WCDMA无线接入系统

1、WCDMA无线接入系统,综合通信设计研究院 赵品勇,内容提纲,一、WCDMA无线网概述 二、UTRAN体系结构 三、物理层 四、无线资源管理,网络的演进,80% of the users,Up to 10 Mbps,中国无线频段使用情况及3G频段分配,1745,3GPP 标准,Release 99 (R3) 2000年3月正式发布 3GPP TS AB.XYZ v3.n.m Release 4 (R4) 2001年3月正式发布 3GPP TS AB.XYZ v4.n.m Release 5 (R5) 2002年3月正式发布 3GPP TS AB.XYZ v5.n.m Release 6/7 (

2、R6/R7) 正在完善中 每次 3GPP 全会 (3 个月)后都会对规范进行修正或补充,3GPP Release 1999,3GPP Release 5,Q2,Q1,Q3,Q2,Q3,Q4,Q4,Q1,Q1,Q2,Q3,Q4,Q4,Q3,Q1,10,9,7,8,5,4,2,3,14,11,12,1,3GPP TSGs Plenary Meetings,6,15,Versions of 3GPP Release 1999,Versions of 3GPP Release 4,Q2,13,1998,2001,1999,2000,2002,3GPP 标准发布时间,R99 UTRAN 主要功能,频分双

3、工模式 (UTRAN-FDD): 上行和下行是对称的5MHz 带宽，3.84Mcps 在慢移动状态下，数据传输速率可以达到2M bps 时分双工模式 (UTRAN-TDD) 上行和下行非对称的5MHz 带宽，3.84Mcps 在慢移动和小覆盖范围内提供高速数据服务 5MHz 带宽上采用扩频 CDMA技术 在提供UTRAN/GSM间切换的同时，提供 FDD /TDD 间的切换 小区级移动性管理 切换控制(Soft/Softer, Hard Hand-over),无线空中接口的改进 在软切换时，提供DSCH 信道的功率控制功能 UTRA复用器以提高覆盖面积 UMTS 1800/1900 无线接入网

4、络(RAN)的改进 无线接入承载(RAB)的增强功能，特别是支持VoIP的包头压缩 TDD基站的同步方式 UTRAN传输网络的演进 Iub、Iur接口上AAL2 连接的QoS优化 Iub、Iur以及Iu接口上传输承载的修改过程 低码片速率的TDD方式 (1.28 Mcps) Iub、Iur接口上无线资源管理(RRM)的优化,R4在在UTRAN上的改进,R5在空中接口方面的改进,高速下行链路分组数据接入 (HSDPA) 提高数据吞吐量和峰值数据速率 高阶调制和功率控制 传输分集增益 (BLAST) 新的流量调度算法 终端的“节电”模式 通过对DPCCH信道设定传输门限从而减少UL/DL的干扰 基

5、站的分级定义 Macrocell、Microcell、Picocell适用于FDD/TDD 方式 统一定义了使用环境、无线参数以及一致性测试规范 不同频率、不同系统间测量的改进 当测量其它不同频率时，改进压缩模式操作 (Compressed mode operation)来提高系统容量,内容提纲,一、WCDMA无线网概述 二、UTRAN体系结构 三、物理层 四、无线资源管理,UTRAN体系结构,RNS,RNC,Core Network,Node B,Node B,Node B,Node B,Iu,Iu,Iur,Iub,Iub,Iub,Iub,Iu接口功能,Iu接口功能 无线接入承载管理功能 无

6、线资源管理功能 Iu链路管理功能 Iu用户面（RNL）管理功能 移动性管理功能 安全性功能 业务和网络接入功能 Iu协调功能（Paging）,Iur接口功能,Iur接口功能 传输网络管理 公共传输信道的业务管理 准备公共传输信道资源 寻呼 专用传输信道的业务管理 RL建立/增加/删除 测量报告 对公共和专用测量目标的测量报告,Iub接口功能,Iub接口功能 Iub传输资源管理 NodeB逻辑OM 特定实现OM的传输 系统信息管理 公共信道业务管理 专用信道业务管理 共享信道管理 定时和同步管理,基本概念,基本概念 Serving RNC与Drift RNC Source RNC与Target

