《3G移動(dòng)通信理論及應(yīng)用》課件第8章

第8章WCDMA關(guān)鍵技術(shù)8.1功率控制技術(shù)8.2分集和RAKE接收技術(shù)8.3多用戶檢測(cè)技術(shù)8.4切換技術(shù)8.5無線信道編碼8.6高速下行分組接入技術(shù)8.7軟件無線電

8.1功率控制技術(shù)

功率控制是WCDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于遠(yuǎn)近效應(yīng)和自干擾問題,功率控制是否有效直接決定了WCDMA系統(tǒng)是否可用,并且很大程度上決定了WCDMA系統(tǒng)性能的

優(yōu)劣,對(duì)于系統(tǒng)容量、覆蓋、業(yè)務(wù)的QoS(系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量)都有重要影響。

功率控制的作用首先是提高單用戶的發(fā)射功率以改善該用戶的服務(wù)質(zhì)量,但由于遠(yuǎn)近效應(yīng)和自干擾的問題,提高單用戶發(fā)射功率會(huì)影響其他用戶的服務(wù)質(zhì)量,所以功率控制在WCDMA系統(tǒng)中呈現(xiàn)出矛盾的兩個(gè)方面。

WCDMA系統(tǒng)采用寬帶擴(kuò)頻技術(shù),所有信號(hào)共享相同頻譜,每個(gè)移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)能量被分配在整個(gè)頻帶范圍內(nèi),這樣移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)能量對(duì)其他移動(dòng)臺(tái)來說就成為寬帶噪聲。由于在無線電環(huán)境中存在陰影、多徑衰落和遠(yuǎn)距離損耗影響,移動(dòng)臺(tái)在小區(qū)內(nèi)的位置是隨機(jī)的且經(jīng)常變動(dòng),所以信號(hào)路徑損耗變化很大。如果小區(qū)中的所有用戶均以相同的功率發(fā)射,則靠近基站的移動(dòng)臺(tái)到達(dá)基站的信號(hào)強(qiáng),遠(yuǎn)離基站的移動(dòng)臺(tái)到達(dá)基站的信號(hào)弱。另外,由于在WCDMA系統(tǒng)中,所有小區(qū)均采用相同頻率,上行鏈路為不同用戶分配的地址碼是擾碼,且上行同步較難,很難保證完全正交。這將導(dǎo)致強(qiáng)信號(hào)掩蓋弱信號(hào),即遠(yuǎn)近效應(yīng)。

因此,功率控制目的是在保證用戶要求的QoS的前提下最大程度降低發(fā)射功率,減少系統(tǒng)干擾從而增加系統(tǒng)容量。

8.2分集和RAKE接收技術(shù)

8.2.1分集技術(shù)

在通信系統(tǒng)中,由于從發(fā)射端到接收端的信號(hào)要經(jīng)過各種復(fù)雜的地理環(huán)境,以至于從發(fā)射端發(fā)出的信號(hào)經(jīng)過發(fā)射、折射、散射等多種傳播路徑后,到達(dá)接收端的信號(hào)往往是幅度和相位各不相同的多個(gè)信號(hào)的疊加,使得接收到的信號(hào)出現(xiàn)嚴(yán)重的衰落變化,以至于不能通信。為了有效地對(duì)抗信道衰落,可以采用分集技術(shù)。分集技術(shù)包括兩重含義:分散傳輸,集中處理。常用的分集方式有空間分集、頻率分集、角度分集、極化分集等。

對(duì)于發(fā)射分集,是指在基站側(cè)利用兩根被賦予不同加權(quán)系數(shù)的天線來發(fā)射同一個(gè)信號(hào),從而使接收端增強(qiáng)接收效果,改善系統(tǒng)信噪比,提高數(shù)據(jù)傳輸速率。發(fā)射分集包括開環(huán)發(fā)射分集和閉環(huán)發(fā)射分集。對(duì)于WCDMA系統(tǒng)來說,使用的分集技術(shù)主要是開環(huán)發(fā)射分集、閉環(huán)發(fā)射分集、交織技術(shù)和RAKE接收技術(shù)等。對(duì)于開環(huán)發(fā)射分集,在WCDMA系統(tǒng)中使用了空分發(fā)送分集和時(shí)間切換發(fā)射分集兩種方案。它們分別利用的是空間和時(shí)間塊進(jìn)行編碼。從基站發(fā)出的信號(hào)經(jīng)過相應(yīng)的編碼方

