WCDMA系统原理概述.ppt

,WCDMA系统原理概述,课程目标,了解CDMA技术的基本原理了解CDMA技术相比其它多址技术的优点了解WCDMA系统采用的关键技术,学习完本课程，您将能够：,课程内容,T,第一章多址技术和双工技术第二章CDMA基本原理第三章WCDMA关键技术,双工技术：时分双工：TDD频分双工：FDD多址技术：频分多址：FDMA时分多址：TDMA码分多址：CDMA,多址技术与双工技术,传统多址技术,码分多址技术（直接扩频方式）,多址技术图示,多址技术比较,FDMATDMACDMA容量1461020载干比(C/I)18dB9dB-8-6dB实现难度易中难,码分多址（CDMA）的技术特点,优点抗干扰能力强，频率复用度高，频谱利用率大大提高CDMA系统的用户容量是软容量，具备一定的话务自适应能力（小区呼吸）保密性强：扩频后的信号近似白噪声缺点占用带宽较大CDMA系统是自干扰系统系统内用户互相干扰技术实现难度大：功率控制技术、负载控制技术等,课程内容,T,第一章多址技术和双工技术第二章CDMA基本原理第三章WCDMA关键技术,CDMA通信模型,扩频,解扩,无线信道,常用术语,比特（Bit），符号(Symbol)，码片(Chip)经过信源编码的含有信息的数据称为“比特”经过信道编码和交织后的数据称为“符号”经过最终扩频得到的数据称为“码片”处理增益最终扩频速率和比特速率的比在WCDMA系统中，根据提供业务的不同，处理增益是可变的,CDMA通信模型,扩频,解扩,无线信道,考虑和原有各种系统的语音编码器的兼容，WCDMA系统采用AMR（AdaptiveMulti-Rate)语音编码，属于线性预测编码,WCDMA的信源编码,扩频,解扩,无线信道,CDMA通信模型,信道编码的作用：增加比特间的相关性，以便在受到干扰的情况下恢复信号编码类型及编码率语音业务：卷积码（1/2、1/3），约束长度为9，加8个尾比特数据业务：Turbo码（1/3），两个8状态的并行级联卷积码（PCCC）构成，加6个尾比特,WCDMA的信道编码,交织的作用：打乱符号间的相关性，减小信道快衰落和干扰带来的影响,交织,12345678.452453454,816.456,210.450,614.454,19.449,412.452,715.455,311.451,513.453,.,.,B0B1B2B3B4B5B6B7,A4,B0A5,B1A6,B2A7,B3B4,C0B5,C1B6,C2B7,C3,一次交织：,二次交织：,扩频,解扩,无线信道,CDMA通信模型,相关性,(a),(b),相关（相关性100）,不相关（0相关）,+1,-1,+1,-1,+1,-1,+1,正交函数,正交函数具有0相关性。如果两个二进制序列的异或结果具有相同个数的0和1，那么，这两个序列不相关,000001010101,101001011111,不相关：,相关：,码字的自相关和互相关,不同用户采用不同的扩频码字x1(t)，x2(t)互相关函数V()=互相关特性决定了多址干扰特性自相关函数R()=其自相关特性决定了多径干扰特性，比较难找！,OVSF&Walsh,OVSF码（Walsh与OVSF）的互相关为零，相互完全正交,扩频与解扩（DS-CDMA）,扩频与解扩（DS-CDMA）,期望信号,其他用户信号,期望的扩频信号,扩频码,解扩后的数据,其他扩频信号,积分后的其他信号,1,-1,1,-1,1,-1,8,-8,1,-1,8,-8,解扩后的其他信号,相关接收机的基本操作,积分后的数据,处理增益,信号速率的提高，意味着信号带宽的展宽,扩频与解扩（DS-CDMA）,扩频因子与业务速率,符号速率（业务速率校验码）信道编码重复或打孔率码片速率符号速率扩频因子如WCDMA业务速率384Kbps，信道编码1/3Turbo码，符号速率960Kbps扩频因子4，码片速率3.84MHz如cdma2000-1x业务速率9.6Kbps，信道编码1/3卷积码，符号速率19.2Kbps扩频因子64，码片速率1.2288MHz,扩频,解扩,无线信道,CDMA通信模型,CDMA的码生成技术,随机序列（贝努利序列）0和1个数各一半1或者0连续个数的概率，连续一个为1/2，连续两个为1/4，连续三个为1/8，m序列由移位寄存器生成，是最大长度的线性移位寄存器序列，周期是2n-1（n为移位寄存器长度）其自相关函数只有一个最大值（延迟为零处），其他均为-1，单值性,