WCDMA原理--中興培訓

1、WCDMA初中級培訓WCDMA原理中興通訊股份有限公司移動產(chǎn)品事業(yè)部3G產(chǎn)品部第1頁，共62頁。提綱2 WCDMA物理層過程提綱1 WCDMA移動通信基礎知識第2頁，共62頁。提綱4 糾錯編碼技術提綱2 WCDMA需要解決的問題提綱5 交織技術提綱1 WCDMA移動通信環(huán)境提綱8 分集技術提綱3 多址接入技術WCDMA移動通信基礎知識提綱6 復用技術提綱7 擴頻技術第3頁，共62頁。WCDMA移動通信環(huán)境信道環(huán)境直射反射繞射無線傳播方式時間接收信號強度第4頁，共62頁。WCDMA移動通信環(huán)境信道環(huán)境無線傳播特性無線傳播過程中，遇到的最主要問題有：發(fā)送信號接收信號0dB發(fā)送信號-25dB接收信號

2、衰落干擾此外還有因傳播頻率的擴散而引起的多普勒效應等。0 + 發(fā)送信號接收信號時延0 2 3 + 發(fā)送信號接收信號抖動第5頁，共62頁。WCDMA移動通信環(huán)境信道環(huán)境衰落無線環(huán)境中的信號衰減分成三部分：幅度衰減較大的路徑損耗伴隨中等幅度衰減的具有對數(shù)正態(tài)分布特性的慢變化成分大尺度衰落，也被稱為遮蔽。衰減幅度較小的快變化成分小尺度衰落，也被稱為多徑衰落。兩類典型小尺度衰落包絡分布的描述方法瑞利（Rayleigh）分布不存在視距傳播，衰落很深。萊斯（Rician）分布存在視距主徑，衰落較淺。第6頁，共62頁。WCDMA移動通信環(huán)境信道環(huán)境典型信道劃分室內(nèi)或靜態(tài)信道微微蜂窩很小的發(fā)射功率基站和用戶都

3、位于室內(nèi)路徑損耗依賴于墻體、地板材料和金屬結(jié)構(gòu)的布局典型時延為50250ns第7頁，共62頁。WCDMA移動通信環(huán)境信道環(huán)境典型信道劃分戶外到戶內(nèi)步行信道微蜂窩小功率低速度天線一般低于建筑物頂室內(nèi)覆蓋依靠室外基站存在穿透損耗（典型值為12dB）同時存在視距傳播和非視距傳播路徑損耗波動較大典型時延為0.2us第8頁，共62頁。WCDMA移動通信環(huán)境信道環(huán)境典型信道劃分車速環(huán)境宏蜂窩大功率高速移動存在陰影多路反射路徑損耗和環(huán)境有關第9頁，共62頁。WCDMA移動通信環(huán)境業(yè)務環(huán)境數(shù)據(jù)業(yè)務將占很大的比重不同的業(yè)務具有不同的QoS大量的突發(fā)業(yè)務業(yè)務在不同地理位置分布密度不同用戶業(yè)務速率相差很大存在多址干

4、擾（MAI)第10頁，共62頁。WCDMA移動通信環(huán)境基本要求 信息傳輸速率：提供多速率的業(yè)務，最高可達2 Mbps 根據(jù)帶寬需求實現(xiàn)的可變比特速率信息傳遞 一個連接中可以同時支持具有不同QoS要求的業(yè)務 滿足不同業(yè)務的延時要求（從實時要求的語音業(yè)務到盡力而為的數(shù)據(jù)業(yè)務） 二代、三代系統(tǒng)共存和不同系統(tǒng)之間的切換和負荷平衡 支持上行和下行非對稱業(yè)務 高的頻譜效率第11頁，共62頁。WCDMA需要解決的問題提高無線資源利用率無線資源包括頻率、功率、時間、空間和特征碼等消除無線信道傳輸產(chǎn)生的不良影響，使對端盡可能收到滿足要求的信息滿足業(yè)務環(huán)境的要求，提供不同QoS要求、不同速率的多媒體業(yè)務第12頁，

