WCDMA移動通信系統(tǒng)基本原理

1、WCDMA移動通信系統(tǒng)基本原理1提 綱3G發(fā)展概述無線通信原理及相關技術WCDMA資源管理WCDMA關鍵技術213423G發(fā)展概述3AMPSTACSNMT其它第一代 80年代模擬模擬技術GSMCDMA IS95TDMAIS-136PDC第二代 90年代數(shù)字需求驅(qū)動數(shù)字技術語音業(yè)務第三代 IMT-2000UMTSWCDMAcdma2000需求驅(qū)動寬帶業(yè)務TD-SCDMA蜂窩移動通信系統(tǒng)發(fā)展歷程43G的發(fā)展?jié)M足更多種類、更高速率的業(yè)務和更高頻譜效率的要求，這是發(fā)展的根本動力；減少目前存在的各大網(wǎng)絡之間的不兼容性；世界性的標準IMT-2000應運而生。IMT-2000支持的網(wǎng)絡被稱為第三代移動通信系

2、統(tǒng)5第三代移動通信的標準化 歐洲為主的3GPPGSM核心網(wǎng) 以美國為主的3GPP2IS-41為核心網(wǎng)3G演進中的幾大組織負責融合多載波的CDMA模式負責融合直接序列擴頻和TDD的CDMA模式CDMA2000WCDMA、TD-SCDMA6第三代移動通信的標準化ITU對IMT-2000的總體要求服務質(zhì)量要求新業(yè)務能力要求發(fā)展和演進能力要求靈活性要求：多環(huán)境、多模式、多頻帶能力7第三代移動通信的標準化ITU對IMT-2000的總體要求服務質(zhì)量要求語音質(zhì)量、覆蓋、費用移動通信用戶的快速增長，頻率緊張成為制約通訊發(fā)展的最大問題 在頻譜利用率方面要比二代系統(tǒng)成倍提高能利用最佳的頻譜利用率來提供目前所預期的

3、所有業(yè)務。增加效率和能力語音質(zhì)量、覆蓋和費用是移動通信最關心的問題改進話音質(zhì)量、支持無縫切換、允許運行商在競爭環(huán)境中可以降低費用，同時開展多項業(yè)務業(yè)務質(zhì)量對于多種業(yè)務如：語音、視頻、數(shù)據(jù)業(yè)務、無線業(yè)務，不同的業(yè)務有不同的要求8第三代移動通信的標準化ITU對IMT-2000的總體要求新業(yè)務和能力要求靈活接入能力寬帶業(yè)務非常廣泛，有低速的話音、短信，有高速的多媒體，有要求低時延（話音），有要求絕對的完整性 （文件傳輸），有連續(xù)傳輸（視頻），有突發(fā)性傳輸（Internet)。信道要求動態(tài)，根據(jù)需要分配帶寬。根據(jù)要求分配帶寬通過不同的方法接入很寬范圍的業(yè)務能夠?qū)崿F(xiàn)一代和二代系統(tǒng)中不能實現(xiàn)的新話音和數(shù)據(jù)

4、業(yè)務增加對寬帶業(yè)務的要求無線上網(wǎng)無線圖象傳輸業(yè)務實時地圖點播節(jié)目等多種寬帶業(yè)務能提供非常好的速率。能以較少的費用與其他無線和有線接入網(wǎng)絡競爭9第三代移動通信的標準化ITU對IMT-2000的總體要求發(fā)展和演進要求兼容、繼承、發(fā)展能力能否支持從第二代系統(tǒng)的發(fā)展和演進對于IMT-2000的成功意義巨大第二代系統(tǒng)的巨大投資仍在進行，兩個時代的系統(tǒng)的共存、互通必不可少。從第二代過渡到第三代需要一個有步驟、逐步的解決方案GSMCDMA200WCDMATDSCDMACDMAPHS向3G過渡10ITU對IMT-2000的總體要求靈活性要求：多環(huán)境、多模式、多頻帶多模/多頻要求不同網(wǎng)絡間實現(xiàn)真正的無縫漫游支持

