《WCDMA基本原理》PPT课件.ppt

二零零五年七月 WCDMA基本原理 华信邮电咨询设计研究院有限公司 汇报提纲 3G网络系统概况WCDMA系统原理WCDMA无线物理接口WCDMA系统关键技术 移动通信技术发展 3G概况 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 移动通信技术对比 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 规范完成时间 MGW MGW MGW CS GGSN SGSN PS MSCserver GMSCserver R99 R4 R5 核心网基于演进的GSM和GPRS网络 电路域引入软交换电路域实现IP传输 核心网和无线接入网均采用IP传输 3G网络向全IP的演进符合下一代网络的发展趋势 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 R4与R99核心网络的差异 MSC SCP HLR MSC RAN RAN RAN TDM MSCServer SCP HLR RAN RAN RAN TDM ATM IP MGW MGW MSCServer TUP ISUP BICC TUP ISUP R99 R4 H 248 H 248 MAPOverTDM MAPOverTDM IP CAPOverTDM CAPOverTDM IP R4核心网络接口介绍 GSM GPRSBSS BTS BSC NodeB RNC PCU UMTSUTRAN SS7 SCP SMS SCE PSTNISDN Internet Intranet HLR AUC SGSN CG BG GGSN UTRAN CN OtherPLMN MGW MGW VMSCServer GMSCServer IP ATMBackbone Nc Mc Nb 汇报提纲 3G网络系统概况WCDMA系统原理WCDMA无线物理接口WCDMA系统关键技术 多址技术与双工技术 多址技术 时分多址频分多址码分多址双工技术 时分双工频分双工 多址技术 码分多址 CDMA 多用户共享同一频率 频谱利用率大大提高 CDMA系统是自干扰系统 系统内用户存在互相之间的干扰 CDMA系统的用户容量是软容量 当用户数目增加时 对所有用户而言 系统性能下降 相应当用户数目减少时 系统性能提高 多个用户使用不同的语言 符号代码 同时通话 音量足够小时互相之间不影响正常通话时通话的人数最多 某个用户音量过大将导致其它用户的通话无法进行 WCDMA技术 WCDMA技术 f S f f0 解扩频前的信号频谱 f S f f0 扩频前的信号频谱 信号 信号 干扰噪声 f S f f0 扩频后的信号频谱 信号 f S f f0 解扩频后的信号频谱 信号 干扰噪声 信号 脉冲干扰 白噪声 CDMA的几种不同形式 直接扩频码分多址 DS CDMA 多用户完全同一时间 同一地点占用同一频率资源可以使用RAKE接收技术 利用宏空间分集 多个基站同时监听 实现软切换 大大降低切换掉话率 提升服务质量 跳频码分多址 FH CDMA 单一用户单一时刻占用的频谱带宽较窄 占用频率随时间变化按一定规律跳变 跳变规律由地址码确定 跳时码分多址 TH CDMA 单一用户不定时占用较宽的频谱 占用的时间按一定规律改变 时间改变的规律由地址码确定 CDMA示意图 WCDMA系统基本框图 OVSF码 正交可变扩频因子 OVSF 码 扩频码在WCDMA中作为信道码用从一个发射机来的每一个信道都被分配一个唯一的OVSF码码的特性 基于Walsh函数非常好的自相关性如果完全同步 具有正交互相关性可用编码的最大数量依赖于码长在WCDMA中4 8 16 32 64 128 256 或512 等个码片上行链路的扩频因子的范围为256到4 下行链路的扩频因子范围为512到4 正交可变扩频因子 OVSF 码 0 1 0 0 拷贝 拷贝 取反 负逻辑 电路实现 0 11 1 OVSF码生成 扩频因子与业务速率 符号速率 扩频因子 码片速率如WCDMA 码片速率 3 84MHz 扩频因子 4 则符号速率 960Kbps cdma2000 1x 码片速率 1 2288MHz 扩频因子 64 则符号速率 19 2Kbps 符号速率 业务速率 校验码 信道编码 重复或打孔率如WCDMA 业务速率 384Kbps 信道编码 1 3Turbo码 符号速率 960Kbps 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 OVSF码举例 OVSFCODE在WCDMA系统中用来区分同一个扇区的不同用户 信道 假设 某扇区有三个用户 信道 通话 S1 t S2 t S3 t 每个用户分配一个OVSF序列 Cch SF i Cch SF j Cch SF k那么 空中信号为 S S1 t Cch SF i S2 t Cch SF j S3 t Cch SF k接收端想提取S1 t 与这个用户通话 则应选S1 t 所对应的OVSF序列Cch SF i来解扩Cch SF i S Cch SF i S1 t Cch SF i S2 t Cch SF j S3 t Cch SF k S1 t Gold序列 Gold序列由两个优选的m序列异或而成自相关函数有多值 没有m序列好比m序列多得多由于Gold序列具有良好的自相关性质 用于码分多址中区分基站和用户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 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 OVSF码与GOLD码对比 汇报提纲 3G网络系统概况WCDMA系统原理WCDMA无线物理接口WCDMA系统关键技术 Uu接口协议栈结构 物理层技术实现 MAC层 层2 物理信道 扩频调制 传输信道 