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1、,第3章 WCDMA移动通信技术,本章内容 CDMA的基础知识 扩频通信原理 多径无线信道和Rake接收 WCDMA中功率控制、切换和多用户检测的基本原理, 物理信道的编码和调制 小区搜索和同步过程 物理信道的映射 无线接入网体系结构 全IP网络的基本知识 HSDPA技术,本章重点 扩频通信原理基础知识 功控和切换的工作原理 逻辑信道及其到物理信道的映射 无线接入网体系结构,学习本章目的和要求 了解CDMA的原理和基础知识 熟悉WCDMA的关键技术 熟悉扰码规划原理和小区搜索过程, 了解WCDMA的逻辑信道和物理信道 了解全IP网络基本知识 了解HSDPA的关键技术及其物理层结构,3.1 CD
2、MA基本原理,3.1.1 CDMA（码分多址无线接入）,图3-1 多址接入方式,3.1.2 扩频通信 CDMA是以扩频技术为基础的，所谓扩频是把信息的频谱扩展到宽带中进行传输的技术。,扩频通信属于宽带通信系统，它与传统的窄带通信系统不同，其主要特征是扩频前信源提供的消息码元带宽（或速率）远远小于扩频后信道的扩频序列信号带宽（或速率）。,适用于CDMA蜂窝通信系统的扩频技术是直接序列扩频（DS）或简称直扩。,图3-2 直接序列扩频,扩频信号的产生包括调制和扩频两个步骤，采用扩频解扩过程是为了实现CDMA多址接入，但是采用了这种方案后，因信号的扩展和增加的带宽，扩频信号将会产生如下与窄带信号相异的
3、特性。,1抗干扰性强 2易于同频使用，提高了无线频谱利用率 3安全保密 4抗多径干扰,扩频通信有两个主要的性能指标：处理增益Gp和抗干扰容限Mj。,1处理增益Gp 处理增益又称为扩频增益。如果用Wc表示码片速率，用Wi表示用户数据速率，处理增益则表示为 Gp=Wc/Wi,2抗干扰容限Mj 抗干扰容限反映了扩频通信系统抗干扰的能力，代表了保证接收到的解调后信号能够达到系统所要求的信噪比(SNR)out时，系统可承受的干扰的最大值。,定义如下 Mj=Gp(S/N)out+Ls,3.1.3 CDMA的软容量特性 CDMA系统是一个自干扰系统；CDMA系统单载频的容量不像FDMA、TDMA那样是固定的
4、，这也就是所谓的软容量特性。,因此，功率控制在CDMA系统中起着重要作用，它直接影响着系统容量。,在CDMA系统中，当系统容量达到饱和时，可以以通信质量稍有变坏作为代价来增加少量用户，这叫做软容量增加。,体现软容量的另一种形式是小区呼吸功能，即各个小区的覆盖大小是动态的。,当相邻两小区负荷一轻一重时，负荷重的小区通过减少导频发射功率，使本小区的边缘用户由于导频强度不足而切换到相邻小区，使负荷分担，即相当于增加了容量。这就是CDMA的软容量特性。,3.2 WCDMA关键技术,3.2.1 多径无线信道和Rake接收 1Rake接收的基本原理 Rake接收不同于传统的空间、频率与时间分集技术，它是一
5、种典型的利用信号统计与信号处理技术将分集的作用隐含在被传输的信号之中的技术，因此又称其为隐分集或带内分集。,由于移动通信传播中多径引起了接收信号时延功率谱的扩散，其中最典型的有两类：连续型时延功率谱和离散型时延功率谱。,在接收端的多径传播信号可用矢量图（见图3-3）来表示（假设有3条主要的传播路径）。若采用扩频信号设计与Rake接收的信号处理后，3条路径信号矢量图可改变成如图3-4所示的形式。,Rake接收就是设法将上述被扩散的信号能量充分利用起来，其主要手段是扩频信号设计与Rake接收的信号处理手段。,图3-3 多径信号的矢量合成图,图3-4 利用Rake接收（相干检测）后的矢量合成图,2W