5、共62頁。多址接入技術FrequencyTimePowerFrequencyTimePowerFrequencyTimePowerFDMATDMACDMA頻分多址技術 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 業(yè)務信道在不同的時間分配給不同的用戶。如GSM、DAMPS。碼分多址技術 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。CDMA第13頁，共62頁。多址接入技術 FDMA信道一次只能傳遞一個電話。如果某一信道空閑，也不能夠被其他 用戶使用以增加容量。符號時間比平均時延擴展大很多，故平均時延擴展造成的符號間干擾低。FDMA比TDMA簡單，同步和組

6、幀比特少，系統(tǒng)開銷小。FDMA需要精確的RF濾波器。非線性效應：許多信道共享一個天線，功率放大器的非線性會產(chǎn)生交調(diào)頻率（IM），產(chǎn)生額外的RF輻射。FrequencyTimePower第14頁，共62頁。多址接入技術 TDMA多個用戶共享一個載波頻率，分享不同時隙?？梢詫崿F(xiàn)不連續(xù)發(fā)送，利用空閑時隙監(jiān)聽其他基站，實現(xiàn)切換處理。需要自適應均衡；需要保護時隙。分組發(fā)射需要額外的系統(tǒng)開銷，如保護數(shù)據(jù)同步。按照不同的用戶提供不同的帶寬。質(zhì)量控制通過頻率規(guī)劃來實現(xiàn)FrequencyTimePower第15頁，共62頁。多址接入技術 CDMA多用戶同時共享同一頻段無線資源。系統(tǒng)容量大，無線頻譜效率率高。自干

7、擾性，遠近效應。不相關碼的選擇和功率控制非常重要。易于實現(xiàn)寬帶可變速率通信。支持多用戶檢測、軟件無線電等新技術。FrequencyTimePower第16頁，共62頁。多址接入技術 WCDMA系統(tǒng)的優(yōu)勢采用RAKE接收機，有效利用了信道相干時間形成的時間分集效應；寬帶傳輸系統(tǒng)，利用了信道的頻率分集效果信號在信道中傳輸功率低，降低了干擾，提高了保密性擴頻因子靈活變換，又助于多媒體等多速率并發(fā)業(yè)務的傳輸頻譜效率高，優(yōu)于以往的AMPS和GSM支持軟切換和更軟切換支持新技術的應用，如多用戶檢測第17頁，共62頁。糾錯編碼技術 卷積碼 糾錯編碼技術是在發(fā)射端按一定規(guī)則引入冗余信息，從而使得即使空中傳輸引

8、入了誤碼，也能利用冗余信息將此錯誤糾正回來的技術。 在WCDMA系統(tǒng)中主要用于話音信道和控制信道，編碼速率為1/2和1/3。卷積碼特點：譯碼簡單，時延小，一般采用維特比算法，信道誤碼率在103，適合實時業(yè)務，如話音和視頻業(yè)務的傳送。Output 0 G0 = 557 (octal) Input D D D D D D D D Output 1 G1 = 663 (octal) Output 2 G2 = 711 (octal) (b) Rate 1/3 convolutional coder 第18頁，共62頁。糾錯編碼技術 Turbo碼第19頁，共62頁。交織技術在通信系統(tǒng)中，為了減少突發(fā)干

9、擾對連續(xù)數(shù)據(jù)造成的大面積差錯，常采用交織來將突發(fā)干擾造成的連續(xù)差錯化解為隨機獨立差錯，使其適合于譯碼器的錯誤糾正。交織，就是打亂原來的數(shù)據(jù)排列規(guī)則，按照一定順序重新排列。缺點： 帶來了附加的額外延時 在特殊情況下，若干個隨機獨立差錯有可能交織為突發(fā)差錯。x1 x6 x11 x16 x21x2 x7 x22x3 x8 x23x4 x9 x24x5 x10 x25輸入數(shù)據(jù) A = (x1 x2 x3 x4 x5 x25)輸出數(shù)據(jù) A= (x1 x6 x11 x16 x25)舉例：第20頁，共62頁。交織技術（續(xù)）交織器根據(jù)采用的技術不同，又可分為多種，如分組交織器、隨機交織器、循環(huán)移位交織器、半隨

