WCDMA系統(tǒng)基本原理綜述

1、課程目標課程目標l了解了解WCDMA技術(shù)的基本原理技術(shù)的基本原理l了解了解CDMA技術(shù)的優(yōu)點技術(shù)的優(yōu)點l了解了解WCDMA系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)l了解了解WCDMA協(xié)議版本的演進情況協(xié)議版本的演進情況學習完本課程，您將能夠：學習完本課程，您將能夠：課程內(nèi)容課程內(nèi)容T第一章第一章 3G發(fā)展概述發(fā)展概述第二章第二章 多址技術(shù)和雙工技術(shù)多址技術(shù)和雙工技術(shù)第三章第三章 WCDMA基本原理基本原理3G發(fā)展與演進介紹發(fā)展與演進介紹不同業(yè)務(wù)，不同技術(shù)不同業(yè)務(wù)，不同技術(shù)AMPSTACSNMT其它第一代 80年代模擬模擬技術(shù)GSMCDMA IS95TDMAIS-136PDC第二代 90年代數(shù)字需求

2、驅(qū)動需求驅(qū)動數(shù)數(shù)字字技技術(shù)術(shù)語音業(yè)務(wù)第三代 IMT-2000UMTSWCDMAcdma2000需求驅(qū)動需求驅(qū)動寬帶帶業(yè)務(wù)TD-SCDMA3G為用戶與運營商提供了完整的綜合業(yè)務(wù)解決方案為用戶與運營商提供了完整的綜合業(yè)務(wù)解決方案l第三代移動通信的提出第三代移動通信的提出IMT-2000是第三代移動通信系統(tǒng)（3G）的統(tǒng)稱第三代移動通信系統(tǒng)最早由國際電信聯(lián)盟（ITU）1985年提 出，1996年正式更名為IMT-2000（International Mobile Telecommunication-2000） 原計劃該系統(tǒng)于 2000年年左右商用 工作的頻段在 2000MHz 最高業(yè)務(wù)速率為 2000

3、Kbps3G發(fā)展概述發(fā)展概述l日益增長的無線業(yè)務(wù)需求：許多系統(tǒng)如D-AMPS，GSM，PDC，PHS已經(jīng)超出容量l希望在無線網(wǎng)絡(luò)中引入高速數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)l基本十年一代的移動通訊發(fā)展速度3G的驅(qū)動力的驅(qū)動力CATT3GPP3GPP2UWCCDECTOHG3G.IPIMT-2000 RecommendationsIMT-TC (UTRA-TDDLCR)IMT-DSIMT-TC (UTRA-TDDHCR)IMT-MCIMT-SCAll-IPIMT-FCOHG = operators Harmonization GroupUWCC = Universal Wireless Communication

4、s ConsortiumCATTChina Academy of Telecommunications TechnologyDECT=Digital Enhanced Cordless Telephone SatellitesSRAN標準化組織標準化組織3G技術(shù)體制技術(shù)體制lWCDMA由標準化組織3GPP所制定lcdma2000體制是基于IS-95的標準基礎(chǔ)上提出的3G標準，目前其標準化工作由3GPP2來完成lTD-SCDMA標準由中國無線通信標準組織CWTS提出，目前已經(jīng)融合到3GPP關(guān)于WCDMA-TDD的相關(guān)規(guī)范中WCDMA標準發(fā)展標準發(fā)展WCDMA標準規(guī)劃清晰，制定嚴謹標準規(guī)劃清晰，制

5、定嚴謹l WCDMA支持HSDPA技術(shù)，順應(yīng)未來高速無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求l WCDMA將分階段引入IP，目標是實現(xiàn)全網(wǎng)的IP化，標準比較完善l WCDMA 2001/06及以后發(fā)布的協(xié)議能夠保持前向兼容3GPP Rel993GPP Rel4 3GPP Rel5 功能凍結(jié)功能凍結(jié)時間點時間點2000/032001/032002/03GSM/GPRS核心網(wǎng)WCDMA RTT電路域IP話音承載電路域CS/MGWTD-SCDMAVoIP QoS是關(guān)鍵IP實時多媒體HSDPAcdma2000標準發(fā)展標準發(fā)展cdma2000標準發(fā)展標準發(fā)展l cdma2000在核心網(wǎng)標準和技術(shù)方面相對滯后l EVDO和EV