m序列的生成,D,D,D,D,+,a1,a0,a2,a3,a4,m序列的缺点：只有一个序列，不同用户用不同“节拍”（相位）区分，对同步要求很高,Gold序列,Gold序列由m序列的不同相位异或而成自相关函数有多值，没有m序列好比m序列多得多：2n-1个（n为移位寄存器长度）,Gold序列生成,Gold序列的随机性好，符合伪随机序列的特性0和1发生的相对频率各为1/2，连续出现0或1的概率小，用于加扰,Gold序列的自相关函数,自相关函数近似函数，减轻多径干扰分段后各段的互相关近似为零，减轻多址干扰良好的自相关性质决定了其分段序列之间互相关很小，可以用于区分用户，进行多址,扩频,解扩,无线信道,CDMA通信模型,WCDMA的调制方式：QPSK,QPSK（4PSK）:QuaternaryPhaseShiftKeying,课程内容,T,第一章多址技术和双工技术第二章CDMA基本原理第三章WCDMA演进阶段及关键技术,第三章WCDMA演进阶段,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,3GPPRel99,3GPPRel4,3GPPRel5,功能冻结时间点,2000/03,2001/03,2002/03,GSM/GPRS核心网WCDMAFDD,电路域IP话音承载电路域CS/MGWTD-SCDMAVoIPQoS是关键,IP实时多媒体HSDPA,UMTS网络架构UMTSR99,UMTSR99网络结构,UMTSR99接入网络结构图,UMTSR99核心网络结构,UMTSR99移动智能网结构,UMTSR99网络接口：Iu-PS传输面,UMTSR99网络接口：Iu-CS传输面,UMTSR99网络接口：SS7接口,UMTSR99网络接口：Gn接口,UMTSR00ALLIP网络架构,UMTSR00ALLIP网络结构图,RNS,SGSN,GGSN,MGW,MGW,BSS/GERAN,MSCServer,GMSCServer,CSCF,MGCF,SGW,Internet,SGW,PSTN,HSS,HSS,SCP,SCP,数据流,控制流,基于IP/ATM承载的核心网络,SGSN,CSCF:呼叫状态控制功能SGW：信令网关MGW：媒体网关,第三章WCDMA关键技术,无线传播环境分集技术功率控制技术切换技术,多径环境,衰落,发射数据,接收数据,衰落,空间选择性衰落在不同地点（空间）衰落特性不一样一般是由于物体反射形成时间选择性衰落在不同时间衰落特性不一样主要是快速移动用户引起的多普勒频移造成频率选择性衰落在不同频率衰落特性不一样主要由宽带信号的时间色散引起,快衰落的类型,第三章WCDMA关键技术,无线传播环境分集技术功率控制技术切换技术,是通过自然界无线传播环境中的独立（或至少高度不相关）多径信号来实现的相对投资低廉克服小尺度衰落（由移动台附近物体的复杂反射引起），可以采用双天线接收分集克服大尺度衰落（由于周围环境地段和地物的差别而导致的阴影区引起），可以选择一个所发信号不在阴影区的基站位置选择发射分集发射分集技术还用来提高无线通信中单用户的峰值吞吐率,分集技术,空间选择性衰落空间分集：分集天线水平距离大于10倍波长极化分集：两接收天线极化方向正交发射分集：克服大尺度衰落（由于周围环境地段和地物的差别而导致的阴影区引起）时间选择性衰落时间分集信道交织频率选择性衰落频率分集跳频、扩频RAKE接收机,克服快衰落（和干扰）的手段分集技术,前向链路容量是当前CDMA蜂窝系统容量的瓶颈，WCDMA标准在发射分集上的应用上进行了深入的研究，提出了新的发射分集方案，提高前向链路容量；开环发射分集基于时空块编码的发射天线分集（STTD）SCH上的时间切换传输分集（TSTD）闭环发射分集，FBI域,WCDMA的发射分集,频率选择性衰落,Rake接收机,最大比合并在接收端由N个分集支路，经过相位调整后，按照适当的增益系数，同相相加，在送入检测器进行监测等增益合并在接收端由N个分集支路，经过相位调整后，按照相等的增益系数，同相相加，在送入检测器进行监测选择性合并在N个分集支路中选择具有最大信噪比的支路作为输出,分集接收合并技术,不同多径分集的接收效果,第三章WCDMA关键技术,无线传播环境分集技术功率控制技术切换技术,CDMA自从被提出以来，一直没有得到大规模应用的主要问题就是无法克服“远近效应”,远近效应,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