第七章_CDMA 1x WCDMA和TD-SCDMA系统.ppt

,第七章第三代移动通信系统及增强技术,MobileCommunicationTheory,目录,概述,CDMA20001x,WCDMA,TD-SCDMA,MobileCommunicationTheory,CDMA20001x,MobileCommunicationTheory,CDMA2000技术发展进程,CDMA2000技术发展演进过程,MobileCommunicationTheory,系统结构,MobileCommunicationTheory,CDMA2000空中接口的各层功能,物理层链路层高层,MobileCommunicationTheory,物理层的功能,通过各种物理信道完成高层信息与空中无线信号之间的相互转换。协议详细定义了CDMA2000移动台和基站的各种无线空中接口参数。如CDMA系统定时规定，频率参数，射频输出参数，编码、扩频等调制参数，各种反向和前向物理信道规范，以及其他的物理层规范。,MobileCommunicationTheory,链路层的功能,MAC子层适应更大的带宽需求以及处理多种业务的需要支持一个通用的多媒体业务模型，在空中接口的容量范围内，允许话音、分组数据以及电路数据业务的组合且同时工作采用了QoS控制机制来平衡多个并发业务的不同QoS需求LAC子层保证高层信令在无线信道上的正确传输和发送完成信令信息的打包、分割、重装、寻址、鉴权以及重传控制,MobileCommunicationTheory,高层的功能,侧重于描述系统控制消息（信令）的交互通过LAC子层提供的服务，按照协议所规定的语法和定时关系来发送和接收MS和BS之间的信令消息，以便实现特定的应用服务,MobileCommunicationTheory,空中接口相关概念,扩频速率无线配置物理信道与逻辑信道,MobileCommunicationTheory,扩频速率,扩频速率（SpreadingRate，简称“SR”）是指前向或反向链路上的PN码片速率分类频带配置,MobileCommunicationTheory,SR1和SR3的频带配置,SR1和SR3可以灵活配置,SR1,混合配置实现非对称的数据业务,重叠配置正交性保证系统可同时支持两种模式,SR3,独立配置,图10-10SR1和SR3的频带配置,MobileCommunicationTheory,无线配置,无线配置（RadioConfiguration，简称“RC”）指一系列前向或反向业务信道的工作模式。分类根据前向和反向业务信道不同的物理层传输特性进行分类，每种RC支持一套数据速率。特性cdam2000的前向业务信道支持RC1到RC9；反向业务信道支持RC1到RC6。其中RC1和RC2用于后向兼容IS-95系统。前向反向,MobileCommunicationTheory,CDMA2000前向链路业务信道RC及其特性,BS必须支持在RC1、3或7中的操作，这3种RC是最基本的RCBS还可以支持在RC2、4、5、6、8或9中的操作支持RC2的BS必须支持RC1；支持RC4或5的BS必须支持RC3；支持RC6、8或9的BS必须支持RC7。BS不能在FL业务信道上使用RC1或2的同时使用RC3、4或5,MobileCommunicationTheory,CDMA2000反向链路业务信道RC及其特性,MS必须支持在RC1、3或5中的操作，这3种RC是最基本的RC。MS还可以支持在RC2、4或6中的操作。支持RC2的MS必须支持RC1；支持RC4的MS必须支持RC3；支持RC6的MS必须支持RC5。MS不能在RL业务信道上使用RC1或2的同时使用RC3或4,MobileCommunicationTheory,物理信道与逻辑信道,表示法映射MAC层和LAC层都在逻辑信道上传送信令与数据逻辑信道的信息最终要在一个或者多个物理信道上承载映射可以是永久性的，也可以只在一个呼叫期间内进行定义,MobileCommunicationTheory,CDMA20001x空中接口物理层,物理层的主要特性前向链路信道组成前向链路的差错控制前向链路中的扩频码前向链路发射分集前向链路信道结构前向链路扩频调制,反向链路信道组成反向链路中的差错控制反向链路中的扩频码反向链路信道结构反向链路扩频调制,MobileCommunicationTheory,CDMA20001x物理层的主要特性,支持新的无线配置前向链路引入辅助导频采用变长的Walsh码引入准正交函数支持Turbo编码前向链路的发射分集前向链路采用快速功率控制,增加了反向导频信道反向链路信道码分复用反向链路连续的波形引入前向快速寻呼信道增加了反向增强接入信道采用新的扩频调制方式支持可变的帧长,MobileCommunicationTheory,CDMA20001x前向链路信道组成,前向链路物理信道由适当的Walsh函数或准正交函数（quasi-orthogonalfunction，简称QOF）进行扩频。