WCDMA移动通信系统基本知识介绍_图文

1、WCDMA移动通信系统基本知识介绍技术研发部毕猛内容提要1. WCDMA导论2. 物理层3. 移动性管理4.无线资源管理Section 1 W-CDMA 导论主要内容多址接入及双工技术WCDMA新特点WCDMA与GSM的主要区别业务分类UMTS系统结构DS-CDMA码字Rake接收机发射分集频率时间功率频率时间功率频率时间功率FDMA TDMACDMA 通信系统中有三种多址接入技术:频分多址Fre时分多址Fre+Ts 码分多址Fre+Code多址接入双工间隔:190MHzFDD时间频率功率5 MHz5 MHz码复用& 频分双工ULDLUMTS 用户1UMTS 用户2时间频率功率TDD5 MHz

2、DL UL DL码复用&时分双工DL 666.67 sULUMTS 用户2UMTS 用户1W-CDMA: FDD or TDD双工技术WCDMA的新特点 WCDMA的新特点9提供高速的数据速率,最高可达到2Mbps,将来如果采用HSDPA将提高到810Mbps(甚至到20Mbps,如果采用MIMO天线技术。9可变比特速率。(可变扩频因子9采用异步方式,无需GPS精确定时,方便室内规划。9支持上、下行不对称的业务,如视频点播和网页浏览,下行业务远大于上行业务。9更高的频谱利用率,频率复用度为1。91500Hz的快速功率控制,更好地克服快衰落的影响。0.5、1、1.5、2 dB (可变功率控制步长

3、1500Hz功率控制频率软切换,更软切换,硬切换切换666.7us时隙长10ms (包含15个时隙帧长2Mbps (for Release99&Release4最大业务速率 3.84Mcps码片速率上行BPSK ,下行QPSK 调制方式分组和电路交换数据类型Node B :-121dBm ,MS :-117dBm (BER 为10-3接收机灵敏度Rake 接收机接收机异步方式同步方式卷积编码,Turbo 编码(对高速业务信道编码8种速率的AMR 编码(4.7512.2kbps语音编码 4.45.2MHz载波间隔1频率复用度25MHz 最小频率需求上行:19201980MHz,下行:211021

4、70MHz 规划频段频率栅格与定标频率WCDMA 的主要参数语音和低速数据业务(理论最大171.2kbps ,实际几十kbps AMR 语音(4.7512.2kbps、CS64kbps 、最大2Mbps 的分组数据业务。业务硬容量,不受覆盖和干扰的影响软容量,受覆盖和干扰影响容量不受负载影响受负载影响覆盖信号强度导频信道的Ec/Io 导频覆盖的主要判别依据频率规划扰码规划小区规划硬切换硬切换、软切换切换标准不支持支持,提高下行链路的容量下行发射分集GPRS 中基于时隙的调度基于负载的分组调度分组数据跳频MHz 频率的带宽使其可以采用Rake 接收机进行多径分集,宽频可以更好的克服衰落的频率选择

5、性。频率分集2次/秒或更低1500次/秒功率控制频率TDMA CDMA 多址方式1181频率复用度200kHz 5MHz 载波间隔GSMWCDMAWCDMA 与GSM 的主要区别WCDMA的主要业务分类 会话类型基本特点:对时延要求最高,具有很强的实时性,要求实时会话总是发生在对等的终端用户之间,业务量对称或者基本对称。要求的最大时延需满足人主观对音频、视频的感觉(主观测量大约需小于400ms。典型应用:语音业务、可视电话、视频会议。数据流类型基本特点:数据流类型业务是非常不对称的,故它对时延要求比会话类型低,允许有较大的时延,但可以通过流式多媒体技术把数据转换成一个稳定均匀而连续的流来处理,

6、对于较大时延引起的抖动,可以通过缓存来平滑,最终需保持业务流中各信息实体的时间关系。典型应用:视频点播。WCDMA的主要业务分类互动类型基本特点:对时延的要求更低,采取终端用户请求响应模式,要求较低的误码率。典型应用:网页浏览、网络游戏。后台类型基本特点:数据流类型对时延要求最低,允许有很大的时延,接收端并不期待数据在短时间内到来,对发送的时间也不太敏感。发送的内容不需透明传送,但必须无差错接收。典型应用:E-mail、短消息、彩信、电子明信片、下载服务。图1 UMTS网络单元构成示意图UEUSIMMECuMSC/VLRSGSNHLRGGSNGMSCPLMN.PSTN ISDN.etcInte