6、DV之爭久拖不決IS-95A規(guī)范完成規(guī)范完成時間點時間點199519982000QCELP話音編碼9.6kbps115.2kbps 8碼道捆綁307.2kbps話音容量加倍cdma20001xEV-DO/DV 2002DO:高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)DV:高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)話音業(yè)務(wù)IS-95Bcdma20001x cdma2000-3x TD-SCDMA發(fā)展歷程發(fā)展歷程3G發(fā)展與演進介紹發(fā)展與演進介紹185019001950200020502100215022002250ReserveUMTSGSM 1800DECTMSSMSSIMT 2000PHSMSSIMT 2000IMT 2000MSSIMT 2000IM

7、T 2000IMT 2000MSSUMTSMSSA D B EFABCMSSMSSMSSGSM 1800, PCSFEBBCITU IdentificationsEuropeChina*Japan,Korea (w/o PHS)Americas*1700175018009501000800850900IMT 2000IMT 20002500255026002650 2700IMT 2000UMTSGSMCellularPDCCellularMSSGSMIMT-2000IMT 2000IMT 2000UPCSPCS*DIMT 20003G頻譜分配頻譜分配中國中國3G頻譜分配（頻譜分配（2002年

8、年11月）月）185019001950200020502100215022002250ITU1850190019502000205021002150220022501880 MHz1980 MHz1885 MHz2025 MHz2010 MHzIMT 20002170 MHzIMT 20002110 MHz2170 MHzMSSMSSChinaMSSMSSMSSFDDFDD1920 MHzTDDTDD中國中國3G頻譜分配（頻譜分配（2002年年11月）月）lIMT2000、歐洲的頻率劃分和中國一致l北美的頻率劃分與中國的核心頻段沖突l第三代公眾移動通信系統(tǒng)的工作頻段為： （一）主要工作頻段：

9、頻分雙工（FDD）方式：19201980MHz21102170MHz 時分雙工（TDD）方式：18801920MHz、20102025MHz （二）補充工作頻率： 頻分雙工（FDD）方式：17551785MHz18501880MHz 時分雙工（TDD）方式：23002400MHz，與無線電定位業(yè)務(wù)共用，均為主要業(yè)務(wù)，共用標準另行制定（三）衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)工作頻段： 19802010MHz21702200MHz 3G發(fā)展與演進介紹發(fā)展與演進介紹WCDMA協(xié)議版本的演進協(xié)議版本的演進R99l繼承2G（GSM和GPRS）所有的業(yè)務(wù)和功能l核心網(wǎng)分CS電路域和PS分組域l接 入 網(wǎng) 引 入 W C D

10、 M A UTRANl核心網(wǎng)和接入網(wǎng)之間的Iu接口基于ATMR4l繼承WCDMA R99所有的業(yè)務(wù)和功能l電路域結(jié)構(gòu)的變化：控制和承載相分離，MSC可以用合一或SERVER、MGW分離結(jié)構(gòu)實現(xiàn)l電路域引入分組話音，支持多種傳輸技術(shù)：TDM，ATM，IPR5l繼承WCDMA R4所有的業(yè)務(wù)和功能l核心網(wǎng)增加IM（IP多媒體域）lRAN向IP方向發(fā)展l增強的IP QoS能力，支持端到端的IP多媒體業(yè)務(wù)200020012002規(guī)范完成時間WCDMA R99網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)GSM /GPRS BSSBTSBSCNodeBRNCPCUUMTS UTRAN SS7SCPSMSSCEPSTNISDNInte

11、rnet,IntranetMSC/VLRGMSCHLR/AUCSGSNCGBGGGSNGPRS骨干網(wǎng)/Other PLMNWCDMA R4網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)GSM /GPRS BSSBTSBSCNodeBRNCPCUUMTS UTRAN SS7SCPSMSSCEPSTNISDNInternet,IntranetHLR/AUCSGSNCGBGGGSNGPRS骨干網(wǎng)Other PLMNVMSC ServerGMSC ServerIP/ATM BackboneGSM /GPRS BSSBTSBSCNodeBRNCPCUUTRAN SS7SCPSMSSCEPSTN/PLMNInternet,Intran