前向链路物理信道名称及分类前向链路物理信道数据速率,图10-11CDMA20001x前向链路物理信道划分,MobileCommunicationTheory,前向链路物理信道名称及分类,MobileCommunicationTheory,前向链路公共物理信道数据速率,MobileCommunicationTheory,前向链路专用物理信道数据速率,MobileCommunicationTheory,CDMA20001x前向链路的差错控制技术,CDMA2000系统针对不同的数据速率的业务需求，采用了多种差错控制技术：循环冗余校验编码（CRC）前向纠错编码（FEC）交织编码,MobileCommunicationTheory,CDMA20001x前向链路对FEC的要求,MobileCommunicationTheory,CDMA20001x前向链路中的扩频码,CDMA20001x中采用的码字PN短码PN长码Walsh码准正交函数,结构与IS-95相同,MobileCommunicationTheory,Walsh码1,CDMA20001x系统所使用的Walsh码的最大长度为128。为了提供高速数据业务，同时保持前向链路中恒定的码片速率，需要使用变长的Walsh码分配必须保证与其他码分信道之间的正交关系,MobileCommunicationTheory,Walsh码2,MobileCommunicationTheory,目的弥补Walsh码数量不足的情况正交扩频过程掩码QOFsignWalshrot掩码函数表,准正交函数（QOF）,MobileCommunicationTheory,正交扩频过程,图10-16QOF进行正交扩频,MobileCommunicationTheory,掩码函数表,CDMA20001x中使用的两个掩码函数如表所示生成的QOF长度为256,MobileCommunicationTheory,CDMA20001x前向链路发射分集,为了克服信道衰落，提高系统容量，CDMA2000允许采用多种分集发送方式：多载波发射分集正交发送分集（OTD，OrthogonalTransmissionDiversity）空时扩展分集（STS，SpaceTimeSpreading）,CDMA20001x支持,MobileCommunicationTheory,正交发送分集,高一阶Walsh码的过程，这种重复方式保证了两路Walsh扩展的正交性。这是一种开环分集方式。采用OTD发送分集方式，其中一个导频采用公共导频，另一个天线需要应用发送分集导频，并且两个天线的间距一般要大于10个波长的距离，以得到空间的不相关性。这种发送方式与普通方式基本相同，只是码重复不同。码重复过程可以看作是两路数据分别经过一个构造输出与性能,图10-17正交发送分集结构,MobileCommunicationTheory,正交发送分集的输出与性能,原始数据进行数据分离，然后经过符号重复和Walsh扩频后的输出为式中，W1和W2分别表示两个Walsh码性能由于发送分集中，信号在时间域和频率域内没有冗余，这样发送分集不会降低频谱利用率，因而有利于高速数据传输。但是由于采用了多天线，在空间域引入了冗余，并且两个天线发送的信号到达移动台不相关，这样使得传输的性能得到了提高。,MobileCommunicationTheory,空时扩展分集,空时扩展发送分集是另外一种开环发送分集方式。编码、交织符号采用多个Walsh码进行扩频，STS方式是空时码中空时块码的一种实现方式。输出与性能,图10-18空时扩展分集结构,MobileCommunicationTheory,空时扩展分集的输出与性能,输出其中，W1和W2为两个正交的Walsh码。性能STS发送分集方式在移动台接收端的解扩基于Walsh码的积分，空时块码的构造和译码比较简单，而且当一根天线失效时仍能工作。与OTD发送分集方式相比，由于STS扩展扩频比的加倍，每个符号的能量在总能量不变的条件下与普通的模式是相同的，而且每个符号经历的独立衰落信道数目是OTD方式的一倍，因此STS分集性能要高于OTD方式。,MobileCommunicationTheory,CDMA20001x前向链路信道结构(编码部分),与IS-95兼容，支持IS-95系统中的前向物理信道（F-PICH、F-SYNCH、F-PCH、F-FCH、F-SCCH）。结构上的变化：采用复扩频方式，编码、扰码后的输出只送到复扩频部分的I支路，而向Q支路输入0。,前向公共指配信道前向公共控制信道前向专用控制信道前向基本信道前向补充信道前向补充码分信道,前向导频信道前向同步信道前向寻呼信道前向广播控制信道前向快速寻呼信道前向公共功率控制信道,MobileCommunicationTheory,CDMA20001x反向链路信道组成,无线配置为RC1到RC4。区分方式与前向链路相同。