3G新员工培训教材--WCDMA系统原理.ppt

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1、WCDMA系统原理,提纲,概述 WCDMA技术特点 WCDMA系统原理 WCDMA关键技术,什么是3G？,3G就是第三代移动通信!信息传输速率：144 kbps 高速移动(120km/h)384 kbps 步行速度(3km/h)2 Mbps 室内业务性能：综合（混合）业务 可变速率传输 永远在线上网,WCDMA是宽带码分多址,为什么需要3G？,频谱效率、新业务和业务质量需要3G！频谱效率（系统容量）TDMA:FDMA=5:1CDMA:TDMA=4:1CDMA:FDMA=20:1,3G的由来,更高速率和更高频谱效率要求；减少网络之间的不兼容性；世界性的标准IMT-2000；WCDMA和CDMA2

2、000是主流；TD-SCDMA是3大标准之一。WCDMA是主流中的主流。,CDMA技术是3G的主流技术,3G,标准,WCDMA,核心网络：基于MAP,TD-SCDMA,核心网络：基于MAP,CDMA2000,核心网络：基于ANSI-41,提纲,概述 WCDMA技术特点 WCDMA系统原理 WCDMA关键技术,移动无线信道的特点,复杂的衰落传播损耗、阴影衰落、多径衰落；多径时延码间串扰；多卜勒频移。频率、相位偏移；,移动无线信道的特点,多径示意图,d1,d2,t,t,t,d3,发射,接收,Raker合并,噪声,移动无线信道的特点,车速80km/h、频率为2GHz时平均衰落持续时间约6ms。,t,

3、接收信号,-35dB,0dB,接收信号中值,WCDMA的技术特点,WCDMA系统最根本的实质是功率；资源是动态统计复用的；属于自干扰系统；任何不需要的功率不能发射！,WCDMA的技术特点,双向快速闭环功率控制技术补偿衰落 双向相干解调采用发射、接收分集技术采用BPSK和QPSK调制解调技术码片速率高，RAKE接收效果更好采用卷积编译码和Turbo编译码基站之间不需同步支持多种切换适应多种速率的传输,WCDMA的技术特点,支持高速数据传输具有承载CS和PS业务等混合业务的能力无线资源管理算法保证服务质量（QoS）WCDMA采用频分多址（FDD）工作方式上行1920MHz到1980MHz下行是21

4、10MHz到2170MHz收发频率间隔190MHz,提纲,概述 WCDMA技术特点 WCDMA系统原理 WCDMA关键技术,WCDMA系统组成,WCDMA是一个扩频系统,扩频的理论基础：Shanon 定理 C=Wlog2(1+S/N)扩频通信的特点：抗干扰能力强；隐蔽性好（信号频谱密度低于白噪声）；抗衰落；抗多径干扰；可以实现码分多址通信；,扩频与解扩,扩频定义与处理增益：PG=Wc/R，其中Wc是码片速率，R是信息速率。用dB表示：PG=10log10(Wc/R)接收端进行相关解扩即可恢复原始信号。扩展倍数越多，处理增益越高，抗干扰能力越强。,扩频与解扩,信号频谱,扩频后,信道噪声,接收信号

5、,相关解扩,低通滤波,f,f,f,f,f,f,扩频与解扩,数字通信接收端信号解调过程相乘、积分信号正交的概念 在一段时间内相乘、积分结果为零。例：正弦信号与余弦信号在一个周期内积分结果为零，正交。,输入信号,本地PN码,在T=Ts时刻判决,解扩输出,积分,0,Ts,(*)dt,扩频与解扩,发射机1,PN码1,扩频与解扩,接收机1,PN码 1,扩频与解扩,接收机2,PN码2,扩频与解扩,WCDMA信道组成数据信道码扰码上下行信道用扰码和信道码区分只要有一个码不同就可区分使用两种码序列的原因是充分利用两种码的优点,功率攀升,码信道之间的非正交产生多址干扰，存在功率攀升现象。WCDMA网络 会议室码

6、信道传输用方言交谈信道功率说话声音保证信道质量听清对话信道功率增加谈话声音提高,功率攀升,WCDMA网络 会议室功率攀升大家都提高声音超过线性范围崩溃喊破喉咙，仍然听不清小区外的干扰房间外的干扰,功率攀升,功率攀升,业务模型,系统设计和网络规划的依据。一、2G业务模型，Erlang B公式将系统容量、用户忙时话务量和阻塞率联系起来。二、2.5G系统，话音同2G，分组业务采用无呼损的等效爱尔兰容量方法。业务统计特性和比例没有标准，建立业务模型困难。三、3G的业务种类比2.5G的还要多。可以分近、中、远期的发展和城市、乡村对业务比例进行预测，建立混合业务模型。近期还是以话音业务为主。,业务种类,会

