WCDMA基础原理以及关键技术培训--京信PPT课件.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 GPRSBSS BTS BSC NodeB RNC PCU UMTSUTRAN SS7 SCP SMS SCE PSTNISDN Internet Intranet MSC VLR GMSC HLR AUC SGSN CG BG GGSN RAN CN OtherPLMN 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FrequencyDivisionMultipleAccess User1 User2 User3 频率 频率 码分多址CodeDivisionMultipleAccess 扩频多接入SpreadSpectrumMultipleAccess MultipleTransmittersandMultipleDataChannels 时分多址TimeDivisionMultipleAccess User1 User2 User3 UserN 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 OVSFCODE的生成 15 OVSFCodeTree 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SF 8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15k2563 84M30k1283 84M60k643 84M120k323 84M240k163 84M480k83 84M960k43 84M1920k23 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 ScramblingCode 扰码主要编码类型 GOLDCODE 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 SpreadingFactor 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 14kbps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 384kbps数据 话音 视频 控制 SC6 OC1 OC2 OC3 OC4 4个数据信道 384kbps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NodeB 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 10mSec 1时隙 2560码片 10符号 20bits 666 667uSec 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SF 256 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 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 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 CICPICH Tx Power 基站导频发射功率 手机通过读取系统广播消息 SIB5 6 PRACHsysinfolist P CPICHTxPower 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 PRACHsysinfolist Constantvalue 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 用于异频切换和系统间切换时UE对目标小区的测量