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1、WCDMA系统原理概述系统原理概述1前言前言前言前言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！2课程目标课程目标课程目标课程目标l了解移动通信系统的发展与演进了解移动通信系统的发展与演进 l了解了解IMT-2000的一些基本知识；的一些基本知识；l掌掌握握CDMA技技术术相相比比其其它它多多址址技技术术的优点；的优点；l了解了解WCDMA FDD模式的技术特点模式的技术特点学习完本课程，您将能够：学习完本课程，您将能够：3课程内容课程内容课程内容课程内容T第一章第一章 CDMA原理概述原理概述第二章第二
2、章 覆盖增强技术覆盖增强技术第三章第三章 无线资源管理概述无线资源管理概述第四章第四章 WCDMA FDD的技术特点的技术特点4CDMACDMA原理概述原理概述原理概述原理概述l l无线传播环境无线传播环境无线传播环境无线传播环境l l多址技术和双工技术多址技术和双工技术多址技术和双工技术多址技术和双工技术l lCDMACDMA原原原原 理理理理 和和和和 RakeRake接接接接收机收机收机收机5多径环境多径环境多径环境多径环境时间接收信号强度发射信号6衰落衰落衰落衰落发射数据发射数据接收数据接收数据7衰落衰落衰落衰落距离距离(m)接收功率接收功率(dBm)102030-20-40-60慢衰
3、落慢衰落快衰落快衰落8频率选择性衰落频率选择性衰落频率选择性衰落频率选择性衰落窄带系统大衰落大衰落发射信号发射信号接收到的衰落信号接收到的衰落信号频率频率频率频率强度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强度宽带系统9移动信道的多径特征移动信道的多径特征移动信道的多径特征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）10无线信道模型无线信道模型无线信道模型无
4、线信道模型高斯噪声高斯噪声信道模拟信道模拟当前径权重当前径权重接接收收信信号号发发射射信信号号信道模拟信道模拟当前径权重当前径权重信道模拟信道模拟当前径权重当前径权重信道模拟信道模拟当前径权重当前径权重11典型无线移动信道的分类典型无线移动信道的分类典型无线移动信道的分类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）12CDMACDMA原理概述原理概述原理概述原理概述l l无线传播环境无线传播环境无线传播环境无线传播环境l l多址技术和双工技术多址技术和
5、双工技术多址技术和双工技术多址技术和双工技术l lCDMACDMA原原原原 理理理理 和和和和 RakeRake接接接接收机收机收机收机13l l双工技术：双工技术：双工技术：双工技术：u时分双工(TDD)u频分双工(FDD)l l多址技术：多址技术：多址技术：多址技术：u频分多址(FDMA)u时分多址(TDMA)u码分多址(CDMA)多址技术与双工技术多址技术与双工技术多址技术与双工技术多址技术与双工技术14频率时间TDMA时间频率FDMA频率时间码字CDMA传统多址技术传统多址技术码分多址技术码分多址技术（直接扩频方式）（直接扩频方式）多址技术图示多址技术图示多址技术图示多址技术图示15码
6、分多址（码分多址（码分多址（码分多址（CDMACDMA）l多用户共享同一频率，频谱利用率大大提高；lCDMA系统是自干扰系统系统内用户存在互相之间的干扰；lCDMA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；16CDMACDMA的几种不同形式的几种不同形式的几种不同形式的几种不同形式l直接扩频码分多址（DSCDMA）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（FHCDMA）单一用户单一时刻占用的频谱带宽较窄，占
7、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。l跳时码分多址（THCDMA）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。17CDMACDMA示意图示意图示意图示意图18CDMACDMA系统基本框图系统基本框图系统基本框图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19简单的简单的简单的简单的CDMACDMA发射接收机框图发射接收机框图发射接收机框图发射接收机框图DSCDMA信号发射信号发射/接收机接收机20CDMACDMA原理概述原理概述原理概述原理概述l l无线传播环境无线传播环境无线传播环境无线传播环境l l多址技术和
8、双工技术多址技术和双工技术多址技术和双工技术多址技术和双工技术l lCDMACDMA原原原原 理理理理 和和和和RakeRake接接接接收机收机收机收机21码字的自相关和互相关码字的自相关和互相关码字的自相关和互相关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)，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()=22CDMACDMA的码生成技术的码生成技术的码生成技术的码生成技术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，
9、另一半不同lm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23GoldGold序列序列序列序列lGold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24GoldGold序列生成序列生成序列生成序列生成lGold序列的随机性好，符合伪随机序列的特性l0和1发生的相对频率各为1
