WCDMA通信原理.ppt

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1、WCDMA通信原理 ISSUE 1.0,Page 2,内容介绍,第一章 WCDMA网络概述 第二章 WCDMA系统使用的相关技术第三章 WCDMA码分多址的工作原理第四章 WCDMA信道第五章 WCDMA发射分集/切换和功率控制,WCDMA网络概述,WCDMA系统社会需求WCDMA网络结构WCDMA网络组件移动台（UE）:ME、USIM基站系统（UTRAN）:NodeB、RNC核心网（CN）：GMSC、MSC、GGSN、SGSN、HLR、VLR、EIR、AUC、IWF、EC网关系统（OMC）：OMC、NMCWCMDA网络接口,WCDMA系统社会需求,移动用户市场在不断扩大 以满足用户任何时间任

2、何地点获取数据业务信息的要求 运营商为了获取更大的利润，必需提供极具吸引力的增值服务数据业务 网络尽量保持平滑过渡 用户希望得到高速数据服务以达到移动多媒体的效果,WCDMA系统社会需求,GPRS系统的局限性：,GPRS数据速率最大171.2Kbps（理论值）GPRS相对与GSM在调制技术上没有改进 GPRS仍基于TDMA，频率利用率远低于CDMA,WCDMA系统社会需求,WCDMA系统的特点,采用CDMA技术 基于ATM的传输语音和数据 高的传输速率 丰富的增值服务 是新的利润增长点 能从2.5G平滑过渡,WCDMA网络结构(与GSM/GPRS比较）,MS,RNC,SGSN,Packet S

3、witched Network,UE,WCDMA网络结构,RNC,SGSN,UE,GGSN,MSC,Feature Servers,Internet,PSTN,WCDMA网络组件,用户设备（UE）移动设备（ME）：支持无线接入网络注册位置更新无USIM可紧急呼叫支持端对端的应用（和电脑的接口）用户识别模块（USIM）用于识别唯一的移动台使用者,WCDMA网络组件,UMTS陆地无线接入网（UTRAN）包括多个无线网络系统（RNS）无线网络系统（RNS）无线网络控制器（RNC）NodeB,WCDMA网络组件,无线网络系统（RNS）RNS是用户与MSC/SGSN的连接枢纽RNS由一个RNC与若干个N

4、odeB组成RNS是一个逻辑概念,WCDMA网络组件,无线网络控制器（RNC）RNC用来支持和管理它下面所带的NodeBRNC的功能为：提供无线资源，为NodeB提供相应的服务过载和拥塞控制管理功能决定并控制切换功率控制在Iub/Iur之间路由数据,WCDMA网络组件,NodeB负责一个或多个小区的无线收发能够处理L1信息调制/解调每个NodeB支持最多6个小区,WCDMA网络组件,核心网（CN）核心网电路交换（CN-CS:Core NetworkCircuit Switched）GMSC/MSC/VLR/IWF/EC核心网分组交换（CN-PS:Core NetworkPacket Switc

5、hed）GGSN/SGSNCN-CS与CN-PS共享部分HLR/AUC/EIR,MSC,AUC,VLR,IWF,HLR,CN-CS,CN-PS,EC,GMSC,EIR,GGSN,SGSN,CN,SGSN,GGSN,Page 15,WCDMA网络接口,UE,UE,Um,Uu,NodeB,RNC,NodeB,RNS,Iub,NodeB,RNC,NodeB,RNS,Iub,BTS,BSC,BTS,BSS,Abis,EIR,HLR,AUC,H,GMSC,MSC/VLR,CN,Iur,A,IuCs,IuPs,IuPs,IuCs,F,D,GE,Gf,Gr,Gc,C,Gs,Gb,Gn,MSC/VLR,WCD

6、MA网络接口,UE与NodeB之间的接口接口名称：UE与NodeB:Uu，又称空中接口接口协议19201980MHZ（UpLink）；21102170MHZ（DownLink）；欧洲频段18501910MHZ（UpLink）；19301990MHZ（DownLink）；美国频段频段,WCDMA网络接口,无线网络子系统（RNS）内部组件的接口接口名称：NodeB与RNC:Iub接口接口协议无线网络层：NBAP(NodeB APPLICATION PART),FP(FRAME PROTOCOL)传输网络层：ATM物理层：E1,T1,STM-1,WCDMA网络接口,无线网络子系统（RNS）内部组件的

