WCDMA原理--中兴培训

1、WCDMA初中级培训WCDMA原理中兴通讯股份有限公司移动产品事业部3G产品部第1页，共62页。提纲2 WCDMA物理层过程提纲1 WCDMA移动通信基础知识第2页，共62页。提纲4 纠错编码技术提纲2 WCDMA需要解决的问题提纲5 交织技术提纲1 WCDMA移动通信环境提纲8 分集技术提纲3 多址接入技术WCDMA移动通信基础知识提纲6 复用技术提纲7 扩频技术第3页，共62页。WCDMA移动通信环境信道环境直射反射绕射无线传播方式时间接收信号强度第4页，共62页。WCDMA移动通信环境信道环境无线传播特性无线传播过程中，遇到的最主要问题有：发送信号接收信号0dB发送信号-25dB接收信号

2、衰落干扰此外还有因传播频率的扩散而引起的多普勒效应等。0 + 发送信号接收信号时延0 2 3 + 发送信号接收信号抖动第5页，共62页。WCDMA移动通信环境信道环境衰落无线环境中的信号衰减分成三部分：幅度衰减较大的路径损耗伴随中等幅度衰减的具有对数正态分布特性的慢变化成分大尺度衰落，也被称为遮蔽。衰减幅度较小的快变化成分小尺度衰落，也被称为多径衰落。两类典型小尺度衰落包络分布的描述方法瑞利（Rayleigh）分布不存在视距传播，衰落很深。莱斯（Rician）分布存在视距主径，衰落较浅。第6页，共62页。WCDMA移动通信环境信道环境典型信道划分室内或静态信道微微蜂窝很小的发射功率基站和用户都

3、位于室内路径损耗依赖于墙体、地板材料和金属结构的布局典型时延为50250ns第7页，共62页。WCDMA移动通信环境信道环境典型信道划分户外到户内步行信道微蜂窝小功率低速度天线一般低于建筑物顶室内覆盖依靠室外基站存在穿透损耗（典型值为12dB）同时存在视距传播和非视距传播路径损耗波动较大典型时延为0.2us第8页，共62页。WCDMA移动通信环境信道环境典型信道划分车速环境宏蜂窝大功率高速移动存在阴影多路反射路径损耗和环境有关第9页，共62页。WCDMA移动通信环境业务环境数据业务将占很大的比重不同的业务具有不同的QoS大量的突发业务业务在不同地理位置分布密度不同用户业务速率相差很大存在多址干

4、扰（MAI)第10页，共62页。WCDMA移动通信环境基本要求 信息传输速率：提供多速率的业务，最高可达2 Mbps 根据带宽需求实现的可变比特速率信息传递 一个连接中可以同时支持具有不同QoS要求的业务 满足不同业务的延时要求（从实时要求的语音业务到尽力而为的数据业务） 二代、三代系统共存和不同系统之间的切换和负荷平衡 支持上行和下行非对称业务 高的频谱效率第11页，共62页。WCDMA需要解决的问题提高无线资源利用率无线资源包括频率、功率、时间、空间和特征码等消除无线信道传输产生的不良影响，使对端尽可能收到满足要求的信息满足业务环境的要求，提供不同QoS要求、不同速率的多媒体业务第12页，

5、共62页。多址接入技术FrequencyTimePowerFrequencyTimePowerFrequencyTimePowerFDMATDMACDMA频分多址技术 业务信道在不同频段分配给不同的用户。如TACS、AMPS。时分多址技术 业务信道在不同的时间分配给不同的用户。如GSM、DAMPS。码分多址技术 所有用户在同一时间、同一频段上、根据不同的编码获得业务信道。CDMA第13页，共62页。多址接入技术 FDMA信道一次只能传递一个电话。如果某一信道空闲，也不能够被其他 用户使用以增加容量。符号时间比平均时延扩展大很多，故平均时延扩展造成的符号间干扰低。FDMA比TDMA简单，同步和组

6、帧比特少，系统开销小。FDMA需要精确的RF滤波器。非线性效应：许多信道共享一个天线，功率放大器的非线性会产生交调频率（IM），产生额外的RF辐射。FrequencyTimePower第14页，共62页。多址接入技术 TDMA多个用户共享一个载波频率，分享不同时隙。可以实现不连续发送，利用空闲时隙监听其他基站，实现切换处理。需要自适应均衡；需要保护时隙。分组发射需要额外的系统开销，如保护数据同步。按照不同的用户提供不同的带宽。质量控制通过频率规划来实现FrequencyTimePower第15页，共62页。多址接入技术 CDMA多用户同时共享同一频段无线资源。系统容量大，无线频谱效率率高。自干