7、rnetUuNode BNode BRNCNode BNode BRNC IubIur UTRAN Iu-CSCN外部网络Iu-PSGnNc UMTS 系统结构z 各网元与GSM 网元的对比及不同;Iub 接口的开放问题;设计时需考虑的方面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如AMR 编码BitSymbolChip加扰5M 带宽加差错保护,如加CRC 校验WCDMA 系统的基本框图DS-CDMA发射端T bitT chipData sequencespreading sequencetransmitted sequencea 2T bit = E bit1/T bitT c

8、hip = E chip1/T chipFrequencya 2T chip1/T chip+a-a-1+1-a+a x =DatasequenceTransmitted signalSpreading sequence generatorModulationx(tPower spectrum直接扩频的意义T bitT chipData sequencespreading sequencereceived sequencea 2T bit = E bitPower spectrum1/T bitT chip = E chip1/T chipFrequency a 2T chip+a -a-1+

9、1-a+a x=1/T chipReceived signalDatasequenceSpreading sequence generatorDemodulationx(t接收端DS-CDMA物理信道= 频率+ 码字(+相位= 频率+ 扩频码+ 扰码(+相位物理信道= 频率+ 码字(+相位= 频率+ 扩频码+ 扰码(+相位 信道化码(OVSF codes:扰码(Scrambling codes:上行:区分同一RNC 下的不同的用户;下行:区分不同的小区;上行:在同一UE 进行多码道传输时,区分不同的物理信道;下行:区分同一小区下的不同物理信道;Scrambling code OVSF code

10、 1OVSF code 2OVSF code 3User 1 signal User 2 signal User 3 signalScrambling code 1Scrambling code 2Scrambling code 3User 1 signalUser 2 signalUser 3 signalOVSF code 1OVSF code 1OVSF code 2下行上行?为什么上下行有这样的差别信道化码-OVSFSF = 1SF = 2SF = 4SF = 8 to 512C 1,0 = 1C 2,0 = 1 1C 2,1 = 1 -1C 4,0 = 1 1 1 1C 4,1 =

11、1 1 -1 -1C 4,2 = 1 -1 1 -1C 4,3 = 1 -1 -1 1码树High data rates: low SF Low data rates: high SFSymbolRateMcps SymbolRate ChipRateN N T T SF SymbolChip ChipSymbol 84.3=9扩频码与业务速率的映射;9扩频增益、处理增益的关系扩频码特点:9非连续性;2的k 次方;9SF 本身代表其长度;9SF 代表本身可用SF 码的个数;+-1-1-1-1-1-1-111111111-1*1111-1-1-1-1C jC kT o synchronizati

12、on = 0无相关性正交+-1-1-1-1-1-1-111111111-1*11111-11-1C jC kno T o synchronization = 4小的相关性不正交2个码由同一个发射机发射2个码由不同UE 或者BTS 发射需要扰码正交性码字越短,轻微不同步下正交性越差!信道化码的分配码字正交性,父子关系;码字分配原则:z 尽量保留扩频因子小的码字以提高利用率;z 尽量上、尽量右;下行:4512个上行4256个信道化码的上下行分配:动态、静态信道化码分配举例:C1,0C2,0C2,1C4,0C4,1C4,2C4,3C8,0C8,1C8,2C8,3C8,4C8,5C8,6C8,7我要S

13、F=4我要SF=4码字受限:7153030123链接数8163232128SF 384kbps144kbps 64kbps 64kbps 12.2kbps 业务速率PS384PS144PS 64CS64AMR12.2业务类型码字受限:扰码PN序列PN 序列属性触发、求和式移位寄存器Sequence repeats every 2N-1chips,where N is number of cells in register 极好的自相关性和自身不移位序列100%相关和自身移位序列不相关或者相关性很小 极好的互相关性和其他扰码相关性很小上行扰码共有224个长38,400 chips 的长扰码共有2