10、/2，连续出现0或1的概率小，用于加扰25OVSF&WalshOVSF&WalshOVSF码的互相关为零，相互完全正交。码的互相关为零，相互完全正交。Walsh与与OVSF码一样码一样26扩频因子与业务速率扩频因子与业务速率扩频因子与业务速率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）信道编码重复或打孔率如WCDMA，业务速率384Kbps，信道编码1/3Turbo码，符号速率960Kbps；cdm
11、a2000-1x，业务速率9.6Kbps，信道编码1/3卷积码，符号速率19.2Kbps；27扩频与解扩（扩频与解扩（扩频与解扩（扩频与解扩（DS-CDMADS-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1-11-11-11-11-128扩频与解扩（扩频与解扩（扩频与解扩（扩频与解扩（DS-CDMADS-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相关接收机的基本操作积分后的数据处理增益29CDMACDMA过程中的频谱变化过程中的频谱变化
12、过程中的频谱变化过程中的频谱变化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扩频码扩频码信号合并信号合并窄带信号窄带信号fP(f)宽带信号宽带信号P(f)f噪声噪声P(f)f噪声噪声+宽带信号宽带信号P(f)f信号与噪声分离信号与噪声分离P(f)f30RakeRake接收机接收机接收机接收机31l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AM
13、PS和GSM，频率复用系数WCDMA为1，GSM为118。l支持软切换和更软切换l支持新技术的应用，如多用户检测lWCDMA有下行发射分集，而GSM没有CDMACDMA在无线信道中传输的优势在无线信道中传输的优势在无线信道中传输的优势在无线信道中传输的优势32课程内容课程内容课程内容课程内容T第一章第一章 CDMA原理概述原理概述第二章第二章 覆盖增强技术覆盖增强技术第三章第三章 无线资源管理概述无线资源管理概述第四章第四章 WCDMA FDD的技术特点的技术特点33覆盖增强技术覆盖增强技术覆盖增强技术覆盖增强技术l l分集技术分集技术分集技术分集技术l l智能天线技术智能天线技术智能天线技术
14、智能天线技术l l多用户检测技术多用户检测技术多用户检测技术多用户检测技术34l是通过自然界无线传播环境中的独立（或至少高度不相关）是通过自然界无线传播环境中的独立（或至少高度不相关）多径信号来实现的多径信号来实现的l相对投资低廉相对投资低廉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），可以采用双天线接收分集以采用双天线接收分集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
15、择发射分集位置选择发射分集分集技术分集技术分集技术分集技术35l空间分集空间分集空间发射分集空间发射分集空间接收分集空间接收分集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时间分集：以超过信道相干时间的时间间隔重复发射信号，号，RAKE接收机，认为：一个码片时间接收机，认为：一个码片时间信道的相关信道的相关时间时间分集技术分集技术分集技术分集技术36l最大比合并最大比合并在接收端由在接收端由N个分集支路，经过相位调整后，按照适当的增个分集支路，经过相位调整后，按照适
16、当的增益系数，同相相加，在送入检测器进行监测益系数，同相相加，在送入检测器进行监测l等增益合并等增益合并在接收端由在接收端由N个分集支路，经过相位调整后，按照相等的增个分集支路，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益系数，同相相加，在送入检测器进行监测l选择性合并选择性合并在在N个分集支路中选择具有最大信噪比的支路作为输出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分集接收合并技术分集接收合并技术分集接收合并技术37l前向链路容量是当前前向链路容量是当前CDMA蜂窝系统容量的瓶颈，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
17、究，提出了新的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；发射分集方案，提高前向链路容量；l开环发射分集开环发射分集u基于时空块编码的发射天线分集（STTD）uSCH上的时间切换传输分集（TSTD）l闭环发射分集，闭环发射分集，FBI 域域WCDMAWCDMA的发射分集的发射分集的发射分集的发射分集38基于时空块编码的发射天线分集基于时空块编码的发射天线分集基于时空块编码的发射天线分集基于时空块编码的发射天线分集39SCHSCH上的时间切换传输分集上的时间切换传输分集上的时间切换传输分集上的时间切换传输分集40闭环发射分集闭环发射分集闭环发射分集闭环发射
18、分集41不同多径分集的接收效果不同多径分集的接收效果不同多径分集的接收效果不同多径分集的接收效果42覆盖增强技术覆盖增强技术覆盖增强技术覆盖增强技术l l分集技术分集技术分集技术分集技术l l智能天线技术智能天线技术智能天线技术智能天线技术l l多用户检测技术多用户检测技术多用户检测技术多用户检测技术43l现有结果：现有结果：(Arraycomm，京瓷京瓷)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：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智能天线研究智能天线研究