,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,NodeB,UE,RACH,BCH:CPICHchannelpowerULinterferencelevel,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,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,每一个UE都有一个自己的控制环路,上行内环功控,最终接入网提供给NAS的服务中QoS表征量为BLER，而非SIR！根据无线通信的原理，SIR固定的情况下，BLER会随着无线环境的变化而变化,SIR,BLER-SIR,上行外环功控,第三章WCDMA关键技术,无线传播环境分集技术功率控制技术切换技术,切换软切换更软切换硬切换同频硬切换异频硬切换系统间切换（BetweenWCDMAandGSM）,切换的分类,硬切换,硬切换的特点先中断源小区的链路，后建立目标小区的链路通话会产生“缝隙”非CDMA系统都只能进行硬切换,硬切换,频内硬切换码树重整频间硬切换网络规划的原因，在特定的区域需要频间负载的平衡系统间切换2G-3G的平滑演进3G初期的覆盖范围有限,硬切换在3G中的应用,软切换,软切换特点CDMA系统所特有，只能发生在同频小区间先建立目标小区的链路，后中断源小区的链路可以避免通话的“缝隙”软切换增益可以有效的增加系统的容量软切换会比硬切换占用更多的系统资源,UEmove,TargetBS,SourceBS,No“GAP”ofcommunication,软切换,NodeB,RNC,AirBridge,AirBridge,AirBridge,CN,软切换,同频不同码Rake接受/分集合并,NodeB,RNC,AirBridge,AirBridge,AirBridge,CN,软切换流程示意图,同频不同码RNC分集合并,NodeB,RNC,AirBridge,AirBridge,AirBridge,CN,软切换流程示意图,同频不同码SRNC分集合并，DRNC透传,NodeB,AirBridge,AirBridge,AirBridge,ServingRNC,DriftRNC,CN,软切换流程示意图(SRNC-DRNC),NodeB,AirBridge,AirBridge,AirBridge,ServingRNC,RNC,CN,软切换流程示意图(SRNS迁移),对于软切换，多条支路的合并，下行进行最大比合并（RAKE合并），上行进行选择合并当进行软切换的两个小区属于同一个NodeB时，上行的合并可以进行最大比合并，此时，成为更软切换由于最大比合并可以比选择合并获得更大的增益，在切换的方案中，更软切换优先,更软切换,课程总结,本课程主要是对WCDMA系统进行一个概要的介绍通过本课程的学习，大家可以对3G有个概括性的认识，为后续的学习做好铺垫,WCDMA无线网络接口和流程,82,课程目标,了解UTRAN的相关接口协议和功能了解无线侧的基本信令流程和基本呼叫流程,学习完本课程，您将能够：,83,课程内容,T,第一章UTRAN网络结构第二章UTRAN接口协议和功能第三章基本信令流程,84,UTRANUMTSTerrestrialRadioAccessNetworkCNCoreNetworkUEUserEquipment,UMTS体系结构,85,UTRAN体系结构,86,接口协议结构的原则是层与平面在逻辑上相互独立，如果需要，在将来的协议版本协议层、甚至一个平面内的所有层可以改变。,UTRAN接口的一般协议模型,87,UTRAFDD/TDDService,PhysicalBearerService,RadioBearerService,IuBearerService,BackboneNetworkService,RadioAccessBearerService,CNBearerService,UMTSBearerService,TE/MTLocalBearerService,ExternalBearerService,End-to-EndService,Bearerservice:承载业务。具有能力、延迟、BER的信息传播途径。