14、24个长38,400 chips 的长扰码225-1 chip 长序列X 25+ X 3+ 1X 25+ X 3+ X 2+ X + 1IQ上行扰码分配下行扰码8192 个扰码512 组( 1个主扰码+15个辅扰码512个主扰码分为64组大概有262,143( 218-1个不同的下行扰码规范从中选取8192 个扰码来应用8192.Cell #1Cell #512.主扰码辅扰码#1辅扰码#2辅扰码#15下行扰码分配码字RAKE 接收机TX D(tDelay 0Delay 1C(t-0(+D(tC(t-1Delay (1RXC(t-n Delay (0Delay (n RX RX C(t01nD(

15、tD(t利用多径分集BTSSpreading&ScramblingRake 接收机可以将多径环境下产生的多路信号进行合并,有效地克服多径干扰,提高了接收性能。它有多个fingers ,每个对应一条多径信号。先将接收到的信号用经过时间对齐的码解扩,然后将每路信号按照相等的增益或者最大比合并的方式进行合并。基站与UE 中Rake Receiver 占用的差别,原因?软切换更软切换对其占用的差别?RAKE 接收机发射分集发射分集有两种:z开环发射分集:不需要移动台的反馈,基站发射的源信道比特先经过空间时间块编码,再在移动台中进行分集接收解码,改善接收效果。z闭环发射分集:需要移动台的协助,移动台实时

16、监测来自基站两根天线的信号幅度和相位,然后在上行信道的DPCCH中发送FBI(反馈指示信息来通知基站两根天线下次应该发送的幅度和相位(闭环模式1只调整相位,模式2相位和幅度都调整b 0 b 1b2b3b0b1 b 2b3b2b3 b 0 b1天线 1天线 2源信道比特发送到天线1、2,经STTD编码后的信道比特QPSK开环发射分集编码开环发射分集Spread/scramble w 1w 2D P CH DPCCHDPDCHCPICH1CPICH2天线1天线2加权值生成W1测定来自上行DPCCH的FBI值。W2RX1RX2用于DPCH传输的支持闭环模式发射分集的发射机结构图闭环发射分集Secti

17、on 2物理层物理信道逻辑信道传输信道传输子层物理信道物理子层PHY (物理信道RLC (无线链路控制MAC (媒体接入控制物理信道的定义:特定的载频(Carrier Frequency + 扰码(Scrambling Code + 信道化码(Channelization Code +(相位信道映射传输信道DCHBCH FACHPCH DSCH 物理信道Primary Common Control Physical Channel (P-CCPCHSecondary Common Control Physical Channel (S-CCPCHSynchronization Channel

18、(P-SCH&S-SCHCommon Pilot Channel (CPICHAcquisition Indicator Channel (AICHPaging Indicator Channel (PICH Dedicated Physical Data Channel (DPDCHDedicated Physical Control Channel (DPCCHCPCH Status Indicator Channel (CSICHAccess Preamble Acquisition Indicator Channel (AP-AICHCollision Detection/Channe

19、l Assignment Indicator Channel (CD/CA-ICHPhysical Downlink Shared Channel (PDSCHDCH Dedicated Physical Data Channel (DPDCHDedicated Physical Control Channel (DPCCHPhysical Random Access Channel (PRACHPhysical Common Packet Channel (PCPCHRACH CPCH D o w n l i n k U p l i n k BCH 、PCH 、RACH 一定是采用1/2卷积

20、信道编码,其他传输信道可根据Qos 要求来选择其他方式;业务的物理信道处理(ITraffic Layer 1 control TrafficLayer 1 control (I(QModulation Modulation 比特复用基带调整码分物理信道复用调制Time Multiplexing NRZ coding Channelization S/P ChannelizationScrambling 空中接口上行上行下行下行串-并变换多径处理多址NRZ coding Channelization NRZ coding Channelization Scrambling (QScramblin

21、g Scrambling?为什么这样设置下行扩频和调制DPCH 1S/P OVSF 1Scrambling Gain 1IQS/P OVSF 2Scrambling Gain 2DPCH 2IQ S/P OVSF N Scrambling Gain N.CPICH I Q Repetition Gain P P-SCH IQGain S Repetition S-SCH IQ(I(Q 3.84 Mcps 3.84 Mcps QPSKModulation上行编码举例DCCHUplinkDTCH480kbps DPDCHTurbo Code R=1/31215121512151215Radio f