7、RNC CRNC,SRNC/DRNC,CN,SRNC,DRNC,Iu,Iur,在RNC之间切换的时候： 与CN有连接，为UE提供资源的RNC叫SRNC； 与CN没有连接，为UE提供资源的RNC叫DRNC,Source RNC/Target RNC,在RNC之间迁移的时候： 原来为SRNC的RNC叫Source RNC； 将要成为SRNC的RNC叫Target RNC。,CN,CN,Source RNC,Target RNC,RNC,Iu,Iu,Iur,Serving RNC,CRNC,从资源管理的角度来看： 管理NodeB资源的RNC叫这些NodeB的CRNC。,CN,CRNC,Iu,Node

8、B和RNC功能,Uu接口协议栈结构,Uu接口PDCP功能,PDCP功能 映射网络PDU从网络协议到RLC协议 头压缩/解压缩,Uu接口BMC功能,BMC功能 小区广播消息存储 业务量监测和CBS无线资源请求 BMC消息调度 传送BMC消息到UE,Uu接口RRC功能(一),RRC功能 接入层信息广播 RRC连接的建立、重建、维护和释放 无线承载的建立、重配置和释放 RRC连接无线资源的指配、重配置和释放 RRC连接移动性管理功能 寻呼/通知 高层PDU路由 请求的QoS控制,Uu接口RRC功能(二),RRC功能（续） UE测量控制和测量报告 外环功率控制 加密控制 UL DCH无线资源仲裁 完整

9、性保护 CBS初始配置 CBS无线资源分配 CBS不连续接收控制,RLC的功能,RLC连接建立/释放 透明数据传输 分段和重组 数据传输 非确认方式数据传输 数据错误检测 传递唯一性立即传递,确认方式数据传输 无差错传递 传递唯一性 按序传递 无序传递 QoS设置 不可恢复错误的通知,逻辑信道,控制逻辑信道（CCH） BCCH：广播控制信道 PCCH：寻呼控制信道 DCCH：专用控制信道 CCCH：公共控制信道 SHCCH：上行共享控制信道 业务逻辑信道（TCH） DTCH：专用业务信道 CTCH：公共业务信道,Uu接口MAC功能,MAC功能 逻辑信道到传输信道的映射 根据瞬时数据速率选择传输

10、格式 UE内不同数据流的优先级处理 动态调度UE之间优先级处理 公共传输信道上标示不同UE 在公共传输信道上，复用/分解高层PDU进入/从传输块集。该传输块集来自/发送到物理层 在专用传输信道上，复用/分解高层PDU进入/从传输块集。该传输块集来自/发送到物理层 业务量测量 动态传输信道类型切换 加密,传输信道,公共传输信道 RACH随机接入信道 FACH前向接入信道 CPCH公共分组信道 DSCH下行共享信道 BCH广播信道 PCH寻呼信道 SCH同步信道 专用传输信道 DCH专用信道,逻辑信道到传输信道的映射关系,Uu接口L1功能,L1功能 宏分集合并/分发和软切换执行 传输信道错误检测，

11、并向高层指示 传输信道FEC编解码和交织/去交织 传输信道复用和码组合信道解复用 速率匹配 码组合信道到物理信道的映射 功率加权和物理信道合并 物理信道调制/解调和扩频/解扩 频率和时间(chip, bit, slot, frame)同步 测量并向高层指示 闭环功率控制 RF处理,三层信道概念,逻辑信道 RLC与MAC之间 传输信道 MAC与物理层之间 物理信道,内容提纲,一、WCDMA无线网概述 二、UTRAN体系结构 三、物理层 四、无线资源管理,WCDMA物理链路示意,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

12、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。,频率、码、相位,物理信道,上行物理信道,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(uplink DPDCH) 上行专用物理控制信道 (uplink DPCCH),上行物理信道,上行DPDCH/DPCCH帧结构,上行专用物理信道,DPDCH和DPCCH在无线帧通过I/Q复用 DPDCH用来传输层2及更高层产生的专用数据 DPCCH用来传输层1的控制信息 帧长为10ms，分15个时隙，每时隙

