WCDMA基础和原理(一)

1、华信设计 2005年5月,3G无线网原理和关键技术(一),刘东升 Email: Tel: 85455066-8500,WCDMA 基础 WCDMA 无线资源管理 3G 商用现状,WCDMA 基础课程目的,了解3G发展情况 理解WCDMA系统构成 理解WCDMA的技术特点,3G基础知识 WCDMA系统概述 WCDMA的特点和关键参数 WCDMA信道概述 3G业务和市场现状,3G是什么？,3G是指第三代移动通信系统，该系统能提供: 多种类型、高质量的多媒体业务; 能实现全球无缝覆盖; 具有全球漫游能力; 与因特网络相兼容; 以在任何时间、任何地点通过小型便携终端进行任何种类的通信。,3G的目标,能

2、实现全球漫游 能提供多种业务 能适应多种环境 足够的系统容量 强大的多种用户管理能力 高保密性能和服务质量,3G无线传输的技术要求,高速传输以支持多媒体业务 室内环境至少2Mbps; 室内外步行环境至少384kbps; 室外车辆运动中至少144kbps; 卫星移动环境至少9.6kbps. 传输速率能按需分配 上下行链路能适应不对称需求,3G标准化组织,3G的标准化工作实际上是由3GPP和3GPP2两个标准化组织来推动实施的 我国的无线通信标准研究组（CWTS）是这两个标准化组织的正式组织成员. 华为、大唐也是3GPP的独立成员.,3GPP,3GPP成立于1998年12月; 由欧、日、韩、美等国

3、的多个组织组成; 采用WCDMA技术; 核心交换侧在现有GSM网络基础上平滑过渡; 无线接口标准采用UTRA.,UTRA (Universal Terrestrial Radio Access):通用地面无线接入. UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access): UMTS地面无线接入,3GPP2,1999年1月，3GPPP2也正式成立; 由美、日、韩等国的组织组成; 无线接入技术采用CDMA2000和UWC-136为标准，CDMA2000很大程度上采用的是高通公司的专利; 核心网采用ANSI/IS-41标准;,3G发展史,1985年由国际电信联盟（ITU）提出，当时

4、称为公众陆地移动通信系统（FPLMTS）； 1996年更名为IMT-2000，意即该系统工作在2000MHz频段，最高业务速率可达到2000kbps，预期在2000年左右得到商用； 1999年11月5日国际电联第18次会议通过了“IMT-2000无线接口技术规范”建议，第三代移动通信系统无线接口技术规范的工作基本完成。,移动通信系统的演进,80% of the users,Up to 10 Mbps,3G主要标准介绍 -移动通信系统的演进,3种主要技术体制,3G基本技术特征,3G性能比较,3G频谱划分,国际电联对第三代移动通信系统IMT-2000划分了230MHz频率: 上行18852025M

5、Hz 下行21102200MHz 上下行频带宽度不对称 上行 130MHz 下行 90MHz 可使用双频FDD方式和单频TDD方式。,3G频谱划分,3G基础知识 WCDMA系统概述 WCDMA的特点和关键参数 WCDMA信道概述,系统概念,UMTS (Universal Mobile Telecommunication Systems：通用移动通信系统） 是采用WCDMA空中接口的第三代移动通信系统。 通常把UMTS系统称为WCDMA通信系统。,系统概念,宽带直序 CDMA 3.84 Mcps 码速 支持异步基站 可变扩频和多码的操作，SF = 4256(上行)，SF=4512(下行) 在5

6、MHz的带宽里可支持高速率数据传输 - 在广域覆盖范围内可达到 384 kbps - 在局域范围最大可达到 2 Mbps (包交换业务) 载频间隔4.2-5MHz 帧长 10 ms，每帧15个时隙,3G主要标准介绍 -WCDMA的演进,UMTS系统结构,无线接入网络（RAN）、核心网（CN）和用户设备（UE）一起构成了整个UMTS系统,UTRAN:UMTS Terrestrial Radio Access Network UMTS地面无线接入网,WCDMA 网络架构-R99,RNC,Iub,Iur,Iu-cs,HLR/AUC,MSC/VLR,PSTN,TMSC/GMSC,WWW Service

7、s platform,IP Backbone,CG,GGSN,3G SGSN,Node B,Node B,Node B,Iub,Iu-ps,BG,Inter PLMN network,SS7,SCP,Node B,UE（User Equipment）,UE是用户终端设备; 包括射频处理单元、基带处理单元、协议栈模块以及应用软件模块等； UE通过Uu接口与网络设备进行数据交互，为用户提供电路域和分组域内的各种业务：普通话音、宽带话音、移动多媒体、Internet应用. UE包括ME和USIM,ME: The Mobile Equipment:移动设备 USIM: The UMTS Subscri