7、接口接口名称：RNC与RNC:Iur接口接口协议无线网络层：RNSAP(RADIO NETWORT SUBSYSTEM APPLICATION PART),FP(FRAME PROTOCOL)传输网络层：ATM物理层：E1,T1,STM-1,RNC,RNC,NodeB,NodeB,NodeB,NodeB,Iur,WCDMA网络接口,RNC与CN之间的接口接口名称：RNC与MSC:Iu-CSRNC与SGSN:Iu-PS接口协议无线网络层：RANAP(RADIO ACCESS NETWORT APPLICATION PART),FP(FRAME PROTOCOL)传输网络层：ATM物理层：E1,T

8、1,STM-1,Page 20,内容介绍,第一章 WCDMA网络概述 第二章 WCDMA系统使用的相关技术第三章 WCDMA码分多址的工作原理第四章 WCDMA信道第五章 WCDMA发射分集/切换和功率控制,WCDMA系统使用的相关技术,调制技术四相相移键控（QPSK）扩频技术直接序列扩展频谱扩频后码片速率3.84Mcps，1个WCDMA载频信道宽度5MHZ信道编码技术交织卷积码TURBO码,Page 22,内容介绍,第一章 WCDMA网络概述 第二章 WCDMA系统使用的相关技术第三章 WCDMA码分多址的工作原理第四章 WCDMA信道第五章 WCDMA发射分集/切换和功率控制,WCDMA码

9、分多址的工作原理,多址方式OVSF CODESCRAMBLING CODEGOLD CODE,多址方式,OVSF&Walsh,OVSF码的互相关为零，相互完全正交。Walsh与OVSF码一样,OVSF CODE,在WCDMA系统中，OVSF CODE用来区分同一个扇区的不同用户（信道）假设：某扇区有三个用户（信道）通话：s1(t),s2(t),s3(t)每个用户各分配一个OVSF序列：Cch.SF.i，Cch.SF.j，Cch.SF.k那么，空中信号S为：S=s1(t)Cch.SF.i+s2(t)Cch.SF.j+s3(t)Cch.SF.k问题：如何将所需要的信号提取出来呢？,OVSF COD

10、E,依据OVSF的正交特性，选取相应的OVSF，即可解调出所需信号假设：想提取s1(t)，则应选s1(t)所对应的OVSF序列Cch.SF.i依据OVSF的正交特性Cch.SF.i S=s1(t)Cch.SF.i+s2(t)Cch.SF.j+s3(t)Cch.SF.k Cch.SF.i=s1(t)Cch.SF.i Cch.SF.i s2(t)Cch.SF.j Cch.SF.i s3(t)Cch.SF.k Cch.SF.i=s1(t),SCRAMBLING CODE,问题：实际蜂窝系统中，信道复用被广泛应用。在不同载频和扇区之间必需复用OVSF。当空中出现多个相同的Cch.SF.i时，如何将所需

11、的信号提取出来？先区分扇区，再区分不同的用户（信道）引入扰码（SCRAMBLING CODE）,扰码在WCDMA系统中，下行：扰码主要用来区分不同扇区上行：扰码主要用来区分不同的UE主要编码类型为GOLD CODE,SCRAMBLING CODE,相关的m-sequence当同步（时间对其时），其自相关的归一化值为1。相同的m-sequence当不同步（时间不对齐时），其自相关的归一化值为1/L，L=2N-1（称为该伪随机序列的长度），当L值趋于较大值时，该值趋于0。,GOLD CODE,伪随机序列（m-sequence）的自相关性,Gold序列生成,Gold序列的随机性好，符合伪随机序列的特