案,到達(dá)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行接收譯碼。其主要優(yōu)點(diǎn)是:基站的發(fā)射情況不需要使用移動(dòng)臺(tái)的反饋?zhàn)鳛閰⒖?這樣可以不需要額外的信令開銷。

閉環(huán)發(fā)射分集的工作方式是,在下行鏈路中,基站周期性地發(fā)送信號(hào),不同的移動(dòng)臺(tái)將接收到的信息反饋給基站,該信息被用來計(jì)算對(duì)不同移動(dòng)臺(tái)的最佳發(fā)射權(quán)重,從而改善接收效果。這種方式的特點(diǎn)是需要使用移動(dòng)臺(tái)的反饋信息來事先了解需要傳輸信號(hào)的信道的狀況。分集技術(shù)是一項(xiàng)重要的抗衰落技術(shù),它可以大大提高多徑衰落信道下的傳輸可靠性。其中空間分集技術(shù)早期已成功應(yīng)用于模擬短波通信中。在移動(dòng)通信中,特別是在數(shù)字移動(dòng)

通信和第三代移動(dòng)通信中,分集技術(shù)有了更加廣泛的應(yīng)用。無線信道是隨機(jī)時(shí)變信道,其中的衰落特性會(huì)降低通信系統(tǒng)的性能。為了對(duì)抗衰落,可以采用信道編解碼、抗衰落接收、

擴(kuò)頻等多種技術(shù)。其中,分集接收技術(shù)被認(rèn)為是明顯有效而且經(jīng)濟(jì)的抗衰落技術(shù)。分集技術(shù)是研究如何充分利用傳輸中的多徑信號(hào)能量,以改善傳輸?shù)目煽啃浴Ｋ彩且豁?xiàng)研究利用信號(hào)的基本參量在時(shí)域、頻域和空域中,如何分散開又如何收集起來的技術(shù)。為了在接收端得到幾乎相互獨(dú)立的路徑,可以通過空域、頻域和時(shí)域的不同角度、不同方法與措施予以實(shí)現(xiàn)。分集接收中,在接收端從不同的N個(gè)獨(dú)立信號(hào)支路所獲得的信號(hào),可以通過不同形式的合并技術(shù)來獲得分集增益。如果從合并所處的位置來看:合并可以在檢測(cè)器以前,即在中頻和射頻上進(jìn)行;合并也可以在檢測(cè)器以后,即在基帶進(jìn)行。合并時(shí)采用的準(zhǔn)則與方式主要分為選擇性合并、最大比值合并和等增益合并三種。這三種方法對(duì)合并后的信噪比的改善(分集增益)各不相同,但總的來說,分集接收方法對(duì)無線信道接收效果的改善非常明顯。8.2.2RAKE接收技術(shù)

無線信號(hào)在傳輸過程中遇到障礙物阻擋反射后,接收機(jī)就會(huì)接收到多個(gè)不同時(shí)延的多徑信號(hào)。在TDMA(時(shí)分多址)系統(tǒng)中信道帶寬小于信道的平坦衰落寬度,所以采用傳統(tǒng)的

調(diào)制技術(shù)需要用均衡器來消除碼間串?dāng)_。而在WCDMA系統(tǒng)中,多徑信號(hào)的時(shí)延超過一個(gè)碼片,接收機(jī)可以分別對(duì)它們進(jìn)行解調(diào),然后分別處理合成。如果僅僅是信號(hào)的一部分受

