WCDMA系统原理概述

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1、WCDMA系统原理概述 前言l现 在 在 移 动 通 信 领 域 最 流 行 的 一 个 词 就 是 ： 3G！l那 么 什 么 是 3G？ 3G究 竟 能 给 我 们 带 来 什 么 样 的 精彩 生 活 ？l今 天 我 们 就 一 起 来 认 识 一 下 3G！ 课程目标l 了 解 移 动 通 信 系 统 的 发 展 与 演 进 l 了 解 IMT-2000的 一 些 基 本 知 识 ； l 掌 握 CDMA技 术 相 比 其 它 多 址 技 术的 优 点 ；l 了 解 WCDMA FDD模 式 的 技 术 特 点学 习 完 本 课 程 ， 您 将 能 够 ： 课程内容 T 第 一 章 C

2、DMA原 理 概 述第 二 章 覆 盖 增 强 技 术第 三 章 无 线 资 源 管 理 概 述第 四 章 WCDMA FDD的 技 术 特 点 CDMA原理概述 多径环境 时 间接 收 信 号强 度 发 射 信 号 衰落发 射 数 据 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 dB 接 收 数 据 衰落 距离(m)接收功率(dBm)10 20 30-20-40-60慢衰落快衰落 频率选择性衰落窄 带 系 统 大 衰 落发 射 信 号 接 收 到 的 衰 落 信 号 频 率频 率强 度 强 度 大 衰 落发 射 信 号 接 收 到 的 衰 落 信 号 频 率频 率强 度

3、 强 度宽 带 系 统 移动信道的多径特征l 电 磁 传 播 反 射 、 散 射 和 绕 射l 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 度变 化 衰 减 幅 度 较 小 的 快 变 化 成 分 小 尺 度 衰 落l 两 类 典 型 小 尺 度 衰 落 包 络 分 布 的 描 述 方 法 瑞 利 分 布 （ 非 视 距 传 播 ） 莱 斯 分 布 （ 视 距 传 播 ） 无线信道模型高 斯 噪 声信 道 模 拟当 前 径

4、权 重 接收信号发射信号 信 道 模 拟当 前 径 权 重信 道 模 拟当 前 径 权 重信 道 模 拟当 前 径 权 重 典型无线移动信道的分类l 静 态 信 道 （ static）l 户 内 信 道 （ 室 内 环 境 ）l 户 外 到 户 内 以 及 人 行 道 信 道 （ 微 小 区 ）l 车 载 信 道 （ 宏 小 区 ）l 移 动 信 道 （ moving） l 生 死 信 道 （ birth-death） CDMA原理概述 u时 分 双 工 (TDD)u频 分 双 工 (FDD)u频 分 多 址 (FDMA)u时 分 多 址 (TDMA)u码 分 多 址 (CDMA)多址技术与双

5、工技术 频 率 时 间TDMA时 间频 率 FDMA 频 率 时 间 码 字 CDMA 传 统 多 址 技 术码 分 多 址 技 术（ 直 接 扩 频 方 式 ）多址技术图示 码分多址（CDMA）l 多 用 户 共 享 同 一 频 率 ， 频 谱 利 用 率 大 大 提 高 ；l CDMA系 统 是 自 干 扰 系 统 系 统 内 用 户 存 在 互 相 之间 的 干 扰 ；l CDMA系 统 的 用 户 容 量 是 软 容 量 ， 当 用 户 数 目 增 加时 ， 对 所 有 用 户 而 言 ， 系 统 性 能 下 降 ； 相 应 当 用 户数 目 减 少 时 ， 系 统 性 能 提 高 ；

6、 CDMA的几种不同形式l 直 接 扩 频 码 分 多 址 （ DS CDMA） 多 用 户 完 全 同 一 时 间 、 同 一 地 点 占 用 同 一 频 率 资 源 可 以 使 用 RAKE接 收 技 术 ； 利 用 宏 空 间 分 集 ， 多 个 基 站 同 时 监 听 ； 实 现 软 切 换 ， 大 大 降 低 切 换 掉 话 率 ， 提 升 服 务 质 量 。l 跳 频 码 分 多 址 （ FH CDMA） 单 一 用 户 单 一 时 刻 占 用 的 频 谱 带 宽 较 窄 ， 占 用 频 率 随 时 间 变化 按 一 定 规 律 跳 变 ， 跳 变 规 律 由 地 址 码 确 定

