中国移动3G无线的管理原理.ppt

3G无线基本原理 中国移动研究开发中心2005年7月 内容 UMTS概述WCDMA基本原理WCDMA的移动性管理WCDMA的无线资源管理UTRAN协议与信道WCDMA的业务与QoS 数字技术IMT 2000 ITU UMTS WCDMA TD SCDMA CDMA2000 第二代 1990 2000 第一代 第三代 数字技术例如 GSM CDMA IS 95 模拟技术例如 NMT TACS AMPS R2000 移动通信技术的演进 UniversalMobileTelecommunicationSystem RAN IMSIP多媒体子系统 3GPPUMTSR4 March 01 3GPPUMTSR5 3Q 02 3GPPUMTSR99 March 00 3GPP标准概况 CS 电路域 PS 分组域 R99RAN 基于WCDMA的全新技术R4RAN 加入了TD SCDMA选项CS域 承载与控制分离R5RAN HSDPA IPUTRAN选项核心网 引入了IP多媒体子系统 IMS R99和R4主要设备与接口 NodeB Uu Iub RNC Iur 接入网 核心网 TRAU MSC VLR PSTN SGSN GGSN ExternalPacketNetworks Gi Iu CS Iu PS HLR AuC D C Gr UE PrivateIPBackbone RNC基本功能 1 RNC基本功能 2 控制平面 ControlPlane 用户平面 UserPlane FP FrameProtocol 网络接口协议终接NetworkInterfaceprotocolterminationRANAP IuInterface RNSAP IurInterface NBAP IubInterface ALCAP allinterfaces 无线资源管理RadioResourceManagementRRCterminationRRMStrategyQoSManagementUTRANOA MRNCOA M 网络接口 NodeB基本功能 1 Overview 无线接入与调制解调 Coding Interleaving 功率控制 切换 呼叫处理 辅助RNC完成 小区管理 公共信道管理 专用信道管理 测量处理 同步信号 NodeB基本功能 2 双极化定向天线 扇区1天线 扇区3天线 供电 Iub口STM1 E1 传输网 RNC 主集 收发双工处理 信令处理 基带编解码 解调处理等 多载波数字功放 每扇区均为两天线接收分集 分集 扇区机顶口发射功率20W 40W 基带框 射频框 双工器框 内容 UMTS概述WCDMA基本原理概述扩频加扰 复用Ec Io与Eb NoWCDMA的移动性管理WCDMA的无线资源管理UTRAN协议与信道WCDMA的业务与QoS 1950s CDMA应用于军方需求市场 1956 提出RAKE接收机的形式 Rakereceiver 1961 提出扩频系统中的远近效应 Near farproblem 1978 建议基于研究结果的扩频系统的蜂窝系统应用 1993 窄带CDMA系统标准 NarrowbandCDMAIS 95 1995 在3G系统中定义宽带CDMA widebandCDMA 2000s 宽带CDMA widebandCDMA 系统的商业应用 CDMA历史 频率 时间 功率 FDMA TDMA CDMA 多址接入技术 频率 时间 时间 频率 功率 功率 Code1 Code2 CodeN Jeparlefrancais Ichsprechedeutsch Ispeakenglish 我说中文 联合国的鸡尾酒会 CDMA的类比 双工间隔DuplexSpacing 190MHz Time 频率 功率 5MHz 5MHz 码分复用CodeMultiplex UL DL WCDMA FDD 采用直序扩频码分多址技术每一用户由不同的码来区分所有用户分享同样的频谱资源 提高系统的频谱利用率系统有很高的抗干扰性 抗衰落性 保密性采用软切换及更软切换技术降低掉话率采用Rake多径分集接收技术有效利用多径传输来的信号 提高系统的接收性能采用快速功率控制快速准确的闭环功率控制有效地降低近 远效应 提高系统容量 WCDMA的无线接入技术特点 WCDMA和GSM的主要不同 WCDMA的主要技术参数 前向纠错编码 速率匹配 交织 复用 WCDMA系统物理层基本框图 信源编码 信道编码 扩频 调制 信源译码 信道译码 解扩 解调 无线信道 信道码 扰码 物理信道 GSM没有扩频 解扩过程 Tbit Tchip 信道编码后的序列 扩频序列 发出的信号序列 a2Tbit Ebit 1 Tbit Tchip Echip 1 Tchip Frequency a2Tchip 1 Tchip a a 1 1 a a x 数据序列 发出的信号 扩频序列发生器 调制 x t 功率谱 扩频原理 发射 信道编码 Tbit Tchip 信道解码前的数据序列 扩频序列 接收信号 a2Tbit Ebit 功率谱 1 Tbit Tchip Echip 1 Tchip 频率 