13、2560 chips DPDCH的扩频因子为4到256 在相同的层1连接中，DPDCH与DPCCH的扩频因子是可以不同的 每个DPCCH时隙由Pilot，TFCI，FBI，TPC构成。,上行物理信道的特点,RACH接入时隙分配,RACH发射结构,RACH信息部分,随机接入是基于快速捕获指示的时隙ALOHA方法 时间上用接入时隙来确定，UE只能在时隙的开始位置进行随机接入传送，每个时隙5120chips，每2帧有15个slot 哪些时隙可以使用由高层给定 随机接入传送数据由两部分组成： 1或多个的preamble：4096chips长度，由16长度的signature进行256次重复构成，共有1

14、6种signature 10或20ms的信息部分 使用哪个signature及信息部分长度由高层决定,PRACH信道,物理公共分组信道PCPCH,CPCH传输是基于快速捕获指示的DSMA-CD方法 CPCH也是在与RACH一样的时隙开始时刻传输的 CPCH随机访问信号包括： 1个或多个接入前缀AP，长度为4096chips 1个冲突检测前缀CD-P，长度为4096chips 1个DPCCH功率控制前缀PC-P，长度为0或8个时隙，由高层决定 1个message部分： 长度为Nx10ms，最多的帧数由N_Max_frames参数决定，此为高层的参数。 每10ms帧分为15个时隙，每个时隙2560

15、chips 也分为两个并行的部分：传输高层信息的数据部分和传输层1控制信息的控制部分 数据部分的扩频因子为256到4 数据部分与控制部分分别与上行的DPDCH与DPCCH结构相同,物理公共分组信道（继续）,专用下行物理信道,专用下行物理信道（继续）,DCH包括专用的数据及控制信息：专用数据用于传输层2或更高层产生的数据；控制信息用于传输层1的控制信号 控制信息包括：导频、TPC、可选的TFCI。 DCH的扩频因子可以为512到4，并且在连接过程中可以改变 DPDCH和DPCCH是时间复用的 同一CCTrCH的多码传输使用相同的扩频因子，此时，只需传输第一个DPCH的控制信息就行。 当有多个CC

16、TrCH给同一用户时，每个CCTrCH可以使用不同的扩频因子，并且只需传输一个DPCCH信息,下行多码传输的时隙结构,公共导频信道CPICH,common Pilot Channel (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,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 主CPICH为SCH, Primary CCPCH, 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。 从CPICH 可以使用任意信道码，只要满足

17、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 SCCPCH 和下行 DPCH的参考.,主公共控制物理信道PCCPCH,固定数率（30kbps，SF=256） 用于承载BCH信道 每个时隙的头256chips为空 只有数据域 可以采用STTD传输分集,从公共控制物理信道S-CCPCH,用于传送 FACH和PCH. 两种SCCPCH: 有TFCI 和无TFCI。UTRAN 决定 TFCI是否发送，UE支持TFCI。 可能的传送速率与下行DPCH 相同。,SF =256 - 4. FACH and PCH 可被映射到同一个或不同

18、的 SCCPCHs. 如果映射到同一个SCCPCH, 它们可以映射到相同的帧。,同步信道SCH,SCH用于小区搜索 分成 P-SCH和S-SCH. SCH信道占用前256个CHIP 主同步码 (PSC) 在每个时隙内重复发射。,从同步码 (SSC)指定小区扰码的码组 SSC从16个长为256的码组中选择。共有64组，代表64个扰码码组,物理下行共享信道PDSCH,PDSCH传送 DSCH, DSCH 被多个码分用户共享。 PDSCH 总是与一个 DPCH相联系，所需控制信息在DPCH上传送 两种方式通知 UE 解调 DSCH（用TFCI域，用高层信令） DSCH是特殊形式的多码传输，DSCH与

