3G基础知识(WCDMA无线原理与关键技术).ppt

WCDMA无线原理与关键技术,福州市电信分公司移动筹建组,课程目标,学完本课程，您将能够：了解3G的发展情况了解WCDMA无线原理了解WCDMA关键技术,课程内容,3G概述WCDMA无线原理WCDMA关键技术,第三代移动通信的提出IMT-2000是第三代移动通信系统（3G）的统称第三代移动通信系统最早由国际电信联盟（ITU）1985年提出，考虑到该系统将于2000年左右进入商用市场，工作的频段在2000MHz，且最高业务速率为2000Kbps，故于1996年正式更名为IMT-2000（InternationalMobileTelecommunication-2000）第三代移动通信系统是一种能提供多种类型、高质量多媒体业务，能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力，与固定网络相兼容，并以小型便携式终端在任何时候、任何地点进行任何种类通信的通信系统,3G发展概述,全球统一频段、统一标准，全球无缝覆盖高效的频谱效率（CDMA）高服务质量、高保密性能易于2G系统演进过渡提供多媒体业务车速环境：144kbps步行环境：384kbps室内环境：2048kbps,IMT-2000的目标,时延,误码,background,conversational,streaming,interactive,3G的业务应用,不同业务QOS要求,会话型业务类别,语音业务实时会话要求端到端的时延很低且业务是对称或近似对称使用AMR(自适应多速率)技术12.2,10.2,7.95,7.40(IS-41),6.70(PDC),5.90,5.15和4.75kbps.AMR的比特率可由无线接入网根据空中接口的负荷和话音连接的质量控制。AMR可在网络容量，覆盖和话音质量之间根据运营商的要求进行权衡交易,视频电话时延要求与语音业务类似对于CS连接：采用ITU-TRec.H.324M对于PS连接：采用IETFSIP,数据流型业务类别,多媒体数据流在数据流的信息实体之间保持时间的联系数据被处理成稳定和连续的流非对称业务,交互式业务类别,在一定时间内响应基于定位的业务网络计算机游戏网页浏览,后台式业务类别,不需立即采取行动E-mail的传递SMS数据库的下载.,3G标准化组织,3G技术体制,WCDMA由标准化组织3GPP所制定cdma2000体制是基于IS-95的标准基础上提出的3G标准，目前其标准化工作由3GPP2来完成TD-SCDMA标准由中国无线通信标准组织CWTS提出，目前已经融合到3GPP关于WCDMA-TDD的相关规范中,WCDMA协议版本的演进,继承2G（GSM和GPRS）所有的业务和功能核心网分CS电路域和PS分组域接入网引入WCDMAUTRAN核心网和接入网之间的Iu接口基于ATM,继承WCDMAR99所有的业务和功能电路域结构的变化：控制和承载相分离，MSC可以用合一或SERVER、MGW分离结构实现电路域引入分组话音，支持多种传输技术：TDM，ATM，IP,继承WCDMAR4所有的业务和功能核心网增加IM（IP多媒体域）RAN向IP方向发展增强的IPQoS能力，支持端到端的IP多媒体业务,2000,2001,2002,功能冻结点,WCDMA标准规划清晰，制定严谨WCDMA支持HSDPA技术，顺应未来高速无线数据业务的需求WCDMA将分阶段引入IP，目标是实现全网的IP化，标准比较完善WCDMA2001/06及以后发布的协议能够保持前向兼容,IP实时多媒体HSDPA,GSM/GPRS核心网WCDMAFDD,电路域IP话音承载电路域CS/MGWTD-SCDMAVoIPQoS是关键,cdma2000标准发展,cdma2000标准发展cdma2000在核心网标准和技术方面相对滞后,IS-95A,规范完成时间点,1995,1998,2000,QCELP话音编码9.6kbps,115.2kbps8码道捆绑,307.2kbps话音容量加倍,cdma20001xEV-DO/DV,2002,DO:高速数据业务DV:高速数据业务话音业务,IS-95B,cdma20001x,cdma2000-3x,TD-SCDMA发展历程,三种主流标准的比较,3G频谱分配,中国3G频谱分配（2002年11月）,中国3G频谱分配（2002年11月）,IMT2000、欧洲的频率划分和中国一致北美的频率划分与中国的核心频段冲突第三代公众移动通信系统的工作频段为：（一）主要工作频段：频分双工（FDD）方式：19201980MHz21102170MHz；时分双工（TDD）方式：18801920MHz/20102025MHz。