a2Tchip a a 1 1 a a x 1 Tchip x t 扩频原理 接收 接收信号 数据序列 扩频序列发生器 信道解码 解调 码分多址 功率频谱 用户1 扩频Spreading Code1 Code2 Code3 Code4 Code5 合成信号 5MHz 用户2 用户3 用户4 用户5 正交变长扩频因子 OVSF C1 0 1 C2 0 11 C2 1 1 1 C4 0 1111 C4 1 11 1 1 C4 2 1 11 1 C4 3 1 1 11 Downlink C8 0 C8 1 C8 2 C8 3 C8 4 C8 5 C8 6 C8 7 SF 1 SF 2 SF 4 SF 8 SF 256 SF 128 PS384 AMR12 2 SF 扩频因子 信道化码定义为CSF k 其中SF是码的扩频因子 k是码的序号 0 k SF 1 树根的码字被使用后 树梢的码字将无法再使用 常见无线承载的SF 下行 练习 只从码字资源角度考虑且只考虑业务信道占用码字 如果单小区已有3个用户 3个用户正在使用PS384进行数据传输 此小区最多还可以接入多少个AMR12 2K语音用户 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Cj Ck 不同步 4 正交Orthogonal 非正交Nonorthogonal OVSF正交性 扰码与OVSF码 Scramblingcode 下行 上行 User3signal User3signal Scramblingcode1 Scramblingcode2 Scramblingcode3 User2signal Spreadingcode Spreadingcode Spreadingcode 扰码1 扰码2 扰码3 User2signal OVSFCode OVSFCode OVSFCode User1signal OVSF码用来扩频 上行扰码用来区分UE 下行扰码用来区分小区 选位加和移位寄存器ShiftRegister序列每2N 1个码片重复一次 N为移位寄存器盒子的个数 扰码 扰码特性 38400码片长的序列每10ms重复一次来源于伪随机 PseudoNoise 序列 上行扰码 共计224个长度为38400码片的长扰码 225 2码片长序列 下行扰码 8192种扰码 512组 1个主扰码 15个辅扰码 512主扰码被分为64组 共有262 143种不同的下行扰码的可能性仅从其中定义了8192种不同的扰码 8192 Cell 1 Cell 512 主扰码 辅扰码 1 辅扰码 2 辅扰码 15 UMTS只需要进行简单的小区扰码规划 邻小区不属于同一扰码组即可 OVSF码复用 1 1 User1 User2 Code1 Cch SF Code2 Cch SF 2 2 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 用户复用后信号 加扰 用户复用后的信号 扰码 2 0 2 2 0 2 1 1 发射信号 空口噪声干扰 2 0 2 发射信号 0 0 噪声 接收信号 1 1 1 1 接收 去扰 解扩 0 接收信号 1 1 1 1 1 1 去扰 解扩 原始的用户数据 频分与码分 C I I C WCDMA GSM Powerspectrum 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 3 2 4 4 4 4 4 Powerspectrum CDMA系统的干扰与噪声 上行 下行 基站热噪声本小区其它通话用户的干扰周围小区其它通话用户的干扰其它系统的干扰 手机热噪声本小区其它信道的干扰周围小区基站信号的干扰其它系统的干扰 Ec No与Eb No Ec chip能量 Ec No在数值上 接收到的导频功率 总的接收功率 一般指下行 Eb bit能量 是NodeB设备和终端接收机解调能力的一种反映 上行 下行 接收信号 数据序列 扩频序列发生器 信道解码 解调 Ec Eb Ec No与Eb No Eb No Ec No 处理增益 dB 功率谱 所需的Eb No 干扰信号 decodinguser1 Echip N0 Ebit 用户1 噪声 用户2 用户3 处理增益 10log 3 84Mcps xkbps 25dBfor12 2kvoice 10dBfor384kdata 18dBfor64kdata 练习 已知 在一种多径衰落信道环境下 终端的接收机对PS384K业务的Eb No的最小的要求为2 4dB 对CS12 2K业务的Eb No的最小的要求为7 5dB 请问 PS384K业务 CS12 2K业务终端接收机前端的Ec No分别至少为多少时 才可以正确解调 TX D t Delay 0 Delay 1 C t 0 D t C t 1 Delay 1 RX C t n Delay 0 Delay n RX RX C t 0 1 n D t D t 利用多径分集进行合并 BTS RAKE接收机 RAKE接收机 信号在空中传输的过程中 受到障碍物的反射 散射 折射等影响 