到衰落的影響,由于在多徑信號(hào)中含有可以利用的信息,經(jīng)RAKE接收機(jī)合并多徑信號(hào)后可以改善接收信號(hào)的信噪比。作為RAKE接收機(jī)來說,一個(gè)RAKE接收機(jī)對(duì)應(yīng)一路通信,它可以同時(shí)處理空中接口上的多徑信號(hào)。每個(gè)RAKE接收機(jī)可以由多個(gè)相關(guān)器組成,在接收時(shí)接收多個(gè)路徑(finger)的信號(hào),也就是一路通信上的多徑信號(hào),通過解擴(kuò)、解擾、時(shí)延調(diào)整之后進(jìn)行疊加,最終合并為一路,進(jìn)行基帶信號(hào)的逆處理過程。RAKE接收機(jī)所帶來的優(yōu)勢(shì)就是多徑分集,RAKE接收機(jī)配置的最大相關(guān)器數(shù)決定了基站同時(shí)能夠處理的多徑數(shù)量。一般上行鏈路可處理的多徑數(shù)最大是4個(gè),下行鏈路最大是6個(gè),每徑都將接收來自不同路徑的一路信號(hào)。在多徑合并時(shí)需要對(duì)不同路徑信號(hào)的時(shí)延進(jìn)行補(bǔ)償,通過RAKE接收機(jī)所配置的搜索窗來控制,調(diào)整搜索窗相關(guān)點(diǎn)的大小,根據(jù)相關(guān)點(diǎn)大小來估算時(shí)延。經(jīng)多徑分離處理后的信號(hào)要實(shí)現(xiàn)多徑合并。通常合并技術(shù)有三類:選擇性合并、最大比合并和等增益合并。

(1)選擇性合并:所有的接收信號(hào)送入選擇邏輯,選擇邏輯從所有接收信號(hào)中選擇具有最高基帶信噪比的基帶信號(hào)作為輸出。

(2)最大比合并:對(duì)M路信號(hào)進(jìn)行加權(quán)再進(jìn)行同相合并,其輸出信噪比等于各路信噪比之和。在各路信號(hào)都很差的情況下,即使沒有一路信號(hào)可以被單獨(dú)解調(diào)時(shí),最大比方法仍然有可能合成出一個(gè)達(dá)到解調(diào)所需信噪比要求的信號(hào)。在所有已知的線性分集合并方法中,最大比合并的抗衰落性能是最佳的。

(3)等增益合并:在某些情況下最大比合并需要產(chǎn)生可變的加權(quán)因子,這并不方便,因而出現(xiàn)了等增益合并。這種合并方法也是把各支路信號(hào)進(jìn)行同相后再相加,只不過加權(quán)時(shí)各路的加權(quán)因子相同。接收機(jī)仍然可以利用同時(shí)接收到的各路信號(hào),并且接收機(jī)從大量不能夠正確解調(diào)的信號(hào)中合成一個(gè)可以正確解調(diào)信號(hào)的概率仍很大。其性能比最大比合并略差,但比選擇性合并要好。 8.3多用戶檢測(cè)技術(shù)

8.3.1引言

在傳統(tǒng)的WCDMA接收機(jī)中,各個(gè)用戶的接收是相互獨(dú)立進(jìn)行的。在多徑衰落環(huán)境下,由于各個(gè)用戶之間所用的擴(kuò)頻碼通常難以保持正交,因而造成多個(gè)用戶之間的相互干擾,并限制系統(tǒng)容量的提高。如果每個(gè)用戶相對(duì)于其他用戶的干擾能夠消除,那么系統(tǒng)容量會(huì)得到很大的提高并且理論上能夠消除遠(yuǎn)近效應(yīng)。解決此問題的一個(gè)有效方法是使用多用戶檢測(cè)技術(shù)(MUD)。它是引用信息論并通過嚴(yán)格的理論分析后提出的一種新型抗多址技術(shù),而且通過多用戶檢測(cè)既可以抗多址干擾,又可以抵抗遠(yuǎn)近效應(yīng)和多徑干擾。

1979年和1983年,K.S.Schneider和R.Kohno分別提出了多用戶接收(即多用戶檢測(cè))的思想,利用其他用戶的已知信息消除多址干擾,實(shí)現(xiàn)無多址干擾的多用戶檢測(cè),并指出了一些研究方向。這是多用戶檢測(cè)最早的報(bào)導(dǎo)。1986年,S.Verdu將多用戶檢測(cè)的理論向前推動(dòng)了一大步,他提出匹配濾波器組加Viterbi譯碼的異步CDMA最佳檢測(cè),其復(fù)雜度為2的用戶數(shù)減一次方。此后,多用戶檢測(cè)取得了很大的進(jìn)展。

