WCDMA系统基本原理课件.ppt

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WCDMA系统基本原理 学习完此课程，您将会：掌握WCDMA系统的发展历程掌握CDMA技术的基本原理掌握WCDMA系统结构及无线网络接口掌握WCDMA系统无线信道类型及其功能掌握WCDMA系统主要的信令流程目标 内容介绍第1章3G概述第2章CDMA基本原理第3章WCDMA系统结构第4章WCDMA无线接口第5章WCDMA信令流程 移动通信发展历程3G为用户与运营商提供了完整的综合业务解决方案1G(1980s)AMPSTACSNMSOthers2G(1992-2000)CDMAIS95GSMTDMAIS136PDC2.5G(2000-2004)CDMA20001xGPRSEGPRS3G(2004-至今)UMTS/WCDMACDMA2000-EVDOTD-SCDMAWiMAX语音业务语音业务宽带业务数据业务 3G发展概述第三代移动通信的提出IMT-2000是第三代移动通信系统（3G）的统称第三代移动通信系统最早由国际电信联盟（ITU）1985年提出，1996年正式更名为IMT-2000（InternationalMobileTelecommunication-2000）原计划该系统于2000年左右商用工作的频段在2000MHz（2.1GHz）最高业务速率为2000Kbps（2Mbps） 185019001950200020502100215022002250ITUEuropeUSAMSSPCSADBBCDCEFAFEMSSReserveBroadcastauxiliary2165MHz1990MHz1850190019502000205021002150220022501880MHz1980MHzUMTSGSM1800DECTMSS1885MHz2025MHz2010MHzIMT2000MSSUMTSJapanMSSIMT2000MSSIMT2000PHS18951918BC1885AA’2170MHzIMT20002110MHz2170MHzMSSMSSCDMATDDWLLFDDWLL19802025MHzGSM1800CDMAFDDWLL196019201945Chinacellular(1)cellular(2)cellular(2)1805MHz1865186518701885189018951910193019451965197019753G频谱分配 中国3G频谱分配（2002年11月）（一）主要工作频段：频分双工（FDD）方式：1920－1980MHz／2110－2170MHz时分双工（TDD）方式：1880－1920MHz、2010－2025MHz（二）补充工作频率：频分双工（FDD）方式：1755－1785MHz／1850－1880MHz时分双工（TDD）方式：2300－2400MHz，与无线电定位业务共用，均为主要业务，共用标准另行制定（三）卫星移动通信系统工作频段：1980－2010MHz／2170－2200MHz WCDMA的技术特点WCDMA(WidebandCodeDivisionMultiAccess)宽带码分多址WCDMA由欧洲标准化组织3GPP所制定，受全球标准化组织、设备制造商、器件供应商、运营商的广泛支持，将成为未来3G的主流体制。核心网基于GSM/GPRS网络的演进，保持与GSM/GPRS网络的兼容性。核心网络可以基于TDM、ATM和IP技术，并向全IP的网络结构演进。核心网络逻辑上分为电路域和分组域两部分，分别完成电路型业务和分组型业务。UTRAN基于ATM技术，统一处理语音和分组业务，并向IP方向发展。MAP技术和GPRS隧道技术是WCDMA体制移动性管理机制的核心。空中接口采用WCDMA：信号带宽5MHz，码片速率3.84Mcps WCDMA能够使用的频段（一）主要工作频段：1920－1980MHz／2110－2170MHzWCDMA频点计算公式：频点号＝频率×5上行中心频点号：9612～9888下行中心频点号：10562～10838（二）补充工作频率：1755－1785MHz／1850－1880MHz中国移动和中国联通目前已有的GSM频段以后可以用于WCDMA 丰富的3G业务时延误码不同业务QOS要求会话类业务流类业务交互类业务背景类业务 内容介绍第1章3G概述第2章CDMA基本原理第3章WCDMA系统结构第4章WCDMA无线接口第5章WCDMA信令流程 频率时间功率FDMA频率时间功率TDMA多址技术功率时间CDMA频率 