接收机就会收到多个不同时延 同一消息的多路信号 从每一个多径信号的角度看 其他多径信号都是干扰 若可以用RAKE接收机将多个信号进行合成将会进一步得到改善 故而引入了RAKE接收机 RAKE接收机的作用是将多个信号进行合成 RAKE接收机包含多个相关器 每一个相关器接收一路信号 并赋予它们一定的时间补偿 使它们达到同步 采用最大比值合并 因为接收机的多路信号是互相衰落独立的 因此进行分集可以提高接收性能 内容 UMTS概述WCDMA基本原理WCDMA的移动性管理小区选择与重选切换软切换硬切换系统间切换WCDMA的无线资源管理UTRAN协议与信道WCDMA的业务与QoS 小区选择 当PLMN选定之后 UE尝试在该PLMN寻找合适的小区驻留 目的是选择一个属于这个PLMN的信号较好的小区小区选择的准则 S准则 其中两个主要的参数 Qqualmin CPICHEc No表示的最低接入门限Qrxlevmin CPICHRSCP表示的最低接入门限 类似GSM的C1准则 小区重选 在UE驻留的小区信号逐渐变差时 UE将启动相应的小区重选小区重选的测量一般包括 同频测量 即当前小区小区的信号小于同频测量门限 则启动同频小区重选异频测量 即当前小区小区的信号小于异频测量门限 则启动异频小区重选异系统测量 即当前小区小区的信号小于异系统测量门限 则启动异系统小区重选 小区重选判决 小区重选应用准则 R准则WCDMAFDD小区使用CPICHRSCP或Ec NoGSM小区使用接收信号平均强度值根据R值排序 并选择具有最高R值的小区 切换分类 软切换 同一个NodeB不同扇区间的更软切换同一个RNC不同NodeB间的软切换不同RNC间的软切换硬切换 同频硬切换 如没有Iur接口的两个RNC间硬切换异频硬切换 手机在不同频率间的切换系统间切换 WCDMA和GSM GPRS间的切换GSM只有硬切换 没有软切换 不同类型的切换 NodeB3 Cell4 SRNC DRNC Iub Iur NodeB2 Iub UMTSCarrier1 Iub GSM GPRS SofterHO SoftHO SoftHOinter RNC 2Gto3GHHO 3Gto2GHHO 更软切换RNC内的软切换2G到3G的系统间切换 图例 UMTSCarrierx Inter FrequencyHHO RNC间的软切换3G到2G的系统间切换异频硬切换 切换三步曲 1 测量 主要由UE完成 测量控制测量的执行与结果的处理测量报告2 判决 主要由RNC完成 以测量为基础资源申请与分配3 执行 RNC NodeB UE共同完成 信令过程测量控制更新 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 软切换会比硬切换占用更多的系统资源 UEmove TargetBS SourceBS No GAP ofcommunication 软切换的特点 软切换的数据合并 不同RNC间的软切换 激活集 ActiveSet UE用来发送用户信息的所有小区的集合 这些小区必须全部位于CELL INFO LIST中 监视集 MonitoredSet CELL INFO LIST中非激活集小区的集合检测集 DetectedSet 不在CELL INFO LIST中 但是UE对小区质量的测量进入上报门限的小区 软切换与激活集 激活集更新算法 导频污染 手机的RAKE接收机最多只能同时接收3个小区的多径信号这意味着手机可以与某个或多个基站的最多3个信号进行通信 并将之合并成一个单一的强信号 便于后续处理当一个手机激活集已经有3个小区信号 监视集还有小区的信号强度超过某个上限 被认为是强信号 这种情况就叫做导频污染pilotpollution C 12dB PollutionSource ActiveSet ActiveSet ActiveSet DriveTestRoute NotaPollutionSource orinActiveSet B 14dB D 12dB A 12dB E 18dB 硬切换的特点先中断UE和系统源小区的链路 然后建立目标小区的链路通话会产生 缝隙 节省资源 硬切换 异频硬切换 WCDMA和GSM在异频切换的不同 GSM是不连续接收的 可以利用TDD间隙进行异频测量 WCDMA是连续接收的 UE一般只有一个接收机 不能同时进行不不同频率的信号测量 需要通过一定的方式产生时间间隙进行异频异系统的测量 双接收机的终端可以同时接收两个频率的信号 异频硬切换 WCDMA如何进行异频硬切换 盲切换方式 明确知道切换的目标小区 如异频同覆盖小区时 可以使用 启动压缩模式方式 通过SF 2 打孔或高层调度产生间隙进行异频 异系统信号的测量 压缩模式也应用于系统间切换 OneFrame 10ms Transmissiongap 3to10timeslots Measurementsonotherfrequency 内容 UMTS概述WCDMA基本原理WCDMA移动性管理WCDMA无线资源管理概述功率控制准入控制动态信道分配UTRAN协议与信道WCDMA的业务与QoS 无线资源管理目的 