對(duì)于上行鏈路的多用戶檢測(cè)技術(shù),可去除小區(qū)內(nèi)各用戶之間的干擾,而小區(qū)間的干擾由于缺乏必要的信息(比如相鄰小區(qū)的用戶情況)可以利用,是難以消除的;對(duì)于下行鏈路的多用戶檢測(cè),可去除公共信道(如導(dǎo)頻、廣播信道等)的干擾。多用戶檢測(cè)考慮到其他用戶的信息(如用戶之間的相關(guān)特性)是已知的,充分利用CDMA用戶特征碼的內(nèi)在結(jié)構(gòu)信息改善接收系統(tǒng)的性能。比較典型的多用戶檢測(cè)算法有線性解相關(guān)算法和干擾抵消算法。線性解相關(guān)算法通過估計(jì)用戶之間的相關(guān)矩陣同時(shí)檢測(cè)多個(gè)用戶的信號(hào);干擾抵消算法則先將干擾信號(hào)扣除掉,然后再進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。多用戶檢測(cè)可以提高系統(tǒng)的容量,克服遠(yuǎn)近效應(yīng)的影響。8.3.2多用戶檢測(cè)的現(xiàn)狀

目前適用于WCDMA的多用戶檢測(cè)算法較少,今后多用戶檢測(cè)努力的方向是降低復(fù)雜度和針對(duì)WCDMA系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。多用戶檢測(cè)技術(shù)考慮復(fù)雜性和處理時(shí)延兩大障礙。從

處理時(shí)延考慮,數(shù)十毫秒處理時(shí)延對(duì)語音信號(hào)數(shù)據(jù)是不可接受的;從復(fù)雜性考慮,最佳檢測(cè)器的指數(shù)復(fù)雜性是不現(xiàn)實(shí)的,次最佳檢測(cè)的線性復(fù)雜度隨技術(shù)的發(fā)展可能會(huì)得到廣泛應(yīng)

用。多用戶檢測(cè)研究的另一個(gè)重要方面是堅(jiān)韌性:既然任何頻率、幅度、相位和定時(shí)上的誤差都將產(chǎn)生不精確的多址干擾消除,帶來系統(tǒng)性能的惡化,多用戶檢測(cè)就必須研究方案

應(yīng)對(duì)不理想條件的堅(jiān)韌性。多用戶檢測(cè)技術(shù)的局限性:多用戶檢測(cè)只是消除了本小區(qū)內(nèi)的干擾,小區(qū)間的干擾并沒有消除。鑒于多用戶檢測(cè)技術(shù)投入使用尚存在上述問題和困難,在WCDMA技術(shù)上,對(duì)

多用戶檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究的工作重點(diǎn)是縮短處理時(shí)延,同時(shí)在增強(qiáng)堅(jiān)韌性方面做研究。在此基礎(chǔ)上,綜合考慮WCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)和多用戶檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度,

結(jié)合當(dāng)前微電子技術(shù)及DSP(數(shù)字信號(hào)處理)器件的發(fā)展及其未來的發(fā)展趨勢(shì),努力找到多用戶檢測(cè)技術(shù)具體實(shí)現(xiàn)的切入點(diǎn),以便能夠大幅度提高其系統(tǒng)容量的關(guān)鍵技術(shù),必將在未

來的移動(dòng)通信中發(fā)揮重要作用。

8.4切換技術(shù)