6、CDMA中的Rake接收 在CDMA扩频系统中，信道带宽远远大于信道的平坦衰落带宽。,不同于传统的调制技术需要用均衡算法来消除相邻符号间的码间干扰，CDMA扩频码在选择时就要求它有很好的自相关特性，这样在无线信道中出现的时延扩展就可以被看作只是被传信号的再次传送。,如果这些多径信号相互间的延时超过了一个码片的长度，那么，它们将被CDMA接收机看作是非相关的噪声而不再需要均衡了。,由于在多径信号中含有可以利用的信息，所以CDMA接收机可以通过合并多径信号来改善接收信号的信噪比。,图3-5 Rake接收机框图,从实现的角度而言，Rake接收机的处理包括码片级和符号级，码片级的处理有相关器、本地码产
7、生器和匹配滤波器。,对于多个接收天线分集接收而言，多个接收天线接收的多径可以用上面的方法同样处理。,3.2.2 功率控制 WCDMA中采用的功率控制方案是快速闭环功率控制，如图3-6所示。在上行链路的功率控制中，基站要频繁估计接收到的信干比（SIR）值，并把它同目标SIR值相比较。,图3-6 CDMA中的闭环功率控制,下行链路中采用同样的闭环功控技术，但是目的不一样。下行链路基站对多个移动台发送信号，但是处于小区边缘的用户受到其他小区的干扰增加，需要提高功率来克服干扰，这就是下行的闭环功控。,为了配合移动台不同的移动速度和传播环境，WCDMA中还采用了外环功率控制：根据各个单独的无线链路的需要
8、来调整目标SIR的设定值，其目标是取得恒定的链路质量，通常定义为误码率（BER）和误块率（BLER）。,3.2.3 软切换 WCDMA中使用了特有的切换类型：软切换和更软切换。软切换是指切换过程中和两个或几个基站同时通过不同的空中接口信道进行通信的切换方式。,和软切换一样，更软切换是指在切换过程中，移动台和基站同时通过两条空中接口信道通信。,图3-7 软切换,3.2.4 多用户检测 从接收机性能和系统容量的观点来看，CDMA系统本质上是干扰受限的。,从接收机方面看，这意味着如果用户数目足够大，增加信噪比不能改善比特误码率或者误帧率。从系统容量的观点来看，这意味着期望的服务质量所需的信干噪比越大
9、，通信信道中可接纳的用户数就越少。,CDMA系统的干扰受限特性是通过概率分析和近似，可以得到这样的结论：在加性高斯白噪（AWGN）信道中，译码之前的匹配滤波器是CDMA系统的最佳接收机；而在频率选择性信道中，Rake接收机可以认为是最佳的。,从信息论角度来看，CDMA系统是一个多入多出（MIMO）的系统，现存的次优多用户检测技术根据检测算法可以分为集中式多用户检测算法和分散式单用户检测算法。,基于所用的方法，现存的次优多用户检测技术又可以分为线性均衡器和干扰抵消（Interference Cancellation，IC）接收机。,基于多级并行干扰抵消（PIC）的多用户接收机是目前最适合应用在采
10、用单一扩频因子的CDMA系统中的接收技术。,图3-8 两用户的并行干扰抵消接收机,图3-9 多级干扰抵消接收机,只有用户扩频序列在相当短的时间内呈周期性（例如符号间隔上），才可以应用自适应线性均衡器。,高级的接收机算法可以在WCDMA/HSDPA终端中应用，以提高终端用户的数据速率和系统容量。,3.3 WCDMA空中接口,3.3.1 WCDMA的主要参数 WCDMA是一个宽带直扩码分多址（DS-CDMA）系统，为支持很高的比特速率（最高可达2Mbit/s），采用了可变扩频因子和多码连接。,WCDMA的物理帧结构由无线帧组成，每个无线帧长为10ms，分为15个时隙，每个时隙666.7s，每个时隙
11、含2560个码片，由此可以得到WCDMA的码片速率256015/10ms = 3.84106chip/s，如图3-10所示。,图3-10 无线帧结构,WCDMA支持各种可变的用户数据速率，即可以很好地支持带宽需求。WCDMA支持两种基本的工作模式：频分双工（FDD）和时分双工（TDD）。,WCDMA支持异步基站运行，WCDMA在上行链路和下行链路中采用基于导频符号或公共导频的相干检测。,WCDMA 能与GSM协同工作。 WCDMA空中接口包括一些先进的CDMA接收机概念，,表3-1WCDMA主要参数,3.3.2 WCDMA的信道 MAC层通过逻辑信道给RLC层提供服务，逻辑信道用来描述传输的类