无线资源管理 RRM 的主要目的是保证用户的QoS 同时尽量节约系统的功率和带宽资源功率控制 在保证用户的QoS的前提下 使用户的发射功率最小 从而减少该UE对于整个系统的干扰 提高系统的容量和覆盖切换控制 需要确保UE移动到其他小区 系统 后 能够继续得到服务 以保证QoS状态迁移和动态信道配置 充分利用用户的活动性进行空口资源的优化负载控制 接入一定数量的UE后 需要确保整个系统的负载保持在稳定的水平 以保证系统中每条连接的QoS 无线资源管理概述 CDMA自从被提出以来 前几十年时间没有得到大规模应用的主要问题就是无法克服 远近效应 功率控制的目的就是为了克服远近效应 功控的目的 功率控制的分类 开环功率控制闭环功率控制内环功率控制外环功率控制WCDMA和GSM功率控制的差别功控频率 WCDMA 1500Hz GSM2Hz或更低 功控的分类 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UE的测量 CPICH接收功率 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 开环功控 WCDMA内环功控频率为1500Hz 外环功率控制频率一般为10 100Hz 内环功率控制步长为0 5dB 1dB 1 5dB 2dB等 闭环功控 1 RNC根据BLERTarget设置内环功率控制的SIR目标值 2 NodeB根据SIR目标值进行功率控制 3 MSTx 4 RNC检测BLER 5 RNC更新SIR目标值 6 NodeB根据新的SIR目标值继续功率控制 内环功率控制 外环功率控制 NodeB UE RNC 功率控制主要参数 BLERTarget的典型设置 CSAMR 1 CS64K 0 1 1 PS 5 准入控制 目的 触发时机 目的 通过接纳或拒绝用户的接入使小区的负荷保持在一个合理的水平 保证已有用户的通信质量触发时机在呼叫建立时切换请求切入小区时呼叫进行无线资源的重配置时 准入控制 流程 准入控制 准入控制相关参数 上行主要通过RTWP ReceivedTotalWidebandPower 攀升来判决 一般设置使上行负载为50 下行主要通过TCP TransmittedCarrierPower 门限来判决 一般参数设置使下行负载为75 内容 UMTS概述WCDMA基本原理WCDMA的移动性管理WCDMA的无线资源管理UTRAN协议与信道协议栈逻辑信道传输信道物理信道RRC状态迁移WCDMA的业务与QoS UMTS协议栈 RadioNetworkLayer TransportNetworkLayer PhysicalLayer ApplicationProtocol DataStream s ControlPlane UserPlane SignalingBearer s SignalingBearer s DataBearer s ALCAP s TransportNetworkUserPlane TransportNetworkUserPlane TransportNetworkControlPlane UTRAN接口的一般模型 UMTSTerrestrialRadioAccessNetwork 控制平面 ControlPlane 用户平面 UserPlane Uu接口协议栈 Layer1 Layer3 Layer2 ControlPlane UserPlane PHY PHYsical MAC MediumAccessControl RLC RadioLinkControl PDCP BMC RRC RadioResourceControl Managementfunctions MM CC NonAccessStratum AccessStratum Networklayerprotocol Ipv4 Ipv6 AMR 信道 1 UMTS定义了三种信道 逻辑信道Logicalchannels 消息的类型传输信道Transportchannels 传输格式 卷积码 时长 编码方式 分块方式 BLOCK的传送周期 BLOCK的大小等 等物理信道Physicalchannels 频率 扩频码 扰码 信道 2 部分信道缩略语 信道映射关系 逻辑信道 传输信道 物理信道 BCCH BCH P CCPCH FACH S CCPCH PCCH PCH S CCPCH CCCH RACH PRACH FACH S CCPCH CTCH FACH S CCPCH DCCH DTCH DCH DPDCH或DPCCH CPCH PCPCH DSCH PDSCH RACH FACH PRACH S CCPCH GSM BCCH GSM PCH GSM RACHAGCH 物理信道 GSM 物理信道是通过不同时隙区分 WCDMA 网络信道是通过不同码字区分 GSM CBCH GSM SDCCHSACCHFACCH GSM TCH GSM没有传输信道 逻辑信道 业务 下行 上行 DTCH DedicatedTrafficCHannel CTCH CommonTrafficCHannel