物理信道结构 扩频调制 编码和复用映射到物理层 解复用解码映射到MAC层 解调解扩 信道分类 在WCDMA系统的无线接口中 从不同协议层次上讲 承载用户各种业务的信道被分为以下三类 逻辑信道 直接承载用户业务 根据承载的是控制平面业务还是用户平面业务分为两大类 即控制信道和业务信道 传输信道 无线接口层二和物理层的接口 是物理层对MAC层提供的服务 根据传输的是针对一个用户的专用信息还是针对所有用户的公共信息而分为专用信道和公共信道两大类 物理信道 各种信息在无线接口传输时的最终体现形式 每一种使用特定的载波频率 码 扩频码和扰码 以及载波相对相位 0或 2 的信道都可以理解为一类特定的信道 物理信道 频率 码 相位 物理信道 物理信道可以由某一载波频率 码 信道码和扰码 相位确定 在采用扰码与扩频码的信道里 扰码或扩频码任何一种不同 都可以确定为不同的信道 多数信道是由无线帧和时隙组成 每一无线帧包括15个时隙 物理信道分为上行物理信道和下行物理信道 扩频包括两个操作 信道化 channelization 操作 它使数据符号变为码片 并增加了信号带宽 每符号的码片数称为扩频因子 SF 可以通过与OVSF相乘得到扰码操作 它作用在扩频信号上 扩频技术 信道码使用OVSF码定义 Cch SF k 描述信道码 SF为扩频因子 k为码号 0 k SF 1 信道码 扰码 GOLD序列扰码每10ms重复一次 长度是38400chips对于上行物理信道 可用的扰码分为长扰码和短扰码 共有224个上行长扰码和224个上行短扰码 上行扰码由高层分配对于下行物理信道 可以产生218 1 262143个扰码 但只使用了0 8191号的扰码 扰码 下行专用物理信道 downlinkDPCH 下行物理信道 下行公共物理信道公共控制物理信道 CCPCH 同步信道 SCH 物理下行共享信道 PDSCH 寻呼指示信道 PICH 捕获指示信道 AICH 公共导频信道 CPICH 下行物理信道 上行公共物理信道物理随机接入信道 PRACH 物理共用分组信道 PCPCH 上行专用物理信道上行专用物理数据信道 uplinkDPDCH 上行专用物理控制信道 uplinkDPCCH 上行物理信道 上行物理信道 SCH不进行扩频和加扰 用于小区搜索 SCH信道占用前256个Chip 分成P SCH和S SCH 主同步码 PSC 在每个时隙内重复发射 传送完全确知的序列 用于UE与UTRAN之间的比特同步 从同步码 SSC 中包含扰码组信息 用于确定小区中使用的扰码组 同步信道SCH 同步信道SCH commonPilotChannel CPICH 传送确知序列固定速率30Kbps SF 256发射分集时 使用相同的扩频码和扰码 但传送序列不同 公共导频信道CPICH CPICH 主CPICH使用相同的信道码 即Cch 256 0 扰码为主扰码 一个小区只有一个主CPICH 在整个小区广播 用于小区 主扰码 搜索 主CPICH为SCH PrimaryCCPCH AICH PICH提供相位基准 还是其它下行物理信道的缺省相位基准 其它信道的功率基准 测量其它信道都是通过测量CPICH信道来实现的 确定小区覆盖范围 小区呼吸功能 从CPICH可以使用任意信道码 只要满足SF 256扰码可以使用主扰码 也可以使用从扰码一个小区可以有0 1或几个从扰码可以在小区内部分发射可以作为S CCPCH和下行DPCH的参考 BCH 广播信道FACH 前向接入信道PCH 寻呼信道RACH 反向 随机 接入信道CPCH 公共分组信道DSCH 下行共享信道 DCH 专用信道DCH信道可以为上行或下行信道 公共传输信道 专用传输信道 传输信道 信道映射关系 下行 S CCPCH P CCPCH PDSCH DPDCHDPCCH AICH PICH CSICH CD CA ICH CPICH SCH PhysicalChannelsC 信道映射关系 上行 PRACH PCPCH DPDCHDPCCH PhysicalChannelsC 目的 从MAC层或更高层来的数据流 TB TBS 经过信道编码与复用后提供给无线传输链路上传输 来自MAC的数据流 编码与复用 实现传输信道映射到物理信道 物理信道上的数据流 内容 信道编码策略是检错编码 纠错编码 速率匹配 交织和传输信道到物理信道的相互映射的组合 编码与复用概述 CRC添加传输块级联与码块分段前向纠错编码速率匹配DTX插入交织无线帧分段传输信道 TrCH 复用物理信道分段物理信道映射 编码与复用步骤 编码与复用步骤 信道编码 卷积编码卷积编码的编码效率定义为R ko no 对于具有良好纠 检错性能并能合理而又简单实现的大多数卷积码 WCDMA采用1 2或1 3等速率卷积编码 Turbo编码对于非实时业务具有很好的纠错性能 但解码时延长 不适合语音业务 WCDMA采用1 3速率Turbo编码 最小码块40比特 交织把一条消息中的相继错误比特分散开 解决突发性连续错误 信道编码 卷积编码 1 2速率举例 信道编码 交织 重排序 将连续的比特打乱成不连续的比特 交织举例 原始信息 WCDMAISAGOODSYSTEM 交织编码 行输入WCDMAISAGOODSYST 列输出 空中信息 WAGSCIOYDSOSMADT 信道编码 Turbo编码 同步过程 小区搜索 主同步信道完成chip和symbol同步辅助同步信道完成帧同步和小区绕码组的确定 同步信道 同步信道 主同步码PSCa 辅同步码SSC共有16个辅同步码 用10ms帧中15个时隙不同辅同步码的组合来标识64个扰码组 同步信道 绕码组的确定 同步信道 绕码组的确定二 汇报提纲 3G网络系统概况WCDMA系统原理WCDMA无线物理接口WCDMA系统关键技术 RAKE接收技术有效地克服多径干扰 提高接收性能 RAKE接收 一 接收机 单径接收电路 单径接收电路 单径接收电路 搜索器 计算信号强度与时延 合并 合并后的信号 t t s t s