10、機交織器、奇偶交織器、均勻交織器等。WCDMA系統(tǒng)采用了分組交織器（又稱矩形交織器）和均勻交織器兩種技術。分組交織器在第一次交織（幀間交織）和第二次交織（幀內(nèi)交織）中用到，特點是方式簡單、對短序列交織效果較好，但交織后碼元的去相關不徹底。均勻交織器在Turbo編碼中用到，其特點是交織算法復雜，但去相關較徹底。第21頁，共62頁。復用技術復用技術是指將具有相同或不同QoS要求的業(yè)務復用到一個物理信道中進行傳輸?shù)募夹g。由于業(yè)務種類及其QoS要求千變?nèi)f化，但物理信道的能力只是有限的幾個等級。如何在保證各種業(yè)務QoS要求的前提下高效地復用到一個物理信道中傳輸是復用算法首要考慮的問題。這就牽涉到速率匹配

11、的問題，它是復用技術的核心之所在，同時還牽涉到信道編碼方案等其它技術的選用問題。業(yè)務3業(yè)務2業(yè)務1業(yè)務4第22頁，共62頁。擴頻技術擴頻通信就是將信號的頻譜展寬后進行傳輸?shù)募夹g。其理論解釋為Shannon定理： C=Wlog2(1+S/N)FastSpreadingSequenceSlowInformationSentTXSlowInformationRecoveredRXFastSpreadingSequenceWidebandSignal第23頁，共62頁。fS（f）f0擴頻前的信號頻譜信號S（f）ff0擴頻后的信號頻譜信號S（f）ff0解擴頻后的信號頻譜信號干擾噪聲fS（f）f0解擴頻前

12、的信號頻譜信號干擾噪聲信號脈沖干擾白噪聲擴頻通信示意圖第24頁，共62頁。擴頻通信的特點抗多徑干擾能力強抗突發(fā)脈沖干擾保密性高低發(fā)射功率對其他通信系統(tǒng)和人體的影響較小易于實現(xiàn)大容量多址通信占用頻帶寬實現(xiàn)復雜在時變信道中實現(xiàn)同步較為困難第25頁，共62頁。直接擴頻（DSSS）通過將偽噪聲序列與基帶脈沖數(shù)據(jù)相乘來擴展基帶數(shù)據(jù)，其偽噪聲序列由偽噪聲生成器產(chǎn)生誤碼率受限于多址干擾和遠近效應的影響用功率控制來克服遠近效應，受限于功率檢測的精度WCDMA采用的是直接擴頻方式跳頻擴頻（FHSS)數(shù)據(jù)以發(fā)射機的載波頻率跳變的方式發(fā)送到表面上隨機的信道中每個信道上，在發(fā)射機再次調(diào)頻之前，數(shù)據(jù)用傳統(tǒng)的窄帶調(diào)制方式

13、發(fā)送一些小的突發(fā)無遠近效應的影響，因為多個用戶不會同時使用同一頻率（Bluetooth技術、快、慢調(diào)頻）擴頻的方式第26頁，共62頁。SymbolSpreadingDespreading 1-1 1-1 1-1 1-1 1-1Data = 010010Spreading codeSpread signal= Data codeSpreading code =1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 ( SF = 8 )Data = Spread signal codeChip直接擴頻與解擴示意圖第27頁，共62頁。DATA信道碼OVSF擾碼Symbol rateChip rate3.84MHzC

14、hip rate3.84MHz分為擴頻和加擾兩個步驟：符號速率 SF = 3.84MbpsWCDMA中，上行信道碼的SF為：4256 下行信道碼的SF為：4512WCDMA系統(tǒng)的擴頻第28頁，共62頁。正交可變擴頻因子（OVSF）碼 同一級的任意兩個分支兩兩正交 某一分支被使用后，則其直系祖先級和直系子孫級分支均不能使用第29頁，共62頁。WCDMA直接擴頻方案的優(yōu)點采用正交可變長度的擴頻序列，支持多速率傳輸采用自相關特性好的擾碼與互相關特性好的擴頻碼配合使用，每個用戶有唯一的擾碼與擴頻碼的組合，保密性高。所有用戶、基站都使用相同的頻率，可以簡化頻率規(guī)劃工作良好的抗多徑干擾特性：RAKE接收機