12、型是什么。,物理层通过传输信道向MAC层提供服务，传输信道用来描述怎样的传输数据以及数据的特征是什么，物理层之间通过物理信道进行对等实体之间的通信。如图3-11所示。,图3-11 信道映射,1逻辑信道 MAC层在逻辑信道上提供数据业务，针对MAC层提供的不同类型的数据传输业务，专门定义了一组逻辑信道类型。逻辑信道通常可以分成两大类：控制信道和业务信道。,（1）控制信道用来传输控制平面信息，控制信道包括：广播控制信道（BCCH）、寻呼控制信道（PCCH）、专用控制信道（DCCH）和公共控制信道（CCCH）。,（2）业务信道用来传输用户平面信息，业务信道包括：专用业务信道（DTCH）和公共业务信道
13、（CTCH）。,2传输信道 传输信道有两种类型：专用信道和公用信道。公共信道资源可由小区内的所有用户或一组用户共同分配使用，而专用信道仅仅是为单个用户预留的，并在某个特定的速率采用特定编码加以识别。下面分别介绍这两种传输信道。,（1）专用传输信道 （2）公共传输信道 广播信道（BCH） 寻呼信道（PCH）, 前向接入信道（FACH） 随机接入信道（RACH） 上行链路公共分组信道（CPCH） 下行链路共享信道（DSCH）,3物理信道及其与传输信道的映射 物理信道是物理层的承载信道，物理层主要完成的功能包括。,传输层前向错误编码（FEC）、对高层进行测量和指示、宏分集的分解和合并、软切换、传输链
14、路的纠错（CRC）、传输链路的复用和CCTrCH的分离、速率匹配、将CCTrCH对应在物理链路上、频率和时间同步、闭环功率控制、功率权重、物理链路合并、射频处理等。,它包含下列信道。 （1）物理专用信道（DPCH） （2）公共导频信道（CPICH） （3）公共控制信道（CCPCH） （4）下行物理共享信道（PDSCH）,（5）寻呼指示信道（PICH） （6）分配指示信道（AICH） （7）同步信道（SCH） （8）物理随机接入信道（PRACH） （9）物理公共分组信道（PCPCH）,各传输信道映射到各自对应的物理信道。,图3-12 传输信道到物理信道的映射,3.3.3 扩频与调制 WCDMA的
15、扩频编码分为信道化编码和扰码两个过程，如图3-13所示。,图3-13 扩频与加扰,1信道化编码,图3-14 信道化编码码树原理及结构,2扰码 加扰的目的是为了将不同的终端或基站区分开来。,图3-15 信道化编码和加扰过程,WCDMA一个非常重要的特征就是无需GPS，其原因就是WCDMA是通过正交的扰码来区分扇区和用户，不同于CDMA2000系统采用PN码的不同偏置相位区分扇区和用户。,所以不需要基站之间的严格同步，WCDMA基站也就不再需要GPS，这将使得基站的选址、安装更加方便，可以实现分层组网等更加灵活的组网方式。而且，WCDMA不需要进行PN偏置规划，取而代之的是扰码规划。,上行链路采用
16、的扰码序列可分为短扰码和长扰码。下行链路不使用短扰码，只使用长扰码，表3-2列出了信道化编码和扰码的功能与特征。,表3-2 信道化编码和扰码的功能与特征,续表,3调制,图3-16 专用物理信道结构,图3-17 上行链路的调制方式,3.3.4 小区搜索和同步过程 WCDMA不需要基站间的同步，其终端与小区的同步主要是借助下行链路的主、从同步信道完成，同时会获取目标小区的扰码信息，完成小区搜索。,主、从同步信道都不进行扰码，在每个时隙中，两信道并行发送。,小区搜索（即同步）过程的目的是捕获一个合适的小区，并据此确定这个小区的下行扰码和帧同步。,第一步：时隙同步。 第二步：扰码码组识别和帧同步。 第三步：扰码识别。,图3-18 小区搜索过程,经过以上三