扩频与解扩（DS-CDMA）扩频解扩码片符号数据扩频码扩频信号=数据×码字扩频码数据=扩频信号×码字1-11-11-11-11-1 扩频与解扩（DS-CDMA）期望信号其他用户信号期望的扩频信号扩频码解扩后的数据其他扩频信号积分后的其他信号1-11-11-18-81-18-8解扩后的其他信号相关接收机的基本操作积分后的数据处理增益 CDMA宽带扩频技术有效地利用无线信道的频率选择性衰落CDMA过程中的频谱变化扩频码扩频码信号合并窄带信号fP(f)宽带信号P(f)f噪声P(f)f噪声+宽带信号P(f)f信号与噪声分离P(f)fPage14 码分多址（CDMA）的技术特点优点抗干扰能力强，频率复用度高，频谱利用率高保密性强：扩频后的信号近似白噪声软容量，具备一定的话务自适应能力缺点占用带宽较大自干扰系统－系统内用户互相干扰技术实现难度大，需要采用快速功率控制、负载控制等技术 内容介绍第1章3G概述第2章CDMA基本原理第3章WCDMA系统结构第4章WCDMA无线接口第5章WCDMA信令流程 内容介绍第3章WCDMA系统结构3.1WCDMA版本演进3.2WCDMARAN接口协议 WCDMA协议版本的演进R99保留2G（GSM和GPRS）核心网核心网分CS电路域和PS分组域接入网引入WCDMARAN核心网和接入网之间的Iu接口基于ATMR4保留WCDMAR99RAN核心网电路域采用NGN架构，以IP承载话音业务R5核心网增加IM（IP多媒体域），增强IPQoS能力接入网增加HSDPA功能，单载波下载高达14.4Mbps的数据接入能力接入网向IPRAN方向发展200020012002规范完成时间R6/R7全IP解决方案HSUPAPhaseII单载波上载速率高达5.76MbpsHSPA＋(64QAM,CPC,MIMO)LTE(OFDMA,MIMO)2004Page18 WCDMAR5网络结构GSM/GPRSBSSBTSBSCNodeBRNCPCUUTRANSCPSMSSCEHLR/AUC/HSSSGSNCGBGGGSNGPRSbackboneCNMGWMGWVMSCServerGMSCServerIP/ATMBackboneCSdomainPSdomainIu-CSIu-PSIPbackboneMRFPIMSdomainMGWP-CSCFS-CSCFMGCFMRFCRANSS7PSTN/PLMNInternet,IntranetPage19 内容介绍第3章WCDMA系统结构3.1WCDMA版本演进3.2WCDMARAN接口协议 WCDMA网络结构RNCRNCNodeBNodeBNodeBCSPSCBCUEUTRANCNUuIuIu-CSIu-PSIu-BCIurIubIubIubPage21 思考题所有的接口是通过什么来通信的?3G接口在ATM承载网和IP承载网上会产生那些不同? Iu-CS基于ATM网络的接口协议栈结构控制面传输网络层控制面用户面无线网络层传输网络层用户面传输网络层传输网络层用户面ABCRANAPAAL2PATH物理层SAALNNISCCPMTP3-BAIuUPSAALNNIMTP3-BBATMALCAPPage23 Iu-PS基于ATM网络的接口协议栈结构控制面传输网络层控制面用户面无线网络层传输网络层用户面传输网络层传输网络层用户面ACRANAPATMSAALNNISCCPMTP3-BAIuUPBAALType5IPUDPGTP-U物理层ATM物理层CPage24 Iur基于ATM网络的接口协议栈结构控制面传输网络层控制面用户面无线网络层传输网络层用户面传输网络层传输网络层用户面ABCRNSAPAAL2PATH物理层SAALNNISCCPMTP3-BAIur数据流SAALNNIMTP3-BBATMALCAPPage25 Iub基于ATM网络的接口协议栈结构控制面传输网络层控制面用户面无线网络层传输网络层用户面传输网络层传输网络层用户面NCPCCPABCCCPNBAPSAALUNIAAL2PATH物理层SAALUNIDCHFPRACHFPFACHFPPCHFPATMALCAPPage26 Iu-CS基于IP网络的接口协议栈结构控制面传输网络层控制面用户面无线网络层传输网络层用户面传输网络层传输网络层用户面ACRANAPUDP/IP物理层IPSCCPM3UAAIuUPB数据链路层数据链路层SCTPPage27 Iu-PS基于IP网络的接口协议栈结构控制面传输网络层控制面用户面无线网络层传输网络层用户面传输网络层传输网络层用户面ACRANAP数据链路层IPSCCPM3UAAIuUPBIPUDPGTP-U物理层数据链路层物理层SCTPCPage28 