19、相联系的DCH可以具有不同的SF，SF可在帧间改变。,承载DSCH数据,捕获指示信道（AICH）,AICH的帧结构：两帧，共20 ms，包括重复的15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和空部分 。 捕获指示AI有16种Signature AICH的相位参考为CPICH.,寻呼指示信道,寻呼指示信道（继续）,PICH为固定速率(SF=256)的物理信道，用于传送Page Indicators (PI). PICH 总是与一个S-CCPCH 相联系，这个信道正在传送一个PCH PICH的帧结构：一帧为10ms，包括300bits.其中，288 b

20、its用于传送 Page Indicators. 其余12 bits尚未定义。 N 个寻呼指示 PI0, , PIN-1 在一帧内传送，N=18, 36, 72, or 144. 如果某一帧中的 PIi 被置为1，说明PIi对应UE应对S-CCPCH的对应帧进行解调,传输信道与物理信道的映射关系,Logical Channels(Layers 3+),Transport Channels(Layer 2),Physical Channels(Layer 1),UplinkRF Out,UEScramblingCode,I+jQ,I/QMod.,Q,I,Chc,I,Filter,Filter,C

21、CCHCommon Control Ch.,DTCH (packet mode)Dedicated Traffic Ch.,RACHRandom Access Ch.,PRACHPhysical Random Access Ch.,DPDCH #1Dedicated Physical Data Ch.,CPCHCommon Packet Ch.,PCPCHPhysical Common Packet Ch.,Data Coding,Data Coding,DPDCH #3 (optional)Dedicated Physical Data Ch.,DPDCH #5 (optional) Ded

22、icated Physical Data Ch.,DPDCH #2 (optional) Dedicated Physical Data Ch.,DPDCH #4 (optional) Dedicated Physical Data Ch.,DPDCH #6 (optional) Dedicated Physical Data Ch.,Q,DPCCHDedicated Physical Control Ch.,Pilot, TPC, TFCI bits,Chd,Gc,Gd,j,Chd,1,Gd,Chd,3,Gd,Chd,5,Gd,Chd,2,Gd,Chd,4,Gd,Chd,6,Gd,Chc,G

23、d,Chc,Chd,Gc,Gd,j,RACH Control Part,PCPCH Control Part,j,DCCHDedicated Control Ch.,DTCHDedicated Traffic Ch. N,DCHDedicated Ch.,Data Encoding,DTCHDedicated Traffic Ch. 1,DCHDedicated Ch.,Data Encoding,MUX,CCTrCH,DCHDedicated Ch.,Data Encoding,WCDMA 上行 (FDD),WCDMA 下行 (FDD),扩频技术,扩频包括两个操作： 信道化（channeli

24、zation）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,数据 比特,OVSF码,扰码,扩频后 码片,扩频码：区分上行同一终端的数据信息和控制信息，下行区分同一小区不同用户的连接。 扰码：区分上行终端，区分下行扇区。 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,信道码,信道码使用OVSF码 定义：Cch,SF,k, 描述信道码，SF 为扩频因子，

25、k 为码号, 0 kSF-1,上行链路长扰码,共有224个长扰码 可以通过扰码号n设定第一个移位寄存器的初始相位确定扰码序列,上行链路短扰码,共有224个短扰码 可以通过扰码号n设定3个移位寄存器的初始相位确定扰码序列,下行链路扰码,共218-1 =262143个扰码，只用0.8191号的扰码,上行扩频,DPCCH/DPDCH扩频 可以同时传输1个DPCCH和0到6个的DPDCH 扰码可以为长扰码或短扰码 比重因子c和d至少有一个为1 扰码的边界和无线帧边界一致,DPCCH/DPDCH扩频,PRACH扩频,message 部分如下图，比重因子取值与DPDCH/DPCCH相同,PCPCH扩频,m