7、扰性，远近效应。不相关码的选择和功率控制非常重要。易于实现宽带可变速率通信。支持多用户检测、软件无线电等新技术。FrequencyTimePower第16页，共62页。多址接入技术 WCDMA系统的优势采用RAKE接收机，有效利用了信道相干时间形成的时间分集效应；宽带传输系统，利用了信道的频率分集效果信号在信道中传输功率低，降低了干扰，提高了保密性扩频因子灵活变换，又助于多媒体等多速率并发业务的传输频谱效率高，优于以往的AMPS和GSM支持软切换和更软切换支持新技术的应用，如多用户检测第17页，共62页。纠错编码技术 卷积码 纠错编码技术是在发射端按一定规则引入冗余信息，从而使得即使空中传输引

8、入了误码，也能利用冗余信息将此错误纠正回来的技术。 在WCDMA系统中主要用于话音信道和控制信道，编码速率为1/2和1/3。卷积码特点：译码简单，时延小，一般采用维特比算法，信道误码率在103，适合实时业务，如话音和视频业务的传送。Output 0 G0 = 557 (octal) Input D D D D D D D D Output 1 G1 = 663 (octal) Output 2 G2 = 711 (octal) (b) Rate 1/3 convolutional coder 第18页，共62页。纠错编码技术 Turbo码第19页，共62页。交织技术在通信系统中，为了减少突发干

9、扰对连续数据造成的大面积差错，常采用交织来将突发干扰造成的连续差错化解为随机独立差错，使其适合于译码器的错误纠正。交织，就是打乱原来的数据排列规则，按照一定顺序重新排列。缺点： 带来了附加的额外延时 在特殊情况下，若干个随机独立差错有可能交织为突发差错。x1 x6 x11 x16 x21x2 x7 x22x3 x8 x23x4 x9 x24x5 x10 x25输入数据 A = (x1 x2 x3 x4 x5 x25)输出数据 A= (x1 x6 x11 x16 x25)举例：第20页，共62页。交织技术（续）交织器根据采用的技术不同，又可分为多种，如分组交织器、随机交织器、循环移位交织器、半随

10、机交织器、奇偶交织器、均匀交织器等。WCDMA系统采用了分组交织器（又称矩形交织器）和均匀交织器两种技术。分组交织器在第一次交织（帧间交织）和第二次交织（帧内交织）中用到，特点是方式简单、对短序列交织效果较好，但交织后码元的去相关不彻底。均匀交织器在Turbo编码中用到，其特点是交织算法复杂，但去相关较彻底。第21页，共62页。复用技术复用技术是指将具有相同或不同QoS要求的业务复用到一个物理信道中进行传输的技术。由于业务种类及其QoS要求千变万化，但物理信道的能力只是有限的几个等级。如何在保证各种业务QoS要求的前提下高效地复用到一个物理信道中传输是复用算法首要考虑的问题。这就牵涉到速率匹配

11、的问题，它是复用技术的核心之所在，同时还牵涉到信道编码方案等其它技术的选用问题。业务3业务2业务1业务4第22页，共62页。扩频技术扩频通信就是将信号的频谱展宽后进行传输的技术。其理论解释为Shannon定理： C=Wlog2(1+S/N)FastSpreadingSequenceSlowInformationSentTXSlowInformationRecoveredRXFastSpreadingSequenceWidebandSignal第23页，共62页。fS（f）f0扩频前的信号频谱信号S（f）ff0扩频后的信号频谱信号S（f）ff0解扩频后的信号频谱信号干扰噪声fS（f）f0解扩频前

12、的信号频谱信号干扰噪声信号脉冲干扰白噪声扩频通信示意图第24页，共62页。扩频通信的特点抗多径干扰能力强抗突发脉冲干扰保密性高低发射功率对其他通信系统和人体的影响较小易于实现大容量多址通信占用频带宽实现复杂在时变信道中实现同步较为困难第25页，共62页。直接扩频（DSSS）通过将伪噪声序列与基带脉冲数据相乘来扩展基带数据，其伪噪声序列由伪噪声生成器产生误码率受限于多址干扰和远近效应的影响用功率控制来克服远近效应，受限于功率检测的精度WCDMA采用的是直接扩频方式跳频扩频（FHSS)数据以发射机的载波频率跳变的方式发送到表面上随机的信道中每个信道上，在发射机再次调频之前，数据用传统的窄带调制方式