7、。l 跳 时 码 分 多 址 （ TH CDMA） 单 一 用 户 不 定 时 占 用 较 宽 的 频 谱 ， 占 用 的 时 间 按 一 定 规 律 改变 ， 时 间 改 变 的 规 律 由 地 址 码 确 定 。 CDMA示意图frequency timeDSFHTH CDMA系统基本框图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 简单的CDMA发射接收机框图宽带调制 载波产生码字产生数据 数据 宽带调制 载波产生码字同步/跟踪 码字产生 解扩DSCDMA信号发射/接收机 CDMA原理概述 码字的自相关和互相关l 不 同 用 户 采 用 不 同 的 扩 频 码 字 x1(t)

8、， 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l 自 相 关 函 数R()= l 互 相 关 函 数V()= CDMA的码生成技术l 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l 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

9、 ， 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 Gold序列l Gold序 列 （ 在 WCDMA中 作 为 扰 码 使 用 ） 由 两 个 优 选 的 m序 列 异 或 而 成 自 相 关 函 数 有 多 值 ， 没 有 m序 列 好 比 m序 列 多 得 多 l 由 于 Gold序 列 具 有 良 好 的 自 相 关 性 质 ， 用 于 码 分 多 址 中 区 分 基 站和 用 户 良 好 的 自 相 关 性 质 决 定

10、 了 其 分 段 序 列 之 间 互 相 关 很 小 ， 可 以 用 于 区分 用 户 ， 进 行 多 址 Gold序列生成clong,1,n clong,2,nMSB LSBl Gold序 列 的 随 机 性 好 ， 符 合 伪 随 机 序 列 的 特 性l 0和 1发 生 的 相 对 频 率 各 为 1/2， 连 续 出 现 0或 1的 概 率 小 ， 用 于 加 扰 O VSF&Walsh SF = 1 SF = 2 SF = 4 Cch,1,0 = (1) Cch,2,0 = (1,1)C ch,2,1 = (1,-1) Cch,4,0 =(1,1,1,1)C ch,4,1 = (1,

11、1,-1,-1)C ch,4,2 = (1,-1,1,-1)C ch,4,3 = (1,-1,-1,1)OVSF码 的 互 相 关 为 零 ， 相 互 完 全 正 交 。 Walsh与 OVSF码 一 样 扩频因子与业务速率l 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；l 符 号 速 率 （ 业 务 速 率 校 验 码 ） 信 道 编 码 重 复 或 打

12、 孔 率 如 WCDMA， 业 务 速 率 384Kbps， 信 道 编 码 1/3Turbo码 ， 符 号 速 率 960Kbps； cdma2000-1x， 业 务 速 率 9.6Kbps， 信 道 编 码 1/3卷 积 码 ， 符 号 速 率 19.2Kbps； 扩频与解扩（DS-CDMA）扩 频 解 扩码 片 符 号数 据扩 频 码扩 频 信 号=数 据 码 字 扩 频 码数 据=扩 频 信 号 码 字 1-11-11-1 1-11-1 扩频与解扩（DS-CDMA）期 望 信 号 其 他 用 户 信 号期 望 的 扩 频 信 号扩 频 码解 扩 后 的 数 据其 他 扩 频 信 号积

13、分 后 的 其 他 信 号 1-11-11-18-81-1 8 -8解 扩 后 的 其 他 信 号相 关 接 收 机 的 基 本 操 作积 分 后 的 数 据 处 理 增 益 CDMA过程中的频谱变化 CDMA宽带扩频技术有效地利用无线信道的频率选择性衰落扩频码扩频码信号合并窄带信号f P(f)宽带信号P(f) f噪声P(f) f噪声+宽带信号 P(f) f信号与噪声分离P(f) f Rake接收机 Q I合 并 相 加 I 延 迟 估 计 相 位旋 转信 道 估 计 延 迟均 衡IQ 第 一 径第 二 径第 三 径 基 带 输入 信 号 时 间 量 （ 径 位 置 ） 的相 关 器带 DLL

14、本 地 扩 频 码 l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 ；l宽 带 传 输 系 统 ， 利 用 了 信 道 的 频 率 分 集 效 果l信 号 在 信 道 中 传 输 功 率 低 ， 降 低 了 干 扰 ， 提 高 了 保 密 性l扩 频 因 子 灵 活 变 换 ， 有 助 于 多 媒 体 等 多 速 率 并 发 业 务 的 传 输l频 谱 效 率 高 ， 优 于 以 往 的 AMPS和 GSM， 频 率 复 用 系 数WCDMA为 1， GSM为 1 18。 l支 持 软 切 换 和 更 软 切 换l支 持 新 技

15、术 的 应 用 ， 如 多 用 户 检 测lWCDMA有 下 行 发 射 分 集 ， 而 GSM没 有CDMA在无线信道中传输的优势 课程内容 T 第 一 章 CDMA原 理 概 述第 二 章 覆 盖 增 强 技 术第 三 章 无 线 资 源 管 理 概 述第 四 章 WCDMA FDD的 技 术 特 点 覆盖增强技术 l是 通 过 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l相 对 投 资 低 廉l克 服 小 尺 度 衰 落 （ 由 移 动 台 附 近 物 体 的 复 杂 反 射 引 起 ） ， 可以 采 用 双