反向链路物理信道名称及分类反向链路物理信道数据速率,图10-35CDMA20001x反向链路物理信道划分,MobileCommunicationTheory,反向链路物理信道名称及分类,MobileCommunicationTheory,反向链路物理信道数据速率,MobileCommunicationTheory,CDMA20001x反向链路中的差错控制,循环冗余校验编码和Turbo码与前向链路相同前向纠错编码的要求卷积编码交织编码,MobileCommunicationTheory,反向链路对前向纠错编码的要求,注：N是每帧的信息比特数,MobileCommunicationTheory,CDMA20001x反向链路信道结构,反向导频信道反向接入信道反向增强接入信道反向公共控制信道反向专用控制信道反向基本信道反向补充信道反向补充码分信道,MobileCommunicationTheory,cdma20001x空中接口第二层,MAC子层信令和业务数据的复用和QoS控制，LAC子层信令信息的打包、分割、重装、寻址、鉴权以及重传控制。,MobileCommunicationTheory,MAC子层,信令无线突发协议（SRBP）子层信令信息的“尽力传送“功能无线链路协议（RLP）子层业务信息的“尽力传送“功能复用与QoS子层协调冲突请求安排优先级确保QoS级别,MobileCommunicationTheory,LAC子层,为第三层协议提供在物理层无线信道上可靠传输的机制信令信息的打包分割与重装鉴权与寻址重传控制,MobileCommunicationTheory,LAC子层,MobileCommunicationTheory,cdma20001x空中接口第三层,第三层的信令结构以及与第二层的接口安全和认证规范第三层信令的控制及应用呼叫处理鉴权与加密登记切换消息及消息的格式（PDU格式）,MobileCommunicationTheory,cdma20001x中的功率控制与系统切换,反向功率控制开环功率控制/闭环功率控制反向导频的发射功率作为参考值维持专用信道与导频信道之间的功率比例调整反向导频信道功率来进行功率控制。前向功率控制基于功控控制指令的快速功率控制,MobileCommunicationTheory,cdma20001x反向闭环功率控制,MobileCommunicationTheory,cdma20001x前向快速功率控制,MobileCommunicationTheory,cdma20001x分组域核心网,支持大范围的地址配置，包括动态和静态归属地址配置提供无缝漫游服务提供可靠的认证与授权服务提供QoS服务，以支持不同等级的业务提供计费服务，支持根据QoS信息计费，支持对漫游用户的计费等,MobileCommunicationTheory,cdma20001x分组域功能模型,MobileCommunicationTheory,简单IP,最基本的业务模式PDSN建立PPP连接，由PDSN负责数据的收发，采用动态IP地址分配不能保证用户移动时的业务持续性当用户移动在不同的PDSN所覆盖的网络间移动时，网络将中断用户当前的连接，如果用户要继续数据服务，必须重新拨号连接，网络将分配新的IP地址。简单IP只能提供用户主动发起的业务Internet浏览Email收发等等（“Get”业务）不能提供网络侧主动发起的业务（“Push”业务）。,MobileCommunicationTheory,移动IP,户可在移动时，IP地址保持不变可以实现由网络发起的业务。归属代理服务器（HA），负责分配IP地址分组数据通过隧道技术发送给移动用户，并实现PDSN之间的移动管理。,MobileCommunicationTheory,移动IP网络结构,MobileCommunicationTheory,MobileCommunicationTheory,概述,WCDMA技术特点宽带直扩码分多址（DS-CDMA）系统5MHz带宽3.84Mchip/s码片速率可变的用户速率频分双工（FDD）和时分双工（TDD）支持异步基站上下行链路采用基于导频符号或公共导频的相干检测,MobileCommunicationTheory,WCDMA的主要参数,MobileCommunicationTheory,11.2WCDMA的标准体系,MobileCommunicationTheory,WCDMA的标准体系,基于蜂窝网络结构特点，WCDMA无线通信协议栈可划分为接入层(AccessStratum)和非接入层(Non-AccessStratum)。WCDMA无线接入部分标准主要覆盖了OSI模型的低三层，分别是:物理层(L1)、数据链路层(L2)、网络层(L3)。,MobileCommunicationTheory,WCDMA的标准体系,物理层是由一系列的上、下行物理信道组成，提供信息传输通道。链路层基本功能是对物理层的资源进行管理和控制，并根据所配置的参数通过ARQ等方式对上层提供有不同服务质量(QoS)要求的服务网络层还兼顾了传输层、会话层、表示层和应用层的功能，它负责各种业务的呼叫信令处理，以及话音、数据等业务的控制和处理。