就WCDMA系統(tǒng)而言,切換分成軟切換和硬切換兩大類。

WCDMA是頻分復(fù)用系統(tǒng),相鄰小區(qū)之間可以使用相同的頻率。同時(shí),在接收端采用了分集接收技術(shù),為移動(dòng)臺(tái)同時(shí)與多個(gè)基站進(jìn)行通信創(chuàng)造了條件。在這種條件下,移動(dòng)臺(tái)在多個(gè)基站小區(qū)之間進(jìn)行切換時(shí),就可以采用軟切換技術(shù)。在發(fā)生切換時(shí),只需要改變相應(yīng)的擴(kuò)頻碼,就可以有效地提高切換的通話質(zhì)量,但是它在一定程度上占用了更多的系統(tǒng)資源。

當(dāng)用戶在網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)時(shí),需要機(jī)動(dòng)地建立和釋放無線鏈路,切換控制管理用戶的移動(dòng)性。WCDMA系統(tǒng)中所使用的這種軟切換技術(shù),是FDMA和TDMA系統(tǒng)所不具備的。軟切換可以有效地提高切換的可靠性,大大減少切換過程中造成掉話的概率。同時(shí),軟切換提供分集,從而提高了通信的質(zhì)量。 8.5無線信道編碼

雖然擴(kuò)頻技術(shù)有利于克服多徑衰落以提高傳輸質(zhì)量,但擴(kuò)頻系統(tǒng)存在潛在的頻率效率低的缺點(diǎn),所以系統(tǒng)中必須采用信道編碼技術(shù)以進(jìn)一步改善通信質(zhì)量。此外,在信息傳輸?shù)倪^程中,由于信道內(nèi)部存在噪聲或者衰落,增加了傳輸信息的誤碼率,為了提高通信的可靠性和安全性,對(duì)可能出現(xiàn)的差錯(cuò)進(jìn)行有效地控制,也同樣需要采用信道編碼技術(shù)。

目前,主要采用前向信道糾錯(cuò)編碼和交織技術(shù)以進(jìn)一步克服衰落效應(yīng),編碼和交織都極大地依賴于信道特性和業(yè)務(wù)需求。不僅對(duì)于業(yè)務(wù)信道和控制信道采用不同的編碼和交織技術(shù),對(duì)于同一信道的不同業(yè)務(wù)也采用不同的編碼和交織技術(shù)。對(duì)于WCDMA系統(tǒng)來說,采用的是卷積碼和Turbo碼。卷積碼主要適用于語音和低速信令的傳送,編碼速率為1/2和1/3,譯碼比較簡(jiǎn)單,信道的誤碼率為10-3。Turbo碼用于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),譯碼采用了Log.MAP算法,有效地降低了誤碼率,可以達(dá)到10-6。

WCDMA選用的碼字是:語音和低速信令業(yè)務(wù)采用卷積碼,數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)采用Turbo碼的編解碼技術(shù)。卷積碼的解碼方法有門限解碼、硬判決Viterbi解碼和軟判決Viterbi解碼。其中軟判決Viterbi解碼的效果最好,是通常采用的解碼方法,其與硬判決方法相比復(fù)雜度增加不多,但性能上卻優(yōu)于硬判決1.5~2dB。

8.6高速下行分組接入技術(shù)

為了很好地解決WCDMA系統(tǒng)覆蓋與容量之間的矛盾,消除干擾,提升系統(tǒng)容量,滿足用戶業(yè)務(wù)需求,在WCDMA的后續(xù)發(fā)展期間產(chǎn)生了許多新技術(shù)。其中最值得關(guān)注的就是高速下行分組接入(HighSpeedDownlinkPacketAccess,HSDPA)。HSDPA是3GPP在R5協(xié)議中為了滿足上/下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)不對(duì)稱的需求而提出的一種調(diào)制解調(diào)算法,它可以在不改變已經(jīng)建設(shè)的WCDMA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的情況下,把下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率提高到10Mb/s。該技術(shù)是WCDMA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)后期提高下行容量和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率的一種重要技術(shù)。

HSDPA采用的關(guān)鍵技術(shù)是自適應(yīng)調(diào)制編碼(AMC)和混合自動(dòng)重復(fù)(HARQ)。AMC根據(jù)信道的質(zhì)量情況,選擇最合適的調(diào)制和編碼方式。HSDPA技術(shù)增加了高速下行共享信道(HSDSCH),并依靠HARQ和AMC對(duì)信道變化進(jìn)行