（二）补充工作频率：频分双工（FDD）方式：17551785MHz18501880MHz；时分双工（TDD）方式：23002400MHz，与无线电定位业务共用，均为主要业务，共用标准另行制定。（三）卫星移动通信系统工作频段：19802010MHz21702200MHz。,WCDMA基本组成,WCDMA网络结构,Iu-CS,Iu-CS,Iu-PS,Iu-PS,Iub,RNC,NodeB,NodeB,RNS,Iur,Iub,RNC,NodeB,NodeB,RNS,VLRMSC,VLRMSC,A,E,GMSC,Abis,BSC,BTS,BTS,BSS,PSTN,PSTN,G,EIR,F,HLR,AUC,D,C,H,Abis,BSC,BTS,BTS,BSS,otherPLMN,Gi,Gs,SGSN,Gb,GGSN,Gn,Gp,PDN,Gf,Gr,Gc,课程内容,概述WCDMA无线原理WCDMA关键技术,多址接入,频分多址技术业务信道在不同频段分配给不同的用户。如TACS、AMPS。,时分多址技术业务信道在不同的时间分配给不同的用户。如GSM、DAMPS。,码分多址技术所有用户在同一时间、同一频段上、根据不同的编码获得业务信道。,双工方式,TDD方式可用于任何频段适合于小区/微微小区组网适合于上下行非对称及对称业务FDD方式需要成对频段适合于大区制全国性组网适合于上下行对称业务；其他,发射信号,无线传播特性(多径效应),无线传播特性(信号衰落),无线传播特性,电磁传播直射、反射、散射和绕射无线环境中的信号衰减分成三部分路径损耗：幅度衰减较大慢衰落:由障碍物阻挡造成阴影效应，接收信号强度下降，但该场强中值随地理改变变化缓慢，故称慢衰落，又称为阴影衰落。慢衰落的场强中值服从对数正态分布，且与位置/地点相关，衰落的速度取决于移动台的速度快衰落:合成波的振幅和相位随移动台的运动起伏变化很大，称为快衰落。深衰落点在空间上的分布是近似的相隔半个波长。因其场强服从瑞利分布，又称为瑞利衰落，衰落的振幅、相位、角度随机。快衰落包络分布的描述方法瑞利分布：非视距传播莱斯分布：视距传播,抗快衰落措施分集,信号分集,时间分集符号交织、检错、纠错编码、RAKE接收机技术空间分集采用主、分集天线接收。主、分集天线的接收信号不具有同时衰减的特性。基站接收机对一定时间范围内不同时延信号的均衡能力也是一种空间分集的形式。频率分集GSM采用跳频CDMA采用扩频技术,WCDMA数据简要发送接收过程,手机数据,编码交织,扩频,调制,射频发送,射频接收,解调,解扩,解码解交织,手机数据,无线信道,扩频技术,扩频通信就是将信号的频谱展宽后进行传输的技术。其理论解释为Shannon定理：C=Wlog2(1+S/N)C:信道容量W:信道带宽S/N：信噪比,码序列的正交,扩频与解扩,扩频通信示意图,f,S（f）,f0,扩频前的信号频谱,信号,S（f）,f,f0,扩频后的信号频谱,信号,S（f）,f,f0,解扩频后的信号频谱,信号,干扰噪声,f,S（f）,f0,解扩频前的信号频谱,信号,干扰噪声,信号,脉冲干扰,白噪声,扩频与解扩,扩频定义与处理增益PG（处理增益）=Wc/RWc是码片速率R是信息速率用dB表示为PG=10log10(Wc/R)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,扩频,解扩,码片,原始数据,扩频码,扩频信号=数据码字,扩频码,原始数据=扩频信号码字,1,-1,1,-1,1,-1,1,-1,1,-1,简单的CDMA发射接收机扩频接扩示意图,数据比特,在上图所示的例子中，将原始数据与扩频码序列混合后（相乘），恰好在原始数据的每个比特周期内插入了8个码片，传输的频率大为展宽。在接收端的解扩就是在比特周期内用与发端相同的扩频序列对扩频后的码片积分，使得数据得到恢复。