5、不同網(wǎng)絡的切換業(yè)務傳遞不終止最佳路由和最小時延支持固定無線網(wǎng)絡接入能力，能與固定有線網(wǎng)競爭，或作為有線網(wǎng)的補充移動性管理和固網(wǎng)接入幾種技術形成主要標準，單一制式在短期內(nèi)只是一個愿望。要求多模/多頻的多媒體終端支持不同標準的互通靈活和自適應控制實時控制無線信道參數(shù)實時動態(tài)調(diào)整無線信道參數(shù) 根據(jù)環(huán)境參數(shù)調(diào)整參數(shù)（如功率控制）優(yōu)化性能、提高頻譜效率多環(huán)境能在各種可能存在的環(huán)境中都支持高的頻譜效率、覆蓋效率、服務質(zhì)量具有不同的場所適應能力：室內(nèi)、室外、郊區(qū)、車內(nèi)具有不同的移動性環(huán)境：靜止、步行、高速車輛 不同的用戶密度：城市、農(nóng)村、商業(yè)區(qū)11無線原理基本概念12無線基本原理無線傳播特性概念基本傳播機制

6、反射：當電磁波遇到比其波長大的多的物體時發(fā)生反射繞射：當接收機和發(fā)射機之間的無線路徑被尖利的邊緣阻擋時發(fā)生繞射散射：當電磁波遇到的物體表面粗糙、不規(guī)則時發(fā)生散射慢衰落和快衰落 接收信號的場強中值在一段時間內(nèi)的緩慢變化稱為慢衰落。（陰影衰落） 接收信號在某時間內(nèi)場強在振幅和相位發(fā)生非常急速變化的部分成為快衰落（多徑效應）13無線基本原理多址方式幾種多址方式FrequencyTimePowerFrequencyTimePowerFrequencyTimePower頻分多址技術（FDMA）業(yè)務信道在不同頻段分配給不同的用戶。如TACS、AMPS。時分多址技術（TDMA） 業(yè)務信道在不同的時間分配給不

7、同的用戶。如GSM、DAMPS。碼分多址技術（CDMA） 所有用戶在同一時間、同一頻段上、根據(jù)不同的編碼獲得業(yè)務信道。14WCDMA相關技術15WCDMA系統(tǒng)結構HLRGnSGSNGGSNMSC/VLRGrGsNode BIubIubGMSCIuCSIuPSInternet PSTN/ISDNCDGi信令數(shù)據(jù)信令UERNCIurIuCSIuPSCNRNSIubRNCNode BNode BBTSBSCAGbAbisGc16WCDMA數(shù)據(jù)簡要發(fā)送過程手機數(shù)據(jù)編碼交織擴頻調(diào)制射頻發(fā)送射頻接收解調(diào)解擴解碼解交織手機數(shù)據(jù)17相關技術手機數(shù)據(jù)編碼交織擴頻調(diào)制射頻發(fā)送射頻接收解調(diào)解擴解碼解交織手機數(shù)據(jù)WC

8、DMA數(shù)據(jù)簡要發(fā)送過程18相關技術例子信道編碼技術床前明月光春眠不覺曉白發(fā)三千丈紅豆生南國床床前前明明月月光光春春眠眠不不覺覺曉曉白白發(fā)發(fā)三三千千丈丈紅紅豆豆生生南南國國床？前前明明月月光光春春眠眠？不覺覺曉曉白白發(fā)發(fā)三三？千丈？紅紅豆豆生生南？國國19 信道編碼技術是通過給原數(shù)據(jù)添加冗 余信息，從而獲得糾錯能力 適合糾正非連續(xù)的少量錯誤 目前使用較多的是卷積編碼和Turbo編碼（1/2，1/3）相關技術原理及目的信道編碼技術無糾錯編碼： BER10-1 10-2不能滿足通信需要卷積編碼： BER10-3滿足語音通信需要Turbo 碼： BER目標SIR， 降低移動臺發(fā)射功率,若測定SIRIt