15、利用多徑分量同時由于寬帶信號的頻率選擇性衰落，反映在時域上，多徑干擾導致傳輸延遲的PN信號和原PN序列的互相關性減弱，導致延遲信號對接收機的影響減弱第30頁，共62頁。分集技術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。兩重含義：分散傳輸；集中處理優(yōu)點： 易獲得相對穩(wěn)定的信號可獲得分集處理增益，提高信噪比投資低廉第31頁，共62頁。假設輸入的分集信號分別為：r1(t), r2(t), r3(t), rk(t), rm(t)則，合并后的輸出為：其中K 為第 k 個分

16、量的權重。選擇不同的加權系數(shù)，就構(gòu)成不同的合并方式。通常所用的方法有三種： 選擇合并、最大比合并和等增益合并。分集原理第32頁，共62頁?？臻g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分集的分類第33頁，共62頁。開環(huán)發(fā)射分集使用空時編碼對信號進行

17、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WCDMA使用的分集技術第34頁，共62頁。技術的選用是圍繞要克服的問題來進行的WCDMA多址接入方式糾錯編碼技術交織技術復用技術擴頻技術分集技術高速率、大容量無線傳播中的干擾深衰落多媒體業(yè)務抗干擾提高系統(tǒng)容量第35頁，共62頁。提綱3 同步過程提綱2 編

18、碼與復用提綱4 隨機接入過程WCDMA物理層過程提綱1 物理信道特征與幀結(jié)構(gòu)第36頁，共62頁。專用物理信道(DPCH)下行物理信道上行物理信道公用物理信道物理隨機接入信道(PRACH)物理公共分組信道(PCPCH)主公共控制物理信道(P-CCPCH)捕獲指示信道(AICH)尋呼指示信道(PICH)物理下行共享信道(PDSCH)專用物理信道(DPCH)公用物理信道物理信道物理信道分類輔助公共控制物理信道(S-CCPCH)CPCH狀態(tài)信道(CSICH)同步信道(SCH)接入前綴捕獲指示信道(AP-AICH)碰撞檢測/信道指配指示信道(CD/CA-ICH)公用導頻信道(CPICH)第37頁，共62

19、頁。上行專用物理信道幀結(jié)構(gòu)（DPCH）第38頁，共62頁。物理隨機接入信道（PRACH）第39頁，共62頁。下行專用物理信道幀結(jié)構(gòu)（DPCH）第40頁，共62頁。下行DPCH的多碼傳輸?shù)?1頁，共62頁。發(fā)射預先定義好的已知序列，A1j固定傳輸速率30Kbps， SF=256發(fā)射分集時，兩根天線上發(fā)射的信號使用相同的擴頻碼和擾碼，但傳送序列有所不同。主要用于信道估計公共導頻信道（CPICH）第42頁，共62頁。主CPICH使用相同的信道碼,即Cch,256,0擾碼為主擾碼一個小區(qū)只有一個主CPICH在整個小區(qū)廣播輔助CPICH可以使用任意信道碼，只要滿足 SF=256擾碼可以使用主擾碼，也可以

20、使用輔助擾碼一個小區(qū)可以有0、1或幾個輔助擾碼可以在小區(qū)內(nèi)部分發(fā)射主CPICH與輔助CPICH的區(qū)別第43頁，共62頁。主公共控制物理信道（P-CCPCH） 固定為30Kbps （SF=256）的傳輸速率，用于承載BCH。 每個時隙的頭256chips為空，到時候由SCH填充；或者說P-CCPCH與SCH時分復用。第44頁，共62頁。輔助公共控制物理信道（S-CCPCH） 用于承載FACH和PCH，可分別承載FACH和PCH，也可兩者同時承載。 TFCI可有可無，由上層決定；沒有TPC，采用開環(huán)功控；導頻為8或16比特。 傳輸能力比下行DPCH稍遜，SF為2564。第45頁，共62頁。同步信道