26、essage 部分如下图，比重因子也如DPCCH/DPDCH部分,上行信道码配置,上行DPCCH/DPDCH信道码配置 DPCCH固定为Cc = Cch,256,0. 当只有一个DPDCH时，Cd,1 = Cch,SF,k ，k=SF/4 当有多个DPDCH传输时，所有的DPDCH的扩频因子为4，DPDCHn由cd,n = Cch,4,k 扩频，当n为1，2，时k=1；n为3，4时，k=3；当n为5，6时，k=2 PRACH message部分信道码配置 控制部分固定256扩频，扩频码为cc = Cch,256,m ，其中 m = 16(s - 1) + 15；（s为preamble的sign

27、ature号，1 = s = 16） 数据部分可以32到256扩频，扩频码为Cd = Cch,SF,m ，其中 SF 为data part 的扩频因子且 m = SF*(s - 1)/16 PCPCH信道码配置 message部分的控制部分同PRACH的控制部分 message部分的数据部分的扩频因子可以为4到256 PCPCH功率控制preamble的扩频码和控制部分是一样的,上行扰码配置,上行DPCCH/DPDCH扰码配置 当使用长扰码时，Slong,n(i) = Clong,n(i), i = 0, 1, , 38399 当使用短扰码时，Sshort,n(i) = Cshort,n(i)

28、, i = 0, 1, , 38399 PRACH message部分扰码 PRACH message部分扰码为10ms长度，与preamble部分扰码是一一对应的，并为上层决定 固定采用长扰码，为Sr-msg,n(i) = Clong,n(i + 4096), i = 0, 1, , 38399 PCPCH 扰码 信息部分扰码10ms长度，由小区决定，并且与signature和access preamble的接入子信道一一对应 可以使用长扰码和短扰码,上行调制,调制的码片数率为3.84Mbps,下行链路扩频,除SCH外的其他下行物理信道，经串并变换后，用同一扩频码扩频，然后进行复扰码操作 扰

29、码的起始码片与P-CCPCH的帧边界同步 每个信道都有不同的加权因子,下行链路扩频,下行信道码配置,下行信道码也使用OVSF码 主CPICH固定使用Cch,256,0 信道码 主CCPCH固定使用Cch,256,1信道码 其他物理信道由UTRAN确定,下行链路扰码特点,总共可以产生218-1 =262143个扰码，但只使用了0.8191号的扰码 扰码分为512 集（set）每集包含1个主扰码和15个从扰码，主扰码包括扰码号为n=16*i（i=0.511），对应第I集的从扰码扰码号为16*i+k（1.15） 512个主扰码又可以分为64组（group），每一组有8个主扰码，第j个主扰码组包括包括

30、扰码号16*8*j+16*k，其中，j=0.63，k=0.7 对一个CCTrCH可以混合使用主从扰码 小区有一个也只能有一个主扰码，即只能属于某一扰码组,下行链路扰码特点,下行扰码,集0,集1,集511,主扰码0,从扰码1,从扰码15,主扰码51116,从扰码511161,从扰码5111615,8192个扰码,512集,每集分为1个主扰码15个从扰码,下行链路扰码特点,下行主扰码,组0,组1,组63,主扰码16*8*63,512个主扰码,64组,每组8个主扰码,主扰码16*8*6316,主扰码16*8*63167,下行链路调制,码片速率为3.84Mbps,同步过程小区搜索,内容提纲,一、WCD

31、MA无线网概述 二、UTRAN体系结构 三、物理层 四、无线资源管理,无线资源管理的地位,好的基带芯片 + 好的射频子系统 + 好的无线资源方法 = 好的UMTS（混合业务）系统！ 基带芯片（ASIC）和射频子系统硬件。 无线资源管理是系统控制算法软件。 当硬件性能日趋成熟和一致时，系统性能主要取决于资源管理技术。,RNC系统无线资源管理,克服远近效应和补偿衰落 减小多址干扰，保证网络容量 延长电池使用时间,下行功率控制,小区发射功率,上报功率控制比特,手机发射信号,功率控制命令,上行功率控制,功率控制,三种功率控制,开环 从信道中测量干扰条件，并调整发射功率,闭环内环 测量信噪比和目标信躁比