9、hreshold 上行接納控制Ptotal_old+P=Pthreshold下行接納控制total_old 小區(qū)基站所接收到的總寬帶功率I 新業(yè)務接入后基站所接收到的干擾功率增量的預測值Threshold 接入門限值total_old 小區(qū)基站目前的總發(fā)射功率 P 新業(yè)務接入后基站總發(fā)射功率增量的預測值Phreshold 接入門限值53負荷控制原理負荷控制無線資源管理系統(tǒng)不斷在實時測量系統(tǒng)小區(qū)的負荷，當負荷平均值在一個設定的時間內(nèi)超越某一個門限值時，說明系統(tǒng)負荷較重，使負荷進入系統(tǒng)的不穩(wěn)定運行區(qū)，此時就有必要進行負荷控制原理下行快速負荷控制：拒絕從移動臺來的增加功率的命令上行快速負荷控制：減少

10、上行用于上行快速功率控制的SIR目標值減少分組業(yè)務的吞吐量（降低傳輸速率）切換到其它的WCDMA載頻切換到GSM系統(tǒng)減少實時業(yè)務的速率執(zhí)行掉話操作54負荷控制流程負荷控制無線資源管理開始判斷負荷情況（1）允許切入、接入（2）允許增加功率（3）提高速率（4）其它負荷偏低負荷偏高負荷正常（1）允許切入、接入（2）允許增加功率（1）停止切入、接入（2）停止增加功率（3）速率降低（4）切換（切出）（5）執(zhí)行掉話55小區(qū)呼吸負荷控制無線資源管理小區(qū)呼吸是負載控制的一個手段小區(qū)呼吸的主要目的是將某些“熱點小區(qū)”的負載分擔到周圍負載較輕的小區(qū)中，提高系統(tǒng)容量的利用率56碼資源規(guī)劃碼資源分配無線資源管理WCD

11、MA是一個自干擾、動態(tài)統(tǒng)計復用的無線接入系統(tǒng)到另一個基站或信道的過程。 CDMA碼分多址技術的目的是實現(xiàn)多用戶在相同載頻并行傳輸，有效提升頻譜利用率。信道碼分配的目標是為每個用戶分配自己的信道碼（OVSF碼），在同一個載頻上標識并區(qū)分不同用戶的連接（信源-信宿），從而實現(xiàn)了多用戶在相同載頻并行傳輸在WCDMA系統(tǒng)中，上行的用戶靠擾碼區(qū)分，下行的物理信道靠OVSF碼區(qū)分。上行容量是干擾受限，下行容量是功率和碼資源受限。 由于正交可變擴頻因子碼是稀有資源，一個小區(qū)對應一張碼表，為了使得系統(tǒng)既能接入盡量多的用戶，提高系統(tǒng)的容量，就必須考慮碼資源的合理使用問題，所以對于下行信道化碼資源的規(guī)化和管理就非

12、常重要。上行擾碼數(shù)量非常多，但為了避免在不同的RNC之間的小區(qū)不同用戶使用相同的擾碼，則也需對RNC的擾碼進行規(guī)劃57碼資源分配概述碼資源分配無線資源管理上行鏈路擾碼上行鏈路信道化碼下行鏈路擾碼下行鏈路信道化碼一個小區(qū)有一個主擾碼，一個主擾碼下對應一個碼樹，下行鏈路信道化碼的碼樹是一個典型的二叉樹，對應于SF=4512WCDMA系統(tǒng)中所用到的碼的類型： 在RNC中主要需要規(guī)劃的是下行信道化碼 信道化碼的產(chǎn)生：58信道化碼分配策略碼資源分配無線資源管理 碼表利用率高：分配掉的碼字所阻塞掉的碼字越少，說明碼表利用率越高 碼表復雜度低：盡量用短碼分配 先分配公共和共享物理信道的的下行鏈路信道化碼，盡