Iur基于IP网络的接口协议栈结构控制面传输网络层控制面用户面无线网络层传输网络层用户面传输网络层传输网络层用户面ACRNSAPUDP/IP物理层IPSCCPM3UAAIurUPB数据链路层数据链路层SCTPPage29 Iub基于IP网络的接口协议栈结构控制面传输网络层控制面用户面无线网络层传输网络层用户面传输网络层传输网络层用户面NCPCCPABCCCPNBAPIP物理层IPDCHFPRACHFPFACHFPPCHFP数据链路层数据链路层SCTPUDPPage30 Uu接口协议栈结构L3controlcontrolcontrolLogicalChannelsTransportChannelsC-planesignalingU-planeinformationPHYL2/MACL1RLCDCNtGCL2/RLCMACRLCRLCRLCRLCRLCRLCRLCDuplicationavoidanceUuSboundaryBMCL2/BMCcontrolPDCPPDCPL2/PDCPDCNtGCRadioBearersRRCcontrolPage31 内容介绍第1章3G概述第2章CDMA基本原理第3章WCDMA系统结构第4章WCDMA无线接口第5章WCDMA信令流程 内容介绍第4章WCDMA无线接口4.1WCDMA无线接口关键技术4.2WCDMA无线信道 WCDMA通信模型信源解码信源编码Interleavingdeinterleaving信道编码交织去交织信道解码加扰解扰扩频解扩调制解调射频发射射频接收无线信道 常用术语比特（Bit），符号（Symbol），码片（Chip）经过信源编码的含有信息的数据称为“比特”经过信道编码和交织后的数据称为“符号”经过最终扩频得到的数据称为“码片”WCDMA码片速率：3.84Mcps WCDMA通信模型信源解码信源编码Interleavingdeinterleaving信道编码交织去交织信道解码加扰解扰扩频解扩调制解调射频发射射频接收无线信道 WCDMA的信源编码系统采用AMR（AdaptiveMulti-Rate）语音编码多速率：8种编码速率，从12.2Kbps到4.75Kbps，与目前各种主流移动通信系统（如GSM，IS-95，PDC等）使用的编码兼容，利于设计多模终端根据用户离基站远近，自动调整语音速率，减少切换，减少掉话根据小区负荷，自动降低部分用户语音速率，可以节省部分功率，从而容纳更多用户 WCDMA通信模型信源解码信源编码Interleavingdeinterleaving信道编码交织去交织信道解码加扰解扰扩频解扩调制解调射频发射射频接收无线信道 WCDMA的信道编码信道编码的作用：增加符号间的相关性，以便在受到干扰的情况下恢复信号12345678910111213141516171819202122编码类型语音业务：卷积码（1/2、1/3），约束长度为9，加8个尾比特数据业务：Turbo码（1/3），两个8状态的并行级联卷积码（PCCC）构成，加6个尾比特 交织交织的作用：打乱符号间的相关性，减小信道快衰落和干扰带来的影响12345678......452453454……816...456210...450614...45419...449412...452715...455311...451513...453........B0B1B2B3B4B5B6B7{A4,B0}{A5,B1}{A6,B2}{A7,B3}{B4,C0}{B5,C1}{B6,C2}{B7,C3}一次交织：二次交织： WCDMA通信模型信源解码信源编码Interleavingdeinterleaving信道编码交织去交织信道解码加扰解扰扩频解扩调制解调射频发射射频接收无线信道 (a)(b)相关（相关性100％）不相关（0相关）+1-1+1-1+1-1+1码字的相关性Page42 WCDMA的扩频码：OVSFOVSF：正交可变扩频因子，由Walsh矩阵生成SF=1SF=2SF=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) 扩频原理____________UE1:＋1－11_____________UE2:－1＋1c1:＋1－1＋1－1＋1－1＋1－1c2:＋1＋1＋1＋1＋1＋1＋1＋1UE1×c1：＋1－1＋1－1－1＋1－1＋1UE2×c2：－1－1－1－1＋1＋1＋1＋1UE1×c1＋UE2×c2：0－20－20＋20＋2Page44 