合并和分裂。一个UE可以没有，也可有一个或多个DRNC一个RNC实体通常包含CRNC，SRNC和DRNC的功能,123,UTRAN功能,用户数据传输系统接入控制功能无线信道加密和解密移动性功能无线资源管理和控制功能同步功能广播/多播业务相关功能,124,主要接口,Iub接口：RNC与NodeB间的接口，用来传输RNC和NodeB间的信令，及来自无线接口的数据Iur接口：两个RNC间的逻辑接口，用来传送RNC间的控制信令和用户数据,125,Iu接口：连接RNC和CN的接口，用于传输RNC和CN间的控制信息和用户信息，主要负责传递非接入层的控制信息、用户信息、广播信息及控制Iu接口上的数据传递三个Iu接口：Iu-CS接口（面向电路交换域）、Iu-PS接口（面向分组交换域）和Iu-BC接口（面向广播域）在分立的CN结构中，CS和PS域中存在各自的信令连接和用户数据连接，对无线网络层和传输层均如此。在联合的CN结构中，CS和PS域中存在各自的用户数据和信令连接控制部分连接SCCP，对无线网络层和传输层均如此。Iu接口中，高层实体控制着许多底层实体。一个CN接入点可连接到一个或更多的UTRAN接入点；对PS域，每个UTRAN接入点不能连接多于一个的CN接入点，除了非接入层节点选择功能NNSF被采用时，或RNC在多运营商核心网结构中共享时；对CS域，每个UTRAN接入点可连接多于一个的CN接入点；对于BC域，每个UTRAN接入点只有连接一个CN接入点,126,4空中接口,无线接口分层层1(L1)物理层层2(L2)MAC层层3(L3)RRC层,127,物理层的数据处理过程,物理层技术的实现,128,（2）信道结构,传输信道逻辑信道逻辑信道到传输信道的映射物理信道传输信道到物理信道的映射,129,传输信道,130,专用传输信道：传数据、信令某一时刻对一个用户有效，只有一个用户解码（UE通过物理信道识别PN、时间）公共传输信道所有一组用户解码，即使某一时刻仅对一个用户有效广播传输信道BCH：小区特定信息前向接入信道FACH：知道UE所在小区时，传送控制信息或短分组（慢速功控）寻呼信道PCH：寻呼用户随机接入信道RACH：传送来自UE的控制信息和短分组下行共享信道DSCH：传几个专用控制或业务数据的UE共享，只含数据（控制信息利用DCH）公共分组信道CPCH：传送少量数据分组,131,物理信道,由载波频率、码(信道码和扰码)、相位确定物理信道包括3层结构：超帧、无线帧和时隙超帧长720ms，包括72个无线帧无线帧包括15个时隙的信息处理单元，时长10ms时隙包括一组信息符号的单元，每时隙符号数取决于物理信道,132,133,专用物理信道：传送专用数据和相应的控制信息公用物理信道：PRACH：承载RACH进行终端接入PCPCH：用来传送CPCH，作为数据传送的补充，主要用于突发数据CPICH：不承载任何高层信息，也没有任何传输信道映射，用于区分扇区SCH：用于小区搜索过程中的同步根据在小区搜索中所起作用分成P-SCH和S-SCH，并行发送P-SCH在每个小区中都使用相同的长度为256chip的主同步码PSC，在每个时隙内重复发射；一旦UE识别出S-SCH，在得到帧同步和时隙同步的同时，也得到小区所从属的组的信息，只有当UE开机或进入新的覆盖区时，才需在初始搜索过程中对所有的码组进行全面搜索。