7、话型双向传输的实时业务；对时延、时延抖动很敏感；典型业务：话音、可视电话、Telnet和交互游戏等；,业务种类,交互型业务双向不对称非实时的业务；主要应用是WWW游览、电子商务等。要求无错传输；时延和时延抖动要求不是很高；大约时延小于1s；,业务种类,流业务单向业务；音频流、视频流和FTP、静态图象传输等；音频流和视频流可以有错误传输；FTP和静态图象不能有错误；时延要求较低，一般要求1到10s；,业务种类,后台型业务单向或双向非对称业务；电子邮件（E_mail）传输和传真业务；电子邮件不能出错，传真可以出错；时延要求很低，可以超过10s；,系统容量,Shanon公式是理论值，实际远达不到；采

8、用高效的无线传输技术来接近理论值；传统的CDMA系统容量是以话路信道数来衡量的，与扩频增益成正比，与业务所需的信噪比成反比。,系统容量,WCDMA系统容量特点：容量和硬容量。软容量有以下含义：即系统容量与通信质量可以互换；允许接入的用户数或数据速率不固定；容量与无线环境、业务构成和比例有关。硬容量：取决于基站硬件资源。,系统容量,系统容量,上行容量干扰受限，上行是多对一通信模式，利用功率控制技术消除远近效应。除自己的信号外全是干扰，当用户较多时干扰较大，使信噪比降低；为了达到额定的信噪比，必然通过功控加大功率，造成互相影响，互相攀比，引起功率攀升，最后使接收的总功率超出前置线性放大器的线性范围

9、，使CDMA系统不再成立！即引起系统崩溃。,系统容量,下行容量功率受限，下行是一对多通信模式，一般总发射功率不超过20W/载频，公共导频信道等公共信道约需20%的开销，业务信道可用功率为16W，当每条码信道需要0.5W时，可接入32个用户，可见下行容量受功率限制。当小区覆盖地域较小时，下行容量就不受功率的限制了。,系统覆盖,提纲,概述 WCDMA技术特点 WCDMA系统原理 WCDMA关键技术,WCDMA关键技术使用目的,移动通信信道是一个随机信道，存在快衰落、多径传输、阴影慢衰落等不利因素。WCDMA关键技术就是为了克服这些不利的情况，而采取的措施。,WCDMA关键技术使用目的,误码率为10

10、-3时，高斯白噪声信道仅需7dB左右的信噪比，快衰落信道需要26dB左右的信噪比！,三重技术保证质量,RTT技术（功率控制、分集接收、Rake接收、相干解调等）：解决误码率从50%降低到10%，这些技术的总增益约10dB左右，编解码技术可以将10%的误码率降到10-6以下，甚至更低，ARQ技术就可以达到无差错传输数据,WCDMA关键技术,基带技术；功率控制；切换控制技术；接纳控制技术；负荷控制技术；码资源分配技术；,信道编码,编码目的：在原数据流中加入冗余信息，使接收机能够检测和并纠正由于传输媒介带来的信号误差。主要有两种编码方法：卷积码：在WCDMA系统中主要用于低速率的话音信道和控制信道；

11、Turbo码：主要用于分组业务数据的传送。,信道编码,卷 积 码译码简单（Viterbi算法），时延较短；误码率较高（一般在10-3）。编码速率为1/2和1/3。适合实时业务，如话音和视频业务的传送。TURBO 码译码复杂（LOGMAP算法），时延较长；误码率低（可以达到106）。编码速率为1/3适合对误码率敏感，对时延不敏感的非实时分组业务分组长度最大到5114比特，可以实现大分组，时延长的业务传送。,TURBO译码,TURBO 码的名称与其译码算法很贴切，“turbo”是涡轮旋转的意思，TURBO码的译码过程是在两个译码器间交互信息，多次迭代的过程。译码性能与分组长度有关，分组长度越长，其

12、译码性能越好。,MAP 译码器 2,N-比特交织器,N-比特去交织器,N-比特去交织器,功率控制技术,CDMA通信技术并不是一种崭新的技术功率控制是CDMA通信技术的关键实现CDMA通信的规模商用，必须解决好功率控制Qualcomm（高通）公司对CDMA系统功率控制作出了巨大贡献,功率控制能够解决什么问题？,降低多余干扰 解决远近效应 解决阴影效应节约电池功率补偿部分衰落,功率控制技术,功率控制技术的分类,功率控制分为上行功控和下行功控功控又分为开环功控、内环功控和外环功控,开环功率控制,根据接收到的链路的信号衰落情况，估计自身发射链路的衰落情况，从而确定发射功率。这种衰落估计的准确度是建立在

13、上行链路和下行链路具有一致的衰落情况下，导致开环功率控制的准确度低，只能起到粗略控制的作用。必须使用闭环功率控制达到相当精度的控制效果。,内环功率控制,控制过程：测量方测量功率或信干比；与目标值比较，产生功率控制命令；将功控命令报告执行方；执行方调整功率。特点：调整一般落后于测量时的状态；“乒乓”式控制；闭环功率控制精度高于开环功率控制；是主要的控制手段。,外环功率控制,最终目的是使每条链路的通讯质量基本保持在设定值。固定的目标SIR和功率门限不能在任意时刻保证质量。外环功率控制通过闭环功率控制间接影响系统的用户容量和通讯质量。基于每条链路，不断的比较BLER与质量要求目标BLER的差距，调节