8、ber Module: UMTS用户识别模块,UTRAN,UTRAN(UMTS Terrestrial Radio Access Network)：UMTS陆地无线接入网 UTRAN分为基站(Node B)和无线网络控制器(RNC)两部分,RNC,Iub,Node B,Node B,Node B,Node B,Node B,Node B是WCDMA系统的基站，包括无线收发信机和基带处理部件。 通过标准的lub接口和RNC互连，主要完成Uu接口物理层协议的处理。 完成扩频、调制、信道编码及解扩、解调、信道解码，基带信号和射频信号相互转换。 逻辑模块：RF收发放大，射频收发（TRX），基带部分，传

9、输接口，基站控制部分。,RNC,RNC（Radio Network Controller）无线网络控制器 主要完成连接建立和断开、切换、宏分集合并、无线资源管理控制等功能。 执行系统信息广播与系统接入控制； 切换和RNC迁移等移动性管理； 宏分集合并、功控、无线承载分配等。,RNC的作用和种类,为用户数据的传输管理无线承载 管理和优化无线网络资源 控制用户的移动性 Controlling RNC(控制RNC) 管理所属小区的负载和拥塞控制 为所属小区待建的无线新连接进行接纳控制和码字分配 Serving RNC(服务RNC) 终止传输用户数据和来自/流向CN的RANAP信令的Iu连接. 终止无

10、线资源控制信令 对来自/流向无线接口的数据进行L2层处理. 执行一些基本的无线资源管理操作 Drift RNC(漂移RNC) 控制该移动端使用的小区 进行宏分集合并和分裂,UTRAN功能小结,系统接入相关 准入控制 拥塞控制 系统信息广播 安全隐私相关 无线信道加密/解密 信息完整性保护 无线资源管理 无线资源配置和操作 无线环境勘测 宏分集控制 无线连接建立和释放 无线承载的分配和回收 动态信道分配 无线协议 功率控制,UTRAN功能小结 (续),移动性相关切换和SRNS迁移 时间提前量设置 无线信道编码 无线信道解码 信道编码控制 随机接入检测和处理 NAS消息的CN分发功能,SRNS:

11、服务无线网络子系统 NAS: 非接入层,CN（Core Network）,CN负责与其他网络的连接和对UE的通信和管理。 主要功能模块 MSC/VLR: 是WCDMA核心网CS域的功能节点，主要功能是提供CS域的呼叫接续、移动性管理、鉴权和加密等功能。,HLR/AUC,MSC/VLR,TMSC/GMSC,IP Backbone,CG,GGSN,3G SGSN,BG,SS7,SCP,MSC: Mobile Services Switching Center 移动业务交换中心 VLR: Visitor location Register 访问位置寄存器,CN（Core Network）续,GMSC

12、(WCDMA移动网CS域与外部网络之间的网关结点) GMSC是可选功能结点。主要功能是完成VMSC功能中的呼入呼叫的路由功能 SGSN (WCDMA核心网PS域功能结点) SGSN的主要功能是提供PS域的路由转发、移动性管理、会话管理、鉴权和加密等。,GMSC: Gateway MSC 网关MSC SGSN: Serving GPRS Support Node 服务GPRS支撑节点,CN（Core Network）续,GGSN(网关GPRS支持结点) GGSN提供数据包在WCDMA网和外部数据网之间的路由和封装。 HLR(WCDMA移动网归属位置寄存器) HLR的主要功能是提供用户的签约信息存

13、放、新业务支持、增强的鉴权等。,GGSN: Gateway GPRS Support Node网关GPRS支持结点 HLR: Home Location Register 归属位置寄存器,CS域和PS域,CN逻辑上分为CS域和PS域。 CS域设备是为用户业务提供电路型连接或相关信令连接的实体; PS域为用户提供分组型数据业务 CS域特有的实体： MSC、GMSC、VLR、IWF PS域特有的实体： SGSN、GGSN CS域和PS域共用的实体： HLR（或HSS）、AUC、EIR等,UMTS系统主要接口,Uu无线接口协议层,NAS Non Access Stratum非接入层 RRC Radi

14、o Resource Control无线资源控制 RLC Radio Link Control无线链路控制 MAC Medium Access Control媒体接入控制 PDCP Packet Data Convergence Protocol分组数据汇聚协议 BMC Broadcast/Multicast Control广播/组播控制协议,接口协议及功能,接口协议及功能 Iu接口 Iur接口 Iub接口,Iu接口体系结构,Core Network (CN),UTRAN,Node B,Node B,Node B,Node B,RNC,Iu Interface,“Iu-CS”,CS,Domai