处理增益就是码片周期与原始数据比特周期的比值。在比特周期固定的情况下，码片周期取决于扩频带宽，扩频带宽越宽，处理增益越大，更有利于数据序列恢复。由于无线频谱资源有限，扩频带宽的大小是一个综合平衡的选择，不可能一味求大。在目前制式中WCDMA的扩频带宽为5MHZ，CDMA2000扩频带宽为1.25MHZ。,扩频原理介绍,符号速率SF=3.84McpsWCDMA中，上行信道码的SF为：4256下行信道码的SF为：4512,WCDMA系统的扩频,OVSF:正交可变扩频因子,数据比特,扩频后码片,扩频通信的特点,抗多径干扰能力强抗突发脉冲干扰保密性高低发射功率易于实现大容量多址通信占用频带宽,信道编码,WCDMA采用高性能的信道编码，提高系统性能编解码极大地降低了工作点的信噪比，是无线传输中的常用手段Turbo码能够使传输信号的信噪比接近Shannon极限,编码目的：在原数据流中加入冗余信息，使接收机能够检测和纠正由于传输媒介带来的信号误差，同时提高数据传输速率。,信道编码的原理,信道编码信道编码技术是通过给原数据添加冗余信息，从而获得纠错能力目前使用较多的是卷积编码和Turbo编码（1/2，1/3）使用编码增加了无效负荷和传输时间适合纠正非连续的少量错误,床前明月光春眠不觉晓白发三千丈红豆生南国,床床前前明明月月光光春春眠眠不不觉觉晓晓白白发发三三千千丈丈红红豆豆生生南南国国,床？前前明明月月光光春春眠眠？不觉觉晓晓白白发发三三？千丈？红红豆豆生生南？国国,交织技术,交织：打乱原来的数据排列规则，按照一定顺序重新排列。作用：减小信道快衰落带来的影响。,缺点：带来了附加的额外延时在特殊情况下，若干个随机独立差错有可能交织为突发差错。,信道编码和交织技术的使用,床前明月光春眠不觉晓白发三千丈红豆生南国,床床前前明明月月光光春春眠眠不不觉觉晓晓白白发发三三千千丈丈红红豆豆生生南南国国,床春白红床春白红前眠发豆前眠发豆明不三生明不三生月觉千南月觉千南光晓丈国光晓丈国,床春白红？前眠发豆明不三生明不三生月觉千南月觉千南光晓丈国光晓丈国,床？前明明月月光光春？眠不不觉觉晓晓白？发三三千千丈丈红？豆生生南南国国,编码,交织,去交织,解码,突发错误,交织技术,交织：打乱原来的数据排列规则，按照一定顺序重新排列。作用：减小信道快衰落带来的影响。,优点交织技术是改变数据流的传输顺序，将突发的错误随机化。提高纠错编码的有效性。,缺点：由于改变了数据流的传输顺序，必须要等整个数据块接收后才能纠错，加大了处理延时，因此交织深度应根据不同的业务要求有不同的选择在特殊情况下，若干个随机独立差错有可能交织为突发差错。,分集技术的概念,两重含义：分散传输；集中处理是通过利用和查找自然界无线传播环境中的独立（或至少高度不相关）多径信号来实现的可简单解释为：如果一条路径中的信号经历了深度衰落，而另一条相对独立的路径中可能仍包含着较强的信号。优点易获得相对稳定的信号可获得分集处理增益提高信噪比,空间分集又称天线分集，如果天线间的距离大于半个波长，则从不同的天线上收到的信号包络基本上是不相关的时间分集以超过信道相干时间的时间间隔重复发送信号，以便让再次接收到的信号具有独立的衰落环境，从而产生分集效果频率分集在多个频率上传送信号，其理论基础是在信道相干带宽之外的频率上不会出现同样的衰落极化分集信号在空中传播进行了多次反射，由于不同极化方向的反射系数不同，使得信号在不同的极化方向上是不相关的,分集的分类,开环发射分集使用空时编码对信号进行处理，并从两根天线上发射，综合利用了时间分集和空间分集技术闭环发射分集由接收端反馈参数控制两根发射天线的加权，是带反馈技术的空间分集交织技术是一种隐含的时间分集技术，与WCDMA系统选用的编码方案配合使用RAKE接收技术也是一种隐含的时间分集技术。认为：一个码片时间信道的相关时间，RAKE接收利用的多径信号被认为是发射机多次发送过来的信号,WCDMA使用的分集技术,课程内容,概述WCDMA无线原理WCDMA关键技术,码信道之间的非正交产生多址干扰，存在功率攀升现象。