解扩原理UE1×c1＋UE2×c2：0－20－20＋20＋2UE1使用c1解扩：c1＋1－1＋1－1＋1－1＋1－1解扩结果：0＋20＋20－20－2积分判决：＋4（表示＋1）－4（表示－1）UE2使用c2解扩：c2＋1＋1＋1＋1＋1＋1＋1＋1解扩结果：0－20－20＋20＋2积分判决：－4（表示－1）＋4（表示＋1）Page45 OVSF码的用途在下行信道，OVSF用于区分用户在上行信道，OVSF用于区分同一个用户的不同业务典型业务数据速率下行SF上行SFAMR12.2+3.412864Modem28.8k28.8+3.4643212.2kAMR&64kpacketdata12.2+64+3.4321612.2kAMR&144kpacketdata12.2+144+3.416812.2kAMR&384kpacketdata12.2+384+3.484 WCDMA通信模型信源解码信源编码Interleavingdeinterleaving信道编码交织去交织信道解码加扰解扰扩频解扩调制解调射频发射射频接收无线信道 WCDMA的扰码：GOLD序列不同用户（或载波）要采用不同的码序列区分在上行信道，扰码用于区分用户上行有224个上行长扰码和224个上行短扰码在下行信道，扰码用于区分小区（扇区载频）下行有218－1＝262143个扰码，但目前只使用0……8191号扰码中的主扰码扰码每10ms重复一次，长度是38400chips 下行扰码集0集1…集511主扰码0从扰码1…从扰码15主扰码511×16…从扰码511×16＋1从扰码511×16＋158192个扰码512集每集分为1个主扰码，15个从扰码目前系统主要采用主扰码主扰码和从扰码Page49 WCDMA通信模型信源解码信源编码Interleavingdeinterleaving信道编码交织去交织信道解码加扰解扰扩频解扩调制解调射频发射射频接收无线信道 WCDMA的调制调制的作用把需要传递的信息送上射频信道采用不同的调制方式可以极大地影响空中接口提供数据业务的能力R99/R4：采用QPSK，下行最大数据速率2.7MbpsHSDPA：采用16QAM，下行最大数据速率14.4Mbps WCDMA通信模型信源解码信源编码Interleavingdeinterleaving信道编码交织去交织信道解码加扰解扰扩频解扩调制解调射频发射射频接收无线信道 无线通信的大敌：衰落Distance(m)接收功率(dBm)102030-20-40-60慢衰落快衰落Page53 快衰落的类型空间选择性衰落在不同地点（空间）衰落特性不一样一般是由于物体反射形成时间选择性衰落在不同时间衰落特性不一样主要是快速移动用户引起的多普勒频移造成频率选择性衰落在不同频率衰落特性不一样主要由宽带信号的时间色散引起 分集技术－克服快衰落的主要手段空间选择性衰落空间分集：分集天线水平距离大于10倍波长极化分集：两接收天线极化方向正交发射分集：克服大尺度衰落（由于周围环境地段和地物的差别而导致的阴影区引起） 克服快衰落的手段－分集技术时间选择性衰落时间分集－信道交织频率选择性衰落频率分集－跳频、扩频RAKE接收机 RAKE接收机前端接收机第一接收径第二接收径第三接收径延时估计器计算延时及相位偏转信号合成器合并信号tts(t)s(t)Page57 WCDMA的快速功率控制功率控制速度达到1500次/秒，功控速度大于衰落速度，可以有效地克服阴影衰落和快衰落降低网络干扰，提高系统质量和容量省电，延长手机的通话时间 UEmoveTargetBSSourceBStimeDataUEreceived/sent“GAP”ofcommunicationWCDMA的切换－硬切换硬切换的特点先中断源小区的链路，后建立目标小区的链路通话会产生“缝隙”非CDMA系统都只能进行硬切换 WCDMA切换－软切换软切换特点CDMA系统所特有，只能发生在同频小区间先建立目标小区链路，后中断源小区链路，可以避免通话“缝隙”软切换会比硬切换占用更多的系统资源当进行软切换的两个小区属于同一个NodeB时，上行的合并可以进行最大比合并，此时为“更软切换”UEmoveTargetBSSourceBStimeDataUEreceived/sentNo“GAP”ofcommunicationPage60 内容介绍第4章WCDMA无线接口4.1WCDMA无线接口关键技术4.2WCDMA无线信道 信道分类从不同协议层次上讲，WCDMA承载用户各种业务的信道被分为以下三类：逻辑信道：直接承载用户业务根据承载的是控制平面业务还是用户平面业务，分为控制信道和业务信道传输信道：物理层对MAC层提供的服务根据传输的是针对一个用户的专用信息还是针对所有用户的公共信息，分为专用信道和公共信道物理信道：各种信息在无线接口传输时的最终体现形式 