22、ram e FN=4N+1Radio fram e FN=4N+2Radio fram e FN=4N+3Radio fram e FN=4N Information dataCRC detectionRate m atching2nd interleaving480032032012151215121512320154702984702984702984702#1 4702#2 4702#3 4702#4 4702#1 98#2 98#3 98#4 9848004800480017400174005792Termination 2x12CRC16288098360360112Tail8100

23、Header 16CRC12paddingMax. 801st interleaving Radio Frame segm entation slot segmentationCRC detection Layer 3LAC header,padding discardTail bit discard Viterbi decoding R=1/31 st interleaving#1 4350#2 4350#3 4350#4 4350#1 90#2 90#3 90#4 90288028802880CRC16上行144kbps8%的重复率上行384kbps18%的打孔率DCCHUplinkDTC

24、H960kbps DPDCHTurbo Code R=1/31215121512151215Radio frame FN=4N+1Radio frame FN=4N+2Radio frame FN=4N+3Radio frame FN=4N Information dataCRC detectionRate matching2nd interleaving960064064012151215121512640159525759525759525759525#1 9525#2 9525#3 9525#4 9525#1 75#2 75#3 75#4 759600960096004632046320

25、15424Termination 4 x12CRC161536075360360112Tail8100Header 16CRC12paddingMax. 801st interleaving Radio Framesegmentation slot segmentationCRC detection Layer 3LAC header,padding discardTail bit discard Viterbi decodingR=1/31st interleaving#1 11580#2 11580#3 11580#4 11580#1 90#2 90#3 90#4 903840384038

26、4038403840384038403840上行编码举例384 kbps Data 举例(下行对应SF=8DTCH DCCHTurbo code R=1/328028090509050905090509120905090509050905070Radio frame FN=4N+1Radio frame FN=4N+2Radio frame FN=4N+3 Radio frame FN=4NInformation dataCRC detection2nd interleaving912091209120707070#1 70#2 70#3 70#4 70 11568385638403840CR

27、C16360100100CRC12Rate matching1st interleavingCRC detectionInformation data90509050Radio FrameSegmentationslot segmentation480 ksps DPCH(including TFCI bitsRate matching1st interleaving01140160860860814011401608608608140114016086086081401140160860860814Termination 12112Tail8Tail bit discardViterbi d

28、ecoding R=1/3串并变换速率减半DPCCH 补充剩余cos(o t-sin(o tPulse Shapin gPulse Shapin gChip ModulationScramblingcodeNRZNRZOVSF 4,1OVSF 256,0dcDPDCH 1DPCCHData Control NRZOVSF 4,2d DPDCH 3NRZOVSF 4,3dDPDCH 5NRZOVSF 4,1dDPDCH 2NRZOVSF 4,2dDPDCH 4DPDCH 6NRZOVSF 4,3d如何实现上行2Mbps物理层扩频因子VS 无线承载举例115kbps 240 kbps 16Spee

29、ch 12.2 + Data 64kbps UL 348 kbps 3x1872 kbps 4Data 2048kbps DL130 kbps210 kbps32Speech 12.2 + Data 64kbps DL615kbps 5760kbps 4Data 2048kbps UL 148 kbps 912 kbps 8Data 384kbps DL 115kbps 960 kbps 4Data 384kbps UL 148 kbps 432 kbps 16Data 128kbps DL 115kbps 480 kbps 8Data 128kbps UL 130 kbps 210 kbps

30、 32Data 64kbps DL 115kbps 240 kbps 16Data 64kbps UL 19 kbps 21 kbps 256Speech 4.75 DL 115 kbps 30 kbps 128Speech 4.75 UL 19 kbps 51 kbps 128Speech 12.2 DL 115 kbps 60 kbps 64Speech 12.2 UL # of DPDCHsDPCCH bit rateDPDCH bit rate SF Radio bearer*由于不同的处理方法,相同业务速率在上行和下行的扩频因子是不同的。下行DPCCH 速率随DPDCH 速率变化。物

31、理层物理子层处理过程中,来自传输子层的数据比特被添加上控制比特。这些控制比特和下行数据比特时分复用,和上行数据比特并行分开。由物理子层添加的控制比特:TFCI (传输格式组合指示:通知接收端所使用的TFCPilot :发送接收端已知的序列(通过已知序列在空中传输畸变情况估计未知序列在空中传输后的畸变TPC (传输功率控制: 用于专用信道控制传输功率FBI (反馈信息: 用于上行(仅对专用信道 当基站使用的传输技术需要来自UE 的反馈(闭环发射分集。可选,通常没用。L1 控制比特类似于GSM 的训练序列P-SCH 主同步信道(DL主同步码(PSC 256 chip 长复数序列,不扩频,不加扰所有