14、每条链路的目标SIR或目标功率。,功率控制示意,切换控制技术概念,移动台处于移动状态中，从一个基站或信道转移到另一个基站或信道的过程。解决蜂窝小区覆盖有限和必须保证连续通讯之间的矛盾。,切换控制技术分类,WCDMA系统支持的各种切换,切换控制技术示意,切换控制技术,软切换可以不掉话，提高了服务等级：GoS=Pb+10Pd，即掉话率Pd在服务等级中占了比阻塞率Pb高得多的份量。切换可以分为以下三个步骤：无线测量、网络判决和系统执行。切换的原因可能是：链路质量、距离或业务的变化、更优小区出现、OMC干涉、业务流量情况等。凡是网络侧发起的切换，强制完成。,切换控制技术,宏分集的处理是WCDMA的一大

15、优点。切换是在UE辅助下完成的。测量是由UE和Node B完成判决在RNC中进行执行在UE、Node B和RNC共同完成。RNC的RRM根据负载控制算法和CAC算法，作出无线资源的分配，才能进行切换。,切换控制技术,切换控制技术,硬切换,硬切换的测量对移动台设备的要求更复杂。如果是不同频率的硬切换，需要测量其他频点的信号WCDMA采用压缩模式的方式来实现频间小区信号的测量,压缩模式,压缩模式发射时间示意图,接纳控制,接纳控制的目的：在于根据系统目前的资源状况对新的用户、新的无线接入承载(RAB)和新的无线链路(RL)（例如切换）给予接纳或拒绝。上行负荷的衡量是接收总干扰功率是否超出LNA的线性

16、动态范围；下行负荷的衡量是发射功率是否分配完毕。在呼叫（新接入呼叫和切换呼叫）时要测量系统小区当前的负荷情况，并对呼叫进行预测和估计，判断是否能接入呼叫，这就是接纳控制过程。,接纳控制,接纳控制的关键是在混合业务环境中精确预测呼叫业务对资源的要求 由于功率攀升存在，业务对资源的要求是非线性规律的，需要深入研究、仿真和实验才能得到。,上行接纳控制,Itotal_old+I Ithreshold,小区基站所接收到的总宽带功率(Received Total Wide Power),接入门限值,业务类型,Iown-cell,Iother-cell,新业务接入后基站所接收到的干扰功率增量的预测值。与业务

17、类型相关，需要根据预测算法给定。,业务优先级（切换余量）,下行接纳控制,Ptotal_old+P=Pthreshold,接入门限值,基站的最大发射功率,新业务接入后基站总发射功率增量的预测值。与业务类型相关，需要根据预测算法给定。,小区基站目前的总发射功率,Node B上报给RNC（Transmitted Carrier Power*Pmax）,业务优先级(切换余量),负荷控制,系统负荷平均值在一个设定的时间内超越某一个门限值时，说明系统负荷较重，使负荷进入系统的不稳定运行区，此时就有必要进行负荷控制。负荷控制的核心思想是保证系统在稳定运行的前提下，最大限度地接入尽可能多的业务，以达到高效运行

18、的目的。在确定系统崩溃的底线后，留一些富余量，以此作为负荷控制的门限值。负荷控制的门限值大于接纳控制门限值。,负荷控制手段,下行：拒绝从移动台来的增加功率的命令；上行：减少上行功率控制的SIR目标值；减少分组业务的吞吐量(降低传输速率)；切换到其它的WCDMA载频；切换到GSM系统；减少实时业务的速率；执行掉话操作。,码资源分配,下行信道，同一扰码下用不同的信道码作区分，信道码特殊的性质决定了如果不很好的分配码资源，信道码将成为容量瓶颈。信道码树的结构如下：,码资源分配,OVSF码树的特点1.分配码的前提，要保证其到树根路径上和其子树上没有其它码被占用；2.分配码的结果，就会阻塞掉其子树上的所

19、有低速扩频码和其到根路径上的高速扩频码；下行链路信道化码的分配策略1.先分配公共和共享物理信道的的下行链路信道化码；2.按照一定的策略分配下行专用物理信道的信道化码。,码分配原则,码分配准则有两个：1）利用率 2）复杂度利用率方面：就是尽量减少阻塞掉的码的数量；复杂度方面：尽量不用多码传输；相同情况下尽量使用长度短的码。,智能天线技术,智能天线阵列由多个阵元组成，通过一系列的算法控制各个阵元的幅度、相位，使它们在某个方向某点以同相增强，反相抵消的干涉原理叠加，形成在某个方向的信号很强，某个方向的信号很弱；采用智能天线的好处：降低干扰，信噪比提高，大大提高容量，基站数目减少约50%，覆盖更好、更远，方向增益高，基站和手机的发射功率降低，更符合绿色手机概念；FDD方式实现技术较复杂；,智能天线技术,智能天线技术,其它技术,高速调制解调技术可以采用多进制的调制解调技术，容量大大提高，但是由于所需的信噪比要高，覆盖半径变小。干扰抵消技术由于存在多址干扰，可以采用多用户检测减小干扰分量，提高信噪比，从而提高容量。软件无线电技术数字中频技术等，现场编程可以改变功能和参数，技术平滑升级。,谢谢大家！,