13、发送一些小的突发无远近效应的影响，因为多个用户不会同时使用同一频率（Bluetooth技术、快、慢调频）扩频的方式第26页，共62页。SymbolSpreadingDespreading 1-1 1-1 1-1 1-1 1-1Data = 010010Spreading codeSpread signal= Data codeSpreading code =1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 ( SF = 8 )Data = Spread signal codeChip直接扩频与解扩示意图第27页，共62页。DATA信道码OVSF扰码Symbol rateChip rate3.84MHzC

14、hip rate3.84MHz分为扩频和加扰两个步骤：符号速率 SF = 3.84MbpsWCDMA中，上行信道码的SF为：4256 下行信道码的SF为：4512WCDMA系统的扩频第28页，共62页。正交可变扩频因子（OVSF）码 同一级的任意两个分支两两正交 某一分支被使用后，则其直系祖先级和直系子孙级分支均不能使用第29页，共62页。WCDMA直接扩频方案的优点采用正交可变长度的扩频序列，支持多速率传输采用自相关特性好的扰码与互相关特性好的扩频码配合使用，每个用户有唯一的扰码与扩频码的组合，保密性高。所有用户、基站都使用相同的频率，可以简化频率规划工作良好的抗多径干扰特性：RAKE接收机

15、利用多径分量同时由于宽带信号的频率选择性衰落，反映在时域上，多径干扰导致传输延迟的PN信号和原PN序列的互相关性减弱，导致延迟信号对接收机的影响减弱第30页，共62页。分集技术是通过利用和查找自然界无线传播环境中的独立（或至少高度不相关）多径信号来实现的可简单解释为：如果一条路径中的信号经历了深度衰落，而另一条相对独立的路径中可能仍包含着较强的信号。两重含义：分散传输；集中处理优点： 易获得相对稳定的信号可获得分集处理增益，提高信噪比投资低廉第31页，共62页。假设输入的分集信号分别为：r1(t), r2(t), r3(t), rk(t), rm(t)则，合并后的输出为：其中K 为第 k 个分

16、量的权重。选择不同的加权系数，就构成不同的合并方式。通常所用的方法有三种： 选择合并、最大比合并和等增益合并。分集原理第32页，共62页。空间分集又称天线分集，如果天线间的距离大于半个波长，则从不同的天线上收到的信号包络基本上是不相关的时间分集以超过信道相干时间的时间间隔重复发送信号，以便让再次接收到的信号具有独立的衰落环境，从而产生分集效果频率分集在多个频率上传送信号，其理论基础是在信道相干带宽之外的频率上不会出现同样的衰落极化分集信号在空中传播进行了多次反射，由于不同极化方向的反射系数不同，使得信号在不同的极化方向上是不相关的分集的分类第33页，共62页。开环发射分集使用空时编码对信号进行

17、处理，并从两根天线上发射，综合利用了时间分集和空间分集技术闭环发射分集由接收端反馈参数控制两根发射天线的加权，是带反馈技术的空间分集交织技术是一种隐含的时间分集技术，与WCDMA系统选用的编码方案配合使用。RAKE接收技术也是一种隐含的时间分集技术。认为：一个码片时间 信道的相关时间，RAKE接收利用的多径信号被认为是发射机多次发送过来的信号WCDMA使用的分集技术第34页，共62页。技术的选用是围绕要克服的问题来进行的WCDMA多址接入方式纠错编码技术交织技术复用技术扩频技术分集技术高速率、大容量无线传播中的干扰深衰落多媒体业务抗干扰提高系统容量第35页，共62页。提纲3 同步过程提纲2 编

18、码与复用提纲4 随机接入过程WCDMA物理层过程提纲1 物理信道特征与帧结构第36页，共62页。专用物理信道(DPCH)下行物理信道上行物理信道公用物理信道物理随机接入信道(PRACH)物理公共分组信道(PCPCH)主公共控制物理信道(P-CCPCH)捕获指示信道(AICH)寻呼指示信道(PICH)物理下行共享信道(PDSCH)专用物理信道(DPCH)公用物理信道物理信道物理信道分类辅助公共控制物理信道(S-CCPCH)CPCH状态信道(CSICH)同步信道(SCH)接入前缀捕获指示信道(AP-AICH)碰撞检测/信道指配指示信道(CD/CA-ICH)公用导频信道(CPICH)第37页，共62

19、页。上行专用物理信道帧结构（DPCH）第38页，共62页。物理随机接入信道（PRACH）第39页，共62页。下行专用物理信道帧结构（DPCH）第40页，共62页。下行DPCH的多码传输第41页，共62页。发射预先定义好的已知序列，A1j固定传输速率30Kbps， SF=256发射分集时，两根天线上发射的信号使用相同的扩频码和扰码，但传送序列有所不同。主要用于信道估计公共导频信道（CPICH）第42页，共62页。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在整个小区广播辅助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