16、天 线 接 收 分 集l克 服 大 尺 度 衰 落 （ 由 于 周 围 环 境 地 段 和 地 物 的 差 别 而 导 致 的阴 影 区 引 起 ） ， 可 以 选 择 一 个 所 发 信 号 不 在 阴 影 区 的 基 站 位 置 选 择 发 射 分 集分集技术 l空 间 分 集 空 间 发 射 分 集 空 间 接 收 分 集l极 化 分 集 ： 利 用 水 平 分 量 和 垂 直 分 量 的 不 相 关 性l频 率 分 集 ： 宽 带 信 号l时 间 分 集 ： 以 超 过 信 道 相 干 时 间 的 时 间 间 隔 重 复 发 射信 号 ， RAKE接 收 机 ， 认 为 ： 一 个 码

17、 片 时 间 信 道 的 相关 时 间分集技术 l最 大 比 合 并 在 接 收 端 由 N个 分 集 支 路 ， 经 过 相 位 调 整 后 ， 按 照 适 当 的 增益 系 数 ， 同 相 相 加 ， 在 送 入 检 测 器 进 行 监 测l等 增 益 合 并 在 接 收 端 由 N个 分 集 支 路 ， 经 过 相 位 调 整 后 ， 按 照 相 等 的 增益 系 数 ， 同 相 相 加 ， 在 送 入 检 测 器 进 行 监 测l选 择 性 合 并 在 N个 分 集 支 路 中 选 择 具 有 最 大 信 噪 比 的 支 路 作 为 输 出分集接收合并技术 l前 向 链 路 容 量 是

18、 当 前 CDMA蜂 窝 系 统 容 量 的 瓶 颈 ， WCDMA标 准 在 发 射 分 集 上 的 应 用 上 进 行 了 深 入 的 研 究 ， 提 出 了 新 的发 射 分 集 方 案 ， 提 高 前 向 链 路 容 量 ；l开 环 发 射 分 集u 基 于 时 空 块 编 码 的 发 射 天 线 分 集 （ STTD）u SCH上 的 时 间 切 换 传 输 分 集 （ TSTD）l闭 环 发 射 分 集 ， FBI 域WCDMA的发射分集 b0 b1 b2 b3 b0 b1 b2 b3-b2 b3 b0 -b1 Antenna 1Antenna 2Channel bits STTD

19、 encoded channel bitsfor antenna 1 and antenna 2.基于时空块编码的发射天线分集 Antenna 1 Antenna 2 acsi,0acp acsi,1acp acsi,14acp Slot #0 Slot #1 Slot #14 acsi,2acp Slot #2 SCH上的时间切换传输分集 Spread/scramble w1 w2 DPCHDPCCHDPDCH Rx Rx CPICH1 Tx CPICH2 Ant1 Ant2Tx Weight Generationw1 w2Determine FBI message from Uplink

20、DPCCH 闭环发射分集 5 10 15SNR（ dB)0.00010.001 0.010.1 1 BER 1径 瑞 利2径 瑞 利5径 瑞 利无 衰 落不同多径分集的接收效果 覆盖增强技术 l现 有 结 果 ： (Arraycomm， 京 瓷 )u 针 对 DCS-1800和 PHS的 产 品 ， 提 高 覆 盖 范 围 230%u 降 低 要 求 基 站 数 目 70%， 平 均 降 低 成 本 40%l实 现 关 键 ：u 多 波 束 形 成 技 术u 自 适 应 干 扰 抑 制 技 术u 空 时 二 维 的 RAKE接 收 技 术 u 多 通 道 的 信 道 估 计 和 均 衡 技 术

21、 智能天线研究 l降 低 来 自 其 他 方 向 的 干 扰 ， 提 高 所 需 信 号 方 向 的 接 收 灵 敏 度l扩 大 基 站 的 覆 盖 范 围 ， 改 善 信 号 的 传 输 质 量智能天线原理 全向小区三扇区小区智能天线小区智能天线的小区配置 l智 能 天 线 可 以 对 高 速 率 用 户 进 行 波 束 跟 踪 ， 起 到 空 间隔 离 、 消 除 干 扰 的 作 用 ；l大 大 增 加 系 统 容 量 ；l增 加 覆 盖 范 围 ， 改 善 建 筑 物 中 和 高 速 运 动 时 的 信 号 接收 质 量 ；l提 高 信 号 接 收 质 量 ， 降 低 掉 话 率 ， 提