15、n,PS,Domain,“Iu-PS”,RNC,Iur,Iub,Iu接口规定了UTRAN和CN之间的传输规范,Iu(CS域)接口协议栈结构,宽带SS7的上层,Iu(PS域)接口协议栈结构,BB SS7 based,IP based,Iu接口功能,Iu接口功能 无线接入承载管理功能 无线资源管理功能 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）,接口协议及功能,接口协议及功能 Iu接口 Iur接口 Iub接口,Iur接口协议栈结构,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

16、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,接口协议及功能,接口协议及功能 Iu接口 Iur接口 Iub接口,Iub接口协议栈,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,WCDMA版本,目前有三个版本定义在3GPP TS 23.002中：R99、R4、R5 R99网络结构设计中充分考虑了2G/3G兼容性问题，因此网络中CS域和PS域是并列的。为支持3G业务，有些设备增添了相应的接口协议，并对原有的接口协议进行来

17、了改选。,R99 R4 R5,WCDMA演进之路,R99,R5,R4,3GPP UMTS R99,3GPP UMTS R4,3GPP UMTS R5,媒体资源功能 呼叫会话控制功能 媒体网关控制功能,3G基础知识 WCDMA系统概述 WCDMA的特点和关键参数 WCDMA信道概述,WCDMA无线接口特性参数(一),FDD/TDD,WCDMA无线接口特性参数 (二),WCDMA延续CDMA的特点,所有用户在同一频段上 软切换 干扰受限（容量和功率的平衡） 快速闭环功率控制,WCDMA处理增益,处理增益是扩频码序列带宽和数据速率的比. Example:R = 8 kHzGP = W/R=64/8

18、= 8 = 9 dBW = 64 kHz,WCDMA的信号处理流程,用户数据发送以前在发射机端采用联合信号处理 在接收机端采用用于用户数据恢复的联合信号处理 CRC 用于检错 FEC 前向纠错编码，用于纠错和信号恢复 Interleaving用于错误分布的时序随机化,提高纠错能力,扩频和解扩,用户数据被比自己带宽高很多的扩频序列(码)扩频. 每个信道由不同的码区分. 收发双方需要相同相位的相同的码. 码由发送方决定，并告知接收方. 包括扩频和扰码两个过程,扰码和信道化编码,扰码作用：区分不同的终端(UL)或基站扇区(DL) 信道化码/扩频码作用：区分来自同一信源的多个传输链路，即一个扇区内的多

19、个下行链路连接，以及来自同一终端的所有上行链路专用信道。,码字的自相关和互相关,不同用户采用不同的扩频码字x1(t)，x2(t) 其自相关特性决定了多径干扰特性 其互相关特性决定了多址干扰特性 自相关函数 R()= 互相关函数 V()=,CDMA的码生成技术,随机序列（贝努利序列） 0和1个数各一半 1或者0连续个数的概率，连续一个为1/2，连续两个为1/4，连续三个为1/8， 移位序列和原序列有一半相同，另一半不同 m序列 由移位寄存器生成 是最大长度的线性移位寄存器序列，周期是2n-1（n为移位寄存器长度） 其自相关函数只有一个最大值（延迟为零处），其他均为-1，单值性 符合贝努利序列性质

20、,扰码(长码)：Gold序列,由两个优选的m序列异或而成. 自相关函数有多值，自相关性没有m序列好. 数量比m序列多很多. 符合伪随机序列的特性. 自相关性和互相关性能满足抵抗多径干扰和多址干扰的要求,信道化码(短码) OVSF码,UTRA的扩频/信道化码基于OVSF技术,OVSF码,正交可变扩频因子 (OVSF) 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 对同步要求高 (微微秒级 - 不适用于扰码) 可用编码的最大数量依赖于码长 在WCDMA中8, 16, 3

21、2, 64, 128, 256 (或 512)等个码片,OVSF&Walsh,OVSF码的互相关为零，相互完全正交。Walsh与OVSF码一样,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,扩频因子与业务速率,WCDMA扰码和信道化码对比,码资源（即扇区的信道资源）,部分正交的码资源需要为公共用信道和软切换预留 单载频的单扇区最大码资源： 全速率语音（SF=128）：98个信道 半速率语音=7.