,UMTS承载分层结构,88,UE的工作模式,UE有两种基本的运行模式：空闲模式和连接模式空闲模式：UE处于待机状态，没有业务的存在，UE和UTRAN之间没有连接，UTRAN内没有任何有关此UE的信息；通过非接入层标识如IMSI、TMSI或P-TMSI等标志来区分UE；连接模式：当UE完成RRC连接建立时，UE才从空闲模式转移到连接模式；在连接模式下，UE有4种状态：Cell-DCH,Cell-FACH,Cell-PCH,URA-PCH,89,UE在连接模式下的状态,Cell-DCH：UE处于激活状态，正在利用自己专用的信道进行通信，上下行都具有专用信道，UTRAN准确的知道UE所位于的小区中Cell-FACHUE处于激活状态，但是上下行都只有少量的数据需要传输，不需要为此UE分配专用的信道，下行的数据在FACH上传输，上行在RACH上传输，下行需要随时监听FACH上是否有自己的信息，UTRAN准确的知道UE所位于的小区，保留了UE所使用的资源，所处的状态等信息。,90,UE在连接模式下的状态,Cell-PCHUE上下行都没有数据传送，需要监听PICH，以便收听寻呼，因此UE此时进入非连续接收，可有效的节电。UTRAN准确的知道UE所位于的小区，这样，UE所位于的小区变化后，UTRAN需要更新UE的小区信息。URA-PCHUE上下行都没有数据传送，需要监听PICH，进入非连续接收，UTRAN只知道UE所位于的URA（UTRANRegistrationArea，一个URA包含多个小区），也就是说，UTRAN只在UE位于的URA发生变化后才更新其位置信息，这样更加节约了资源，减少了信令。,91,UE状态示意图,92,课程内容,T,第一章UTRAN网络结构第二章UTRAN接口协议和功能第三章基本信令流程,93,第二章UTRAN接口协议和功能,Iu接口Iur接口Iub接口Uu接口,94,Iu接口体系结构,95,RANAP:RadioAccessNetworkApplicationPart,Iu接口协议栈结构,96,移动性管理功能位置区报告SRNSRelocationRNC间硬切换和系统间切换无线接入承载（RAB）管理功能RAB的建立，更改，释放Iu数据传输正常数据传输异常数据传输UE-CN连接信息的透明传输,Iu接口功能（1）,97,寻呼（Paging)Iu释放安全性模式控制过载控制公共UEID（IMSI）的管理Iu信令跟踪管理Iu接口异常管理CBS(CellBroadcastService)控制,Iu接口功能（2）,98,第二章UTRAN接口协议和功能,Iu接口Iur接口Iub接口Uu接口,99,Iur接口逻辑模型,100,Physical(FullRateE1orSTM1Optical),ATMLowerLayers,AAL2,AAL5-SAALNNI,MTP3-B,Q.2150,Q.2630,Q.AAL2,FrameProtocol,UnrestrictedDigitalVoiceData,SCCP,RNSAP,RLC/MAC,CSBearer,ControlSignaling,RNSAP:RadioNetworkSubsystemApplicationPart,Iur接口协议栈结构,101,支持RNC间移动性的基本功能支持SRNCrelocationRNC间的CellUpdate和URAUpdateRNC间寻呼报告协议错误专用信道功能切换时，在DRNC中建立、更改、释放专用信道Iur接口上DCH传输块的传输通过专用测量报告过程和过虑控制管理DRNS中的无线链路RL的管理，压缩模式的管理,Iur接口功能,102,公共信道功能Iur接口上公共传输信道的建立，删除，公共传输信道用于传输DRNC中处于公共信道状态UE的信息将MAC-d和MAC-c相分离MAC-d和MAC-c之间的流控全局资源管理（GlobalResourceManagement)RNC间公共测量RNC间NodeB定时信息传输,Iur接口功能,103,第二章UTRAN接口协议和功能,Iu接口Iur接口Iub接口Uu接口,104,NBAP:NodeBApplicationPartRRC:RadioResourceControlRLC:RadioLinkControlMAC:MediumAccessControl,Iub接口协议栈,105,公共功能公共传输信道管理Iub公共信道数据传输NodeB逻辑O&M（小区配置，故障管理，闭塞等维护功能）系统信息管理公共测量资源核查异常管理定时和同步管理,Iub接口功能（1）,106