13、量保證下行公共物理信道碼資源的使用 按照一定的策略分配下行專用物理信道的信道化碼示例：三個結果任取一個紅色：已分配的碼字；綠色：由于低速擴頻因子碼字被分配而阻塞掉的高速擴頻因子碼字；藍色：由于高速擴頻因子碼字被分配而阻塞掉的低速擴頻因子碼字；黑色：根據(jù)申請的擴頻因子而優(yōu)化分配的碼字。59關鍵技術60分集概念分集技術兩重含義：分散傳輸；集中處理是通過利用和查找自然界無線傳播環(huán)境中的獨立（或至少高度不相關）多徑信號來實現(xiàn)的可簡單解釋為：如果一條路徑中的信號經(jīng)歷了深度衰落，而另一條相對獨立的路徑中可能仍包含著較強的信號。優(yōu)點： 易獲得相對穩(wěn)定的信號可獲得分集處理增益提高信噪比關鍵技術61分集類型分集

14、技術空間分集又稱天線分集，如果天線間的距離大于半個波長，則從不同的天線上收到的信號包絡基本上是不相關的時間分集以超過信道相干時間的時間間隔重復發(fā)送信號，以便讓再次接收到的信號具有獨立的衰落環(huán)境，從而產(chǎn)生分集效果頻率分集在多個頻率上傳送信號，其理論基礎是在信道相干帶寬之外的頻率上不會出現(xiàn)同樣的衰落極化分集信號在空中傳播進行了多次反射，由于不同極化方向的反射系數(shù)不 同，使得信號在不同的極化方向上是不相關的關鍵技術62WCDMA使用的分集技術分集技術關鍵技術開環(huán)發(fā)射分集(TSTD和STTD)使用空時編碼對信號進行處理，并從兩根天線上發(fā)射，綜合利用了時間分集和空間分集技術閉環(huán)發(fā)射分集由接收端反饋參數(shù)控

15、制兩根發(fā)射天線的加權，是帶反饋技術的空間分集交織技術 是一種隱含的時間分集技術，與WCDMA系統(tǒng)選用的編碼方案配合使用。RAKE接收技術 也是一種隱含的時間分集技術。認為：一個碼片時間 信道的相關時間，RAKE接收利用的多徑信號被認為是發(fā)射機多次發(fā)送過來的信號63STTD發(fā)射分集示意分集技術關鍵技術發(fā)射分集技術提高系統(tǒng)下行容量開環(huán)模式中的STTD分集64RAKE接收機RAKE接收關鍵技術d1d2d3由于在多徑信號中含有可以利用的信息，所以，CDMA接收機可以通過合并多徑信號來改善接收信號的信噪比。RAKE接收機就是通過多個相關檢測器接收多徑信號中各路信號，并把它們合并在一起，可有效克服多徑效應

16、。65RAKE接收機RAKE接收關鍵技術接收機單徑接收電路單徑接收電路單徑接收電路搜索器計算信號強度與時延合 并合并后的信號tts(t)s(t)66智能天線的原理智能天線關鍵技術 智能天線采用空分多址（SDMA）技術，利用信號在傳輸方向上的差別，將同頻率或同時隙、同碼道的信號區(qū)分開來，最大限度地利用有限的信道資源。全向小區(qū)三扇區(qū)小區(qū)智能天線小區(qū)67智能天線的優(yōu)點智能天線關鍵技術高速率用戶帶來很大的干擾，動態(tài)調(diào)整的智能天線陣列的波束跟蹤高速率用戶，起到空間隔離、消除干擾的作用；動態(tài)調(diào)整的智能天線陣列的性能優(yōu)于固定的多波束天線增加系統(tǒng)容量增加覆蓋范圍，改善建筑物中和高速運動時的信號接收質(zhì)量提高信號接收質(zhì)量，降低掉話率，提高語音質(zhì)量減少發(fā)射功率，延長移動臺電池壽命提高系統(tǒng)設計時的靈活性68多用戶檢測技術多用戶檢測關鍵技術當前的CDMA接收機基于RAKE 原理，將其他用戶的干擾視為噪聲基于RAKE 的CDMA系統(tǒng)的容量受干擾的限制最優(yōu)接收機是聯(lián)合檢測所有的信號，并將其他用戶的干