21、（SCH）SCH用于小區(qū)搜索，分成主同步信道（ P-SCH）和輔助同步信道（S-SCH），兩者并行發(fā)射。 SCH占用每個無線幀的前256個碼片，與P-CCPCH時分復用。主同步碼 (PSC) 以時隙為周期發(fā)射，用于時隙同步；輔助同步碼以無線幀為周期發(fā)射，用于幀同步，并指出小區(qū)主擾碼的組號。a為一個指示調(diào)制信號，用于指示P-CCPCH是否采用了STTD。第46頁，共62頁。PDSCH承載 DSCH, 被多個碼分用戶分時共享。 PDSCH 總是與一個 DPCH相伴隨，所需控制信息在所伴隨的DPCH的DPCCH上傳輸。DSCH上傳的是純數(shù)據(jù)，效率很高，適合處理短時高速率突發(fā)業(yè)務，是特殊形式的多碼傳輸

22、，但高層控制起來比較復雜。物理下行共享信道（PDSCH）第47頁，共62頁。捕獲指示信道（AICH） AICH每一幀為20 ms，分成15個接入時隙AS, 每個時隙有20個符號(5120碼片)。每個時隙包括兩部分，捕獲指示AI部分（4096碼片）和空部分（1024碼片） 。 16個AI分別對16種簽名進行應答，AI1、1和0分別代表同意接入、不同意接入和沒有聽到請求。 aj是由16個AI和16個簽名進行矩陣運算得到。第48頁，共62頁。尋呼指示信道（PICH） PICH為固定速率(SF=256)的物理信道，用于承載尋呼指示 (PI). PICH 總是與S-CCPCH 相伴隨，如果某一幀中的 P

23、Ii 被置為1，說明Pii所對應的UE應對S-CCPCH的對應幀進行解調(diào)。 PICH一幀為10ms，包括300bits。其中，288 比特用于傳送 PI， 其余12 比特尚未定義，不發(fā)射。 一幀內(nèi)傳送N 個尋呼指示PI，N=18, 36, 72, or 144。第49頁，共62頁。各物理信道之間的時序關系第50頁，共62頁。10、20、40 or 80msdatadatadataTrCH-idataCRCdataCRCdataCRCdataCRCdataCRCdataCRCd a t aCBLCBLCBL0、8、12、16 or 24bits塊長 Z504 ， 卷積碼5114 ，Turbo碼C

24、edBLCedBLCedBLCoded data卷積碼 或 Turbo碼Rate matched dataRate matched dataDTXororData before 1st interleavingData after 1st interleaved交織器列數(shù)：1、2、4 或 8無線幀無線幀無線幀無線幀數(shù)目：1、2、4 或 8TrCH-1TrCH-2TrCH-ICCTrCHTrCH-1TrCH-2TrCH-IDTXCCTrCHPh-1Ph-2Ph-P10ms時間內(nèi)10ms時間內(nèi)Ph-1Ph-2Ph-PTPCTFCIpilot擴頻、加擾擴頻、加擾擴頻、加擾TrCH-i+1data1d

25、ata2data1data2data1data2下行信道編碼與復用第51頁，共62頁。同步過程小 區(qū) 搜 索三步搜索法第一步 時隙同步：搜索P-SCH的主同步碼，與信號最強的基站取得時隙同步。第二步 擾碼碼組識別和幀同步：利用S-SCH的輔助同步碼碼組實現(xiàn)幀同步，并識別擾碼碼組號。第52頁，共62頁。第三步 擾碼識別：利用擾碼碼組中的8個主擾碼與捕獲的P-CPICH的主擾碼比較，得到該小區(qū)的主擾碼。 根據(jù)主擾碼可以檢測出P-CCPCH，從而可以收到系統(tǒng)及小區(qū)的廣播信息。同步過程小 區(qū) 搜 索（續(xù)）第53頁，共62頁。通過小區(qū)搜索，可獲得SCH幀同步和幀頭的位置。根據(jù)下行物理信道時序關系，有下述信道與SCH幀頭對齊：P-CPICHS-CPICHP-CCP