12、性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,利用一对优选对（两个m-sequence的长度分别为2n1），将各自产生的序列相对移位，然后模二加，即可得到2n1GOLD CODE序列（包含原始的两个m-sequence）GOLD CODE互相关特性优于m-sequence互相关特性。GOLD CODE自相关特性：Ci(t)Cj(t)=1(i=j)GOLD CODE互相关特性：Ci(t)Cj(t)1(ij),GOLD 序列的产生,OVSF CODE和GOLD CODE的应用,假设：两个扇区，扰码分别为：Csi.(t);Csj.(t);每个扇区各有两个信道通话：s1a(t),s1b(t

13、),s2a(t),s2b(t)每个信道分配一个OVSF CODE：Cch.m(t)，Cch.n(t);Cch.m(t)，Cch.n(t)则空中的合成信号S为：S=s1a(t)Cch.m(t)Csi.(t)+s1b(t)Cch.n(t)Csi.(t)+s2a(t)Cch.m(t)Csj.(t)+s2b(t)Cch.n(t)Csj.(t)问题：如何将s1a(t)从S提取出来呢？,OVSF CODE和GOLD CODE的应用,首先区分扇区，用Csi.(t)来提取该扇区信号：Csi.(t)S=Csi.(t)s1a(t)Cch.m(t)Csi.(t)+s1b(t)Cch.n(t)Csi.(t)+Csi.

14、(t)s2a(t)Cch.m(t)Csj.(t)+s2b(t)Cch.n(t)Csj.(t)s1a(t)Cch.m(t)+s1b(t)Cch.n(t)(因为：Csi.(t)Csi.(t)1；Csi.(t)Csj.(t)1)然后利用OVSF CODE的正交特性提出s1a(t)：Cch.m(t)Csi.(t)S Cch.m(t)Cch.m(t)s1a(t)Cch.m(t)Cch.n(t)s1b(t)s1a(t)(因为：Cch.m(t)Cch.m(t)1；Cch.m(t)Cch.n(t)0),Page 35,内容介绍,第一章 WCDMA网络概述 第二章 WCDMA系统使用的相关技术第三章 WCDMA

15、码分多址的工作原理第四章 WCDMA信道第五章 WCDMA发射分集/切换和功率控制,上行物理信道,专用物理信道（DPCH）专用物理数据信道（DPDCH）DPDCH:dedicated physical data channel专用物理控制信道（DPCCH）DPCCH:dedicated physical control channel随机接入物理信道（PRACH）PRACH:physical random access channel 公共分组物理信道（PCPCH）PCPCH:physical common packet channel,上行物理信道,专用上行物理信道（UL-DPCH）：功能：

16、上行基本业务承载信道，用于UE在通信过程中传送话音，数据和控制信息UL-DPCH由两种信道组成：上行数据信道（UL-DPDCH）：传输话音和数据上行控制信道（UL-DPCCH）：传输物理层的控制消息,上行物理信道,随机接入信道（PRACH）：功能：属于上行公共物理信道，用于传送移动台的随机接入信息,上行物理信道,物理公共分组信道（PCPCH）：功能：属于公共物理信道，用于移动台传送快速、频繁的数据和控制信息内容：高速数据和控制信息,下行物理信道,专用下行物理信道（dedicated downlink physical channel-DPCH）Dedicated physical data c

17、hannel-DPDCHDedicated physical control channel-DPCCH公共下行物理信道（common downlink physical channel-CPCH）同步信道（synchronization channel）P-SCH S-SCH公共导频信道（common pilot channel-CPICH）P-PICH S-PICH,下行物理信道,专用下行物理信道（DL-DPCH）功能：属于下行基本业务承载信道，用于基站在通信过程中传送话音，数据和控制信息内容：传送下行的话音，数据和控制信息DPCH信道由两部分组成：DPDCH和DPCCHDPDCH：用于传

18、送话音和数据DPCCH：用于传送控制信息,下行物理信道,SCH:synchronization channelSCH属于下行同步信道，用于给手机提供小区搜索导引，并区分不同的小区SCH由两种类型主同步信道P-SCH：在移动台接入系统时，为其提供搜索的同步基准辅同步信道S-SCH：在移动台接入系统时，为其提供获取该小区所使用的主扰码信息,同步信道（SCH）,下行物理信道,CPICH属于下行导引信道，在接收信号时的相位参考基准CPICH由两种类型：CPICH由两种类型主导频信道P-CPICH：作为UE在接收信号的相位参考基准辅导频信道S-CPICH：可以作为S-CCPCH和DPCH的参考相位，由高