WCDMA网络会议室码信道传输用方言交谈信道功率说话声音保证信道质量听清对话信道功率增加谈话声音提高功率攀升大家都提高声音超过线性范围崩溃喊破喉咙，仍然听不清小区外的干扰房间外的干扰,功率攀升,信号被离基站近的UE的信号“淹没”，无法通信,一个UE就能阻塞整个小区,远近效应,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,采用功控技术减少了用户间的相互干扰，提高了系统整体容量,功率控制,功率控制的目标：使每一条通信链路在任何时刻只使用满足通信质量指标的最低能量,克服远近效应和补偿衰落减小多址干扰，保证网络容量延长电池使用时间,下行功率控制,小区发射功率,上报功率控制比特,手机发射信号,功率控制命令,上行功率控制,功率控制,三种功率控制,开环UE从导频信道中测量RSCP，估算出路径损耗，调整发射功率至接入网络成功,闭环内环测量信噪比和目标信躁比比较，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,闭环外环测量误帧率（误块率），调整目标信噪比,闭环功率控制涉及到UE、基站（NODEB），和RNC三个网元及Uu、Iub两个接口。其中UE和基站这一部分功能成为内环功率控制，其余部分则成为外环功率控制,开环是指闭合的上下行链路还没有建立之前，无法通过收发信机间的反馈确定最佳发射功率，开环功率控制是在传输信道及接收机状况未知的情况下来估计最佳的初始发射功率的过程。,UE,NodeB,UE,开环功率控制,开环功率控制的目的就是提供：初始发射功率的粗略估计,UE,NodeB,外环,内环,闭环功率控制,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BLERtar,当UE成功接入系统，进入业务信道后，上下行链路已经关闭。这时的功率控制是基于不断地测量反馈来调整、更新上下行链路发射功率的过程，称为闭还功率控制。,功率控制效果,下行链路功率控制目的节约基站的功率资源，减少对其他基站的干扰上行链路功率控制目的克服远近效应，所有的信号到达基站的功率相同,功率控制决定了WCDMA系统的容量,切换的概念,当移动台在通话过程中从一个基站覆盖区移动到另一个基站覆盖区，或者由于外界干扰而造成通话质量下降时，必须改变原有的话音信道而转接到一条新的空闲话音信道上去，以继续保持通话的过程。目的：为了保持终端在移动过程中跨越不同无线覆盖区域时，业务的连续性。,切换基本分类,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）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）,切换技术,硬切换,软切换,WCDMA切换基本过程,测量控制UTRAN通过MeasurementControl命令要求UE进行测量。判决算法由各厂家自行确定。也是对系统的性能影响较大的部分。执行切换执行不同的切换，采用不同的切换命令。,（A）RNC向UE发送测量控制消息（MeasurementControl）,（B）UE根据RNC的要求进行测量，并上报结果（MeasurementReport）,（C）RNC针对不同的UE存储其在各载频中的各小区的测量结果,（D）根据测量报告评估各载频的信号质量（包括频间和系统间）,（E）质量判决,（G）对应虚拟激活集小区分配资源，准备切换,（F）维护激活集和监控集（包括当前载频和异频）,（H）在对应的异系统小区，分配资源，准备切换,当前载频质量好,其他系统质量好,其他载频质量好,（I）若需要切换，则确定目标小区，且发送相应的切换命令,切换过程流程图,激活集（activeset）：指与某个移动台建立连接的小区的集合。用户信息从这些小区发送。监测集（monitorset）：不在激活集中，但是根据UTRAN分配的相邻节点列表而被监测的小区，属于监测集。检测集（detectedset）：既不在有效集中，也不在监测集中的小区。