32、比较，并向移动台发送指令调整它的发射功率 CDMA闭环功率控制频率为1500Hz 若测定SIR目标SIR， 降低移动台发射功率 若测定SIR目标SIR， 增加移动台发射功率,闭环外环 测量误帧率（误块率），调整目标信噪比,BLER = Block Error Rate SIR = Signal to Interference Ratio TPC = Transmit Power Control,三种功率控制,功率控制流程,接收方根据接收到信号的信干比与控制信道的信干比目标值比较，然后向发送方返回一个TPC命令，发送方根据接收到的TPC命令，通过高层给定的闭环功率控制算法得出是增加发射功率还是减

33、小发射功率 调整的幅度TPC_cmdTPC_STEP_SIZE。,闭环功率控制基本原理,随着移动通信环境的变化和移动速度的变化，传输的业务需要满足的信干比也要变化，而且上行的SIRtarget是由网络侧指定的，有可能初始给定的值与实际需要的信干比相差的比较多，这些都需在外环功率控制根据业务的质量情况对SIRtarget作调整。 上行链路的外环功率算法在SRNC侧进行，下行链路的外环功率控制算法在UE侧进行。,外环功率控制基本原理,功率控制,内环功率控制( 起始接收功率目标值l,基站接收功率目标值,开环功率控制 接入前导,I外环功率控制( 更新的接收功率目标值,基站接收功率,时间,800 upd

34、ates/sec (IS-95, cdma2000)1500 updates/sec (WCDMA),切换基本分类,软切换 同一NodeB下的小区软切换（更软切换） 不同NodeB间的小区软切换 不同RNC间的小区软切换（涉及Iur口） 硬切换 不同载频间的硬切换 同一载频下的硬切换（强制性硬切换） 系统间硬切换（如与GSM之间） 不同模式间硬切换（如FDD与TDD之间）,软切换(Soft Handover),相对门限减少了移动终端软切换的数量,更软切换(Softer Handover),更软切换时的接收 从一个基站来的联合信号,BS,减少了掉话,从WCDMA到GSM 的切换(覆盖),从GSM

35、到WCDMA的切换(高负荷或系统优先),多膜终端,系统间的切换,系统间切换,频间测量支持系统间切换 压缩模式支持频间测量,系统间,测量时间,压缩模式,频间切换,支持高容量地区多载频的应用 负荷分担，提高性能,载频间负荷分配,信道切换,信道类型切换 信道速率切换,软切换相关的几个概念,激活小区集（Active Set）：这些小区与UE同时进行通信，在UE处被同时解调进行相关合并；就是软切换与更软切换中，与UE同时保持通信的小区。 监测小区集（Monitored Set）：除了激活小区集外，UE需要监测的小区。 检测小区集（Detected Set）：UE检测到的所有小区。 列项小区集（Liste

36、d Set）：激活小区集和监测小区集的并集。 同频率检测小区子集（IAF Monitored Subset Cells）：UE需要监测的同频率小区。 GSM率检测小区子集（GSM Monitored Subset Cells）：UE需要监测的GSM小区。 相邻关系表（Neighbor Cell List）：SRNC中设置的每小区的相邻小区。 建议激活小区集（Proposed Active Set）：软切换评估和执行的建议激活小区集。,只连接小区1,Event 1A,增加小区2,Event 1C,用小区3,来替换1,Event 1B,删除小区3,CPICH 1,CPICH 2,CPICH 3,时间,测量,质量,D,T,D,T,D,T,软切换举例,软切换过程和效果,在上行链路，二个或多个基站可以接收同样的信号，在下行链路移动台可以相干地合并来自不同基站的信号，即宏分集 由于新基站发射额外的信号给移动台，由于RAKE的Finger数目有限，若移动台不能合并所有的能量。在下行链路， 软切换增加了对系统的干扰 软切换的增益决定于宏分集增益和由于增加的干扰引起的性能损失,接纳控制,接纳控制的目的： 在于根据系统目前的资源状况对新的用户、新的无线接入承载(RAB)和新的无线链路(RL)（例如切换）给予接纳或拒绝。 上行负荷的衡量是接收总干扰功率是否超出LNA的线性动