,MobileCommunicationTheory,WCDMA的标准体系,WCDMA系统的协议栈分为用户平面和控制平面。物理层、MAC子层和RLC子层为控制平面和用户平面所共用，L3层中处理信令的部分归类于控制平面，PDCP、BMC和应用层的用户数据部分则归类于用户平面。,MobileCommunicationTheory,11.3WCDMA的信道结构,图11.1物理层接口,MobileCommunicationTheory,WCDMA的信道结构,传输信道介于MAC和层一之间,分为公共传输信道和专用传输信道两种类型。公共传输信道包括随机接入信道（RACH）、前向接入信道（FACH）、下行共享信道（DSCH）、公共分组信道（CPCH）、广播信道（BCH）和寻呼信道（PCH）。专用传输信道只有一种，即为专用信道（DCH）,MobileCommunicationTheory,WCDMA的信道结构,逻辑信道介于MAC和RLC之间，分为控制信道和业务信道。控制信道只用于控制平面信息的传送，包括广播控制信道（BCCH）、寻呼控制信道（PCCH）、公共控制信道（CCCH）、专用控制信道（DCCH）和共享信道控制信道（SHCCH）。业务信道只用于用户平面信息的传送包括专用业务信道（DTCH）、公共业务信道（CTCH）。,MobileCommunicationTheory,专用传输信道,专用传输信道用于发送特定用户物理层以上的所有信息，其中包括实际业务的数据以及高层的控制信息。专用传输信道主要特征包括诸如：快速功率控制，诸帧快速数据速率变化，以及通过改变自适应天线系统的天线权值来实现对某小区或某扇区的特定部分区域的发射等，还支持软切换。,MobileCommunicationTheory,公共传输信道,广播信道下行传输信道，用于广播系统或小区特定的信息在整个小区内发射，并且有一个单独的传送格式前向接入信道下行传输信道，用于向位于某一小区的终端发送控制信息，寻呼信道下行传输信道，用于发送与寻呼过程相关的数据用于网络与终端进行初始化,MobileCommunicationTheory,公共传输信道,随机接入信道上行传输信道，发送来自终端的控制信息上行链路公共分组信道RACH信道的扩展发送基于分组的用户数据下行链路共享信道发送专用用户数据和/或控制信息的传输信道可以由几个UE共享,MobileCommunicationTheory,传输信道到物理信道的映射,MobileCommunicationTheory,物理信道,物理信道是由特定的载频、扰码、信道化码、开始和结束时间的持续时间段，上行链路中的相对相位来定义的。无线帧是一个包括15个时隙的处理单元，一个无线帧的长度是38400chips（10ms）。时隙是由包含一定比特的字段组成的一个单元，时隙的长度是2560chips。,MobileCommunicationTheory,上行专用物理信道,分为上行专用物理数据信道（上行DPDCH）和上行专用物理控制信道（上行DPCCH）DPDCH和DPCCH在每个无线帧内是I/Q码复用。上行DPDCH用于传输专用传输信道（DCH），在每个无线链路中可以有0个、1个或几个上行DPDCH上行DPCCH用于传输控制信息，包括支持信道估计以进行相干检测的已知导频比特、发射功率控制指令（TPC）、反馈信息（FBI）、以及一个可选的传输格式组合指示（TFCI）,MobileCommunicationTheory,上行专用物理信道,图11.3上行DPDCH/DPCCH的帧结构,MobileCommunicationTheory,上行公共物理信道,物理随机接入信道（PRACH）基于带有快速捕获指示的时隙ALOHA方式的传输PRACH分为前缀部分和消息部分UE可以在一个预先定义的时间偏置开始传输，表示为接入时隙物理公共分组信道（PCPCH）基于带有快速捕获指示的DSMA-CD（DigitalSenseMultipleAccess-CollisionDetection）方法传输定时和结构与RACH相同,MobileCommunicationTheory,下行专用物理信道,即下行DPCH,图11.4下行DPCH的帧结构,MobileCommunicationTheory,下行公共物理信道,公共导频信道CPICH固定速率（30kbps、SF=256）传送预定义的比特/符号序列主CPICH和从CPICHP-CPICH是SCH、主CCPCH、AICH、PICH、AP-AICH、CD/CA-ICH、CSICH和PCH映射的S-CCPCH信道的相位基准，P-CPICH也可以是FACH映射的S-CCPCH和下行DPCH缺省相位基准,MobileCommunicationTheory,下行公共物理信道,公共控制物理信道（CCPCH）主公共控制物理信道（P-CCPCH）从公共控制物理信道（S-CCPCH）P-CCPCH固定速率（30kbps、SF=256）传输BCH帧结构没有TPC指令、TFCI、导频比特在每个时隙的第一个256