12、etHLR/AUC/HSSSGSNCGBGGGSNGPRSbackboneVMSC ServerGMSC ServerIP/ATM BackboneCS domainPS domainIu-CSIu-PSIP backboneIMS domainP-CSCFS-CSCFMGCFMRFCWCDMA R5網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容課程內(nèi)容T第一章第一章 3G發(fā)展概述發(fā)展概述第二章第二章 多址技術(shù)和雙工技術(shù)多址技術(shù)和雙工技術(shù)第三章第三章 WCDMA基本原理基本原理l頻分雙工（頻分雙工（FDD）：）：以不同頻率區(qū)分上行和下行以不同頻率區(qū)分上行和下行WCDMA、cdma2000使用FDD優(yōu)點：實現(xiàn)簡單缺點

13、：在上下行業(yè)務(wù)不對稱時（主要是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)）頻譜利用效率低l時分雙工（時分雙工（TDD）：）：以不同時隙區(qū)分上行和下行以不同時隙區(qū)分上行和下行TD-SCDMA使用TDD優(yōu)點：在上下行業(yè)務(wù)不對稱時可以給上下行靈活分配不同數(shù)量的時隙，頻譜利用效率高缺點： 實現(xiàn)較復(fù)雜，需要GPS同步 和和CDMA技術(shù)一起使用時，上下行之間的干擾控制困難技術(shù)一起使用時，上下行之間的干擾控制困難雙工技術(shù)：區(qū)分用戶的上行雙工技術(shù)：區(qū)分用戶的上行/下行信號下行信號頻率時間TDMA時間頻率FDMA頻率時間碼字CDMA傳統(tǒng)多址技術(shù)傳統(tǒng)多址技術(shù)碼分多址技術(shù)碼分多址技術(shù)（直接擴頻方式）（直接擴頻方式）多址技術(shù)：區(qū)分不同用戶多址技術(shù)：區(qū)

14、分不同用戶多址技術(shù)比較多址技術(shù)比較 FDMATDMACDMAl容量容量 1461020l載干比載干比(C/I)18dB 9dB -8 -6dBl實現(xiàn)難度實現(xiàn)難度 易易 中中 難難碼分多址（碼分多址（CDMA）的技術(shù)特點的技術(shù)特點l優(yōu)點優(yōu)點抗干擾能力強，頻率復(fù)用度高，頻譜利用率大大提高保密性強：擴頻后的信號近似白噪聲CDMA系統(tǒng)的用戶容量是軟容量，具備一定的話務(wù)自適應(yīng)能力（小區(qū)呼吸）l缺點缺點占用帶寬較大CDMA系統(tǒng)是自干擾系統(tǒng)系統(tǒng)內(nèi)用戶互相干擾技術(shù)實現(xiàn)難度大：功率控制技術(shù)、負載控制技術(shù)等課程內(nèi)容課程內(nèi)容T第一章第一章 3G發(fā)展概述發(fā)展概述第二章第二章 多址技術(shù)和雙工技術(shù)多址技術(shù)和雙工技術(shù)第三章

15、第三章 WCDMA基本原理基本原理WCDMA通信模型通信模型信源解碼信源編碼Interleavingdeinterleaving信道編碼交織去交織信道解碼加擾解擾擴頻解擴調(diào)制解調(diào)射頻發(fā)射射頻接收無線信道常用術(shù)語常用術(shù)語 l比特（比特（Bit），符號），符號(Symbol) ，碼片，碼片 (Chip)經(jīng)過信源編碼的含有信息的數(shù)據(jù)稱為“比特”經(jīng)過信道編碼和交織后的數(shù)據(jù)稱為“符號”經(jīng)過最終擴頻得到的數(shù)據(jù)稱為“碼片” WCDMA的擴頻速率：3.84Mcpsl處理增益處理增益最終擴頻速率和比特速率的比在WCDMA系統(tǒng)中，根據(jù)提供業(yè)務(wù)的不同，處理增益是可變的WCDMA通信模型通信模型信源解碼信源編碼Int