22、 高 语 音 质 量 ；l减 少 发 射 功 率 ， 延 长 移 动 台 电 池 寿 命 ；智能天线的优点 覆盖增强技术 l当 前 的 CDMA接 收 机 基 于 RAKE 原 理 ， 将 其 他 用 户 的 干 扰视 为 噪 声l基 于 RAKE 的 CDMA系 统 的 容 量 受 干 扰 的 限 制l最 优 接 收 机 是 联 合 检 测 所 有 的 信 号 ， 并 将 其 他 用 户 的 干 扰从 期 望 的 信 号 中 减 去 （ 信 号 的 相 干 特 性 是 已 知 的 ， 干 扰 是确 定 的 ）l多 用 户 检 测 （ MUD） 称 为 联 合 检 测 和 干 扰 对 消 ，

23、降 低 了多 址 干 扰 ， 从 而 提 高 系 统 的 容 量 l多 用 户 检 测 可 以 有 效 缓 解 远 近 效 应 问 题 多用户检测技术 课程内容 T 第 一 章 CDMA原 理 概 述第 二 章 覆 盖 增 强 技 术第 三 章 无 线 资 源 管 理 概 述第 四 章 WCDMA FDD的 技 术 特 点 无线资源管理综述l RRM Radio Resource Managementl WCDMA系 统 是 一 个 自 干 扰 的 系 统 ， 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

24、户 的 服 务 质 量 QoS 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 l 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 。l RRM无 线 资 源 管 理 的 工 作 就 是 结 合 QoS（ Quality of Service）目 标 对 功 率 进 行 管 理 。 RRM的目的l RRM的 目 的 ： 保 证 CN所 请 求 的 QoS 增 强 系

25、 统 的 覆 盖 提 高 系 统 的 容 量 RRM的任务l 信 道 配 置 ： 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 连 接 服 务 。l 功 率 控 制 ： 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 。 l 移 动 性 管 理 ： 在 UE移 动 时 继 续 维 持 QoSl 负 载 控 制 ： 接 入 一 定 数

26、 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 证 系 统 中 每 条 连 接 的 QoS 。贯 穿 整 个 RRM过 程 的 主 线 ： 保 证 QoS， 节 约 功 率 RRM的运行机制l 无 线 资 源 管 理 或 控 制 的 运 行 机 制 ： 按 照 各 算 法 功 能 的 具 体 需 求 进 行 配 置 （ 包 括 信 道 参 数 配 置 和测 量 控 制 的 配 置 ） ； 获 取 测 量 报 告 ， 了 解 当 前 的 无 线 资 源 状 况 ； 对 当 前 的 测 量 报 告 所 表 征 的 当 前 无 线 资 源

27、状 况 和 当 前 的 连 接现 状 进 行 判 断 ， 作 出 相 应 的 无 线 资 源 调 整 命 令 （ 如 切 换 判 决 、切 换 参 数 调 整 、 信 道 重 配 置 、 目 标 SIR调 整 、 接 入 参 数 调 整 等 ） 本章小结l本 章 主 要 介 绍 了 ：u 主 要 介 绍 了 无 线 资 源 管 理 算 法 的 基 本 原 理 、 目 的 、 任 务及 运 行 机 制 。 课程内容 T 第 一 章 CDMA原 理 概 述第 二 章 覆 盖 增 强 技 术第 三 章 无 线 资 源 管 理 概 述第 四 章 WCDMA FDD的 技 术 特 点 WCDMA FDD

28、模式技术规范调 制 方 式 ： 上 行 ： QPSK； 下 行 ： QPSK 语 音 编 码 ： AMR信 道 编 码 ： 卷 积 码 和 Turbo码解 调 方 式 ： 导 频 辅 助 的 相 干 解 调发 射 分 集 方 式 ： TSTD、 STTD、 FBTD功 率 控 制 ： 上 下 行 闭 环 功 率 控 制 ， 开 环 功 率 控 制基 站 同 步 方 式 ： 支 持 异 步 的 基 站 运 行信 号 带 宽 ： 5MHz； 码 片 速 率 ： 3.84Mcps 本章小结l本 章 主 要 介 绍 了 ：u WCDMA FDD模 式 的 主 要 特 点 课程总结l本 课 程 主 要 是 对 WCDMA系 统 进 行 一 个 概 要 的 介 绍 。l首 先 介 绍 了 第 三 代 移 动 通 信 系 统 的 由 来 ， 以 及 相 关 的 演进 策 略 、 各 种 关 键 技 术 ； 接 着 对 CDMA的 基 本 原 理 以 及WCDMA的 FDD模 式 进 行 了 介 绍 。 l通 过 本 课 程 的 学 习 ， 大 家 可 以 对 3G有 个 概 括 性 的 认 识 ，为 后 续 的 学 习 做 好 铺 垫 。