,与切换相关的概念,硬切换,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,启动压缩模式的目的,为了完成频间切换和系统间切换，UE必须能够周期性地对异频系统进行测量普通情况下WCDMA系统中正在进行业务（特别是话音业务）的只有一个收发器的UE将在所有时间进行接收和发送，也就是说在普通情况下UE将没有机会进行异频测量压缩模式为处于DCH状态的UE提供了对异频系统进行测量的窗口,压缩模式,压缩模式发射时间示意图,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,接纳控制过程,当用户发起接入呼叫申请资源时，RNC进行呼叫接纳控制,系统负荷门限,剩余容量,申请接入业务,负荷增量值,负荷增量=Pthreshold,接入门限值,基站的最大发射功率,新业务接入后基站总发射功率增量的预测值。与业务类型相关，需要根据预测算法给定。,小区基站目前的总发射功率,NodeB上报给RNC（TransmittedCarrierPower*Pmax）,业务优先级（切换余量）,负载控制,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。,负荷控制,负荷控制就是在系统负荷过高时通过各种方法降低系统的负荷，使系统负荷限制在一定的范围内，以保证系统稳定运行。,负荷控制的目的,移动终端速度和位置的变化造成无线传输环境的恶化,发射功率的上升，使系统负荷增大,负载控制流程,开始,判断负荷情况,（1）允许切入、接入,（2）允许增加功率,（3）提高速率,（4）其它,负荷偏低,负荷,偏高,负荷,正常,（1）允许切入、接入,（2）允许增加功率,（1）停止切入、接入（2）停止增加功率（3）速率降低（4）切换（切出）（5）执行掉话,上行链路的负荷控制,触发条件：,实时测量的上行链路总的接收功率（RTWP）超过了门限值；由于高优先级业务在接纳控制模块所触发,降低负荷的措施：,上行链路快速负荷控制：减小上行链路快速功率控制的Eb/N0的目标值；减小非实时分组业务数据的吞吐量；切换到另一个载频；切换到GSM系统；减小实时业务的比特率：例如ARM语音编码；在受控条件下掉话。,增加负荷的措施：,主动增加PS域业务的负荷和提高AMR语音编码的速率。,下行链路的负荷控制,触发条件：,实时测量的下行链路的总发射功率超过目标门限值；由于高优先级业务在接纳控制模块所触发,降低负荷的措施：,增加负荷的措施：,主动增加PS域业务的负荷和提高AMR语音编码的速率。,下行链路快速负荷控制：减小下行链路快速功率控制的Eb/N0的目标值；减小非实时分组业务数据的吞吐量；切换到另一个载频；切换到GSM系统；减小实时业务的比特率：例如.ARM语音编码；在受控条件下掉话。,小区呼吸是负载控制的一个手段,呼吸效应是指小区覆盖随系统负载的变化而变化。GSM网络的覆盖由信号电平确定，其值相对固定，不存在呼吸效应，而CDMA系统由于小区覆盖和系统负载密切相关，随着负载的变化，小区的覆盖也会发生相应的变化，这称之为小区呼吸，是CDMA系统的特性之一。从上行来看，小区覆盖取决于UE发射功率和基站的热噪声，负载增加导致系统噪声提高，覆盖相应缩小。在CDMA网络中，小区呼吸的影响也有正反两个方面。从正面看，呼吸效应可以均衡小区间的负载。从反面看，网络设计时需要给呼吸效应预留容量，否则会影响覆盖的匹配。,小区呼吸,系统中用主扰码来区分小区，下行用信道化码(OVSF码)区在WCDMA系统中，用到两种码，OVSF码和扰码。在WCDMA移动通信分物理信道，上行采用扰码来区分用户。但由于正交可变扩频因子码（OrthogonalVariableSpreadingFactor-OVSF）是宝贵的稀有资源，一个小区对应一张码表，为了使得系统既能接入尽量多的用户，提高系统的容量，就必须考虑码资源的合理使用问题，所以对于下行信道化码资源的规化和管理就非常重要。尽管上行扰码数量非常多，但为了避免在不同的RNC之间的小区不同用户使用相同的扰码，则也需对RNC的扰码进行规划。,码资源规划的目的:,码资源规划模块在系统中的位置:,位于CRNC的RRC中。,码资源管理,OVSF码树,OVSF码树,WCDMA网络可以使用的码字是SF为4512的码字，SF越小其支持的速率越高。1.分配码的前提：要保证其到树根路径上（一直回溯到最高一层的根节点）和其子树上（向下派生出来的所有节点和派生节点再派生出来的节点）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；3.码分配的原则：尽量保留SF小的码字以提高利用率。,信道化码的