SCH没有传输信道映射，采用时分方式的复用,134,CCPCH：根据承载的传输信道的不同分为P-CCPCH和S-CCPCHCCPCH与下行DPCH的主要区别在于CCPCH不支持内环功率控制PCCPCH和S-CCPCH主要区别在于映射到P-CCPCH上的BCH的TFC是固定的，而S-CCPCH则可通过TFCI支持多种TFCP-CCPCH：承载BCH的物理信道，用于传送广播信息S-CCPCH：承载FACH和PCH，完成接入控制和寻呼AICH：与PRACH相配合，用于传送捕获指示AI，AI对应基站接收到的PRACH的特征标记序列PICH：用来传送寻呼指示PI，与一个S-CCPCH（对应传输信道PCH的映射）一同配合为UE提供有效的休眠工作模式PDSCH：用于传送DSCH，与PCPCH相似，主要传送非实时的突发业务，可通过正交码由多个码分用户共享,135,传输信道到物理信道的映射,DCH经编码复用后的数据流直接顺序映射到专用物理信道BCH、FACH、PCH经编码交织后分别按序映射到P-CCPCH、S-CCPCHRACH编码交织后按序映射到PRACH的消息部分,136,4.3.3WCDMA中的关键技术,主要技术及参数扩频与调制技术信道编码与复用RAKE接收和多用户检测技术空时码技术物理层相关进程,137,1.主要技术及参数,基站同步方式：支持异步和同步的基站运行信号带宽：5MHz码片速率：3.84Mc/s发射分集方式：TSTD、STTD、FBTD信道编码：卷积码、Turbo码调制方式：QPSK功率控制：上下行闭环、开环功率控制解调方式：导频辅助的相干解调方式语音编码：AMR（自适应多速率话音编码）,138,WCDMA与GSM指标的比较,139,语音演进,WCDMA：AMR语音编码速率：4.75Kbit/s12.2Kbit/s软切换和发射分集，提高容量；提供高保真的语音模式进行快速功率控制,140,数据演进,支持最高2Mbit/s的数据业务支持包交换（目前采用ATM平台）提供QoS控制公共分组信道CPCH和下行共享信道DSCH，更好地支持Internet分组业务，提供移动IP业务（IP地址的动态赋值）传输格式指示TFCI域提供动态数据速率的确定，提供高质量的上下行不对称的数据业务的支持如语音，可视电话，会议电视,141,2扩频与调制技术,物理信道成帧后，需对物理信道的数据流进行扩频、加扰扩频又叫信道化操作发：用扩频序列与信号相乘，提高速率，增加带宽收：用相同的扩频序列与接收信号相乘解扩用来转换的数据序列符号叫信道化码在WCDMA中采用OVSF作为信道化码；每个符号被转化成的码片数目为扩频因子第二步操作为加扰，用一个伪随机序列与扩频后的序列相乘，对信号起加密、扰乱作用。扰码的码片速率与已扩频符号相同，因此不影响符号速率上行链路物理信道加扰的作用是区分用户，下行链路加扰可区分基站和信道，因此选择的扰码间必须有良好的自相关性。WCDMA采用Gold序列作扰码,142,上行链路物理信道的扩频与加扰,上行链路专用物理信道DPDCH、DPCCH扩频与加扰在扩频前，物理信道上的二进制码需转换为实值(-1,+1)DPCCH和DPDCH上的数据先与信道化码相乘，形成扩频码，再由增益系数对信号幅度进行加权每个无线连接的专用信道最多允许1个DPCCH信道、6个DPDCH信道同时传输用于上行链路专用信道的扰码可以是长扰码，也可是短扰码。扩频、加扰后的复值码片序列分裂为虚、实部，进行调制混合相移键控HPSKWCDMA系统不同的信道可用不同的幅度，在完成调制后，会产生不同幅度的I、Q支路,143,DPCCH的增益系统数为c；DPDCH的增益系数为d,复值扰码SnDPCH,144,物理随机接入信道PRACHRACH由前导签名和消息两部分。