16、erleavingdeinterleaving信道編碼交織去交織信道解碼加擾解擾擴頻解擴調(diào)制解調(diào)射頻發(fā)射射頻接收無線信道lWCDMA系統(tǒng)采用系統(tǒng)采用AMR（Adaptive Multi-Rate）語音編碼）語音編碼編碼共有8種，速率從12.2Kbps4.75Kbps多種語音速率與目前各種主流移動通信系統(tǒng)使用的編碼方式兼容，有利于設(shè)計多模終端根據(jù)用戶離基站遠近，自動調(diào)整語音速率，減少切換，減少掉話根據(jù)小區(qū)負荷，自動降低部分用戶語音速率，可以節(jié)省部分功率，從而容納更多用戶（小區(qū)呼吸）WCDMA的信源編碼的信源編碼信源解碼信源編碼Interleavingdeinterleaving信道編碼交織去交織

17、信道解碼加擾解擾擴頻解擴調(diào)制解調(diào)射頻發(fā)射射頻接收無線信道WCDMA通信模型通信模型l信道編碼的作用：增加符號間的相關(guān)性，以便在受到信道編碼的作用：增加符號間的相關(guān)性，以便在受到干擾的情況下恢復(fù)信號干擾的情況下恢復(fù)信號1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25l編碼類型編碼類型語音業(yè)務(wù)：卷積碼（1/2、1/3），約束長度為9，加8個尾比特數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)：Turbo碼（1/3），兩個8狀態(tài)的并行級聯(lián)卷積碼（PCCC）構(gòu)成，加6個尾比特WCDMA的信道編碼的信道編碼l交織的作用：打亂符號間的相關(guān)性，減小信道快衰落和交織

18、的作用：打亂符號間的相關(guān)性，減小信道快衰落和干擾帶來的影響干擾帶來的影響交織交織1 2 3 4 5 6 7 8 . . 452 453 454 816.456210.450614.45419.449412.452715.455311.451513.453.B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7A4,B0 A5,B1 A6,B2 A7,B3 B4,C0 B5,C1 B6,C2 B7,C3一次交織：一次交織：二次交織：二次交織：信源解碼信源編碼Interleavingdeinterleaving信道編碼交織去交織信道解碼加擾解擾擴頻解擴調(diào)制解調(diào)射頻發(fā)射射頻接收無線信道WCDMA通信模型通信

19、模型相關(guān)性相關(guān)性(a)(b)相關(guān)（相關(guān)性100 ）不相關(guān)（0相關(guān)） +1-1+1-1+1-1+1擴頻原理擴頻原理 _UE1: 1 1 個 _UE2: 1 1 個c1:1 1 1 1 1 1 1 1 c2:1 1 1 1 1 1 1 1 UE1c1：1 1 1 1 1 1 1 1 UE2c2：1 1 1 1 1 1 1 1 UE1c1 UE2c2： 0 2 0 2 0 2 0 2 解擴原理解擴原理UE1c1 UE2c2： 0 2 0 2 0 2 0 2 UE1使用使用c1解擴：解擴：c11 1 1 1 1 1 1 1 解擴結(jié)果：解擴結(jié)果： 0 2 0 2 0 2 0 2積分判決：積分判決：4（表

20、示（表示1） 4（表示（表示1）UE2使用使用c2解擴：解擴：c21 1 1 1 1 1 1 1 解擴結(jié)果：解擴結(jié)果： 0 2 0 2 0 2 0 2積分判決：積分判決：4（表示（表示1） 4（表示（表示1）信號信號 突發(fā)干擾突發(fā)干擾白噪聲白噪聲fS（f）擴頻前的信號頻譜擴頻前的信號頻譜信號信號f0解擴前的信號頻譜解擴前的信號頻譜信號信號噪聲噪聲S（f）f0ff0解擴后的信號頻譜解擴后的信號頻譜信號信號噪聲噪聲S（f）f擴頻后的信號頻譜擴頻后的信號頻譜信號信號f0S（f）f擴頻技術(shù)抗干擾原理擴頻技術(shù)抗干擾原理WCDMA使用的擴頻碼：使用的擴頻碼：OVSF（Walsh）SF = 1SF = 2S