20、使用辅助扰码一个小区可以有0、1或几个辅助扰码可以在小区内部分发射主CPICH与辅助CPICH的区别第43页，共62页。主公共控制物理信道（P-CCPCH） 固定为30Kbps （SF=256）的传输速率，用于承载BCH。 每个时隙的头256chips为空，到时候由SCH填充；或者说P-CCPCH与SCH时分复用。第44页，共62页。辅助公共控制物理信道（S-CCPCH） 用于承载FACH和PCH，可分别承载FACH和PCH，也可两者同时承载。 TFCI可有可无，由上层决定；没有TPC，采用开环功控；导频为8或16比特。 传输能力比下行DPCH稍逊，SF为2564。第45页，共62页。同步信道

21、（SCH）SCH用于小区搜索，分成主同步信道（ P-SCH）和辅助同步信道（S-SCH），两者并行发射。 SCH占用每个无线帧的前256个码片，与P-CCPCH时分复用。主同步码 (PSC) 以时隙为周期发射，用于时隙同步；辅助同步码以无线帧为周期发射，用于帧同步，并指出小区主扰码的组号。a为一个指示调制信号，用于指示P-CCPCH是否采用了STTD。第46页，共62页。PDSCH承载 DSCH, 被多个码分用户分时共享。 PDSCH 总是与一个 DPCH相伴随，所需控制信息在所伴随的DPCH的DPCCH上传输。DSCH上传的是纯数据，效率很高，适合处理短时高速率突发业务，是特殊形式的多码传输

22、，但高层控制起来比较复杂。物理下行共享信道（PDSCH）第47页，共62页。捕获指示信道（AICH） AICH每一帧为20 ms，分成15个接入时隙AS, 每个时隙有20个符号(5120码片)。每个时隙包括两部分，捕获指示AI部分（4096码片）和空部分（1024码片） 。 16个AI分别对16种签名进行应答，AI1、1和0分别代表同意接入、不同意接入和没有听到请求。 aj是由16个AI和16个签名进行矩阵运算得到。第48页，共62页。寻呼指示信道（PICH） PICH为固定速率(SF=256)的物理信道，用于承载寻呼指示 (PI). PICH 总是与S-CCPCH 相伴随，如果某一帧中的 P

23、Ii 被置为1，说明Pii所对应的UE应对S-CCPCH的对应帧进行解调。 PICH一帧为10ms，包括300bits。其中，288 比特用于传送 PI， 其余12 比特尚未定义，不发射。 一帧内传送N 个寻呼指示PI，N=18, 36, 72, or 144。第49页，共62页。各物理信道之间的时序关系第50页，共62页。10、20、40 or 80msdatadatadataTrCH-idataCRCdataCRCdataCRCdataCRCdataCRCdataCRCd a t aCBLCBLCBL0、8、12、16 or 24bits块长 Z504 ， 卷积码5114 ，Turbo码C

24、edBLCedBLCedBLCoded data卷积码 或 Turbo码Rate matched dataRate matched dataDTXororData before 1st interleavingData after 1st interleaved交织器列数：1、2、4 或 8无线帧无线帧无线帧无线帧数目：1、2、4 或 8TrCH-1TrCH-2TrCH-ICCTrCHTrCH-1TrCH-2TrCH-IDTXCCTrCHPh-1Ph-2Ph-P10ms时间内10ms时间内Ph-1Ph-2Ph-PTPCTFCIpilot扩频、加扰扩频、加扰扩频、加扰TrCH-i+1data1d

25、ata2data1data2data1data2下行信道编码与复用第51页，共62页。同步过程小 区 搜 索三步搜索法第一步 时隙同步：搜索P-SCH的主同步码，与信号最强的基站取得时隙同步。第二步 扰码码组识别和帧同步：利用S-SCH的辅助同步码码组实现帧同步，并识别扰码码组号。第52页，共62页。第三步 扰码识别：利用扰码码组中的8个主扰码与捕获的P-CPICH的主扰码比较，得到该小区的主扰码。 根据主扰码可以检测出P-CCPCH，从而可以收到系统及小区的广播信息。同步过程小 区 搜 索（续）第53页，共62页。通过小区搜索，可获得SCH帧同步和帧头的位置。根据下行物理信道时序关系，有下述信道与SCH帧头对齐：P-CPICHS-CPICHP-CCP