RACH的前导部分不进行I/Q支路映射，但需进行复数调制PRACH的消息部分的扩频与调制方式与上行DPCH相同消息部分扰码的选择取决于它的前导签名PRACH的消息部分分别进行扩频、调幅，然后合并为一个复值序列，用复数扰码序列对其进行加扰,145,PRACH前导部分的基带调制,PRACH消息部分的扩频,146,物理公共分组信道PCPCHPCPCH是由接入前导、冲突检测前导和消息三部分组成CPCH前导的签名指定了码树中16个16位码之一，在这个节点以下的子树用CPCH消息部分的扩频对CPCH消息部分的操作与PRACH的消息部分相似，需分别进行扩频、调幅，然后合并为一个复值序列，用复数扰码序列对其加扰,PCPCH消息部分的扩频,147,下行链路物理信道的扩频与加扰过程,下行物理信道的扩频与扰码操作分为：扩频、调幅，I/Q支路映射、扰码与上行链路的区别下行链路I/Q支路映射发生在扩频前，而且是逐比特映射，而非整个信道映射到同一支路只有SCH不需进行扩频与加扰，直接对同步码进行QPSK调制其他信道的扰码相位与P-CCPCH的扰码一致，而不一定与本信道的帧边界对齐。物理信道经扩频后，分别用各自对应的增益因子对加扰后的复序列进行调幅；主、辅同步信道也分别采用增益因子Gp、Gs进行调幅。各信道的复序列根据复数运算法则进行相加合并。合并后的复值码片序列再分裂为实、虚两部分，分别进行脉冲成型，调制发送,148,149,同步信道的扩频和调制,SCH是一种特殊的物理信道，在物理层上不可见SCH供UE用于搜索小区，且不经过小区主扰码加扰因为UE须能在获得下行链路扰码信息之前和小区取得同步主同步码PSC序列只有一个，用于WCDMA的所有小区的所有时隙，不经过调制发送辅助同步码SSC共有16个，经排列组合，选16个编成一组，总共64个不同的码组序列，与下行主扰码的64个扰码组一一对应小区选用SSC的步骤：先找到本小区的主扰码属于哪个扰码组然后找到对应的SSC序列每个时隙对应一个辅扰码号，根据此扰码号可计算出同步信道的同步码字在实际系统中，不同小区选用不同的序列模式，不同时隙选用不同的S-SCHSSC发送时不经过加扰同步码字包含了BCH是否采用开环发送分集的信息，且同步信道是WCDMAFDD唯一采用时间倒换发送分集TSTD的信道。,150,3信道编码与复用,WCDMA系统信道复用过程与物理信道编码过程不可分：来自高层的业务数据经过封装，以传输信道数据的形式进入物理层物理层对来自高层的数据进行编码再发射在接收端，数据在物理层被译码后再送往上层物理层的信道编码包括检错编码、纠错编码、速率匹配和交织WCDMA系统的系统复用过程是为并发业务分配无线资源、保证其业务质量、并将传输格式通知接收机过程；具体到物理层，就是把承载了用户信息的传输信道与其控制信息进行组合，再映射到物理信道，进行发送的过程,151,传输格式参数,传输格式TF物理层提供给MAC子层（或反方向）的一种格式用于指示传输信道上一个TTI期间内的传输块集合TBS的传输由两部分组成：动态部分和半静态部分动态部分包括传输块的大小和传输块集合的大小TBSS半静态部分包括传输时间间隔TTI、纠错方式（如Turbo码、卷积码、静态速率匹配后的码率、CRC的比特数等）传输格式集合TFS描述一个特定传输信道的所有TF的集合在一个TS中，所有的TF的半静态部分是相同的，一个传输信道的可变比特速率是通过在每个传输时间间隔间改变TFS的内容和传输块集合的大小来达到的即在一个传输块集合中的各个TF的动态部分不同,152,传输格式组合TFC物理层可复用一个或几个传输信道，每个传输信道都有一个可用的TF列表（即TFS）TFC是现有的几种TF的组合这些TF可同时被用于一个编码组合传输信道，其中的每个传输信道