chips内，发射主SCH和从SCHS-CCPCH用于传送FACH和PCH可以通过包含TFCI来支持可变速率,MobileCommunicationTheory,下行公共物理信道,同步信道（SCH）用于小区搜索的下行链路信号主SCH和从SCH物理下行共享信道（PDSCH）传送下行共享信道（DSCH）寻呼指示信道（PICH）固定速率（SF=256）传输寻呼指示（PI）,MobileCommunicationTheory,WCDMA的链路,信道化码,调制,扰码,下行链路扩频,上行链路扩频,MobileCommunicationTheory,信道化码,信道化码用于区分来自同一信源的传输WCDMA的扩频/信道化码是基于正交可变扩频因子技术（OVSF）物理信道要采用某个信道化编码必须满足：某码树中的下层分支的所有码都没有被使用，也就是说此码之后的所有高阶扩频因子码都不能被使用,MobileCommunicationTheory,信道化码,图11.6用于产生正交可变扩频因子码OVSF的码树,MobileCommunicationTheory,扰码,扰码的目的是为了将不同的终端或基站区分开来。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。下行物理信道是由218阶的gold序列组成,MobileCommunicationTheory,扰码,图11.7上行扰码序列产生器结构图,MobileCommunicationTheory,扰码,图11.8下行链路扰码产生器,MobileCommunicationTheory,上行链路扩频,上行链路扩频包括DPDCH/DPCCH、PRACH和PCPCH三种。,图11.9上行链路扩频,MobileCommunicationTheory,上行链路扩频,PRACH消息部分和PCPCH消息部分扩频和扰码原理与专用信道相同，包括数据和控制部分，对应专用信道的DPDCH和DPCCH。,MobileCommunicationTheory,下行链路扩频,图11.10下行物理信道的扩频,MobileCommunicationTheory,调制,WCDMA系统的调制码片速率是3.84Mcps，通过扩频产生的复数值码片用QPSK方式进行调制，上下行链路调制相同。,MobileCommunicationTheory,WCDMA的信道编码,卷积码。用于BER为10-3级别的业务，如话音业务。RS码与卷积码的串行级联。用于BER为10-310-6的业务Turbo码用于高速率高质量的业务。业务专用编码。业务自带特殊的编码,MobileCommunicationTheory,WCDMA的功率控制,在保证用户要求的QoS的前提下，最大程度降低发射功率，减少系统干扰，增加系统容量，是WCDMA技术中的关键前向功率控制（即控制基站发射功率）反向功率控制（即控制移动台发射功率）确保系统容量和通信质量，克服衰落和解决远近效应等问题,MobileCommunicationTheory,反向开环功率控制,反向开环功率控制首先工作使所有移动台发出的信号在到达基站时有相同的功率值检测收到的基站导频信号功率，若移动台收到的信号功率小，移动台将根据预测增大发射功率；反之，移动台将减小发射功率,MobileCommunicationTheory,反向闭环功率控制,基站对解调后反向业务信道信号的信噪比(SNR)每隔一定时间检测一次，然后将其与事先设定的门限比较，若收到的SNR高于门限值，基站就在前向信道上送出一个减小移动台发射功率的指令；反之，就送出一个增大移动台发射功率的指令。一次调整发射功率的值：“功率控制步长”，功率控制的步长和频率由功率控制算法决定,MobileCommunicationTheory,反向外环功率控制,动态调整反向闭环功率控制中的信噪比门限,MobileCommunicationTheory,前向功率控制,慢速功率控制路径衰落小的移动台分配相对较小的前向发射功率解调信噪比低的移动台分配较大的前向发射功率基站通过移动台对前向解调误帧率的反馈报告，决定对该移动台前向链路功率的增大或减小,7.5,MobileCommunicationTheory,WCDMA的网络结构,MobileCommunicationTheory,体系结构,UE用户终端设备NodeB基站，完成Uu接口物理层协议的处理RNC执行系统信息广播与系统接入控制功能切换和RNC迁移等移动性管理功能宏分集合并功率控制无线承载分配等无线资源管理和控制功能CN核心网络负责与其他网络的连接和对UE的通信和管理。,MobileCommunicationTheory,系统接口,Cu接口USIM卡和ME之间的电气接口Uu接口无线接口开放的标准接口Iu接口连接UTRAN和CN的接口，类似于GSM系统的A接口和Gb接口。开放的标准接口。Iur接口连接RNC之间的接口开放的标准接口。Iub接口连接NodeB和RNC开放的标准接口,TD-SCDMA技术标准（1）,工作在