22、95kbps（SF=256）：196个信道 一般情况下，码资源受限之前已经干扰受限了,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 扩频波形由扰码序列和OVSF叠加产生 扩频通信适合于无线通信环境 有抗干扰能力，每个用户唯一的扰码序列或者唯一的OVSF码，抗多址干扰 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

23、，导致延迟信号对接收机的影响减弱,宽带直接序列扩频调制技术,3G基础知识 WCDMA系统概述 WCDMA的特点和关键参数 WCDMA信道概述,WCDMA信道分类,不同的层次上有不同的信道，相互映射,WCDMA逻辑信道,逻辑信道和传输信道的映射,传输信道和物理信道的映射,物理信道,公共信道,专用信道,WCDMA 基础 WCDMA 无线资源管理 3G 商用现状,WCDMA系统是一个自干扰的系统，无线资源管理的过程就是一个控制自己系统内的干扰的过程； 功率是最终的无线资源，最有效地使用无线资源的唯一手段就是严格控制功率的使用。,了解无线资源管理的目的； 了解基本的无线资源管理算法和实现方法,WCDM

24、A RRM 课程目的,无线资源管理，RRM（Radio Resource Management) WCDMA系统是一个自干扰的系统，无线资源管理的过程就是一个控制自己系统内的干扰的过程 功率是最终的无线资源，最有效地使用无线资源的唯一手段就是严格控制功率的使用 功率的使用在CDMA系统中是矛盾的 提高针对某用户的发射功率能够改善该用户的服务质量 另一方面，由于CDMA系统的自干扰性，这种提高会带来对其他用户干扰的增加，从而导致接收质量的降低,RRM的概念,几个概念：UTRAN, RAB，RB，RL UTRAN：为非接入层（NAS）提供无线接入承载RAB的建立，维护、释放等服务，以屏蔽NAS对于

25、无线接入层特性的关注,基本概念,RAB：The service that the access stratum provides to the non-access stratum for transfer of user data between User Equipment and CN。 RB：The service provided by the layer2 for transfer of user data between User Equipment and Serving RNC RL：A radio link is a logical association between

26、single User Equipment and a single UTRAN access point. Its physical realization comprises one or more radio bearer transmissions,基本概念-RAB/RB/RL,根据UMTS协议栈结构和功能的划分，UTRAN的主要任务就是为非接入层（NAS）提供无线接入承载（Radio Access Bearer, RAB)的建立，维护、释放等服务，以屏蔽NAS对于无线接入层特性的关注 为NAS建立的RAB中，UTRAN必须提供相应的QoS（Quality of Service)保证。

27、 一般的QoS主要存在三个方面要求 传输速率 传输时延要求 BER/FER质量要求,基本概念-UTRAN的任务,基本概念-呼叫总体流程,RRM的目的： 保证CN所请求的QoS 增强系统的覆盖 提高系统的容量,RRM的目的,为了保证CN所请求的QoS，需要将QoS映射成接入层的一些特性，从而利用接入层的资源为本条连接服务-信道配置 在保证CN所请求的QoS的前提下，使用户的发射功率最小，从而减少该UE对于整个系统的干扰，提高系统的容量和覆盖-功率控制 需要确保UE移动到其他小区（系统）后，能够继续得到服务，以保证QoS-切换控制 接入一定数量的UE后，需要确保整个系统的负载保持在稳定的水平，以保

28、证系统中每条连接的QoS -负载控制,贯穿整个RRM过程的主线：保证QoS，节约功率,RRM的任务,RRM各算法在呼叫流程中的位置（1）,RRM各算法在呼叫流程中的位置（2）,面向连接的RRM，确保该连接的QoS，并使该条连接占用的无线资源最少 信道配置，功率控制，切换 对于每条连接，根据需要创建一个实例专门处理本连接的资源配置 面向小区的RRM，在确保该小区稳定的前提下，能接入更多的用户，提高整个系统的容量 码资源管理，负载控制 为每一个小区创建一个实例，专门处理该小区的资源管理,RRM的划分,无线资源管理或控制的基本流程 测量控制 测量 UE，NodeB，RNC 测量报告 判决，决策 资源

29、的控制和执行,RRM的基本流程,RRM是无线资源的管理者：功率、OVSF 码字、干扰控制 W-CDMA部分标准化组成部分：标准的流程与测量， 特色的算法、原则与策略 实施有效的RRM算法的最大挑战是寻求到高Quality of Service (QoS)、确保的规划覆盖区域及高系统容量等方面最优化的平衡。,RRM的要点,RNC : E2E QoS和RRM的主要成员,Iu,Iu,Internet,Gn,Gn,Uu,Uu,Wireless,Gateway,Gi,Gi,GGSN,GGSN,GGSN,Iub,Iub,Or intranet,HLR,attachment,Activate PDP Con