只有一种对应的TF传输格式组合集合TFCS由高层指定的，描述一个编码组合传输信道的参数当数据信息映射到物理层时，MAC在由高层给定的TFCS中选择一种合适的TFC因在不同的TFC间只是动态部分不同，实际上MAC就能控制TF的动态部分TFC的选择可看作是无线资源的快速方法MAC通过它能将物理层所具有的可变速率的业务处理能力充分利用,153,传输格式指示TFITFI是一个标号，对应于TFC中某个特定的TF一个传输块集合在MAC与物理层间交换时，传输格式指示用来进行层间的消息交换传输格式组合指示TFCI物理层根据上层发来的TFI信息，根据系统指定的对应关系，计算得一个个指示信息，对应于一个编码组合传输信道上目前所用的传输格式组合即TFCI与一个特定的TFC一一对应，用来通知接收方目前所用的TFC由此，当接收机检测出TFCI后，就可知道复用到对应的数据帧10ms上的传输信道的TFC和各个传输信道所对应的TF，包括此时各传输信道的比特速率、传输时间间隔、所使用的CRC长度、编码类型和编码率依据复用和编码流程，可推断出此时精确的复用方案和速率匹配方案，即此时所映射到的物理信道的码速率及所使用的扩频因子,154,传输信道的一般编码和复用,在每个传输时间间隔里，来自高层的数据封装在传输块集合中到达物理层的编码/复用单元传输信道的传输时间间隔的格式有10ms、20ms、40ms和80ms其中DCH仅在系统帧号为512时才能使用80ms格式信道编码/复用的一般步骤如下在每个传输块后面添加CRC校验比特；传输块级联和码块分割；信道编码；无线帧均衡；速率匹配；插入DTX指示位；交织（两次）；无线帧分割；传输信道的复用；物理信道的分割；映射到物理信道从传输信道复用模块出来的单一数据流（包括下行链路的DTX指示位）就是CCTrCH一个CCTrCH可映射到一个或多个物理信道,155,传输格式检测,传输信道的TFS中包含多个TF时，接收端需进行传输格式检测，有以下几种方法当TFC在TFCI域中传输时，可通过TFCI检测显式盲检测：通过传输信道的编码和CRC格式检测TF引导检测：将CCTrCH中的另外一个传输信道作为参考，此参考信道与需要检测的传输信道具有相同的TTI和TF，且参考传输信道使用显式盲检测对于上行链路，是否支持盲传输格式检测由UTRAN控制对下行链路，UE须支持盲传输格式检测,156,信道编码格式,对上、下行专用信道，主要业务有信令、语音、电路型数据（用于传真、可视电话业务）和分组型数据（用于浏览器、文件下载等业务）物理层传输的业务选择有：单独信令语音+信令电路交换型数据+信令分组交换型数据+信令语音+分组交换型数据+信令语音+电路交换型数据+信令不同的信道有不同的业务格式,157,压缩模式,压缩模式又称时隙化模式，一帧中的一个或连续几个无线帧中某些时隙不被用作数据的传输单帧和双帧方法规定的传输间隔长度TGL有3，4，7，10和14双帧方法：间隔位于两个帧间，能使单帧时间内的影响尽可能小，如可使需要的发射功率增量比使用单帧方法要少,158,帧中一个或几个无线帧不用作数据传输，为保证质量，压缩帧中其他时隙功率增加传输间隔可按需设置，也可固定位置传输间隔可对其他频点进行测量功率增加与传输时间减少相对应压缩方式：打孔、扩频因子减半、高层指配接收机要准确解码，须有发送方的编码/复用格式参数-采用传送格式检测获得参数若TFCI显式传送-可显式检测若TFCI没有被传送-可隐式检测,159,压缩帧一般用于下行链路，有时也在上行链路中使用如果上行链路使用了压缩帧，则在下行链路同时也需要使用压缩帧上行压缩模式的帧结构如图4-7