21、F = 4Cch,1,0 = (1)Cch,2,0 = (1,1)Cch,2,1 = (1,-1)Cch,4,0 =(1,1,1,1)Cch,4,1 = (1,1,-1,-1)Cch,4,2 = (1,-1,1,-1)Cch,4,3 = (1,-1,-1,1)OVSF碼的互相關(guān)為零，相互完全正交碼的互相關(guān)為零，相互完全正交信源解碼信源編碼Interleavingdeinterleaving信道編碼交織去交織信道解碼加擾解擾擴頻解擴調(diào)制解調(diào)射頻發(fā)射射頻接收無線信道WCDMA通信模型通信模型加擾的作用加擾的作用l下行：區(qū)分小區(qū)（扇區(qū)載頻）下行：區(qū)分小區(qū)（扇區(qū)載頻）不同小區(qū)配置不同的下行“擾碼”以O(shè)

22、VSF碼區(qū)分小區(qū)內(nèi)不同用戶l上行：區(qū)分用戶上行：區(qū)分用戶不同用戶配置不同的上行“擾碼”以O(shè)VSF用來區(qū)分該用戶的不同業(yè)務(wù)WCDMA使用的擾碼：使用的擾碼： Gold碼碼lGold碼：碼：由m序列（cdma2000采用）的不同相位異或而成優(yōu)點：不需要GPS同步，系統(tǒng)靈活性、安全性高 基站可以工作在異步模式 室內(nèi)覆蓋容易實現(xiàn)缺點：碼間干擾比m序列大信源解碼信源編碼Interleavingdeinterleaving信道編碼交織去交織信道解碼加擾解擾擴頻解擴調(diào)制解調(diào)射頻發(fā)射射頻接收無線信道WCDMA通信模型通信模型調(diào)制的作用調(diào)制的作用l把需要傳遞的信息送上射頻信道把需要傳遞的信息送上射頻信道l不同的

23、調(diào)制方式可以極大地影響空中接口提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)不同的調(diào)制方式可以極大地影響空中接口提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的能力的能力2PSK（BPSK） ：定義2個相位，每個相位需要1個比特表示 00 18014PSK（QPSK） ：定義4個相位，每個相位需要2個比特表示 000900118010270118PSK（EDGE采用）：定義8個相位，每個相位由3個比特表示 0000 45 001 90010135011180100225101270110315111WCDMA R99、R4調(diào)制方式：調(diào)制方式：QPSK3(1,1)2(1,0)1(0,1)0(0,0)Symbol parameter lModulating bit

24、sHSDPA（R5）調(diào)制方式：）調(diào)制方式：16QAM信源解碼信源編碼Interleavingdeinterleaving信道編碼交織去交織信道解碼加擾解擾擴頻解擴調(diào)制解調(diào)射頻發(fā)射射頻接收無線信道WCDMA通信模型通信模型無線傳播環(huán)境：多徑環(huán)境無線傳播環(huán)境：多徑環(huán)境時間接收信號強度發(fā)射信號衰落衰落發(fā)射數(shù)據(jù)發(fā)射數(shù)據(jù)-40-35-30-25-20-15-10-50dB接收數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)無線通信的大敵：衰落無線通信的大敵：衰落距離距離(m)接收功率接收功率(dBm)102030-20-40-60慢衰落慢衰落快衰落快衰落l空間選擇性衰落空間選擇性衰落在不同地點（空間）衰落特性不一樣一般是由于物體反射形成l時間選擇性衰落時間選擇性衰落在不同時間衰落特性不一樣主要是快速移動用戶引起的多普勒頻移造成l頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落在不同頻率衰落特性不一樣主要由寬帶信號的時間色散引起快衰落的類型快衰落的類型l空間選擇性衰落空間選擇性衰落空間分集：分集天線水平距離大于10倍波長極化分集：兩接收天線極化方向正交發(fā)射分集：克服大尺度衰落（由于周圍環(huán)境地段和地物的差別而導(dǎo)致的陰影區(qū)引起）克服快衰落的手段分集技術(shù)克服快衰落的手段分集技術(shù)l開環(huán)發(fā)射分集開環(huán)發(fā)射分集基于時空塊編碼的發(fā)射天線分集（STTD）SCH上的時間切換傳輸分集（TSTD）l閉