业务逻辑信道（TCH）控制逻辑信道（CCH）专用业务信道（DTCH）公共业务信道（CTCH）广播控制信道（BCCH）寻呼控制信道（PCCH）专用控制信道（DCCH）公共控制信道（CCCH）逻辑信道分类Page63 广播信道BCH前向接入信道FACH寻呼信道PCH反向（随机）接入信道RACH专用信道DCHDCH信道可以为上行或下行信道公共传输信道专用传输信道传输信道分类Page64 物理信道分类物理信道分为上行物理信道和下行物理信道物理信道可以由某一载波频率、码（信道码和扰码）、相位确定多数信道由无线帧和时隙组成，每一无线帧10ms，包括15个时隙DataSlot#0Slot#1Slot#14Tslot=2560chipsT=10ms,38400chipsDataSlot#i 上行公共物理信道物理随机接入信道(PRACH)上行专用物理信道专用物理数据信道(uplinkDPDCH)专用物理控制信道(uplinkDPCCH)上行物理信道上行物理信道Page66 下行公共物理信道公共控制物理信道(CCPCH)同步信道(SCH)寻呼指示信道(PICH)捕获指示信道(AICH)公共导频信道(CPICH)下行专用物理信道(downlinkDPCH)下行物理信道下行物理信道Page67 物理信道的功能基站NodeB用户终端UEP-CCPCH-主公共控制物理信道SCH–同步信道P-CPICH–主公共导频信道S-CPICH–从公共导频信道小区广播信道DPDCH–专用物理数据信道DPCCH–专用物理控制信道专用连接信道寻呼信道PICH–寻呼指示信道S-CCPCH–从公共控制物理信道PRACH–随即接入物理信道AICH–获取指示信道随机接入信道HS-DPCCH–高速专用控制信道HS-SCCH–高速共享控制信道HS-PDSCH－高速下行物理共享信道高速下行共享信道 公共物理信道的功能SCH（同步信道）：用于小区搜索分成主同步信道P-SCH和从同步信道S-SCHCPICH（公共导频信道）：用于扰码识别分成主公共导频信道P-CPICH和从公共导频信道S-CPICHP-CPICH：信道码固定为Cch,256,0，扰码为主扰码P-CPICH是其它下行物理信道的功率基准从公共导频信道S-CPICH：主要用于智能天线P-CCPCH（主公共控制物理信道）：用于承载系统消息信道码固定为Cch,256,1以上信道每个小区必须配置且仅能配置一条 公共物理信道的功能S-CCPCH（从公共控制物理信道）：用于承载下行信令PICH（寻呼指示信道）：用于承载寻呼指示，与S-CCPCH成对配置PRACH（物理随机接入信道）：用于承载上行信令接入时隙的间隔为5120chips，代表WCDMA基站最大覆盖半径为200公里AICH（捕获指示信道）：用于承载对PRACH前缀的捕获指示，与PRACH成对配置以上信道每个小区必须至少配置一条 专用物理信道的功能DPDCH（专用物理数据信道）：用于承载用户的业务数据，单码道最大数据速率为384KbpsDPCCH（专用物理控制信道）：用于承载控制信息，为DPDCH提供解调、功控等控制数据上行DPDCH和DPCCH在不同码道上传送；下行DPDCH和DPCCH在同一码道上以时间复用的方式传送当用户所需数据速率大于单码道最大数据速率时，可以采用多码道传输上行最大数据速率：384Kbps×6码道(2.3Mbps)下行最大数据速率：384Kbps×7码道(2.7Mbps) HSDPA物理信道的功能HS-PDSCH（HSDPA物理下行共享信道）：用于承载用户的业务数据，单码道最大数据速率为960KbpsHS-SCCH（HSDPA共享控制信道）：用于承载HS-PDSCH信道的控制信令HS-DPCCH（HSDPA专用物理控制信道）：用于信令传输和功率控制HSDPA最大数据速率：960Kbps×15码道＝14.4Mbps 内容介绍第1章3G概述第2章CDMA基本原理第3章WCDMA系统结构第4章WCDMA无线接口第5章WCDMA信令流程 呼叫总体流程网络侧启动1.初始化设备2.进行系统广播第一步手机开机1.小区选择2.位置登记　3.等待呼叫第二步被呼第三步RRC连接建立第四步Iu接口信令连接建立第五步RAB建立第六步软/硬切换第六步RAB/RB切换第六步物理信道重配置第六步传输信道重配置第六步URA更新第六步小区更新第六步与GSM之间切换第七步RRC连接释放第八步重新待机1.小区选择　2.等待呼叫Page74 交流与答疑网优中心的职责和工作GSM和WCDMA的相同点与不同点中国联通900Mhz带宽是多少GSM双频网是指什么WCDMA业务类型有哪些WCDMA的先进之处WCDMA的演进