32、小区使用相同的PSC 作用:移动台可以检测到小区并和时隙边界同步辅同步码(SSC256 chip 长复数序列,不扩频,不加扰16个不同的SSCs ,每个时隙一个15个SSCs 形成64个不同序列作用:移动台可以检测扰码组号和时隙号并同步到帧边界Primary SCH Secondary SCH 256 chips2560 chipsOne 10 ms SCH radio frameac s i,0ac p ac s i,1ac p ac si,14ac pSlot #0Slot #1Slot #14SCH 用于小区搜索,包含主同步信道(P-SCH 和辅同步信道(S-SCH两个子信道。PSC 与

33、SSC 并行传输。S-SCH.2560 chipsac p Slot # ?P-SCH ac p Slot #?166S-SCH ac p Slot #?11Group 2Slot 7, 8, 9256 chips扰码组#0#1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#11#12#13#14Group 0112891015810162715716Group 111516731416310512141210Group 212115551216611216111512Group 3123186525844637Group 412166611155121151216112Group 619101310

34、111515916121413161411Group 629111215129131311141016151416Group 639121015131491415111113121610CPICH 公共导频信道(DLP-CPICH 给出主扰码为SCH, P-CCPCH, AICH 和PICH提供相位参考总是在整个小区广播使用C ch,256,0 扩频,使用主扰码加扰在其它小区测量时的质量参考(Ec/IoS-CPICH(可选为S-CCPCH和DPCH提供相位参考不总是在整个小区广播可选,需要波束定形任意SF=256的信道化码预定义符号序列Slot #0Slot #1Slot #i Slot #1

35、4T slot = 2560 chips , 20 bits1 radio frame: T r = 10 ms公共导频信道是一个在整个小区广播的纯物理信道。它包含一个已知比特序列并和主、辅公共控制物理信道并行传送。用于确定主扰码和参考相位。P-CCPCH 主公共控制物理信道(DLSlot #0Slot #1Slot #i Slot #14T slot = 2560 chips , 20 bitsData 18 bits256 chips1 radio frame: T f = 10 msP-CCPCH bitsSCH bits OVSF 256,1主公共控制物理信道是一个固定速率(SF=25

36、6下行物理信道用于承载BCH 信道。在整个小区连续广播。SCH 和P-CCPCH 在每个时隙时分复用。物理层物理层 PRACH 物理随机接入信道 (UL RRC连接建立过程 物理随机接入信道是一个开环功率控制信道，具有冲突解决机制(ALOHA方法 可以使多个用户随机接入。由前缀和携带RACH消息的消息两部分组成。 Note：1个接入时隙=2个无线时隙，1个接入帧=2个无线帧 1 前缀 2 消息 16chips长签名重复 256次= 4096 chips 16 个可能的正交签名 16个可能的接入时隙 开环功率控制（P由P-CCPCH广播告知） One access slot AICH acces

37、s slots RX at UE 例子: RRC连接请求 持续10或者 20 ms SF=32, 64, 128 或者256 Restricted possibilities at first Ack PreambleN Preamble1 PRACH access slots TX at UE Pini PN Message 2005,CHINA INFORMATION TECHNOLOGY DESIGNING&CONSULTING INSTITUTE, Inc. All rights reserved. 物理层 AICH 捕获指示信道(DL 给予16个序列的完整应答 捕获指示信道是一个公共

38、下行信道用于控制上行随机接入。它携带捕获指 示(AI,每个对应PRACH(UL的一个签名。 SF=256。 32 bits AI part (4096 chips a0 a1 a2 a30 a31 1024 chips Transmission Off AS #14 AS #0 AS #1 AS # i Access Slot frame 20 ms AS #14 AS #0 s1 x (s0 +s7 = 0 s1 s0 x (s0 +s7 0 s0 s7 x (s0 +s7 0 s7 s0 s7 Continues open loop PC Users can send their RACH message 2005,CHINA INFORMATIO