30、text,Create PDP Context,RAB Assignment,Call Admission Control + Negotiation,RNC,SGSN,QoS PS domain negotiation :,RRM,Access network knowledge,RRM 算法,Core network request,Radio bearer,RRM主要内容,无线资源的稀有性与高成本要求精密的管理,RRM的主要内容,RRM举例- 差分用户,RRM举例 业务可用性与无线链路质量的评估,UMTS系统中数据速率越高，覆盖范围越小 当用户接入网络时, 网络提供的数据速率是用户要求速

31、率和系统在UE所处无线环境所能提供的速率的最佳妥协结果,RRM举例 业务连续性的保证,RRM算法可以允许在特定环境下 将承载速率降级以支持信令连接，避免掉话或者重传 。 当高速率的数据呼叫被降级到低速无线承载上，而提供高速无线承载的条件再次满足后，数据呼叫的速率将再次提升。,确保连续的高比特率数据业务,Proper System behavior,Low load,Congestion,Loaded System,You require, You get,System shall delay congestion,System manages congestion cases,RRM举例 系统

32、负荷管理,该功能用于在由于功率不足导致CAC拒绝Gold user接入。 Gold user 的接入请求被放在一个队列中等待后续处理。 同时，系统通过 (i.e. downgrades) 腾出一些低优先级用户(i.e. Bronze users) 为队列中的金牌用户预留功率资源 如果预留的功率资源最终达到了用户接入的需求，并且此时队列计时器没有超时，那么队列中的金牌用户就会最终获得准许接入。,Green,Orange,Red,Time,Low priority users,Low priority users,Low priority users,Gold request put in que

33、ue,Pre-emption,Pre-emption,Admission according to RRM table,Pre-emption,Cell colour state,Gold admitted if enough power retrieved,RRM举例 高级别用户在拥塞时的体现,RRM举例-考虑数据业务的突发性,无线容量优化 vs. 用户应用体验,目前主要依靠专用信道(DCH)承载分组呼叫 UE还不支持共享信道(DSCH&CPCH) 公共传输信道FACH/RACH可以承载低速数据业务 不采用快速功率控制 目前可行的Always-on机制: 三种状态转换过程,CELL_DCH

34、(正常RB),CELL_DCH (降级RB) or CELL_FACH,PMM_Idle 空闲,降级,转移至空闲状态,升级,建立无线承载RB,DCH,SF16,DCH/FACH,SF128,降级,RRM举例-无线资源优化利用,RRM举例-功率控制,功率管理,小区静态配置: max TX Pwr DL CCH Pwr setting UL CCH (RACH) param setting,动态过程: initial power setting (open loop) outer loop PC(closed loop UL/DL) inner loop PC(closed loop UL/DL)

35、 data/control channel power difference,Cell load A/R parameter (OLS),Call Admission Control,UE radio conditions evaluation,RRC meas.,RRM,Matched RB,Initial RB,Initial CAC process,RB update process,Selected RB,Selected RB,Admission (Y/N),Admission (Y/N),确保覆盖并避免拥塞,分配,运营商可设,RRM,RRM实现方法举例-CAC总揽,RAB_Assi

36、gnment_Response,1- RAB Matching RAB pre-defined in RNC,RAB_Assignment_Request,2- RAB to Radio Bearer Mapping 基于用户分级/链路质量/小区负荷,3- Call Admission Control (CAC) Admission Criteria + Resource Allocation Iub, Iu & Iur transport resources DL Power OVSF Codes RNC Processing Ressources Base Station resource

37、s,RRM实现方法举例CAC概述,确保RB与UE所处的无线环境兼容 链路色彩估计基于 UE汇报的Pilot measurements 运营商定义的门限值 2种链路色彩 Green 代表良好的无线条件 Red 代表恶劣的无线条件 被用于作为RRM选择的条件之一,Node B,Node B,RRM实现方法举例CAC中的UE 无线指标评估,小区负荷状态评估基于DL资源使用率： DL OVSF code tree 占用率 Node B DL power 使用率 运营商可以选择小区色彩的计算是否基于OVSF码树占用率或者是DL功率利用率，或者是两者兼顾 小区负荷状态有3个颜色状态管理模块跟踪： Green 代表小区较轻负荷 Orange 代表中度负荷 Red 代表小区深度负荷 每当资源利用率有所变动(如 Radio Bearer Set-up, Radio Bearer Reconfiguration, Radio Bearer Release, 等等)，小区色彩就需要重新评估,DL OVSF tree load,DL power load,Cell Colour,Max,Red,Green,Orange,RRM实现方法举例CAC中的小区负荷评估,RRM实现方法举例-CAC中的 RAB 匹配,CN,SRNS,SM Active PDP context Request