,专用功能专用传输信道管理无线链路（RL）监控专用测量管理定时和同步管理上行外环功控Iub专用数据传输下行功率漂移的平衡压缩模式控制,Iub接口功能（2）,107,第二章UTRAN接口协议和功能,Iu接口Iur接口Iub接口Uu接口,108,Uu接口协议栈结构,109,传输信道复用和码组合信道解复用码组合传输信道到物理信道的映射宏分集合并/分发和软切换执行传输信道错误检测，并向高层指示FEC编解码和交织/去交织速率匹配功率加权和物理信道合并闭环功率控制开环功控,Uu接口L1功能（1）,110,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压缩模式支持收发分集其他基带处理功能,Uu接口L1功能（2）,111,MAC:媒体接入控制,112,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,MAC功能,113,MAC:逻辑信道映射(UE),114,通过变更每TTI(TransmissionTimeInterval,为10ms整数倍)内传送量来控制瞬时比特速率TransportBlock(TB):从逻辑信道上来的需要传送的一个比特序列TransportBlockSize:TB的大小TransportBlockSet:在一个TTI中传送的一组TB(从逻辑信道上复用)TransportBlockSetSize:TBS中包含所有的比特长度,MAC:TransportFormationSelection,115,TransportFormat(TF)定义TransportBlockSet(TransportBlockSize,TransportBlockSetSize),TransportFormatSet(TFS):一个传输信道可能的TF集合MAC在每个TTI选择其中的一个TF,TransportFormatCombination(TFC):每个TTI，不同传输信道选定的TF的集合,TransportFormatCombinationSet(TFCS):定义所有TFC可能的组合情况这样MAC能够进行不同传输信道的动态传输速率控制,MAC:TransportFormationSelection,116,RLC:无线链路控制,117,分段、组装和填充用户数据传输使用不同的传输模式进行差错纠正顺序传递高层PDU、复制检查流量控制序列号检查（UM）协议错误检测和恢复加密挂起/恢复功能,RLC功能,118,PDCP：分组数据转换协议BMC：广播多播控制协议,119,映射网络PDU从网络协议到RLC协议头压缩/解压缩，以减少上层数据中的冗余控制信息，提高空中接口传输效率TCP/IP(RFC2507)-Non-realtimeIPRTP/UDP/IP(RFC3095,ROHC)inRel4-RealtimeIP(e.g.VoIP)支持无损迁移(LosslessSRNSRelocation)缓存、重发高层数据,PDCP功能,120,小区广播消息存储业务量监测和CBS(CellBroadcastService)无线资源请求BMC消息调度传送BMC消息到UE向上层传送BMC消息,BMC功能,121,RRC:无线链路控制,122,系统信息广播管理寻呼/通知RRC连接管理（建立、重建、维护和释放）无线承载管理（建立、重配置和释放），以便为非接入层（NAS）提供服务RRC连接移动性管理功能初始小区选择高层PDU路由请求的QoS控制并映射到接入层中不同的资源无线资源管理和控制,RRC功能（1）,123,RB，传输信道，物理信道的管理和控制开环功控SRNSrelocation支持UE测量控制和测量报告加密控制，完整性保护CBS相关功能（BMC配置，CBS无线资源分配请求，CBS非连续接收支持等）,RRC功能（2）,124,课程内容,T,第一章UTRAN网络结构第二章UTRAN接口协议和功能第三章基本信令流程,125,第三章基本信令流程,呼叫总体流程网络启动流程呼叫流程及软、硬切换流程,126,呼叫总体流程,127,第三章基本信令流程,呼叫总体流程网络启动流程基本呼叫流程,128,.,3.BCCH:SystemInformation,1.SystemInformationUpdateRequest,UE,NodeB,RNC,CN,NBAP,NBAP,RRC,RRC,.,4.BCCH:SystemIn