19、层信令通知移动台,下行公共导频信道（DL-CPICH）,下行物理信道,功能：用于承载下行系统控制和广播信息内容：传送小区系统消息（BCCH）辅公共控制物理信道（S-CCPCH）功能：用于承载下行寻呼、接入指示信道内容：传送寻呼消息（PCH）和信道指配消息（FACH）,主公共控制物理信道（P-CCPCH）,下行物理信道,PDSCH:物理下行共享信道（physical downlink shared channel）功能：属于下行共享信道，用于给多个手机提供高速数据传送通道。AICH:捕获指示信道（acquisition indicator channel）AP-AICH：接入前置捕获指示信道（C

20、PCH access preamble acquisition indicator channel）CD/CA-ICH：碰撞检测/信道指配信道（CPCH collision detection/assignment indicator channel）PICH：寻呼指示信道（paging indicator channel）CSICH：状态指示信道（CPCH status indicator channel）,WCDMA下行信道还有很多：,Page 46,内容介绍,第一章 WCDMA网络概述 第二章 WCDMA系统使用的相关技术第三章 WCDMA码分多址的工作原理第四章 WCDMA信道第五章

21、WCDMA发射分集/切换和功率控制,为了减少下行物理信道之间的干扰，更好地配合移动台的接收，下行链路物理信道在发射时采用两个正交天线发送一种信息的不同调制信号，这种方法叫做发射分集。开环发射分集空时发射分集（STTD：space time transmit diversity）时间切换发射分集（TSTD：time switched transmit diversity）闭环发射分集(lose loop transmit diversity),WCDMA的发射分集,空时发射分集（STTD）,STTD,encoded,channel bits,for antenna 1 and antenna 2

22、.,空时发射分集的基本原理时原始数据平行送到两路数据处理设备加以处理，相互交叉混合，然后送到两根天线同时发射。STTD编码功能在UTRAN是可选的，但是UE必须支持。此技术可用于除SCH以外的所有下行信道。,SCH上的时间切换传输分集（TSTD）,TX OFF,TX OFF,TX OFF,TX OFF,TSTD是将原始数据经处理后，有规律地送到不同的天线交替发射，此分集模式仅用于同步信道SCH。同STTD一样，TSTD在UTRAN方是可选的，UE是必须支持的。有图可见，偶数时隙中两个同步信道由天线1发送，奇数时隙中都由天线2发送。,闭环发射分集,Spread/scramble,w,1,w,2,

23、D,P,CH,DPCCH,DPDCH,Rx,Rx,CPICH,1,Tx,CPICH,2,Ant,1,Ant,2,Tx,闭环发射分集技术用于DPCH信道，它是将原始数据发送导两根天线上，并分别用增益因子w1和w2加权。在天线接收，解调得到的反向反馈指示信息FBI直接参加了对下行专用信道的调制。UE和UTRAN都必须支持此解调功能。,硬切换（HHO-hard handover）软切换（SHO-soft handover软切换（soft HO）更软切换（softer HO）,切换（HO）,功率控制的目的满足信噪比SIR的基本要求在满足信噪比SIR基本要求的前提下，尽可能降低发射功率，以降低相互之间的

24、干扰，从而提高系统容量提高手机电池使用时间,功率控制,功率控制的方式上行功率控制开环功率控制闭环功率控制 内环功率控制 外环功率控制下行功率控制闭环功率控制,功率控制,开环功率控制：根据NodeB的信号强度，UE自行估算自己所需的发射功率，这个过程发生在NodeB对UE控制之前。闭环功率控制：UE和NodeB共同配合，估算所需发射功率，这个过程发生在NodeB对UE控制之后。,功率控制,上行功率控制,内环功率控制：用估算的信噪比SIR与设定的门限值比较，控制UE的发射功率。这一过程发生在NodeB和UE之间，反应快，控制速度可达到1500次/秒。外环功率控制：用BLER与设定门限比较，间接的控制UE的发射功率。需要时间积累，反应慢。,功率控制,上行闭环功率控制,