19、智能天线研究智能天线研究44智能天线原理智能天线原理智能天线原理智能天线原理45全向小区三扇区小区智能天线小区智能天线的小区配置智能天线的小区配置智能天线的小区配置智能天线的小区配置46l智能天线可以对高速率用户进行波束跟踪，起到空间隔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；离、消除干扰的作用；l大大增加系统容量；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；质量；l提高信号接收质量，降低掉话率，提高语音质量；提高信号接收质量，降低掉话率，提高语音质量；l减少发射功率，延长移动台电池寿命；减
20、少发射功率，延长移动台电池寿命；智能天线的优点智能天线的优点智能天线的优点智能天线的优点47覆盖增强技术覆盖增强技术覆盖增强技术覆盖增强技术l l分集技术分集技术分集技术分集技术l l智能天线技术智能天线技术智能天线技术智能天线技术l l多用户检测技术多用户检测技术多用户检测技术多用户检测技术48l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，降低了多址干扰，从而提高系统的容
21、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多用户检测技术多用户检测技术多用户检测技术49课程内容课程内容课程内容课程内容T第一章第一章 CDMA原理概述原理概述第二章第二章 覆盖增强技术覆盖增强技术第三章第三章 无线资源管理概述无线资源管理概述第四章第四章 WCDMA FDD的技术特点的技术特点50无线资源管理综述无线资源管理综述无线资源管理综述无线资源管理综述lRRMRadio Resource ManagementlWCDMA系统是一个自干扰的系统，功率的使用在系统是一个自干扰的系统，功率的使用在CDMA系统中系统中是矛盾的：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
22、质量提高针对某用户的发射功率能够改善该用户的服务质量QoS另一方面，由于另一方面，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。严格控制功率的使用。lRRM无线资源管理的工作就是结合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。目标对功率进行管理。51RRMRRM的目的的目的的目的的目的lRRM的目的的目
23、的：保证保证CN所请求的所请求的QoS增强系统的覆盖增强系统的覆盖提高系统的容量提高系统的容量52RRMRRM的任务的任务的任务的任务l信道配置：为了保证信道配置：为了保证CN所请求的所请求的QoS，需要将需要将QoS映射成接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。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：在保证功率控制：在保证CN所请求的所请求的QoS的前提下，使用户的发射的前提下，使用户的发射功率最小，从而减少该功率最小，从而减少该UE对于整个系统的干扰，提高系统的对于整个系统的干扰，提高系统的容量和覆盖。容量和覆盖。l移动性管理：在移动性管理：在UE
24、移动时继续维持移动时继续维持QoSl负载控制：接入一定数量的负载控制：接入一定数量的UE后，需要确保整个系统的负载后，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53RRMRRM的运行机制的运行机制的运行机制的运行机制l无线资源管理或控制的运行机制：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）；量控制的配置）；获取测量报告，了解当前的无线资源状况；获取测量报告，了解当前的无线
25、资源状况；对当前的测量报告所表征的当前无线资源状况和当前的连接现对当前的测量报告所表征的当前无线资源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、目标换参数调整、信道重配置、目标SIR调整、接入参数调整等）调整、接入参数调整等）54本章小结本章小结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。55课程内容课程内容课程内容课程内容T第一章第一章 CDMA原理概述原理概述第二章第二章 覆盖增强技术覆盖增强技术第三章第三章 无线资源管理概述无线资源管理概述第四章第
26、四章 WCDMA FDD的技术特点的技术特点56WCDMA FDDWCDMA FDD模式技术规范模式技术规范模式技术规范模式技术规范调制方式：上行：调制方式：上行：QPSK；下行：下行：QPSK语音编码：语音编码：AMR信道编码：卷积码和信道编码：卷积码和Turbo码码解调方式：导频辅助的相干解调解调方式：导频辅助的相干解调发射分集方式：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基站同步方式：支持异步的基站运行信号带宽：信号带宽：5MHz；码片速率：码片速率：3.84Mcps57本章小结本章小结l本章主要介绍了：uWCDMA FDD模式的主要特点58课程总结课程总结课程总结课程总结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。5960