AMR语音 12 20kbps 10 20kbps 7 95kbps 7 40kbps 6 70kbps 5 90kbps 5 15kbps 4 75kbps电路交换的数据分组交换的数据实时 非实时的业务 透明非确认模式下的公共用户数据小区广播信息 天气 交通等 AMR E mail SMS FTP VoIP RNC Infoprovider 逻辑信道 控制 BCCH BroadcastControlCHannel PCCH PagingControlCHannel BCHorFACH上广播的系统消息 频率号 UARFCN Cell PLMN标识 允许的最大上行发射功率等 在空闲 cell PCH或URA PCH状态寻呼 寻呼类型1 通知UE系统消息改变 DCCH DedicatedControlCHannel 发送专用控制消息给UE测量报告cell FACH或cell DCH状态寻呼UE 寻呼类型2 激活集更新消息等 CCCH CommonControlCHannel Cell不了解UE位置时 此信道发送发送控制消息 RRCconnection cellorURAupdates 码字的分配 UTRAN临时标识 传输信道 SemiStaticPart CRCsizeChannelCodingTTI DynamicPart TransportBlockSizeTransportBlockSetSize 传输信道定义了一系列的传输格式特性 TransportBlock TransportBlock TransportBlock TransportBlock TransportBlock TransmissionTimeInterval TransportBlockSize TransportBlockSetSize TransportFormat 1 TransportFormat 2 主要的传输信道 物理信道帧结构 Frame 0 Frame 1 Frame i Frame 4095 Systemframe 4096frames 40 96seconds Slot 0 Slot 1 Slot j Slot 14 Frame 15timeslots 10ms 38400chips Slot 0 667ms 2560chips Dataorcontrolormixed 10 2kbits kfrom0to6 UL from0to7 DL 下行384K业务的速率形成过程 DTCH DCCH TurbocodeR 1 3 RadioframeFN 4N 1 RadioframeFN 4N 2 RadioframeFN 4N 3 RadioframeFN 4N Informationdata CRCdetection 2ndinterleaving 9120 9050 70 9050 70 9050 70 9050 9050 9050 170 270 370 470 9120 9120 9120 9050 11568 3856 CRC16 3840 3840 70 280 360 100 CRC12 Ratematching 1stinterleaving CRCdetection Informationdata 9050 9050 9050 280 100 RadioFrameSegmentation slotsegmentation 480kspsDPCH includingTFCIbits Ratematching 1stinterleaving 0 1 14 608 608 0 1 608 14 0 1 14 608 608 0 1 608 14 0 1 14 608 608 0 1 608 14 0 1 14 608 608 0 1 608 14 Termination12 112 Tail8 Tailbitdiscard ViterbidecodingR 1 3 物理信道 开机搜索 P SCH UMTS的cell存在 时隙边界 SF 256S SCH 帧边界 时隙号 主扰码组号 SF 256P CPICH 主扰码 SF 256P CCPCH MIB SIB广播消息块 SF 256PRACH 随机接入AICH 接入指示 SF 256S CCPCH FACH RACH的映射 SF 4 256PICH 寻呼指示 SF 256DPDCH DPCCH P CPICH不承载任何传输信道固定速率30kbpsOVSFcode Cch 256 0用主扰码加扰CPICH EC N0 P CPICH信号的质量UE对小区的CPICHEC N0进行测量 上报给RNC 据此进行 小区选择和小区重选评定激活组触发切换设置初始下行功率计算链路质量 主 公共导频信道 RRC状态迁移 状态迁移的目的 节省网络资源 手机省电迁移的路线 省电 省资源 CELL DCH到CELL FACH到CELL PCH到URA PCH根据用户的需要 增加用户的带宽 提高QoS URA PCH到CELL PCH到CELL FACH到CELL DCH RRC状态迁移 上行 专用信道下行 专用信道或共享信道 DS